激光產(chǎn)生原理

激光的波長

應(yīng)用于激光器的紫外激光，主要分為氣體激光器和紫外全固態(tài)激光器兩種。目前用于激光加工的氣體紫外激光器主要是準(zhǔn)分子激光器和氬離子激光器兩種。然而這些激光器在應(yīng)用中都有缺點(diǎn)，例如:設(shè)備占地面積大、可靠性有限、壽命短、高能耗、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高、需要定期更換有毒的氣體或液體燃料等。而且，準(zhǔn)分子激光光束質(zhì)量差，需要用遮光膜，將損失95%甚至更多的輸出能量:氦鎘激光器和離子激光器也有光束指向穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。

由于具有效率高、高重復(fù)率、性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量好以及較高的功率穩(wěn)定性等特點(diǎn)，使得LD泵浦的全固態(tài)紫外激光器的研究具有非常重要的意義和比較好的應(yīng)用前景。全固態(tài)紫外激光器目前已經(jīng)在半導(dǎo)體工業(yè)、材料制備、全光光學(xué)器件制作、集成電路板及生物工程等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

將全固態(tài)激光器與非線性頻率變換技術(shù)相結(jié)合是目前獲得全固態(tài)紫外激光輸出最常用的方法。通過對摻釹離子固體激光器在1.0pum附近的近紅外光波進(jìn)行腔內(nèi)或腔外頻率轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生三次、四次或者五次諧波是目前最成熟的紫外光源產(chǎn)生方案。目前，在德國、美國和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，紫外激光器已成為工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)激光器，平均功率在5-10 W的355 nm紫外激光器已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平。

紫外激光的應(yīng)用

在器件加工領(lǐng)域，相對于波長較長的紅外光，利用紫外激光對器件進(jìn)行加工具有一些特殊的優(yōu)點(diǎn):

首先，紅外光或可見光通常依靠產(chǎn)生局部熱量使器件熔化或氣化的方式加工，該加工方式會導(dǎo)致被加工區(qū)域周圍結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，因而限制了器件邊緣強(qiáng)度和產(chǎn)生精細(xì)特征的能力;而紫外激光加工則是通過直接破壞連接物質(zhì)原子的化學(xué)鍵，這種直接將物質(zhì)分離成原子的“冷”過程，并不會對加工區(qū)域加熱。

其次，由于眾多玻璃和晶體材料對紫外光(300nm以下)都有強(qiáng)烈的吸收效用，而對近紅外和可見光的吸收效果較弱。因此在實(shí)際生產(chǎn)中無法采用近紅外光或可見光對這類材料加工，相反采用紫外激光則可以對此類材料加工。

此外紫外激光器由于波長較短產(chǎn)生的精細(xì)加工的能力更使其具有更高的空間分辨率;也使對金屬、半導(dǎo)體等許多物質(zhì)進(jìn)行打孔、切割等精細(xì)加工成為可能。

波長范圍在2-5微米左右的中紅外波段具有許多獨(dú)特的光學(xué)特性，在醫(yī)學(xué)、生物、通信以及軍事等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力。同時，中紅外波段激光對人眼是安全的，并且具有很強(qiáng)的大氣穿透能力，因此在氣象監(jiān)測、空間光通信、激光測距、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、遙感等多個方面也有著廣泛的應(yīng)用。然而目前業(yè)內(nèi)對中紅外波段光源的研究主要以晶體為介質(zhì)，但是由于晶體自身的局限性，存在體積大、成本高等缺陷，因此，研究更高性能的中紅外的光源十分迫切。硫系玻璃光纖具有損耗低、非線性折射率系數(shù)高的特點(diǎn)，近年來逐漸進(jìn)入研究者的視線。

紅外激光和紫外激光的比較

綠光激光具有亮度高、聚焦光斑小、作用時間短、熱影響區(qū)小、加工過程中工件不易產(chǎn)生較大形變等優(yōu)點(diǎn)，可以對硬度高、脆性大的特殊材料進(jìn)行精密加工，因此，綠光激光器在精密加工中有獨(dú)特的優(yōu)勢。相對于紅外波段DPSSL來說，高功率綠光具有波長更短、焦深更長、激光能量利用率高、激光光束線寬更窄等特點(diǎn)，因此，高功率綠光激光器可用于陶瓷的劃片與鉆孔。在PCB板的激光切割方面，高功率綠光激光器相對于紫外激光器，具有低成本和高平均功率的優(yōu)勢，且性價比更高。在硅太陽電池加工領(lǐng)域，硅材料對532 nm綠光吸收非常高，與紫外激光相比，高功率綠光在硅片劃片和鉆孔效率更高。DPSSGL還可用于金屬材料微焊接,利用偏低功率的532nm激光，使材料熔化而不至于氣化，冷卻后形成連續(xù)的固體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)金屬材料的微焊接。美國MiyachiUnitck公司，利用532nm的Nd:YAG準(zhǔn)連續(xù)激光在銅條上成功實(shí)現(xiàn)了銅的微焊接。此外，綠光激光器還可用于玻璃、塑料、鋁及其合金等材料的激光打標(biāo)、精密加工等。

隨著全固態(tài)激光技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)及非線性頻率變換技術(shù)的飛速蓬勃發(fā)展，全固態(tài)激光器正朝著高功率、高穩(wěn)定性、多波段、可調(diào)諧的研究方向發(fā)展，其中發(fā)展迅速且較為成熟的是半導(dǎo)體激光二二極管泵浦的全固態(tài)綠光激光器(Diode Pumped Solid-StateGreen Laser, DPSSGL)。全固態(tài)綠光激光器在科研、激光醫(yī)療、激光加工、軍事國防、及激光顯示等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。在彩色顯示技術(shù)領(lǐng)域中，與其他顯示技術(shù)相比，激光顯示技術(shù)具有色域大、色彩艷麗、顯示畫面尺寸靈活可變、無有害電磁射線輻射等獨(dú)特優(yōu)勢，在家庭智能影院、公眾大屏幕顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)及教學(xué)演示等眾多領(lǐng)域具有巨大的市場發(fā)展空間和前景。

參考原文

[1]張百濤,(2012),大功率全固態(tài)355mm紫外激光器研究, 山東大學(xué), 博士論文.

[2]胡淼,(2008),BBO晶體四倍頻的紫外激光器研究,浙江大學(xué), 博士論文.

[3]袁仙丹,(2017), 工程化百瓦級綠光激光器研究, 長春理工大學(xué), 博士論文.