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激光打標工作原理的分析
點擊次數(shù)：2158 發(fā)布時間：2010-7-16
激光標記印刷也稱激光打標、激光印標，近年來在印刷領(lǐng)域，如包裝印刷、票據(jù)印刷、防偽標識印刷中的應用越來越多，有些已用于聯(lián)機生產(chǎn)。
基本原理：
激光打標是用激光束在各種不同的物質(zhì)表面打上*的標記。打標的效應是通過表層物質(zhì)的蒸發(fā)露出深層物質(zhì)，或者是通過光能導致表層物質(zhì)的化學物理變化而"刻"出痕跡，或者是通過光能燒掉部分物質(zhì)，顯出所需刻蝕的圖案、文字。
目前，*的原理是兩種：
"熱加工"具有較高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生熱激發(fā)過程，從而使材料表面（或涂層）溫度上升，產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象。
"冷加工"具有很高負荷能量的（紫外）光子，能夠打斷材料（特別是有機材料）或周圍介質(zhì)內(nèi)的化學鍵，至使材料發(fā)生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標記加工中具有特殊的意義，因為它不是熱燒蝕，而是不產(chǎn)生"熱損傷"副作用的、打斷化學鍵的冷剝離，因而對被加工表面的里層和附近區(qū)域不產(chǎn)生加熱或熱變形等作用。例如，電子工業(yè)中使用*在基底材料上沉積化學物質(zhì)薄膜，在半導體基片上開出狹窄的槽。
激光標記印刷原理：
激光標記印刷是通過激光打標機實現(xiàn)圖文印刷的，其基本原理是，由激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束，當激光作用于承印材料時，處于基態(tài)的原子躍遷到較高能量狀態(tài)；處于較高能量狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會很快回到基態(tài)，當原子返回基態(tài)時，會以光子或量子的形式釋放出額外的能量，并由光能轉(zhuǎn)換為熱能，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，從而形成圖文標記。
1．激光發(fā)生器
下文將以氪燈激光打標系統(tǒng)為例，說明激光發(fā)生器的原理。氪燈通電后，以20kV的高壓擊穿氪燈中的氪氣后，電源自動轉(zhuǎn)換輸出電壓為100V（），維持氪燈連續(xù)的弧光放電。在激光發(fā)生器中，氪燈位于橢圓形聚光腔的1個焦點上，氪燈產(chǎn)生的弧光經(jīng)聚光腔反射后，再全部聚焦在另一個焦點--晶體釔鋁石榴石 （YAG）上，YAG吸收泵浦光后，形成波長為1060nm的連續(xù)激光，連續(xù)激光在諧振腔中垂直于光軸的前鏡和后鏡間往返振蕩，并從前鏡輸出。
2．打標原理
射頻驅(qū)動器（RFDriver）控制Q-開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，連續(xù)激光在Q-開關(guān)的作用下，變成峰值功率達110kW的脈沖光波，經(jīng)過光孔的脈沖光達到閾值后，由諧振腔輸出到達擴束鏡，光束經(jīng)擴束鏡放大后傳輸?shù)綊呙桤R，由伺服電機帶動X軸、Y軸方向的掃描鏡片旋轉(zhuǎn)進行光掃描，zui后經(jīng)平面聚焦場將激光的功率進一步放大后，聚焦在工作平面上進行打標。整個過程由計算機按程序控制。
3．激光打標的特點
激光打標機因其特殊的工作原理，與傳統(tǒng)標記方式（移印、噴碼、電腐蝕等）相比，具有許多*性；
1）非接觸加工
可在任何規(guī)則或不規(guī)則表面打印標記，且打標后工件不會產(chǎn)生內(nèi)應力；
2）材料適用面廣
可在金屬、塑料、陶瓷、玻璃、紙張、皮革等不同種類或不同硬度的材料上打印；
3）可與生產(chǎn)線上的其他設(shè)備集成，提高生產(chǎn)線的自動化程度；
4）標記清晰、持久、美觀，并可有效防偽；
5）使用壽命長、無污染；
6）運行成本低
打標速度快且標記一次成型，能耗小，因而運行成本低。
雖然激光打標機的設(shè)備投資比傳統(tǒng)標記設(shè)備大，但從運行成本而言，使用激光打標機要低得多。
①塑封三極管打標：打標機工作速度為10個/秒，若設(shè)備折舊以5年計算，打標費用為0.00048元/個。如果使用移印機，其綜合運行成本約為0.002元/個，甚至更高。
②軸承表面打標：若軸承三等分打字，總共18個4號字，采用振鏡式打標機，以氪燈燈管的使用壽命為700小時計算，則每個軸承的打標綜合成本為 0.00915元。電腐蝕刻字的成本約為0.015元/個。以年產(chǎn)量400萬套軸承計算，僅打標一項，1年zui少可以降低成本約6.5萬元。
