Lasers à fibre MOPA pour le marquage des plastiques – tous les lasers ne se valent pas !

Lasers à fibre MOPA pour le marquage des plastiques – tous les lasers ne se valent pas !

Voici le premier volet d'une série en deux parties consacrée aux avancées technologiques les plus importantes du marquage laser industriel des plastiques. Nous examinons l'architecture des lasers à fibre à l'ytterbium, leur fonctionnement et les principaux facteurs de performance qui déterminent la qualité de marquage. La partie 2 présente de nouvelles solutions associant lasers de marquage MOPA, polymères et additifs conformes FDA pour obtenir un contraste de marquage supérieur, des couleurs personnalisées et une grande vitesse, y compris en marquage laser en ligne.

Points clés à retenir

• Le MOPA découple les paramètres du laser. Les conceptions à déclenchement Q les lient entre eux, ce qui limite l'optimisation du procédé.
• La constance de la qualité de faisceau compte plus que la valeur de M2 elle-même. Chaque application requiert des modes de faisceau différents ; c'est l'irrégularité qui ruine les marquages.
• Une dérive de M2 de 1,1 à 1,5 double la densité de puissance focalisée et change radicalement la qualité de marquage sur les plastiques.
• L'irradiance est l'intensité, la fluence est la dose. Trop faible, rien ne se marque ; trop élevée, le matériau est endommagé.
• La puissance et la fréquence de répétition des impulsions sont inversement proportionnelles. Une forte puissance crête à basse fréquence vaporise le matériau avec un minimum de conduction thermique.

Foire aux questions

Que signifie MOPA et comment cela fonctionne-t-il ?

Master Oscillator Power Amplifier (oscillateur maître à amplificateur de puissance). Il amplifie une diode laser de qualité télécom, modulée et de faible puissance, pour produire des impulsions précises de forte puissance. Comme un générateur d'impulsions interne module la diode, la durée d'impulsion et l'énergie d'impulsion qui en résulte peuvent être réglées, maintenues ou ajustées sur une large plage de fréquences de modulation.

Pourquoi un laser MOPA est-il préférable à un laser à fibre à déclenchement Q pour les plastiques ?

Il découple les paramètres du laser. Dans un laser à fibre à déclenchement Q, les paramètres clés sont étroitement couplés : augmenter la fréquence de répétition devrait accroître la puissance moyenne, mais la puissance d'impulsion diminue au contraire, et la qualité de faisceau peut varier considérablement à chaque changement de puissance ou de fréquence. Le MOPA offre une meilleure optimisation du procédé et une meilleure répétabilité.

Qu'est-ce que M2 et pourquoi sa constance importe-t-elle plus que sa valeur ?

M2 quantifie l'aptitude d'un faisceau à être focalisé, M2 = 1 correspondant au faisceau gaussien idéal. Chaque application requiert des modes de faisceau différents : un M2 constant importe donc plus qu'un M2 bas. Un M2 variant entre 1,1 et 1,5 entraîne une variation par 2 de la densité de puissance focalisée, ce qui modifie radicalement la qualité de marquage.

Quelle est la différence entre l'irradiance et la fluence laser ?

L'irradiance est la puissance par unité de surface, en W/cm², c'est-à-dire l'intensité du faisceau, et dépend de la taille du spot focalisé. La fluence est l'énergie par unité de surface, en J/cm², qui détermine la quantité d'énergie transférée à la surface. Avec une fluence trop faible, le matériau n'est pas affecté ; trop élevée, il est endommagé au-delà du marquage recherché.

Les lasers à fibre bon marché sont-ils une fausse économie pour le marquage des plastiques ?

Pour un usage en production, oui. Les lasers industriels fonctionnent en continu et utilisent des optiques, lentilles, têtes de balayage, électroniques et logiciels de haute qualité, certains grands fabricants proposant même une surveillance à distance en temps réel. Les lasers bon marché de type amateur souffrent d'une qualité de marquage erratique, due à des optiques et à une électronique peu coûteuses qui provoquent des variations de qualité de faisceau.

L'essor des lasers de marquage à fibre MOPA

Les lasers à fibre à l'ytterbium nanoseconde à déclenchement Q sont utilisés pour le marquage des plastiques depuis plus de 30 ans. Ils offrent une transmission par fibre, un encombrement réduit, une maintenance allégée et un prix plus bas. Les lasers à fibre peuvent présenter une meilleure qualité de faisceau et une meilleure brillance que les lasers Nd:YAG à lampe à arc qui les ont précédés, lorsque les fabricants utilisent une sortie « multimode » plutôt qu'un mode « d'ordre bas » ou le mode électromagnétique transverse « TEM00 ».

