（光学工程专业论文）高频率脉冲固体激光深雕刻技术研究.pdf

摘要摘要随着激光技术的不断发展，激光的用途越来越广泛，其应用扩展到更多的领域。本文针对企业对低碳钢压力容器钢瓶瓶身雕刻字符效率、美观度以及雕刻稳定性提高要求，提出用高频率自由运转脉冲灯泵n d ：y a g 激光雕刻代替传统的辊压成型技术进行低碳钢瓶瓶身字符标号的雕刻，不论美观程度或者雕刻速度上都满足了企业生产的需要。文章首先基于激光与金属材料的作用机理，分析了激光打孔和切割的技术特点；在此基础上总结激光深宽雕刻的技术特点，比较其与前两者的不同；分析m s 级脉冲激光加工的特点，比较了连续激光雕刻和m s 脉冲激光雕刻的区别，提出用m s 级脉冲激光在低碳钢瓶上进行深宽雕刻，一次成型，高效美观。研制适用激光深雕刻的高频率自由运转脉冲灯泵n d ：y a g 激光器，具有高重频和高脉冲能量的特点。实验选取最佳腔长和最佳透过率以获取最大功率的稳定输出。通过实验得到重复频率1 0 0 h z ，单脉冲能量3 j ，脉宽l m s 的高频率脉冲激光输出，光束质量2 0 m m * m r a d ，功率不稳定性 0 5 m m ，宽度能达到l m m ，雕刻速度最高达到4 0 m m s 。关键词：激光深雕刻；高频自由运转n d ：y a g 固体激光器；m s 激光加工a b s t r a c ta st h er a p i dd e v e l o p i n go fl a s e rt e c h n o l o g y , i tw a sa p p l i e di nm o r ea n dm o r ea r e a t or e s o l v et h ep r o b l e mo fe n g r a v i n gc h a r a c t e ro nt h el o wc a r b o ns t e e lp r e s s u r ev e s s e lm o r eq u i c k l y , f l e x i b l ya n dh i g he f f i c i e n t l y , w eu s eh i g hf r e q u e n c yn d ：y a gs o l i ds t a t el a s e rt oe n g r a v eo nt h el o wc a r b o ns t e e lp r e s s u r ev e s s e l b a s eo nt h et h e o r yo fl a s e rp r o c e s s i n go ns t e e l ，w ea n a l y z et h ec h a r a c t e ro ft h el a s e rp r o c e s s i n gt of i n dt h ed i f f e r e n c eo fl a s e rc u t t i n ga n dl a s e rd r i l l i n g t h e nw ea n a l y z et h el a s e re n g r a v ep r o c e s s i n ga n df i n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea b o v et w o w eu s em sp u l s es o l i d - s t a t el a s e ri n s t e a do fc o n t i n u o u ss o l i d s t a t el a s e rt oe n g r a v eo nt h el o wc a r b o ns t e e lp r e s s u r ev e s s e la n da n a l y z et h ec h a r a c t e r 1 r oa p p l yi nl a s e re n g r a v e , w ed e v e l o p e dah i g hp o w e ra n dh i g hf r e q u e n c yn d ：y a gl a s e r s ap l a n e - p l a n er e s o n a t o ri su s e df o rh i g he n e r g ya n dh i g hf r e q u e n c yp u l s es o l i d 。s t a t el a s e r ；w eg e tab e s tr e s o n a t o rc a v i t yl e n g t ha n dt h eb e s to p t i m a lr e f l e c t i v i t yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h eo u t p u tf r e q u e n c yi s10 0 h z , t h ec o r r e s p o n d i n go u t p u tl a s e re n e r g yw i t hc o m p r o m i s e dg o o db e a mq u a l i t yo f 