激光基础知识.docx

激光基础知识.docx

《激光基础知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光基础知识.docx（55页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

激光基础知识

刻印的类型

印字方式，大体上可分为“接触式印字”与“非接触式印字”这两种。

手写

人用笔手写，这是简单、最廉价的方法。

这种方法在产量少的时候很有效。

但是，有可能会发生人为错误。

印章方式

分为手按方式与机械按压方式。

如果油墨的附着过多、按压过高，则会导致文字模糊;相反如果油墨附着过少、按压过小，则会导致文字不清晰，因此稳定保持清晰的打印是很困难的。

而且，不擅长在曲面或柔软的物体上进行印字。

文字的切换无法自动化，在日期和数字方面需要变更的时候，需要手工更换，比较麻烦。

标签

不是直接打印到产品上的方式，但是使用目的相同。

另行通过打印机等在标签上进行打印，因此标签上打的印字很清晰。

但是，当所需数量很多的时候，成本会很高，而且标签的库存管理也在实际操作上很烦杂的。

同时，“脱落”是个非常令人担心的问题。

钢印

刻印产品表面，因此印字不会消失。

但是变更印字容时，麻烦并需要成本。

而且其冲击力给产品造成损伤，因此不适于需要或怕冲击的产品。

喷码机

不接触产品，以喷出油墨的方式进行印字。

可在曲面或柔软的面上进行打印，可以实现在移动中喷码。

因此无需停止产品的移动。

另外，可很轻松地变更打印容，且可通过置日历自动更新日期进行打印。

激光刻印机

通过XY的镜面扫描激光来刻印文字。

无需补充油墨、无需仓储标签，基本上不需要维护。

另外，因为可进行不会消失的打印，对重要的零部件或产品上，可确实记录制造历史等信息。

激光的原理

光是“电磁波”的一种。

“电磁波”存在波长这一标准，波长由长到短分别被称为电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、Y射线等。

当射到物体上的光有一部分波长无法被物体吸收而被反射回来，并被人眼（视网膜）接收到时，这种波长就被我们感知为物体的“颜色”。

根据波长不同，光的折射率也会有所变化，因此光呈发散状态。

其结果就是，我们能够感知到各种各样不同的“颜色”。

例如红色的苹果（当人眼接收到包含红色特定波长光线的白昼光时）仅反射红色波长的光（600至700nm），其他波长的光均被其吸收。

※黑色物体可以吸收所有的光，因此看上去呈黑色。

电磁波中人类肉眼可感知的波长围被称为“可见光”。

可见光的短波长约为360至400nm，长波长约为760至830nm，如果波长超出“可见光”的波长围（更短或更长），就超出了人眼所能够感知的围。

普通光（灯光等）与激光存在如下区别。

激光发出具有高方向性的光束，即组成的光波在一条直线上传播，不会扩散。

普通的光源发出的光波会朝各个方向扩散。

激光束的光波都是相同颜色的（此性质叫单色性）。

普通的光（比如荧光灯管发出的光）一般来说是几种颜色的光混合后表现为白色。

当激光束的光波传播时，它们以完全同步的波峰和波谷发生振荡，这种特性叫做相干性。

当两个激光束相互重叠时，每个光束的波峰和波谷只会相互加强，产生一个干涉图。

普通的光

灯泡

许多不同的波长

激光束

激光

单一波

波峰和波谷排列一致

LASER是由英文“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的各单词首字母组成的缩写词，意思是“通过受激发射光扩大”。

原子（分子）从外部吸收能量后，从下准位（低能级状态）跃迁至上准位（高能级状态）。

这种状态被称为受激状态。

受激状态是一种不稳定的状态，将会很快返回至低能级状态。

这一行为被称为“跃迁”。

此时会辐射出相当于跃迁能量的光。

这种现象被称为自发发射。

辐射出的光碰撞到同样处于受激状态的其他原子，也会激励其发生相同的跃迁。

这种受到诱导而辐射出的光称为受激发射。

大致可分为固体、气体、液体3种类型

◆由于目标加工用途不同，适用的激光也有所不同。

Nd:

