深圳大学激光原理论文

1、深 圳 大 学硕士研究生学位论文开题报告书年级 2013级 学制 3年 姓名 明玉生 学号 20134303008 学院（部） 光电工程学院 专业名称 光电工程学院 专业代码 指导教师 余建华 研究方向 激光原理与器件 2015 年 01 月 18 日激光加工在导光板中的应用明玉生（深圳大学 光电工程学院 深圳20150118）摘要：本文给出了两种激光加工导光板的技术方法，第一种是先用YAG激光加工模具，核心模仁表面形成很多网点，后通过射出成型将网点复制在导光板表面。第二种CO2激光直接加工PMMA导光板表面而形成网点。此二法操作简单，易加工，环保无污染，导光板光学效率高，效果也均匀。关键字：

2、激光；加工；导光板；一 引言激光自1960年问世后, 很快在生产中得到应用。其后,随着对有关基本理论研究的不断深化。各类激光器件不断地发展, 使其应用领域也不断拓宽, 应用规模逐渐扩大, 所获得的社会效益和经济效益更加显著。作为高科技之一的激光技术, 是20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术重要支柱之一。激光技术不仅受到技术先进国家的高度重视, 而且也受到许多发展中国家的高度重视, 并给与大量的投入。20世纪80年代以来, 在很多国家, 政府都把激光技术列为国家级发展计划。例如, 英国的阿维尔几乎阿!, 美国的 激光核聚变计划.日本的激光研究五年计划! 等。这些计划的实施使激光

3、技术得到迅速发展, 且已经形成了一个生机勃勃的新兴产业。与此同时, 激光技术的发展大大促进了多种技术、学科、多种生产水平的进步和提高, 影响之大,举世瞩目。YAG激光器在金属材料加工中具有优势, 而对于非金属材料的加工, CO2 激光器具有优势, 而准分子激光在微细加工、高精密方面具有优势。Nd: YAG激光雕刻技术用于导光板模具的加工, 有力地推动导光板产品性能的提高, 也带动了激光雕刻技术的进步. 随着这方面技术的不断完善,预期今后将取得更多的成果。从目前世界激光雕刻技术的发展现状看, CO2 激光雕刻、YAG 激光雕刻和准分子激光雕刻都在某些方面体现了它们各自的优点, 也存在着某些不足。

4、本文讲通过两种激光加工方式制作导光板，第一种是YAG激光雕刻技术，在模具上加工出精细的光学网点，转而复写在导光板上。第二种是CO2 激光直接加工在导光板表面形成网点。这两种方法都可以形成表面光滑的导光板，亮度高，均匀度好，是导光板网点加工的一种新趋势。二 激光简介激光是在 1960 年正式问世的。但是，激光的历史却已有 100 多年。确切地说，远在 1893 年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。 1917 年爱因斯坦提出 “ 受激辐射 ” 的概念

5、，奠定了激光的理论基础。激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将 “光受激发射”改称“激光”。三 激光产生原理1、激光产生的物质基础光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。为了简化问题，我们只考虑原子的两个能级和，处于两个

6、能级的原子数密度分别为和，如图2-1所示。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为，并有。图2-1二能级原子能级图（）、自发辐射处于高能级的一个原子自发地向低能级跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁过程，如图2-2所示。自发辐射光图2-2原子自发辐射（）、受激辐射处于高能级的原子在满足的辐射场作用下，跃迁至低能级并辐射出一个能量为且与入射光子全同光子，如图2-3所示。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。入射光入射光受激辐射图2-3原子受激辐射（）、受激吸收受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为的光子，并跃迁至高能级，这种过程称为受激吸

7、收，如图2-4所示。入射光原子吸收入射光子并跃迁至高能级图2-4原子受激吸收受激辐射和自发辐射的重要区别在于相干性。自发辐射是不相干的；受激辐射是相干的2、激光产生的基本原理和方法1）光学谐振腔及其选模和反馈作用由受激辐射和自发辐射相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定模式内，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各种技术措施减少腔内光场模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收等来提

