激光打標機基本原理

1、第一章 激光器原理可以肯定地說：本世紀最后的偉大發(fā)明之一是激光技術。它自一九五八 年問世以來，已經(jīng)逐步地然而是堅定地滲透到了科研、軍事、工業(yè)等各個領 域。不是嗎？看看我們的周圍，你就可以輕易地找到它應用的實例：醫(yī)院中 的激光診斷及激光治療機、商店中的條碼識別器、辦公室中的激光打印機、 把我們與世界各地聯(lián)結在一起的光纖等等， 就是在我們的家中也有它的身影： 激光唱機、激光影碟機。人類發(fā)明了多種多樣的激光器。諸如：氣體激光器（He-Ne激光器、CO2 激光器等）、固態(tài)晶體激光器（紅寶石激光器、釹玻璃激光器等） 、離子激光 器（氪離子激光器、氬離子激光器等） 、染料激光器（甲酚紫激光器、螢光素 激光

2、器等）、超輻射激光器（氮分子激光器等）以及半導體激光器（砷化鎵半 導體二極管等）等等。在世界的許多地方，幾乎所有的商品激光器都在制造業(yè)中得到越來越廣 泛的應用。 CO2 激光器的主要用途就是各類工業(yè)激光加工設備， 作為固態(tài)晶 體激光器的 Nd: YAG （摻釹釔鋁石榴石） 激光器的最大應用便是在激光打標 領域。1.1 激光原理我們知道，物質是由原子組成的，而原子是由帶正電的原子核和帶負電 的核外電子組成的（見圖 1.1 ）。每一個電子都沿著自己特定的軌道繞原子核 高速旋轉，其旋轉半徑?jīng)Q定于電子所處的能級。原子吸收能量后，電子的旋 轉半徑會增加，電子的能級就會提高；原子釋放能量后，電子的旋轉半徑

3、會 減小，電子的能級就會降低。每個能級對應著一個特定的能量。電子所具有 的能量是不連續(xù)的，也就是說原子的能級是量子化的。原子只有吸收了兩個 能級之間差值的能量才會提高一個能級，電子在能級之間的變動現(xiàn)象稱為躍 遷。同樣，當原子躍遷到較低能級時，會釋放出兩個能級之間差值的能量。 原子的最低能級為E0,高的能級依次為E1、E2、E3、，高的能級稱 為上能級，低的能級為下能級。處在能級 E0 的原子稱為基態(tài)原子，其它能 級稱為激發(fā)態(tài)（見圖 1.2）。原子可以吸收光子來獲得能量，當然這個光子必須具有與原子能級差相 等的能量（例如： E1-E0 ）原子只能吸收帶有幾個能量的光子。光子的能量 決定于光子本身

4、的波長。所以，原子只能吸收幾個特定波長的光子。正常情況下，原子吸收能量后會在上能級停留一段時間（這一時間被稱 為原子的上能級壽命），然后向任意一個方向發(fā)射一個光子并返回基態(tài)。 這一 現(xiàn)象稱為原子的自發(fā)發(fā)射。對這一現(xiàn)象，圖 1.3 作了形象的描述。圖 1.1 原子的結構圖 1.2 原子的能級若在激發(fā)態(tài)原子的附近，恰巧有一個光子經(jīng)過，這個光子又恰好具有原 子上下能級之差的能量，那么這個原子就有可能受到外來光子的激勵而發(fā)出 一個光子，原子自身則在發(fā)射后返回基態(tài)。原子的這種因受到外來激勵而發(fā) 射的情況，稱為原子的受激發(fā)射（圖 1.4 ）。原子受激發(fā)射所放出的光子與外 來的激勵光子在能量、波長、相位等方

