（光学专业论文）全固态激光打标系统的研究.pdf

摘要 本论文对全固态激光打标系统的整体进行了研究，介绍了激光打标的原理、分类 以及激光打标系统的各个组成部分和工作原理。重点针对激光光源，利用l d 侧面泵 浦n d ：y a g 晶体，采用声光调q 技术，获得了波长为1 0 6 4 n m 的红外脉冲激光，以 l b o 作为倍频晶体，在对谐振腔结构及相关参数进行优化后，获得了波长为5 3 2 n m 的 脉冲激光。利用所得激光迸行激光打标实验，对打标效果进行了分析，选择合适的参 数，得到了效果较好的打标图样。 关键词：激光打标重复频率声光调ok b 0 a b s t r a c t t h ew h o l el a s e rm a r k i n gs y s t e mw a si n v e s t i g a t e di nt h et h e s i s ，t h et h e o r ya n ds o r t so fl a s e r m a r k i n g , c o m p o s i n gp a r t so fw h o l es y s t e ma n dw o r k i n gt h e o r yw e r ei n t r o d u c e d f o rt h e l a s e rs o u r c e ，w i t ha e o u a t o - o p t i c a lq - s w i t c h ，p u l s el a s e ra t1 0 6 4 n mw a so b t a i n e db yl d e n d - p u m p e dn d ：y a gc r y s t a l u s i n gl b o a sd o u b l e f r e q u e n c yc r y s t a l ，a f t e ro p t i m i z i n gt h e r e s o n a t o rc o n f i g u r a t i o na n dr e l a t i v ep a r a m e t e r s ，p u l s el a s e ra t5 3 2 n mw a so b t a i n e d l a s e r m a r k i n gw a sr u n n i n gw i t ht h e1 0 6 4 n ma n d5 3 2 n mo u t p u tl a s e rg o tf r o me x p e r i m e n t s m a r k i n ge f f e c tw a sa n a l y s e d ，t h es u i t a b l ep a r a m e t e r sw a sc h o s e na n dg o o ds a m p l ep i c t u r e s w e r eo b 诅i n e d k e y w o r k s ：l a s e rm a r k i n g ，r e p e t i t i o nr a t e ，a c o u s t o - o p t i c a lq - s w i t c h ，l b o 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，全固态激光打标系统的研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 h 作者签名： 壬堡垒型年芝月皇日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：j b 年三月雩日 指导导师签名： 多! 量圭塑! ! 年三月旦日 第一章绪论 1 1 引言 激光是2 0 世纪自然科学的重大发明之一，自1 9 6 0 年第一台激光器问世以来，激 光以其高相干性、高单色性、高方向性和高亮度的特点，在高精度测量、物质结构分 析、通信、光化学领域、加工制造等领域的研究和应用得到了迅速的发展。由此，激 光制造技术渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业， 实现了特种材料、特殊精度、高效自动流程的加工，尤其在衡量国家综合实力的重要 标志之一的微电子产业，发挥着巨大的作用。 激光制造技术包含两方面的内容，一是制造激光光源的技术，二是利用激光作为 工具的制造技术。前者为制造业提供性能优良、稳定可靠的激光器以及加工系统，后 者利用前者进行各种加工和制造，为激光系统的不断发展提供广阔的应用空白j 。两者 是激光制造技术中不可或缺的环节，不可偏废。激光制造技术具有许多传统制造技术 所没有的优势，是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。例如，材料浪费少，在 大规模生产中制造成本低；根据生产流程进行编程控制，在大规模制造中生产效率高： 可接近或达到“冷”加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的 适应性强，且不受电磁干扰，对制造工具和生产环境的要求低；噪声低，不产生任何 有害的射线，生产过程对环境的污染小等。