2 0 m m m r a d i n t r o d u c eo ft h eo u t p u to p t i c a ls y s t e mw h i c hw a su s e di nt h ep r o c e s s i n go fe n g r a v e t h e r ea r e5r e f l e c t e dm i r r o r st oi n t r o d u c et h el a s e rb e a mi 1 1 t ot h e10 0m mf o c u sm i r r o r t h eb e a mw a sf o c u s e di n t o0 3 m mp a r a m e t e r a n a l y z et h et h e o r yo ft h ef o c u sc h a r a c t e ra f f e c t e db yt h eb e a mq u a l i t y i nt h ee n d ，w ed os o m ee x p e r i m e n to fl a s e re n g r a v e w ef i n dt h eb e s tp a r 锄e t e r st og e tab e t t e re n g r a v i n gr e s u l tw h i c hu s eo u rd e v e l o p e dl a s e r a sar e s u l t ，w ef i n dt h eo x y g e np r e s s u r ea n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h el a s e ra n dt h ew o r kp i e c ei st h em a i nr e a s o nt ot h ee n g r a v i n gr e s u l t d os o m ea n a l y z et ot h er e s u l ta n df i n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h er e s u l ta n dt h e s ep a r a m e t e r s b a s eo nt h ee x p e r i m e n t s w eg e tab e s te n g r a v i n gs p e e do f4 0 m m s k e y w o r d ：l a s e re n g r a v i n gb e a mq u a l i t yp u l s en d ：y a g1 a s e rm s - l a s e rp r o c e s s i n gi l独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：递l 题亳导师签名：日期：! 艺f 第一章绪论第一章绪论弟一早珀下匕1 1引言随着激光技术的不断成熟，高功率激光已广泛地应用于工业焊接、切割、热处理及标识等加工领域。按激光加工的应用类别分切割约占4 0 ，标刻和焊接各占2 0 ，表面改性、打孔和微加工各占1 0 n 。3 l 。按照光与物质相互作用的机理，可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指激光束作用于物理引起的快速热效应的各种加工过程；光化学加工是指激光束作用于物理，借助高能量密度光子或者控制光化学反应的各种加工过程，也称为冷加工。激光微加工是将激光束作用与于物体表面而引起物体形状或性能改变的加工过程。激光微细加工技术不仅可以方便地加工硅、金刚石、石英、人造金刚石、玻璃、陶瓷和硬金属等材料，也可以对容易产生塑性流动的低硬度聚合物材料进行加工。激光本身的高亮度、高单色性和方向性决定激光具有独特的加工优点：( 1 )激光的能量密度高，达到1 0 4 1 0 7 w c m 2 ，从而热输入低，热影响区窄，加工时产生变形量小，特别是用于精密、热敏感部件的加工；( 2 ) 激光加工时冷却速度高；( 3 ) 因为是非接触加工，无工具损耗；( 4 ) 激光具有良好的传输和聚焦特性，可以利用光导纤维方便的实现远距离的传输，可以在某些特殊空间作业，也可远程作业。激光加工这些优点使激光加工成为2 1 世纪先进的加工技术。激光雕刻技术是上个世纪7 0 年代兴起的一门崭新的工业加工技术，在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。工件在足够高功率密度的激光束照射下，被加工材料表面迅速升温达到熔化和气化温度，从而使材料气化蒸发或熔融溅出，从而在材料表面雕刻出一定深宽度要求的字符或者网纹辊。相比于传统的雕刻技术，激光雕刻技术具有非接触、无污染、可实现深宽雕刻效果的优势。而且，随着激光器质量的提高和控制系统的改善，激光雕刻技术得到了越来越广泛的应用，并为推动相关学科的发展提供了新的思路，成为激光加工领域的重要特色之一。激光雕刻主要包括激光打标、激光光刻蚀、激光深雕刻等，这些技术的应用已经比较成熟。激光深雕刻一般应用于激光雕刻网纹辊，激光雕刻原子章等，当需要雕刻较深较宽的字符时，需要多次扫描填充，效率较低。