独立式与可集成蓝光振镜激光系统

蓝光振镜雕刻激光系统应用领域

蓝光振镜雕刻激光系统广泛应用于多行业。除工业快速材料加工外，还可用于农业、医疗及科研领域，其应用范围每年持续扩展。常见应用包括食品、水果及蔬菜打标，作物/植物/杂草激光加工，各类木材、陶瓷、塑料及金属表面雕刻等；

蓝光振镜激光优势深度解析

与其他类型振镜激光雕刻机相比，蓝光振镜激光雕刻机（即采用445-450 nm蓝光激光模块的振镜雕刻机）具备无与伦比的精度与工艺效率。任何振镜激光雕刻机的加工效率主要取决于两大参数：

1. 振镜激光雕刻机电-光转换效率。

该参数描述振镜激光雕刻机产生一定光功率所需消耗的电力。

蓝光振镜激光与光纤振镜激光器的电-光转换效率均在25-30%区间，而CO₂ 振镜激光则仅有6-7%。更重要的是，这6.5%的仅为CO₂ 激光管的效率，不包含供CO₂ 激光管配套的高功耗冷却系统。因此，CO₂ 激光器系统的实际效率更低。

典型CO₂ 振镜激光冷水机的COP（性能系数）为3~5。COP值表示冷却系统散热与所消耗电能的比值。假设CO₂ 激光管电-光效率为6.5%，即3000 W电能输入的CO₂ 振镜激光可输出195 W激光功率，剩余2805 W转换为热量，需冷却系统排出。COP为3~5，意味着冷水机额外消耗935~561 W电能。如此，CO₂ 振镜激光系统的整体电-光效率仅为4.96%（=195/3935）至5.48%（=195/3561）。

相比之下，光纤振镜及蓝光振镜激光系统的总电-光效率为20-25%。

以10,000工时和电价$0.24/kWh计，单台200 W CO₂ 激光器（整机功耗3935 W）额外电费$9444。同等工时及条件下，采用200 W蓝光激光模块的振镜雕刻机电费仅$1920-$2880。类似，50 W蓝光振镜雕刻机仅耗$480-$720。综合运行成本，生产线采用蓝光振镜激光远优于CO₂ 振镜激光，即便CO₂ 激光波长对某材料的吸收率高40%。实际上，用户可用两台甚至更多蓝光振镜激光设备替代单台CO₂，既提升生产效率又实现成本优势。

2. 被雕刻材料对激光波长的吸收情况

该参数反映材料对特定激光波长吸收并转换为有效功的能力。不同材料特性迥异，但对多数材质而言，蓝光振镜激光波长的吸收率高于光纤与CO₂ 振镜激光。

这一特性在陶瓷，特别是诸如氧化铝（Al₂O₃）、碳化硼（B₄C）、碳化硅（SiC）、二硼化钛（TiB₂）、碳化钨（WC）等技术陶瓷材料中尤为突出。对于技术陶瓷，蓝光激光波长的吸收随温度显著增加。在接近熔点时，蓝光激光波长（以6H-SiC为例）的吸收甚至可达CO₂ 激光波长的6000倍。

不同雕刻应用下振镜激光系统表现

振镜激光在木材及木基材料上的应用

对于木材及木基复合材料，蓝光（445-450nm）振镜激光雕刻机展现出最佳性能。这来源于CO₂ 激光运行成本显著高于蓝光振镜激光，导致其维护费用昂贵。光纤振镜激光器则因波长吸收率低于另外两种主流方案，在木材加工领域表现最差。

案例分析：胶合板、松木板及榉木板振镜激光雕刻

下方视频展示了30 W蓝光振镜激光雕刻机对8x2 cm（3.15x0.8英寸）胶合板的激光雕刻过程。使用Opt Lasers蓝光振镜激光，整个雕刻全过程约一秒内完成。

蓝光振镜激光雕刻机效率为20-25%，据相关文献，445-450 nm蓝光波长对应松木、榉木的吸收率分别为68%与73%。CO₂ 振镜激光综合能效为5%，其波长对上述两种材料吸收率为85%及88%。据此计算，同等能耗下蓝光振镜激光雕刻机效率约为CO₂ 激光的3.4倍。下图为参考文献数据所得材料波长吸收率对比。

