激光產(chǎn)生原理

激光的波長(cháng)

應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分子激光器和氬離子激光器兩種。然而這些激光器在應用中都有缺點(diǎn)，例如:設備占地面積大、可靠性有限、壽命短、高能耗、設備維護費用高、需要定期更換有毒的氣體或液體燃料等。而且，準分子激光光束質(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定性差的缺點(diǎn)。

由于具有效率高、高重復率、性能可靠、結構緊湊、光束質(zhì)量好以及較高的功率穩定性等特點(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用前景。全固態(tài)紫外激光器目前已經(jīng)在半導體工業(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用。

將全固態(tài)激光器與非線(xiàn)性頻率變換技術(shù)相結合是目前獲得全固態(tài)紫外激光輸出最常用的方法。通過(guò)對摻釹離子固體激光器在1.0pum附近的近紅外光波進(jìn)行腔內或腔外頻率轉換，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)達國家，紫外激光器已成為工業(yè)用標準激光器，平均功率在5-10 W的355 nm紫外激光器已經(jīng)達到實(shí)用化水平。

紫外激光的應用

在器件加工領(lǐng)域，相對于波長(cháng)較長(cháng)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(jiàn)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(huì )導致被加工區域周?chē)Y構的嚴重破壞，因而限制了器件邊緣強度和產(chǎn)生精細特征的能力;而紫外激光加工則是通過(guò)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(guò)程，并不會(huì )對加工區域加熱。

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

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

波長(cháng)范圍在2-5微米左右的中紅外波段具有許多獨特的光學(xué)特性，在醫學(xué)、生物、通信以及軍事等多個(gè)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用潛力。同時(shí)，中紅外波段激光對人眼是安全的，并且具有很強的大氣穿透能力，因此在氣象監測、空間光通信、激光測距、激光雷達、激光制導、遙感等多個(gè)方面也有著(zhù)廣泛的應用。然而目前業(yè)內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(xiàn)性折射率系數高的特點(diǎn)，近年來(lái)逐漸進(jìn)入研究者的視線(xiàn)。

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(shí)間短、熱影響區小、加工過(guò)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特的優(yōu)勢。相對于紅外波段DPSSL來(lái)說(shuō)，高功率綠光具有波長(cháng)更短、焦深更長(cháng)、激光能量利用率高、激光光束線(xiàn)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?xún)r(jià)比更高。在硅太陽(yáng)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，冷卻后形成連續的固體結構，從而實(shí)現金屬材料的微焊接。美國MiyachiUnitck公司，利用532nm的Nd:YAG準連續激光在銅條上成功實(shí)現了銅的微焊接。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、精密加工等。

隨著(zhù)全固態(tài)激光技術(shù)、調Q技術(shù)及非線(xiàn)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(zhù)高功率、高穩定性、多波段、可調諧的研究方向發(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、激光醫療、激光加工、軍事國防、及激光顯示等領(lǐng)域應用越來(lái)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(huà)面尺寸靈活可變、無(wú)有害電磁射線(xiàn)輻射等獨特優(yōu)勢，在家庭智能影院、公眾大屏幕顯示、虛擬現實(shí)及教學(xué)演示等眾多領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)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(cháng)春理工大學(xué), 博士論文.