我国的激光打标技术发展概述

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　“激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”等。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。 　　从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今，在全国激光科研、教学、生产和使用单位共 同努力下，我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域，并在产业化上取得可喜进步，为我国科学技术、国民经济和国防建设作出了积极贡献，在国际上了也争得了一席之地。 ...  　　一、我国早期激光技术的发展 　　1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院（长春）光学精密 仪器机械研究所（简称“光机所”）。在老一辈专家带领下，一批青年科技工作者迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发 表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究 队伍，提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。1960年世界第一台激光器问世。1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激 光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。? 　　同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像，1964年11月实现3～30公里的通话。工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验 。国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机（精度为10米/10公里），1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。 　　表一:我国各类激光器的“第一台”? 名 称                              研制成功时间                    研 制 人 He-Ne激光器                          1963年7月                     邓锡铭等 掺钕玻璃激光器                       1963年6月                     干福熹等 GaAs同质结半导体激光器              1963年12月                     王守武等 脉冲Ar+激光器                       1964年10月                     万重怡等 CO2分子激光器                        1965年9月                     王润文等 CH3I化学激光器                       1966年3月                     邓锡铭等 YAG激光器                            1966年7月                     屈乾华等 　　可以说，在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近，一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列，在我国近代科技发展史上并不多见。这些成绩的取得，尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于光机所多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发，没有足够的技术支撑是很难形成气候的。?　　二、重点项目带动激光技术的发展　　激光科技事业从一开始就得到了领导和科学管理部门的高度重视。当时中国科学院副院长张劲夫提出建立专业激光研究所的设想，很快得到国家科委、国家计委的批准。主管科技的聂荣臻副总理还特别批示：研究所要建在上海，上海有较好的工业基础，有利于发展这一新技术。1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所——中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）成立。当年12月在上海召开全国激光会议，张劲夫、严济慈出席并主持会议，140位代表提交了103篇学术报告。? 　　1964年启动的“6403”高能钕玻璃激光系统、1965年开始研究的高功率激光系统和核聚变研究，以及1966年制定的研制15种军用激光整机等重点项目，由于技术上的综合性和高难度，有力地牵引和带动了激光技术各方面在中国的发展。我国的激光科技事业，虽然也遭遇了“文革”十年浩劫，但借助于重点项目的支撑，仍艰难地生存了下来并取得可贵的进展。?　　1.“6403”高能钕玻璃激光系统 1964年启动，最后从技术上判定热效应是根本性技术障碍，于1976年下马。这一项目对发展高能激光技术有历史贡献是不可忽视的，它使我国激光技术的水平上了一个台阶。其成果主要表现在：（1）建成了具有工程规模的大口径（120毫米）振荡—放大型激光系统，最大输出能量达32万焦耳；改善光束质量后达3万焦耳。（2）实现了系统技术集成，成功地进行了打靶实验，室内10米处击穿80毫米铝靶，室外2公里距离击穿0.2毫米铝耙，并系统地研究了强激光辐射的生物效应和材料破坏机理。（3）第一次揭示了强光对激光系统本身的光损伤现象和机制。