YAG

∙-基本波长 

（1064nm）

∙-二倍频（532nm）

（绿激光）

∙-三倍频（355nm）

（UV激光）

YAG（钇、铝、石榴石）

∙-主要用于通用刻印

∙-用于在硅片等材料上刻印

细微印字、加工时使用

∙-用于LCD印字、修复加工、VIA过孔加工等超细微加工

液晶修复加工…去除树脂涂层进行修复的工序

VIA过孔加工…印刷电路板的孔加工

Nd:

YVO4 （1064nm）

YVO4 （钒酸钇）

∙-用于极小文字刻印打标

用高Q-开关的频率获得高峰值能量

能量转换效率极佳

Yb：

光纤（1090nm）

Yb（钇）

∙-用于高输出刻印

增幅媒介的表面面积非常大，可轻易实现高输出

冷却效率高，可以简化冷却设备，实现小型化

LD（650至905nm）

∙-半导体激光（GaAs、GaAlAs、GaInAs）

CO2 （10.6μm）

∙-用于加工设备、刻印、激光手术

He-Ne激光（630nm）

一般为（红色）

∙-用于测量器（形状测量等）

用于市场上最常见的激光测量器（因为输出功率低故用于形状测量等）

准分子激光（193nm）

∙-用于半导体漏光设备和眼科医疗

可以通过混合非活性气体和卤素气体，以比较简单的构造产生激光

深紫外线激光（DUV）吸收率非常高

（在眼科医疗过使水晶体蒸发，将焦点对准视网膜从而校正视力）

氩激光

（488至514nm）

∙-用于物理学和化学用途

能够生成各种颜色，主要在与生物相关的研究所中使用

Dye 

（330至1300nm）

∙-用于物理学和化学用途

通过激光使受激的色素发出荧光

CO2 激光

CO2 激光主要用于机械加工和刻印应用。

CO2 激光发射的不可见红外光束波长为10.6μm。

N2氮气可用来增加CO2 的能级，氦气可用于稳定CO2 的能级。

YAG激光（Nd：

YAG）

YAG激光通用于各种刻印应用，例如在塑料盒金属工件上刻印，以及机械加工应用。

YAG激光发射的不可见近红外光束波长为1064nm。

描述YAG

YAG是具有晶体结构的钇铝石榴石固体。

加入发光元素后，此处为Nd（钕），YAG晶体在吸收激光二极管发出的光线后会进入受激状态。

YVO4 激光（Nd：

YVO4）

YVO4 激光可用于超细刻印和机械加工应用。

YVO4 激光发射的不可见近红外光束波长为1064nm，和YAG激光一样。

描述YVO4

YVO4 是具有晶体结构的Y（钇）V（钒）O4（氧化物），或YVO4（钒酸钇）固体。

加入发光元素后，此处为Nd（钕），YAG晶体在吸收激光二极管发出的光线后会进入受激状态。

波长:

10600nm

CO2 激光的波长比YAG、YVO4 或光纤激光的波长长十倍。

这是在被广泛应用的工业激光中波长最长的。

顾名思义，是用CO2 气体作为激光介质激发而产生。

10600nm波长区域激光的典型特性

∙-不被金属所吸收

∙-会由于长波长传热而导致对象物体融化或燃烧。

∙-可加工玻璃和PET等透明物体。

∙-CO2 激光相对于基本波长的激光很难实现树脂的颜色反差印刷。

波长:

10600nm

IR是InfraredRay（红外线）的缩写，其波长是激光加工中用途最广的波长。

顾名思义，IR是红色以外的区域的光谱，（也就是说），IR的波长大于780nm并且无法用肉眼看到。

但不等于IR就是1064nm.

