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1、激光设备装调工实训指导书激光设备装调工实训指导书武汉交通职业学院电子信息工程系光电子技术实训项目一 激光器的组成认识1.1 激光器的主要组成部分认识1.1.1 YAG激光焊接机YAG固体激光焊接机一般由激光冷却系统，数控工作系统、激光器系统等部分构成。1. 主机柜2. 激光器3. 升降机构4. CCD监视系统5. 导光聚焦系统6. 焊接夹具7. 两维数控工作台8. 外循环系统9. 控制系统10.激光电源11. 内循环冷却系统图1-1-1YAG固体激光器焊接机组成部件图1-1-2 YAG固体激光焊接机结构简图1.1.2 YAG激光打标机激光打标机主要由激光器系统、声光调制系统、扫描振镜系统、计算

2、机控制系统、冷却系统五大部份构成。1.冷却系统2. 激光器3.显示器4.光具座支架5.光具座6. 工作台7. 控制盒8. 计算机主机9. 激光电源10.声光电源11. 扫描驱动器图1-1-3 YAG固体激光器焊接机组成部件图1-1-4激光打标机结构简图1.2 光学谐振腔结构1.2.1 YAG脉冲激光器光学谐振腔1指示光源系统2全反膜片架3光闸4聚光腔5光栏6半反膜片架7聚焦导光系统图1-2-1 光具座结构示意图1.2.2 YAG连续激光器光学谐振腔1.输出膜片架2.氪灯3.激光腔体4.激光晶体5.光具座6.声光调整架7.声光调Q开关8.反射膜片架9.指示光调整架图1-2-2 YAG连续激光器光

3、学谐振腔构成1.3 CO2激光切割雕刻机光学传输系统1. 激光管2.第一反射镜3.第二反射镜4.第三反射镜5.聚焦镜筒6.加工工件7.工件承载平台图1-3-1 CO2激光切割雕刻机光学传输系统1.4 激光光纤传输系统1.半导体指示装置2. 全反膜片架3. 电极座4. 激光晶体5. 聚光腔6. 防护罩7. 闪光灯8. 主光闸（选配）9. 半反膜片架10.能量探头11.光纤观察镜12.观察镜支架13.45反射座14.分路光闸15.光纤输出耦合装置16.光纤组件17光纤输入耦合装置图1-4-1 光纤传输激光器光学传输系统1.5 冷却系统电能转换成激光，其光电转换效率只有3左右，大量的电能都转换成热能

4、。这部分热能对激光器件有巨大的破坏力，使YAG激光晶体及氙灯破裂，聚光腔变形失效等，所以必需有冷却系统提供冷却保障。考虑到系统的光学效率，冷却介质一般为去离子水或蒸馏水。以保证内循环系统不受污染。本系统则采用双循环制冷机组，内循环水冷却激光器，外循环水冷却内循环水。冷却系统包含水箱、过滤器、磁性泵以及水温、水流量保护器等组成。其原理图如下所示：图1-5-1 冷却系统主回路原理图 1、清洗换水：a 内循环冷却水为去离子水（蒸馏水最好），夏天两个月换一次，春天、秋天、冬天三个月换一次；b 去离子装置每六个月换一次。每半年清洗一次水箱和过滤器。2、温控仪下限温度一般设定在20,但为防止温差过大而结露

5、，工作温度一般根据环境和湿度设置，如环境温度为32，可将下限温度设定在28，上限温度设置在35。如环境温度低于20下限温度就设定在20。一般不低于环境温度5，否则结露将导致激光器功率下降，并有可能带来破坏性损失。实训项目二 激光器谐振腔的装配调试2.1连续YAG激光器装配调试2.1.1 Nd:YAG晶体的安装1、如图2-1-1所示，用螺丝刀分别拆下两端头上的棒压盖，取出两端头的橡胶堵头。2、取出置放于晶体盒中的晶体，目测检查其外观有无破损。3、将晶体轻轻水平插入聚光腔内（保证两端露出部分基本等长）。4、两端依次套上密封圈、棒压盖。5、用螺丝刀将螺丝旋入，使压盖将密封圈均匀压紧。1.晶体2.密封

