激光設(shè)備技術(shù)人員基本技能培訓(xùn)

1、激光設(shè)備技術(shù)人員基本技能培訓(xùn)資料總綱：1,激光基本理論2 .設(shè)備運行原理機構(gòu)造3,設(shè)備的使用及參數(shù)調(diào)節(jié)4 .打標軟件的使用及參數(shù)的含義5 . coreldraw9&AutoCAD 軟件的作圖6,激光光路的調(diào)整及耗材的使用7,打標工藝的制作8,設(shè)備的保養(yǎng)及維護一激光基本理論光學(xué)基本概念：光的量子學(xué)說認為，光是一種以光速c運動的光子流。光子和其他基本粒子一樣，具有 能量，動量和質(zhì)量。它同時也具有波動屬性（頻率，波矢，偏振等）所以光是同廣播，射線 一樣的電磁波，激光也是如此，具有電磁波的一切通性，比如頻率，波長，成像，反射，折 射，偏振，散射，衍射等特性 電磁波的劃分可見光的波長在 400-

2、700nm,人眼最易感受的是 555nm的黃綠光，光的波長變短，光 子的能量增大。自然光和激光的區(qū)別 ：相干性，激光是相位確定的光，這種光稱作相干光。激光的特性：高亮度 激光器的亮度是太陽光亮度值的106倍，這是因為激光的發(fā)光截面，立體發(fā)散角都很小，而輸出功率又很大的緣故。高方向性 高方向性是指光束的發(fā)散角很小，能夠使激光傳遞較長距離的同時，還能保證 聚焦到極高的功率密度，其中基模，高斯模的光束直徑和發(fā)散角最小。高單色性 單色性即指激光光譜線的線寬很窄，高單色性才能保證光束的精確聚焦，得到 很高的功率密度。高相干性相干性主要描述光波各個部分的相位關(guān)系，有空間相干性和時間相干性。激光產(chǎn)生的原理：

3、原子能級如果粒子獲取外部能量從下能級激發(fā)至上能級，即使不受外部的任何刺激， 處于激發(fā)能級的原子，分子都會自發(fā)的躍遷到基態(tài)，此時釋放出相當于能量為兩能級之差，為vnm的光子自激輻射如果粒子獲取外部能量從下能級激發(fā)至上能級，即使不受外部的任何刺激， 處于激發(fā)能級的原子，分子都會自發(fā)的躍遷到基態(tài)，此時釋放出相當于能量為兩能級之差，為vnm的光子受激輻射若處于激發(fā)態(tài)的原子在自發(fā)輻射之前，受到相當于兩個能級間頻率為vnm的外來光子的作用，則會受激并沿入射光方向輻射出光子反轉(zhuǎn)分布將高能級上的原子密度大于低能級上的原子密度的狀態(tài)稱為反轉(zhuǎn)分布光學(xué)諧振腔為了使光在介質(zhì)中能夠多次往復(fù)運動，在激光介質(zhì)的兩側(cè)各放置一

4、塊反射鏡，通過校正 反射鏡的光軸，使光在介質(zhì)中能夠多次往復(fù)運動，以此不斷放大，當光增益超過鏡面和介質(zhì)中的損耗時，便形成了振蕩，以上使光的電磁場始終維持在內(nèi)部的裝置稱為光學(xué)諧振腔模式縱模和橫模通常把腔內(nèi)光場的分布分解為沿著光傳播方向的分布（頻率分布）和垂直于傳播方向的某截面上的分布（光強分布）分別稱作縱模和橫模在形成穩(wěn)定的激光振蕩時，在光束橫截面上的光強分布就是橫模，記做 TEMmn模式, m表示水平n表示垂直，光強分布為高斯函數(shù)。模式是判斷激光調(diào)整好壞的標準，其中TEM00模是最好的。一般很難得到，激光振蕩常見的高階TEMmn模式是由偏離光軸的光波形成的，因此，使用精密的光軸調(diào)整及光 欄就可以

