過去10年，激光標記工業(ye) 迅猛發展，目前全球的許多供應商提供激光標記係統。幾乎每個(ge) 行業(ye) 都要求跟蹤數量龐大的生產(chan) 產(chan) 品和元件。與(yu) 傳(chuan) 統標記技術相比，由於(yu) 激光係統本質靈活、速度快、可靠性高以及使用方便，因此激光標記是很好的加工手段。雖然過去和現在采用過多種激光器類型和不同的激光波長，但是，光纖激光器的增幅尤為(wei) 驚人——幾乎所有標記係統生產(chan) 商在其係列產(chan) 品中都至少有一種光纖激光器產(chan) 品。光纖激光器的技術優(you) 勢眾(zhong) 所周知且已有據可依。在此，本文將回顧一些人們(men) 知之甚少的其它背景，並分析特別情況下光纖激光器用於(yu) 激光標記的優(you) 點。 

市場回顧 

       1998年左右，低功率連續波光纖激光器用於(yu) 標記集成電路的用途有限，此後推出了第一批脈衝(chong) 納秒裝置，能夠適用於(yu) 更廣泛的標記應用，它正是目前仍在發展的光纖激光器革命的真正開始。2011年，在整個(ge) 市場領域，全球光纖激光器的營業(ye) 收入增長48%；在標記和雕刻領域，去年二極管泵浦固體(ti) （DPSS）激光器僅(jin) 增長4%，光纖激光器銷售增長34%。標記用光纖激光器的使用增長率幾乎取代了低功率（<30瓦）閃光燈泵浦固體(ti) 激光器。在標記和雕刻領域，其它紅外激光器的最後一個(ge) 據點已經處於(yu) 更高功率（>30瓦），以用於(yu) 更深、更快的雕刻。但是，50瓦脈衝(chong) 納秒光纖激光器的發展意味著該領域目前也正被光纖激光器占領。該領域內(nei) ，所有功率的光纖激光器呈現增長，2011年一家大型供應商銷售了10000多台光纖激光器。 

曆史背景 

       激光器迎來50周年發明慶典活動，而光纖激光器的美國發明家Elias Snitzer逝世了，現在也許適合討論為(wei) 何光纖激光器與(yu) 其它類型激光器如此不同。固體(ti) 激光器和光纖激光器采用許多稀土元素中的一種，作為(wei) 產(chan) 生激光光束的活性介質。“稀土”這一名稱是源於(yu) 發現時的確認為(wei) 它們(men) 極為(wei) 稀少。由於(yu) 目前的許多稀土儲(chu) 量位於(yu) 中國內(nei) 蒙古而存在一些供給憂慮，但是全球許多地方的確也出產(chan) 這些元素的礦石。這些稀土元素補充了基本元素周期表的上兩(liang) 行。對於(yu) 激光工業(ye) 以外的許多人員來說，這15種元素不易發音，不一定能完整拚寫(xie) 出來，它們(men) 屬於(yu) 鑭係元素，因為(wei) 其化學性質與(yu) 元素鑭相似。光纖激光器中，使用最廣泛的稀土活性元素是鐿，是以瑞典的小村莊伊特比命名的，在靠近這個(ge) 小村莊首次發現了大量這種稀土和許多其它稀土礦。鐿具有複雜的電子結構，將這種元素仔細分布在激光器的核心活性纖維之內(nei) 時，能夠有效生成相幹中子（圖 1）。

       光纖激光器和其它自由空間固體(ti) 激光器技術之間的差異被廣泛誤解，有時被錯誤陳述。在光纖激光器中，光束實際是在光纖之內(nei) 產(chan) 生的。在其它技術中，光束在自由空間生成，然後經光纜傳(chuan) 輸到工件。 

       激光標記波長多年以來，眾(zhong) 所周知，在近紅外波長時，金屬反射率大幅低於(yu) CO2氣體(ti) 激光器在較長發射波長10.6 μm的反射率。使用更短波長的第二個(ge) 優(you) 點是激光光束的發散與(yu) 其波長成正比，與(yu) 光束的直徑成反比，請參見下麵的方程式：