8、高光子简并度，从而达到产生激光的目的。光腔的反馈作用光放大器在许多大功率装置中广泛地用来把弱的激光束逐级放大，但在光放大的同时通常还存在着光的损耗，根据研究光强达到稳定的极限值只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。特别是，不管初始光强多么弱，只要放大器足够长，就总能形成确定大小的光强稳定极限值，而实际上，既不需要给激活物质输入一个弱光信号，也不需要真正把激活物质的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光放大器两端放置前述的光学谐振腔。这样，沿轴向传播的光波模在两反射镜间往返传播，就等于增加放大器长度。这种作用称为光学谐振腔的反馈作用。2）光的受激辐射放大条件实现光放大的两个条件：激励能源把

9、介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去；增益介质能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态。3）产生激光的基本条件及激光器的组成部分产生激光的基本条件是：能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质；要使受激发射光强超过受激吸收，必须实现粒子数反转（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级。）；要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度（方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提高腔内光场的相干性。）。激光器的组成部分及其作用：一个激光器应包含泵浦源、光放大器和光学谐振腔三部分。其作用分别是使激光物质成为激活物质、对弱光信号进行放大、模式选择和提供轴向光波模的反

10、馈。四 激光加工1. 激光打标设备工作原理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。 “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分类，诸如：CO2 激光打标机、Nd: YAG激光打标

11、机等等。YAG系列激光打标机属于振镜扫描式Nd: YAG打标机，它采用的是Nd: YAG激光器。该类打标机一般由激光器及电源、声光Q开关及驱动电源、振镜扫描器及驱动电源、光学系统、计算机控制系统、打标机专用D/A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，它采用的是射频激励CO2激光器。该类打标机一般由激光器及电源、振镜扫描器及驱动电源、光学系统、计算机控制系统、风冷却或水循环系统等组成。激光从激光腔出来后，经过扩束镜对光斑进行处理，通过振镜扫描系统，最后经过聚焦镜进行聚焦，发挥激光的打标作用 扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。从激光器发

12、出的激光束具有一定的发散角，对于激光加工来说，只有通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的高功率密度光斑；在激光打标设备中，必须通过扩束镜最大限度地改善激光的准直度才能得到远距离打标效果；不同倍数的扩束镜和相应激光器配合能更好的发挥激光器的作用；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。扩束系统和聚焦系统组成了一个后焦距很长的，而实际焦距很短的一个长工作距离系统.即是为了得到长的工作距离和小的聚焦光斑。先扩束是为了改善光斑的质量,为了以后的加工。扩束应该包括了先聚焦,再准直。后面的再聚焦是为了缩小光斑尺寸，提高功率密度，

13、更好的用于加工。扩束镜的最大出射光直径=最大入射光直径扩束倍数，最终以最大出射光直径来限制，如一扩束镜最大出射光直径5mm，扩数倍数为5倍，最大出射光直径为18mm，则入射光直径为4mm，出射光为18mm。2. 激光热加工原理无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图7-1示对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：1）材料对激光的吸收激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主要对材料起加热作用。不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为A=

14、1-R。当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为2）材料的加热设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深度为1/a 。为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为 如果光功率的损耗全部变成热量，则有 从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求解十分困难 。简化：如果半无限大（即物体

15、厚度无限大）物体表面受到均匀的激光垂直照射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温度可以由下式确定 3）材料的熔化与汽化激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化；激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小。4）激光等离子体屏蔽现象激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。如图下图所示，为等离子云变化的过程

16、 五 导光板原理及其激光加工1. 导光板原理LCD导光板照明技术最早是由日本明拓公司于1986年发明的，称为EDGE LIGHT，是目前笔记本电脑液晶显示屏背光照明的主流方法。它的工作原理是利用PMMA透明导光板将由冷阴极荧光管（线光源）发出的纯色白光，从透明板端面导入并扩散到整个板面，当光照射到导光板背面印刷的白色反光点时发生漫反射，从与光源入射面垂直的板面（工作面）射出。导光板照明通过巧妙运用光在透明板界面上全反射的原理，将端面射入的光偏转90，从正面射出，从而起到照明的作用。这种照明方式表面亮度高且照明系统体积小巧，对光的利用效率较高因而电力消耗较低，在笔记本电脑及数码像机等需要使用大面

