半导体泵浦激光打标机介绍

nullnull武汉华工激光有限责任公司 Wuhan Huagong Laser Engineering CO., Ltd.2009年4月13日 半导体泵浦激光打标机 半导体泵浦激光打标记 半导体泵浦激光打标记武汉华工激光工程有限责任公司 Wuhan Huagong Laser Engineering CO., Ltd.2009年4月13日 半导体泵浦激光打标机所用的激光器，从工作物质分类来讲，属于固体激光激光器的的一种。用于激光加工的固体激光器实际主要有三种：红宝石激光器、钕（NV）玻璃激光器、Nd:YAG激光器三种。 Nd:YAG激光器为目前市场上应用最多的一种。公司生产的侧泵激光打标设备采用的为Nd:YAG晶体，端泵激光打标设备采用的为YVO4晶体。 半导体泵浦激光打标记 半导体泵浦激光打标记武汉华工激光工程有限责任公司 Wuhan Huagong Laser Engineering CO., Ltd.2009年4月13日 半导体泵浦激光器采用与YAG光谱吸收带吻合的激光二极管来泵浦Nd:YAG,大大减少了非吸收带光能转换的热量，激光二极管泵浦（简称LD泵浦）的Nd:YAG激光器的主要特点是电光转换效率高（约为20%～40%），直接获取二极管产生的紫外波长激光(中心波长约为808nm)。 LD泵浦的Nd:YAG激光器有两种激励方式： (a)侧面泵浦激励； (b)端面泵浦激励。null 侧面泵浦激光器最核心的部分就是激光器模块部分，我公司生产的LSD50SI激光器中使用的激光器模块部分，主要由三个部分组成： 1、Nd:YAG晶体； 2、二极管模块阵列（每个阵列由3个二极管串联 组成）3个； 3、金属固定件。 二极管模块所产生的泵浦光波长约为808nm，三个二极管模块阵列均匀分布在Nd:YAG晶体，成120度角。 null侧面泵浦激光打标机的核心激光器模块（左图），其中的单个的LD泵浦（右上图）。该部分安装有严格的工艺要求。早期学习日本先进的工艺装配技术null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。激光从激光腔出来后，经过扩束镜对光斑进行处理，通过振镜扫描系统，最后经过聚焦镜进行聚焦，发挥激光的打标作用 扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。从激光器发出的激光束具有一定的发散角，对于激光加工来说，只有通过扩束镜的调节使激光光束变为准直（平行）光束，才能利用聚焦镜获得细小的高功率密度光斑； 在激光打标设备中，必须通过扩束镜最大限度地改善激光的准直度才能得到远距离打标效果； 不同倍数的扩束镜和相应激光器配合能更好的发挥激光器的作用；扩束镜配合空间滤光片使用则可以使非对称光束分布变为对称分布，并使光能量分布更加均匀。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。扩束系统和聚焦系统组成了一个后焦距很长的，而实际焦距很短的一个长工作距离系统.即是为了得到长的工作距离和小的聚焦光斑。先扩束是为了改善光斑的质量,为了以后的加工。扩束应该包括了先聚焦,再准直。后面的再聚焦是为了缩小光斑尺寸，提高功率密度，更好的用于加工。 扩束镜的最大出射光直径=最大入射光直径×扩束倍数，最终以最大出射光直径来限制，如一扩束镜最大出射光直径5mm，扩数倍数为5倍，最大出射光直径为18mm，则入射光直径为4mm，出射光为18mm。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。聚焦镜有多种根据客户打标需求有多种规格可选，波长均为1064nm，如下 焦距mm 幅面mm F=100 70*70 F=160 110*110 F=210 145*145 F=254 175*175null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。 从字面意思可以了解到，侧面泵浦即是二极管泵浦源在产生激光的晶体的侧面，端面泵浦即是二极管泵浦源在产生激光的晶体的端面，这个概念一定要清晰，很多初学者往往分不清楚这两个概念。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。端面泵浦激光器模块，将二极管模块产生的泵浦光做成一个小的激光器系统，通过光纤的传输，经过耦合之后最终成为端泵激光器中产生激光的晶体的泵浦源。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。在光纤通信（传输）链路中，为了实现不同模块、设备和系统之间灵活连接的需要，必须有一种能在光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，使光路能按所需的通道进行传输，以实现和完成预定或期望的目的和要求，能实现这种功能的器件就叫连接器。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。光纤连接器就是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。光纤连接器应用极广，品种繁多。 减小插入损耗是连接器的基础，产生插入损耗的机理有两方面： a、光纤公差引起的固有损耗.主要由光纤制造公差,即纤芯尺寸、数值孔径、纤芯/包层同心度和折射率分布失配等因素产生。 b、连接器加工装配引起的固有损耗。