光纖雷射：選型與添加劑

光纖雷射：選型與添加劑

編者按：在這篇技術專題中，Scott Sabreen 探討與光纖雷射相關的兩大主題：塑膠打標時的光纖雷射類型選擇，以及透過使用添加劑來提升打標對比度。

重點摘要

• 光纖雷射與其他 DPSS 雷射有根本上的差異——其增益介質分散於光纖光纜本身之中。
• 全光纖結構造就了其可靠性與堅固耐用，也因此帶動其快速成長。
• Q 開關雷射在 100–120 ns 脈衝寬度下，重複率上限約為 80 kHz，這是該技術的固有限制。
• DM-MOPA 在奈秒級脈衝寬度下可達 500 kHz，通常意味著更快的打標速度。
• 並不存在通用的雷射解決方案。應用開發高度取決於具體材料。

常見問題

光纖雷射與其他固態雷射有何不同？

產生光束的增益介質分散於特殊的光纖光纜之中，且與光纖傳輸式雷射不同，整條光束路徑一直都在該光纜內，直到傳輸光學元件為止。這種全光纖結構是其可靠性與堅固耐用的主要原因。

該選固定脈衝還是 MOPA？

視材料而定。100 至 120 ns 的 Q 開關固定脈衝雷射用於部分打標應用，但受技術本身限制，重複率上限約為 80 kHz。直接調變 MOPA 雷射在奈秒級脈衝寬度下可達 500 kHz，通常意味著更快的打標速度。

重複率越高，打標一定越快嗎？

一般而言是的，但必須與其他雷射與波導參數搭配。僅憑重複率無法決定產能——脈衝能量、峰值功率、光束速度與材料反應也都有影響。

是否存在適用於塑膠的單一最佳雷射？

不存在。應用開發高度取決於具體情況，要整合哪種雷射，取決於雷射的輸出特性與經最佳化的聚合物材料如何交互作用。材料與雷射必須一併選擇。

添加劑如何改變光纖雷射能打標的範圍？

添加劑可提升對比度，之後還可透過雷射設定參數進一步強化。聚合物本身傾向於呈現深色或淺色對比，即使同一系列的不同牌號也會產生不同結果，因此添加劑須針對特定牌號來搭配。

塑膠打標的光纖雷射選型——哪種雷射最佳？

奈秒級鐿光纖雷射是打標、焊接與切割領域最重大的進展之一。從根本上說，光纖雷射不同於其他二極體泵浦固態（DPSS）打標雷射。光纖雷射產生雷射光束的增益介質分散於特殊的光纖光纜之中。與光纖傳輸式雷射不同，整條光束路徑一直都在光纖光纜內，直到光束傳輸光學元件為止。這種全光纖結構是這類雷射可靠性與堅固耐用的主要原因，也造就了其快速成長。

塑膠打標該選哪種光纖雷射——固定脈衝還是 MOPA？

IPG Photonics 是高性能光纖雷射的領先開發商與製造商，同時提供固定脈衝的 YLP 系列（有時稱為「Q 開關」）與可變短脈衝的 YLPN（MOPA）雷射。Q 開關光纖雷射的脈衝寬度通常為 100 至 120ns，用於部分打標應用，但由於 Q 開關技術的固有限制，其重複率被限制在約 80kHz。直接調變 MOPA（DM-MOPA）光纖雷射在奈秒級脈衝寬度下，重複率可高達 500kHz。高重複率通常意味著更快的打標速度（需搭配其他雷射／波導參數）。

應用開發高度取決於具體情況，並不存在通用的雷射解決方案。短脈衝寬度的 MOPA 雷射能充分發揮聚合物中所加入敏感化學添加劑的性能。對雷射熱輸入及其輸入速率進行局部的空間與時間控制，可實現最佳性能。

要整合哪種雷射類型，取決於雷射的輸出特性與經最佳化的聚合物材料之間的交互作用。圖 2 呈現了固定與可變（MOPA）脈衝寬度鐿光纖雷射的時間脈衝波形。

在這兩張圖中，各輸入參數的特定組合決定了雷射光束的輸出特性——即脈衝能量、峰值功率（脈衝能量的最高瞬間峰值，焦耳／脈衝寬度），以及平均功率（平均功率（瓦）= 脈衝能量（焦耳）× 脈衝重複率（赫茲））。

設定用於打標的固定脈衝寬度光纖雷射時，必須設定兩項輸入：

• 脈衝重複率（常稱為脈衝頻率），以及
• 泵浦功率百分比（100% 指泵浦二極體可能的最大電輸入）。

設定用於打標的可變短脈衝 MOPA 光纖雷射時，須設定三項輸入：

• 脈衝持續時間（常稱為脈衝寬度）、
• 脈衝重複率（脈衝頻率），以及
• 泵浦功率百分比，如上所述。

使用光纖雷射進行塑膠打標的雷射添加劑

近紅外雷射添加劑可提升對比度，並可透過改變雷射設定參數進一步強化。聚合物本身具有產生「深色」或「淺色」標記對比的固有特性。部分含少量二氧化鈦（TiO2）與碳黑的著色化合物，也可能吸收雷射光，在某些情況下還能改善打標對比度。

即使同屬一個聚合物系列，每種聚合物牌號也可能產生不同結果。添加劑配方不得具毒性，也不得對產品的外觀、物理或功能特性造成不良影響。

與油墨列印製程（移印／網版印刷及噴墨）相比，雷射添加劑更能節省成本，且相較於未經最佳化的材料，打標速度可提升 20% 以上。雷射添加劑以顆粒與粉末形式供應。顆粒產品可直接與聚合物樹脂混合，粉末則須製成色母粒。大多數添加劑都容易分散於聚合物中。依添加劑與聚合物而定，（最終零件中的）重量添加濃度介於 0.01% 至 4.0% 之間。

顆粒與粉末形式均可混入預先配色的複合材料或色母粒。要加入哪種添加劑，取決於聚合物組成、基材顏色、所需的打標對比色，以及最終用途的認證要求。對於擠出、射出成型與熱成型作業，預先配色的複合材料比色母粒能獲得更好的均勻性。

應避免手工混合。模流與澆口類型／位置是重要因素。雷射添加劑在每個零件中均勻分佈／分散，對於達到最佳打標表現至關重要。

部分添加劑含有摻銻氧化錫與三氧化二銻的混合物，可能使天然（未著色）基材的不透明度帶有「灰色」色調。其他添加劑則可能含有鋁粒子、混合金屬氧化物與專有化合物。可使用顏料與染料進行顏色調整，以達到最終的配色外觀。

市售的特定添加劑（亦用於雷射焊接）已依 21 CFR 178.3297——聚合物用著色劑的 A-H 條件，取得 FDA 對食品接觸與食品包裝用途的核可。在歐盟，也有類似的合規聲明。認證條件依聚合物類型、添加濃度閾值，以及直接或間接接觸而定。將經 FDA 核可的添加劑混入「最終零件」後再進一步驗證，可使醫療器材達到生物相容性。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司，業務涵蓋雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發開創性技術並解決製造問題已逾 30 年。歡迎撥打 972.820.6777 或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與他聯絡。

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