干货分享：激光器的工作原理及结构

  LASER 是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，受激发射（Stimulated emission）是由爱因斯坦1917 年提出，狄拉克1927 年首次实验证明受激发射存在。除受激辐射外另外一种光的发射过程是自发辐射。受激辐射的原理核心是粒子数反转和能级跃迁。受到激励光子的辐射，处于低能级E1 上的粒子（工作粒子可以是分子、原子、电子、离子以及准分子）跃迁至高能级E2 上，当足够多的粒子受到激发，则会发生粒子数的反转（处于高能级的粒子数量多于处于低能级的电子），此后跃迁至低能级E1并辐射一个能量为E2-E1（=hv），并与激励光子完全相同的光子。受激辐射与自发辐射最重要的不同之处在于干涉性。自发发射是粒子在不受外界辐射场情况下的自发过程，自发辐射的光子传播方向和偏振态是无规分布，而受激发射是在外界辐射场控制下的发光过程，受激产能的光子的频率、相位、传播方向和偏振态与外界辐射场完全相同。这也是激光具有方向一致、亮度极高、能量集中的本质原因。

  激光器光学原理示意简图激光器是激光的发生装臵，有三大功能部件：泵浦源、增益介质、谐振腔。泵浦源为激光器提供光源，增益介质（也称为工作物质）吸收泵浦源提供的能量后将光放大，谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路，振腔振荡选模输出激光。►泵浦源作为能量源，作用是产生光子对增益介质进行激励。泵浦源发出的光子将增益介质中的粒子从基态泵浦（pump）到高能级，以实现粒子数反转。激励机制包括光学激励（光泵浦）、气体放电激励、化学激励、核能激励；目前泵浦源一般都会采用高功率半导体激光器（LD），最大的作用是完成电能到光能的转化。►增益介质用来实现粒子数反转并放大光，同时决定输出激光的波长。增益介质能够使用液体、气体和固体。增益介质的基础要求是在受激后产生光子而不是光热转化，以及增益介质中的粒子需处于相对孤立的状态，才有几率发生能级间的跃迁。►谐振腔主要起到“储存”、“提纯”激光的作用。谐振腔通常由两块反射镜构成，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。光子在反射镜之间来回反射，不断在增益介质中引起受激辐射，产生高强度的激光。同时，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率/波长、相位和运行方向，而使得激光拥有非常良好的方向性和相干性。三、激光器的分类

  激光器分类激光器较为常见的分类有四种，即按增益介质、输出功率、工作方式和脉冲宽度区分。►按照增益介质（工作物质）：激光器的增益介质包括气体、液体和固定，特定增益介质决定了激光波长、输出功率和应用领域。气体中有代表性的是CO2 气体激光器，固体中有代表性的包括红宝石激光器、半导体激光器和光纤激光器、YAG 激光器等。►按照输出功率：可大致分为小功率（0-100W）、中功率（100-1KW）、高功率（1KW 以上）；但有时也将100-1.5KW 范围内定义为中功率。不一样的功率的激光器适应的应用场景不同。►按工作方式：可分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器可以在较长一段时间内连续输出，工作稳定、热效应高。脉冲激光器以脉冲形式输出，主要特征是峰值功率高、热效应小；根据脉冲时间长度，脉冲激光器可进一步分为毫秒、微秒、纳秒、皮秒和飞秒，一般而言，脉冲时间越短，单一脉冲能量越高、脉冲宽度越窄、加工精度越高。►按输出波长：可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等。不同结构的物质可吸收的光波长范围不同，例如金属对近红外光吸收率较高。四、光纤激发器

  光纤激光器示意图光纤激光器是指利用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器一般用光纤光栅作为谐振腔，半导体激光器作为泵浦源，泵浦光从合束器耦合进入增益光纤，在包层内多次反射穿过掺杂纤芯，形成粒子数反转并输出激光。光纤激光器可整体化设计，可靠性高、稳定性高、结构紧密相连、制造成本较低。光纤激光器常被分为脉冲和连续光纤激光器。脉冲激光器整体增速低于中高功率连续激光器，且壁垒较低，国内参与者较多，市场之间的竞争激烈。目前国内厂商产品性能较进口产品相差无几，但价格约为进口产品的一半。光纤激光器也可分为单模和多模。单模光纤激光器采用单模光纤作为增益介质，只稳定运行基模激光，单激光能量集中、发散角小，在需要高能量密度的激光加工中很有优势，但单模激光器功率一般在2KW以下。多模光纤激光器中同时存在基模和其他高阶模式的激光，因此光束发散、光斑较大、功率更高，比较适合于需要较大加热面积的加工。