激光打標(biāo)機(jī)主要配件就是激光器              
第一章  激光器原理 
 可肯定地說(shuō)：本世紀(jì)最后的偉大發(fā)明之一是激光技術(shù)。它自一九五八年問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)逐步地然而是堅(jiān)定地滲透到了科研、軍事、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。不是嗎？看看我們的周?chē)憔涂梢暂p易地找到它應(yīng)用的實(shí)例：醫(yī)院中的激光診斷及激光治療機(jī)、商店中的條碼識(shí)別器、辦公室中的激光打印機(jī)、把我們與世界各地聯(lián)結(jié)在一起的光纖等等，就是在我們的家中也有它的身影：激光唱機(jī)、激光影碟機(jī)。 
人類(lèi)發(fā)明了多種多樣的激光器。諸如：氣體激光器（He-Ne激光器、CO2激光器等）、固態(tài)晶體激光器（紅寶石激光器、釹玻璃激光器等）、離子激光器（氪離子激光器、氬離子激光器等）、染料激光器（甲酚紫激光器、螢光素激光器等）、超輻射激光器（氮分子激光器等）以及半導(dǎo)體激光器（砷化鎵半導(dǎo)體二極管等）等等。 
在世界的許多地方，幾乎所有的商品激光器都在制造業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。CO2激光器的主要用途就是各類(lèi)工業(yè)激光加工設(shè)備，作為固態(tài)晶體激光器的Nd: YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光器的最大應(yīng)用便是在激光打標(biāo)領(lǐng)域。  
1.1 激光原理 
 
我們知道，物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成的（見(jiàn)圖1.1）。每一個(gè)電子都沿著自己特定的軌道繞原子核高速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定于電子所處的能級(jí)。原子吸收能量后，電子的旋轉(zhuǎn)半徑會(huì)增加，電子的能級(jí)就會(huì)提高；原子釋放能量后，電子的旋轉(zhuǎn)半徑會(huì)減小，電子的能級(jí)就會(huì)降低。每個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的能量。電子所具有的能量是不連續(xù)的，也就是說(shuō)原子的能級(jí)是量子化的。原子只有吸收了兩個(gè)能級(jí)之間差值的能量才會(huì)提高一個(gè)能級(jí)，電子在能級(jí)之間的變動(dòng)現(xiàn)象稱為躍遷。同樣，當(dāng)原子躍遷到較低能級(jí)時(shí)，會(huì)釋放出兩個(gè)能級(jí)之間差值的能量。原子的最低能級(jí)為E0，高的能級(jí)依次為E1、E2、E3、……，高的能級(jí)稱為上能級(jí)，低的能級(jí)為下能級(jí)。處在能級(jí)E0的原子稱為基態(tài)原子，其它能級(jí)稱為激發(fā)態(tài)。 
原子可以吸收光子來(lái)獲得能量，當(dāng)然這個(gè)光子必須具有與原子能級(jí)差相
等的能量（例如：E1-E0）原子只能吸收帶有幾個(gè)能量的光子。光子的能量決定于光子本身的波長(zhǎng)。所以，原子只能吸收幾個(gè)特定波長(zhǎng)的光子。 
正常情況下，原子吸收能量后會(huì)在上能級(jí)停留一段時(shí)間（這一時(shí)間被稱為原子的上能級(jí)壽命），然后向任意一個(gè)方向發(fā)射一個(gè)光子并返回基態(tài)。這一現(xiàn)象稱為原子的自發(fā)發(fā)射。對(duì)這一現(xiàn)象，圖1.3作了形象的描述。  
若在激發(fā)態(tài)原子的附近，恰巧有一個(gè)光子經(jīng)過(guò)，這個(gè)光子又恰好具有原子上下能級(jí)之差的能量，那么這個(gè)原子就有可能受到外來(lái)光子的激勵(lì)而發(fā)出一個(gè)光子，原子自身則在發(fā)射后返回基態(tài)。原子的這種因受到外來(lái)激勵(lì)而發(fā)射的情況，稱為原子的受激發(fā)射（圖1.4）。原子受激發(fā)射所放出的光子與外來(lái)的激勵(lì)光子在能量、波長(zhǎng)、相位等方面完全相同。
以上是單個(gè)原子能級(jí)的變化情況。 
