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1、14激光打标机原理第一章 激光器原理可以肯定地说：本世纪最后的伟大发明之一是激光技术。它自一九五八年问世以来，已经逐步地然而是坚定地渗透到了科研、军事、工业等各个领域。不是吗？看看我们的周围，你就可以轻易地找到它应用的实例：医院中的激光诊断及激光治疗机、商店中的条码识别器、办公室中的激光打印机、把我们与世界各地联结在一起的光纤等等，就是在我们的家中也有它的身影：激光唱机、激光影碟机。人类发明了多种多样的激光器。诸如：气体激光器（He-Ne激光器、CO2激光器等）、固态晶体激光器（红宝石激光器、钕玻璃激光器等）、离子激光器（氪离子激光器、氩离子激光器等）、染料激光器（甲酚紫激光器、萤光素激光器等
2、）、超辐射激光器（氮分子激光器等）以及半导体激光器（砷化镓半导体二极管等）等等。在世界的许多地方，几乎所有的商品激光器都在制造业中得到越来越广泛的应用。CO2激光器的主要用途就是各类工业激光加工设备，作为固态晶体激光器的Nd: YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器的最大应用便是在激光打标领域。1.1激光原理我们知道，物质是由原子组成的，而原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子组成的（见图1.1）。每一个电子都沿着自己特定的轨道绕原子核高速旋转，其旋转半径决定于电子所处的能级。原子吸收能量后，电子的旋转半径会增加，电子的能级就会提高；原子释放能量后，电子的旋转半径会减小，电子的能级就会降低。每个能级
3、对应着一个特定的能量。电子所具有的能量是不连续的，也就是说原子的能级是量子化的。原子只有吸收了两个能级之间差值的能量才会提高一个能级，电子在能级之间的变动现象称为跃迁。同样，当原子跃迁到较低能级时，会释放出两个能级之间差值的能量。原子的最低能级为E0，高的能级依次为E1、E2、E3、，高的能级称为上能级，低的能级为下能级。处在能级E0的原子称为基态原子，其它能级称为激发态（见图1.2）。原子可以吸收光子来获得能量，当然这个光子必须具有与原子能级差相等的能量（例如：E1-E0）原子只能吸收带有几个能量的光子。光子的能量决定于光子本身的波长。所以，原子只能吸收几个特定波长的光子。正常情况下，原子吸
4、收能量后会在上能级停留一段时间（这一时间被称为原子的上能级寿命），然后向任意一个方向发射一个光子并返回基态。这一现象称为原子的自发发射。对这一现象，图1.3作了形象的描述。图1.1 原子的结构图1.2 原子的能级若在激发态原子的附近，恰巧有一个光子经过，这个光子又恰好具有原子上下能级之差的能量，那么这个原子就有可能受到外来光子的激励而发出一个光子，原子自身则在发射后返回基态。原子的这种因受到外来激励而发射的情况，称为原子的受激发射（图1.4）。原子受激发射所放出的光子与外来的激励光子在能量、波长、相位等方面完全相同。.以上是单个原子能级的变化情况。对于大量原子的情况，在通常条件下，大多数原子总
5、是分布在基态上，其余原子总是从低能级到高能级递减分布。这一分布规律就是通常所说的波尔兹曼分布。在图1.5中，纵坐标表示原子的能级，横坐标表示在各能级上原子的分布数量。如果我们加热这些原子，会使处于上能级的原子数量有所增加。但不管如何加热这些原子，在原子群达到新的热平衡后，上能级的原子数量总是少于下能级的原子数量。若我们想办法强迫下能级的原子跃迁到上能级，而同时保证上能级的原子不很快地发射而返回到下能级，就会人为地造成粒子数反转。这时再用激励光子去激励上能级原子，使其产生受激图1.5 原子在各能级上的分布发射。在受激发射的同时，要设法使下能级的原子持续地跃迁到上能级，以维持粒子数反转，使受激发射
