激光打标机基本原理

第一章激光原理诚然，本世纪最后的伟大发明之一是激光技术。自1958年问世以来，它已逐渐而牢固地渗透到科学研究、军事、工业等领域。不是吗？环顾我们周围，你可以很容易地找到它的应用实例：医院里的激光诊断和治疗机器、商店里的条形码识别器、办公室里的激光打印机、连接我们与世界其他地方的光纤等等。即使在我们的家里，它也可以在激光唱机和激光唱机中找到。人类已经发明了各种激光器。例如：气体激光器(氦氖激光器、二氧化碳激光器等)。)，固态晶体激光器(红宝石激光器、钕玻璃激光器等。)，离子激光器(氪离子激光器、氩离子激光器等。)、染料激光器(甲酚紫激光器、荧光素激光器等。)，超辐射激光器(氮分子激光器等。)，半导体激光器(砷化镓半导体二极管等。)，等等。在世界的许多地方，几乎所有的商用激光器都越来越广泛地用于制造业。CO2激光器的主要用途是各种工业激光加工设备。Nd: YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器作为固态晶体激光器的最大应用是在激光标记领域。1.1激光原理我们知道物质由原子组成，原子由带正电荷的原子核和带负电荷的核外电子组成(见图1.1)。每一个电子都沿着它特定的轨道围绕原子核高速旋转，它的旋转半径取决于电子所处的能级。原子吸收能量后，电子的旋转半径增加，电子的能级增加。原子释放能量后，电子的旋转半径会减小，电子的能级也会降低。每个能级对应一个特定的能量。电子的能量是不连续的，也就是说，原子的能级是量子化的。只有当原子吸收两个能级之间的能量差时，它们才能增加一个能级。电子在能级之间的变化称为跃迁。同样，当一个原子跃迁到较低的能级时，它释放出两个能级之间的能量差。原子的最低能级是E0，最高能级是E1、E2、E3，较高的能级称为较高的能级，较低的能级称为较低的能级。E0能级的原子称为基态原子，其他能级称为激发态(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同的能级(例如，E1-E0)。原子只能吸收几种能量的光子。光子的能量取决于其自身的波长。因此，原子只能吸收几个特定波长的光子。在正常情况下，一个原子在吸收能量后会在较高的能级停留一段时间(这段时间称为原子的较高能级寿命)，然后在任一方向上发射光子并返回基态。这种现象被称为原子自发辐射。图1.3给出了这种现象的图像描述。图1.1原子的结构图1.2原子的能级如果一个光子碰巧经过一个被激发的原子附近，并且这个光子的能量等于原子的上能级和下能级之间的差，那么这个原子可能会被一个外部光子激发而发射出一个光子，并且这个原子在发射之后会返回到基态。这种由外部激发引起的原子发射被称为受激原子发射(图1.4)。从能量、波长、相位等方面来看，原子激发发射的光子与外部激发光子发射的光子完全相同。这些是单个原子能级的变化。对于大量原子的情况，在正常条件下，大多数原子总是分布在基态，其余原子总是从低能级到高能级按降序分布。这种分布规律通常被称为玻尔兹曼分布。在图1.5中，纵坐标表示原子的能级，横坐标表示分布在每个能级的原子数量。如果我们加热这些原子，上层的原子数量会增加。然而，无论这些原子是如何被加热的，在原子团达到新的热平衡后，上层的原子数总是比下层的少。如果我们试图迫使较低能级的原子跃迁到较高能级，同时确保较高能级的原子不会快速发射并返回到较低能级，我们就会人为地导致粒子数反转。这时，激发光子被用来激发上层原子，使其被激发。图1.5不同能级的原子分布发射。在受激辐射的同时，我们应该设法使处于较低水平的原子不断地跃迁到较高水平，从而保持粒子数的反转，使受激辐射持续不断。受激发射产生的光子具有相同的波长、方向和相位，因此受激发射光非常强。这是激光。“激光”这个词是从最初的英语单词“激光”翻译过来的。它完整的英文原词是“受激辐射光放大”，而“激光”是它的缩写。简而言之，激光的本质是一个光学放大器。在实践中，为了产生激光，必须满足两个条件：第一，找到一种能使粒子数反转的工作物质，即激光介质；其次，应当建立谐振腔，使得某一频率的能量源(其可以在谐振腔外部或谐振腔内部)在谐振腔中谐振，并且当激光介质多次往复运动时，有足够的机会以粒子数反转状态激励(泵浦)。