（4）第一次深入和理解激光光束质量的重要性和物理内涵，采用了一系列提高光束质量 的创新性技术，如万焦耳级非稳腔激光器、片状激光器、振荡—扫瞄放大式激光系统、尖劈法光束质量诊断等。（5）激光元器件和支撑技术有了突破性提高，如低吸收高均匀性钕玻璃熔炼工艺、高能脉冲氙气、高强度介质膜、大口径（1.2米）光学精密加工等。（6）培养和造就 了一批技术骨干队伍。　　2. 高功率激光系统和核聚变研究 1964年王淦昌独立提出激光聚变倡议，1965年立项开始研究。经几年努力，建成了输出功率10（上标10）瓦的纳秒级激光装置，并于1973年5月首次在低温固氘靶、常温氘化锂靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我国第一台多程片状放大器，把激光输出功率提高了10倍，中子产额增加了一个量级。在国际上向心压缩原理解密后，积极跟踪并于1976年研制成六束激光系统，对充气玻壳靶照射，获得了近百倍的体压缩。这一系列的重大突破，使我国的激光聚变研究进入世界先进行列，也为以后长期的持续发展奠定了基础。三、打标技术现状概述 激光打标是在激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应用技术之后发展起来的一门新型加工技术，是一种非接触、无污染、无磨损的新标记工艺。近年来，随着激光器的可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进，促进了激光打标技术的发展。 　　激光打标是利用高能量密度的激光束对目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化 ,从而获得可见图案的标记方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。随着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束也就在材料表面加工成了一个指定的图案。激光打标与传统的标记工艺相比有明显的优点：(1) 标记速度快，字迹清晰、永久。(2) 非接触式加工，污染小，无磨损。(3) 操作方便，防伪功能强。(4) 可以做到高速自动化运行，生产成本低国内激光打标的发展历程　　激光打标设备的核心是激光打标控制系统，因此，激光打标的发展历程就是打标控制系统的发展过程。从1995年到2003年短短的8年时间，控制系统在激光打标领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变，如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战。　　1． 大幅面时代　　所谓大幅面，刚开始是将绘图仪的控制部分直接用于激光设备上，将绘图笔取下，在（0，0）点X轴基点、Y轴基点和原绘图笔的位置上分别安装45°折返镜，在原绘图笔位置下端安装小型聚焦镜，用以导通光路及使光束聚焦。直接用绘图软件输出打印命令即可驱动光路的运行，这种方式最明显的优势是幅面大，而且基本上能满足精度比较低的标刻要求，不需要专用的标刻软件；但是，这种方式存在着打标速度慢、控制精度低、笔臂机械磨损大、可靠性差、体积大等缺点。因此，在经历最初的尝试后，绘图仪式的大幅面激光打标系统逐步退出打标市场的，现在所应用的同类型的大幅面设备基本上都是模仿以前这种控制过程，用伺服电机驱动的高速大幅面系统，而随着三维动态聚焦振镜式扫描系统的逐步完善，大幅面系统将逐步从激光标刻领域销声匿迹。　　2． 转镜时代　　由于看到大幅面系统的一系列缺点，在高速振镜技术还没有在中国广泛普及的情况下，一些控制工程师自行开发了由步进电机驱动的转镜式扫描系统，其工作原理是将从谐振腔中导出的激光通过扩束，经过成90°安装的两个步进电机驱动的金镜的反射，由F-theta场镜聚焦后输出作用于处理对象上，金镜的转动使工作平面上的激光作用点分别在X、Y轴上移动，两个镜面协同动作使激光可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动。这种控制过程无论从速度还是定位精度来说都远超过大幅面，因此在很大程度上能满足工具行业对激光控制的要求，虽然同当时国际上流行的振镜式扫描系统还有比较明显的差距，但严格来说这种设计思路的出现和逐步完善代表着中国激光应用的一个里程碑，是中国完全能自行设计和生产激光应用设备的典型标志。直到振镜在中国大规模应用的兴起，这种控制方式才逐步退出中国激光应用的舞台。　　3． 振镜时代　　1998年，振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。　　[所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V—5V的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。国内激光打标的技术现状　　目前国内的激光打标按其工作方式可分为掩模式打标、阵列式打标和扫描式打标。　　1． 掩模式打标　　掩模式打标又叫投影式打标。掩模式打标系统由激光器、掩模板和成像透镜组成，其工作原理，经过望远镜扩束的激光，均匀的投射在事先做好的掩模板上，光从雕空部分透射。掩模板上的图形通过透镜成像到工件（焦面）上。通常每个脉冲即可形成一个标记。受激光辐射的材料表面被迅速加热汽化或产生化学反应，发生颜色变化形成可分辨的清晰标记。掩模式打标一般采用CO2激光器和YAG激光器。掩模式打标主要优点是一个激光脉冲一次就能打出一个完整的、包括几种符号的标记，因此打标速度快。对于大批量产品，可在生产线上直接打标。缺点是打标灵活性差，能量利用率低。　　它是使用几台小型激光器同时发射脉冲，经反射镜和聚焦透镜后，使几个激光脉冲在被打标材料表面上烧蚀（熔化）出大小及深度均匀的小凹坑，每个字符、图案都是由这些小圆黑凹坑构成的，一般是横笔划5个点，竖笔划7个点，从而形成5×7的阵列。阵列式打标一般采用小功率射频激励CO2激光器，其打标速度最高可达6000字符／妙，因而成为高速在线打标的理想选择，其缺点是只能标记点阵字符，且只能达到5×7的分辨率，对于汉字无能为力。