ليزر ألياف MOPA لوسم البلاستيك – ليست جميع أجهزة الليزر متساوية!

ليزر ألياف MOPA لوسم البلاستيك – ليست جميع أجهزة الليزر متساوية!

هذه هي الحلقة الأولى من سلسلة من جزأين حول أهم التطورات التقنية في الوسم الصناعي بالليزر للبلاستيك. سنتناول بنية ليزر ألياف الإيتربيوم وطريقة عمله وعوامل الأداء الرئيسية التي تحدد جودة الوسم. ويتناول الجزء الثاني حلولًا جديدة تستخدم ليزر الوسم MOPA وبوليمرات وإضافات مطابقة لاشتراطات FDA لتحقيق تباين وسم متفوق وألوان مخصصة وسرعة عالية، بما في ذلك الوسم بالليزر على خط الإنتاج.

أهم النقاط

• يفصل MOPA بين معاملات الليزر، بينما تربطها تصاميم التبديل Q ببعضها، مما يحد من تحسين العملية.
• اتساق جودة الشعاع أهم من قيمة M2 نفسها. فالتطبيقات المختلفة تحتاج أنماط شعاع مختلفة، وعدم الاتساق هو ما يفسد الوسم.
• انحراف M2 من 1.1 إلى 1.5 يضاعف كثافة القدرة المركّزة مرتين، مما يغيّر جودة الوسم على البلاستيك تغييرًا كبيرًا.
• الإشعاعية هي الشدة، أما التدفق الطاقي فهو الجرعة. فإذا قلّ لم يظهر وسم، وإذا زاد تضررت المادة.
• القدرة ومعدل تكرار النبضات تتناسبان عكسيًا. وتؤدي القدرة القصوى العالية عند تردد منخفض إلى التبخير مع أقل قدر من التوصيل الحراري.

الأسئلة الشائعة

ماذا يعني MOPA وكيف يعمل؟

هو مضخّم القدرة بمذبذب رئيسي (Master Oscillator Power Amplifier). يضخّم ثنائي ليزر مُعدَّل منخفض القدرة بجودة اتصالات لإنتاج نبضات دقيقة عالية القدرة. ولأن مولّد نبضات داخليًا يعدّل الثنائي، يمكن ضبط عرض النبضة وطاقتها الناتجة أو تثبيتهما أو تعديلهما عبر مدى واسع من معدلات التعديل.

لماذا يتفوق ليزر MOPA على ليزر الألياف ذي التبديل Q في البلاستيك؟

لأنه يفصل بين معاملات الليزر. ففي ليزر الألياف ذي التبديل Q ترتبط المعاملات الرئيسية ارتباطًا وثيقًا — إذ يُفترض أن يرفع زيادة معدل تكرار النبضات القدرة المتوسطة، لكن قدرة النبضة تنخفض بدلًا من ذلك، وقد تتفاوت جودة الشعاع تفاوتًا كبيرًا مع أي تغيير في القدرة أو معدل التكرار. ويمنح MOPA تحسينًا أفضل للعملية وقابلية أعلى للتكرار.

ما هو M2 ولماذا يكون الاتساق أهم من قيمته؟

يقيس M2 مدى قدرة الشعاع على التركيز، حيث تمثل M2 = 1 الشعاع الغاوسي المثالي. وتحتاج التطبيقات المختلفة إلى أنماط شعاع مختلفة، لذا فإن M2 المتسقة أهم من M2 المنخفضة. ويؤدي تغيّر M2 بين 1.1 و1.5 إلى تغيّر بمقدار 2x في كثافة القدرة المركّزة، مما يغيّر جودة الوسم تغييرًا كبيرًا.

ما الفرق بين الإشعاعية والتدفق الطاقي في الليزر؟

الإشعاعية هي القدرة لكل وحدة مساحة بوحدة W/cm²، وهي في جوهرها شدة الشعاع وتعتمد على حجم البقعة المركّزة. أما التدفق الطاقي فهو الطاقة لكل وحدة مساحة بوحدة J/cm²، ويحدد مقدار الطاقة المنقولة إلى السطح. فإذا قلّ التدفق لم تتأثر المادة، وإذا زاد تضررت المادة بما يتجاوز الوسم المقصود.

هل أجهزة ليزر الألياف الرخيصة توفير زائف في وسم البلاستيك؟

في أعمال الإنتاج، نعم. فأجهزة الليزر الصناعية تعمل باستمرار وتستخدم بصريات وعدسات ورؤوس مسح وإلكترونيات وبرمجيات عالية الجودة، وتوفر بعض الشركات الرائدة مراقبة عن بُعد في الزمن الحقيقي. أما أجهزة الليزر منخفضة التكلفة من فئة الهواة فتعاني تذبذبًا في جودة الوسم بسبب بصريات وإلكترونيات رخيصة تسبب تفاوتًا في جودة الشعاع.