振镜激光在皮革上的应用

皮革采用蓝光振镜激光雕刻效率最高。CO₂ 振镜激光雕刻皮革会产生灼痕且加工速度慢、成本高。1.06 µm光纤振镜激光因吸收率低至20%，表现最差。

案例分析：皮革振镜激光雕刻

下方视频展示30 W蓝光振镜激光对皮革的雕刻过程，整个激光雕刻时间不足一秒。

学术研究表明，蓝光445 nm波长对皮革表面反射率仅为12%，1.06 µm光纤激光则约为62%。因此，蓝光对皮革有效吸收率达88%；而1.06 µm光纤激光的最大吸收率仅有38%，意味着其雕刻效率必然低于蓝光振镜激光。

事实上，任何波长大于550 nm的激光在皮革雕刻应用中，其性能都会逊色于蓝光激光器。

光纤振镜激光器在雕刻大多数哺乳动物和爬行动物天然皮革品种时，其性能不及蓝光振镜激光器。这些皮革品种包括猪、牛、羊、蜥蜴、蛇和鳄鱼等动物的皮革。虽然光纤振镜激光器在再生皮革和鹿皮上的吸收率更高，但在鹿皮上的表现至多仅与蓝光振镜激光雕刻机持平。

虽然目前对于波长大于2.5 µm的吸收（或反射）数据尚无记录，但可以推断，长波长的吸收行为遵循黑色素的吸收规律。黑色素是一种存在于大多数生物体内的天然色素，是皮肤颜色的主要决定因素。下图显示，黑色素的吸收率随激光波长增加而下降。此外，剑桥大学关于黑色素的文章（该图表的来源）指出，波长大于700 nm时，黑色素的吸收几乎完全衰减。

振镜激光器在金属材料上的应用

金属材料与其他振镜激光器应用不同，因为金属具有很高的热导率。因此，要高效地对金属材料进行雕刻，需要采用高聚焦激光束、高功率密度，或具有高脉冲能量的激光器。此外，被加工金属材料还需要对所用激光波长有很高的吸收率。这意味着在金属雕刻领域，最为高效的激光器类型包括高功率蓝光振镜激光雕刻机、脉冲光纤振镜激光雕刻机及高光功率密度蓝光激光头。相比之下，CO2振镜激光器在金属雕刻应用上效率极低。

案例分析：振镜激光雕刻金属

以下两个视频展示了蓝光振镜激光器对不锈钢和工具钢的打标过程。

各类金属的激光吸收率存在差异。下图展示了铜、金、钛、（裸）铝、镍和银等常用金属在200 nm至12.8 µm波长范围内的吸收率。

另一张下方图表展示了多种金属的反射率。除了前述材料外，还包括纯铁、钨、铂、铬、铍和钼等金属的反射行为。但需要注意的是，该反射率图反映的是金属完全光滑表面的反射情况，表面越不光滑，对短波激光的吸收越高。

基于上述两张图表的数据，蓝光振镜激光器在除铬外的所有上述金属雕刻应用中均比长波长振镜激光器效率更高。对于金、铜、铂和钨，蓝光振镜激光雕刻机会表现出显著更高的效率。有趣的是，蓝光振镜激光器不仅能雕刻铜，还可以用于铜的微焊接。

但对于裸露（且表面完全光滑）的铝，波长在500 nm至900 nm之间的光纤振镜激光器将是更有效的选择。与常用的1.06 µm光纤振镜激光器相比，蓝光振镜激光器在裸铝上的雕刻效率依然更高。

值得注意的是，用蓝光振镜激光雕刻钨是一项非常高效的应用，特别是钨材料表面不光滑时，正如下方右侧图片所示。左侧视频展示了一台30 W蓝光振镜激光雕刻机对钨的雕刻过程。

振镜激光器在面料和纺织品上的应用

在面料和纺织品的激光加工领域，蓝光振镜激光雕刻机同样优于其他类型的振镜激光雕刻产品。无论是天然还是人造面料，均如此。1.06 µm光纤振镜激光器在面料加工中表现不佳，因为大部分布料会反射其波长。而用CO2振镜激光器也可以对面料和纺织品进行雕刻和切割，但速度明显较慢，且运行成本远高于使用蓝光振镜激光器。