这是由连接器加工装配公差，即端面间隙、轴线倾角、横向偏移和菲涅尔反射及端面加工精度等因素产生的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。前面的学习了解到，激光腔长长度与输出功率是一对矛盾。 腔体越长，功率越低； 光束质量与激光能量（功率）是一对矛盾。 光束质量越好，能量越弱。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。公司端面泵浦激光设备谐振腔，采用折叠腔的模式，在保证激光谐振腔体长度的情况下，有效减少腔体物理体积。 端面泵浦和侧面泵浦激光器的内部组成基本相同，由各种光学镜片组合，最终形成激光输出光路系统 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。侧面泵浦和端面泵浦的区分 从上图可以看出，端面泵浦和侧面泵浦激光器的根本区分在泵浦源的激励方式不同，泵浦源是激励发光晶体的侧面还是端面来判定。本质上都是激励晶体物质发光，通过谐振，最终输出激光。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。设备运行控制原理 半导体泵浦激光器主要由六大部分组成：电源、制冷系统、声光驱动、振镜部分、激光器、计算机控制系统。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。首先要保证设备正常运行，开机后制冷系统首先工作，计算机系统供电完成。 达到设备工作设定温度后，设备其他部分才能正常开启，分别给设备各个部分供电。泵浦源开通，激光器内部光路系统启动。计算机通过软件和D/A卡系统对控制声光部分让设备出光，同时给定信号到振镜让振镜同步动作，最终完成达标动作。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。LSD50SI和LSD50SⅡ结构和功能实现 LSD50SI和LSD50SⅡ是公司推出的两款半导体侧面泵浦激光打标设备。原理基本相同，两款设备虽然从型号上看只差一个字母，但整个外观和内部构造上有较大区别。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。内部整体结构也较为接近，就是将二极管激光模块代替LSY50F内部激光腔，其他镜片尺寸位置稍微有点偏差，同时使用模块配套的电源箱。 LSD50SII市场定位较低，满足普通用户需求，是在LSY50F的基础上重新设计，可以相对减少设计成本。部分机械零部件可以借用LSY50F型号原设备中的件。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。其次就是模块电源不同，其采用的是国产二极管激光器模块，并使用与之配套的激光电源，摆放的位置还是在最底层。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。LSD50SI和LSD50SⅡ产品功能实现 两种型号设备在功能实现上基本一直，LSD50SI电源控制箱内将整机电源控制、泵浦电源和声光电源融为一体。 先启动总电源，开通电脑软件。待水温达到设定工作温度值后，泵浦电源才能开通。LSD50SI的泵浦电源大小只能通过软件来调节，而LSD50SⅡ则可以通过电源箱面板调节旋钮来调节和软件调节两种，事实上软件调节电流可以使得调节更为精确，能够激光输出能量更好的调节和控制。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。一般水冷系统的控温是测量水箱内温度，这样在水循环不够充分的情况下，其他局部器件温度可能比显示温度较高，这样容易引起故障甚至损坏相关器件。 公司LSD50SI设备和以及LSD30E在使用水冷系统的同时，都对其核心激光器部件采取了温度保护措施，有利于更好的对设备起到保护作用。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。LSD12E和LSD30E结构和功能实现 两者在功能实现和机构上存在较大区别，冷却方式不同决定了结构和功能的差异，另外功率不同谐振腔体不同。功能实现上都是通过声光调Q来控制激光输出。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。 LSD12E和LSD30E产品设计结构以及差异特点 LSD12E采用的风冷，无水箱，设备整体体积较小，采用半导体TEC制冷片对激光器和LD模块温度进行调节，保证设备在相对恒定温度情况下工作。LSD12E还有分体和一体的区别，一体机含桌面式工作，分体采用的是型材工作台，适应不同客户需求。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。LSD30E和LSD12E有较大差异，由于LSD30E设备采用双端面泵浦（即两个泵浦源）增加了水冷系统，改设备水冷系统采用目前最流行的半导体制冷水箱（无需空调），代替了LSD12E风冷系统，使得设备整体性能更加稳定。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。另外还有重要的一点，LSD30E激光器采用双端面泵浦的方式，内部光路结果稍有改动，但原理不变。同时讲泵浦源LD模块直接转移到激光器内封装，避免了外部光纤插拔造成的光纤损坏情况。 另外LSD30E所配合的水箱由公司自主研发，外形和电源控制箱基本相同，无需独立空间，水箱能够做到完全密封，防止水质污染。温度显示在水箱外部，方便观察。