激光零基础快速入门——激光原理
激光原理 知识点
激光原理知识点
激光原理的知识点包括:
1.黑体和黑体辐射:黑体是一种理想化的辐射体，黑体辐射是描述黑体发出的辐射规律的理论。
2.自发辐射、受激辐射和受激吸收:这是激光产生的基本过程。
即自发辐射产生光子，受激辐射放大光子，受激吸收则吸收光子。
3.光腔理论:涉及到光腔的稳定性条件、共轴球面腔的稳定性条件、开腔模式的物理概念和行射理论分析方法、高斯光東的基本性质及特征参数等。
4.电磁场和物质的共振相互作用:描述了光和物质相互作用的经典理论。
以及谱线加宽和线型函数等概念。
5.激光振落特性:涉及到激光的特性，如相干性好、方向性好、单色性好、亮度高，这些特性可以归结为激光具有很高的光子简并度。
6.光子简并度:是描述激光光子相干性的物理量。
7.光的多普勒效应:描述了光波在运动中由于光源和观察者的相对运动而产性频率变化的现象。
8.均匀增宽与非均匀增宽:描述了光谱线增宽的两种类型，均匀增宽通常是由于原子或分子的自然热运动引起的，而非均匀增宽则通常是由于原子或分子之间的碰撞弓|起的。
9.自然增宽和多普勒堵宽:自然增宽是由于原子或分子自旋的统计分布引起的，多普勒增宽是由于原子或分子的热运动引起的。
以上只是简单的列举，实际上激光原理所涵盖的知识点还有很多，需
要系统学习和实践。
制表：审核：批准：。
激光入门知识讲解
激光入门知识一、激光产生原理1、普通光源的发光--受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个"受激吸收"过程。
处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小时随能级E的增加而指数减小，即N∝exp(-E/kT)，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为N2/N1∝exp{-(E2-E1)/kT}式中k为波耳兹曼常量，T为绝对温度。
因为E2>E1，所以N2《N1。
例如，已知氢原子基态能量为E1＝－13.6eV，第一激发态能量为E2=-3.4eV，在20℃时，kT≈0.025eV，则N2/N1∝exp（－400）≈0可见，在20℃时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子到达激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。
一般说来，这种光源所辐射光的能量是不强的，加上向四面八方发射，更使能量分散了。
2、受激辐射和光的放大由量子理论知识知道，一个能级对应电子的一个能量状态。
电子能量由主量子数n(n=1,2,…）决定。
但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。
激光原理知识点总结
激光原理知识点总结激光的产生原理激光是一种与常规光具有本质不同的光。
它是通过一种叫做“受激辐射”的过程产生的，这是量子力学的一种结果。
激光的产生原理主要涉及三个主要过程：光的激发、光的放大和光的辐射。
首先是光的激发。
激光的产生需要通过能量输入来激发原子或分子的能级。
当外界能量激发物质的能级时，原子或分子的电子会从低能级跃迁到高能级，形成“受激辐射”所需的激发态。
然后是光的放大。
在受激辐射的过程中，当一个光子与处于激发态的原子或分子碰撞时，它会与其相互作用，导致后者释放出另一个同频率、同相位和同偏振的光子，并回到低能级。
这个新的光子与已有的光子具有相同的频率、相位和偏振，因此它们会在相互作用的同时相互放大，形成一支激光光束。
最后是光的辐射。
当受激辐射的过程一直不断地发生时，光子会在光学共振腔中来回反射，产生一支具有高度相干性、高亮度和高直线度的激光光束。
这种光具有很强的聚焦能力和穿透能力，因此在很多领域有着广泛的应用价值。
激光的特点激光具有以下几个主要特点：1.高度相干性。
激光光束的波长一致、频率一致、相位一致，因此具有很高的相干性。
这使得激光在干涉、衍射和频谱分析等方面具有很大的优势。
2.高亮度。
激光的辐射强度非常集中，因此具有很高的亮度。
这使得激光可用于制备高清晰度的成像系统和高精度的测量装置。
3.高直线度。
激光的传播路径非常直线，几乎不具有散射，因此具有很高的直线度。
这使得激光在通信、激光雷达和光刻等领域有着广泛的应用。
激光器件的工作原理和应用激光器件是产生激光光束的重要设备，其工作原理一般基于受激辐射过程。
目前常用的激光器件主要包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器。
气体激光器是将气体放电或者由光泵浦的气体装置转变成激光的光源。
其中最著名的就是氦氖激光器。
使用稳态直流电源或者交变电源将氦气充入放电管，并保持一定的氦气气压。
然后用电子束或者泵浦光源来使得氦原子激发至高能级，然后在碰撞的作用下通过受激辐射作用形成激光光束。
激光的基本原理
我们也知道，光线发射出去时是以光速朝各个方向前进的，为了让产生的光线能够被收集起来并持续放大加以利用，则必须利用叫做「共振腔」的设备，把由光放大器所产生的光线用反射镜局限在一个特定的范围内，让光线可以来回反射，且由于光放大器所产生的光子是相同的，所以行进的方向也会相当一致。透过共振腔的作用，能让光线行进的方向完全相同，也就是说拥有跟共振腔相同方向的光线才会被放大，其余不同方向的光线都不会放大，这是产生激光的首要条件。
