激光雕刻機(jī)技術(shù)原理試題及答案一、單選題（每題2分，共20分）1.在CO?激光雕刻機(jī)中，決定激光波長(zhǎng)最關(guān)鍵的氣體組分是A.N???B.He??C.CO???D.Xe答案：C解析：CO?分子在激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)輻射10.6μm激光，波長(zhǎng)由CO?分子能級(jí)差決定，其余氣體僅起能量轉(zhuǎn)移或冷卻作用。2.若振鏡電機(jī)最大偏轉(zhuǎn)角為±0.35rad，鏡片與電機(jī)軸剛性連接，則f=160mm場(chǎng)鏡下理論掃描幅面為A.112mm×112mm??B.224mm×224mm??C.160mm×160mm??D.320mm×320mm答案：B解析：幅面=2fθ=2×160×0.35≈112mm，單軸；雙軸合成后有效幅面224mm×224mm。3.射頻激勵(lì)CO?激光器關(guān)閉調(diào)制信號(hào)后，激光功率下降沿主要受限于A.氣體溫度??B.射頻電源關(guān)斷時(shí)間??C.諧振腔Q值??D.鏡片熱透鏡答案：B解析：射頻電源關(guān)斷時(shí)間決定上能級(jí)粒子數(shù)停止補(bǔ)充的速率，功率下降沿≈1ms，遠(yuǎn)大于氣體冷卻時(shí)間常數(shù)。4.在激光雕刻亞克力時(shí)，若將輔助氣體由壓縮空氣改為氮?dú)?，最顯著的變化是A.切縫變寬??B.發(fā)黃減少??C.錐度增大??D.底部掛渣增加答案：B解析：氮?dú)飧艚^氧氣，抑制丙烯酸酯高溫氧化生成黃色碳化物，切口透明度高。5.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為32細(xì)分，電機(jī)步距角1.8°，絲桿導(dǎo)程4mm，則理論脈沖當(dāng)量為A.0.625μm??B.1.25μm??C.2.5μm??D.5μm答案：A解析：步距角1.8°→200步/轉(zhuǎn)；32細(xì)分→6400脈沖/轉(zhuǎn)；導(dǎo)程4mm→4000μm/轉(zhuǎn)；脈沖當(dāng)量=4000/6400=0.625μm。6.激光焦點(diǎn)處光斑直徑d≈1.27λf/D，若λ=10.6μm，f=100mm，D=20mm，則d為A.33.8μm??B.67.6μm??C.135μm??D.270μm答案：B解析：d=1.27×10.6×100/20≈67.6μm。7.關(guān)于金屬光纖激光打黑，下列說法正確的是A.需高功率密度長(zhǎng)脈沖??B.表面粗糙度越小越黑??C.氧化膜厚度決定黑度??D.掃描速度越快越黑答案：C解析：不銹鋼表面生成納米級(jí)Fe?O?/MnO?干涉膜，厚度≈80nm時(shí)吸收率>95%，呈現(xiàn)深黑。8.激光雕刻機(jī)水冷機(jī)使用去離子水的目的是A.降低冰點(diǎn)??B.防止結(jié)垢??C.提高比熱容??D.抑制電化學(xué)腐蝕答案：D解析：去離子水電導(dǎo)率<5μS/cm，可抑制射頻電極與鋁制冷卻板間電偶腐蝕。9.在激光切割3mm膠合板時(shí)，出現(xiàn)“上寬下窄”切縫，最可能的原因是A.焦點(diǎn)位置過高??B.氣壓過低??C.脈沖頻率過高??D.光斑過小答案：A解析：焦點(diǎn)在板上表面，能量在上層集中，下層功率密度下降，形成倒錐。10.若激光器標(biāo)稱功率50W，實(shí)測(cè)滿功率出光10s，鋁塊溫升ΔT=8.5℃，質(zhì)量m=52g，比熱容0.9J/(g·K)，則光電轉(zhuǎn)化效率約為A.7.9%??B.9.8%??C.11.2%??D.13.5%答案：B解析：吸收能量Q=mCΔT=52×0.9×8.5≈398J；激光能量E=50×10=500J；效率=398/500≈9.8%。