NOVA840型激光標(biāo)印機(jī)激光器能量調(diào)校

陳洋鋒

（昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

激光標(biāo)印機(jī)作為新興、特種、必要的標(biāo)識(shí)設(shè)備在公司內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，標(biāo)印環(huán)節(jié)在信息化管理公司內(nèi)各車(chē)間協(xié)調(diào)生產(chǎn)及總裝中是不可缺少的部分。激光器作為激光標(biāo)印機(jī)的核心部件也是激光發(fā)出部件，在標(biāo)印過(guò)程中由于種種原因?qū)е录す馄髂芰坎蛔阋彩潜容^頻繁的問(wèn)題。激光器能量的調(diào)校，是定期也是必須的，這對(duì)激光標(biāo)印機(jī)的應(yīng)用，意義重大。

1 激光發(fā)生器原理

激光發(fā)生器由激勵(lì)源、激光棒、聚光腔、震蕩全反鏡及Q晶體開(kāi)關(guān)組成。采用氪燈作為能量源——激勵(lì)源，以釔鋁石榴石——YAG（Yttrium Aluminium Garnet）棒作為激光產(chǎn)生介質(zhì)。由電源驅(qū)動(dòng)器給氪燈加壓，產(chǎn)生特定波長(zhǎng)1064 nm的入射光——基波，促使工作物質(zhì)發(fā)生居量反轉(zhuǎn)，通過(guò)能級(jí)躍遷釋放激光，將釋放出的激光能量放大并聚焦后形成可使用的激光束。840型激光標(biāo)印記采用的激勵(lì)方式為光學(xué)激勵(lì)——光泵。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)定能級(jí)是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一至的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的定向性和相干性。

閃燈側(cè)面泵浦系統(tǒng)，是指為使激光工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來(lái)源的裝置，而本激光標(biāo)印機(jī)采用的是由氣體放電光源（氪燈）和聚光腔組成裝置使發(fā)出的光輻射工作物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

2 紫外激光產(chǎn)生原理

光譜公司840型電纜激光標(biāo)印機(jī)激光器主要由激光驅(qū)動(dòng)電源（1ω）、激光發(fā)生器、微動(dòng)互鎖開(kāi)關(guān)、反饋鏡、Q晶體開(kāi)關(guān)、第二諧波發(fā)生器（2ω）、第三諧波發(fā)生器（3ω）等組成。

355 nm紫外激光由1064 nm Nd：YAG激光（Neodymiumdoped Yttrium Aluminium Garnet；Nd：Y3AI5012） 的 3 次諧波獲得，具體技術(shù)途徑是用2次諧波晶體腔內(nèi)倍頻1064 nm基波產(chǎn)生532 nm的2次諧波，基波和諧波再經(jīng)3次諧波晶體腔內(nèi)混頻產(chǎn)生355 nm的3次諧波。2次諧波晶體選用KTP晶體（磷酸鈦氧鉀），采用Ⅱ類(lèi)臨界相位匹配方式，即ω1（1064 nm，e光）+ω2（1064 nm，o光）→ω3（532 nm，o光）；2次諧波和基波的混頻采用LBO晶體（三硼酸鋰晶體），Ⅱ類(lèi)臨界相位匹配方式，即ω1（532 nm，e光）+ω2（1064 nm，o光）→ω3（355 nm，o光），其中，ω，ω1，ω2，ω3為光頻率。為了提高轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)盡可能提高KTP（磷酸鈦氧鉀）和LBO晶體處的激光功率面密度及滿足相位匹配條件。

3 影響激光器能量的因素

影響激光能量密度的因素分為外部因素與內(nèi)部因素，外部因素有：激光器內(nèi)各光學(xué)元件如反饋鏡、諧波器及反射鏡等清潔度，環(huán)境的溫度計(jì)濕度會(huì)影響激光發(fā)生器的發(fā)出激光基波能量密度。內(nèi)部因素分為驅(qū)動(dòng)電壓的穩(wěn)定性、2次諧波器的匹配度、3次諧波器的匹配度、后面鏡及反饋鏡的角度等直接影響輸出紫外激光能量密度值。