因此，为适应2 1 世纪高新技术的产业化、 满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超 紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要 求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。可以预言，激光制造技术必将以 其无可替代的优势成为2 1 世纪迅速普及的高新技术。 激光打标是7 0 年代末8 0 年代初在激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔 等应用技术之后发展起来的一门新型加工技术，是一种非接触、无污染、无磨损的新 标记工艺。近年来，随着激光器的可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发 展和光学器件的改进，促进了激光打标技术的发展。激光打标是利用高能量密度的激 光束对目标作用，使目标表面发生物理或化学的变化，从而获得可见图案的标记方式。 高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。随着激光束在材料 表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束也就在材料表面加工成了一个指定的 图案。 激光打标与传统的标记工艺相比有明显的优点：标记速度快，字迹清晰、永久： 非接触式加工，污染小，无磨损；操作方便，防伪功能强；可以做到高速自动化运行， 生产成本低。由此，在工业领域逐渐从电加工进入光加工时代的今天，激光达标被广 泛应用到各种加工领域，包括五金制品、金属器皿、精密器械、汽车配件、电子器件、 集成电路块、电机铭牌、食品包装、刀具、礼品、钟表、水暖器材、电脑键盘等产品 的表面标记出商标、批号、日期、条码、各种字符、图形等。 1 2 国内激光打标的发展历程“， 激光打标设备的核心是激光打标控制系统，因此，激光打标的发展历程就是打标 控制系统的发展过程。从1 9 9 5 年到2 0 0 3 年短短的8 年时间，控制系统在激光打标领 域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到 上下位机控制，到实时处理、分时复用的一系列演变。 1 大幅面时代 所谓大幅面，刚开始是将绘图仪的控制部分直接用于激光设备上，将绘图笔取下， 在( 0 ，0 ) 点x 轴基点、y 轴基点和原绘图笔的位置上分别安装4 5 。折返镜，在原绘 图笔位置下端安装小型聚焦镜，用以导通光路及使光束聚焦。直接用绘图软件输出打 印命令即可驱动光路的运行，这种方式最明显的优势是幅面大，而且基本上能满足精 度比较低的标刻要求，不需要专用的标刻软件；但是，这种方式存在着打标速度慢、 控制精度低、笔臂机械磨损大、可靠性差、体积大等缺点。因此，在经历最初的尝试 后，绘图仪式的大幅面激光打标系统逐步退出打标市场，现在所应用的同类型的大幅 面设备基本上都是模仿以日i 这种控制过程，用伺服电机驱动的高速大幅面系统，而随 着三维动态聚焦振镜式扫描系统的逐步完善，大幅面系统将逐步从激光标刻领域销声 匿迹。 2 转镜时代 由于看到大幅面系统的一系列缺点，在高速振镜技术还没有在中国广泛普及的情 况下，一些控制工程师自行开发了由步进电机驱动的转镜式扫描系统，其工作原理是 将从谐振腔中导出的激光通过扩束，经过成9 0 。安装的两个步进电机驱动的反射镜， 由f - o 场镜聚焦后输出作用于处理对象上，反射镜的转动使工作平面上的激光作用点分 别在x 、y 轴上移动，两个镜面协同动作使激光可以在工作平面上完成直线和各种曲线 的移动。这种控制过程无论从速度还是定位精度来说都远超过大幅面。虽然同当时国 际上流行的振镜式扫描系统还有比较明显的差距，但严格来说这种设计思路的出现和 逐步完善代表着中国激光应用的一个里程碑，是中国完全能自行设计和生产激光应用 设备的典型标志。直到振镜在中国大规模应用的兴起，这种控制方式才逐步退出中国 激光应用的舞台。 3 振镜时代 1 9 9 8 年，振镜式扫描系统丌始在中国大规模应用。所谓振镜，又可以称之为电流 表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由 计算机控制的一5 v 一5 v 的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同， 这种典型的控制系统采用了一对反射镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服 电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步 2 保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到了一个新的水平。 1 3 国内激光打标的市场现状 国家自“六五”计划起支持激光加工项目，“七五”末至“八五”初期开始出 现激光加工系统的专业生产企业。国产激光加工系统的销售额从1 9 9 1 年的1 5 1 8 万元， 增至2 0 0 3 年的9 8 亿元，1 3 年增长6 4 倍。激光标刻系统是其中代表产品之一，其在 激光加工设备中的比例最高而且正在逐年提高。 