5、很容易剔除掉高階模。CO2激光的模式基本是 TEM00模，可通過熱敏紙觀察,固體YAG激光的模式比較差，可以通過激光轉(zhuǎn)換片粗略觀察。激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器主要由工作介質(zhì)，泵浦源，諧振腔三大要素構(gòu)成，此外還可添加光控因子。反思黃反射鏡激光介質(zhì)si反射率100%泵浦源激光振2薪輸出反射率小于1。%工作介質(zhì)在外界能量的作用下，某兩個能級之間實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并且激活介質(zhì)可以使某個特定的頻率的光得到放大的材料氣體，固體，液體均可作為激光工作介質(zhì)固體工作介質(zhì)? 紅寶石晶體? Nd:YAG摻鉉鈕鋁石榴石晶體? 錢玻璃? 半導(dǎo)體氣體工作介質(zhì)? 原子氣體? 分子氣體? 氣體離子其他工作介質(zhì)? 無機液體? 有機

6、液體泵浦源氣體激光器 有放電激勵，電子束激勵，化學(xué)反應(yīng)激勵，熱激勵等，CO2多采用直流輝光 放電的激勵電源，直流高壓電源能提供數(shù)萬伏的電壓激勵原子和離子在和氣體例子碰撞中， 傳遞能量，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。其中CO2激光器的工作介質(zhì)為氮/氮/二氧化碳的混合氣體。 氣體激光器的功率可以做的很大，最大輸出功率可達10KW以上。CO2激光器的電光轉(zhuǎn)換率很高超過20%。光泵浦源 分為惰性氣體，金屬蒸汽放電，半導(dǎo)體二極管，激光和太陽能泵浦，YAG采用連續(xù)氟弧燈做泵浦光源。由于發(fā)射光的強度分布并不于固體激光工作介質(zhì)的吸收譜線一致，泵浦光能大多轉(zhuǎn)化為熱損耗。因此，固體激光器往往由于固體激光材料中產(chǎn)生熱效應(yīng)(熱

7、透鏡，熱應(yīng)力折射，熱變形)導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量變差，效率降低。燈泵浦的總效率一般是1%3%。半導(dǎo)體激光二極管泵浦(laser diode,LD )使用的激光二極管陣列發(fā)射的波長恰好在介質(zhì) YAG棒的主要吸收科m處。此外二極管陣列的工作電壓較低，不需要出發(fā)電路，壽命長的 優(yōu)點。它的光電轉(zhuǎn)換率可達 15%以上，其中半導(dǎo)體激勵光纖激光器，轉(zhuǎn)換效率高達60%70% . 諧振腔平行平面腔，共焦腔，大曲率半徑腔，半球面腔，非穩(wěn)定諧振腔平行平面電共焦庭大曲事畢姓虛率球面型*41定皆融我公司的固體激光設(shè)備基本都用的是平行平面腔，該諧振腔的兩面反射鏡如果不是嚴格平 行，光在鏡面間經(jīng)過幾次反射后，就會從鏡子邊緣漏

8、出。該結(jié)構(gòu)的光軸調(diào)整非常難。光控因子我們這里提到的光控因子是作為輸出控制的Q開關(guān)，主要目的是為了控制激光輸出，相當快門。Q調(diào)制Q開關(guān)是激光光學(xué)系統(tǒng)重的重要光學(xué)元件，激光在不經(jīng)過調(diào)制時是連續(xù)輸出的，功率固定， 要想與物體作用需要更大的功率，Q開關(guān)可以使其能量急劇增加，它通過阻斷或不阻斷光的諧振通道來抑制或允許激光脈沖產(chǎn)生。射頻插頭壓電換能器殼體Xjk在不給壓電換能器施加射頻信號時，Q開關(guān)的石英晶體保持其原有的常規(guī)特性，由寶石棒發(fā)射出來的平行光直接透過石英晶體，經(jīng)全反鏡反射再穿過石英晶體，返回寶石棒，形成正常的諧振，允許激光輸出。一旦給壓電換能器施加射頻信號，壓電換能器在石英晶體內(nèi)產(chǎn)生超聲波，超聲

