連載《激光，一種工具》丨第二章：用於材料加工的光源

來源 | 通快

激光的產生之初，科學家們就開始把它用於不同的材料、不同的行業中，希望讓它的神奇特點帶來廣泛的應用。1971 年第一台商用 1kW CO2 激光器問世後，激光材料加工和表面改性獲得了迅速的實用性發展。如今，激光對於材料的加工有切割、焊接、激光精細加工、激光打標、激光表面處理和激光增材製造等。在介紹這些應用之前，讓我們先來了解一下激光技術的基本原理和用於材料加工的各種光源。

對於這種神奇的光，科學家們在剛剛發現它的時候並不確定該給它一個什麼樣的名字，討論之後他們決定按照它的產生原理來命名—LASER。根據激光（LASER）的產生原理，它主要由三個基本結構：激光泵浦源、增益介質和諧振腔構成。

激光泵浦源

激光的產生是能量轉換的過程，必然要遵循能量守恆定律。產生激光必然有能量的來源，也就是我們首先要說的激光泵浦源。泵浦源的種類非常多，這取決於我們後面將要介紹的增益介質和光學結構的設計。目前使用的泵浦源主要有高頻電源、閃光燈以及半導體激光模塊等。CO2 激光主要用高頻電源來泵浦， 而對於傳統的棒狀激光器，由於諧振腔的設計依然採用閃光燈泵浦，新型的光纖以及碟片激光器則多採用半導體激光模塊泵浦。相對於閃光燈泵浦，半導體模塊具有吸收效率高，使用壽命長等一系列優點。

激光增益介質

許多材料都可以作為激光的增益介質，它們可以是氣體、固體、甚至液體。基本原則是：當這些材料受到激發，然後從激發態降落到低能態時，必須輻射出光。準確地說，是某種特定波長的電磁輻射。

增益介質不斷被激發到比激光上層能級還高的能級。在這之後，原子或者分子通過一系列複雜的過程回到基態。激光可以是二能級，三能級或者四能級系統，這取決於在產生激光的過程中有多少個能級參與其中。增益介質中的各個能級和躍遷可以用能級圖進行描述。如下圖：

粒子數反轉是激光增益介質中處於上能級的原子或分子的數目超過處於下層能級的原子或分子的數目的情況。在這種情況下，光子去撞擊一個處於激發態的原子或者分子並使它輻射激光的可能性要大於被原子或者分子吸收的可能性。這樣的結果使激光束被放大。如果是另外一種情況，下層能級上的原子或分子數目比上層能級的多，那麼這個光子更可能去撞擊一個未處於激發態的原子或者分子從而被它吸收掉。激光束因此而變弱。粒子數反轉是產生激光的必要條件。與此同時，增益介質必須是一種可以實現粒子數反轉的材料。為了實現粒子數反轉，增益材料需要有壽命足夠長的上層能級。原子或者分子在自發衰減到下層能級之前，要盡量長時間地停留在這個能級上。這裡的「長」時間是指萬分之一秒。

諧振腔

光子從增益介質產生之後運動的方向是隨機的，如圖六所示，如果不加限制產生的光子就是普通的光，無法生成高能激光束進行材料的加工。因此，聰明的科學家們將振蕩的設計應用到了激光設計之中。

不同光學的諧振腔設計是不同的，有隻有兩面鏡片構成的簡單腔，也有由數十面鏡片構成的複雜諧振腔。主要的目的是用來產生高質量高能量的激光輸出。同時利用諧振腔的設計，可以獲得單模、多模模式的激光輸出，實現不同的應用。

激光參數

對於激光工作者來說激光能量、功率以及功率密度或者強度是非常熟悉的術語。它們經常出現在加工描述、技術表或者是光源產品說明書中。除此之外，什麼樣的光束才算是好的激光束呢？

