基础知识
解决激光刻印机相关的基本问题。从“激光是什么?”学起的问&答全集的“基础知识篇”。
基础知识 vol.1
Q1 什么是激光?
laser(激光)这个术语是“light amplification by stimulated emission of radiation(通过受激辐射线的放射达到光的放大)”的首字母缩写。
激光有以下属性:
- (1) 杰出的单色性(光束由纯粹单一波长的光波组成),
- (2) 杰出的方向性(光束由平行的光波组成,传播时不会扩散),
- (3) 高度相干性(光束的所有光波相互之间都是相同的)。
普通的光和激光束之间的区别
激光发出具有高方向性的光束,即组成的光波在一条直线上传播,不会扩散。普通的光源发出的光波会朝各个方向扩散。激光束内的光波都是相同颜色的(此性质叫单色性)。普通的光(比如荧光灯管发出的光)一般来说是几种颜色的光混合后表现为白色。当激光束内的光波传播时,它们以完全同步的波峰和波谷发生振荡,这种特性叫做相干性。当两个激光束相互重叠时,每个光束的波峰和波谷只会相互加强,产生一个干涉图。
普通的光 | 激光束 | |
---|---|---|
方向性 (光波以直线形式传播) |
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单色性 | ![]() |
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相干性 | ![]() |
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Q2 YVO4激光和CO2激光之间有什么区别
以下图表根据应用中的典型用途简要描述了不同种类的激光刻印机。
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_002_1917036.jpg)
CO2,YVO4和YAG激光刻印机之间的区别
CO2和YVO4/YAG激光刻印机能产生不同波长的激光,就是说它们各自适合刻印不同类型的材料。这就必须了解每种激光的强项和弱点,从而选择更适合您应用的机型
Q3 激光刻印机有危险吗?
以下图表根据等级,还有使用每种类型时用户应该注意的事项列出了激光的各个级别。
IEC标准
激光等级 | 等级定义 |
---|---|
1类 | 在适度可预知的操作条件下,包括使用光学仪器进行光束内视,安全的激光。 |
1M类 | 发出激光的波长在302.5nm到4,000nm之间,在适度可预知的操作条件下安全的激光,但是如果用户在光束内使用光学器材可能会有危险。 |
2类 | 发出可见光辐射,波长在400nm到700nm之间,通常会产生厌光反应的眼部保护机制,包括瞬目反射的激光。这种反应可以预期,在适度可预知的操作条件下,包括使用光学仪器进行光束内视时要提供足够的保护。 |
2M类 | 发出可见光辐射,波长在400nm到700nm之间,通常会产生厌光反应的眼部保护机制,包括瞬目反射的激光。但是,如果用户在光束内使用光学器材,注视输出激光可能更危险。 |
3R类 | 发出激光的波长在302.5nm到106nm之间,直接的光束内视有潜在危险,但是危险程度比3B类激光要低,用户采用的制造要求和控制措施比用于3B类激光的要低。 可达到的发射限度在波长在400nm到700nm之间的2级AEL的五倍之内,且在其它波长范围的1级AEL的五倍之内。 |
3B类 | 暴露在光束内时通常有危险的激光。 (即NOHD(额定目视危险距离)以内)。注视漫反射通常是安全的。 |
4类 | 同时能产生有害漫反射的激光。它们会造成皮肤灼伤,还能形成火灾。使用它们需要极度小心。 |
CO2 激光刻印机(ML-Z系列)和YAG激光刻印机(MD-X系列)被归为4类激光。
Q4 激光刻印机背后的原理是什么?
激光通过振荡器内反射镜之间的往复运动被放大。
被放大的激光从输出镜发出,通过fθ镜头在目标表面聚焦。
激光刻印机通过移动带有独立扫描器的X轴,Y轴和Z轴上的焦点来工作。
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_004_1917038.jpg)
Q5 激光刻印机能在被刻印部件上产生色彩对比度吗?
根据材料的类型,能达到色彩对比度。YAG/YVO4激光在上色方面比CO2 激光更有优势,尽管还要看与树脂材料的兼容性。
激光刻印的分类
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_005_1917039.jpg)
Q6 激光是可见光吗?
激光本身是不可见的。由于激光特有的高度方向性,我们无法看到光束的路线。通常我们只能看到激光在任何物体上的漫反射和反射。在有薄雾或空气中有微粒的环境中,我们能看到光束的路线,因为光被微粒漫反射和反射。
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_006_1917040.jpg)
Q7 激光刻印会消失吗?
由于激光通过“挖掘”或“发色”等对目标物进行物理加工,通常半永久性的刻印不会消失。
使用激光刻印机进行物理加工的示例
加工类型 | 典型的目标材料 |
---|---|
熔化表面 | 树脂 |
烧灼 | 纸张,树脂 |
剥离表面 | 电镀金色,印刷纸张 |
氧化表面 | 金属 |
铭刻 | 玻璃,金属 |
变色 | 树脂 |
反应根据树脂的类型而定。
激光类型(CO2或YAG)没有说明。
难以消失的刻印
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_007_1917041.jpg)
基础知识 vol.2
Q8 有没有不能用激光进行刻印的东西?
