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激光打标机

激光打标机

激光打标机（Laser Scribing Machine）又名激光打码机，是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标机械，激光打标机的系统主要由电源系统、激光器、光学扫描系统等组成。激光打标技术是一门综合了机电数控、光电子和计算机等技术为一体的光机电一体化加工技术。

1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为694.3微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光。

激光打标机按照光源类型可以分为CO2激光打标机、YAG激光打标机、光纤激光打标机等。激光打标机在工业生产、工艺品加工、工业零部件标刻等领域有着广泛的应用。

历史沿革

1960年5月15日，加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多·梅曼宣布获得了波长为694.3微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光。

1960年7月7日，《》首先披露梅曼成功制成了世界上第一台激光器，梅曼的方案是利用一个高强闪光灯管来激发红宝石。

1968年，中科院上海光机所，研发并制造出了中国第一台3000W折叠封离型CO2激光器。

20世纪70年代末，中科院力学所和北京机电院、上海光机所、华中科技大学等单位均先后研制成功千瓦级横流高功率CO2激光器并在80年代初先后通过样机鉴定。

1983年，中国国家科委高新技术司提出了“六五”科技攻关项目激光热处理成套设备的研制、激光器激光热处理工艺、激光功率计等都纳入了国家科技攻关计划中。

1994年，Hanna 首先进行了掺Yb3+双包层光纤激光器的实验研究，获得了效率为80%，最大输出功率为0.5W的激光输出。

1997年，美国Polaroid公司的M.Muendel等人实现了在1100nm波长处35.5W的连续激光输出，2002年，德国IPG公司研制的最高输出功率为2000W，中心波长为1060nm的单模激光得到应用。

2003年，英国南安普顿大学的J.Nilsson等人研制出了波长1080nm，输出功率为272W的单模激光。

2018年，世界各国激光器市场规模已经达到了137.5亿美元，同比增长5.3%。

基本原理

激光打标是利用晶体棒受激励而发出的高聚集性激光束对工件进行固定轨迹扫描，激光能瞬时变成热能，使工件表层材料迅速发生物理或化学反应，从而在工件表面刻出各种数字、符号和图标等，作为工件自身标志。激光通过聚焦后形成精密激光束如同刀具，可将物体表面材料逐点去除，标刻纹路精度可以从毫米到微米量级，根据不同功率激光电源可以标刻出不同的图案效果。而激光打标机是综合了激光电子、机电数控和计算机等技术于一身的光机电一体化设备。

主要结构

激光打标机由电源系统、激光器、冷却系统、Q开关、光学扫描系统等组成。

电源系统

电源系统由主电路、控制电路、其中有水压保护和温度保护系统，水压保护和温度保护是防止断水时、水冷却不够而自动切断主电路供电，从而保护激光器。其中激光功率输出由IGBT通断决定，调节IGBT的占空比使灯电流在7～25 A，YAG晶体在氪灯发出的强光激发下，谐振腔产生光振动并沿轴线的方向产生激光。通过控制氪灯电流的大小即可控制激光输出功率的大小。

激光器

激光器常见的为YAG，YAG为掺钇铝石榴石晶体，晶体内的Nd原子含量为0.6-1.1%，属固体激光，可激发脉冲激光或连续式激光，发射的激光为红外线波长1.064um。激光生成原理是将激光晶体放在两个互相平行的反射镜中间，即可构成光学谐振腔。在这一光学谐振腔内，非轴向传播的单色光谱被排出谐振腔外，轴向传播的单色光谱在腔内往返传播。当单色光谱在激光物质中往返传播时，称为谐振腔内“自激振荡”。当泵浦灯提供足够的高能级的原子在激光物质内，具有高能级的原子在两能级间存在着自发辐射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率和相位。当光重复在谐振腔内通过“粒子数反转状态”的激活物质后，相同频率单色光谱的光强被增大生成了激光，激光高渗透率就能透过谐振腔内50％的透射镜发射出来，成为连续式激光。

冷却系统

激光器工作过程将电能转换为高能激光，但由于光电转换率还普遍不高，存在一定的能量损耗，这些损耗能量大部分转换为热量，过多的热损耗会使激光器内部器件温度过高，进而影响器件的性能及寿命，严重时还会损坏内部器件，因此必须设置冷却系统。冷却系统的好坏直接影响激光光束质量、激光效率、工作可靠性，冷却系统主要包括水箱、水泵、冷却器、压缩机、冷凝器等。

