脉冲紫外激光器精密打标

随着电子技术的飞速发展，电子产品更新换代的速度越来越快，要求电子制造企业必须以更快的速度向市场提供更具有成本效益的产品。一款产品从入库、生产、检测、出库，需要建立一条完整的数据追溯体系，以实现内部产品质量控制。为实现产品追溯，必须对产品进行文字或条码标识，以赋予产品一个独一无二的“身份证”。

近年来，工业制造中对精密打标的需求出现积极的势头。尤其是，优质消费品的生产正推动这一趋势以确保最高质量，例如可用于部件跟踪、管理供应链质量以及防范产品盗版的徽标和超精细二维矩阵代码的打标。在许多情况下，此类代码有意让消费者无法看到，但可由生产流程中的传感器读取。由于这些优势，各种工业制造行业中越来越多地利用精密激光打标，包括微电子、半导体和汽车行业。

激光打标技术作为一种现代精密加工方法，与腐化侵蚀，电火花加工，机械刻划，印刷等传统的加工方法相比，具有无与伦比的优势：

◆采用激光打标做加工手段，激光与工件之间没有加工力的作用。激光具有无接触，无切削力，热影响小的优点，保证了工件的原有精度。◆激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材料品质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工和特殊面加工。

◆激光打标机标刻刻划精细，线条可以达到毫米到微米量级，采用激光标刻技术制作的标记仿造和更改都非常困难，对产品防伪极为重要。

◆激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，可以打出各种文字，符号和图案，易于用软件设计标刻图样，更改标记网站内容，适应现代化生产高效率，快节奏的要求。

图 1：在面向移动设备市场的陶瓷盖部件上打标的 20 x 20 点数据矩阵，总矩阵尺寸为 900 x 900 μm

要实现这些精密打标结果，激光器类型的选择至关重要。通常而言，低精度低质量的激光打标主要使用红外光纤激光器，原因是使用红外光纤激光器的成本较低。而在另一个极端情况下，虽然超短脉冲皮秒和飞秒激光器能够在几乎任何材料中实现高质量的打标结果和二维矩阵代码，但成本却高出许多。

如何解决成本与性能的困境？这里给出的解决方案是：设计精良的脉冲紫外纳秒激光器。

Spectra-PhysicsExplorer®One™系列，可满足打标尺寸小到100µm的超精细数据矩阵所需的所有关键要求。由于Spectra-PhysicsExplorer®One™系列能够聚焦到更紧密的光斑尺寸，并且在大多数材料中的吸收深度较浅，其紫外波长可产生更精细的特征和标记。ExplorerOne还可提供极高的光束质量，例如像散性和M²都很低的圆形光束剖面，让用户能够实现接近衍射极限的焦点光斑。ExplorerOne激光器的典型椭圆度<1.1，像散性<0.1*，M²约为1.1。

由于高质量的结果还取决于要加工的具体材料，所以需要广泛而灵活的激光器参数来覆盖各种材料。ExplorerOne系列提供在紫外范围>100µJ、在532nm时>200µJ的高能量型号以及在355nm时最高>4W和532nm时最高>5W的更高功率版本，通过高重复频率来满足这些需求。

我们还需要先进的脉冲控制功能来促进高质量加工。具有恒定脉冲能量的按需脉冲（E-Pulse™）可实现快速精密打标并提供PSO运动功能。ExplorerOne的闭环脉冲能量控制功能称为E-Track™，可实现每个激光脉冲的精细控制，从而产生超精细的结构。

图 2：钠钙玻璃上打标的 20 x 20 点数据矩阵

借助ExplorerOne系列，我们演示了移动设备应用（图1）以及钠钙玻璃（图2）中使用的陶瓷中的超精细机器可读条形码的打标。凭借紫外波长，我们能够生成尺寸小于10µm的点，从而产生20x20点的200µm数据矩阵。由于ExplorerOne激光器卓越的光束属性，我们使用包含f=100mm远心透镜的振镜实现了这些小点，即采用适度的聚焦，而没有复杂的样本定位要求。使用振镜可对20x20条形码实现高加工速度和约100ms的打标时间。

另一项需要超精细结构的应用是徽标的直接写入。严苛的表面质量要求决定了超精细结构的使用，以便这种徽标的对比度在不牺牲表面形貌的情况下生成新奇而优质的外观。在许多情况下，表面必须保持光滑，或者在人类触摸时产生某种触感。在图3中，我们演示了通过ExplorerOne紫外激光器在陶瓷部件上打标的这种徽标。

图 3：抛光陶瓷表面上的徽标打标

陶瓷是潜在优质的消费电子外观件材质。消费电子的外观件主要是起保护作用，确保内部的电子元器件正常工作不受损坏。其要求包括材质轻便、硬度高（耐磨耐刮）、不屏蔽通信信号、手感好、散热性好（延长待机时间）、成本低。陶瓷相比金属而言成本适中，性能接近金属且不会干扰信号，是潜在的优质替代品。目前，陶瓷在消费电子领域主要应用包括：手机机壳、指纹识别贴片、智能穿戴外观件。陶瓷在消费电子上的广泛应用得益于材料科学的不断进步，使得陶瓷材料从古时使用粘土、长石、石英等传统陶瓷原料扩大到非硅酸盐、非氧化物的范围，并出现多种新工艺。

* 标准化为瑞利长度

综上所述，具有引人注目的成本和性能的脉冲紫外纳秒激光器能够有效地在二维数据矩阵以及徽标打标中使用的各种材料上生成超精细的结构。相信随着技术的进步成熟，这一市场有望能被进一步打开。

本文来自Spectra-Physics