雷射的原理

何謂光?

光是一種「電磁波」。「電磁波」有波長的基準,由長到短可分成電波、紅外線、可視光、紫外線、X光、伽瑪射線等。

何謂顏色?

照射到物體的波長中,不被物體吸收而被反射的波長進入肉眼(視網膜),我們就會把這樣的波長視為物體的「顏色」。不同波長有不同的折射率,因此光會分散。所以我們得以識別各式各樣的「顏色」。例如:紅色的蘋果(人接收到肉眼看起來是紅色的特定波長光線的日光)是反射紅色波長的光(600至700 nm),吸收所有其他波長的光。*黑色物體則是吸收了所有的光,所以看起來呈黑色。

何謂可視光?

電磁波當中,肉眼可見的波長範圍的光稱為「可視光」。可視光的短波長為360至400 nm,長波長為760至830 nm,只要波長超出「可視光」的範圍,不論波長是長是短,肉眼都看不到。

何謂可視光?

雷射與普通光的差異

普通光 (如燈光) 和雷射光的差異,首先雷射會發出高指向性光束,幾乎不會擴散,而是筆直前進。相對地,普通光源則會發出向四面八方擴散的光。其次雷射可以只有一種顏色,稱為單色性。普通光則一般都混合有多種顏色的光,像螢光燈這種看起來是白色的光就是一個例子。
再者雷射的光波之間,就時間來看波峰和波峰極為一致,重疊雷射光時清晰的波峰、波谷會互相加乘,出現干涉條紋,這種特徵稱為同調性。

  普通光 雷射光
指向性
(準直性)
電燈泡電燈泡 雷射雷射
單色性 波長不一波長不一 波長固定波長固定
同調性
(Coherence)
相位不同相位不同 波峰波谷一致波峰波谷一致

雷射的語源

「雷射」是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」,「通過受激輻射產生的光放大」的縮寫,取每個字的第一個字母就是LASER這個字的語源。

雷射的原理

原子(分子)自外部吸收能量後,就會從低能階(低能量狀態)移至高能階(高能量狀態)。此狀態稱為激發態。
激發態是不穩定的狀態,原子會想立刻回到低能階,這種特性稱為遷移。
此時會釋放出相當於兩個能態之間能量差的光,這種現象稱為自發放射。放射出來的光和其他一樣位於激發態的原子衝突,激發相同的遷移,這種經激發後放射的光就稱為激發放射。

雷射的原理

雷射的種類

雷射大致可分為固體、氣體、液體3種。

最佳的雷射會因目的加工用途而異。

固體

Nd:YAG
YAG(釔、鋁、石榴石)

基本波長(1064 nm)

  • 通用刻印用途

二次諧波(532 nm)(綠光雷射)

  • 用於矽晶圓等軟刻印用途
    用於精細刻印、加工

三次諧波(355 nm)(UV雷射)

  • LCD刻印、修復加工、VIA孔加工等超精細加工用途
    液晶修復加工…切割塗層圖案進行修復的製程
    VIA孔加工…印刷電路板的孔加工
YAG雷射(Nd:YAG)
YAG雷射適用於樹脂材質到金屬材質的刻印、修整等各種加工用途。雷射波長為1064 nm的近紅外光,肉眼看不到。
YAG係指具有Y(釔)、A(鋁)、G(石榴石)結晶結構的固體,此結晶再摻雜Nd(釹離子)這種發光元件,由結晶側照射光(燈光或LD)就會進入激發態。
Nd:YVO4(1064 nm)
YVO4(釔、釩酸)
  • 小字刻印用途
    以高Qsw頻率提供高峰值功率
    能量轉換效率佳
YVO4雷射(Nd:YVO4
YVO4雷射用於更小的文字和加工等精細刻印用途。雷射波長和YAG相同,為1064 nm的近紅外光,肉眼看不到。
YVO4係指具有Y(釔)V(釩)O4(氧化物)或Y(釔)VO4(釩酸)結晶結構的固體,此結晶再摻雜Nd(釹離子)這種發光元件,由結晶尾部照射集中的LD光就會進入激發態。
Yb:Fiber(1090 nm)
Yb(鐿)
  • 高功率輸出刻印用途
    放大介質的表面積非常大,可輕鬆提供高功率輸出
    冷卻效率高,冷卻機構簡單,可小型化
LD(650至905 nm)
  • 半導體雷射(GaAs、GaAlAs、GaInAs)

