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MOPA脉冲激光器工艺实践入门指南

MOPA脉冲光纤激光器的优势在于可调参数多、可调范围大和适用工艺广，新工艺摸索对工程师的技术水平要求较高，需要有一套系统的方法加以指导。本文从脉冲激光标记系统组成出发，分析脉冲激光加工中的主要技术问题，用于指导工艺实践。

图1 脉冲激光标记系统结构示意

如图1所示，以典型的脉冲激光标记系统为例，一般包含5个主要部分：
（1）光源（Laser Source），常用的包括调Q脉冲激光器，MOPA脉冲激光器，紫外固体激光器和CO2气体激光器等，针对不同的材料和加工工艺，选择合适的光源。对于金属材料，红外光纤脉冲激光器可以满足绝大部分需求，对于塑料、木材或者复合材料，采用紫外或者远红外的CO2激光器可能更为适合。实际的材料特性和加工要求不同，往往需要经过多种光源验证以选择合适的种类。

图2 光至科技的MOPA激光器

(2）振镜（Galvanometer），由反光镜片和旋转电机组成，两个正交的振镜用于实现二维平面扫描。采用振镜镜片材料包括单晶硅、K9玻璃和石英镜片，镜片表面镀有对激光高反的膜层，激光功率越高，对镜片的反射率和散热性能要求越高。镜片的尺寸需要与激光器输出光斑的尺寸相匹配，比如常用的MOPA脉冲激光器准直光斑直径约为7mm，振镜通常在12mm左右。电机旋转速度和精度对很多高速和精密标记应用非常关键，高转速振镜一般需要选用尽量轻薄的镜片以减小惯量，同时功率较高需要加强散热。

图3 典型的激光振镜构造
（3）场镜（Flat Field Lens），由多个镜片组构成，将不同角度入射的准直光束聚焦到材料表面。按照材料分，有普通K9玻璃场镜和熔石英场镜。按焦平面特性分，有普通场镜和远心场镜，远心场镜在工作幅面内，焦点都在一个平面，而普通场镜的焦平面则呈中心低外侧高的弧面。

