雷射打標機

雷射打標機

雷射打標機主要指用雷射束在各種不同物質表面打上永久的標記。雷射打標機的效應主要運用表層物質的蒸發露出深層物質,從而刻出精美圖案、商標和文字,雷射打標機主要還分為,CO2,半導體、光纖和YAG類型雷射打標機,目前主要套用於一些要求更精細、精度更高的場合。套用於電子元器件、積體電路(IC)、電工電器、手機通訊、五金製品、工具配件、精密器械、眼鏡鐘錶、首飾飾品、汽車配件、塑膠按鍵、建材、PVC管材。

基本信息

基本原理

雷射打標是用雷射束在各種不同的物質表面打上永久的標記。打標的效應是通過表層物質的蒸發露出深層物質,或者是通過光能導致表層物質的化學物理變化而"刻"出痕跡,或者是通過光能燒掉部分物質,顯出所需刻蝕的圖案、文字。

不同標記方法的比較

與噴墨打標法相比,雷射打標刻槽)的優越性在於:套用範圍廣,多種物質(金屬、玻璃、陶瓷、塑膠、皮革等)均可打上永久的高質量標記。對工件表面無作用力,不產生機械變形,對物質表面不產生腐蝕(見下表)

雷射打標機雷射打標機

雷射打標與其它標記技術的比較

打標工藝 速度 性能 圖象文字變更

雷射振鏡打標 快 好 易於變更

雷射掩模打標 快 較好 不易變更

化學腐蝕 較快 好 不易變更

照相腐蝕 較快 好 不易變更

噴墨列印 快 較差 易於變更

機械壓痕 快 較差 易變更

熔模 快 好 易變更

氣動沖針 中速 較好 易於變更

產品特點

公認的原理是兩種:

“熱加工”具有較高能量密度的雷射束(它是集中的能量流),照射在被加工材料表面上,材料表面吸收雷射能量,在照射區域內產生熱激發過程,從而使材料表面(或塗層)溫度上升,產生變態、熔融、燒蝕、蒸發等現象。

“冷加工”具有很高負荷能量的(紫外)光子,能夠打斷材料(特別是有機材料)或周圍介質內的化學鍵,至使材料發生非熱過程破壞。這種冷加工在雷射標記加工中具有特殊的意義,因為它不是熱燒蝕,而是不產生"熱損傷"副作用的、打斷化學鍵的冷剝離,因而對被加工表面的裡層和附近區域不產生加熱或熱變形等作用。例如,電子工業中使用準分子雷射器在基底材料上沉積化學物質薄膜,在半導體基片上開出狹窄的槽。

不同標記方法的比較

與噴墨打標法相比,雷射打標雕刻的優越性在於:套用範圍廣,多種物質(金屬、玻璃、陶瓷、塑膠、皮革等)均可打上永久的高質量標記。對工件表面無作用力,不產生機械變形,對物質表面不產生腐蝕。

產品套用

可雕刻多種非金屬材料。 用於服裝輔料、醫藥包裝、酒類包裝、建築陶瓷、飲料包裝、織物切割、橡膠製品、外殼銘牌、工藝禮品、電子元件、皮革等行業。

●可雕刻金屬及多種非金屬材料。更適合套用於一些要求精細、精度高的產品加工。

●套用於電子元器件、積體電路(IC)、電工電器、手機通訊、五金製品、工具配件、精密器械、眼鏡鐘錶、首飾飾品、汽車配件、塑膠按鍵、建材、PVC管材、醫療器械等行業。

●適用材料包括:普通金屬及合金(鐵、銅、鋁、鎂、鋅等所有金屬),稀有金屬及合金(金、銀、鈦),金屬氧化物(各種金屬氧化物均可),特殊表面處理(磷化、鋁陽極化、電鍍表面),ABS料(電器用品外殼,日用品),油墨(透光按鍵、印刷製品),環氧樹脂(電子元件的封裝、絕緣層)。

產品分類

按雷射器

雷射打標機按照雷射器不同可分為:CO2雷射打標機,半導體雷射打標機,YAG雷射打標機,光纖雷射打標機。按照雷射可見度不同分為:紫外雷射打標機(不可見)、綠雷射打標機(可見雷射)、紅外雷射打標機(不可見雷射)、

按波長

按照雷射波長的不同可分為:深紫外雷射打標機( 266 nm )、綠雷射打標機( 532nm )、燈泵YAG雷射打標機(1064nm)、半導體側泵YAG雷射打標機、半導體端泵YAG雷射打標機(1064nm )、光纖雷射打標機(1064nm)、CO2雷射打標機(10.64um)。

區分

雷射波長不同

★深紫外雷射打標機: 266 nm

★綠雷射打標機: 532nm

★燈泵YAG雷射打標機:1064nm

★半導體側泵YAG雷射打標機、半導體端泵YAG雷射打標機:1064nm

★光纖雷射打標機:1064nm

★CO2雷射打標機:10.64um

工作原理不同

★燈泵浦YAG雷射打標機: 採用氪燈作為能量源(激勵源),ND:YAG作為產生雷射的介質,發出特定波長可以促使工作物質生產能級躍遷釋放出雷射,將雷射能量放大後就形成對材料加工的雷射束。

★CO2雷射打標機: 採用CO2氣體充入放電管作為產生雷射的介質,在電極上加高電壓,放電管中產生輝光放電,致使使氣體分子釋放出雷射,將雷射能量放大後就形成對材料加工的雷射束。

★半導體側泵YAG雷射打標機:使用波長為 808nm 半導體雷射二極體泵浦 Nd: YAG 介質,使介質產生大量的反轉粒子在Q開關的作用下形成波長1064nm 的巨脈衝雷射輸出,電光轉換效率高。

