精品激光打标机基本原理Word格式文档下载.docx

1、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

2、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:E1E0）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

3、，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

4、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“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”（光辐射受激发

5、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,有足够的机会去激励（泵浦）处于粒子数反转状态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

6、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）.2激光器原理1.2。1Nd: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Nd:YAG晶体棒作激光介质。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

7、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1.7Nd：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

8、，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。1.2.2CO2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，

9、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。8CO2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

10、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

11、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

12、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，但受机械运动机构设计的限制打标速度慢，很难进

13、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，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

14、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。但由于它打标速度快，打标精细，已经成为激光打标机的主流产品.3“振镜扫描式激光打标机工作原理示意图激光打标机还可按照所选用的激光器类型来