半導體端面泵浦固體激光打標器在塑料行業中的應用

劉 芹， 張立娟（上海金發科技發展有限公司，上海 201714）

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半導體端面泵浦固體激光打標器在塑料行業中的應用

劉 芹， 張立娟
（上海金發科技發展有限公司，上海 201714）

摘 要：簡單介紹了激光打標技術和對比了半導體側面泵浦固體激光打標器、半導體端面泵浦固體激光打標器和光纖激光打標器三種激光打標器，介紹了半導體端面泵浦固體激光打標器的工作原理，并針對應用于塑料行業時影響打標效果的關鍵參數，如電流、頻率、速度等進行簡要的分析。

關鍵詞：激光打標技術；半導體端面泵浦固體激光打標器；原理；參數

激光打標技術是當代兩大高科技-激光和計算機的結晶產品，近年來以其卓越的性能已經廣泛應用于各個行業，如儀器儀表、印制電路、計算機制造等方面。激光打標是指利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，將物體表面材料逐點去除，使表層材料發生改變，從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標是一種非接觸式加工，可避免機械擠壓或機械應力對材料造成的損傷。激光可穿過透明物質對內部零件進行加工標記，也可通過棱鏡、反射鏡等對物體內表面和傾斜面進行標記，彌補常規標記方法的不足。同時，激光加工速度快，由計算機自動控制，免除了人工的干擾，對于生產流水線，更能省時省力。由高能激光制作的標記不會因為惡劣環境而消退，其信息可以永久保持，便于產品的識別與追溯。相較傳統標識制作工藝，激光標記的模式效率高、成本低、便于操作[1]。

本文對比了半導體側面泵浦固體激光打標器、半導體端面泵浦固體激光打標器和光纖激光打標器三種常用的激光打標器，并對適合塑料行業的半導體端面泵浦固體激光打標器工作原理做了說明，針對應用時影響打標效果的關鍵參數，如電流、頻率、速度等進行簡要的分析，給同行應用做參考。

1 原理

常用的激光打標器按其工作原理主要分為：半導體側面泵浦固體激光打標器、半導體端面泵浦固體激光打標器、光纖激光打標器，其中半導體端面泵浦固體激光打標器更適合應用于塑料行業，與半導體側面泵浦固體激光打標器比較，端面泵浦式激光打標器的光轉化率更高，泵浦源功耗小，標記效果細膩，精密度更高；與光纖激光打標器比較，端面泵浦的打標效果易于調試，激光能量更加柔和。

半導體端面泵浦固體激光打標機主要由主機柜、XY振鏡驅動系統、光學系統、冷卻系統、軟件操作系統等組成。其中，XY振鏡驅動系統和光學系統是儀器中的主要部件。光學系統包括端面泵浦激光器、擴束鏡和反射鏡片以及聚焦鏡頭。

激光二極管產生泵浦光，從端面激勵發光晶體發光，經過內部擴束鏡對光斑進行處理，光束通過聚焦準直后射到X軸和Y軸兩個振鏡掃描器的反射鏡上，振鏡掃描器在計算機控制下產生快速擺動，使激光束在X、Y兩維方向上進行掃描，之后通過聚焦鏡進行聚焦，最終呈現出一個個細微的、高能量密度的光斑，高能量的激光脈沖在物體表面燒蝕形成雕刻[2]。

擴束鏡可最大限度的改善激光準直度進而達到遠距離打標效果，而擴束鏡也必須和相應的激光器配合，才能發揮激光器的最大效果。計算機控制的X、Y振鏡的偏轉需要相互配合，才能使激光精確的反射到工作臺面上，振鏡是快速精密機械，因此對其應變速度也是有一定要求的，如圖1所示。

圖1 X、Y振鏡安裝示意圖

2 參數分析

2.1 電流

激光打標器的電流直接反應其輸出功率，由電流大小來控制功率。對于塑料產品，基礎電流值約15A左右。在其他參數不調整的情況下，增加或減少電流會使塑料的打標效果明顯加強或減弱，但是無法精細調節。對不同的塑料產品來說，都有相應的電流限位值，低于最低限位值則無法在材料表面形成標記或模糊不清，高于最高限位值則會使產品發黃甚至燒焦，標記邊緣有毛刺。對于同一材料，標記不同的圖形、字體需要設定不同的電流，進行字體填充時其電流設置高于無填充，如在某一ABS材料表面標記字符串，填充的Arial字體需設置電流為17A才能標記清晰，而無填充Arial字體需設置電流為13A即可?？傊?，電流的調整，對于塑料標記來說，只是粗調，更進一步的調節還需要調節其他的參數。

