激光打標機（Laser Scribing Machine）又名激光打碼機，是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標機械，激光打標機的系統主要由電源系統、激光器、光學掃描系統等組成。激光打標技術是一門綜合了機電數控、光電子和計算機等技術為一體的光機電一體化加工技術。
1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為694.3微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光。
激光打標機按照光源類型可以分為CO2激光打標機、YAG激光打標機、半導體激光打標機、光纖激光打標機等。激光打標機的應用領域包括電子元器件、集成電路（IC）、電工電器、手機通訊、五金制品、工具配件、精密器械、眼鏡鐘表、首飾飾品、汽車配件、塑膠按鍵、建材、PVC管材等。
歷史沿革
1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家西奧多·梅曼宣布獲得了波長為694.3微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光。
1960年7月7日，《》首先披露西奧多·梅曼成功制成了世界上第一臺激光器，梅曼的方案是利用一個高強閃光燈管來激發紅寶石。
1968年，中科院上海光機所，研發并制造出了中國第一臺3000W折疊封離型CO2激光器。
20世紀70年代末，中科院力學所和北京機電院、上海光機所、華中科技大學等單位均先后研制成功千瓦級橫流高功率CO2激光器并在80年代初先后通過樣機鑒定。
1983年，中國國家科委高新技術司提出了“六五”科技攻關項目激光熱處理成套設備的研制、激光器激光熱處理工藝、激光功率計等都納入了國家科技攻關計劃中。
1994年，Hanna 首先進行了摻Yb3+雙包層光纖激光器的實驗研究，獲得了效率為80%，最大輸出功率為0.5W的激光輸出。
1997年，美國Polaroid公司的M.Muendel等人實現了在1100nm波長處35.5W的連續激光輸出，2002年，德國IPG公司研制的最高輸出功率為2000W，中心波長為1060nm的單模激光得到應用。
2003年，英國南安普頓大學的J.Nilsson等人研制出了波長1080nm，輸出功率為272W的單模激光。
2018年，世界各國激光器市場規模已經達到了137.5億美元，同比增長5.3%。
基本原理
激光打標是利用晶體棒受激勵而發出的高聚集性激光束對工件進行固定軌跡掃描，激光能瞬時變成熱能，使工件表層材料迅速發生物理或化學反應，從而在工件表面刻出各種數字、符號和圖標等，作為工件自身標志。激光通過聚焦后形成精密激光束如同刀具，可將物體表面材料逐點去除，標刻紋路精度可以從毫米到微米量級，根據不同功率激光電源可以標刻出不同的圖案效果。而激光打標機是綜合了激光電子、機電數控和計算機等技術于一身的光機電一體化設備。
主要結構
激光打標機由電源系統、激光器、冷卻系統、Q開關、光學掃描系統等組成。
電源系統
電源系統由主電路、控制電路、其中有水壓保護和溫度保護系統，水壓保護和溫度保護是防止斷水時、水冷卻不夠而自動切斷主電路供電，從而保護激光器。其中激光功率輸出由IGBT通斷決定，調節IGBT的占空比使燈電流在7～25 A，YAG晶體在氪燈發出的強光激發下，諧振腔產生光振動并沿軸線的方向產生激光。通過控制氪燈電流的大小即可控制激光輸出功率的大小。
激光器
激光器常見的為YAG，YAG為摻釔鋁石榴石晶體，晶體內的Nd原子含量為0.6-1.1%，屬固體激光，可激發脈沖激光或連續式激光，發射的激光為紅外線波長1.064um。激光生成原理是將激光晶體放在兩個互相平行的反射鏡中間，即可構成光學諧振腔。在這一光學諧振腔內，非軸向傳播的單色光譜被排出諧振腔外，軸向傳播的單色光譜在腔內往返傳播。當單色光譜在激光物質中往返傳播時，稱為諧振腔內“自激振蕩”。當泵浦燈提供足夠的高能級的原子在激光物質內，具有高能級的原子在兩能級間存在著自發輻射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光，與入射光具有相同的頻率和相位。當光重復在諧振腔內通過“粒子數反轉狀態”的激活物質后，相同頻率單色光譜的光強被增大生成了激光，激光高滲透率就能透過諧振腔內50％的透射鏡發射出來，成為連續式激光。
