激光技术基础知识

激光

英文名 LASER，其全称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation。

字面意思就是“光受激辐射放大”。

其为人工光源，具有与自然光不同的特性，可直线传播到很远，并且可聚集在较小范围等。

自然光包含从紫外线到红外线等多种波长的光。其波长不一。

自然光

激光为单一波长的光，其特性称之为单色性。单色性的优点在于可提高光学设计的灵活性。

激光

光的折射率因波长不同而产生变化。

自然光穿过镜头时，会因内含不同种类的波长，而产生扩散现象。这种现象称为色差。

而激光为单一波长的光，只会朝相同的方向折射。

例如，摄像头的镜头需要具备可校正因颜色导致的失真的设计，但激光仅需考虑该波长即可，因此光束可长距离传送，实现小光斑聚光的精密设计。

指向性是指声音或光线在空间内前进时不易扩散的程度，指向性较高则表示扩散小。

自然光包含朝各种方向扩散的光，为提高指向性，需要靠复杂的光学系统去除前进方向以外的光。

自然光

激光为指向性较高的光，让激光不扩散而直线前进，在光学设计上较为容易，可进行长距离传送等。

激光

相干性表示容易相互干扰的程度。如果将光考虑为波，波段越相近则相干性越高。

例如，水面上不同的波相互碰撞时，可能相互增强或相互抵消，与这一现象相同，越随机的波干扰程度越弱。

自然光

激光地位相、波长、方向一致，可维持较强的波，从而实现长距离传送。

激光波峰波谷一致

相干性较高的光，具有可长距离传送且不会扩散的特性，具备可通过镜头聚集成小光斑的优点，可将产生的光传送至别处，用作高密度光。

激光具有优异的单色性、指向性、相干性，可聚集成非常小的光斑，形成高能量密度的光。

激光可缩小至自然光达不到的绕射极限附近。

（绕射极限：物理上无法将光聚焦成小于光波长的极限）

通过将激光缩到更小，可将光强度（功率密度）提高至可用于切断金属的程度。

激光

要产生激光，就需要称为激光媒质的原子或分子。

从外部对该激光媒质照射能量（激发光）让原子由低能量的激发态变换为高能量的激发态。

激发态 是指原子内的电子从内侧向外侧外壳移动的状态。

原子状态

原子变换为激发态后，经过一段时间会恢复为基态（从激发态恢复为基态的时间称为荧光寿命）。此时会将接收到的能量以光的形态辐射出去，恢复为基态（自发辐射）。

这种辐射出的光具有特定的波长。

激光的产生原理是让原子变换为 激发态 ，然后提取产生的光加以利用。

原子状态

变换为基态后一定时间的原子，会因自发辐射而辐射出光，并恢复为基态。

但激发光越强，激发态的原子数量就会增加，自发辐射光也会随之增加，从而产生受激辐射现象。

受激辐射是向受激原子入射自发辐射或受激辐射的光后，该光提供受激原子能量，让光成为相应强度的现象。受激辐射后，激发原子恢复为基态。激光的放大正是利用这种受激辐射，激发态的原子数量越多，受激辐射就会连续产生，从而可使光急速放大，并提取为激光。

工业用激光器大致分为 4 种

重叠材质不同的半导体结晶构成活性层（发光层），从而产生光。

让光在构成两端的一对镜面间往返从而放大，最终产生激光。

半导体激光

CO2 激光是以 CO2 气体为媒质的激光。

在填充有 CO2 气体的管内，配置电极板，以产生放电。电极板连接外部电源，使其可投入高频率电力作为激发源。因电极间放电而在气体中产生等离子体，CO2 分子会变换为激发态，该数量增加后开始受激辐射。此外，为了让光往返而产生振荡，相对设置一对镜面，则构成了谐振器。光会在全反射镜和输出镜之间往返，放大后输出为激光。

