激光设备技术人员基本技能培训资料.docx

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激光设备技术人员基本技能培训资料

激光设备技术人员基本技能培训资料

总纲:

1.激光基本理论

2.设备运行原理机构造

3.设备的使用及参数调节

4.打标软件的使用及参数的含义

5.coreldraw9&AutoCAD软件的作图

6.激光光路的调整及耗材的使用

7.打标工艺的制作

8.设备的保养及维护

一激光基本理论

光学基本概念：

光的量子学说认为，光是一种以光速c运动的光子流。

光子和其他基本粒子一样，具有能量，动量和质量。

它同时也具有波动属性（频率，波矢，偏振等）所以光是同广播，射线一样的电磁波，激光也是如此，具有电磁波的一切通性，比如频率，波长，成像，反射，折射，偏振，散射，衍射等特性

电磁波的划分

可见光的波长在400－700nm，人眼最易感受的是555nm的黄绿光，光的波长变短，光子的能量增大。

自然光和激光的区别：

相干性，激光是相位确定的光，这种光称作相干光。

激光的特性：

高亮度激光器的亮度是太阳光亮度值的106倍，这是因为激光的发光截面，立体发散角都很小，而输出功率又很大的缘故。

高方向性高方向性是指光束的发散角很小，能够使激光传递较长距离的同时，还能保证聚焦到极高的功率密度，其中基模，高斯模的光束直径和发散角最小。

高单色性单色性即指激光光谱线的线宽很窄，高单色性才能保证光束的精确聚焦，得到很高的功率密度。

高相干性相干性主要描述光波各个部分的相位关系，有空间相干性和时间相干性。

激光产生的原理：

原子能级

如果粒子获取外部能量从下能级激发至上能级，即使不受外部的任何刺激，处于激发能级的原子，分子都会自发的跃迁到基态，此时释放出相当于能量为两能级之差，为vnm的光子

自激辐射

如果粒子获取外部能量从下能级激发至上能级，即使不受外部的任何刺激，处于激发能级的原子，分子都会自发的跃迁到基态，此时释放出相当于能量为两能级之差，为vnm的光子

受激辐射

若处于激发态的原子在自发辐射之前，受到相当于两个能级间频率为vnm的外来光子的作用，则会受激并沿入射光方向辐射出光子

反转分布

将高能级上的原子密度大于低能级上的原子密度的状态称为反转分布

光学谐振腔

为了使光在介质中能够多次往复运动，在激光介质的两侧各放置一块反射镜，通过校正反射镜的光轴，使光在介质中能够多次往复运动，以此不断放大，当光增益超过镜面和介质中的损耗时，便形成了振荡，以上使光的电磁场始终维持在内部的装置称为光学谐振腔

模式

纵模和横模

通常把腔内光场的分布分解为沿着光传播方向的分布（频率分布）和垂直于传播方向的某截面上的分布（光强分布）分别称作纵模和横模

在形成稳定的激光振荡时，在光束横截面上的光强分布就是横模，记做TEMmn模式，m表示水平n表示垂直，光强分布为高斯函数。

模式是判断激光调整好坏的标准，其中TEM00模是最好的。

一般很难得到，激光振荡常见的高阶TEMmn模式是由偏离光轴的光波形成的，因此，使用精密的光轴调整及光栏就可以很容易剔除掉高阶模。

CO2激光的模式基本是TEM00模，可通过热敏纸观察，固体YAG激光的模式比较差，可以通过激光转换片粗略观察。

激光器的基本结构

激光器主要由工作介质，泵浦源，谐振腔三大要素构成，此外还可添加光控因子。

工作介质在外界能量的作用下，某两个能级之间实现了粒子数反转，并且激活介质可以使某个特定的频率的光得到放大的材料

气体，固体，液体均可作为激光工作介质

❑固体工作介质

•红宝石晶体

•Nd:

YAG掺钕钇铝石榴石晶体

•钕玻璃

•半导体

❑气体工作介质

•原子气体

•分子气体

•气体离子

❑其他工作介质

•无机液体

•有机液体

泵浦源

●气体激光器有放电激励，电子束激励，化学反应激励，热激励等，CO2多采用直流辉光放电的激励电源，直流高压电源能提供数万伏的电压激励原子和离子在和气体例子碰撞中，传递能量，形成粒子数反转分布。