6、圈3.棒压盖4.螺钉图2-1-1 Nd:YAG晶体安装示意图注意：1)晶体外形为圆柱形结构，棒的两个端面严格平行，与棒轴垂直，经过抛光并且镀增透膜；使用过程中要保持棒端面光洁。2)激光器工作时，YAG棒需用水冷却至定温度，以保持激光输出的稳定性。2.1.2 氪灯的安装与维护1、氪灯的结构及主要参数图2-1-2氪灯的结构示意图连续激光氪灯的主要参数有：最大输入功率，工作电流，工作电压，氪灯极间距，灯的直径和长度, 如表2-1所示。表2-1 连续激光氪灯的主要参数内径(mm)弧长(mm)总长(mm)外径(mm)充气电 极(mm)电参数备注41002766Krf4.95x16177V/22A滤紫外4

7、1002406Krf 4x15155V/20A滤紫外51002407Krf 5x15175V/30A滤紫外51002197Kr软线162V/30AQCW24551021956Krf 5x15175V/30A进口51021956Krf 5x15175V/30A进口51002357Krf 6x10160V/30A国产61022007Krf6.3 x15200V/3 5 AQCW33661502508Kr200V/40A进口2 、氪灯安装维护1端头 2、上腔体 3、滤紫外管 4、螺钉 5、灯压盖 6、棒压盖图2-1-3 泵浦氪灯的安装示意图a如图2-1-3，分别将腔体两端头的灯压盖拆下，取出两端头内

8、密封圈、压盖。注意：氪灯的正负极的正确接法（圆头的一端为正极，接红线）。b将氪灯轻轻水平插入聚光腔内（保证两端露出部分基本等长）。c两端依次套上密封圈、压盖。d用螺丝刀将螺丝旋入，使压盖将密封圈均匀压紧。 注意：1）氪灯有正负极性，圆头为正，接红线，尖头为负，接黑线。氪灯正负极性务必与激光电源输出正负极一致，错误的接法将导致氪灯严重损坏，并有可能引发棒和聚光器的损害。2）氪灯在工作时，需用水冷却。3）更换氪灯的时间激光器中氪灯出厂说明书建议氪灯的使用寿命一般为300小时，但由于用户使用条件不同，上述时间并不能作为更换氪灯的唯一依据。随着使用时间的增加，氪灯的发光效率下降，激光输出也随之减弱，很

9、多用户为了获得足够的激光输出，就加大激光电源的电流，使氪灯发光增强，这使氪灯老化加快，形成恶性循环，有时会导致炸灯现象。为了防止这种现象发生，建议按下面的方法决定是否应该更换氪灯。当换上一支新氪灯时，记录下正常打标时的激光电源电流表数值，作为标准电流值。当氪灯逐渐老化，加大激光电源电流输出，但电流表数值不应超过标准电流值的1.25倍。 例如：新氪灯打标时电流值为14A，使用一段时间后，如果将电流值调大到14*1.25=17.5A后仍不能正常打标，则应考虑更换氪灯。4）氪灯不能被点燃的主要原因a.氪灯是否达到使用寿命；b.氪灯两端电极至激光电源连接线联结是否牢靠；c.激光电源工作状态是否正常。2

10、.1.3 聚光腔 1、聚光腔的结构聚光腔的功能是将氪灯发射的光能会聚到YAG棒上，尽可能多地为工作物质所吸收,以激励工作物質产生激光。用于打标机的聚光腔的种类很多，例如二维成像的椭圆柱和圆柱聚光腔、三維成像的球面和旋转球面聚光腔，非成像的紧包式光滑反射面和漫反射聚光腔，所采用的反射材料有金属、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等材料，各有各的优缺点。聚光腔的主要参数有：最大输入功率，工作电流，工作电压，灯的直径和长度。聚光腔的结构如图2-4所示 。图2-1-4 聚光腔的结构示意图2、聚光腔维护特别注意事项 1）常用聚光腔腔体有金属腔和陶瓷腔两种，金属腔由钢材加工而成，内表面为高反射率镀金面。无论哪种腔体，

