雷射輻照度
重點摘要
- 輻照度 = 功率除以面積，單位為焦點光斑處的瓦特／平方公分。
- 光斑大小比原始功率更重要。較小的光斑可將相同的瓦數集中成高得多的強度。
- 光束品質決定可達到的最小光斑。低 M2 值可實現更緊密的聚焦與更高的輻照度。
- 過高會造成損傷，過低則無法打標——可用視窗的兩端皆有界限。
雷射輻照度
雷射輻照度是光功率除以其照射面積，單位為瓦特／平方公分（W/cm²）。它描述光束在工件上的集中程度——而在塑膠上，決定標記能否形成、以何種機制形成，以及周圍材料能否保持完好的，是輻照度，而非雷射的額定瓦數。
輻照度 = 功率（W）÷ 光斑面積（cm²）
為何額定功率會造成誤導
光斑面積與光斑直徑的平方成正比，因此在相同功率下，聚焦光斑縮小一半，輻照度即增為四倍。兩台光束品質、擴束鏡與f-theta 焦距各不相同的 30 W 打標系統，在零件上所提供的輻照度可能相差一個數量級。
這正是打標配方不能僅靠複製功率與速度就在機台之間轉移的實際原因，也說明了為何「為了彈性」而指定大打標範圍，會悄悄削弱打標能力——焦距越長，光斑越大，功率密度越低。
輻照度與能量密度
兩者經常被混淆，實則描述不同的事物：
| 輻照度 | 能量密度 | |
|---|---|---|
| 物理量 | 單位面積的功率 | 單位面積的能量 |
| 單位 | W/cm² | J/cm² |
| 描述 | 光束打擊的力道 | 傳遞的總劑量 |
| 決定 | 是否越過閾值 | 有多少材料產生反應 |
對脈衝式打標雷射而言，兩者的區別更為明顯，因為奈秒脈衝內的峰值輻照度可比平均值高出許多個數量級。一台以 20 kHz 發射 100 ns 脈衝的 30 W 雷射，平均功率為 30 W，但峰值功率達數十千瓦。驅動打標機制的是該峰值；平均功率則主要決定零件內累積多少廢熱。
聚合物的製程視窗
塑膠可用的視窗比金屬更窄，兩端皆有界限：
- 低於閾值——表面升溫，或許出現輕微變色，但不會形成耐久的標記。提高速度或降低功率會使狀態更深入此區間。
- 在視窗內——受控的碳化、發泡或顏色變化產生預期的對比度。
- 高於視窗——快速汽化、燃燒、熔融、焦化暈圈、內應力與尺寸變形。
視窗的位置取決於樹脂、其添加劑配方及著色劑，這就是為何經驗證的配方屬於特定的材料牌號，而非泛指整個聚合物系列。
實務上如何控制輻照度
- 焦點位置是最直接的調整手段。刻意離焦會放大光斑並使輻照度急遽下降——這是減弱過強標記的正當技巧，但在零件高度不一時，也常是標記偏弱的無意成因。
- 光束品質（M²）決定可達到的最小光斑。低 M² 才能在不需高功率的情況下實現高輻照度。
- 在MOPA光源上，脈衝持續時間可直接改變峰值輻照度，而平均功率維持不變——這是在不增加熱量下提高強度最乾淨的方式。
- 平均功率通常應是最後才調整的項目，因為提高功率在增加強度的同時，也會增加整體受熱。
計算範例
只要算過一遍，就能清楚看出額定功率為何會造成誤導。以 20 W 光源為例，只改變焦點：
| 條件 | 光斑直徑 | 光斑面積 | 20 W 的輻照度 |
|---|---|---|---|
| 良好聚焦，短焦距鏡片 | 30 µm | 7.1 × 10-6 cm² | 約 2.8 × 106 W/cm² |
| 聚焦，較長焦距鏡片 | 60 µm | 2.8 × 10-5 cm² | 約 7.1 × 105 W/cm² |
| 略微離焦 | 120 µm | 1.1 × 10-4 cm² | 約 1.8 × 105 W/cm² |
| 嚴重離焦 | 300 µm | 7.1 × 10-4 cm² | 約 2.8 × 104 W/cm² |
光斑直徑加倍，輻照度降為四分之一，因為面積與直徑的平方成正比。在同一台機器、同一功率設定下，僅透過焦點與鏡片的選擇，就能產生 100 倍的傳遞強度變化。這就是為何在某系統上有效的配方，在額定功率相同的另一系統上卻會失效，也是標記品質劣化時首先應檢查焦點的原因。
量測實際傳遞的輻照度
輻照度是計算出來的，而非從前面板讀取，因此計算中的兩項都必須實測，而不是假設：
