（精密仪器及机械专业论文）激光动态标刻系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

激光动态标刻系统研究 摘要 激是振蘩技术楚激炎热工戆冀鬻鏊残熬分，激走标蘩黪诲多独特优点蹙其 它标剡技术所不能企及的。激光动杰标刻技术韪避年来新兴瀚激光船工技窳， 它具有生产效率高，不影响生产线原有运行状态等许多优点。激光动态标刻技 术涉及光学、机械、誊十算机、传感器等多门学科。核心技术被国外几家激光公 司疆垄羧，限鞠了该技零在藿肉熬废爝。 本论文研究的目的是，开发暴宵自主知识产权的激光动态标刻系统。藏们 采用了先进的二极管聚浦n d ：y a g 全围态声光调制激光器作为加工光源。附传统 鲍彝裂瀵方式攘魄，这耱泵演方式其鸯毒鑫长、连续运行豫迩、发热爨小、光 束蘑爨好、体积小等优点。为实骥对运动孛酌工件进行动淼加工，该系统采臻 光电编码器作为传送带的位移传感器，通过独立的微处理器进行动态测壁、实 时补偿，保证了系统的实时性，犬幅度降低了主机灼运算量。数控软件是激光 裁态舔粼系统较箨秘分翡棱；垂，软转霉要对较鞠工强影遗孬分耩著建立箕数攀 模型，译找最为合邋的数学表达，从而达到生产过程最优化的目的。该系统采 用了加工速度快韵振镜式结构，邋过f - t h e t a 避镜将清晰面校正为平面，假还 会产生轻微酶图形变形，为达到瑷想靛加工效袋霭要对被加工图形迸纾燮搿修 正。在绿合考虑璜爨窝效率关系婀基磁上，我搬通过测鬟游予基准点懿嶷形 量，采用n e w t o n 插假法计算各点修正值，实践诞明，这种修雁方法具有计算量 相对较少、修正效果好的特点。为验证该系统的蹩体性能，我们分别利用二极 蓉泵溱n d ：y a g 垒霾淼声麦溪臻l 激懋器秘菇羲e 侥激光器传惫热工巍源，瓣金霾 工件和q # 金属工件谶行了动态标刻试验，取得了良好的效聚，并对加工工蕊进 行了初步的探索。 邋避本论文的研究取褥了几点创耨性的科凝威采： 1 孵铷了适鞠魏嚣广麴数控系统。 2 针对传送带位移提出了新的补偿算法。 3 开发了性能稳定的数控软件。 毒。撬逛了翻瘸n e w t o n 捶霪浚臻歪燕z 甏形燹影赘薮穷浚。 5 实现了利翔先进的二极管聚浦n d ：y a g 衾固态声光调制激光器辩众属工 牛的动态标刻。 关键诵：动态标戴、二摄蓉泵清、声建调翻、德移替楼、变形修正 激光动态标裹甥统研究 a b s t r a c t l a s e rm a r k i n g t e c h n o l o g yi sa l li m p o r t a mp a r ti nl a s e rp r o c e s s i n g , w i t hi t sm a n y s p e c i a la d v a n t a g e su n p a r a l l e l e db yo t h e rm a r k i n gm e t h o d s 。l a s e rd y n a m i c m a r k i n g i s ar i s i n gt e c h n o l o g yi nl a s e rp r o c e s s i n g , i th a san u m b e ro ff e a t u r e ss u c ha s h i g h e f f i c i e n c ya n dn oe f f e c to n t h ep r o d u c t i o nl i n e d y n a m i cl a s e rm a r k i n gt e c h n o l o g y s c o p e ss e v e r a ld i s c i p l i n e ss u c ha so p t i c s ，m a c h i n e r y ，c o m p u t e ra n ds e n s i n g t h e t e c h n o l o g y c o r ew a s ，h o w e v e r , m o n o p o l i z e db ys e v e r a lf o r e i g nc o r p o r a t i o n sa n di t s a p p l i c a t i o n si nc h i n a h a v eb e e nl i m i t e d t h et a r g e to f o u rr e s e a r c hi st od e v e l o pa d y n a m i c l a s e r m a r k i n gs y s t e m w i t ho u r o w ni n t e l l e c t u a lp m p e 啊w ec h o s et h ea d v a n c e da e o u s t o - o p t i c a l l ym o d u l a t e dd i o d e l a s e rp u m p e ds o l i ds t a t el a s e ra st h el i g h ts o u r c of o rp r o c e s s i n g t h i s “n do fl a s e rh a s m a n ya d v a n t a g e so v e rt h et r a d i t i o n a lf l a s hl a m pp u m p e do n e ，s u c ha sl o n g e rl i f e , 璐o f es t a b i l i t y 。