激光辐照度
要点速览
- 辐照度 = 功率除以面积，单位为焦点光斑处的瓦每平方厘米。
- 光斑尺寸比原始功率更重要。更小的光斑可将同样的瓦数集中为高得多的强度。
- 光束质量决定可达到的下限。低 M2 值可实现更紧的聚焦和更高的辐照度。
- 过高会损伤，过低则打不出标记——可用窗口两端都有边界。
激光辐照度
激光辐照度是光功率除以其作用面积，单位为瓦每平方厘米 (W/cm²)。它描述光束在工件上的集中程度——而在塑料上，决定能否形成标记、由何种机理形成、周围材料能否保持完好的，是辐照度，而不是激光器的额定瓦数。
辐照度 = 功率 (W) ÷ 光斑面积 (cm²)
额定功率为何会产生误导
光斑面积与光斑直径的平方成正比，因此在功率相同的情况下，聚焦光斑缩小一半，辐照度就增至四倍。两台 30 W 打标系统，若光束质量、扩束镜和f-theta 焦距不同，在零件上的辐照度可以相差一个数量级。
这就是为什么不能仅靠复制功率和速度就把打标配方从一台设备转移到另一台，也是为什么为“灵活性”而指定大打标幅面会悄然降低打标能力——焦距越长，光斑越大，功率密度越低。
辐照度与能量密度
两者经常被混淆，但描述的是不同的量：
| 辐照度 | 能量密度 | |
|---|---|---|
| 物理量 | 单位面积功率 | 单位面积能量 |
| 单位 | W/cm² | J/cm² |
| 描述 | 光束作用的猛烈程度 | 传递的总剂量 |
| 决定 | 是否越过阈值 | 材料的响应程度 |
对于脉冲打标激光器，两者的区别更加明显，因为纳秒脉冲内的峰值辐照度可比平均值高出许多个数量级。一台 30 W 激光器以 20 kHz 发射 100 ns 脉冲，平均功率为 30 W，但峰值功率可达数十千瓦。驱动打标机理的是这一峰值；平均功率则主要决定零件中累积多少废热。
聚合物上的工艺窗口
塑料的可用窗口比金属更窄，两端都有边界：
- 低于阈值——表面升温，可能出现轻微变色，但不会形成持久标记。提高速度或降低功率会进一步进入这一区域。
- 处于窗口内——受控的碳化、发泡或颜色变化产生预期的对比度。
- 高于窗口——快速汽化、燃烧、熔融、焦化晕圈、内应力和尺寸变形。
窗口的位置取决于树脂、其添加剂体系和着色剂，因此经过验证的配方属于特定的材料牌号，而不是泛指某一类聚合物。
在实践中控制辐照度
- 焦点位置是最直接的调节手段。有意离焦会增大光斑并使辐照度急剧下降——这是柔化过强标记的合理手段，而在零件高度变化时，也常常是标记偏弱的无意成因。
- 光束质量 (M²) 决定可达到的最小光斑。低 M² 使得无需高功率即可获得高辐照度。
- 在MOPA光源上，脉冲宽度可在平均功率不变的情况下直接改变峰值辐照度——这是在不增加热量的前提下提高强度的最干净的办法。
- 平均功率通常应作为最后的调整项，因为提高它在增强强度的同时也会增加整体加热。
计算示例
只要做一下算术，就能明白额定功率为何会产生误导。以一个 20 W 光源为例，只改变焦点：
| 条件 | 光斑直径 | 光斑面积 | 20 W 下的辐照度 |
|---|---|---|---|
| 良好聚焦，短焦距镜头 | 30 µm | 7.1 × 10-6 cm² | 约 2.8 × 106 W/cm² |
| 聚焦，较长焦距镜头 | 60 µm | 2.8 × 10-5 cm² | 约 7.1 × 105 W/cm² |
| 轻微离焦 | 120 µm | 1.1 × 10-4 cm² | 约 1.8 × 105 W/cm² |
| 严重离焦 | 300 µm | 7.1 × 10-4 cm² | 约 2.8 × 104 W/cm² |
光斑直径加倍，辐照度降至四分之一，因为面积与直径的平方成正比。在同一台设备、同一功率设置下，仅通过焦点和镜头的选择，就可使传递强度相差 100 倍。这就是为什么一个在某系统上有效的配方在另一台额定功率相同的系统上会失效，也是为什么标记质量下降时首先要检查焦点。
测量您实际传递的辐照度
辐照度是计算出来的，而不是从前面板读出来的，因此计算中的两项都必须测得，而不能想当然：