★半導體端泵YAG雷射打標機:直接從雷射晶體的端面將半導體泵浦光(808nm)泵入,經光學鏡組輸出產生雷射。使行光轉換效率大大提高。

光纖雷射打標機:由光纖直接輸出雷射。

★綠色雷射打標機:綠光雷射打標機是採用國際上最先進的使用波長為532nm的雷射泵浦技術(側面泵浦或端面泵浦)研製而成。

標記範圍

CO2雷射打標機:主要用於非金屬(木頭、亞克力、紙張 、皮革等),價格便宜。

▼綠雷射打標機、紫外雷射打標機:主要用於高端極精細IC等產品。價格較高,產品定製為主。

▼燈泵YAG雷射打標機:主要用於金屬、塑膠等低要求產品,雷射打標機價格適中。

▼半導體側泵雷射打標機:與燈泵YAG雷射打標機使用面相同,但較穩定,價格適中。

▼半導體端泵雷射打標機:與燈泵YAG雷射打標機使用面相同,穩定且省電,但用於高端產,價格較高。

▼光纖雷射打標機:打標精細、省電、免維護,用於手機、按鍵等高端產品。價格高。

半導體型

其發光源採用的是半導體列陣,所以光轉換效率非常高,達到40%以上;熱耗損低,無需單獨配備冷卻系統;耗電少,1800W/H左右。整機性能非常穩定,屬於免維護產品,整機免維護時間可達到150000小時,相當於10年免維護,沒有氪燈的更換,無耗材。

基礎配置及技術規格:

型號項目 CCC-DP50

雷射器 CCC-DP50(相干雷射模組)

掃描振鏡 YAG-16mm鏡片

聚焦透鏡 1064-110

Q開關 英國Gooch & Housego

控制軟體專業雷射標記軟體for Windows98/2000/XP

冷卻系統 水冷

工作方式 靜態標記字型 50種以上的標準字型,並特殊設計手寫字型輸入功能

輸入電源 220V AC 50Hz

雷射打標機雷射打標機

雷射輸出功率 0-50W

打標頻率0.5-50KHZ

整機功率 1500W

打標線寬 0.02mm

標刻深度 ≤3毫米(視材料可調)標刻速度 ≤7000㎜/s

最小字元 0.2mm

打標範圍 標準: 110mm×110mm備 注 精密三維升降操作台

CO2型

功能特點:

採用CO2氣體雷射管、擴束聚焦光學系統和高速振鏡掃描器,性能穩定,長壽命,免維護

可廣泛用於電子元器件,電氣零部件、醫藥、食品、工藝品、皮革製品、塑膠製品等行業

3。該機可單機使用也可以安裝在流水線上聯合使用

4。列印效果和打標速度能夠滿足現代化大生產高效、高速、高可靠的要求

該機的專業打標控制軟體是基於矢量圖形打標的軟體系統,支持Autocad、photoshop等後台軟體,系統功能強大、易於掌握

在電晶體、片式元器件、IC、陶瓷電容、熱敏電阻等上標刻商標型號等,字元清晰美觀,不會磨損;

CO2雷射標刻機套用範圍:

該機套用廣泛,可雕刻絕大部分非金屬材料:紙張、皮革、木器、塑膠、有機玻璃、布料、亞克力、木竹、橡膠、水晶、玉石、陶瓷、玻璃及人造石等等

技術參數:

雷射波長: 10.64μm

雷射重複頻率: 5-20kHz

標準雕刻範圍: 110mm×110mm

雕刻深度: ≤5mm

雕刻線速: ≤7000mm/s

最小線寬: 0.1mm 最小字元: 0.4mm

重複精度: ±0.001mm

整機功率: 250W

雷射功率: 10W,30W,50W,100W

YAG振鏡型

性能特點

利用高速掃描鏡片可以在很短的時間完成圖像掃描,完成精美的標記;設計合理,做工精細,外觀高檔;可根據用戶要求配置數控鏇轉頭、自動夾具、上下料生產線;自動完成日期、流水號,可標刻條型碼;可進行數據通訊、聯網。

套用範圍

套用範圍樣品套用範圍樣品

適用於各種金屬、金屬氧化物、玻璃、塑膠等,套用於軸承、晶片、手機按鍵、鐘錶、不鏽鋼餐具、鑽頭、電器面板、電錶盤、隨身碟、電腦鍵盤、電池、電子、通訊、電器、儀表、工具、精密儀器、飾品、鐘錶眼鏡、五金水暖、建材、汽配等。

技術指標

配置 YAG雷射器、振鏡頭、進口聲光Q開關及驅動器、連續雷射電源、

F-θ鏡、工業冷水機、電腦(可自備);

主機 寬240×深1280×高1200(mm)

控制櫃 寬590×深560×高800(mm)

冷水機 寬540×深700×高900(mm)

雷射功率 50W

雷射波長 1064nm

打標範圍 100×100(mm) 150×150(mm) 300×300(mm)

打標速度 5m/s

打標深度 0.3mm以內(視材料)

最小線寬 0.05mm

重複精度 0.02mm

光纖型

光纖雷射打標機特點

纖雷射器分為兩大類產品:連續光纖雷射器和脈衝光纖雷射器。 按照功率大小有:連續5W、10W、20W至400W、1000W以上;脈衝10W、15W、20W、25W、30W至50W。 光纖雷射打標機為當今國際上最先進雷射標記設備,具有光束質量好,體積小、速度快、工作壽命長、安裝靈活方便以及免維護等特點。廣泛用於是積體電路晶片、電腦配件、工業軸承、鐘錶、電子及通訊產品、航天航空器件、各種汽車零件、家電、五金工具、模具、電線電纜、食品包裝、首飾、菸草以及軍用事等眾多領域圖形和文字的標記,以及大批量生產線作業。光纖雷射器,國際最新型,最可靠結構,體積小巧(約410*200*270mm),耗電量小,無高電壓無需龐大的水冷系統(僅需約300W),光束質量高,接近理想光束,USB接口輸出控制,光學掃描振鏡,雷射重複頻率高,高速無畸變。

光纖雷射打標機參數

波長:1064nm

雷射器:全封閉(雙包層)光纖脈衝雷射器

最大雷射功率:10W / 20W

刻寫範圍:∮100(標配),可選∮200∮300

刻寫速度:<=9000mm/s

最小線寬:0.01mm

最小字元:0.1mm

脈寬:< 60ns

模式:單模冷切方式:風冷

輸入電壓:220V,50Hz

注意事項

關於光纖雷射打標機兩大防止

防止光纖折斷

雷射器系統的泵浦源和雷射頭之間由光纖進行連線,用戶在使用或在運輸過程中應確保光纖彎曲直徑大於300mm。彎曲嚴重將導致的光纖折斷和雷射器系統不能正常工作。

防止灰塵污染

電源和雷射頭的光纖接入口在未與光纖連線的狀態下,必須安裝隨系統提供的保護蓋,防止外部灰塵污染內部光學元件。

光纖在未與電源和雷射頭連線的狀態下,必須安裝隨系統提供的保護蓋,防止光纖端面污染,(如果光纖端面已粘附灰塵,應使用洗耳球將光纖端面吹拭乾淨,若污染嚴重,應使用沾有酒精和乙醚混合液的無塵紙擦拭乾淨)。未安裝保護蓋將使內部光學元件和光纖端面受到污染,將導致整個雷射器系統不能正常工作,並失去保修。

