深圳大學(xué)激光原理論文

1、深 圳 大 學(xué)碩士研究生學(xué)位論文開題報(bào)告書年級(jí) 2013級(jí) 學(xué)制 3年 姓名 明玉生 學(xué)號(hào) 20134303008 學(xué)院（部） 光電工程學(xué)院 專業(yè)名稱 光電工程學(xué)院 專業(yè)代碼 指導(dǎo)教師 余建華 研究方向 激光原理與器件 2015 年 01 月 18 日激光加工在導(dǎo)光板中的應(yīng)用明玉生（深圳大學(xué) 光電工程學(xué)院 深圳20150118）摘要：本文給出了兩種激光加工導(dǎo)光板的技術(shù)方法，第一種是先用YAG激光加工模具，核心模仁表面形成很多網(wǎng)點(diǎn)，后通過(guò)射出成型將網(wǎng)點(diǎn)復(fù)制在導(dǎo)光板表面。第二種CO2激光直接加工PMMA導(dǎo)光板表面而形成網(wǎng)點(diǎn)。此二法操作簡(jiǎn)單，易加工，環(huán)保無(wú)污染，導(dǎo)光板光學(xué)效率高，效果也均勻。關(guān)鍵字：

2、激光；加工；導(dǎo)光板；一 引言激光自1960年問世后, 很快在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。其后,隨著對(duì)有關(guān)基本理論研究的不斷深化。各類激光器件不斷地發(fā)展, 使其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬, 應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大, 所獲得的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。作為高科技之一的激光技術(shù), 是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會(huì)光電子技術(shù)重要支柱之一。激光技術(shù)不僅受到技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的高度重視, 而且也受到許多發(fā)展中國(guó)家的高度重視, 并給與大量的投入。20世紀(jì)80年代以來(lái), 在很多國(guó)家, 政府都把激光技術(shù)列為國(guó)家級(jí)發(fā)展計(jì)劃。例如, 英國(guó)的阿維爾幾乎阿!, 美國(guó)的 激光核聚變計(jì)劃.日本的激光研究五年計(jì)劃! 等。這些計(jì)劃的實(shí)施使激光

3、技術(shù)得到迅速發(fā)展, 且已經(jīng)形成了一個(gè)生機(jī)勃勃的新興產(chǎn)業(yè)。與此同時(shí), 激光技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了多種技術(shù)、學(xué)科、多種生產(chǎn)水平的進(jìn)步和提高, 影響之大,舉世矚目。YAG激光器在金屬材料加工中具有優(yōu)勢(shì), 而對(duì)于非金屬材料的加工, CO2 激光器具有優(yōu)勢(shì), 而準(zhǔn)分子激光在微細(xì)加工、高精密方面具有優(yōu)勢(shì)。Nd: YAG激光雕刻技術(shù)用于導(dǎo)光板模具的加工, 有力地推動(dòng)導(dǎo)光板產(chǎn)品性能的提高, 也帶動(dòng)了激光雕刻技術(shù)的進(jìn)步. 隨著這方面技術(shù)的不斷完善,預(yù)期今后將取得更多的成果。從目前世界激光雕刻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀看, CO2 激光雕刻、YAG 激光雕刻和準(zhǔn)分子激光雕刻都在某些方面體現(xiàn)了它們各自的優(yōu)點(diǎn), 也存在著某些不足。

4、本文講通過(guò)兩種激光加工方式制作導(dǎo)光板，第一種是YAG激光雕刻技術(shù)，在模具上加工出精細(xì)的光學(xué)網(wǎng)點(diǎn)，轉(zhuǎn)而復(fù)寫在導(dǎo)光板上。第二種是CO2 激光直接加工在導(dǎo)光板表面形成網(wǎng)點(diǎn)。這兩種方法都可以形成表面光滑的導(dǎo)光板，亮度高，均勻度好，是導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)加工的一種新趨勢(shì)。二 激光簡(jiǎn)介激光是在 1960 年正式問世的。但是，激光的歷史卻已有 100 多年。確切地說(shuō)，遠(yuǎn)在 1893 年，在波爾多一所中學(xué)任教的物理教師布盧什就已經(jīng)指出，兩面靠近和平行鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化。他雖然不能解釋這一點(diǎn)，但為未來(lái)發(fā)明激光發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極為重要的現(xiàn)象。 1917 年愛因斯坦提出 “ 受激輻射 ” 的概念