图4 典型的激光场镜构造

（4）控制卡和控制软件，控制卡和控制软件是激光标记系统的大脑，控制卡响应控制软件的信号并通过硬件电路数字信号控制激光器和振镜的工作参数和时序。控制软件采用图形界面，对需要标记的图案的形状、尺寸和位置进行编辑，并采用适当的填充方式对图形进行加工。为了适应不同激光器的控制信号的差别，软件中内置了典型激光器品类的选项，绝大部分国内控制信号与IPG兼容，SPI的控制信号相对独立。控制软件一般需要安装在台式电脑或者平板电脑中，用于实现人机交互。（5）机台，所有硬件都安装在机台上，悬臂用于安装激光器输出头并且高度可调，场镜下方的平台则用于固定待加工的工件，尽量保持水平稳定。光纤激光器一般安装在底部机身中，保证充分通风散热。电源、急停和钥匙开关安装在醒目位置。随着激光打标机的普及，从传统的工业市场逐渐渗透到消费级市场，对标记系统小型化的要求越来越高。通过一体化设计和整合各个部件，目前已经可以实现桌面级的标记系统，适合办公室甚至家庭应用。
下面以MOPA脉冲激光器的应用为例，介绍一般工艺实践中对主要设备配件的选型方法和需要注意的问题。
（1）激光器的选择，激光器选型的主要考量是效果、效率和性价比。影响MOPA激光器工艺效果的主要参数是脉冲宽度、脉冲能量和光束质量。采用MOPA激光器打样时，首先需要确定的参数就是脉冲宽度。长脉冲能量大，热影响区也大，底纹粗糙，适合简单的打标、切割、深雕等工艺；短脉冲峰值高，热影响区小，底纹光滑，但是能量低，适合打黑、打彩、破阳极等表面精细处理工艺；对于既需要一定的能量，又要控制热影响区范围的应用，可以选择中等脉宽，如划片、划线工艺等。清洗应用对激光器光束质量的要求不高，甚至还需要适当大点，薄片金属焊接等对功率密度敏感应用，则需要保证优良的光束质量。在确认达到效果所需要的激光参数之后，激光的平均功率越高，一般来说加工速度就可以越快，但是激光器的价格也会更贵。需要指出的是，在有些应用中，平均功率过高也会影响加工的效果，特别是带来额外的热影响，在选型时也需要加以注意。（2）振镜的选择，振镜选型时需要考虑以下参数：（a）激光波长和功率，激光波长和功率决定了镜片的制作材料，以光纤振镜为例，目前普通振镜的制作材料为K9，可以承受的MOPA激光器功率大概在50W以内，超过50W功率，建议选用熔融石英材质的振镜；（b）入射光阑的大小，目前大部分振镜的入射光阑直径为10mm或12mm，入射光束直径要小于振镜片允许的入射光斑直径的极值，例如入射光束直径为8mm，可选择入射光斑为10mm的振镜；（c）振镜的速度，需要根据产品加工的效果和速度进行匹配振镜，不同的振镜马达能够达到的速度不一样，响应时间也不一样，需要根据实际要求选择合适的振镜；（d）振镜的精度和稳定性，市场上不同振镜的平均价格以及使用口碑也对应了在精度、稳定性和温飘特性上的差别，要根据需求综合选择性价比高的振镜。（3）场镜的选择，场镜的选型主要考虑焦距、幅面、材质和构型。常用的焦距从110mm到330mm甚至更大分为多个档位，焦距越长，激光焦斑也越大，能达到效果的前提下，加工速度更高，焦距大的场镜对应的工作幅面也更大。反之，场镜焦距短则对应的焦斑尺寸小，功率密度高，适合一些精细加工。特别需要说明的是，长焦场镜对应光斑的较深也更大，短焦则反之，如果加工工件表面起伏较大或者加工深度较深，则需要加以考虑匹配的焦深，如果仍然无法满足则考虑增加z轴的运动。材质方面，场镜主要采用K9玻璃或者熔石英玻璃，50W以上建议采用熔石英玻璃。如果需要保证在较大加工幅面上，激光焦点在一个平面上，或者说保证加工平面光斑尺寸相差较小，建议选用远心场镜。远心场镜相比普通场镜，镜片尺寸更大，价格也更贵。
（4）扩束镜，常规MOPA激光器的光斑直径在6mm/7mm，如果需要进一步缩小材料表面激光焦斑尺寸，可以采用外加扩束的方式。一方面，扩束镜的材质也需要根据平均功率进行选型，另一方面，由于扩束镜外置，需要调节激光的同轴和扩束后输出光斑的发散角。如图5所示，扩束镜主要有两种典型的构造，对前者构造，扩束比等于两个透镜焦距的比值。

图5 两种典型的扩束镜光路

（5）视觉，包括同轴视觉和旁轴视觉，主要是为了加工的同时保证精确定位。通过一块45度分光镜，使得1064nm的激光高反，而从材料反射的可见光高透，如图6所示。实践中，如果分光镜镀膜不佳，或者安装角度偏离45度，可能导致激光有较大的衰减。

图6 激光加工系统配套同轴视觉

（6）填充，包括选择不同的填充方式、填充密度、填充角度以及多个填充图层等。特定的填充由控制卡对激光器和振镜发出控制指令实现，需要明确振镜跳转延时和激光器出光延时、关光延时等参数。不当的填充方式设置，有时会导致标记的图案出现周期性条纹。
（7）夹持，对一些网状、薄片、叠片或者异形结构的材料进行加工时，需要配合以适当的工装以保证加工过程中工件保持稳定或者接触紧密。
（8）保护气体，在连续激光器切割和焊接应用中，保护性气体吹扫是一种常用的手段，脉冲激光器工艺中较少用到，但是在一些对加工表面氧化要求很高的场合，可以考虑增加气体。（9）机台，标准的机台只是为了给硬件提供支撑和水平，保持稳定即可。在一些加工幅面很大或者位置精度要求极高的场合，振镜工作模式往往满足不了要求，则需要采用固定镜头加移动平台的模式。工件固定在平台上进行二维移动，通过与控制软件的配合，可以实现无限幅面的加工。