激光打标实验讲义

高速振镜全固态激光打标

一、系统简介

[实验目的]

1、激光器的装调与选模

通过装调掌握激光器的基本工作原理

观察激光模式，理解激光模式的概念

2、静态激光输出特性的研究

研究静态输出特性，绘制PI曲线，计算转换效率

3、声光调Q实验

调节声光盒角度，完成布拉格衍射关门实验

研究注入电流对动态激光输出特性的影响

研究重复频率对动态激光输出特性的影响

计算峰值功率，分析影响峰值功率的因素

4、激光打标实验

了解当前激光加工技术的应用与前景，能够正确定位打标系统

观察打标过程，理解激光与物质相互作用的原理

学习使用打标机，完成打标的全过程

[实验仪器设备]

控制系统、配电系统、激光器系统、匀光系统和水冷系统

[实验原理]

1 LD泵浦基本原理

自从美国的梅曼（Maiman）在1960年研制出了红宝石激光器，激光以其方向性好、相干性好、高亮度等特性被广泛应用于各行各业。此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。尽管激光器种类繁多，结构各异，但其组成都包括工作物质、谐振腔和泵浦源三部分。

LD泵浦固体激光器以固体半导体激光器发出的激光为泵浦源，集LD和固体激光器的优势于一体，具有总体效率高、频率稳定性好、使用寿命长、使用简便、可以全固化等优点。

下面以输出波长为808nm的LD泵浦Nd3+:YAG晶体为例，介绍LD泵浦的基本原理。

图 2.1所示为Nd3+:Y AG的能级图，Nd3+ 有几个很强的吸收带，分别是4I9/2→2G7/2,2G5/2(中心波长在0.58μm)，4I9/2→4F7/2(中心波长在0.75μm)和4I9/2→4F3/2(中心波长在0.87μm),以及吸收能力最强的吸收带4I9/2→4F5/2(中心波长在0.81μm的近红外光)。当LD发出808nm近红外光时，Nd3+:Y AG能很好的将其吸收，从而形成大量反转粒子数。

7/2

图2.1 Nd 3+：Y AG 的能级图

当注入半导体激光二极管的电流高于阈值电流时,发射光谱的宽度急剧变窄，谱线中心波长的强度迅速增加而形成激光输出。它虽然比普通光的单色性好，但因半导体的特殊电子结构,受激复合辐射发生在由许多子能级组成的导带和价带之间，故激光谱线宽度比固体或气体激光器的宽得多。在室温下，GaAs 激光器发射的激光谱线宽度约有几个纳米，而且超过阈值电流时激光器发射光谱会出现多个峰。而且峰值波长会随温度的不同而变化，在低温时为840nm ，室温时则为902nm 。实验证明:随着温度的增加，峰值波长向长波移动。所以还可通过改变温度来实现峰值波长移动，使之与Nd 3+:YAG 吸收光谱相匹配。由于Nd 3+:YAG 激光介质在808nm 附近有三个吸收峰，其中808nm 处的吸收系数最大，其吸收宽度约为1nm ，而LD 激光波长在810nm 处有较窄的谱线宽度(0. 02nm ～2nm) ，与Nd 3+:YAG 正好匹配；但LD 光谱随温度及注入电流变化非常灵敏，为了保证光谱匹配，可以设置调整LD 光谱温度的控制装置。正是由于两者的光谱匹配较好，所以其总体效率比闪光灯泵浦要提高5~10倍[1]。

可见，在LD 泵浦全固态激光器中， LD 对输出激光的相关特性有着决定性的影响。下面介绍一下激光二极管的结构和相关特性。 2. LD 发光特性

LD 发射截面小，由于衍射（谐振腔在两个方向上均很小且大小不一致），导致LD 输出光在两个轴向上发散角较大且不对称，发射光束截面呈椭圆形。如图2.2将其半发散角分别记为θ⊥和θ∥，而且θ∥＝10°~20°、θ⊥=30°~60°,发射波长在806~809nm 之间。典型的激光二极管慢轴平面内的发散角约为10°，快轴平面内的发散角约为40°，为椭圆高斯光束。

