過(guò)去10年，激光標(biāo)記工業(yè)迅猛發(fā)展，目前全球的許多供應(yīng)商提供激光標(biāo)記系統(tǒng)。幾乎每個(gè)行業(yè)都要求跟蹤數(shù)量龐大的生產(chǎn)產(chǎn)品和元件。與傳統(tǒng)標(biāo)記技術(shù)相比，由于激光系統(tǒng)本質(zhì)靈活、速度快、可靠性高以及使用方便，因此激光標(biāo)記是很好的加工手段。雖然過(guò)去和現(xiàn)在采用過(guò)多種激光器類型和不同的激光波長(zhǎng)，但是，光纖激光器的增幅尤為驚人——幾乎所有標(biāo)記系統(tǒng)生產(chǎn)商在其系列產(chǎn)品中都至少有一種光纖激光器產(chǎn)品。光纖激光器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)眾所周知且已有據(jù)可依。在此，本文將回顧一些人們知之甚少的其它背景，并分析特別情況下光纖激光器用于激光標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn)。 

市場(chǎng)回顧 

       1998年左右，低功率連續(xù)波光纖激光器用于標(biāo)記集成電路的用途有限，此后推出了第一批脈沖納秒裝置，能夠適用于更廣泛的標(biāo)記應(yīng)用，它正是目前仍在發(fā)展的光纖激光器革命的真正開始。2011年，在整個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域，全球光纖激光器的營(yíng)業(yè)收入增長(zhǎng)48%；在標(biāo)記和雕刻領(lǐng)域，去年二極管泵浦固體（DPSS）激光器僅增長(zhǎng)4%，光纖激光器銷售增長(zhǎng)34%。標(biāo)記用光纖激光器的使用增長(zhǎng)率幾乎取代了低功率（<30瓦）閃光燈泵浦固體激光器。在標(biāo)記和雕刻領(lǐng)域，其它紅外激光器的最后一個(gè)據(jù)點(diǎn)已經(jīng)處于更高功率（>30瓦），以用于更深、更快的雕刻。但是，50瓦脈沖納秒光纖激光器的發(fā)展意味著該領(lǐng)域目前也正被光纖激光器占領(lǐng)。該領(lǐng)域內(nèi)，所有功率的光纖激光器呈現(xiàn)增長(zhǎng)，2011年一家大型供應(yīng)商銷售了10000多臺(tái)光纖激光器。 

歷史背景 

       激光器迎來(lái)50周年發(fā)明慶典活動(dòng)，而光纖激光器的美國(guó)發(fā)明家Elias Snitzer逝世了，現(xiàn)在也許適合討論為何光纖激光器與其它類型激光器如此不同。固體激光器和光纖激光器采用許多稀土元素中的一種，作為產(chǎn)生激光光束的活性介質(zhì)。“稀土”這一名稱是源于發(fā)現(xiàn)時(shí)的確認(rèn)為它們極為稀少。由于目前的許多稀土儲(chǔ)量位于中國(guó)內(nèi)蒙古而存在一些供給憂慮，但是全球許多地方的確也出產(chǎn)這些元素的礦石。這些稀土元素補(bǔ)充了基本元素周期表的上兩行。對(duì)于激光工業(yè)以外的許多人員來(lái)說(shuō)，這15種元素不易發(fā)音，不一定能完整拼寫出來(lái)，它們屬于鑭系元素，因?yàn)槠浠瘜W(xué)性質(zhì)與元素鑭相似。光纖激光器中，使用最廣泛的稀土活性元素是鐿，是以瑞典的小村莊伊特比命名的，在靠近這個(gè)小村莊首次發(fā)現(xiàn)了大量這種稀土和許多其它稀土礦。鐿具有復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)，將這種元素仔細(xì)分布在激光器的核心活性纖維之內(nèi)時(shí)，能夠有效生成相干中子（圖 1）。

       光纖激光器和其它自由空間固體激光器技術(shù)之間的差異被廣泛誤解，有時(shí)被錯(cuò)誤陳述。在光纖激光器中，光束實(shí)際是在光纖之內(nèi)產(chǎn)生的。在其它技術(shù)中，光束在自由空間生成，然后經(jīng)光纜傳輸?shù)焦ぜ?nbsp;

       激光標(biāo)記波長(zhǎng)多年以來(lái)，眾所周知，在近紅外波長(zhǎng)時(shí)，金屬反射率大幅低于CO2氣體激光器在較長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)10.6 μm的反射率。使用更短波長(zhǎng)的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是激光光束的發(fā)散與其波長(zhǎng)成正比，與光束的直徑成反比，請(qǐng)參見下面的方程式：

其中λ =光束散度，π =激光波長(zhǎng)，ω =束腰。 

        因此，波長(zhǎng)越短，聚焦點(diǎn)更小，可加工出更小的表面特征。盡管聚焦能力受限，但是，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外氣體激光器仍然在標(biāo)記工業(yè)內(nèi)保持重要的地位，因?yàn)榧埡屯该鞅∧ぞ酆衔锏仍S多廣泛的標(biāo)記材料不會(huì)吸收足夠的激光光束。這種吸收會(huì)產(chǎn)生肉眼可視的表面局部特征。 