關於避免結露

防止雷射晶體及LD 腔面結露

禁止雷射器系統在高濕度環境下工作,客戶應確保環境濕度小於60%。當雷射晶體溫度與環境溫度溫差過大(大於10 度),將可能導致雷射晶體結露,結露將導致雷射器系統功率下降或損壞。因此當環境溫度遠大於水箱設定溫度(大於10 度以上)時,嚴禁雷射器系統處於單開水冷機而雷射頭不工作的狀態。在此狀態下,建議採用以下步驟進行操作:

在開機時,先打開冷水機,待制冷機溫度顯示低於30℃,啟動電源並將電流緩慢調節至10A 左右;待制冷機溫度顯示在工作溫度(18℃左右)時,再緩慢的將電流調節至工作電流(35A 左右)。

在關機時,先將電流緩慢的降至10A 左右並停止電源輸出,關閉電源,再儘快關水冷機。如果不在最大電流處工作,可以適當調高制冷機製冷溫度(但不得高於25℃)務必在規定的環境內使用雷射器系統設備(南方操作環境應加裝空調)。

燈泵浦型

YAG雷射器是紅外光頻段波長為1.064um的固體雷射器,採用氪燈作為能量源(激勵源),ND:YAG(Nd:YAG雷射器。Nd(釹)是一種稀土族元素,YAG代表釔鋁石榴石,晶體結構與紅寶石相似)作為產生雷射的介質,激勵源發出特定波長的入射光,促使工作物質發生居量反轉,通過能級躍遷釋放出雷射,將雷射能量放大並整形聚焦後形成可使用的雷射束。

雖然燈泵浦雷射打標機是一種很穩定的設備。但是在客戶使用的時候由於不留意細節等原因,可能會造成一些小故障,那么我們來看一下最常見的兩種:

故障1、雷射強度下降,標記不夠清楚

故障2、氪燈不能觸發

故障1的處理方法:

1、雷射諧振腔是否變化;微調諧振腔鏡片。使輸出光斑最好;

2、聲光晶體偏移或者聲光電源輸出能量偏低;調整聲光晶體位置或者加大聲光電源工作電流;

3、進入振鏡的雷射偏離中央:調節雷射器;

4、若電流調到20A左右仍感光強不夠:氪燈老化,更換新燈。

故障2的處理方法:

1、檢查所有的電源連線線;

2、高壓氪燈老化,更換雷射打標機氪燈。

YAG雷射打標機

半導體泵浦雷射打標機是使用波長為0.808um半導體雷射二極體(側面或端面)泵浦Nd:YAG介質,使介質產生大量的反轉粒子在Q開關的作用下形成波長1.064um的巨脈衝雷射輸出,電光轉換效率高。半導體泵浦雷射打標機與燈泵浦YAG就剛打標機相比有較好的穩定性、省電、不用換燈、等優點,價格相對較高。

光纖雷射打標機

主要由雷射器、振鏡頭、打標卡三部分組成,採用光纖雷射器生產雷射的打標機,光束質量好,其輸出中心為1064nm,整機壽命在10萬小時左右,相對於其他類型雷射打標器壽命更長,電光轉換效率為28%以上,相對於其他類型雷射打標機2%-10%的轉換效率優勢很大,在節能環保等方面性能卓著。

CO2雷射打標機

CO2雷射器是遠紅外光頻段波長為10.64um的氣體雷射器,採用CO2氣體充入放電管作為產生雷射的介質,當在電極上加高電壓,放電管中產生輝光放電,就可使氣體分子釋放出雷射,將雷射能量放大後就形成對材料加工的雷射束。

紫外雷射打標機

紫外雷射打標機配置深紫外雷射器、進口高速掃描振鏡系統等;由於紫外雷射打標機聚焦光斑極小,且加工熱影響區微乎其微,因而紫外雷射打標機可以進行超精細打標、特殊材料打標,紫外雷射打標機是對打標效果有更高要求的客戶首選產品。紫外雷射打標機具有電光轉換率高,非線性晶體使用壽命長、整機運行穩定、定位精度高、作業效率高、模組化設計便於安裝維護等特點。另外可選配二維自動工作檯,實現多工位連續打標或大幅面打標。

綠光雷射打標機

綠光雷射打標機是採用國際上最先進的波長為532nm雷射泵浦技術(側面泵浦或端面泵浦)研製而成,客戶可根據自身產品的特性自由選擇泵浦類型,這類雷射器的電光轉換率較高,可以達30%或45%以上,且整機功耗低,防護性很好。他的用途很廣泛:標記多種金屬(如不鏽鋼,銅合金等)及多種非金屬材料(如玻璃、寶石、陶瓷、電鍍按鍵、鍍金器件等)的打標,及光學器件(如光字鏡片等)標識或刻度的打標,同時也適於陶瓷打孔,高溫PCB板直接成型等。與同類產品相比具有相當高的性價比,更適合套用於一些要求更精細、精度更高的場合。與同類產品相比具有相當高的性價比。他的價格更為高昂。

釔鋁石榴石型

激活媒介是固體,雷射器發射出接近紅外線區域的1060nm的光波,有連續式、光筆式兩種,通過改變輸出能量,可得到不同強度的雷射束。打標工藝有焦化法(深色標記)、發泡法(淺色標記)和燒蝕法(雕刻標記),標記質量極好。