b e t t e rb e a m q u a l i t ya n ds m a l l e rv o l u m e + i no r d e rt op r o c e s sm o b i l e p m - t s ，t h i ss y s t e m h a s a d o p t e d ap h o t o - e l e c t r i c a lc o d e ra st h e c o n v e y e r b e l t d i s p l a c e m e n t8 0 n s o lam i c r o p r o c e s s o r i n e , a s u l e sa n dc a l c u l a t e st h em o v e m e r i to f t h e c o n v e y e rb e l t ，t h u sg u a r a n t e e i n g t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e d i g i t a lc o n t r o ls o f t w a r ei s t h ek e yo ft h i sd y n a m i cl a s e rm a r k i n gs y s t e m i tw i l lb u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l a n d o p t i m i z e t h ec o h r s eo f t h e m a r k i n g 掣疆港锚。t h i ss y s t e m 黼ag a l v a n o m e t e r a n d t h ef - t h e t a o b j e c t i v et oc o n v e r t as p h e r i c a li m a g es u r f a c ei n t o p t a r 辩s u r f a c e s u c h c o n s t r u c t i o nw a s v e r yf a s t , b u t l e dt os o m e g r a p h i cd i s t o r t i o n s t op r o d u c ei d l er e s u l t , t h es o f t w a r er i s e sn e w t o nm e t h o do f i n t e r p o l a t i o nt oc a l c u l a t et h ec o r r e c t e dd a t af o r a c h i e v i n g t h ef a v o r a b l er e s u l t s e v e r a li n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sw e f em a d ei nt h i sr e s e a r c h ： t ， d i 露匪c o n t r o ls y s t e m f o raw i d e a p p l i c a t i o n w i g sd e v e l o p e d 2 ；an e wc o m p e n s a t i o na _ l g o r i t h mw a s p u t f o r w a r d 3 d i g i t a l c o n t r o ls o f t w a r ew a sd e v e l o p e d 4 an e wm e t h o df o rc o r r e c t i n gg r a p h i cd i s t o r t i o nw 猫s u g g e s t e & 5m e t a l l i cp a r t s w e 挖d y n a m i c a l l ym a r k e db ya na d v a n c o da c o u s t o - o p t i c a l l y m o d u l a t e dd i o d el a s e rp u m p e ds o l i ds t a t el a s e rd e v i c e k e yw o r d s ：+ 梳d e 赫谪最逝驶鎏型塑g ，a c o u s t o - o p t i c m o d u l a t i o n , d i s p l a c e m e n tc o m p e n s a t i o n ，d i s t o r t i o n c o r r e c t i o n b i 激光动态标麴系统研究 独创性声明 本人声明灞呈交懿学位论文是本久在导耀搀蛰f 遂牙懿疆究王 乍亵馥锫豹 研究成果，除j - 文中特剐加以标注和嫩谢之处外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为灏得垂盗盘堂或其他教肖机构的学位或 证书面使用过的材料。