激光打标的原理

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激光是一种与普通光源截然不同的相干光源，由于具有高方向性、高单色性和高能量的特点，自20世纪60年代初出现以来，就备受关注。激光在印刷业主要应用在计算机直接制版系统、激光照排机、激光打印机、全息图像印刷、电子出版、激光标记印刷等方面。其中，激光标记印刷已占到激光加工业的45.3%，且应用领域仍在发展和扩大。     激光标记印刷也称激光打标、激光印标，近年来在印刷领域，如包装印刷、票据印刷、防伪标识印刷中的应用越来越多，有些已用于联机生产。　基本原理 　　激光打标是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记。打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而"刻"出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图案、文字。　　目前，公认的原理是两种：　　"热加工"具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。 　　"冷加工"具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生"热损伤"副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。例如，电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜，在半导体基片上开出狭窄的槽。激光标记印刷原理　　激光标记印刷是通过激光打标机实现图文印刷的，其基本原理是，由激光发生器生成高能量的连续激光光束，当激光作用于承印材料时，处于基态的原子跃迁到较高能量状态；处于较高能量状态的原子是不稳定的，会很快回到基态，当原子返回基态时，会以光子或量子的形式释放出额外的能量，并由光能转换为热能，使表面材料瞬间熔融，甚至气化，从而形成图文标记。   　1．激光发生器　　下文将以氪灯激光打标系统为例，说明激光发生器的原理。氪灯通电后，以20kV的高压击穿氪灯中的氪气后，电源自动转换输出电压为100V(5A)，维持氪灯连续的弧光放电。在激光发生器中，氪灯位于椭圆形聚光腔的1个焦点上，氪灯产生的弧光经聚光腔反射后，再全部聚焦在另一个焦点--晶体钇铝石榴石 (YAG)上，YAG吸收泵浦光后，形成波长为1060nm的连续激光，连续激光在谐振腔中垂直于光轴的前镜和后镜间往返振荡，并从前镜输出。　　2．打标原理　　射频驱动器(RFDriver)控制Q-开关的开关状态，连续激光在Q-开关的作用下，变成峰值功率达110kW的脉冲光波，经过光孔的脉冲光达到阈值后，由谐振腔输出到达扩束镜，光束经扩束镜放大后传输到扫描镜，由伺服电机带动X轴、Y轴方向的扫描镜片旋转进行光扫描，最后经平面聚焦场将激光的功率进一步放大后，聚焦在工作平面上进行打标。整个过程由计算机按程序控制。　　3．激光打标的特点　　激光打标机因其特殊的工作原理，与传统标记方式(移印、喷码、电腐蚀等)相比，具有许多优越性；1)非接触加工可在任何规则或不规则表面打印标记，且打标后工件不会产生内应力；2)材料适用面广可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印；3)可与生产线上的其他设备集成，提高生产线的自动化程度；4)标记清晰、持久、美观，并可有效防伪；5)使用寿命长、无污染；6)运行成本低打标速度快且标记一次成型，能耗小，因而运行成本低。虽然激光打标机的设备投资比传统标记设备大，但从运行成本而言，使用激光打标机要低得多。①塑封三极管打标：打标机工作速度为10个/秒，若设备折旧以5年计算，打标费用为0.00048元/个。如果使用移印机，其综合运行成本约为0.002元/个，甚至更高。②轴承表面打标：若轴承三等分打字，总共18个4号字，采用振镜式打标机，以氪灯灯管的使用寿命为700小时计算，则每个轴承的打标综合成本为 0.00915元。电腐蚀刻字的成本约为0.015元/个。以年产量400万套轴承计算，仅打标一项，1年最少可以降低成本约6.5万元。7)加工效率高计算机控制下的激光光束可以高速移动(速度达5～7米/秒)，打标过程可在数秒内完成。1个标准计算机键盘的印字可在12秒内完成。激光打标系统均配有计算机控制系统，可以与高速流水线灵活配合。8)开发速度快由于激光技术和计算机技术的结合，用户只要在计算机上编程即可实现激光打印输出，并可随时变换打印设计，从根本上替代了传统的模具制作过程，为缩短产品升级换代周期和柔性生产提供了便利工具。9)加工精度高激光能以极细的光束作用于材料表面，最细线宽可达到0.05mm。为精密加工和增加防伪功能开创了宽广的应用空间。激光印标能满足在极小的塑料制件上印制大量数据的需要。例如，可印制要求更精确，清晰度更高的二维条码，与压印或喷射打标方式相比，有更强的市场竞争力。10)维护成本低激光打标是非接触式打标，不像模版印标工艺有使用寿命的限制，在批量加工中的维护成本极低。11)具有环保性激光打标为非接触式打标，节约能源，相对于腐蚀法，避免了化学污染；相对于机械式打标，也可减少噪声污染。　　4．激光标记的应用范围适用于钢、不含铁金属、合金和无机物打标，及陶瓷、钻石和硅质材料的微加工。目前激光打标技术的应用包括ABS键盘，HDPE、PP、PET和PVC刚性容器和容器盖，尼龙和PBT元器件，HDPE开关按钮，PVC管件等的标记印刷。