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作者：Dennis Kaminski；Trumpf公司

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

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

圖1：不同材料對不同波長的激光的吸收情況。

    激光器的選擇考量

Nd：YAG激光器已經擁有了超過25年的使用歷史，目前其已經成為工業(yè)應用中的一支主力軍。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，具有卓越的平均無故障時間（MTBF）。一些制造商預計，在二極管的壽命到達之前，整個系統(tǒng)的MTBF值超過35,000小時。Nd：YAG激光器的一個顯著優(yōu)勢是其能夠提供優(yōu)異的光束質量，能獲得較小的光斑尺寸。小光斑尺寸結合較短的脈沖，便產生了較高的峰值功率，從而能夠實現清晰、整潔的打標和精細深雕。

Nd：YVO₄激光器能輸出三種不同的波長：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，光束質量好，因此Nd：YVO₄激光器非常適合燒蝕標記以及熱影響區(qū)（HAZ）類的應用。Nd：YVO₄激光器的應用之一是用于汽車中的“day/night”按鍵打標，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市場，目前其已經成為每種打標應用中都要考慮應用的熱門話題。在光束質量方面，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，這是因為其能提供較長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，目前只有極少數光纖激光器制造商能提供可集成到打標系統(tǒng)中的光纖激光器產品。

就運營成本和耗材而言，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，而不用作成本方面的權衡。需要牢記的一點是，所有固體激光器的輸出功率會隨著應用時間的推移而有所下降，但廠商可以在產品出廠時對系統(tǒng)進行校準，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質量和打標速度。

光束特性——激光打標的光束質量是由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激光打標系統(tǒng)和Nd：YVO₄激光打標系統(tǒng)能獲得的最佳光束質量為M²=1.2；光纖激光器打標系統(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。更好的光束質量能產生更窄的線寬、更清晰的打標輪廓、更高的打標速度（因為功率密度高）以及更深的雕刻深度。較好的光束質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，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記。

脈沖重復頻率——在峰值功率和脈沖重復頻率的范圍上，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)時間可以調整，這將為優(yōu)化打標過程提供可用的脈沖重復頻率（見表）。

打標應用

激光打標應用中常用的術語包括：雕刻、退火、燒蝕、塑料顏色的變化等。針對具體應用的不同，用戶可以選擇最為合適的激光器，以實現更加優(yōu)化的激光打標過程。當用于燒蝕“day/light”按鍵元件時，Nd：YVO₄激光器表現最好，因為其能提供短脈沖，并能在較高的脈沖重復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，不損害下面的塑料基體材料（見圖2）。在標記陽極氧化鋁（anodized aluminum）材料時，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程。
 
  
    圖2：一個用于汽車上的塑料成型元件，其上已經鍍有涂層。多余的涂層通過激光去除，使變速桿旁的字母顯現出來。

另一種常見的應用是退火不銹鋼和鈦材質的醫(yī)療元件，如醫(yī)療植入物和醫(yī)療儀器等。在這類應用中，提供較高的集中峰值能量、稍長的脈沖持續(xù)時間是非常重要的，以便在表面上獲得清晰的暗色標識，當然這些標識必須要達到鈍化與高壓周期等測試要求（見圖3）。 
    （a）

（b）

（c）
     圖3：一條長約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效果。

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

未來，上述提到的三種激光技術都將在工業(yè)生產中找到各自的用武之地。當然，這些激光技術將會繼續(xù)發(fā)展以滿足不斷變化的制造需求。在選擇激光打標機時，一定要選擇一個好的激光器供應商作為合作伙伴，這一點也是非常重要的。另外，最好能根據需要打標的具體材料，對各種激光器進行測試，最后根據打標速度、打標質量和預算方面的考慮，選擇最合適的解決方案。