準分子型

可發射出紫外範圍的光波(100~400nm),激活媒介由氦、氬、氪、氖氣體和氯、氟、溴、碘等鹵素組成的混合物構成。

區別

半導體泵浦雷射器產生廢熱少,所需冷卻系統小,一般只需1匹的冷水機即可,需燈泵浦雷射器一般都需要二匹以上的冷水機,同時需要較大水泵以提供較大的冷卻水流。因此其運行燈泵浦雷射標記機的運行噪音較大,同時龐大的冷水機會產生更多的熱量,尤其在南方夏季,環境氣溫較高,這些多餘的熱量會使工人的工作環境更惡劣,或者需要更多的空調系統來調節工作環境的溫度,增大了生產成本。

一.標記效果更好

由於半導體二極體幾乎只發一種波長的光,所以由它泵浦產生的雷射的單色性更好,雷射的模式更佳,好的雷射模式會使雷射聚焦後的光點更小,能量更集中,取得更好的標記效果;

半導體及燈泵浦雷射器都是採用ND:YAG(摻釹釔鋁石榴石)晶體作為雷射產生的材料,它可將808nm的可見光轉換為1064nm的不可見的雷射,但輸出雷射的另一個更關鍵的因素是使晶體棒輸出雷射的泵浦源,半導體泵浦是利用半導體二極體發出808nm的光波;而燈泵浦是利用氪燈發出的光來泵浦,但氪燈發出的光的光譜較廣,只是在808nm處有一個稍大的峰值,其它波長的光最後都變成無用的熱量散發掉了。

二.體積小

半導體雷射模組本身體積小巧,加上其雷射模式好,因此數控工具機半導體泵浦雷射器的體積比燈泵浦雷射器的體積小近三分之一。

總之使用半導體雷射器比採用燈泵浦雷射器,雖然每台打標機的價格稍高,但每台打標機3年內的使用成本可以準確計算出的就會節省11.905萬元人民幣,這還不包括換燈造成停工待機從而影響生產的損失(用戶可自行計算),換燈人員的開支,以及燈質量不齊造成的浪費維護生產環境增加的空調降溫費用等等。

三.免維護不需換氪燈

半導體二極體的壽命長,其額定的工作時間大於10000小時,而氪燈的壽命只有幾百小時(一般在400-600小時左右),所以燈泵浦雷射器在工作一段時間後,都需要更換氪燈,尤其是對於金屬類打標,所需的能量較大,氪燈的壽命會更受影響。因此數控工具機半導體泵浦雷射器又稱為免維護雷射器,意指其工作無耗材,在相當長的時間內不需要維護。我公司為更有效的延長半導體雷射器二極體泵浦源的使用壽命,採用了預燃加變頻控制技術,即在保證發光管不受電流衝擊的前提下,根據工作量和強度,最大幅度地減少通過發光二極體的電流密度,從而有效的延長了半導體二極體的使用壽命。根據不同用戶的不同的生產任務,半導體雷射器發光二極體的使用壽命可以保證在一年到三年之間。每台半導體泵浦打標記可節省換燈耗材費用為:大於12支燈/年*350元/支*3年=1.26萬元。

燈泵浦雷射打標機需常停機換氪燈,對於很多大型的生產線是不能接受的.由於氪燈的壽命不一,這樣又有可能因為國產燈質量的不均衡造成氪燈使用上的更多的浪廢!所以改用半導體打標機可以較大程度上節省停工維護造成的人力和物力的損失。

四.省電

由於半導體泵浦的轉換效率高,模式好,更易聚焦出高能量的更小面積的光點,標記同樣的物體時,其所需的外部能量會更小。同時其產生的廢熱也遠遠小於燈泵浦雷射器,決定了其不需要燈泵浦雷射器那樣龐大的冷卻系統。所以半導體泵浦的雷射器系統的功耗比燈泵浦小得多。

一個50W的燈泵浦雷射打標機的功耗在6KW左右,而一個50W半導體雷射標記機的功耗只在2KW左右,以三年為例,一天工作24小時,一個月工作28天,一度工業用電1.1元人民幣,光耗電一項,一台半導體雷射器就比一檯燈泵浦雷射器節省(6-2)KW*24小時*28天*12月*3年*1.1/度=10.645萬 元人民幣!

回顧展望

“雷射”一詞是“LASER”的意譯。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字頭組合而成的專門名詞,在我國曾被翻譯成“萊塞”、“光激射器” 、“光受激輻射放大器”等。1964年,錢學森院士提議取名為“雷射”,既反映了“受激輻射”的科學內涵,又表明它是一種很強烈的新光源,貼切、傳神而又簡潔,得到我國科學界的一致認同並沿用至今。

從1961年中國第一台雷射器宣布研製成功至今,在全國雷射科研、教學、生產和使用單位共 同努力下,我國形成了門類齊全、水平先進、套用廣泛的雷射科技領域,並在產業化上取得可喜進步,為我國科學技術、國民經濟和國防建設作出了積極貢獻,在國際上了也爭得了一席之地。

1957年,王大珩等在長春建立了我國第一所光學專業研究所——中國科學院(長春)光學精密 儀器機械研究所(簡稱“光機所”)。在老一輩專家帶領下,一批青年科技工作者迅速成長,鄧錫銘是其中的突出代表。早在1958年美國物理學家肖洛、湯斯關於雷射原理的著名論文發 表不久,他便積極倡導開展這項新技術研究,在短時間內凝聚了富有創新精神的中青年研究 隊伍,提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的構想和實驗方案。1960年世界第一台雷射器問世。1961年夏,在王之江主持下,我國第一台紅寶石雷射器研製成功。此後短短几年內,雷射技術迅速發展,產生了一批先進成果。各種類型的固體、氣體、半導體和化學激 光器相繼研製成功。在基礎研究和關鍵技術方面、一系列新概念、新方法和新技術(如腔的Q突變及轉鏡調Q、行波放大、錸系離子的利用、自由電子振盪輻射等)紛紛提出並獲得實施,其中不少具有獨創性。

同時,作為具有高亮度、高方向性、高質量等優異特性的新光源,雷射很快套用於各技術領域,顯示出強大的生命力和競爭力。通信方面,1964年9月用雷射演示傳送電視圖像,1964年11月實現3~30公里的通話。工業方面,1965年5月雷射打孔機成功地用於拉絲模打孔生產,獲得顯著經濟效益。醫學方面,1965年6月雷射視網膜焊接器進行了動物和臨床實驗 。國防方面,1965年12月研製成功雷射漫反射測距機(精度為10米/10公里),1966年4月研製出遙控脈衝雷射都卜勒測速儀。