5、，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。激光，又稱鐳射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的縮寫，意思是“受激發(fā)射的輻射光放大”。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將 “光受激發(fā)射”改稱“激光”。三 激光產(chǎn)生原理1、激光產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)光與物質(zhì)的共振相互作用，特別是這種相互作用中的受激輻射過(guò)程是激光器的物理基礎(chǔ)。愛因斯坦認(rèn)為光和物質(zhì)原子的相互作用過(guò)程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過(guò)程。為了簡(jiǎn)化問題，我們只考慮原子的兩個(gè)能級(jí)和，處于兩個(gè)

6、能級(jí)的原子數(shù)密度分別為和，如圖2-1所示。構(gòu)成黑體物質(zhì)原子中的輻射場(chǎng)能量密度為，并有。圖2-1二能級(jí)原子能級(jí)圖（）、自發(fā)輻射處于高能級(jí)的一個(gè)原子自發(fā)地向低能級(jí)躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為的光子，這種過(guò)程稱為自發(fā)躍遷過(guò)程，如圖2-2所示。自發(fā)輻射光圖2-2原子自發(fā)輻射（）、受激輻射處于高能級(jí)的原子在滿足的輻射場(chǎng)作用下，躍遷至低能級(jí)并輻射出一個(gè)能量為且與入射光子全同光子，如圖2-3所示。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為受激輻射。入射光入射光受激輻射圖2-3原子受激輻射（）、受激吸收受激輻射的反過(guò)程就是受激吸收。處于低能級(jí)的一個(gè)原子，在頻率為的輻射場(chǎng)作用下吸收一個(gè)能量為的光子，并躍遷至高能級(jí)，這種過(guò)程稱為受激吸

7、收，如圖2-4所示。入射光原子吸收入射光子并躍遷至高能級(jí)圖2-4原子受激吸收受激輻射和自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于相干性。自發(fā)輻射是不相干的；受激輻射是相干的2、激光產(chǎn)生的基本原理和方法1）光學(xué)諧振腔及其選模和反饋?zhàn)饔糜墒芗ぽ椛浜妥园l(fā)輻射相干性可知，相干輻射的光子簡(jiǎn)并度很大。普通光源在紅外和可見光波段實(shí)際上是非相干光源。如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況：使得腔內(nèi)某一特定模式的很大，而其他所有模式的都很小，就能夠在這一特定模式內(nèi)形成很高的光子簡(jiǎn)并度。也就是說(shuō)，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內(nèi)，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場(chǎng)模式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收等來(lái)提

8、高光子簡(jiǎn)并度，從而達(dá)到產(chǎn)生激光的目的。光腔的反饋?zhàn)饔霉夥糯笃髟谠S多大功率裝置中廣泛地用來(lái)把弱的激光束逐級(jí)放大，但在光放大的同時(shí)通常還存在著光的損耗，根據(jù)研究光強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)定的極限值只與放大器本身的參數(shù)有關(guān)，而與初始光強(qiáng)無(wú)關(guān)。特別是，不管初始光強(qiáng)多么弱，只要放大器足夠長(zhǎng)，就總能形成確定大小的光強(qiáng)穩(wěn)定極限值，而實(shí)際上，既不需要給激活物質(zhì)輸入一個(gè)弱光信號(hào)，也不需要真正把激活物質(zhì)的長(zhǎng)度無(wú)限增加，而只要在具有一定長(zhǎng)度的光放大器兩端放置前述的光學(xué)諧振腔。這樣，沿軸向傳播的光波模在兩反射鏡間往返傳播，就等于增加放大器長(zhǎng)度。這種作用稱為光學(xué)諧振腔的反饋?zhàn)饔谩?）光的受激輻射放大條件實(shí)現(xiàn)光放大的兩個(gè)條件：激勵(lì)能源把

9、介質(zhì)中的粒子不斷地由低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)去；增益介質(zhì)能在外界激勵(lì)能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。3）產(chǎn)生激光的基本條件及激光器的組成部分產(chǎn)生激光的基本條件是：能在外界激勵(lì)能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的增益介質(zhì)；要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過(guò)受激吸收，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（方法是利用外界激勵(lì)能源把大量粒子激勵(lì)到高能級(jí)。）；要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過(guò)自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡(jiǎn)并度（方法：利用光學(xué)諧振腔造成強(qiáng)輻射場(chǎng)，以提高腔內(nèi)光場(chǎng)的相干性。）。激光器的組成部分及其作用：一個(gè)激光器應(yīng)包含泵浦源、光放大器和光學(xué)諧振腔三部分。其作用分別是使激光物質(zhì)成為激活物質(zhì)、對(duì)弱光信號(hào)進(jìn)行放大、模式選擇和提供軸向光波模的反