9、波壓迫石英晶體使它原有的特性發(fā)生變化，透過石英晶體的光線的折射角度也發(fā)生變化，經(jīng)全反鏡反射會的光線將偏離寶石棒，諧振中止。由于激光光線返回寶石棒使激發(fā)激光的必要條件，因此，給壓電換能器施加和撤除射頻信號，就可以控制激光的關(guān)斷和允許輸出，在施加射頻信號器件，激發(fā)激光進程中止，此時寶石棒仍然受到泵浦光源的照射，繼續(xù)吸收并儲存能量， 因而其中積蓄了大量能量。一旦撤除信號，光路諧振通道恢復(fù)，激光器 將在短時間內(nèi)釋放峰值功率巨大的脈沖能量。在出光期間，有目的的給Q開關(guān)元件施加一系列射頻脈沖群，周期性的關(guān)斷和釋放激光，便可以從平均功率相對低的激光器中獲得脈寬 窄、峰值高的激光脈沖。這種波形控制方式便成為Q

10、調(diào)制。激光與物質(zhì)的相互作用激光在材料加工中的應(yīng)用激光切割激光打孔激光去處二設(shè)備運行原理及構(gòu)造激光設(shè)備在實際應(yīng)用上可分為低功率的醫(yī)療用激光，功率在毫瓦極。商業(yè)用激光，功率在300W以下。還有工業(yè)加工的大功率激光，例如鋼鐵制造生產(chǎn)線上的CO2激光設(shè)備功率可以達到100KW。在用途上又分為表面標記，在線動態(tài)標記，刻線，打孔，焊接，切割，等挖模光路多激光管點陣光踣力振鏡光路下面我們主要講一下用于表面標記的振鏡式激光設(shè)備。 這類的激光設(shè)備在結(jié)構(gòu)上大體分為四個部分：激光系統(tǒng)出光單元源制元電控單由示意圖可以看出 CO2激光，燈泵浦 YAG激光，半導(dǎo)體泵浦 YAG激光的區(qū)別主要在于出 光單元。CO2激光器CO

11、2激光器的出光單元有兩大類，一個是射頻激勵CO2金屬管，采用整體封裝，有風(fēng)冷和水冷兩種冷卻方式。主要為進口器件，品牌有 universal, synrad, coherento可提供 的輸出功率在 30W-100W.這種激光器屬于高集成度的一體化器件，安裝后可直接獲得高質(zhì)量的光束。另一個是CO2玻璃激光管，有普通玻璃和石英玻璃封裝，結(jié)構(gòu)簡單，一般采用水冷方 式，但各個激光管之間差異較大，且隨著功率提高管子的體積也要加大。CO2激光器的波長為10640nm,屬于紅外區(qū)域，熱效應(yīng)大。燈泵浦YAG激光器YAG設(shè)備和CO2設(shè)備不同，它的出光單元是由許多分離的器件組裝成的，但仍可以將 其作為一個單元處理

12、，結(jié)構(gòu)如圖：燈泵浦使用的泵浦源是連續(xù)氟燈，將氟燈的光能通過橢圓形內(nèi)腔金面反射到Y(jié)AG激光棒上，當光能達到一定閥值時激光棒和兩端的全半反鏡組成諧振腔，并由半反鏡向外輻射激光，波長為1064nm, Q晶體為光控因子對連續(xù)激光進行聲光調(diào)制獲得高功率峰 值的脈沖激光。 氟燈是由專用的電源供電，其點燈電壓高達幾萬伏，維持電壓在170V。壽命一般在200h1000h。所以作為泵浦源的氨燈是有一定壽命的，存在更換耗材的問題。 半導(dǎo)體泵浦YAG激光器 半導(dǎo)體激光器和燈泵浦激光器的唯一區(qū)別在于泵浦源不同，半導(dǎo)體激光器采用的是半導(dǎo)體二極管激光作為泵浦源的，以AlGaAs LD為例，其發(fā)射波長780810nm,泵浦

