激光雕刻技术

激光雕刻技术

摘要: 概述了激光雕刻机的发展历史和现状, 对CO2激光器,Nd: YAG激光器性能进行介绍，以及新型激光雕刻技术-准分子激光雕刻的特性和加工特点。最后, 总结三种激光雕刻技术各自的应用领域, 指出了激光雕刻的研究方向。

关键词: CO2 激光器; Nd: YAG激光器; 准分子激光雕刻; 网辊

激光自1960年问世后, 很快在生产中得到应用。其后,随着对有关基本理论研究的不断深化。各类激光器件不断地发展, 使其应用领域也不断拓宽, 应用规模逐渐扩大, 所获得的社会效益和经济效益更加显著。

作为高科技之一的激光技术, 是20世纪科学技术发展的重要标志和现代信

息社会光电子技术重要支柱之一。激光技术不仅受到技术先进国家的高度重视, 而且也受到许多发展中国家的高度重视, 并给与大量的投入。20世纪80年代以来, 在很多国家, 政府都把激光技术列为国家级发展计划。例如, 英国的阿维尔几乎阿!, 美国的激光核聚变计划.日本的激光研究五年计划! 等。这些计划的实施使激光技术得到迅速发展, 且已经形成了一个生机勃勃的新兴产业。与此同时, 激光技术的发展大大促进了多种技术、学科、多种生产水平的进步和提高, 影响之大,举世瞩目。

国外的柔性版印刷使用激光雕刻的陶瓷网纹辊已多年, 其成功的关键是质量。激光雕刻机能在印刷滚筒上刻出全无接缝的连续图案。然而, 对非连续图案的印件来说, 激光雕刻的印版和滚筒的价格就显得高了一些。尽管印版和滚筒的使用寿命长和印刷质量高等优点能补偿较高的制版费用, 但成本高仍然可能延

缓激光雕刻技术的发展。目前, 质量仍然是个重要因素, 但重点已转到生产率上。由于印刷厂要求高线数的网纹辊,而且雕刻质量要好, 雕刻网纹辊就要花很长时间。既要提高质量,又要降低成本, 这就要求改进激光雕刻技术, 提高激光雕刻的速度。在这方面已取得了可喜的成就。原则上说, 用激光在包覆有陶瓷的辊子上雕刻网格图案是容易的。把陶瓷辊放在车床上并使之旋转, 把一束激光聚焦在辊子表面上, 并使激光束沿辊子长度方向移动, 同时使激光束不停地开和关。这样, 辊子上就会布满小孔。所形成的网格大小和图案取决于许多可变因素。对上胶辊之类的粗网格雕刻来说, 只要对上述工艺稍作改进就行了。然而, 对高质量的网纹辊雕刻来说, 那就完全是另一回事了。柔性版印刷厂需要的是给墨性能始终如一的网纹辊。首先, 这意味着, 网格形状要均匀一致, 容积差要减至最小。网格图案也一定要规则, 以保证传墨均匀, 特别是印实地版时。

在激光技术中激光雕刻技术是较常见的。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。

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。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0.4mm, 图形的黑区实质上是由宽0.4mm、深为2.2mm 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0.4mm 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。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。

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( Y3AL3O12 ) 基体中掺入氧化钕(Nd2O3 ) 而制成的。激活离子也是钕离子, 输出波长为1.06um。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.

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.

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.

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。