優化能量密度，提高深雕質量

摘要：

激光雕刻用途廣泛，常用於(yu) 各種材料打標，比如汽車零部件、機電工具製造、珠寶鍾表等。激光加工可以實現精雕細刻，靈活性極高，並且全程無接觸。短脈衝(chong) 激光器，如本研究中使用的皮秒激光器，能夠對多種材料進行雕刻，且熱影響較小，非常適合加工溫度敏感的電子元器件。本文探討了對珠寶和鍾表產(chan) 品所用鋼材料進行深雕時，激光能量密度對雕刻質量的影響，其中重點關(guan) 注去除率和表麵質量。測試中使用了平均功率為(wei) 40W 的皮秒激光器，並采用不同的激光重複頻率、功率和脈衝(chong) 串數。研究結果深刻揭示了不同能量密度水平下激光雕刻工藝的效率變化。

激光雕刻簡介：

激光雕刻具有精度高、靈活性強和非接觸性的特點，在珠寶鍾表行業(ye) 中廣泛運用於(yu) 各種材料的打標和裝飾。相對於(yu) 傳(chuan) 統的機械雕刻技術，激光雕刻具有諸多優(you) 勢，它可以更好地控製雕刻的深度和寬度、雕刻區域的顏色外觀、能夠實現更複雜的設計，並且幾乎不會(hui) 磨損雕刻工具。此外，還可以對激光加工過程進行優(you) 化，不會(hui) 產(chan) 生碎片或碎屑，加工環境更加清潔，且不易損壞金屬、寶石或陶瓷等貴重材料。

雖然該領域中各種應用的具體(ti) 要求差異很大，常見的一種是要求在金屬材料上雕刻一個(ge) 麵積為(wei) 1-10mm²、深度約 50μm 甚至達 1mm（深雕）的清晰 logo（見圖 1）。同時，這類 logo 的特征細節通常需要控製在 50μm 範圍內(nei) ，並與(yu) 基材形成鮮明對比。這種高對比度要求可以通過雕刻表麵 1-5μm 範圍內(nei) 的微結構來實現，微結構可以選擇性反射光線，從(cong) 而使材料呈現出特定的顏色。一般情況下這種加工不希望再有後期處理，因此需要高質量、無毛刺的打標操作。

正如所有工業(ye) 應用一樣，加工時間和加工質量的重要性不言而喻。這種深雕應用要求必須達到每分鍾幾立方毫米的去除率，同時創建小於(yu) 50μm 的圓角半徑，最終表麵粗糙度僅(jin) 為(wei) 幾微米，且具有線條清晰的結構。為(wei) 了能達到這些要求的最佳標準，每個(ge) 脈衝(chong) 的激光能量密度（也稱為(wei) 通量）是個(ge) 重要參數，它會(hui) 影響雕刻質量、去除率和表麵粗糙度。因此，優(you) 化能量密度對於(yu) 實現去除率和質量均達標的雕刻結果至關(guan) 重要。本文研究的核心就是使用平均功率為(wei) 40W 的皮秒激光器在鋼材料上進行深雕時，激光能量密度對雕刻質量的影響。

配置和測試設備

本研究使用的激光設備是皮秒激光器（λ = 1064nm，Pmax = 40W @ 1MHz，脈衝(chong) 寬度 = 8ps）以及 Novanta Squirrel，這是一款配備焦距為(wei) 80mm 遠心 F-Theta 鏡頭、 11mm 通光孔徑的模擬式 2D 掃描振鏡。使用 Primes MicroSpotMonitor 分析產(chan) 生的光束焦散，測得焦點直徑約為(wei) 50μm，整個(ge) 配置的光束質量為(wei) M² = 1.18（見圖 2）。為(wei) 了分析創建的測試樣本，我們(men) 使用 KEYENCE VK-X210 激光掃描顯微鏡和 KEYENCE VW-9000 高速顯微鏡來識別表麵粗糙度 (Ra) 和雕刻深度。

