導(dǎo)讀： 對(duì)合成革材料和浮雕的研究結(jié)果，都將在日常生活中的很多產(chǎn)品上呈現(xiàn)（袋、錢(qián)包），每時(shí)每刻我們都可能與激光雕刻技術(shù)產(chǎn)生聯(lián)系。想象一下當(dāng)你打開(kāi)一瓶礦泉水，瓶標(biāo)可能就是用高速的激光雕刻印刷版來(lái)印刷的。

　自20世紀(jì)80年代以來(lái)，處理大型膠片的工業(yè)市場(chǎng)出現(xiàn)了巨大的變化，幾乎完全被激光器和數(shù)字處理所取代。從那時(shí)起，在印刷行業(yè)中，雕刻網(wǎng)版常用的技術(shù)是使用RF激勵(lì)CO2激光器，功率高達(dá)1kW，可以根據(jù)雕刻的圖案來(lái)調(diào)整功率（圖1）。

　　圖1：激光雕刻網(wǎng)版，在被雕刻的地方，印刷的顏色會(huì)從網(wǎng)孔中通過(guò)。

　　網(wǎng)孔被薄的聚合物層所覆蓋，用調(diào)制的激光光束雕刻這一層，在被雕刻的地方將會(huì)打開(kāi)網(wǎng)孔中的洞。這是一種非常有效的生產(chǎn)印刷版和滾筒的方法，特別是涉及到大批量印刷時(shí)。幾乎所有用于紡織品、地毯、壁紙和紙幣的一些功能的印刷都能使用這種技術(shù)。

　　對(duì)CO2激光器的直接調(diào)制受限于10kHz左右，主要是由于亞穩(wěn)態(tài)氮，這是激光氣體混合物的一個(gè)主要部分。當(dāng)前在管和罐的印刷中使用的技術(shù)要求有更高的脈沖頻率，大約幾百千赫。這主要是由于更高的分辨率所要求，而不是由于材料的真實(shí)3D結(jié)構(gòu)所要求。雕刻網(wǎng)孔基本上是一個(gè)2D過(guò)程，而雕刻印刷版和聚合物或橡膠滾筒是一個(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D雕刻過(guò)程。每個(gè)直接雕刻的結(jié)構(gòu)都需要堅(jiān)實(shí)的底座以在印刷過(guò)程中保持穩(wěn)定，它們可能在頂部有著復(fù)雜的幾何形狀，例如一個(gè)輪廓清晰的圖案和用來(lái)補(bǔ)償網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大的咬邊。

　　未來(lái)，高防偽印刷（紙幣、安全文件、護(hù)照等，如圖2）將需要至少500kHz或更高的頻率，同時(shí)業(yè)界現(xiàn)在想在包裝設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)照相效果般的印刷，這也需要類(lèi)似的性能。

　　圖2：用激光雕刻印刷紙幣用的滾筒

　　相比直接調(diào)制RF激光的放電，聲光調(diào)制器（AOMs）可以用調(diào)制頻率快得多的方法來(lái)控制激光光束。但是聲光調(diào)制器由于在鍺晶體的吸收及其損傷閾值而受到限制。為了獲得最好的輸出結(jié)果，必須精心設(shè)計(jì)聲光調(diào)制器、激光源和光束路徑。

　　對(duì)所有先進(jìn)的激光器進(jìn)行測(cè)試，特別是它們的脈沖行為、功率穩(wěn)定性、指向穩(wěn)定性和模式。上升和下降時(shí)間決定脈沖行為，因此也決定著雕刻速度?；旌蠚怏w中的氮會(huì)降低脈沖頻率至10kHz左右。這對(duì)于過(guò)去的很多應(yīng)用已經(jīng)足夠，但對(duì)于未來(lái)的需求來(lái)說(shuō)是不夠的。典型的激光功率和時(shí)間關(guān)系圖顯示出±5~10%的偏差值。

　　這絕對(duì)不適合控制3D雕刻材料。被測(cè)試的各種激光器的激光指向穩(wěn)定性出奇的好，這對(duì)于聲光調(diào)制器的使用（對(duì)入射角非常敏感）將起著直接的影響。

　　在接近聲光調(diào)制器的功率極限時(shí)，鍺晶體對(duì)不良的激光場(chǎng)模式非常敏感。熱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致出射光束變形并很容易破壞晶現(xiàn)出不良的激光模式。通常情況下，輸出耦合器和聲光調(diào)制器之間的距離應(yīng)該在2m左右或更多，這樣會(huì)有更好的激光場(chǎng)模式（圖3）。

