激光玩具的原理

激光雕刻 原理

今天咱们来唠唠超级酷的激光雕刻呀。

你知道吗？激光雕刻就像是一场光的奇幻之旅呢。激光啊，它可不是一般的光，那可是超级厉害的一束光。想象一下，有一束光，它能量特别集中，就像一个精力无限集中的小超人。这束激光打在材料上的时候，就开始搞事情啦。

比如说咱们要在一块木板上雕刻个漂亮的小花。激光就像一个超级精细的小刻刀，它能把木板上不需要的部分一点一点地“吃掉”。它是怎么做到的呢？其实就是利用激光的高能量，让木板的表面材料瞬间气化或者熔化。就好像木板遇到这激光，就像冰淇淋遇到大太阳，那些地方就消失不见啦，然后小花的形状就一点点地显现出来了。

激光雕刻可不光能在木板上玩花样哦。在金属上也是一把好手呢。金属那可是硬家伙，普通的刻刀刻起来可费劲了。但是激光不怕呀，它“嗖”的一下就钻进金属里面去了。在金属表面，激光就像一个调皮的小工匠，按照预先设定好的图案，这里敲敲，那里打打，把金属雕琢成各种炫酷的样子。像那些精美的金属工艺品，好多都是激光雕刻的杰作呢。

还有哦，在塑料上激光雕刻也很有趣。塑料比较软一些，激光就像一个温柔又坚定的艺术家。它在塑料上轻轻划过，就留下了漂亮的痕迹。而且激光雕刻在塑料上还能做出那种有立体感的图案呢。就像把一幅平面的画变成了一个小小的立体世界。

你可能会想，这激光雕刻咋就这么听话，想雕啥就雕啥呢？这就得说说电脑的功劳啦。我们可以在电脑上设计出各种各样的图案，然后把这些图案的信息告诉激光雕刻机。激光雕刻机就像一个听话的小跟班，按照电脑的指示，让激光在材料上跳着美妙的舞蹈，一点点地把图案呈现出来。

激光雕刻的精度那也是相当高的。它可以雕刻出非常细小的线条和精致的细节。就像雕刻一个超级小的昆虫图案，连昆虫的小触须都能雕刻得清清楚楚，就像真的小昆虫趴在那里一样。这要是靠人工，那可得费好大的劲儿呢。 而且呀，激光雕刻还很环保呢。不像有些传统的雕刻方法，会产生很多的废料和灰尘。激光雕刻基本上就是把材料变成气体或者一点点小熔渣，不会弄得到处脏兮兮的。

1 激光冷却法原理

激光冷却法的基本原理是 光压 在光的传播路径上会对物质产生一定压力

称之为 光压 在进行冷却的时候用多束激光从不同方向照射目标体 使其粒子受到光压的作用以阻止其热振动以达到冷却的效果，激光冷却法是现在最先进的冷却方法之一，可以打到非常接近绝对零度的超低温。

众所周知，激光是高功率的光束，它能产生高温，因而有激光手术、激光焊接等应用。但是激光居然还能用来冷却，而且可以冷却到绝对温度百万分之一度以下，却似乎有点不太好理解。

激光冷却涉及到多个物理原理，概括起来主要有光的多普勒效应、原子能级量子化、光具有动量。另外，激光的高度单色性和可调激光技术也非常重要。

光的多普勒效应是指，如果你迎着光源的方向运动，观察到光的频率将会增加；如果背离光源方向运动，观察到的光的频率将会降低。

原子可以吸收电磁辐射的能量，使其本身的能量升高；也可以释放出电磁辐射，同时自身的能量降低。原子的能级量子化，是指原子只能吸收和放出某些特定频率的电磁波。按量子理论，电磁波的能量只能以某种不可分割的单位--能量子--与别的物质相作用。而每一份能量子所含的能量正比电磁波的频率，所以，只吸收和释放某些特定频率的电磁波，就意味着原子的能量只能取某些特定的值，故称为能级量子化。

光与其它实物粒子一样，也具有动量。当一个原子吸收一份电磁波的能量子(即光子)时，它同时也获得了一定的动量。光的动量与光的波长成反比，方向与光的传播方向相一致。

现在假设某种原子只吸收频率为f0的电磁波。如果我们把激光的频率调在略小于f0的频率上(可调激光技术可以让我们精确地调节所需激光的频率)，并把这样一束激光射在由那种原子组成的样品上，将会发生什么现象呢？

我们知道，在高于绝对零度的任何温度下，组成样品的原子都在作无规则的热运动。当其中某个原子的运动方向指向激光的光源时，由于多普勒效应，在这个原子看来激光的频率会略高一些。因为我们把激光的频率调在略低于f0，多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频率正好等于f0。这样，这个原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量时，它同时也获得了动量。由于激光传播的方向与原子运动的方向相反，获得的动量将使原子的运动速度变慢。 2 如果另一个原子的运动方向背离激光的光源时，由于多普勒效应，这个原子看到的激光频率将降低，这样将更加远离它能吸收的电磁波的频率，所以这个原子不会吸收激光的能量，也不会从激光那里获得使它加速的动量。

