第一章激光器原理可以肯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、工业等各个领域。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影激光唱机、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、CO 2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越来越广泛的应用。CO 2激光器的主要用途就是各类工业激光加工设备，作为固态晶体激光器 的Nd YAG（掺钕钇铝石榴石激光器的最大应用便是在激光打标领域。1.1激光原理我们知道,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核高速旋转，其旋转半径决定于电子所处的能级。原子吸收能量后，电子的旋转半径会增加，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 0 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1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。正常情况下，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。这一现象称为原子的自发发射。对这一现象，图1.3作了形象的描述图1.1原子的结构图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外 来的激励光子在能量、波长、相位等方面完全相同。2以上是单个原子能级的变化情况。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 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，就会人为图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。这就是激光。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“ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ” （光辐射 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光 放大器。在实践中，要想产生激光，就必须满足两个条件首先找到能够实现粒34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1.-V1.6激光的产生示意图图原，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被雪崩似地一个变两个、两个变四个、四个变八 个、，产生连锁反应，光强子，放大。因而产生强烈的激光。反馈。，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 中的一个被它的作用是将那些沿介质长轴发射的光子反射回介质中。两个反射镜相应的另外一个 镜，（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1.6。这就是激光输出反射镜被称为后镜,（见图1.2激光器原理 激光器原理激光介Nd YAG ,它采用晶体棒作 Nd YAG激光器是固态 晶体激光器的一种，Nd （YAG中原子掺在生晶体钇铝石榴石质。Nd YAG晶体是将激光介质钕（Nd晶体的全称是掺钕。1所以,Nd YAG中的最佳含量 约为总重量的原子在 YAG,,Nd YAG钇铝石榴石晶体。晶体一般被制作成棒状这种材料的制作是很困难的且价格昂贵。但由于它具有良好的光学性能、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。5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卩m和0.8卩m的光线，用这一波长的光来激励 Nd原子是最为有效的。将Nd YAG晶体棒与氪灯并排放置在一个椭圆型的光学腔内，光学腔的 内表 面形状是经过精心设计的，以便保证氪灯发出的泵浦光能够全部聚集到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，前镜 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振腔，以实现光学谐振。