1064nm波长区域激光的一般特性

∙-加工应用围广泛——从树脂到金属

∙-无法加工透明物体，例如玻璃，因为激光容易穿过这些物体。

∙-很容易使树脂变色

即使是相同波长的光，光束特性也会因振动方式不同而不同。

一般来说，高峰值功率和短脉冲宽度能产生更强的瞬间能量，减轻热破坏和焦化现象。

波长:

532nm

二倍频（SHG）激光的波长是标准波长（1064nm）的一半。

532nm位于可见光谱，呈绿色。

波长的产生过程是，发射1064nm波长的光，通过非线性晶体，使波长减少一半。

YVO4 介质常被使用的原因，是因为其光束特性适合进行复杂，精细的加工。

532nm波长激光的典型特性

∙-能被各种材质所吸收，包括反射率很高的金，铜也可以轻易的加工。

∙-由于拥有比IR激光更小的射束点，因此可进行精细加工。

∙-一般不能加工透明物体。

金属的激光吸收率

波长:

355nm

三倍频（THG）激光的波长是基本波长1064nm的三分之一，位于光的紫外线（UV）区域。

使用YVO4 或YAG激光器产生基本波长，然后通过非线性晶体的转换，波长减少至532nm，再经过第二个非线性晶体，将波长降至355nm。

355nm波长激光的典型特性

∙-大多数材料都对其都具有极高的吸收率，且不会发生过多热量。

∙-非常小的射束点使超精细加工成为可能。

∙-其高吸收率会影响到光学晶体，它比其他波长的激光需要消耗更多的维护成本和消耗品。

此处解释了激光受到振荡之前的原理。

1.吸收

外部光线进入时，原子的电子吸收光后从最低的能量状态（基态）进入高能状态。

随着能量增加，电子从正常轨道转移到外层轨道。

这种能量增加的状态叫做”受激“。

2.自然发射

受激的电子，在所吸收能量的作用下，能级上升。

经过一定的弛期后，能级上升的电子想要稳定下来，所以释放能量以回到较低的能量状态。

此时，能量以含有相同能量的光的形式被释放。

这种现象叫做”自然发射“。

3.受激发射

如下图所示，高能状态下存在的电子，在所持能量以相同能量的光发射时，发射的光具有完全相同的能量，相位和运动方向。

换言之，发射时的一个光子变成了两个光子。

这种现象称为”受激发射“。

受激发射产生的光具有相同的能量，相位和运动方向。

因此，利用受激发射产生的大量光线在以上三个元素设定一致时能产生强烈的光线。

激光就是利用受激发射现象通过放大入射光而产生的。

因此，他具有特性

（1）单色性（所有光能相等），

（2）相干性（相同相位）和（3）高方向性（相同的运动方向）。

4.粒子数反转状态

要利用自然发射振荡激光束，就必须将高能状态的电子增加到对低能量状态电子具有压倒性优势的密度。

这种现象称为”粒子数反转状态“。

换言之，当自然发射光的量超过吸收光时，就能首次有效地产生激光束。

粒子数反转状态中的电子

5.激光振荡

在粒子数反转状态中，当一个电子自然发光时，该光线会使不同的电子自然发光。

这样产生的连锁反应会增加光量并产生强光束。

这就是激光振荡的工作原理。

粒子数反转状态中的电子

激光振荡管的三个元件

所有的激光振荡管都由以下三个元件组成：

什么是激光加工？

介绍与激光加工相关的知识、用途。

介绍激光加工的类型和应用案例。

激光处理通过将高能激光束施加到目标上，使用热能将材料熔化或蒸发。

目标表面的温度快速升高到其沸点或熔点，使材料从固态变成液态或气态。

激光处理分为三大类：

去除、接合以及改性。

在大多数应用中都需要进行测试，以便选择最佳的功率、扫描速度以及Q-开关组合，从而产生希望的结果。

表面层去除

切割

镗孔

蚀刻

修整

烧蚀

焊接

铜焊/锡焊

硬化

退火

雕刻

上釉

激光沉积

与切割流程相比KEYENCE激光刻印机的优点

1.目标物体不会开裂或变形KEYENCE激光刻印机提供的非接触式切割不会损坏目标物体。

没有接触式切割机造成的变形或开裂产品质量保持稳定。

2.免维护无需定期为切割刀上油或清洁。