對(duì)于大量原子的情況，在通常條件下，大多數(shù)原子總是分布在基態(tài)上，其余原子總是從低能級(jí)到高能級(jí)遞減分布。這一分布規(guī)律就是通常所說(shuō)的波爾茲曼分布。在圖1.5中，縱坐標(biāo)表示原子的能級(jí)，橫坐標(biāo)表示在各能級(jí)上原子的分布數(shù)量。如果我們加熱這些原子，會(huì)使處于上能級(jí)的原子數(shù)量有所增加。但不管如何加熱這些原子，在原子群達(dá)到新的熱平衡后，上能級(jí)的原子數(shù)量總是少于下能級(jí)的原子數(shù)量。若我們想辦法強(qiáng)迫下能級(jí)的原子躍遷到上能級(jí)，而同時(shí)保證上能級(jí)的原子不很快地發(fā)射而返回到下能級(jí)，就會(huì)人為地造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)再用激勵(lì)光子去激勵(lì)上能級(jí)原子，使其產(chǎn)生受激 發(fā)射。在受激發(fā)射的同時(shí)，要設(shè)法使下能級(jí)的原子持續(xù)地躍遷到上能級(jí)，以維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射能夠持續(xù)地進(jìn)行下去。受激發(fā)射所產(chǎn)生的光子都具有相同的波長(zhǎng)、方向及相位，所以受激發(fā)射的光是很強(qiáng)的。這就是激光。激光這個(gè)詞是從英文原文“LASER”一詞翻譯過(guò)來(lái)的，它的完整的英文原文是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (光輻射受激發(fā)射放大)，“LASER”是它的縮寫(xiě)。簡(jiǎn)單地說(shuō)：激光器的實(shí)質(zhì)是一個(gè)光放大器。 在實(shí)踐中，要想產(chǎn)生激光，就必須滿足兩個(gè)條件：首先找到能夠?qū)崿F(xiàn)粒
第四章  供電及冷卻系統(tǒng) 
無(wú)論是采用Nd: YAG激光器的YAG系列激光打標(biāo)機(jī)，還是采用CO2激光器的CO2系列激光打標(biāo)機(jī)，供電及冷卻系統(tǒng)都是少不了的。 
Nd: YAG激光器所用的泵浦源氪燈，CO2激光器的激光管都需要一個(gè)穩(wěn)定、可靠的直流電源，電源的穩(wěn)定性直接影響激光輸出的穩(wěn)定性。Nd: YAG激光器所用的電源還必須包括一個(gè)能產(chǎn)生高壓?jiǎn)?dòng)脈沖的點(diǎn)燃電路，以引燃氪燈。 
創(chuàng)想激光生產(chǎn)的激光打標(biāo)機(jī)均采用IGBT開(kāi)關(guān)電源，由于設(shè)計(jì)合理、制作精良，保證了電源的穩(wěn)定性和可靠性。 
Nd: YAG激光器所用的泵浦源──大功率氪燈，在發(fā)光過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱；CO2激光器在工作時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生一定的熱量（雖然不如Nd: YAG激光器產(chǎn)生的熱量多）。若不及時(shí)將這些熱量去掉，不僅會(huì)影響激光器的正常使用和縮短氪燈的使用壽命，更為嚴(yán)重的是將會(huì)發(fā)生炸腔或損壞CO2激光管的惡性事故，使昂貴的Nd: YAG晶體棒及鍍金腔或CO2激光器報(bào)廢。 
施加于聲光Q開(kāi)關(guān)上的射頻信號(hào)，被壓電晶體吸收后，一部分能量轉(zhuǎn)變成超聲波，還有一部分變成熱；盡管Q開(kāi)關(guān)中的熔石英晶體對(duì)激光是透明的，但還會(huì)吸收一部分光能，這些能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷＿@些熱量會(huì)燒壞壓電換能器的電極，燒壞壓電換能器，甚至?xí)龎娜凼⒕w。 
去除熱量的最有效的方法是加裝一套水循環(huán)裝置，靠水的循環(huán)來(lái)帶走熱量。對(duì)于Nd: YAG激光器，由于氪燈表面的溫度很高，必須考慮不使氪燈表面結(jié)垢；冷卻水直接流過(guò)氪燈表面，水必須有很高的透明度；氪燈的電極上加有高壓，水必須有較高的電阻率。所以必須采用去離子水。對(duì)于CO2激光器，冷卻水采用普通水就可以了。為了節(jié)省寶貴的水資源，冷卻水（不管是去離子水還是普通水）應(yīng)該循環(huán)使用，一般的做法是采用一套二次冷卻裝置，以帶走冷卻水所帶出的熱量，一般是采用外接普通水源的辦法。由于采用CO2激光器的激光打標(biāo)機(jī)所產(chǎn)生的熱量較小，二次冷卻多采用風(fēng)冷卻的方式。  
     第五章  光學(xué)系統(tǒng) 
 
沒(méi)有光學(xué)系統(tǒng)，激光打標(biāo)機(jī)是無(wú)法正常工作的。針對(duì)激光打標(biāo)機(jī)工作方式的不同，光學(xué)系統(tǒng)也是各式各樣的，當(dāng)他們都包括擴(kuò)束鏡（使激光器發(fā)出的激光束直徑變大并縮小激光束的發(fā)散角）、光學(xué)聚焦透鏡（使作用在工件表面的激光光斑直徑盡可能變小）和反射鏡（用以改變激光束的方向）。 
