紫外激光打標機特性研究

周博

摘要：以紫外激光打標機為研究對象，介紹其工作機理，分析紫外激光器的功率和脈沖寬度等參數，通過試驗探討激光器的最佳工作條件。試驗結果表明：在15 kHz重復頻率條件下，激光器可獲得最佳的輸出功率和脈寬。

關鍵詞：紫外激光打標機；工作原理；試驗；輸入電流；脈寬；功率

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0077-02

近年來，隨著激光器技術的不斷發展和完善，其應用范圍越來越廣泛，涌現出激光焊接、激光切割、激光融覆、激光打孔等一批新型應用技術，尤其是在打標領域，激光技術發揮了十分重要的作用。隨著激光器穩定性的提高、體積的縮小、光學器件的改進和計算機技術的快速發展，激光打標技術不斷得到改進。

激光打標利用高功率密度的激光作用于目標材料，使材料表面發生物理和化學變化，從而獲得可見的圖案標記。與傳統的標記方式相比，激光打標技術具有以下優點：1）打標速度快，圖案清晰。2）非接觸式打標，無污染。3）計算機控制高速自動化運行，生產成本低。

激光器的輸出指標是影響激光打標質量的重要因素。研究紫外激光打標系統在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激光打標質量的影響提供參考。

1 激光打標技術的基本原理

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

熱加工激光打標方式是由激光器輸出高能量的激光光束，當其作用于標記材料時與物質表面發生作用，將光能轉換為熱能，從而使標記材料表面溫度上升，迅速產生熔融、燒蝕、蒸發等現象，進而形成圖文標記。

冷加工激光打標方式是由很高能量的（紫外）光子打斷材料（特別是有機材料）中的化學鍵，使標記材料發生非熱過程破壞。冷加工技術不依靠熱燒蝕標記，而是直接打斷材料化學鍵的冷剝離，所以對標記材料不產生損傷，標記材料表面和附近區域不產生熱變形。在電子工業生產中，常使用紫外準分子激光器在基底材料上沉積化學物質薄膜、切割半導體基片等。

另外，紫外激光打標技術聚焦光斑小，加工熱效應低，材料不會產生燒焦問題，在超精細打標、雕刻，食品、醫藥包裝材料打標，玻璃材料高速切割，硅片圖形切割等領域有重要應用。

2 紫外激光打標機的特性及組成

紫外激光打標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）。可見光和紅外波段激光依靠熱效應蒸發材料打標，而紫外激光可直接打破材料的化學鍵，使分子脫離物體，加工熱影響區域小，且可進行超精細、特殊材料打標。由于此種打標方式幾乎沒有熱影響，因此被稱為激光冷加工打標。

紫外激光打標機主要由激光電源、紫外激光器、振鏡掃描系統、聚焦系統等組成。

1） 激光電源為激光泵浦原和調Q系統提供電激勵。

2） 紫外激光器為激光打標機提供穩定的紫外激光。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，輸出光束質量為基模輸出，重復頻率10～50 kHz。

3） 振鏡掃描系統由X和Y方向2個光學振鏡和相對應的伺服控制系統組成。計算機發出數字信號控制伺服電機產生掃描軌跡。

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

5） 打標控制器對激光打標機進行控制，采用USB接口與計算機相連接，通過數字信號實現對激光器及振鏡掃描系統的控制。

6） 計算機控制系統對整個激光打標機進行控制，通過控制聲光調Q系統、振鏡系統完成對工件的打標處理。

3 紫外激光器最佳工作狀態試驗

為驗證激光打標質量，對紫外激光器的輸出功率和脈沖寬度進行試驗測試，探討紫外激光器的最佳工作狀態。

采用激光功率計測量紫外激光器在不同重復頻率條件下，輸出功率隨泵浦電流的變化情況，結果如圖1所示。

由圖1可以看出，激光器在15 kHz重復頻率的運轉條件下，可獲得最高的輸出功率。

采用激光脈寬測試儀，在不同重復頻率的條件下，測量激光輸出脈沖寬度隨泵浦電流的變化情況，結果如圖2所示。

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

4 結語

對紫外激光打標機的紫外激光器輸出特性進行測量，探討紫外激光打標機的最佳工作條件。在不同重復頻率條件下，測量分析激光器的輸出功率和脈沖寬度，結果表明，激光器在15 kHz重復頻率條件下可獲得最佳的輸出功率和脈寬。