13、Nd:YAG激光棒可獲得1064nm波長的激光。一般半導(dǎo)體激光腔是將YAG激光棒，半導(dǎo)體二極管集成在一起的模塊，每個模塊有三個鋁條，一個鋁條又熱沉四個半導(dǎo)體管子，整個模塊由直流供電，電壓在18V左右，半導(dǎo)體激光具有眾多優(yōu)勢，是以后激光行業(yè)發(fā)展的趨勢。 振鏡系統(tǒng)由于出光單元輻射的激光是準直的，需要通過動態(tài)的鏡面反射來得到控制，振鏡就是由高精度轉(zhuǎn)角電極帶動反射鏡片作高速運轉(zhuǎn)來做到的，激光實際在物體表面的行走速度是由鏡片的轉(zhuǎn)角速度和場鏡的焦距來決定的。關(guān)于振鏡型號的確定是由光斑直徑，加工精度，運轉(zhuǎn)的速度來確定的。CO2激光由于熱效應(yīng)強一般采用較大面積的鏡片，YAG激光的鏡片要小一些。 振鏡控制板和振

14、鏡電機是一一對應(yīng)的，不能后隨意更換，且每個鏡片的轉(zhuǎn)動慣量都不相同也對應(yīng)著唯一的控制板參數(shù)。計算機控制計算機負責(zé)編輯制作打標文件（包括當用戶配備了圖象掃描儀等圖象采集設(shè)備后進行圖 象的采集）、控制振鏡的運動以便通過激光將打標文件的內(nèi)容掃描在工件的表面、控制 聲光Q開關(guān)的調(diào)制頻率、控制打標的速度等等。激光打標機的計算機控制系統(tǒng)包括計 算機、計算機打標專用接口板和打標軟件。計算機打標專用接口板的作用是：將計算機發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，驅(qū)動X軸、Y軸兩個振鏡，使激光束在空間運動。產(chǎn)生同步 Q開關(guān)調(diào)制信號，發(fā)出脈沖激光，使要打標的圖形內(nèi)容精確地、完整地蝕在 加工物表面。在計算機控制系統(tǒng)中， 核心部

15、分是打標控制軟件。目前，世界上有許多激光打標機生產(chǎn)廠商，生產(chǎn)的打標機更是各式各樣。如果仔細觀察，就會發(fā)現(xiàn)：它們的硬件構(gòu)成是大同小異的，關(guān)鍵是打標軟件的不同。 打標軟件是各打標機生產(chǎn)廠商的技術(shù)核心，是各種打標機的關(guān)鍵，它決定了打標機的功能。光學(xué)鏡片諧振腔的構(gòu)成，光學(xué)的校正，振鏡的動態(tài)反射，以及最后的聚焦都需要光學(xué)鏡片，對于不同波長，要在鏡片上鍍上不同的介質(zhì)，并且鏡片還要能夠承受熱變形，具有良好的導(dǎo)熱性，耐磨，耐腐蝕等特性。在安裝鏡片時一般都將有介質(zhì)膜的一面對著激光入射面， 常用的鏡片有：f-。聚焦場鏡，擴束鏡， XY振鏡反射鏡片，YAG諧振腔反射鏡片，Q晶 體.其它激光的電光轉(zhuǎn)換效率一般都不高，

16、大部分的能量轉(zhuǎn)換為熱 ，這就需要輔助的冷卻設(shè)施，CO2金屬管的散熱集成在管壁，有幾個大功率的風(fēng)扇來散熱。YAG的熱量比較大，全部采取的水冷的方式，即使用外圍水冷設(shè)備將冷卻水泵到熱源進行循環(huán)，半導(dǎo)體YAG設(shè)備因為泵浦二極管與水路相通所以對冷卻水質(zhì)要求很高，必須是完全絕緣的去離子 水。此外一臺完整的激光設(shè)備還要根據(jù)客戶的實際加工需求做系統(tǒng)設(shè)計，增加一些輔助設(shè) 備。三設(shè)備的使用參見設(shè)備使用手冊四打標軟件的使用及參數(shù)的含義參見軟件使用手冊五激光光路的調(diào)整及耗材的更換參見設(shè)備調(diào)試手冊六打標工藝的的制作打標工藝是指按照客戶的要求將原料或產(chǎn)品進行激光標刻加工的技術(shù)，這包括材料的識別， 文件的制作，激光參數(shù)的