二、多選題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列措施可有效減少激光雕刻PET薄膜邊緣熔珠A.采用MOPA短脈沖??B.增加脈沖重疊率??C.使用負(fù)壓吸附??D.降低輔助氣壓??E.選用9.3μmCO?激光答案：A、C、E解析：短脈沖減少熱積累；負(fù)壓壓平薄膜，防止抖動(dòng)；9.3μm被PET強(qiáng)吸收，能量沉積淺，熔融區(qū)小。12.關(guān)于振鏡掃描系統(tǒng)的“枕形”失真，正確的有A.由ftheta鏡頭引起??B.可通過校正表補(bǔ)償??C.與入射角余弦相關(guān)??D.掃描速度越快越嚴(yán)重??E.增加鏡片厚度可消除答案：B、C解析：枕形失真源于掃描角度與像高非線性（h=fθ）及余弦投影損失；校正表通過軟件反向映射補(bǔ)償；鏡片厚度與失真無關(guān)。13.光纖激光器QBH接頭出現(xiàn)“燒點(diǎn)”的常見原因A.保護(hù)窗污染??B.光纖端面回?zé)??C.水冷缺失??D.輸出頭未鎖緊??E.激光器漏光答案：A、B、D解析：污染窗吸收能量→熱透鏡→焦點(diǎn)漂移；端面回?zé)煞瓷湟?；未鎖緊導(dǎo)致空氣間隙放電燒蝕。14.在激光深雕銅合金時(shí)，提高加工效率的有效手段A.采用532nm綠光??B.使用氧氣輔助??C.提高脈沖頻率至500kHz??D.施加超聲振動(dòng)??E.預(yù)涂石墨層答案：A、D、E解析：銅對(duì)532nm吸收率≈40%，遠(yuǎn)高于1064nm；超聲振動(dòng)助排渣；石墨層提高吸收率并防氧化。15.關(guān)于激光安全等級(jí)，下列描述正確A.Class4激光可引燃紙張??B.1900nm激光屬于Class1exempt??C.OD6+護(hù)目鏡表示透射率10????D.漫反射也可能超MPE??E.互鎖失效可降為Class3R答案：A、C、D解析：Class4輸出功率>500mW，可點(diǎn)燃；OD=n，透射率10??；漫反射在短距離仍可能超最大允許照射量。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯(cuò)誤打“×”）16.射頻CO?激光器的氣體比例He:N?:CO?=3:1:1可提高輸出功率。答案：√解析：He加速下能級(jí)抽空，N?共振轉(zhuǎn)移，比例3:1:1為實(shí)驗(yàn)優(yōu)化值。17.ftheta鏡頭的“掃描場(chǎng)曲”可通過提高鏡片折射率完全消除。答案：×解析：場(chǎng)曲由Petzval和決定，僅提高折射率無法完全消除，需復(fù)雜非球面設(shè)計(jì)。18.MOPA光纖激光器的脈寬越短，峰值功率越高，材料去除率一定越大。答案：×解析：過短脈寬（<1ns）可能引發(fā)等離子體屏蔽，反而降低去除率。19.激光雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)失步后，實(shí)際位置與控制器坐標(biāo)將永久偏移，需重新回零。答案：√解析：開環(huán)系統(tǒng)無位置反饋，失步導(dǎo)致不可逆偏移。20.在激光切割亞克力時(shí)，輔助氣體壓力越高，切割面越光滑。答案：×解析：過高氣壓（>0.8MPa）產(chǎn)生激波，導(dǎo)致“霜化”表面，粗糙度增大。21.激光打標(biāo)“白不銹鋼”是利用高功率密度使表面產(chǎn)生微熔池，粗糙度增加形成漫反射。答案：√解析：微熔池快速凝固形成微米級(jí)凹凸，降低鏡面反射，呈現(xiàn)啞光白。22.激光雕刻機(jī)冷卻水溫度設(shè)定越低越好，可延長(zhǎng)激光器壽命。