雷射先生談雷射

今天要來介紹的是雷射的種類。

雷射的種類大致可以分為：氣體雷射、液體雷射、固體雷射、半導體雷射，這四種。

他們的共通點是

光束高度平行
純色
同調
高強度

氣體雷射

氣體雷射是以氣體當活性介質，它是使用的活性介質種類最多、激勵方式最多樣化、雷射波長分布區域最廣的一種雷射。

氣體雷射所採用的工作物質，可以是原子氣體、分子氣體、電離化的離子氣體以及金屬蒸汽等，因此可相應的稱為原子氣體雷射（如：氦氖雷射）、分子氣體雷射（如：二氧化碳雷射）、離子氣體雷射（如：氬氣雷射）、金屬蒸汽雷射（如：銅蒸汽雷射）。

一般說來，氣體雷射由於其物態固有的特性，所以有些因此而產生的特徵；優點方面是：氣體分子分布均勻、能階較單純，所以氣體雷射的光品質在均勻性和同調性方面都較佳，干涉或精密量測用要求高品質的雷射，通常採用之；另外氣體分子對流、循環較快速，容易作冷卻處理，所以在需要高功率且連續運轉的應用，如雷射切割、銲接等，也大都採用氣體雷射。

缺點上則有：因為氣體密度最低，要得到瞬間的脈衝高峰值功率比較難，所以用在金屬上的雕刻比較少。


氣體雷射大概可分為：

1.氦氖雷射(He-Ne Laser) - 是第一步問世的氣體雷射，介質是氖，但在氦氖混合氣中氦遠比氖多，才能使氖產生雷射作用。，雖然它的運轉效率很低，輸出功率不高，一般只有幾毫瓦或數十毫瓦，但是它的光束品質極佳，又為可見光波段的紅光（波長以0.6328 微米為主），製造和結構上也算是簡單，最能示範雷射光以及光波的特性，用途普及，被廣泛應用在：標定、準直、教學實驗、展示、精密量測、干涉術、全像術、檢測、熱感應輸出、醫療、…等等。


2.二氧化碳雷射(CO2雷射) - 是以放電方式激發的高功率雷射。這種雷射中的氣體，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。波長較長可證明愛因斯坦長波長介質較容易發生受激放射的理論。二氧化碳雷射是一種分子氣體雷射，係以二氧化碳氣體分子為工作介質，利用CO2氣體分子的兩個振動能階（對稱振動和屈折振動）態形成的居量反轉而引出雷射光來。因為氣體分子的振動能階態能量很低，容易激發，再加上雷射產生的量子效率高達百分之五十左右，所以CO2雷射的運轉效率很高，作為高功率輸出的雷射最為恰當。

它的輸出波長在10.6 微米的中紅外線波段，是水分子極容易吸收的波段，所以對㆟體表層組織燒切或磨皮方面效果很好，但是這個波段光束需要使用比較特別材料的光學元件。

因為它輸出功率高，熱效應明顯，用途極廣，所以一直是國際雷射市場產值最高的雷射種類，也因此CO2雷射的發展很快，因應不同的用途、不同的功率，市面上CO2雷射種類很多。


3.鹵化惰性氣體 - 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％。


4.惰性氣體 - 氬、氪和氙等，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分離，在舞臺效果方面甚受重用。

固體雷射是以固體當活性介質，大部分是將具有產生受激發射作用的離子摻入玻璃或晶體中，以人工方法製造而成。

一般說來，固體雷射由於其物態固有的特性，所以有些因此而產生的特徵；優點方面是：固體密度較高，容易得到瞬間的脈衝高峰值功率，所以常用在金屬的雕刻上面；固體雷射輸出波長大多在可見光和近紅外波段，可用光纖傳輸，比較方便應用；結構緊湊、牢固耐用，使用維護上比較方便；可配合Q開關、倍頻、鎖模等技術，改變其輸出參數，拓展多種用途。

缺點上則有：因為固體的關係，大功率的散熱冷卻不容易，或會影響到其輸出品質，所以比較少用在連續高功率的切割應用。

固體雷射

固體雷射是以固體當活性介質，大部分是將具有產生受激發射作用的離子摻入玻璃或晶體中，以人工方法製造而成。

一般說來，固體雷射由於其物態固有的特性，所以有些因此而產生的特徵；優點方面是：固體密度較高，容易得到瞬間的脈衝高峰值功率，所以常用在金屬的雕刻上面；固體雷射輸出波長大多在可見光和近紅外波段，可用光纖傳輸，比較方便應用；結構緊湊、牢固耐用，使用維護上比較方便；可配合Q開關、倍頻、鎖模等技術，改變其輸出參數，拓展多種用途。

缺點上則有：因為固體的關係，大功率的散熱冷卻不容易，或會影響到其輸出品質，所以比較少用在連續高功率的切割應用。

固體雷射大概可分為：

1.紅寶石雷射：1960 年問世的第一台雷射即是固體紅寶石雷射，紅寶石的化學式為Cr+3：Al2O3，雷射引出的受激發射能階為Cr+3的能階躍遷，輸出光波長0.694微米的紅光。紅寶石的機械強度大，能承受高功率密度，能生長成大尺寸，可作非常高功率的脈衝輸出。但只能單脈衝，無法連續或重複脈衝使用，目前主要用於醫療美容或研究上。