原则上能在各种材料上进行刻印。但是,某些材料根据所使用激光刻印机的类型而无法刻印。因此,激光刻印机的类型一定要根据目标材料和用途来选择。无法利用某些激光刻印机刻印的典型材料示例列出如下。
用CO2激光刻印机(30W级)难以刻印的材料
大多数金属,锆陶瓷
这些材料几乎不吸收CO2激光的波长,所以无法进行良好的刻印。YVO4或YAG激光适用于刻印这些材料。
*CO2 激光加工机(例如100W级或更高)能用于激光机械加工,例如金属切割。
用YVO4/ YAG激光刻印机难以刻印的材料
透明物体
YVO4 / YAG激光刻印机的波长会透过透明物体,使得刻印无法进行。要在透明表面上刻印,请使用CO2激光刻印机。
- 在透明物体上刻印的示例(CO2激光刻印机的应用)
-
玻璃瓶 PET瓶
Q9 激光刻印是怎样产生色彩对比度的?
有色刻印的原理被分为四种类型:
- 发泡刻印
- 冷凝刻印(需添加剂)
- 碳化刻印(需添加剂)
- 通过化学效应刻印
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_010_1917044.jpg)
1. 发泡
![发泡](/Images/ss_lasermarker_q_basic_036_1925659.png)
发射激光时,通过加热在基础材料上产生气泡。气泡蒸发后气体被密封在基础材料上的表层以下,膨胀时呈现白色。较深的基色明显地改变为较浅的基色,因此可见度很高。
示例:红色变粉红色。
2. 冷凝
![冷凝](/Images/ss_lasermarker_q_basic_037_1925660.png)
当基础材料中含有的染料成分吸收了激光的能量,染料的分子密度因为热量而增加,染料因而凝结,变成深色。
3. 碳化
![碳化](/Images/ss_lasermarker_q_basic_038_1925661.png)
通过持续释放高能量,染料周围的聚合体材料发生碳化,并变黑。
4. 化学变化
![化学变化](/Images/ss_lasermarker_q_basic_039_1925662.png)
基础材料的染料成分中总是含有金属离子。由于金属离子的晶体结构和结晶的含水量被激光束改变,成分结构发生化学变化,增加了染料的浓度,因而能够上色。
Q10 运行成本是多少?
零成本
原则上说,除了日常的电力成本以外无需各种成本。用光刻印使激光刻印机具备了“无需耗材”和“长使用寿命”两大特点。激光刻印机显著减少了许多材料管理的步骤,而且无需墨水和标签的成本。
比较运行成本
Q11 可以直视激光吗?
切勿直视激光,被镜面反射的激光或漫反射的激光。
如果眼睛直接暴露在激光下,可能会导致失明。
使用激光设备时,操作员必须戴上专用的防护镜保护眼睛。
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_013_1917047.jpg)
Q12 “刻印空间”是什么意思?
用于三轴控制激光刻印机的术语“刻印空间”就是指用于2D控制激光刻印机的术语“刻印区域”。2D控制激光刻印机只能进行2D刻印,即“区域”。另一方面,三轴控制激光刻印机提供了一个体积或“空间”的概念,因为焦点是不断变化。所以,对于三轴控制激光刻印机,要用“空间”表达,而不是“区域”。
2D控制激光刻印机
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_014_1917048.jpg)
焦点调整只能在平面基础上进行,即2D。
三轴控制激光刻印机
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_015_1917049.jpg)
基础知识 vol.3
Q13 激光刻印机怎样创建打印图像?
被放大的激光束把光聚集在目标表面。利用被称为扫描镜的镜子来扫描这个聚集点,激光就能在一次通过后创建打印图像。部分机型使用二轴控制,有一个X轴扫描器和一个Y轴扫描器,只能在平面上进行刻印。KEYENCE 全新的机型还有Z轴扫描器,能进行高度控制。它们能在各种 3 维形状上清晰地刻印。
Q14 哪些行业会用到激光刻印机?
激光刻印机传统上应用于电器产品,电子元件和金属部件。
今天,它们的用途已经延伸到了医药,汽车,食品和药品,以及其它众多的消费行业。
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_017_1917051.jpg)
Q15 在预先打印好的盒子上刻印用什么更好,激光刻印机还是喷墨打印机?
相比喷墨打印机,激光刻印机拥有更好的打印质量,较低的运行成本,以及少的多的维护工作。
用激光刻印预先打印好的盒子时,创建一个统一的打印背景,增加了打印的可见度。在白色背景上打印时,激光刻印机能打印出烙印图案。
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_018_1917052.jpg)
Q16 激光刻印机的打印是长期性的吗?
激光刻印机的一大特点是能打印半永久性的打印图像。
请注意,由于激光刻印机是对目标表面进行物理加工,所以打印的图像无法像用油墨打印的图像那样容易去除。这种特点使得激光刻印机在安全应用方面(防止伪造)在近年来日益受到青睐。
![打印图像尺寸(典型), 标志, 条码, 2D 代码, RSS代码, BMP数据,JPEG数据](/Images/ss_lasermarker_q_basic_019_1917053.jpg)
Q17 什么是“单一模式”以及它具有那些优势?
