激光雕刻技术

激光雕刻技术激光院王强（B201413005）激光是二十世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。激光雕刻是利用高能量密度的激光束作用于目标,利用高能量，极短脉冲的激光，使物质瞬间被汽化，不伤及周围物质，并可精确的控制作用深度，使目标表面发生物理或化学的变化,它代替传统的凿子和刻刀,对工件多余的部分去除雕刻,从而获得可见图案的雕刻方式。激光雕刻与传统的雕刻工艺相比有明显的优点:雕刻窄,节省材料;只需定位而不需夹紧、划线、去油等准备工序;工件无机械应力、变形小;非接触式加工、污染小、无磨损;能雕刻易碎的脆性材料,和极软、极硬的材料;速度快,可向任何方向行进,可从任何一点开始,雕刻清晰永久,防伪功能强、经济效益好;易于数控或计算机自动化控制,并可多工位操作。近年来,随着激光器的可靠性和实用性的提高,加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进促进了激光雕刻技术的发展,使得激光雕刻技术得到广泛应用。在激光技术中激光雕刻技术是较常见的。激光雕刻的物理过程是把激光作为热源,对材料进行烧蚀、去除激光束照射到材料表面时,一小部分光从材料表面反射,大部分光透入材料被材料吸收,透入材料内部的光能量转化为热能,对材料起加热作用,在足够功率密度的激光束照射下,使被加工材料表面达到熔化和汽化温度,从而使材料汽化蒸发或熔融溅出,雕刻出所需要的图形。图1不同材料的波长吸收率函数关系曲线不同材料对于不同波长光波的吸收与反射有着很大的差别，材料表面的光波吸收率A也可用下式估算：2222(1)1(1)nkAnk式中：n和k是复折射率的实数和虚数部分(非金属材料：k=0)。对于大多数金属，吸收率A=0.05至0.3。为提高材料对激光的吸收率，可采用表面粗糙或人为弄黑表面。激光雕刻有三种方式：CO2激光雕刻,Nd:YAG激光雕刻，准分子激光雕刻。这三种激光雕刻技术都在某些方面体现了它们各自的特性和优点，所以有不同的应用领域[1]。1.CO2激光雕刻机的发展情况20世纪70年代后期,Buekley和Jenkins开始研制激光雕刻网纹辊。在此之前,大部分采用气体二氧化碳作为激光介质,用CO2激光器雕刻陶瓷网纹辊[2]。二氧化碳激光雕刻的网纹辊在很大程度上满足了柔性版印刷业的发展需要,特别是包装印刷业发展的要求。可以说激光雕刻的陶瓷网纹辊在柔性版印刷机中的成功应用,是这些年来柔性印刷发展如此迅速并能与胶印和凹印方式形成竞争局面的重要因素之一。二氧化碳激光雕刻机经过3个发展阶段：第一代二氧化碳激光雕刻机实际上是用激光作为光笔的放大尺，用一脚踩开关控制光笔工作，可以用来复制书法、曲线图像和人像。激光在工件上刻制出与原稿相似图像。这是一种简单的原始的二氧化碳激光雕刻机，成本低廉。第二代二氧化碳激光雕刻机是用来雕刻木刻形图形的，用单片机控制光斑在xy平台上逐线扫描。在原稿亮处激光器关闭，原稿暗处激光器打开，从而加工出黑白的图形。激光器的焦点直径为014mm，图形的黑区实质上是由宽014mm、深为212mm的一系列线条组成。一幅画面可分成550条线，阅读头也可进行同步扫描。阅读头具有014mm光孔，由一个半导体发光管与接收管组成，接收发射管照明的图像反射光线，经单片机取阈值后控制二氧化碳激光器的开关。第三代二氧化碳激光雕刻机，控制系统用个人计算机代替了单片机，因而也称之为微机控制的二氧化碳激光雕刻机[2]。采用CCD照相机一次读入512×512的像点及其灰度等级。经抖动法处理将具有256等级的灰度转变为该区的黑点子密度，从而大大压缩信息的容量,克服图像的明暗灰度层次，解决图像的放大与缩小问题，完成对立体图像与大幅图像的阅读以及对多幅图像的信息存储和处理。