光电子学报告

chocolate · 发表于 2009-2-11 01:45:36

[/free]一、何谓雷射?
所谓雷射，乃是能产生极特殊光线的装置。雷射装置发出的光束当然也可联想到非常强劲的闪电，但是，它与真正的闪电却有以下四个不同点。(1)雷射光很强，只是强力的雷射光为数较少。或许有人会认为这个说法很矛盾，因为此处所说的强度是单位面积中力的大小，尽管雷射装置只能放射出数毫瓦的光，但就直径仅一公厘的光束来说，其强度却相当大，几乎与阳光的强度相等。一般的电灯泡所发出的光自然比这等级的雷射多，不过灯泡的光常需扩散至整个房间，其强度便无法相提并论了。雷射中也有能连续发散数千瓦强光的，甚至还有能在十亿分之一秒的瞬间发射数兆瓦超强光的种类。(2)激光束极细，不能像普通的光线那样扩散，这个性质称为指向性(directivity)。众所皆知，无论多么强力的手电筒，其光线均无法照射远处。如果照射天空，光线便会扩大而至消散。至于强仅数瓦的激光束，则能到达月球然后折返，其光度明亮得在地球上清晰可见。一九六二年间向月球发射的激光束之一，到达月球表面时仅扩大约四公里而已。地球和月球间的距离大约三十八万公里，光束经过这么长的距离之后所扩散的范围只约四公里，可见其指向性的独特。(3)雷射光是同调辐射(coherent radiation)，亦即雷射发出的光全部紧密排列在一起。灯泡等一般光源所发出的光波参差不齐，并且朝各种不同的方向前进，就好像将一把小石子投进湖面，激起阵阵零乱不堪的涟漪一般。如果将这些小石子一颗颗投至同一处，水面就可以激起较大的波纹，这也就是雷所造成的现象，而此特殊性质能以各种形式发挥作用。拿另一个较合宜的譬喻来说，则电灯泡或手电筒是散弹枪，雷射好似机关枪。(4)雷射发出的是单色光。一般的光包含所有颜色的可见光线，这些光线混合后成为白色。雷射光中最常见的红色，然而，使用雷射依然可产生出彩虹所见的七种色光，或是各种不可见光线，只不过每一种雷所能放射的光都是单色光罢了。虽然有些雷射可经由调整而发出多种色光，但是，每一次也只能发出某一色光而已。同时放射数种单色光的雷射目前已经开发出数种，却始终无法像电灯泡的可见光线那样形成连续光谱。更进一步能发出红外线或紫外线等人类眼睛看不到之光的雷射，数量也相当多。
二、 Nd:YAG雷射
以固体材料做工作物质的雷射称为固体雷射。其工作物质主要有晶体及玻璃两大类。典型的晶体雷射有Nd3+︰YAG及Cr3+︰Ruby雷射。玻璃雷射的代表是Nd:Glass雷射。所有的固体雷射均为用光学泵浦方法来获得雷射，其光泵有非相干光源(普通的闪光灯及弧光灯)，也有用相干光源(如用半导体雷射)。那么，现在我就来介绍Nd:YAG雷射。
参钕镱铝石榴石的英文全名为︰Neodymium doped yttrium Aluminum Garnet。化学式为Y3Al5O12︰Nd3+，简单表示式为Nd3+︰YAG。YAG的空间群为，属立方晶系，光学各向同性(Isotropic)，不存在自然双折射。在不参钕时，晶体为无色透明，参钕后，晶体略呈淡粉紫色。
(1) Nd︰YAG雷射的工作原理
所有的固体雷射，光括Nd3+︰YAG雷射，都是采用光学激励的方法，就是利用普通的光来激励雷射的工作物质以产生雷射光。普通的光照射到工作物质，引起工作物质内部的粒子数反转而振荡产生雷射。下面就来考察一下受光泵浦后的能级跃迁的过程。在YAG晶体参入Nd3+激活离子后就构成YAG雷射的工作物质，参加雷射跃迁并实现雷射振荡的激活介质实际上是Nd3+离子。
钕(Nd)是镧系稀土元素中的第四个元素(原子序数60)，其最外层的电子壳层结构的电子祖态为︰4d104f45s25p66s2，它失去了三个外层电子后形成三价正离子，这三个失去的电子分别为6s2二个电子及4f一个电子。这样Nd3+离子的外层电子组态为4d104f35s25p6，可以简化写为4f3电子组态。由于其最外层为5s25p6满壳层(为Xenon壳层)，而参加跃迁的电子为4f3电子，因此这3个4f电子处于5s25p6满壳层之内，满壳层对该三个电子起了屏蔽作用，正是这个原因，像Nd3+这一类稀土元素离子渗入晶体后的能级结构基本上与相应的自由离子的能级结构相同，也因此Nd3+的吸收及发射谱线很窄，是极理想的产生雷射的介质。