氣體

CO2(10.6 μm)
  • 加工機、刻印用途、雷射手術刀
CO2雷射
CO2雷射主要用於加工機和刻印用途。
雷射波長為10.6 μm的紅外光,肉眼看不到。而振盪器內除CO2氣體外,也有規定量的N2(氮)和He(氦),以完全密封的狀態封入。
這就稱為「密封式」。N2有提高CO2能階,反之He則有降低至穩定狀態的功能。
He-Ne(630 nm)(紅色)是一般的
  • 測量儀用途(形狀量測等)
    最常用的雷射
    用於功率較低的形狀量測等
準分子雷射(193 nm)
  • 半導體曝光裝置、眼科醫療
    混合惰性氣體和鹵素氣體,可用較簡單的結構生成
    終極的紫外線雷射(DUV),吸收率非常高
    (眼科醫療中用於讓水晶體蒸發,在視網膜上聚焦的矯正治療)
氬氣(488至514 nm)

  • 理化學用途
    可發出各種顏色,在研究機構主要用於生化領域等

液體

Dye(330至1300 nm)
  • 理化學用途
    經雷射光激發的色素發出螢光

各波長特性

CO2雷射刻印機
波長10600 nm:
常用於紙、樹脂、玻璃、陶瓷的刻印。
由於波長可被透明體吸收,因此也可用於薄膜的刻印。
高功率輸出,因此也能用於成型品的澆口切割、PET膜切割。
  • YVO4雷射刻印機
  • YAG雷射刻印機
  • 光纖雷射刻印機
波長1064 nm(光纖:1090 nm):
(基本波長)
常用於金屬、樹脂、陶瓷的刻印。
對樹脂材質有著色良好、可辨識性高的刻印品質。
YVO4和YAG、光纖等的介質和振盪方式都不同,因此即使波長相同,雷射光的性格也不同。YVO4為高峰值功率、短脈衝雷射,可進行高品質且精細的刻印及加工;光纖因長脈衝雷射產生熱能,適合對金屬進行黑色刻印和深雕;YAG品質雖略差,但適合進行需要高能量的焊接應用。雷射的選擇必須視目標物和目的區分使用。
綠光雷射刻印機
波長532 nm:
(SHG波長)
一般來說雷射波長越短能量越強,對物質的吸收率也會提升。
因此適合YAG、YVO4波長雷射光難被吸收,難以刻印的材質使用。
UV雷射刻印機
波長355 nm:
(THG波長)
波長比SHG還要短,屬於紫外線領域的雷射。
UV雷射的特點在於各種材質對它的吸收率都高,而且熱應力低。因此,它能將對產品的損傷降到最低,並實現著色性高的刻印。

雷射的振盪原理

以下說明雷射光振盪的原理。

1.激發

光由外部射入,原子中的電子會吸收光,由能量最低的狀態=基態進入高能量狀態。能量高時電子就會由平常的軌道移動到外側的軌道。這種能量高漲的狀態就稱為『激發』。

■原子狀態
基態之原子
基態之原子
激發態之原子
激發態之原子
■電子狀態
電子狀態

2.自發放射

被激發的電子會視吸收的能量多寡,提高能階。能階提高後的電子經過一段緩和時間後,就會想回到穩定而釋放出能量,嘗試回到低能階狀態。此時會發射出和釋放的能量相同能量的光。這種現象稱為『自發放射』。

■原子狀態
原子狀態
■電子狀態
電子狀態

3.激發放射

如下圖所示,高能量狀態電子存在,當和此電子的能量相同能量的光射入,就會釋放出能量、相位、前進方向完全相同的光。也就是說,出現射入時的一道光,射出時變成二道光的現象。這就稱為『激發放射』。
激發放射的光因為有一致的能量、相位、前進方向,只要能激發放射許多光,就可以創造出符合此3要素的強烈光。雷射光就是利用激發放射的現象,放大入射光所創造出來的光。因此具有以下特徵:
1.單色性(所有光的能量相等)、2.同調性(相位一致)、3.高指向性(前進方向一致)。

■原子狀態
原子狀態
■電子狀態
電子狀態

4.居量反轉狀態

以激發放射讓雷射光振盪,高能量狀態的電子密度就必須遠高出低能量狀態的電子密度=『居量反轉狀態』。也就是說,讓激發放射出來的光量遠超出被吸收的光量,才有可能創造出有效的雷射光。

電子的居量反轉狀態
電子的居量反轉狀態
  • =高能量狀態的電子多
  • =低能量狀態的電子少

5.雷射振盪

居量反轉狀態時1個電子自發放射出光,此光就會激發其他電子放射出光,光的數量連鎖性增加,因而創造出強烈的光。這就是雷射振盪的機制。

電子的居量反轉狀態
電子的居量反轉狀態
A: 自發放射 B: 激發放射

雷射振盪器的結構

雷射3要素

雷射振盪器由以下3要素構成。

  1. 雷射介質
  2. 激發源
  3. 放大器
雷射3要素
  1. 雷射介質
  2. 激發源
  3. 放大器
雷射3要素

首頁