使用皮秒激光时，通过改变激光标刻参数，可以在铝合金表面得到不同对比度的黑色图案。通过激光扫描显微镜对实验标刻样本表面进行测量，并通过电磁波理论建模对皮秒激光打黑机理进行分析。研究发现，激光标刻样本宏观基体表面存在微纳尺度的最大高度值不同的密集峰谷形貌。样本表面微纳峰谷形貌的最大高度值越大，表面反射率越低，从而形成对比度较大的黑色图案。通过样本灰度值得到的对比度与理论建模得到的对比度几乎一致，这证实上述机理是激光打黑铝合金的主要原因。

针对激光器单光束加工二维码输出能量大部分被浪费且加工效率低的问题，本文采用了一种多光束并行加工的方法来提高加工效率。仿真研究了QR码加工填充率和对比度对识别率和识别时间的影响，得到了一个二维码可识别范围。然后使用飞秒激光器基于空间光调制器的并行加工技术进行试验，对实验结果的对比度和加工填充率展开分析。分析结果表明，在二维码的识读评价标准范围内，加工填充率越大，识别率越低，识别时间越长；同样，对比度越低，识别率越低，识别时间越长。同时，对单束激光加工二维码进行了实验，分析了并行加工与单光束加工的加工时间等参数的对比，得到并行加工要比单激光束加工提高约10倍的效率。

以薄皮库尔勒香梨、硬皮山竹为材料, 研究水果自身性质及红外脉冲激光标刻参数对标刻效果及标刻后水果贮藏品质的影响, 分析了不同果皮含水量、果皮硬度和标刻速度对激光标刻颜色、线宽和连续性的影响, 并得到了在相对最优工艺参数下, 贮藏期间水果果皮标刻区域的局部形貌、标记稳定性及腐烂情况。结果表明, 果皮含水量、果皮硬度及标刻速度对薄皮、硬皮水果标刻效果均有显著影响, 且在贮藏期间, 标刻区域的标记稳定性较好, 对贮藏品质基本无影响。这为探究同种水果个体差异性和不同种水果的自身性质对激光标刻效果的影响提供了一定的借鉴意义。

在工业领域中,具有可追溯性的直接零件标识技术受到越来越多的关注。但是很多产品零部件对于直接零件标识有尺寸要求,限制了信息存储容量。为了提高直接零件标识的数据存储密度,在直接零件标识技术中引入彩色二维条码的概念,设计了一种彩色Data Matrix二维条码直接零件标识。利用纳秒激光标刻设备在钛合金材料上进行标刻实验,成功实现彩色二维条码的激光标刻,并进行质量评估。为了进一步验证条码的可靠性,采集激光标刻二维条码的图像,依照评估结果选择是否在信息提取前进行条码重构,从而校验条码信息。校验结果证明了所加工彩色Data Matrix二维条码是可靠的,彩色直接零件标识技术具有可行性,可以在工业直接零件标识领域进行推广应用。

通过运用激光加工的方法在三维半球壳表面加工孔径十字环形频率选择单元, 探讨激光加工相比其他加工手段的优势和不同激光加工工艺参数对十字环形频率选择单元加工质量的影响。对球形曲面频率选择单元加工工艺方法进行分析, 介绍激光加工中出现的加工缺陷, 并根据缺陷的特点提出参数化表征量; 对实验件进行单因素参数试验, 分析标刻单元加工质量变化规律并找到合理参数范围; 最后, 根据合理参数范围做参数化试验, 探讨加工质量的改进效果。实验结果表明: 振镜式激光加工速度相较于普通数控加工系统提高了15倍左右, 加工缺陷占比可控制在5%以内。

针对移动纳秒脉冲激光控制参数对Pb99.994铅锭标刻区域温度分布影响规律尚不明确的情况, 基于传热学理论, 分别建立了光纤式脉冲激光单脉冲和连续脉冲标刻金属表面的三维非线性温度场通用模型, 并通过单因素实验重点讨论了在单脉冲作用下不同水平的功率、频率和速度对温度的影响变化以及多脉冲条件下的累积效应。最后通过显微测量深度与模型计算深度对比, 验证了模型的准确性。实验结果表明: 单脉冲作用下, 功率对材料温度升温幅度影响最大, 功率由10 W升至18 W时, 中心点温度升高幅度约为2 000 ℃; 连续脉冲作用下, 速度是脉冲累积效应变化的主因, 脉冲累积效应对影响区域温度的提升不大, 而对标刻灰度有一定程度上的决定关系, 这为金属材料有效标识选择合适的工艺参数提供了参考依据。

激光器在金属表面标刻的控制参数多，参数对图像质量影响大。采用脉冲光纤激光在铝锭（牌号Al99.70）表面标刻二维码图像，建立了工艺参数与图像灰度值之间的优化计算模型；分析了激光加工相关参数的交互作用，对工艺参数进行了简化整合；对简化后的参数进行单因素实验，分析了标刻图像灰度值分布及变化规律并得到合理参数范围；基于单因素实验结论，建立了工艺参数与灰度值之间的多元非线性回归数学模型，利用多因素正交实验数据和免疫克隆算法对模型参数进行了拟合。实验结果证明了模型的有效性，为铝锭表面实现激光二维码标刻技术提供了理论基础。

随着近年来智能手机设备的快速普及, 2维码已经在商业零售、电子商务领域获得飞速发展。为了拓展2维码在工业制造领域金属零件直接零件标识方面的应用, 采用激光标刻填充方式与识读环境的结合调控方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了铝合金表面激光标刻2维码的手机识读特性数据。结果表明, 由于工艺参量不同, 铝合金表面的激光标刻区域将呈现白色、灰色直至黑色的对比度效果, 通过设置镜像识读环境条件, 并反转2维码标刻, 可以有效解决常规激光标刻白色2维码的无法识读问题。这一结果对开发智能手机2维码识读软件算法、提高激光标刻效率是有帮助的。

[f-θ]透镜是激光标刻系统中最为重要的组成部分, 它的性能将直接影响标刻机的标刻精度。设计的[f-θ]透镜波长为[0.65]μm的单色光, 设计时引入负的桶形畸变, 校正系统的场曲, 使匹兹伐尔场曲为零, 轴外和轴上像质一致, 整个像面成平面, 且系统波像差小于[λ4]。把入瞳放置在物方焦点处, 形成像方远心光路, 主光线通过[f-θ]透镜后平行于光轴射出, 主光线在像面上的交点高度不变, 描过程实现线性扫描, 从而保障扫描精度。通过初级像差分析和已有的光学镜头库, 确定[f-θ]透镜的初始结构参量, 然后利用ZEMAX软件进行优化设计, 得到由四片普通球面透镜构成的系统, 该系统结构紧凑、焦距小, 聚焦性能接近衍射极限, 并且像面照度分布均匀、能量集中且相对畸变小, 满足标刻要求。