350vip葡亰集团_350vip葡京新集团-首页

【自有技术大讲堂】浅析激光原理及运用

网站首页    【自有技术大讲堂】浅析激光原理及运用

1、引言

 

激光是20世纪以来人类的一项重要的发明,随着科技的发展和激光技术的进步,激光已经被应用到生活中各行各业,并发挥着非常重要的作用。激光的英文名称是Laser,意思是通过受激辐射产生的光。激光的主要原理来源于光电效应,也是著名的犹太裔物理学家爱因斯坦的伟大发现,并因此爱因斯坦被授予了诺贝尔物理学奖,也是最快获得物理学奖的物理学家之一。

 

世界上第一台激光器诞生于1960年,中国于1961年研制出第一台激光器,40多年来,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术,激光医疗与光子生物学,激光加工技术,激光检测与计量技术,激光全息技术,激光光谱分析技术,非线性光学,超快激光学,激光化学,量子光学,激光雷达,激光制导,激光分离同位素,激光可控核聚变,激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。

 

2、激光原理

 

1.1、预备知识

 

光的波粒二象性

 

光波是一种电磁波,光波的传输满足麦克斯韦方程的条件,光波传播分为电场和磁场的振动和传播。其中光的传播分量中对人眼和感光仪器等起作用的主要是电矢量,因此我们也将光波的电场矢量称作光矢量。光的电磁传播示意图如下:


电磁波的传播

 

同时,光与物质相互作用时表现出粒子特性,因此我们可以把光当作一个个光子组成。在真空中一个光子的能量为e,动量为P,则它们与光波频率ν,波长λ之间的关系为:

 

 

通过上述公式我们得知,光的频率越高,光子的能量越大。红外光、紫外光、X射线、射线的频率依次增高,相应光子能量逐渐增大

 

光的辐射

 

自发辐射,与外界影响无关,自发进行的辐射。高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁,同时放出能量为的光子。自发辐射特点是:各个原子所发的光虽然频率相同,但没有固定的相位光学,偏振方向不同,向空间各个方向传播,是非相干光。

 

受激辐射:高能级E2上的原子当受到外来能量的光照射时向低能级E1跃迁,同时发射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射的特点是:只有外来光子的能量img3 时,才能发生受激辐射;受激辐射的光子与外来光子的特性一样,如频率、位相、偏振和传播方向。

 

原子能级

 

原子是由电子和原子核组成,其中电子带负电荷,原子核带正电荷,电子围绕着原子核做运动。在平衡状态下,电子处于最低的能级状态,我们称作基态。如果原子受到光子激发,原子会处于高于基态能级的其他能级状态,我们称作激发态。原子能级图如下:

 

 

1.2、激光产生的条件

 

激光增益介质主要有激光晶体或者玻璃,例如Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石),Yb:YAG(掺镱YAG),Yb:玻璃,Er:YAG(掺铒YAG),或者钛蓝宝石,以固体片状形式或者光学玻璃光纤(光纤激光器,光纤放大器),通过外部激励源是的增益介质使上下能级间产生粒子数反转。

 

激励源,使上下能级间产生粒子数反转;激励源也称作泵浦源,主要可以使用氙灯或者半导体激光器等。

 

光学谐振腔,增长激活介质的工作长度,控制光束传播方向,选择受激辐射光频率。光学谐振腔通常由一组全反射镜和部分反射镜组成,激光通过部分反射镜发出。

 

 

综上,激光产生的条件如下图所示:

 

 

 

1.3、激光的特点

 

单色性好,光强按照频率分布时,激光的频谱宽度非常窄。

 

img7

 

其中横轴为光的频率,纵轴为光的强度。通常情况下激光器的波长精度可以做到1nm,在增加光栅选模的情况下,激光器的波长精度可以做到0.001nm。

 

相干性好,包括在不同时刻发出的光波的相干性好,可以用迈克尔逊干涉仪进行验证,如下图所示:

 

img8

 

空间任意两点光振动之间相互关联性,可以通过双缝干涉实验进行验证,如下图所示:

 

img9

 

 

3、激光器分类

 

按照工作物质分类,激光器分为固体激光器,气体激光器,液体激光器,半导体激光器,自由电子激光器,光纤激光器等。

 

按照激励方式分类,激光器分为光泵式激光器,电激励式激光器,化学激光器,核泵浦激光器等。

 

按照运转方式分类,激光器分为连续激光器,单次脉冲激光器和重复脉冲激光器等。

 

4、激光器应用

 

激光加工技术,主要包括激光焊接、激光切割等。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源,识别物体等的一门技术,传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术。

 

激光焊接:在汽车行业中用于汽车车身厚薄板焊接、汽车零件焊接等。新能源行业锂电池相关零件的焊接。医疗器械行业中心脏起搏器焊接等。电子元器件行业中密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。

 

激光切割:汽车行业、计算机、电气机壳、液晶行业中玻璃切割、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。

 

在激光加工技术中,目前最先进的加工技术是半导体行业使用激光光刻技术,目前最先进光刻技术可以做到5nm甚至更小,在该领域最领先的厂商是来自荷兰的ASML,国内光刻厂商是上海微电子。

 

激光在生物医学中的医用,包括激光脱毛,激光眼科手术的。激光眼科手术是采用全飞秒激光器或者半飞秒激光器,将激光聚焦到视网膜上,通过激光将角膜削平后,角膜的聚光能力减弱,使得光纤能够聚焦到视网膜上,所以可以正常看到东西。

 

激光通信技术,激光通信容量大,保密性强,并且结构简便,通讯材料和设备经济。激光可以通过光纤进行通信,整体成本低,因此激光通信已经进入千家万户。

 

激光巨量转移,在半导体行业,激光巨量转移主要基于Ablation和Blister两种技术,激光巨量转移具有转移速度非常快,并且可以扫描单科LED芯粒或者多个LED芯粒,因此激光巨量转移技术能够很好的满足Mini/Micro LED对设备的技术要求。国内厂商主要包括大族激光等,国际厂商主要有相干激光等。

 

img10

激光巨量转移技术示意图

 

激光光致发光技术,通过使用特定波长的激光,可以激发不同颜色的Mini/Micro LED进行发光,我们利用CCD相机采集激发发光的图像,通过荧光的图像的算法分析,我们可以实现对Mini/Micro LED进行发光性能评价。

 

img11

532nm激光激发红光micro LED发光图像

 

img12

532nm激光激发红光micro LED发光光谱图

 

除此之外激光还有很多方面的应用,在此不能一一介绍。随着技术的发展和社会的进步,激光一直在不断拓展其应用领域,我们会在后续的文章中进行选择介绍。

 

参考文献

[1] 周炳琨.激光原理(第7版). 国防工业出版社出版

[2] 刘其斌,周芳,徐鹏。冶金工业出版社

2022年10月27日 11:07