激光打标机原理：激光器原理

第一章  激光器原理

可以肯定地说：本世纪最后的伟大发明之一是激光技术。它自一九五八年问世以来，已经逐步地然而是坚定地渗透到了科研、军事、工业等各个领域。不是吗？看看我们的周围，你就可以轻易地找到它应用的实例：医院中的激光诊断及激光治疗机、商店中的条码识别器、办公室中的激光打印机、把我们与世界各地联结在一起的光纤等等，就是在我们的家中也有它的身影：激光唱机、激光影碟机。

人类发明了多种多样的激光器。诸如：气体激光器（He-Ne激光器、CO2激光器等）、固态晶体激光器（红宝石激光器、钕玻璃激光器等）、离子激光器（氪离子激光器、氩离子激光器等）、染料激光器（甲酚紫激光器、萤光素激光器等）、超辐射激光器（氮分子激光器等）以及半导体激光器（砷化镓半导体二极管等）等等。

在世界的许多地方，几乎所有的商品激光器都在制造业中得到越来越广泛的应用。CO2激光器的主要用途就是各类工业激光加工设备，作为固态晶体激光器的Nd: YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器的最大应用便是在激光打标领域。

1.1 激光原理

我们知道，物质是由原子组成的，而原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子组成的（见图1.1）。每一个电子都沿着自己特定的轨道绕原子核高速旋转，其旋转半径决定于电子所处的能级。原子吸收能量后，电子的旋转半径会增加，电子的能级就会提高；原子释放能量后，电子的旋转半径会减小，电子的能级就会降低。每个能级对应着一个特定的能量。电子所具有的能量是不连续的，也就是说原子的能级是量子化的。原子只有吸收了两个能级之间差值的能量才会提高一个能级，电子在能级之间的变动现象称为跃迁。同样，当原子跃迁到较低能级时，会释放出两个能级之间差值的能量。原子的最低能级为E0，高的能级依次为E1、E2、E3、……，高的能级称为上能级，低的能级为下能级。处在能级E0的原子称为基态原子，其它能级称为激发态（见图1.2）。

原子可以吸收光子来获得能量，当然这个光子必须具有与原子能级差相等的能量（例如：E1-E0）原子只能吸收带有几个能量的光子。光子的能量决定于光子本身的波长。所以，原子只能吸收几个特定波长的光子。

正常情况下，原子吸收能量后会在上能级停留一段时间（这一时间被称为原子的上能级寿命），然后向任意一个方向发射一个光子并返回基态。这一现象称为原子的自发发射。对这一现象，图1.3作了形象的描述。

图1.1 原子的结构

图1.2 原子的能级

若在激发态原子的附近，恰巧有一个光子经过，这个光子又恰好具有原子上下能级之差的能量，那么这个原子就有可能受到外来光子的激励而发出一个光子，原子自身则在发射后返回基态。原子的这种因受到外来激励而发射的情况，称为原子的受激发射（图1.4）。原子受激发射所放出的光子与外来的激励光子在能量、波长、相位等方面完全相同。

以上是单个原子能级的变化情况。

对于大量原子的情况，在通常条件下，大多数原子总是分布在基态上，其余原子总是从低能级到高能级递减分布。这一分布规律就是通常所说的波尔兹曼分布。在图1.5中，纵坐标表示原子的能级，横坐标表示在各能级上原子的分布数量。如果我们加热这些原子，会使处于上能级的原子数量有所增加。但不管如何加热这些原子，在原子群达到新的热平衡后，上能级的原子数量总是少于下能级的原子数量。若我们想办法强迫下能级的原子跃迁到上能级，而同时保证上能级的原子不很快地发射而返回到下能级，就会人为地造成粒子数反转。这时再用激励光子去激励上能级原子，使其产生受激

图1.5 原子在各能级上的分布

发射。在受激发射的同时，要设法使下能级的原子持续地跃迁到上能级，以维持粒子数反转，使受激发射能够持续地进行下去。受激发射所产生的光子都具有相同的波长、方向及相位，所以受激发射的光是很强的。这就是激光。激光这个词是从英文原文“LASER”一词翻译过来的，它的完整的英文原文是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (光辐射受激发射放大)，“LASER”是它的缩写。简单地说：激光器的实质是一个光放大器。

在实践中，要想产生激光，就必须满足两个条件：首先找到能够实现粒子数反转的工作物质，也就是激光介质；第二要建立一个谐振腔，使某一个频率的能量源（可以是谐振腔外的，也可以是谐振腔内的）在腔内谐振，在激光介质中多次往返时，有足够的机会去激励（泵浦）处于粒子数反转状态

图1.6 激光的产生示意图

的激光介质。只有这样，才能产生激光。这些受激发射的光子又去激发其它原子，一个变两个、两个变四个、四个变八个、……，产生连锁反应，光强被雪崩似地放大。因而产生强烈的激光。

