激光打標(biāo)機(jī)基本原理

1、激光打標(biāo)機(jī)原理10第一章激光器原理可以肯定地說：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 年問世以來，已經(jīng)逐步地然而是堅定地滲透到了科研、軍事、工業(yè)等各個領(lǐng) 域。不是嗎？看看我們的周圍，你就可以輕易地找到它應(yīng)用的實例：醫(yī)院中 的激光診斷及激光治療機(jī)、商店中的條碼識別器、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

2、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)中得到越來越廣 泛的應(yīng)用。CO2激光器的主要用途就是各類工業(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（見圖1.1 ）。每一個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。原子吸收能量后，電子的旋 轉(zhuǎn)半徑會增加，電子的能級就會提高；原子釋放能量后，電子的旋轉(zhuǎn)半徑會

3、 減小，電子的能級就會降低。每個能級對應(yīng)著一個特定的能量。電子所具有 的能量是不連續(xù)的，也就是說原子的能級是量子化的。原子只有吸收了兩個 能級之間差值的能量才會提高一個能級，電子在能級之間的變動現(xiàn)象稱為躍遷。同樣，當(dāng)原子躍遷到較低能級時，會釋放出兩個能級之間差值的能量。 原子的最低能級為E0，高的能級依次為E1、E2、E3、，高的能級稱為 上能級，低的能級為下能級。處在能級E0的原子稱為基態(tài)原子，其它能級稱為激發(fā)態(tài)（見圖1.2 ）。原子可以吸收光子來獲得能量，當(dāng)然這個光子必須具有與原子能級差相 等的能量（例如：E1-E0 ）原子只能吸收帶有幾個能量的光子。光子的能量 決定于光子本身的波長。所以

4、，原子只能吸收幾個特定波長的光子。正常情況下，原子吸收能量后會在上能級停留一段時間（這一時間被稱為原子的上能級壽命），然后向任意一個方向發(fā)射一個光子并返回基態(tài)。這一現(xiàn)象稱為原子的自發(fā)發(fā)射。對這一現(xiàn)象，圖 1.3作了形象的描述。圖1.1原子的結(jié)構(gòu)圖1.2原子的能級若在激發(fā)態(tài)原子的附近，恰巧有一個光子經(jīng)過，這個光子又恰好具有原 子上下能級之差的能量，那么這個原子就有可能受到外來光子的激勵而發(fā)出 一個光子，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激勵而發(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 來的激勵光子在能量、波長、相位等方面完全相同以上是單個原子能級的變

5、化情況。對于大量原子的情況，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到高能級遞減分布。這一分布規(guī)律就是通常所說的波 爾茲曼分布。在圖1.5中，縱坐標(biāo)表示原子的能級，橫坐標(biāo)表示在各能級上 原子的分布數(shù)量。如果我們加熱這些原子，會使處于上能級的原子數(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，上能級的原 子數(shù)量總是少于下能級的原子數(shù)量。若我們想辦法強(qiáng)迫下能級的原子躍遷到 上能級，而同時保證上能級的原子不很快地發(fā)射而返回到下能級，就會人為 地造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時再用激勵光子去激勵上能級原子，使其產(chǎn)生受激圖1.5原子在各能級上的分布發(fā)射。在受激發(fā)射的同時，要

6、設(shè)法使下能級的原子持續(xù)地躍遷到上能級，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、方向及相位，所以受激發(fā)射的光是很強(qiáng)的。這就是激光。 激光這個詞是從英文原文“ LASER ” 一詞翻譯過來的，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。簡單地說：激光器的實質(zhì)是一個光放大在實踐中，要想產(chǎn)生激光，就必須滿足兩個條件：首先找到能夠?qū)崿F(xiàn)粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，也就是激光介質(zhì)；第二要建立一個諧振腔，使某一個 頻率

