激光设备技术经验人员基本技能指导资料.docx

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激光设备技术经验人员基本技能指导资料

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

]

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定的吸收频谱波段，且根据客户的要求也会用到不同的设备，所以制作打标工艺的第一步就是对材料的识别，找到相适应波长的激光设备。

前面已经提到CO2激光的波长是10640nm，其波长在远红外区，热效应很强，主要实用于非金属材料，灯泵浦和半导体泵浦的YAG激光的波长是1064nm小CO2激光一个数量级，主要实用于金属材料，当然这不是绝对的，例如在制作电脑的ABS塑料属于非金属，要想在其表面加工出好的图案却要选择1064nm波长的激光。

下面有一个列表可以粗略界定一下每种材料对应的激光波长。

材料名称

加工机型

工艺技巧

部分材料

应用行业

钛合金（TC4）

YAG

钛合金硬度很高,为了能够清晰标记出字符,可采用高频调制,同降低打标速度小于20mm/s,让激光能量长时间作用于物体表面使钛合金在高温作用下产生金相变化得到黑色的标记。

各类金属及合金，金属氧化物，经特殊表面处理的物体，水晶，ABS塑料，油墨及油漆处理过的表面，电子元件的封装

电子，钟表，眼睛，通讯产品，电器产品，汽车配件，橡胶按键，五金工具，医疗器械，卫浴洁具，电表盘，纪念品，精密器械，量具刃具，金银首饰，橡胶制品，皮革，服装辅料，食品饮料包装，印刷制版，医药包装，

不锈钢

YAG

不锈钢这种材料比较容易设置参数,并且可以打出很多种不同的效果,技巧在于速度和频率的控制,在低频高速状态可以得金色白色这样的浅色调有一种抛光的效果,如果降低速度加大十倍的频率便可以得到黑色标记

铝板

YAG

虽然铝对1064nm波长的激光的吸收率比较高,但铝材的亮度很高不易形成反差,使的标记不明显,所以一般对铝板氧化上色处理,本色铝可以加大灼刻深度或采用填充图案来清晰标记。

铜

YAG

铜材较难加工,因为铜对激光的吸收率低,一般采取低频加下灼刻深度来制作

铁

YAG

铁料一般比较粗糙可以加大灼刻深度或采用低频填充高频抛光

45#钢

YAG

采取的工艺和不锈钢基本相同,只不过它的硬度更高需要加大电流才能有一定深度

金

YAG

这种材料较少加工，想要好的效果，必须要在激光模式，脉冲调制效果上下功夫，一般也是采取慢速填充。

ABS塑料

YAG

YAG还可以加工部分非金属,对于ABS塑料受到激光灼刻后其表面会发生变色,加工塑料时能量不能过高,否则就会使塑料热熔,在振镜速度控制上要快且频率也要调低。

集成芯片

YAG

一般的电子芯片都是黑塑料封装,采用YAG激光可以在其表面快速标记信息,因为芯片的体积都很小所以将频率调到中档,使字迹更清晰,电流要小以免对芯片造成损伤。

PVC板

CO2

PCB板是最常用的广告材料,用CO2激光加工时要注意客户要求的效果,有切.割和平面打标两种各自的设置参数是不相同的,在切割时采用低速大功率,并且需要重复刻划,而表面标记先将速度调到最大然后根据深度要求加大功率就行了

（PVC）聚氯乙稀，ABS塑料，亚克力，弹性胶，天然木材，玻璃，环氧树脂，聚氨脂，

纸质材料

CO2

这里提到的纸材大多为包装材料,正常纸材参数设置比较随意,可根据客户要求凋整速度和功率,有时会在纸的表面进行封塑处理,所以设置参数时应使速度加快避免塑料薄膜热卷曲,制作文件时尽量使用单线条字体。

木材

CO2

标记木材时速度不能太慢，否则会引起材质糊焦发黑，一般采取多次标刻，在做木材和PCB板立体雕刻时，要注意激光束经过场镜聚焦后和打标平面是有倾斜角的，在大幅面图形切割时的边缘会造成斜角是不可避免的，还有根据木材硬度的不同做表面填充图案时要注意填充密度的设置

石料

CO2

石料的加工存在一个难度，当激光对其表面灼刻时，产生的颗粒会覆盖表面影响激光继续加深。

可以通过高压吹气来改善

皮革

CO2

真皮属于天然材料，参数设置会根据皮子的厚薄，颜色，皮种发生变化，而且皮革标刻要求的图案花样繁多，作图会很复杂，做平面图案标刻时速度要快，填充密度不要太大，密的填充线条会使皮子焦糊，因为平面图案标刻速度很快还要求开关激光的延时要设置正确，总体方法是速度越大延时越长，同时注意图案边缘整齐度和深度，适当调节参数。

