激光标记中的光纤激光器

作者：Tony Hoult    来源：Industrial Laser Solutions

欢迎访问e展厅 展厅 3 激光打标机展厅 半导体激光打标机, CO2激光打标机, 光纤激光打标机, ... 过去10年，激光标记工业迅猛发展，目前全球的许多供应商提供激光标记系统。几乎每个行业都要求跟踪数量庞大的生产产品和元件。与传统标记技术相比，由于激光系统本质灵活、速度快、可靠性高以及使用方便，因此激光标记是很好的加工手段。虽然过去和现在采用过多种激光器类型和不同的激光波长，但是，光纤激光器的增幅尤为惊人——几乎所有标记系统生产商在其系列产品中都至少有一种光纤激光器产品。光纤激光器的技术优势众所周知且已有据可依。在此，本文将回顾一些人们知之甚少的其它背景，并分析特别情况下光纤激光器用于激光标记的优点。 市场回顾 1998年左右，低功率连续波光纤激光器用于标记集成电路的用途有限，此后推出了第一批脉冲纳秒装置，能够适用于更广泛的标记应用，它正是目前仍在发展的光纤激光器革命的真正开始。2011年，在整个市场领域，全球光纤激光器的营业收入增长48%；在标记和雕刻领域，去年二极管泵浦固体（DPSS）激光器仅增长4%，光纤激光器销售增长34%。标记用光纤激光器的使用增长率几乎取代了低功率（<30瓦）闪光灯泵浦固体激光器。在标记和雕刻领域，其它红外激光器的最后一个据点已经处于更高功率（>30瓦），以用于更深、更快的雕刻。但是，50瓦脉冲纳秒光纤激光器的发展意味着该领域目前也正被光纤激光器占领。该领域内，所有功率的光纤激光器呈现增长，2011年一家大型供应商销售了10000多台光纤激光器。 历史背景 激光器迎来50周年发明庆典活动，而光纤激光器的美国发明家Elias Snitzer逝世了，现在也许适合讨论为何光纤激光器与其它类型激光器如此不同。固体激光器和光纤激光器采用许多稀土元素中的一种，作为产生激光光束的活性介质。“稀土”这一名称是源于发现时的确认为它们极为稀少。由于目前的许多稀土储量位于中国内蒙古而存在一些供给忧虑，但是全球许多地方的确也出产这些元素的矿石。这些稀土元素补充了基本元素周期表的上两行。对于激光工业以外的许多人员来说，这15种元素不易发音，不一定能完整拼写出来，它们属于镧系元素，因为其化学性质与元素镧相似。光纤激光器中，使用最广泛的稀土活性元素是镱，是以瑞典的小村庄伊特比命名的，在靠近这个小村庄首次发现了大量这种稀土和许多其它稀土矿。镱具有复杂的电子结构，将这种元素仔细分布在激光器的核心活性纤维之内时，能够有效生成相干中子（图 1）。 光纤激光器和其它自由空间固体激光器技术之间的差异被广泛误解，有时被错误陈述。在光纤激光器中，光束实际是在光纤之内产生的。在其它技术中，光束在自由空间生成，然后经光缆传输到工件。 激光标记波长多年以来，众所周知，在近红外波长时，金属反射率大幅低于CO2气体激光器在较长发射波长10.6 μm的反射率。使用更短波长的第二个优点是激光光束的发散与其波长成正比，与光束的直径成反比，请参见下面的方程式： 其中λ =光束散度，π =激光波长，ω =束腰。 因此，波长越短，聚焦点更小，可加工出更小的表面特征。尽管聚焦能力受限，但是，较长波长的远红外气体激光器仍然在标记工业内保持重要的地位，因为纸和透明薄膜聚合物等许多广泛的标记材料不会吸收足够的激光光束。这种吸收会产生肉眼可视的表面局部特征。 使用产生近红外波长的激光器（例如光纤激光器），可以标记极为广泛的金属和非金属材料。在这些情况下，通过烧蚀材料，或者在表面形成氧化层，抑或是上述两种方法的组合，以形成肉眼可见的图标。若用肉眼观察，经烧蚀方式得到的图标显得十分精确，但是在高放大倍数显微镜下检查时，人们通常可以看到小规模但是动态性强且明显的加热和汽化工艺痕迹。虽然肉眼不能分辨其中大多数特征，大多数情况下这些特征较为粗浅，也不会影响元件的功能；但是略为粗糙的边缘会造成光线分散（图2）。 采用一系列激光技术手段，例如起泡、碳化和烧蚀，可以标记许多聚合物。对于标记颜色较浅的聚合物、聚合物薄膜或半导体材料（例如硅），且当要求特征较小时，则需要更佳的吸收率——其原因不属于本文的讨论范围。在一些情况下，会采用可见光谱中较短波长的激光器。 激光标记系统能做什么？ 激光标记系统制造商均使用十分复杂的激光标记商业软件，控制扫描振镜的移动，使激光点相对工件运动。但是，标记机器的核心是激光器和光学器件，它们决定了机器能实现什么功能。这些标记几乎是无限组合，如字符和图形、标识、独特的系字母数字或者许多不同条形码设计。用途多种多样：跟踪、防伪、材料、批次或制造商识别。所有标记的主要功能是必须可以经机器或肉眼读取，其它要求是： ● 在整个使用寿命期间，不会以任何方式影响部件的功能——例如，不能在机械方面弱化或腐蚀部件； ● 标记必须在部件的使用寿命期间完整无损； ● 标记必须美观。 