泵浦帶 E4

E3 4F3/2
雷射
光學泵浦 E2 4I11/2

E1 4I9/2
圖(一) Nd3+︰YAG雷射受激發射能級示意圖

图(一)为Nd3+离子的实现雷射振荡的能级示意图。雷射跃迁产生是典型的四能阶系统。与雷射跃迁有关的能级是︰基态E1为4I9/2，第二个能阶E2是4I11/2，它是参加雷射跃迁的下能级。第三个能级E3是4F3/2，是参加雷射跃迁的上能级，第四个能级E4实际上由许多能带组成，它是Nd3+︰YAG的吸收谱带，其对雷射振荡有贡献的主要的吸收泵浦带共有五个，其所对应的能级跃迁分别为(基态为4I9/2)︰如图(二)所示。

最强︰～0.81μ(4I9/24F5/2)
强︰～0.58μ(4I9/22G7/2，4G5/2)
较强︰～0.81μ(4I9/24F3/2)
次强︰～0.81μ(4I9/24F7/2)
较强︰～0.81μ(4I9/24G7/2，2G9/2)

图(二) Nd3+能阶简图
各谱带宽约为300埃到400埃，处于4I9/2基态的Nd3+粒子受到光泵浦后，吸收了光泵中有用的谱带(即Nd3+︰YAG的吸收谱，见图(三)所示)，被激励到第四能带上，处于第四能带上的Nd3+粒子会通过各
图(三) Nd︰YAG在300°k时的吸收光谱
种迟豫过程(包括荧光辐射，串联跃迁等过程)而降至第三能阶4F3/2上，能级E3至E2的跃迁是光学辐射跃迁。
在近红外区有三条明显的荧光窄谱带︰
最强︰1.05μm～1.12μm (4F3/24I11/2)
次强︰0.87μm～0.95μm (4F3/24I9/2)
最弱︰～1.34μm (4F3/24I13/2)
上述三条谱线的荧光强度分比大约是0.6︰0.25︰0.15，雷射的主要振荡线为1.06μm附近。在Nd3+浓度为≦1%(原子)左右时，1.06μm附近荧光线的平均衰减时间(寿命)约为230～250μs，而E2至E1的寿命只有10-6～10-7秒远小于E3至E2的寿命。又由于跃迁的下能级E2 (4I11/2)在基态能级之上很高的位置(～1950cm-1)，该能级上的波兹曼分布的粒子数基本上可以忽略，正由于E3，E2的寿命的巨大差距及E2的巨大的排空率，使得这两个能级间很容易实现粒子数反转。而使该系统成为比较理想的四能阶系统。可获得低激励阀值及较高的连续运转效率。除了1.06μm附近的振荡之外，采用色散腔选频方法，在一定条件下亦可实现0.9μm附近或1.3μm附近的雷射振荡。
(2) Nd︰YAG激光器件结构
图(四) Nd︰YAG激光器件结构图
常规的Nd︰YAG雷射有脉冲运转及连续运转两种，但是就器件的结构而言，都大同小异，因此不再分开来介绍。常规运转(即对雷射不加任何调制，如Q开关、倍频等)的Nd3+︰YAG雷射的器件结构一般由光泵(闪光灯)、工作物质(YAG棒)、共振腔、聚光腔、水冷系统及电源几部分组成。一般所有的固体雷设都有如此的组件，配置方法亦大同小异。其结构配置图如图(四)。接下来，介绍各组件的结构特性︰
1. 工作物质
它是激光器件的心脏。一般要选择光学质量较高的晶体加工成所需要的尺寸。Nd3+︰YAG晶体可通过多种晶体生长方法制备，但工艺比较成熟，生长效果较好者，主要是引上法生长。理想的雷射晶体，当然最好是光学(折射率)特性完全均匀，对通过的光束不存在散射和无用吸收损耗等。工作物质棒常用的是圆棒状，故亦称为YAG雷射棒，当然现在也有人用方形的棒，但并不普及。棒的两个端面一般有平行平面型、倾斜型、布鲁斯特角型、凹凸型等。而常用的为平行平面型。棒用光学加工磨削成原棒型。棒的侧面磨成毛玻璃状以防止寄生振荡。棒的两端面要镀增透膜(透过率T≧99.5%)，或者进一步与棒轴磨成一定的角度，棒两端面平行度要求可为1”左右。
一般低功率型器件，平均功率小于10瓦的，棒直径ψ3至ψ4，长度30～50mm，中功率型器件，即平均功率约几十瓦到近百瓦的，棒直径ψ4～ψ6，长度约50～80mm，而大功率型器件，即平均功率高于100瓦～300瓦的，棒直径ψ6～ψ10，长度约为80～130mm。’棒的参钕率一般为0.8～1%
2. 光泵
固体雷射均采用光学泵浦方法来激励雷射振荡的，不同的运转方
式用不同的光泵源，其中包括气体弧光放电灯(脉冲和连续二种)、热炽灯(卤钨灯)、半导体发光二极管等。在特殊情况下，亦有用日光或其它雷射发出的相干光源的。单次和低重复率脉冲固体雷射主要采用脉冲氙灯。连续和高重复率YAG雷射，在较高功率运转情况下主
图(五) 线形脉冲闪光灯
要采用连续氪弧灯激励，在较低功率运转时，可采用连续卤钨灯。空间通讯用的YAG雷射可用卤钨灯或半导体雷射，甚至太阳光。CW Ruby雷射可用高压水银灯。
图(六) 螺旋形闪光灯