通常是在激光介质的两端各放置一个反射镜来组成谐振腔，以形成光学反馈。它的作用是将那些沿介质长轴发射的光子反射回介质中。两个反射镜中的一个被有意作成可以透过一个很小百分比的光强（在激光器中被称为前镜，相应的另外一个反射镜被称为后镜），这就是激光输出（见图1.6）。

1.2  激光器原理

1.2.1  Nd: YAG激光器原理

Nd: YAG激光器是固态晶体激光器的一种，它采用Nd: YAG晶体棒作激光介质。Nd: YAG晶体是将激光介质钕(Nd)原子掺在生晶体钇铝石榴石(YAG)中，Nd原子在YAG中的最佳含量约为总重量的1％。所以，Nd: YAG晶体的全称是掺钕钇铝石榴石晶体。Nd: YAG晶体一般被制作成棒状，这种材料的制作是很困难的，且价格昂贵。但由于它具有良好的光学性能、机械性能和热学性能，所以是高功率激光器的最佳选材之一。

之所以采用氪灯作为激励用的泵浦源，因为它可以发出波长为0.73μm和0.8μm的光线，用这一波长的光来激励Nd原子是最为有效的。

将Nd: YAG晶体棒与氪灯并排放置在一个椭圆型的光学腔内，光学腔的内表面形状是经过精心设计的，以便保证氪灯发出的泵浦光能够全部聚集到Nd: YAG晶体棒的中心轴上。由一个反射率为100％的反射镜作后镜，前镜的反射率为精心设计的90％（透过率为10％），它们共同组成光学谐振腔，以实现光学谐振。

Nd（钕）原子的能量转移过程分为四步(在图1.7中对这一过程有详细

图1.7 Nd: YAG激光器原理图

的描述)，第一步：Nd原子在氪灯发出的波长为 0.73μm和 0.8μm泵浦光的激励下，处于基态的Nd原子跃迁到两个上能级中的一个，原子在这里的上能级寿命非常短，大约只有10-7 秒，这里称这一能级为激发态；第二步：原子在激发态迅速地进行一次无发射的跃迁，到达另一个上能级，原子在这里的上能级寿命较长，大约为10-4 秒，这一能级称为亚稳态，原子在这里形成粒子数反转；第三步：当原子在这里受激而跃迁到达下能级时，就会发射出波长为 1.06μm的光子，这就是激光；第四步：原子在这里再发生一次无发射的跃迁到达基态，准备重复上述过程。

1.2.2  CO₂激光器原理

CO2是三原子结构的线性分子，它有三种振动方式，如图1.8所示。第一种叫做对称振动（如图1.8a所示），其对应的振动能量叫做对称振动能量，其能级相应地称为对称振动能级。第二种叫做反对称振动（如图1.8b所示），其对应的振动能量叫做反对称振动能量，其能级相应地被称为反对称振动能级。第三种叫做形变振动，又叫弯曲振动（如图1.8c及c^,所示），这种振动有上下、前后两种形式，这种振动的能量叫做形变振动能量，能级被称为形变振动能级。

图1.8 CO2分子的振动方式

CO2分子有几个上能级，其中只有一个上能级在跃迁时可以产生波长为10.6μm的激光，我们不妨把这一能级叫做激光能级（属于反对称振动能级）。由于CO2分子的上能级寿命长，而且CO2激光器的激光能级与基态靠得很近，从而使它有高的效率、低的激励能量，并且很容易获得并积聚大量的受激分子，从而得到高功率、高效率的激光器。

建立CO2激光器能级间粒子数反转，把分子激发到高能级，一般有以下几个基本过程：

⒈电子直接激励：放电中具有一定动能的电子同处于基态的CO2分子碰撞，把分子从基态直接激发到激光能级。

⒉串级跃迁：处于比激光能级更高的其它反对称上能级也和基态能级有联系，因此动能较高的电子和基态的CO2分子相碰撞时，也能把分子激发到这些能级上去，在这些能级上的分子很容易跃迁到激光能级上来，这是因为它们都是反对称振动能级，而激光能级又是其中最低的一个。在较高能级的分子是不稳定的，它们总是力图向较低能级跃迁，因此在激光能级就会积聚大量的粒子，这就是所谓串级跃迁。

⒊谐振碰撞：处于更高反对称振动能级上的分子还可以通过与基态CO2分子的碰撞，把能量交给后者使其激发到激光能级，而自己成为低一级的反对称振动能级分子。这一类碰撞是谐振的，发生的几率很大，对增加激光能级的粒子数有很大的贡献。

⒋复合过程：在CO2分子放电过程中，有部分CO2分子分解为CO和O，同时也存在部分CO和O复合成CO2分子的过程，在它们复合时会把原来分解时吸收的能量放出，因此复合而成的CO2分子就会被这部分能量激发到激光能级。

以上这四种基本过程是CO2分子被激发到激光能级去的四条途径。另外，为实现粒子数反转以便产生受激辐射，还必须抽空下能级。

CO2激光器按激励方式可分为横向激励激光器、气动激光器、化学激励激光器、射频激励激光器，等等。

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