目前，国内从事激光标刻系统生产和销售的企业大概有3 0 多家，主要分布在武汉、 北京、深圳、南京和广州等地。通过各地光电子、激光行业协会和激光设备生产企业 对近三年多来全国激光行业激光设备的销售情况进行调查、统计和分析，2 0 0 1 年、2 0 0 2 年、2 0 0 3 年我国激光加工设备销售统计与分析的各类数据简要归纳如下：2 0 0 1 年我 国激光加工产品市场销售总额为5 8 亿元；2 0 0 2 年为7 4 亿元；2 0 0 3 年销售额为9 8 亿元。其中激光标刻系统的销售额2 0 0 1 年为1 9 亿元，2 0 0 2 年为2 4 8 亿元，2 0 0 3 年 为3 3 3 亿元，分别占当年激光加工销售总额的3 2 7 、3 3 5 、3 4 0 。在激光标刻 系统中，y a g 激光打标机2 0 0 1 年的销售额为i 4 5 亿元，2 0 0 2 年为1 9 亿元，2 0 0 3 年 为2 5 亿元；2 0 0 1 年y a g 激光打标机销售总量为8 6 4 台，2 0 0 2 年为1 1 4 2 台，2 0 0 3 年 达1 6 0 0 台。 从以上数据，我们可以看出：激光标刻系统的销售额在逐年稳步提高，在激光加 工销售总额的比例也在不断增加：y a g 激光打标机在激光标刻系统中占据着绝对统治 地位。 1 4 国内激光打标的发展前景 激光打标系统是综合了激光技术和计算机技术的光、机电一体化系统，当今激光 技术和计算机技术的发展为激光打标技术的发展带来了前所未有的机遇和挑战。 目前，在振镜式扫描激光打标系统中，硬件控制电路都是基于计算机i s a 总线或 者p c i 总线而设计的，必须安装在计算机主板的i s a 总线或p c i 总线扩展槽中。这种 方式使得i 台计算机控制打标机的台数受到了限制。另外，硬件安装于计算机主板上， 给整个系统的稳定运行带来影响，降低了打标系统的稳定性，同时也增加了打标机的 成本和体积。 u s b 的出现和发展使得激光打标硬件控制电路脱离计算机i s a 总线或者p c i 总线成 为可能。u s b 2 o 的传输速率可达4 8 0 m b i t s ，完全可以胜任激光打标对数据传输速率的 要求，而且，它可以支持i 台计算机同时连接1 2 7 台设备，这样就可以用l 台计算机同 时控制几台打标机而不必增加额外的费用，而且打标机也可以不带计算机进行销售， 从而降低了打标机的价格。很多激光打标使用的n d ：y a g 激光器都是以氪灯或氙灯来 泵浦的，其泵浦效率很低，致使激光器的总效率只能达到2 5 ，这意昧着绝大部 分的泵浦功率都转化为热量。因此，这种激光打标机都配有庞大的冷却系统，其体积 可占整个系统体积的4 0 。 近几年出现的半导体激光泵浦的固体激光器，其总体转换效率可达2 0 以上，因 而可以大大缩小激光器冷却系统的体积，这就为激光打标机向轻型化、小型化方向发 展创造了条件。而近年来出现的大功率光纤激光器，其散热性能好、转换效率高，激 光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好、制作灵活等显著优势，更加促进了激光打标 向轻型化、小型化方向发展。 激光打标技术目前在国内外工业上的应用正被人们逐渐重视，各种新型的打标系 统层出不穷，它以其独特的优点正在取代传统的标记方法，如：冲压、印刷、化学腐 蚀等，在各种机械零部件、电子元器件、集成电路模块、仪器、仪表、电机铭牌、工具 甚至食品包装等物体表面上，标记出汉字、英文字符、数字、图形等，从而在这些领域 取得了广泛的应用。国际上一些发达国家已将该技术作为工业加工的工艺标准，我国 也非常重视这一技术，国家科委已将该技术列为“八五火炬计划”进行研制和推广。 现在它已经引起了国内越来越多生产厂家的重视，必将会代替传统的标记工艺，给产 品生产注入新的活力。因此，激光打标具有巨大的发展潜力和广阔的市场i i f 景“。 4 第二章原理 2 1 激光与物质相互作用 激光与物质相互作用，涉及到激光物理、原予与分予物理、等离子体物理、固体 与半导体物理、材料科学等领域。当激光作用到材料上时，电磁能先转化为电子激发 能，然后再转化为热能、化学能和机械能。在加工过程中，伴随着材料的升温、熔化、 汽化、产生等离子体等“。翰。 1 物理过程 激光作用到被加工材料上，光波电磁场与材料相互作用的过程主要与激光的功率密 度、作用时间、材料密度、材料熔点、材料相变温度以及激光的波长和材料对该波长 激光的吸收率、热导率等有关。激光作用时材料的温度不断上升，当作用区光吸收的 能量与作用区输出的能量相等时，达到热量平衡状态，作用区温度将保持不变，否则 温度将继续上升。这一过程中，激光作用时间相同时，光吸收的能量与输出的能量差 越大，材料的温度上升越快；激光作用条件相同时，材料的热导率越小，作用区与其 周边的温度梯度越大；能量差相同时，材料的比热越小，材料作用区的温度越高。 激光的功率密度、波长、作用时间和材料本身特性不同，作用区的温度变化就不同， 材料发生的物质状态变化就不同，激光加热可以使材料处于液态、气念或等离子体等 不同状态。 当激光作用时间较短，功率密度较低，1 0 3 ， 0 4 w c m 2 时，大部分入射光被吸收，材 料由外向里温度逐渐升高，一般只能加热材料；当激光功率密度为1 0 5 1 0 6 w c m 2 时， 材料开始熔化，形成熔池；当激光功率密度为1 0 7 w c m 2 ，材料达到汽化点，开始汽化、 蒸发，形成等离子体。 