新型激光内雕系统的研究--优秀毕业论文
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
现有的激光内雕机可以分为单头和多头内雕机两种，单头内雕机采用振镜式 扫描结构，此种机型虽然雕刻速度较快（最快可以达到 3000 点/秒），但缺点是雕 刻幅面较小（最大只能达到 100mm×100mm）；多头内雕机可以雕刻较大的幅面 （例如 300mm×200mm），但雕刻速度却最多只能达到 50 点/秒。本文提出一种高 速，大幅面，低成本的内雕系统的研究，本系统采用一种新型的机械扫描结构使 得雕刻幅面可以达到 500mm×800mm，而雕刻速度最大能够达到 7500 点/秒。
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
激光内雕技术是近年来新兴的将激光应用于玻璃和水晶等透明材料的加工技 术。人们选择内雕机主要从内雕出工艺品的质量，雕刻所用的时间以及设备的价 格几方面来考虑。而雕刻质量主要取决于爆破点的尺寸，点云的密度，以及点云 的层数。
At last, we tested and analyzed the whole system by laser power, engraving speed and the material can be engraved. As a result, this system has advantages of convenience in adjustment, with a higher engraving speed, a larger engraving size and a good quality of engravings.
Firstly we analyze the principle of SSLE and give a model of SSLE. SSLE technology should use transparent material, glass, crystal for example, glass in this paper. The energy threshold of some glass is 20-40 J/cm2, when the laser pulse width td is 3 ns. So in order to destroy the material, the parameter of the laser should be higher than this.
硕 士 研 究 生 ： 刘庆学
导
师 ： 王春晖教授
申 请 学 位 ： 工程硕士
工 程 领 域 ： 电子与通信工程（物理电子学）
所 在 单 位 ： 大族激光科技股份有限公司
答 辩 日 期 ： 2009 年 12 月
授 予 学 位 单 位 ： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TN249 U.D.C: 621
The Laser Engraving Machines can be divided into two categories, single head and multi-head. Single head means the system uses scanners to scan the laser beam quickly (the maximum can go to 3000 dot/s), but the engraving size is very small (the maximum maybe go to 100mm×100mm); Multi-head configuration system can get a larger engraving size (about 300mm×200mm), but lower speed (about 50 dot/s) .In this paper We use a new scanning mode and a higher speed laser, which can make the maximum engraving size 500mm×800mm, the maximum engraving speed 7500 dot/s.
Dissertation for the Master’s Degree in Engineering
RESEARCH OF A NEW SUB-SURFACE LASER ENGRAVING SYSTEM
Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty:
硕士学位论文
(工程硕士)
新型激光内雕系统的研究 RESEARCH OF A NEW SUB-SURFACE
LASER ENGRAVING SYSTEM
刘庆学
哈尔滨工业大学
2009 年 12 月
国内图书分类号：TN249 国际图书分类号：621
学校代码：10213 密级：公开
工程硕士学位论文
新型激光内雕系统的研究
第 1 章 绪论 ................................................................................................................1 1.1 课题背景...........................................................................................................1 1.2 课题研究的目的及意义...................................................................................1 1.3 激光内雕的国内外现状...................................................................................1 1.3.1 多头内雕机的特点 ....................................................................................2 1.3.2 振镜式内雕机的特点 ................................................................................3 1.4 目前激光内雕系统存在的问题分析...............................................................4 1.5 主要研究内容...................................................................................................5
本文主要进行了如下工作： 本文首先分析激光内雕的原理，并建立一个激光内雕时，被雕刻材料内部发 生变化的模型。激光内雕要求材料“透明”，可供选择的材料主要有玻璃、高分子 材料及一些晶体，本文采用玻璃作为加工工件。当入射脉冲 td=3ns 时，某些玻璃 的阈值能量密度达到 20-40 J/cm2，要内雕就要求激光能量比它们的阈值高。 而现有的内雕系统做不到大幅面和高速度，所以本文重点对整个内雕系统的 这两方面进行了局部的设计，主要包括高速内雕倍频激光器、扩束系统、聚焦系 统及能够实现高速度高精度雕刻的三维平台。要实现激光内雕，激光束必须具有 纳秒级的窄脉宽，高峰值功率，同时要有发散度较小的激光光束，因此激光器的 设计就显得尤为重要。本文采用具有声光光调 Q 及倍频技术的激光器，以获得高 频率，高能量密度的激光脉冲；采用大倍率扩束镜及短焦距镜头保证雕刻效果； 采用直线电机结构保证了整个系统的雕刻速度。 本文的最后对整个系统进行性能测试，分别在不同的激光功率，雕刻速度和 不同材料上内雕点的尺寸及形状等进行了测量和分析。实验结果证明：本内雕系 统具有性能稳定，较高的雕刻速度，较大的雕刻幅面，雕刻效果细腻逼真等优 点。