此外牛皮和羊皮也是有区别的，羊皮质地柔软，能量要控制准确才能只对表面操作而不伤及皮革，切割时不要重复标刻，因为皮革会收缩，造成错位。

在做打标工艺的时候要做到用心，细心，耐心。

用心，是指将制作工艺的好坏，样品的效果作为一项重要工作来看待，每一个样品都有可能获得一份订单，不可以随意的试验，不负责的草草制作了事。

细心，指的是在工艺制作过程中仔细考虑，设计最佳参数，及加工方式，这要求工艺制作者经验要丰富，有创新，能够从样品的细微差别发现其工艺缺陷，并能够提出相应的解决方法。

这是较难做到的，它要求制作者不光对设备很了解，还要不拘泥于软件的惯性思维，能够利用其基本功能达到完美的效果。

耐心，指在工艺制作过程中，会有很多困难要克服，工艺试验往往要作上几十遍，这要求有耐心，坚持在不断的失败中查找原因，取得进步。

下面是在工艺制作过程的基本步骤：

1．认真听取客户要求，并站在客户的角度思维，根据激光加工的特性为客户提出更好的建议。

2．样品分类存放，对易碎，贵重，不能划伤的物品放入有防护的包装内。

防止损坏。

3．制作图形文件，注意选择作图方式，例如输入字符，coreldraw9中的矢量字符全都是双线字体，对于要求字体很小，或速度很快的地方，应该对原有字符进行单线勾画，让其形成单线，并且注意线条的书写顺序，和减少交叉线。

对图案有填充要求时，要注意填充密度的作用，激光的线宽是固定的，要想进行大面积填色需要进行线条的填充，作图时输出的文件是有一定误差的，再加上振镜精度也是有限度的，所以填充密度过大时会出现线条重叠，使的物体表面不平整，填充密度太小，又会明显看到线条，所以填充图案时对填充密度的测试是很必要的。

4．样品工艺试验，可以在与样品材质相近的材料上进行打标试验，这一步至关重要，不要直接在客户样品上进行加工，因为客户的样品不会很多，而且直接在样品上试验会破坏样品的美观，影响客户对激光工艺的怀疑。

在工艺试验中，要基本确定打标工艺的参数，并将试验品交由客户或销售代表审核。

确定打标参数是按照从高速到低速，从小能量到大能量的原则进行的。

而且在样品上的图案要整齐排列不可以凌乱，这样作可以使参数的变化更明显还可以给客户留下好的印象。

工艺试验时有些样品还会涉及到夹具的制作。

5．样品工艺制作，根据试验的结果，设置好相关参数，准确对位，确保一次成功，如果出现能量偏差，在不移动物体的前提下降低能量重复打标。

样品完成后要进行简单清洁。

交给客户。

并填写工艺表格，记录在案。

打标工艺制作的过程中常见缺陷：

1．填充时边缘不整齐，有锯齿状痕迹。

这种现象是由于关激光延时不够造成的，在高速度打标时，振镜往往不能到位，所以增加延时使振镜有时间缓冲到位。

2．填充时边缘出现深坑。

这种现象是由于激光出光巨脉冲造成的，可以减少开激光延时，降低起始脉冲能量和增加脉冲数的调整，

3．切割时，线条边缘有焦糊状扩散。

这是由于激光聚焦光斑散光造成的，即出光模式不好无法聚焦成极细的焦斑，而是带有光晕，灼刻时光晕也在损伤物体表面形成痕迹。

可以通过精确定位焦点，改善出光模式，更换小焦距场镜。

4．标记小字符时分辨不清，线条不够细。

这是由于调制的频率较低，组成字体的点数太少造成的，同样增加频率可以使线条更细。

5．标记线条图形时，夹角不够尖锐。

这是由于振镜速度太快标记夹角时会过冲造成的，可以增大拐角延时。

6．标记氧化金属时，无法完全清除表面氧化物，底色粗糙发暗。

一般对金属采用低频打标，若想提高表面的光洁度可以使用高频低电流在进行一次抛光。

7．填充图案时会出现随机的不平整线条。

这一般是由于工作面不稳定造成的，随机出现的缺陷，原因比较复杂，要仔细观察再下结论，切莫盲目修理。

七设备的保养及维护

参见设备使用手册