密封CO2激光技術(shù)在不斷發(fā)展，性能在提高，可信度在增加，體積在減小,激光器總成本在下降。本刊最近發(fā)表的幾篇文章，解釋了作為堅(jiān)固和可靠工具的密封CO2激光器，為什么在工業(yè)中用得如此廣泛。最新的應(yīng)用之一是軟包裝，即將紙、塑料薄膜和其它網(wǎng)狀材料折疊成預(yù)先設(shè)定的包裝形狀。本文描述：CO2激光技術(shù)的最近進(jìn)展是如何促進(jìn)食品激光軟包裝市場快速增長的。

激光軟包裝技術(shù)

    用于加工食品和飲料的軟包裝可以采用多種格式和形狀,包括封套、袋裝,特別是能重新封口的包裝發(fā)展很快。這些包裝大都采用薄膜材料，如聚酯(PE)、鋁箔和聚丙烯(PP)-通常為雙軸導(dǎo)向的聚丙烯(BOPP)。通常，還要將這些材料組合起來，形成二層或多層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。最普通的薄膜合成材料是碾壓在一起的雙層PP和PE，其中PE為阻隔層，與食品直接接觸,有圖形的PP層在外面，是印刷層。  總膜厚約在100微米量級，即使是能立起來的袋狀包裝也是如此。在包裝過程中，繞在卷筒上的薄膜，由于卷筒快速轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷向前運(yùn)動(dòng)，這時(shí)則用激光來切割、修整薄膜，或在薄膜上刻痕和鉆孔。  例如，激光刻痕可使包裝袋容易打開，激光鉆孔可使包裝袋透氣。

    同使用機(jī)械加工的傳統(tǒng)方法相比，非接觸式激光加工的優(yōu)點(diǎn)是：無工具磨損問題，提高了產(chǎn)品的一致性。此外，靈活性也是非常重要的，因?yàn)楫?dāng)今的產(chǎn)品生產(chǎn)，周期很短。包括工具成本在內(nèi)的機(jī)械加工不適合于短期經(jīng)營，不適合于在不同薄膜類型和包裝格式間來回變化。由于可對激光參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，激光加工包裝的靈活性可使生產(chǎn)者得到一致的刻痕結(jié)果，即使在薄膜厚度發(fā)生變化時(shí)，也是一樣。

    很明顯，在產(chǎn)量大/利潤低的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，如薄膜包裝,激光的可信度和總成本都是業(yè)主考慮的關(guān)鍵問題。激光器的體積小也是非常重要的，因?yàn)檫@樣就可以把它們裝配到包裝設(shè)備中。在激光輸出功率方面，這些應(yīng)用通常只需要30到100瓦的功率,因?yàn)樗�要加工的多層結(jié)構(gòu)材料通常都是很薄的。

圖1.  這個(gè)小型、密封的激光器能輸出30瓦功率，重量僅為6公斤。

    這些特點(diǎn)使今天的小型CO2激光器成為折疊軟包裝市場的理想工具。Coherent公司生產(chǎn)的低功率密封鉆石CO2激光器，可信度很高，每瓦的成本較低,而且體積也很小，典型的尺寸就像鞋盒那樣大(見圖1)。這些折疊式波導(dǎo)激光器是加工塑料(聚丙烯和聚酯)薄膜的理想工具，加工速度大于300米/分鐘(1000英尺/分鐘)。除了能為中等功率應(yīng)用項(xiàng)目提供廉價(jià)的解決方案之外，新型激光器的小尺寸，還使在較寬卷筒(如1.5  公尺/60英寸寬的主卷筒)上安排多個(gè)激光器成為可能，從而，為軟包裝提供了前所未有的加工靈活性。而且，這些激光器無需維修，壽命在10,000到20,000小時(shí)之間，完全可以滿足典型的高產(chǎn)量包裝設(shè)備的需要。

更高的速度

    小型CO2激光器在其它輸出波長方面的進(jìn)步，是對食品軟包裝市場產(chǎn)生重大影響的另一個(gè)重要因素。原因是：大多數(shù)高分子薄膜的紅外吸收譜含有若干個(gè)尖峰。因此，激光波長的微小變化就可能對吸收系數(shù)產(chǎn)生巨大影響，因?yàn)樵谲洶�裝中所使用的薄膜都是非常薄的,通常只能吸收很小部分的激光功率。因此，通過調(diào)整波長來增加薄膜的吸收系數(shù)，會(huì)大大提高在給定激光功率下的加工速度。

    大多數(shù)CO2激光器的輸出波長集中在10.6微米，但是，如果在折疊腔結(jié)構(gòu)中插入波長選擇光學(xué)元件，就會(huì)產(chǎn)生其它波長,如10.2微米波長。Coherent應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室最近研究了商用10.2微米激光器對熱塑性塑料的影響，結(jié)果發(fā)表在文獻(xiàn)1中。對于未伸展的聚丙烯薄膜，采用10.6和10.2微米激光加工，在加工速度方面只有小小的差別。但對普遍使用的BOPP薄膜(30-50微米厚),差別就非常明顯(見圖2)。

圖2.用10.2和10.6微米波長的激光切割PP時(shí)，兩者切割速度之比較。

    順便提一下，采用不同的二氧化碳同位素，可以將激光輸出波長移得更遠(yuǎn)，這將對其它方面的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。例如,  Coherent公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：在對電子和其它行業(yè)中普遍使用的Kapton(聚酰亞胺)膜進(jìn)行加工時(shí)，9.4微米波長的激光能產(chǎn)生最佳結(jié)果。