# 激光參數和測試圖案

為(wei) 了使參數範圍易於(yu) 管控，我們(men) 改變了以下激光參數：激光重複頻率（1000kHz 和 200kHz）、激光功率（100% 和 50%）和脈衝(chong) 串數（1、2、5、10）。在脈衝(chong) 重複頻率為(wei) 1000kHz 時，傳(chuan) 輸的脈衝(chong) 能量為(wei) 40μJ，最大能量密度為(wei) 3J/cm²。使用 50% 的功率時，能量密度就會(hui) 降低到 1.6J/cm²。將激光重複頻率改為(wei) 200kHz 時，激光輸出的脈衝(chong) 能量大約提高四倍 (170μJ)。因此，在 200kHz 時，100% 功率下產(chan) 生的最大能量密度為(wei) 12J/cm²。除了 100% 和 50% 的能量密度外，還可以通過改變脈衝(chong) 串數（1、2、5 和 10 個(ge) 脈衝(chong) ）生成其他能量密度級別（見圖 3）。這種方式下，脈衝(chong) 能量被分配到多個(ge) 脈衝(chong) 串，從(cong) 而導致能量密度值降低。在一個(ge) 脈衝(chong) 串內(nei) 總脈衝(chong) 能量保持不變。脈衝(chong) 串的發射頻率為(wei) 種子頻率，即 30MHz。

選擇邊長為 3mm x 3mm 的簡單正方形作為測試圖案，並由定義好的間距線條填充。在初始測試中，通行次數限製為 10 次，之後將該次數外推至 100μm 的深度。為了便於比較，打標速度固定為 1m/s。

在第一組測試中，采用規定的陰影圖案和所有上文所述激光參數組合執行 10 次雕刻後，檢查實現的去除率和表麵粗糙度。這一步至關重要，如果表麵粗糙度過高，則無法在最終的表麵結構定型步驟得到想要的結果。

# 去除率

去除率定義為單位時間內去除的材料體積，單位為 mm³/min。該標準可以對測試係列的所有不同激光參數做比較，並提供有關加工效率和加工速度的信息。

圖 4 顯示了不同激光設置的去除率與產生的能量密度之間的關係。在 1000kHz 條件下，對 100% 的平均功率與 50% 的平均功率（藍色）進行比較，去除率在 1.4mm³/min 至 3.5mm³/min 之間。在重複頻率 200kHz 下，值範圍介於 0.8mm³/min 到 3.7mm³/min。在 1000kHz 和 50% 激光功率下，去除率在較低的能量密度下首先升高，達到最大值，然後降低。在 200kHz 時可以得到相同的結果，但在生成的數據中不可見。總體而言，有證據表明，1J/cm² 或更高的能量密度會導致去除率下降，其物理原理在本文中暫不做介紹。

# 表麵粗糙度Ra

第二個評估標準是表麵粗糙度 Ra（平均粗糙度），它可以提供加工表麵質量的深層次信息。在這項研究中，獲得非常光滑的材料表麵至關重要，因為目標市場普遍要求達到 ≤ 2μm的標準。

圖 5 顯示了表麵粗糙度與(yu) 能量密度的關(guan) 係。測量的表麵粗糙度在 1.5μm 至 5μm 之間，在高數量脈衝(chong) 串和 1000kHz 和 100% 激光功率的極端組合條件下，粗糙度可高達 30μm。我們(men) 認為(wei) 這是由於(yu) 高脈衝(chong) 重疊和材料強烈熔化所致，熔融的材料在固化時形成隨機的峰穀結構，從(cong) 而導致表麵粗糙度增加。提高掃描速度可以起到緩解作用，因研究範圍問題本文暫不討論。總體(ti) 而言，圖表顯示表麵粗糙度受激光器和掃描振鏡參數的影響極大，隻有找到最佳參數組合才能實現所需光滑度。

圖 6 顯示了表麵粗糙度的最差結果和最佳結果。左圖表示在 1000kHz 下達到的 30μm 粗糙度，導致隨機的峰穀結構以及邊緣的高度毛刺。另一個(ge) 示例顯示的是一個(ge) 光滑的表麵，粗糙度為(wei) 1.5μm。加工表麵邊緣過度光滑，無毛刺。

# 雕刻深度可達 100μm

對於運行次數需要超過 10 次的深雕，最終的表麵粗糙度會進一步受到影響。雖然 100% 和 1000kHz 條件下的去除率非常好，但產生的表麵粗糙度令人無法接受，無法達到所需的表麵光滑度。因此，200kHz 下的參數提供了最佳的消融率和質量組合，可進一步用於更多運行次數和更高雕刻深度的測試。初步測試後，實現 100μm 深雕所需的重複次數在每個能量密度設置下線性外推，並且運行次數在 20 到 120 次之間。