F 7/2 4

F 5/2 4

F 3/2

G 5/2 4I 15/2 4I 13/2

I 11/2 4

I 9/2

1064nm

图2.2 LD发光特性图

3 LD光谱特性

LD发光谱线很窄，且波长随温度漂移率为0.2~0.3nm/o C，当温度下降时，发射波长向短波方向移动；当温度上升时，发射波长向长波方向移动。解决办法是利用热敏电阻、热电控制元件（调节LD温度），使其峰值发射波长与激活粒子的吸收带匹配。

4 LD泵浦方式

用LD作为泵浦源时，通常有两种泵浦方式：端面泵浦和侧面泵浦。

（1）端面泵浦所用的激光二极管或激光二极管阵列出射的泵浦光，经由会聚光学系统将泵浦光耦合到晶体棒上，在晶体棒的泵浦耦合面上为减少耦合损失而镀有对激光二极管波长的增透膜。同时，该端面也是固体激光器的谐振腔的全反端，因而端面的膜也是输出激光的谐振腔，起振后产生的激光束由输出镜耦合输出[2]。端面泵浦的效率最高[3]，其原因为：在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质用泵浦光的利用率也相对高一些。然而，端面泵浦虽然效率高，但固体激光的输出功率受端面限制，因为端面较小时只能采用单元的激光二极管，这就限制了泵浦光的最大功率。

（2）侧面泵浦板条固体激光器采用泵浦功率较大的阵列型激光二极管可获得更高的激光功率输出。由于阵列二极管的发光面较大，不可能利用端面泵浦，因此，大多采用侧面泵浦方式。这种结构的特点是，在工作板条的一侧用激光二极管阵列，另一侧是全反器，使泵浦光尽量集中到工作物质中。板条状激光器结构的特点是，激光通过工作物质后经全反器反射传输，这样，激光经过工作物质的长度就大于工作物质的外形长度，即提供了更长的有效长度[4]。在有效长度内，工作物质可直接吸收到由激光二极管发射的泵浦光，从而较易获得大功率输出。并可以根据所要得到的输出功率要求而改变激光二极管泵浦功率。目前大功率输出的全固态激光器多采用侧面泵浦。

5 LD 侧泵结构

（1）板条结构

目前，国际上商品化的高功率线阵二极管激光条（diode laser bar ）几何参数已统一标准为l0mm （长）*0.6~1.2mm （腔长方向）*0.1~0.15mm （厚）。连续输出功率10W~40W ，工作电流15~60A ，电压1.8V ；高占空比约为20%，准连续输出60W~100W ，占空比小于2%，输出120W ，工作电流70A~120A 。输出功率及激光工作特性与二极管条的微观结构有关，二极管激光条内部由多个微阵列二极管激光器组成，微阵列宽度约100~200μm 。二极管条的平均功率越高，要求微阵列间距越大，则发光区填充因子越小。图2.3是连续线阵二极管激光板条实物图，图2.4为原理图。填充因子为20%~50%。二极管激光条的激活层距离PN 结P 面的厚度为2μm 。距离N 面的厚度即GaAs 基底厚度约120μm [5]。

图2.3含有四条线阵的板条

图2.4连续线阵二极管激光条

微阵列本身又由多个宽度3~5μm ，间距10μm 的发光单元阵列组成。微阵列内各发光单元之间的光场根据耦合方式的不同，输出激光为相干或部分相干，而微阵列之间是非相干的。

（2）模块结构

在侧泵结构中，激光二极管阵列沿着激光棒的长度方向排列，使激光通过工作物质的有效长度时，皆可直接吸收到由激光二极管发射的泵浦光，从而较易获得大功率输出[6]