Q开关

Q开关是利用声光相互作用以控制光腔损耗的Q开关技术。声光调Q是通过电声转换形成超声波使调制介质折射率发生周期性变化，对入射光起衍射作用，使之发生衍射损耗，Q值下降，激光振荡不能形成。在光泵激励下其上能级反转粒子数不断积累并达到饱和值，之后突然撤除超声场，衍射效应立即消失，腔内Q值猛增，激光振荡迅速恢复，其能量以巨脉冲形式输出。这种Q开关方式应用广泛，性能可靠稳定。典型的Q开关主要由电声转换器、声光介质和吸声材料三部分组成。当电直换能器加上高频电压后，馈人声光材料的超声波使声光材料的折射率发生了周期性的变化，相对于声波方向传播的激光来说形成一个相位光栅。光波在超声场中发生衍射，改变了其原来的传播方向，形成了声光衍射。

光学扫描系统

光学扫描系统由计算机、I/O接口卡、振镜电源、振镜电机、反射镜组成，分为x，y两方向扫描系统，分别由计算机通过专用的打标控制软件按设计的图形、文字等控制激光的扫描轨迹。

特点

应用范围广

依靠不同类型激光发生器，激光几乎可以加工从金属到非金属的各种机械零部件。

非接触式加工

激光打标技术的优势是标刻过程为非接触性加工，不产生机械碰撞和大范围热应力，因此不会降低工件的使用寿命；也不会因为刀具磨损造成加工误差。

加工精度高

激光束聚焦效果好，可形成极细光束，加工精细，可以完成常规方法无法实现的工艺，例如电子元器件标号，条形码、二维码标刻识别等。

成本低

激光打标使用的刀具是聚焦后的光束，不需要额外增添其他设备和材料，只要激光器能正常工作，就可以长时间连续工作。

加工效率高

激光打标加工速度快，通常在数秒内就可以完成任何复杂图形的标刻任务。

可控性高

激光标刻系统由工控机自动控制，生产时不需人为干预。在工控机内，通过激光打标软件可设计出各种图稿文件，如dwg、bmp、jpg等。如此，激光打标系统就可以把图稿文件还原在工件表面上。

分类

按光源分类

CO2激光打标机

CO2激光打标机即二氧化碳激光打标机，是利用CO2气体为工作介质的激光振镜打标机。CO2激光器以CO2气体为介质，将CO2和其他辅助气体充入放电管在电极上加高压，放电管中产生辉光放电，使气体释放出波长为10.64um激光，将激光能量放大后，经振镜扫描和F-Theta镜聚焦后，在电脑和激光打标控制卡的控制下，可在工件上根据用户的要求进行图像、文字、数字、线条的标刻。CO2气体激光切割机具有功率大、稳定性好、适应性强等优点，适合于对厚板金或非金属材料（如木材、塑料、玻璃等）的宽范围切割。

YAG激光打标机

YAG激光打标机是一种能够实现精细打标的一种标记设备，它使用YAG晶体作为激光介质，输出波长为1.06μm的近远红外线，能很好的被金属材料吸收，引起材料蒸发。广泛应用于金属材料及零件的标记领域。YAG激光切割机非常适用于金属材料切割也可应用于金属焊接，是一款多功能的加工设备。该设备运行稳定可靠、加工质量好、效率高、操作简单维护方便，是一款性价比非常高的产品。

光纤激光打标机

光纤激光打标机是近年来激光物理研究的一个热门，被一致认为是有可能全面替代固体激光器的新一代产品。它以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质，通过泵浦光的作用，在光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。光纤激光切割机具有光束质量号、切割精度高、速度快、灵活性好、切口质量好等优点。同时，它也具有较高的能源效率和较低的维护成本，使其在许多行业得到广泛应用。

按打标方式分类

掩模式

掩模式激光打标系统主要由激光器、掩模板和成像聚焦透镜几部分组成，其工作原理是经过扩束准直的激光束均匀入射在事先按要求雕空好的掩模板上，使得激光束只能从模板的雕空部分透射，再经过透镜的聚焦便可将要求打标的激光束聚焦到材料表面上，从而实现打标。一般每次脉冲即可形成一个激光标记。掩模式激光打标主要优点是一个激光脉冲一次就能打出一个标记，因此这种方法的激光打标速度快，效率高。对于大批量产品要求，可实现在线飞行打标。但是，首先，其打标灵活性差，对于不同的打标内容要更换不同的掩模板；其次打标过程中大量的能量由于掩模板的阻挡而浪费，只有透射过掩模板的能量才能得到利用，所以能量利用率较低。

