過去10年，激光標記工業(yè)迅猛發(fā)展，目前全球的許多供應(yīng)商提供激光標記系統(tǒng)。幾乎每個行業(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，因此激光標記是很好的加工手段。雖然過去和現(xiàn)在采用過多種激光器類型和不同的激光波長，但是，光纖激光器的增幅尤為驚人——幾乎所有標記系統(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記的優(yōu)點。 

市場回顧 

       1998年左右，低功率連續(xù)波光纖激光器用于標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，在整個市場領(lǐng)域，全球光纖激光器的營業(yè)收入增長48%；在標記和雕刻領(lǐng)域，去年二極管泵浦固體（DPSS）激光器僅增長4%，光纖激光器銷售增長34%。標記用光纖激光器的使用增長率幾乎取代了低功率（<30瓦）閃光燈泵浦固體激光器。在標記和雕刻領(lǐng)域，其它紅外激光器的最后一個據(jù)點已經(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，2011年一家大型供應(yīng)商銷售了10000多臺光纖激光器。 

歷史背景 

       激光器迎來50周年發(fā)明慶典活動，而光纖激光器的美國發(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)時的確認為它們極為稀少。由于目前的許多稀土儲量位于中國內(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。這些稀土元素補充了基本元素周期表的上兩行。對于激光工業(yè)以外的許多人員來說，這15種元素不易發(fā)音，不一定能完整拼寫出來，它們屬于鑭系元素，因為其化學(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)，將這種元素仔細分布在激光器的核心活性纖維之內(nèi)時，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，有時被錯誤陳述。在光纖激光器中，光束實際是在光纖之內(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;

       激光標記波長多年以來，眾所周知，在近紅外波長時，金屬反射率大幅低于CO2氣體激光器在較長發(fā)射波長10.6 μm的反射率。使用更短波長的第二個優(yōu)點是激光光束的發(fā)散與其波長成正比，與光束的直徑成反比，請參見下面的方程式：

其中λ =光束散度，π =激光波長，ω =束腰。 

        因此，波長越短，聚焦點更小，可加工出更小的表面特征。盡管聚焦能力受限，但是，較長波長的遠紅外氣體激光器仍然在標記工業(yè)內(nèi)保持重要的地位，因為紙和透明薄膜聚合物等許多廣泛的標記材料不會吸收足夠的激光光束。這種吸收會產(chǎn)生肉眼可視的表面局部特征。 

       使用產(chǎn)生近紅外波長的激光器（例如光纖激光器），可以標記極為廣泛的金屬和非金屬材料。在這些情況下，通過燒蝕材料，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。若用肉眼觀察，經(jīng)燒蝕方式得到的圖標顯得十分精確，但是在高放大倍數(shù)顯微鏡下檢查時，人們通?？梢钥吹叫∫?guī)模但是動態(tài)性強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，也不會影響元件的功能；但是略為粗糙的邊緣會造成光線分散（圖2）。

        采用一系列激光技術(shù)手段，例如起泡、碳化和燒蝕，可以標記許多聚合物。對于標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，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，會采用可見光譜中較短波長的激光器。 
 

激光標記系統(tǒng)能做什么？ 

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

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

● 標記必須在部件的使用壽命期間完整無損； 

● 標記必須美觀。 

        激光標記系統(tǒng)復(fù)雜多樣，因此標記工藝看似十分簡單，但是，激光標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記。這就告訴我們，激光標記仍然是一種“魔術(shù)”——雖然一些通規(guī)可以適用，但是大量激光標記仍然基于經(jīng)驗。#p#分頁標題#e#

光纖激光器的技術(shù)優(yōu)勢 

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

       光纖激光器有一個未受重視的方面，即激光器的整個光學(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)。通過高級光纖拼接工藝，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，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，并進入聚焦光路。另一個相關(guān)方面是，原則上產(chǎn)生較高的平均功率十分簡單；人們可以方便地使用更長的激活光纖，或額外的光纖放大器級和更多的泵浦二極管。 

固定或可變脈沖長度的納秒光纖激光器 

       固定和可變脈沖長度納秒激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光標記，正如我們所見到的一樣，固定脈沖長度的光纖激光器簡單、結(jié)實耐用且性價比高，具有很強的市場潛力。但是，在有些條件下，短激光脈沖的靈活性更強，更有優(yōu)勢。在激光標記領(lǐng)域，一個典型示例是標記透明的聚碳酸酯元件。這種標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。將脈沖長度降到30 ns，并仔細控制其它標記參數(shù)，例如速度、脈沖能量和填充線之間的距離，則會在表面下方形成微型泡，不會因聚結(jié)而破壞元件表面（圖3）。

       醫(yī)療設(shè)備的標記極需這種方式，因為可以消除不需要的陷入雜質(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記工藝的優(yōu)勢。再次說明，光纖激光器具有巨大的優(yōu)勢，因為可以達到短脈沖和高脈沖重復(fù)率，對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光纖激光器，能在300 kHz時提供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)器件共同確定標記特征的尺寸，但以前只有使用更復(fù)雜和昂貴的短波長二極管泵浦固體激光器才能實現(xiàn)。 

更高的平均功率對于激光標記有何作用？ 

       由于激光標記性質(zhì)復(fù)雜，因此很難預(yù)測激光器功率翻番時，標記速度或標記深度是否將翻倍。但是大多數(shù)情況下，采用更高平均功率的激光器，用戶能夠標記更快或更深，或者兩者皆有。在進行50瓦光纖激光器沖鉆實驗期間，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（在深度雕刻金屬時觀察到），但是已經(jīng)測量出清除速率高達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)標記深度>100 μm時，即使金屬表面有磨損，這些標記仍然可讀；需要損掉大量標識相鄰位置的材料，才能使標記難以分辨——這種情況可以認為是“篡改證據(jù)”。 

中紅外波長光纖激光器 

       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。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對于這種波長的吸收率較高。 

        目前，發(fā)射更長波長光束（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，因為在未填充聚合物內(nèi)的體積吸收率更高。目前激光標記工業(yè)中，脈沖納秒激光器還達不到相應(yīng)的功率水平，但在不久的未來將有可能實現(xiàn)。 

總結(jié) 

       從光纖纜線到簡易式導(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。一家知名的激光標記系統(tǒng)制造商最近向我說道：“我們青睞這些激光器的原因十分簡單：取出箱子，插入電源，測試系統(tǒng)，直接運輸上門，之后不用再看。”其余無需再談！ 

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