彩色激光打标技术原理

2006/3/1/8:54    具有高对比度的彩色装饰效果能够通过使用Nd:YAG 和 Nd:YVO4 激光器在塑料和金属上进行打标来获得。 

图1：在白色塑料牛耳标上的打标印记

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    在某些情况下，正确操作某些二极管泵浦Nd:YAG和Nd:YVO4固体激光器的输出对基材进行打标，能使今天的激光用户在各种不同的塑料及金属材料表面通过打标获得清晰，具有高对比度的黑白或彩色印记。  

塑料打标  

    使用这些激光器用于塑料打标应用已经成为被工业各部门广泛接受。近年来的激光器销售主要同喷墨技术竞争，在系统销售总量方面获得了相当的份额，而且迹象表明市场份额将继续扩张。这一成功的原因来自许多方面，包括拥有成本的减少，这包括墨盒成本，储存及废弃带来的成本，另外使标记持久性及一致性得到提升。 

图2：加入色素后的吸收率

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    跟墨水沉积技术以及那些通过应用彩色粉末或薄膜的技术不同的是，Nd:YAG或 Nd:YVO4激光器使塑料颜色改变这一典型物理效果同聚合体在氧环境中发生热分解（高温分解）反应有关。  
         
    使用的技术，依赖于基层的结构，以及最后所需达到的效果，因而可能因具体应用的不同而有所区别。在直接“炭化”应用（聚合物的热分解产生深色标记）中，通过使用高频设置获得高平均功率；在被称为“泡沫”的应用中通过低频设置获得高峰值功率脉冲，使融化的聚合物重新凝固后形成可见的凸起标记；在被称为平滑“冷打标”应用（见图1）中，使表面下的氧化钛层发生光致还原反应。  

    被认为是“能激光打标的”（可产生有对比度图案或文字）聚合物是那些能够吸收激光的波长并将光转化为热能的材料。不幸的是，大部分聚合物对传统商用激光器发出的光束都或多或少“透明”——这意味着激光光束穿透材料而不被吸收。但是，对塑料进行激光打标是一项令人期待已久的应用，因而塑料配方设计师和母料供应商们如今开发出了许多化学反应，允许激光束同聚合物发生有效的反应，而材料本身的物理特性不会在反应之后发生改变。图二显示出聚合物中的色素及氧化物如何提高红外到紫外区域不同波长激光束的吸收率，从而得到最适合用于激光打标的塑料。  

    在大多数情况下，这种方法都能带来具有良好对比度及锐度的打标效果。有种说法是，没有任何一种添加剂能解决所有的打标需求，例如在亮背景上打出深色标记或正好相反。同样值得一提的是，即使使用了色素添加剂，也不可能在单一的聚合物上产生不同的色彩，因而最终的打标效果通常保持单色，只可能有颜色深浅的区别。 

图3：金属盘上的彩色标记

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    虽然受到这种限制，但一种有趣的基于获得介于黑白之间不同程度灰色调的应用，正被采用对聚碳酸酯材质的ID卡进行打标。在这种情况下，不同等级的灰色能通过以像素为单位精确调整激光器的参数例如脉冲能量及脉冲持续时间来获得。这是一项快速发展的技术，因为激光打标能带来高度的安全性和防伪效果。  

    金属的彩色打标  

    不同于塑料的是，对金属进行打标能通过激光束能量来改变表层材料的颜色，获得一种真实的装饰效果。这一效果能够在作阳极电镀后的表面及未被处理的表面获得。第一个例子当中，在氧化层中发生了薄膜干涉因而得到彩色的效果，这一氧化层沉积在阳极电镀后得到的光洁表面上。 控制激光脉冲参数能产生不同厚度的新氧化层，从而产生不同的色彩（见图4）。以这种方式，能获得不超过2到3种完全不同的色彩。  

    相比之下，在金属原材料表面能够产生各种色彩，这使Nd:YAG 和 Nd:YVO4 激光器的使用成为了一种真正的装饰工具（见图5）。在本例当中，之所以能产生不同的颜色，同使用多条激光路径作用于同一区域并设置不同激光参数，从而获得表面衍射格栅有关。用于此类应用的激光器必须能够进行广泛的频率范围，速度，功率，间距设置，焦距等等方面的设置。 

图4：通过控制氧化程度，进行金属的彩色打标
图5：通过使用Nd:YVO4激光器在不锈钢原材料表面获得的一些色彩
图6：经阳极电镀处理后的光滑金属表面得到的装饰元素

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    这一新的打标技术带来了在珠宝及徽章制造等装饰性领域应用的可能性（见图6）。同其他技术不同的是，在这些场合用激光彩色打标，是完全不会褪色且没有生物排异反应的，因而能够被用于隐蔽处及三维表面的打标。  

    结论：使用DPSS Nd:YAG 和Nd:YVO4 激光器生成具对比度的彩色标记是一种可行的选择，可广泛用于需要灵活性及环保工具的各个领域，生产清晰，易读及不褪色的标记。特别是用于无法采用传统技术实现的领域，这种技术能确保重复精度并降低耗材带来的运行成本。