4 能量密度的調(diào)整方法及步驟

（1）清潔光學(xué)元件，調(diào)整環(huán)境溫度及濕度在要求范圍內(nèi)。標(biāo)印機(jī)激光器出廠時(shí)已經(jīng)是按照試驗(yàn)最佳環(huán)境設(shè)計(jì)調(diào)整的，所以后續(xù)調(diào)整激光器能量也應(yīng)在最佳要求環(huán)境范圍內(nèi)，溫度在最佳范圍的兩端都將產(chǎn)生激光的倍頻與和頻的效果，從而直接導(dǎo)致激光能量密度降低。光學(xué)元件為了獲得要求的相干波及光線的傳播，光學(xué)元件上都有圖層不同物質(zhì)的圖層，濕度過(guò)大或過(guò)小，或是頻繁變化差異化，容易致使光學(xué)元件在獲得相干波及傳輸時(shí)的效果，最終至紫外激光能量密度偏低或消失。激光傳輸及發(fā)生干涉時(shí)對(duì)光學(xué)元件的清潔度都有非常高的要求，清潔光學(xué)元件需用棉簽蘸丙酮或無(wú)水乙醇等容易揮發(fā)的有機(jī)液體，丙酮極易揮發(fā)，擦拭時(shí)不容易留下痕跡，擦拭過(guò)程應(yīng)該是始終同一方向畫(huà)圓，由里向外做離心運(yùn)動(dòng)，同時(shí)擦拭用棉簽還應(yīng)保持緩慢的自旋運(yùn)動(dòng)，這樣能保證擦拭效果，有效的帶走異物。清潔光學(xué)元件及調(diào)整環(huán)境溫度濕度在要求范圍內(nèi)是保證激光能量的首要前提。

（2）第三諧波發(fā)生器（3ω）組件。第三諧波發(fā)生器實(shí)為和頻器，直接產(chǎn)生輸出紫外激光，按上述理論原理，本過(guò)程最終需要找到峰值點(diǎn)。放置激光能量表在激光器出口位置，并發(fā)射激光為最大理論值（通常190 μs Q-switch延時(shí)）。3ω組件用于調(diào)整最大紫外輸出能量，因?yàn)橹C波轉(zhuǎn)換在反應(yīng)上有延時(shí)存在，能量表顯示時(shí)就必然存在延時(shí)，所以在調(diào)節(jié)3ω時(shí)，應(yīng)在每次調(diào)節(jié)后等待幾秒。峰值的特點(diǎn)是兩端的單調(diào)性相反，采用振蕩式不斷反復(fù)的調(diào)節(jié)最終找到峰值點(diǎn)。3ω調(diào)整輔助——調(diào)整反饋鏡。反饋鏡對(duì)中即為和頻的匹配度，直接影響輸出能量，而且影響輸出光束的形狀和強(qiáng)度切面，調(diào)整反饋鏡的水平和垂直調(diào)節(jié)點(diǎn)得到最大紫外能量輸出后一定檢查光束圖案，最佳方案是得到最好的光束形狀和輪廓盡管損失少許輸出能量。使用特殊的中紅外激光觀察板觀察紫外輸出光束，調(diào)節(jié)反饋鏡得到盡可能大的原形沒(méi)有條紋（明暗的線）光束圖案。

（3）第二諧波發(fā)生器（2ω）。類(lèi)似3ω調(diào)節(jié)以獲得最大的紫外輸出能量值，調(diào)節(jié)方式與3ω一致。但2次諧波與3次諧波及反饋鏡的調(diào)節(jié)時(shí)相互關(guān)聯(lián)的，例如移動(dòng)一個(gè)部件會(huì)導(dǎo)致其他部件的對(duì)中的偏移。因此，這3個(gè)部件的調(diào)節(jié)是一個(gè)緩慢和逐步細(xì)調(diào)獲得最大輸出能量密度的循環(huán)過(guò)程。

（4）后面鏡調(diào)節(jié)。后面鏡調(diào)節(jié)只能子啊激光器自由（free running）模式下驚醒，即閃光燈閃亮（Operation），Q-switch關(guān)閉。激光觀察板應(yīng)該放置在相旋轉(zhuǎn)鏡與二次諧波發(fā)生器之間以觀察激光光束，當(dāng)大多數(shù)圓形光束形成對(duì)稱(chēng)/同心環(huán)排列時(shí)為后面鏡最佳位置。為幫助進(jìn)行調(diào)整，一小塊白色卡片可以直接放置到反饋鏡前面，激光光斑如圖1所示。

5 結(jié)論

圖1 激光光斑

要解決激光標(biāo)印記這種高精密特種設(shè)備的激光能量調(diào)整問(wèn)題，必須對(duì)激光器原理及激光產(chǎn)生有深入的了解，對(duì)檢測(cè)方法與檢測(cè)工具能夠熟練操作。雖然激光器比較復(fù)雜，但通過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)了解，對(duì)激光能量的基本調(diào)整及維護(hù)還是可以較好的掌握的。