2.2 頻率

頻率是指激光器每秒鐘輸出的脈沖個數，單位為KHz。改變頻率可以改變激光輸出頻率，進而改變單點能量和峰值功率。激光標記即利用高能量的點在材料表面進行標記，每個圖形或字體都是由多個密集的點組成的，保持圖形或字體大小不變的基礎上調節頻率就是調節點的密集程度，即單位時間內激光出光數目的多少。當其他參數不變時，提高頻率，則提高點的數量，進而能夠提高線條的連續性，底紋會相對平滑，但會減弱每個點的作用時間；相反的，降低頻率會降低點的數量，能夠增加每個點的作用時間，有利于標記深度，但是相應的也會降低圖形或字體的流暢性。頻率高，打標點致密；頻率低，打標點稀疏。選擇一個合適的頻率，能夠使標記的圖形或字體美觀流暢。不同的激光打標儀，由于內部構造的差異，頻率數值是無法通用的，針對不同的儀器需根據設備性能重新設定頻率值。

2.3 速度

速度包含打標速度和空跳速度兩項，打標速度是指打標時振鏡的運行速度；空跳速度是指空跳時振鏡的運行速度，兩者的單位為mm/s。在打標過程中，主要通過調節打標速度來控制打標效果。打標速度太快，每個點作用的時間短，單點能量小，出來的效果不夠精細、稀疏、無深度；打標速度太慢，則每個點的作用時間長，單點的能量大，標記顏色太深，也會在一定程度上降低圖形或字體的平整度。而空跳速度則會影響打標的總時間。速度和頻率兩者是相輔相成的，兩者相互配合，頻率太快，速度太低，則可以明顯看見圖形或字體的點的分布。當流水線生產時，有一定的速度要求，這時就需要更精確的調整頻率。

2.4 其他參數

除了以上重要的3個參數外，有些其他的參數也可以進行輔助調節使圖形更加清晰明了，如填充間距和打標次數。填充間距是指將圖形或字體內部用點組成的線填滿時，線與線之間的距離，單位為mm。數值過小，填充的過密，相對的打標時間會過長，效果會過深，甚至會發黃；數值過大，填充效果會失效。當速度一定時，可以通過調整填充間距來調節打標時間。打標次數是指觸發后對單個對象進行連續多次標記。對于一些要求標記深度的樣品來說，除了加大電流和提高頻率外，可以通過提高打標次數來實現。在電流或頻率受限時，或者為避免出現樣品顏色過深、燒焦的情況，也可以通過調整打標次數來輔助打標，使打標效果更佳精細，一般先采用低電流快速標記用于標識出輪廓，再采用高電流進行重復標記，但是兩次或多次標記工作效率低，一般不適用于生產流水線。

3 結論

隨著計算機和激光工藝的不斷進步，激光打標技術也得到了快速發展，其實用性和可靠性的不斷提高，已成為在塑料表面打標的主流工藝。激光打標可對各種材料表面進行標記，不同種類材料對設備要求不同，其中塑料對設備具有廣泛適應性，本文就其中打標效果最好的一種激光打標器進行了概述。

對于同一材料，不用的設備打標參數不同，不可直接將一種型號設備的參數直接應用于另一型號設備；不同的材料，相同的設備，打標參數也只可借鑒。一般通過如顏色、平整度、線條流暢性等直觀性的因素來評價打標效果的好壞。

參考文獻：

[1] 張玉華, 陸茵. 關于激光打標的原理及發展的研究[J]. 自動化與儀器儀表, 2014(5): 33-35.

[2] 王炳龍, 王家先. 激光打標技術的應用[J]. 電訊工程, 2009, 16(2): 19-23.

Application of Semiconductor End Pumped Solid Laser Marking Machine in Plastic Industry

LIU Qin, ZHANG Li-juan
（Shanghai KINGFA Sci. & Tech. Co., LTD., Shanghai 201714, China）

Abstract:Laser marking technology was briefly introduced and three laser marking machines were compared. The principle of semiconductor end pumped solid laser marking machine was introduced, and a brief analysis of the key parameters affected the marking effect of the plastic industry, such as current, frequency and speed.

Key words:laser marking technology; semiconductor end pumped solid laser marking machine; principle; parameters

作者簡介：劉芹（1989~），女，本科；主要從事功能材料性能與檢測的研究。lq_kingfa@163.com

收稿日期：2015-12-03

文章編號：1009-220X(2016)01-0080-03

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160110

中圖分類號：TQ320.77

文獻標識碼：A