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。 LSD12E和LSD30E产品主要依赖于TEC制冷系统，不同的是前者是直接利用空气来调节，后者中间加装了水循环系统，通过水来转换热量。 核心激光器部分生产工艺（视频） null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。国家及行业相关标准 GB/T 15490-1995 固体激光器总规范 General specification for solid state lasers 现行 1995-09-01实施 GB 10320-1995 激光设备和设施的电气安全 Electrical safety of laser equipment and installations 现行 1996-01-01实施,代替GB 10320-1988 GB 18217-2000 激光安全标志 Laser safety signs 现行 2001-06-01实施null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。3.2 具体型号设备技术参数null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。设备自身特点 现在激光打标使用的Nd：YAG激光器都是以氪灯或氙灯来泵浦的，其泵浦效率很低，致使激光器的总效率只能达到2％～5％，这意味着绝大部分所加于泵浦灯的电功率都转化为热量。因此，这种激光打标机都配有庞大的冷却系统，其体积可占整个系统体积的40％。 近几年出现的半导体激光泵浦的固体激光器，其总体转换效率可达20％以上，因而可以大大缩小激光器冷却系统的体积，这就为激光打标机向轻型化、小型化方向发展创造了条件。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。而近年来出现的大功率光纤激光器，其散热性能好、转换效率高（是半导体激光泵浦的固体激光器的2倍以上）、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好、免维护和价格低廉、制作灵活等显著优势，更加促进了激光打标向轻型化、小型化方向发展。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。半导体泵浦激光打标机在光学模式上比普通灯泵浦激光打标机更加优越，同时免去经常更换泵浦灯的优点，相对与目前市场上10W，20W光纤机，公司该类型标准半导体泵浦激光打标机功率可以达到50W。 价格与光纤激光器相比具有一定优势。同时针对光纤激光器原理的弱点，光纤激光器无法在高反材料（如铝板）上打标，该类型产品可以很好的弥补光纤激光器功能的不足。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。侧面泵浦设备对比 1．核心技术。 专业的激光器模块设计和自主生产能力，保证得到最大的出光效率和最好的激光模式，使得设备更加稳定。 2．功能齐全的打标软件。 及时满足不同用户的改进要求。添加相应外挂软件，实现多重功能可以兼容多种通用的图形格式：PLT、DXF、WMF等。 多种方便快捷的排版工具，如对齐、位置、大小、旋转等工具。可变字符串可以由多种I/O通道获得，如可以通过串口、网线、条码枪获得，也可以由系统自动生成（如序列号、时间日期码等）；所有的字符串既可以以字符形式，也可以以条码形式标记。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。精微控制方式，可以对每个小的标记体设立独立的标记参数，如标记速度、标记电流（在程控方式下）、标记频率（在程控方式下）等；采用了灵活的控制，可以同时标记出多种多样的效果。 可以提供多种外设控制信号，系统配有标准的脚踏开关，同时可以提供对旋转电机的控制信号，也可以根据用户需求，增加提供各种I/O信号或I/O结点。 对标记过程可以实现自动和手动两种标记方式。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。3．灵活的控制方式。 LSD50SII控制模块具有手动调节和程控调节两种任选的控制方式，可满足不同用户的需求。对于标记电流、频率等电控参数既可采用直观的手动调节，也可以采用软件控制的程控调节。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。 4．周到的防护设计。 缺水保护，激光器模块与内部谐振腔光路实行双重完全密封，设备长期不工作，设备会自动进入休眠状态，减小电能的消耗。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。 端面泵浦设备对比 1．全模块化设计。 各模块具有相应独立的运行空间，相互连接简单、直接，最大限度地减少电磁干扰和热干扰，保证了系统长时间工作的稳定性。 2．超精光腔设计。 专业的激光谐振腔设计，保证得到最大的出光效率和最好的激光模式，同时降低对温度的依赖性。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。3．功能齐全的打标软件。 及时满足不同用户的改进要求。添加相应外挂软件，实现多重功能可以兼容多种通用的图形格式：PLT、DXF、WMF等。     多种方便快捷的排版工具，如对齐、位置、大小、旋转等工具。