简介

激光雕刻技术包括控制聚焦光束的产生，其能量以特定波长加热不透明材料上的撞击点。根据光束轮廓、能量大小、曝光时间和基底材料的不同，材料表面会发生不同梯度和强度的变化 (1)。激光束对材料表面的影响只有在超过一定功率水平时才会显现出来，而且通常是不可逆的（2）。雕刻过程中材料最重要的变化是燃烧过程中材料的损失（深度）和表层化学成分的变化（色调-碳）。

预先确定这些变化强度的能力是激光雕刻质量控制的关键领域之一。激光束在木材上产生的色调不仅取决于激光束的强度（功率）和剖面（横截面）。材料本身与环境（空气）相结合，才能产生所需的材料色素（色调）。因此，这也取决于木材的类型、温度、湿度、硬度以及雕刻层当前的化学成分（木材的年龄及其表面处理）。

此外，木材是一种天然复合材料 (3) 和有生命的材料，即使经过加工，它也在不断变化（降解 - 分解 - 吸水或失水）(4)。木材的尺寸也会发生变化 (5)。

在激光雕刻中使用半导体发射器

要使系统能够根据基材及其环境的当前特性对激光束的强度进行微调，就必须使用灵敏、快速（脉冲频率）的发射器。目前，在木材上雕刻照片主要使用 CO2 激光器。CO2 激光器功率大，生产速度快，可切割材料 (6)。不过，它们产生的波长较长（10600 nm），因此不如可见光谱二极管激光器（455 nm）精确（7）。随着 CD 的使用，半导体激光器的使用量大幅增加（8；9）。

半导体激光器的应用主要是由于其物理尺寸、购买价格以及波长和输出功率带来的更高安全性。近年来，激光二极管的功率急剧增加，使这种发射器成为技术的重要组成部分（10；11）。二极管激光器越来越多地出现在工业应用中（12；13）。此外，由于购买价格较高，生产速度很快，这也进一步增强了这种潜力。二极管激光器的功率可以控制，其光束可以相对精确地聚焦（14）。

这样就能对木材表面进行更精细的处理，并有可能校准材料、环境的微小变化以及发射器无处不在的磨损。不过，二极管激光器的光功率仍然要低两个数量级，因此生产速度明显减慢。二极管激光器的一大优势是体积小，可小到三个数量级。这使得将半导体激光器组装成可同时控制（增加功率）或单独控制（一次雕刻多条线路）的多光束系统变得更加容易和便宜（11）。

带组合发射器的激光模块

因此，在木材光雕刻应用中，半导体激光器不仅在精度方面，而且在速度和生产经济性方面都有可能超过 CO2 激光器。最终使半导体激光器成为更适合在木材上制作雕刻照片的发射器的因素是，它们在根据材料及其环境的当前特性校准光束方面具有更高的效率和有效性 (15)。

半导体激光器的使用量逐年增加，如今已成为使用最广泛的激光发射器类型。这归功于其广泛的应用范围以及在过去几十年中最大功率的显著提高。2016 年，激光发射器的全球销售总收入为 104 亿美元（16）。其中，45% 的收入仅来自半导体激光器销售（17）。图 1 所示的当前趋势表明，这项技术目前在吸引研发投资方面前景更为广阔。

半导体激光器销售额

激光雕刻质量不断提高

在激光雕刻过程中，木质材料发生的两个基本化学过程是燃烧和碳化。这两个过程同时进行，如果控制得当，可以获得大量不同的色调。可以采用多种方法来实现适当的控制。其中一种方法是对激光束进行不同的聚焦。

聚焦和散焦激光的效果

使用聚焦光束雕刻时，材料被切断，色调从浅棕色变为深棕色。而使用散焦光束进行雕刻时，我们可以获得丰富的黑色色调。通过这种方式，我们可以获得不同的色调，并在使用合适的组合进行雕刻时获得更多的颜色。这样就能获得更大的图形深度，并改善照片和图形在木材上的转移效果。通过正确的调整，可以获得与标准印刷类似的质量。因此，从整个过程的质量和生态学角度来看，激光雕刻木材非常有趣。没有油墨，没有化学反应。这种产品可以说是生态友好型产品，对环境的负面影响要小得多。唯一的负面成分是激光（微型激光，可持续数万小时）和所需能源。

聚焦（左）和散焦（右）激光束在光源照片（中）上的不同效果

在上图中，我们可以看到不同的色调，这些色调是通过不同的光束聚焦实现的。生产代码、控制装置和激光功率设置完全相同。值得一提的是，光束的模糊也会导致雕刻点的尺寸略微增大，因此理论上可以实现较低的细节。这始终取决于雕刻头的性能和光学性能。考虑到所需的分辨率，有必要对光束进行聚焦。不过，在木头上雕刻照片和图形时，雕刻点的最小尺寸是有限的（取决于功率和光学器件），因为木头在雕刻点周围也会轻微燃烧。这就为调整相对于雕刻点的清晰度提供了一些空间。

