周博

摘要：以紫外激光打標(biāo)機(jī)為研究對(duì)象，介紹其工作機(jī)理，分析紫外激光器的功率和脈沖寬度等參數(shù)，通過試驗(yàn)探討激光器的最佳工作條件。試驗(yàn)結(jié)果表明：在15 kHz重復(fù)頻率條件下，激光器可獲得最佳的輸出功率和脈寬。

關(guān)鍵詞：紫外激光打標(biāo)機(jī)；工作原理；試驗(yàn)；輸入電流；脈寬；功率

中圖分類號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）11-0077-02

近年來，隨著激光器技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，涌現(xiàn)出激光焊接、激光切割、激光融覆、激光打孔等一批新型應(yīng)用技術(shù)，尤其是在打標(biāo)領(lǐng)域，激光技術(shù)發(fā)揮了十分重要的作用。隨著激光器穩(wěn)定性的提高、體積的縮小、光學(xué)器件的改進(jìn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，激光打標(biāo)技術(shù)不斷得到改進(jìn)。

激光打標(biāo)利用高功率密度的激光作用于目標(biāo)材料，使材料表面發(fā)生物理和化學(xué)變化，從而獲得可見的圖案標(biāo)記。與傳統(tǒng)的標(biāo)記方式相比，激光打標(biāo)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）打標(biāo)速度快，圖案清晰。2）非接觸式打標(biāo)，無污染。3）計(jì)算機(jī)控制高速自動(dòng)化運(yùn)行，生產(chǎn)成本低。

激光器的輸出指標(biāo)是影響激光打標(biāo)質(zhì)量的重要因素。研究紫外激光打標(biāo)系統(tǒng)在355 nm波段的輸出特性，分析在不同輸出頻率條件下，激光器輸出功率和脈沖寬度隨泵浦功率的變化情況，為確定紫外激光器對(duì)激光打標(biāo)質(zhì)量的影響提供參考。

1 激光打標(biāo)技術(shù)的基本原理

激光打標(biāo)將高能激光束聚焦在物質(zhì)表面，與標(biāo)記物表面物質(zhì)相互作用，顯示出所需標(biāo)記的圖案和文字。激光打標(biāo)通常有熱加工和冷加工2種方式。

熱加工激光打標(biāo)方式是由激光器輸出高能量的激光光束，當(dāng)其作用于標(biāo)記材料時(shí)與物質(zhì)表面發(fā)生作用，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而使標(biāo)記材料表面溫度上升，迅速產(chǎn)生熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象，進(jìn)而形成圖文標(biāo)記。

冷加工激光打標(biāo)方式是由很高能量的（紫外）光子打斷材料（特別是有機(jī)材料）中的化學(xué)鍵，使標(biāo)記材料發(fā)生非熱過程破壞。冷加工技術(shù)不依靠熱燒蝕標(biāo)記，而是直接打斷材料化學(xué)鍵的冷剝離，所以對(duì)標(biāo)記材料不產(chǎn)生損傷，標(biāo)記材料表面和附近區(qū)域不產(chǎn)生熱變形。在電子工業(yè)生產(chǎn)中，常使用紫外準(zhǔn)分子激光器在基底材料上沉積化學(xué)物質(zhì)薄膜、切割半導(dǎo)體基片等。

另外，紫外激光打標(biāo)技術(shù)聚焦光斑小，加工熱效應(yīng)低，材料不會(huì)產(chǎn)生燒焦問題，在超精細(xì)打標(biāo)、雕刻，食品、醫(yī)藥包裝材料打標(biāo)，玻璃材料高速切割，硅片圖形切割等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

2 紫外激光打標(biāo)機(jī)的特性及組成

紫外激光打標(biāo)屬于冷加工工作方式，其加工精度高于可見光和紅外波段激光，且在相同條件下波長越短、聚焦光斑越小（波長越短，單光子的能量越大）?？梢姽夂图t外波段激光依靠熱效應(yīng)蒸發(fā)材料打標(biāo)，而紫外激光可直接打破材料的化學(xué)鍵，使分子脫離物體，加工熱影響區(qū)域小，且可進(jìn)行超精細(xì)、特殊材料打標(biāo)。由于此種打標(biāo)方式幾乎沒有熱影響，因此被稱為激光冷加工打標(biāo)。

紫外激光打標(biāo)機(jī)主要由激光電源、紫外激光器、振鏡掃描系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)等組成。

1） 激光電源為激光泵浦原和調(diào)Q系統(tǒng)提供電激勵(lì)。

2） 紫外激光器為激光打標(biāo)機(jī)提供穩(wěn)定的紫外激光。激光器輸出波長355 nm，輸出功率大于5 W，脈沖寬度10～40 ns可調(diào)，輸出光束質(zhì)量為基模輸出，重復(fù)頻率10～50 kHz。

3） 振鏡掃描系統(tǒng)由X和Y方向2個(gè)光學(xué)振鏡和相對(duì)應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)發(fā)出數(shù)字信號(hào)控制伺服電機(jī)產(chǎn)生掃描軌跡。

4） 聚焦系統(tǒng)的作用是將一束平行的激光束聚焦于一點(diǎn)，以增強(qiáng)激光的功率密度。聚焦系統(tǒng)的透鏡焦距不同，打標(biāo)效果和范圍也不一樣，可根據(jù)需要選配相應(yīng)的透鏡。

5） 打標(biāo)控制器對(duì)激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行控制，采用USB接口與計(jì)算機(jī)相連接，通過數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器及振鏡掃描系統(tǒng)的控制。

6） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行控制，通過控制聲光調(diào)Q系統(tǒng)、振鏡系統(tǒng)完成對(duì)工件的打標(biāo)處理。

3 紫外激光器最佳工作狀態(tài)試驗(yàn)

為驗(yàn)證激光打標(biāo)質(zhì)量，對(duì)紫外激光器的輸出功率和脈沖寬度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，探討紫外激光器的最佳工作狀態(tài)。

采用激光功率計(jì)測(cè)量紫外激光器在不同重復(fù)頻率條件下，輸出功率隨泵浦電流的變化情況，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，激光器在15 kHz重復(fù)頻率的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，可獲得最高的輸出功率。

采用激光脈寬測(cè)試儀，在不同重復(fù)頻率的條件下，測(cè)量激光輸出脈沖寬度隨泵浦電流的變化情況，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：當(dāng)激光重復(fù)頻率10 kHz時(shí)，激光器的輸出脈沖寬度最窄；隨著重復(fù)頻率的增加，脈沖寬度有明顯的增寬。

4 結(jié)語

對(duì)紫外激光打標(biāo)機(jī)的紫外激光器輸出特性進(jìn)行測(cè)量，探討紫外激光打標(biāo)機(jī)的最佳工作條件。在不同重復(fù)頻率條件下，測(cè)量分析激光器的輸出功率和脈沖寬度，結(jié)果表明，激光器在15 kHz重復(fù)頻率條件下可獲得最佳的輸出功率和脈寬。