表一:我國各類雷射器的“第一台”

名 稱 研製成功時間 研 制 人

He-Ne雷射器 1963年7月 鄧錫銘等

摻釹玻璃雷射器1963年6月乾福熹等

GaAs同質結半導體雷射器 1963年12月王守武等

脈衝Ar+雷射器 1964年10月 萬重怡等

CO2分子雷射器 1965年9月王潤文等

CH3I化學雷射器 1966年3月 鄧錫銘等

YAG雷射器 1966年7月 屈乾華等

可以說,在起步階段我國的雷射技術發展迅速,無論是數量還是質量,都和當時國際水平接近,一項創新性技術能夠如此迅速趕上世界先進行列,在我國近代科技發展史上並不多見。這些成績的取得,尤其是能夠把物理構想、技術方案順利地轉化成實際雷射器件,主要得力於光機所多年來在技術光學、精密機械和電子技術方面積累的綜合能力和堅實基礎。一項新技術的開發,沒有足夠的技術支撐是很難形成氣候的。

雷射科技事業從一開始就得到了領導和科學管理部門的高度重視。當時中國科學院副院長張勁夫提出建立專業雷射研究所的構想,很快得到國家科委、國家計委的批准。主管科技的聶榮臻副總理還特別批示:研究所要建在上海,上海有較好的工業基礎,有利於發展這一新技術。1964年,我國第一所,也是當時世界上第一所雷射技術的專業研究所——中國科學院上海光學精密機械研究所(簡稱“上海光機所”)成立。當年12月在上海召開全國雷射會議,張勁夫、嚴濟慈出席並主持會議,140位代表提交了103篇學術報告。

1964年啟動的“6403”高能釹玻璃雷射系統、1965年開始研究的高功率雷射系統和核聚變研究,以及1966年制定的研製15種軍用雷射整機等重點項目,由於技術上的綜合性和高難度,有力地牽引和帶動了雷射技術各方面在中國的發展。我國的雷射科技事業,雖然也遭遇了“文革”十年浩劫,但藉助於重點項目的支撐,仍艱難地生存了下來並取得可貴的進展?

“6403”高能釹玻璃雷射系統 1964年啟動,最後從技術上判定熱效應是根本性技術障礙,於1976年下馬。這一項目對發展高能雷射技術有歷史貢獻是不可忽視的,它使我國雷射技術的水平上了一個台階。

(1)建成了具有工程規模的大口徑(120毫米)振盪—放大型雷射系統,最大輸出能量達32萬焦耳;改善光束質量後達3萬焦耳。

(2)實現了系統技術集成,成功地進行了打靶實驗,室內10米處擊穿80毫米鋁靶,室外2公里距離擊穿0.2毫米鋁耙,並系統地研究了強雷射輻射的生物效應和材料破壞機理。

(3)第一次揭示了強光對雷射系統本身的光損傷現象和機制。

(4)第一次深入和理解雷射光束質量的重要性和物理內涵,採用了一系列提高光束質量 的創新性技術,如萬焦耳級非穩腔雷射器、片狀雷射器、振盪—掃瞄放大式雷射系統、尖劈法光束質量診斷等。

(5)雷射元器件和支撐技術有了突破性提高,如低吸收高均勻性釹玻璃熔煉工藝、高能脈衝氙氣、高強度介質膜、大口徑(1.2米)光學精密加工等。

(6)培養和造就 了一批技術骨幹隊伍。

高功率雷射系統和核聚變研究 1964年王淦昌獨立提出雷射聚變倡議,1965年立項開始研究。經幾年努力,建成了輸出功率10(上標10)瓦的納秒級雷射裝置,並於1973年5月首次在低溫固氘靶、常溫氘化鋰靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研製成功我國第一台多程片狀放大器,把雷射輸出功率提高了10倍,中子產額增加了一個量級。在國際上向心壓縮原理解密後,積極跟蹤並於1976年研製成六束雷射系統,對充氣玻殼靶照射,獲得了近百倍的體壓縮。這一系列的重大突破,使我國的雷射聚變研究進入世界先進行列,也為以後長期的持續發展奠定了基礎。

軍用雷射研究 1966年12月,國防科委主持召開了軍用雷射規劃會,48個單位130餘人參加,會議制定了包括含15種雷射整機、9種支撐配套技術的發展規劃。雖未正式批准生效,但仍起了有益的推動作用。此後的幾年內,這一領域湧現了一批重要成果。

(1)靶場雷射距技術初試成功:採用重複頻率為20赫茲的YAG調Q雷射器,測距精度優於2米,最遠測量距離達660公里,加在經緯儀上,可實現對飛行目標的單站定軌。這一成果為以後完成洲際飛彈再入段軌跡測量創造了必要條件。

(2)紅寶石雷射人造衛星測距:成功地對美國實驗衛星Expl-27號、29號 和36號進行了測量、最遠可測距離為2300公里,精度2米左右。這是第一代人造衛星的測距成果,為以後更遠距離、更高精度的人造衛星測距打下了基礎。

(3)紅寶石雷射雷達和機載紅外雷射雷達,首次實現了地—空和空—空對飛機的跟蹤測距。

(4)雷射航測儀:將雷射測距機和航空照相機組合,由飛機機載對地航測,完成對邊遠地區等復要地形的測繪。重複率6次/分,測距精度1米。

(5)地炮雷射測距機:可獨立完成觀察、測距、測角(方向和高低角)及磁針定向等功能。測距範圍300-10000米,精度5米。 在雷射套用方面,Nd:YAG雷射通信(3-12路)、He-Ne雷射通信、單路/三路半導體雷射通信在通信試驗中已獲得成功;Nd:YAG雷射手術刀、CO2雷射手術刀、雷射虹膜切除儀等醫療設備也已投入使用;雷射全息攝影、雷射全息在平面光彈中的套用,脈衝雷射動態全息照相和拉曼分光光度計已成為計量科學的新手段;數控雷射切割機、雷射準直儀、雷射分離同位素硫、用於農業研究的液體雷射器、大螢幕導航顯示器等成果也在工農業中獲得了套用。 1978年3月召開的全國科學大會上,獲得獎勵的雷射項目有近80項,其中民品約70項,軍品約10項,綜合地反映了我國雷射技術發展在這一時期的成績。