7、的能量源（可以是諧振腔外的，也可以是諧振腔內(nèi)的）在腔內(nèi)諧振，在 激光介質(zhì)中多次往返時，有足夠的機(jī)會去激勵（泵浦）處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)圖1.6激光的產(chǎn)生示意圖的激光介質(zhì)。只有這樣，才能產(chǎn)生激光。這些受激發(fā)射的光子又去激發(fā)其它 原子，一個變兩個、兩個變四個、四個變八個、，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，光強(qiáng) 被雪崩似地放大。因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光。通常是在激光介質(zhì)的兩端各放置一個反射鏡來組成諧振腔，以形成光學(xué) 反饋。它的作用是將那些沿介質(zhì)長軸發(fā)射的光子反射回介質(zhì)中。兩個反射鏡 中的一個被有意作成可以透過一個很小百分比的光強(qiáng)（在激光器中被稱為前 鏡，相應(yīng)的另外一個反射鏡被稱為后鏡），這就是激光輸出（見圖1.6 ）。1.2激

8、光器原理1.2.1 Nd: YAG激光器原理Nd: YAG激光器是固態(tài)晶體激光器的一種，它采用 Nd: YAG晶體棒作 激光介質(zhì)。Nd: YAG晶體是將激光介質(zhì)釹（Nd）原子摻在生晶體釔鋁石榴石 （YAG）中，Nd原子在YAG中的最佳含量約為總重量的1 %。所以，Nd: YAG 晶體的全稱是摻釹釔鋁石榴石晶體。Nd: YAG晶體一般被制作成棒狀，這種 材料的制作是很困難的，且價格昂貴。但由于它具有良好的光學(xué)性能、機(jī)械 性能和熱學(xué)性能，所以是高功率激光器的最佳選材之一。之所以采用氪燈作為激勵用的泵浦源，因為它可以發(fā)出波長為0.73卩m和0.8卩m的光線，用這一波長的光來激勵 Nd原子是最為有效的

9、。將Nd: YAG晶體棒與氪燈并排放置在一個橢圓型的光學(xué)腔內(nèi)，光學(xué)腔的內(nèi)表面形狀是經(jīng)過精心設(shè)計的，以便保證氪燈發(fā)出的泵浦光能夠全部聚集到 Nd: YAG晶體棒的中心軸上。由一個反射率為 100 %的反射鏡作后鏡，前鏡 的反射率為精心設(shè)計的90% （透過率為10%），它們共同組成光學(xué)諧振腔， 以實現(xiàn)光學(xué)諧振。Nd （釹）原子的能量轉(zhuǎn)移過程分為四步（在圖1.7中對這一過程有詳細(xì)下能級 屋態(tài)圖1.7 Nd: YAG激光器原理圖的描述），第一步：Nd原子在氪燈發(fā)出的波長為 0.73卩m和0.8卩m泵浦光 的激勵下，處于基態(tài)的 Nd原子躍遷到兩個上能級中的一個，原子在這里的 上能級壽命非常短，大約只有1

10、0-7秒，這里稱這一能級為激發(fā)態(tài)；第二步： 原子在激發(fā)態(tài)迅速地進(jìn)行一次無發(fā)射的躍遷，到達(dá)另一個上能級，原子在這 里的上能級壽命較長，大約為 10-4秒，這一能級稱為亞穩(wěn)態(tài)，原子在這里 形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；第三步：當(dāng)原子在這里受激而躍遷到達(dá)下能級時，就會發(fā) 射出波長為1.06卩m的光子，這就是激光；第四步：原子在這里再發(fā)生一次 無發(fā)射的躍遷到達(dá)基態(tài)，準(zhǔn)備重復(fù)上述過程。1.2.2 CO2激光器原理CO2是三原子結(jié)構(gòu)的線性分子，它有三種振動方式，如圖1.8所示。第一種叫做對稱振動（如圖1.8a所示），其對應(yīng)的振動能量叫做對稱振動能量， 其能級相應(yīng)地稱為對稱振動能級。第二種叫做反對稱振動（如圖1.8b所示