2.摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）雷射：以人工長晶製成的摻釹釔鋁石榴石結晶棒為活性介質，用強光照射激發得出1.06 微米的近紅外線雷射，此晶體的機械性能良好，硬度高、導熱性好，可高功率連續或重複脈衝輸出，是固體雷射裡最重要也是用途最廣的雷射。

Nd:YAG 雷射加裝Q 開關，可得到高速重複脈衝，在工業上普遍用於穿孔、雕刻、修整、銲接。若結合倍頻、三倍頻技術，可以得到綠光甚至紫外線波段的輸出，在電子工業上用途就更加廣泛。


3.Er:YAG及Ho:YAG雷射：Er:YAG是摻鉺釔鋁石榴石雷射，輸出波段為2.936微米的紅外線。Ho:YAG為摻鈥釔鋁石榴石雷射，輸出波段為2.10微米的紅外線，兩者大多為醫療上之應用。


4.亞歷山大（Alexandrite）雷射：是由Allied公司開發出來的Cr：BeAl2O4之紫翠玉雷射，它的輸出波長在0.72微米到0.80微米間為連續可調，一般亦為醫療所用。


5.半導體激發固體雷射（Diode pump solid state laser簡稱：DPSSL）：傳統以燈管激發的固體雷射，因為弧光或閃光燈管發光的頻譜範圍從紅外線一直到紫外線皆存在，而固體雷射晶棒卻只能吸收某一波段（一般屬於近紅外線）光譜，對其餘波段光譜不但無法吸收，使冷卻系統複雜化，像紫外線可能還會造成加速晶棒的老化，徒增困擾。如果只用固體晶棒吸收波段的光譜來照射激發，那麼處理廢熱的冷卻系統就會單純，雷射整體結構就會比較簡單，雷射運轉效率也提高不少。

而0.8微米附近輸出的半導體雷射，正是一般固體雷射晶棒的一條重要吸收譜線，所以近幾年，越來越多的固體雷射改採用半導體雷射激發產生，我們稱之為半導體激發固體雷射（簡稱：DPSSL）。

DPSSL採用的晶棒有Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF等，激發的方式有連續或脈衝，以及分側面激發、單端面激發、雙端面激發等等，輸出之雷射光波長以近紅外線和倍頻的綠光為主，紫外線的目前較少。

DPSSL雷射雖然還有一些缺點（如第一脈衝強度不夠、高功率半導體雷射的穩定性等），但應該還是固體雷射發展的走向，目前在較低功率應用的雷射加工市場上，已經漸漸被接受採用。

半導體雷射

半導體雷射係以半導體當活性介質，通以順向偏壓激發，半導體能階躍遷過程產生居量反轉分布，經由裁切半導體磊晶所形成的兩面光滑切面，來當共振腔鏡面，使雷射光共振放大輸出。

它體積小、重量輕、結構簡單、價錢便宜，能量轉換效率高，又可直接由輸入之激勵電源調制雷射光之輸出頻率。所以用途極廣，在一些光電機器系統裡，都是主要的光源，如：CD光碟機、DVD光碟機、雷射印表機、光纖通信系統…。

它的缺點是：體積小、散熱不容易，受溫度的的影響很敏感，光束的發散角很大，光束的同調品質較差，單個的輸出功率較低。不過已經以各種技巧慢慢改善其缺點，未來一定會越來越重要，現針對幾個半導體雷射的類別作簡單介紹：

1.AlGaAs雷射：波長範圍在0.65微米到0.905微米間的紅光到近紅外線波段，是最早發展的半導體雷射，目前正往高功率方向提升，作為固體雷射的激發光源或直接用於小型的雷射加工機，並被醫療的針炙、止痛或診療所用。

2.InGaAsP雷射：發光之波段在1.0微米到1.7微米間，目前往高品質且長波長發展，主要應用在光纖通訊上，因為較長波長（1.7微米附近）在光纖中傳輸的損失愈小。

3.短波長半導體雷射：波長越短，能量越高，聚焦的焦點越小，如果用在光資訊的讀寫頭上，資料儲存的密度就可更高。所以半導體雷射一直被要求往比較短波長的紅光、藍光發展，甚至目前發展中的綠光、紫外線。

4.面發光型半導體雷射：可以在一個面上同時發射多個半導體雷射，如此才方便被應用在整排高頻訊號的短距離傳輸，即所謂的電子構裝技術。


半導體雷射器是電驅動的二極體。施加電流產生的大量電子與電洞複合時，便產生受激發射作用的光增益。在晶體的解理面端點處的反射形成光學諧振腔，通常是利用兩種不同的材料來形成共振腔，儘管有些設計是把諧振腔放在半導體晶體的外面。

商業雷射二極體的發射波長是從375nm到3500nm。低到中等功率雷射二極體被應用於雷射印表機和CD/DVD播放機。應用於工業切割焊接，工業雷射二極體的最高功率已經達到了10 kW (70dBm)