5、面完全相同。以上是單個原子能級的變化情況。對于大量原子的情況，在通常條件下，大多數(shù)原子總是分布在基態(tài)上， 其余原子總是從低能級到高能級遞減分布。這一分布規(guī)律就是通常所說的波 爾茲曼分布。在圖 1.5 中，縱坐標表示原子的能級，橫坐標表示在各能級上 原子的分布數(shù)量。如果我們加熱這些原子，會使處于上能級的原子數(shù)量有所 增加。但不管如何加熱這些原子，在原子群達到新的熱平衡后，上能級的原子數(shù)量總是少于下能級的原子數(shù)量。若我們想辦法強迫下能級的原子躍遷到 上能級，而同時保證上能級的原子不很快地發(fā)射而返回到下能級，就會人為 地造成粒子數(shù)反轉。這時再用激勵光子去激勵上能級原子，使其產生受激圖1.5原子在各能

6、級上的分布發(fā)射。在受激發(fā)射的同時，要設法使下能級的原子持續(xù)地躍遷到上能級，以 維持粒子數(shù)反轉，使受激發(fā)射能夠持續(xù)地進行下去。受激發(fā)射所產生的光子 都具有相同的波長、方向及相位，所以受激發(fā)射的光是很強的。這就是激光。 激光這個詞是從英文原文“ LASER” 一詞翻譯過來的，它的完整的英文原文 是 “Light Amplificati on by Stimulated Emissi on of Radiatio n” （光輻射受激發(fā)射放大），“LASER ”是它的縮寫。簡單地說：激光器的實質是一個 光放大器。在實踐中，要想產生激光，就必須滿足兩個條件：首先找到能夠實現(xiàn)粒 子數(shù)反轉的工作物質，也就是

7、激光介質；第二要建立一個諧振腔，使某一個 頻率的能量源（可以是諧振腔外的，也可以是諧振腔內的）在腔內諧振，在 激光介質中多次往返時，有足夠的機會去激勵（泵浦）處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)&圖 1.6 激光的產生示意圖的激光介質。只有這樣，才能產生激光。這些受激發(fā)射的光子又去激發(fā)其它 原子，一個變兩個、兩個變四個、四個變八個、，產生連鎖反應，光強 被雪崩似地放大。因而產生強烈的激光。通常是在激光介質的兩端各放置一個反射鏡來組成諧振腔，以形成光學 反饋。它的作用是將那些沿介質長軸發(fā)射的光子反射回介質中。兩個反射鏡 中的一個被有意作成可以透過一個很小百分比的光強（在激光器中被稱為前 鏡，相應的另外一個反射鏡被

8、稱為后鏡） ，這就是激光輸出（見圖 1.6 ）1.2 激光器原理Nd: YAG 激光器原理Nd: YAG 激光器是固態(tài)晶體激光器的一種，它采用 Nd: YAG 晶體棒作 激光介質。 Nd: YAG 晶體是將激光介質釹 （Nd） 原子摻在生晶體釔鋁石榴石 （YAG）中，Nd原子在YAG中的最佳含量約為總重量的1 %。所以，Nd: YAG 晶體的全稱是摻釹釔鋁石榴石晶體。 Nd: YAG 晶體一般被制作成棒狀， 這種 材料的制作是很困難的，且價格昂貴。但由于它具有良好的光學性能、機械 性能和熱學性能，所以是高功率激光器的最佳選材之一。之所以采用氪燈作為激勵用的泵浦源，因為它可以發(fā)出波長為0.73卩

9、m 和0.8卩m的光線，用這一波長的光來激勵 Nd原子是最為有效的。將 Nd: YAG 晶體棒與氪燈并排放置在一個橢圓型的光學腔內，光學腔 的內表面形狀是經(jīng)過精心設計的，以便保證氪燈發(fā)出的泵浦光能夠全部聚集 到Nd: YAG晶體棒的中心軸上。由一個反射率為 100 %的反射鏡作后鏡， 前鏡的反射率為精心設計的 90%（透過率為 10%），它們共同組成光學諧振 腔，以實現(xiàn)光學諧振。Nd （釹）原子的能量轉移過程分為四步（在圖1.7中對這一過程有詳細1| 無*bai*1光子!無亞Tftflit jK圖1.7 Nd: YAG 激光器原理圖的描述），第一步：Nd原子在氪燈發(fā)出的波長為 0.73卩m和0