一個(gè)70W的連續(xù)激光器所發(fā)出的光能與一個(gè)70W的普通燈泡所發(fā)出的光能是差不多的。普通燈泡是被設(shè)計(jì)為用來(lái)照明的，它發(fā)出的光線是向四面八方照射的，與燈泡不同的是激光器發(fā)出的光線集中在一個(gè)很小的范圍。所以激光的能量密度（單位面積上的能量）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燈泡的能量密度，實(shí)際的打標(biāo)效果決定于工件表面所承受的能量密度，而不是激光的功率。為了能夠很好地進(jìn)行激光打標(biāo)，必須進(jìn)一步提高激光的能量密度。這有兩個(gè)方法：一個(gè)是提高激光器的激光輸出功率，一般地說(shuō)這是困難或得不償失的；還有一個(gè)方法是將激光器發(fā)出的激光束進(jìn)一步變細(xì)，這需要一套光學(xué)系統(tǒng)。 
使激光束變細(xì)是很簡(jiǎn)單的，只需有一個(gè)聚焦透鏡將激光束聚焦到一個(gè)很小的點(diǎn)。激光器發(fā)出的激光并不是理想的平行光，它有一個(gè)很小的發(fā)散角，這一很小的發(fā)散角會(huì)影響到聚焦透鏡的聚焦效果。所以在聚焦透鏡之前要有一個(gè)擴(kuò)束鏡用以壓低光束的發(fā)散角。擴(kuò)束鏡除了可以壓低光束的發(fā)散角外，還可以擴(kuò)大激光輸出光束的直徑。我們知道，聚焦后光斑的大小取決于入射光束直徑和聚焦透鏡的焦距：入射光束直徑越大，聚焦后光斑直徑越小。入射光束直徑的增大，還可以降低激光光路中使激光光束改變方向的反射鏡上的激光能量密度，保證了反射鏡在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)不被激光束燒壞。 
按照聚焦透鏡在光路中相對(duì)于反射鏡所處的位置，可以分為前聚焦和后聚焦兩種方式。 
下面我們以振鏡掃描式激光打標(biāo)機(jī)為例來(lái)介紹激光打標(biāo)機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)。 
5.1 前聚焦方式 
X-振鏡Y-振鏡
反射鏡反射鏡激光束
擴(kuò)束鏡激光器
聚焦鏡
 前聚焦方式是因聚焦透鏡比反射鏡更靠近激光器（處在反射鏡的前面）而得名。聚焦透鏡安裝在擴(kuò)束鏡和振鏡掃描器之間(見(jiàn)圖5.1)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較為低廉、且可獲得較大的打標(biāo)范圍。 
這一方式的主要缺點(diǎn)是：光斑直徑較大，這是由于前聚焦方式選用的聚焦透鏡的焦距較長(zhǎng)，而聚焦光斑的直徑與聚焦鏡的焦距成正比，這是為了容納振鏡掃描器，聚焦透鏡不得不采用較大的焦距，由此導(dǎo)致打標(biāo)的能量密度降低。另外，前聚焦方式只能選用普通聚焦透鏡，這種透鏡的焦點(diǎn)位置是鏡頭后方的一個(gè)圓弧面，而多數(shù)情況下工件表面是一個(gè)平面，當(dāng)光束由打標(biāo)區(qū)域的中心移至邊緣時(shí)，焦點(diǎn)將位于工件平面的上面，工件表面上光斑直徑和能量密度將動(dòng)態(tài)地發(fā)生變化。另外，當(dāng)反射鏡偏轉(zhuǎn)同一角度時(shí)，打標(biāo)位置分別處于視場(chǎng)中央和邊緣時(shí)，激光光斑的位置變化是不一致的。以上這些不足都將影響最終的打標(biāo)的效果。 
對(duì)于采用CO2激光器的激光打標(biāo)機(jī)，由于激光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，聚焦透鏡的焦深（當(dāng)工件平面在鏡頭焦平面前后移動(dòng)，肉眼難以辨別打標(biāo)效果差別的最大范圍）較大，為了得到較大的打標(biāo)工作范圍，多采用前聚焦方式。 
  5.2 后聚焦方式 
 顧名思義，與前聚焦方式不同的是，后聚焦方式將聚焦透鏡安裝在振鏡掃描器的后面(見(jiàn)圖5.2)。這就避免了前聚焦方式的缺點(diǎn)。它采用的聚焦透鏡是專門(mén)設(shè)計(jì)的F-θ平場(chǎng)透鏡，不管光束如何移動(dòng)，它的焦點(diǎn)位置始終保持在
一個(gè)平面上，保證了在打標(biāo)區(qū)域內(nèi)光斑大小及能量密度的一致，并且當(dāng)反射 
X-振鏡Y-振鏡
反射鏡反射鏡激光束
擴(kuò)束鏡激光器F-0透鏡
 鏡偏轉(zhuǎn)單位角度時(shí)，對(duì)應(yīng)的焦平面上激光光斑的幾何位移是處處一致的。這些都保障了打標(biāo)的質(zhì)量的提高。另外，這種方式使更換聚焦透鏡變得很簡(jiǎn)單，可以根據(jù)打標(biāo)范圍的大小和具體要求隨時(shí)更換聚焦透鏡。 
它的缺點(diǎn)是價(jià)格較高，打標(biāo)范圍相對(duì)較小（但可以通過(guò)更換透鏡來(lái)增大打標(biāo)范圍）。 
由于這種方式可以獲得高質(zhì)量的打標(biāo)效果，大多數(shù)采用Nd: YAG激光器的振鏡掃描式激光打標(biāo)機(jī)均采用這種聚焦方式。