脉冲光纤激光器在高速高清晰度图像艺术品标刻及高精密标刻方面的应用

脉冲光纤激光器在高速高清晰度图像艺术品标刻及高精密标刻方面的应用  
           胡小波  郑鸿章  葛强   

摘要：脉冲光纤激光器以其最好的光束质量，最好的可靠性，最长的免维护时间，最高的整体电光转换效率，最小的体积，最高的脉冲重复频率，无须水冷的最简单、最灵活的使用方式，最低的运行费用使其成为在高速、高精度激光标刻方面的唯一选择。  

一、 图像艺术标刻的发展及其对激光器品质的要求  
顾名思义，图像艺术标刻即是将通过数码相机或扫描仪输入到电脑中的图像或在电脑中所画的图形和文字用电脑控制系统处理之后，形成相应的控制信号，控制激光聚焦光束的方位和聚焦光斑的移动速度，在物体表面将其标刻出来，并且要达到艺术级的高清晰度、高保真效果。  
要想使标刻出来的图像具有高清晰度，高保真的效果，就必须使标刻好的图像具有相应的灰度等级，并且标刻出来的点必须要尽可能的细小，形状要规则，最好是圆点，这样才能体现出图像的细节。  
显而易见，能进行高精度图像标刻则肯定可以进行其它高精度标刻方面的应用。  
这样对激光器硬件的性能提出了非常严格的要求：  
1、 波长要短、如1.06微米，经聚焦镜聚焦后光斑才可以很微小，如CO2激光器的波长为10.6微米，即使在光束质量相同的情况下聚焦后光斑大小是波长为1.06微米的激光器的10倍。越小的光斑直径，在进行图形标刻时，越可以体现出相应的细节，标刻出的图形就越清晰，保真的效果就越好；而且，波长较短，对金属的作用效果好，反射率低。  
2、 光束质量要好，必须是TEM00基模输出，M2要尽可能小，才能使聚焦后光斑尺寸小，才能达到好的，高精度，高清晰度的标刻效果。  
3、 脉冲重复频率要高，由于进行图形图像标刻，要想有好的效果，则图像的像素越密集越好，但这样带来一个问题，即像素越多，需要进行标刻的点也越多，如果激光器的脉冲重复频率不高，则需要的很长的加工时间，这样造成工作效率很低；因此，只有很高的脉冲重复频率，才能做到高效率的加工效果。  
4、 高的可靠性，长时间的免维护时间，高的整体电光转换，节约用户的使用和维护成本。  

二、 传统CO2、灯泵YAG激光器和半导体泵浦YAG激光器在精细图像标刻方面的固有缺陷  

传统CO2激光器在精密图像标刻方面几乎没有应用，由于CO2激光器的波长为10.6微米，而且是多模光束，聚焦后光斑直径在0.2mm左右，根本不适合于进行高精度的图像和图形标刻。  
灯泵Nd:YAG激光器的输出是多模激光，光束质量M2为12以上，聚焦后光斑直径在100微米左右，还是不适合用于高质量的图形标刻，而且灯泵的ND:YAG激光器的脉冲重复频率较低，因此在进行图形标刻时的速度必然很慢。此外，灯泵的YAG激光器由于每隔几百到一千多小时即需要进行更换泵浦灯，需要拆开激光器进行维护与调整，给最终用户带来极大的不便。灯泵的YAG激光器的整体电光转换效率在1%至2%左右，需要进行水冷，因此带给客户极大的使用和维护成本。  
半导体泵浦的Nd:YVO4固体激光器（DPSLL）虽然可以做到基模输出，但其实际的光束质量M2为4左右，聚焦后光斑尺寸在50微米左右，可以进行普通的较精细的标刻，但进行图像标刻其光斑还是太大，不能充分体现出图像的细节部分。而且DPSLL的可靠使用寿命只有1万小时左右。  


三、 脉冲光纤激光器的特点及其在高速、高精度图像艺术标刻和精密标刻应用方面的优势  

平均功率10瓦的脉冲光纤激光器是为高速、高清晰度图像艺术品标刻和高速、高精度激光打标而量身定制的一款性能优异的激光器。它独一无二的性能使其在激光标刻方面具有其它激光器无可比拟的优势。  