可变字符串可以由多种I/O通道获得，如可以通过串口、网线、条码枪获得，也可以由系统自动生成（如序列号、时间日期码等）；所有的字符串既可以以字符形式，也可以以条码形式标记。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。精微控制方式，可以对每个小的标记体设立独立的标记参数，如标记速度、标记电流（在程控方式下）、标记频率（在程控方式下）等；采用了灵活的控制，可以同时标记出多种多样的效果。 可以提供多种外设控制信号，系统配有标准的脚踏开关，同时可以提供对旋转电机的控制信号，也可以根据用户需求，增加提供各种I/O信号或I/O结点。 对标记过程可以实现自动和手动两种标记方式。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。4．灵活的控制方式。 所有的控制模块都具有手动调节和程控调节两种任选的控制方式，可满足不同用户的需求。对于标记电流、频率等电控参数既可采用直观的手动调节，也可以采用软件控制的程控调节。 可以配备高性能声光驱动，更好的实现高精度打标工艺的要求 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。5．周到的防护设计。 缺水保护，激光谐振腔光路和完全密封，设备长期不工作，设备会自动进入休眠状态，减小电能的消耗。 6、先进的制冷系统，LSD30E设备中采用半导体制冷水箱，极大的减小了工作噪音。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。制造业为了采用激光加工设备，要求激光加工设备能够达到以下基本要求： a）满足使用要求，能够提升产品质量或制造新产品，提高企业的竞争能力； b）可靠性，能在工业环境下运行，24小时连续工作，一般熟练工作人员就能操作； c）安全性，设备安全性能好，使用中不会发生人身伤害或其他给企业造成损失的事故； d）回收投资周期短，要求设备性能好、价格合理、能耗少、占地面积小，使企业能够以较少的投资、较低的运行成本、取得较高的经济效益。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。 半导体泵浦激光打标机由于其原理特性，对客户的工作环境有一定要求：如空气湿度、灰尘度、温度等。对于采用水制冷的激光设备，水质要求相对其他类型的设备要高。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。主要应用领域 激光标识一般通过三种方式实现： a) 去除表面材料打标 b) 去除表面镀层或涂层 c) 变色打标 这三种方式中的前两种均可在产品表面留下一定深度（≤0.3mm，视材质而定）的凹痕，第三种则因为材料本身在遇热后会出现化学反应后发生变色。因此激光标识具有永久性和极强的防伪作用。 目前国内市场上常见的激光打标机大致分以下两大类型： null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。a) 激光喷码机 是和各种产品包装生产线配套的一种标记设备，被标记的产品在生产线上无停顿地运动，激光连续喷码（打标），长期运行免维护，属于环境保护性新一代产品。 该设备只需选用不同的激光器（原装进口超长寿命的CO2激光器或YAG连续激光器）就可以对各种在线运动的产品或材料如纸张、塑料、玻璃、皮革、木材或金属材料进行标记，代替油墨喷码在各种产品上以点阵方式标记日期、批号、时间、文字的功能，无需油墨、无污染、节省运行费用。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。 b) 高速扫描振镜式激光打标机 是目前国内外最先进的激光打标系统，这种系统具有扫描速度快、重复精度高、耐用性好等特点，与激光喷码机在线运动的工件所不同，激光标记机多用于静止的材料如纸张、塑料、玻璃、皮革、木材或金属材料进行标记，以矢量图的方式标记日期、批号、时间、文字和各种商标图案等。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。 精细打标领域 激光打标技术目前在国内外工业上的应用逐步扩大，各种新型的打标系统层出不穷，它以其独特的优点正在取代传统的标记，如：冲压、印刷、化学腐蚀等,在各种机械零部件、电子元器件、集成模块、仪器、仪表、电机铭牌、工具甚至食品包装等物体表面上,标记出汉字、英文字符、数字、图形等，从而在这些领域取得了广泛的应用。国际上一些发达国家已将该技术作为工业加工的工艺标准。null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。高端和精细材料加工 工业加工用打标机经历了机械-气动-激光的发展过程。目前，国内普通的激光打标机多是红外激光控制系统。用于非金属打标的一般是CO2激光器，波长为10.6μm;而用于金属打标的波长一般是1064nm或者532 nm。普通的1064nm打标机的单光子能量小，红外激光通过振动材料分子产生热作用，使材料先溶化再挥发，进而在材料上产生刻痕，这对于高精度加工非常不利。 null资 金 的 使 用 是 有 限 的，人 力 资 源 的 开 发 是 无 限 的。在紫外光谱区域，许多材料有较高的线性吸收系数，对材料(特别是透光材料)的去除非常有利。紫外激光加工过程称为“光蚀”效应，高能量的光子通过“冷”处理直接破坏材料的化学键，所加工出来的材料具有光滑的边缘和极低限度的碳化。因此，紫外甚至深紫外的激光器被应用于精细加工，极易被人们接受。 对于半导体泵浦激光打标机的精细加工只是相对性而言。