激光束的方向性很好，但是光波並不是完全平行的。激光束有一個」束腰」，從它開始激光束是發散的。激光束腰直徑（光束最窄的部分）和發散角決定了激光發散的路徑。束腰小且發散度低的光束可以聚焦成相對小的光斑，同時保持較長的焦深。這樣在透鏡和工件之間有一個相對大的距離（焦深）—這恰好是激光使用者和製造商所需要的。當他們提到光束質量，其實就是談激光束的發散特性和聚焦性能。較小的發散角意味著較高的光束質量。只有基模可能實現儘可能小的發散，並且與波長也相關。

為了表示一個特定的光束質量，專家們採用了光束參數乘積或者 M2 因子（質量因子）來描述。這兩種計量都得到了認證。光束參數乘積，簡稱 BPP，定義為兩個最重要且容易測量的參數的乘積：束腰半徑和 1/2 發散角。需要的說明是：光束參數乘積越小，光束質量越好。M2 因子描述了光束參數乘積偏離理想基模光的程度。M2 的值總是大於等於 1。當該值為 1 時，光束就像理想光束一樣傳播。M2 和光束參數乘積是可以相互轉換的。

應用決定著激光器類型

如今，市場上有許多不同種類的激光器和激光系統。問題在於如何針對具體應用，選擇最合適的激光技術，以提供最好的解決方案。事實上，沒有哪種激光技術可以覆蓋所有的需求，即便未來的發展也不能改變這個事實：選擇使用哪種激光器是由具體應用來決定的。這歸結於對於給定的任務，利用什麼樣的激光器能得到最好的結果。如今中國的激光器市場上有固體激光器，半導體激光器和CO2 激光器——它們都或多或少適合於不同的應用，以不同的方式滿足主要的購買標準。

CO2激光器

由於其可靠性以及耐久性，數以萬計的 CO2 激光器在全球範圍內被廣泛使用。其中絕大部分用於切割和焊接。CO2 激光器的波長為 10.6 μm，處在遠紅外波譜。它具有以下優點：功率範圍寬（10 W-20，000 W）；光束質量好（M2 從 1.1 到 5.0）；

CO2 激光增益介質是氦氣，氮氣和 CO2 的混合物。氦氣和氮氣是輔助氣體，它們輔助 CO2 分子產生激光。氣體混合物中，高壓直流或者高頻交流激勵氣體放電，導致 CO2 分子從基態躍遷到激光上能級。隨後 CO2 分子轉移到激光下能級，輻射出波長為 10.6 μm 的激光。這個過程中釋放出熱量，惰性氣體氦原子通過撞擊 CO2 分子吸熱和散熱，使得激光下能級的粒子數加速下降，提高穩定性。

固體激光器

固體激光器在 20 世紀 70 年代就較大規模地應用於工業生產，非常適用於精密機械加工。它們最早用於焊接機械錶中精緻的彈簧或者珠寶鑽孔。最初的設計採用圓柱或者是塊狀結構，但是熱透鏡影響比較明顯。為了提高固體激光器的輸出功率和光束質量，研究人員設計了各種增益介質的幾何形狀。其中主要的兩種方案是用光纖和碟片取代圓棒結構。

光纖激光器和碟片激光器都採用半導體激光器作為泵浦源，都可以產生數萬瓦的激光功率和優異的光束質量。在工業激光材料加工中扮演著越來越重要的角色。由於碟片激光器的特殊結構設計，更高功率密度的短與超短脈衝激光器也在精細激光加工應用領域發揮著重要的作用。

直接半導體激光器

半導體激光器是非常緊湊以及光束質量穩定的光源。半導體既是增益介質也是諧振腔。半導體激光器沒有任何可以移動的部分，因此很難出現偏差。它的光電轉換效率高達 65%，遠高於其他的光源。另外一個優點是電流和功率有著直接的關係。即使電流閾值很低時，設備也可以發出激光。半導體激光能夠快速地產生脈衝，產生太赫茲甚至更高的光信號。這使得半導體激光器在信息技術的應用中很受歡迎。

隨著半導體激光功率擴展方法的不斷出現，半導體激光器作為固體激光器的泵浦源以及直接應用於材料加工正變得越來越重要。

介紹完激光的基本原理和主要工業激光器之後，下一章我們將為您介紹如何把光轉變成鋒利的工具。

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