如下图所示，模糊的光束增加了图形的暗度。同时，阴影曲线更加锐利，因此产生的变暗效果更快。因此，应适当调整最大发射器功率，使整个阴影深度均匀地分布在输入图形的直方图上。值得一提的是，与聚焦光束相比，模糊光束需要更大的功率来改变材料。这是因为模糊光束的能量密度较低，从下图中可以看出，激光功率值为 0-20%。

激光雕刻烧焦和碳化表面的阴影深度

由此产生的表面具有不同的成分。从下面的电子显微镜扫描图中可以很容易地看出这些化学过程之间的差异。随着表面碳化程度的增加，木材表面残留的黑碳数量会迅速变化。这是意料之中的，因为黑碳是造成黑色表面阴影的原因。由于主要的激光能量用于木材碳化而不是木材升华，因此表面的深度变化很小。

聚焦激光束（左）和散焦激光束（右）在电子显微镜下的黑碳量差异

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结论

半导体激光器的使用量每年都在增长。由于半导体激光器的输出功率不断提高，因此可用于越来越多的场合。发射器的物理尺寸允许它们进行组合。它们的组合可实现更高的功率输出或更快的光栅雕刻（同时雕刻多行）。在雕刻木材时，通过散焦光束可以获得更暗的色调。这使得雕刻出的图形更有深度。通过适当的组合，可以在木材表面实现更高质量的图像传输。根据木材的不同种类和状态优化激光雕刻工艺非常重要。

使用相同的激光和功率输出设置可以获得不同的质量。光束的焦点只是一个变量。湿度和木材本身的年龄也是影响雕刻效果的其他因素。

文章作者：Martin Jurek

马丁-尤瑞克

参考文献

1. Mishra, Sanjay a Yadava, Vinod.激光束微加工（LBMM）--综述。工程中的光学与激光。2015年，第73卷，第89-122页。
2. Minami, K., and others.使用高功率二极管激光器去除工业环氧灌浆。工程中的光学与激光》。2002，第 38 卷，第 6 期，第 485-498 页。
3. Bruno, Luigi.用光学技术表征复合材料的机械特性：回顾。光学与激光工程》。2018年，第104卷，第192-203页。
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5. Kifetew, Grima.木材干燥过程中变形场测量方法的应用》。木材科学与技术》。1996年，第30卷，第455-462页。
6. 马丁内斯-孔德、亚历杭德罗等。回顾：用于木材和人造材料切割的二氧化碳激光和传统锯切的比较分析。木材科学与技术》。2017年，第51卷，第943-966页。
7. Rothenbach, Christian A. a Gupta, Mool C. 使用蓝光光学头组件的高分辨率、低成本激光光刻技术。光学与激光工程》。2012，第 50 卷，第 6 期，第 900-904 页。
8. Barletta, Massimiliano, Gisario, Annamaria a Tagliaferri, Vincenzo.回收可回收材料：CD-R 激光加工的实验分析。光学与激光工程》。2007，第 45 卷，第 1 期，第 208-221 页。
9. 松木光纤激光切割中水分含量的影响》。Hernández-Castañeda, JuanCarlos, Kursad, Huseyin a Li, Lin.9-10, 2011, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 49, pages 1139-1152.
10. Nakamura, S., Pearton, S. a Fasol, G. The blue laser diode - the complete story.2.柏林：施普林格出版社，2000 年。第 368 页。978-3-540-66505-2.
11. Rodrigues, G.Costa, and others.使用直接二极管激光器进行激光切割的理论和实验方面。工程中的光学与激光》。2014年，第61卷，第31-38页。
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14. Wang, S. H., and others.使用分级索引光纤准直发散激光二极管光束。光学与激光工程》。2000年，第34卷，第2期，第121-127页。
15. 高功率二极管激光器材料加工的进展与特点.李林4-6, 2000, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 34, pages 231-253.
16. Holton, Conrad, and others.年度激光市场回顾与预测》：激光都去哪儿了？Laser Focus World.[Online] 23.2017年1月。[引用日期：2019 年 1 月 20 日。] https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/16548135/annual-laser-market-review-forecast-where-have-all-the-lasers-gone.
17. Unlimited, Strategies.全球激光市场：新罕布什尔州 : Strategies Unlimited, 2017.新罕布什尔州 : Strategies Unlimited, 2017.