2 能量变化规律 激光照射到材料上，要满足能量守恒定律，即 r + t + a = 1( 2 1 ) r 为材料的反射率；t 为材料的透射率；a 为材料的吸收率。若激光沿x 轴方向传 播，照射到材料上被吸收后，满足朗伯定律：i - - i 。e x p ( - a x ) ，1 0 为入射光强，a 为材 料吸收率，单位m m 。可见，激光在材料内部传播，光强按指数衰减。通常定义激光 强度在材料内部下降到1 e 处对应的深度为穿透深度。 在吸收媒质中，实际的折射率是复数f i = n + i t l ，其中n 为复折射率的实部，即通常 所说的折射率，虚部n 为消光系数，是描述光因吸收而衰减的参量，且有： a = 4 p q l ( 2 2 ) 一种材料若是透镜的，它的穿透深度必须大于厚度，金属的穿透深度小于波长数量级， 因此金属一般是不透明的。当激光垂直入射到材料表面上时，材料的反射率为 r = i ( n 1 ) 2 + 1 1 2 l i ( 叶1 ) 2 + 1 1 2 】 ( 2 3 ) 对光不透明的材料，光在其中传播时被强烈的吸收，透过率t - - - 0 ，则 a = 4 n ( 叶1 ) 2 州2 】 ( 2 4 ) 材料对激光的吸收率与激光的波长、材料温度、入射光偏振态、入射角和材料表 面状况有关。一般情况下，照射光波长越短，吸收越小：材料温度越高，吸收越大。 另外，若入射光为垂直于入射面的线偏振光，反射率r 随入射角的增大而增大；则吸 收率a 随之减小；若入射光为平行于入射面的线偏振光，则反射率r 随入射角的增大 而减小，则吸收率a 随之增大，当达到布儒斯特角时，反射率r 为零，吸收率a 最大。 还有，材料表面越粗糙，反射率越低，对光的吸收越大。 2 2 激光打标的分类 对于激光打标机，可按着光源、工作方式、光束运动状态、对工件作用方式的不 同进行分类。 1 按光源不同分类 ( 1 ) c 0 2 激光器 c 0 2 激光器是种混合气体激光器，以c 0 2 、n 2 、h e 的混合气体为工作物质，激 光跃迁发生在c 0 2 分子的电子基态的两个振动一转动能级之问。n 2 的作用提高激光上 能级的激励效率，h e 的作用是有助于激光下能级抽空，后两者的作用都是为了增强激 光输出。上能级0 0 0 1 下能级1 0 0 0 辐射出1 0 6 0 0 n m 的激光，木制品、玻璃、聚合物 和多数透明材料对其有很好的吸收效果，因而特别适合在非金属表面进行标记。 ( 2 ) n d ：y a g 激光器 n d ：y a g 激光器具有运行方式多、波长范围广、结构紧凑、易于传导等优点，是 目i i i 应用最广泛的一种激活离子与基质晶体组合的激光器。可分为灯泵浦和半导体泵 浦两种，灯泵浦包括脉冲氙灯和连续氪灯，半导体泵浦包括端面泵浦和侧面半导体列 阵( l d a ) 泵浦，可根据需要选择不同的泵浦源和泵浦方式，从而实现连续、脉冲高重 复频率运转，输出1 0 6 4 n m 、9 4 6 n m 、1 3 1 9 n m 的激光，并可利用倍频、和频等非线性 效应实现不同波长的激光输出，以满足不同工件的需要。1 0 6 4 n m 激光可被金属和大多 数塑料很好地吸收，因而适合在会属材料上进行高清晰的标记。 表2 - 1 室温下多种光洁表面材料对n d ：y a g l 0 6 4 n m 激光的吸收率 6 ( 3 ) 光纤激光器 光纤激光器可在低功率下实现连续运转；辐射波长范围广；体积小、结构简单； 耗电少、效率高；高功率双包层光纤激光器输出功率高、散热面积大、光束质量好， 输出激光具有接近衍射极限的光束质量，适用于精细打标和高精度打标。 2 按激光与物质作用方式不同” ( 1 ) 汽化效应 当激光束照射材料表面时，除一部分光被反射外，被材料吸收的激光能量会迅速 转变为热能，使其表面层温度急剧上升，当达到材料的汽化温度时，材料表面因瞬时 汽化、蒸发而出现标记痕迹，此类打标中将出现明显的蒸发物。 ( 2 ) 刻蚀效应 当激光束照射到材料表层时，材料吸收光能并向内层传导。设材料表面的吸收率 为b ，内部的吸收率为a ，那么距表面深度为z 处的光强为： i = b i o e x p ( 2 a z ) ( 2 5 ) 激光在材料表面热传导使其产生热熔效应，如对透明玻璃和有机玻璃等脆性材料进行 打标时，其熔蚀效应十分明显，无明显蒸发物。 ( 3 ) 光化学效应 对于一些有机化合物材料，当其吸收激光能量后，材料的化学特性将发生变化。 当激光照射到有色的聚氯乙烯( p v c ) 表面时，由于化学效应，使其色彩减弱，与未受 激光照射的部分形成颜色差异，从而得到所需的打标效果。 3 按工作方式 ( 1 ) 掩模式打标 掩模式打标又叫投影式打标，如图2 1 所示，掩模式打标系统由激光器、掩模板和 成像透镜组成，其工作原理是在一块模板上，将待打标的数字、字符、条码、图像等 雕空，做成掩模，经过望远镜扩束的激光，均匀的投射在事先做好的掩模板上，光从 雕空部分透射。掩模板上的图形通过透镜成像到工件( 焦面) 上。通常每个脉冲即可 形成一个标记。受激光辐射的材料表面被迅速加热汽化或产生化学反应，发生颜色变 化形成可分辨的清晰标记。掩模式打标主要优点是一个激光脉冲一次就能打出一个完 整的、包括几种符号的标记，因此打标速度快。