自20世纪60年代中期以来，激光已被用于标记制作、蚀刻和切割。世界上第一台激光打标机是在1965年开发出来的，当时是未来在金刚石制造模具上钻孔，随后这一技术获得了迅速的发展。

CO₂激光器用于打标的早期引入发生在1967年，通过商业化的现代CO₂激光系统，该技术在20世纪70年代中期达到了成熟阶段。而自那以后，激光打标系统已经成为应用于航空航天到医疗设备制造、制药和零售等一系列广泛行业的主力。

松下推出3D短脉冲光纤精密激光打标机操作演示（图片来源：Panasonic）

尽管与喷墨打印等其他技术竞争，但激光已经被印证是一种强大、低成本和可重复的标记制造技术。重要的是，这个过程是生态友好的，不需要耗材（如墨水、墨盒和纸张）。

现在，激光打标系统不再仅仅依赖于CO₂激光器，其他如光纤激光器和Nd：YAG固态光源，提供了更小的占地面积、更低的维护成本和高效的替代方案。技术能力的进步也是显而易见的。最快的商用激光打标机现在每小时可以加工数万个零件。

虽然激光打标技术的发展是迅猛的，但激光打标系统的制造商和用户现在正寻找新的路线来推动标记技术的发展，以应对新的挑战并改善加工结果。

这些挑战来自于需要加工的新材料，以及需要服务的新应用——每一个都推动了增长和创新的需求，同时塑造了激光系统开发的市场。

例如，陶瓷是激光加工领域中发展最快的材料之一，这种材料在半导体零件和电路板制造中尤为重要。印刷电路板（PCB）通常被称为“电子系统产品之母”，是几乎所有电子产品中使用的一种组件。PCB发展的微小变化对市场趋势的影响很大。

近年来，在传统印刷电路板（PCB）中使用陶瓷的焦点已经转移，这些电路板由FP4等塑料环氧树脂制成。与非陶瓷PCB相比，陶瓷电路板具有出色的热处理能力、易于实现，并提供卓越的性能。然而，许多标记技术——如丝网加工，并不适合陶瓷。陶瓷的油墨标记很麻烦，需要几种消耗品，并且不耐磨损。陶瓷的脆性和硬度也使其成为较难标记的材料之一。

因此，近年来，激光作为油墨印刷技术的替代品已经崛起，许多激光公司已经开发出特别适合陶瓷打标的系统，如二极管泵浦固态紫外激光器，以及传统的CO₂激光器。

“这其中肯定包括了小型化的趋势，”激光打标公司ES Precision的主管Andrew May表示。然而，他强调引入新的市场趋势的确也需要时间，“每周都有新的应用吗？不。但15年前，我们从未在微型陶瓷上做过标记，而现在我们做到了。”

然而，尽管发展迅速，电子领域的陶瓷标记目前并不是ES Precision最大的市场。“对我们而言，最大的行业是医疗设备，”Andrew May表示，“然后是汽车、电子和通用工程部件。所需的产品种类因行业和相关行业的不同而有很大差异。”

该公司拥有8个激光系统（其中5个是Galv驱动的）为各种不同的应用领域提供打标服务。正因为如此，也因为公司总是获得有定制需求的新客户——May强调，对于ES Precision而言，灵活的能力至关重要。

因此，它使用的激光器适用于标记不同的材料、形状和尺寸，以及不同的批量大小。它可以提供的标记范围也和它的客户群一样多样化，它的激光器能够产生从代码到图形和数据矩阵的一切——所有这些都是高速和高再现性的。

因此，迎合这种灵活性对于Bluhm Systeme等激光打标机制造商来说是必须的，该公司的编辑Antoinette Aufdermauer表示，该公司不断关注市场并相应地开发其产品。

其打标系统包括气体、光纤和固态激光器，包括CO₂和YAG系统。激光标记都是脉冲式的，工作波长范围为0．355μm－10．6μm。每一种激光器都有自己的特点，也有一些相似之处：CO₂激光器可用于打标塑料、橡胶、纸张和箔；光纤激光器在标记钢铁和某些塑料时具有优势；YAG激光器适用于打标金属和陶瓷。Aufdermauer表示：“我们提前在激光实验室对客户的所有材料进行了广泛的测试。