11、应保持聚光腔腔内光洁，否则严重影响激光器出光效率。2）陶瓷腔对氪灯是漫反射,对激光工作物质的辐照光场更均匀，吸收效率可以达到90以上，可形成全截面的均匀泵浦，实现高功率泵浦输入。在可靠性和使用寿命方面，陶瓷材料抗剥落、抗氧化、易于清洁，在目前循环水冷系统不太过关的情况下，比金属镀金腔有更好的免维护性。但陶瓷腔对于陶瓷材质和腔型的设计要求比较高，激光模式没有镀金腔好,因为泵浦效率低,要达到同样的输出功率,腔长就要短很多,导致发散角大,效率不比金腔高,模式好一些,价格也贵2-3倍。而金属腔是镜面发射,从应用看，使用陶瓷腔的激光打标机在做退火工艺（Annealing）时，效果要比金属镀金腔好。金属镀

12、金腔的激光打标机在做雕刻（Engraving）工艺时，比陶瓷腔好。3) 聚光腔腔体的拆卸、滤紫外玻璃管的更换聚光腔腔体经过长时间的使用，会因冷却系统等故障造成滤紫外管破裂，如发生此种情况须拆卸腔体予以维修。具体步骤如下：（a）关掉电源，将电极头从氪灯上取下。(b)将连接声光晶体的冷却胶管取下。(c)将腔体内晶体、氪灯拆下（注意将晶体、氪灯放到安全位置）。1、螺钉 2、压块 3、端头盖 4、密封圈 5、左端头 6、密封圈 7、上腔体 8、截紫管 9、下腔体 10、挡片 11、硅胶 12、密封圈图2-1-5聚光腔腔体的拆卸示意图(d)逆时针旋转螺母，拆下连接腔体的输入输出水管。(e)用螺丝刀分别拆

13、下连接腔体与光具座的螺钉，即可取下腔体。（f）将腔体两端端板螺钉拆开，取下端板。（g）轻轻地取出炸裂的玻璃管，用刀片刮去聚光腔内滤紫外管端头的硅胶及玻璃残渣，注意：不要划伤腔体镀金表面。（h）这时，可以看到腔体两端头，放置玻璃管处，一端有止口。（i）轻轻用棉签或镜头纸擦洗镀金面，去除表面污渍。（注意：不要用酒精等有机溶剂擦洗）。（j）首先将腔体立起，有止口端向下。将有止口的一端，在止口处均匀涂上硅胶。（k）将新滤紫外玻璃管轻轻放入没有止口的一端，接触到有止口硅胶处时，轻轻旋转滤紫外玻璃管，慢慢向下，直至接触到止口。（l）待硅胶完全固化后，将腔体调转180。 (m）将硅胶慢慢涂到玻璃管与端头之间

14、。(n)涂完一圈后，待硅胶完全固化后。检查玻璃管是否涂好。 2-1-6涂抹硅胶示意图(o)将腔体复原，装好。2.1.4光路调整光路及谐振腔的调整，对激光器功率的输出及光学质量至关重要，YAG激光能够放大，需要YAG晶体光轴线与2个膜片平面垂直。谐振腔谐振状态的调整方法及注意事项如下：（参见图1-2-2激光器谐振腔系统的构成）1、将声光Q开关及声光架移出, 调整谐振腔体。YAG晶体、氪灯、聚光腔体、全反射膜片及半反射膜片清洁好以后，即可进行谐振腔体的安装调整。具体方法是1）首先，将清洁好的聚光腔体、YAG晶体及氪灯装回原位，启燃机内作指示光标用的HeHe激光器。调整HeHe激光器指示光轴与YAG

15、晶体几何轴线同轴。当打开指示光开关，指示光发射出红光时，调整指示光架上的四个调节螺钉使指示光从YAG晶体几何中心线穿过。四个调节螺钉分别调节上、下、左、右四个方向。2）将全反射膜片装回原位，调整全反射膜片的位置角度，使最亮的一个反射点与HeHe原光束点在截光屏上重合。截光屏可用一张白纸片代替，纸片与HeHe激光束呈垂直放在扩束镜的入光面。当指示光穿过全反膜片，如果膜片平面不与指示光垂直，指示光就会有折射现象，用白纸片挡在全反膜片与YAG晶体之间，除指示光主光点外还有折射光点在白纸上，调节膜片架上的调整螺钉使折射光点与指示光光点重合。这时全反膜片的位置基本就确定了。3）装上半反射膜片，调整膜片的