改革開放以來,雷射技術獲得了空前發展的機遇。20多年來,面向套用,面向世界,面向未來,雷射科技事業取得了前所未有的進步,湧現出一批國際先進水平的成果,為邁向21世紀 打下了堅實的基礎。

1980年5月,分別在上海、北京舉行了第一次國際雷射會議,與會代表218人(國外66人),宣讀113篇報告(國外65篇),鄧小平同志親切接見了與會中外代表。1983年在廣州和1986年在廈門又舉行了第二次、第三次國際會議,改變了我國的雷射技術多年來封閉運轉的局面,開始走向世界。一大批年輕科技人才出國進修,其中相當一部分優秀人才學成歸國。

為了形成高水平的研究開發中心,對科研隊伍和布局進行了積極調整,先後成立了一批國家重點實驗室、開放實驗室、國家工程研究中心和產學研組織。由於擁有國際先進的儀器設備和設施,聚集了高水平的科技人才,又有較為靈活的運行機制,目前正在為雷射科技成果轉化、創造自主智慧財產權和促進雷射技術產業化發揮重要作用。

在多項國家級戰略性科技計畫中,雷射技術受到重視。“863”計畫七大領域中有雷射技術和光電子技術(包括用於信息領域的雷射技術),1995年又增列了“慣性約束聚變”主題。國防預研光電子技術作為跨部門項目正式立項,其中也包括雷射技術。國家“六五”和“七五”攻關計畫,雷射技術被列為重大項目。此外,國家自然科學基金1986-1998年間年平均資 助27.6個雷射領域項目。這些由國家支持的計畫都經過了充分論證和嚴格挑選,對國民經濟和國防建設具有重要意義。許多雷射科研單位也主動進行組織體制和運行機制的改革,面向市場、鼓勵創新、大力促進科技成果向商品轉化,取得了可喜成績。

雷射器研究向縱深發展,不斷追求高光束質量、高穩定性、長壽命、短脈衝、波長可調諧等目標。這一時期,雷射技術成果豐碩,許多具有重大套用價值和達到國際先進水平。其中的代表性成果有:

測距和測衛 新一代實用測距系統投入使用,完成了預定的重要任務。其中,718和G-179雷射電影經緯儀投入使用並圓滿完成任務;第一台全雷射跟蹤測距雷達外場試驗成功;第一台實用化紅外激 光雷達(G-168)設計定型,交用戶使用;戰術軍用雷射測距儀(炮兵、坦克、手持)批量生產。 建成第三代人造衛星雷射測距系統反入使用並達到國際水平。第一代紅寶石SLR系統的測距精度為米級,第二代YAG調Q雷射器的精度達分米級,第三代鎖模雷射器加微機系統在大於8000公里距離上精度達厘米級。在上海、武漢、長春、北京等先後建站,形成了中國網,數據參加國際交流。

慣性約束聚變(ICF)雷射驅動器——“神光”系列 在王淦昌、王大珩的指導下,中國科學院和中國工程物理研究院從80年代開始聯合攻關,承擔了“神光”系列雷射系統的研製和ICF物理實驗,取得了國際矚目的成就。其中,“神光-Ⅰ”雷射裝置於1986年建成,輸出功率2萬億瓦,達到國際同類裝置的先進水平。“神光-Ⅰ”連續運行8年,在ICF和X射線雷射等前沿領域取得了一批國際一流水平的物理成果。90年代又研製了規模擴大4倍、性能更為先進的“神光-Ⅱ”裝置,並即將投入運行。1995年,IC F在“863計畫”中立項,開始研製跨世紀的巨型雷射驅動器——“神光-Ⅲ”裝置,總體設 計和關鍵技術研究已取得一系列高水平的成果。

新型雷射器 兩種高功率連續波化學雷射器,3.8微米的氟氘雷射器(DF)和1.315微米短波長氧碘雷射器(COIL),均取得突破性進展,功率和光束質量僅次於美國,達到當前國際水平。X射線雷射方面,碰撞機制的類氖鍺軟X射線雷射(波長為23.2納米和23.6納米)達到增益飽和並具有近衍射極限的光束質量,居國際領先水平;複合泵浦X射線雷射研究獲得一系列國際 首次報導的新譜線,並向短波長推進到4.68納米。自由電子雷射器和多波長可調諧雷射也取得了可喜進展。

中國牌新晶體走向世界我國發明的BBO、LBO晶體,以及KTP、鈦寶石等晶體以優異的質量在國際市場享有盛譽並占有一定的份額。

儘管早在60年代已在加工(雷射打孔)、醫療器械和測距等方面出現了雷射產業的雛形,然而當時只是零星的、分散的小量研製性生產,未能形成氣候。真正得到重視並實質性起步,還是在改革開放發後,特別是“發展高技術,實現產業化”的政策導向下,我國才有了真正意義上的雷射產業。

1987年1月,中國光學行業協會成立,後改名為中國光學光電子行業協會,其下設有雷射分會。據1998年該行業協會對我國雷射產業狀況的調研統計,全國主要雷射產品生產單位約100多家,從業人員6400人,人均銷售額12.5萬元,主要分布在湖北、北京和上海。我國的雷射產業由1988年的1億元增加到1998年的8億元,平均年增長22.3%,10年總銷售額達41.2億元。1998年出口1120萬美元,占總值的11.6%。

按國際慣用分類方法,雷射產品包括雷射加工、醫療、印刷、光存儲,測距準直、檢測、文娛教育中的各種雷射儀器和設備,雷射器件和通信用雷射組件,以及雷射用材料元器件和部件等11類。在我國,銷售額最大的是雷射測距和準直,發展最快的是雷射加工(近兩年來YAG 雷射加工設備以46%-60%的速率增長,達9000萬元,超過了CO2雷射加工設備)。雷射醫療市場開發較早,曾以高速度增長,但現正處於低谷,銷售額在5500萬元徘徊。高端產品市場幾乎全被國外產品占領,但天津大學開發的TD-98型Q開關紅寶石雷射治療機以質量取勝,通過了美國FDA認證並批量出口。1998年雷射器分類表明固體雷射占37.4%,半導體雷射占18.5%,呈現出固體雷射市場旺盛,半導體雷射迅速增長的趨勢。二極體泵浦的固體雷射器(脈衝、連續、單模穩頻、微片、倍頻)將成為新的增長點。

