圖1：一係列不同層次激光表麵處理工藝

雖然這些技術通常被稱為(wei) 激光表麵處理，從(cong) 機械角度來看，這些工藝與(yu) 激光打標息息相關(guan) ，因為(wei) 它們(men) 局限於(yu) 對部件的表麵處理，通常需要結合采用激光消融與(yu) 熔融工藝。圖1嚐試著用行業(ye) 廣為(wei) 接受的術語以及所涉及的主要物理機製，來對這種範圍廣泛的工藝進行分類。

光纖激光器眾(zhong) 所周知的優(you) 勢，能確保它們(men) 在圖1所示的大多數應用中成為(wei) 占主導地位的選擇方案。在這裏我們(men) 主要介紹的內(nei) 容是為(wei) 了提高對微米級激光應用的了解，這類激光用於(yu) 通常被認為(wei) 是難以采用標準紅外波長進行打標的材料，如銅和玻璃等的表麵毛化處理或打標應用。

激光表麵毛化處理與(yu) 激光打標分析

通過一定方式改變激光打標表麵區域，使之與(yu) 未打標區域形成視覺上的對照，激光標記具有重要的應用。我們(men) 不僅(jin) 列出了一些早期結果，還采用先進的分析手段對金屬和玻璃表麵的激光毛化處理工藝進行深入的特性描述和刻畫。

筆式表麵輪廓儀(yi) 也許是測量相關(guan) 數據最有名、應用最廣泛的技術，因此，選用了該技術對激光處理進行初步評估。表麵形態學對更普遍的表麵特性與(yu) 形狀進行定性、定量描述，成像技術在這裏更為(wei) 有用。因而，選用了共聚焦激光掃描顯微鏡的二維和三維圖像。

圖2：利用高峰值功率、亞(ya) 納秒光纖激光器加工裸鋁材料的反射效果

先進的分光光度計被廣泛應用於(yu) 量化表麵顏色。通過對從(cong) 可見光譜上的多點表麵上的反射光進行分析能夠實現這一目標，無論是否包含高光元素，都可形成反映各表麵特性的獨特反射曲線。這些儀(yi) 器也被廣泛用於(yu) 測量表麵的L＊值或表麵顏色的深淺。現在，這種技術是量化激光對各種消費品的打標效用時必不可少的工具。這些反射曲線和L＊值被用來量化高峰值功率、短脈衝(chong) 型光纖激光器（圖2）在鋁、銅和玻璃這三種具有挑戰性的材料上的效用。

01 鋁金屬的激光表麵毛化處理

對於(yu) 鋁質材料來說，其自然氧化層具有吸濕性，且厚度會(hui) 隨時間增大。所以，去除這層粗糙的受汙染的氧化層，以暴露下層鋁材，可能足以形成充足的對比度。另一個(ge) 比較複雜的因素是，下層鋁材的熔融或消融程度會(hui) 顯著影響標記的外觀。

仔細調整激光器的參數，可以產(chan) 生更為(wei) 光亮的表麵，以展現出對比度提高的熔融效果。通 過使用～1mJ的脈衝(chong) 能量，可以在鋁材上形成色澤較深、氧化程度高的表麵，但是，如果想要獲得低的L＊值，同時又能夠獲得堅固的、非易碎型的表麵，使得標記的外觀不會(hui) 隨著觀察角度的變化而改變，則需要對工藝進行仔細的控製。提高消融水平以形成微粗糙表麵，也可以獲得顏色更深、吸收性較高、L＊值較大的表麵 （圖3）。所顯示的表麵尺寸均＜10μm，表麵粗糙度（Ra）遠低於(yu) ＜5μm。

圖3：用5ns、75μJ的激光器處理的深灰色鋁材表麵，放大倍數：200X

從(cong) 鋁表麵去除陽極化塗層是一種廣泛使用的技術，相同的規則也適用於(yu) 在基板上應用激光——熔融性強便意味著能夠產(chan) 生更具反射效果的表麵。不管是裸鋁材還是陽極化鋁材，打標速度均達到1－2m／s的高水平。最近，已經開發出在特定陽極化塗層上的激光打標技術，使用低納秒、亞(ya) 納秒光纖激光器可以獲得＜30 的L＊值，盡管其打標速度比上述方式要低得多。