泵浦灯之形状一般为直线圆柱形，见图(五)，也有用螺旋形的，见图(六)。对于圆柱直线型灯的尺寸，要求与工作物质的尺寸大致相当。一般常用的典型光源有如下三种︰
 脉冲氙灯(Xe灯)︰
脉冲氙灯的特点是，管内充以高压Xe气，在短时间内通过大电
流放电，发生高亮度的”白光”辐射。光源的亮度温度可达5000～15000°k之间，它可以单次脉冲运转，也可重复频率(低于300次/秒)持续工作，不过需要冷却系统，寿命一般达107次。脉冲氙灯的发光效率随充气气压升高而增大。但气压太高，触发困难，灯管也易破裂。灯的管璧需选用优质石英玻璃。脉冲氙灯的辐射光谱见图(七)，灯的总发光效率约为60%，对Nd3+︰YAG光泵有贡献的主要光谱区为0.5～0.9μm范围内的光，其约占全部光能的50～60%左右。除了脉冲
氙灯外，亦可采用脉冲氪灯做为YAG的光泵。其工作条件及工作特
性和氙灯差不多。在低电流工作时，它的线状光谱与Nd3+︰YAG的
吸收光谱匹配程度较好，因此可获得较高的光泵效率，但在较高输入时，由于灯的线状光谱贡献相对变得不重要，而以连续光谱为主，

