[科普中国]-激光脉冲

激光（英语：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为LASER，或laser），港澳地区称“激光”、“雷射”，台湾地区称“雷射”，是指通过受激辐射而产生，放大的光，即受激辐射的光放大。特点是单色性极好，发散度极小，亮度（功率）可以达到很高。产生激光需要“激发来源”，“增益介质”，“共振结构”这三个要素。

简介脉冲就是隔一段相同的时间发出的波（电波/光波等等）等机械形式。

激光脉冲指的是脉冲工作方式的激光器发出的一个光脉冲，简单的说，好比手电筒的工作一样，一直合上按钮就是连续工作，合上开关立刻又关掉就是发出了一个“光脉冲”。用脉冲方式工作有它的必要性，比如发送信号、减少热的产生等。激光脉冲能做到特别短，譬如“皮秒”级别，就是说脉冲的时间为皮秒这个数量级——而1皮秒等于一万亿分之一秒。1

发展历史激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。

激光能够定向发光，大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，光的颜色由光的波长决定，一定的波长对应一定的颜色，因此激光发出的光颜色极纯。激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大，短时间里聚集起大量的能量。

我国研究现状我国很重视发展飞秒脉冲技术，在西安光学精密机械研究所和中山大学分别设立了国家重点瞬态过程实验室和超快光谱实验室，实施863计划，跟踪国际飞秒技术的发展。北京物理所、长春物理所、天津大学、北京工业大学等单位也有飞秒光谱和飞秒脉冲激光器的研究。西安光学精密机械研究所曾作出过的钛152fs宝石锁模脉冲，上海光学精密机械研究所作出过452fs放大压缩后的脉冲，上海光学精密机械研究所在钛宝石激光材料和其他固体激光材料方面有独特的贡献。但是总的来说，我国的飞秒脉冲激光器的研究仍处在实验室阶段，离实用化还有很大差距，应用方面也没有真正开展起来，这显然与我国整体工业基础和科研水平有关，飞秒脉冲激光器本身很容易制造，但是它的泵浦源很昂贵，而且要靠进口，只少数大研究所和大学可以购买，这就大大限制了飞秒激光脉冲在我国的发展和应用，在目前国家财力条件下，我国的飞秒脉冲技术的研究还只能处于跟踪国际发展趋势的阶段，当然，也不排除在某个领域有领先或突破的可能。我国的激光器市场有限，但是福建物质结构所发明的激光频率变换用的BBO、LBO等晶体在国际上声誉鹊起，市场上畅销。这说明，我们的飞秒脉冲研究不应局限于国内目前的应用水平而停留在跟踪国际发展趋势的阶段，只要有独创的技术，照样可以参与国际竞争。

我们相信，随着超短脉冲激光技术的进一步发展以及具有高可靠性的商用飞秒激光器的进一步完善，飞秒激光一定会在更多领域获得更为广泛的应用。我国的飞秒激光脉冲技术也定将走到世界的前列，使得飞秒脉冲技术在各个领域得到更加广泛的应用。

激光器的工作方式连续激光激光泵浦源持续提供能量，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合。

脉冲激光脉冲工作方式是指每间隔一定时间才工作一次的方式。

脉冲激光器具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。

常见的脉冲激光器：固体激光器中的钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激光器、蓝宝石激光器、钕玻璃激光器等。 还有氮分子激光器、准分子激光器等。

巨脉冲激光在腔内人为的加入损耗，使其大于工作物质的增益，这时没有激光输出。但在泵浦源持续不断的激励下，激光上能级的原子数越来越多，得到了较大的粒子数反转。如果定义峰值功率为脉冲的能量除以脉冲的持续时间（脉宽），那么，在撤除人为加入的损耗情况下，就会在很短的时间内以极快的速度产生脉冲宽度窄、峰值功率高的脉冲激光，通常称为巨脉冲。2

激光脉冲的工作过程耦合对激光束来说，金属和合金不是透明的，打在金属表面的光子不是被吸收就是被反射。在室温情况下，大多数的金属和合金对激光束具有很高的反射性。因此大部分一开始击中焊缝区域的光子从工件表面被反射回来。少数被吸收的光子的能量转化为热量，提高了金属表面的局部温度。随着温度的升高，焊缝表面光子吸收率增加，随后更多的光子被吸收。吸收率随着温度的提升引起了一连串反应，短时间内几乎所有照射到焊缝表面的光子都被吸收，使得焊接区域达到熔点。这种从最开始室温下光子反射到熔融状态大量光子被吸收的转变过程称之为耦合。

熔合耦合过程一旦形成，脉冲焊的下一个阶段就是建立焊缝熔合区。如果功率密度较低，光子仅会被表面吸收，产生的热量通过传导进入金属内部，这种焊接称之为热传导焊。熔合区的金属一旦熔化，一些热量就会通过对流的方式传递到金属内部，通过这样的方式形成的焊缝熔合区较浅呈碗状。

功率密度较高时，由于高压等离子体，熔融金属被挖开形成匙孔。匙孔的形成允许激光束进入金属的深度更深。此时光子是在金属表面以下吸收，并具有多重反射机会，从而进一步增加有效吸收。深熔焊时，焊缝熔深呈锥形，并具有更大的深宽比。脉冲焊时，在焊接脉冲在每一个脉冲结束关闭的时候，匙孔就会开启。焊接结束时，熔融金属冷却凝固，导致在匙孔根部高压等离子体残留，引起小孔。

在脉冲焊的第二阶段，控制焊接温度非常重要，在确保能量供应的同时，又要避免焊缝过热。加热速度过快，焊缝金属会被抛出熔合区，形成飞溅。焊接温度的控制对高熔点合金，例如不锈钢，来说是非常简单的，因为高熔点合金对YAG激光光子的吸收很强。铝合金由于其反射率高，熔点低，熔化温度区间窄，要控制温度又避免过热就比较困难。由于典型的脉冲激光焊持续时间短，为1-10ms范围内，直接测量焊接温度比较困难，因此不得不基于焊接效果对焊接温度进行评估。

冷却在第二阶段形成的熔融金属被大量固态金属包围，如果在焊缝熔合区形成后突然停止发射激光脉冲，焊缝将会迅速冷却。实际上，激光脉冲点焊是几种冷却速率最快的焊接方法之一，仅次于电阻点焊。这么快的冷却速率会导致很多问题，包括残留气孔，残余应力高，裂纹以及焊缝金属硬度过高。其中一些问题可以通过降低冷却速率来减少。1

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学