单一模式的激光束聚集到一个点上的截面,并展现点对称。单一模式光束较之多模式光束能进行更精细,更高质量的刻印,因为后者的功率分布不一致。
MD-X系列(超级单一模式激光)
峰值功率聚集在光束的中心。由于光束是利用许多短暂的脉冲进行刻印,因而不会造成过大的应力。
这样打印的清晰度就能到达罕见的高水平。
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_047_1927150.png)
- 超高清晰打印,超精细处理
-
- 产生颗粒少
- 打印质量稳定
- 色彩能力提高
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_048_1927151.png)
YAG(多模式)激光
峰值功率在光束中随机产生。 因为大量的低功率脉冲难以达到统 一的打印质量。
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_049_1927152.png)
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_050_1927153.png)
Q18 激光刻印机还能进行其它哪些处理?
虽然 KEYENCE 的大多数激光刻印机都用来刻印,还是有一大部分被用于加工处理,比如以下这些。
激光刻印机处理示例
CO2 激光: 切割和钻孔是 CO2 激光刻印机主要的两项处理应用。
YVO4 激光: 高精度刻印是 YVO4 激光刻印机主要的处理应用。
基础知识 vol.4
Q19 “峰值功率”是什么意思?
峰值功率是激光一次脉冲能量除以其脉冲宽度的值。它以瓦特表示(W)。
Q20 KEYENCE的激光刻印机是红外线激光吗?
KEYENCE 的 CO2 激光刻印机与 YAG/YVO4 激光刻印机使用的是红外激光。这表示光束的波长要大于 780 nm。
一般来说,激光刻印机有许多不同的波长——某些在可见光谱中(380 到 780 nm),其它在紫外光范围中。
Q21“扫描”和“遮蔽”二者有什么区别?
如同对问题 13 的回答中所作的论述,扫描型激光刻印机把一条单一的激光束在目标上进行扫描,一次通过后就打印出图像。遮蔽型激光刻印机把光束以平面形式发射,通过一个 LC 遮罩或金属遮罩。只有通过遮罩的部分会在目标物体上 进行打印。
优点
- 打印的数据能根据每一次打印任务变化,能进行“批量”和“系列”的打印应用。
- 消除了更改设置的需要。
目标物体可以频繁更换,因为只需改变寄存的数据即可。 - 能在移动的物体上打印
缺点
- 打印时间随着打印数据的增加而延长。
优点
- 高速连续打印相同数据的能力
- 高分辨率
缺点
- 许多应用需要辅助气体,造成高运行成本。
- 不能在移动物体上打印。
- 需要遮罩(模板)。
- 设备相对比较大。
扫描激光能达到较高的速度,克服了此方式的限制,使得扫描成为打印的主流方式。
Q22 YVO4 激光刻印机是怎样工作的?
YVO4 代表钒酸钇(Y 即钇,VO4 即四氧化钒)。YVO4 激光使用 Nd(钕)和一个晶体作为激光介质。用一个灯或激光二极管(LD)作为光源,它们把波长固定的光照到 YVO4 晶体上,从而产生波长为 1064 nm的光束——YVO4 激光本身,经常用YAG(钇铝石榴石)代替 YVO4 晶体作为振荡 1064 nm 激光的介质。这种激光就被称作 YAG 激光。
YVO4 激光刻印机的工作原理
- 激发光从 LD 模块中发出,通过光纤光学电缆到达激光器。
- 光离开终端,照射 YVO4 晶体(端面抽运),产生高度聚合以及能量分布均匀的激光束(单一模式光束)。
- 激光束在全反射镜和输出镜之间被放大,然后通过 f-theta 镜头,在目标物体表面聚集。
- 聚合的的激光点利用 X 轴和 Y 轴扫描电动机进行扫描,在目标物体表面产生打印图像。
Q23 什么是半导体激光?
简而言之,产生激光需要半导体材料。当p侧的孔与 n 侧的电子结合时,在 p-n 结合点之间的激发层会产生光。
该结构非常类似于二极管。区别是用 GaAs 做主体,能量在它身上表现为光而非热量,从而把二极管变成了 LED(发光二极管)。
半导体晶体(激发层)把光放大,其构造能防止漏光。半导体激光主要用于通信,光盘,以及激光激发源等用途。
Q24 什么是三轴控制激光?
顾名思义,三 轴控制激光能在目标物体上打印具有 3 维形状的清晰图像。2D控制激光刻印机只能控制 X 轴和 Y 轴,所以它们只能在平面(2 维)上打印。具备 三 轴控制的激光刻印机能在 X 和 Y 轴以及 Z 轴上进行操作。这样的 三 轴控制能在几乎所有的形状上进行多种打印,包括圆柱形,锥形,和倾斜的表面,甚至高度不一的表面。
三 轴控制特点
3D 控制激光刻印机设定示例
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_032_1917066.jpg)
3D 控制激光刻印机打印示例
大大减少更改设置所需的工时
![](/Images/ss_lasermarker_q_basic_034_1917068.jpg)
- 三轴控制激光刻印机
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能够以42 mm宽度改变焦点进行刻印