Nd （钕原子的能量转移过程分为四步 （在图1.7中对这一过程有详细.hF 世 级J1I一1itr无发射跃辻能1受臣Lr- n ric c C cIk TT- ir Itr r r Airir irir1.7 Nd YAG激光器原理图图的描述，第一步Nd原子在氪灯发出的波长为 0.73卩m和0.8卩m泵浦光的激励下，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 的上能级寿命非常短，大约只有10-7秒，这里称这一能级 为激发态；第二步原子在激发态迅速地进行一次无发射的跃迁，到达另一个上能 级，原子 在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 这里形成粒子数反转；第三步当原子在这里受激而跃迁到达下能级时，就 会发射出波长为1.06卩m的光子，这就是激光；第四步原子 在这里再发生一次无发射的跃迁到达基态，准备重复上述过程。2激光器原理CO 2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量，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及c ,所示，这种振动 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。口口匚1.8 C02分子的振动方式图,其中只有一个上能级在跃迁时可以产生波长为CO 2分子有几个上能级 由于。我们不妨把这一能级叫做激光能级 10.6卩m的 激光,（属于反对称振动能级从而使它,近分子的上能级寿命长，而且CO 2激光 器的激光能级与基态靠得很 CO2从而得到高功激分子，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率、高效率的激光器。几个基一般有以下 ，CO 2建立激光器能级间粒子数反 转，把分子激发到高能级本过程把，分子碰撞放电中具有一定动能的电子同处于基态的1电子直接激励CO2分子从基态直接激发到激光能级。2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 CO2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6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 粒子，这就 是所谓串级跃迁。3.谐振碰撞处于更高反对称振动能级上的分子还可以通过与基态CO 2分子的碰撞，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。4复合过程在CO 2分子放电过程中，有部分CO 2分子分解为CO和0,同 时也存在部分CO和O复合成CO 2分子的过程，在它们复合时会把原来 分 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 CO2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 2激光器按激励方式可分为横向激励激光器、气动激光器、化学激励激光器、射频激励激光器，等等。7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束产生受控 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，工件运 动;还有一种是工件固定，激光束 运动。对于前一种方式，一般采用两维机械数控（或计算机控制工作台拖动被打标工件,工件在工作台的拖动下按照事先设计好的轨迹运动，在固定不动的激光束的烧 蚀作用下，工件表面就会留下永久的痕迹（见图2.1。这种打标方式我们称之为“工作台式”。采用这种方式的打标机最大的优点是图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，很难进行精细文字及图案的打标（若要实现精细打标，价格低廉的优点将不复存在，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1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L作台面驱动马达8为“绘图仪式”，因为它的工作方式类似于笔式绘图仪。又由于在打标过程中，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 ，它的运动机构变 得轻巧，构造更加简单,但由于在打标过程中激光光束的光程是不 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 斑能量密度的情况下，打标范围容易做得很大，但图2.2 “绘图仪式”激光打标机原理示意图难以对精细图案进行打标，打标速度较慢。