图1.6激光产生示意图激光介质。只有这样才能产生激光。这些激发的光子激发其他原子，一个变成两个，两个变成四个，四个变成八个，产生连锁反应，光强度像雪崩一样被放大。从而产生强烈的激光。通常，在激光介质的每一端放置一个反射器以形成谐振腔，从而形成光反馈。它的功能是将沿介质长轴发射的光子反射回介质。两个反射镜中的一个被有意地制成透射一小部分光强度(在激光器中称为前反射镜，而相应的另一个反射镜称为后反射镜)，这是激光器的输出(见图1.6)。1.2激光原理1 . 2 . 1 nd : YAG激光器的原理Nd: YAG激光器是一种固态晶体激光器，它以Nd: YAG晶体棒为激光介质。钕：钇铝石榴石晶体是一种在激光介质中掺入钕原子的粗晶钇铝石榴石。钇铝石榴石中钕原子的最佳含量约为总重量的1%。因此，钕：钇铝石榴石晶体的全称是掺钕钇铝石榴石晶体。钕：钇铝石榴石晶体通常制成棒状，这是非常困难和昂贵的。然而，由于其优异的光学、机械和热学性能，它是高功率激光器的最佳材料之一。氪灯被用作激发的泵浦源，因为它能发射波长为0.73m和0.8m的光。用这种波长的光激发钕原子是最有效的。Nd: YAG晶体棒和氪灯并排放置在椭圆形光学腔中。光腔内表面的形状经过精心设计，以确保氪灯发出的泵浦光都能集中在Nd: YAG晶体棒的中心轴上。反射率为100%的反射器用作后镜，前镜的反射率为90%(透射率为10%)，经过精心设计。它们一起形成一个光学谐振腔，以实现光学谐振。钕原子的能量转移过程分为四个步骤(这个过程在图1.7中有详细描述图1.7 nd : YAG激光器原理图第一步是在氪灯发出的波长为0.73m和0.8m的泵浦光的激发下，基态的钕原子跃迁到两个高能级之一。这里原子的高能级寿命非常短，大约为10-7秒，这在这里被称为激发态。第二步：一个原子在激发态快速跃迁而不发射，到达另一个高能级，在那里，原子的高能级有大约10-4秒的长寿命。这种能级被称为亚稳态，即原子形成粒子数反转。第三步：当原子在这里被激发并跃迁到较低的能级时，它们将发射波长为1.06m的光子，这就是激光。步骤4:原子将在这里进行另一次非发射跃迁，到达基态，并准备重复上述过程。1.2.2 CO2激光原理CO2是具有三原子结构的线性分子。它有三种振动模式，如图1.8所示。第一种类型称为对称振动(如图1.8a所示)。其相应的振动能称为对称振动能，其能级相应地称为对称振动能级。第二种类型称为反对称振动(如图1.8b所示)。其相应的振动能称为反对称振动能，其能级相应地称为反对称振动能级。第三种类型称为变形振动，也称为弯曲振动(如图1.8c和c所示)。这种振动有两种形式：向上和向下，向前和向后。这种振动的能量称为变形振动能量，能量水平称为变形振动能量水平。图1.8二氧化碳分子的振动模式CO2分子有几个高能级，其中只有一个能在跃迁过程中产生波长为10.6m的激光。我们可以称这个能级为激光能级(属于反对称振动能级)。由于CO2分子的上能级较长，并且CO2激光器的激光能级接近基态，因此具有高效率和低激发能，并且容易获得和积累大量的激发分子，从而获得高功率和高效率的激光器。为了在CO2激光的能级之间建立粒子数反转，并将分子激发到高能级，通常有以下基本过程：1.电子的直接激发：具有一定动能的电子在放电中与处于基态的CO2分子碰撞，直接将分子从基态激发到激光能级。2.级联跃迁：高于激光能级的其他反对称高能级也与基态能级有关，因此具有较高动能的电子在与处于基态的CO2分子碰撞时也能激发分子达到这些能级。处于这些能级的分子很容易跃迁到激光能级，因为它们是反对称的振动能级，而激光能级是最低的。处于较高能量水平的分子是不稳定的，它们总是试图跃迁到较低的能量水平，因此大量的粒子将在激光能量水平上积累，这被称为级联跃迁。(3)共振碰撞：反对称振动能级较高的分子也可以通过碰撞将能量传递给基态CO2分子，将其激发到激光能级，成为反对称振动能级较低的分子。这种碰撞是共振的，并且发生的可能性很高，这极大地有助于增加激光能级中的粒子数量。4.重组过程：在排放二氧化碳分子的过程中，一些二氧化碳分子分解成一氧化碳和一氧化碳，同时，一些一氧化碳和一氧化碳重组成二氧化碳分子。