光纤激光器：选型与添加剂

光纤激光器：选型与添加剂

编者按：在这篇技术专题中，Scott Sabreen 探讨了与光纤激光器相关的两个话题：塑料打标时光纤激光器类型的选择，以及通过使用添加剂来提高打标对比度。

要点

• 光纤激光器与其他 DPSS 激光器有本质区别——其增益介质分散于光纤光缆本身之中。
• 全光纤结构解释了其可靠性和坚固性，也因此推动了其快速增长。
• 调 Q 激光器的重复频率上限约为 80 kHz，这是该技术的固有限制，脉宽为 100–120 ns。
• DM-MOPA 在纳秒脉宽下可达 500 kHz，通常意味着更快的打标速度。
• 不存在通用的激光解决方案。应用开发因材料而异，针对性极强。

常见问题

光纤激光器与其他固体激光器有何不同？

产生光束的增益介质分散于特制的光纤光缆内，且与光纤传输式激光器不同，整个光路始终位于该光缆内，一直延伸到光束传输光学器件。这种全光纤结构在很大程度上决定了其可靠性和坚固性。

固定脉冲还是 MOPA——应如何选择？

这取决于材料。脉宽 100 至 120 ns 的调 Q 固定脉冲激光器可用于某些打标应用，但受该技术本身限制，重复频率仅限于约 80 kHz。直接调制 MOPA 激光器在纳秒脉宽下重复频率最高可达 500 kHz，通常意味着更快的打标速度。

更高的重复频率是否总意味着更快的打标？

通常如此，但必须与其他激光和波导参数配合。仅凭重复频率并不能决定产能——脉冲能量、峰值功率、光束速度和材料响应都有影响。

是否存在适用于塑料的单一最佳激光器？

没有。应用开发针对性极强，集成何种激光器取决于激光输出特性与优化聚合物材料之间的相互作用。材料和激光必须一并选择。

添加剂如何改变光纤激光器的打标能力？

添加剂可提高对比度，并可通过激光设置参数进一步增强。聚合物本身倾向于产生深色或浅色对比度，即使同一族内的不同牌号也会产生不同结果，因此添加剂需与具体牌号相匹配。

塑料打标如何选择光纤激光器——哪种激光器最好？

纳秒级掺镱光纤激光器是打标、焊接和切割领域最重要的进步之一。从根本上说，光纤激光器不同于其他二极管泵浦固体（DPSS）打标激光器。光纤激光器中，产生激光束的增益介质分散于特制的光纤光缆内。与光纤传输式激光器不同，光束的整个路径都在光纤光缆内，一直延伸到光束传输光学器件。这种全光纤结构在很大程度上决定了这类激光器的可靠性和坚固性，也是其快速增长的原因。

塑料打标应选哪种光纤激光器——固定脉冲还是 MOPA？

IPG Photonics 是高性能光纤激光器的领先开发商和制造商，提供固定脉冲的 YLP 系列（有时称为“调 Q”）和可变短脉冲的 YLPN（MOPA）激光器。脉宽通常为 100 至 120ns 的调 Q 光纤激光器用于某些打标应用，但由于调 Q 技术的固有限制，其重复频率限于约 80kHz。直接调制 MOPA（DM-MOPA）光纤激光器在纳秒脉宽下，重复频率最高可达 500kHz。高重复频率通常意味着更快的打标速度（需与其他激光/波导参数配合）。

应用开发针对性极强，不存在通用的激光解决方案。短脉宽 MOPA 激光器能充分发挥聚合物中所添加的敏感化学添加剂的性能。对激光热输入及热输入速率进行局部的空间和时间控制，可实现最佳性能。

集成何种激光器，取决于激光输出特性与优化聚合物材料之间的相互作用。图 2 表示了固定脉宽与可变脉宽（MOPA）掺镱光纤激光器的时域脉冲波形。

对于这两个图，输入参数的特定组合控制着激光束的输出特性——即脉冲能量、峰值功率（脉冲能量的最高瞬时峰值，焦耳/脉冲持续时间）和平均功率（平均功率，瓦 = 脉冲能量，焦耳 × 脉冲重复频率，赫兹）。

设置用于打标的固定脉宽光纤激光器时，必须设置两项输入：

• 脉冲重复频率（常称脉冲频率），以及
• 泵浦功率百分比（100% 指泵浦二极管可能的最大电输入）。

设置用于打标的可变短脉冲 MOPA 光纤激光器时，需设置三项输入：

• 脉冲持续时间（常称脉宽），
• 脉冲重复频率（脉冲频率），以及
• 泵浦功率百分比，如上所述。

光纤激光器塑料打标用激光添加剂

近红外激光添加剂可提高对比度，并可通过改变激光设置参数进一步增强。聚合物本身具有产生“深色”或“浅色”打标对比度的固有特性。一些含少量二氧化钛（TiO2）和炭黑的着色剂化合物也可能吸收激光，在某些情况下可改善打标对比度。

即使是同一聚合物族内的每种聚合物牌号，也可能产生不同的结果。添加剂配方不得有毒，也不得对产品的外观或物理、功能性能产生不利影响。

与油墨印刷工艺（移印/丝印和喷墨）相比，激光添加剂可节约成本，且与未优化材料相比，打标速度可提高 20% 甚至更多。激光添加剂以粒料和粉末形式供应。粒料产品可直接与聚合物树脂混合，粉末形式则需制成母粒。大多数添加剂易于在聚合物中分散。根据添加剂和聚合物的不同，（最终零件中的）按重量添加浓度范围在 0.01% 至 4.0% 之间。

粒料和粉末形式均可混入预混色材料或色母粒中。选用何种添加剂取决于聚合物成分、基材颜色、所需打标对比色以及最终用途的认证要求。对于挤出、注塑和热成型作业，预着色混料比色母粒的均匀性更好。

应避免手工混合。模具流动以及浇口类型/位置是重要因素。激光添加剂在每个零件中的均匀分布/分散，对于获得最佳打标性能至关重要。

某些添加剂含有锑掺杂氧化锡与三氧化二锑的混合物，可能使天然（未着色）基材的不透明度带上“灰色”色调。其他添加剂可能含有铝颗粒、混合金属氧化物和专有化合物。通过颜料和染料进行颜色调整，以获得最终的配色外观。

市售的特定添加剂（也用于激光焊接）已根据 21 CFR 178.3297——聚合物着色剂中的 A–H 条件，获得 FDA 对食品接触和食品包装用途的批准。在欧盟，也有类似的合规声明。认证条件因聚合物类型、添加浓度阈值以及直接或间接接触而异。将 FDA 批准的添加剂混入“最终零件”后经进一步鉴定，可使医疗器械达到生物相容性。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与精加工以及产品防伪。Sabreen 开发开创性技术、解决制造难题已逾 30 年。您可拨打 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

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