图(七) 脉冲氙灯(a)与脉冲氪灯(b)的发散光谱分布

因此脉冲氙灯的效果较好。一般当输入能量小于20～30焦耳时，用氪灯较好。
 连续氪弧灯(Kr)
它是目前用于连续YAG雷射的最有效、输入功率最高的光源，
灯的充气气压比较高，一般为2～4个大气压，通过灯的电压一般为百伏左右，电流为20～50安培。灯的电光转换效率达40～50%。灯的输入电功率一般为3000～8000瓦之间。一般均需流动水冷却，工作寿命在200小时左右。灯的结构与制造脉冲灯基本相似。灯的阴极和阳极的形状不对称。由铈钨材料制成的阴极，一般加工成尖头形状，这种型状，可得到稳定放电电弧，保持电极工作温度和减少溅射等有益效果。阳极一般制成圆头形状，并可由纯钨材料制成。灯的电极与石英管壁的密封，也采用钼箔封接技术或过渡玻璃封接技术。图(八)为氪弧灯与氙弧灯的光谱，它显然是以线状光谱为主。在整个光谱中，0.7～0.9μm范围占总光能的60%，0.9～1.4μm占30%，小于0.7μm占10%。氙弧灯亦可用做连续泵浦，但效果不如氪弧灯。
圖(八) 連續氪弧燈(a)與氙弧燈的線狀光譜分佈
 卤钨灯
它是一种热炽连续光源，通过钨灯丝通电加热产生连续高温辐射，色温为3200°k左右，灯内充有少量卤族元素，碘或溴，以防止钨灯丝的蒸发和氧化，灯的电输入功率为1～2KW，寿命约100小时。它的优点是制作和使用均较简便，可直接用调压220伏交流电源或滤波直流电源，缺点是色温的提高受到钨丝熔点限制(<3400°k)，又由于它不能直接水冷(管壁需高于250℃)因此它的输入功率受到限制，它主要用于低功率连续YAG雷射。
3. 聚光腔
聚光腔的作用主要是把光泵源发出的光聚焦到雷射棒中去，以激
励工作物质产生雷射。可用于固体雷射的聚光腔的种类很多，有各自的优缺点，可供参考的聚光腔基本上可分为三大类。
二维成像系统----包括椭圆柱和圆柱聚光器
三维成像系统----包括球面和旋转球面聚光器
非成像系统----包括紧包式光滑反射面和漫反射聚光器
那么在这里就只介绍撱圆柱聚光腔，它的成像聚光作用，主要发生在垂直于柱轴的平面内的二维平面上。在椭圆柱的两端一般放置平面反射镜，聚光腔近似地等价于无限长的椭圆柱系统，如图(九)。
图(九) 聚光腔内光线反射路径
4. 共振腔
其理论就依照共振腔理论来做，而大多数的固体雷射采用平面平
行腔，也有中大功率的器件用虚共心腔或非稳腔。在这儿就讲到输出藕合镜的透射率︰
低重复率脉冲运转的一般用透射率50%
高重复率脉冲运转的一般用透射率40～50%
连续器件，一般视功率大小有5%～15%，功率小的器件一般透
率就低
5. 电源
电源供应光泵灯的能量。根据不同的泵灯及不同的泵浦方式，主要有以下两种不同类型的电源。(a)连续雷射电源(b)脉冲雷射电源。其实所有固体射都有类似的电源原理，只是规格有所不同而已。
 连续雷射电源
连续固体雷射的泵浦灯一般采用氪弧灯，它的工作电压一般为100
伏特左右，其电流约在30～50A，因此连续电源为有200～500伏直流电压，20～60A的直流电源输出的稳定的直流电源。一般采用三相整流，以相控SCR调节输出电压值及氪灯的放电电流值。电源对电流的稳定性要求甚高，一般要求小于1%的稳定度。因为雷设输出功率的稳定度与泵灯放电电流的稳定有很大的关系。
 脉冲雷射电源
脉冲固体雷射光泵一般使用脉冲氙灯。脉冲氙灯的电源与连续电
源有很大差异。连续电源，若负载恒定，则电源以稳定的电压、电流和损耗运转。而脉冲电源则是从满载到空载周期地运转，满载时电源的输出如同短路一样。
图(十) 低重复率脉冲雷射电源方框图
它一般由下列几部分组成︰变压、整流、限流、储能、放电回路、触发和控制系统，如图(十)所示。其主回路
是一个直流高压整流充电装置。直流高压的输出要求有高稳定性，并能调节电压值(一般0～2500V不等)，储能组件一般用高压脉冲电容，因此每一脉冲输出电能为︰P=1/2CV2，C为电容值，V为电压。这种电源，在没有限流的情况下，充电电流只是依靠变压器绕阻的电阻抗来限制，因此充电初始电流极大，为保护整流组件，限流装置是很有必要的，一般有电阻、电感等限流法，亦有恒流充电限流法。脉冲固体雷射的高重复率一般在每秒几次到上百次。随重复率的增高，充电的时间要求缩短，充电电流亦随之增大。因此其主回路不论是充电回路，还是放电回路，均工作在大电流，高电压状态。它的组成方块与低重复率电源相似，只是为了达到高重复率要求充电速度加快，而放电触发亦要加快。
6. 冷却系统及滤光考虑
 冷却系统
一般固体雷射的总体效率都比较低，约为0.5～3%，其它绝大部
分输入能量都转变为分别由灯、聚光腔、棒所吸收的热能。产生热能的原因︰(a)泵灯发射光谱中除了雷射棒吸收的一小部分谱带外，绝大部分紫外或红外辐射都转化为热能，(b)雷射物质内泵浦带及雷射上能级之能级差转换为热能，(c)荧光过程中的量子效率小于1，部分光子转化为热能。
如果冷却效果不好，使雷射工作物质发热，会引起激活离子量子效率的减小、振荡阀值的提高、输出能量的减小。棒本身受热产生折射率分布不均匀、热膨胀产生的热聚焦现象及由热应变光弹效应产生双折射效应等都会影响到输出激光束的模式及发散角。因此固体激光器件的冷却系统是十分重要的，对低功率、低重复率脉冲器件有风冷却，但大都用水冷却的。水冷系统一般用恒温循环水系统，其结构如图(十一)所示。
图(十一) 固体雷射的水冷却系统结构
 滤光
固体雷射的光泵会发出短于0.4μm的紫外光，对产生雷射辐射
无大贡献，却会使雷射棒发热或产生有害的色心。因此一般要采去一定的滤光措施，使紫外光不进入雷射棒之内。通常可以采用的方法分别有︰
滤光液法----是使流经晶体棒周围的冷却液中含有滤紫外旋光性能的盐类，如亚硝酸钠、重铬酸钾的水溶液。常用的浓度为0.5～1%重铬酸钾水溶液，基本上能滤掉<0.4μm的光。而对有用的泵光辐射吸收较小。
滤光玻璃法----采用既能吸收有害的UV同时又能透过有用的光辐射的玻璃制成雷射棒的水冷套管，或直接套在雷射棒外面，这是十方有效的滤光方法，例如硒镉有色(黄色)玻璃，它基本上可滤掉<0.5μm的辐射。
三、 Nd︰YAG雷射特性
Chemical formural Y3Al5O12︰Nd3+
Color Light purple-blue
Type of crystal Cubic，isotropic
Atomic % Nd 1.0
Laser wavelength 1.064μm
Peak emission cross-section 2.8×10-19cm2
Fluorescence lifetime at 25℃ 230μs
Density 4.56 g/cm3
Refractive index at 1.0μm 1.82
Melting point 1970℃
四、 Nd:YAG雷射的倍频装置
 连续倍频器件
对于连续Nd3+︰YAG雷射而言，产生倍频作用比较合适的非线
性材料，主要有Ba2NaNb5O15(铌酸钡钠)及KnbO3(铌酸钾)等晶体，铌酸钡钠晶体的优点是非线性电极化率较大，约为KDP之二十倍以
0.53μm