صعود ليزر ألياف الوسم MOPA

تُستخدم أجهزة ليزر ألياف الإيتربيوم ذات التبديل Q بمقياس النانوثانية في وسم البلاستيك منذ اختراعها قبل أكثر من 30 عامًا. وتشمل مزايا هذه الأجهزة نقل الشعاع عبر الألياف وصغر البصمة وانخفاض الصيانة وانخفاض السعر. ويمكن أن تتفوق أجهزة ليزر الألياف على سابقاتها من ليزر Nd:YAG ذي مصابيح القوس في جودة الشعاع وسطوعه، عندما تستخدم الشركات المصنّعة خرجًا «متعدد الأنماط» بدلًا من النمط «منخفض الرتبة» أو النمط الكهرومغناطيسي المستعرض «TEM00».

تبلغ طاقة النبضة في ليزر ألياف الوسم عادةً نحو 1 mJ لكل نبضة. وقد جعلتها تكلفتها المنخفضة ونقل الشعاع المريح عبر الألياف جذابة سريعًا لتطبيقات الوسم بالليزر. ولم يتغير التصميم الأساسي لليزر الألياف ذي التبديل Q كثيرًا بمرور الوقت، ولا تزال هذه الأجهزة شائعة في كثير من تطبيقات وسم البلاستيك. فالتصاميم مستقرة، لكن ترابط معاملات الليزر يفرض قيودًا على تحسين العملية. وقبل قرابة 25 عامًا، كان علماء في SPI Lasers (التي أصبحت الآن TRUMPF Lasers) يعملون بسرعة على الجيل التالي من ليزر ألياف الوسم.

يُعد ظهور ليزر ألياف الإيتربيوم النانوثانوي المصمم بتقنية MOPA (مضخّم القدرة بمذبذب رئيسي) أحد أهم التطورات في الوسم بالليزر للبلاستيك. فهذا التصميم الذي غيّر الصناعة يوفر الطاقة النبضية بطريقة مختلفة عن تجاويف المرايا/التبديل Q التقليدية. ويستخدم التصميم «الأشكال الموجية» أداةً ليزرية للمعالجة السريعة والتحكم الدقيق في النبضات. ويعرض الرسم البياني 1 أربعين نبضة شكل موجي ملونة مختلفة من أجهزة ليزر الألياف TRUMPF TruPulse Nano MOPA. ويمثل كل لون في الرسم شكل موجة نبضة MOPA مميزًا يمكن استخدامه لموازنة التدفق الطاقي والإشعاعية لتحسين نتائج وسم البلاستيك. وكما في كثير من التقنيات المتنافسة، كثيرًا ما يقع لبس وسوء تمثيل غير مقصود للمصطلحات المهمة والعوامل الفارقة. توضح هذه المقالة علم ليزر الألياف ومصطلحاته ليتمكن قراء أجهزة الليزر ومشتروها من اتخاذ قرارات مستنيرة.

يضخّم ليزر ألياف MOPA (الشكل التخطيطي 1) ثنائي ليزر مُعدَّلًا منخفض القدرة بجودة اتصالات لإنتاج نبضات ليزر دقيقة عالية القدرة. وباستخدام مولّد نبضات داخلي لتعديل الثنائي منخفض القدرة، يستطيع الليزر ضبط عرض النبضة وطاقتها الناتجة أو الحفاظ عليهما أو تعديلهما عبر مدى واسع من معدلات تعديل النبضات.

تفصل هذه البنية فصلًا فعليًا بين معاملات الليزر مقارنة بالتبديل Q، وتوفر تحسينًا أفضل للعملية وقابلية أعلى للتكرار للحصول على نتائج وسم أفضل وأكثر اتساقًا. وقد تُظهر تصاميم ليزر ألياف MOPA القياسية مشكلات تفاوت في جودة الشعاع (M2) مماثلة لتلك في ليزر الألياف ذي التبديل Q. وتقدم TRUMPF، وهي شركة رائدة في تصنيع ليزر الألياف، تصميم مضخّم ألياف GTWave ثنائي المرحلة حاصلًا على براءة اختراع يحافظ على اتساق M2 عبر مدى تكرار النبضات المحدد له. وخلافًا لليزر ألياف MOPA، يعمل ليزر الألياف ذو التبديل Q النشط بتعطيل الكسب في تجويف الليزر، مما يتيح تراكم الكسب في المضخّم وانبعاث نبضات ليزر عالية القدرة عند إزالة التعطيل. والمعاملات الرئيسية في ليزر الألياف ذي التبديل Q مترابطة ارتباطًا وثيقًا.