7）加工效率高
計算機控制下的激光光束可以高速移動（速度達5～7米/秒），打標過程可在數(shù)秒內(nèi)完成。1個標準計算機鍵盤的印字可在12秒內(nèi)完成。激光打標系統(tǒng)均配有計算機控制系統(tǒng)，可以與高速流水線靈活配合。
8）開發(fā)速度快
由于激光技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)合，用戶只要在計算機上編程即可實現(xiàn)激光打印輸出，并可隨時變換打印設(shè)計，從根本上替代了傳統(tǒng)的模具制作過程，為縮短產(chǎn)品升級換代周期和柔性生產(chǎn)提供了便利工具。
9）加工精度高
激光能以極細的光束作用于材料表面，zui細線寬可達到0.05mm。為精密加工和增加防偽功能開創(chuàng)了寬廣的應用空間。
激光印標能滿足在極小的塑料制件上印制大量數(shù)據(jù)的需要。例如，可印制要求更，清晰度更高的二維條碼，與壓印或噴射打標方式相比，有更強的市場競爭力。
10）維護成本低
激光打標是非接觸式打標，不像模版印標工藝有使用壽命的限制，在批量加工中的維護成本極低。
11）具有環(huán)保性
激光打標為非接觸式打標，節(jié)約能源，相對于腐蝕法，避免了化學污染；相對于機械式打標，也可減少噪聲污染。
4．激光標記的應用范圍：
適用于鋼、不含鐵金屬、合金和無機物打標，及陶瓷、鉆石和硅質(zhì)材料的微加工。目前激光打標技術(shù)的應用包括ABS鍵盤，HDPE、PP、PET和PVC剛性容器和容器蓋，尼龍和PBT元器件，HDPE開關(guān)按鈕，PVC管件等的標記印刷。
光纖激光標刻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。方框a內(nèi)是光纖激光器，是激光標刻系統(tǒng)的核心，它采用多個小功率風冷激光二極管作為泵浦源，通過多分枝耦合進單根激光光纖，以摻稀土元素（Nd，Yb或者Er）光纖作為激光介質(zhì)，以反射鏡，光纖光柵作為諧振腔，可脈沖和連續(xù)運轉(zhuǎn)。新型光纖激光器具有單模輸出，散熱特性好，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊等特點，特別適合高精度的激光標刻工業(yè)。
典型的10-100KHz高重復率工作，10W-20W平均功率輸出的光纖激光器成品的體積僅有22′25′10cm,而且沒有水冷系統(tǒng)，體積大為縮小。因為激光二極管是低電壓工作，光纖激光器的電光效率高達70％，驅(qū)動電源的大小與燈泵Nd-YAG激光器相比是微不足道的。
光纖激光器應用于激光標刻的優(yōu)勢：
1．光束質(zhì)量好，接近衍射極限。TEM00基橫模輸出，M2接近1，光束發(fā)散角為0.24mrad；
2．脈沖重復頻率高，輸出功率穩(wěn)定，單脈沖能量波動小于1％，從而可實現(xiàn)高速激光標刻，還可控制光斑的大小，深度，形狀；
3．率，插頭效率高達20％，電光轉(zhuǎn)換效率可達70％；
4．環(huán)境適應能力強，可在高震動，高濕度的環(huán)境下連續(xù)正常工作。
5．無水冷裝置，體積小，效率高，可靠性高，長時間免維修，節(jié)約使用成本。
b是激光二級光驅(qū)動電源。c光纖激光器控制器，用于控制光纖激光器的工作狀態(tài)，同時，打標機的控制微機通過它控制激光輸出。d為振鏡系統(tǒng),是光纖激光打標系統(tǒng)的重要部件，激光通過振鏡的運動，在需打標的部件上走出特定的軌跡。e是f-q鏡，激光束通過它聚焦到工件表面。
在振鏡系統(tǒng)工作流程中。振鏡系統(tǒng)內(nèi)部共有兩塊分別由高精度伺服電機驅(qū)動的反射鏡。伺服電機在微機的控制下分別轉(zhuǎn)動兩塊反射鏡的角度，激光束通過這兩塊反射鏡的反射，由f-q鏡聚焦到工件的不同位置上。在微機上通過的打標控制軟件輸入需要標刻的文字及圖樣，設(shè)定文字及圖樣的大小，總的標刻面積，激光束的行走速度和需要重復的次數(shù)，振鏡就能在微機的控制下運動，操控激光束在工件上標刻出設(shè)定的文字和圖樣。
計算機打標軟件能夠識別采集通過數(shù)碼相機或掃描儀輸入，因特網(wǎng)上下載和電腦中制作的任何復雜的平面圖像圖形文字以及二維碼和條形碼，制作多種標記，將其變換成數(shù)字信號，經(jīng)編程計算轉(zhuǎn)換成電流控制信號再輸入驅(qū)動器，形成相應的控制信號并通過D/A卡控制高精度伺服電機運轉(zhuǎn)，從而分別控制對x方向及y方向上反射振鏡偏轉(zhuǎn)角度，使激光束聚焦光斑按照設(shè)定的圖案，文字軌跡運動，在工件表面刻蝕形成*刻痕。刻劃線寬可以達到20微米量級，且軟件具有自動圖象失真矯正功能，能夠?qū)崿F(xiàn)精密圖像的標刻。