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1、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、CO 2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
2、光器等 、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。 CO 2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
3、小,电子的能级就会降低。每个能 级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El、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 l.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
4、只能吸收几个特定波长的光子。正常情况下，原子吸收 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 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
5、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
6、粒子数反转，使受激发射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34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
7、的在腔内谐振，在激光介质中多次 往返时，有足够的机会去激励（泵浦处于粒子数反转状态3.户图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
8、: YAG激光器是固态晶体激光器的一种,它采用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。5之所以采用氟灯作为激励用的泵浦源，因为它可以发出波长为0.73pm和 0.8pm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晶体棒与氟灯并排放置在一个椭圆型的光学
9、腔内，光学腔的内表 面形状是经过精心设计的，以便保证氟灯发出的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f 卄 TCirt_trir-|r-|ririrtr图1.7 Nd: YAG激光器原理图的描述，第一步:Nd原子在氟灯发出的波长为0.73pm和0.8pm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
10、;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1.06ym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。122 CO 2激光器原理CO 2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
11、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 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。 - i.fTJ恳-、出L图1.8 CO2分子的振动方式CO 2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10.6ym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 CO 2分子的上能级寿命长，而且CO 2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CO 2激光器能级间粒子数反转,把分子
12、激发到高能级，一般有以下几个基 本过程：1.电子直接激励:放电中具有一定动能的电子同处于基态的CO 2分子碰撞，把分子从基态直接激发到激光能级2串级跃迁:处于比激光能级更高的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 CO 2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6 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。3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CO 2分子 的碰撞
13、，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。4复合过程:在CO 2分子放电过程中,有部分CO 2分子分解为CO和O ,同时 也存在部分CO和O复合成CO 2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 CO 2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 CO 2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。CO 2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
14、等。7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,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
15、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：1.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，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”,
16、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：3- 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02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