10、.8卩m泵浦 光的激勵下，處于基態(tài)的 Nd原子躍遷到兩個上能級中的一個，原子在這里 的上能級壽命非常短，大約只有10-7秒，這里稱這一能級為激發(fā)態(tài)；第二 步：原子在激發(fā)態(tài)迅速地進行一次無發(fā)射的躍遷，到達另一個上能級，原子 在這里的上能級壽命較長，大約為 10 -4秒，這一能級稱為亞穩(wěn)態(tài)，原子在 這里形成粒子數(shù)反轉；第三步：當原子在這里受激而躍遷到達下能級時，就 會發(fā)射出波長為1.06卩m的光子，這就是激光；第四步：原子在這里再發(fā) 生一次無發(fā)射的躍遷到達基態(tài)，準備重復上述過程。1.2.2 CO2激光器原理CO2是三原子結構的線性分子，它有三種振動方式，如圖1.8所示。第 一種叫做對稱振動（如圖1

11、.8a所示），其對應的振動能量叫做對稱振動能量， 其能級相應地稱為對稱振動能級。第二種叫做反對稱振動（如圖1.8b所示）， 其對應的振動能量叫做反對稱振動能量，其能級相應地被稱為反對稱振動能 級。第三種叫做形變振動，又叫彎曲振動（如圖 1.8c及U所示），這種振動 有上下、前后兩種形式，這種振動的能量叫做形變振動能量，能級被稱為形 變振動能級。c，覺I圖1.8 CO 2分子的振動方式CO2分子有幾個上能級，其中只有一個上能級在躍遷時可以產生波長為 10.6卩m的激光，我們不妨把這一能級叫做激光能級（屬于反對稱振動能 級）。由于CO2分子的上能級壽命長，而且 CO2激光器的激光能級與基態(tài) 靠得很

12、近，從而使它有高的效率、低的激勵能量，并且很容易獲得并積聚大 量的受激分子，從而得到高功率、高效率的激光器。建立CO2激光器能級間粒子數(shù)反轉，把分子激發(fā)到高能級，一般有以 下幾個基本過程：1電子直接激勵：放電中具有一定動能的電子同處于基態(tài)的CO2分子碰撞，把分子從基態(tài)直接激發(fā)到激光能級。2串級躍遷：處于比激光能級更高的其它反對稱上能級也和基態(tài)能級有聯(lián)系， 因此動能較高的電子和基態(tài)的 CO2分子相碰撞時，也能把分子激發(fā)到這些 能級上去，在這些能級上的分子很容易躍遷到激光能級上來，這是因為它們 都是反對稱振動能級，而激光能級又是其中最低的一個。在較高能級的分子 是不穩(wěn)定的，它們總是力圖向較低能級躍

13、遷，因此在激光能級就會積聚大量 的粒子，這就是所謂串級躍遷。3.諧振碰撞：處于更高反對稱振動能級上的分子還可以通過與基態(tài)CO2分子的碰撞，把能量交給后者使其激發(fā)到激光能級，而自己成為低一級的反對 稱振動能級分子。這一類碰撞是諧振的，發(fā)生的幾率很大，對增加激光能級 的粒子數(shù)有很大的貢獻。4復合過程：在CO2分子放電過程中，有部分CO2分子分解為CO和O, 同時也存在部分CO和O復合成CO2分子的過程，在它們復合時會把原來 分解時吸收的能量放出，因此復合而成的CO2分子就會被這部分能量激發(fā)到激光能級。以上這四種基本過程是 CO 2 分子被激發(fā)到激光能級去的四條途徑。另 外，為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉以便產生