圖 7 中，顯示了 200kHz、100% 和 50% 設置下去除率（藍色）和表麵粗糙度（綠色）與能量密度的關係。與之前的測試類似，通過施加 10 個脈衝串可實現最低能量密度，而通過單個脈衝可實現較高能量密度。

粗糙度和去除率這兩項指標在較低能量密度下均呈現更好的結果，但本測試係列中的最低能量密度除外。當能量密度為 12J/cm² 時，去除率達到最大值，但相應的粗糙度為 5μm，相對較高，通常不太接受。

# 精加工顏色

對於珠寶和鍾表行業，客戶通常希望產品具有特定的外觀，如黑色、白色、不透明或有光澤。如果此時表麵粗糙度不是太高 (Ra < ~5 μm)，那麽所有這些都可以在達到要求的深度後通過額外的精加工步驟實現。

通過調整激光功率和脈衝重疊，可以控製表麵微結構，從而產生特定的外觀。由於這需要比以前更精細的表麵結構，因此以下配色方案使用 0.6J/cm² 的能量密度。

前述雕刻步驟可產生粗糙度為 0.5μm 的光滑表麵。表麵精加工後，粗糙度範圍為 1.7μm 至 2.0μm，具體取決於所要求的外觀效果。

結論

在本研究中，我們探討了不鏽鋼材料的激光消融工藝，以實現珠寶鍾表加工中高質量的表麵結構。我們分析了激光器和掃描振鏡參數對加工表麵去除率和表麵粗糙度的影響。

研究結果表明，能量密度是實現高質量表麵結構的關鍵參數。然而，這些標準在能量密度曲線上的具體最佳值取決於不同的激光器、掃描振鏡和材料組合。進一步的研究表明，該過程受限於質量，而非平均激光功率。因此，除非掃描係統能夠在保持相同精度的前提下實現更高的速度，否則通常無法通過更高的平均功率激光器來實現工藝改進。然而，我們所做的測試充分表明，對於特定應用需求，針對單個激光器、掃描振鏡和材料組合進行優化是非常有必要的。在本文中，0.6J/cm² 的能量密度，200kHz 的頻率，約 18W 的平均功率和 10 個脈衝串是滿足所需質量的理想參數組合。

總之，希望我們(men) 的研究為(wei) 實現不鏽鋼材料高質量表麵結構定型的激光消融工藝提供了一些有價(jia) 值的信息。我們(men) 的研究結果可用於(yu) 優(you) 化特定應用要求的激光參數，並進一步開發針對其他材料和應用的激光消融工藝。

Novanta 優勢

Novanta 在市場上具有獨特的優(you) 勢，可以為(wei) 尋求通過高精度激光係統改進其製造過程的 OEM、係統集成商和最終用戶提供應對最複雜挑戰的解決(jue) 方案。Novanta 擁有一係列業(ye) 內(nei) 知名的品牌以及國內(nei) 應用和服務支持，能夠提供可靠、精準且耐用的組件和子係統。

我們(men) 的應用測試實驗室可為(wei) OEM、係統集成商、材料製造商、加工商以及自動化機械的最終用戶提供應用和概念驗證測試。Novanta 的應用工程師均為(wei) 激光加工領域的專(zhuan) 家，對於(yu) 能夠實現成功、高效激光加工的各種參數都非常了解。使用 Novanta 旗下知名品牌的激光器和光束掃描設備，我們(men) 的應用工程師可以協助客戶確定關(guan) 鍵的產(chan) 品參數和加工專(zhuan) 有技術，以實現預期的結果。

轉載請注明出處。

• 科學家打造緊湊型固態激光係統，可用於提高半導	• 中國“寂靜狩獵者”激光係統亮相阿布紮比防務展
• 高功率激光係統實現重大突破！ 4H-SiC超透鏡：	• 長光華芯激光係統事業部產品發布
• 新思路！超快激光係統領域再獲新進展	• 全球工業激光係統市場規模到2028年將達 322 億
• 黃梅縣第二人民醫院鈥激光係統設備采購項目競爭	• 全球工業激光係統市場規模穩步增長達300億美元
• 上海光機所在100PW激光係統的色散控製方麵取得	• 美國伯克利實驗室升級高強度激光係統，可用於癌