1.06μm全反镜

(a)

0.53μm
(b)
图(十二) 连续Nd︰YAG雷射腔内倍频器件
上，对1.06μm基波而言，可在Φ=90°方向上实现温度匹配，匹配温度约处在90~100℃之间。一般均采用将晶体放在雷射共振腔内的方式，有时也可采用外腔方式产生倍频。它的缺点是抗雷射破坏能力较差，一般光破坏阀值<25~50MW/cm2。因此它不适用较高功率雷射的倍频。图(十二)所示为Nd3+︰YAG雷射的腔内倍频器件图。
 脉冲式倍频器件
这类器件所采用的非线性晶体，一般均具有较强的抗雷射破坏能
。常用的材料有CDA(砷酸二氢铯)、CD*A(砷酸二氘铯)、LiIO3(碘酸锂)、KDP及KD*P等晶体。脉冲调Q器件的倍频，一般取腔外单次通过方法进行，有时亦可采腔内倍频方式进行，图(十三)为重复脉冲调Q器件的倍频装置结构图。其中图(a)腔内倍频，图(b)为腔外倍频。这两种装置的共同特点是通过电光调Q开关，可直接产生所需要的线偏光，而倍频光与基频光分别由不同方向输出。对各种倍频装置，为减少光能损耗和寄生反馈现象，要求非线性倍频晶体的光表面镀有对基波和倍频光，同时起作用的增透膜(AR coating)。
0.53μm

(a)