1．极其优异的接近衍射极限的光束质量，标准的TEM00单模输出，输出波长为1.06微米，单脉冲能量0.5MJ，准直后光束直径10mm，M2<1.8，光束发散角为0.24mrad左右；经焦距适当的透镜聚焦后，光斑直径可以小至10微米左右（只有多模的Nd:YAG激光器的1/10），工作点的峰值功率密度非常高，达109W/cm2，使10瓦平均功率的脉冲光纤激光器用于激光标刻时的效果超过平均功率50瓦的YAG激光器，打出的圆点不仅直径非常小，每英寸的长度可轻易的打点3000个以上， 而且圆度非常高，非常细腻，轮廓规则清晰，圆孔的壁陡，光滑，孔底平整，在进行高清晰度的图像标刻等艺术级的应用时，可以非常容易的体现出一些很细腻的特征。   

2．脉冲重复频率高（20KHz到120KHz）；如此高的脉冲重复频率，再配以高速高精度振镜和控制系统，这对实现需要大量标刻点数的图像艺术品的高速标刻有着决定性的意义。而且输出功率非常稳定，单个脉冲的能量的波动不会超过1%；这就保证了好的标刻质量。  

3．高可靠性，采用免维护的调Q光纤主振荡器+光纤功率放大器的技术，平均无故障工作时间在10万小时以上（灯泵YAG在几百小时左右，DPSLL在5000小时左右）；可在恶劣的环境下24小时连续工作（由于其光纤光栅的谐振腔置于光纤内部，即使在高冲击，高震动，高湿度，有灰尘的条件下皆可正常运转，而环境温度范围允许在-20C至+50C之间）。极大的减低了最终用户的生产和维护成本，极大的缩短了加工时间，成倍的提高了工作效率。  

4．非常高的整体电光转换效率，无体积庞大的电源系统，10瓦脉冲光输出的整机耗电只有110瓦左右，大幅度减低了使用的电费（只有灯泵YAG激光器的1/10）；免维护，无需庞大的水冷系统，只需简便的风冷即可，免除水冷系统的维护；其外型紧凑体积小（只有文件夹大小）, 光纤输出，可以灵活的应用，易于系统集成，节约工作场地，节约运行成本节约维护和运行成本（粗略估算光电费、直接维护费用即可比Nd:YAG激光器节省5万元/年左右，还不包括维修、停产等造成的材料浪费及人力浪费等），大幅度提高用户的投入产出比  

5．光纤输出，其外型紧凑体积小,易于系统集成,无需庞大的水冷系统，只需简便的风冷即可；可以集成为业界体积最小的，性能最好的便携式的移动标刻系统，使客户可以灵活的应用，节约工作场地，节约运行及维护成本，特别是可以非常方便的应用于超净的工作环境中。  

四、光纤激光器在国内及国外市场的应用实例  

自从10瓦脉冲光纤激光器推向市场，即以其优异的性能，良好的可靠性，合理的价格很快获得了客户的青睐。目前国内主要的激光标刻机的生产厂家如深圳大族激光科技股份有限公司及上海等地的公司已经集成出脉冲光纤激光标刻系统，在国外，脉冲光纤激光器在欧洲、北美、日本市场已经获得大规模的应用。  

下图是某种集成好的脉冲光纤激光器系列标刻机实例：  
一、特点   

1. 无耗材：由于不要冷却水，为完全风冷式，所以消耗品为零。包括不需要纯水、离子交换脂等更换品。  
2. 小尺寸：本产品为目前世界上尺寸最小的产品。  
3. 节省使用空间和成本：由于不需要冷却水配管环绕，使设计和设备的使用成本降低。  
4. 与LD-YAG激光标识器比较，它的突出参数如下：  
4.1  控制器部分：约1/3（体积、设置面积比）  


4.2  标刻机头部：约1/3（体积比）  
4.3  标刻机头部：约1/2（设置面积比）  

5.  超节能：与同级别的LD-YAG激光     标识器相比，采用了耗电量约为1/3以下的节能设计。  
6. 高速、高精细：即使高速也不变形，  可进行高精细印字和图像标刻。  
7. 容易操作  
8. 带有彩色液晶显示器的仪表台。  
9．免维护：采用的核心激光器—光纤激光器平 均免维护工作寿命高达10年之久，环境适应范围宽。  
10. 可进行2维码、条码的印字（可选择）  

                  
二、各种标刻效果  
可在从金属至塑料各种材料上绘制图片和 印字。  
如：    1. 精密电子元器件  

2．精密电路板  
3. 精密测量设备  
  4. 精密金属标刻
5. 精密马达  
6.插头  
7. 电器设备等