       使用產(chǎn)生近紅外波長(zhǎng)的激光器（例如光纖激光器），可以標(biāo)記極為廣泛的金屬和非金屬材料。在這些情況下，通過(guò)燒蝕材料，或者在表面形成氧化層，抑或是上述兩種方法的組合，以形成肉眼可見的圖標(biāo)。若用肉眼觀察，經(jīng)燒蝕方式得到的圖標(biāo)顯得十分精確，但是在高放大倍數(shù)顯微鏡下檢查時(shí)，人們通?？梢钥吹叫∫?guī)模但是動(dòng)態(tài)性強(qiáng)且明顯的加熱和汽化工藝痕跡。雖然肉眼不能分辨其中大多數(shù)特征，大多數(shù)情況下這些特征較為粗淺，也不會(huì)影響元件的功能；但是略為粗糙的邊緣會(huì)造成光線分散（圖2）。

        采用一系列激光技術(shù)手段，例如起泡、碳化和燒蝕，可以標(biāo)記許多聚合物。對(duì)于標(biāo)記顏色較淺的聚合物、聚合物薄膜或半導(dǎo)體材料（例如硅），且當(dāng)要求特征較小時(shí)，則需要更佳的吸收率——其原因不屬于本文的討論范圍。在一些情況下，會(huì)采用可見光譜中較短波長(zhǎng)的激光器。 
 

激光標(biāo)記系統(tǒng)能做什么？ 

       激光標(biāo)記系統(tǒng)制造商均使用十分復(fù)雜的激光標(biāo)記商業(yè)軟件，控制掃描振鏡的移動(dòng)，使激光點(diǎn)相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)。但是，標(biāo)記機(jī)器的核心是激光器和光學(xué)器件，它們決定了機(jī)器能實(shí)現(xiàn)什么功能。這些標(biāo)記幾乎是無(wú)限組合，如字符和圖形、標(biāo)識(shí)、獨(dú)特的系字母數(shù)字或者許多不同條形碼設(shè)計(jì)。用途多種多樣：跟蹤、防偽、材料、批次或制造商識(shí)別。所有標(biāo)記的主要功能是必須可以經(jīng)機(jī)器或肉眼讀取，其它要求是： 

● 在整個(gè)使用壽命期間，不會(huì)以任何方式影響部件的功能——例如，不能在機(jī)械方面弱化或腐蝕部件； 

● 標(biāo)記必須在部件的使用壽命期間完整無(wú)損； 

● 標(biāo)記必須美觀。 

        激光標(biāo)記系統(tǒng)復(fù)雜多樣，因此標(biāo)記工藝看似十分簡(jiǎn)單，但是，激光標(biāo)記軟件允許采用許多不同的方法在特殊表面生成優(yōu)化標(biāo)記。提供各種掃描速度、重疊掃描線、掃描圖案和激光延遲，不同操作人員可能使用不同的方式生成相似的標(biāo)記。這就告訴我們，激光標(biāo)記仍然是一種“魔術(shù)”——雖然一些通規(guī)可以適用，但是大量激光標(biāo)記仍然基于經(jīng)驗(yàn)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

光纖激光器的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 

       摻鐿光纖激光器的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是其發(fā)射的近紅外1070 nm波長(zhǎng)足以接近Nd:YAG激光器的1064 nm波長(zhǎng)，在激光標(biāo)記的實(shí)際加工中幾乎沒有差異。因此，采用光纖激光器可以相對(duì)容易地替換大多數(shù)標(biāo)記應(yīng)用中采用的連續(xù)波Nd:YAG激光器。這種早期成功使得標(biāo)記工業(yè)采用了光纖激光器，也對(duì)這種新型激光器的其它優(yōu)點(diǎn)有更多了解。因而，人們后續(xù)開發(fā)出更高級(jí)的應(yīng)用，光纖激光器甚至可以挑戰(zhàn)相對(duì)較新的二極管泵浦固體激光器技術(shù)。 

       光纖激光器有一個(gè)未受重視的方面，即激光器的整個(gè)光學(xué)路徑完全保持和緊密封閉在零損失的全包層光纖之內(nèi)。通過(guò)高級(jí)光纖拼接工藝，所有基于光纖的光學(xué)元器件組合形成連續(xù)光學(xué)路徑。這種方法具有巨大的優(yōu)勢(shì)，與任何其它激光技術(shù)不同，不存在光學(xué)失調(diào)，直至激光光束從光纖輸出，并進(jìn)入聚焦光路。另一個(gè)相關(guān)方面是，原則上產(chǎn)生較高的平均功率十分簡(jiǎn)單；人們可以方便地使用更長(zhǎng)的激活光纖，或額外的光纖放大器級(jí)和更多的泵浦二極管。 