1.06μm
0.53μm

(b)
图(十三) 脉冲调Q Nd︰YAG雷射之倍频器件
除了倍频技术之外，还有Q开关、锁模….等多项雷射应用技术，在这里就不多说这方面的东西。
五、 Nd︰YAG的应用
 将光变成热的雷射
雷射加工的原理跟放大镜聚集阳光使纸张燃烧起来一样，是一种将光能变成热能的装置。一般的光线(包括阳光)都混有许多不同波长的光，而且光线也不平行，因此无法把它们聚成一个很小的光点。波长越短的光对镜片的折射率越大，因此它们经过镜片聚光后，会聚集在较近的焦点上。反之，波长越长的光折射率越小，聚光后所落入的焦点也越远，结果使这种波长不整齐的光现聚光后形成模糊的焦点，同时由于这种光线并非平行光，聚光后的焦点甚至不只一个。激光束的性质和上述光线就截然不同，由于它是一种波长相同且互相平行的光线，因此可以聚成小小的一点。在理论上，激光束可以收聚成以微米为单位的光点，像二氧化碳雷射的焦点约一百微米，YAG雷射的焦点则只有十微米。这样小的焦点，其功率密度约为每平方公分十万千瓦，而一般加工用机具的镜头焦距约为波长的十倍以上。若把激光束做为加工热源，则功率密度的大小会影响加工物，即功率密度太小时，只能对加工物加热，若功率密度够大，则加工材料可被熔解甚至被蒸发，因此雷射的波长、输出功率、振荡形态必须依加工的种类及加工目的来决定。利用雷射来加工的项目包括︰打洞、焊接、切割、雕刻、钻孔、模板修补、标记、表面处理等多种，而使用的雷射则有气体雷射及固体雷射两种。气体雷射以二氧化碳为主，固体雷射则以加工用的YAG雷射为代表。
 雷射切割机的构造
YAG雷射的正式名称为钕钇石榴石雷射，这种雷射是在钇(yattrium)
、铝、石榴石(garnet)等单结晶上加上三个钕(neodymium)离子而成的固体雷射。所谓YAG就是由钇、铝，石榴石三个英文字头拼成，其波长为1.06微米，为肉眼看不见的近红外线。YAG雷射是目前最普遍的固体雷射，它不但振荡效率高、输出功率大，而且非常稳定。由日本电气所研制出来的雷射切割机SL446-6C即是最大输出功率达六百瓦的YAG雷射，此机器主要用来切割钢板，故在板金企业很普遍。此雷射切割机是由机械部、雷射头组成(LASER head unit)、计算机数值控制(CNC)装置、雷射电源、冷却器等组成。SL446-6C的雷射振荡装置为SL117-2A。YAG雷射的连续振荡激发灯是采用氪弧灯(krypton arc lamp)，只要将此灯连续点亮，就可使YAG雷射连续振荡。而雷射头(LASER head)则由YAG雷射杆(rod)、激发灯、聚光器等组成，将两具雷射头接起来就可以获得六百瓦的输出功率。从雷射头组合射出的激光束须经过两片反射镜以调整其光轴。然后再以光束放大镜(beam expander)调整光束的扩散角度，经两个反射镜后射入双向分光色镜(dichroic mirror)，经聚光镜收聚后从喷嘴喷出。SL446-6C的最大优点是可以在雷射光的光轴上放置电视摄影机以监视加工状态。例如在切割加工时，即可藉电视屏幕来调整喷嘴的位置以及雷射光轴对准。在电视画面上可放映出喷嘴开口部的二十倍大影像。
反射镜
光束放大镜
雷射头组合反射镜

双向分光色镜反射镜

聚光镜

 YAG雷射的光学传送路线
 雷射切割原理
利用YAG雷射来切割钢板，必须用氧气做为辅助气体。因为YAG雷射切割机并非光靠激光束切割钢板而已，雷射光的作用只能将钢板加热，而辅助气体则能与加热后的钢板结合使之氧化。当钢板与氧化合，即成氧化铁，这等于被激光束照射的部分烧掉了，故可完成切割的目的。而进行切割不锈钢时若以氧气为辅助气体，则表面会较粗糙。SL446-6C若用来切割一般汽车车体所使用的软钢板，最厚可切割3.2毫米，若切割一般的不锈钢板，则最厚可切割1.6毫米。至于切割速度，厚约三毫米的钢板，每分钟可切割1.5公尺，厚约一毫米的钢板，每分钟可切割六公尺。雷射加工机除了YAG雷射之外，还有使用气体的二氧化碳雷射，不过，YAG雷射具有几项优点︰YAG雷射可以使用一般的光学玻璃做为反射镜及聚光镜，所发射的激光束也可用石英系的光纤来传送，激光束在金属面上的反射很少，光线吸收率很大。此外，在一样输出功率下，使用YAG雷射的装置要比用二氧化碳雷射的装置小得多。
 光纤技术的应用
若以光纤做为激光束的传送线，可免去使用许多反射镜及镜片的复杂光学装置。此外，若使用光纤来传送雷射，还可把光束射出透镜装上多关节的机器人。现在市面上有输出功率为一百五十瓦的光纤传输雷射加工机，过去在实验阶段中曾创下核心(core)径一毫米的光纤，平均传送输出功率可达四百瓦的YAG雷射纪录。目前也有厂商已着手研究使用光纤来传送高功率YAG雷射的技术，而且已打
视准仪