应用
激光应用很广泛，主要有fiber communication,激光测距、激光切割、激光武器、激光唱片等等
历史
1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发现了重要论文。
光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。这时产生受激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射．这种受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。沿其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔，不能被继续放大。而自发辐射产生的频率也得不到放大。因此，从谐振腔输出的激光具有很好的方向性和单色性。
第一章 激光基本原理--Part1
• 在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子 或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射 或吸收。 • 粒子数反转：能利用受激发射实现光放大 • 受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、方向、 相位、偏振态，是相干光。
Einstein
1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受 激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢 原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖； "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum" 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实 现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而 获得诺贝尔奖。 "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 1984年研制出光孤子激光器（SL） 美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研 制出当时世界上最小的固体激光器，它在扫描电子显微 镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有 2 至 10 微 米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型 半导体激光器。
DARPA built the megawatt-class Alpha HF chemical laser during the 1980s
An electron-beam pumped ArF laser experiment at Sandia National Laboratories (1975, Courtesy Sandia National Labs)
激光原理_第1章_激光的基本理论
3.简并态—— 同一能级的各状态称简并态 例：计算1s和2p态的简并度
原子状态 n l
ml ms 简并度
1s
1
00
f1=2
1
2p
21
0
f2=6
-1
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第一章 激光的基本原理
二、玻耳兹曼分布及粒子数反转
1. 玻耳兹曼分布(热平衡分布)
(19.77eV) 10-6 S
23
四、黑体辐射及其公式 1、描述黑体辐射的典型物理量
①单色能量密度 ,T：单位体积内，频率处于 附近
单位频率间隔内的电磁辐射能量，它是频率和温度的函 数。
注：寻求 的,T 函数形式进而确定单色辐出度的形式是当
时黑体辐射研究者们的一大目标！
②单光位波频模率密间度隔内n的：光腔波内模单式位数体。积中频率处于 附 近
n f e 2
2 (E2 E1 ) / kbT
讨论(设f i= f j) :
n1 f1
(1)如果E2 - E1很小,且满足 △E = E2 - E1＜＜kbT,则
n2 e (E2 E1 ) / kbT 1
n1
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第一章 激光的基本原理
n f e 2
2 ( E2 E1 ) / kbT
第一章 激光的基本原理
前言
光具有波粒二象性，在描述光的性质是，可 以从其粒子性和光的波动性两个方面来描述光的 性质，进而引入了光波模式和光子模式来描述；
在激光产生的过程中，受激辐射和自发辐射 是其产生的基本原理，同时分析要实现光的受激 辐射放大需要满足集居数反转（粒子数反转）。
1
第一章 激光的基本原理
第八篇第一讲 激光原理
二、激光的形成
处于热平衡下的粒子,满足玻耳兹曼分布
Nn e
N2 e N1 E2 E1 kT
En kT
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数之比:
1
即能级越高,粒子数越少.
