半导体端面泵浦固体激光打标器在塑料行业中的应用

刘 芹， 张立娟（上海金发科技发展有限公司，上海 201714）



半导体端面泵浦固体激光打标器在塑料行业中的应用

刘 芹， 张立娟
（上海金发科技发展有限公司，上海 201714）

摘 要：简单介绍了激光打标技术和对比了半导体侧面泵浦固体激光打标器、半导体端面泵浦固体激光打标器和光纤激光打标器三种激光打标器，介绍了半导体端面泵浦固体激光打标器的工作原理，并针对应用于塑料行业时影响打标效果的关键参数，如电流、频率、速度等进行简要的分析。

关键词：激光打标技术；半导体端面泵浦固体激光打标器；原理；参数

激光打标技术是当代两大高科技-激光和计算机的结晶产品，近年来以其卓越的性能已经广泛应用于各个行业，如仪器仪表、印制电路、计算机制造等方面。激光打标是指利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，将物体表面材料逐点去除，使表层材料发生改变，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标是一种非接触式加工，可避免机械挤压或机械应力对材料造成的损伤。激光可穿过透明物质对内部零件进行加工标记，也可通过棱镜、反射镜等对物体内表面和倾斜面进行标记，弥补常规标记方法的不足。同时，激光加工速度快，由计算机自动控制，免除了人工的干扰，对于生产流水线，更能省时省力。由高能激光制作的标记不会因为恶劣环境而消退，其信息可以永久保持，便于产品的识别与追溯。相较传统标识制作工艺，激光标记的模式效率高、成本低、便于操作[1]。

本文对比了半导体侧面泵浦固体激光打标器、半导体端面泵浦固体激光打标器和光纤激光打标器三种常用的激光打标器，并对适合塑料行业的半导体端面泵浦固体激光打标器工作原理做了说明，针对应用时影响打标效果的关键参数，如电流、频率、速度等进行简要的分析，给同行应用做参考。

1 原理

常用的激光打标器按其工作原理主要分为：半导体侧面泵浦固体激光打标器、半导体端面泵浦固体激光打标器、光纤激光打标器，其中半导体端面泵浦固体激光打标器更适合应用于塑料行业，与半导体侧面泵浦固体激光打标器比较，端面泵浦式激光打标器的光转化率更高，泵浦源功耗小，标记效果细腻，精密度更高；与光纤激光打标器比较，端面泵浦的打标效果易于调试，激光能量更加柔和。

半导体端面泵浦固体激光打标机主要由主机柜、XY振镜驱动系统、光学系统、冷却系统、软件操作系统等组成。其中，XY振镜驱动系统和光学系统是仪器中的主要部件。光学系统包括端面泵浦激光器、扩束镜和反射镜片以及聚焦镜头。

激光二极管产生泵浦光，从端面激励发光晶体发光，经过内部扩束镜对光斑进行处理，光束通过聚焦准直后射到X轴和Y轴两个振镜扫描器的反射镜上，振镜扫描器在计算机控制下产生快速摆动，使激光束在X、Y两维方向上进行扫描，之后通过聚焦镜进行聚焦，最终呈现出一个个细微的、高能量密度的光斑，高能量的激光脉冲在物体表面烧蚀形成雕刻[2]。

扩束镜可最大限度的改善激光准直度进而达到远距离打标效果，而扩束镜也必须和相应的激光器配合，才能发挥激光器的最大效果。计算机控制的X、Y振镜的偏转需要相互配合，才能使激光精确的反射到工作台面上，振镜是快速精密机械，因此对其应变速度也是有一定要求的，如图1所示。

图1 X、Y振镜安装示意图

2 参数分析

2.1 电流

激光打标器的电流直接反应其输出功率，由电流大小来控制功率。对于塑料产品，基础电流值约15A左右。在其他参数不调整的情况下，增加或减少电流会使塑料的打标效果明显加强或减弱，但是无法精细调节。对不同的塑料产品来说，都有相应的电流限位值，低于最低限位值则无法在材料表面形成标记或模糊不清，高于最高限位值则会使产品发黄甚至烧焦，标记边缘有毛刺。对于同一材料，标记不同的图形、字体需要设定不同的电流，进行字体填充时其电流设置高于无填充，如在某一ABS材料表面标记字符串，填充的Arial字体需设置电流为17A才能标记清晰，而无填充Arial字体需设置电流为13A即可。总之，电流的调整，对于塑料标记来说，只是粗调，更进一步的调节还需要调节其他的参数。