哮我一目工 乍鹣懑志对本硪究所傲的任何贡献均已在沦 文中 乍了溺确熊澄舞并袭示了；蘩意。 学位论文髂者签名：李釜键 签字基蘩：2 裙年9 胃l 。匿 学位论文版权使用授权书 本学位论文馋考究全了解薹盗蕉茎奏关缳露、使用学位论文懿筑定。 特授权鑫注盘皇可以将学位论文瀚全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印藏扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部f 1 或机掬送交论文的复印件和磁擞。 ( 谦寮靛学位论文京解密惹逶鲻本授权甏秘) 学位论文作者签名：贼 导繇签名 舔溺砍 签字日期：2 0 0 3 年9 月1 0 日 签字目期：2 0 0 3 年9 月1 0 日 第一零激光萄夺标蠢l 簸零发藤蕊势及藏羯藏景 第一章激毙潞态标刻技术发震趋势疑应震赫豢 。 激必橡剡技术缎谜 近年来，随着激光技术的i 毪猛发聪，激光强工妲、军事、商业、医疗等镁 域的应鲻越激越广泛。激光标剡技术楚激光如王技沭的藿要组成部分，激光标 裁熬诲多独特饶熹是其它拣裁鼓零灏不能垒及豹。奁鼷癸，激龙标襄l 技零邀予 应孀广泛、帮场容量蠢夫，已疑震成为独立熬工渡项露。近年卷，在我西激懋 标刻技术的成糟匿然熬涞越广泛，偿随子在加工遮浚、精纲稳璇簿方聪帮国辫 仍有一定麓距，妨碍了该项技术的进步发展。特剜魁，目前翻外新兴的激搬 动态檬嘉羧零，交予蔟赖工效攀蠢、逡瘦瑷找豫夫燮产嚣要、袋耀灵鬻方粳， 在国外获褥了大范围的臌用。但由于该系统技米坡簸祭，核心技术被黼外的少 数曩家激巍公嗣垄蘸，针辩这一谤墩，率论文鞭激悫稳态标蘩瀑统鹃技零难惩 为主玫方翔，磺究了撞美黯c a i ) c n v i 技零，群发了掴应麴软、磷律，联褥了魏 好翡蜜验然祭。 激光标刻由于在工作过程中不接触工件而优予机械冲压、氟火花刻写、化 学囊缓等健绕煮法。激竞撼瓤辩被蠡馨工糖磐无持辣豢裳，嚣虽嚣王龄秃援巍、 无撬韵、笼变形，麓z 潮影灵活多搭。设备蠢麓健程密蒜，熬工遗程辩繇壤蠢 污染。巍予激光蠡塞4 技零具京这些稳点，艨鞋戚翊霞越广泛。 以下列出几种常用标刻方法的主漂特点比较： 表i - t 常蕊标记方法魄较 标剡王蕊速发性熬灵活性 【 i振镜激光标剡快好好 l l 燕袋激光檬蒸浚较好蓑 仡擘腐蚀较快鳋麓 照相腐蚀较炔好熬 磺墨打窝莰较黢菇 掇械 孛鹾抉较麓夔 熔糗浚好麓 气动冲压一般较好较好 l 第一章激光动态标刻技术发展趋势及应用前景 激光标刻利用高能激光脉冲作用于工件，使工件表面汽化形成痕迹，达到 加工目的。它主要由激光器、电源、导光系统、冷却系统、控制系统和工作台 组成。 在标刻过程中，需要考虑图像的点数、工作面太小和形状、调q 开关的工 作频率、振镜的响应时间、加工图形变形的修正等诸多因素。对于动态标刻系 统还要考虑传送带位移补偿问题。还要求软、硬件设计上有一定的抗干扰能 力，并具有一定的兼容性和互换性，以满足不同情况的具体要求。 激光标刻技术的发展是随着工业界的大量采用而逐步发展起来的。它的应 用开始于八十年代，据有关资料统计，1 9 9 9 2 0 0 0 年期间，全球已安装了 2 0 0 0 0 多台各种类型的激光标刻系统。由此可见，大力发展激光标刻技术是我 国工业化进程的迫切需要。 1 2 激光标刻系统的分类 激光标刻系统根据激光柬运动与否，可以分为定光式和动光式两大类。定 光式结构的激光标刻系统在工作过程中光路固定，依靠工作台的运动实现对工 件的加工。以传统的灯泵n d ：y a g 定光式激光标刻系统为例，其结构见图1 - 1 ： a ) 全反射镜 b ) 聚光腔 c ) y a g 晶体 d ) 连续k r 灯 e ) 声光q 开关 f ) 输出镜 g ) 扩束镜 图1 - 1 定光式激光标刻系统结构框图 2 壤一章激光动态撩裁技术艘震趋势及应霜裁绶 h ) 4 5 凌爱瓣锭 j ) 聚焦镜 j 工件 k ) 十字工作台 1 ) 控制月计算机 这嵇定光式结构系绞的标刻遮度主要取决于工 乍台的运动速度，由予工作 台本身的运动速度限镧，箕加工速度不可能太高，也不能适应动态标刻系统的 需要。例如：英国控制激光仪器公司生产的定光式结构激光雕刻机采用5 0 w 的 n d ：y a g 激光器，速度最恢这到2 0 m m s 。这种寇光式结构主要优点是成本较 低，适用于小批量、零散加工，对速度要求不高的情况f 。 动巍式结构依靠受诗棼裰，控粼豹两个振镶实溪光速豹高速孝j 籀，毒遴遥可 补偿偏转角的聚焦镜将光束聚焦到工件表丽，实现加工过程的自动化。由于振 镳麓扳动速度橱嚣予工傺台憝移动速凄浚褥多，灏鼓逮耱方式懿熬工效攀院定 光式高得多。而盥，这种方式不需要将工件安放强工作台上，非常适合在流水 线主在线，圭产，冀瘦鼹菇楚远大于定光式。这耱续褪也跫激走动态标刻系绫爨 浆用的主疆结构。主要缺点是，成本相对较高。以灯泵n d ：y a g 动光式激光标 刻系统为铡，其缝梅冤蚕t - 2 ： 匐发射镜 b ) 聚光腔 e ) y a g 菇体 d ) 连续k r 灯 e ) 声党q 开关 f ) 输出镜 圈卜2 动光式激光标刻系统结构樵图 第一章激光瓣态标劐技术发疑趋势及藏耀翦景 曲拶策镜 h ) y 方向振镜 i ) x 方向振镜 j ) f 一8 透镜 园工侔 1 ) 控制厢计算橇 根据光源来划分，激光标刻系统又可分为n d ：y a g 激光和c 0 2 激光，这两 种光源避用于不同的材料。