数量级估计：
T ～103 K；
E2 E1 kT 1 0.086
E 2-E 1～1eV;
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
2、激光的应用
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： 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、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 (钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵 浦激光器。 激光切割：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。
三、激光的特性及其应用 1、激光的特性
方向性好 激光能量集中在其传播方向上。其发散角 很小，一般为10-5～10-8球面度。 亮度高 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内 沿单位立体角所发射的能量。例如，太阳表面的亮度 比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的 激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。 单色性好 如He－Ne激光器发射的632.8nm的谱线宽度 仅为10- 9nm。可用作光频计时标准。 相干性好普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只 有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里， 比普通光源大几个数量级。
激光的原理讲解
激光其实是"辐射受刺激所引发放大的光"的缩写。
二氧化碳激光是电能刺激混合的二氧化碳分子而产生的。
当聚集的光通过镜面时，这个不可见却密集的光束可以穿透过许多物质。
因为光束不同的速度和密度，二氧化碳激光就可以用来在许多物质上作雕刻和切割。
对客户而言，雕刻和切割的操作相当简单，就跟操作打印机类似。
您可以输入Windows(95/98/2000/XP)底下大部分的图片软件，如CorelDraw，来设计您所要的图形，设定跟页面同等大小的版面，或是等同于工件的雕刻面积然后按打印键。
当可调整的速度设定从1% 到100%，瓦数设定从0.1% 到100% 和最高分辨率设定1000，您可以随需要来设定雕刻深浅和精确度。
特别是多重的激光系统可以在许多材料上做工包括木头，压克力，塑料，石头和金属...等。
激光雕刻分为两种型态：点阵跟向量。
点阵就如清晰度高的印刷一样，激光头工作是从左而右的，雕刻原理是同时产生一系列的点和线，然后用来回雕刻的方式将许多条线组成一整页完整的图片和图像。
向量的工作方式就不同于点阵了，它的特性是沿着图形的外框架做工。
我们通常把这种方式用来作材料切刻，例如：木头、压克力、纸，或是作表面记号。
激光雕刻的设定参数值有没有便捷的方式来测试出产品的设定参数值呢？答案是：有！但是要注意点阵的测试和向量的切割方式是不同的。
点阵式的雕刻如果愿意请试试看，对激光而言，没有一个绝对确切可靠的参数值。
每一个机型都有不同的设定方式，不同的瓦数不同的机器和不同的工件。
想要熟悉您特有的LaserPro雕刻机功能和设定初始值，请参照下列说明：用你的坐标软件来画出一个一英吋的方形，如果是CorelDRAW最好;用黑色涂满图形不加外框。
调到您认为最适合的参数值，记得唯一可变的参数是瓦数功率，送出文文件开始激光工作。
几个激光发出后靠近一点看，你就可以分辨出切太深或切太浅，还是恰到好处。
这样设定激光瓦数来调整雕刻的深度，是决定您的参数值最快的方法。
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原理：利用激光的辐射，塑料聚合物基体内产生局部高能量，这些能量被聚合物
基体或者添加剂吸收，转化为热能，当热能达到一定数值时，就会引起聚合物内部 的各种物理或者化学变化，例如发生炭化、发泡、变色反应等，最后得到与基体不 一样颜色的标记。
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其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。 u 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光
照射部位没有或影响极小，因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。 u 激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加
工的高度自动化和达到很高的加工精度。
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7 什么是激光加工
根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反 应加工两类。
激光热加工：指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括
激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等。
光化学反应加工：指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光
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单色性好：激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。激光器的单
色性远远超过任何一种单色光源。
单色性好可以便于滤光提高信噪比。 如果是材料加工，单色性对于控制激 光的吸收深度和分布非常有用，因为 不同材料的吸收光谱不同，就可以有 选择有控制地处理材料。单色光在光 学设计上方便很多，没有色散相差， 而且单色性越好，对应的波长或者频 率越稳。
激光精密加工可分为四类应用，分别是精密切割、精密焊接、精密打孔和表面处理。
激光精密切割
（图片来源于网络）
பைடு நூலகம்
激光精密切割是利用脉冲激光束聚焦在加工物体表面，形成一个个高能量密度光斑，
以瞬间高温熔化或气化被加工材料。
特点：速度快，切口光滑平整，一般无需后续加工；切割热影响区小，板材变形小： 加工精度高，重复性好，不损伤材料表面。
特点：无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面层的组织结构，被处理件变形极 小，适合于表面标记和高精度零件处理。
11 激光加工设备有哪些
激光加工设备可分为三大类：激光打标机、激光焊接机、激光切割机。
激光打标机
激光打标机分为半导体激光打标机、CO2激光打标机、YAG激光打标机、光纤激光打 标机。
半导体激光打标机 其发光源采用的是半导体列阵，所以光转换效率非常高，达到40%以上；热耗损低， 无需单独配备冷却系统；耗电少，1800W/H左右。整机性能非常稳定，属于免维护产 品。
铷玻璃激光器：适合做单次或低重频的脉冲激光器。
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u 半导体二极管激光器
以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件，主要应用于电子信息。
u 染料激光器
其突出的优点是输出波长可调谐，因此目前主要用于光谱学研究。
u 光纤激光器
是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，应用范围非常广泛。
激光零基础快速入门