对于大批量产品，可在生产线上直接 打标，如片状电容器、集成电路块等电子元件。缺点是标记灵活性差，能量利用率低。 擞光束 掩_ 黼 1 | v * ”# 1 _ 硅 图2 1 掩模式打标原理图 7 掩模板的制作工艺流程：放大制图、微缩记录、基片准备、涂胶、曝光、显影、 染色、检修、镀铬、镀铝去胶。 ( 2 ) 阵列式打标 阵列式打标系统，如图2 2 所示，它是使用几台小型激光器同时发射脉冲，经反射 镜和聚焦透镜后，使几个激光脉冲在被打标材料表面上烧蚀出大小及深度均匀的小凹 坑。每个字符、图案都是由这些小圆黑凹坑构成的，一般是横笔划5 个点，竖笔划7 个 点，从而形成5 x 7 的阵列。阵列式打标一般采用小功率射频激励c 0 2 激光器，其打标速 度最高可达6 0 0 0 字符，秒，因而成为高速在线打标的理想选择，其缺点是只能标记点阵 字符，且只能达n 5 x 7 的分辨率，对于汉字无能为力。 f 一t 捕 图2 ，2 阵列式达标原理图 ( 3 ) 振镜式打标 振镜扫描式打标系统主要由激光器、x y 偏转镜、聚焦透镜、计算机等构成。如 图2 3 所示，其工作原理是将激光束入射到两反射镜( 振镜) 上，用计算机控制反射镜 的反射角度，这两个反射镜可分别沿x 、y 轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有 一定功率密度的激光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下 永久的标记。 图2 3 振镜式打标原理图“ 在振镜打标系统中，可以采用矢量图形及文字，这种方法采用了计算机中图形软 件对图形的处理方式，具有作图效率高，图形精度好，无失真等特点，极大的提高了 激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式，采用这种方式对 于在线打标很适用，根据于不同速度的生产线可以采用一个或两个扫描振镜，与前面 8 昕述的阵列式打标相比，可以标记更多的点阵信息，对于标记汉字字符具有更大的优 势。振镜扫描式打标系统一般使用波长为1 0 6 4 r i m 的n d ：y a g 激光器，输出功率为1 0 1 2 0 w ，激光输出可以是连续的，也可以是q 开关调制的。近年发展的射频激励c 0 2 激 光器，也被用于振镜扫描式激光打标机。振镜扫描式打标因其应用范围广，可进行矢 量打标，标记范围可调，而且具有响应速度快、打标速度高、打标质量较高、光路密 封性能好、对环境适应性强等优势已成为主流产品，并被认为代表了未来激光打标机 的发展方向，具有广阔的应用前景。 2 3 激光打标系统 一套完整的激光打标系统包括：激光器光源、导光系统、匀光系统、计算机控制 系统。 1 激光器光源 ( 1 ) l d 泵浦激光器 本论文所用激光器光源为半导体泵浦全固态激光器。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着分子束外延( m b e ) 、金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 等晶 体生长新技术的日益成熟和量子阱( 删) 、应变量子阱( s l 一错) 等新结构材料的出现， 使得l d 的阈值电流明显降低，转换效率、使用寿命及输出功率成倍增长。另外，新量 子阱材料的发展使i ，d 的激发波长得到了很大的拓宽，覆盖范围已扩展到从蓝光到红外。 高功率、高效率的l d 的发展使全固态激光器从上世纪8 0 年代木起迈上了一个新台阶， 研究内容几乎涉及到了激光技术领域的各个方面，同时也带动了新型固体激光材料、 频率变换技术和l d 泵浦技术的发展。利用调q 和锁模技术可产生峰值功率达几十千瓦的 皮秒级超短脉冲：利用短薄片腔、环形腔或扭转模腔等方法可实现激光器的单频运转： 利用倍频、和频和参量变换等非线性技术可获得更宽波段范围的激光输出。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着l d 的飞速发展，激光二极管泵浦的固体激光器迈上了一 个新的台阶，研究重点己经转向实用化和商品化。国夕b a m o c ol a s e r ，s p e c t r a p h y s i c s s d lc e o a p o l l oi n s t r u m e n t s 等在该领域异常活跃的几十个公司分别推出各种型号的 连续和脉冲小型d p s s l 激光器以及带光纤耦合输出的半导体激光器和l d 泵浦组件。传统 灯泵浦固体激光器，使用l d 作泵浦源都可以成功地加以实现，而且由于d p s s l 自身的特 点还可获得远优于闪光灯泵浦的固体激光器的特性输出。今天，固体激光系统可小到 l d 泵浦的微芯片激光器，大到n f f ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ) 的讵在建造中的有体育场 那么大的大型钕玻璃激光器。l d 泵浦源和新的泵浦、谐振腔设计共同发挥作用，极大 地改善了光束质量。由于非线性晶体的改进，光谱范围有了很大的扩展，不同波长的 输出功率也都有了明显的提高。很多实验室已经有了大量输出高达千瓦级的l d 泵浦激 光器。对于军用和航天系统来说，体积小、功耗低和效率高是很重要的，l d 泵浦的激 光器满足了这些要求并已经得到了广泛的应用。