激光打标机原理第一章激光器原理能确定地说：本世纪最后的伟大发明之一是激光技术。它自一九五八年问世以来，已经逐步地然而是坚定地渗透到了科研、军事、工业等所有的领域。不是吗？看看我们的周围，你就可以轻易地找到它应用的实例：医院中的激光诊断及激光治疗机、商店中的条码识别器、办公室中的激光打印机、把我们与世界各地联结在一起的光纤等等，就是在我们的家中也有它的身激光唱机、激光影碟机。人类发明了多种多样的激光器。诸如：气体激光器（He-Ne激光器、CO2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、萤光素激光器等）、超辐射激光器（氮分子激光器等）以及半导体激光器（砷化镓半导体二极管等）等等。在世界的许多地方，几乎所有的商品激光器都在制造业中得到愈来愈普遍的应用。CO体激光器的Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器的最大应用便是在激光领域。1.1激光原理我们大家都知道，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原子能吸收光子来获得能量，当然这个光子一定要有与原子能级差相激光打标机原理等的能量（例如：E1-E0）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。一般的情况下，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。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。1.1原子的结构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，那么这个原子就非常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动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激光打标机原理增加。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“LightAmplificationStimulatedEmission受激发射放大），“LASER”是它的缩写。简单地说：激光器的实质是一个放大器。在实践中，要想产生激光，就一定要满足两个条件：首先找到可以在一定程度上完成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激光打标机原理1.6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1.61.2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。Nd: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，这材料的制作是很困难的，且价格昂贵。但由于它拥有非常良好的光学性能、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0.73的光线，用这一波长的光来激励Nd原子是最为有效的。Nd:YAG晶体棒与氪灯并排放置在一个椭圆型的光学腔内，光学腔激光打标机原理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以实现光学谐振。Nd（钕）原子的能量转移过程分为四步1.7中对这一过程有详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0.73的激励下，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，原子在发射出波长为1.06一次无发射的跃迁到达基态，准备重复上述过程。1.2.2CO激光器原理CO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所示），这种振动激光打标机原理有上下、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。1.8CO分子的振动方式CO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 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 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 CO 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 子，这是所谓串级跃迁。谐振碰撞：处于更高反对称振动能级上的分 子还能够最终靠与基态 CO 分子激光打标机原理 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 CO 分子放电过程中，有部分CO 分子分解为CO 时也存在部分CO 复合成CO 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 CO 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。 CO 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 激光器、射频激励激光器，等等。激光打标机原理 第二章 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 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 动；还有一种是工件固定，激光束运动。对于前一种方式，一般都会采用两维机械数控（或计算机控制）工作台拖 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 这种打标方式我们叫做“工作台式” 。采用这样的形式的打标机最大的优点 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，很难进行精细 字及图案的打标（若要实现精细打标，价格低的优点将不复存在，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 反射镜 工作台面 驱动马达 驱动马达 激光器 计算机 激光打标机原理 为“绘图仪式”，因为它的工作方式类似于笔式绘图仪。 又由于在打标过程 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 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单位体积内的包含的能量的情况下，打标范围容易做得很大，

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