南开大学光学实验二 本科

实验四、激光打标实验

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、变色和涂层去除等功能；选择不同的激光波长和填料，可以获得各种复杂的彩色标记；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Pa，物体的热扩散系数k和热容量Cp。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。

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：

Q T k 2T=Cp t（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Z=0处，激光光斑以速度u沿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：

(X ut)2+Y2

(2 ) Q=exp 222πω4ωPa

''''(X,Y,Z,t)(X,Y,Z,t)，,源的坐标为求解方程（1），采用Green函数叠加法,设温度场的坐标为

表面热源的Green函数为：

exp{ r2[4k(t t')] 1} G(X,Y,Z,t)= (3) '324[πk(t t)]

其中，r=(X X)+(Y Y)+(Z Z)，材料的温度分布一般为：

2'2'2'2