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0431-81702023
光学工程
光纤激光打标系统

 一、概述  

  在光纤激光器出现前,激光打标系统的激光源一般是用连续或脉冲二氧化碳激光器、Nd-YAG激光器作为光源。光纤激光器在九十年代末出现后,很快就被应用于激光打标系统上。与传统打标机激光光源相比,光纤激光器是完全风冷式的,不需要冷却水及与此相关的制冷机,冷却水管道和温控仪等配套设备,体积及能耗大为缩小,能够期望在短期内使整机成本及用户的使用成本低于使用传统激光光源的打标系统,具有很大的市场潜力。  

    二、光纤激光打标系统的结构及工作原理  

  光纤激光标刻系统的基本结构如图1所示。方框a内是光纤激光器,是激光标刻系统的核心,它采用多个小功率风冷激光二极管作为泵浦源,通过多分枝耦合进单根激光光纤,以掺稀土元素(Nd,Yb或者Er)光纤作为激光介质,以反射镜,光纤光栅作为谐振腔,可脉冲和连续运转。新型光纤激光器具有单模输出,散热特性好,效率高,结构紧凑等特点,特别适合高精度的激光标刻工业。典型的10-100KHz高重复率工作,10W-20W平均功率输出的光纤激光器成品的体积仅有22′25′10cm,而且没有水冷系统,体积大为缩小。因为激光二极管是低电压工作,光纤激光器的电光效率高达70%,驱动电源的大小与灯泵Nd-YAG激光器相比是微不足道的。 

    光纤激光器应用于激光标刻的优势:  

  1.光束质量好,接近衍射极限。TEM00基横模输出,M2接近1,光束发散角为0.24mrad;  

  2.脉冲重复频率高,输出功率稳定,单脉冲能量波动小于1%,从而可实现高速激光标刻,还可精确控制光斑的大小,深度,形状;  

  3.高效率,插头效率高达20%,电光转换效率可达70%;  

  4.环境适应能力强,可在高震动,高湿度的环境下连续正常工作。  

  5.无水冷装置,体积小,效率高,可靠性高,长时间免维修,节约使用成本。
  
  b是激光二级光驱动电源。c光纤激光器控制器,用于控制光纤激光器的工作状态,同时,打标机的控制微机通过它控制激光输出。d为振镜系统,是光纤激光打标系统的重要部件,激光通过振镜的运动,在需打标的部件上走出特定的轨迹。e是f-q镜,激光束通过它聚焦到工件表面。  

    振镜系统内部共有两块分别由高精度伺服电机驱动的反射镜。伺服电机在微机的控制下分别转动两块反射镜的角度,激光束通过这两块反射镜的反射,由f-q镜聚焦到工件的不同位置上。在微机上通过专用的打标控制软件输入需要标刻的文字及图样,设定文字及图样的大小,总的标刻面积,激光束的行走速度和需要重复的次数,振镜就能在微机的控制下运动,操控激光束在工件上标刻出设定的文字和图样。 

    计算机专用打标软件能够识别采集通过数码相机或扫描仪输入,因特网上下载和电脑中制作的任何复杂的平面图像图形文字以及二维码和条形码,制作多种标记,将其变换成数字信号,经编程计算转换成电流控制信号再输入驱动器,形成相应的控制信号并通过D/A卡控制高精度伺服电机运转,从而分别控制对x方向及y方向上反射振镜偏转角度,使激光束聚焦光斑按照设定的图案,文字轨迹运动,在工件表面刻蚀形成永久刻痕。刻划线宽可以达到20微米量级,且软件具有自动图象失真矫正功能,能够实现精密图像的标刻。  

 三、光纤激光打标系统的应用  

  1、在金属材料上的标刻,光纤激光打标机可以在很多金属样品上刻画出清晰的痕迹,特别是在一些经过表面处理的金属样品上,比如染黑,染色,表面电镀等,特别适合在这些样品上做精密标刻。图3是一些金属部件的标刻样品。a电镀金属零件,b表面染色的铝制品,c抛光的不锈钢片,d表面有色涂层的铝片。   

  2、有机聚合物, 皮革及塑料制品上的标刻,主要应用于一些电子元件,如图4a集成电路芯片,b塑封的晶体管,c皮革制品,d塑料日用品等。  

  3、金属及有机聚合物薄片上的精密加工,光纤激光打标机可以在这些材料上加工出一些  

    尺寸微小的复杂图案,这是普通加工机床无法达到的。图5a是在0.1毫米厚钽箔上制作的特殊软边光栏,其边缘刻制的花样可以任意设置,最小孔径达到4毫米以下。b是在聚烯亚胺薄膜刻的0.2毫米直径的小孔列阵,小孔的分布也可以任意设置。  

 


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