紫外激光打标机特性研究

2015-02-02周博

农业科技与装备 2014年11期

周博

摘要：以紫外激光打标机为研究对象，介绍其工作机理，分析紫外激光器的功率和脉冲宽度等参数，通过试验探讨激光器的最佳工作条件。试验结果表明：在15 kHz重复频率条件下，激光器可获得最佳的输出功率和脉宽。

关键词：紫外激光打标机；工作原理；试验；输入电流；脉宽；功率

中图分类号：TP249 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）11-0077-02

近年来，随着激光器技术的不断发展和完善，其应用范围越来越广泛，涌现出激光焊接、激光切割、激光融覆、激光打孔等一批新型应用技术，尤其是在打标领域，激光技术发挥了十分重要的作用。随着激光器稳定性的提高、体积的缩小、光学器件的改进和计算机技术的快速发展，激光打标技术不断得到改进。

激光打标利用高功率密度的激光作用于目标材料，使材料表面发生物理和化学变化，从而获得可见的图案标记。与传统的标记方式相比，激光打标技术具有以下优点：1）打标速度快，图案清晰。2）非接触式打标，无污染。3）计算机控制高速自动化运行，生产成本低。

激光器的输出指标是影响激光打标质量的重要因素。研究紫外激光打标系统在355 nm波段的输出特性，分析在不同输出频率条件下，激光器输出功率和脉冲宽度随泵浦功率的变化情况，为确定紫外激光器对激光打标质量的影响提供参考。

1 激光打标技术的基本原理

激光打标将高能激光束聚焦在物质表面，与标记物表面物质相互作用，显示出所需标记的图案和文字。激光打标通常有热加工和冷加工2种方式。

热加工激光打标方式是由激光器输出高能量的激光光束，当其作用于标记材料时与物质表面发生作用，将光能转换为热能，从而使标记材料表面温度上升，迅速产生熔融、烧蚀、蒸发等现象，进而形成图文标记。

冷加工激光打标方式是由很高能量的（紫外）光子打断材料（特别是有机材料）中的化学键，使标记材料发生非热过程破坏。冷加工技术不依靠热烧蚀标记，而是直接打断材料化学键的冷剥离，所以对标记材料不产生损伤，标记材料表面和附近区域不产生热变形。在电子工业生产中，常使用紫外准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜、切割半导体基片等。

另外，紫外激光打标技术聚焦光斑小，加工热效应低，材料不会产生烧焦问题，在超精细打标、雕刻，食品、医药包装材料打标，玻璃材料高速切割，硅片图形切割等领域有重要应用。

2 紫外激光打标机的特性及组成

紫外激光打标属于冷加工工作方式，其加工精度高于可见光和红外波段激光，且在相同条件下波长越短、聚焦光斑越小（波长越短，单光子的能量越大）。可见光和红外波段激光依靠热效应蒸发材料打标，而紫外激光可直接打破材料的化学键，使分子脱离物体，加工热影响区域小，且可进行超精细、特殊材料打标。由于此种打标方式几乎没有热影响，因此被称为激光冷加工打标。

紫外激光打标机主要由激光电源、紫外激光器、振镜扫描系统、聚焦系统等组成。

1）激光电源为激光泵浦原和调Q系统提供电激励。

2）紫外激光器为激光打标机提供稳定的紫外激光。激光器输出波长355 nm，输出功率大于5 W，脉冲宽度10～40 ns可调，输出光束质量为基模输出，重复频率10～50 kHz。

3）振镜扫描系统由X和Y方向2个光学振镜和相对应的伺服控制系统组成。计算机发出数字信号控制伺服电机产生扫描轨迹。

4）聚焦系统的作用是将一束平行的激光束聚焦于一点，以增强激光的功率密度。聚焦系统的透镜焦距不同，打标效果和范围也不一样，可根据需要选配相应的透镜。

5）打标控制器对激光打标机进行控制，采用USB接口与计算机相连接，通过数字信号实现对激光器及振镜扫描系统的控制。

6）计算机控制系统对整个激光打标机进行控制，通过控制声光调Q系统、振镜系统完成对工件的打标处理。

3 紫外激光器最佳工作状态试验

为验证激光打标质量，对紫外激光器的输出功率和脉冲宽度进行试验测试，探讨紫外激光器的最佳工作状态。

采用激光功率计测量紫外激光器在不同重复频率条件下，输出功率随泵浦电流的变化情况，结果如图1所示。

由图1可以看出，激光器在15 kHz重复频率的运转条件下，可获得最高的输出功率。

采用激光脉宽测试仪，在不同重复频率的条件下，测量激光输出脉冲宽度随泵浦电流的变化情况，结果如图2所示。