激光打標機原理 ：激光器原理

第一章  激光器原理

可以肯定地說 ：本世紀最後的偉大發明之一是激光技術 。它自一九五八年問世以來 ，已經逐步地然而是堅定地滲透到了科研 、軍事 、工業等各個領域 。不是嗎 ？看看我們的周圍 ，你就可以輕易地找到它應用的實例 ：醫院中的激光診斷及激光治療機、商店中的條碼識別器 、辦公室中的激光打印機 、把我們與世界各地聯結在一起的光纖等等 ，就是在我們的家中也有它的身影 ：激光唱機 、激光影碟機 。

人類發明了多種多樣的激光器 。諸如 ：氣體激光器（He-Ne激光器 、CO2激光器等） 、固態晶體激光器（紅寶石激光器 、釹玻璃激光器等） 、離子激光器（氪離子激光器 、氬離子激光器等） 、染料激光器（甲酚紫激光器 、螢光素激光器等） 、超輻射激光器（氮分子激光器等）以及半導體激光器（砷化镓半導體二極管等）等等。

在世界的許多地方 ，幾乎所有的商品激光器都在製造業中得到越來越廣泛的應用 。CO2激光器的主要用途就是各類工業激光加工設備 ，作為固態晶體激光器的Nd: YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光器的最大應用便是在激光打標領域 。

1.1 激光原理

我們知道 ，物質是由原子組成的 ，而原子是由帶正電的原子核和帶負電的核外電子組成的（見圖1.1） 。每一個電子都沿著自己特定的軌道繞原子核高速旋轉 ，其旋轉半徑決定於電子所處的能級 。原子吸收能量後 ，電子的旋轉半徑會增加 ，電子的能級就會提高 ；原子釋放能量後 ，電子的旋轉半徑會減小 ，電子的能級就會降低 。每個能級對應著一個特定的能量 。電子所具有的能量是不連續的 ，也就是說原子的能級是量子化的 。原子隻有吸收了兩個能級之間差值的能量才會提高一個能級 ，電子在能級之間的變動現象稱為躍遷 。同樣 ，當原子躍遷到較低能級時 ，會釋放出兩個能級之間差值的能量 。原子的最低能級為E0 ，高的能級依次為E1 、E2 、E3 、…… ，高的能級稱為上能級 ，低的能級為下能級 。處在能級E0的原子稱為基態原子 ，其它能級稱為激發態（見圖1.2） 。

原子可以吸收光子來獲得能量 ，當然這個光子必須具有與原子能級差相等的能量（例如 ：E1-E0）原子隻能吸收帶有幾個能量的光子 。光子的能量決定於光子本身的波長 。所以 ，原子隻能吸收幾個特定波長的光子 。

正常情況下 ，原子吸收能量後會在上能級停留一段時間（這一時間被稱為原子的上能級壽命） ，然後向任意一個方向發射一個光子並返回基態 。這一現象稱為原子的自發發射 。對這一現象 ，圖1.3作了形象的描述 。

圖1.1 原子的結構

圖1.2 原子的能級

若在激發態原子的附近 ，恰巧有一個光子經過 ，這個光子又恰好具有原子上下能級之差的能量 ，那麽這個原子就有可能受到外來光子的激勵而發出一個光子 ，原子自身則在發射後返回基態 。原子的這種因受到外來激勵而發射的情況 ，稱為原子的受激發射（圖1.4） 。原子受激發射所放出的光子與外來的激勵光子在能量 、波長 、相位等方麵完全相同 。

以上是單個原子能級的變化情況 。

對於大量原子的情況 ，在通常條件下 ，大多數原子總是分布在基態上 ，其餘原子總是從低能級到高能級遞減分布 。這一分布規律就是通常所說的波爾茲曼分布 。在圖1.5中 ，縱坐標表示原子的能級 ，橫坐標表示在各能級上原子的分布數量 。如果我們加熱這些原子 ，會使處於上能級的原子數量有所增加 。但不管如何加熱這些原子 ，在原子群達到新的熱平衡後 ，上能級的原子數量總是少於下能級的原子數量 。若我們想辦法強迫下能級的原子躍遷到上能級 ，而同時保證上能級的原子不很快地發射而返回到下能級 ，就會人為地造成粒子數反轉 。這時再用激勵光子去激勵上能級原子，使其產生受激

圖1.5 原子在各能級上的分布

發射 。在受激發射的同時 ，要設法使下能級的原子持續地躍遷到上能級 ，以維持粒子數反轉 ，使受激發射能夠持續地進行下去 。受激發射所產生的光子都具有相同的波長 、方向及相位 ，所以受激發射的光是很強的 。這就是激光 。激光這個詞是從英文原文“LASER”一詞翻譯過來的 ，它的完整的英文原文是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (光輻射受激發射放大) ，“LASER”是它的縮寫 。簡單地說 ：激光器的實質是一個光放大器 。

在實踐中 ，要想產生激光 ，就必須滿足兩個條件 ：首先找到能夠實現粒子數反轉的工作物質 ，也就是激光介質 ；第二要建立一個諧振腔 ，使某一個頻率的能量源（可以是諧振腔外的 ，也可以是諧振腔內的）在腔內諧振，在激光介質中多次往返時 ，有足夠的機會去激勵（泵浦）處於粒子數反轉狀態

圖1.6 激光的產生示意圖

的激光介質 。隻有這樣 ，才能產生激光 。這些受激發射的光子又去激發其它原子 ，一個變兩個 、兩個變四個 、四個變八個 、…… ，產生連鎖反應 ，光強被雪崩似地放大 。因而產生強烈的激光 。