　　圖3：全功率的CO2 激光器分別在1m的距離（a）和6m（b）的距離，左邊是2D圖，右邊是3D圖。

　　有時(shí)這難以實(shí)現(xiàn)，尤其是在緊湊型的雕刻設(shè)備中。

　　新的CO2激光器項(xiàng)目

　　明智的選擇是在經(jīng)典的折疊CO2激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)中使用現(xiàn)代的材料（像碳纖維），這樣能實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定的諧振腔和接近完美的光束模式。碳纖維管的熱膨脹系數(shù)非常?。ㄐ∮?/span>1μm每米和開(kāi)爾文），尤其是設(shè)計(jì)得很好時(shí)，例如用加強(qiáng)有限元計(jì)算方法（FEM）來(lái)優(yōu)化熱力學(xué)行為的設(shè)計(jì)。

　　光束路徑優(yōu)化。定制的碳纖維光學(xué)元件用于實(shí)現(xiàn)激光諧振腔的高精度，以及設(shè)置聲光調(diào)制器和紅外（IR）照相機(jī)（PyroCams）的光束路徑，這樣能在線(xiàn)可視化光束模式。在聲光調(diào)制器的前面和后面放置的兩個(gè)PyroCams紅外照相機(jī)（圖4）能精確地測(cè)量鍺晶體的影響（特別是變形）。

　　圖4：碳纖維CO2 激光器，在聲光調(diào)制器的前面（藍(lán)色）和后面（黃色）有兩個(gè)紅外照相機(jī)。

　　六軸。鍺晶體聲光調(diào)制器能提供較好的性能，能達(dá)到甚至超過(guò)600W CO2激光器的功率，前提是激光光束模式接近高斯形狀。如果功率太高，尤其是如果在晶體表面出現(xiàn)熱點(diǎn)，就會(huì)很容易損壞。

　優(yōu)化聲光調(diào)制器意味著，將激光光束進(jìn)行整形以在小的光斑和仍適合這種晶體的強(qiáng)度之間達(dá)到平衡。光斑越小，脈沖頻率就越高。必須在橫向和旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行優(yōu)化，這將會(huì)起到很大的作用，除非兩個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的樞軸點(diǎn)可以轉(zhuǎn)移到晶體表面的入射光束的質(zhì)心。六軸以一種完美的方式實(shí)現(xiàn)了此功能，并允許在十分之幾納米范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。圖5展示了有六軸和可快速更換鏡片的碳纖維CO2激光器的中央諧振腔。在光束路徑上亮起了綠色的激光指示光束以進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)。

　　圖5：CO2 激光器有著碳纖維諧振器和能優(yōu)化位于其上的聲光調(diào)制器的六軸。

　　實(shí)驗(yàn)證明了聲光調(diào)制器移位和傾斜的較大公差，以及對(duì)光束模式的高敏感性。不良的模式會(huì)即刻導(dǎo)致光束的嚴(yán)重變形，可以通過(guò)將聲光調(diào)制器之后的PyroCam得到的結(jié)果和前一個(gè)結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)這一變形。

　　不用任何閉環(huán)調(diào)節(jié)就讓功率穩(wěn)定性提高了10倍。這對(duì)于高精度應(yīng)用是一個(gè)良好的基礎(chǔ)。甚至直接用于聲光調(diào)制器和諧振腔溫度調(diào)節(jié)裝置的熱電冷卻也提高了穩(wěn)定性。

　　應(yīng)用

　　對(duì)激光源進(jìn)行優(yōu)化后，功率穩(wěn)定性得到提高（小于±1%），并且光束模式接近完美的高斯形狀，因此將能獲得非常精確和高可重復(fù)性的雕刻結(jié)果（圖6）。

　　圖6：高精度和高可重復(fù)性的激光雕刻。

　　性能越好，就能服務(wù)于更多的應(yīng)用，尤其是高速激光雕刻滾筒，后者可以用于汽車(chē)行業(yè)高品質(zhì)儀表板的浮雕、生產(chǎn)人造皮革和前面提到的高防偽印刷應(yīng)用。目前正在進(jìn)行的研究圍繞著優(yōu)化光束形狀以獲得更快的脈沖。而且，將激光信號(hào)的全閉環(huán)控制進(jìn)行優(yōu)化，并發(fā)展到可以進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，以確保得到受信任的脈沖。那么，有哪些應(yīng)用呢?