Aufdermauer表示，便携性对于确保激光打标操作的灵活性也非常重要，这对于工业客户来说是非常理想的。因此，Bluhm Systeme的最新产品“Lightworx”在紧凑型工作站中搭载了20W光纤激光器，可以轻松地移动到生产环境中。该系统能够在金属和塑料上制造出“永久的、锋利的、防伪的”标记。

激光打标领域的另一个重要趋势是保证和完善可追溯性——通过产品表面的独特识别标记对产品进行个体识别。这种标记可以采取多种形式，但越来越受欢迎和重要的是使用数据矩阵，如二维码（QR codes）。

通过用自己独特的数据矩阵代码标记单个产品，可以轻松地以非侵入性方式识别其关键细节，如制造商、批号和使用寿命。这提供了质量保证：消费者和用户可以确定产品的确切来源。这种质量保证，在消费者和制造商之间建立了直接联系，并赋予产品附加值，使它们能够与成本更低的制造业竞争。

由于其令人难以置信的精度，激光非常适合编写小至200μm尺寸的详细代码——小到无法被路过的人看到，但如果一个人知道他们的位置，可以很容易地使用智能手机检查。在这样的尺寸下，数据矩阵可以用于防伪目的，使得以非侵入性的方式检查高质量商品的真实性变得容易。这对制药业产生了巨大的影响，因为这是一种确保药片等药物不会以欺诈方式生产和分销的方法。

组件可追溯性在作为诉讼证据时也起着重要作用。例如，如果某人进行了医疗移植，移植失败了，可追溯性使他们能够确切地知道是什么地方出了问题，在哪里出了问题，在哪个批次出了问题。这当然会提高产品召回等方面的效率，但也给了客户更多的自主权。这可能并不明显，但随着社会对诉讼越来越感兴趣，能够提升诉讼判决的技术也必须跟上。

可追溯性还促进了整个制造业的另一个趋势：提高环境可持续性和减少生态影响。通过追踪产品，了解它什么时候失效，或者知道它什么时候达到生命周期的终点，制造商能够更好地主动更换和回收。这也意味着产品可以按照预定的方式返回进行翻新，因此最终被填埋的设备可能更少了。

然而，目前的数据矩阵标记系统面临着许多挑战。某些材料让操作变得更困难——特别是玻璃和聚合物，以及薄金属和箔。标记还必须是永久和稳定的，系统必须能够适应各种产品尺寸。

对于某些激光打标机来说，一个特别的挑战是在非平面上进行打标。在这一领域，喷墨打印机的数量仍然超过基于激光的系统。因此，系统工程师正在努力克服这些挑战。例如，激光打标系统制造商Laserax提供二氧化碳和光纤激光器，平均功率为20－500W，周期时间不同，配备自动调整聚焦光学器件，用于3D表面，可根据物体曲率进行调整。为了考虑未知几何形状的表面，Laserax的系统使用自动聚焦视觉系统，首先扫描3D表面，然后在标记过程中调整激光焦点。

然而，非平坦表面并不是激光打标系统制造商面临的唯一挑战。激光打标解决方案制造商QiOVA的首席执行官Florent Thibaut博士解释称：“在许多情况下，全球范围内标准化的打标解决方案（比如喷墨），无法满足每个产品提供特定标记所需的需求。目前，通常使用激光已经可以像使用笔一样，作为一种连续的方法。然而这还不够快——我们需要找到一种能够兼顾生产量和精度的解决方案。”

顺序打标受到影响，因为激光打标必须根据每个产品的不同而改变，因此拥有一种可根据每个产品进行调整的打标技术是至关重要的。制造商要求极高的吞吐量——标记必须适应，标记速率必须很高——这甚至没有考虑加工某些材料（如玻璃或聚合物）的困难。

