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紫外激光打标机
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紫外激光打标机特性研究
发表时间:2020-08-11     阅读次数:145     字体:【

紫外激光打标机特性研究


摘要:以紫外激光打标机为研究对象,介绍其工作机理,分析紫外激光器的功率和脉冲宽度等参数,通过试验探讨激光器的最佳工作条件。试验结果表明:在15 kHz重复频率条件下,激光器可获得最佳的输出功率和脉宽。

关键词:紫外激光打标机;工作原理;试验;输入电流;脉宽;功率

近年来,随着激光器技术的不断发展和完善,其应用范围越来越广泛,涌现出激光焊接、激光切割、激光融覆、激光打孔等一批新型应用技术,尤其是在打标领域,激光技术发挥了十分重要的作用。随着激光器稳定性的提高、体积的缩小、光学器件的改进和计算机技术的快速发展,激光打标技术不断得到改进。

激光打标利用高功率密度的激光作用于目标材料,使材料表面发生物理和化学变化,从而获得可见的图案标记。与传统的标记方式相比,激光打标技术具有以下优点:1)打标速度快,图案清晰。2)非接触式打标,无污染。3)计算机控制高速自动化运行,生产成本低。

激光器的输出指标是影响激光打标质量的重要因素。研究紫外激光打标系统在355 nm波段的输出特性,分析在不同输出频率条件下,激光器输出功率和脉冲宽度随泵浦功率的变化情况,为确定紫外激光器对激光打标质量的影响提供参考。

1 激光打标技术的基本原理

激光打标将高能激光束聚焦在物质表面,与标记物表面物质相互作用,显示出所需标记的图案和文字。激光打标通常有热加工和冷加工2种方式。

热加工激光打标方式是由激光器输出高能量的激光光束,当其作用于标记材料时与物质表面发生作用,将光能转换为热能,从而使标记材料表面温度上升,迅速产生熔融、烧蚀、蒸发等现象,进而形成图文标记。

冷加工激光打标方式是由很高能量的 (紫外)光子打断材料(特别是有机材料)中的化学键,使标记材料发生非热过程破坏。冷加工技术不依靠热烧蚀标记,而是直接打断材料化学键的冷剥离,所以对标记材料不产生损伤,标记材料表面和附近区域不产生热变形。在电子工业生产中,常使用紫外准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜、切割半导体基片等。

另外,紫外激光打标技术聚焦光斑小,加工热效应低,材料不会产生烧焦问题,在超精细打标、雕刻,食品、医药包装材料打标,玻璃材料高速切割,硅片图形切割等领域有重要应用。

2 紫外激光打标机的特性及组成

紫外激光打标属于冷加工工作方式,其加工精度高于可见光和红外波段激光,且在相同条件下波长越短、聚焦光斑越小(波长越短,单光子的能量越大)。可见光和红外波段激光依靠热效应蒸发材料打标,而紫外激光可直接打破材料的化学键,使分子脱离物体,加工热影响区域小,且可进行超精细、特殊材料打标。由于此种打标方式几乎没有热影响,因此被称为激光冷加工打标。

紫外激光打标机主要由激光电源、紫外激光器、振镜扫描系统、聚焦系统等组成。

1)激光电源为激光泵浦原和调Q系统提供电激励。

2)紫外激光器为激光打标机提供稳定的紫外激光。激光器输出波长355 nm,输出功率大于5 W,脉冲宽度10~40 ns可调,输出光束质量为基模输出,重复频率 10~50 kHz。

3)振镜扫描系统由X和Y方向2个光学振镜和相对应的伺服控制系统组成。计算机发出数字信号控制伺服电机产生扫描轨迹。

4)聚焦系统的作用是将一束平行的激光束聚焦于一点,以增强激光的功率密度。聚焦系统的透镜焦距不同,打标效果和范围也不一样,可根据需要选配相应的透镜。

5)打标控制器对激光打标机进行控制,采用USB接口与计算机相连接,通过数字信号实现对激光器及振镜扫描系统的控制。

6)计算机控制系统对整个激光打标机进行控制,通过控制声光调Q系统、振镜系统完成对工件的打标处理。

3 紫外激光器最佳工作状态试验

为验证激光打标质量,对紫外激光器的输出功率和脉冲宽度进行试验测试,探讨紫外激光器的最佳工作状态。

采用激光功率计测量紫外激光器在不同重复频率条件下,输出功率随泵浦电流的变化情况,结果如图1所示。

图1 激光器输出功率随泵浦电流的变化曲线
Figure 1 Curve of laser output power with pumping current variation

由图1可以看出,激光器在15 kHz重复频率的运转条件下,可获得最高的输出功率。

采用激光脉宽测试仪,在不同重复频率的条件下,测量激光输出脉冲宽度随泵浦电流的变化情况,结果如图2所示。

图2 激光器脉宽随泵浦电流变化曲线
Figure 2 Curve of laser pulse width with pumping current variation

由图2可以看出:当激光重复频率10 kHz时,激光器的输出脉冲宽度最窄;随着重复频率的增加,脉冲宽度有明显的增宽。

4 结语

对紫外激光打标机的紫外激光器输出特性进行测量,探讨紫外激光打标机的最佳工作条件。在不同重复频率条件下,测量分析激光器的输出功率和脉冲宽度,结果表明,激光器在15 kHz重复频率条件下可获得最佳的输出功率和脉宽。


 
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