圖1：使用IPG公司的YLPN高功率脈衝(chong) 光纖激光器在深藍色的汽車外部/發動機罩組件上打標後實現的白色對比度。過去，使用長脈寬激光器很難實現這種鮮明的對比效果。

聚合物激光打標的反應機理

在配製用於(yu) 近紅外(NIR)激光器(波長為(wei) 1060–1080nm)的激光化學添加劑的過程中所取得的進展是這些化學添加劑與(yu) 摻鐿光纖激光器、釩酸鹽激光器和YAG激光器實現的兼容性。大多數聚合物在無化學添加劑的情況下不具備近紅外吸收性能，能夠使用激光器進行打標的聚合物是那些可以吸收激光並將其從(cong) 光能轉移為(wei) 熱能的聚合物。專(zhuan) 家利用添加劑、填料、顏料和染料來提高激光能量的吸收，以實現局部顏色的變化。而考慮到所需的打標對比度和功能性，會(hui) 使用到截然不同的化學配方和激光光學裝置/設置參數。

最常見的表麵反應機理被稱為(wei) 熱化學“碳化”或“炭化”，在此情況下，基材吸收的能量會(hui) 將吸收部位周邊材料的局部溫度升高到足以引發聚合物產(chan) 生熱降解作用的程度。打標標記的暗度或亮度取決(jue) 於(yu) 吸收的能量以及材料獨特的熱降解途徑。通過優(you) 化激光器的設置，能夠將表麵的碳化殘餘(yu) 物控製在最低量。

激光添加劑

近紅外激光添加劑能夠改善對比度，這可以通過改變激光器的參數設置後得到進一步的深化。聚合物具有能夠產(chan) 生“深色”或“淺色”的標記對比度的固有特性。某些含低量二氧化鈦（TiO）和炭黑的著色劑化合物也可以吸收激光，並且在特定情況下能夠改善標記的對比度。每種聚合級，即使屬於(yu) 相同的聚合係列（族），均可以產(chan) 生不同的結果。添加劑配方絕不能具有毒性，或對產(chan) 品的外觀、物理或功能特性產(chan) 生不利的影響。

與(yu) 油墨印刷工藝（移印/絲(si) 網印刷和噴墨印刷）相比，激光添加劑更加節省成本；另外，與(yu) 非優(you) 化型的材料相比，其打標速度要高出20%。激光添加劑以顆粒和粉末形式供應，顆粒產(chan) 品可以直接與(yu) 聚合物樹脂混合，而粉末形式的激光添加劑被轉換為(wei) 母料。大多數的激光添加劑在聚合物中具有很好的分散性。基於(yu) 添加劑和聚合物，按重量計算的加載濃度水平通常介於(yu) 0.01%至4.0％的範圍內(nei) 。

顆粒型和粉末型的激光添加劑都可以與(yu) 預混色材料或色母料進行混合。選擇哪種添加劑進行混合取決(jue) 於(yu) 聚合物成分、基材顏色、所需的標記對比色以及最終的認證要求。針對擠出、注塑和熱成型操作而言，預著色的混合材料或色母料會(hui) 產(chan) 生更好的均勻性，應盡量避免手工攪拌（混合）。模流和澆口類型/澆口位置是重要的因素。激光添加劑在每個(ge) 部分的均勻分布/分散是實現最佳打標性能的關(guan) 鍵。

圖2：使用FDA批準的添加劑在醫用級管材上進行"在線飛行"激光打標後產(chan) 生的烏(wu) 黑標記對比度。

一些添加劑含有摻銻氧化錫和三氧化銻的混合物，會(hui) 賦予天然（未著色的）基材（不具透明性）一種“淺灰色”的色調。其它添加劑可能含有鋁粒子、混合金屬氧化物和專(zhuan) 有化合物。使用顏色和染料對顏色進行調整後，以實現最終的外觀配色。市售的特殊型添加劑（也可用於(yu) 激光焊接）已經獲得FDA核準，可用於(yu) 食品接觸或食品包裝使用（符合FDA法規21CFR178.329：用於(yu) 聚合物的著色劑標準）。對於(yu) 歐盟而言，也有類似的合規性聲明。聚合物類型、負載水平閾值以及直接或間接接觸等方麵的認證條件具有明確性和具體(ti) 性。