1 2应用背景每个钢瓶都有一个“身份证号 ，如图1 - 1 所示。压力容器生产企业在低碳钢钢瓶瓶身上刻标号，传统上采用辊压技术。即刀具在瓶身快速辊压成型，速度快，生产效率高。但是有生产过程中发现许多问题，亟需解决：l 、当生产瓶体北京t n 学r 坝i 。t z表i h v i 规n u j 。，导致刀具与瓶身接触不充分，从而辊雎m 柬的字体不均匀，效果小美观；2 、自动化程度不高。每个瓶子的标号足不一样的，所以一部分字体需要人工手敲，耗费人力，牛产效率低，报废率高。一以自动排版的辊压机价格又极其昂贵：3 、川具磨损严重。幽卜1 低碳钢瓶样品f i g1 - 1l o w c a r b o n8 t e d p r 酷s u t e v e s s e l根据企业在低碳钢压力容器表面快速灵活标刻字符的要求，基于激光雕刻的特点，我们提出m s 脉冲激光雕刻低碳钢瓶的方案，代替了连续激光雕刻和传统的调q 振镜扫描填充雕刻，自行研制出了一套基于脉冲n d ：y a g 激光器一次成型深宽雕刻系统。相比于传统的雕刻方式，有其非常独特的优点：无接触加工，无机械变形：加工质量好，精度高；自动化程度高，无须人工二次加工，节省人力成本，稳定性提高：加工一次成型，效率高，完全摈弃了传统调q 振镜扫描式标刻的字符很浅很窄，需重复多次标刻，效率极低的特点。相比于连续激光，脉冲激光峰值功率高，加工过程中可以增强金属汽化效率，有效减小再铸层厚度，提高雕刻效率；其脉宽和重复频率可调，可以通过对出光时间的控制有效解决加工过程中出现的过烧现象。在连续激光器进行深宽雕刻过程中出现了一些工艺问题，比如加工稳定性的问题，雕刻复杂字符时候线条均匀性的问题以及雕刻中常见的过烧问题t 针对这些问题提出解决方案，用我们自行丌发研制的脉宽和频率可调的n d ：y a g 脉冲激光器取代连续激光器进行深宽雕刻，以求达到字体美观，工作效率高，工作稳定性好等要求。第- 市绪论1 3激光深雕刻的发展现状激光深雕刻主要属于热加工领域，加工工艺类似于切割，但是加工目的不同。激光切割目的是把工件彻底分离，但是激光深雕刻要求在工件表面上刻出一定深度和宽度的刻痕。激光深雕刻的深度和宽度要求一般在l m m 左右，因此可称作“浅切割”。各种材料的激光打孔切割技术已经非常成熟，包括金属、非金属、塑料。激光切割板材不需要磨模具，目前已经广泛应用于汽车、机床车辆制造、航空、化工、轻工等工业部门中。和激光切割类似，在激光深雕刻低碳钢时需要吹纯氧辅燃，提高雕刻效率。与激光切割需要在焦点位置加工不同，由于对宽度有要求，激光雕刻需要离焦加工。这样直接导致打在工件上的光斑增大，功率密度下降，加工速度降低。如何提高雕刻速度，同时保证雕刻质量成为加工过程中最为关键性问题。激光深雕刻区别于激光标刻，后者机理上属于光化学反应。传统的调q 式振镜扫描雕刻，其雕刻效果又浅又窄。这种激光雕刻方式已经成熟用于仿古家具的镂空雕刻，石碑碑文和原子印章雕刻。其中激光雕刻原子印章技术的出现，使印章业跨入了大规模现代化生产时期。其优点在于能大批量生产，效率大为提高。目前我国印章雕刻用的c o 。激光雕刻系统已批量生产“1 。并满足于市场需求。这些应用都比较成熟，但是加工过程需要多次重复雕刻，效率不高。基于效率考虑，需要研制新型激光深宽雕刻可以一次成型，雕刻字体美观大方，深宽比合适。目前采用调q 振镜扫描式的n d ：y a g 打标机占据了广大市场，此种标刻方式快速灵活，标刻出的字符平滑美观，但是其仅能在材料表面标记出很浅很窄的印记，利用这种方式在材料尤其是金属材料上标刻既深又宽的字符则需要多次反复刻，这样就会耗费很长的时间，效率极低，远远不能达到生产的要求，称为“扫描填充法 。激光深雕刻也不同于传统意义上的微刻蚀，后者应用于微电子领域。掩模板上的电路图形，在光照下直接投影到硅片的感光剂上进行曝光。采用准分子激光进行微刻蚀，适合于陶瓷、高分子材料的微细加工，更多的用在科学研究中，是一种冷加工。激光深雕刻按激光器可分为c 0 ：激光雕刻、n d ：y a g 激光雕刻，主要应用在激光雕刻陶瓷网纹辊，很大程度上满足了柔性板印刷业的发展需要。与我们所说的激光深雕刻材料不同，在陶瓷上雕刻，技术成熟应用。基于以上分析，开发针对深宽字符雕刻需求的激光雕刻系统有其独特的应用前景。1 4本论文研究内容基于提高雕刻效率和改善雕刻效果的目的，研制了n d ：y a g 脉冲激光雕刻系北京t q k 人学t 导：硕1 仑义统。激光器采用大模场对称平行平面腔，双k r 灯泵浦，重复频率和脉宽可调，最高平均功率达到4 5 0 w ，光束质量2 0 m m * m r a d ，5 1 2 作1 2 个小时输出功率不稳定度 o 5 m m ，雕刻宽度l m m ，雕刻速度3 0 m m s 雕刻字符均匀，长时间工作稳定，无过烧现象，字符美观，可清晰辨识。第一? 辛激光雕刻理论分析第二章激光雕刻机理分析激光深雕刻与激光打标的机理不同，属于热加工领域，吹纯氧辅燃。激光雕刻属于激光加工物理学范畴，研究不同的激光参数与物质相互作用的关系。激光深雕刻与其它的激光加工最大的不同在于非焦点加工。雕刻要求保证雕刻字体的深宽比均匀，宽度在l m m 左右。这就要求加工时工件处于离焦位置，从而大大降低了激光的功率密度，同时也满足不了雕刻速度上的要求，给加工造成了很大的难度，也是系统应用的难点所在。