随着激光应用技术的发展，激光已经成为规范的打标工具，它可以在塑料、硅片、金属、陶瓷等许多种材料上标识出标记。用计算机控制激光打标系统，可以快速高质量地打出序列编号、徽标、商标、装饰设计图案等。激光打标技术具有一系列优异特点：激光打标不直接接触工件表面，无烟，无沾污，无其它损伤，且可形成永久性标记；容易与计算机连接，可以实现快速控制和精确定位，实时改变设计方案，并能方便地在工件上标记出各种复杂图形；利用激光与材料之间相互作用的物理和化学机理，可以实现刻蚀、凸雕、变和涂层去除等功能；选择不同的激光波长和填料，可以获得各种复杂的彩标记；对于粘附困难且不适于油墨打标的塑料、金属材料等，激光打标均可以解决；激光光束可以聚焦到微米量级，激光能量可以精确控制，故可以实现微型打标技术（点标直径几十微米，深度为几微米量级），这是油墨打标方法和其它方法都难以实现的。 一、 实验目的：
1、了解激光在工业中的应用—激光打标
2、掌握激光打标机的工作原理
3、学会用激光打标机制作简单的图形
二、 实验原理
当强激光入射到材料表面，材料表面对应于光斑大小和吸收长度的区域吸收激光能量，温度迅速升高，形成一局部热源，这一热源按照热传导规律在物体表面和材料内部进行能量传递。温度分布将取决于材料表面吸收的光功率，物体的热扩散系数和热容量。如果材料表面和光束是相对运动的，打标结果还与光斑大小及光斑相对于材料表面的运动速度u 有关。 a P k p C 设材料表面的几何尺寸远大于光斑尺寸，可以认为是半无界空间情况，材料中的温度分布与吸收的光功率密度Q 之间的关系有热扩散方程决定：
p C Q T k t T =∇−∂∂2 （1） 设坐标面XOY 与材料表面重合，激光束沿Z 轴投射到材料表面的坐标原点处，激光光斑以速度沿0=Z u X 方向运动。若高斯光束的束腰半径为ω，则运动光斑的功率密度分布为：
22
224)(exp 2ωπωY ut X P Q a
+−−= (2 ) 为求解方程（1），采用Green 函数叠加法，设温度场的坐标为
，源的坐标，表面热源的Green 函数为：
),,,(t Z Y X ),,,(''''t Z Y X 23'1'2)]
([4})](4[exp{),,,(t t k t t k r t Z Y X G −−−=−π (3) 其中，，材料的温度分布一般为：
2
'2'2'2)()()(Z Z Y Y X X r −+−+−=
''''''),,,,,',','(),',','(1dt dZ dY dX t Z Y X t Z Y X G t Z Y X Q C T t p ∫∫∫∫∞−∞−∞−= (4)
表面源，材料中的温度分布为：
0'=Z 220222222223)4(exp ),,,(ωβββωββπ+−+++−−=
∫∞d Z Y k u ut X K P t Z Y X T a (5) 式中21')铝膜气球
(2t t −=β。在式（5）中令ut X =，得到运动光斑中心的温度为： 2
20222223)4(exp ),0,0,(ωββωββπ++−=∫∞
d k u K P t ut T a
(6) 上式给出了光斑速度为u 时，材料温度分布随时间t 的变化关系，它需要数值方法才能求解。图4.1示出了归一化表面温度分布与x 方向的归一化距离ω/)(ut X −的关系曲线。注意到当光
斑静止时（）
，温度分布是沿0=u X 方向对称的，而当光斑运动（0≠u ）时，温度分布沿X 方向变得不对称了。温度的最高点不再位于0=X 处，而是在ut X =处，随着运动速度的增加，最高温度有明显下降，如图2所示。
后轮驱动u
图4.1 归一化表面温度分布曲线 图4.2 归一化功率值（虚线），归一 化温度与运动速度的关系
微波真空烧结炉
图4.2中虚线表示从不同运动速度达到静止)0(=u 时的最高温度所需的归一化功率值。
从图中看出，在时，归一化温度为1.0，所需吸收的归一化功率为1.3；当0=u 102/=K u ω时，若要归一化温度仍为1.0，所需吸收的归一化功率为5.46，所以当光斑运动时，必须考虑由于冷却所带来的温度下降。在实际情况下，只有适当的增加激光功率[2]，才能保证目标点达到预期的温度。
三、 实验内容
1、利用机器内已生成的程序“SERIAL ”在硅片上进行编号的打标实验。
2、利用已生成的程序对不同材质的两种样品（如纸张和金属片）选择不同的实验条件（如更改电流值或光束移动速度）进行效果最佳的打标实验。
3、自行编排一行汉字或一个图形的打标程序，并通过反复实验选择出最佳的工作参数。
四、 操作步骤
1、开机前首先打开外部冷却水开关。
2、闭合总电源开关后，将机器前面板上的开关“POWER”顺时针旋转900，按下“SYSTEM ON”
时整个系统已带电。再按下计算计开关“１、０”键，则进入控制状态。
3、计算机启动后，即处于“SELECT PROGRAM”主菜单下。此时，若按“F”键则进入
“FORMPROGRAM”子菜单；再按“F”键则将调出全部生成程序名单，用“↑↓”键选中所用文件名，按回车键后该文件在屏幕上显示出来。然后，根据需要对语句进行编辑（参见附录）。编辑后按“F1”键回到“FORMPROGRAM”子菜单，再按下“L”键将其负载到激光器机头上去。
4、完成以上控制部分的操作后方可打开激光器电源，将控制激光器开关的钥匙顺时针旋转900后，
