激光技术及应用

光电信息技术通信工程学院王天枢WANG.T.S1激光技术及应用WANG.T.SLASER（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）----受激辐射的光放大激光是20世纪的四项重大的发明之一。1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石（Al2O3:Cr）激光器，我国于1961年研制出第一台激光器。从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。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，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。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。2.1激光技术概述WANG.T.S激光器的发明1954年，美国物理学家汤斯研制成功波长为1.25厘米的氨分子振荡器——受激辐射微波放大器（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）肖洛提出创造性设想——光腔代替微波共振腔1960年，梅曼发明激光器WANG.T.S物质由原子组成。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。2.1.1激光的产生WANG.T.SWANG.T.S吸收：电子透过吸收光子从低能级跃迁到高能级自发辐射：电子自发地透过释放光子从高能级跃迁到较低能级受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相位，此波长对应于两个能级的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子WANG.T.S入射光受激辐射光原子受激辐射示意图WANG.T.S产生激光的必要条件1.实现粒子数反转２.使原子被激发３.要实现光放大——工作物质——光学谐振腔——激励能源部分反射镜激励能源全反射镜激光输出工作物质光学谐振腔LWANG.T.S向各个方向自发辐射的光子沿中心轴方向的辐射被受激放大光在工作物质中反复传播被放大激光器的组成：工作物质、泵浦源、谐振腔工作物质聚光腔+M光谐振腔MMWANG.T.S高方向性高强度，高亮度相干性强，颜色极纯-单色性强2.1.2激光的特性WANG.T.S光束发散角=2α探照灯：35毫弧度≈1度激光：10-2毫弧度αsr激光的高方向性WANG.T.S激光的高强度和高亮度一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级（几千万倍）。强激光甚至可产生上亿度的高温。地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强激光照射下1秒钟之内即可开始气化；任何一种金属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对它打孔。WANG.T.S相干性强，颜色极纯-单色性强因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来激光的颜色极纯——单色性强WANG.T.S具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好。2220I0I谱线宽度：通常用强度下降到20I的两点之间的波长范围：谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量单色光WANG.T.S激光器的分类：工作物质---气体、固体、半导体、液体、化学、自由电子激光器工作方式---连续（CW,continuouswavelasers）和脉冲（Pulsedlasers）激光技术---调Q激光器（Q-switchedlasers）、锁模激光器（Modelockedlasers）、倍频激光器（Frequencydoublinglasers）、可调谐激光器（Tunablelasers）、单模和多模激光器（Single-modeandMulti-modelasers）等2.2激光的分类WANG.T.S（1）固体激光器工作物质-各种激光晶体和玻璃一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。Nd:YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。掺钕钇铝石榴石Nd:YAG，发射波长1064nm，工作物质是氧化铝和氧化钇合成的晶体，并掺有氧化钕。激光是由晶体中的钕离子放出，是人眼看不见的红外光，可以连续工作，也可以脉冲方式工作。由于这种激光器输出功率比较大，不仅在军事上有用，也可广泛用于工业上。钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器，对治疗白内障和青光眼十分有效。WANG.T.S1047nm~1064nm：激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm：医学和通信掺钛（Ti）蓝宝石激光器670nm~1100nm固体激光器常用于产生强激光，连续输出~几千瓦，脉冲输出~几万焦耳掺铒光纤激光器：在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子，用半导体二极管或其它固体激光器作泵浦源。用掺铒光纤作成的光纤放大器和光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。WANG.T.S（2）半导体激光器体积小（只有火柴盒大小）、重量轻、寿命长、结构简单，是一种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在0.8～0.9微米之间。只要通以适当强度的电流就有激光射出，红外光保密性特别强，很适合用在飞机、军舰、坦克、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器发展很快，在微型化方面进展迅速。整个器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒还小。常用于光通信、光盘、激光打印、光计算机、微量气体探测等方面。WANG.T.S（3）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，波长可达数千种，应用广泛。结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励（泵浦）方式。分子激光器：以CO2激光器为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激光刀，在医疗、机械加工方面得到广泛应用，还用于测距和通信。准分子激光器：发光都在紫外波段。多用于微细加工，光刻及医学。不是分子固有能级跃迁发光，而是当两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。WANG.T.S（4）液体激光器主要是染料激光器。多为粉末状染料溶于有机溶剂中，方可产生激光，它可以用闪光灯泵浦，或激光泵浦。从红外到紫外范围调谐任意波长（几十到几百纳米）的输出光，谱线很窄，单色性好，适于光化学与光谱学方面的应用。WANG.T.S红外激光器红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。二氧化碳激光器，发出的激光波长为10.6微米，处红外区，肉眼不能觉察。工作方式：连续、脉冲。连续激光功率可达20千瓦以上。是最强大的一种激光，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。做实验时，一不小心就会把衣服烧坏，裸露的皮肤碰到要烧伤，所以这种激光器上都贴着“危险”的标记，操作时要特别留神。WANG.T.SX射线激光器X射线是原子内部壳层的电子跃迁产生的光子，其光子能量非常高。目前，最短的X射线波长已达到4.483nm水窗范围（因为水是吸收X射线的，只有在4.483nm附近，水分子有个不吸收区，X射线可顺利通过，损耗很小，故称水窗），由于生物细胞活性组织内均含有很多水份，因此这种波长的X射线激光用于生物学、医学、生命科学的研究。已经用波长4.483nmX射线激光制成了X射线显微镜，并成功地得到了老鼠精子内核的图象，用于DNA在精子细胞内排列的研究。WANG.T.S生物微腔激光器砷化镓基底半导体反射镜量子阱增益区液体中的细胞介质膜反射镜玻璃基底一种研究活体生物细胞的手段和方法，将含有被测细胞的液体放在半导体激光器的发光表面，上面覆盖镀有反射膜的玻璃片。细胞置于激光共振腔中，当激光在腔内往返数百次后，细胞中的信息充分被激光发射带出，通过这些信息的识别，由发射激光的脉冲形状、模式、空间分布以及收集到的荧光图象，就可知道细胞属于那一类。是正常细胞还是癌细胞等。这种生物微腔激光器一般用波长850纳米的半导体激光器来制作。WANG.T.S纳米激光器据2001年美国《科学》杂志报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在仅有头发丝千分之一的纳米导线上制造出世界上最小的激光器——纳米激光器。研究人员希望用电流来激活纳米激光器，这样就可用于电路。最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量。WANG.T.S集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到0.1埃数量级范围。光刻技术成为一种精密的微细加工技术。1、光刻技术2.3激光的应用WANG.T.S光复印工艺：经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。WANG.T.S刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。极紫外光刻（EUVL）技术是大批量生产特征尺寸为30-45纳米线宽集成电路的主流技术。EUVL是未来延续摩尔定律的一种关键技术。WANG.T.S激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科，主要分为以下几类：激光加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等。焊接：汽车车身厚薄板及零件、锂电池、心脏起搏器、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。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。2、焊接、切割、打标、雕刻WANG.T.S切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、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。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。WANG.T.S打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。WANG.T.S打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。WANG.T.S激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。WANG.T.S激光在医学上的应用分