激光深宽雕刻采用纯氧助燃，保证宽度和深度要求。作用原理类似于切割方式中的氧化熔化切割或者氧化气化切割。低碳钢表面被激光束照射后，温度迅速升高达到燃点，由于纯氧作用，被加热的材料被迅速点燃，燃烧波迅速向碳钢内部横向和纵向传播，导致低碳钢表面被迅速烧蚀，形成盲孔。加上氧化作用相当于双热源，其中燃烧所占比例将近6 0 左右。所以对加工效果的控制一定要把激光和氧气两者很好的结合起来【5 】。2 1 脉冲激光深雕刻机理2 1 1 激光与金属材料作用一般规律激光与材料的作用机理分为热加工和冷加工两种。激光热加工是指利用激光的高能量密度与物体作用引起的快速热效应；冷加工是一种光化学反应，借助高能量密度光子与物体发生光化学反应。金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，激光被加工材料吸收并转化为热能。在不同功率密度的激光束照射下，材料表面区域将发生各种不同的变化，这些变化包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔以及产生光致等离子体等。当激光功率密度i 小于1 0 4 w c r n 2 数量级时，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高，但维持固相不变，主要用于表面退火和相变硬化处理。当激光功率密度i 在1 0 4 1 0 6w c m 2 范围之内时，材料表层发生熔化，主要用于金属的表面重熔和熔覆等。当激光功率密度达到1 0 6w 伽2 数量级时，材料表面在激光束照射下强烈气化，气化膨胀压力作用导致液态表面向下凹陷形成深熔d , ；f l ，与此同时，金属蒸汽在激光束作用下电离产生光致等离子体，这一功率密度主要用于激光的深熔焊接、切割和打孔等。当激光功率密度i 大于1 0 7w 伽2 时，光致等离子体将逆着激光束的入射方向传播，形成等离子体云团，出现等离子体屏蔽激光的现象。这一阶段一般只能适用于采用脉冲激光进行诸如打孔、冲击硬化等加工工型刚。当激光照射在金属材料表面时，激光的一部分能量将在一个很薄的表层内被吸收并转化成热，导致表面温度升高，当激光功率密度大于材料蒸发所需的临界北京t 业大学t 学形! i 。论义功率密度时，物质开始蒸发，气体加热并加速，同时产生反冲作用在材料表面形成一定的反冲压力，此压力正比于激光强度和材料对激光的吸收率。压力使熔融金属表面下陷形成小孔，如图2 1 所示。为了形成小孔，压力必须达到临界值，克服表面张力、静压力和液体的流动阻力。图2 1 激光形成小孔效应f i g2 - 1e f f e c to f l a s e rh o l e s激光深雕刻属于热加工范畴，激光功率密度在1 0 7w c 所2 左右，作用机理类似于激光氧化切割。2 1 2 激光深雕刻与打孑l 、切割的区别激光切割将材料快速加热至气化状态，蒸发形成小孔，并使光速与材料相对移动，实现连续洞口成切缝。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料【4 1 。根据激光切割过程本质的不同，分为以下三种：气化切割、熔化切割和氧化助燃切割。气化切割中，材料的去除靠激光瞬间使材料气化，材料表面形成小孔，小孔相当于黑体，再加上表面氧化等因素，材料对激光的吸收率急剧增大，部分材料作为喷出物从材料底部被高压气流吹走形成切缝。这种切割方式主要采用脉冲激光，切割一些不能熔化的材料。切割过程中，蒸汽可以随时带走熔化质点和冲刷碎屑，形成空洞。这也是激光打孔的基本形式。金属材料通常不采用这种方式。熔化切割激光功率密度较低，先将材料熔化，然后被辅助气体吹出。这种切割主要用于不能和氧发生反应的材料，如铝。氧化气化切割采用氧气助燃，材料在激光照射下被点燃，与氧气发生剧烈的放热反应，如在切割钢时，发生下述反应：凡+ 0 5 q - - + f e o + 6 4 3 k c a l i t o o l2 f e + 1 5 0 2 一f e 2 0 3 + 1 9 8 5 k c a l i m o l3 f e + 2 0 2 - - + f e 3 q + 2 6 6 9 k c a l m o l放出的热量为后续切割体供热量，钢在纯氧中燃烧所放出的能量占全部热量的6 0 。因此这种方法所需激光能量是气化切割的1 2 0 。氧气流对切口起冲刷作用，能将燃烧生成的熔融氧化物吹掉，并对达不到燃烧温度的部分起冷却的作用，降低热影响区的温度。对低碳钢的深雕刻也采用这种方法。第：币激光雕刎理论分析激光打孔类似于气化切割，采用焦点加工方式，材料被聚焦照射形成上万摄氏度的高温，使材料瞬时熔化或气化。由于熔体温度的不断升高，同时由于激光脉冲的热冲击作用，材料的气化物夹带着熔化物从熔体底部以极高的压力向外喷射，伴随着爆炸和冲击，在被加工零件上形成孔洞。具体过程可分为五个阶段：l 、表面加热；2 、表面熔化；3 、蒸发；4 、蒸发喷射；5 、流体喷射【6 1 。激光深宽雕刻低碳钢瓶，作用机理上类似于脉冲激光打孔和氧化熔化切割。与前两者最大的不同在于，离焦加工。一方面要利用激光的高能量密度特点，另一方面为了满足深宽度的需要。由理论可知，能量密度越高，加工速度越快。追求宽度必然导致深度的减小和加工效率的损失。