2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、丫两个方向上 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。910激光東反射现Y-菽貌反射镜X_俶绕,r-激光打标机还可按照所选用的 ”激光打标机工作原理示意图图 2.3 “振镜扫描 式 Nd YAG激光打标机等等。CO 2激光打标 机、激光器类型来分类，诸如 Nd YAG ,它采用的是系列激光打标机属于振镜扫描式Nd YAG打标机YAG镜扫描 振开关及驱动电源、激光器。该类打标机一般由激光器及电源、声光Q专用制器、器及驱动电源、光学系统、计算机控制系统、打标机专用D/A转换控它采用，打标机；CO 2系列激光打标机属于振镜扫描式 CO 2水循环制冷系 统等组成振镜扫描器及驱该类打标机一般由激光器及电源、CO2的是射频激励激光器。等组成。动电源、光学系统、计算机控制系统、风冷却或水循环系统激光输出的调制第三章Q 3.1声光开关对于采用Nd YAG激光器的JBJ系列激光打标机来说，声光Q开关是 必不 可少的。它是通过在光学反馈路径上交替地开启和阻断光路来形成激光脉冲的一种设备。“ Q ”是英文“ Quality ” （品质的缩写，它的意思是指光 学谐振 腔中光学反馈的品质。在激光打标系统中，声光Q开关经常作为附属 光学器件 加到光学谐振腔内。声光Q开关由对激光束透明的材料（如水晶等制成，它的侧面粘合了 一个压电 声学换能器，在该压电声学换能器上加有射频信号，该射频信号的频率被调制为 150kHz 。当没有电信号时，Nd YAG晶体中发出的光束可以直接通过声光Q开 关,被后反射镜反射后通过声光 Q开关又回到晶体，Q开关不起作用。当有 信号加在声 光换能器上时，换能器将产生声波，声波作用在水晶上而压迫水 晶，这将使水晶 的折射率发生变化,从Nd YAG晶体中发出的光在通过声光 Q开关时将被折 射而偏离后反射镜。由于用于受激发射的光反馈消失了 ，激光产生的过程也就中 断了 （如图3.1所示。、卄关不作时激尤柬的传输路袴---9开关作时激光的传输路卷图3.1声光Q开关工作原理示意图Nd是一种十分难得的优质激光介质，它的上能级寿命相对较长，达到11了 10-4秒。当射频信号使 Q开关破坏了光学谐振腔的谐振条件从而阻断激光输出时，它的内部仍然在吸收氪灯发出的光能而形成粒子数反转，由于较 长的上能级寿命，受激原子不会很快回到下能级。在没有激光输出期间，上 能级积聚了极 大的能量，当射频信号一旦取消而恢复光学反馈时，将会产生数千瓦的激光峰值 功率输出。Q开关为在功率较低的激光器上产生高峰值功率短脉宽的激光脉冲提供了极好的方法。YAG系列激光打标机采用的声光 Q开关是由熔石英制成的，采用LiNbo 3单晶 作压电声学换能器。
为了提高声光Q开关对Nd YAG激光的透 过率,在熔石 英的两个通光面表面镀1.06卩m硬增透膜。3.2激光脉冲控制器对于采用射频激励 CO2激光器的CO2系列激光打标机来说，有没有激光 脉 冲控制器似乎都可以对工件进行打标加工。但实践证明，加有激光脉冲控制器的 激光打标机打标质量明显提高，对材料的适应能力也更好，更能够满足激光打标 加工的要求。脉冲控制器的工作原理与声光 Q开关完全不同，它是用一组电脉冲信号 直接 控制激光电源，从而改变激光器的输出波形。达到缩小激光束输出的辐射方向以 及大幅度增加激光输出的峰值功率的目的。它的工作原理见图3.2。图3.2激光脉冲控制器工作原理12第四章 供电及冷却系统无论是采用Nd YAG激光器的YAG系列激光打标机,还是采用CO 2激 光器 的CO 2系列激光打标机，供电及冷却系统都是少不了的。Nd YAG激光器所用的泵浦源氪灯,CO 2激光器的激光管都需要一个稳 定、可 靠的直流电源，电源的稳定性直接影响激光输出的稳定性。
Nd YAG激光器所用 的电源还必须包括一个能产生高压启动脉冲的点燃电路 ，以引燃 氪灯。大恒激光生产的激光打标机均采用 IGBT开关电源，由于设计合理、制 作精良,保证了电源的稳定性和可靠性。Nd YAG激光器所用的泵浦源一一大功率氪灯，在发光过程中会产生大 量的 执；八、、JCO 2激光器在工作时同样会产生一定的热量 （虽然不如Nd YAG激 光器产生 的热量多。若不及时将这些热量去掉，不仅会影响激光器的正常使用和缩短 氪灯的使用寿命，更为严重的是将会发生炸腔或损坏 CO 2激光管的 恶性事故,使昂贵的NdYAG晶体棒及镀金腔或 CO 2激光器报废。