其中CO2激光器的工作介质为氦/氮/二氧化碳的混合气体。

气体激光器的功率可以做的很大，最大输出功率可达10KW以上。

CO2激光器的电光转换率很高超过20％。

●光泵浦源分为惰性气体，金属蒸汽放电，半导体二极管，激光和太阳能泵浦，YAG采用连续氪弧灯做泵浦光源。

由于发射光的强度分布并不于固体激光工作介质的吸收谱线一致，泵浦光能大多转化为热损耗。

因此，固体激光器往往由于固体激光材料中产生热效应（热透镜，热应力折射，热变形）导致输出激光光束质量变差，效率降低。

灯泵浦的总效率一般是1％～3％。

●半导体激光二极管泵浦（laserdiode,LD）使用的激光二极管阵列发射的波长恰好在介质YAG棒的主要吸收0.808μm处。

此外二极管阵列的工作电压较低，不需要出发电路，寿命长的优点。

它的光电转换率可达15％以上，其中半导体激励光纤激光器，转换效率高达60％～70％.]

谐振腔

●平行平面腔，共焦腔，大曲率半径腔，半球面腔，非稳定谐振腔

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我公司的固体激光设备基本都用的是平行平面腔，该谐振腔的两面反射镜如果不是严格平行，光在镜面间经过几次反射后，就会从镜子边缘漏出。

该结构的光轴调整非常难。

光控因子

我们这里提到的光控因子是作为输出控制的Q开关，主要目的是为了控制激光输出，相当快门。

●Q调制

Q开关是激光光学系统重的重要光学元件，激光在不经过调制时是连续输出的，功率固定，要想与物体作用需要更大的功率，Q开关可以使其能量急剧增加，它通过阻断或不阻断光的谐振通道来抑制或允许激光脉冲产生。

在不给压电换能器施加射频信号时，Q开关的石英晶体保持其原有的常规特性，由宝石棒发射出来的平行光直接透过石英晶体，经全反镜反射再穿过石英晶体，返回宝石棒，形成正常的谐振，允许激光输出。

一旦给压电换能器施加射频信号，压电换能器在石英晶体内产生超声波，超声波压迫石英晶体使它原有的特性发生变化，透过石英晶体的光线的折射角度也发生变化，经全反镜反射会的光线将偏离宝石棒，谐振中止。

由于激光光线返回宝石棒使激发激光的必要条件，因此，给压电换能器施加和撤除射频信号，就可以控制激光的关断和允许输出，在施加射频信号器件，激发激光进程中止，此时宝石棒仍然受到泵浦光源的照射，继续吸收并储存能量，因而其中积蓄了大量能量。

一旦撤除信号，光路谐振通道恢复，激光器将在短时间内释放峰值功率巨大的脉冲能量。

在出光期间，有目的的给Q开关元件施加一系列射频脉冲群，周期性的关断和释放激光，便可以从平均功率相对低的激光器中获得脉宽窄、峰值高的激光脉冲。

这种波形控制方式便成为Q调制。

激光与物质的相互作用

激光在材料加工中的应用

激光切割

激光打孔

激光去处

二设备运行原理及构造

激光设备在实际应用上可分为低功率的医疗用激光，功率在毫瓦极。

商业用激光，功率在300W以下。

还有工业加工的大功率激光，例如钢铁制造生产线上的CO2激光设备功率可以达到100KW。

在用途上又分为表面标记，在线动态标记，刻线，打孔，焊接，切割，等等。

下面我们主要讲一下用于表面标记的振镜式激光设备。

这类的激光设备在结构上大体分为四个部分：

由示意图可以看出CO2激光，灯泵浦YAG激光，半导体泵浦YAG激光的区别主要在于出光单元。

●CO2激光器

CO2激光器的出光单元有两大类，一个是射频激励CO2金属管，采用整体封装，有风冷和水冷两种冷却方式。

主要为进口器件，品牌有universal，synrad，coherent。

可提供的输出功率在30W-100W.这种激光器属于高集成度的一体化器件，安装后可直接获得高质量的光束。

另一个是CO2玻璃激光管，有普通玻璃和石英玻璃封装，结构简单，一般采用水冷方式，但各个激光管之间差异较大，且随着功率提高管子的体积也要加大。

CO2激光器的波长为10640nm，属于红外区域，热效应大。

●灯泵浦YAG激光器

YAG设备和CO2设备不同，它的出光单元是由许多分离的器件组装成的，但仍可以将其作为一个单元处理，结构如图：

灯泵浦使用的泵浦源是连续氪灯，将氪灯的光能通过椭圆形内腔金面反射到YAG激光棒上，当光能达到一定阀值时激光棒和两端的全半反镜组成谐振腔，并由半反镜向外辐射激光，波长为1064nm，Q晶体为光控因子对连续激光进行声光调制获得高功率峰值的脉冲激光。