14、受激輻射，還必須抽空下能級。CO2 激光器按激勵方式可分為橫向激勵激光器、 氣動激光器、 化學激勵 激光器、射頻激勵激光器，等等。第二章激光打標機的種類一般地說，激光打標機是在計算機的控制下，使被打標的工件與激光束 產生受控相對運動，激光束就會在工件表面燒蝕出需要的符號和圖案。顯然，產生這種相對運動可以有兩種方式：一種是激光束固定，工件運 動；還有一種是工件固定，激光束運動。對于前一種方式，一般采用兩維機械數(shù)控（或計算機控制）工作臺拖動 被打標工件，工件在工作臺的拖動下按照事先設計好的軌跡運動，在固定不 動的激光束的燒蝕作用下，工件表面就會留下永久的痕跡（見圖2.1 ）。這種打標方式我們稱之為

15、“工作臺式”。采用這種方式的打標機最大的優(yōu)點是：圖2.1 “工作臺式”激光打標機的原理示意圖價格相對低廉，但受機械運動機構設計的限制打標速度慢，很難進行精細文 字及圖案的打標（若要實現(xiàn)精細打標，價格低廉的優(yōu)點將不復存在，且非常 困難），更無法對照片進行打標。對于后一種方式，常用的有兩種方法：1利用兩個聯(lián)動的光學反射鏡，使激光束發(fā)生偏折。激光器射出的激光束照 在第一面反射鏡上，在水平方向折射90。后照射在第二反射鏡上，第二反射 鏡使激光束向下反射通過聚焦透鏡后在工件表面聚焦，該透鏡與第二反射鏡 是固定在一起的。第一反射鏡沿激光器的軸線運動，運動時帶動第二反射鏡， 第二反射鏡沿反射后的激光束運動，

16、這兩個運動受計算機控制。這兩個運動 的合成就是事先要求的標記圖樣的軌跡（見圖 2.2 ）。這種打標方式我們稱之 為“繪圖儀式”，因為它的工作方式類似于筆式繪圖儀。 又由于在打標過程中， 兩個反射鏡帶著激光束做大范圍的運動，就象激光束在飛來飛去，所以又有 人稱之為“飛行光學式”打標機。與“工作臺式”激光打標機相比，它的運 動機構變得輕巧，構造更加簡單，但由于在打標過程中激光光束的光程是不斷變化的，最終作用在工件表面的光斑質量難以一致。這種形式的激光打標 機在不降低激光光斑能量密度的情況下，打標范圍容易做得很大，但圖2.2“繪圖儀式”激光打標機原理示意圖難以對精細圖案進行打標，打標速度較慢。2利用

17、振鏡掃描器使激光束發(fā)生偏轉及運動。由激光器射出的激光束順序投 射到第一、第二振鏡掃描器上，它們分別使激光束在平面的X、丫兩個方向上掃描，在計算機的控制下，激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦后就會在平面上掃描出 所要求的圖案（見圖2.3 ）。這種打標方式我們稱之為“振鏡掃描式”，它的 最大優(yōu)點是打標速度快，打標精細，可以處理各種精細文字、圖案的打標， 缺點是造價較高，很難擴大打標視場。但由于它打標速度快，打標精細，已 經(jīng)成為激光打標機的主流產品。圖2.3“振鏡掃描式”激光打標機工作原理示意圖激光打標機還可按照所選用的激光器類型來分類，諸如：CO2 激光打標機、 Nd: YAG 激光打標機等等。YAG 系列激光

18、打標機屬于振鏡掃描式 Nd: YAG 打標機，它采用的是 Nd: YAG 激光器。該類打標機一般由激光器及電源、聲光 Q 開關及驅動電源、 振鏡掃描器及驅動電源、光學系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、打標機專用 D/A 轉 換控制器、專用水循環(huán)制冷系統(tǒng)等組成； CO2 系列激光打標機屬于振鏡掃描 式 CO 2打標機，它采用的是射頻激勵 CO2 激光器。該類打標機一般由激光 器及電源、振鏡掃描器及驅動電源、光學系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、風冷卻或 水循環(huán)系統(tǒng)等組成。第三章激光輸出的調制3.1聲光Q開關對于采用Nd: YAG激光器的JBJ系列激光打標機來說，聲光 Q開關 是必不可少的。它是通過在光學反饋路徑上交替地