但是由于对加工精度要求不高，所以可以在脉冲打孔的基础上加上氧气辅燃，从而提高了效率，增加了对加工过程的有效控制。所以激光深宽雕刻相当于一种“浅切割 或者是打“盲孔 ，相对于“扫描填充法 深雕刻，我们称为“切割法。2 1 3m s 级激光加工的特点脉冲宽度1 m s 的激光束作用于金属及合金时，相比于连续激光作用，其加热和冷却速度极快，并伴随着材料的熔化、蒸发和崩剐7 】。影响激光加工效率的因素除激光功率密度外，还有材料对激光的吸收率。当激光开始作用时，由于材料表面为室温，反射率高。当光照区温度逐渐上升到熔点，反射率迅速下降。光照区处于熔化状态，反射率基本稳定于某一值。随着熔化区温度继续上升，材料表面达到沸点时，反射率又一次迅速下降睛1 。典型变化曲线如图2 2 所示：图2 2 金属反射率随激光作用时间的变化f i g2 - 2r e l a t i o nb e t w e e nr e f l e c tr a t ea n dt i m eo fl a s e re f f e c t图中所示铜的反射率随脉冲激光作用时间变化的曲线，其趋势是随温度升高吸收率增大。激光雕刻时，希望尽快使材料加热和气化，这样可使周围材料的热负荷最小，从而使热传导引起的能量损耗也最小。因此，雕刻应采用持续时间短、峰值功率高的脉冲，从而大大提高作用在材料表面的激光利用率，并且提高吸收效率。相比较而言，连续激光由于激光功率不变，峰值功率远低于脉冲激光，所以加工过程中能量利用率不高，产生过多的废热，非规则的传递到金属材料表北京t 、j k 人掌t ! # f 哆! i j 论艾面，引起加工突变，导致雕刻结果不理想。加工过程中，m s 脉冲激光器峰值功率高，从而可以获得宽度窄而均一的切口、垂直而光洁的切割面，但雕刻速度大大低于连续激光雕刻。另外，由于金属的热传导性强于非金属，脉冲激光快热快冷的特性刚好适用于高速的金属加工。峰值功率和脉冲频率影响加工面的粗糙度和热影响区宽度1 。频率越大，切割面的粗糙度降低，但频率高于某一值时，粗糙度反而增大。峰值功率增大，粗糙度降低。同时在减小热影响区宽度时，频率应该降低，峰值功率应该增大。由此可以判断，要获得雕刻精细效果，用m s 脉冲激光取代连续激光作业可以达到更好的效果。在激光雕刻过程中，会遇到复杂字体的拐点，尤其是尖角，如果采用连续激光，在拐点处会造成大的能量堆积，必然会带来过烧现象。但是采用脉冲激光，通过降低激光频率，提高雕刻速度，可以有效减小热影响区宽度，从而轻松雕刻出尖角。c 0 2 连续激光切割l m m 低碳钢板，功率3 5 0 0 w 时，最高速度可达8 0 m m s ，而用m s 级脉冲激光雕刻速度平均功率3 0 0 w 时就可以达到4 0 m m s ，得到深宽度均为l m m 的字体。2 2 激光深宽雕刻技术的特点类似于脉冲激光打孔，激光雕刻也是在极短的时间内完成的。雕刻初始材料吸收光能并以热能的形式向材料内部传递，当材料表面温度达到材料的熔点温度时，等温面向材料内部推进。由于熔体温度不断升高，同时受到激光束的热冲击作用，使熔化了的或达到气化的熔体向外喷射或蒸发，从熔体底部以极高的压力向外喷射或蒸发排出熔体达到去除的目的即实现了雕刻。激光打孔时孔径和孔深的估算公式如下：d = 2 3 a l e 7 r ( l b + 2 l 。) ) “h = 3 a l e n t 9 2 伊( l b + 2 l ) 】) “式中a l 为材料吸收率，e 为激光脉冲总能量，k 为激光的气化比热，l m 为材料的熔化比热，f o 为发散角。由以上公式可知，深度和宽度与激光的脉冲能量成正比，激光功率大小会对雕刻发生重要影响，激光功率和雕刻速度决定输入到工件上的能量。所以雕刻时希望设置最大功率以获取最高的雕刻速度。提高雕刻速度，一是为了提高生产效率，其次是可以提高拐点处的整体速度，从而作为避免过烧的一个手段。由于激光可提供极高的功率密度，对于大部分材料在被激光照射后的瞬间，就可把光能转化为晶格内的热振荡，从而将光能转化为热能。在初始时刻，材料的表面会将入射光反射掉一部分，在材料表面出现液相或气相后，材料表面对激光的反射越来越小，大部分的激光能量都用来加热材料，伴随着材料的汽化过程第币激光雕刎理论分午斤高压的气体将融化物喷出。当此过程趋于稳定时，热扩散与用于材料去除的能量比例平衡时，孔径不再变化，而形成圆柱段。随着材料地不断去除，高温高压区沿着光轴逐渐深入。当光照结束时，材料去除迅速停止，由于激光脉冲的末尾光强逐渐减小，在孔的末端会形成锥形的收尾。未被飞溅出的液相融化物随着温度的急剧降低而附着在孔壁上形成再铸层，此外，在凝固过程热应力及液相表面张力的作用下，超过材料热弹性应力的破坏阈值时，还会把材料拉裂而形成微裂纹幢纠。脉冲打孔的典型孔形形状如图2 3 所示。图2 3 激光打孔示意图f i 9 2 - 3l a s e rd r i l l i n g分析图2 3 可知，激光打出的孔存在的主要问题【1 2 】：孔为椭圆形且轴剖面为锥形；存在熔融层。出现这些问题的主要原因：出现椭圆型的主要因为光斑能量分布不均匀，出现锥形的原因是激光发散角较大；脉冲激光波形直接影响熔融层。这些问题同样存在于激光雕刻过程中。辅助气体作用是从雕刻区吹除熔渣，同时与高温金属溶液发生放热反应，增加能量输入。用氧气雕刻低碳钢时，雕刻速度可以提高1 3 一- 1 2 6 1 。