再按下绿的“POWER”键，此时泵灯已通电，待电流达到预定值时将光阑的“OPEN”键按下，至此，整个系统已处于待工作状态。
5、按下控制激光器机头开关的“START”键，则将按程序进行刻蚀；刻蚀过程中若发现错误，
则按下“STOP”键将中途停止执行该程序；若发现异常现象则按下红的紧急停止按纽，对机器进行保护性断电处理，并及时通知有关人员进行检修。
6、按程序完成刻蚀任务后，首先再按一下激光器的绿的“POWER”键、并将钥匙逆时针旋转
900；然后，返回主菜单时关掉计算机；一定要冷却十分钟后再按下“SYSTEM OFF”键。
最后，关掉总电源和外部冷却水；检查门、窗、水、电等安全后方可离开实验室。
五、思考题
1、对不同材质，依据何原理控制激光器工作电流？请举两个实例来说明具体方法。
2、本机所采用的是声光调制方式，为何选择调制频率f=3000Hz为最佳？
参考文献
[1] 强激光束对运动物体的加热，《红外与激光工程》，1999，第28卷第一期，漆海滨等
[2] 激光对半导体材料热作用的理论计算，《光电子.激光》，第九卷第4期，1998，沈中华等
六、附录：
附录1、有关LBY 600型Laser Marking的一些参数：
波长1064nm；电流范围0≤I≤23.0A(一般不超过22.0A)；
重复频率1kHz≤F≤50kHz；焦点处光斑直径≈0.1 mm；
特征数值（输出镜前测量值）：
如F=1kHz: 脉冲能量W=10mJ 峰值P=60kW
如F=10kHz: 脉冲能量W=4mJ 峰值P=17kW
附录2、简明操作手册
1、键盘使用方法
在同一菜单下操作时，只要键入某一项前的第一个字母就可以完成本语句所规定的操作；F1键将完成返回上一级操作环境的任务，最终回到主菜单。其他键与常规用法相同，详情可参考本机说明书。
2、编程规则摘要
（1）进入编程环境：在主菜单下，按F键进入FORMPROGRAM，在此可以读出一个程序文件，
然后按E键来进行修改；也可以在主菜单下直接按E键进行新程序的编辑。修改或编辑后按两次F9键，即可察看其效果，它的显示速度和激光器工作速度是相同的。也可按“CTRL+F1”键作定格察看上述效果，但是，此时切记不可重启或停机！屏幕的显示精度不高，如遇很精细的图形可能不便于上述观察，
只能进行实际操作的对比。编辑后可按F1键返回到主菜单，按S键存盘；然后按L键将其装入激光器机头，通过控制激光器开关“START”来完成刻蚀过程。
（2）几个基本编程命令：
Z——行式打标；
K——环式打标；
MD——在圆柱表面打标；
（在一个程序中，他们可以同时出现，以表示不同的工作区域）
IN——设置线单位；
（关于单位问题，尤其是线单位，原说明书不准确，而且由于工作面位置的微小变化，也可以引起一些误差。所以，在确定好工作面后可再进行实际测量为宜）
BI——在移动工件上操作；
BP——在DEBUGGER中起作用的断点；
Nx，y——确立原点（0.1mm）；
Px，y——确立当前原点(0.1mm)；
NNx，y——确立原点(20μm)；
PPx，y——确立当前原点(20μm)；
Hh——字符大小，仅指高度（0.1mm）；
Hoh——同上(0.01mm)；
Aa——字符间距（0.1mm）；
Bb——字符宽度（1%—500%）；
CSn——倾斜角度（1度）；
CSHn——同上（0.1度）；
#n——选择字体；
#Fn——同上（从软键盘）；
／——打制一些现成字符，后面是文本和字符；
（如／abc ；／123；）
＞s——描述刻蚀方向；
（s = 0 向右x轴；s = 1 向上；s = 2 向左；s = 3 向下；）
T^w ——更精确地描述刻蚀角度（0.1度）；
（以上面的s方向顺时针转w 度）
LSa——灯电流；
Qf——脉冲频率；
Sn ——镜像（y轴）；
（0—正常；1—镜像；）
Ll ——由Px，y定义边界，长为l的域，靠左打；
Ml ——l域中，居中打；
Rl ——l域中，靠右打；
（在以上说明中，如果l ＞文本串宽度，无影响；如果l ＜文本宽度，文本被压缩。）*_ ——星号加空格表示注释掉该语句；
＇comment＇——注释；
Xw——重复刻蚀w次；
SAt——光束打开t时间长度（01ms）；
SO——光束打开；
SC——光束关闭；
（Wobble参数，激光束振颤范围，即光束宽度，以及由此牵扯到的刻蚀速度）
程序分支：
IF THEN ELSE IEND
IF THEN ELS IN
循环：
FOR TO STEP DO FEND
FO TO ST DO FE
程序中可用的变量：
DRn
例如：
FOR DR1 =0 TO30 STEP3 DO
FEND
注意程序中的空格!
性蚀
3．几个实例：
在本部分中给出几个非常有用的例子，其中包含了许多前面未曾提到的命令。
A.画双缝：
Z >0 T^0 #9
G0 200 Q3000 LS135 X1薄荷棒
N0 0 H50
P20 0
FOR DR1 =1 TO10 STEP2 DO
P=DR1 0 GE0 100
FEND
N100 0
P20 0
FOR DR1 =1 TO8 STEP2 DO
滚动鼠标P=DR1 0 GE0 100
FEND
其中画线指令 Gex y
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