16、位置及角度，使该膜片的反射光点与HeHe激光原光束的光点及全反射膜片的反射光点在截光屏上重合。拿一张白纸，把白纸上打一小孔（比光点大2倍左右），将白纸放于输出镜与YAG晶体之间，使指示光从小孔穿过，光射到输出镜时，形成反射。这时除有主光点从小孔穿过外，还有反射光点在小孔四周的白纸上，调节膜片架上的调整螺钉使两个光点重合。2、激光的调整经过上述调整后，YAG晶体与膜片之间的位置已基本确定。开启激光电源开关，35秒钟后，按下RUN开关，待继电器吸合后，缓慢调整电位器旋纽，电流表显示12A左右即可。这时取出随机配备的激光转换片，放在输出镜与扩束镜之间，如果有激光输出，转换片上有绿色光斑显现，分别反复

17、调整全反射膜片和半反射模片的微调螺钉，直到将激光阈值达到最低，光斑调到最大、最圆为止。此时，谐振腔光振状态的调整工作即结束。如果没有绿色光斑显现，可将电流加到15A左右，分别微调前后膜片架上的螺钉，看有没有绿色光斑显现。如果还没有，重复指示光调整步骤，最终使激光输出。3、声光位置调整激光调出后，关闭激光电源，将声光架用螺丝固定好，使指示光从声光窗口中心通过。开启激光电源点燃氪灯，将一白纸片插入输出膜片后方，缓慢调整声光架上螺钉 （如图2-1-7），使声光绕光轴缓缓偏转，观察白纸上指示光的衍射点，当衍射光斑正负一级光斑相对自身最强时，在固定声光晶体。 1、转动轴螺钉2、声光头3、固定螺钉4、调节

18、螺图2-1-7 声光位置调整示意图2.1.5 光学部件拆装注意要点1、氪灯及YAG晶体拆装要轻，不要碰撞，以免破碎。氪灯的电源极性不能接错(圆头为正，尖头为负)，接错会引起氪灯炸裂，损坏聚光腔体内面和YAG晶体，造成大的经济损失。2、全反射和半反射膜片的位置在装配时不能互换，否则将改变激光输出端口。膜片的镀膜面应向着晶体端面，不能装反，是否装配正确，可将膜片迎着光线观察判别。3、重新装配聚光腔时，冷却水的接口处需要更换新的O型密封圈。密封要可靠，以免漏水引起电路短路，烧坏电路器件。4、红外线观察板的制作方法：将钡氟化镱红外材料用糊状粘合剂调均匀与铝片粘合在一起，待全干后即可使用。2.1.6 打

19、标机振镜扫描系统及其维护1、振镜扫描系统的组成部分振镜扫描系统是使激光按照预定轨迹运行的执行机构，它主要由高精度伺服电机、电机驱动板卡、反射镜、 F-聚焦物镜及直流供给电源组成。振镜扫描系统是由光学扫描器和伺服控制二部分组成。 光学扫描器采用动磁式和动圈式偏转工作方式的伺服电机。具有扫描角度大、峰值力矩大、负载惯量大、机电时间常数小、工作速度快、稳定可靠等优点。精密轴承消隙机构提供了超底轴向和径向跳动误差；“电子扭力棒”取代传统弹性材料扭力棒，大大提高了使用寿命和长期工作的可靠性；任意位置零功率保持工作原理既降低了使用功耗，又减少了器件的发热效应，省却了恒温装置；先进的高稳定性精密位置检测传感

20、技术提供高线性度、高分辨率、高重复性、低漂移的性能。光学扫描器分为X方向扫描系统和Y方向扫描系统，每个伺服电机轴上固定着激光反射镜片。每个伺服电机分别由计算机发出指令控制其扫描轨迹。图2-1-8振镜扫描系统的组成2、振镜扫描系统主要元器件1）F-聚焦物镜F-聚焦物镜的作用如图2-1-9所示，对于一般的光学透镜，当一束准直激光射向透镜前的反射镜时，光束经过反射镜反射和透镜折射后聚焦于像面上，其理想像高y = ftg ，即像高y与入射角的正切成正比。这种透镜用于激光扫描系统时，由于理想像高与扫描角之间不成线性关系，因此以等角速度偏转的入射光束在焦面上的扫描速度并不是常数。为了实现等速扫描，应使聚焦