固定或可變脈沖長(zhǎng)度的納秒光纖激光器 

       固定和可變脈沖長(zhǎng)度納秒激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光標(biāo)記，正如我們所見到的一樣，固定脈沖長(zhǎng)度的光纖激光器簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)耐用且性價(jià)比高，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)潛力。但是，在有些條件下，短激光脈沖的靈活性更強(qiáng)，更有優(yōu)勢(shì)。在激光標(biāo)記領(lǐng)域，一個(gè)典型示例是標(biāo)記透明的聚碳酸酯元件。這種標(biāo)記方式不同于其它材料，要在材料表面之下產(chǎn)生較小的微型泡，肉眼看上去這些泡呈黑色。將脈沖長(zhǎng)度降到30 ns，并仔細(xì)控制其它標(biāo)記參數(shù)，例如速度、脈沖能量和填充線之間的距離，則會(huì)在表面下方形成微型泡，不會(huì)因聚結(jié)而破壞元件表面（圖3）。

       醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)記極需這種方式，因?yàn)榭梢韵恍枰南萑腚s質(zhì)。使用低至1.5 ns甚至更短的脈沖，具有一些非常特殊的標(biāo)記工藝的優(yōu)勢(shì)。再次說(shuō)明，光纖激光器具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢赃_(dá)到短脈沖和高脈沖重復(fù)率，對(duì)平均功率的影響不大。例如，一家領(lǐng)先的供應(yīng)商提供一種特別型號(hào)光纖激光器，能在300 kHz時(shí)提供18瓦的平均功率，脈沖為1.5 ns（60 μJ），M2為1.3，峰值功率>40 kW。雖然脈寬是激光加工中的一個(gè)重要參數(shù)，但它只是影響加工圖形尺寸的眾多因素之一。這一參數(shù)組合允許紅外光纖激光器與傳統(tǒng)光學(xué)器件共同確定標(biāo)記特征的尺寸，但以前只有使用更復(fù)雜和昂貴的短波長(zhǎng)二極管泵浦固體激光器才能實(shí)現(xiàn)。 

更高的平均功率對(duì)于激光標(biāo)記有何作用？ 

       由于激光標(biāo)記性質(zhì)復(fù)雜，因此很難預(yù)測(cè)激光器功率翻番時(shí)，標(biāo)記速度或標(biāo)記深度是否將翻倍。但是大多數(shù)情況下，采用更高平均功率的激光器，用戶能夠標(biāo)記更快或更深，或者兩者皆有。在進(jìn)行50瓦光纖激光器沖鉆實(shí)驗(yàn)期間，收集了表1所示的結(jié)果。雖然這是清除材料的最佳可能情況（在深度雕刻金屬時(shí)觀察到），但是已經(jīng)測(cè)量出清除速率高達(dá)5立方厘米/秒。注意，使用更高平均功率激光器將直接轉(zhuǎn)換為更高的熱量輸入到部件，薄元件是否變形將限制可以使用的平均功率。當(dāng)標(biāo)記深度>100 μm時(shí)，即使金屬表面有磨損，這些標(biāo)記仍然可讀；需要損掉大量標(biāo)識(shí)相鄰位置的材料，才能使標(biāo)記難以分辨——這種情況可以認(rèn)為是“篡改證據(jù)”。 

中紅外波長(zhǎng)光纖激光器 

       在鐿所在的鑭系元素中， 還有許多其它稀土元素已經(jīng)用作固體激光器的活性介質(zhì)， 產(chǎn)生可替代的波長(zhǎng)。鈥（Ho）、鉺（Er）和銩（Tm）在元素周期表中均相互鄰近， 所有這些元素已經(jīng)用于光纖激光器多年， 在各種非工業(yè)激光器應(yīng)用中發(fā)揮作用，例如激光手術(shù)，主要是由于H2O對(duì)于這種波長(zhǎng)的吸收率較高。 

        目前，發(fā)射更長(zhǎng)波長(zhǎng)光束（1900~2010 nm特殊范圍）的銩光纖激光器已經(jīng)發(fā)展到極高功率水平（>100 W），用于聚合物焊接等熔化工藝，因?yàn)樵谖刺畛渚酆衔飪?nèi)的體積吸收率更高。目前激光標(biāo)記工業(yè)中，脈沖納秒激光器還達(dá)不到相應(yīng)的功率水平，但在不久的未來(lái)將有可能實(shí)現(xiàn)。 

總結(jié) 

       從光纖纜線到簡(jiǎn)易式導(dǎo)向近紅外激光束，再到光束產(chǎn)生和導(dǎo)向，是技術(shù)上的飛躍?，F(xiàn)在，大家都能看到組合這些功能的優(yōu)勢(shì)。一家知名的激光標(biāo)記系統(tǒng)制造商最近向我說(shuō)道：“我們青睞這些激光器的原因十分簡(jiǎn)單：取出箱子，插入電源，測(cè)試系統(tǒng)，直接運(yùn)輸上門，之后不用再看。”其余無(wú)需再談！ 

       本文作者Tony Hoult博士（ 電子郵箱： thoult@ipgphotonics.com）是美國(guó)加利福尼亞州圣克拉拉市IPG Photonics公司西海岸運(yùn)營(yíng)總經(jīng)理。