2.Nd:YAG激光雕刻网纹辊经历的逐步完善和发展阶段人们不断地想方设法提高激光雕刻陶瓷网纹辊的质量，使柔版印刷产品的质量能赶上甚至超过胶印和凹印。于是从提高制版精度，严格要求陶瓷网纹辊的精细度(线数)和存墨量入手，经过几年的探索和努力，终于在1996年左右推出了Nd:YAG激光雕刻的陶瓷网纹辊。Nd:YAG激光器是在钇铝石榴石基体中掺入氧化钕而制成的。激活离子也是钕离子，输出波长为1106μm。由于Nd:YAG具有荧光谱线窄，量子效率高，导热性好等优点，使之成为三种固体激光器中唯一能够实现连续运转的固体激光器，也是激光热加工中常用的一种固体激光器[3]。Nd:YAG激光雕刻辊经历了逐步完善和发展阶段。以下列出它的主要发展过程[4]：第一阶段：推出Nd:YAG激光雕刻陶瓷网纹辊，具有定位精度高、储墨容积高、网线数高和低重熔物等特点。陶瓷网纹辊雕刻网线范围800～1600LPI。第二阶段：其技术特点是每只网孔都是利用YAG激光多次击打形成，从而实现雕刻大孔深孔的目的。这种雕刻原理在CO2激光雕刻加工中己成功地采用过。这一方法用到Nd:YAG激光雕刻，其雕刻网线数范围可降至450LPI。生产效率低是这一方法的明显弱点。第三阶段：其技术特点是改变输出激光脉冲的宽度对网纹辊进行激光雕刻。第一、二阶段的YAG激光脉冲采用的是短脉冲。激光刻出的网孔特点体现了短脉冲激光雕刻加工的特点。第三发展阶段中就补充了可提供长脉冲激光雕刻的手段。厂家可根据实际需要选用长脉冲或者短脉冲的YAG激光器。由于采用了长脉冲雕刻，其雕刻网孔的特点类似于雕刻网孔，出现了较多的重熔物。第三阶段的YAG激光雕刻技术采用了输出功率较大的激光器。第四阶段：技术特点就是把YAG激光长、短脉冲的功能结合起来进行激光雕刻加工。经这几年的初步使用，确实证明YAG激光雕刻网纹辊具有它的优点。3.准分子激光雕刻准分子激光器是一种高功率、高效率的紫外激光器。它之所以在陶瓷、高分子材料等微细加工领域具有重要的作用,是由于它具备许多特性。随着微细加工、高精密需求的不断增长，准分子激光器自问世以来，就受到了世界各国的高度重视。欧共体的尤里卡计划(EREKA)和日本政府的大型计划超尖端系统的研究(AMMTRI)以及我国的863计划与超级863计划，都把准分子激光的发展列为重点项目，其发展相当迅速。准分子激光雕刻的机理：准分子激光刻蚀是直接对材料进行的光化学加工。准分子激光与被加工物质相互作用的机理称为消融，包括光致断键和生成物爆炸两个过程。当准分子激光光子能量大于聚合物的化学键能时，化学键被打断，材料表面微小局部的比容突然增大，当断键破坏率超过一定阈值时，表层碎片剥落，完成刻蚀[5]。准分子激光器的出现和发展，为广泛的工业应用和科学研究提供了强有力的工具。由于其波长为紫外和深紫外光谱波段，脉冲能量和光子能量强，重复频度高，脉冲宽度窄等性能，大多数金属和非金属材料对紫外光都具有强烈的吸收作用，能够完成其它激光热加工所不能完成的一些工作，拓宽了激光加工的应用范围，所以近年来随着准分子激光器性能的稳定性、可靠性的提高，在生物医学、材料科学、微细加工和光化学中得到广泛应用。准分子激光在加工方面有如下特点：（1）冷加工特性传统的激光雕刻由于雕刻烧蚀汽化过程中热效应的影响，在雕刻产生的微小点的周围边缘有微量卷曲，这种由被雕刻版材性能不佳导致的缺陷加大了网点增大程度。而准分子激光通过消融作用对材料实施刻蚀加工的特性，使其可以有效地对多种有机高分子聚合物实现无损伤直接刻蚀，准分子激光的这种冷加工特性，保证了被加工图形边缘整齐，从而获得更高的加工精度。