上世纪术国际上d p s s l 基模连续输出已 9 接近1 0 0 瓦，准连续输出的平均功率达1 0 0 0 瓦。1 9 9 7 年r a n d a l lj s t p i e r r e 实现l d 阵列泵 浦n d ：y a g m o p a f m a s t e r o s c i l l a t o r p o w e r a m p l i f i e r ) 的千瓦级输出。倍频后输出绿光 5 j p u l s e 。1 9 9 9 年日本东芝公司实现了半导体泵浦n d ：y a g 连续3 3 k w 、峰值1 3 2 k w 的 激光输出。目前c e 0 等公司已经可以提供商品化的大于4 5 0 w 的半导体泵浦固体激光产 品，价格与同等功率水平的灯泵浦固体激光器相当。2 0 0 0 年2 月1 3 日一1 6 日在瑞士举行 的美国光学学会先迸固体激光器专题会议( a s s l ) 上报道了用l d 泵浦n d ：y a g 相位共轭激 光器获得了9 0 0 w 输出的衍射极限光束。2 0 0 2 年东芝公司报到了世界最高输出功率达 1 1 3 k w 的半导体激光器泵浦的全固体激光装置，电光转换效率达2 2 。如果将d p s s l 和 非线性频率变换技术相结合，可以得到从紫外到中红外的各种工作波长的器件现在已 经有大于1 0 0 w 的二极管泵浦n d ：y a g 板条脉冲绿光激光器的报道。随着非线性频率变换 技术的进步，加上高可靠性的l d 泵浦源，s p e c t r a p h y s i c s 公司采用锁模n d ：y v 0 4 _ _ 2 倍频 技术已经实现了工业用的3 5 5 n m 紫外输出达4 w 的、v a n g u a r d 激光系统，目6 可在诸如直接 光盘印刷、p c 板打孔、医学诊断和研究、图像记录、材料处理以及半导体度量等许多 域领域有替代离子激光器的趋势。现在已有用激光二极管泵浦n d ：y a g 激光器经四倍频 在2 6 6 n m 处输出2 0 5 w 激光的报道。m 1 t 0l i n c o l n 实验室采用光纤直接耦合l d 泵漓 n d ：y a g 被动调q 四倍频微片激光器技术，成功地实现了四倍频紫外激光输出，它的特 点是体积很小，输出的调q 脉冲宽度甚至短于低能量的锁模脉冲。近年来由于激光分离 铀同位素的需要，l d 泵浦的高功率绿光激光器的发展非常迅速，将在不久的将来取代 体积庞大的铜蒸气激光器，现在已有许多大于1 0 0 w 绿光输出功率的报道，其中半导体 泵浦的绿光单台最高输出功率已经达到3 1 5 w ，倍频效率高达8 2 最近已经有近1 0 0 的内 腔倍频效率的报道。从中我们也可以看出，目前l d 泵浦固体激光器有三个主要发展方 向：高功率输出、可见波段输出、紫外波段输出“2 ”“。 国内由于激光二极管的功率水平较低，所以d p l 技术发展受到一定的限制，在小功 率器件方面长春光机所等研制生产的m w 量级小型d p l 绿光激光器己经大批量生产，并批 量出口，目前许多地方建立了m w 量级小型d p l 绿光激光器的生产厂。总的来说，我国在 低功率d p s s l 技术方面比较成熟，产业化方面也蓬勃发展，因产品售价低廉，已占领了 国际市场的大半份额。国内高功率全固态激光器的研究大多处于实验室及样机阶段。 近年来中科院半导体所、上海光机所和石家庄电子1 3 所等单位先后研制成功1 0 一1 2 0 0 w 的连续和准连续激光二极管阵列，为我国开展高功率d p s s l 的研究工作奠定了基础。目 前在d p s s l 激光技术方面，特别是高功率器件方面存在的主要问题是：泵浦耦合技术， 激光二极管泵浦工作介质的热效应及如何降低其影响，不同运转方式及泵浦水平时谐 振腔的设计，如何提高激光输出的光束质量问题，以及获得长时| 口j 稳定运转，高功率 情况下腔内元件破坏等问题，尽管这些问题囡际上已有不少解决方案，但并没有彻底 解决。因此，在国内开展高功率l d 泵浦固体激光器的研制工作是非常必要和迫切的。 与市场现有的灯泵浦固体激光器相比，l d 泵浦的全固态激光器( d p s s l ) 具有许多显 著的优点，主要体现在： 1 0 电光效率：d p s s l 的总体效率要比闪光灯泵浦的固体激光器高一个数量级。相比 于闪光灯泵浦源，l d 的发射光谱很窄，而且恰好落在n d ”离子的峰值吸收谱内。实际上， 闪光灯的电光效率高达7 0 5 ，比l d 的电光效率2 5 5 0 更高，但是闪光灯的发光谱线很宽， 而其中只有很窄一部分谱线内的辐射可以被n d 3 + 离子吸收，而l d 的输出波长则完全与 常用固体激光材料的吸收谱线匹配，这就使得d p s s l 具有高效率，易冷却和热稳定性好 等优点。 光束质量：作为泵浦源的l d 发射光谱与n 矿吸收谱线相匹配的另一优点就是它可 以显著减少激光晶体内所积累的热量，减轻激光晶体内的热效应，从而保证输出光束 质量。另外，在端面泵浦结构中，泵浦光和激光低阶模之问模式可以很好地匹配，这 也保证了激光输出的高效率和高光束质量。 使用寿命：相对于闪光灯泵浦固体激光器系统，l d 泵浦固体激光器系统的寿命和可 靠性也要高得多。l d 在连续工作状态下寿命可达一万小时，在脉冲工作状态下脉冲次 数可达1 0 9 次，而且当半导体激光器运行在额定工作电流的9 0 以下时，其寿命还可以大 幅度提高。