Affiliation: Date of Defence:
Liu QingXue
Prof. Wang ChunHui Master in Engineering Electronics and Communication Engineering (Physical electronics) Han’s Laser Technology Co., Ltd December, 2009
Secondly we designed the whole system, including laser resonator, beam expander, focusing lens, and the three-dimensional worktable. The pulse width of the laser beam should be at about nanoseconds level; the peak power of the laser should be at dozens of megawatt level; in addition, the laser beam should can keep the emission angle at a constant. So the research of laser resonator is very important. The resonator uses acoustic-optic Q switched technology and second harmonic generation technology to achieve laser pulse with higher frequency and higher energy; use beam expander with large magnification and focusing lens with small focus to achieve a good engraving effect; use linear motor worktable to achieve a higher speed.
Keywords: sub-surface laser engraving, second harmonic generation, engraving size, engraving speed, acoustic-optic Q-switched
- II -
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Байду номын сангаас目录
摘要 .............................................................................................................................. I Abstract........................................................................................................................ II
关键词: 激光内雕；倍频；雕刻幅面；雕刻速度；声光调 Q
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Sub-Surface Laser Engraving (SSLE) technology, is used to process glass, crystal and some transparent material by a laser beam. The quality of the engraving depends on a number of factors: point size, point density, point layering, total burn time and the cost of the machine.
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
激光内雕技术是近年来新兴的将激光应用于玻璃和水晶等透明材料的加工技 术。人们选择内雕机主要从内雕出工艺品的质量，雕刻所用的时间以及设备的价 格几方面来考虑。而雕刻质量主要取决于爆破点的尺寸，点云的密度，以及点云 的层数。
At last, we tested and analyzed the whole system by laser power, engraving speed and the material can be engraved. As a result, this system has advantages of convenience in adjustment, with a higher engraving speed, a larger engraving size and a good quality of engravings.
Firstly we analyze the principle of SSLE and give a model of SSLE. SSLE technology should use transparent material, glass, crystal for example, glass in this paper. The energy threshold of some glass is 20-40 J/cm2, when the laser pulse width td is 3 ns. So in order to destroy the material, the parameter of the laser should be higher than this.
硕 士 研 究 生 ： 刘庆学
导
师 ： 王春晖教授
申 请 学 位 ： 工程硕士
工 程 领 域 ： 电子与通信工程（物理电子学）
所 在 单 位 ： 大族激光科技股份有限公司
答 辩 日 期 ： 2009 年 12 月
授 予 学 位 单 位 ： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TN249 U.D.C: 621
The Laser Engraving Machines can be divided into two categories, single head and multi-head. Single head means the system uses scanners to scan the laser beam quickly (the maximum can go to 3000 dot/s), but the engraving size is very small (the maximum maybe go to 100mm×100mm); Multi-head configuration system can get a larger engraving size (about 300mm×200mm), but lower speed (about 50 dot/s) .In this paper We use a new scanning mode and a higher speed laser, which can make the maximum engraving size 500mm×800mm, the maximum engraving speed 7500 dot/s.