激光标记系统复杂多样，因此标记工艺看似十分简单，但是，激光标记软件允许采用许多不同的方法在特殊表面生成优化标记。提供各种扫描速度、重叠扫描线、扫描图案和激光延迟，不同操作人员可能使用不同的方式生成相似的标记。这就告诉我们，激光标记仍然是一种“魔术”——虽然一些通规可以适用，但是大量激光标记仍然基于经验。 光纤激光器的技术优势 掺镱光纤激光器的一个主要优势是其发射的近红外1070 nm波长足以接近Nd:YAG激光器的1064 nm波长，在激光标记的实际加工中几乎没有差异。因此，采用光纤激光器可以相对容易地替换大多数标记应用中采用的连续波Nd:YAG激光器。这种早期成功使得标记工业采用了光纤激光器，也对这种新型激光器的其它优点有更多了解。因而，人们后续开发出更高级的应用，光纤激光器甚至可以挑战相对较新的二极管泵浦固体激光器技术。 光纤激光器有一个未受重视的方面，即激光器的整个光学路径完全保持和紧密封闭在零损失的全包层光纤之内。通过高级光纤拼接工艺，所有基于光纤的光学元器件组合形成连续光学路径。这种方法具有巨大的优势，与任何其它激光技术不同，不存在光学失调，直至激光光束从光纤输出，并进入聚焦光路。另一个相关方面是，原则上产生较高的平均功率十分简单；人们可以方便地使用更长的激活光纤，或额外的光纤放大器级和更多的泵浦二极管。 固定或可变脉冲长度的纳秒光纤激光器 固定和可变脉冲长度纳秒激光器已经广泛应用于激光标记，正如我们所见到的一样，固定脉冲长度的光纤激光器简单、结实耐用且性价比高，具有很强的市场潜力。但是，在有些条件下，短激光脉冲的灵活性更强，更有优势。在激光标记领域，一个典型示例是标记透明的聚碳酸酯元件。这种标记方式不同于其它材料，要在材料表面之下产生较小的微型泡，肉眼看上去这些泡呈黑色。将脉冲长度降到30 ns，并仔细控制其它标记参数，例如速度、脉冲能量和填充线之间的距离，则会在表面下方形成微型泡，不会因聚结而破坏元件表面（图3）。 医疗设备的标记极需这种方式，因为可以消除不需要的陷入杂质。使用低至1.5 ns甚至更短的脉冲，具有一些非常特殊的标记工艺的优势。再次说明，光纤激光器具有巨大的优势，因为可以达到短脉冲和高脉冲重复率，对平均功率的影响不大。例如，一家领先的供应商提供一种特别型号光纤激光器，能在300 kHz时提供18瓦的平均功率，脉冲为1.5 ns（60 μJ），M2为1.3，峰值功率>40 kW。虽然脉宽是激光加工中的一个重要参数，但它只是影响加工图形尺寸的众多因素之一。这一参数组合允许红外光纤激光器与传统光学器件共同确定标记特征的尺寸，但以前只有使用更复杂和昂贵的短波长二极管泵浦固体激光器才能实现。 更高的平均功率对于激光标记有何作用？ 由于激光标记性质复杂，因此很难预测激光器功率翻番时，标记速度或标记深度是否将翻倍。但是大多数情况下，采用更高平均功率的激光器，用户能够标记更快或更深，或者两者皆有。在进行50瓦光纤激光器冲钻实验期间，收集了表1所示的结果。虽然这是清除材料的最佳可能情况（在深度雕刻金属时观察到），但是已经测量出清除速率高达5立方厘米/秒。注意，使用更高平均功率激光器将直接转换为更高的热量输入到部件，薄元件是否变形将限制可以使用的平均功率。当标记深度>100 μm时，即使金属表面有磨损，这些标记仍然可读；需要损掉大量标识相邻位置的材料，才能使标记难以分辨——这种情况可以认为是“篡改证据”。 中红外波长光纤激光器 在镱所在的镧系元素中， 还有许多其它稀土元素已经用作固体激光器的活性介质， 产生可替代的波长。钬（Ho）、铒（Er）和铥（Tm）在元素周期表中均相互邻近， 所有这些元素已经用于光纤激光器多年， 在各种非工业激光器应用中发挥作用，例如激光手术，主要是由于H2O对于这种波长的吸收率较高。 目前，发射更长波长光束（1900~2010 nm特殊范围）的铥光纤激光器已经发展到极高功率水平（>100 W），用于聚合物焊接等熔化工艺，因为在未填充聚合物内的体积吸收率更高。目前激光标记工业中，脉冲纳秒激光器还达不到相应的功率水平，但在不久的未来将有可能实现。 总结 从光纤缆线到简易式导向近红外激光束，再到光束产生和导向，是技术上的飞跃。现在，大家都能看到组合这些功能的优势。一家知名的激光标记系统制造商最近向我说道：“我们青睐这些激光器的原因十分简单：取出箱子，插入电源，测试系统，直接运输上门，之后不用再看。”其余无需再谈！ 本文作者Tony Hoult博士（ 电子邮箱： thoult@ipgphotonics.com）是美国加利福尼亚州圣克拉拉市IPGPhotonics公司西海岸运营总经理。(end)

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