　　罐。只要看看罐的年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)14億（這只是在德國(guó)?。?，我們就能了解罐業(yè)對(duì)飲料市場(chǎng)的巨大影響了。所有主要的產(chǎn)量上億的罐生產(chǎn)商都已經(jīng)改變了他們的設(shè)計(jì)，即從膠片曝光轉(zhuǎn)變到高速激光雕刻印刷版。這使他們能在不到一天時(shí)間內(nèi)進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，包括從構(gòu)思到準(zhǔn)備印刷干式膠印版。另一方面，高分辨率的直接雕刻和3D結(jié)構(gòu)干式膠印版能在罐上實(shí)現(xiàn)照片效果的印刷，不久的將來(lái)我們將會(huì)在全世界的商店里看到它。通常情況下使用四個(gè)版（CMYK四色）和一些附加的專(zhuān)色。每分鐘3000個(gè)罐的生產(chǎn)和在線(xiàn)多色印刷令人嘆為觀止，約10μm的雕刻結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)最精細(xì)的細(xì)節(jié)，特別是當(dāng)它輕觸印版時(shí)（印版上的精細(xì)結(jié)構(gòu)平穩(wěn)地與罐接觸來(lái)印刷淺色的區(qū)域）。用雕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)浮雕滾筒的壓入結(jié)構(gòu)是這個(gè)行業(yè)的一個(gè)趨勢(shì)。另一個(gè)令人驚奇的趨勢(shì)是酒從罐裝到瓶裝的轉(zhuǎn)變。

　　三大制罐生產(chǎn)商（Rexam、Bal lPackaging和Crown）的營(yíng)業(yè)額加在一起比整個(gè)激光行業(yè)都要多；我們可以盡情想象激光雕刻應(yīng)用對(duì)這個(gè)消費(fèi)性行業(yè)中的一個(gè)分支將帶來(lái)的巨大影響（圖7）。

　　圖7：罐生產(chǎn)行業(yè)達(dá)到了數(shù)億的級(jí)別。

　　到目前為止罐并不是食品和飲料工業(yè)中的唯一應(yīng)用?？纯此崮瘫蛩纳w子，很有可能上面的高分辨率印刷就是用激光來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用。在汽車(chē)行業(yè)使用激光可以追溯到早期。眾所周知，許多儀表板元素的日/夜亮度變化設(shè)計(jì)就是一個(gè)常見(jiàn)的激光應(yīng)用。當(dāng)前的潮流是將復(fù)雜的仿真動(dòng)物圖案應(yīng)用在儀表板上（通常是掃描真正的皮，再借助復(fù)雜的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)接近完美的非重復(fù)性的外觀）。每個(gè)汽車(chē)制造商都有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，甚至汽車(chē)公司對(duì)于每種系列的汽車(chē)都有非常典型的對(duì)應(yīng)這種類(lèi)型汽車(chē)的設(shè)計(jì)，無(wú)論是SUV還是跑車(chē)。除了合成革儀表板，其他應(yīng)用包括車(chē)門(mén)鑲件用織物以及和座位相關(guān)的應(yīng)用都獲得了額外的關(guān)注（圖8）。

　　圖8：儀表板上的合成革。

　　前景

　　如今，直接激光雕刻在分辨率和生產(chǎn)率方面有一定限制。將聲光調(diào)制器和CO2激光器結(jié)合，當(dāng)前的激光功率的限制約為600W，這種情況下印刷版或滾筒（3D深度為500μm）的生產(chǎn)速度約為每小時(shí)1m2，這足以適用許多應(yīng)用，但是業(yè)界的要求并不僅止于此。在不久的將來(lái)會(huì)有更大的進(jìn)步（例如多光束）。當(dāng)年美好的膠片材料將退休，激光將徹底取而代之。

　　對(duì)合成革材料和浮雕的研究結(jié)果，都將在日常生活中的很多產(chǎn)品上呈現(xiàn)（袋、錢(qián)包），每時(shí)每刻我們都可能與激光雕刻技術(shù)產(chǎn)生聯(lián)系。想象一下當(dāng)你打開(kāi)一瓶礦泉水，瓶標(biāo)可能就是用高速的激光雕刻印刷版來(lái)印刷的。