Dissertation for the Master’s Degree in Engineering
RESEARCH OF A NEW SUB-SURFACE LASER ENGRAVING SYSTEM
Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty:
硕士学位论文
(工程硕士)
新型激光内雕系统的研究 RESEARCH OF A NEW SUB-SURFACE
LASER ENGRAVING SYSTEM
刘庆学
哈尔滨工业大学
2009 年 12 月
国内图书分类号：TN249 国际图书分类号：621
学校代码：10213 密级：公开
工程硕士学位论文
新型激光内雕系统的研究
第 1 章 绪论 ................................................................................................................1 1.1 课题背景...........................................................................................................1 1.2 课题研究的目的及意义...................................................................................1 1.3 激光内雕的国内外现状...................................................................................1 1.3.1 多头内雕机的特点 ....................................................................................2 1.3.2 振镜式内雕机的特点 ................................................................................3 1.4 目前激光内雕系统存在的问题分析...............................................................4 1.5 主要研究内容...................................................................................................5
本文主要进行了如下工作： 本文首先分析激光内雕的原理，并建立一个激光内雕时，被雕刻材料内部发 生变化的模型。激光内雕要求材料“透明”，可供选择的材料主要有玻璃、高分子 材料及一些晶体，本文采用玻璃作为加工工件。当入射脉冲 td=3ns 时，某些玻璃 的阈值能量密度达到 20-40 J/cm2，要内雕就要求激光能量比它们的阈值高。 而现有的内雕系统做不到大幅面和高速度，所以本文重点对整个内雕系统的 这两方面进行了局部的设计，主要包括高速内雕倍频激光器、扩束系统、聚焦系 统及能够实现高速度高精度雕刻的三维平台。要实现激光内雕，激光束必须具有 纳秒级的窄脉宽，高峰值功率，同时要有发散度较小的激光光束，因此激光器的 设计就显得尤为重要。本文采用具有声光光调 Q 及倍频技术的激光器，以获得高 频率，高能量密度的激光脉冲；采用大倍率扩束镜及短焦距镜头保证雕刻效果； 采用直线电机结构保证了整个系统的雕刻速度。 本文的最后对整个系统进行性能测试，分别在不同的激光功率，雕刻速度和 不同材料上内雕点的尺寸及形状等进行了测量和分析。实验结果证明：本内雕系 统具有性能稳定，较高的雕刻速度，较大的雕刻幅面，雕刻效果细腻逼真等优 点。
Affiliation: Date of Defence:
Liu QingXue
Prof. Wang ChunHui Master in Engineering Electronics and Communication Engineering (Physical electronics) Han’s Laser Technology Co., Ltd December, 2009
Secondly we designed the whole system, including laser resonator, beam expander, focusing lens, and the three-dimensional worktable. The pulse width of the laser beam should be at about nanoseconds level; the peak power of the laser should be at dozens of megawatt level; in addition, the laser beam should can keep the emission angle at a constant. So the research of laser resonator is very important. The resonator uses acoustic-optic Q switched technology and second harmonic generation technology to achieve laser pulse with higher frequency and higher energy; use beam expander with large magnification and focusing lens with small focus to achieve a good engraving effect; use linear motor worktable to achieve a higher speed.
Keywords: sub-surface laser engraving, second harmonic generation, engraving size, engraving speed, acoustic-optic Q-switched
- II -
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Байду номын сангаас目录
摘要 .............................................................................................................................. I Abstract........................................................................................................................ II
关键词: 激光内雕；倍频；雕刻幅面；雕刻速度；声光调 Q
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Sub-Surface Laser Engraving (SSLE) technology, is used to process glass, crystal and some transparent material by a laser beam. The quality of the engraving depends on a number of factors: point size, point density, point layering, total burn time and the cost of the machine.