10、饋。四 激光加工1. 激光打標(biāo)設(shè)備工作原理利用振鏡掃描器使激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)及運(yùn)動(dòng)。由激光器射出的激光束順序投射到第一、第二振鏡掃描器上，它們分別使激光束在平面的X、Y兩個(gè)方向上掃描，在計(jì)算機(jī)的控制下，激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦后就會(huì)在平面上掃描出所要求的圖案（見圖2.3）。這種打標(biāo)方式我們稱之為“振鏡掃描式”，它的最大優(yōu)點(diǎn)是打標(biāo)速度快，打標(biāo)精細(xì)，可以處理各種精細(xì)文字、圖案的打標(biāo)，缺點(diǎn)是造價(jià)較高，很難擴(kuò)大打標(biāo)視場(chǎng)。但由于它打標(biāo)速度快，打標(biāo)精細(xì)，已經(jīng)成為激光打標(biāo)機(jī)的主流產(chǎn)品。 “振鏡掃描式”激光打標(biāo)機(jī)工作原理示意圖激光打標(biāo)機(jī)還可按照所選用的激光器類型來(lái)分類，諸如：CO2 激光打標(biāo)機(jī)、Nd: YAG激光打標(biāo)

11、機(jī)等等。YAG系列激光打標(biāo)機(jī)屬于振鏡掃描式Nd: YAG打標(biāo)機(jī)，它采用的是Nd: YAG激光器。該類打標(biāo)機(jī)一般由激光器及電源、聲光Q開關(guān)及驅(qū)動(dòng)電源、振鏡掃描器及驅(qū)動(dòng)電源、光學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、打標(biāo)機(jī)專用D/A轉(zhuǎn)換控制器、專用水循環(huán)制冷系統(tǒng)等組成；CO2系列激光打標(biāo)機(jī)屬于振鏡掃描式CO2打標(biāo)機(jī)，它采用的是射頻激勵(lì)CO2激光器。該類打標(biāo)機(jī)一般由激光器及電源、振鏡掃描器及驅(qū)動(dòng)電源、光學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、風(fēng)冷卻或水循環(huán)系統(tǒng)等組成。激光從激光腔出來(lái)后，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡對(duì)光斑進(jìn)行處理，通過(guò)振鏡掃描系統(tǒng)，最后經(jīng)過(guò)聚焦鏡進(jìn)行聚焦，發(fā)揮激光的打標(biāo)作用 擴(kuò)束鏡是能夠改變激光光束直徑和發(fā)散角的透鏡組件。從激光器發(fā)

12、出的激光束具有一定的發(fā)散角，對(duì)于激光加工來(lái)說(shuō)，只有通過(guò)擴(kuò)束鏡的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇?zhǔn)直（平行）光束，才能利用聚焦鏡獲得細(xì)小的高功率密度光斑；在激光打標(biāo)設(shè)備中，必須通過(guò)擴(kuò)束鏡最大限度地改善激光的準(zhǔn)直度才能得到遠(yuǎn)距離打標(biāo)效果；不同倍數(shù)的擴(kuò)束鏡和相應(yīng)激光器配合能更好的發(fā)揮激光器的作用；擴(kuò)束鏡配合空間濾光片使用則可以使非對(duì)稱光束分布變?yōu)閷?duì)稱分布，并使光能量分布更加均勻。擴(kuò)束系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)組成了一個(gè)后焦距很長(zhǎng)的，而實(shí)際焦距很短的一個(gè)長(zhǎng)工作距離系統(tǒng).即是為了得到長(zhǎng)的工作距離和小的聚焦光斑。先擴(kuò)束是為了改善光斑的質(zhì)量,為了以后的加工。擴(kuò)束應(yīng)該包括了先聚焦,再準(zhǔn)直。后面的再聚焦是為了縮小光斑尺寸，提高功率密度，