n d ：y a g 光源可以加工念属材料和大部分j 譬金属材 辩；瑟c o a 激光光源主要是趱求燕工j 金属穗秘。套众多熬激光标褰l 焱缓孛， n d ：y a g 攘镜式标亥系统嚣搀它所其有酶各嵇优势已经成为了主要豹络构形 式。 1 3 激光标刻系统发展趋势 蠢予激毙稼裁技术翡爨有懿释释霞点，霹露艘菇凌婕彳乏生产线上不霹或馥 的加工设备。激光标刻技术髓前主要有高速、黼精细、大加工面积、彩色标 刻、动态在线标刻等几个发展方向。 激光标刻通常作为生产中的最后一道工序，标刻速度的提高意昧满生产效 率的提高，赁以尽可能的提穗标褰l 速度和动态在躐标捌成为激光标刻鼓术的主 要发震方淘。 强前，提高标袤速度主臻霄两种方法： 、 1 提高硬件反应速度( 主要是提高振镜的反应速度) 。例如：德国 s e a n l a b 公司的系列报镜比市场上普通必型反应速度快将近一倍。日 裁瀚内厂家逐寒硬制爨低残本豹褰速振镜，掰班这秘方法霉黉聚溺磊责 熬避匿器件，大幅度掇离了整祝成本。 2 提高软件运行速度。以1 0 0 衄1 0 0n m 的图形为例，当采用4 0 点n 蛳的 分辨率时，整幅图形戴有4 0 0 0 x 4 0 0 0 个像素，每个像素在加工过程中 都要进行运算，这占阁了相当比例的加工时间，所以从软件方蕊着手有 较大故改逶空阅，遮瞧楚本论文磅究过稔中采囊豹方法。逶过软传算法 瓣敬遴显著捷鑫了蕊王效率，露盈著塞缮热硬俘采薅藏本。 4 第一章激光动态标刻技术发展趋势及应用前景 高精细、大加工面积、彩色标刻等方式主要面向些特殊目的的加工过 程。例如：日本某激光技术公司研制的高精细激光标刻系统可在1 0 微米见方的 区域内进行加工，而且标记清晰。台湾某激光技术公司利用钛合金在不同功率 连续光照射下产生不同颜色变化的现象成功实现r 激光彩色标刻。 动态在线标刻。动态在线标刻技术是近年来国外新兴的一种加工手段。它 是在不影响生产线正常运行的情况下，动态监测生产线传送带的运动情况实时 的补偿传送带的运动位移，对传送带上的工件进行动态标刻，这种加工手段大 幅度提高了加工效率。 1 4 激光动态标刻技术发展现状 目前的激光动态标刻系统主要还是应用于常见的非金属工件，例如：纸质 烟盒、塑料包装袋、礼品盒等。对于这些材料的以c 0 ：光源较为台适，c 0 。激光 器以封离式和射频c o 。激光器最为常见。封离式结构简单、成本低，但寿命很 短。对于在生产线上长时间连续工作的情况，封离式c 0 。激光器的寿命明显不 足，需要经常更换。射频c 0 2 激光器可长时间连续工作，寿命长，更适合激光 动态标刻系统的应用，但成本相对较高。目前，国外已有成熟的射频c o 。激光 器模块产品，模块采用风冷式结构，体积小、重量轻，结构紧凑，非常适合生 产线e 使用。 为了实现对金属工件的动态标刻，我们采用了二极管泵浦n d ：y a g 全固态 激光器作为加工光源，进行了金属工件动态标刻技术的探索，取得了良好的效 果。 1 5 激光动态标刻技术应用前景 激光动态标刻技术采用受计算机控制的激光做加工手段，在机械零部件、 电子元器件、仪器等需要做标记的物体表面制作由文字、图案等组成的标记。 它具有传统方法( 化学腐蚀、电火花加工、机械刻划、印刷等) 难以比拟的优 点。与化学腐蚀、电火花加工、机械刻划相比，激光标刻速度快，加工过程无 污染，与被加工工件无接触，不产生内应力。更主要的是，它可对生产线上的 零件进行动态标刻，大幅度提高了加工效率。与传统的动态喷墨标记技术相 比，具有加工范围广( 金属、非金属材料均可加工) ，对工件表面平整度要求 低，工作噪音低。其主要特点如下： 第一章激光动态标刻技术发展趋势及应用前景 采用计算机控制，更改标记内容非常容易，适应现代化生产高效率的要 求。 繁翊激壳骰灏工手段，裁翔精绸，对材料的适瘦往鞍广，可以在多耱材 料的表面制作出非常精细的标记，且耐久性非常好。 与王终之闻没有 乍用力，不产生应力，保凝了工件的原鸯精度。 对环境没有污染。 不影响生产线的正常运行，加工效率高。 由于激光动态标刻技术具有传统方法难以比拟的优点，因而该技术成为自 动化生产线上主要的标记手段。 1 6 本论文研究的主要目标 本论文研究的主要目标怒开发逢皮现代化生产线需簧的激光动森标刻系 统。该系统采用先谶的二极管泵浦n d ：| y a g 激光器作为光源t 利用声：光调q 技 零实褒蹲终送萤上瓣工箨蠡冬动态热工，舞：疆铡昊育垂主躲谖产蔽夔诗黪爨壤勤 设计、辅助制造系统( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n c o m p u t e r - a i d m a n u f a c t u r e ) ( 简 称c a d c a m ) 为此确定了如下的研常8 鼹标： 2 3 研制一台作为加工光源的二极管袋浦n d ：y a g 全固态声光调制激光器， 该激巍器应逡应生产瓒场的嚣要，兵寿体积小、冷却系统简後、可长黠 间连续运行和加工效果稳定的特点。 开发具有自主知识产权的计算机辅助制造系统( c a m ) ，该系统可实时 婺溺传送带像移，并对佼穆遴蟹专 整骖垂。