塑膠打標用 MOPA 光纖雷射——並非所有雷射都一樣！

塑膠打標用 MOPA 光纖雷射——並非所有雷射都一樣！

本文為兩部曲系列的第一篇，探討工業級塑膠雷射打標領域最重要的技術發展。我們將檢視鐿光纖雷射的架構與運作原理，以及決定打標品質的主要性能因素。第二篇則探討結合 MOPA 打標雷射、聚合物與符合 FDA 規範的添加劑之新解決方案，以達到卓越的打標對比度品質、客製化顏色與高速打標，包括在線雷射打標。

重點摘要

• MOPA 使雷射參數彼此解耦。Q 開關設計則將各參數相互綁定，限制了製程最佳化。
• 光束品質的一致性比 M2 數值本身更重要。不同應用需要不同的光束模式；不一致才是毀掉標記的原因。
• M2 從 1.1 漂移至 1.5，會使聚焦功率密度加倍，大幅改變塑膠上的打標品質。
• 輻照度是強度，能量密度（fluence）是劑量。過低則無法打出標記；過高則會損傷材料。
• 功率與脈衝重複率成反比。低頻率下的高峰值功率可使材料汽化，同時將熱傳導降至最低。

常見問題

MOPA 代表什麼？其運作原理為何？

MOPA 即主振盪器功率放大器（Master Oscillator Power Amplifier）。它將經調變的低功率電信級雷射二極體放大，產生精確的高功率脈衝。由於內部脈衝產生器對二極體進行調變，脈衝寬度及所得脈衝能量可在寬廣的調變速率範圍內設定、維持或調整。

塑膠打標為何 MOPA 雷射優於 Q 開關光纖雷射？

因為它使雷射參數解耦。在 Q 開關光纖雷射中，關鍵參數緊密耦合——提高脈衝重複率理應提升平均功率，脈衝功率卻反而下降，且光束品質會隨功率或重複率的任何變動而大幅變化。MOPA 則提供更佳的製程最佳化與重複性。

什麼是 M2？為何一致性比數值更重要？

M2 用來量化光束的聚焦能力，M2 = 1 為理想的高斯光束。不同應用需要不同的光束模式，因此穩定一致的 M2 比低數值更重要。M2 在 1.1 與 1.5 之間變動，會使聚焦功率密度產生 2 倍的變化，進而大幅改變打標品質。

雷射輻照度與能量密度（fluence）有何差異？

輻照度是每單位面積的功率，單位為 W/cm²，本質上就是光束強度，取決於聚焦光斑大小。能量密度是每單位面積的能量，單位為 J/cm²，決定傳遞至表面的能量多寡。能量密度過低，材料不受影響；過高則會造成超出預期標記的損傷。

廉價光纖雷射用於塑膠打標是否得不償失？

對量產作業而言，是的。工業雷射可連續運轉，並採用高品質的光學元件、透鏡、掃描頭、電子零組件與軟體，部分頂尖製造商更提供即時遠端監控。低價的業餘級雷射因光學元件與電子零組件品質低劣，導致光束品質變動，打標品質不穩定。

MOPA 光纖打標雷射的崛起

Q 開關奈秒鐿光纖雷射自 30 多年前問世以來，一直用於塑膠打標。這類雷射的優點包括光纖傳輸、體積較小、維護較少及價格較低。當製造商採用「多模」輸出，而非「低階模」或「TEM00」橫向電磁模式時，光纖雷射的光束品質與亮度可優於其前代弧光燈 Nd:YAG 雷射。

光纖打標雷射的單脈衝能量通常為 1 mJ。其低成本與便利的光纖傳輸，很快使其成為雷射打標應用的熱門選擇。Q 開關光纖雷射的基本設計多年來變動不大，至今仍廣泛用於許多塑膠打標應用。這類設計穩定，但相互關聯的雷射參數限制了製程最佳化。近 25 年前，SPI Lasers（現為 TRUMPF Lasers）的科學家便已著手加速開發新一代光纖打標雷射。

MOPA（主振盪器功率放大器）設計的奈秒鐿光纖雷射問世，是塑膠雷射打標領域最重要的進展之一。這種改變產業的雷射設計，以不同於傳統反射鏡／Q 開關共振腔的方式提供脈衝能量，並利用「波形」作為雷射工具，實現快速加工與精細的脈衝控制。圖表 1 顯示 TRUMPF TruPulse Nano MOPA 光纖雷射的 40 種彩色波形脈衝。圖中每種顏色代表一種獨特的 MOPA 脈衝波形，可用來平衡能量密度與輻照度，以最佳化塑膠打標效果。如同許多相互競爭的技術，重要術語與差異要素常遭混淆或無意間被誤述。本文闡明光纖雷射的科學原理與術語，讓讀者與雷射買家能夠做出明智的決策。

如圖 1 所示，MOPA 光纖雷射將經調變的低功率電信級雷射二極體放大，產生精確的高功率雷射脈衝。藉由內部脈衝產生器調變低功率二極體，雷射可在寬廣的脈衝調變速率範圍內選擇性地設定、維持或調整脈衝寬度及所得脈衝能量。

相較於 Q 開關雷射，此架構有效使雷射參數解耦，提供更佳的製程最佳化與重複性，帶來更好、更一致的打標結果。標準 MOPA 光纖雷射設計可能出現與 Q 開關光纖雷射類似的光束品質（M2）變動問題。領先的光纖雷射製造商 TRUMPF 提供專利的雙級 GTWave 光纖放大器設計，可在其規定的脈衝重複率範圍內維持一致的 M2。與 MOPA 光纖雷射不同，主動式 Q 開關光纖雷射的運作方式是干擾雷射共振腔中的增益，使放大器累積增益，並在干擾解除時發射高功率雷射脈衝。Q 開關光纖雷射的關鍵參數之間緊密耦合。