由於歷史原因,我們雷射科研力量相對較強,而雷射產業尚處幼稚產業階段,在社會轉型時期如何抓住機遇,大力促進我國雷射產業的發展,在國內外市場占有更多份額,是廣大雷射工作者面臨的光榮而艱巨的任務。

經過38年的努力,我國雷射技術有了較為雄厚的技術基礎,鍛鍊培養了一支素質較高的隊伍 。這支隊伍遍布科研、高校、產業部門和企業、地方,科技人員達數千人,包括一批學成歸國的優秀青年科學家和20多名兩院院士。可以預計,我國雷射科學技術在21世紀必將有更輝煌的發展。在ICF雷射驅動器、高功率化學雷射器、半導體泵浦的固體雷射器、超短超強雷射器、雷射測距測衛、人工晶體和雷射產業等方面,我國雷射科技工作者將銳意創新,攀登新的高峰。

雷射打標機數控系統控制原理

雷射打標機在許多行業中都有著廣泛的套用,沒有雷射打標機,通常使用鋼印或印刷做上標記,這種方法易破壞工件,且易受到非法廠家的假冒。而雷射打標機,不僅打標美觀,且具有較強的防偽性。對於這款先進的設備,相信大家都對其數控系統比較好奇,接下來,雷射打標機廠家就給大家分享雷射打標機數控系統控制原理。
雷射打標機由雷射電源、雷射器、兩座標工作檯及數控系統四部分組成。數控系統根據用戶輸入的程式及打標工藝參數,控制工作檯作相應的移動。在走到某一字元或圖案點處便發出雷射打標機命令,雷射器接收到該命令後發射出脈衝雷射,雷射束通過光學反射鏡組聚焦在被加工物表面。在強功率雷射作用下,使物體表面熔融或蒸發而形成痕跡。這些點陣組合起來就是要刻劃的字或圖案。原理圖如圖1所示。根據工作檯的移動方式,雷射打標機可分為三類:
1、掃描式打標;
2、筆順式打標;
3、路徑最佳化式打標。
圖1雷射打標機原理圖
圖1雷射打標機原理圖
系統的軟硬體設計
雷射打標機數控系統的控制器選用以8031單片微機為例,硬體框圖如圖2所示。
圖2數控系統硬體構圖
圖2數控系統硬體構圖
系統軟體包括用戶圖示編輯、用戶自定義圖案庫生成、打標計算及控制、圖示程式管理、工件計數、程式校驗等,如圖3所示。本文對如何用單片機語言編寫系統軟體不做贅述,主要對前三種功能的實現方法進行討論。
圖3系統軟體
圖3系統軟體
(1)圖示程式編輯
由於系統採用單片機控制,數碼管顯示,所以圖示程式採用格式化提示性輸入。一個圖示程式由若干欄位組成,每個欄位又由該字元(或圖案)的所有打標信息組成。例如要打標"1998",字元1、9、9、8組成了該程式的各個欄位。一個欄位包括6個信息元素:(1)字元標識符,(2)字元類型,(3)X坐標,(4)Y坐標,(5)點間距,(6)重打次數。採用該結構並按提示方式編輯圖示程式,易輸入、修改,不易出錯。
(2)自定義圖案
用戶需要打標特殊文字或圖案時,由於內部字型檔無法提供,所以採用自定義圖案方式生成自己的圖案庫,每個自定義圖案包括三部分信息:(1)字元類型,(2)字元標識符,(3)點陣代碼。點陣代碼的輸入按圖案點陣從左到右、從上到下順序進行,每次輸入一個位元組的點陣。圖案較大時,可以分塊定義。
(3)打標控制
根據圖表程式按字元標識符和字元類型調入字元點陣,並構成字元點陣圖,由點陣圖經過路徑最佳化轉化成工作檯的到達指定位置並輸出打標信號,完成一點打標。其中路徑最佳化是打標控制需要解決的關鍵問題。
眾所周知,路徑最佳化是一世界性難題,目前尚無最優解,最鄰近算法是最廣泛採用的方法,編程簡單、容易理解,可靠性也較高,可以獲得良好的結果。由於該算法近似精度為a≤1/2(InN+1),算法計算複雜性為0(nXn),所以這種方法有時也可能很差,達不到最佳化目的,在數據點較多時,具有較高的計算發雜性。作者以最鄰近算法為基礎並依據點陣點陣圖,將其演化成本文的算法。該算法的步驟如下:
①、點陣圖中找出第一個點(I,J),並轉換成位移量,同時將該店在點陣點陣圖中設定為零。
②、在(I,J)的相鄰點(I+i,J)、(I-i,J)、(I,J+j)、(I,J-j)、(I+i,J+j)、(I-i,J,J+j)、(I-i,J-j)、(I+i,J-j)按順序找出下一個打標點(I',J')(i和j的取值為1、2、3…,受點陣點陣圖邊界控制)。將(I',J')轉換成位移量,同時將該店在點陣點陣圖中置為零。
③、判斷點陣點陣圖中是否還有為1的位,仍有為1的位時,則以(I',J')為新的起點,返回步驟②,否則最佳化完成。在步驟②中,由於圖案點陣是按位元組從左到右、從上到下順序排列,所以該算法可以最快找到最鄰近點,無須遍歷所有點。因此大大提高了最佳化速度,這在本文打標的實時控制中尤其重要。

注意事項

常見問題

雷射打標機偶爾會出現問題,如果不能及時的解決問題可能會影響產品的交付時間,其實雖然雷射打標機維修是比較麻煩的,但是原理很簡單,而且有一些問題我們自己是可以解決的,今天在這裡就教大家一些雷射打標機比較常見的問題,以及如何去解決這些問題:

故障1:雷射強度下降,標記不夠清晰

解決方法:

雷射諧振腔是否變化;微調諧振腔鏡片。使輸出光斑最好;

聲光晶體偏移或者聲光電源輸出能量偏低;調整聲光晶體位置或者加大聲光電源工作電流;

進入振鏡的雷射偏離中心:調節雷射器;

若電流調到20A左右仍感光強不夠:氪燈老化,更換新燈。

故障2:氪燈不能觸發(參考NTP電源使用手冊)