17、調(diào)整，夾具的設(shè)計。打標工藝的制作是較難掌握的技術(shù)，它很多的技巧來自于經(jīng)驗的積累，下面我們就詳細的進行說明：材料的識別每種材料都有它自有的固定的吸收頻譜波段，且根據(jù)客戶的要求也會用到不同的設(shè)備，所以制作打標工藝的第一步就是對材料的識別，找到相適應(yīng)波長的激光設(shè)備。前面已經(jīng)提到CO2激光的波長是10640nm,其波長在遠紅外區(qū)，熱效應(yīng)很強，主要實用于非金 屬材料，燈泵浦和半導(dǎo)體泵浦的YAG激光的波長是1064nm小CO2激光一個數(shù)量級，主要實用于金屬材料，當然這不是絕對的，例如在制作電腦的ABS塑料屬于非金屬，要想在其表面加工出好的圖案卻要選擇1064nm波長的激光。下面有一個列表可以粗略界定一下每

18、種材料對應(yīng)的激光波長。材料名稱加工機型工藝技巧部分材料應(yīng)用行業(yè)鈦合金(TC4)YAG鈦合金硬度很高，為了能夠清晰標記出字符， 可采用高頻調(diào)制，同降低打標速度小于 20mm/s,讓激光能量長時間作用于物體表面 使鈦合金在高溫作用下產(chǎn)生金相變化得到黑 色的標記。各類金屬 及合金， 金屬氧化 物，經(jīng)特 殊表向處 理的物體，水晶，ABS塑 料，油墨 及油漆處 理過的表 面，電子 元件的封裝電子，鐘 表，眼睛， 通訊產(chǎn)品，電器 產(chǎn)品，汽 車配件，橡膠按 鍵，五金 工具，醫(yī) 疔器械，衛(wèi)浴潔 具，電表 盤，紀念 品，精密 器械，量 具刃具，金銀首 飾，橡膠 制品，皮 革，服裝 輔料，食 品飲料包 裝，印刷

19、制版，醫(yī) 藥包裝，不銹鋼YAG不銹鋼這種材料比較容易設(shè)置參數(shù),并且可 以打出很多種不同的效果，技巧在于速度和 頻率的控制，在低頻高速狀態(tài)可以得金色白 色這樣的淺色調(diào)有一種拋光的效果，如果降 低速度加大f倍的頻率便可以得到黑色標記鋁板YAG雖然鋁對1064nm波長的激光的吸收率比較高，但鋁材的亮度很高不易形成反差 ，使的標記不明顯，所以一般對鋁板氧化上色處理，本色鋁可以加大灼刻深度或采用填充圖案來清 晰標記。銅YAG銅材較難加工，因為銅對激光的吸收率低，一 般采取低頻加下灼刻深度來制作鐵YAG鐵料一般比較粗糙可以加大灼刻深度或采用 低頻填充圖頻拋光45#鋼YAG采取的工2和不銹鋼基本相同，只不過

20、它的 硬度更圖需要加大電流才能有一定深度金YAG這種材料較少加，想要好的效果，必須要 在激光模式，脈沖調(diào)制效果上下功夫，一般 也是米取慢速填充。ABS塑料YAGYAG丕可以加工部分非金屬,對于ABS塑料受 到激光灼刻后具表白會發(fā)生變色，加工塑料 時能量不能過高，否則就會使塑料熱熔，在振 鏡速度控制上要快且頻率也要調(diào)低。集成芯片YAG一般的電子芯片都是黑塑料封裝，米用YAG 激光可以在具表白快速標記信息，因為芯片 的體積都很小所以將頻率調(diào)到中檔，使字跡 更清晰，電流要小以免對芯片造成損傷。PVCCO2PC時是最常用的廣告材料，用CO2敷光加工 時要注意客戶要求的效果，有切.割和平囿打 標兩種各自