施加于声光Q开关上的射频信号,被压电晶体吸收后，一部分能量转变 成超声波，还有一部分变成热；尽管Q开 关中的熔石英晶体对激光是透明的，但还会吸收一部分光能，这些能量转变为热。这些热量会 烧坏压电换能器的电极，烧坏压电换能器，甚至会烧坏熔石英晶体。去除热量的最有效的方法是加装一套水循环装置，靠水的循环来带走热量。对于 Nd YAG激光器，由于氪灯表面的温度很高，必须考虑不使氪灯表 面结垢;冷却 水直接流过氪灯表面，水必须有很高的透明度；氪灯的电极上加有高压，水必须有较高的电阻率。所以必须采用去离子水。对于CO 2激光 器，冷却水采用普通水就可以了。为了节省宝贵的水资源，冷却水（不管是 去离子水还是普通水 应该循 环使用，一般的做法是采用一套二次冷却装置，以带走冷却水所带出的热量，一 般是采用外接普通水源的办法。由于采用CO2激光器的激光打标机所产生的热量较小，二次冷却多采用风冷却的方式。13第五章光学系统没有光学系统，激光打标机是无法正常工作的。针对激光打标机工作方式的不同,光学系统也是各式各样的，当他们都包括扩束镜（使激光器发出 的激光束直径变 大并缩小激光束的发散角、光学聚焦透镜（使作用在工件表面的激光光斑直 径尽可能变小和反射镜（用以改变激光束的方向。一个70W的连续激光器所 发出的光能与一个70W的普通灯泡所发出的 光能是差不多的。普通灯泡是被 设计为用来照明的，它发出的光线是向四面 八方照射的,与灯泡不同的是激光器 发出的光线集中在一个很小的范围。
所 以激光的能量密度（单位面积上的能量远 远大于灯泡的能量密度，实际的 打标效果决定于工件表面所承受的能量密度，而 不是激光的功率。为了能够很好地进行激光打标，必须进一步提高激光的能量密 度。这有两个方法一个是提高激光器的激光输出功率，一般地说这是困难或得不 偿失的;还有一个方法是将激光器发出的激光束进一步变细，这需要一套光学系 统。使激光束变细是很简单的，只需有一个聚焦透镜将激光束聚焦到一个很 小 的点。激光器发出的激光并不是理想的平行光，它有一个很小的发散角，这一很小 的发散角会影响到聚焦透镜的聚焦效果。所以在聚焦透镜之前要有一个扩束镜用以压低光束的发散角。扩束镜除了可以压低光束的发散角外，还可以扩大激光输出光束的直径。我们知道，聚焦后光斑 的大小取决于入射光束直径和聚焦透镜的焦距入射光束直径越大，聚焦后光斑 直径越小。入 射光束直径的增大，还可以降低激光光路中使激光光束改变方向的 反射镜上 的激光能量密度，保证了反射镜在长时间工作时不被激光束烧坏。按照聚焦透镜在光路中相对于反射镜所处的位置，可以分为前聚焦和后聚焦两 种方式。下面我们以振镜扫描式激光打标机为例来介绍激光打标机的光学系统。5.1前聚焦方式-f振镜一 反射镜_勺 丫-振镜.1反射镣激光束一一，激光器扩束镜14图5.1前聚焦方式示意图前聚焦方式是因聚焦透镜比反射镜更靠近激光器（处在反射镜的前面而得名。
聚焦透镜安装在扩束镜和振镜扫描器之间（见图5.1 ,它的最大优点 是价格较为低廉、且可获得较大的打标范围。这一方式的主要缺点是光斑直径较大，这是由于前聚焦方式选用的聚 焦透镜的 焦距较长,而聚焦光斑的直径与聚焦镜的焦距成正比，这是为了容纳振镜扫描器，聚焦透镜不得不采用较大的焦距，由此导致打标的能量密度 降低。另外，前聚焦方 式只能选用普通聚焦透镜，这种透镜的焦点位置是镜头后方的一个圆弧面，而多 数情况下工件表面是一个平面，当光束由打标区 域的中心移至边缘时，焦点将位 于工件平面的上面，工件表面上光斑直径和 能量密度将动态地发生变化。另外，当反射镜偏转同一角度时，打标位置分别处于视场中央和边缘时，激光光斑的位 置变化是不一致的。以上这些不足都将影响最终的打标的效果。对于采用CO 2激光器的激光打标机，由于激光波长较长，聚焦透镜的焦 深（当工 件平面在镜头焦平面前后移动，肉眼难以辨别打标效果差别的最大 范围较大,为 了得到较大的打标工作范围，多采用前聚焦方式。5.2后聚焦方式顾名思义，与前聚焦方式不同的是，后聚焦方式将聚焦透镜安装在振镜扫描器的 后面（见图5.2 。这就避免了前聚焦方式的缺点。它采用的聚焦透镜是专门设计的F-9平场透镜，不管光束如何移动，它的焦点位置始终保持在15激光打标机原理16 一个平面上，保证了在打标区域内光斑大小及能量密度的一 致，幵丐当反射X-振镜 反射镜丫-振镜 反射镜 激光束 激光器 扩束镜F-0透 镜图5.2后聚焦方式示意图镜偏转单位角度时，对应的焦平面上激光光斑的几何位 秱是处处一致的。返 些都保障了打标的质量的提高。
另外，返种方式使更换 聚焦透镜变得很简单，可以根据打标范围的大小和具体要求随时更换聚焦透镜。
它的缺点是价格较高，打标范围相对较小（但可以通过更换透镜来增大 打标范 围）。
由亍返种方式可以获得高质量的打标效果，大多数采用 Nd YAG 激 光器 的振镜扫描式激光打标机均采用返种聚焦方式。
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