3.均质处理激光刻印机的非接触式切割消除了表面的不规则情况。

4.没有XY工作台，降低了初始成本KEYENCE激光刻印机无需线性工作台校准目标物体从而进行切割。

使用激光束扫描镜可以操作各种形状。

5.可以载入和编辑图形数据您可以通过专用软件载入图形数据，并根据目标物体的形状进行编辑。

这样设置或编辑所需的时间大大缩短。

镗孔、切割、蚀刻以及表面层去除的应用示例如下所示。

1.镗孔

2.切割

3.蚀刻

通过精确调整激光束功率与扫描速度，可以同时创建条形码图案并从底板上切下标签。

这样便不需要在应用中增加切割工序，同时消除维护额外设备所涉及的成本。

4.表面层去除

剥除表面涂层之后，便会露出基底材料或后续涂层。

这种加工技术常常用于汽车中的发光开关盖。

5.电镀层去除

蒸发掉电镀层之后，便会露出下面的基底金属。

在本例中，通过去除阳极电镀层，露出基底金属并在设备中形成可用于将部电路接地的区域。

去除玻璃上的ITO薄膜层

通过去除ITO薄膜的导电层创建电路图案。

MD-V9920宽幅激光刻印机能够在提高加工精度的同时，显著减少生产步骤。

连接器端子镀金剥离

使用激光剥离端子的镀金。

目的是控制焊锡的上行。

6.电线被膜的切断

用激光扫描，溶解并切割目标物。

安全和规格

介绍全球通用的安全标准和安装时的注意事项等，让您放心地使用激光。

IEC60825-1

“Safetyoflaserproducts”

GB7247.1

[激光产品的安全]

FDA（CDRH）

21CFRPart1040.10

and1040.11

关于IEC60825-1

什么是IEC

国际电工委员会【InternationalElectrotechnicalCommission】

是电气领域的国际标准化机关，为了促进国际贸易顺利进行，以下列事项为目的。

-电气和电子工程技术领域国际标准的制定和普及

安全标准

创建与激光机器相关的国际标准“IEC60825-1”，并成为IEC加盟国的通用安全标准。

关于FDA（CDRH）

什么是FDA

美国食品药品管理局【FoodandDrugAdministration】

FDA是美利坚合众国卫生与人类服务署（DepartmentofHealthandHumanServices，HHS）的一个分支机构。

其下的设备仪器与放射健康中心（CenterforDevicesandRadiologicalHealth，CDRH）对放射线领域法律法规的实施进行监管。

按照放射线法律法规中有关激光产品的规定，在美国生产、销售、流通激光产品时，应遵守该规定，并应履行提交最终产品申请的义务。

激光安全标准

在美国联邦法规（CodeofFederalRegulations，CFR）第21条的放射线健康（RadiologicalHealth）一章中，除总则外，还记载了包括激光在的放射线相关规定。

激光安全的观点

目的

标准是为防止激光产品对使用者带来负作用为目的而制定的。

通过让使用者正确认识激光产品的潜在危险，有效利用激光产品的安全防护功能，正确执行规定的顺序，来达到保障激光产品使用者安全的目的。

激光的安全防护

安全防护对策

与激光产品密切相关的是制造商（厂商）和使用者（用户）。

使用者分为激光安全管理者和作业者。

为了保障激光的使用安全，请各自执行以下要求。

制造商的安全防护对策

1.1. 激光产品的分类

2.2. 等级对应的技术管理办法

3.3. 必要信息的提供

使用者的安全防护对策

1.4. 安全防护对策的制定

2.5. 对作业者的培训

3.6. 安全防护对策的执行

激光分类（GB7247.1）

CO2 激光打标机（ML-G9300系列、ML-Z9500系列）、YVO4 激光打标机（MD-V9600/MD-V9900/MD-X1000,1500/MD-S9910/MD-F3000/MD-F3100,5100/MD-T1000系列）被归为激光等级4分类。

