激光打标机基本原理

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、CO2激光器等）、

CO2

为E1

（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

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“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”(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

Nd:YAG

m的光

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

图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0.73μm和0.8μm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1.06μm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。

激光器原理

1.2.2CO

2

CO2

动（如图

c, CO2

建立

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

会积聚大量的粒子，这就是所谓串级跃迁。

⒊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CO2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。

⒋复合过程：在CO2分子放电过程中，有部分CO2分子分解为CO和O，同时也存在部分CO和O复合成CO2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。

CO2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。

第二章激光打标机的种类

“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。

⒉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。

图2.3“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

YAG

“Quality”

声光

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）。

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