21、透镜产生一定的负畸变，使它的实际像高变小并与扫描角呈线性关系，为此必须将透镜设计成非球面镜或用两个及两个以上的球面镜片组代替。所谓f-镜，就是经过严格设计，使像高与扫描角满足关系式y=f的镜头，因此F-镜又称线性镜头。图2-1-9偏转角与像高Y的关系图F-聚焦物镜聚焦系统的作用是将平行的激光束聚焦于一点。主要采用f-透镜，不同的f-透镜的焦距不同，打标效果和范围也不一样，常用标准配置的透镜焦距f160mm，有效扫描范围110mm。用户可根据需要选配型号的透镜。可选配的F-透镜有f100mm，有效聚焦范围65mm。f160mm，有效聚焦范围110mm。F-聚焦物镜的种类（a ）CO2 激光F-镜

22、（双镜片结构）图2-1-10CO2激光通过F-镜的半场光路示意图（b）CO2激光F-镜（单镜片结构）单镜片平场扫描镜的特点：扫描角度宽、扫描范围大、焦长短，光斑质量好，能满足绝大多数标刻与雕刻工艺的需要。与同种用途的F-镜相比，结构简单，价格更低，因而可降低标刻或雕刻的成本。图2-1-11 CO2激光通过单片扫描镜的半场光路示意图（c）YAG激光F-镜（三镜片结构）图2-1-12 YAG激光通过F-镜(三片)的半场光路示意图2.1.7扩束镜、振镜、光学镜片维护1、扩束镜的作用：扩束镜是能够改变激光光束直径尺寸和发散角度的镜头组件。从激光器射出的激光往往具有一定的发散角，对于激光加工来说，只有通

23、过扩束镜的调节使激光光束变为准直（平行）光束，才能利用聚焦镜获得细小、功率密度高的光斑；扩束镜配合空间滤光片使用则可以使非对称光束分布变为对称分布，并使光能量分布更加均匀 。图2-1-13扩束镜示意图2、扩束镜的主要参数有： 激光扩束倍数，一般从1.5倍至10倍，扩束倍数越大则对激光发散角的压缩比越大。可改善激光束的准直度数。一般看发散角的毫弧度。 可适用功率。3、扩束镜的种类1）激光可调型扩束镜（CO2）可调型扩束镜专为具有较大的发散角度的激光扩束所设计。通过调整扩束镜片间距离，在一定范围内可以消除发散角度的影响从而获得经扩束的准直性良好的激光束。CO2激光可调型扩束镜筒结构示意图如下，它由

24、外筒、内筒和顶丝组成。图2-1-14 CO2激光可调型扩束镜结构图2）激光直筒型扩束镜（CO2）直筒型扩束镜是为激光光束准直性好因而无需调整光束发散（收敛）角度的情况而设计的，无需调节镜片间距离。其特点是结构简单、使用方便。3）YAG激光扩束镜一般由3个镜片组成，其特点是： 出光的准直性好 体积小、长度短图2-1-15 YAG激光扩束镜外形4、扩束镜维护特别注意事项1）扩束镜调整的好坏对激光打标效果有很大影响。主要表现在：（a）激光功率下降；（b）打标幅面内激光强度不均匀；（c）计算机软件设计中心偏离振镜头出光物理中心；2）扩束镜的调整要求：入射光要在扩束镜进光孔中心，出射光要在出孔中心；5、

25、振镜1）振镜的作用振镜，应该是称为“检流计”， 它的设计思路完全等同于电流表的设计，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的05V（或10V）的直流信号取代，以完成预定的动作。跟电流表不同的是电流表输出的是电流读数，振镜输出的是镜片的转动角度。驱动镜片的是伺服电机，在控制系统中，使用了位置传感器和负反馈回路的设计来保证振镜系统的精度。2）振镜的主要参数 最大扫描角度（机械角）： 20 小步长阶跃响应时间：0.25 ms 线性度: 99.99%,范围20； 最大零点漂移：15 rad/ C ；重复精度: 8Rad 输出信号：155A（普通模式） 3）振镜维护特别注意事项：振镜扫描头打印失真的解