相比之下，闪光灯在脉冲和连续工作状态下的寿命分别只有1 0 8 次和5 0 0 d , 时， 而且在闪光灯的发光谱线中有大量紫外光成份，这将引起激光晶体质量的下降，使得 系统工作不稳定，导致需要频繁维修，而这些问题在二极管泵浦的固体激光器系统中 却并不存在。 稳定性：由于半导体激光器输出功率的高稳定性，使得乙d 泵浦的固体激光器的不 稳定度通常可以保持在百分之一以下。相比之下，闪光灯输出功率存在很大噪声和不 稳定性，这也导致了输出功率的不稳定。 结构紧凑与多样性：半导体激光器发射谱线与激光材料吸收谱相匹配，这使得热 损耗降低，减少了外围冷却设备。端面泵浦方式也提高了系统效率，从而打破了传统 灯泵浦激光器系统体积庞大的局限，可以获得高效率、结构紧凑的全固态激光器。相 对于灯泵浦源，半导体激光器输出光束的方向性较好，使得新的泵浦结构，比如端面 泵浦激光器、微片激光器、板条激光器和光纤激光器等成为可能。 与半导体激光器相比，d p s s l 也有它突出的优点，包括发射谱线窄，光束质量好， 峰值功率高，波长范围广等方面，具体如下： 光束质量：典型的d p s s l 的输出光束是接近衍射极限的基模高斯光束，端面泵浦固 体激光器的光束质量很好，一般可以做到光束质量因子m ? 小于1 5 ：相比之下，侧面泵浦 固体激光器的输出光束则是非圆对称的高阶横模。 峰值功率：因为半导体激光器中电子和空穴复合寿命太短( 1 n s ) ，限制了能营的有 效存储，而且激活区损伤阈值低( m w c m 。) ，所以半导体激光器不适合用来得到高峰值功 率相反，固体激光介质中激活离子的上能级寿命一般大于几百个微秒，使得它能够通 过调q 技术获得高脉冲峰值功率。实际上，采用锁模技术，固体激光器可以得到低于1 0 飞秒的脉冲输出，峰值功率超过万亿瓦，这些特点使得它们被应用于许多领域，有助 于更深入地了解许多物理化学过程。 激光波长：利用固体激光器的倍频和混频等技术，可以得到蓝、绿、紫外、甚至 深紫外波段的激光，而半导体激光器目前的波长范围只能从蓝光到红外波段。n d ：y h g 激光器的四倍频输出可以得到2 6 6 n m 的紫外光，它可以被用来激发被污染样品产生荧光 光谱，监测环境污染；n d ：y a g 激光器的倍频技术也导致了高密度光存储器件的发展“”一 ”。l ( 2 ) 告光q 开关 声光q 开关作为谐振腔内起调q 作用的关键部件，是激光打标机的主要组件之一。 声光q 开关能将连续激光调制成不同频率，不同脉宽的巨脉冲激光，其峰值功率高，脉 宽窄，重复频率高，在加工过程中以气化加工为主，传入材料热量小，并能在脉冲间 隔消散，从而实现无损加工。而且，还有工作电压低，易控制，插损低，工作稳定等 特点，已广泛应用于激光打标领域。 声光q 开关由声光介质、换能器、驱动电源等组成。其原理和结构如图2 4 、2 5 所 示。声光介质多采用熔融石英为介质材料，它抗光损伤阈值高，光透射率高，化学稳 定性好，易于机械加工，耐热冲击品质高。电声换能器多采用频率特性适合，机电耦 合系数高，声阻抗与熔融石英阻抗匹配并能有效激励纵波的l i n b o ；单晶体。另外，可在 声光介质材料的底部涂上吸收声波的材料，用束吸收声波，实现介质内部声波以行波 状态工作“1 。 图2 4 声光q 开天原理图 驱动源产生的几十兆赫兹的射频电压加在换能器上，换能器将电能转化为机械能， 进行机械振动产生超声波，在超声介质中形成超声光栅。激光通过超声光栅时产生衍 射，使光束偏离出谐振腔，造成腔内损耗增大，q 值降低，不能形成激光振荡。光泵不 断激励，工作物质上能级粒子数不断积累到最大值，当驱动源输出的调制信号将声光 介质中的超声场撤掉时，则衍射效应消失，腔损耗减少，q 值猛增，激光振荡迅速恢复， 能量以巨脉冲形式输出，调制信号以0 5 0 k h z 的重复频率工作，则可以得到重复频率为 o - 5 0 k h z 、脉宽为n s 量级的高重复频率的巨脉冲。出于声光q 开关所需要的调制电压很 低，一般在2 0 0 v 以下，容易实现对连续激光进行稳定的调q 。 1 2 图2 6 导光系统所用光纤 激光加工用的光纤与普通光通信用光纤不同，需要传输高功率激光，要求能承受 高功率密度，一般芯径较大，为几百到上千微米。影响光纤传输的因素包括光纤的数 值孔径、纤芯的尺寸、纤苍和包层的相对折射率差，光斑尺寸，激光功率、光纤端面 质量、连接耦合、光纤长度等参数。 ( 2 ) 多关节式导光系统 多关节式导光系统是将多个光学关节组合在一起，形成导光臂，每个关节处有一 图2 7 导光系统所用多关节导光臂 个4 5 0 转动反射镜，使其绕入射光轴线转动，以改变光束方向，多个转动反射镜组合， 可以按任意方位到达任何需要加工的位置。 3 匀光系统 激光加工系统中，匀光系统的作用是将激光束均匀、快速、完整地照射到某一较 大范围内，以满足不同加工的要求。对于振镜式激光打标，由于振镜以一定频率振动， 经其反射再聚焦后使激光点在被打标工件上扫描，扫描的焦平面与工件平面不重合， 需要加平场透镜加以矫正。 ( 1 ) 振动镜 振动镜是机械振动式反射镜，简称振镜。一般采用两个带有长方形光学反射镜片的 伺服控制器在相互垂直的x 、y 方向以不同的频率扫描。振镜上的反射镜镀膜，以提高 其反射率。