11、）， 其對應(yīng)的振動能量叫做反對稱振動能量，其能級相應(yīng)地被稱為反對稱振動能 級。第三種叫做形變振動，又叫彎曲振動（如圖 1.8c及c，所示），這種振動 有上下、前后兩種形式，這種振動的能量叫做形變振動能量，能級被稱為形 變振動能級。圖1.8 CO 2分子的振動方式CO2分子有幾個上能級，其中只有一個上能級在躍遷時可以產(chǎn)生波長為10.6卩m的激光，我們不妨把這一能級叫做激光能級（屬于反對稱振動能級） 由于CO2分子的上能級壽命長，而且CO2激光器的激光能級與基態(tài)靠得很 近，從而使它有高的效率、低的激勵能量，并且很容易獲得并積聚大量的受 激分子，從而得到高功率、高效率的激光器。建立CO2激光器能級間

12、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，把分子激發(fā)到高能級，一般有以下 幾個基本過程：1.電子直接激勵：放電中具有一定動能的電子同處于基態(tài)的CO2分子碰撞,把分子從基態(tài)直接激發(fā)到激光能級。2串級躍遷：處于比激光能級更高的其它反對稱上能級也和基態(tài)能級有聯(lián)系， 因此動能較高的電子和基態(tài)的 CO2分子相碰撞時，也能把分子激發(fā)到這些能 級上去，在這些能級上的分子很容易躍遷到激光能級上來，這是因為它們都 是反對稱振動能級，而激光能級又是其中最低的一個。在較高能級的分子是 不穩(wěn)定的，它們總是力圖向較低能級躍遷，因此在激光能級就會積聚大量的 粒子，這就是所謂串級躍遷。3.諧振碰撞：處于更高反對稱振動能級上的分子還可以通過與基態(tài) CO?

13、分子 的碰撞，把能量交給后者使其激發(fā)到激光能級，而自己成為低一級的反對稱 振動能級分子。這一類碰撞是諧振的，發(fā)生的幾率很大，對增加激光能級的 粒子數(shù)有很大的貢獻(xiàn)。4復(fù)合過程：在CO2分子放電過程中，有部分 CO2分子分解為CO和0, 同時也存在部分CO和O復(fù)合成CO2分子的過程，在它們復(fù)合時會把原來 分解時吸收的能量放出，因此復(fù)合而成的CO2分子就會被這部分能量激發(fā)到 激光能級。以上這四種基本過程是 CO2分子被激發(fā)到激光能級去的四條途徑。另外，為實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以便產(chǎn)生受激輻射，還必須抽空下能級。CO2激光器按激勵方式可分為橫向激勵激光器、氣動激光器、化學(xué)激勵 激光器、射頻激勵激光器，等等。7

14、激光打標(biāo)機(jī)原理10第二章激光打標(biāo)機(jī)的種類一般地說，激光打標(biāo)機(jī)是在計算機(jī)的控制下，使被打標(biāo)的工件與激光束 產(chǎn)生受控相對運動，激光束就會在工件表面燒蝕出需要的符號和圖案。顯然，產(chǎn)生這種相對運動可以有兩種方式：一種是激光束固定，工件運 動；還有一種是工件固定，激光束運動。對于前一種方式，一般采用兩維機(jī)械數(shù)控（或計算機(jī)控制）工作臺拖動 被打標(biāo)工件，工件在工作臺的拖動下按照事先設(shè)計好的軌跡運動，在固定不 動的激光束的燒蝕作用下，工件表面就會留下永久的痕跡（見圖2.1 ）。這種打標(biāo)方式我們稱之為“工作臺式”。采用這種方式的打標(biāo)機(jī)最大的優(yōu)點是：反射鏡工作臺面驅(qū)動馬達(dá)激光器圖2.1 “工作臺式”激光打標(biāo)機(jī)的原

15、理示意圖價格相對低廉，但受機(jī)械運動機(jī)構(gòu)設(shè)計的限制打標(biāo)速度慢，很難進(jìn)行精細(xì)文 字及圖案的打標(biāo)（若要實現(xiàn)精細(xì)打標(biāo)，價格低廉的優(yōu)點將不復(fù)存在，且非常 困難），更無法對照片進(jìn)行打標(biāo)。對于后一種方式，常用的有兩種方法：1利用兩個聯(lián)動的光學(xué)反射鏡，使激光束發(fā)生偏折。激光器射出的激光束照 在第一面反射鏡上，在水平方向折射 90。后照射在第二反射鏡上，第二反射 鏡使激光束向下反射通過聚焦透鏡后在工件表面聚焦，該透鏡與第二反射鏡 是固定在一起的。第一反射鏡沿激光器的軸線運動，運動時帶動第二反射鏡， 第二反射鏡沿反射后的激光束運動，這兩個運動受計算機(jī)控制。這兩個運動的合成就是事先要求的標(biāo)記圖樣的軌跡（見圖2.2）