所以，对进入雕刻区的气流量要大并且速度要高，以便有充足的氧气使切口材料充分进行放热反应，并有足够的动量将熔融材料喷射带出，同时还要抵抗喷射材料的反向冲力。高速雕刻过程中，增加气体压力可以提高雕刻速度，但是不能过大，过大则容易引起过烧。控制气压大小同时由喷嘴直径和喷嘴与工件距离控制。喷嘴直径增加，气流对切割区的强烈冷却作用会使热影响区变窄，但喷嘴直径过大将导致切缝过宽。气体出喷嘴后，沿喷嘴轴线将交替出现气流高压区，高压区工作，雕刻效果好而且稳定，但是不能太近，防止熔渣堵塞喷嘴，一般在3 m m 左右。由于激光功率密度影响雕刻速度，所以焦点和工件的相对位置恒定对保证雕刻质量尤为重要。一般切割时聚焦光斑位置应靠近工件表面，并略在工件表面以下，此时切缝最小，效率最高。但是为了增大切口，即获得宽度合适的雕刻效果，需要离焦加工，随之损失了雕刻速度。所以雕刻过程中离焦量的大小是一个重要指标。通过上述分析可以推断，在工艺试验过程中对雕刻效果的影响因素主要有以下四个方面：1 雕刻速度控制：2 输出功率、重复频率和脉宽：3 离焦量的大小：4辅助气体压力所以激光雕刻过程中关心以下几个方面。北m l n t 碘f z22 1 过烧问题如图2 - 4 所示，激光雕刻过程中山于能量堆积，最容易出现过烧现苏，兄其是拐点处的过烧和终点处的过烧，影响了美观度。雕刻过程巾由于激光频率很高，达到l o o h z ，光在某点上能量的堆积过多，过烧点比其他点的深度要深的多能量纵深后。由于没打穿，形成小孔内能量大量反射吸收，材料枝阜【化，加上氧气的助燃作用，材料在小孔内横向迅速融化，小孔变大形成过烧。拐点处速度上有一个先减速后加速的变化，能域堆积过重：终点处关光后光停止运动，但是由于光路较长，15 m 的光路有较大的能量堆积，所有能量全部打在最后一个点上，导致终点的过烧。一个字的过烧就导致整个瓶子的报废，所以彻底避免过烧现象是雕刻首要解决的问题。瞰2 - 4 过烧现象f i 9 2 - 4 b mo v 日m u c h 口h 0 n通过分析我们提出几个方案。方案一，改变雕刻轨迹，可使激光在拐点处绕行，如此不发生速度、方向的突变，且各点受热均匀，保证了拐角的光滑锐利。方案二，改变工艺参量，提高激光峰值功率，脉宽可凋，使平均功率下降，以适应加工速度的变化。方案三，提高雕刻的整体速度，提高脉冲频率，使拐点处停留时问尽可能短，减少拐点处的能量堆积。2 2 2 稚刻速度的控制由于企业对加工效率的要求，雕刻速度越快越好，但是速度也不能过快。由于激光器是高频脉冲输出，如果速度过高，点与点之间接不上，导致如下图2 5所示打点不连续的情况，严重影响了雕刻效果和识别度。所以在提高速度的同时，改变激光参数，避免不连续的情况出现。幽2 - 5 打点不连续f i 9 2 - 5h i 曲f r e q u a l c ye n g r a v i n ge f f e c t2 2 3 喷嘴的影响氧气压力是影响切割质量和切割速度的重要因素。喷嘴气流压力过低，吹不走切口处的熔融材料：压力过高，易在工件表面形成涡流削弱了气流去除熔融材料的作用。另外，加工过程是氧气辅燃。所以喷嘴出来氧气的形状也影响雕刻的宽度。喷嘴越大，宽度越宽。加工时选取喷嘴要适当，达到最佳加工效果。一般激光雕刻喷嘴的出气口径选择l _ 2 m m l5 m m 左右。2 24 离焦量的影响加工对字符深宽度有严格要求。影响深宽比的因素主要是聚焦光斑和功率密度的太小，在加工过程中选取合适的离焦量是最重要的工作之一。不同工艺参数条件下加工效果的对比包括：深度、宽度速度、离焦量、喷嘴距工件、氧气气流量、平均功率、脉宽、重复频率。2 3 本章小结本章研究了激光深宽雕刻低碳钢的作用机理。首先分析了檄光与金属的相互作用理论，激光功率密度达到1 0 6 w ，洲2 数量级，属于氧化气化作用。然后分析比较了激光切割和打孔的特点，激光深雕刻机理卜与d 口两者有相似之处，但是激光深雕刻特殊的要求使其加工过程相当于一种“浅切割”或者是打“盲孔”。雕刘过程需要吹纯氧辅燃，只有控制好氧气的使用，才能实现高速和高教的目标。激光雕刻低碳铡需要采用脉冲激光技术，比较了m s 脉冲激光和连续激光雕刻的区别，得到m s 脉冲激光更适舍激光深宽雕刻的结论。最后列举了影响激光雕刻的主要影响因素，分析了获取好的雕刻方法的控制手段，作为实验加工的参考。北京r 业人掌i 学坝l 论义第三章激光雕刻高频脉冲激光器及外光路要完成深宽快速雕刻，需要使用高频率大脉冲能量固体激光器，下面介绍了高重频高能量脉冲固体激光器的理论，大模体积谐振腔稳定区计算和获取最佳腔型的实验，由于雕刻用于工业生产，所以对其工业稳定性提出了高要求。3 1 高频脉冲固体激光器的研制3 1 1 基本腔型介绍y a gr o dl，图3 1 基本腔型f i 9 3 - 1b a s ef r a m eo ft h el a s e re q u i p m e n t激光器采用大模场对称平行平面腔组成，双l ( r 灯泵浦，灯9 x1 5 01 t f f nk r ：x e = 9 ：1 ，双椭圆镀金泵浦腔。晶体：8 x1 6 0 m m ，掺杂1 表面打毛。全腔水冷，工作温度2 5o c 加扩束输出。3 1 2 光学谐振腔理论分析计算谐振腔是激光器的一个重要组成部分，作用在于提供光学正反馈，以便在腔内建立和维持自激振荡。