自20世紀(jì)60年代中期以來(lái)，激光已被用于標(biāo)記制作、蝕刻和切割。世界上第一臺(tái)激光打標(biāo)機(jī)是在1965年開(kāi)發(fā)出來(lái)的，當(dāng)時(shí)是未來(lái)在金剛石制造模具上鉆孔，隨后這一技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展。

CO₂激光器用于打標(biāo)的早期引入發(fā)生在1967年，通過(guò)商業(yè)化的現(xiàn)代CO₂激光系統(tǒng)，該技術(shù)在20世紀(jì)70年代中期達(dá)到了成熟階段。而自那以后，激光打標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)成為應(yīng)用于航空航天到醫(yī)療設(shè)備制造、制藥和零售等一系列廣泛行業(yè)的主力。

盡管與噴墨打印等其他技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，但激光已經(jīng)被印證是一種強(qiáng)大、低成本和可重復(fù)的標(biāo)記制造技術(shù)。重要的是，這個(gè)過(guò)程是生態(tài)友好的，不需要耗材（如墨水、墨盒和紙張）。

現(xiàn)在，激光打標(biāo)系統(tǒng)不再僅僅依賴于CO₂激光器，其他如光纖激光器和Nd：YAG固態(tài)光源，提供了更小的占地面積、更低的維護(hù)成本和高效的替代方案。技術(shù)能力的進(jìn)步也是顯而易見(jiàn)的。最快的商用激光打標(biāo)機(jī)現(xiàn)在每小時(shí)可以加工數(shù)萬(wàn)個(gè)零件。

雖然激光打標(biāo)技術(shù)的發(fā)展是迅猛的，但激光打標(biāo)系統(tǒng)的制造商和用戶現(xiàn)在正尋找新的路線來(lái)推動(dòng)標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)并改善加工結(jié)果。

這些挑戰(zhàn)來(lái)自于需要加工的新材料，以及需要服務(wù)的新應(yīng)用——每一個(gè)都推動(dòng)了增長(zhǎng)和創(chuàng)新的需求，同時(shí)塑造了激光系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)。

例如，陶瓷是激光加工領(lǐng)域中發(fā)展最快的材料之一，這種材料在半導(dǎo)體零件和電路板制造中尤為重要。印刷電路板（PCB）通常被稱為“電子系統(tǒng)產(chǎn)品之母”，是幾乎所有電子產(chǎn)品中使用的一種組件。PCB發(fā)展的微小變化對(duì)市場(chǎng)趨勢(shì)的影響很大。

近年來(lái)，在傳統(tǒng)印刷電路板（PCB）中使用陶瓷的焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移，這些電路板由FP4等塑料環(huán)氧樹(shù)脂制成。與非陶瓷PCB相比，陶瓷電路板具有出色的熱處理能力、易于實(shí)現(xiàn)，并提供卓越的性能。然而，許多標(biāo)記技術(shù)——如絲網(wǎng)加工，并不適合陶瓷。陶瓷的油墨標(biāo)記很麻煩，需要幾種消耗品，并且不耐磨損。陶瓷的脆性和硬度也使其成為較難標(biāo)記的材料之一。

因此，近年來(lái)，激光作為油墨印刷技術(shù)的替代品已經(jīng)崛起，許多激光公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出特別適合陶瓷打標(biāo)的系統(tǒng)，如二極管泵浦固態(tài)紫外激光器，以及傳統(tǒng)的CO₂激光器。

然而，盡管發(fā)展迅速，電子領(lǐng)域的陶瓷標(biāo)記目前并不是最大的市場(chǎng)?！皩?duì)我們而言，最大的行業(yè)是醫(yī)療設(shè)備，然后是汽車、電子和通用工程部件。所需的產(chǎn)品種類因行業(yè)和相關(guān)行業(yè)的不同而有很大差異?！?/p>

其打標(biāo)系統(tǒng)包括氣體、光纖和固態(tài)激光器，包括CO₂和YAG系統(tǒng)。激光標(biāo)記都是脈沖式的，工作波長(zhǎng)范圍為0．355μm－10．6μm。每一種激光器都有自己的特點(diǎn)，也有一些相似之處：CO₂激光器可用于打標(biāo)塑料、橡膠、紙張和箔；光纖激光器在標(biāo)記鋼鐵和某些塑料時(shí)具有優(yōu)勢(shì)；YAG激光器適用于打標(biāo)金屬和陶瓷。便攜性對(duì)于確保激光打標(biāo)操作的靈活性也非常重要，這對(duì)于工業(yè)客戶來(lái)說(shuō)是非常理想的。