يمكن زيادة تيار الثنائي أو خفضه لتغيير قدرة الخرج. ويُفترض أن يزيد رفع معدل تكرار النبضات القدرة المتوسطة، إلا أن ذلك لا يحدث في ليزر الألياف ذي التبديل Q إذ تنخفض قدرة النبضة. ويعرض المخطط 2 القدرة ومعدلات التكرار بدلالة الزمن. وقد تتفاوت M2 (جودة الشعاع) في ليزر الألياف ذي التبديل Q تفاوتًا كبيرًا مع أي تغيير في قدرة الليزر ومعدل تكرار النبضات. ويؤدي تغيير M2 بين 1.1 و1.5 إلى تغيّر بمقدار 2x في كثافة القدرة المركّزة، مما قد يغيّر جودة الوسم على البلاستيك تغييرًا كبيرًا.

العوامل المؤثرة في جودة الوسم بالليزر

تعمل أجهزة ليزر ألياف الإيتربيوم في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بطول موجي 1060-1070 nm. ووظيفة ليزر الوسم هي تشعيع سطح القطعة (البوليمر) بمصدر إشعاع موضعي عالي الطاقة (الليزر). ثم تمتص المادة الطاقة الإشعاعية وتحوّلها إلى طاقة حرارية، وتحفّز الطاقة الحرارية حدوث تفاعلات «حرارية كيميائية» في المادة. وتستخدم أجهزة الوسم الموجَّهة بالشعاع مرايا مثبتة على مقاييس جلفانومترية عالية السرعة تتحكم بها الحواسيب لتوجيه شعاع الليزر عبر السطح المراد وسمه. ويوفر كل مقياس جلفانومتري، أحدهما على المحور Y والآخر على المحور X، حركة الشعاع داخل حقل الوسم. ويركّز مجموع العدسة المسطحة الحقل ضوء الليزر لتحقيق كثافة قدرة عالية على سطح الركيزة.

جودة الشعاع

معامل جودة الشعاع M2 هو قياس كمي لقدرة الشعاع على التركيز، وهو حاسم لأداء الوسم. ويحدد معامل M2 لشعاع الليزر درجة إمكان تركيز الشعاع لتباعد معين للشعاع، وهو مقيَّد بفتحة عدسة التركيز. وتمثل M2 = 1 شعاع الليزر الغاوسي المثالي. ويحدد معامل جودة الشعاع مع القدرة البصرية سطوع «إشعاعية» شعاع الليزر. واتساق معامل M2 أهم من قيمته نفسها، لأن التطبيقات المختلفة تتطلب أنماط شعاع مختلفة. ويُعد غياب الاتساق مشكلة شائعة في أجهزة الليزر الأقل أداءً، مما يؤدي إلى تفاوت في الوسم ومظهره ووظيفته.

الإشعاعية والتدفق الطاقي في الليزر

الإشعاعية والتدفق الطاقي في الليزر معاملان رئيسيان في وسم البلاستيك. وفيما يلي وصف موجز لكيفية تأثيرهما في عملية الوسم:

إشعاعية الليزر: الإشعاعية هي قدرة الليزر لكل وحدة مساحة، وتُقاس بالواط لكل سنتيمتر مربع (W/cm2). وهي في جوهرها شدة شعاع الليزر التي تعتمد على حجم البقعة المركّزة. ويعتمد حجم بقعة الليزر المركّزة لأي عدسة بعد بؤري معين وطول موجي معين على تباعد شعاع الليزر. ويؤدي حجم البقعة الأكبر إلى كثافة طاقة أقل. وقد تؤدي الإشعاعية العالية إلى تسخين سريع للمادة وتبخيرها، بينما قد لا تُنتج الإشعاعية المنخفضة وسمًا مرئيًا على الإطلاق. وتؤثر الإشعاعية في سرعة عملية الوسم وجودتها. فقد تؤدي الإشعاعية العالية إلى وسم أسرع لأن المادة تُسخَّن وتتبخر بسرعة. لكن إذا كانت الإشعاعية عالية جدًا فقد تتسبب في تلف المادة، كالتشقق أو الاحتراق المفرط. وفي المقابل، قد تؤدي الإشعاعية المنخفضة إلى بطء سرعة الوسم أو عدم ظهور وسم مرئي.

تتأثر الشدة بما يلي:

• تردد النبضات (Hz وkHz) – معدل تكرار النبضات
• قدرة الليزر (واط) – تختلف عن كثافة القدرة W/cm2
• حجم البقعة البؤرية – ويُشار إليه أيضًا بالقطر البؤري
• عرض النبضة – الزمن بين بداية النبضة ونهايتها، ويُقاس بالنانوثانية أو البيكوثانية أو الفيمتوثانية. وهو عامل للتحكم في كثافة الطاقة وحاسم لتحسين العملية. ويتميز ضبط مدة النبضة في ليزر MOPA بمرونة أكبر منه في ليزر الألياف ذي التبديل Q (النبضة الثابتة).