倍频激光器的原理

激光

激光是受激辐射光的简称，其原理是：

当原子系统受到外来光子作用下，且外来光子能量刚好是原子系统某两个高低能级的能量差，即hv21=E2-E1时，则处于高能级E2的粒子可能会在这个光子的诱发下，而跃迁到低能级 E1并发射一个与原外来光一模一样的光子，这种过程称之为光的受激辐射。受激辐射产生的光就叫做激光。

激光器

要使受激辐射起主要作用而产生激光，必须满足三个前提条件：

1. 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，（YAG激光器采用掺钕离子的钇铝石榴石制成的晶体棒）。

2. 有外界激励能源，使介质上下能级产生粒子数反转分布。（YAG激光器，采用氪灯或氙灯或半导体激光二极管泵浦，即用光轰击YAG晶体使其中的Nd3+产生粒子数反转分布，聚光腔起辅助作用，目的是使灯发出的光尽可能多的反射或散射到YAG晶体上）。

3. 有激光谐振腔，使受激辐射光在谐振腔中产生震荡，（最简单常见的是由一块半反镜，一块全反镜构成，激光由半反镜输出）。

谐振腔相当于激光器的正反馈，没有谐振腔即是一个光放大器，引进谐振腔而使放大光产生振荡形成激光振荡器，成为激光器。

因此，一个完整的激光器应包括：工作物质、外界激励能源、谐振腔。

YAG激光器

YAG激光器是固体激光器的一种，它的工作物质是掺钕钇铝石榴石晶体（YAG），即简称YAG激光器。

泵浦源

泵浦源是为工作物质提供能量，使工作物质内原子产生受激辐射从而产生激光。

YAG激光器的泵浦源一般采用椭圆柱腔，氪灯和激光棒分别置于椭圆柱腔的两个焦点轴上，因椭圆的一个焦点（如氪灯）发出的光经一次反射或直射可达另一个焦点上（激光棒），所以，这种结构可以将氪灯发出的光尽可能多的汇聚在激光棒上。

不同的激光有不同的泵浦源。

倍频 绿激光

YAG激光器产生的激光的波长为1064nm，其波长比红色光的波长还要长，位于可见光范围外，属于红外线区域，因此，这种光可以称之为红外激光。如果我们通过特定的方法，将1064 nm的红外激光的波长缩短为原来的一半（也就是频率增大为原来的一倍），那么，将产生一种波长为532nm的激光，它的波长正好处于可见光的绿光部分，因此，这种光我们称之为“绿激光”，而将YAG激光的频率增大一倍的技术，我们称之为“倍频”。

1 激光工作原理 – 激光与电源

激光产生光束，由光束产生观众所看到各种效果。.

A high power, air-cooled copper vapour laser - Photo courtesy of Spectronika

激光产生特殊光束的原因？

激光光束与普通灯光有以下几点重要的区别。由普通灯泡产生的光束向所有的方向任意发散（如果灯泡没有安装一个反射器以便聚光）。光束因此是不连接的。即使光束由一个反射器聚光后，也会立即发散。

激光发出的光束是一种暂时空间上的连贯，也就是说所有的光波在时间和空间上是程直线的。光波上下同步向相同方向传递。

2 连续的光线比其他类型的光线发散的要小。比如说高聚光的闪光灯的光束在3米以外的距离在2-5度之间发散。激光光束两侧基本上是保持平衡，但是也会存在轻微的发散。这种发散被成为分歧。由毫弧度来度量(mrad)。如果规定激光光束的分歧在5mrad,那么在上述的例证中，激光光束的发散在3/20度。

激光如何产生光束？

在这里我们对激光发光进行一个简单化的解释。如果想进一步了解激光发光原理，请见科学与物理等书籍.

让我们拿氦氖激光为例。当玻璃试管内装入氦氖气体的混合物，对电极进行加电，气体就会释放出光能，发光的气体在这里被成为等离子区，相信大家在饭店中对这样的现象已经较为熟悉。现在我们所有的是个氖玻璃管，而非激光，因此大家可以离近观察激光是如何产生光的。

在正常情况下，气体原子中的电子是一定形态和距离围绕核子进行运动，这是原始状态，也是大多数原的构造。当对玻璃试管中的气体进行加电时，会原子变的很活跃，一些电子吸收这些能量，跳跃到另一个更高的轨道。

这时的原子变的不稳定，电子想回到原来的轨道，因为这是的核子已经释放恢复到原始状态。使电子活跃的能量已经以光子的形式释放（见下图表）。

这被称为自发发射。这就是氖的发光原理。光子在各个方向发光十分迅速，在氖的试管中看的十分清楚，这样的自发发射并不足以导致激光原理。