计算机编辑出所要加工的程序文件，专用d a 卡完成数模信号的转换，分别 由两个伺服控制器驱动x 、y 两个方向的振镜，使激光束在x 、y 两个方向进行扫描合成， 完成所需的加工程序，两个振镜的扫描频率为数百赫兹。 振镜分为动圈式结构和动磁式结构，如图2 8 所示，动圈式结构，即信号电流进 入线圈时，载电流线圈产生磁场与作为定子的永磁体相互作用，线圈带动反光镜片转 动，转动角度的大小、方向与进入线圈电流的大小、方向有关。动磁式结构，其转 1 4 子为一永磁体，信号电流进入定子上的线圈，线圈产生的磁场与转子上的永磁体相互 作用，推动转子带动反光镜转动。其原理与检流计相似。质量好的振镜峰值力矩大， 负载惯量大，扫描角度范围大，反应速度快，机电延迟时间小，动作稳定，漂移小， 图2 8x - y - - 维扫描振镜 精密轴承尽可能消除轴向跳动和径向跳动，使用寿命长，长期工作可靠性好。高精度 位置检测技术保证了重复精度和高分辨率。用在激光精密打标、雕刻等加工时，必须 选用高质量振镜。用于激光舞台表演时，精度要求不必严格苛求。对于大功率激光束， 必要时振镜还需要冷却。 ( 2 ) 扩束镜 扩束镜是一个伽利略望远系统，如图2 9 所示，待扩束的光束从望远镜系统的目 镜入射，从物镜出射。虽然激光束的发散角很小，但仍然有几个毫弧度，发散角的存 在直接影响聚焦的效果。扩束镜的用途是压缩光束的发散角和增大光束直径，以减少 聚焦光斑尺寸。 图2 9 匀光系统所用扩束镜 若物镜和目镜的焦距分别为f 和f ，扩束镜将输入的光斑直径为r 的平行光变为输出的光 斑直径为r 的平行光，则 r = m f( 2 1 0 ) 光束经扩束后，输出光束的发散角0 = r o r ，o 为入射光束发散角。这说明发散角的压缩 倍率和光束扩束倍率相同。 假设激光束通过透镜m 3 后的光斑和发散角分别为o j o 和臼，则 d ) ( j ) 2 t o o ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 其中哦。) 是入射光斑。l 是入射光腰斑( i ) o 与透镜m 3 的距离，f 3 是透镜m 3 的焦距。因为 成像在透镜m 4 的后焦平面上，通常透镜m 4 的焦距f 4 比透镜m 3 的焦距f 3 要长一些，这样 具有光斑的高斯激光束将被准直，其准直度t 为 丁= 知仃等) 2 口” 1 vi 黝2j 、7 其中t , = f j f 。，经扩束镜后的光斑”和发散角伊分别为 * ：盟 刀功0 口。：旦 r 将( 2 1 1 ) 代入( 2 1 5 ) 得到 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ”= 正1 ( 2 1 7 ) 从方程( 2 1 4 ) 到( 2 1 7 ) 可以看出，扩束镜的扩束倍数和准直度不仅与扩束镜有关， 而且与激光束的参数和位置有关。 ( 3 ) 平场透镜 激光束经过振镜扫描，若用普通透镜聚焦后，扫描的焦平面将是一个扇形面，与待 加工的平面不重合，因此需要用特殊的透镜系统平场透镜( f - o 透镜) 加以矫正。 这种透镜系统能保证平面聚焦，在整个扫描范围内，聚焦光斑均匀，直径不变，在聚 焦平面内光斑现行扫描，有足够大的视场。 f - o 透镜具有以下特点： 对于单色光成像，像面为一平面，而且整个像面上像质要求一致，且像差小，无 渐晕存在。 一定的入射光偏转速度对应着一定的扫描速度，因此可用等角速度的入射光实现 线性扫描。 入射光束的偏转位置一般置于物空间前面焦点处，像方主光线与光轴平行。可在 很大程度上实现轴上、轴外像质一致，并提高照明均匀性。 1 6 丛蛳旦吲 = = 伊 整个透镜系统是由多个镜片组成的组合透镜，按功能分为两部分。如图2 1 0 所示， 首先是由多个镜片胶合的聚焦物镜，它把扫描的入射平行光束会聚成高质量的聚焦光 斑，按照加工需要由计算机程序控制光斑快速运动，只有残余的场曲。光线再经过一 个特殊的平场透镜( 负透镜) 使场曲展开成平面。这样就保证了无论聚焦光斑如何运 动，聚焦的焦平面始终与工件表面重合。 图2 1 0 匀光系统所用平场透镜 f - o 透镜的工作原理“1 ： 对于一般的光学透镜，当一束激光射向处于透镜焦点的反射镜时，光线通过反射 镜反射和透镜折射后汇聚于透镜的像面上，其理想像高y = f t g o ，即像高y 与入射角0 的正切值成正比。这种透镜用于激光扫描系统时，由于理想像高与扫描角0 之间不成线 性关系，因此以等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度并不是常数。为了实 现等速扫描，应使聚焦透镜产生一定的负畸变，使它的实际像高比几何光学确定的理 想像高小并与扫描角0 成线性关系，为此必须用两个或两个以上的镜片组成的镜片组来 取代单个镜片。所谓f - o 镜，就是经过严格的设计，使像高与扫描角满足关系式y = f 0 的镜头，因此f - o 镜又称线性镜头。 f - o 透镜的性能要求： 扫描范围：这是使用者最关心的问题，镜头能扫描到的面积越大，当然越受使 用者的欢迎。但是如果一味的增加扫描面积，会带来很多的问题。如光点变粗，失真 加大等等。 焦距( 跟工作距离有一定关系，但是不等于工作距离) a 扫描范围跟场镜焦距成正比扫描范围的加大，必然导致工作距离的加大。 工作距离的加长，必然导致激光能量的损耗。 b 聚焦后的光斑直径跟