可透過增減二極體電流來改變輸出功率。提高脈衝重複率理應提高平均功率，但 Q 開關光纖雷射並非如此，其脈衝功率反而下降。圖表 2 顯示功率與重複率隨時間的變化。Q 開關光纖雷射的 M2（光束品質）會隨雷射功率及脈衝重複率的任何變動而大幅變化。M2 在 1.1 與 1.5 之間變動，將使聚焦功率密度產生 2 倍的變化，進而大幅改變塑膠上的打標品質。

影響雷射打標品質的因素

鐿光纖雷射運作於近紅外光（NIR）波段，波長為 1060–1070 nm。打標雷射的功能，是以局部的高能量輻射源（雷射）照射零件表面（聚合物）。輻射能被材料吸收後轉換為熱能，熱能引發材料內部的「熱化學」反應。光束偏轉式雷射打標機利用安裝在高速電腦控制振鏡上的反射鏡，引導雷射光束掃過待打標的表面。兩組振鏡分別位於 Y 軸與 X 軸，提供打標範圍內的光束運動。平場透鏡組件將雷射光聚焦，使基材表面獲得高功率密度。

光束品質

光束品質因子 M2 是光束聚焦能力的量化指標，對打標性能至關重要。在給定的光束發散角（受聚焦透鏡孔徑限制）下，雷射光束的 M2 因子限制了光束可被聚焦的程度。M2 = 1 為理想的高斯雷射光束。光束品質因子與光功率共同決定雷射光束的亮度（「輻射率」）。由於各種應用需要不同的光束模式，一致的 M2 因子比數值本身更重要。缺乏一致性是低階雷射的常見問題，會導致打標的變異，影響外觀與功能。

雷射輻照度與能量密度

雷射輻照度與能量密度是塑膠打標的關鍵參數。以下簡述其對打標製程的影響：

雷射輻照度：輻照度是雷射每單位面積的功率，以瓦特每平方公分（W/cm²）為單位，本質上就是雷射光束的強度，取決於聚焦光斑大小。在任何特定焦距的透鏡與雷射波長下，聚焦光斑大小取決於雷射光束的發散角。光斑越大，能量密度越低。高輻照度可導致材料快速受熱並汽化，而低輻照度可能完全無法產生可見的標記。輻照度會影響打標製程的速度與品質。高輻照度可加快打標速度，因為材料被快速加熱並汽化；然而輻照度過高，則可能造成材料損傷，例如龜裂或過度燒灼。反之，低輻照度可能導致打標速度緩慢，或完全沒有可見的標記。

強度受下列因素影響：

• 脈衝頻率（Hz、kHz）——脈衝重複率
• 雷射功率（瓦特）——不同於功率密度 W/cm²
• 聚焦光斑大小——亦稱聚焦直徑
• 脈衝寬度——脈衝起點至終點之間的時間，以奈秒、皮秒或飛秒計。這是控制能量密度的因素，對製程最佳化至關重要。MOPA 雷射的脈衝持續時間調整，比 Q 開關（固定脈衝）光纖雷射更具彈性。

雷射能量密度：能量密度是每單位面積雷射能量的量度，通常以焦耳每平方公分（J/cm²）為單位，決定傳遞至材料表面的能量多寡。若能量密度過低，材料可能完全不受影響；若過高，材料則可能受到超出預期打標效果的過度損傷。能量密度必須符合所打標特定材料的適當水準。某些材料可能需要較高的能量密度，才能吸收足夠能量形成可見標記；其他材料則可能需要較低的能量密度以避免損傷。標記深度也會受能量密度影響；一般而言，能量密度越高，標記越深。

能量密度受下列因素影響：

• 光束強度
• 掃描器速度
• 脈衝重疊率
• 聚焦光束直徑

脈衝重複率與峰值功率密度是形成標記、達到最佳對比度與速度的關鍵參數。低頻率下的高峰值功率會使表面溫度迅速上升，使材料汽化，同時傳導至基材的熱量極少。隨著脈衝重複率提高，較低的峰值功率產生的汽化極少，但傳導的熱量較多。功率與脈衝重複率的算術曲線成反比。此外，打標光束速度與向量線間距等因素，也會決定打標的對比度與品質。

透過仔細調整與控制這些參數，雷射打標可在各種塑膠材料上形成精確、高品質的標記。這是一種取決於材料特性、所需標記深度及所需打標速度的平衡。在塑膠中添加雷射吸收劑，可大幅擴充可打標塑膠材料的範圍、提升標記品質，並拓寬製程窗口以確保標記的一致性。

並非所有雷射都一樣！

Trumpf Lasers 開發了本文所述開創性的 MOPA 光纖架構與工業打標系統，確保所有雷射都能獲得一致的打標結果。區分工業級雷射與低價批發雷射至關重要。

工業雷射優於廉價的批發（轉售商）業餘級雷射。工業雷射可全天候 24/7 連續運轉，並配備高品質的光學元件、透鏡、掃描頭、電子零組件與多功能軟體。部分業界頂尖製造商採用即時遠端系統監控，在問題發生前就能加以偵測。廉價雷射存在打標品質不穩定的嚴重問題，其低價的光學元件與電子零組件會造成光束品質變動與打標不一致。

在本文第二篇中，讀者將瞭解塑膠材料科學與奈秒光纖雷射的進步，如何讓過去難以甚至無法雷射打標的塑膠，得以達到前所未見的高對比度品質、客製化顏色與速度。

謹此紀念：本文獻給 Mark Brodsky——一位真正有遠見的雷射先驅、發明家、同事與摯友。

參考文獻

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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