19、開啟和阻斷光路來形成激 光脈沖的一種設備?！癚”是英文“ Quality ”（品質）的縮寫，它的意思是指 光學諧振腔中光學反饋的品質。在激光打標系統(tǒng)中，聲光Q開關經(jīng)常作為附屬光學器件加到光學諧振腔內。聲光Q開關由對激光束透明的材料（如水晶等）制成，它的側面粘合了 一個壓電聲學換能器，在該壓電聲學換能器上加有射頻信號，該射頻信號的 頻率被調制為150kHz 。當沒有電信號時，Nd: YAG晶體中發(fā)出的光束可以直接通過聲光 Q開 關，被后反射鏡反射后通過聲光 Q開關又回到晶體，Q開關不起作用。當有 信號加在聲光換能器上時，換能器將產生聲波，聲波作用在水晶上而壓迫水 晶，這將使水晶的折射率發(fā)生變化，

20、從Nd: YAG晶體中發(fā)出的光在通過聲光Q開關時將被折射而偏離后反射鏡。由于用于受激發(fā)射的光反饋消失了， 激光產生的過程也就中斷了（如圖 3.1所示）。圖例開關不工作時激光束的傳輸路徑 開關工作時激光的傳輸路徑圖3.1聲光Q開關工作原理示意圖Nd是一種十分難得的優(yōu)質激光介質，它的上能級壽命相對較長，達到 了 10-4秒。當射頻信號使Q開關破壞了光學諧振腔的諧振條件從而阻斷激光 輸出時，它的內部仍然在吸收氪燈發(fā)出的光能而形成粒子數(shù)反轉，由于較長 的上能級壽命，受激原子不會很快回到下能級。在沒有激光輸出期間，上能 級積聚了極大的能量，當射頻信號一旦取消而恢復光學反饋時，將會產生數(shù) 千瓦的激光峰值功

21、率輸出。Q開關為在功率較低的激光器上產生高峰值功率 短脈寬的激光脈沖提供了極好的方法。YAG系列激光打標機采用的聲光Q開關是由熔石英制成的，采用LiNbo 3單晶作壓電聲學換能器。為了提高聲光 Q開關對Nd: YAG激光的 透過率，在熔石英的兩個通光面表面鍍 1.06卩m硬增透膜。3.2激光脈沖控制器對于采用射頻激勵CO 2激光器的C02系列激光打標機來說，有沒有激 光脈沖控制器似乎都可以對工件進行打標加工。但實踐證明，加有激光脈沖 控制器的激光打標機打標質量明顯提高，對材料的適應能力也更好，更能夠 滿足激光打標加工的要求。脈沖控制器的工作原理與聲光Q開關完全不同，它是用一組電脈沖信號 直接控

22、制激光電源，從而改變激光器的輸出波形。達到縮小激光束輸出的輻 射方向以及大幅度增加激光輸出的峰值功率的目的。它的工作原理見圖3.2 。圖3.2激光脈沖控制器工作原理第四章 供電及冷卻系統(tǒng)無論是采用 Nd: YAG 激光器的 YAG 系列激光打標機，還是采用 CO2 激光器的 CO2 系列激光打標機，供電及冷卻系統(tǒng)都是少不了的。Nd: YAG 激光器所用的泵浦源氪燈， CO2 激光器的激光管都需要一個 穩(wěn)定、可靠的直流電源，電源的穩(wěn)定性直接影響激光輸出的穩(wěn)定性。 Nd: YAG 激光器所用的電源還必須包括一個能產生高壓啟動脈沖的點燃電路，以引燃 氪燈。大恒激光生產的激光打標機均采用 IGBT 開

