激光设备技术人员基本技能培训资料

激光设备技术人员基本技能培训资料

总纲:

1.激光基本理论

2.设备运行原理机构造

3.设备的使用及参数调节

4.打标软件的使用及参数的含义

5.coreldraw9&AutoCAD软件的作图

6.激光光路的调整及耗材的使用

7.打标工艺的制作

8.设备的保养及维护

一激光基本理论

光学基本概念：

光的量子学说认为，光是一种以光速c运动的光子流。光子和其他基本粒子一样，具有能量，动量和质量。它同时也具有波动属性（频率，波矢，偏振等）所以光是同广播，射线一样的电磁波，激光也是如此，具有电磁波的一切通性，比如频率，波长，成像，反射，折射，偏振，散射，衍射等特性

电磁波的划分

可见光的波长在400－700nm，人眼最易感受的是555nm的黄绿光，光的波长变短，光子的能量增大。自然光和激光的区别：相干性，激光是相位确定的光，这种光称作相干光。

激光的特性：

高亮度激光器的亮度是太阳光亮度值的106倍，这是因为激光的发光截面，立体发散角都很小，而输出功率又很大的缘故。

高方向性高方向性是指光束的发散角很小，能够使激光传递较长距离的同时，还能保证聚焦到极高的功率密度，其中基模，高斯模的光束直径和发散角最小。

高单色性单色性即指激光光谱线的线宽很窄，高单色性才能保证光束的精确聚焦，得到很高的功率密度。

高相干性相干性主要描述光波各个部分的相位关系，有空间相干性和时间相干性。

激光产生的原理：

原子能级

如果粒子获取外部能量从下能级激发至上能级，即使不受外部的任何刺激，处于激发能级的原子，分子都会自发的跃迁到基态，此时释放出相当于能量为两能级之差，为vnm的光子

自激辐射

如果粒子获取外部能量从下能级激发至上能级，即使不受外部的任何刺激，处于激发能级的原子，分子都会自发的跃迁到基态，此时释放出相当于能量为两能级之差，为vnm的光子

受激辐射

若处于激发态的原子在自发辐射之前，受到相当于两个能级间频率为vnm的外来光子的作用，则会受激并沿入射光方向辐射出光子

反转分布

将高能级上的原子密度大于低能级上的原子密度的状态称为反转分布

光学谐振腔

为了使光在介质中能够多次往复运动，在激光介质的两侧各放置一块反射镜，通过校正反射镜的光轴，使光在介质中能够多次往复运动，以此不断放大，当光增益超过镜面和介质中的损耗时，便形成了振荡，以上使光的电磁场始终维持在内部的装置称为光学谐振腔

模式

纵模和横模

通常把腔内光场的分布分解为沿着光传播方向的分布（频率分布）和垂直于传播方向的某截面上的分布（光强分布）分别称作纵模和横模

在形成稳定的激光振荡时，在光束横截面上的光强分布就是横模，记做TEMmn模式，m表示水平n表示垂直，光强分布为高斯函数。

模式是判断激光调整好坏的标准，其中TEM00模是最好的。一般很难得到，激光振荡常见的高阶TEMmn模式是由偏离光轴的光波形成的，因此，使用精密的光轴调整及光栏就可以很容易剔除掉高阶模。CO2激光的模式基本是TEM00模，可通过热敏纸观察，固体YAG激光的模式比较差，可以通过激光转换片粗略观察。

激光器的基本结构

激光器主要由工作介质，泵浦源，谐振腔三大要素构成，此外还可添加光控因子。

工作介质在外界能量的作用下，某两个能级之间实现了粒子数反转，并且激活介质可以使某个特定的频率的光得到放大的材料

气体，固体，液体均可作为激光工作介质

❑固体工作介质

•红宝石晶体

•Nd:Y AG 掺钕钇铝石榴石晶体

•钕玻璃

•半导体

❑气体工作介质

•原子气体

•分子气体

•气体离子

❑其他工作介质

•无机液体

•有机液体

泵浦源

●气体激光器有放电激励，电子束激励，化学反应激励，热激励等，CO2多采用直流辉光放电的激励电源，直流高压电源能提供数万伏的电压激励原子和离子在和气体例子碰撞中，传递能量，形成粒子数反转分布。其中CO2激光器的工作介质为氦/氮/二氧化碳的混合气体。气体激光器的功率可以做的很大，最大输出功率可达10KW以上。CO2激光器的电光转换率很高超过20％。

●光泵浦源分为惰性气体，金属蒸汽放电，半导体二极管，激光和太阳能泵浦，Y AG采用连续氪弧灯做泵浦光源。由于发射光的强度分布并不于固体激光工作介质的吸收谱线一致，泵浦光能大多转化为热损耗。因此，固体激光器往往由于固体激光材料中产生热效应（热透镜，热应力折射，热变形）导致输出激光光束质量变差，效率降低。灯泵浦的总效率一般是1％～3％。

●半导体激光二极管泵浦（laser diode,LD）使用的激光二极管阵列发射的波长恰好在介质YAG棒的主要吸收0.808μm处。此外二极管阵列的工作电压较低，不需要出发电路，寿命长的优点。它的光电转换率可达15％以上，其中半导体激励光纤激光器，转换效率高达60％～70％.]

谐振腔

●平行平面腔，共焦腔，大曲率半径腔，半球面腔，非稳定谐振腔

]

我公司的固体激光设备基本都用的是平行平面腔，该谐振腔的两面反射镜如果不是严格平行，光在镜面间经过几次反射后，就会从镜子边缘漏出。该结构的光轴调整非常难。

光控因子

我们这里提到的光控因子是作为输出控制的Q开关，主要目的是为了控制激光输出，相当快门。

Q调制

Q开关是激光光学系统重的重要光学元件，激光在不经过调制时是连续输出的，功率固定，要想与物体作用需要更大的功率，Q开关可以使其能量急剧增加，它通过阻断或不阻断光的谐振通道来抑制或允许激光脉冲产生。

在不给压电换能器施加射频信号时，Q开关的石英晶体保持其原有的常规特性，由宝石棒发射出来的平行光直接透过石英晶体，经全反镜反射再穿过石英晶体，返回宝石棒，形成正常的谐振，允许激光输出。一旦给压电换能器施加射频信号，压电换能器在石英晶体内产生超声波，超声波压迫石英晶体使它原有的特性发生变化，透过石英晶体的光线的折射角度也发生变化，经全反镜反射会的光线将偏离宝石棒，谐振中止。由于激光光线返回宝石棒使激发激光的必要条件，因此，给压电换能器施加和撤除射频信号，就可以控制激光的关断和允许输出，在施加射频信号器件，激发激光进程中止，此时宝石棒仍然受到泵浦光源的照射，继续吸收并储存能量，因而其中积蓄了大量能量。一旦撤除信号，光路谐振通道恢复，激光器将在短时间内释放峰值功率巨大的脉冲能量。在出光期间，有目的的给Q开关元件施加一系列射频脉冲群，周期性的关断和释放激光，便可以从平均功率相对低的激光器中获得脉宽窄、峰值高的激光脉冲。这种波形控制方式便成为Q调制。

激光与物质的相互作用