半导体激光器调制特性的研究.pdf

祝强:半导体泵浦固体激光标刻机——光机电系统研究·1·

半导体泵浦固体激光标刻机
——光机电系统研究

(工程技术学院光电工程系电子科学与技术专业祝强)
(学号:2001301079)

内容摘要:激光标刻机是较早走出实验室走向产业的激光工业加工设备,并随着产业的需要
在不断发展着,呈现出小型化、多用化、环保化的趋势。在本课题中,我们首先对激光标刻机的
光机电系统构造、整体功能实现、各构件的光机电特性及其原理进行了调研,在此基础上搭建了
一套半导体泵浦的固体红外激光标刻系统,并对其进行了调试和特性功能的研究。所搭建的系统
可在软件的控制下在熔点较低的塑料材料上满足标刻既定图像文字的需要。
关键词:激光标刻机光机电系统 DPSSL
教师点评:本课题研究激光标刻机的光机电一体化系统。特别是采用半导体激光泵浦,具有
激光效率高,光束质量好,稳定可靠,能耗低,结构紧凑等优越性。它是目前激光加工系统的最
新发展,将完全取代传统的灯泵浦的激光加工系统。(点评教师:余建华,教授)

前言
激光标刻,是指利用高能量的激光束照射在工件表面,光能瞬时转化为热能,使工件表面物
质迅速熔化、汽化,从而在工件表面刻出任意需要的文字和图形,以作为永久性标志的工业加工
过程。与传统的机械、化学等标刻工艺相比,激光标刻具有环保性能好、使用范围广、标刻精度
高、设备紧凑、体积小、控制方便、安全稳定、效率高、无侧压力、不易损坏工件等优点。激光
标刻技术是进入产业化较早的应用激光技术,在技术上已经比较成熟,产业化程度已经达到了相
当的高度,已经根据不同的产业要求形成了比较完整的产品族。即使如此,激光标刻业并不是已
经完善到无可发展的地步,在激光波长、适用材料范围、激光功率、扫描速度、工件外形、整机
效率和降低运行的环境要求等方面仍需不断完善和发展。
本论文是利用现有的条件搭建一套工作波长在 1064nm 的半导体泵浦全固态激光标刻机,对
相关构件进行测试,并在此过程中对激光标刻机光机电系统的构成和原理进行研究和讨论。

一、激光标刻机的光机电系统构造
一台激光标刻机的光机电系统如图 1-1 所示,主要包括光学系统、电源和控制系统和冷却
系统,这三个系统是在激光标刻机这个整体系统中协同工作进而实现整体功能的。
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图 1-1 激光标刻系统示意图
1、光学系统的主要构造
光学系统是一台激光标刻机的核心部分,其功能的实现
是直接通过激光对工件的作用实现的。光学系统的大体构造
从图 1-2 中可以看出,主要包括激光器、X-Y 二维扫描振
镜。需要提到的是,为了避免过高光功率密度的激光照射在
振镜上,造成振镜表面所镀的高反膜的损伤,同时保证工作
激光的方向性,在激光器的输出端外测通常会加一光学整型
系统对激光进行扩束和准直。
激光器,是产生激光的部分,与其它固体(YAG 系列)、
气体(二氧化碳等)激光器相似,都是由工作物质、泵浦源
和谐振腔三大部分构成。在这种最基本构造的基础上,在谐
振腔中
加装调 Q 装置则可以将连续激光压成脉冲激光,使激光脉冲
具有很高的峰值功率;在谐振腔外加装倍频晶体并对谐振腔做适当图 1-2 光学扫描系统示意
图
改造,将得到频率加倍的激光等等。这些类似的改造则使激光标刻机摆脱了仅仅依靠连续基频激
光工作的状态,有更加灵活的工作波长和激光脉冲重复频率,使用范围更广,但同时也相应地带
来功率的损耗。
扩束准直构件,是由一个望远镜系统实现的。
X-Y 扫描振镜一般采用检流计式结构。检流计扫描器是低惯量扫描器(Low Inertia Scanner
缩写 LIS)的一种,在广泛应用于科学和工业扫描的过程中已经得到了长足的发展。相对于与其
同属低惯量扫描器的谐振镜扫描器,检流计扫描器能产生稳定状态的偏转,实现高保真度的正弦
扫描以及非正弦扫描的锯齿、三角或任意图形的扫描。在激光标刻系统中,检流计扫描器所起到
的作用是控制红外激光在 X-Y 方向进行二维扫描,因其功能部件为其振镜,故本部分中以“振
镜”代称。一个典型的检流计扫描器的机电构造如图 1-3 所示,其动作原理即电流通过线圈使
电磁场发生变化进而驱动转子带动振镜发生相应偏转。
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图 1-3 振镜的机电构造图 1-4 振镜的几何光学原理示意图
如图 1-4 所做标记,设 X 轴和 Y 轴反射镜的中心分别为点 a 和点 b,扫描点 c 的坐标为
() θθ
0,Yi 。