。如果需要更高的功率，可在激光棒的周围使用更多的激光二极

占空比20% 1cm

n-GaAs

有源层 P 型衬底

解理面

100μm

500μm

多条纹发散角

管阵列。如图2.5泵浦腔内的三个激光二极管板条两两之间呈120°，围绕着激光棒，阵列安装在长的散热结构上，并使用了一些圆柱光器件，使阵列与激光晶体有一定的间隔。用石英套包住激光棒，采用液冷方式。实物图如图2.6。

图2.5 模块原理图图2.6 模块实物图电路连接方式：每个板条上的LD阵列之间串联，三个板条之间并联。如图2.7所示（注：图中每个激光二极管代表一个激光二极管阵列）。

图2.7 激光二极管阵列的电路图

6 LD泵浦优点

（1）效率：DPSSL的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，半导体激光器（又称为二极管激光器）的发射光谱很窄，如图2.8，而且恰好落在Nd3＋离子的峰值吸收谱线内如图2.9。实际上，闪光灯的电光效率高达70%，比半导体激光器的电光效率25~50%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Nd3＋离子吸收，相比之下，半导体激光器的输出波长则完全与常用固体激光材料的吸收谱线匹配，这就使得它具有高效率、易冷却和热稳定性好等优点。

黑体源

半导体激光

器泵浦波长

图2.8激光二极管与氪灯发射谱

图2.9 Nd 3＋

离子的峰值吸收谱线

（2）光束质量：作为泵浦源的半导体激光器发射光谱与Nd 3＋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间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。典型的DPSSL 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 2小于1.5。

（3）寿命：相对于闪光灯泵浦固体激光器系统，二极管泵浦固体激光器系统的寿命和可靠性也要高得多。半导体激光器在连续工作状态下寿命达可达一万小时，在脉冲工作状态下脉冲次数高达109次，而且当半导体激光器运行在额定工作电流的90％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是只有108次和500小时，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。

（4）稳定性：由于半导体激光器输出功率的高稳定性，使得半导体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。

（5）新激光材料：尽管大多数固体激光材料都可以用闪光灯作为泵浦源，但某些激光材料，像Nd 3＋:YVO 4，Yb:YAG 和Tm:YAG 等一系列理想的激光材料只有在二极管泵浦时才能体现他们的优异性能[7]。

（6）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，使得热损耗降低，减少了外围冷却设备，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，使得新的泵浦结构成为可能，比如端面泵浦

氪弧灯

波长/μm

光密度

激光器、微片激光器、板条激光器和光纤激光器等。当然，相对于直接使用半导体激光器，DPSSL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，波长范围广等优点。

（7）峰值功率：因为半导体激光器中电子和空穴复合寿命太小，限制了能量的有效存储，而且激活区损伤阈值低，所以半导体激光器不适合用来得到高峰值功率[8]。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10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。

[实验装置图]

LM-DP1激光打标系统主要由五部分组成：控制系统、配电系统、激光器系统、匀光

系统和水冷系统。

1、控制系统

控制系统控制、协调着激光打标系统的各组成部分，可以说是整个系统的中枢。控制系统又可分为：硬件控制与软件控制。

（1）硬件控制：包括半导体泵浦模块控制部分与声光调Q驱动控制部分。对于半导体泵浦模块控制部分，主要是通过控制半导体泵浦两端的注入电流来实现的，其控制面板如图1所示

电压值显示表电流值显示保护指示灯工作状态指示灯

电流调节旋钮工作/停止按钮电源开关

图1

通过电流调节旋钮可以改变半导体泵浦的注入电流I（current），从而达到

控制调节激光光束输出功率的目的，其中泵浦的电压（voltage）与注入电流（current）成正比例关系。

声光调Q控制部分，其控制面板如图2所示

脉冲频率显示表有效电平选择按键运行指示灯温度过热指示灯电压驻波比指示灯

频率调节电位器笔划信号调制信号调制信号关断按键调制按键电源开关

图2

通过调节脉冲频率可以改变激光器激光的输出功率，从而保证面对不同的需求，激光打标系统仍能打出最佳的效果。并且通过模块深度可调的首脉冲抑制功能，可以在很大程度上抑制“火柴头”效应的出现.