壤攥瑗有井霆嚣转懿不同特 点，应适应大多数现有器件的使用要求，谶应性广，使用灵活方便，运 行可靠。 开发适应激光动态标裁系统需簧静、具舂爨主翔谖产权魏诤髯祝辅助设 计系统( c a d ) ，该系统应具有操作方便，运行可靠的特点。 6 釜三兰冀望重鎏垄塾奎窭蛰蚕篓篓麦壅堡童! 堂鲞鲞篓壅 第二章适用手激巍渍态檬翱系统的声巍调翻激巍爨磷究 2 。1 激光加工作用的基本原理 激光加工大多数基于光对j 隧! 明介艨黝热作用，即吸收光能的热效艘。因 此，在擞光加工过程中，激光光寒特性、横辩对光的吸收作眉和鼯热性等对嬲 王避疆鸯穰夫影嚷。 2 1 ， 激光加工过程中的糨理化学变化分析 餍手激光趣工懿激光党寨最好为蘩骥( t e m o o ) 。霞惫，它露辘对髂懿必强 分毒，筵透弱最璧懿竞窳聚焦效袋。当褰赣巍泰久簧裂焦距为f 熬遴镶瑟，竞 窳拳径为。，则由短焦躐透镜聚焦簇，焦点姓的竞斑截面半径。o 遥钕为： 缈。堑( 2 1 ) 蒯 从丽通过式( 2 - t ) 可以舞出经遴铙聚焦磊焦平蟊上的功率襁度。豫栗激 竞最毫瓣模，竞素暴骞l # 麓瓣稼懿光激努东，竞斑只寸l 基模鬟鏊增大，在激 光功率相同韵情覆下，焦点处翁功率密浚将减小。 当光波照射在不透躜的物体袭镒时，一部分光波被反射摊，努一部分被暇 收。对多数金属来说，强光学波段上露离豁反射率( 7 0 - - - 9 5 ) 。一般认为被陵 段熬光波在垒属表瑟墨，耱釜藏被暇蔽镣了，著把啜峻的巍戆转换为热缝+ 蠖 材籍鼹黎温度爵毫，然矮以燕棱喾方式熬热黪篷导餮金属内部。建努，象篪静 反射率与金属的表面状况肖关，粗糙龅裘灏和有氧化膜层的袭筒玻之光滑酌裘 酾有更小的反射率。非众膈材料的反射翠和吸收系数则在很大的范围内变化。 因为金属表层吸收的光能转化为热能，而热能又以热传导的方式继续向材 料深处传递，所以金属的零热性对加热效果影响很大。根据热传导理论可以计 簿激光照射下被热工榜鹅凌蕊瓣瀑度苇鞋内部靛温疫分布。 激光被毒垂精豹一定嚣躐( 逶鬻楚滚瀑) 蔽波并转恁鸯燕惹，热盈透过热臻 导在材料内向深处扩散，形成一定酌瀵夜场，导致在定范围瞧材料形态的燮 化。 7 箜三兰遒窭王塑些黧奎蹩型墨塑夔妻壅塑型塑垄墨煎窭 巍袋写| 起黉髂毙学瞧葳鹃蕨蠢燹纯，爵良懿缵为三静掇瀵，竣照辐瓣度漤 大的顺序，宅们是： 热靛产生，驮褥尊致材料豹密度或电予憷壤发生变优，袁关的效艨蹙遴 嘲介囊中熬燕聚焦班及半导体和金矮审静“热述逸瑗象”。 半导体和绝缘体中，由于带间跃迁或碰撞电离，导致吸收系数明照增 大，甚至可能引起爆炸性的材料损伤。 鼹光束的电场傻迄予轨道或蹩个分子发黛l # 线性畸变。许多非线一陵爽攀 现象，趣括稳聚焦或多光子吸蔽，帮怒出场效应引起鹊。 激巍标刻就是在务黪不同懿貔餍袭蘧，魁激淹麴工出承久瞧的标记。静标 皴瘦邋过被热工工终袋漂耨囊豹蒸发，暴露爨滚鬃凌蒺，或遴涟走辐射警效物 质的亿举变亿产生。 用予激光标刻的n d ：y a g 激光嚣一般为声光调制激光器，光脉冲韵脉浇越 警，炼琵终怒蘧不瑟爨，藤汽德撵惩越显萋，瓣棱鸯爨工接餐懿热黪楚瞧戆小。 2 1 2 象属对不同波长的光源暇收效率对比 测照不同的激光嚣馋麓搬工光源对金属工襻进行标刻会产生不阍的效粱， 这主螫国予金属表藤瓣不网波长瀚激光啜救效率不弱，不弱波长酶澈竞农鬻凳 的几种众藤表层吸收率掘袭2 ，l ： 表2 ，l 金属表袋瓣不嚣渡长激怒靛啜浚枣 ( 酉分魄) 众属1 0 6 u m1 + 0 6 h mo 2 5u m 锾21 81 8 铁 43 56 0 铜l 87 0 镶44 26 0 f 镰 52 55 s 键l3 7 7 8 燕二章适翅子激毙动态标麴系统豹声毙溺涮激毙器磷究 由此可见，加工光源的选择主要取决予加工工件的材料不同，利用不周的 激光器会对加工效果产生重大影响。下面通过分析不同激光器的特性选择适合 于激光动淼标劐系统的加工光源。 2 2 激斑瓷源懿选择 作为激光加工光源的激光器主要有二氧化碳激光器和掺钕钇锵石榴石 ( n d ：y a g ) 激光器两种。对于激光标刻系统来说，c 0 2 激光器的输出波长适 于加工警金属材料，例如：烟盒、纸矮、塑料包装愈等。n d ：y a g 激光蒜更适 二麓王各簿囊震零终。 加工粥激光器的输蹬光象成在各方面满足曩俸情况盼需要。此外，激光嚣 还应满足对一般工业设备撼出的要求，如较高的稳定性、可靠性，结构紧凑占 地少，谶价较低，易于维护，运行费用低等特点。下面对二氧化碳激光器、准 分子激光器、氧化碳激光器、y a g 激光器作定程度的比较。主裳性能比 较觅表2 2 i 表2 2 加工用激光器的主攒性能 准分子 性能c 0 2 激光器y a g 激光嚣c o 激光器( k r f ) 激党器 波欧( # 撤)1 0 6 0 65 4o 2 4 9 光子能爨( e v ) 0 1 2l1 60 2 34 9 撮高( 平均功率) 5 0 k w4 0 0 0 w1 0 0 0 0 w2 5 0 w 输出方式连续或脉冲连续或脉冲连续或脉冲脉冲 调制方式气铬敖魄 邀需光 气体教趣气傣敷电 脉冲功攀( k w ) 1 0 l032l。4 1 ( 闪光灯) 脉冲频率( 姓 z ) 5 l 5 0 ( 声光调 q ) 模式基模或多横多摸多模 发散蕉全囊 i u 35 - 2 01 - 3 ( m i n d ) 总效率 1 2382 9 第二犟遥鼹于激光动态标剡系绕的声光调制激光嚣碜 究 下匿对见张嚣硪光源盼强缺点遴行 g 较： l ，= 氧化碳激光器。 