冷卻系統
激光器工作過程將電能轉換為高能激光，但由于光電轉換率還普遍不高，存在一定的能量損耗，這些損耗能量大部分轉換為熱量，過多的熱損耗會使激光器內部器件溫度過高，進而影響器件的性能及壽命，嚴重時還會損壞內部器件，因此必須設置冷卻系統。冷卻系統的好壞直接影響激光光束質量、激光效率、工作可靠性，冷卻系統主要包括水箱、水泵、換熱器、壓縮機、冷凝器等。
Q開關
Q開關是利用聲光相互作用以控制光腔損耗的Q開關技術。聲光調Q是通過電聲轉換形成超聲波使調制介質折射率發生周期性變化，對入射光起衍射作用，使之發生衍射損耗，Q值下降，激光振蕩不能形成。在光泵激勵下其上能級反轉粒子數不斷積累并達到飽和值，之后突然撤除超聲場，衍射效應立即消失，腔內Q值猛增，激光振蕩迅速恢復，其能量以巨脈沖形式輸出。這種Q開關方式應用廣泛，性能可靠穩定。典型的Q開關主要由電聲轉換器、聲光介質和吸聲材料三部分組成。當電直換能器加上高頻電壓后，饋人聲光材料的超聲波使聲光材料的折射率發生了周期性的變化，相對于聲波方向傳播的激光來說形成一個相位光柵。光波在超聲場中發生衍射，改變了其原來的傳播方向，形成了聲光衍射。
光學掃描系統
光學掃描系統由計算機、I/O接口卡、振鏡電源、振鏡電機、反射鏡組成，分為x，y兩方向掃描系統，分別由計算機通過專用的打標控制軟件按設計的圖形、文字等控制激光的掃描軌跡。
特點
應用范圍廣
依靠不同類型激光發生器，激光幾乎可以加工從金屬到非金屬的各種機械零部件。具體而言，適用材料包括：普通金屬及合金（鐵、銅、鋁、鎂、鋅等所有金屬），稀有金屬及合金（金、銀、鈦），金屬氧化物（各種金屬氧化物均可），特殊表面處理（磷化、鋁陽極化、電鍍表面），ABS料（電器用品外殼，日用品），油墨（透光按鍵、印刷制品），環氧樹脂（電子元件的封裝、絕緣層）。
非接觸式加工
激光打標技術的優勢是標刻過程為非接觸性加工，不產生機械碰撞和大范圍熱應力，因此不會降低工件的使用壽命；也不會因為刀具磨損造成加工誤差。
加工精度高
激光束聚焦效果好，可形成極細光束，加工精細，可以完成常規方法無法實現的工藝，例如電子元器件標號，條形碼、二維碼標刻識別等。
成本低
激光打標使用的刀具是聚焦后的光束，不需要額外增添其他設備和材料，只要激光器能正常工作，就可以長時間連續工作。
加工效率高
激光打標加工速度快，通常在數秒內就可以完成任何復雜圖形的標刻任務。
可控性高
激光標刻系統由工控機自動控制，生產時不需人為干預。在工控機內，通過激光打標軟件可設計出各種圖稿文件，如dwg、bmp、jpg等。如此，激光打標系統就可以把圖稿文件還原在工件表面上。
分類
按光源分類
CO2激光打標機
CO2激光打標機即二氧化碳激光打標機，是利用CO2氣體為工作介質的激光振鏡打標機。CO2激光器以CO2氣體為介質，將CO2和其他輔助氣體充入放電管在電極上加高壓，放電管中產生輝光放電，使氣體釋放出波長為10.64um激光，將激光能量放大后，經振鏡掃描和F-Theta鏡聚焦后，在電腦和激光打標控制卡的控制下，可在工件上根據用戶的要求進行圖像、文字、數字、線條的標刻。CO2氣體激光切割機具有功率大、穩定性好、適應性強等優點，適合于對厚板金或非金屬材料（如木材、塑料、玻璃等）的寬范圍切割。
YAG激光打標機
YAG激光打標機是一種能夠實現精細打標的一種標記設備，它使用YAG晶體作為激光介質，輸出波長為1.06μm的近紅外光，能很好的被金屬材料吸收，引起材料蒸發。廣泛應用于金屬材料及零件的標記領域。YAG激光切割機非常適用于金屬材料切割也可應用于金屬焊接，是一款多功能的加工設備。該設備運行穩定可靠、加工質量好、效率高、操作簡單維護方便，是一款性價比非常高的產品。
光纖激光打標機