（2）软件控制:

图3软件控制界面

2、配电系统

激光打标机的配电时序电路如图4所示

图4 激光打标机的配电时序电路

配电系统采用标准化设计，布局合理，大大减小了电路的复杂性，为后期的维护工作带来了很多便利，节约了大量的人力、财力。

如时序图所示，该电路有着明显的时序性，水泵、计算机、振镜供电，激光电源、调Q电源等按不同的时序依次控制，有较高的安全性，避免了因错误的操作导致的电路故障，更保护了整套激光打标系统。

3、激光器系统

LM-DP1激光打标系统采用的是半导体泵浦全固态激光器。该激光器的输出光束质量好，稳定性强，电光转换效率高，使用寿命长。

激光器系统如图5所示

全反镜声光Q开关半导体泵浦模块可调光阑输出镜（T=20%）

LD准直光（650nm）倍频晶体扩束镜

图5 激光器系统

该激光器系统主要由准直光源（650nm）、小孔光阑、全反镜、声光Q开关、半导体泵浦模块、可调光阑、输出镜、倍频晶体等组成。

谐振腔为平-平腔，腔长L=320mm。全反镜内侧镀有1064nm的高反膜（R>99.8%），输出镜M

镀有对1064nm的半反半透膜，其透射率T=20%。

4、匀光系统

主要包括扩束镜、振动镜、平场透镜（f-θ镜）等。

在激光打标系统中，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的范围内，以满足不同打标的要求。

激光光束经扩束镜调节后传输到振镜上，振镜以一定频率振动，光束经其反射后透过平场透镜便可输出满足打标要求的光束。

（1）、扩束镜

图6扩束镜

扩束镜的用途是压缩光束的发散角和增大光束直径，以减小聚焦光斑尺寸。

如图6，系统采用的是4倍扩束镜，能改善发散角达32毫弧度的激光束准直度。其出射光的准直度好，光能损耗小。

（2）．扫描振镜

振镜即机械振动式反射镜。激光束入射到两振镜上，用计算机控制反射镜的反射角度，使激光束在X、Y两个方向进行扫描合成，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，在材料表面上留下永久的标记，最终完成所需的加工程序。

（3）．平场透镜

平场透镜即f-θ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。只有加平场透镜加以矫正，才能使在整个扫描范围内，聚焦光斑均匀，直径不变，在焦平面内光斑

进行扫描时有足够大的视场。

图7平场透镜

本系统采用的平场透镜焦距f=160mm，最大入射角为30°，入射光直径最大为16mm，扫描范围为110mm×110mm。如图7，其成像光斑直径细小，能量集中，像质一致，像差小，无渐晕存在，特别适合打标等精细加工。

5、水冷系统

冷水机通过导出的水管分别对半导体泵浦模块、声光调Q驱动进行冷却，使激光打标机能更稳定、更高效地工作。合适的冷水机不仅能让系统稳定工作，更能提高系统的寿命，减少系统的生产、维护成本

本系统采用的冷水机，制冷量为1000W，最大流量为L/min。工作稳定，制冷量大，完全可以满足打标系统的冷却要求。

[系统的调整及实验结果]

3.1 激光打标：

1、启激光打标系统的钥匙开关。

2、开启水冷系统的开关，水冷系统将在5秒钟后运行。

3、依次开启打标系统的控制开关、准直光开关。此时即可启动计算机，准直光可以通过旋钮调节其亮度。

4、在水冷系统运行1分钟后即可开启主电开关。此时LD模块电源与声光调Q驱动电源也可正确开启。开启LD模块电源的工作按钮。此时，激光打标机即可正常工作。

5、若激光不能正常工作，则将电流调小，选择声光盒电源的“mod”模式，此时激光器将处于常出光状态。通过调节全反镜、输出镜及可调光阑等，让激光器正常出光并输出较好的模式。