二氧化碳激光器以裔功率、高效率、黼光束镄基和长波长为特点。娴工用 二氯化碳激光器均采用电激励，其最大连续输出功率达数西千瓦堂级。由于二 氧纯碳激光器的量子效率高速4 0 ，工业器件总效率为1 0 左右，沈其它耱工 用激光器的效率商的多。二氧化碳激光器以c 0 2 、n 2 、h e 等混合气体为工作 镪矮，箕稳匀往魄其它工傺物质好，馥二氧位碳激光酶模式较好蔼蠢稳定。 然而，二氧化碳激光猩应用上也存在很大的局限性：出于波长的关系，它 不麓缀好鹣滏是金藤热工斡要求。二氧纯簇激竞器羧癌熬1 0 6 n l 波长豹锰努 光，比其它加工用激光器的输出光波长要长得多。对于这种波长的纽外咒，非 金藏一般魏较磐瓣啜浚，毽金藩撼辩剩强烈菠麓，这是c 0 2 激毙器建予金溪耱 料加工的一个难点。 二氧_ | ：碳激光溪粒技术关键在予气髂滚动换热、工露气体激赫、谐拨麓和 输出窗口等。二氧化碳激光器的电光效率一般在1 5 左右。气体放电的大 部分能量髑来加热工馋气体，露工佟气体澡度的势离将导致输出功率和光寒质 量的下降。因此，如何排出热量、冷却工作气体是保证激光器在定功率水平 f 稳定运费的个重要娥蹶。二氧他碳激光器按换热方法躲不同分为：封离性 激光器、慢速轴流激光器、快速霹由流激光器，横流激光器。萁工佟气体的激励 方式有：爨流自持放电、预电离与赢流放电、高频激励。 2 准分子激光器。 准分子激光嚣输密酌躲、疖激光是紫辨光。波长短是萁斑孺予激光热工豹最 大优势。 工攮耀准分子激竞器袋蘑孛蒡浚气俸蠹纯物准分予。鏊态下懿幸骜性气俸，萁 电子壳层全部填满，化学性质稳定，不可能和其它原子结合成稳定的分子。但 当它受妥激发对遗子被激发虱雯簿瓣链缀软道主，蠢酸了聚羚墨懿滚轰秀子分 布，则可以和另一个卤族原子形成一个短海命的凇分子。准分子的基态是强推 蓐态。难分子一曼跃迂裂鏊级，鞠叠霉分惩。遨耱准分子鹣瞧予蕊缀跃逶容 易形成粒予柬反转并获得较大的增盟。不间准分子的激光波长如下浅： c c h 激炎器 乍为红羚光源用予激光标粼的缺点在予，魏工的鲻对会对物康 ( 一般用于非金属材料) 产生热效应导致标记边沿模糊。相比之下，用准分子 激光器产生的紫外光标刻时，只蒸发物质的表层，丽不加热物餍( 参考文献 1 0 第二章适用于激光动态标刻系统的声光调制激光器研究 8 1 ) 。由于表屡组织的光化学效应，或袭层物质的蒸发，而在物质表屡留f 标 记：，疆以，臻蒎分子激光器稼蘩辩，标记边爨 霉渣搬。 袭2 ，3 不嚣准分予激惫爨激走波长 j 工作气体k ， a 善 x f亿c lk c ii i波长 3 。81 2 4 91 9 33 5 42 2 2 ( n m ) 在工业用准分子激光器中，气体激励是采用脉冲放电实现的。紫外线预电 离被嬲来获得小能量的脉冲激光，x 射线预电离则弱来获褥大隧量的脉冲激 光。准分子激光器的电光效率低于4 + 大部分放电能量转仡为工作气体的热 能和声能。为了激光爨灼稳定运行，要求在下个脉冲来到前，用新鲜的气体 置换融工作过的气体。慢速轴流气体流动雳予低重复颡率( 1 0 h z ) 激光器的 气体髯换，丽快速横向流动有比前者高的换气效率，脉冲频率w 达数酉赫兹。 准分子激光器上能缀寿命镁短( 辩k 。f 为9 n s ，辩溉c l 为4 0 n s ) ，不逶予 存储能蠼，只能输出脉宽1 0 l o o n s 的缝脉冲。脉冲能凝可达1 j 的数鬣级，峰 值功率这l m w 农乎。 准分子激光器小信号增益大，容易输出多模激光。采用振荡器加光放大器 豹方案篷可敬褥刭单模辘出。 3 氧拖疆激光嚣。 一氧化碳激光器输出波长为5hm 左右的多条谱线，其波长处在c 0 2 激光 与y a g 激光之超。魄之c 0 2 激光，一氧纯碳激光在蒙焦性鄹被金矮材料吸牧 等性能方面有定长她，而且有实现光纤传输的可能饿。 氧位碳激光器帮二氧化碳激光爨有许多捆戗之处，都是基于分予的能级 跃迁。一氧化碳激光的量子转化效率熙高，达9 0 ，激光器的总效率因而也眈 较高，并已实现了数予瓦至十千瓦高功率高光束质量输出。但是，高功率、高 教率一氧化碳激光器只能运行于低温深冷状态，因而驻蓍提高了设备的成本和 复杂稷度，增加了运行赞用，这是限制一氧化碳激光器在工业_ k - 墨z 范围应用的 主要原因。 4 n d ：y a g 激光嚣。 在众多激活离子与基质晶体的组合中，目前应用的最广泛的是掺锻钇铝石 藕石( n d ：y a g 即y a g ) 。它有缀多优点：镀离子激光跃进酾上髓级海命晓较 第二章适霜予激光秘态标裹g 系统的声光蠲铡激光器研究 长，钇铝石榴石晶体具有良好的热物理性能。y a g 激光器可在连续躐脉冲状 态下工作，和其它固体激光器相比，它有较高的平均输出功率和效率。y a g 激光器输出激光的波长为1 0 6um ，碰巧是二氧化碳波长韵十分之一。波长较 短的特性对浆焦、光纤传输和鑫疆表面酌吸收有利，这是y a g 激光器疲用于 澈光翔王熬一大甓势。 传统鳓y a g 激光器采用光浆满，能量转捩环节多，器件总效率约3 ，眈 二氧化碳激光器的低。泵浦灯的使用寿命较短，需经常更换，不很方悦。经过 不断改谶，灯管使用寿命已缀得到很大延长。利用激光二极管作为泵浦光源具 有寿命长、效率高、冷却设铸简单等特点。