激光器分类的规定

在合理可预见的工作条件下是安全的激光器。

发射波长为400nm～700nm可见光的激光器，通常可由包括眨眼反射在的回避反应提供眼睛保护。

用裸眼观察是安全的激光器。

对发射波长为400nm～700nm的激光，由包括眨眼反射在的回避反应提供保护。

对于其他波长对裸眼的危害不大于1类激光器。

用光学装置（如:

双目镜、望远镜、显微镜）直接进行3A类的光束视观察可能是危险的。

直接光束视是危险的激光器。

观察漫反射一般是安全的。

能产生危险的漫反射的激光器。

它们可能引起皮肤灼伤、也可引起火灾。

使用这类激光器要特别小心。

根据GB7247.1，本产品配备有以下机器。

钥匙操作电源开关

通过钥匙操作电源开关，启动本机主机。

不使用时请拔出钥匙。

激光辐射发射警告

当钥匙操作电源开关旋到[LASERON]（激光接通）时，机器进入可以振荡的状态，激光发射警示灯亮起。

激光发射警示灯位于磁头和控制器前部。

激光光闸

关闭磁头的自动光闸以阻止激光束的发射。

遥控联锁（紧急停止）输入端子

通过A端子和B端子的2个电路，控制遥控联锁（紧急停止）输入。

不论哪个电路断开，都停止激光束的发射，并停止有关刻印的操作。

两端同时短路的话，进入可以发射激光束的状态。

出厂时用短路棒使其短路。

该端子相当于“遥控联锁连接器”。

∙*在ML-G9300系列和MD-V9600系列里，由6号端子的一个电路控制。

在MD-V9900/MD-S9900/MD-F3000/MD-T1000系列上，12号端子变成紧急停止输入B，A14号端子变成紧急停止输入A。

手动重设

如果出现下述情况之一，在排除错误原因后把钥匙操作电源开关旋回到[POWERON]（电源接通）或[OFF]（断开）一次，再将其旋至[LASERON]（激光接通）以恢复操作的装置。

发生错误的情况

把钥匙操作电源开关旋回到[POWERON]（电源接通）一次，再将其旋至[LASERON]（激光接通）。

也可以通过使用错误解除输入（端子台）或按下“MARKINGBUILDER2”或控制台画面上的解除错误钮来恢复操作。

遥控联锁（紧急停止）

输入端子（A、B）*1

开放的情况

再次使A、B两端子短路，然后把钥匙操作电源开关旋回到[OFF]（断开）一次，再以[POWERON]（电源接通）→[LASERON]（激光接通）的顺序旋转。

*1在MD-V9900/MD-S9900/MD-F3000/MD-T1000系列上，变成紧急停止输入（A、B）。

标识

标签

*ML-Z9500系列如例所示。

如果是其他系列，请参照各用户手册。

磁头本体上贴有“警告标记”、“说明标记”及“窗口标记”。

下面列举的是对4类激光产品建议采取的安全措施例。

使用遥控联锁（紧急停止）输入

遥控联锁（紧急停止）输入端子（遥控联锁接口）连接到紧急停止开关或类似装置上，防止紧急情况下激光的辐射。

要打开紧急停止输入端子，请停止激光发射。

（由于联锁功能需要手动重设以恢复操作。

）

*在MD-F3100,5100系列，成为遥控联锁输入端子。

钥匙操作电源开关

为防止未授权使用者操作激光系统，钥匙应由激光安全主管掌管。

设立警告指示牌和控制区

在安装激光产品的区域入口应贴警告牌，确保作业人员都能看到相关危险警示。

警告标识

终止光束路径

进行安装时，必须遵循在通常情况下以及可预见的故障情况下，尽可能减少对包括刻印目标、机器或机器部件在的任何物体无意地激光辐射。

为了避免眼睛或皮肤在上述情况下暴露于直射或散射的激光辐射，ML-Z9500系列发射的激光束必须通过具有适当反射率和热特性的扩散反射材质或反射器，在其适用路径末端进行终止。

