過去幾十年間，激光打標產業取得了顯著的發展。現在，全球已經有大量服務於各個行業的激光打標係統供應商。這個市場最重要的變化是推出了低功率脈衝光纖激光器，現在已經發展到幾乎每個供應商都能在其產品供給範圍內提供這類光纖激光打標設備。
這些激光器的波長通常屬於1070 nm左右的近紅外（NIR）範疇，非常適用於多數金屬產品的打標，因為與波長較長的CO2激光器相比，這種波長的反射率更低。
但即便在這一波長範圍內，不同金屬打標的難易也不盡相同。鋁、銅及其合金被廣泛用於幾乎每個行業，這些材料均可采用激光打標，但想在低熱條件下在這類金屬上打出肉眼清晰可見的深色標記，有時依然會有難度。另外，一種已證實的技術表明，高透射材料通常可在不與意外非線性特性相關的脈衝寬度內以最低損傷完成打標和表麵毛化處理等加工。
激光表麵處理
在廣泛的工業激光材料加工領域，激光表麵加工這一術語通常被用於描述一係列采用連續波（CW）、功率為數千瓦的近紅外激光源的加工活動。然而，以上工藝與本文所描述的可被視作為微米和納米級表麵應用的技術完全不同。采用短脈衝皮秒（10-12）和飛秒（10-15）超快激光器的許多工藝已經確定，也有許多相關內容的發表。
這些工藝的主要缺點是：即便屬於這類激光器門類中的低功率係列產品，它們的投資與運行成本仍然很高。由於加工速度通常取決於激光器的平均功率，對於大多數工業激光用戶而言，實際表麵覆蓋率條件下的激光加工成本可能太高。
最近，成熟的納秒級脈衝光纖激光器的脈寬範圍已擴展到亞納秒級，隨之而來的是以數量級增加的峰值功率能力。這使開發出一種采用具成本效益的長皮秒激光源的新型激光表麵加工工藝成為了可能。
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激光表麵處理，從機械角度來看，這些工藝與激光打標息息相關，因為它們局限於對部件的表麵處理，通常需要結合采用激光消融與熔融工藝。圖1嚐試著用行業廣為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。
激光表麵毛化處理與激光打標分析
通過一定方式改變激光打標表麵區域，使之與未打標區域形成視覺上的對照，激光標記具有重要的應用。
筆式表麵輪廓儀也許是測量相關數據最有名、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形狀進行定性、定量描述，成像技術在這裏更為有用。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量化表麵顏色。通過對從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。這些儀器也被廣泛用於測量表麵的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
對於鋁質材料來說，其自然氧化層具有吸濕性，且厚度會隨時間增大。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。另一個比較複雜的因素是，下層鋁材的熔融或消融程度會顯著影響標記的外觀。
仔細調整激光器的參數，可以產生更為光亮的表麵，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<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在基板上應用激光——熔融性強便意味著能夠產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熟知的方法，但是，因為這種金屬與生俱來具有的高反射率，要獲得深色的標記通常會更具難度。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生L* 值<30的深色表麵。
如圖5所示，通過與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）。但表麵結構更為複雜，表麵區域得到了極大改善，從而形成了高吸收性表麵。這從圖4可以看出。
圖5：用150皮秒脈衝處理的銅金屬
圖5最右側部分是未經激光處理的拋光區域，左側則是激光處理過的區域。這些特征與鋁質材料上形成的特征相比，要小一個數量級（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，而不是傳統的熱去除材料的過程。進一步的相關證據是，同樣的激光參數可用於處理20 μm厚的銅箔，而不會造成材料變 形，盡管使用的是平均功率為28.5 W的亞納秒激光器。
03 玻璃的激光表麵毛化處理或打標
出乎意料的是，與用於銅質材料幾乎相同的參數也可應用於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非線性吸收是由於高峰值功率光纖激光器的影響而產生的假說。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密控製。
圖7：經掃描速度為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
本文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。對更具挑戰性的銅材和無塗層玻璃表麵進行打標的技術表明，未來還將會有適用於範圍更廣泛的表麵結構的工藝應用出現。
銅金屬之間或與其它金屬之間的激光焊接一直是低功率熱傳導焊接領域的一項難題，這是因為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 其它不同金屬之間的結合。
圖8：使用IPG脈衝激光器在銅金屬上打標
在相關案例中，采用了同樣的亞納秒激光器對金屬進行激光預處理，以便其隨後可與透射性聚合物粘合在一起。激光清潔表麵所具有的優勢，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。
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