雷射加工原理与应用

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1、雷射加工原理與應用雷射的歷史雷射(laser)是LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation的簡稱。雷射的觀念最早可訴溯及本世紀初，1905年愛因斯坦依據一般相對性理論首次提出光量子假說，開啟雷射的觀念探討，緊接在1917年愛因斯坦又提出受激輻射理論，加速了雷射理論的成熟。1960年美國休斯公司實驗室，梅曼（Maiman）工程師製造出全世界第一具紅寶石雷射，Maiman博士因而獲得了雷射之父的譽稱，其後數十年雷射的各項運用發展得極為快速，尤其是醫

2、療用途最為成功。主要雷射的應用雷射主要波長（nm）主要應用He-Ne（氦氖）632.8各種計測（照準、測距、精密測長、速度等）、干涉計、通信、情報處理Ar，Kr（氬、氪）514，496（Ar）647（Kr）全息術、醫療（治療與診斷）、加工（製版、退火、光CVD）He-Cd（氦鎘）442325光碟、製版、傳真、印字器CO210.6μm加工（切斷、熔接、表面處理、退火）、醫療（雷射手術刀）、雷射雷達、核融合能量驅動器Nd：玻璃紅寶石1.06μm694核融合能量驅動器、加工雷射雷達、加工（開孔、點熔接）、電漿診

3、斷、高速全息術色素雷射950~380分光分析、同位素分離、醫療、超短脈衝光半導體雷射1.3~1.20.9~0.78μm通信、光情報處理裝置（光碟記憶等）各種計測用光源、醫療（雷射針）雷射光的特點（1）高方向性（Directionality）（2）單色性（Monochromatity）（3）高相干性（Coherence）（1）高方向性意指雷射光有高度的指向性。普通的光源，如常見的燈泡、日光燈管等，其光發散角度都很大，即使光源本身有很高的強度，但向四面八方發散後，很快地就變弱了！可是，對雷射光，一般而言只有1

4、毫弧度的發散角，看起來就是一條相當平行的光束。而這一特徵，就成為雷射光應用在測距、準直、通訊等各方面的基礎了。（2）單色性一般光源，如太陽、白熾燈炮所發射出來的光線，乃是由許多不同頻率者所組成的，從牛頓以三稜鏡將太陽光散開成帶狀的彩色光譜即可得知。但雷射光的頻率組成範圍卻非常狹窄，以致從外觀看起來，雷射光束的顏色都非常地質純。同時，由於具有單色性，也形成了極佳的相干性。（3）高相干性所謂相干性，就是指一束光在時間與空間上關連的程度。相干程度的高低，決定是否能形成干涉。普通光源的相干性是極差的，所以是很難看

5、到干涉現象的，而雷射光卻不然，它有高度的相干性，很容易就能得到干涉結果。也就因此推動了干涉量測的發展，及與干涉相關連的全像攝影術和光資訊處理了！重要雷射的種類1.氣體雷射2.液態雷射3.固體雷射4.半導體雷射氣體雷射第一部問世的氣體雷射是氦氖雷射，它也是繼梅曼製成紅寶石雷射之後的第二部雷射。雷射的介質是氖，但是在氦氖混合氣中氦遠比氖多，才能使氖產生雷射作用。雖然雷射的功率不高，但是光束的品質最佳，最能示範雷射光以及光波的特性。二氧化碳雷射是以放電方式激發的高功率雷射，目前商品化的已達萬瓦。這種雷射中的氣體

6、，以氦及氮為主，介質氣體二氧化碳反而最少，原因是大量的氦和氮，才能幫助少量的二氧化碳進入群數反轉。二氧化碳雷射的效率，也就是輸出光功率和輸入電功率的比值可達15％，較氦氖雷射高約百倍。惰性氣體是優秀的紫外線雷射介質，其種類有氟化氬、氟化氪、氟化氙、氯化氙等，都輸出紫外線，且效率可達1％。惰性氣體如氬、氪和氙等，在高電流放電時所產生的離子，是優秀的可見光雷射光源。氬離子和氪離子雷射，分別輸出紫、藍、天藍、綠和黃、橙、紅等波長的雷射。這些雷射以高輸入和輸出為特色，把這兩種氣體混合，雷射光看似白色但又可把各色光

7、分離，在舞台效果方面甚受重用。氦氖雷射的能階二氧化碳雷射的能階液態雷射溶解在水或其他溶劑中的染料，在以光照激發後，得以成為雷射介質。每一種染料，在以適當的波長激發後，可以在某一範圍內調變它輸出的雷射波長，並且更換不同的染料及激發光源，雷射輸出波長可包含全部可見光及其附近的紫外線和紅外線，在基礎科學研究上極具價值。前述的離子雷射原本是染料雷射的最佳激發光源，現在又有倍頻的固態晶體雷射可取而代之。固體雷射人造紅寶石中的鉻離子，是梅曼最先發現的雷射介質。他原本是研究以紅寶石強化微波，卻發現它可以強化深紅色的光波

8、。紅寶石並不是優良的雷射介質，它的效率甚差，但因它是世上第一具雷射，其歷史價值相當重要。寄居在釔鋁石榴石中的釹離子，是一種優良的雷射介質，稱為釹—釔鋁石榴石（Nd：YAG）雷射。起初研發這雷射時是以放電燈為激發光源，吸收光源中以810奈米為中心的紅外線，發出1.064微米的雷射光，效率約3％。現在以波長808奈米的半導體雷射為激發光源，總效率可達20％，是現有雷射中最優秀的。現在石榴石雷射的輸出可達數千瓦，成為極佳的工業用雷射