我们采用平行平面腔这种临界腔的设计方案，蜀9 2 = l ，其特性介于稳定腔与非稳腔之间。腔中沿轴线方向行进的光线能往返无限多次而不逸出腔外，且一次往返即实现简并( 形成闭合光路) ，这与稳定腔的情况类似，但仅仅轴向光线有这种特点，所有非轴向行进的光线在经过有限次往返后，从侧面逸出腔外，这又与非稳定腔类似。该腔型的主要优点是，光束方向性好，模体积大，比较容易获得单模振荡。谐振腔腔长的选择基于两方面的考虑，谐振腔在最大泵浦功率时不进入非稳定区，尽可能好的光束质量。设计谐振腔腔长( 几何长度) 为7 4 5 m m 。第三幸激光雕刎高频脉冲激光器及外光路c(-i：，一i ) 图3 - 2 谐振腔稳区图f i 9 3 - 2s t a b i l i t ya r e ao fa no p t i c a lr e s o n a t o r图3 - 2 中非阴影部分为稳定区，阴影部分为非稳区。当谐振腔工作在稳定区时，激光器的输出功率随着泵浦功率的增加而近线形增加；当谐振腔工作在非稳定区时，激光器的输出功率不会随着泵浦功率的增加而增加，严重时输出功率将为0 引。从图上可以看出平行平面腔的动态工作曲线在g 1 9 2 平面是一条通过点( 1 。1 ) 的直线。随着泵浦功率的增加，激光棒的热焦距随之增大，屈光度d 增加，动态工作曲线从点( 1 ，1 ) 沿直线向下方移动。当两腔镜对称放置时，即d l - - d 2 时，谐振腔的动态工作曲线从点( 1 ，1 ) 开始进入稳定区，经过原点( o ，o ) 即稳区临界点，再经过点( 1 ，1 ) 进入非稳区。在动态曲线经过点( 1 ，1 ) 进入非稳定区之前，谐振腔一直工作在稳定区。而当两腔镜非对称放置时，即d l d 2 或d l d 2 时，动态曲线所经过的稳定区宽度明显比两腔镜对称放置时的稳定区宽度小。所以两腔镜对称放置谐振腔比两腔镜非对称放置谐振腔有更大的稳区工作范围，更有利于激光器获得较大的激光输出功率。随着电功率的逐渐注入，由于晶体的热效应加强，谐振腔的稳定点也随之移动。当注入功率为零或很小时，d = 0 ，谐振腔工作在图a ( 1 ，1 ) 点，加大电功率，d增大，当d = 1 d 时，谐振腔工作在临界点b ( o ，o ) ，输出功率不稳定，继续加大电功率，d 继续增大，当d = 2 d 时，谐振腔工作在临界点c ( 1 ，1 ) ，该点输出功率最大，但不稳定，通常注入的电功率比在c 点的电功率低。由于棒的热透镜效应，y a g 棒等效于屈光度为d 的厚透镜，屈光度d = l f , f 为棒的热透镜焦距，图中虚线处为棒等效厚透镜的主平面位置，距离棒端面h = k 2 n ，l r o d 为y a g 棒的长度，刀为棒的折射率，d l ，d 2 分别是镜尬，尬到棒的主平面的距离。北京t 、i k 人学- e 硕f ：沦艾m lm 0图3 3 谐振腔f i g 3 - 3r e s o n a t o r图3 3 中，以m 1 为参考面，其光线单程传输矩阵的积为n 3 14 | ：m = i ：宝i i = i 三l l 一1 d ；| i 三1 lc3 一- ，m = | = i l 警矾一篇心l仔2 ，由于是对称腔有：d = d = d ，m = | = | 1 = ? 2 i 二纠3 )谐振腔的g 参数为：g l = 9 2 钏一剐_ 1 一奶( 3 _ 4 由0 g 1 9 2 1 得到有效稳定区范围0 d 2 d = 2 f( 3 5 )则m l 至棒主面的几何长度为：d ，= d h则稳定区：0 d f 2 f - h 。依据热透镜效应，实际棒的屈光度与泵浦功率、水冷却、棒的材料参数等因素有关，用经扩束的h e - n e 激光测量了在不同泵浦功率下棒的热焦距参数，不同的泵浦功率有不同的热透镜焦距，但是稳定区的选择只能针对某一热焦距值而定，而谐振腔的参数计算规律，对于任一值是一样的，取f = 2 0 0 m m 作为参考值，所以有效稳定区范围为：o d 4 0 0 m m ，而几何稳定区范围：0 d ， 3 7 5 m m 。谐振腔光束参数的计算在图3 3 中，- l - j 乏m 1 处的基模束腰半径为，单程矩阵为：g ：fg ll肛i 掣9 2 引 。6 r6比较知：g ：= g ：= 1 一d d ，r = d l - d i d 2 d + d 2 = 2 d d 2 d ，m 1 处的基模束腰半径。表示为：第三章激光雅刎一向频脉冲激光器及外光路，必2 ( 2 d d 2 d )鸱2 习霉磊5 刁蓿a 2 d d 2 d一万vd( 3 - 7 )在稳区内0 d 4 0 0 m m ，d 取不同值计算，限于聚光腔外型尺寸( 长约2 7 0 r a m ) ，取太小无意义，所以d 曲= 1 0 0 m m ，当时d = f ，纨。有最大值，在d f 时，对应。的值应相等。图3 3 中棒长z l r o a = 1 6 0 m m ，则主面位置h = 乙2 n = 4 4 m m ，五= 厶n ，n = 1 8 2 ，棒的主平面上基模光斑工半径化简为：2 = 国矗 1 + ( 兰) 2 】2( 3 8 )z t u ) o i在稳区内取不同值d ，求得相应主平面上的基模光斑半径工。同样，棒端面上的基模光斑半径可由下式求出：彩z ：纸2 。 