プラスチックのレーザーマーキング向けMOPAファイバーレーザー – すべてのレーザーが同じではありません！

プラスチックのレーザーマーキング向けMOPAファイバーレーザー – すべてのレーザーが同じではありません！

本記事は、プラスチックへの産業用レーザーマーキングにおける最も重要な技術的進展を扱う全2回シリーズの第1回です。イッテルビウムファイバーレーザーの構造と動作原理、およびマーキング品質を左右する主要な性能要因を解説します。第2回では、MOPAマーキングレーザー、ポリマー、FDA適合の添加剤を用いて、優れたマーキングコントラスト品質、カスタムカラー、高速処理（インラインレーザーマーキングを含む）を実現する新たなソリューションを取り上げます。

重要なポイント

• MOPAはレーザーパラメータを独立して設定できます。Qスイッチ方式ではパラメータが相互に連動するため、プロセスの最適化に限界があります。
• M2の数値そのものよりも、ビーム品質の一貫性が重要です。用途ごとに必要なビームモードは異なり、マークを台無しにするのは一貫性の欠如です。
• M2が1.1から1.5に変動すると集光パワー密度が2倍になり、プラスチックへのマーキング品質が大きく変わります。
• 放射照度は強度、フルエンスは照射量です。少なすぎると何もマーキングできず、多すぎると材料が損傷します。
• パワーとパルス繰り返し周波数は反比例します。低周波数での高ピークパワーは、基材への熱伝導を最小限に抑えて材料を気化させます。

よくあるご質問

MOPAとは何の略で、どのように動作しますか？

Master Oscillator Power Amplifier（マスターオシレータ・パワーアンプ）の略です。変調した低出力の通信グレードのレーザーダイオードを増幅し、高出力で精密なパルスを生成します。内蔵のパルス発生器がダイオードを変調するため、パルス幅とそれに伴うパルスエネルギーを、広い変調レートの範囲で設定、維持、調整できます。

プラスチックのマーキングでMOPAレーザーがQスイッチファイバーレーザーより優れているのはなぜですか？

レーザーパラメータを独立して設定できるためです。Qスイッチファイバーレーザーでは主要パラメータが密接に連動しており、パルス繰り返し周波数を上げると平均パワーは上がるはずが、パルスパワーは低下し、パワーや繰り返し周波数を変えるとビーム品質も大きく変動することがあります。MOPAは、より高度なプロセスの最適化と再現性を実現します。

M2とは何ですか？値そのものより一貫性が重要なのはなぜですか？

M2は、ビームをどれだけ絞り込めるかを表す数値で、M2 = 1が理想的なガウシアンビームです。用途ごとに必要なビームモードは異なるため、M2が低いことよりも一貫していることが重要です。M2が1.1から1.5の間で変動すると、集光パワー密度が2倍変化し、マーキング品質が大きく変わります。

レーザーの放射照度とフルエンスはどう違いますか？

放射照度は単位面積あたりのパワー（W/cm²）で、基本的にビームの強度を表し、集光スポットサイズによって決まります。フルエンスは単位面積あたりのエネルギー（J/cm²）で、表面にどれだけのエネルギーが伝わるかを決定します。フルエンスが小さすぎると材料に変化が生じず、大きすぎると意図したマーク以上に材料が損傷します。

安価なファイバーレーザーは、プラスチックのマーキングでは結局割高になりますか？

量産用途ではそうなります。産業用レーザーは連続稼働し、高品質の光学部品、レンズ、スキャンヘッド、電子部品、ソフトウェアを使用しており、一部の大手メーカーはリアルタイムのリモート監視も提供しています。低価格のホビー向けレーザーは、安価な光学部品や電子部品によってビーム品質が変動し、マーキング品質が不安定になります。

MOPAファイバーマーキングレーザーの台頭

Qスイッチ方式のナノ秒イッテルビウムファイバーレーザーは、30年以上前の発明以来、プラスチックのマーキングに使用されてきました。これらのレーザーには、ファイバー伝送、小型の設置面積、低いメンテナンス負荷、低価格といった利点があります。メーカーが「低次」モードやTEM00（横電磁）モードではなく「マルチモード」出力を採用した場合、ファイバーレーザーは、前身のアークランプ励起Nd:YAGレーザーよりも優れたビーム品質と輝度を実現できます。

ファイバーマーキングレーザーのパルスエネルギーは、通常1パルスあたり1 mJです。低コストで便利なファイバー伝送により、レーザーマーキング用途で急速に普及しました。Qスイッチファイバーレーザーの基本設計は長年ほとんど変わっておらず、今も多くのプラスチックマーキング用途で人気があります。設計は安定していますが、レーザーパラメータが相互に連動しているため、プロセスの最適化には制約があります。約25年前、SPI Lasers（現TRUMPF Lasers）の科学者たちは、次世代のファイバーマーキングレーザーの開発を急ピッチで進めていました。

MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）設計のナノ秒イッテルビウムファイバーレーザーの登場は、プラスチックへのレーザーマーキングにおける最も重要な進歩の一つです。業界を一変させたこのレーザー設計は、従来のミラー/Qスイッチ共振器とは異なる方法でパルスエネルギーを供給します。この設計では、高速処理と精密なパルス制御を実現するレーザーツールとして「波形」を活用します。グラフ1は、TRUMPF TruPulse Nano MOPAファイバーレーザーの40種類の色分けされた波形パルスを示しています。グラフ中の各色は個別のMOPAパルス波形を表し、フルエンスと放射照度のバランスをとってプラスチックのマーキング結果を最適化するために使用できます。多くの競合技術と同様に、重要な用語や特徴的な要素が混同されたり、意図せず誤って説明されたりすることがよくあります。本記事では、ファイバーレーザーの科学と用語を整理し、読者やレーザーの購入者が十分な情報に基づいて判断できるようにします。

MOPAファイバーレーザー（図1）は、変調した低出力の通信グレードのレーザーダイオードを増幅し、高出力で精密なレーザーパルスを生成します。内蔵のパルス発生器で低出力ダイオードを変調することで、広いパルス変調レートの範囲にわたり、パルス幅とそれに伴うパルスエネルギーを選択的に設定、維持、調整できます。

この構造により、Qスイッチ方式と比べてレーザーパラメータが実質的に独立し、より高度なプロセスの最適化と再現性が得られ、より優れた安定したマーキング結果につながります。標準的なMOPAファイバーレーザー設計でも、Qスイッチファイバーレーザーと同様のビーム品質（M2）変動の問題が生じることがあります。ファイバーレーザーの大手メーカーであるTRUMPFは、規定のパルス繰り返し範囲にわたってM2を一定に保つ、特許取得済みの2段式GTWaveファイバーアンプ設計を提供しています。MOPAファイバーレーザーとは異なり、アクティブQスイッチファイバーレーザーは、レーザー共振器内のゲインを遮断することで動作します。これにより、アンプ内にゲインが蓄積され、遮断が解除された時点で高出力のレーザーパルスが放出されます。Qスイッチファイバーレーザーの主要パラメータは密接に連動しています。

ダイオード電流を増減させることで、出力パワーを変えることができます。パルス繰り返し周波数を上げると平均パワーが上がるはずですが、Qスイッチファイバーレーザーではパルスパワーが低下するため、そうはなりません。チャート2は、パワーと繰り返し周波数の時間変化を示しています。QスイッチファイバーレーザーのM2（ビーム品質）は、レーザーパワーやパルス繰り返し周波数を変えると大きく変動することがあります。M2が1.1から1.5の間で変動すると、集光パワー密度が2倍変化し、プラスチックへのマーキング品質が大きく変わる可能性があります。

レーザーマーキング品質に影響する要因

イッテルビウムファイバーレーザーは、波長1060〜1070 nmの近赤外（NIR）領域で動作します。マーキングレーザーの機能は、部品表面（ポリマー）に局所的な高エネルギー放射源（レーザー）を照射することです。放射エネルギーは材料に吸収されて熱エネルギーに変換され、その熱エネルギーによって材料内で「熱化学的」反応が引き起こされます。ビームステアリング方式のレーザーマーカーは、高速のコンピュータ制御ガルバノメーターに取り付けたミラーを使い、マーキングする表面全体にレーザービームを走査します。Y軸とX軸に1つずつあるガルバノメーターが、マーキングフィールド内のビームの動きを担います。フラットフィールドレンズアセンブリがレーザー光を集光し、基材表面で高いパワー密度を実現します。

ビーム品質

ビーム品質係数M2は、ビームの集光能力を数値化したもので、マーキング性能にとって重要です。レーザービームのM2係数は、集光レンズの開口によって制限されるビーム広がり角に対して、ビームをどこまで絞り込めるかを左右します。M2 = 1が理想的なガウシアンレーザービームです。光パワーと合わせて、ビーム品質係数はレーザービームの輝度（ラディアンス）を決定します。用途ごとに必要なビームモードが異なるため、M2係数の値そのものよりも一貫性が重要です。一貫性の欠如は、低性能レーザーによく見られる問題であり、マーキングのばらつき、外観、機能性に影響します。

