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作者：Dennis Kaminski；Trumpf公司

   在激光打標(biāo)應(yīng)用中，材料類型、打標(biāo)質(zhì)量要求和打標(biāo)速度，都是選擇激光器時(shí)所要考慮的重要因素。雖然固態(tài)連續(xù)波CO₂激光器常用于打標(biāo)應(yīng)用，但是它們通常不用于金屬打標(biāo)，因此下文將重點(diǎn)討論固體脈沖激光器的選擇。目前，市場(chǎng)上存在多種可用于打標(biāo)應(yīng)用的脈沖激光器，這些激光器包括Nd：YAG激光器、Nd：YVO₄激光器以及光纖激光器，當(dāng)然，每種激光器在打標(biāo)應(yīng)用中都各有利弊。

除了要深入了解激光器和材料的特性外，還要了解被標(biāo)記的材料對(duì)所選激光器輸出波長(zhǎng)的吸收情況，這一點(diǎn)也是非常重要的。通常，有色金屬和非有色金屬材料對(duì)1064nm的激光具有良好的吸收；貴重金屬對(duì)532nm 和355nm波長(zhǎng)的光具有很好的吸收；而塑料則能吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光輸出（見(jiàn)圖1）。
      

圖1：不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的吸收情況。

    激光器的選擇考量

Nd：YAG激光器已經(jīng)擁有了超過(guò)25年的使用歷史，目前其已經(jīng)成為工業(yè)應(yīng)用中的一支主力軍。最初，Nd：YAG激光器采用燈泵浦，隨后則發(fā)展成為普遍采用二極管泵浦。采用二極管泵浦的Nd：YAG激光器更加牢固耐用，具有卓越的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）。一些制造商預(yù)計(jì)，在二極管的壽命到達(dá)之前，整個(gè)系統(tǒng)的MTBF值超過(guò)35,000小時(shí)。Nd：YAG激光器的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是其能夠提供優(yōu)異的光束質(zhì)量，能獲得較小的光斑尺寸。小光斑尺寸結(jié)合較短的脈沖，便產(chǎn)生了較高的峰值功率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)清晰、整潔的打標(biāo)和精細(xì)深雕。

Nd：YVO₄激光器能輸出三種不同的波長(zhǎng)：1064nm、532nm和355nm。Nd：YVO₄激光器同樣采用二極管泵浦，輸出的脈沖與脈沖之間高度穩(wěn)定，光束質(zhì)量好，因此Nd：YVO₄激光器非常適合燒蝕標(biāo)記以及熱影響區(qū)（HAZ）類的應(yīng)用。Nd：YVO₄激光器的應(yīng)用之一是用于汽車中的“day/night”按鍵打標(biāo)，其用激光將按鍵頂部的涂層去除，使光能在夜間從背后照亮按鈕。由于去除涂層后的暴露面位置稍低，因此更不易受損。

光纖激光器大約于六年前被引入打標(biāo)市場(chǎng)，目前其已經(jīng)成為每種打標(biāo)應(yīng)用中都要考慮應(yīng)用的熱門話題。在光束質(zhì)量方面，光纖激光器不及Nd：YAG激光器和Nd：YVO₄激光器，這也限制了其峰值功率的提高。光纖激光器可用于不銹鋼退火，這是因?yàn)槠淠芴峁┹^長(zhǎng)的脈寬和較大的光斑尺寸，能將更多的熱量匯聚到工件上。值得一提的是，目前只有極少數(shù)光纖激光器制造商能提供可集成到打標(biāo)系統(tǒng)中的光纖激光器產(chǎn)品。

就運(yùn)營(yíng)成本和耗材而言，上述三種激光器并太大的不同，因此用戶可以盡情地選擇最佳的激光技術(shù)，而不用作成本方面的權(quán)衡。需要牢記的一點(diǎn)是，所有固體激光器的輸出功率會(huì)隨著應(yīng)用時(shí)間的推移而有所下降，但廠商可以在產(chǎn)品出廠時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以保持激光器的輸出功率恒定。這樣，激光器在投入使用后便能保持相同的打標(biāo)質(zhì)量和打標(biāo)速度。