23、關電源，由于設計合理、制 作精良，保證了電源的穩(wěn)定性和可靠性。Nd: YAG激光器所用的泵浦源一一大功率氪燈，在發(fā)光過程中會產生 大量的熱；CO?激光器在工作時同樣會產生一定的熱量 （雖然不如Nd: YAG 激光器產生的熱量多）。若不及時將這些熱量去掉， 不僅會影響激光器的正常 使用和縮短氪燈的使用壽命，更為嚴重的是將會發(fā)生炸腔或損壞 CO?激光管 的惡性事故，使昂貴的Nd: YAG晶體棒及鍍金腔或CO?激光器報廢。施加于聲光 Q 開關上的射頻信號，被壓電晶體吸收后，一部分能量轉變 成超聲波，還有一部分變成熱； 盡管 Q 開關中的熔石英晶體對激光是透明的， 但還會吸收一部分光能，這些能量轉變?yōu)?/p>

24、熱。這些熱量會燒壞壓電換能器的 電極，燒壞壓電換能器，甚至會燒壞熔石英晶體。去除熱量的最有效的方法是加裝一套水循環(huán)裝置，靠水的循環(huán)來帶走熱 量。對于 Nd: YAG 激光器，由于氪燈表面的溫度很高，必須考慮不使氪燈 表面結垢；冷卻水直接流過氪燈表面，水必須有很高的透明度；氪燈的電極 上加有高壓，水必須有較高的電阻率。所以必須采用去離子水。對于CO2激光器，冷卻水采用普通水就可以了。為了節(jié)省寶貴的水資源，冷卻水（不管 是去離子水還是普通水）應該循環(huán)使用，一般的做法是采用一套二次冷卻裝 置，以帶走冷卻水所帶出的熱量，一般是采用外接普通水源的辦法。由于采 用 CO ?激光器的激光打標機所產生的熱量較

25、小， 二次冷卻多采用風冷卻的方 式。第五章 光學系統(tǒng)沒有光學系統(tǒng)，激光打標機是無法正常工作的。針對激光打標機工作方 式的不同，光學系統(tǒng)也是各式各樣的，當他們都包括擴束鏡（使激光器發(fā)出 的激光束直徑變大并縮小激光束的發(fā)散角） 、光學聚焦透鏡 （使作用在工件表 面的激光光斑直徑盡可能變?。┖头瓷溏R（用以改變激光束的方向） 。一個 70W 的連續(xù)激光器所發(fā)出的光能與一個 70W 的普通燈泡所發(fā)出的 光能是差不多的。普通燈泡是被設計為用來照明的，它發(fā)出的光線是向四面 八方照射的，與燈泡不同的是激光器發(fā)出的光線集中在一個很小的范圍。所 以激光的能量密度（單位面積上的能量）遠遠大于燈泡的能量密度，實際的

26、打標效果決定于工件表面所承受的能量密度，而不是激光的功率。為了能夠 很好地進行激光打標，必須進一步提高激光的能量密度。這有兩個方法：一 個是提高激光器的激光輸出功率，一般地說這是困難或得不償失的；還有一 個方法是將激光器發(fā)出的激光束進一步變細，這需要一套光學系統(tǒng)。使激光束變細是很簡單的，只需有一個聚焦透鏡將激光束聚焦到一個很 小的點。激光器發(fā)出的激光并不是理想的平行光，它有一個很小的發(fā)散角， 這一很小的發(fā)散角會影響到聚焦透鏡的聚焦效果。所以在聚焦透鏡之前要有 一個擴束鏡用以壓低光束的發(fā)散角。擴束鏡除了可以壓低光束的發(fā)散角外， 還可以擴大激光輸出光束的直徑。我們知道，聚焦后光斑的大小取決于入射 光束直徑和聚焦透鏡的焦距：入射光束直徑越大，聚焦后光斑直徑越小。入 射光束直徑的增大，還可以降低激光光路中使激光光束改變方向的反射鏡上 的激光能量密度，保證了反射鏡在長時間工作時不被激光束燒壞。按照聚焦透鏡在光路中相對于反射鏡所處的位置，可以分為前聚焦和后 聚焦兩種方式。下面我們以振鏡掃描式激光打標機為例來介紹激光打標機的光學系統(tǒng)。5.1