التدفق الطاقي في الليزر: التدفق الطاقي مقياس لطاقة الليزر لكل وحدة مساحة، ويُقاس عادةً بالجول لكل سنتيمتر مربع (J/cm2). ويحدد التدفق الطاقي مقدار الطاقة المنقولة إلى سطح المادة. فإذا كان التدفق منخفضًا جدًا فقد لا تتأثر المادة إطلاقًا، وإذا كان مرتفعًا جدًا فقد تتضرر المادة بإفراط بما يتجاوز أثر الوسم المطلوب. ويجب أن يكون التدفق عند مستوى مناسب للمادة المحددة التي يجري وسمها. فبعض المواد قد تتطلب تدفقًا أعلى لامتصاص طاقة كافية لوسم مرئي، وقد تتطلب مواد أخرى تدفقًا أقل لتجنب التلف. ويمكن أن يتأثر عمق الوسم أيضًا بالتدفق؛ وعمومًا يؤدي التدفق الأعلى إلى وسم أعمق.

يتأثر التدفق الطاقي بما يلي:

• شدة الشعاع
• سرعة الماسح
• تداخل النبضات
• قطر الشعاع المركّز

يُعد معدل تكرار النبضات وكثافة القدرة القصوى معاملين حاسمين في تكوين الوسم وتحقيق أفضل تباين وسرعة. فالقدرة القصوى العالية عند تردد منخفض ترفع درجة حرارة السطح بسرعة، فتبخّر المادة مع توصيل أقل قدر من الحرارة إلى الركيزة. ومع زيادة تكرار النبضات، تنتج قدرة قصوى أقل تبخيرًا ضئيلًا لكنها توصّل حرارة أكثر. والمنحنيات الحسابية للقدرة مقابل معدل تكرار النبضات تتناسب عكسيًا. وتحدد عوامل إضافية، هي سرعة شعاع الوسم والمسافة بين خطوط المتجهات، تباين الوسم وجودته.

وبضبط هذه المعاملات والتحكم فيها بعناية، يمكن استخدام الوسم بالليزر لإنشاء علامات دقيقة عالية الجودة على مجموعة من المواد البلاستيكية. وهو توازن يعتمد على خصائص المادة وعمق الوسم المطلوب وسرعة الوسم المطلوبة. وتؤدي إضافة ممتصات الليزر إلى البلاستيك إلى توسيع نطاق المواد البلاستيكية القابلة للوسم توسيعًا كبيرًا، وتحسين جودة الوسم، وتوسيع نافذة العملية لضمان اتساق الوسم.

ليست جميع أجهزة الليزر متساوية!

طورت Trumpf Lasers بنية ألياف MOPA الرائدة وأنظمة الوسم الصناعية الموصوفة في هذه المقالة، والتي تضمن نتائج وسم متسقة عبر جميع أجهزة الليزر. ومن الضروري التمييز بين أجهزة الليزر الصناعية وأجهزة الليزر المنخفضة التكلفة المباعة بالجملة.

أجهزة الليزر الصناعية أفضل من أجهزة الليزر الرخيصة من فئة الهواة المباعة بالجملة (عبر الموزعين). فيمكن لأجهزة الليزر الصناعية العمل باستمرار على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، وهي مزوّدة ببصريات وعدسات ورؤوس مسح وإلكترونيات عالية الجودة وبرمجيات متعددة الاستخدامات. وتستخدم بعض كبرى الشركات المصنّعة في الصناعة المراقبة عن بُعد للنظام في الزمن الحقيقي لاكتشاف المشكلات قبل تفاقمها. أما أجهزة الليزر الرخيصة فتعاني مشكلات خطيرة من تذبذب جودة الوسم، وبصريات وإلكترونيات رخيصة تسبب تفاوتًا في جودة الشعاع وعدم اتساق الوسم.

في الجزء الثاني من هذه المقالة، سيتعرف القراء على كيفية جعلت التطورات في علوم مواد البلاستيك وليزر الألياف النانوثانوي وسم أنواع من البلاستيك كان وسمها بالليزر صعبًا أو حتى مستحيلًا، بتباين عالي الجودة وألوان مخصصة وسرعة لم يسبق لها مثيل.

إهداء: هذه المقالة مهداة إلى Mark Brodsky، صاحب الرؤية الحقيقي في مجال الليزر، والمخترع والزميل والصديق.

المراجع

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.

---