解決方法:

檢查所有的電源連線線;

高壓氪燈老化,更換氪燈。

故障3:在線上時有一長三短報警

以下有幾種原因及排除方法

1、軟體不工作,主機板鬆動,打開電腦請重新插。

2、Q驅動報警燈亮時,檢查37針與15針有沒有鬆動,Q開關有沒有正常通水。

3、雷射電源報警燈亮時,檢查冷水機有沒有打開,燈管有沒有損壞,(如損壞需要更換燈管)。

故障4:不出光的原因

有以下幾種原因及解決方案

1、整機光路螺絲鬆動,需要調緊螺絲。

2、槍體內灰塵是否過多,以防打傷槍內鏡,如有發現必須更換槍內鏡。

3、冷水機長時間開機時不開雷射電源點燈會引起結冰不出光現象,需要關整機電源系統1時後再重新開機。

4、燈管老化或雷射功率下降,必須更換燈管。

5、長時間工作後,雷射功率下降,打開槍體底蓋,需要在槍內鏡做調。

故障5:電腦常見問題

有以下幾種問題

1、加工時的圖形是否複雜,必須檢查。

2、在線上電腦不要接上網線,它是單獨控制雷射系統。

3、運行緩慢,這時請千萬不要過於急躁,以免當機。

4、請注意防止病毒,以防系統出錯。

故障6:工作檯XY軸不準時

1、工作檯滑軌螺絲是否鬆動

2、工作檯上的玻璃跟客戶的要求來定,可換鐵板或有機玻璃板,玻璃下面可調平衡作用。

3、工作檯的右邊與上下角可裝電子尺,可做好電子尺安裝以方便客戶的需要。

4、工作檯上的螺絲孔可方便客戶定位用,由產品否定。

故障7:運行時跳動,且位置大致固定

以下幾種原因及排除方法:

1、同步帶拉伸過久變形-----更換新同步帶。

2、大小輪減速輪裝置小齒輪槽有污垢-----清理小齒輪槽污垢。

3、傳動軸小齒輪有污垢-----清理傳動軸齒輪槽污垢。

故障8:封閉線起點和終點不閉合

有以下幾種原因:

1、同步帶過松-----拉緊同步帶。

2、齒輪和軸的連線鬆動-----重新擰緊。

3、X軸導軌和Y軸導軌不垂直-----調整X、Y軸導軌的垂直度。

4、滑塊和導軌間隙大-----更換滑塊。

故障9:如遇到切不透的情況

有以下幾種原因及排除方法:

1、垂直光不正---調整垂直光,必要時可重新調整光路。

2、焦距調整不當----重新調整焦距。

3、電壓不穩定、電壓較低雷射電流過小更換更大的穩壓器、增大雷射電流輸出。

4、氣嘴出光口被濺射物堵塞----清理氣嘴。

5、保護氣不通---清理氣泵、空氣過濾器、檢查氣循環通路。

6、反射鏡和聚焦鏡片被污染----用清潔液清洗反射鏡、聚焦鏡。

7、雷射管功率下降----更換雷射管。

8、主機板上出光控制模組故障---更換主機板。

9、有電位器設備、電位器設定過小或自身故障--調整電位器設定或更換電位器。

10、軟體中能量設定過小----提升能量。

11、材料問題----請選用合適的材料

12、聚焦鏡片開裂或聚焦效果差----更換聚焦鏡片。

13、雷射管內污垢太多散熱效果差----選用純淨水。

操作事項

嚴禁無水或水循環不正常情況下啟動雷射電源和調Q電源;

不允許Q電源空載工作(即調Q電源輸出端懸空);

出現異常現象,首先關閉振鏡開關和鑰匙開關,再行檢查;

不允許在氪燈點燃前啟動其他組件,以防高壓竄入損壞組件;

注意雷射電源輸出端(陽極)懸空,以防與其他電器打火、擊穿;

⑥保持內循環水乾淨。定期清洗水箱並換乾淨去離子水或純水。

氪燈的使用與更換

關閉水冷機,雷射電源。

打開上部三塊腔蓋,取出要更換的燈或晶體,更換後放入,裝上腔蓋。開水冷機,雷射電源,將雷射電源電流調到(15~20)A左右。在前膜片和擴束鏡之間放置1小木片或黑紙,應看到雷射燒蝕形成的光斑。如果沒有,輕微調整前膜片架的三個鏇鈕,直到光斑出現。

雷射調試出來後,應反覆調整前膜片架的三個鏇鈕使光斑最強,如雷射過強、亮度過高無法觀察時,可減小電源電流。

關閉雷射器電源。

特別注意:更換氪燈的時間。

雷射器中氪燈出廠說明氪燈的使用壽命為300小時,但由於用戶使用條件不同,上述時間並不能作為更換氪燈的唯一依據。隨著使用時間的增加,氪燈的發光效率下降,雷射輸出也隨之減弱,很多用戶為了獲得足夠的雷射輸出,就加大雷射電源的電流,使氪燈發光增強,這使氪燈老化加快,形成惡性循環,有時會導致炸燈現象。為了防止這種現象發生,我們建議用戶按下面的方法決定是否應該更換氪燈。

當換上一支新氪燈時,必須記錄下正常打標時的雷射電源電流表數值,作為標準電流值。

當氪燈逐漸老化,加大雷射電源電流輸出,但電流表數值不應超過標準電流值的1.25倍。

例如:新氪燈打標時電流值為20A,使用一段時間後,如果將電流值調大到22.5A後仍不能正常打標,則應更換氪燈。

雷射打標機—雷射打標機圖雷射打標機—雷射打標機圖

選擇

第一、用現有其它方法都不能解決,只有用雷射加工的方法才能解決的;

第二、用現有其它加工方法可以解決,但若採用雷射加工方法則可大大提高產品質量、提高生產效率和明

顯增加經濟、社會效益的;

第三、要充分考慮加工流程中同雷射加工相關的那些相匹配的環節;

第四、要重視雷射加工與常規加工複合的加工技術的套用,以便充分利用各自的長處;

第五、在實際套用中,能用國產設備就應儘量採用國產設備。這樣做有利於促進民族工業的發展,有利於創新;對套用者本身,採用國產設備則有價格便宜、維修方便且有保障、適合我國國情等優越性1

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