答案：×解析：過低溫度（<10℃）導(dǎo)致腔內(nèi)結(jié)露，高壓擊穿射頻電極。23.光纖激光器的光束質(zhì)量M2<1.1，可聚焦到衍射極限，適用于精密切割。答案：√解析：?jiǎn)文９饫w輸出基模，M2≈1.05，接近衍射極限。24.激光雕刻機(jī)使用USB2.0傳輸Gcode，波特率115200為固定值，不可更改。答案：×解析：USB為包傳輸，無傳統(tǒng)波特率概念；115200用于UART串口。25.在激光雕刻照片時(shí)，采用抖動(dòng)算法可模擬灰階，但會(huì)降低圖像分辨率。答案：√解析：抖動(dòng)將灰度轉(zhuǎn)為黑白點(diǎn)陣，犧牲空間分辨率換取灰度感知。四、填空題（每空2分，共20分）26.CO?激光器10.6μm對(duì)應(yīng)頻率為________THz，光子能量為________eV。答案：28.3；0.117解析：ν=c/λ=3×10?/10.6×10??≈28.3THz；E=hν=6.63×10?3?×28.3×1012/1.6×10?1?≈0.117eV。27.若振鏡系統(tǒng)X、Y電機(jī)最大角速度均為5rad/s，f=160mm，則理論最大線性掃描速度為________mm/s。答案：800解析：v=fω=160×5=800mm/s，雙軸合成矢量速度同值。28.激光雕刻機(jī)Z軸使用滾珠絲桿，導(dǎo)程5mm，電機(jī)步距角0.9°，16細(xì)分，則每脈沖升降距離為________μm。答案：0.434解析：0.9°→400步/轉(zhuǎn)；16細(xì)分→6400脈沖/轉(zhuǎn)；5000μm/6400≈0.434μm。29.光纖激光器20200ns可調(diào)脈寬，單脈沖能量1mJ，重復(fù)頻率50kHz，平均功率為________W。答案：50解析：P=E×f=1×10?3×50×103=50W。30.激光切割5mm碳鋼，焦點(diǎn)深度b=2λf2/(πw?2)，若w?=30μm，λ=1.06μm，f=200mm，則b≈________mm。答案：3.0解析：b=2×1.06×10??×(200×10?3)2/(π×(30×10??)2)×103≈3.0mm。31.激光雕刻機(jī)水冷機(jī)使用25%乙二醇溶液，冰點(diǎn)約為________℃。答案：?10解析：體積分?jǐn)?shù)25%乙二醇水溶液冰點(diǎn)≈?10℃。32.若CO?激光器輸出鏡透過率T=15%，增益介質(zhì)飽和強(qiáng)度Is=20W/cm2，腔長(zhǎng)L=800mm，小信號(hào)增益g?=0.8%/cm，則閾值增益系數(shù)為________%/cm。答案：0.625解析：閾值gth=α+(1/2L)ln(1/R)，忽略損耗α，R=1?T=0.85，gth=ln(1/0.85)/(2×80)≈0.625%/cm。33.激光打標(biāo)二維碼，點(diǎn)陣15×15，單點(diǎn)直徑0.1mm，打標(biāo)區(qū)域需留邊1mm，則最小場(chǎng)鏡焦距為________mm。答案：約100解析：幅面=1.5+2×1=3.5mm；θ=1.75/f，取θmax=0.35rad→f≥5mm，實(shí)際選100mm可兼顧精度。34.激光雕刻機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器編碼器2500線，4倍頻，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000rpm，則A相脈沖頻率為________kHz。答案：500解析：2500×4×3000/60=500000脈沖/s=500kHz。35.激光切割PMMA，蒸發(fā)潛熱ΔH=1.6kJ/g，密度1.18g/cm3，去除體積1mm3所需能量為________J。