1 + ( 型) ：】：( 3 9 ), 7 五u ) o i取不同值d ，求出相应的这样棒上基模光束的模体积v ：v = 2x 去j i l 万( 彩2 + 2 ) + 缈0 2 i 万( k - 2 h )( 3 1 0 )可以发现，随着d 的增加，腔长相应地增加，而模体积增加。通过实验获得最佳谐振腔长7 5 0 m m ，工作在稳定区，激光输出功率近线性增长，无明显拐点。在脉宽l m s ，频率5 0 h z 时测得注入功率和输出功率的关系如下图所示：，、捧譬、一i褥蠹暑暑馨簧疑67891 01 11 2 毡源输入功率p ( 翻)图3 _ 4 注入功率与输出功率的关系f i g3 - 4r e l a t i o nb e t w e e ni n p u tp o w e ra n do u t p u tp o w e r3 1 3 激光器的热效应分析鼢椭躺瑚雠。1 匕京t 、l k 人! t ! 硕i j 论史灯泵固体激光器的总体效率只有百分之几，绝大部分输入能量都转变为使泵灯、工作物质和聚光器温度升高的废热。激光材料因吸收了泵浦辐射而发热，而冷却系统对其表面进行冷却，二者共同作用使激光材料内部产生不均匀的温度分布。温度分布不均匀引起激光棒产生热透镜效应、热应力和热应力双折射等热畸变，由于发热而造成的这些影响统称为工作物质的热效应【1 5 】。根据晶体弹光效应，热应力会引起工作物质的折射率发生变化，一般棒中心折射率高，向外逐渐减少，光通过这种棒时，与通过正透镜相类似，因此，称之为类透镜效应。此外，由于棒的中心温度比边缘的高，热膨胀使得棒的端面略微突起，这也会形成一定的正透镜效应，称为端面效应。这两种透镜效应都是由晶体发热不均匀引起的，统称为热透镜效应。热透镜效应的不利影响主要有：使激光束发散角增大，方向性变差；腔内有了热透镜后，相当于改变了谐振腔的类型【1 0 ，1 6 ，1 7 o假设角向对称温度分布，对温度随半径的变化作泰勒级数展开：丁( ，) = 丁( o ) + i 1r 2 笔竽| ，= o + ( 3 i i )由十温度彳仝同分币引起亨斤射翠n ( r ) j ；f ：口1 ( r ) 的焚化为n ( r ) = n o + t ( r ) f l r 日，( ，) = l o + t ( r ) o d其中，廖，占= 占印+ 而o n = 而o n + 2 仡3 口c r ，口其中口为线性膨胀系数：口= 7 1 而0 l从( 3 - 1 4 ) 式中可以看出，第一项由于温度梯度引起，射引起。将n ( r ) 和1 ( r ) 在r = o 展开，m ) = 姒。) + 三，2 百0 2 t 厂( r ) | ，= o 屏，口缸) = 乇+ 圭产o e r ( 一r ) i 脚耐长席的径向蛮化倬端面弯曲奠曲率半释存一级沂似下为耻一硬2 r 甄2 a l ( 2二 v ! ) k对应的光焦度为d e 一竿扎0 2 西t ( ：r ) 、i l ：。( 3 1 2 )( 3 1 3 )( 3 1 4 )第二项由热应力双折( 3 1 5 )( 3 1 6 )( 3 - 1 7 )( 3 - 1 8 )第 幸激光雕刎- 频咏冲激光器，支外光路具有热透镜效应的激光棒的传输矩阵可表示为：m =c o s 6 一s i n 6 堡口一2 d ec o s 6 + d ；s i n b口s i n b口c o s 6 一s i i l 6 生口( 3 1 9 )热透镜对应的光焦度为：d = 2 d ，c o s b + 口s i n b s i l l 6 丝( 3 - 2 0 )。口其中，6 = 堕n o 小一f l r , o n o 等l ，。( 3 _ 2 1 )在b 1 时，d 2 d ，+ a b , 一丝( 3 2 2 )。n o当d e 1 和z = l 时利用热焦距来表示光焦度为：厂：上弦2 k z r 。，2 a r o ( n ，o - 1 ) + 鬲o n + 2 以；嵋，一】一1(323)d。r h r 。ia t、。上式中，第一项表示棒的端面弯曲对热焦距的贡献，它的影响比较小，小于6 ；第二项表示棒的径向温度梯度对热焦距的贡献约占7 3 ，它是形成热焦距的主要因素，第三项表示热致应力双折射对热焦距的贡献大约占2 0 。从上式可以得出以下结论：( 1 ) 热焦距的大小与棒横截面半径的平方成正比，半径越大，热透镜效应越轻。所以，可通过增大棒的横截面积在一定程度上来减小热透镜效应，但这样会使激光棒的利用效率降低，故一般不用此方法。( 2 ) 热焦距与输入功率成反比。输入功率越大，热透镜效应越严重。( 3 ) 由于双折射效应，上式中c ，和巳的值不同，对应的激光棒的径向和切向热焦距也不同，光通过激光棒时会产生双聚焦现象。一般切向热焦距和径向热焦距的比值为1 3 5 1 5 2 _ 问。这会减小激光器的稳定区，影响输出功率和激光器效率的提高，这种影响对多棒串接的激光器来说更加明显，应重点考虑。( 4 ) 如果忽略激光棒的端面效应，则热焦距与棒长度无关。热焦距的表达式可表示为：厂= m p t ；1 。其中，m = 丝芋 而o n r l+ 2 ，z ；嵋卅，它与激光晶体材料ho l的物理参数、几何尺寸和热耗散功率系数( 输入功率每变化一瓦光焦度的变化量)有关。可见，激光棒的热焦距涉及的参数很多，很难精确的选择，理论计算的热焦距与实际测量的热焦距的值差别较大。因此