26、决方法： 产生枕形或桶形失真是振镜打标的一种固有现象,它是由振镜扫描方式所决定的。解决的方法是对失真进行信号校正； 校正的方法有两种，一种是硬件校正，目前用的较少。另一种就是软件校正，这是目前我们用得较多的一种； 硬件校正的方法是将D/A卡输出的模拟信号通过一块校正卡按照一定的规律改变其电压值，再将信号传送到振镜头； 软件校正的方法是打标软件本身附带有校正功能，在打标过程中，先将数字信号按照一定的方法进行处理，然后再将信号传送给D/A卡。6、光学镜片的擦洗方法1）光学镜片清洗的注意事项 用工具来拿取镜片，例如镊子等。如有条件时拿镜片时一定要戴指套或橡胶手套。 镜片要放在镜头纸上，以避免损伤。

27、不要把镜片放在硬或粗糙的表面，镜片很容易被刮伤。 纯金或纯铜的表面不要清洁和触摸。 2）光学镜片清洗的步骤由于设备长时间使用，空气中的灰尘将吸附在聚焦镜和晶体端面上，轻者降低激光器的功率，重者造成光学镜片吸热，以致炸裂。当激光器功率下降时，如电源工作正常，此时应仔细检查各光学器件。聚焦镜是否因飞溅物造成污染。反射镜金属膜是否脱落或受损。谐振腔膜片是否污染或损坏。晶体端面是否漏水或污染。3）光学镜片的清洗方法： 用空气球把镜片表面的浮物吹掉。注意：不要用工厂的压缩空气，因为其中含有大量的油和水，油和水会在膜层表面形成有害的吸收薄膜。将无水乙醇（分析纯）与乙醚（分析纯）按3:1的比例混合，(或用丙

28、酮或乙醇)，将擦镜纸叠成一小方块夹在四指之间沾湿擦镜纸，一手拿镜片一手拿纸以镜片镀膜纹路方向轻轻擦过，如不干净换张纸重复以上动作。或用长纤维棉签或浸入混合液，轻轻擦洗光学镜片表面，每擦试一面，须更换一次棉签或镜头纸。注意：如果这一步不能除去污垢，建议换一个镜片。2.2脉冲YAG激光器装配调试2.2.1 Nd:YAG晶体的安装（与2.1.1相同）2.2.2 氙灯的安装脉冲YAG激光的双灯聚光腔结构示意图如图2-2-1所示：1.灯压盖2.7X140 氙灯3.O型密封圈4.过水套5.顶板(140)6.上端头(I)7.上端头(II)8.上 下水冷块(140)9.上 下瓦块(140)10.灯石英玻璃管1

29、311.YAG晶体7X15012.棒石英玻璃管1313.O型密封圈14.水套I15.水套II16.O型密封圈17.上中端头(I)18.上中端头(II)19.棒水套20.O型密封圈21.棒压盖22.O型密封圈23.棒套24.护套25.小孔光栏26. 左下端头27.右下端头28. O型密封圈29. 左挡板30. 右挡板图2-2-1 聚光腔结构示意图图2-2-2 聚光腔俯视机械图按图2-2-2拆去螺钉1、2。参看图2-2-1，将顶板（140）、上端头(I)、上端头(II)、上中端头(I)、上中端头(II)和两只泵浦灯一起垂直提起。将顶板顶面向下放平，卸下两端灯压盖，小心将泵浦灯沿轴向轻轻抽出。将新泵浦灯沿轴向轻轻装入，使灯两端伸出长度一致，套上O型密封圈，将两端灯压盖装好、压紧，再将上述顶板等组件还原装好、压紧。整个过程避免碰其它光学器件及调整装置，以免相对位置发生变化。注意：避免损坏英玻璃管。起动内循环系统，检查腔体无渗漏水现象，换泵浦灯过程完毕。2.2.3光路的调整1、主光路1）装配好激光器聚光腔后，先取下半反膜片座及全反膜片座。2）将小孔光阑分别套上晶体棒套两端，并将指示光调到与YA