- 在工件處量測功率，而非在光源處。掃描頭下方的功率計可涵蓋擴束鏡、振鏡、f-theta 鏡片與保護窗的傳輸損耗——這些損耗合計很少可以忽略，且會隨光學元件受污而惡化。
- 要實際確定光斑大小，而非引用規格。光束分析儀可直接給出。若無，則可在熱感紙或陽極氧化鋁上進行穿越焦點的燒灼印痕系列，找出光腰位置並得到可用的估計值。
- 考量光束品質。可達到的最小光斑與 M² 成正比，因此功率與焦距相同的兩個光源，若光束品質不同，輻照度並不相同。
- 任何光學變更後都要重新檢查。更換鏡片、新的保護窗或重新校準的場域，都會改變傳遞的輻照度，而打標配方中卻沒有任何一個數字改變。
- 區分平均值與峰值。在脈衝光源上，脈衝期間的峰值輻照度才驅動材料反應，它可能比功率計報告的平均值高出數個數量級。
從輻照度診斷標記
| 症狀 | 輻照度解讀 | 處置 |
|---|---|---|
| 無標記，或標記淡且不一致 | 低於材料閾值 | 先檢查焦點再增加功率。離焦光束是最常見的成因，也是成本最低的修正。 |
| 場域中心標記良好，邊緣偏弱 | 輻照度隨場域位置衰減 | 場域平坦度或焦平面誤差。在立體零件上，固定焦點無法在整個表面維持輻照度。 |
| 燃燒、熔融或起泡 | 高於有效視窗 | 提高速度或稍微離焦，而非降低功率，否則可能使其他位置的標記低於閾值。 |
| 配方移到相同機台後失效 | 光斑大小或光學傳輸率不同 | 在兩台機器上分別量測工件處功率與光斑大小。額定功率相同並不能證明什麼。 |
| 數月間逐漸劣化 | 光學元件受污造成傳輸損耗 | 工件處的實測功率會顯示前面板未呈現的衰退。 |
| 標記品質隨零件在治具中的高度而變 | 零件落在景深之外 | 加強治具高度控制，或指定具動態聚焦的三軸掃描頭。 |
相關術語與延伸閱讀
在生產中的實際應用
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常見問題
什麼是雷射輻照度？
雷射光束單位面積的功率，通常以瓦特／平方公分表示，並於焦點或光束光斑處量測。它決定傳遞至材料的能量強度，因而決定光束接觸表面時會發生什麼。
輻照度與能量密度有何差別？
輻照度是單位面積的功率，本質上是強度。能量密度（fluence）是單位面積的能量，單位為焦耳／平方公分，描述傳遞的總劑量。輻照度決定光束打擊的力道；能量密度決定傳遞的能量多寡。
哪些因素會改變輻照度？
雷射功率、焦點光斑大小、光束品質與波長。功率越大，輻照度越高；光斑越小，越能集中；低 M2 值可實現更緊密的聚焦。波長之所以重要，是因為它同時影響吸收與可達到的聚焦。
為何單看雷射瓦數會造成誤導？
因為形成標記的是標記表面的功率密度，而這與雷射的額定輸出不同。兩台光束品質與光學系統各異的 50 W 系統，在工件處提供的輻照度可能差異極大。
輻照度設定錯誤會發生什麼事？
過高會造成快速升溫與汽化，導致龜裂、過度燒灼，或超出預期標記範圍的損傷。過低則可能產生緩慢而微弱的標記，甚至完全沒有可見標記。這兩種失效模式在未最佳化的製程中都很常見。
為何相同瓦數在兩台機器上會有不同結果？
因為輻照度取決於光斑面積，而非額定功率。光斑直徑加倍，傳遞強度降為四分之一，因此鏡片焦距、光束品質與焦點位置，可在同一功率設定下，使實際到達材料的強度相差百倍。除非傳遞的光斑大小與光學傳輸率一致，否則額定功率相同的兩台機器並不等效。
實際傳遞的輻照度是如何量測的？
以掃描頭下方的功率計在工件處量測功率，這可涵蓋擴束鏡、反射鏡、f-theta 鏡片與保護窗的損耗。接著以光束分析儀確定光斑大小，或由穿越焦點的燒灼印痕系列估算。兩項都必須實測——僅引用光源額定值與鏡片規格，得到的數值可能與實際相去甚遠。
標記品質劣化時，應先檢查什麼？
焦點。它是影響輻照度最大的單一因素，也是最容易漂移的項目，無論是因治具磨損、零件高度變化或光學變更。以增加功率來補償離焦的光束，只能暫時奏效，之後反而讓一切更糟，因為這會擴大場域中心與邊緣之間的差距。
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