当它们重组时，原始分解过程中吸收的能量将被释放，因此重组的CO2分子将被这部分能量激发到激光能级。上述四个基本过程是CO2分子被激发到激光能级的四种方式。此外，为了实现粒子数的反转从而产生激发辐射，较低的能级也必须被抽空。CO2激光器可分为横向激发激光器、气动激光器、化学激发激光器、射频激发激光器等。第二章激光打标机的类型一般来说，激光打标机是在计算机的控制下，使被标记的工件和激光束产生受控的相对运动，激光束将烧蚀工件表面所需的符号和图案。O对于前一种方法，通常使用二维机械数控(或计算机控制)工作台拖动标记的工件，工件在工作台的拖动下按照预先设计的轨迹移动。在固定激光束的烧蚀作用下，工件表面会留下永久标记(见图2.1)。这种标记方法被称为“工作台”。这种打标机的最大优点是：图2.1“工作台”激光打标机原理图价格相对较低，但由于受机械运动机构设计的限制，打标速度较慢，很难打标出精细的文字和图案(如果要实现精细打标，价格低廉的优势将不复存在，而且非常困难)，更难打标出照片。对于后者，有两种常用的方法：(1)两个相连的光学反射镜用于偏转激光束。由激光器发射的激光束照射在第一反射器上，水平折射90，然后照射在第二反射器上，第二反射器通过聚焦透镜向下反射激光束并聚焦在工件表面上，透镜和第二反射器固定在一起。第一反射镜沿激光轴移动，并在移动时驱动第二反射镜。第二反射镜沿着反射的激光束移动。这两个动作由计算机控制。这两种运动的组合是预先要求的标记图案的轨迹(见图2.2)。这种标记方法被称为“绘图仪式”，因为它像一个笔式绘图仪一样工作。在打标过程中，两个反射镜随着激光束在很宽的范围内移动，就像激光束四处飞舞一样，所以有人称之为“飞行光学”打标机。与“工作台”激光打标机相比，其运动机构更轻，结构更简单。然而，由于标记过程中激光束光路的不断变化，最终作用在工件表面的光斑质量难以保持一致。这种类型的激光打标机可以在不降低激光光斑能量密度的情况下轻松制作大的打标范围，但是图2.2“绘画仪式”激光打标机示意图很难标记精细的图案，而且标记速度很慢。2.检流计扫描器对激光束的偏转和移动。由激光器发射的激光束依次投射到第一和第二检流计扫描器上，它们分别在平面的x和y方向上扫描激光束。在计算机的控制下，激光束被聚焦透镜聚焦后将在平面上扫描所需的图案(见图2.3)。我们称这种标记方法为“振镜扫描”。它最大的优点是打标速度快，打标精细。它可以处理各种精细的文字和图案的标记。其缺点是成本高，扩大标记视野困难。然而，由于其快速的打标速度和精细的打标，它已经成为激光打标机的主流产品。图2.3“振镜扫描”激光打标机工作原理示意图激光打标机也可根据所选激光器的类型进行分类，如CO2激光打标机、Nd: YAG激光打标机等。YAG系列激光打标机属于振镜扫描Nd: YAG打标机，采用Nd: YAG激光器。这种打标机一般由激光器和电源、声光调Q开关和驱动电源、检流计扫描器和驱动电源、光学系统、计算机控制系统、打标机数模转换控制器、专用水循环制冷系统等组成。CO2系列激光打标机属于振镜扫描式CO2打标机，采用射频激励CO2激光器。这种打标机一般由激光器和电源、检流计扫描器和驱动电源、光学系统、计算机控制系统、空气冷却或水循环系统等组成。第三章激光输出的调制3.1声光q开关对于使用钕：钇铝石榴石激光器的JBJ系列激光打标机，声光调Q是必不可少的。它是一种通过交替打开和阻挡光反馈路径上的光路来形成激光脉冲的装置。“Q”是英文中“Quality”的缩写，意思是光学谐振腔中光学反馈的质量。在激光打标系统中，声光调Q开关通常作为辅助光学器件添加到光学谐振腔中。声光调Q开关由透明材料制成(如晶体等。)转换成激光束。一个压电声换能器粘接在它的侧面。将射频信号添加到压电声换能器，并将射频信号的频率调制到1-50khz。当没有电信号时，Nd: YAG晶体发出的光束可以直接通过声光调Q开关，被后反射镜反射，然后通过声光调Q开关返回晶体。Q开关不工作。当信号施加到声光换能器时，换能器将产生声波，声波作用在晶体上以挤压晶体，这将改变晶体的折射率，并且从Nd: YAG晶体发射的光在