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。

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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。

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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？
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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
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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。

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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
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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
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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。
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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

索引

學習雷射

「話說雷射到底是什麼呢？」「原理是什麼？」用簡單明暸的方式，說明這些基礎知識到共振腔結構等深入內容的技術讀本。

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