納秒級摻鐿光纖激光器技術

激光技術領域的進展對於(yu) 推動最新一代經FDA批準的激光添加劑的快速發展是尤為(wei) 重要的。納秒級摻鐿光纖激光器（ytterbium fiber laser）的出現被視為(wei) 激光打標、激光焊接以及激光切割領域最顯著的進步之一。

從(cong) 根本上講，光纖激光器與(yu) 其他二極管泵浦固體(ti) （DPSS）激光打標機是不同的。使用光纖激光器，其產(chan) 生激光束的激光介質在專(zhuan) 用的光纖光纜內(nei) 分散。相比之下，就光纖傳(chuan) 輸激光器而言，其光束的整個(ge) 路徑是聚集在一個(ge) 光纖電纜內(nei) 並通向光束輸送的光學元件。這種全光纖結構在很大程度上促進了這類激光器的可靠性和耐用性，同時也解釋了產(chan) 品市場份額快速增長的原因。

相比Nd:YAG激光器，光纖激光器產(chan) 生的光束質量和亮度更卓越。具有優(you) 異光束質量的激光器可以聚焦小光斑尺寸，從(cong) 而導致高能量密度。脈衝(chong) 能量高達1mJ以及具有高功率密度的固定和可變脈衝(chong) 主振蕩器功率放大器（MOPA）光纖激光器能夠對許多傳(chuan) 統意義(yi) 上看似難以加工的聚合物進行激光打標。釩酸鹽激光器的光束品質因子也很小，並且其脈衝(chong) 寬度要比固定光纖激光器和YAG激光器更短。脈衝(chong) 持續時間會(hui) 影響材料的熱度和碳化程度。短脈衝(chong) （通常小於(yu) 40ns）在加工敏感型的聚合物材料時會(hui) 產(chan) 生更多的受控能量。這些脈衝(chong) 仍具有能夠克服材料閾值的峰值功率，並且其較低的脈衝(chong) 能量能夠降低局部的熱損傷(shang) 。

作為(wei) 全球高性能光纖激光器的領先開發商和製造商，IPG Photonics公司提供YLP係列固定脈衝(chong) 光纖激光器（有時被稱為(wei) “調Q”激光器）以及可變短脈衝(chong) YLPN（MOPA）光纖激光器。脈衝(chong) 寬度通常為(wei) 100-120ns的調Q光纖激光器被用於(yu) 某些打標應用，但基於(yu) 調Q技術固有的約束導致其脈衝(chong) 重複率被限製在80kHz左右。直接調製MOPA（DMMOPA）光纖激光器在納秒級脈寬下的脈衝(chong) 重複率可高達500kHz。高重複率往往轉化為(wei) 更快的打標速度（與(yu) 其他激光/波導參數一起使用）。

激光應用的開發是非常具體(ti) 化的，因為(wei) 沒有一種通用型的激光解決(jue) 方案。短脈衝(chong) 式的MOPA光纖激光器能夠充分利用經FDA批準的敏感型化學添加劑的性能。對激光熱輸入以及熱輸入率進行空間和時間的局部控製能確保實現最大的性能。選擇集成哪種激光器類型是由與(yu) 優(you) 化型聚合物材料進行交互的激光器的輸出特性決(jue) 定的。圖3代表的是固定和可變式的（MOPA）脈衝(chong) 長度的摻鐿光纖激光器。

當設置一款用於(yu) 打標作業(ye) 的固定脈衝(chong) 長度的光纖激光器時，必須設定兩(liang) 個(ge) 值：

1.脈衝(chong) 重複率（通常被稱為(wei) 脈衝(chong) 頻率）；
2.以百分比計的泵浦功率—100%指的是向泵浦二級管輸入的最大電氣值。

當設置一款可變型短脈衝(chong) MOPA光纖激光器時，必須設定三個(ge) 值：

1.脈衝(chong) 的持續時間（通常被稱為(wei) 脈衝(chong) 長度）；
2.脈衝(chong) 重複率（脈衝(chong) 頻率）；
3. 以百分比計的泵浦功率。

圖3：IPG推出的脈衝(chong) 長度為(wei) 100 ns(a)的固定脈衝(chong) 光纖激光器以及另一款脈衝(chong) 長度為(wei) 4ns(b)的MOPA光纖激光器短暫的脈衝(chong) 形狀。