16、。這種打標(biāo)方式我們稱之 為“繪圖儀式”，因為它的工作方式類似于筆式繪圖儀。 又由于在打標(biāo)過程中, 兩個反射鏡帶著激光束做大范圍的運動，就象激光束在飛來飛去，所以又有 人稱之為“飛行光學(xué)式”打標(biāo)機(jī)。與“工作臺式”激光打標(biāo)機(jī)相比，它的運 動機(jī)構(gòu)變得輕巧，構(gòu)造更加簡單，但由于在打標(biāo)過程中激光光束的光程是不 斷變化的，最終作用在工件表面的光斑質(zhì)量難以一致。這種形式的激光打標(biāo) 機(jī)在不降低激光光斑能量密度的情況下，打標(biāo)范圍容易做得很大，但滑塊聚焦透筑員射做 驅(qū)越鳥達(dá)圖2.2 “繪圖儀式”激光打標(biāo)機(jī)原理示意圖難以對精細(xì)圖案進(jìn)行打標(biāo)，打標(biāo)速度較慢。2利用振鏡掃描器使激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)及運動。由激光器射出的激光束順

17、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、丫兩個方向上掃描，在計算機(jī)的控制下，激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦后就會在平面上掃描出 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)， 缺點是造價較高，很難擴(kuò)大打標(biāo)視場。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。X振饑激光器柴用束卩一6逢鏡圖2.3“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分類，諸如：CO2激光打標(biāo)機(jī)、Nd: YAG激光打標(biāo)機(jī)等等。YAG系列激光打標(biāo)機(jī)屬于振鏡掃描式 Nd: YAG打

18、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)動電源、振鏡掃描器及驅(qū)動電源、光學(xué)系統(tǒng)、計算機(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)動電源、光學(xué)系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、風(fēng)冷卻或水循 環(huán)系統(tǒng)等組成。10激光打標(biāo)機(jī)原理10第三章激光輸出的調(diào)制3.1聲光Q開關(guān)對于采用Nd: YAG激光器的JBJ系列激光打標(biāo)機(jī)來說，聲光 Q開關(guān)是 必不可少的。它是通過在光學(xué)反饋路徑上交替地開啟和阻斷光路來形成激光 脈沖的一種設(shè)備?！癚

19、”是英文“ Quality ”（品質(zhì)）的縮寫，它的意思是指光 學(xué)諧振腔中光學(xué)反饋的品質(zhì)。在激光打標(biāo)系統(tǒng)中，聲光Q開關(guān)經(jīng)常作為附屬光學(xué)器件加到光學(xué)諧振腔內(nèi)。聲光Q開關(guān)由對激光束透明的材料（如水晶等）制成，它的側(cè)面粘合了 一個壓電聲學(xué)換能器，在該壓電聲學(xué)換能器上加有射頻信號，該射頻信號的 頻率被調(diào)制為150kHz。當(dāng)沒有電信號時，Nd: YAG晶體中發(fā)出的光束可以直接通過聲光 Q開 關(guān)，被后反射鏡反射后通過聲光 Q開關(guān)又回到晶體，Q開關(guān)不起作用。當(dāng)有 信號加在聲光換能器上時，換能器將產(chǎn)生聲波，聲波作用在水晶上而壓迫水 晶，這將使水晶的折射率發(fā)生變化，從Nd: YAG晶體中發(fā)出的光在通過聲光 Q開關(guān)