13、更好的用于加工。擴(kuò)束鏡的最大出射光直徑=最大入射光直徑擴(kuò)束倍數(shù)，最終以最大出射光直徑來(lái)限制，如一擴(kuò)束鏡最大出射光直徑5mm，擴(kuò)數(shù)倍數(shù)為5倍，最大出射光直徑為18mm，則入射光直徑為4mm，出射光為18mm。2. 激光熱加工原理無(wú)論是哪一種激光加工的方法，都要將一定功率激光束聚焦于被加工物體上，使激光與物質(zhì)相互作用。在不同激光參數(shù)下的各種加工的應(yīng)用范圍如圖7-1示對(duì)激光與材料的相互作用過(guò)程的物理描述可以分為以下四個(gè)方面：1）材料對(duì)激光的吸收激光熱加工時(shí)首先發(fā)生的是材料對(duì)激光能量的吸收。透入材料內(nèi)部的光能主要對(duì)材料起加熱作用。不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光吸收率不同。假設(shè)材料表面反射率為R，則吸收率為A=

14、1-R。當(dāng)激光由空氣垂直入射到平板材料上時(shí)，根據(jù)菲涅爾公式，反射率為2）材料的加熱設(shè)入射激光束的光功率密度為qi，材料表面吸收的光功率密度為q0 ，則有激光從表面入射到材料內(nèi)部深度為處的光強(qiáng) 一般將激光在材料內(nèi)的穿透深度定義為光強(qiáng)降至I0/e時(shí)的深度，因而穿透深度為1/a 。為了得到加熱階段的溫度分布，必須求解熱傳導(dǎo)微分方程。對(duì)于各向同性的均勻材料，激光加熱的熱傳導(dǎo)偏微分方程的一般形式為 如果光功率的損耗全部變成熱量，則有 從理論上講，根據(jù)加工時(shí)的各工藝參數(shù)以及初始條件，可以解出加工過(guò)程中激光照射區(qū)的溫度場(chǎng)分布。但實(shí)際加工時(shí)，各方面的因素使熱傳導(dǎo)方程的求解十分困難 。簡(jiǎn)化：如果半無(wú)限大（即物體

15、厚度無(wú)限大）物體表面受到均勻的激光垂直照射加熱，被材料表面吸收的光功率密度不隨時(shí)間改變，而且光照時(shí)間足夠長(zhǎng)，以至被吸收的能量、所產(chǎn)生的溫度、導(dǎo)熱和熱輻射之間達(dá)到動(dòng)平衡，此時(shí)圓形激光光斑中心的溫度可以由下式確定 3）材料的熔化與汽化激光功率密度過(guò)高，材料在表面汽化，不在深層熔化；激光功率密度過(guò)低，則能量會(huì)擴(kuò)散到較大的體積內(nèi)，使焦點(diǎn)處熔化的深度很小。4）激光等離子體屏蔽現(xiàn)象激光作用于靶表面，引發(fā)蒸汽，蒸汽繼續(xù)吸收激光能量，使溫度升高，最后在靶表面產(chǎn)生高溫高密度的等離子體。等離子體迅速向外膨脹，在此過(guò)程中繼續(xù)吸收入射激光，阻止激光到達(dá)靶面，切斷了激光與靶的能量耦合。如圖下圖所示，為等離子云變化的過(guò)程

16、 五 導(dǎo)光板原理及其激光加工1. 導(dǎo)光板原理LCD導(dǎo)光板照明技術(shù)最早是由日本明拓公司于1986年發(fā)明的，稱為EDGE LIGHT，是目前筆記本電腦液晶顯示屏背光照明的主流方法。它的工作原理是利用PMMA透明導(dǎo)光板將由冷陰極熒光管（線光源）發(fā)出的純色白光，從透明板端面導(dǎo)入并擴(kuò)散到整個(gè)板面，當(dāng)光照射到導(dǎo)光板背面印刷的白色反光點(diǎn)時(shí)發(fā)生漫反射，從與光源入射面垂直的板面（工作面）射出。導(dǎo)光板照明通過(guò)巧妙運(yùn)用光在透明板界面上全反射的原理，將端面射入的光偏轉(zhuǎn)90，從正面射出，從而起到照明的作用。這種照明方式表面亮度高且照明系統(tǒng)體積小巧，對(duì)光的利用效率較高因而電力消耗較低，在筆記本電腦及數(shù)碼像機(jī)等需要使用大面