對於(yu) 以上兩(liang) 項來說，參數輸入的特定組合控製激光束的輸出特性，即脈衝(chong) 能量、峰值功率（脈衝(chong) 能量的最高瞬時峰值，焦耳/脈衝(chong) 持續時間）和平均功率[平均功率（W）=脈衝(chong) 能量（J）x 脈衝(chong) 重複率（Hz）]

“在線飛行”激光打標

“在線飛行”激光打標是最為(wei) 專(zhuan) 業(ye) 化的一種激光應用技術，主要被用於(yu) 電線/電纜、管狀物和管道等模製和擠壓產(chan) 品。聚烯烴合成酒瓶塞子以及無底紙的飲料瓶蓋上的蓋帽促銷的字母數字文本和圖形（圖4）的打標速度能達到2000件/分鍾。文本和機器視覺編碼的線性打標速度能達到152.4米/分鍾甚至更快，如今，無墨激光打標正在取代傳(chuan) 統的旋轉凹印和移印工藝。

圖4：用於(yu) 聚烯烴合成酒瓶塞子以及無底紙的飲料瓶蓋上的蓋帽促銷的“在線飛行”激光打標速度高達2000件/分鍾。

打標速度是函數中諸多變量因素中的一個(ge) ，這些變量包括聚合物類型、基材顏色、激光添加劑類型和負載水平、電纜尺寸（重量）、激光器類型和功率、軟件、文字數字式字符的數量、文字高度、文本字符串的長度，字符間的間隔、條碼/數據矩陣、標識/圖形、single-stroke或true-type填充字體(ti) 、填充方向、連續或重複的文字。使用調配合適的添加劑著色劑將確保標記表麵的“功率密度”不會(hui) 成為(wei) 限製因素。相反，光束引導的電流計將在最大速度下運行。

基於(yu) 影響“在線飛行”打標生產(chan) 能力的成因非常複雜，必須對每種應用進行精確的檢查。可以推斷的規則，即便存在也是鮮有的。然而，對於(yu) 一般用途，可以考慮以下的尼龍聚合物的示例：其涉及到一款50W功率的光纖激光器、254毫米的平場透鏡、100個(ge) 字母數字字符、2毫米的高度、重複文本字符串的長度為(wei) 14.68英寸，以及0.232秒的打標時間。計算出的速度大約為(wei) 315線英尺/分鍾。

激光裝備係統

激光器製造商在其激光係統中所融入的硬件和軟件構件會(hui) 使激光打標的對比度、質量和速度呈現出顯著差異。一個(ge) 主要屬性是標記表麵（這不同於(yu) 激光器的原始輸出功率）的功率密度(W/cm2)。激光束的輸出模式對於(yu) 打標性能而言尤為(wei) 重要。這些輸出模式涉及的因素包括穿過激光束直徑範圍的光束的發散度與(yu) 功率分布。

功率密度是表示激光聚焦光斑大小的一個(ge) 函數。用於(yu) 任何給定的焦距透鏡和激光波長的激光聚焦光斑大小是激光光束發散度的一個(ge) 函數，它是由激光器的設置、所選擇的孔徑尺寸以及光束擴展器的放大率等參數控製的。脈衝(chong) 重複率和峰值功率密度是形成標記以及實現最佳標記對比度和打標速度的關(guan) 鍵參數。功率對脈衝(chong) 重複率的算術曲線成反比。低頻率下的高峰值功率會(hui) 迅速提升表麵溫度，蒸發材料，同時將最小的熱能引入基材中。隨著脈衝(chong) 重複率的增加，較低的峰值功率產(chan) 生最小的蒸發率，但會(hui) 傳(chuan) 導更多的熱量。此外，其它影響激光打標的對比度和質量的因素當然還包括光束速度和矢量線間隔距離。

結語

將經由FDA批準的突破型添加劑與(yu) 聚合物進行混合後能夠實現卓越的激光打標對比度、打標速度以及突顯邊緣線條的細節感。摻入激光添加劑的產(chan) 品能夠提升20%的打標速度。這些優(you) 勢迅速抵消了增量材料的附加成本。經濟適用型的摻鐿光纖激光器技術領域的進展在這方麵起發揮重要作用。嵌入式的在線飛行激光打標技術如今正取代了傳(chuan) 統的輪轉凹印和移印工藝。優(you) 化塑料激光打標在材料科學方麵的化學機理要求掌握聚合物、著色劑、顏料、染料溶解度、顆粒大小、閾值濃度極限、色彩搭配以及監管認證等領域的專(zhuan) 業(ye) 知識和技能。