其中λ =光束散度，π =激光波長，ω =束腰。 

        因此，波長越短，聚焦點更小，可加工出更小的表麵特征。盡管聚焦能力受限，但是，較長波長的遠紅外氣體(ti) 激光器仍然在標記工業(ye) 內(nei) 保持重要的地位，因為(wei) 紙和透明薄膜聚合物等許多廣泛的標記材料不會(hui) 吸收足夠的激光光束。這種吸收會(hui) 產(chan) 生肉眼可視的表麵局部特征。 

       使用產(chan) 生近紅外波長的激光器（例如光纖激光器），可以標記極為(wei) 廣泛的金屬和非金屬材料。在這些情況下，通過燒蝕材料，或者在表麵形成氧化層，抑或是上述兩(liang) 種方法的組合，以形成肉眼可見的圖標。若用肉眼觀察，經燒蝕方式得到的圖標顯得十分精確，但是在高放大倍數顯微鏡下檢查時，人們(men) 通常可以看到小規模但是動態性強且明顯的加熱和汽化工藝痕跡。雖然肉眼不能分辨其中大多數特征，大多數情況下這些特征較為(wei) 粗淺，也不會(hui) 影響元件的功能；但是略為(wei) 粗糙的邊緣會(hui) 造成光線分散（圖2）。

        采用一係列激光技術手段，例如起泡、碳化和燒蝕，可以標記許多聚合物。對於(yu) 標記顏色較淺的聚合物、聚合物薄膜或半導體(ti) 材料（例如矽），且當要求特征較小時，則需要更佳的吸收率——其原因不屬於(yu) 本文的討論範圍。在一些情況下，會(hui) 采用可見光譜中較短波長的激光器。 
 

激光標記係統能做什麽(me) ？ 

       激光標記係統製造商均使用十分複雜的激光標記商業(ye) 軟件，控製掃描振鏡的移動，使激光點相對工件運動。但是，標記機器的核心是激光器和光學器件，它們(men) 決(jue) 定了機器能實現什麽(me) 功能。這些標記幾乎是無限組合，如字符和圖形、標識、獨特的係字母數字或者許多不同條形碼設計。用途多種多樣：跟蹤、防偽(wei) 、材料、批次或製造商識別。所有標記的主要功能是必須可以經機器或肉眼讀取，其它要求是： 

● 在整個(ge) 使用壽命期間，不會(hui) 以任何方式影響部件的功能——例如，不能在機械方麵弱化或腐蝕部件； 

● 標記必須在部件的使用壽命期間完整無損； 

● 標記必須美觀。 

        激光標記係統複雜多樣，因此標記工藝看似十分簡單，但是，激光標記軟件允許采用許多不同的方法在特殊表麵生成優(you) 化標記。提供各種掃描速度、重疊掃描線、掃描圖案和激光延遲，不同操作人員可能使用不同的方式生成相似的標記。這就告訴我們(men) ，激光標記仍然是一種“魔術”——雖然一些通規可以適用，但是大量激光標記仍然基於(yu) 經驗。#p#分頁標題#e#

光纖激光器的技術優(you) 勢 

       摻鐿光纖激光器的一個(ge) 主要優(you) 勢是其發射的近紅外1070 nm波長足以接近Nd:YAG激光器的1064 nm波長，在激光標記的實際加工中幾乎沒有差異。因此，采用光纖激光器可以相對容易地替換大多數標記應用中采用的連續波Nd:YAG激光器。這種早期成功使得標記工業(ye) 采用了光纖激光器，也對這種新型激光器的其它優(you) 點有更多了解。因而，人們(men) 後續開發出更高級的應用，光纖激光器甚至可以挑戰相對較新的二極管泵浦固體(ti) 激光器技術。 

       光纖激光器有一個(ge) 未受重視的方麵，即激光器的整個(ge) 光學路徑完全保持和緊密封閉在零損失的全包層光纖之內(nei) 。通過高級光纖拚接工藝，所有基於(yu) 光纖的光學元器件組合形成連續光學路徑。這種方法具有巨大的優(you) 勢，與(yu) 任何其它激光技術不同，不存在光學失調，直至激光光束從(cong) 光纖輸出，並進入聚焦光路。另一個(ge) 相關(guan) 方麵是，原則上產(chan) 生較高的平均功率十分簡單；人們(men) 可以方便地使用更長的激活光纖，或額外的光纖放大器級和更多的泵浦二極管。 