6、能够持续地进行下去。受激发射所产生的光子都具有相同的波长、方向及相位，所以受激发射的光是很强的。这就是激光。激光这个词是从英文原文“LASER”一词翻译过来的，它的完整的英文原文是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (光辐射受激发射放大)，“LASER”是它的缩写。简单地说：激光器的实质是一个光放大器。在实践中，要想产生激光，就必须满足两个条件：首先找到能够实现粒子数反转的工作物质，也就是激光介质；第二要建立一个谐振腔，使某一个频率的能量源（可以是谐振腔外的，也可以是谐振腔内的）在腔内谐振，在激光介质中多次往返时，
7、有足够的机会去激励（泵浦）处于粒子数反转状态图1.6 激光的产生示意图的激光介质。只有这样，才能产生激光。这些受激发射的光子又去激发其它原子，一个变两个、两个变四个、四个变八个、，产生连锁反应，光强被雪崩似地放大。因而产生强烈的激光。通常是在激光介质的两端各放置一个反射镜来组成谐振腔，以形成光学反馈。它的作用是将那些沿介质长轴发射的光子反射回介质中。两个反射镜中的一个被有意作成可以透过一个很小百分比的光强（在激光器中被称为前镜，相应的另外一个反射镜被称为后镜），这就是激光输出（见图1.6）。1.2 激光器原理1.2.1 Nd: YAG激光器原理Nd: YAG激光器是固态晶体激光器的一种，它采用
8、Nd: YAG晶体棒作激光介质。Nd: YAG晶体是将激光介质钕(Nd)原子掺在生晶体钇铝石榴石(YAG)中，Nd原子在YAG中的最佳含量约为总重量的1。所以，Nd: YAG晶体的全称是掺钕钇铝石榴石晶体。Nd: YAG晶体一般被制作成棒状，这种材料的制作是很困难的，且价格昂贵。但由于它具有良好的光学性能、机械性能和热学性能，所以是高功率激光器的最佳选材之一。之所以采用氪灯作为激励用的泵浦源，因为它可以发出波长为0.73m和0.8m的光线，用这一波长的光来激励Nd原子是最为有效的。将Nd: YAG晶体棒与氪灯并排放置在一个椭圆型的光学腔内，光学腔的内表面形状是经过精心设计的，以便保证氪灯发出的
9、泵浦光能够全部聚集到Nd: YAG晶体棒的中心轴上。由一个反射率为100的反射镜作后镜，前镜的反射率为精心设计的90（透过率为10），它们共同组成光学谐振腔，以实现光学谐振。Nd（钕）原子的能量转移过程分为四步(在图1.7中对这一过程有详细图1.7 Nd: YAG激光器原理图的描述)，第一步：Nd原子在氪灯发出的波长为 0.73m和 0.8m泵浦光的激励下，处于基态的Nd原子跃迁到两个上能级中的一个，原子在这里的上能级寿命非常短，大约只有10-7 秒，这里称这一能级为激发态；第二步：原子在激发态迅速地进行一次无发射的跃迁，到达另一个上能级，原子在这里的上能级寿命较长，大约为10-4 秒，这一能
10、级称为亚稳态，原子在这里形成粒子数反转；第三步：当原子在这里受激而跃迁到达下能级时，就会发射出波长为 1.06m的光子，这就是激光；第四步：原子在这里再发生一次无发射的跃迁到达基态，准备重复上述过程。1.2.2 CO2激光器原理CO2是三原子结构的线性分子，它有三种振动方式，如图1.8所示。第一种叫做对称振动（如图1.8a所示），其对应的振动能量叫做对称振动能量，其能级相应地称为对称振动能级。第二种叫做反对称振动（如图1.8b所示），其对应的振动能量叫做反对称振动能量，其能级相应地被称为反对称振动能级。第三种叫做形变振动，又叫弯曲振动（如图1.8c及c,所示），这种振动有上下、前后两种形式，这
11、种振动的能量叫做形变振动能量，能级被称为形变振动能级。图1.8 CO2分子的振动方式CO2分子有几个上能级，其中只有一个上能级在跃迁时可以产生波长为10.6m的激光，我们不妨把这一能级叫做激光能级（属于反对称振动能级）。由于CO2分子的上能级寿命长，而且CO2激光器的激光能级与基态靠得很近，从而使它有高的效率、低的激励能量，并且很容易获得并积聚大量的受激分子，从而得到高功率、高效率的激光器。建立CO2激光器能级间粒子数反转，把分子激发到高能级，一般有以下几个基本过程：电子直接激励：放电中具有一定动能的电子同处于基态的CO2分子碰撞，把分子从基态直接激发到激光能级。串级跃迁：处于比激光能级更高的