圖4：用0．15納秒和1納秒脈衝(chong) 處理的 0．8mm厚的銅質材料的表麵效果

02 銅金屬的激光表麵毛化處理

對銅金屬進行激光拋光以形成對比是相對較為(wei) 熟知的方法，但是，因為(wei) 這種金屬與(yu) 生俱來具有的高反射率，要獲得深色的標記通常會(hui) 更具難度。IPG光子公司矽穀技術中心（SVTC）開發出了這類技術，可在銅質材料表麵產(chan) 生L＊ 值＜30的深色表麵。

如圖5所示，通過與(yu) 拋光前的表麵粗糙度對比，可以看出經激光處理表麵的粗糙度差異（＜1μmRa）。但表麵結構更為(wei) 複雜，表麵區域得到了極大改善，從(cong) 而形成了高吸收性表麵。這從(cong) 圖4可以看出。

圖5：用150皮秒脈衝(chong) 處理的銅金屬

圖5最右側(ce) 部分是未經激光處理的拋光區域，左側(ce) 則是激光處理過的區域。這些特征與(yu) 鋁質材料上形成的特征相比，要小一個(ge) 數量級（圖3）。所獲得的表麵結構支 持了非線性、等離子控製過程的假設，而不是傳(chuan) 統的熱去除材料的過程。進一步的相關(guan) 證據是，同樣的激光參數可用於(yu) 處理20 μm厚的銅箔，而不會(hui) 造成材料變 形，盡管使用的是平均功率為(wei) 28．5 W的亞(ya) 納秒激光器。

03 玻璃的激光表麵毛化處理或打標

出乎意料的是，與(yu) 用於(yu) 銅質材料幾乎相同的參數也可應用於(yu) 無塗層硼矽酸鹽玻璃上下層表麵的打標。這進一步支持了有關(guan) 非線性吸收是由於(yu) 高峰值功率光纖激光器的影響而產(chan) 生的假說。檢查劃片區，可以看到“龜裂”情況非常有限，裂紋＜10μm，表麵粗糙度＜5μmRa。圖6顯示了低倍鏡下的劃線及非開裂 狀況。

圖6：低倍鏡下，處理過的銅金屬上的劃線形態

這個(ge) 過程中最有趣的結果如圖7所示。其中，玻璃表麵的反射率可以通過改變掃描參數進行嚴(yan) 密控製。

圖7：經掃描速度為(wei) 1–1．5m／s的150皮秒激光處理的無塗層硼矽酸鹽玻璃的效果

討論及總結

我們(men) 探索了如何量化激光打標和表麵毛化處理，並使用這些技術對鋁材進行激光打標。我們(men) 還開發了對更具挑戰性的銅材和無塗層玻璃表麵進行打標的技術，它清楚表明，未來還將會(hui) 有適用於(yu) 範圍更廣泛的表麵結構的工藝應用出現。

銅金屬之間或與(yu) 其它金屬之間的激光焊接一直是低功率熱傳(chuan) 導焊接領域的一項難題，這是因為(wei) 同時存在固有的高反射率和擴散係數，以及不一致的原生表麵氧化層。事實表明，這種深色打標技術在焊接銅時，可以提高一致性。作為(wei) 正在進行的研究的一部分，通過激光束來改善和規範表麵吸收性，這些精細構造也可以提高銅或鋁與(yu) 其它不同金屬之間的結合。

圖8：使用IPG脈衝(chong) 激光器在銅金屬上打標

在相關(guan) 案例中，采用了同樣的亞(ya) 納秒激光器對金屬進行激光預處理，以便其隨後可與(yu) 透射性聚合物粘合在一起。激光清潔表麵所具有的優(you) 勢，例如因激光預處理導致的表麵積增加以及局部的激光加熱，促使特定金屬－聚合物組合的結合可輕鬆達到基材的強度水平。

最後，使用傳(chuan) 統激光掃描技術對光學表麵的漫射或光散射能力是有保障的。正在考慮的應用是控製眩光，這反過來又使加工物體(ti) 更容易為(wei) 人眼所見。這裏所展示的性能顯著增強並且具有成本效益的光纖激光器的問世，使客戶能夠將激光打標從(cong) 低成本應用轉向附加值更高的打標和表麵毛化處理應用領域。