光纖激光打標機是近年來激光物理研究的一個熱門，被一致認為是有可能全面替代固體激光器的新一代產品。光纖激光打標機采用進口脈沖式光纖激光器，其輸出激光模式好使用壽命長，被設計安裝于打標機機殼內。它以摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質，通過泵浦光的作用，在光纖內極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”。當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。光纖激光切割機具有光束質量號、切割精度高、速度快、靈活性好、切口質量好等優點。同時，它也具有較高的能源效率和較低的維護成本，使其在許多行業得到廣泛應用。
按打標方式分類
掩模式
掩模式激光打標系統主要由激光器、掩模板和成像聚焦透鏡幾部分組成，其工作原理是經過擴束準直的激光束均勻入射在事先按要求雕空好的掩模板上，使得激光束只能從模板的雕空部分透射，再經過透鏡的聚焦便可將要求打標的激光束聚焦到材料表面上，從而實現打標。一般每次脈沖即可形成一個激光標記。掩模式激光打標主要優點是一個激光脈沖一次就能打出一個標記，因此這種方法的激光打標速度快，效率高。對于大批量產品要求，可實現在線飛行打標。但是，首先，其打標靈活性差，對于不同的打標內容要更換不同的掩模板；其次打標過程中大量的能量由于掩模板的阻擋而浪費，只有透射過掩模板的能量才能得到利用，所以能量利用率較低。
點陣式
點陣式激光打標系統是通過使用多臺并行小型激光器同時發射脈沖激光，經反射鏡和聚焦透鏡后，使得激光脈沖聚焦在被加工材料的表面上，通過激光作用來燒蝕掉大小及深度均勻的小凹坑，所要加工的字符和圖案就是由這些小圓黑凹坑構成，一般情況下，橫筆劃5個點，豎筆劃7個點，從而形成5×7 的陣列。陣列式激光打標所采用的激光器一般是小功率射頻激勵CO2激光器，其激光打標速度最高可達6000 字符/秒，正因為其較高的打標速度使其成為了高速在線打標的理想選擇，不過，它的主要缺點是只能標記點陣字符，且只能達到5×7的分辨率，所以，對于有些打標要求就很難實現，如對于漢字的打標。
掃描式
掃描式激光打標系統由計算機、激光器和X-Y平面掃描系統三部分組成，其工作原理是將需要激光打標的信息通過打標軟件輸入計算機，打標軟件按照打標要求將信息通過打標卡轉換為信號控制激光器和X-Y掃描系統，使經過擴束準直后的激光，由F-θ場鏡聚焦后輸出在被加工表面上掃描運動，形成激光標記。其特點是打標速度快、打標精細，可進行精細打標，甚至可以進行位圖打標。這種打標方式的適應性很強，已經成主流打標方式，代表了激光打標的發展趨勢。
按激光可見度
紫外激光打標機（不可見）
采用紫外線波長的激光，這種激光波長較短，能量較高，適合于打標一些要求更精細、精度更高的場合，如電子元器件、集成電路、電工電器、手機通訊、五金制品、工具配件、精密器械、眼鏡鐘表、首飾飾品、汽車配件、塑膠按鍵等。紫外激光打標機具有打標精度高、速度快、效果好的優點。
綠激光打標機（可見激光）
采用綠色波長的激光，這種激光波長適中，能量適中，適合于打標一些要求較高，但不需要達到最高精度的場合，如建材、PVC管材等。綠激光打標機具有打標精度高、速度快、效果好、價格適中的優點，是當前應用較為廣泛的激光打標機之一。
紅外激光打標機（不可見激光）
采用紅外線波長的激光，這種激光波長較長，能量較低，適合于打標一些要求不高的場合，如一些非金屬材料等。紅外激光打標機具有打標范圍廣、速度快、價格低廉等優點，但精度和效果不如紫外激光打標機和綠激光打標機。
按波長
按照激光波長的不同可分為：深紫外激光打標機（ 266nm ）、綠激光打標機（ 532nm ）、燈泵YAG激光打標機（1064nm）、半導體側泵YAG激光打標機、半導體端泵YAG激光打標機（1064nm ）、光纖激光打標機（1064nm）、CO2激光打標機（10.64um）。
性能參數
波長特性
各類型激光器都輸出一定波長的單色光。波長與物質對激光的吸收率和激光束精細聚集的極限有關。尤其是對金屬類物質的加工，激光波長越短，表層對光吸收率越大，反射率減小，打標出的效果越好。