2.2 频率

频率是指激光器每秒钟输出的脉冲个数，单位为KHz。改变频率可以改变激光输出频率，进而改变单点能量和峰值功率。激光标记即利用高能量的点在材料表面进行标记，每个图形或字体都是由多个密集的点组成的，保持图形或字体大小不变的基础上调节频率就是调节点的密集程度，即单位时间内激光出光数目的多少。当其他参数不变时，提高频率，则提高点的数量，进而能够提高线条的连续性，底纹会相对平滑，但会减弱每个点的作用时间；相反的，降低频率会降低点的数量，能够增加每个点的作用时间，有利于标记深度，但是相应的也会降低图形或字体的流畅性。频率高，打标点致密；频率低，打标点稀疏。选择一个合适的频率，能够使标记的图形或字体美观流畅。不同的激光打标仪，由于内部构造的差异，频率数值是无法通用的，针对不同的仪器需根据设备性能重新设定频率值。

2.3 速度

速度包含打标速度和空跳速度两项，打标速度是指打标时振镜的运行速度；空跳速度是指空跳时振镜的运行速度，两者的单位为mm/s。在打标过程中，主要通过调节打标速度来控制打标效果。打标速度太快，每个点作用的时间短，单点能量小，出来的效果不够精细、稀疏、无深度；打标速度太慢，则每个点的作用时间长，单点的能量大，标记颜色太深，也会在一定程度上降低图形或字体的平整度。而空跳速度则会影响打标的总时间。速度和频率两者是相辅相成的，两者相互配合，频率太快，速度太低，则可以明显看见图形或字体的点的分布。当流水线生产时，有一定的速度要求，这时就需要更精确的调整频率。

2.4 其他参数

除了以上重要的3个参数外，有些其他的参数也可以进行辅助调节使图形更加清晰明了，如填充间距和打标次数。填充间距是指将图形或字体内部用点组成的线填满时，线与线之间的距离，单位为mm。数值过小，填充的过密，相对的打标时间会过长，效果会过深，甚至会发黄；数值过大，填充效果会失效。当速度一定时，可以通过调整填充间距来调节打标时间。打标次数是指触发后对单个对象进行连续多次标记。对于一些要求标记深度的样品来说，除了加大电流和提高频率外，可以通过提高打标次数来实现。在电流或频率受限时，或者为避免出现样品颜色过深、烧焦的情况，也可以通过调整打标次数来辅助打标，使打标效果更佳精细，一般先采用低电流快速标记用于标识出轮廓，再采用高电流进行重复标记，但是两次或多次标记工作效率低，一般不适用于生产流水线。

3 结论

随着计算机和激光工艺的不断进步，激光打标技术也得到了快速发展，其实用性和可靠性的不断提高，已成为在塑料表面打标的主流工艺。激光打标可对各种材料表面进行标记，不同种类材料对设备要求不同，其中塑料对设备具有广泛适应性，本文就其中打标效果最好的一种激光打标器进行了概述。

对于同一材料，不用的设备打标参数不同，不可直接将一种型号设备的参数直接应用于另一型号设备；不同的材料，相同的设备，打标参数也只可借鉴。一般通过如颜色、平整度、线条流畅性等直观性的因素来评价打标效果的好坏。

参考文献：

[1] 张玉华, 陆茵. 关于激光打标的原理及发展的研究[J]. 自动化与仪器仪表, 2014(5): 33-35.

[2] 王炳龙, 王家先. 激光打标技术的应用[J]. 电讯工程, 2009, 16(2): 19-23.

Application of Semiconductor End Pumped Solid Laser Marking Machine in Plastic Industry

LIU Qin, ZHANG Li-juan
（Shanghai KINGFA Sci. & Tech. Co., LTD., Shanghai 201714, China）

Abstract:Laser marking technology was briefly introduced and three laser marking machines were compared. The principle of semiconductor end pumped solid laser marking machine was introduced, and a brief analysis of the key parameters affected the marking effect of the plastic industry, such as current, frequency and speed.

Key words:laser marking technology; semiconductor end pumped solid laser marking machine; principle; parameters

作者简介：刘芹（1989~），女，本科；主要从事功能材料性能与检测的研究。lq_kingfa@163.com

收稿日期：2015-12-03

文章编号：1009-220X(2016)01-0080-03

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160110

中图分类号：TQ320.77

文献标识码：A