雷射头组合入射透镜

光纤
射出透镜

若以光纤做为激光束的导线，则其传送过程将可简化很多，且射出部运动的自由度亦可提高，甚至能做出三度空间的移动，YAG雷射加工机若能与光纤及多关节机器配合，则其使用范围将可大为扩增
破过去的传送能力纪录。在此次的实验中使用核心径0.4毫米及0.5毫米，长三公尺的石英系光纤，结果当输出为七百四十瓦的YAG激光束射入核心径0.4毫米的光纤后，可输出六百九十瓦的功率。这种光纤的穿透效率高达百分之九十二。换言之，要是光纤长度不很长的话，则传送损失很少。不过，若用光纤来传送，则其聚光特性比不上光学系统，因此对金属的切割能力较差，只能用来切割较薄的金属板。反之，在不需聚光特性很好的焊接、热处理等方面则可多加利用。另一方面，使用光纤来传送雷射光，可将它分成许多光路，因此能制造新型的加工机。例如，若将高功率的YAG激光束分配到多光路的光纤中，则可同时对很多个材料进行加工。相信这种使用范围变化较大的高输出功率YAG雷射加工机若能研制成功，一定会广受欢迎。

六、结论
因为红光雷射的发展，到今天已经可以说是达到了颠峰，在它日渐普及之时，人类已渐渐不能满足于现况，而想要追求更精进的时代，于是出现了研究蓝光半导体雷射的一股热潮，如此一来，更多的雷射也相继诞生了，而在工业上用得最多的，当然是Nd︰YAG雷射，它的输出功率仅次于二氧化碳雷射，而它具有连续与脉冲两种型态，在材料加工方面，是很有用的。钻孔方面则需一时聚集强烈的能量，大多采用脉冲雷射。熔接和切削以脉冲雷射或连续光束雷射均可。
而除了工业之外，还有在医学上的用途也是不容忽视的，就像最近很流行的整容外科手术，就可以运用Nd︰YAG雷射来做这方面的利用，或者是皮肤上的疾病等等。它的用途是如此的广泛，都是因为它具有高的利用价值与稳定性。在未来的日子里，生活上大大小小的事物总是不可缺少它的，所以我们多多少少也要对雷射有所了解。

七、参考书目
1、 William T. Silfvast，”Laser Fundamentals”，the Press Syndicate of the University of Cambridge，New York
2、川澄博通着，苏品书译，”雷射加工技术”，复汉出版社，台南
3、潘家寅编译，”雷射”，徐氏基金会，台北
4、徐世荣、刘涤昭、陈秀莲合译，”雷射—80年代的超级工具，牛顿出版社，台北
5、赖瑞麟等人编着，”光电及雷射概论”，亚东书局，台北
6、林三宝编着，”雷射原理与应用”，全华科技图书出版，台北
7、丁胜懋编着，”光电工程”，中国电机工程学会，台北
8、国兴编辑部，”雷射概论”，国兴出版社，新竹
9、丁锡镛等人编着，”雷射光电”，牛顿出版社，台北
10、丁胜懋编着，”雷射工程导论”，中央图书馆出版社，台北

[free]

购买主题本主题需向作者支付 200 RMB金钱 才能浏览

chocolate · 发表于 2009-2-11 01:46:10

没钱别看！

chocolate · 发表于 2009-2-11 01:47:26

气死我啦！看什么不是威望就是要钱！就不能无私一点！其实也不是为了钱！

		自动登录	找回密码
密码			注册

[转贴] 光电子学报告