(2)能量利用率高由于许多材料(如金属、陶瓷、高分子材料等)对紫外光的吸收率远高于红外激光，因此,准分子激光加工材料时的利用率高。(3)由于准分子激光波长较短，在其它条件不变情况下，聚焦后可得到更小的光斑直径，亦即有更高的加工分辨率。目前，准分子激光可得到0.15微米的分辨率。同固体激光器相比,准分子激光器具有以下几方面的优点:1.准分子激光系统的效率达2%左右,钦玻璃激光器只有0.1%的量级(脉冲时间为ns时)；2.大型准分子激光系统的脉冲运转时间间隔很短(秒级)，而玻璃激光系统则以小时计；3.KrF准分子激光输出波长为248nm的紫外波段，不需象钦玻璃系统那样从红外通过三倍频才能达到紫外波段的多次频率转换。当然准分子激光系统也有它的不利因素，主要是光脉冲宽度较宽，短波长的光学部件损伤及放大自发辐射较大等。近年来，该方面已取得较大进展。准分子激光器品种繁多，波长大多为紫外深紫外光谱带，随着性能指标的提高和可靠性增强，已从实验室进入多种实际应用领域，在微电子、微机械、微光学以及化学、生物学、医学、工业加工、材料处理、科学研究诸方面已经得到应用。准分子激光将更加广泛地深入到更多的应用领域，并向更高的目标发展。4.三种主流激光器的比较YAG激光器在金属材料加工中具有优势，而对于非金属材料的加工，激光器具有优势，而准分子激光在微细加工、高精密方面具有优势。Nd:YAG激光雕刻技术用于柔印机网纹辊的生产，有力地推动雕刻产品性能的提高，也带动了激光雕刻技术的进步。随着这方面技术的不断完善，预期今后将取得更多的成果。从目前世界激光雕刻技术的发展现状看，激光雕刻、YAG激光雕刻和准分子激光雕刻都在某些方面体现了它们各自的优点，也存在着某些不足。三种加工方式协调工作，扩大产品品种，提高雕刻产品的性能，不失为当前激光雕刻加工陶瓷网纹辊的最佳选择。因此激光雕刻设备供应商供应成套设备时既包括了激光器，也包括了YAG激光器，而高精度的雕刻应使用准分激光器。准分子激光雕刻加工是高精密加工的主要研究方向[6]。结语综上分析，YAG激光器在金属材料加工中具有优势，而对于非金属材料的加工，CO2激光器具有优势,而准分子激光在微细加工、高精密方面具有优势。Nd：YAG激光雕刻技术用于柔印机网纹辊的生产，有力地推动雕刻产品性能的提高，也带动了激光雕刻技术的进步。随着这方面技术的不断完善，预期今后将取得更多的成果。从目前世界激光雕刻技术的发展现状看，CO2激光雕刻、YAG激光雕刻和准分子激光雕刻都在某些方面体现了它们各自的优点，也存在着某些不足。三种加工方式协调工作，扩大产品品种，提高雕刻产品的性能，不失为当前激光雕刻加工陶瓷网纹辊的最佳选择。因此激光雕刻设备供应商供应成套设备时既包括了CO2激光器，也包括了YAG激光器，而高精度的雕刻应使用准分子激光器。准分子激光雕刻加工是高精密加工的主要研究方向。参考文献[1]郑锦生,陈松青.激光雕刻技术的发展.机床与液压,2006(8):228-231.[2]戈征，未冬.直接数字激光雕刻柔性版.今日印刷,2003(7):66-67.[3]关振中.激光加工工艺手册.中国计量出版社,1998:3-6.[4]KurtK,Wolf.LasergravurepoisedtoReplacemechanicalengraving.AnalyzingPublishingTechnologies:10-14.[5]ChenYing.TheResearchofDoubledFrequencyNd:YAGLaserEngravingSystem.APPLIEDLASER,1997,17(1):9-10.[6]郑勤红,解福瑶,林为干.泵浦Nd:YAG激光器.激光与光电子学进展,1997,12:15-20.