時間特性
如今激光加工，有連續輸出和脈沖輸出兩種形式。連續激光是以穩定、不間斷的光束釋放出高能量。激光加工的激光脈沖有普通脈沖、調Q脈沖以及連續輸出和脈沖輸出兼容的三種情況。脈沖激光器是指單個激光脈沖寬度不大于0.25s且具有規律的時間間隙才運行一次的激光器。
功率特性
激光器都是朝著大功率的方向發展，但是對于不同的場景與材料，需要因地制宜，也要取決于市場的需求。激光器按照種類可分為固體、氣體、液體、半導體和染料等若干類型，其中固體激光器大多體積小并且強度大，脈沖輻射功率較高，使用領域較為寬廣。
發展現狀
國際
世界激光打標機市場主要分為三部分：北美占51%，歐洲占24%，中國、日本等亞洲國家占25%。這三部分市場在激光領域的發展代表了世界發展的趨勢。歐洲主要優勢在于500W以上的自動化激光生產線生產和設計；美國主要占據著中等功率的激光設備市場；而小功率激光加工設備是日本的優勢所在，占據著70%以上的市場，多分布于東亞和南亞一帶。
中國
中國的激光打標技術與國際相比差距很大，沒有相關領域的企業能夠達到國際化水平。其主要表現為：較先進激光操作系統相對很少；激光標刻技術較薄弱；激光加工控制中心缺口較大。不過近年來，中國出現許多相關研究機構正瞄準世界先進水平研制并開發不同類型的激光打標機和打標系統，如中國大恒（集團）有限公司、深圳激光科技股份有限公司、武漢大族激光科技股份有限公司、無錫津天陽激光電子有限公司、南京中南激光有限公司等。同時國家對激光打標行業也相當重視，各科研院所也在激光標刻系統的開發研究工作中注入了大量人力物力，充分發揮各部門自主創新能力。
經過近幾年技術方面不斷更新和完善，激光打標技術發展非常的迅速，無論是在硬件和軟件上都有了一個很大的提升。中國已形成相當規模的激光加工設備產業帶，主要分布在長江、珠江沿岸和京津唐環渤海經濟區。據統計，中國激光打標設備依靠價格和質量優勢越來越受中小企業歡迎，激光打標機的銷售額也一直占優勢地位。
應用領域
鋼鐵行業
主要用于軋鋼廠軋板生產線的中厚板，鋼管廣鋼管生產線上的鋼管，線型廣線材生產線的銘牌等標記。
無線電行業
主要用于無線電通訊設備的面板、銘牌刻字及打標。
汽車及摩托車行業
主要用于缸體、車架、底盤等流水線產品的自動打標及汽車銘牌等的標記。
機械行業
主要用于機械零件如活塞、活塞環、軸瓦、軸承、連桿、工具、量具等工件的打標。
半導體行業
主要用于由于元器件的識別標記、集成電路的微型標記硅片劃線、刻字等，如在印制電路板組裝件生產過程中，激光打標技術作為質量管控的重要手段，已廣泛應用于行業中。
廣告裝飾業及刻字
主要用于塑料、有機玻璃、木材、透光彩、不干膠等非金屬進行切制和雕刻，并可刻圖章。
發展趨勢
數控化和綜合化
綜合現在信息社會發展的成果，將激光器技術與數控技術專業、激光掃描系統和視覺定位技術相融合，形成一體化無人加工生產線，代表了激光打標技術研究的前沿課題。
小型化和組合化
國外已把激光打標和產品打包裝箱兩種加工程序組合在一條生產線上，制成激光打標生產線，它兼有激光打標的多功能性和自動化打包裝箱的高速高效的特點，可標刻各種復雜圖形、符號、字符等。
高頻度和高可靠性
對激光器研發和改進從未間斷過，因為不同種材料對激光的反射率和吸收率不同，而且研究新型能源節約型、轉化率高和使用性能穩定的激光器將是一個新課題。
人工智能
搭載視覺智能系統激光打標機，可實現現場無人操控，只需手機遠程一鍵操作，選擇相應打標需求，便可直接下達指令，系統自動完成打標任務。設備工作數據也可實時上傳至工業互聯網云平臺，實現數據分析及遠程控制。還可根據用戶需求，定制其他實用功能。
參考資料 >
我國高功率CO2激光器的發展——回顧與展望.中國知網.2023-11-25
光纖激光打標機打孔工藝研究.中國知網.2023-11-25
快軸流CO 2 激光放大器光束傳輸與功率放大特性研究.中國知網.2023-11-25
光纖激光清洗實用樣機的研制.中國知網.2023-11-27
YAG、CO 2 激光打標機應用概況.中國知網.2023-11-25
你離“智能制造”還差一臺視覺智能激光打標機的距離.今日頭條.2023-11-25