通常是在激光介質的兩端各放置一個反射鏡來組成諧振腔 ，以形成光學反饋 。它的作用是將那些沿介質長軸發射的光子反射回介質中 。兩個反射鏡中的一個被有意作成可以透過一個很小百分比的光強（在激光器中被稱為前鏡 ，相應的另外一個反射鏡被稱為後鏡），這就是激光輸出（見圖1.6） 。

1.2  激光器原理

1.2.1  Nd: YAG激光器原理

Nd: YAG激光器是固態晶體激光器的一種 ，它采用Nd: YAG晶體棒作激光介質 。Nd: YAG晶體是將激光介質釹(Nd)原子摻在生晶體釔鋁石榴石(YAG)中 ，Nd原子在YAG中的最佳含量約為總重量的1％ 。所以 ，Nd: YAG晶體的全稱是摻釹釔鋁石榴石晶體 。Nd: YAG晶體一般被製作成棒狀 ，這種材料的製作是很困難的 ，且價格昂貴 。但由於它具有良好的光學性能 、機械性能和熱學性能 ，所以是高功率激光器的最佳選材之一 。

之所以采用氪燈作為激勵用的泵浦源 ，因為它可以發出波長為0.73μm和0.8μm的光線 ，用這一波長的光來激勵Nd原子是最為有效的 。

將Nd: YAG晶體棒與氪燈並排放置在一個橢圓型的光學腔內 ，光學腔的內表麵形狀是經過精心設計的 ，以便保證氪燈發出的泵浦光能夠全部聚集到Nd: YAG晶體棒的中心軸上 。由一個反射率為100％的反射鏡作後鏡 ，前鏡的反射率為精心設計的90％（透過率為10％） ，它們共同組成光學諧振腔 ，以實現光學諧振 。

Nd（釹）原子的能量轉移過程分為四步(在圖1.7中對這一過程有詳細

圖1.7 Nd: YAG激光器原理圖

的描述) ，第一步 ：Nd原子在氪燈發出的波長為 0.73μm和 0.8μm泵浦光的激勵下 ，處於基態的Nd原子躍遷到兩個上能級中的一個 ，原子在這裏的上能級壽命非常短 ，大約隻有10-7 秒 ，這裏稱這一能級為激發態 ；第二步 ：原子在激發態迅速地進行一次無發射的躍遷 ，到達另一個上能級 ，原子在這裏的上能級壽命較長 ，大約為10-4 秒 ，這一能級稱為亞穩態 ，原子在這裏形成粒子數反轉 ；第三步 ：當原子在這裏受激而躍遷到達下能級時 ，就會發射出波長為 1.06μm的光子 ，這就是激光 ；第四步 ：原子在這裏再發生一次無發射的躍遷到達基態 ，準備重複上述過程 。

1.2.2  CO₂激光器原理

CO2是三原子結構的線性分子 ，它有三種振動方式 ，如圖1.8所示 。第一種叫做對稱振動（如圖1.8a所示） ，其對應的振動能量叫做對稱振動能量 ，其能級相應地稱為對稱振動能級 。第二種叫做反對稱振動（如圖1.8b所示） ，其對應的振動能量叫做反對稱振動能量 ，其能級相應地被稱為反對稱振動能級 。第三種叫做形變振動 ，又叫彎曲振動（如圖1.8c及c^,所示），這種振動有上下 、前後兩種形式 ，這種振動的能量叫做形變振動能量 ，能級被稱為形變振動能級 。

圖1.8 CO2分子的振動方式

CO2分子有幾個上能級 ，其中隻有一個上能級在躍遷時可以產生波長為10.6μm的激光 ，我們不妨把這一能級叫做激光能級（屬於反對稱振動能級） 。由於CO2分子的上能級壽命長 ，而且CO2激光器的激光能級與基態靠得很近 ，從而使它有高的效率 、低的激勵能量 ，並且很容易獲得並積聚大量的受激分子 ，從而得到高功率 、高效率的激光器 。

建立CO2激光器能級間粒子數反轉 ，把分子激發到高能級 ，一般有以下幾個基本過程 ：

⒈電子直接激勵 ：放電中具有一定動能的電子同處於基態的CO2分子碰撞，把分子從基態直接激發到激光能級 。

⒉串級躍遷 ：處於比激光能級更高的其它反對稱上能級也和基態能級有聯係 ，因此動能較高的電子和基態的CO2分子相碰撞時 ，也能把分子激發到這些能級上去 ，在這些能級上的分子很容易躍遷到激光能級上來 ，這是因為它們都是反對稱振動能級 ，而激光能級又是其中最低的一個 。在較高能級的分子是不穩定的 ，它們總是力圖向較低能級躍遷 ，因此在激光能級就會積聚大量的粒子 ，這就是所謂串級躍遷 。

⒊諧振碰撞 ：處於更高反對稱振動能級上的分子還可以通過與基態CO2分子的碰撞 ，把能量交給後者使其激發到激光能級 ，而自己成為低一級的反對稱振動能級分子 。這一類碰撞是諧振的，發生的幾率很大 ，對增加激光能級的粒子數有很大的貢獻 。

⒋複合過程 ：在CO2分子放電過程中 ，有部分CO2分子分解為CO和O ，同時也存在部分CO和O複合成CO2分子的過程 ，在它們複合時會把原來分解時吸收的能量放出 ，因此複合而成的CO2分子就會被這部分能量激發到激光能級 。

以上這四種基本過程是CO2分子被激發到激光能級去的四條途徑 。另外 ，為實現粒子數反轉以便產生受激輻射 ，還必須抽空下能級。

CO2激光器按激勵方式可分為橫向激勵激光器 、氣動激光器 、化學激勵激光器 、射頻激勵激光器 ，等等 。

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