固定或可變脈衝(chong) 長度的納秒光纖激光器 

       固定和可變脈衝(chong) 長度納秒激光器已經廣泛應用於(yu) 激光標記，正如我們(men) 所見到的一樣，固定脈衝(chong) 長度的光纖激光器簡單、結實耐用且性價(jia) 比高，具有很強的市場潛力。但是，在有些條件下，短激光脈衝(chong) 的靈活性更強，更有優(you) 勢。在激光標記領域，一個(ge) 典型示例是標記透明的聚碳酸酯元件。這種標記方式不同於(yu) 其它材料，要在材料表麵之下產(chan) 生較小的微型泡，肉眼看上去這些泡呈黑色。將脈衝(chong) 長度降到30 ns，並仔細控製其它標記參數，例如速度、脈衝(chong) 能量和填充線之間的距離，則會(hui) 在表麵下方形成微型泡，不會(hui) 因聚結而破壞元件表麵（圖3）。

       醫療設備的標記極需這種方式，因為(wei) 可以消除不需要的陷入雜質。使用低至1.5 ns甚至更短的脈衝(chong) ，具有一些非常特殊的標記工藝的優(you) 勢。再次說明，光纖激光器具有巨大的優(you) 勢，因為(wei) 可以達到短脈衝(chong) 和高脈衝(chong) 重複率，對平均功率的影響不大。例如，一家領先的供應商提供一種特別型號光纖激光器，能在300 kHz時提供18瓦的平均功率，脈衝(chong) 為(wei) 1.5 ns（60 μJ），M2為(wei) 1.3，峰值功率>40 kW。雖然脈寬是激光加工中的一個(ge) 重要參數，但它隻是影響加工圖形尺寸的眾(zhong) 多因素之一。這一參數組合允許紅外光纖激光器與(yu) 傳(chuan) 統光學器件共同確定標記特征的尺寸，但以前隻有使用更複雜和昂貴的短波長二極管泵浦固體(ti) 激光器才能實現。 

更高的平均功率對於(yu) 激光標記有何作用？ 

       由於(yu) 激光標記性質複雜，因此很難預測激光器功率翻番時，標記速度或標記深度是否將翻倍。但是大多數情況下，采用更高平均功率的激光器，用戶能夠標記更快或更深，或者兩(liang) 者皆有。在進行50瓦光纖激光器衝(chong) 鑽實驗期間，收集了表1所示的結果。雖然這是清除材料的最佳可能情況（在深度雕刻金屬時觀察到），但是已經測量出清除速率高達5立方厘米/秒。注意，使用更高平均功率激光器將直接轉換為(wei) 更高的熱量輸入到部件，薄元件是否變形將限製可以使用的平均功率。當標記深度>100 μm時，即使金屬表麵有磨損，這些標記仍然可讀；需要損掉大量標識相鄰位置的材料，才能使標記難以分辨——這種情況可以認為(wei) 是“篡改證據”。 

中紅外波長光纖激光器 

       在鐿所在的鑭係元素中， 還有許多其它稀土元素已經用作固體(ti) 激光器的活性介質， 產(chan) 生可替代的波長。鈥（Ho）、鉺（Er）和銩（Tm）在元素周期表中均相互鄰近， 所有這些元素已經用於(yu) 光纖激光器多年， 在各種非工業(ye) 激光器應用中發揮作用，例如激光手術，主要是由於(yu) H2O對於(yu) 這種波長的吸收率較高。 

        目前，發射更長波長光束（1900~2010 nm特殊範圍）的銩光纖激光器已經發展到極高功率水平（>100 W），用於(yu) 聚合物焊接等熔化工藝，因為(wei) 在未填充聚合物內(nei) 的體(ti) 積吸收率更高。目前激光標記工業(ye) 中，脈衝(chong) 納秒激光器還達不到相應的功率水平，但在不久的未來將有可能實現。 

總結 

       從(cong) 光纖纜線到簡易式導向近紅外激光束，再到光束產(chan) 生和導向，是技術上的飛躍。現在，大家都能看到組合這些功能的優(you) 勢。一家知名的激光標記係統製造商最近向我說道：“我們(men) 青睞這些激光器的原因十分簡單：取出箱子，插入電源，測試係統，直接運輸上門，之後不用再看。”其餘(yu) 無需再談！ 

       本文作者Tony Hoult博士（ 電子郵箱： thoult@ipgphotonics.com）是美國加利福尼亞(ya) 州聖克拉拉市IPG Photonics公司西海岸運營總經理。