12、其它反对称上能级也和基态能级有联系，因此动能较高的电子和基态的CO2分子相碰撞时，也能把分子激发到这些能级上去，在这些能级上的分子很容易跃迁到激光能级上来，这是因为它们都是反对称振动能级，而激光能级又是其中最低的一个。在较高能级的分子是不稳定的，它们总是力图向较低能级跃迁，因此在激光能级就会积聚大量的粒子，这就是所谓串级跃迁。谐振碰撞：处于更高反对称振动能级上的分子还可以通过与基态CO2分子的碰撞，把能量交给后者使其激发到激光能级，而自己成为低一级的反对称振动能级分子。这一类碰撞是谐振的，发生的几率很大，对增加激光能级的粒子数有很大的贡献。复合过程：在CO2分子放电过程中，有部分CO2分子分解
13、为CO和O，同时也存在部分CO和O复合成CO2分子的过程，在它们复合时会把原来分解时吸收的能量放出，因此复合而成的CO2分子就会被这部分能量激发到激光能级。以上这四种基本过程是CO2分子被激发到激光能级去的四条途径。另外，为实现粒子数反转以便产生受激辐射，还必须抽空下能级。CO2激光器按激励方式可分为横向激励激光器、气动激光器、化学激励激光器、射频激励激光器，等等。第二章 激光打标机的种类一般地说，激光打标机是在计算机的控制下，使被打标的工件与激光束产生受控相对运动，激光束就会在工件表面烧蚀出需要的符号和图案。显然，产生这种相对运动可以有两种方式：一种是激光束固定，工件运动；还有一种是工件固定
14、，激光束运动。对于前一种方式，一般采用两维机械数控（或计算机控制）工作台拖动被打标工件，工件在工作台的拖动下按照事先设计好的轨迹运动，在固定不动的激光束的烧蚀作用下，工件表面就会留下永久的痕迹（见图2.1）。这种打标方式我们称之为“工作台式”。采用这种方式的打标机最大的优点是：图2.1 “工作台式”激光打标机的原理示意图价格相对低廉，但受机械运动机构设计的限制打标速度慢，很难进行精细文字及图案的打标（若要实现精细打标，价格低廉的优点将不复存在，且非常困难），更无法对照片进行打标。对于后一种方式，常用的有两种方法：利用两个联动的光学反射镜，使激光束发生偏折。激光器射出的激光束照在第一面反射镜上，
15、在水平方向折射90后照射在第二反射镜上，第二反射镜使激光束向下反射通过聚焦透镜后在工件表面聚焦，该透镜与第二反射镜是固定在一起的。第一反射镜沿激光器的轴线运动，运动时带动第二反射镜，第二反射镜沿反射后的激光束运动，这两个运动受计算机控制。这两个运动的合成就是事先要求的标记图样的轨迹（见图2.2）。这种打标方式我们称之为“绘图仪式”，因为它的工作方式类似于笔式绘图仪。又由于在打标过程中，两个反射镜带着激光束做大范围的运动，就象激光束在飞来飞去，所以又有人称之为“飞行光学式”打标机。与“工作台式”激光打标机相比，它的运动机构变得轻巧，构造更加简单，但由于在打标过程中激光光束的光程是不断变化的，最终作用在工件表面的光斑质量难以一致。这种形式的激光打标机在不降低激光光斑能量密度的情况下，打标范围容易做得很大，但图2.2 “绘图仪式”激光打标机原理示意图难以对精细图案进行打标，打标速度较慢。利用振镜扫描器使激光束发生偏转及运动。由激光器射出的激光束顺序投射到第一、第二振镜扫描器上，它们分别使激光束在平面的X、Y两个方向上扫描，在计算机的控制下，激光束经聚焦透镜聚焦后就会在平面上扫描出所要求的图案（见图2.3）。这种打标方式我们称之为“振镜扫描式”，它的最大优点是打标速度快，打标精细，可以处理各种精细文字、图案的打标，缺点是造价较高，很难扩大打标视场。但由于它打标速度