答案：1.89解析：質(zhì)量=1.18mg；能量=1.6×1.18≈1.89J。五、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）36.闡述射頻激勵(lì)CO?激光器“功率下降”故障的三類根本原因，并給出排查流程。答案：(1)氣體老化：He滲透導(dǎo)致比例失衡，輸出功率呈指數(shù)下降；用光譜儀測(cè)3.39μmHe線強(qiáng)度，低于標(biāo)定30%需換氣。(2)射頻電源失配：反射功率>10%，電極燒蝕；檢查VSWR，清洗電極，調(diào)匹配電感。(3)光學(xué)損耗：輸出鏡ZnSe膜層burnedin，透過率下降；用功率計(jì)測(cè)腔內(nèi)循環(huán)功率，對(duì)比出廠數(shù)據(jù)，更換鏡片。流程：功率計(jì)測(cè)Pout→反射功率監(jiān)測(cè)→光譜分析→拆解檢查→部件更換→老化運(yùn)行。37.說明振鏡系統(tǒng)“漂移”現(xiàn)象的機(jī)理及兩種硬件級(jí)補(bǔ)償方法。答案：機(jī)理：電機(jī)溫升導(dǎo)致永磁體退磁，角位置傳感器（光電或電容）零點(diǎn)漂移，累計(jì)誤差>0.5mrad。方法1：在X、Y電機(jī)軸端集成鉑電阻，實(shí)時(shí)測(cè)溫，MCU查表補(bǔ)償電流增益，溫漂<0.1mrad/℃。方法2：采用閉環(huán)光電編碼器（20bit），每掃描幀后回讀實(shí)際角度，與指令差值寫入下一幀校正表，長(zhǎng)期漂移<5μrad。38.計(jì)算題：用1064nm光纖激光深雕不銹鋼，目標(biāo)深度0.2mm，單脈沖坑徑50μm，重疊率50%，脈沖能量0.5mJ，去除閾值為0.8J/cm2，估算總脈沖數(shù)與加工時(shí)間（f=100kHz）。答案：?jiǎn)慰用娣eA=π(25×10??)2≈1.96×10??cm2；單坑體積V=A×h，h為單脈沖深度，由能量密度0.5mJ/1.96×10??cm2≈25.5J/cm2>>0.8J/cm2，假設(shè)坑深2μm。層數(shù)=0.2mm/2μm=100層；單層行間距=25μm；幅面假設(shè)10mm×10mm，行數(shù)=10mm/25μm=400；每行點(diǎn)數(shù)=10mm/25μm=400；單層脈沖=400×400=1.6×10?；總脈沖=100×1.6×10?=1.6×10?；時(shí)間=1.6×10?/10?=160s≈2.7min。39.描述“飛行打標(biāo)”系統(tǒng)中編碼器同步信號(hào)的抗干擾設(shè)計(jì)。答案：采用差分RS422傳輸，雙絞屏蔽，屏蔽層單端接地；硬件濾波：RC低通fc=200kHz，濾除伺服PWM諧波；數(shù)字濾波：FPGA采集后施密特觸發(fā)+3倍過采樣，剔除<50ns毛刺；冗余校驗(yàn)：編碼器AB相加CRC校驗(yàn)位，錯(cuò)誤率<10??；光電隔離：6N137高速光耦，共模抑制>25kV/μs。40.解釋激光雕刻亞克力時(shí)產(chǎn)生“火焰拋光”效應(yīng)的物理過程，并給出工藝窗口。答案：過程：10.6μm被C=O鍵強(qiáng)吸收，表面溫升>400℃，甲基丙烯酸甲酯蒸發(fā)，蒸氣在切縫前沿與空氣混合燃燒，形成藍(lán)色火焰；燃燒熱反饋使熔融區(qū)表面張力降低，流動(dòng)鋪展，冷卻后形成玻璃狀光澤。窗口：功率密度1×10?W/cm2，切割速度<10mm/s，輔助空氣壓力0.20.3MPa；速度過快無火焰，過慢則碳化發(fā)黑；火焰長(zhǎng)度控制在23mm最佳。六、綜合設(shè)計(jì)題（15分）41.某客戶需在一臺(tái)600mm×4