CO2 激光

侧面抽运方式 YAG 激光是以 YAG 结晶为激光媒质的一种固体激光。

YAG 是指（Yttrium Aluminum Garnet）的结晶，并添加 Nd（Neodymium、钕）。

激光器的构成是在与 YAG 结晶的轴平行的两侧配置激发用 LD。使用一对镜面构成谐振器，在两者之间配置 Q 开关。振荡波长为 1064 nm。

侧面抽运方式是一种投入激发光的面积较大，可提高投入能量并容易获得高功率输出的构成。

脉冲宽度较长，为 100 ns 至数 ms，可产生脉冲能量较大的脉冲，用于对金属的刻印、切断、雕刻、焊接。

YAG 激光、侧面抽运方式

侧面抽运方式 YVO4 激光是以 YVO4 结晶为激光媒质的一种固体激光。

YVO4 是指钒酸钇结晶，与 YAG 同样添加有 Nd（钕）。采用从 YVO4结晶端面单侧照射激发光的方式，以一对镜面构成揩振器，并在镜面间配置结晶和 Q 开关。振荡波长与 Nd:YAG 激光相同，为 1064 nm。放大率较高，可使用较小的结晶，激光器长比 YAG 激光短。因此，光可在更短时间内反复射入结晶，使光强度急剧增加。与 YAG 相比，具有效率更高、峰值更高且脉冲更短的特点。此外，结晶中心部的放大率较大，产生的光为单模光 *，可输出高品质的激光。

YVO4 激光、侧面抽运方式

光纤激光使用光纤为媒质，是长距离通信的中断放大技术发展为高功率输出激光的产物。光纤由中心传输光的核心和以同心圆状包覆核心的金属包层构成。光纤激光以该核心为激光媒质放大光。因此核心中添加有 Yb（Ytteribum、镱）。

光纤激光的构成一般是通过激光二级管（Seed LD）产生的称之为种子光源（Seed Light）的脉冲光，然后通过 2 个以上的光纤放大器进行放大。激发用 LD 配备多个单管发射器（发光层为 1 个）LD。各LD 为低功率输出，因此具有热负荷较小的优点，实现了长寿命。此外，该 LD 数量越多，越可实现高功率输出的激光。光纤激光振荡效率较高，与固体激光和气体激光相比，具有功率消耗较低的特点。

放大用光纤（前置放大器、主要放大器）为 3 层构造，包括核心和 2层金属包层。激发光进入内侧的金属包层（内层包覆）和添加有 Yb的核心内，使核心内部的原子变换为激发态。激光被封闭于核心内前进，再通过激发原子放大，在媒质内越前进，强度越强。与固体激光或气体激光不同，光朝一个方向前进，不会往返。

放大用光纤构造

YVO4 激光和光纤激光的最大差异在于峰值功率和脉冲宽度。

峰值功率代表光强度，脉冲宽度代表光的持续时间。YVO4 具有容易产生高峰值、短脉冲光的特点，光纤具有容易产生低峰值、长脉冲光的特点。激光照射到材料时，加工结果会因脉冲的差异而产生较大变化。

YVO4 和光纤激光的脉冲

YVO4 激光的脉冲会对材料短时间照射高强度的光，因此表面层较浅的区域会急速升温，然后立即冷却。照射部分在沸腾状态下被冷却为发泡状态，蒸发后形成较浅的刻印。在热量传递前照射便会结束，因此对周围的热影响较小。

光纤激光的脉冲，则是长时间照射低强度的光。材料温度缓慢上升，长时间维持液体或蒸发的状态。因此，光纤激光适合刻入量变大、或金属承受大量热量而氧化需要变黑的黑色刻印。

补充：

关于激光器，基恩士独创了 S-MOPA 激光器，

*Solid-state Master Oscillator Power Amplifier：直接将 YVO4 激光器的高品质光束，结合光纤激光中所使用的放大器技术，实现高功率输出化。光源 LD（激光二级管）采用散热性较高的单管发射器，实现长寿命化。

S-MOPA 的特点在于由 2 个阶段构成，首先通过 YVO4 激光器（主激光器）产生脉冲，然后通过 YVO4 的放大器将该脉冲放大。因此可维持主激光器所产生的高峰值、高品质脉冲，同时进行放大。此外，采用具有光纤激光特点的单管发射器激发 LD，与固体激光的巴条发射器 LD（单个半导体芯片中具有多个发光面的 LD）相比，热密度较低，冷却负荷较小，虽为固体激光，却实现了长寿命。

半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点

封装技术

技术介绍

半导体激光器封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而半导体激光器封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于半导体激光器。

发光部分

半导体激光器的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高半导体激光器的内、外部量子效率。常规Φ5mm型半导体激光器封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。

反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到半导体激光器的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。

驱动电流

一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。

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