レーザーの放射照度とフルエンス

レーザーの放射照度とフルエンスは、プラスチックのマーキングにおける重要なパラメータです。これらがマーキングプロセスに与える影響を簡単に説明します。

レーザーの放射照度：放射照度は単位面積あたりのレーザーパワーで、ワット毎平方センチメートル（W/cm2）で表します。基本的にレーザービームの強度であり、集光スポットサイズによって決まります。任意の焦点距離のレンズとレーザー波長における集光スポットサイズは、レーザービームの広がり角によって決まります。スポットサイズが大きいほど、エネルギー密度は低くなります。放射照度が高いと材料が急速に加熱・気化する可能性があり、低いと目に見えるマークが全く形成されないことがあります。放射照度はマーキングの速度と品質に影響します。放射照度が高いと、材料が急速に加熱・気化されるため、マーキングが速くなることがあります。ただし、放射照度が高すぎると、割れや過度の焦げなど、材料に損傷を与える可能性があります。逆に、放射照度が低いと、マーキング速度が遅くなったり、目に見えるマークが全く残らなかったりする場合があります。

強度は次の要因に影響されます。

• パルス周波数（Hz、kHz）：パルス繰り返し周波数
• レーザーパワー（ワット）：パワー密度W/cm2とは異なります
• 焦点スポットサイズ：焦点径とも呼ばれます
• パルス幅：1つのパルスの開始から終了までの時間で、ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒で表します。エネルギー密度を制御する要因であり、プロセスの最適化に欠かせません。MOPAレーザーのパルス幅調整は、Qスイッチ（固定パルス）ファイバーレーザーよりも柔軟です。

レーザーのフルエンス：フルエンスは単位面積あたりのレーザーエネルギーの尺度で、通常はジュール毎平方センチメートル（J/cm2）で表します。フルエンスは、材料表面に伝わるエネルギー量を決定します。フルエンスが低すぎると、材料に全く影響が出ないことがあります。高すぎると、目的のマーキング効果を超えて材料が過度に損傷する可能性があります。フルエンスは、マーキング対象の材料に適した水準でなければなりません。材料によっては、目に見えるマークを得るのに十分なエネルギーを吸収させるため高いフルエンスが必要な場合もあれば、損傷を避けるため低いフルエンスが必要な場合もあります。マークの深さもフルエンスの影響を受け、一般にフルエンスが高いほどマークは深くなります。

フルエンスは次の要因に影響されます。

• ビーム強度
• スキャナー速度
• パルスオーバーラップ
• 集光ビーム径

パルス繰り返し周波数とピークパワー密度は、マークを形成し、最適なコントラストと速度を実現するうえで重要なパラメータです。低周波数での高ピークパワーは表面温度を急速に上昇させ、基材への熱伝導を最小限に抑えながら材料を気化させます。パルス繰り返し周波数が上がるにつれて、ピークパワーが低くなり、気化は最小限になりますが、熱伝導は増加します。パワーとパルス繰り返し周波数の算術曲線は反比例の関係にあります。さらに、マーキングビームの速度とベクトル線の間隔もマーキングコントラストと品質を左右する要因です。

これらのパラメータを慎重に調整・制御することで、さまざまなプラスチック材料に精密で高品質なマークを形成できます。これは、材料の特性、求められるマークの深さ、必要なマーキング速度によって決まるバランスです。プラスチックにレーザー吸収剤を添加すると、マーキング可能なプラスチック材料の範囲が大幅に広がり、マーキング品質が向上し、プロセスウィンドウが広がってマーキングの一貫性を確保できます。

すべてのレーザーが同じではありません！

Trumpf Lasersは、本記事で解説する画期的なMOPAファイバー構造と産業用マーキングシステムを開発し、すべてのレーザーで一貫したマーキング結果を保証しています。産業用レーザーと低価格の卸売レーザーを区別することが重要です。

産業用レーザーは、安価な卸売（再販業者）のホビー向けレーザーよりも優れています。産業用レーザーは24時間365日連続で稼働でき、高品質の光学部品、レンズ、スキャンヘッド、電子部品、多機能なソフトウェアを備えています。業界の大手メーカーの一部は、問題が発生する前に検知するため、リアルタイムのリモートシステム監視を採用しています。安価なレーザーには、マーキング品質の不安定さ、安価な光学部品や電子部品といった深刻な問題があり、ビーム品質のばらつきとマーキングの不均一を引き起こします。

本記事の第2回では、プラスチック材料科学とナノ秒ファイバーレーザーの進歩により、これまで高品質のコントラストでのレーザーマーキングが困難、あるいは不可能だったプラスチックに、かつてないカスタムカラーと速度でマーキングできるようになった経緯を紹介します。

追悼：本記事は、真のレーザーの先駆者であり、発明家、同僚、そして友人であったMark Brodsky氏に捧げます。

参考文献

1. Brodsky, M. “Wave Forms: A New Laser Tool,” Optics & Photonics, March 2012 2. “Laser Marking at a Glance Brochure,” TRUMPF Laser 3. Sabreen, S. “Fiber Lasers: Selection and Additives,” Plastics Decorating magazine, November 2017.

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