因丽，近年来得到了大揽围的推 广，本论文也采穗了激惫二极罄象滚魏方式。突黢涯圈，这秘方式饕鬻遗含瑟 态标剡系统的需要。 经常应用于激光加工的n d ：y a g 激光器与二氯化碳激光器的优缺点比较见 表2 4 ； 表2 4 ￥a g 和。激光器俊缺点的比较 l槛能n d ：y a g 激光嚣e 0 2 激光爨 连续( 平均) 功率 |脉冲峰值功率 光荣质量 波长 竞纾传输 效率 体积和重量 由她可觅，二极管泵浦n d ：y a g 激光器具裔较高的峰值功率、邂合舱波 长、较小懿抟襁懿主要特鳇，遨婆将经决定了n d ：y a 6 激巍器是惩予宓羹工金疆 零件躲激光动态标刻系统合邋的光源。 2 3 泵浦方式的选择 泵瀵添中以孛蓦缝气钵放魄灯最羹成熟。藤嚣建溯终工艺较受筠纂，搜麓方 便；遥_ 麓筵国广泛，髓工诈在涨、痒或连续状态下。缺点跫激光嚣慧体效率较 低。 第二章适用于激光动态标刻系统的声光调制激光器研究 避年来，随着激光技术的发展，二极管泵浦固体激光器在工业加工中应用 越来越广泛。“f 嚣藿黧讨论传统爨婕畿气俸方邀灯襄二激光袋溱方式瞧霞缺 点。 1 惰性气体放电灯。 掰佟固体激光器泵瀵豹蠖坯气体放电灯主癸是指躲、砖氲灯靼连续裁灯。当 灯管内形成弧光放电时，管内气体发生强烈电离，从而形成高温高压等离予 俸。镣邀粒子婀的相互佟溺，使气体发射出强烈加宽的原子秘离子线光谱及连 续光谱。谱线范围从紫外区一赢扩展戮近红外隧；其结构主要蹩连续谱、并在 连续谱上叠加r 某些强烈的线状谱。谱线辐射强度与波长的关系是：在可见光 和紫外区，连续谱占优势，丽在o 8 m l 附近的红外区，有很强的线藕酣。连续 谱和线状谱的强度对比强烈的依赖于放电的能馒密度、充气种类和气魇。当电 流密度增高时，光谱能量分布静重心移向短波段，且连续谱髂增麴院线获谬 快，因此，产生越来越强的短波辐射。由此可见，在嶷际使用中，只强调提高 输入汀的能量，并不褥至l 较篱躬转换效率，登须穰攥工俸凌矮赘啜| | 芟常，选 择合燃的光谱结构，使之辐射较强的区域与工作物质的吸收光谱相匹配。 滚续氪灯耱光谱籀辩墨袋强熬的鬻敬光谱，连续谱区魏燎穰强褒魄线竞谱 小几个数量级，这主裂是因为在连续避行时，电流密腱是低的。所以涟续氪灯 对于秉溱n d ：y a g 来鬟，效辜较褰。 然而，即使在光谱匹配较好的情况下，由于灯的发射光谱范围宽，而激光 誊砉鼗熬疆毂带较窜，灯嚣寿髑袈演功率与辕入| 土丁豹珐攀之毖，也仅梵百势之 几。 为了改善灯豹光港分蠢和捷裹激光器豹总体效率，在灯阿掺杂各莘孛戚分的 气体戏易挥发的固体，使有用谱线辐射加强：在灯外将灯辐射中未被激光工作 物溪吸收豹或对激光工作物鼷有害的鹚射，转换成能被激光工作物质吸收对激 发有贡献的辐射。这主要是利用荧光转换的原理。在这方面虽取得了某些遴 展，但要从根本上改赣激光嚣效率还相差甚远。 2 半导体激光二极管泵浦。 采用波长与激光工俸穗袋缀滚滚长稚医醮的激光佟激稿光源无疑籍大大掇 高激光器的整体效率。例如：n d ：y a o 中宽约3 0 9 m 的8 1 0 ，州泵浦吸收带中含 有多条啜枝港线，若麓波长魏8 0 8 确孵豹半导锈激走= 缀管豹输崮竞泵漕可戬穗 确的对准此吸收带中宽约2 胛啪的8 1 0 n m 吸收谱线。半导体激光二极管激励的 国体激光嚣懿慈效率麓徽虱7 扣2 游6 ，远运麓子孛舞毪气镩藏漱灯澈熬戆露露激 1 3 第二章适用于激光动态标刻系统的声光调制激光器研究 光器。此外，它还具有小型化、全固态、长寿命及工作中热效应小等优点。近 年来，单个半导体激光器功率已超过1 w ，半导体激光器阵列功率达数百瓦。 大功率半导体激光器的出现促使半导体激光器激励的固体激光器迅速发展并获 得j “泛应用。 激光二极管泵浦可采用端面泵浦与侧面泵浦两种形式。端面泵浦装置简 单，泵浦光束与谐振腔模匹配良好，工作物质对泵浦光吸收十分充分。因而阙 值功率低，效率高。图2 - 1 为激光二极管端面泵浦的固体激光器示意图。固体 工作物质输入端m 1 镀以对泵浦光增透，对固体激光器光波长全反射的介质膜 层，m 2 为部分反射镜。m 1 和m 2 组成固体激光器的谐振腔。 ：正 图2 1 激光二极管端面泵浦的固体激光器 要得到更大功率的激光输出，需采用总体功率更大的半导体激光阵列作泵 浦光源，由于阵列的发光面较大，采取侧面泵浦的方式更为有利。图2 2 是一 种侧面泵浦的板条式固体激光器示意图。在板条状固体激光工作物质的一侧放 置泵浦半导体激光器阵列，另一侧的全反射板将泵浦光反馈集中到工作物质 中。激光在工作物质中通过侧面输出，使其经过增益介质的有效长度大于外形 长度，从而获得大功率输出。 二二二二 。叨 。 反镜激光二极管阵列l 输出镜 i 图2 2 侧面泵浦的板条式固体激光器 采用g a a i a s 阵列泵浦和传统的惰性气体放电灯泵浦方式的n d ：y a g 晶体吸 收效率对比如图2 3 所示。从中可以看出，用激光二极管阵列泵浦的吸收效率远 高于传统的惰- 陛气体放电灯泵浦方式。 1 4 第二章适用于激光幼卷标刻系统的声光调制激光器研究 图2 3 两种泵浦方式效率对比 溱氤灯发光光落 n d ：t a c , 彀彀巍谶 在本论文的研究中采用了o 公司( c u t t i n ge d g eo p t r o n i c s ，i n c ) 的半导 体激光二极管泵浦模块，激光光源为g a a l 舢阵列。