激光打标机光学系统设计及参数选择

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1、4()o..第16卷第期华侨大李学报自然科学版Vl16No41995年10月JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalSeienee)Oet.1995YAG激光打标机光学系统设计及参数选择‘王加贤张文珍(华,36201侨大学电气技术系泉州1),,摘要进行掩膜法脉冲YAG激光打标机的研制工作介绍该机的光学系统导出标记工作面位.置、标记线宽、象深与透镜焦距、物距之间的关系关键词激,,光打标掩膜透镜分类号TN249在现代化的生产和管理中,对各种产品的标记是很重要的.激光打标就是在物质表面,用,,,

2、,激光打上永久性标记与传统打标方法相比其优点是非接触性对工作面无压力不产生形变对物质表面无腐蚀不污染环境.它可用于电子元件的最后试验值和识别标记,也可在货品及包“”、“.,”装上打使用期限厂家等近年来我们研制了YAG激光打标机成功地在一些金属和非金属材料上打标.本文报道激光打标工作机理和打标机的光学系统设计,分析工作面位置、标记线宽、象深与透镜焦距、掩膜位置等光学参数的关系.这对于实际加工中选择光学参数以提高打标质量有一定指导意义.1激光打标的工作机理,激光打标主要是利用激光与物质相互作用而产生的汽化效应在材料表面加

3、工出所需要.,,〔。当激光照的字符射到材料表面时被照射的材料吸收光能并迅速转变为热能导致表面层温度急剧上升,当温度达到材料的汽化温度时,材料表面因瞬时汽化、蒸发而出现标记痕迹..不同材料的汽化过程与激光参数以及材料的光学、热学特性有关被标记的材料对不同波长,..,1、和功率的激光各有不同的反应如金属材料易于吸收波长06拼m的激光能量而塑料陶瓷、复合材料易于听收波长10.6拜m的激光.汽化效应与材料的热学性能也是密切相关的.〔“〕材料表面被激光照射区中心的温度为二一。.4。·会抨式中E是激光功率密度,K是材料的导热系数

4、,口是热扩散系数,t是照射时间.由此可见,激.,,则汽化效应越强.因此在激光打标中,应根光功率密度越高材料的导热系数越小熔点越低,,据材料的不同合理地选择激光器和设计光学系统使照射到材料表面的激光达到材料的汽化寮~一本文19950114收到华侨大学学报(自然科学版)1995年强度闭值.2YAG激光打标系统我们研制的YAG激光打标系统如图1所示.光源采用脉冲Nd,YAG激光器,半共焦腔jlZz,S3‘54十J匕一图1YAG激光打标系统,,,结构凹面全反镜的曲率半径R一100mm腔长L~50mm腔内置一光阑P以获得单横模

5、激光,调1mJ、.F:Q后输出能量50脉冲宽度30ns激光器输出光束经一共焦望远镜FI扩束.,l:LI;:和准直透镜F的焦距30mm与平面输出镜M的距离一10mm透镜F的焦距90mm,与掩膜板距离L:一50mm.在薄铜片上把待打的字符、图案雕空制成掩膜,光从雕空部分,.,,通过再经透镜F聚焦由于掩膜携带了要标记的标志信息其像必须成在工件表面所以工作面位置的确定是很重要的.除外,工作面的光功率密度、标记线宽和象深也是决定打标质量的关键因素.3光学系统设计及参数选择3.1光束的扩束和准直,,.,:RL。。:一激光器输出高

6、斯光束的光腰在M上由求得光腰半径040mm远场发散角..,、0~097mrad由于掩膜较大(15mm义15mm)所以输出光束需经扩束后才能照到掩膜板上所有雕空的部分.为了达到扩束和准直二个目的,采用倒装共焦望远镜系统,扩束后光束的:、Zs:、:‘3,光腰半径叭光腰与F距离远场发散角a可由下式求出s:l:l,。。:·。。1,:1,-一M(f+f)一几厂L=M夕=夕/M.,.,.,;,。。,,:aJ。:。32mra,:式中M=九/f=3把L和夕的数值代入得到=120mm夕~0d=一:.540mm(s:

7、物方)3.2工作面位置的确定,,激光打标不同于激光打孔和切割其工作面不能处于光腰平面而必须处于掩膜经透镜成像的象平面.因为扩束后的高斯光束的共焦参数大于掩膜与透镜的距离,所以不能运用几,;何光学中的成像公式来确定掩膜和像的关系又因为掩膜并非处于光腰平面所以也不能根据.,物方光束光腰与象方光束光腰的变换公式求像距为此我们采用光学传输矩阵和高斯光束的q参数表示法来确定工作面位置.,,.,·2如图2所以AB为掩膜面刃刀为其像平面物方光束的共焦参数Z~二。若八一4260:第4期王加贤等YAG激光打标机光学系统设计及参数选择,

8、。:·mm掩膜面的光束半径叭一。。21:,。2:2丫(1+(/)把一:+一一59。mtn代入得叭一1.21mm.通过A,B二点的波面曲率半径尺。,.一z(誉+至)一31345(mm)乙l口由于R。远远大于万忑,所以粗略地认为波.,面与掩膜面重合设q,和了分别为AB‘一-}l月和‘qA尸平面上光波的参数1.又*.飞’如‘‘yl一瓦一藏丝xl一I卜