- 在工件处测量功率，而不是在光源处。扫描头下方的功率计可计入扩束镜、振镜、f-theta 镜头和保护窗的传输损耗——这些损耗合计很少可以忽略，而且会随光学元件污染而恶化。
- 确定光斑尺寸，而不是引用规格值。光束分析仪可直接给出该数值。否则，在热敏纸或阳极氧化铝上通过焦点做一系列烧蚀打印，可以定位束腰并给出可行的估计。
- 考虑光束质量。可达到的最小光斑与 M² 成正比，因此功率和焦距相同的两个光源，若光束质量不同，产生的辐照度并不相同。
- 任何光学变更之后都要重新检查。更换镜头、新的保护窗或重新校准幅面，都会改变传递的辐照度，而打标配方中的任何数值都不会变。
- 区分平均值与峰值。在脉冲光源上，驱动材料响应的是脉冲期间的峰值辐照度，它可能比功率计所报告的平均值高出几个数量级。
通过辐照度诊断标记问题
| 症状 | 辐照度解读 | 措施 |
|---|---|---|
| 无标记，或标记微弱且不一致 | 低于材料阈值 | 增加功率之前先检查焦点。离焦光束是最常见的原因，也是成本最低的修复项。 |
| 幅面中心标记良好，边缘偏弱 | 辐照度随幅面位置衰减 | 幅面平坦度或焦平面误差。在三维零件上，固定焦点无法在整个表面上保持辐照度。 |
| 燃烧、熔融或起泡 | 高于有效窗口 | 提高速度或略微离焦，而不是降低功率，后者可能使其他位置的标记低于阈值。 |
| 配方转移到相同的设备上失效 | 光斑尺寸或光学透过率不同 | 在两台设备上测量工件处的功率和光斑尺寸。额定功率相同并不能说明任何问题。 |
| 数月内逐渐劣化 | 光学元件污染导致传输损耗 | 工件处的实测功率会显示前面板所不能显示的下降。 |
| 标记质量随夹具中零件高度而变化 | 零件位于焦深之外 | 加强夹具高度控制，或指定带动态聚焦的三轴扫描头。 |
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在生产中的应用
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常见问题
什么是激光辐照度？
激光束单位面积上的功率，通常以瓦每平方厘米表示，在焦点或光斑处测量。它决定了传递给材料的能量强度，因此也决定了光束接触表面时会发生什么。
辐照度与能量密度有什么区别？
辐照度是单位面积上的功率，本质上是强度。能量密度是单位面积上的能量，单位为焦耳每平方厘米，描述传递的总剂量。辐照度决定光束作用的猛烈程度；能量密度决定传递了多少能量。
哪些因素会改变辐照度？
激光功率、焦点光斑尺寸、光束质量和波长。功率越大，辐照度越高；光斑越小，越能集中；低 M2 值允许更紧的聚焦。波长之所以重要，是因为它同时影响吸收和可达到的聚焦效果。
为什么激光的原始瓦数会产生误导？
因为形成标记的是标记表面的功率密度，而这与激光器的额定输出不同。两台 50 W 系统，若光束质量和光学元件不同，在工件处传递的辐照度可能大相径庭。
辐照度设置错误会怎样？
过高会导致快速加热和汽化，造成开裂、过度燃烧或超出预期标记范围的损伤。过低则可能只产生缓慢、微弱的标记，甚至完全看不到标记。这两种失效模式在未经优化的工艺中都很常见。
为什么相同瓦数在两台设备上结果不同？
因为辐照度取决于光斑面积，而不是额定功率。光斑直径加倍，传递强度降为四分之一，因此在同一功率设置下，镜头焦距、光束质量和焦点位置可使实际到达材料的强度相差百倍。除非传递的光斑尺寸和光学透过率一致，否则额定功率相同的两台设备并不等效。
如何实际测量传递的辐照度？
用扫描头下方的功率计在工件处测量功率，这样可计入扩束镜、反射镜、f-theta 镜头和保护窗的损耗。然后用光束分析仪确定光斑尺寸，或通过焦点处的一系列烧蚀打印来估算。两项都必须测量——仅引用光源额定值和镜头规格所得到的数值，可能与实际相去甚远。
标记质量下降时应首先检查什么？
焦点。它是影响辐照度的最大单一因素，也是最容易漂移的部分，无论是由于夹具磨损、零件高度变化还是光学元件变更。为补偿离焦而增加功率只能短暂奏效，之后会让一切更糟，因为这会拉大幅面中心与边缘之间的差距。
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