Les lasers de marquage à fibre ont généralement une énergie d'impulsion de 1 mJ par impulsion. Leur faible coût et la commodité de la transmission par fibre les ont rapidement rendus attractifs pour les applications de marquage laser. La conception fondamentale des lasers à fibre à déclenchement Q a peu évolué et ces lasers restent populaires pour de nombreuses applications de marquage des plastiques. Leurs conceptions sont stables, mais l'interdépendance des paramètres laser limite l'optimisation du procédé. Il y a près de 25 ans, des scientifiques de SPI Lasers (aujourd'hui TRUMPF Lasers) travaillaient activement sur la génération suivante de lasers de marquage à fibre.

L'apparition des lasers à fibre à l'ytterbium nanoseconde de conception MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) est l'une des avancées les plus importantes du marquage laser des plastiques. Une conception de laser qui a transformé l'industrie fournit désormais l'énergie pulsée autrement que les cavités classiques à miroir et déclencheur Q. Elle utilise des « formes d'onde » comme outil laser pour un traitement rapide et un contrôle fin des impulsions. Le graphique 1 présente les 40 formes d'onde d'impulsion, chacune d'une couleur différente, des lasers à fibre MOPA TRUMPF TruPulse Nano. Chaque couleur du graphique représente une forme d'onde d'impulsion MOPA distincte, qui permet d'équilibrer fluence et irradiance pour optimiser les résultats de marquage des plastiques. Comme pour beaucoup de technologies concurrentes, la terminologie et les facteurs distinctifs importants font souvent l'objet de confusions et de présentations involontairement inexactes. Cet article expose la science et la terminologie des lasers à fibre afin que les lecteurs et les acheteurs de lasers puissent décider en connaissance de cause.

Un laser à fibre MOPA (diagramme 1) amplifie une diode laser de qualité télécom, modulée et de faible puissance, pour produire des impulsions laser précises de forte puissance. En utilisant un générateur d'impulsions interne pour moduler la diode de faible puissance, le laser peut régler, maintenir ou ajuster sélectivement la durée d'impulsion et l'énergie d'impulsion qui en résulte sur une large plage de fréquences de modulation.

Cette architecture découple effectivement les paramètres du laser par rapport au déclenchement Q, et offre une meilleure optimisation du procédé et une meilleure répétabilité pour des résultats de marquage plus réguliers. Les conceptions MOPA standard peuvent présenter les mêmes problèmes de variation de qualité de faisceau (M2) que les lasers à fibre à déclenchement Q. TRUMPF, l'un des principaux fabricants de lasers à fibre, propose une conception brevetée d'amplificateur à fibre GTWave à double étage qui maintient un M2 constant sur toute sa plage de fréquences de répétition spécifiée. À la différence des lasers à fibre MOPA, un laser à fibre à déclenchement Q actif fonctionne en perturbant le gain dans la cavité laser, ce qui permet au gain de s'accumuler dans l'amplificateur et à des impulsions de forte puissance d'être émises lorsque la perturbation cesse. Les paramètres clés des lasers à fibre à déclenchement Q sont étroitement couplés.

Le courant de la diode peut être augmenté ou diminué pour modifier la puissance de sortie. Augmenter la fréquence de répétition devrait accroître la puissance moyenne ; or ce n'est pas le cas avec les lasers à fibre à déclenchement Q, car la puissance d'impulsion diminue. Le graphique 2 présente la puissance et les fréquences de répétition en fonction du temps. Le M2 (qualité de faisceau) des lasers à fibre à déclenchement Q peut varier considérablement à chaque changement de puissance laser ou de fréquence de répétition. Un M2 variant entre 1,1 et 1,5 entraîne une variation par 2 de la densité de puissance focalisée, qui peut modifier radicalement la qualité de marquage sur les plastiques.

Facteurs influant sur la qualité du marquage laser

Les lasers à fibre à l'ytterbium fonctionnent dans le proche infrarouge (NIR), à une longueur d'onde de 1060-1070 nm. La fonction d'un laser de marquage est d'irradier la surface de la pièce (polymère) avec une source de rayonnement localisée de haute énergie (le laser). L'énergie rayonnante est alors absorbée par le matériau et convertie en énergie thermique, qui déclenche des réactions « thermochimiques » dans le matériau. Les marqueurs laser à faisceau dirigé utilisent des miroirs montés sur des galvanomètres rapides pilotés par ordinateur pour diriger le faisceau sur la surface à marquer. Chaque galvanomètre, l'un sur l'axe Y et l'autre sur l'axe X, assure le déplacement du faisceau dans le champ de marquage. L'ensemble de lentilles à champ plan focalise la lumière laser pour obtenir une densité de puissance élevée à la surface du substrat.