点阵式

点阵式激光打标系统是通过使用多台并行小型激光器同时发射脉冲激光，经反射镜和聚焦透镜后，使得激光脉冲聚焦在被加工材料的表面上，通过激光作用来烧蚀掉大小及深度均匀的小凹坑，所要加工的字符和图案就是由这些小圆黑凹坑构成，一般情况下，横笔划5个点，竖笔划7个点，从而形成5×7 的阵列。阵列式激光打标所采用的激光器一般是小功率射频激励CO2激光器，其激光打标速度最高可达6000 字符/秒，正因为其较高的打标速度使其成为了高速在线打标的理想选择，不过，它的主要缺点是只能标记点阵字符，且只能达到5×7的分辨率，所以，对于有些打标要求就很难实现，如对于汉字的打标。

扫描式

扫描式激光打标系统由计算机、激光器和X-Y平面扫描系统三部分组成，其工作原理是将需要激光打标的信息通过打标软件输入计算机，打标软件按照打标要求将信息通过打标卡转换为信号控制激光器和X-Y扫描系统，使经过扩束准直后的激光，由F-θ场镜聚焦后输出在被加工表面上扫描运动，形成激光标记。其特点是打标速度快、打标精细，可进行精细打标，甚至可以进行位图打标。这种打标方式的适应性很强，已经成主流打标方式，代表了激光打标的发展趋势。

按激光可见度

紫外激光打标机（不可见）

采用紫外线波长的激光，这种激光波长较短，能量较高，适合于打标一些要求更精细、精度更高的场合，如电子元器件、集成电路、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键等。紫外激光打标机具有打标精度高、速度快、效果好的优点。

绿激光打标机（可见激光）

采用绿色波长的激光，这种激光波长适中，能量适中，适合于打标一些要求较高，但不需要达到最高精度的场合，如建材、聚氯乙稀管材等。绿激光打标机具有打标精度高、速度快、效果好、价格适中的优点，是当前应用较为广泛的激光打标机之一。

红外激光打标机（不可见激光）

采用红外线波长的激光，这种激光波长较长，能量较低，适合于打标一些要求不高的场合，如一些非金属材料等。红外激光打标机具有打标范围广、速度快、价格低廉等优点，但精度和效果不如紫外激光打标机和绿激光打标机。

按波长

按照激光波长的不同可分为：深紫外激光打标机（ 266nm ）、绿激光打标机（ 532nm ）、灯泵YAG激光打标机（1064nm）、半导体侧泵YAG激光打标机、半导体端泵YAG激光打标机（1064nm ）、光纤激光打标机（1064nm）、CO2激光打标机（10.64um）。

性能参数

波长特性

各类型激光器都输出一定波长的单色光。波长与物质对激光的吸收率和激光束精细聚集的极限有关。尤其是对金属类物质的加工，激光波长越短，表层对光吸收率越大，反射率减小，打标出的效果越好。

时间特性

如今激光加工，有连续输出和脉冲输出两种形式。连续激光是以稳定、不间断的光束释放出高能量。激光加工的激光脉冲有普通脉冲、调Q脉冲以及连续输出和脉冲输出兼容的三种情况。脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度不大于0.25s且具有规律的时间间隙才运行一次的激光器。

功率特性

激光器都是朝着大功率的方向发展，但是对于不同的场景与材料，需要因地制宜，也要取决于市场的需求。激光器按照种类可分为固体、气体、液体、半导体和染料等若干类型，其中固体激光器大多体积小并且强度大，脉冲辐射功率较高，使用领域较为宽广。

发展现状

国际

世界激光打标机市场主要分为三部分：北美占51%，欧洲占24%，中国、日本等亚洲国家占25%。这三部分市场在激光领域的发展代表了世界发展的趋势。欧洲主要优势在于500W以上的自动化激光生产线生产和设计；美国主要占据着中等功率的激光设备市场；而小功率激光加工设备是日本的优势所在，占据着70%以上的市场，多分布于东亚和南亚一带。

中国

中国的激光打标技术与国际相比差距很大，没有相关领域的企业能够达到国际化水平。其主要表现为：较先进激光操作系统相对很少；激光标刻技术较薄弱；激光加工控制中心缺口较大。不过近年来，中国出现许多相关研究机构正瞄准世界先进水平研制并开发不同类型的激光打标机和打标系统，如中国大恒（集团）有限公司、深圳激光科技股份有限公司、武汉大族激光科技股份有限公司、无锡津天阳激光电子有限公司、南京中南激光有限公司等。同时国家对激光打标行业也相当重视，各科研院所也在激光标刻系统的开发研究工作中注入了大量人力物力，充分发挥各部门自主创新能力。

经过近几年技术方面不断更新和完善，激光打标技术发展非常的迅速，无论是在硬件和软件上都有了一个很大的提升。中原地区已形成相当规模的激光加工设备产业带，主要分布在长江、珠江沿岸和京津唐环渤海经济区。据统计，中国激光打标设备依靠价格和质量优势越来越受中小企业欢迎，激光打标机的销售额也一直占优势地位。