防护服

在设置有激光产品的管理区域，万一来自刻印目标的激光反射光照射到皮肤等处时，有可能会造成烧伤，衣服燃烧。

因此，在作业中，请穿具有阻燃性的衣服，以尽可能地保护好皮肤。

眼睛的保护

请在设置有激光产品的管理区域，习惯性地佩戴护目镜，以防止眼睛被激光照射误伤的情况。

维护时请务必佩戴。

护目镜

请选择型号与激光波长相对应的护目镜。

∙-CO2 激光（波长:

10.6μm）

（ML-G9300/ML-Z9500系列）

∙-YVO4 激光（波长:

1064nm）

（MD-V9600/MD-V9900/MD-X1000,1500系列）

∙-SHG激光（波长:

532nm）

（MD-S9900/MD-T1000系列）

∙-光纤激光（波长:

1090nm）

（MD-F3000,3100,5100系列）

亚克力过滤网

安装在装置的监视窗、防护罩或保护盖板的确认窗，可遮挡激光光线。

推荐护目镜（例）

注：

护目镜是用于防护散射光的产品，请千万不要作为防护直接光或反射光的产品使用。

局部排气装置

用激光在目标物品上印字时产生有毒气体等的情况下，请明确该气体等生成物的成分，并设置局部排气装置。

激光安全管理员的任命

请任命在操作激光商品及防止激光放射产生的危害方面具有丰富经验的管理员，切实贯彻安全管理理念。

激光安全管理员的职责主要列举了1.实施防止激光放射的对策2.激光管理区域（从激光产品到可能受到激光照射的区域）的设定3.开关键的管理4.对保护工具等检查/使用情况的确认5.作业者的培训

等

*ML-Z9500系列如例所示。

如果是其他系列，请参照各用户手册。

保护围栏

激光刻印机运行时，为了防止反射光意外照射到激光刻印机的周围或进入激光管理区域的人员，需要用反射率和热特性合适的材料在激光刻印机测量头部设置保护围栏，以遮蔽反射光。

如果不按照此处的规定，使用其他步骤控制及调整本产品，会导致危险的激光辐射。

可能会给人体（眼睛和皮肤等）带来伤害，所以请务必遵守以下事项。

*ML-Z9500系列如例所示。

如果是其他系列，请参照各用户手册。

1.无论是激光束，还是经镜面反射或漫反射的激光束，都请不要直视。

否则激光束直接进入眼睛，可能造成失明。

2.无论是激光束，还是经镜面反射或漫反射的激光束，都请不要直接接触。

运行过程中，小心不要将手等伸入刻印区域。

可能造成烧伤等皮肤损害。

3.激光放射警告灯亮时，以下显示的区域，将成为可能有激光放射的危险区域。

如果身体的一部分或可燃物等进入，有可能造成眼睛或皮肤的损伤，或者引起火灾。

考虑到这个围的危险性，请确保使用具备合适反射系数和热特性的防护壳进行遮盖。

4.安装磁头时，请终止激光束路径。

为了避免眼睛或皮肤在上述情况下暴露于直射或散射的激光辐射，ML-Z9500系列发射的激光束必须通过具有适当反射率和热特性的扩散反射材质或反射器，在其适用路径末端进行终止。

5.请配戴适合激光束波长的护目镜。

请配戴对应波长10.6μm，光学浓度为5～7的护目镜。

光学浓度超过7时请不要配戴护目镜。

因为有激光放射警示灯观察不到的可能性。

即使配戴了护目镜，也必须留意避免眼睛暴露于直射或散射激光照射。

6.请勿拆卸本产品。

否则可能会导致暴露在激光辐射下和触电。

如果拆卸ML