17、积LCD的产品方面获得了广泛的应用。 LCD导光板照明技术的关键是光在PMMA中的全反射效应。我们知道，光在通过两种透明介质时会发生反射和折射，当光从折射率大于空气的透明介质中射向空气时，由于折射率的不同，入射角大于一定角度时光将在界面上发生全反射，不再有光射出介质，也就是说光在介质内部的传输损耗仅取决于介质对光的吸收，而在界面上反射时没有损耗（光在金属面上反射通常会损失10%15%）。PMMA导光板正是利用了这一特性。PMMA学名聚甲基丙烯酸甲脂，俗称亚克力，是一种具有较高机械性能的透明树脂。PMMA的透明度很好，对可见光的透过率可达93，比重为1.19（25），热变形温度为100，最高连续

18、使用温度可达85。 PMMA对可见光的折射率n=1.49（25），根据2Sin-1(1/n)可得其全反射角约为42.2。因为只有当某种材料的折射率大到一定程度、光在其中的全反射角小于45时，特定方向的光线才可在其相互平行和垂直的端面中反复反射从而减少散失，这也就是为什么不能采用透光率同样良好的聚苯乙烯（PS）来作导光板的原因。当然，光学玻璃（折射率为1.52）也可满足全反射的要求，但玻璃的加工性能及成本显然无法与PMMA通过注塑成型直接形成镜面相比。 为了将PMMA导光板内的全反射光从导光板的工作面上导出，需要在导光板的背面（工作面的对面）形成一层反光层对光进行散射，从而使工作面获得一定亮度的

19、均匀光输出。导光板的背面通过丝网印刷形成反光网点而非整个背面全部印满（见图3），以保证离光源较远处不会因光线过度衰减而亮度不足。印刷所用的油墨由二氧化钛（TiO2）和硫酸钡（BaSO4）混合丙烯基粘合剂组成，其中的TiO2结晶对可见光的折射率高达2.62，它将从PMMA导光板中射到反光网点上的光线反射折射回导光板并从工作面输出，因而具有很强的反光作用.入光光線反復全反射到遠、原則無損失無出光光線光路上放変換光路的架構來控制出光 ）用白色擴散反射油膜(Binyl或Acrylic加多量TiO2)印刷在反出光面）用亂折射油膜(Binyl或Acrylic加多量SiO2)印刷在反出光面）構成異角度的面在

20、反出光面）構成亂折射反射紋理面在反出光面）構成異折射材料分散合金(Acrylic和Silicon) 単位面積裏的印刷點面積比率 (愈高愈出光比率高、但是有飽和點）) 印刷油膜裏的SiO2的含有率（愈高愈出光比率高、但是有飽和點）) 導光板厚度（愈薄愈出光比率高、但是印刷點愈明顕）2. 导光板网点加工方式1）油墨印刷方式 2）咬花方式 3）机械加工方式 4）激光技工3. 导光板网点激光加工1）YAG激光加工方式的导光板网点在模具上是凹的，而在导光板上是凸起的。2）CO2激光加工方式的导光板网点无需加工在模具上，而是直接加工在导光板上，所以网点是凹的。激光网点导光板特点具有超薄、超亮、导光均匀、节能、环保、无暗区、耐用、不易黄化、安装维修简单快捷等鲜明特点。1) 可以使用较薄的材料，节约成本；2) 发光效率高；3) 光线均匀，网点线条均由专业光学软件Light-Tools合理排布生成（边缘稀中间密）。使亮度均匀度达到最大化，基本均匀度能达到90%以上；4) 耐用、不易黄化，寿命长，室内可正常使用8年以上；5) 不受水与潮气的影响，而印刷型的只要一碰