雷射誘發金屬表面彩色特性探討

摘要：在本文中我們探討許多雷射加工參數對彩色金屬雕刻的影響，並且藉由了解脈衝雷射在金屬表面的作用時間與溫度的關係式，進而了解不同色度值的變化，並且藉由化學熱動力的方法對於不同顏色的金屬結構與成分進行探討，進而希望能使金屬彩色雕刻達到工業化的效果。

Abstract: In this paper, the color of metal engraving is investigated using a variety of laser processing parameters. The composition and structure of the film on the colored metal surface is understood by applying a chemical thermodynamics model. The effects of laser processing parameters on the color markings are presented systematically, including the relationship between laser power and surface temperature to chromaticity coefficient. This paper presents the results and contributes to industrialization of color marking.

關鍵詞：雷射、彩色雕刻、雷射材料加工、化學薄膜層

Keywords：Laser, Color Marking, Laser Materials Processing, Chemical Films

前言
在金屬表面進行標記打印，通常可透過印刷、陽極處理或乳液塗層處理。然而印刷的方式不耐刮，而陽極處理要產生多個單色不易，而乳膠塗料是昂貴的，因此使用雷射來產生彩色標記則是一種可行的辦法，而雷射金屬打標可使用各種不同型式的雷射源來產生[1]，透雷射脈衝來加熱，賦予了金屬獨特的特性，並控制其內部組合物的結構，透過光學方式，找到不同的雷射加工應用[2]。而雷射也可直接透過超短脈衝，進行金屬氧化並誘導其改質，使生成人眼可直接看到氧化層的色度變化[3,4]。另外透過雷射改變偏振相關的形成結構，讓金屬可以產生特定顏色的圖案[4]。利用雷射施打出高分辨率的彩色雕刻技術，可用於識別的金屬製品、文創用品、防偽保護、物品信息編碼[5]等等。

使用光纖[6,7]和Nd：YAG[1]固態脈衝雷射，也可讓金屬表面顏色產生，在工業上奈秒脈衝雷射在價格上比超快雷射更合適，而在彩色雷射打印中，雷射功率似乎是一個重要參數，但如Q-switched雷射其最大雷射功率與重複頻率有關，因此如果能有獨立控制的雷射功率與頻率是一個優勢，而光纖雷射正好具有此優勢。我們使用工研院自主雷射源技術，利用奈秒光纖雷射，達到雷射彩色雕刻（CLM, color laser marking ），不用透過昂貴的超短皮秒、飛秒脈衝雷射系統，因此雷射建造成本更低，加上全光纖的雷射輸出，可靠且穩固，以及操作的簡便性，可讓表面氧化的金屬（例如，不鏽鋼），於雷射彩色雕刻上，得到一個良好的氧化層，以及優越的粘合性[4]。

彩色雷射雕刻系統說明
我們使用的雷射為自行研發的50 W奈秒光纖雷射，波長為1060 nm，其重複率可由20 kHz到2000 kHz可調，並可成功的在生產線上長時間工作。我們在雷射的輸出端加上擴束鏡，因此光束直徑約8 mm，實際的雷射加工系統，如圖1所示，在雷射聚焦行為上，最小的光斑直徑為40微米，其光束空間品質M2<1.3，掃描的方式則是透過x與y軸方向逐線通過其表面的掃描來完成列軸線（Lx, Ly）。