20、時將被折射而偏離后反射鏡。由于用于受激發(fā)射的光反饋消失了，激 光產(chǎn)生的過程也就中斷了（如圖 3.1所示）。圖例二開關(guān)不工作時激光束的傳輸路徑-C開關(guān)工作時激光的傳輸路徑圖3.1聲光Q開關(guān)工作原理示意圖Nd是一種十分難得的優(yōu)質(zhì)激光介質(zhì)，它的上能級壽命相對較長，達(dá)到了 10-4秒。當(dāng)射頻信號使Q開關(guān)破壞了光學(xué)諧振腔的諧振條件從而阻斷激光輸 出時，它的內(nèi)部仍然在吸收氪燈發(fā)出的光能而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由于較長的 上能級壽命，受激原子不會很快回到下能級。在沒有激光輸出期間，上能級 積聚了極大的能量，當(dāng)射頻信號一旦取消而恢復(fù)光學(xué)反饋時，將會產(chǎn)生數(shù)千 瓦的激光峰值功率輸出。Q開關(guān)為在功率較低的激光器上產(chǎn)生高峰

21、值功率短 脈寬的激光脈沖提供了極好的方法。YAG系列激光打標(biāo)機(jī)采用的聲光Q開關(guān)是由熔石英制成的，采用LiNbo3 單晶作壓電聲學(xué)換能器。為了提高聲光 Q開關(guān)對Nd: YAG激光的透過率， 在熔石英的兩個通光面表面鍍1.06卩m硬增透膜。3.2激光脈沖控制器對于采用射頻激勵CO2激光器的CO2系列激光打標(biāo)機(jī)來說，有沒有激 光脈沖控制器似乎都可以對工件進(jìn)行打標(biāo)加工。但實踐證明，加有激光脈沖 控制器的激光打標(biāo)機(jī)打標(biāo)質(zhì)量明顯提高，對材料的適應(yīng)能力也更好，更能夠 滿足激光打標(biāo)加工的要求。脈沖控制器的工作原理與聲光Q開關(guān)完全不同，它是用一組電脈沖信號 直接控制激光電源，從而改變激光器的輸出波形。達(dá)到縮小激

22、光束輸出的輻 射方向以及大幅度增加激光輸出的峰值功率的目的。它的工作原理見圖3.2。圖3.2激光脈沖控制器工作原理13激光打標(biāo)機(jī)原理10第四章 供電及冷卻系統(tǒng)無論是采用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能產(chǎn)生高壓啟動脈沖的點燃電路，以引燃 氪燈。大恒激光生產(chǎn)的激光打標(biāo)機(jī)均采用IGBT開關(guān)電源，由于設(shè)計合理、制 作精良，保證了電源的穩(wěn)定性和

23、可靠性。Nd: YAG激光器所用的泵浦源大功率氪燈，在發(fā)光過程中會產(chǎn)生大量的熱；CO2激光器在工作時同樣會產(chǎn)生一定的熱量 （雖然不如Nd: YAG激 光器產(chǎn)生的熱量多）。若不及時將這些熱量去掉，不僅會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激光器報廢。施加于聲光Q開關(guān)上的射頻信號，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開關(guān)中的熔石英晶體對激光是透明的， 但還會吸收一部分光能，這些能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷＿@些熱量會燒壞壓電換能器的 電極，燒壞壓電換能器，甚至?xí)龎娜凼⒕?/p>

24、體。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)來帶走熱 量。對于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。14激光打標(biāo)機(jī)原理10第五章光學(xué)系統(tǒng)沒有光學(xué)系統(tǒng)

25、，激光打標(biāo)機(jī)是無法正常工作的。針對激光打標(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70W的連續(xù)激光器所發(fā)出的光能與一個 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)計為用來照明的，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)

26、行激光打標(biāo)，必須進(jìn)一步提高激光的能量密度。這有兩個方法：一 個是提高激光器的激光輸出功率，一般地說這是困難或得不償失的；還有一 個方法是將激光器發(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)是很簡單的，只需有一個聚焦透鏡將激光束聚焦到一個很 小的點。激光器發(fā)出的激光并不是理想的平行光，它有一個很小的發(fā)散角， 這一很小的發(fā)散角會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，保證了反射鏡在長時間工作時不被激光束燒壞。按照聚焦透鏡在光路中相對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-振鏡反射鏡Y-振鏡反射鏡激光器擴(kuò)束鏡激光束聚焦鏡圖5