21、的設(shè)置參數(shù)是不相同的，在切割時采用低速大功率，并且需要重復(fù)刻劃，而表 面標記先將速度調(diào)到最大然后根據(jù)深度要求 加大功率就行了(PVC 聚 氯乙稀，ABS塑 料，亞克 力，彈性 膠，天然 木材，玻 璃，環(huán)氧 樹脂，聚氨脂，紙質(zhì)材料CO2這里提到的紙材大多為包裝材料，正常紙材 參數(shù)設(shè)置比較隨意，可根據(jù)客戶耍求凋整速 度和功率，有時會在紙的表面進行封塑處理 ， 所以設(shè)置參數(shù)時應(yīng)使速度加快避免塑料薄膜 熱卷曲，制作文件時盡量使用單線條字體。木材CO2標記木材時速度/、能太慢，否則會引起材質(zhì) 糊焦發(fā)黑，一般采取多次標刻，在做木材和 PCB板立體雕刻時，要注意激光束經(jīng)過場鏡 聚焦后和打標平面是有傾斜角的，

22、在大幅面 圖形切割時的邊緣會造成斜角是/、可避免 的，還有根據(jù)木材硬度的小向做表向填充圖 案時要注意填充密度的設(shè)置石料CO2石料的加工存在一個難度，當激光對其表回 灼刻時，產(chǎn)生的顆粒會覆蓋表面影響激光繼 續(xù)加深?？梢酝ㄟ^高壓吹氣來改善皮革CO2真皮屬于天然材料，參數(shù)設(shè)置會根據(jù)皮子的 厚薄，顏色，皮種發(fā)生艾化，而且皮革標刻 要求的圖案花樣繁多，作圖會很復(fù)雜，做平 囿圖案標刻時速度要快， 填充密度不要太大， 密的填充線條會使皮子焦糊，因為平面圖案 標刻速度很快還要求開關(guān)激光的延時要設(shè)置 正確，總體方法是速度越大延時越長，問時 注意圖案邊緣整齊度和深度， 適當調(diào)節(jié)參數(shù)。 此外牛皮和羊皮也是用區(qū)別的，

23、羊皮質(zhì)地柔 軟，能量要控制準確才能只對表向操作而不 傷及皮革，切割時不要重復(fù)標刻，因為皮革 會收縮，造成錯位。在做打標工藝的時候要做到用心，細心，耐心。用心，是指將制作工藝的好壞，樣品的效果 作為一項重要工作來看待，每一個樣品都有可能獲得一份訂單，不可以隨意的試驗，不負責(zé)的草草制作了事。細心，指的是在工藝制作過程中仔細考慮，設(shè)計最佳參數(shù)，及加工方式， 這要求工藝制作者經(jīng)驗要豐富，有創(chuàng)新，能夠從樣品的細微差別發(fā)現(xiàn)其工藝缺陷，并能夠提出相應(yīng)的解決方法。 這是較難做到的，它要求制作者不光對設(shè)備很了解，還要不拘泥于軟件的慣性思維，能夠利用其基本功能達到完美的效果。耐心，指在工藝制作過程中，會有很多困難

24、要克服，工藝試驗往往要作上幾十遍，這要求有耐心，堅持在不斷的失敗中查找原因， 取得進步。下面是在工藝制作過程的基本步驟：1 .認真聽取客戶要求，并站在客戶的角度思維，根據(jù)激光加工的特性為客戶提出更好 的建議。2 .樣品分類存放，對易碎，貴重，不能劃傷的物品放入有防護的包裝內(nèi)。防止損壞。3 .制作圖形文件，注意選擇作圖方式，例如輸入字符，coreldraw9中的矢量字符全都是雙線字體，對于要求字體很小，或速度很快的地方，應(yīng)該對原有字符進行單線勾 畫，讓其形成單線，并且注意線條的書寫順序，和減少交叉線。對圖案有填充要求 時，要注意填充密度的作用，激光的線寬是固定的，要想進行大面積填色需要進行 線條的填充，作圖時輸出的文件是有一定誤差的，再加上振鏡精度也是有限度的， 所以填充密度過大時會出現(xiàn)線條重疊，使的物體表面不平整，填充密度太小，又會 明顯看到線條，所以填充圖案時對填充密度的測試是很必要的。4 .樣品工藝試驗，可以在與樣品材質(zhì)相近的材料上進行打標試驗，這一步至