レーザー放射照度
要点
- 放射照度は、パワーを面積で割った値で、焦点スポットでの単位面積あたりの出力（W/cm²）で表します。
- 重要なのは定格出力よりスポットサイズです。スポットが小さいほど、同じワット数でもはるかに高い強度に集中します。
- ビーム品質が達成可能な最小スポットを決めます。M2値が低いほど、より小さく集光でき、放射照度も高くなります。
- 高すぎれば損傷し、低すぎればマーキングできません。使用可能な範囲は上下の両側で限られています。
レーザー放射照度
レーザー放射照度とは、光パワーをそれが照射される面積で割った値で、単位はワット毎平方センチメートル（W/cm²）です。ワークピース上でビームがどれだけ集中しているかを表します。プラスチックでは、マークが形成されるか、どのメカニズムで形成されるか、周囲の材料が耐えられるかを決めるのは、レーザーの定格出力ではなく放射照度です。
放射照度 = パワー（W）÷ スポット面積（cm²）
定格出力が誤解を招く理由
スポット面積はスポット直径の2乗に比例するため、集光スポットを半分にすると、同じパワーでも放射照度は4倍になります。ビーム品質、ビームエキスパンダ、fθレンズの焦点距離が異なる2台の30 Wマーキングシステムでは、部品上の放射照度が1桁違うことがあります。
これが、パワーと速度をコピーするだけではマーキング条件を機械間で移せない実際的な理由です。また「柔軟性のため」に大きなマーキングフィールドを指定すると、静かにマーキング性能が低下する理由でもあります。焦点距離が長いほどスポットは大きくなり、パワー密度は低くなるためです。
放射照度とフルエンス
この2つはしばしば混同されますが、表すものは異なります。
| 放射照度 | フルエンス | |
|---|---|---|
| 量 | 単位面積あたりのパワー | 単位面積あたりのエネルギー |
| 単位 | W/cm² | J/cm² |
| 表すもの | ビームがどれだけ強く当たるか | 与えられた総線量 |
| 支配するもの | しきい値を超えるかどうか | 材料がどれだけ反応するか |
パルスマーキングレーザーでは、この区別はさらに重要になります。ナノ秒パルス内のピーク放射照度は、平均値を何桁も上回ることがあるためです。100 nsのパルスを20 kHzで出力する30 Wレーザーは、平均パワーが30 Wでも、ピークパワーは数十キロワットに達します。マーキングのメカニズムを駆動するのはこのピークであり、平均パワーは主に部品に蓄積される廃熱の量を左右します。
ポリマーにおけるプロセスウィンドウ
プラスチックの使用可能な範囲は金属より狭く、上下の両側で限られています。
- しきい値未満では、表面は温まり、わずかに変色することもありますが、耐久性のあるマークは形成されません。速度を上げるか、パワーを下げるほど、この領域に入ります。
- ウィンドウ内では、制御された炭化、発泡または色の変化により、意図したコントラストが得られます。
- ウィンドウを超えると、急激な気化、焼け、溶融、焦げた縁取り、内部応力、寸法変形が生じます。
ウィンドウの位置は樹脂、その添加剤パッケージ、着色剤によって異なります。そのため、検証済みの条件はポリマーファミリー全般ではなく、特定の材料グレードに固有のものです。
実務での放射照度の制御
- フォーカス位置が最も即効性のある調整手段です。意図的なデフォーカスはスポットを拡大し、放射照度を大きく下げます。強すぎるマークを和らげる正当な手法ですが、部品の高さがばらつくときにマークが弱くなる、意図しない原因としてもよく見られます。
- ビーム品質（M²）が達成可能な最小スポットを決めます。熱を増やさずに高い放射照度を得られるのは、M²が低いからです。
- MOPA光源ではパルス幅を変えると、平均パワーを一定に保ったままピーク放射照度が直接変わります。熱を加えずに強度を上げる最もクリーンな方法です。
- 平均パワーは通常、最後に調整するパラメータです。上げると強度とともにバルクの発熱も増えるためです。
計算例
定格出力が誤解を招く理由は、計算してみればすぐにわかります。20 Wの光源で、フォーカス以外は何も変えないとします。
| 条件 | スポット直径 | スポット面積 | 20 Wでの放射照度 |
|---|---|---|---|
| 良好にフォーカス、短焦点レンズ | 30 µm | 7.1 × 10-6 cm² | 約2.8 × 106 W/cm² |
| フォーカス、長焦点レンズ | 60 µm | 2.8 × 10-5 cm² | 約7.1 × 105 W/cm² |
| わずかにデフォーカス | 120 µm | 1.1 × 10-4 cm² | 約1.8 × 105 W/cm² |
| 大きくデフォーカス | 300 µm | 7.1 × 10-4 cm² | 約2.8 × 104 W/cm² |
スポット直径を2倍にすると、面積は直径の2乗に比例するため、放射照度は4分の1になります。1台の機械、1つのパワー設定でも、フォーカスとレンズの選択だけで照射強度が100倍変わり得ます。定格出力が同じ別のシステムでは、ある条件がうまくいかない理由もここにあります。また、マークの品質が低下したときにまずフォーカスを確認する理由でもあります。
実際に照射している値の測定
放射照度は前面パネルから読み取るものではなく計算するものです。そのため、計算に使う2つの項は想定ではなく、把握した値にする必要があります。
- パワーは光源ではなくワークピース上で測定します。スキャンヘッドの下に置いたパワーメーターは、ビームエキスパンダ、ガルバノミラー、fθレンズ、保護ウィンドウを通る伝送損失を反映します。これらの損失の合計は無視できることがまれで、光学部品が汚れるほど悪化します。
- スポットサイズは仕様値を引用せず、実測します。ビームプロファイラーなら直接得られます。使えない場合は、感熱紙や陽極酸化アルミニウムにフォーカスを変えながら焼き付けたシリーズでウエストの位置を特定し、実用的な推定値を得られます。