案例分析：振镜激光雕刻面料与纺织品

下方视频展示了30 W蓝光振镜激光器在棉布雕刻过程，仅需不到一秒钟。

下方两张图表可见不同面料（如棉、尼龙、人造丝、聚酯、腈纶、羊毛和羊绒）的波长反射率。覆盖波长范围为350 nm至2.35 µm。蓝光振镜激光器450 nm波长的吸收率在74%至97%之间，典型吸收率为90%。

需要注意的是，纺织品拥有各种不同颜色。材质颜色越深，蓝光振镜激光雕刻速度越快。整体而言，激光雕刻速度取决于具体纺织品或面料的色调和明暗度。而在极高反射性、蓝色或白色织物上，蓝光激光表现较差。然而，无论雕刻还是切割，蓝光振镜激光器都是处理面料和纺织品的最优方案，优于任何CO2激光器或光纤激光器。

振镜激光器在食品和有机材料上的应用

光纤与CO2振镜激光器在雕刻食品及绝大多数有机材料时效果不佳。这是由于食品和有机材料通常含水量很高，甚至高达70%。水可吸收大部分激光光谱，但对蓝激光几乎完全透射，其450 nm波长的吸收系数仅为3×10^-4 cm-1。而对1.06 µm波长，吸收率为6000 cm-1，对10.6 µm CO2激光束则高达7000000 cm-1。这就意味着CO2和光纤激光大部分功率都用于蒸发水分，而蓝激光能够无视水的存在，直接对有机材料本体进行雕刻，大幅提升加工效率。

此外，绿色植被对蓝光振镜激光束具有极高吸收性。蓝光振镜激光器在绿色植物中的波长吸收率可高达93%，如下图所示。

不过，某些有机材料适合以其他类型振镜激光器加工。例如，羟基磷灰石（有时被错误地称作羟基磷酸钙）是牙釉质的主要成分，其改性形式还占据人体骨骼中高达70%。羟基磷灰石对10.6 µm CO2振镜激光束吸收性极佳，因此此类激光雕刻机是加工骨骼和牙齿最有效的方案。下方吸收波长图展示了血红蛋白、羟基磷灰石、黑色素和水等化合物的吸收情况。结果显示10.6 µm振镜激光的吸收率为蓝激光波长的10000倍。

但上述图表也显示，蓝光激光束在血红蛋白中的吸收效率最高，这意味着在外科手术领域，蓝光振镜激光器是最优选择。

振镜激光器在陶瓷材料上的应用

陶瓷类别既包括诸如氧化铝、二硼化钛等工程陶瓷，也涵盖如铝土矿、大理石等天然岩石品种。

陶瓷对短波长反应更为敏感，但不同陶瓷材料的吸收率差异很大。蓝光振镜激光器是高性能陶瓷（装甲部件用）的最佳解决方案。这包括坦克、避弹衣中的陶瓷装甲。例如，用于装甲的部分技术陶瓷也应用于穿甲弹和火炮弹药。在这些技术陶瓷中，蓝光振镜激光雕刻机波长的吸收率，相较于长波长振镜激光，随温度提升呈指数增长。这些陶瓷包括氧化铝（Al2O3）、碳化硼（B4C）、碳化硅（SiC）、二硼化钛（TiB2）和碳化钨（WC）。

对熔融氧化铝而言，短波长的吸收率大幅增加。熔融氧化铝对蓝光激光器波长的吸收率比光纤激光器波长高达300倍，如下方图表所示。[V.K. Bityukov等，《半透明光谱范围熔融氧化铝的吸收系数》，应用物理研究，第5卷，第51页，2013年1月。DOI: 10.5539/APR.V5N1P51]

其他类型振镜激光雕刻机通常难以高效加工这些材料。光纤振镜激光器尽管不如蓝光振镜激光器表现出色，但除氧化铝陶瓷外，通常优于CO2振镜激光器。然而在这些技术陶瓷上，蓝光振镜激光器可显著提升制造生产率。

下方图表显示了不同振镜激光器在碳化硅上的吸收率。值得注意的是，每升高300开尔文，吸收值大约向短波方向移动0.2 eV。

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