17、積LCD的產(chǎn)品方面獲得了廣泛的應(yīng)用。 LCD導(dǎo)光板照明技術(shù)的關(guān)鍵是光在PMMA中的全反射效應(yīng)。我們知道，光在通過(guò)兩種透明介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射，當(dāng)光從折射率大于空氣的透明介質(zhì)中射向空氣時(shí)，由于折射率的不同，入射角大于一定角度時(shí)光將在界面上發(fā)生全反射，不再有光射出介質(zhì)，也就是說(shuō)光在介質(zhì)內(nèi)部的傳輸損耗僅取決于介質(zhì)對(duì)光的吸收，而在界面上反射時(shí)沒有損耗（光在金屬面上反射通常會(huì)損失10%15%）。PMMA導(dǎo)光板正是利用了這一特性。PMMA學(xué)名聚甲基丙烯酸甲脂，俗稱亞克力，是一種具有較高機(jī)械性能的透明樹脂。PMMA的透明度很好，對(duì)可見光的透過(guò)率可達(dá)93，比重為1.19（25），熱變形溫度為100，最高連續(xù)

18、使用溫度可達(dá)85。 PMMA對(duì)可見光的折射率n=1.49（25），根據(jù)2Sin-1(1/n)可得其全反射角約為42.2。因?yàn)橹挥挟?dāng)某種材料的折射率大到一定程度、光在其中的全反射角小于45時(shí)，特定方向的光線才可在其相互平行和垂直的端面中反復(fù)反射從而減少散失，這也就是為什么不能采用透光率同樣良好的聚苯乙烯（PS）來(lái)作導(dǎo)光板的原因。當(dāng)然，光學(xué)玻璃（折射率為1.52）也可滿足全反射的要求，但玻璃的加工性能及成本顯然無(wú)法與PMMA通過(guò)注塑成型直接形成鏡面相比。 為了將PMMA導(dǎo)光板內(nèi)的全反射光從導(dǎo)光板的工作面上導(dǎo)出，需要在導(dǎo)光板的背面（工作面的對(duì)面）形成一層反光層對(duì)光進(jìn)行散射，從而使工作面獲得一定亮度的

19、均勻光輸出。導(dǎo)光板的背面通過(guò)絲網(wǎng)印刷形成反光網(wǎng)點(diǎn)而非整個(gè)背面全部印滿（見圖3），以保證離光源較遠(yuǎn)處不會(huì)因光線過(guò)度衰減而亮度不足。印刷所用的油墨由二氧化鈦（TiO2）和硫酸鋇（BaSO4）混合丙烯基粘合劑組成，其中的TiO2結(jié)晶對(duì)可見光的折射率高達(dá)2.62，它將從PMMA導(dǎo)光板中射到反光網(wǎng)點(diǎn)上的光線反射折射回導(dǎo)光板并從工作面輸出，因而具有很強(qiáng)的反光作用.入光光線反復(fù)全反射到遠(yuǎn)、原則無(wú)損失無(wú)出光光線光路上放変換光路的架構(gòu)來(lái)控制出光 ）用白色擴(kuò)散反射油膜(Binyl或Acrylic加多量TiO2)印刷在反出光面）用亂折射油膜(Binyl或Acrylic加多量SiO2)印刷在反出光面）構(gòu)成異角度的面在

20、反出光面）構(gòu)成亂折射反射紋理面在反出光面）構(gòu)成異折射材料分散合金(Acrylic和Silicon) 単位面積裏的印刷點(diǎn)面積比率 (愈高愈出光比率高、但是有飽和點(diǎn)）) 印刷油膜裏的SiO2的含有率（愈高愈出光比率高、但是有飽和點(diǎn)）) 導(dǎo)光板厚度（愈薄愈出光比率高、但是印刷點(diǎn)愈明顕）2. 導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)加工方式1）油墨印刷方式 2）咬花方式 3）機(jī)械加工方式 4）激光技工3. 導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)激光加工1）YAG激光加工方式的導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)在模具上是凹的，而在導(dǎo)光板上是凸起的。2）CO2激光加工方式的導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)無(wú)需加工在模具上，而是直接加工在導(dǎo)光板上，所以網(wǎng)點(diǎn)是凹的。激光網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板特點(diǎn)具有超薄、超亮、導(dǎo)光均勻、節(jié)能、環(huán)保、無(wú)暗區(qū)、耐用、不易黃化、安裝維修簡(jiǎn)單快捷等鮮明特點(diǎn)。1) 可以使用較薄的材料，節(jié)約成本；2) 發(fā)光效率高；3) 光線均勻，網(wǎng)點(diǎn)線條均由專業(yè)光學(xué)軟件Light-Tools合理排布生成（邊緣稀中間密）。使亮度均勻度達(dá)到最大化，基本均勻度能達(dá)到90%以上；4) 耐用、不易黃化，壽命長(zhǎng)，室內(nèi)可正常使用8年以上；5) 不受水與潮氣的影響，而印刷型的只要一碰