- ビーム品質を考慮します。達成可能な最小スポットはM²に比例するため、パワーも焦点距離も等しい2つの光源でも、ビーム品質が異なれば放射照度は等しくなりません。
- 光学系を変更したら必ず再確認します。レンズの交換、新しい保護ウィンドウ、フィールドの再校正は、マーキング条件の数値を1つも変えなくても、照射される放射照度を変えてしまいます。
- 平均とピークを区別します。パルス光源では、パルス中のピーク放射照度が材料の応答を決めます。これはパワーメーターが示す平均を何桁も上回ることがあります。
放射照度によるマークの診断
| 症状 | 放射照度の解釈 | 対処 |
|---|---|---|
| マークが出ない、または薄く不安定 | 材料のしきい値未満 | パワーを上げる前にフォーカスを確認する。デフォーカスが最も一般的な原因で、修正も最も安価。 |
| フィールド中央では良好だが、端で弱い | フィールド位置とともに放射照度が低下 | フィールドの平坦度または焦点面の誤差。3次元の部品では、固定フォーカスでは表面全体で放射照度を維持できない。 |
| 焼け、溶融、膨れ | 有効ウィンドウを超えている | パワーを下げるのではなく、速度を上げるかわずかにデフォーカスする。パワーを下げると、他の箇所でしきい値を下回るおそれがある。 |
| 同一の機械に移すと条件が通用しない | スポットサイズまたは光学伝送が異なる | 両方の機械でワークピース上のパワーとスポットサイズを測定する。定格出力が同じでも何の証明にもならない。 |
| 数か月かけて徐々に劣化 | 光学部品の汚れによる伝送損失 | ワークピース上で測定したパワーには、前面パネルに現れない低下が示される。 |
| 治具内の部品高さでマーク品質が変わる | 部品が焦点深度の外にある | 治具の高さ管理を厳密にするか、ダイナミックフォーカス付きの3軸ヘッドを指定する。 |
関連用語と参考資料
量産での活用
The Sabreen Groupは、レーザーのプロセスウィンドウの開発や、マーキングシステム間のパラメータ移管について、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様策定、材料の適格性確認、量産上のトラブルシューティングなどでお困りの際は、当社のエンジニアリングサービスチームがお手伝いします。お客様の用途について、ぜひお問い合わせください。
よくある質問
レーザー放射照度とは何ですか？
レーザービームの単位面積あたりのパワーで、通常は焦点またはビームスポットで測定し、ワット毎平方センチメートルで表します。材料に与えられるエネルギーの強度を決め、ビームが表面に当たったときに何が起こるかを左右します。
放射照度とフルエンスの違いは何ですか？
放射照度は単位面積あたりのパワー、つまり強度です。フルエンスは単位面積あたりのエネルギーで、ジュール毎平方センチメートルで表し、与えられた総線量を示します。放射照度はビームがどれだけ強く当たるかを、フルエンスはどれだけのエネルギーが伝わるかを左右します。
放射照度を変える要因は何ですか？
レーザーのパワー、焦点スポットサイズ、ビーム品質、波長です。パワーを上げれば放射照度は上がり、スポットが小さいほど集中し、M2値が低いほどより小さく集光できます。波長は吸収と達成可能な集光の両方に影響するため重要です。
レーザーのワット数が誤解を招くのはなぜですか？
マーク表面のパワー密度がマークを形成するものであり、それはレーザーの定格出力とは異なるためです。ビーム品質と光学系が異なる2台の50 Wシステムでは、ワークピース上の放射照度が大きく異なることがあります。
放射照度を誤って設定すると、どうなりますか？
高すぎると急激な加熱と気化が起こり、割れ、過度の焼け、意図したマーク以外への損傷につながります。低すぎるとマークが遅く弱くなるか、まったく見えないことがあります。どちらの不具合も、最適化されていないプロセスでよく見られます。
同じワット数なのに、2台の機械で結果が異なるのはなぜですか？
放射照度は定格出力ではなくスポット面積に依存するためです。スポット直径を2倍にすると照射強度は4分の1になるため、レンズの焦点距離、ビーム品質、フォーカス位置によって、同じパワー設定でも材料に届く強度に100倍の差が生じ得ます。実際のスポットサイズと光学伝送が一致しない限り、定格出力が同じ2台の機械は同等ではありません。
実際に照射される放射照度は、どのように測定しますか？
スキャンヘッドの下にメーターを置いてワークピース上でパワーを測定すると、ビームエキスパンダ、ミラー、fθレンズ、保護ウィンドウでの損失を把握できます。次にビームプロファイラーでスポットサイズを求めるか、フォーカスを変えて焼き付けたシリーズから推定します。両方の項を測定する必要があります。光源の定格とレンズ仕様から出した数値は、現実から大きく離れている可能性があります。
マークが劣化したとき、最初に何を確認すべきですか？
フォーカスです。放射照度に対する最大の要因であり、治具の摩耗、部品の高さのばらつき、光学系の変更などで最もずれやすいものです。デフォーカスしたビームを補うためにパワーを上げると、一時的にはうまくいきますが、フィールド中央と端との差が広がって、かえって悪化します。
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スコット・サブリーン（Scott Sabreen）— 社長兼チーフエンジニア、30年以上の経験。お客様のアプリケーションと SABREEN のソリューションについて、無料・無償でご相談いただけます。最も難しい課題をぜひお寄せください。
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