激光打標(biāo)領(lǐng)域的另一個(gè)重要趨勢(shì)是保證和完善可追溯性——通過(guò)產(chǎn)品表面的獨(dú)特識(shí)別標(biāo)記對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行個(gè)體識(shí)別。這種標(biāo)記可以采取多種形式，但越來(lái)越受歡迎和重要的是使用數(shù)據(jù)矩陣，如二維碼（QR codes）。

通過(guò)用自己獨(dú)特的數(shù)據(jù)矩陣代碼標(biāo)記單個(gè)產(chǎn)品，可以輕松地以非侵入性方式識(shí)別其關(guān)鍵細(xì)節(jié)，如制造商、批號(hào)和使用壽命。這提供了質(zhì)量保證：消費(fèi)者和用戶可以確定產(chǎn)品的確切來(lái)源。這種質(zhì)量保證，在消費(fèi)者和制造商之間建立了直接聯(lián)系，并賦予產(chǎn)品附加值，使它們能夠與成本更低的制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。

由于其令人難以置信的精度，激光非常適合編寫(xiě)小至200μm尺寸的詳細(xì)代碼——小到無(wú)法被路過(guò)的人看到，但如果一個(gè)人知道他們的位置，可以很容易地使用智能手機(jī)檢查。在這樣的尺寸下，數(shù)據(jù)矩陣可以用于防偽目的，使得以非侵入性的方式檢查高質(zhì)量商品的真實(shí)性變得容易。這對(duì)制藥業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，因?yàn)檫@是一種確保藥片等藥物不會(huì)以欺詐方式生產(chǎn)和分銷的方法。

組件可追溯性在作為訴訟證據(jù)時(shí)也起著重要作用。例如，如果某人進(jìn)行了醫(yī)療移植，移植失敗了，可追溯性使他們能夠確切地知道是什么地方出了問(wèn)題，在哪里出了問(wèn)題，在哪個(gè)批次出了問(wèn)題。這當(dāng)然會(huì)提高產(chǎn)品召回等方面的效率，但也給了客戶更多的自主權(quán)。這可能并不明顯，但隨著社會(huì)對(duì)訴訟越來(lái)越感興趣，能夠提升訴訟判決的技術(shù)也必須跟上。

可追溯性還促進(jìn)了整個(gè)制造業(yè)的另一個(gè)趨勢(shì)：提高環(huán)境可持續(xù)性和減少生態(tài)影響。通過(guò)追蹤產(chǎn)品，了解它什么時(shí)候失效，或者知道它什么時(shí)候達(dá)到生命周期的終點(diǎn)，制造商能夠更好地主動(dòng)更換和回收。這也意味著產(chǎn)品可以按照預(yù)定的方式返回進(jìn)行翻新，因此最終被填埋的設(shè)備可能更少了。

然而，目前的數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)記系統(tǒng)面臨著許多挑戰(zhàn)。某些材料讓操作變得更困難——特別是玻璃和聚合物，以及薄金屬和箔。標(biāo)記還必須是永久和穩(wěn)定的，系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)各種產(chǎn)品尺寸。

對(duì)于某些激光打標(biāo)機(jī)來(lái)說(shuō)，一個(gè)特別的挑戰(zhàn)是在非平面上進(jìn)行打標(biāo)。在這一領(lǐng)域，噴墨打印機(jī)的數(shù)量仍然超過(guò)基于激光的系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)工程師正在努力克服這些挑戰(zhàn)。例如，激光打標(biāo)系統(tǒng)制造商Laserax提供二氧化碳和光纖激光器，平均功率為20－500W，周期時(shí)間不同，配備自動(dòng)調(diào)整聚焦光學(xué)器件，用于3D表面，可根據(jù)物體曲率進(jìn)行調(diào)整。為了考慮未知幾何形狀的表面，Laserax的系統(tǒng)使用自動(dòng)聚焦視覺(jué)系統(tǒng)，首先掃描3D表面，然后在標(biāo)記過(guò)程中調(diào)整激光焦點(diǎn)。