氪灯是由专用的电源供电，其点灯电压高达几万伏，维持电压在170V。

寿命一般在200h~1000h。

所以作为泵浦源的氪灯是有一定寿命的，存在更换耗材的问题。

●半导体泵浦YAG激光器

半导体激光器和灯泵浦激光器的唯一区别在于泵浦源不同，半导体激光器采用的是半导体二极管激光作为泵浦源的，以AlGaAsLD为例，其发射波长780～810nm，泵浦Nd:

YAG激光棒可获得1064nm波长的激光。

一般半导体激光腔是将YAG激光棒，半导体二极管集成在一起的模块，每个模块有三个钯条，一个钯条又热沉四个半导体管子，整个模块由直流供电，电压在18V左右，半导体激光具有众多优势，是以后激光行业发展的趋势。

●振镜系统

由于出光单元辐射的激光是准直的，需要通过动态的镜面反射来得到控制，振镜就是由高精度转角电极带动反射镜片作高速运转来做到的，激光实际在物体表面的行走速度是由镜片的转角速度和场镜的焦距来决定的。

关于振镜型号的确定是由光斑直径，加工精度，运转的速度来确定的。

CO2激光由于热效应强一般采用较大面积的镜片，YAG激光的镜片要小一些。

振镜控制板和振镜电机是一一对应的，不能后随意更换，且每个镜片的转动惯量都不相同也对应着唯一的控制板参数。

●计算机控制

计算机负责编辑制作打标文件（包括当用户配备了图象扫描仪等图象采集设备后进行图象的采集）、控制振镜的运动以便通过激光将打标文件的内容扫描在工件的表面、控制声光Q开关的调制频率、控制打标的速度等等。

激光打标机的计算机控制系统包括计算机、计算机打标专用接口板和打标软件。

计算机打标专用接口板的作用是：

将计算机发出的数字信号转换为模拟信号，驱动X轴、Y轴两个振镜，使激光束在空间运动。

产生同步Q开关调制信号，发出脉冲激光，使要打标的图形内容精确地、完整地蚀在加工物表面。

在计算机控制系统中，核心部分是打标控制软件。

目前，世界上有许多激光打标机生产厂商，生产的打标机更是各式各样。

如果仔细观察，就会发现：

它们的硬件构成是大同小异的，关键是打标软件的不同。

打标软件是各打标机生产厂商的技术核心，是各种打标机的关键，它决定了打标机的功能。

●光学镜片

谐振腔的构成，光学的校正，振镜的动态反射，以及最后的聚焦都需要光学镜片，对于不同波长，要在镜片上镀上不同的介质，并且镜片还要能够承受热变形，具有良好的导热性，耐磨，耐腐蚀等特性。

在安装镜片时一般都将有介质膜的一面对着激光入射面，常用的镜片有：

f-θ聚焦场镜，扩束镜，XY振镜反射镜片，YAG谐振腔反射镜片,Q晶体.

●其它

激光的电光转换效率一般都不高,大部分的能量转换为热,这就需要辅助的冷却设施，CO2金属管的散热集成在管壁，有几个大功率的风扇来散热。

YAG的热量比较大，全部采取的水冷的方式，即使用外围水冷设备将冷却水泵到热源进行循环，半导体YAG设备因为泵浦二极管与水路相通所以对冷却水质要求很高，必须是完全绝缘的去离子水。

此外一台完整的激光设备还要根据客户的实际加工需求做系统设计，增加一些辅助设备。

三设备的使用

参见设备使用手册

四打标软件的使用及参数的含义

参见软件使用手册

五激光光路的调整及耗材的更换

参见设备调试手册

六打标工艺的的制作

打标工艺是指按照客户的要求将原料或产品进行激光标刻加工的技术，这包括材料的识别，文件的制作，激光参数的调整，夹具的设计。

打标工艺的制作是较难掌握的技术，它很多的技巧来自于经验的积累，下面我们就详细的进行说明：

●材料的识别

每种材料都有它自有的固