为了解决这个问题，QiOVA为其VULQ1技术申请了专利，该技术在今年的激光世界光子学工业生产工程中获得了激光系统创新奖，该技术并没有选择使用一束连续光的方法（就像传统的标记系统一样）。相反，它使用数百束光束来产生类似邮票的效果——在瞬间产生整个数据矩阵代码。用于产生这种独特印记的方法是动态光束整形，它使用诸如空间光调制器（SLM）之类的组件来实现。SLM能够在每个镜头的基础上进行调整，以创建具有独特结构的光束。

虽然其他激光打标技术可能优先考虑高重复率以实现高生产量，但QiOVA却使用更高的脉冲能量和并行处理来获得更好的效果。

Thibaut表示：“这种类似邮票的打标方案，为二维条码打标释放了巨大的生产力潜力，而且实施起来很简单。”

例如，其技术可用于用570μm宽的数据矩阵码以每小时77，000个的速度标记PVC医疗部件。该系统可以标记的其他材料包括：涂有HDPE聚合物的铝；碱石灰玻璃；硼硅玻璃、纯金和环氧树脂模塑复合。

Thibault补充称：“图案尺寸可以小到100μm，同时保持完美的清晰可读性，即使是在直线标记时，因为所有的点都是同时标记的。”更重要的是，由于不必依赖高重复频率，QiOVA可以使用现成的红外和绿色Nd：YAG激光器构建系统，重复频率约为20－30Hz，确保其系统尽可能保持成本效益。

激光打标的另一个令人兴奋的新领域是：数据存储。研究人员声称他们可以通过使用超快激光将数据编码到玻璃／晶体介质中来生产高效的数据存储系统。数据以微烧蚀的形式存储在玻璃／晶体中，一旦产生，就会能够保存惊人的时间，

2013年，日立宣布推出了其首个石英晶体数据存储系统；而2014年，南安普顿大学光电子研究中心（ORC）的研究人员宣布了他们开发的飞秒激光蚀刻玻璃系统。ORC已经开始与微软研究院合作“Project Silica”，该项目承诺将开发zb级存储系统，并“从根本上重新思考如何构建大规模存储系统”。

然而，在玻璃上书写并非易事，标准脉冲UV或CO2激光系统会产生微裂纹——材料表面的过度加热会导致热热点处的损坏。虽然这可以通过降低脉冲能量来规避，但当需要高精度时，这并不理想。这就是为什么研究人员正在转向超快（飞秒）激光系统，以尽量减少热损伤的风险。高能脉冲的超短持续时间确保了足够的能量被传递到材料上，以极高的精度进行标记，只产生最小的热影响区，避免了微裂纹的产生。

然而，目前这种技术的局限性是数据写入的速度极低，写入Tb级的数据可能需要数年时间才能完成。值得庆幸的是，正在进行的突破正在提出提高数据写入速度的方法。去年，ORC的研究人员在《光学》（Optica）杂志上发表了一种节能的激光写入方法：这种方法不仅速度快，而且可以在CD大小的二氧化硅光盘上存储大约500Tb的数据——它们比蓝光光盘存储技术的密度高1万倍。

研究人员的新方法是使用515nm的光纤激光器，重复频率为10MHz，脉冲持续时间为250fs，在硅玻璃上产生微小的凹坑，凹坑包含单个纳米层状结构，尺寸仅为500 × 50nm。这些高密度纳米结构可以用于长期光学数据存储。研究人员实现了每秒1，000，000体素的写入速度，相当于每秒记录大约225KB的数据（超过100页的文本）。

这种新方法被用来将5GB的文本数据写入一个传统光盘大小的硅玻璃光盘上，读取精度接近100％。每个体素包含四位信息，每两个体素对应一个文本字符。利用该方法提供的写入密度，光盘将能够容纳500Tb的数据。研究人员表示，通过升级系统以实现并行写入，在大约60天内写入这么多数据应该是可行的。

文／Anita Chandran

注：本文编译自近期发布的《2023年激光打标趋势与创新》（Laser marking trends and innovations for 2023）一文。