采用g a a l a s 阵列作为光源 代替了传统的惰性气体放电灯带米r 许多优点： 1 长寿命。 2 大骧度减枣了结橡尺寸e 3 系统发蕊少，冷褰l 系统麓灏。 4减夺了工传甥疆懿熬遮镜效疲。 工作物质为直径3 衄长6 3 僦的n d ：y a g 晶体。为了获得大功率的激光采用了 三个方向的g a a l a s 阵列同时裂浦，结构如图2 4 所示： 1 5 第二章适用于激光幼态标剿系统的声光调制激光器研究 灞2 激蠢二穰瞽象满装置络构示意瑟 2 。4 谲薅接寒的爨溪 藏冷热弑 冷却豫警 n d ：瑚晶体 ：壤警簿捌 调q 技术的出现和发展，是激光技术及应掰的一个重大进展。它怒将激光 垒部能登压缩在宽凝掇奄赘躲渖中发嚣，簌蠢往激巍豹漳 巍劝率捷裹了死个数 ：蔹级的一种技术。这样强的相干辐射光与物质相飘作用，就产生了一鬣列舆有 鼹大意义的新现象，给激光在工业、掣潦等方面的应用开拓了广阔的空阅。一 般困钵赫冲激巍嚣输出麴辣洚，英脉、撺宽度有凡蠢微移至凡瓷移，箕酶 莛功率 也只有几十予瓦的水平，这就远远不髓满足某些激光应用的骚求，例如，激光 鸯毽工露歇渖峰值功誊镌要求可熊缀疯，潮孵要求脓塞缀窄。调q 技术簸跫为了 适应这类要隶丽发袋起来的。 对予蕊逶的脒冲露体激光嚣辕| 岛懿脉冲，獒波形著非一个平滑鲍光脉 申， 蕊是蠢诲多振幅、歉宽帮阉隔俸箍掇变亿静失峰燕教狰组戒静。躲霭2 5 绣示： l t 圈2 ，5 固体脉冲激必器尖峰黪剐示意匿 1 6 第二章适用于激光动态标刻系统的声光调制激光器研究 每个失峰的宽度约为0 ，1 - 1 1 ts ，间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致与闪 光灯泵浦的持续时间相等。这种现象称为激光器驰豫振荡。 激光嚣产生驰豫振荡的主要原因是：当激光器的工作物质被泵浦，七能级 的粒子反转数超过阚值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而 发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子数反转数降 低，当低于阈值水平时，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续，上能级粒 子反转数重新积累，当超过闽值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过 程，直到泵浦停止才结束。可见每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生，因此脉冲 的峰值功率水平比较低。 在激光技术中，用品质因数q 描述与谐振腔损耗有关的特性。q 值定义 为： q = 2 z v o ( 嚣蒸揣， c z 之， 式中，v o 为激光的中心功率。用w 表示腔内储存的能量；6 表示光在腔内传 播一个单程时能量的损耗率，那么光在一个单程中的能量损耗为6w 。设l 为 谐振腔的腔长，n 为介质折射率，c 为光速，则光在腔内走一单程所需的时间 为n l 。由此，光在腔内每秒钟的能量消耗为 訾。这样，q 值可表示为： 砜赢= 署 。， 式中，x 。为真空中激光中心波长。由上式可见，q 值与谐振腔的损耗成反比。 即损耗越大，q 值就低，阈值高，不易起振；损耗小，q 值就高，则阈值低， 易于起振。 调( 技术就是通过某种方法使腔的q 值随时间按一定程序变化的技术。在泵 浦开始时使腔处于低q 值状态，即提高振荡阈值，使振荡不能形成，上能级的 反转粒子数就可以大量积累，当积累到最大值( 饱和值) 时，突然使腔的损耗 减小，q 值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子 数被消耗，转变为腔内的光能量，在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出 来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。 2 5 声光调q 技术的应用 1 7 第二黎适用于激光动态标囊4 系绕的声光调剑激光器研究 当超声波在会膜中传播时，弓l 越介质的弹性变亿，这种变形又捆应的弓l 起 介质密度糊期性的变化，从而使超声介质的折射率也发生相应的周期性变化， 这就是光弹效应。如果在介质内建立超声场，那么介质中备点的折射率就会随 着浚点上鹃弹性应变丽发生褶应豹改变，光通过介质对，就会被衍射，这就是 声光效应。 声波在介质中传播有行波、驻波两种形式。声光器件主要由声汽介质朝换 能器组成。声光介质是声光相互作用的场所，换能器的作用使将电功率转换成 声麓率，瓯在声竞介质中蘸立超声场。瓣予行渡式豹声巍器件还可淤采焉缀声 装缀，以吸收通过介质的越声波，减少反射。 q 哥美元释主簧瘗石英赫俸、擞窀换熬器、疆羧嚣配元梅、袈额头和外袁 组成。结构示意图如图卜6 所示： 图2 6 声光调制器结构示意图 由上阁可以看出，这种器件主臻由四部分组成： a ) 驱动电声换能器工作的电子线路系统。 b ) 将邀绩号转换残声耱号魏按麓器e c ) 光波和声波相互作用的场所声光介质。 国由吸声材料缀成的吸声器。 组成声光调制嚣的主器部分声光介质和换能器，j c 重