然而，非平坦表面并不是激光打標(biāo)系統(tǒng)制造商面臨的唯一挑戰(zhàn)。“在許多情況下，全球范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的打標(biāo)解決方案（比如噴墨），無(wú)法滿足每個(gè)產(chǎn)品提供特定標(biāo)記所需的需求。目前，通常使用激光已經(jīng)可以像使用筆一樣，作為一種連續(xù)的方法。然而這還不夠快——我們需要找到一種能夠兼顧生產(chǎn)量和精度的解決方案?！?/p>

激光打標(biāo)的另一個(gè)令人興奮的新領(lǐng)域是：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。研究人員聲稱他們可以通過(guò)使用超快激光將數(shù)據(jù)編碼到玻璃／晶體介質(zhì)中來(lái)生產(chǎn)高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)以微燒蝕的形式存儲(chǔ)在玻璃／晶體中，一旦產(chǎn)生，就會(huì)能夠保存驚人的時(shí)間，

2013年，日立宣布推出了其首個(gè)石英晶體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)；而2014年，南安普頓大學(xué)光電子研究中心（ORC）的研究人員宣布了他們開(kāi)發(fā)的飛秒激光蝕刻玻璃系統(tǒng)。ORC已經(jīng)開(kāi)始與微軟研究院合作“Project Silica”，該項(xiàng)目承諾將開(kāi)發(fā)zb級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，并“從根本上重新思考如何構(gòu)建大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)”。

然而，在玻璃上書(shū)寫(xiě)并非易事，標(biāo)準(zhǔn)脈沖UV或CO2激光系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生微裂紋——材料表面的過(guò)度加熱會(huì)導(dǎo)致熱熱點(diǎn)處的損壞。雖然這可以通過(guò)降低脈沖能量來(lái)規(guī)避，但當(dāng)需要高精度時(shí)，這并不理想。這就是為什么研究人員正在轉(zhuǎn)向超快（飛秒）激光系統(tǒng)，以盡量減少熱損傷的風(fēng)險(xiǎn)。高能脈沖的超短持續(xù)時(shí)間確保了足夠的能量被傳遞到材料上，以極高的精度進(jìn)行標(biāo)記，只產(chǎn)生最小的熱影響區(qū)，避免了微裂紋的產(chǎn)生。

然而，目前這種技術(shù)的局限性是數(shù)據(jù)寫(xiě)入的速度極低，寫(xiě)入Tb級(jí)的數(shù)據(jù)可能需要數(shù)年時(shí)間才能完成。值得慶幸的是，正在進(jìn)行的突破正在提出提高數(shù)據(jù)寫(xiě)入速度的方法。去年，ORC的研究人員在《光學(xué)》（Optica）雜志上發(fā)表了一種節(jié)能的激光寫(xiě)入方法：這種方法不僅速度快，而且可以在CD大小的二氧化硅光盤上存儲(chǔ)大約500Tb的數(shù)據(jù)——它們比藍(lán)光光盤存儲(chǔ)技術(shù)的密度高1萬(wàn)倍。

研究人員的新方法是使用515nm的光纖激光器，重復(fù)頻率為10MHz，脈沖持續(xù)時(shí)間為250fs，在硅玻璃上產(chǎn)生微小的凹坑，凹坑包含單個(gè)納米層狀結(jié)構(gòu)，尺寸僅為500 × 50nm。這些高密度納米結(jié)構(gòu)可以用于長(zhǎng)期光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。研究人員實(shí)現(xiàn)了每秒1，000，000體素的寫(xiě)入速度，相當(dāng)于每秒記錄大約225KB的數(shù)據(jù)（超過(guò)100頁(yè)的文本）。

這種新方法被用來(lái)將5GB的文本數(shù)據(jù)寫(xiě)入一個(gè)傳統(tǒng)光盤大小的硅玻璃光盤上，讀取精度接近100％。每個(gè)體素包含四位信息，每?jī)蓚€(gè)體素對(duì)應(yīng)一個(gè)文本字符。利用該方法提供的寫(xiě)入密度，光盤將能夠容納500Tb的數(shù)據(jù)。研究人員表示，通過(guò)升級(jí)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)并行寫(xiě)入，在大約60天內(nèi)寫(xiě)入這么多數(shù)據(jù)應(yīng)該是可行的。

文／Anita Chandran

注：本文編譯自近期發(fā)布的《2023年激光打標(biāo)趨勢(shì)與創(chuàng)新》（Laser marking trends and innovations for 2023）一文。