6、在“mod”的模式下，激光将处于常出光状态。调节工作台的高低，直至激光能准确地聚焦在物体平面上。

7、将激光器的工作方式调回至“M1”模式。

8、通过EzCad软件载入、编辑需要标刻的图形、字体等，正确调节软件的加工

参数。适当地调节激光器的重复频率与LD模块的电流。在软件中选择“指示”，

指示光将会对打标范围进行指示，调节工作台的X、Y轴，使指示方框指示在正确的区域内。完成后即可对物体进行标刻。

3.2.系统调节及探测

3.2.1静态激光的输出特性

（1）打开功率计并调零。

（2）用毛玻璃片挡在功率计探头前面，撤去光屏，调整探头的位置，使激光正好通过探头中心。

（3）撤去扩束镜，进行激光输出功率的测量，此时选择在声光盒的“mod”模式下。

（4）逐渐减小注入电流，当功率计在2W档位时示数为0.01W时，近似认为此时的电流为阈值电流。从阈值电流开始逐渐增加电流，记录输入电压，同时

记录输出功率，根据η=P

输出/P

输入

，P

输入

= I*U计算转换效率，绘制P-I曲线。

(5)实验结果:

腔长170mm时，测得的输出激光阈值电流为6.1A，实验数据见表3.1

表3.1 腔长170mm时的实验数据

电流(A) 电压(V) 输入功率（W）输出功率（W）转换效率7

根据实验结果请绘制P-I曲线，例如图3.2所示。

图3.2 170mm输出功率曲线

这里需要说明的是，由于随着注入电流的增加，LD模块电源的电压变化很小，因此可以近似的认为电压是不变的，所以绘制了P—I曲线。

3.2.2 注入电流对输出特性的影响

1.系统介绍

图3.3 动态实验原理图

由于影响激光输出特性的因素与注入电流和声光盒重复频率有关，因此首先研究电流对输出特性的影响。图3.3是实验原理图，测量激光脉宽时，使用脉冲光电探头和示波器。

2.系统调节及探测

（1）调整好激光模式并完成“关门”操作，即将激光器的工作方式调回至“M1”模式。

（2）将声光盒重复频率分别设定为5K、10K、15K测量不同频率下，激光输出功率、脉宽随电流的变化曲线。

（3）用脉冲光电探头测量经光屏漫反射的激光的脉宽，保存波形。

3.实验结果

重复频率为5KHz，10 KHz，15KHz时，实验数据见表格3.2

表3.2 不同重复频率下输出特性

5KHz 10KHz 15KHz

电流(A) 脉宽(ns) 功率

(W)

脉宽(ns)

功率

(W)

脉宽(ns)

功率

(W)

7 功率(W)

电流(A)

请画出不同重复频率下，输出功率—注入电流曲线，例如图3.4

功

率

(W)

电流(A)

图3.4 不同重复频率下，输出功率—注入电流曲线请画出不同重复频率下，脉宽—注入电流曲线。例如下图3.5

脉

宽

(ns)

电流(A)

图3.5 不同重复频率下，脉宽—注入电流曲线

图3.6 电流18A ，重复频率5KHz 时，脉宽75ns

3.2.3 影响峰值功率的因素

激光打标是此套实验系统的重要应用之一，其基本原理为利用激光的高峰值功率密度来实现激光与物质相互作用的，而峰值功率密度等于峰值功率与光斑面积的比值。因此，研究如何提高峰值功率在激光打标领域里是很有实际应用价值的。