光束特性——激光打標(biāo)的光束質(zhì)量是由M²值確定的，M²值通常由激光器制造商提供。高斯光束的M²值為1，因此高斯光束能提供最小的光斑尺寸。Nd：YAG激光打標(biāo)系統(tǒng)和Nd：YVO₄激光打標(biāo)系統(tǒng)能獲得的最佳光束質(zhì)量為M²=1.2；光纖激光器打標(biāo)系統(tǒng)的最佳M²值為1.7，顯然與上述兩種激光器相比，其光斑尺寸更大、激光功率密度更低。更好的光束質(zhì)量能產(chǎn)生更窄的線寬、更清晰的打標(biāo)輪廓、更高的打標(biāo)速度（因?yàn)楣β拭芏雀撸┮约案�深的雕刻深度。較好的光束質(zhì)量還能提供更深的聚焦深度。例如，用M²值為1.2的激光束在彎曲的表面上打標(biāo)，相較于使用M²值更高的光束（如光纖激光器的輸出）而言，能夠獲得更清晰的標(biāo)記。

脈沖重復(fù)頻率——在峰值功率和脈沖重復(fù)頻率的范圍上，Nd：YAG激光器和Nd：YVO₄激光器與光纖激光器有著很大的不同。作為主振蕩光纖功率放大器（MO​​FPA）的光纖系統(tǒng)，其輸出光的脈沖持續(xù)時(shí)間可以調(diào)整，這將為優(yōu)化打標(biāo)過(guò)程提供可用的脈沖重復(fù)頻率（見(jiàn)表）。

打標(biāo)應(yīng)用

激光打標(biāo)應(yīng)用中常用的術(shù)語(yǔ)包括：雕刻、退火、燒蝕、塑料顏色的變化等。針對(duì)具體應(yīng)用的不同，用戶可以選擇最為合適的激光器，以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的激光打標(biāo)過(guò)程。當(dāng)用于燒蝕“day/light”按鍵元件時(shí)，Nd：YVO₄激光器表現(xiàn)最好，因?yàn)槠淠芴峁┒堂}沖，并能在較高的脈沖重復(fù)頻率下保持脈沖與脈沖之間的高度穩(wěn)定性，從而在去除元件表面上的涂層時(shí)，不損害下面的塑料基體材料（見(jiàn)圖2）。在標(biāo)記陽(yáng)極氧化鋁（anodized aluminum）材料時(shí)，也常常使用燒蝕工藝，這是迄今為止最普遍的一種激光加工過(guò)程。
 
  
    圖2：一個(gè)用于汽車上的塑料成型元件，其上已經(jīng)鍍有涂層。多余的涂層通過(guò)激光去除，使變速桿旁的字母顯現(xiàn)出來(lái)。

另一種常見(jiàn)的應(yīng)用是退火不銹鋼和鈦材質(zhì)的醫(yī)療元件，如醫(yī)療植入物和醫(yī)療儀器等。在這類應(yīng)用中，提供較高的集中峰值能量、稍長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間是非常重要的，以便在表面上獲得清晰的暗色標(biāo)識(shí)，當(dāng)然這些標(biāo)識(shí)必須要達(dá)到鈍化與高壓周期等測(cè)試要求（見(jiàn)圖3）。 
    （a）

（b）

（c）
     圖3：一條長(zhǎng)約50µm的退火線顯示了均勻脈沖的加工效果（a），橫截面顯示了退火標(biāo)記的深度（b）。（c）顯示了醫(yī)用起搏器/除顫器中的鈦罐的打標(biāo)效果。

在雕刻材料時(shí)，選擇最佳的頻率和速度參數(shù)至關(guān)重要，以實(shí)現(xiàn)材料的蒸發(fā)。通常情況下，短脈沖和高峰值功率的激光在這類應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

未來(lái)，上述提到的三種激光技術(shù)都將在工業(yè)生產(chǎn)中找到各自的用武之地。當(dāng)然，這些激光技術(shù)將會(huì)繼續(xù)發(fā)展以滿足不斷變化的制造需求。在選擇激光打標(biāo)機(jī)時(shí)，一定要選擇一個(gè)好的激光器供應(yīng)商作為合作伙伴，這一點(diǎn)也是非常重要的。另外，最好能根據(jù)需要打標(biāo)的具體材料，對(duì)各種激光器進(jìn)行測(cè)試，最后根據(jù)打標(biāo)速度、打標(biāo)質(zhì)量和預(yù)算方面的考慮，選擇最合適的解決方案。