原理篇
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目录
1.激光是什么
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2.激光的特点
3
3.激光与材料的相互作用
4
4.激光器有哪几种
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5.什么是激光波长
6
6.激光波长对加工的影响
6
7.什么是激光加工
7
8.激光加工技术的优势
7
9.激光加工的主要用途
8
10.激光精密加工有哪些应用
8
11.激光加工设备有哪些
5 什么是激光波长
激光波长是指激光器的输出波长，是激光器输出激光光束的重要参数。按照波长的 不同，常用有355nm紫外光、532nm绿光、1064nm近红外光、10640nmCO2光等。
6 激光波长对加工的影响
材料吸收率：（1）吸收率a取决于材料本身；（2）同种材料对不同波长的激光吸
收率不同；（3）同种材料在不同温度时吸收率不同；（4）波长越短，材料相对越 容易吸收。
3 激光与材料的相互作用
激光 材料
熔化金属
稀薄等离子体 熔池
致密等离子体
固态加热
表层熔化
表层熔化， 形成增强吸 收等离子体 云
形成小孔 及阻隔激 光的等离 子体云
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4 激光器有哪几种
目前常见的激光器种 类，激光器分类按工 作介质分气体激光器、 固体激光器、半导体 激光器、光纤激光器 和染料激光器5大类。
u 气体激光器
He-Ne激光器 Ar离子激光器 CO2激光器 N2分子激光器 准分子激光器
u 固体激光器
输出功率最大能达到1W，光束质量很好 在可见光区它是输出连续功率最高的器件 效率高，光束质量好，功率范围大 峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10ns 准分子激光物质具有低能态的排斥性
YAG激光器可分为：Nd-YAG晶体、Ce-Nd-YAG晶体、Yb-YAG晶体、Ho-YAG晶体、Er-
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9 激光加工的主要用途
激光加工的主要用途
分类
连续波
准连续
短脉冲
输出形式 连续输出 毫秒~微秒 纳秒
超短脉冲 皮秒~飞秒
用途
激光焊接 激光切割 激光熔覆
激光钻孔 热处理
激光标刻 激光钻孔 激光医疗 激光快速成型
微纳加工 精细激光医疗 精密钻孔 精密切割
10 激光精密加工有哪些应用
激光精密打孔
（图片来源于网络）
激光精密打孔是将光斑直径缩小到微米级，从而获得高的激光功率密度，几乎可以
在任何材料实行激光打孔。
特点：可以在硬度高、质地脆或者软的材料上打孔，孔径小、加工速度快、效率高。
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激光表面处理
激光表面处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理，可以对金属实现相 变硬化、表面非晶化、表面合金化或使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应， 从而改变金属材料的表面特性。
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12.激光打标的实现方式
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1 激光是什么
laser（激光）这个术语是“light amplification by stimulated emission of radiation
（通过受激辐射线的放射达到光的放大）”的首字母缩写。 原子中的电子吸收能量后从低能级 跃迁到高能级，再从高能级回落到 低能级的时候，所释放的能量以光 子的形式放出。被引诱（激发）出 来的光子束（激光），其中的光子 光学特性高度一致。
相干性好：相干性表示光容易相互干扰的程度。如果将光考虑为波，波段越相近
则相干性越高。例如，水面上不同的波相互碰撞时，可能相互增强或相互抵消，与 这一现象相同，越随机的波干扰程度越弱。
激光的位相、波长、方向一致，可维 持较强的波，从而实现长距离传送。
相干性较高的光，具有可长距离传送 且不会扩散的特性，具备可通过镜头 聚集成小光斑的优点，可将产生的光 传送至别处，用作高密度光。
化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。
8 激光加工技术优势
u 使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益。 u 可以对多种金属、非金属加工，可加工高硬度、高脆性及高熔点的材料。 u 可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；也可用机器人在恶劣环境
或其他人难以接近的地方进行激光加工。 u 无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形，并且高能量激光束的能量及
2 激光的特点
方向性强：普通光源是向四面八方发光，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽
车的车前灯安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器 发射的激光，只朝一个方向射出，光束的发散度极小，接近平行。人们使用激光照 射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若 以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月 球。
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激光精密焊接
（图片来源于网络）
激光精密焊接是将高强度激光束辐射至加工产品的工作区域上，通过激光与材料的
相互作用，快速的让被焊地方形成一个多密度聚集的热源区，热能让被焊物区域熔
化之后冷却结晶形成巩固的焊点或焊缝。
特点：不需要电极和填充材料，属非接触式焊接。可对高熔点难熔金属或不同厚度 材料进行焊接。
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激光焊接机
按其工作方式分为激光模具烧焊机、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光 焊接机，激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激 光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊 接的目的。
激光切割机
激光切割机是将从激光器发射出的激光，经光路系统，聚焦成高功率密度的激光束。 激光束照射到工件表面，使工件达到熔点或沸点，同时与光束同轴的高压气体将熔 化或气化金属吹走。随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝，从而 达到切割的目的。
CO2激光打标机 1）性能稳定，长寿命，免维护；2）该机可单机使用也可以安装在流水线上联合使 用；3）打印效果和打标速度能够满足现代化大生产高效、高速、高可靠的要求。
光纤激光打标机 光纤激光打标机为当今国际上最先进激光标记设备，具有光束质量好，体积小、速 度快、工作寿命长、安装灵活方便以及免维护等特点。
YAG晶体。 Nd-YAG激光器
固体激光器，1064nm
Ce-Nd-YAG激光器 效率高、阈值低、重复频率特性好
Yb-YAG激光器
量子效率高，晶体光谱简单
Ho-YAG激光器