根据公式：峰值功率=能量/脉宽；能量=平均功率/频率。可以得到：峰值功率=平均功率/频率/脉宽

根据上节的实验数据，我们可以计算出表3.3和表3.4所示的峰值功率。

表3.3 不同重复频率下，峰值功率随电流的变化

电流(A)

5KHz 峰值功率（KW ）

10KHz 峰值功率

（KW ）

15KHz 峰值功率

（KW ）

7 8 9 10 11 12 13 14 15

请根据以上数据绘制关系曲线，例如下图 3.7

图3.7不同重复频率下，峰值功率随电流变化曲线

（选做）3.2.4 激光模式选择

(KW)

峰值功率电流(A)

1.系统介绍

激光的优点在于它具有良好的方向性、单色性和相干性。理想激光器的输出光束应是单一模式，然而若不采取选模措施，多数激光器的工作的状态往往是多模的。选模可分为横模选择和纵模选择，其中横模选择方法包括小孔光阑选模、谐振腔参数g 、N 选择法、非稳腔选模、微调谐振腔。本实验进行了小孔光阑选模，和采用了微调谐振腔方法来选取不同的激光模式。实验原理图如图3.8。

图3.8 激光模式选择实验原理图

2.实验过程及结果

在4.2.3一节中所进行的实验的基础上，微调两片腔镜的俯仰旋钮，当光屏上出现清晰有规则的图样后，撤去光屏，将贴有硫酸纸的硬纸箱放在激光出射方向，并且使激光打在硫酸纸中央，用照相机在硫酸纸的另一侧正对着激光出射方向拍摄。图4.18为相关资料中讲解激光模式章节中给出的模式图，图4.19为相机实际拍摄到的激光模式图。

图4.18 圆柱形激光模式示例[5]

（a ）01模（b ）02模 (c)03模

图4.19不同激光模式举例

[注意事项]

严格按照开机步骤开机

1、开泵浦模块电源和声光Q开关的电源之前，应注意检查水冷系统是否工作正

常。

2、日常工作时应将激光器严格盖上，防止灰尘等污染到激光器。

3、对激光器进行调整时，严禁向激光腔内窥视

4、严禁激光直射或反射入眼睛。特别在标刻某些表面较光滑的物体时，应注意

防止激光通过物体反射进眼睛。有关人员应配戴激光护眼镜。

5、严禁对易燃、易爆物品（如酒精、棉花等）进行标刻。

6、随时在工作台上放置覆盖物品，保护工作台，以免激光在工作台上刻画文字

和图像。

[思考题]

1.本实验中激光器的工作波长是多少？

2.试验中的激光器采用了什么样的泵浦方式？为什么不用灯泵？

3.你还能想出别的调Q晶体么？

[实验简介：]

LM-DP1激光打标系统通过将高能量密度的激光光束聚焦在材料表面上，使材料表面发生物理和化学变化，形成凹坑，从而获得可见的图案。

该系统采用了智能化的设计，利用包括计算机在内的控制系统对激光器系统、配电系统、水冷系统等进行调协控制，通过控制振镜的偏转以及激光的开断有效的控制激光使激光落在特定的位置，从而在材料表面形成一个指定的图案。最终实现对材料的加工。该系统有以下特点：

1.本系统输出的激光光束质量好，稳定可靠，光斑较小，光模式好；

2.能实现文字、符号、图形、图像、条形码、二维码、序列号自动递增等的编排和修改；

3.打标效果精细度高，标刻线条较细，平整度好；

4调试简单，调节范围广，可满足不同材质的加工要求；

5.功耗低，长时间运行稳定可靠，使用寿命长，加工维护成本低；

6.非接触式加工；无机械应力，热应力小，被加工材料无损伤，更不产生形变。

LM-DP1激光打标系统可以在：金属、合金及其氧化物、环氧树脂、ABS等材质上进行加工。可以广泛应用于汽车配件、精密器械、五金器皿、电子元器件、电工电器、通讯产品、眼镜、珠宝首饰等行业。