Qualité de faisceau

Le facteur de qualité de faisceau M2 quantifie l'aptitude d'un faisceau à être focalisé et est déterminant pour les performances de marquage. Le facteur M2 d'un faisceau laser limite le degré de focalisation possible pour une divergence de faisceau donnée, elle-même limitée par l'ouverture de la lentille de focalisation. M2 = 1 correspond au faisceau laser gaussien idéal. Associé à la puissance optique, le facteur de qualité de faisceau détermine la brillance (« radiance ») du faisceau laser. Un facteur M2 constant importe plus que sa valeur, car les applications requièrent des modes de faisceau différents. Le manque de constance est un problème courant des lasers moins performants et se traduit par des variations de marquage, d'aspect et de fonctionnalité.

Irradiance et fluence laser

L'irradiance et la fluence laser sont des paramètres clés du marquage des plastiques. Voici une brève description de leur influence sur le procédé de marquage :

Irradiance laser : l'irradiance est la puissance du laser par unité de surface, mesurée en watts par centimètre carré (W/cm2). C'est essentiellement l'intensité du faisceau laser, qui dépend de la taille du spot focalisé. La taille du spot focalisé, pour une lentille de focale et une longueur d'onde laser données, dépend de la divergence du faisceau. Un spot plus grand se traduit par une densité d'énergie plus faible. Une irradiance élevée peut provoquer un échauffement et une vaporisation rapides du matériau, tandis qu'une irradiance faible peut ne créer aucun marquage visible. L'irradiance influe sur la vitesse et la qualité du marquage. Une irradiance élevée peut accélérer le marquage, car le matériau est rapidement chauffé et vaporisé. Toutefois, si elle est trop élevée, elle peut endommager le matériau (fissuration, brûlure excessive). À l'inverse, une irradiance faible peut donner une vitesse de marquage lente, voire aucun marquage visible.

L'intensité est influencée par :

• La fréquence des impulsions (Hz, kHz) – fréquence de répétition des impulsions
• La puissance du laser (watt) – à ne pas confondre avec la densité de puissance en W/cm2
• La taille du spot focal – aussi appelée diamètre focal
• La durée d'impulsion – temps entre le début et la fin d'une impulsion, mesuré en nanosecondes, picosecondes ou femtosecondes. Facteur de contrôle de la densité d'énergie, déterminant pour l'optimisation du procédé. Le réglage de la durée d'impulsion est plus flexible sur les lasers MOPA que sur les lasers à fibre à déclenchement Q (impulsion fixe).

Fluence laser : la fluence mesure l'énergie du laser par unité de surface. Elle s'exprime généralement en joules par centimètre carré (J/cm2). La fluence détermine la quantité d'énergie transférée à la surface du matériau. Si elle est trop faible, le matériau peut ne pas être affecté du tout. Si elle est trop élevée, le matériau peut être excessivement endommagé, au-delà de l'effet de marquage recherché. La fluence doit se situer à un niveau approprié au matériau marqué. Certains matériaux peuvent exiger une fluence plus élevée pour absorber suffisamment d'énergie et donner un marquage visible, d'autres une fluence plus faible pour éviter les dommages. La profondeur du marquage peut aussi dépendre de la fluence ; en général, une fluence plus élevée produit des marquages plus profonds.

La fluence est influencée par :

• L'intensité du faisceau
• La vitesse du scanner
• Le recouvrement des impulsions
• Le diamètre du faisceau focalisé

La fréquence de répétition des impulsions et la densité de puissance crête sont des paramètres déterminants pour former le marquage et obtenir un contraste et une vitesse optimaux. Une forte puissance crête à basse fréquence élève rapidement la température de surface et vaporise le matériau en ne conduisant qu'un minimum de chaleur dans le substrat. Lorsque la fréquence de répétition augmente, une puissance crête plus faible produit une vaporisation minimale mais conduit davantage de chaleur. Les courbes arithmétiques de la puissance en fonction de la fréquence de répétition sont inversement proportionnelles. D'autres facteurs, la vitesse du faisceau de marquage et l'écart entre les lignes vectorielles, déterminent le contraste et la qualité du marquage.

En ajustant et en contrôlant soigneusement ces paramètres, le marquage laser permet de réaliser des marquages précis et de haute qualité sur une gamme de matériaux plastiques. C'est un équilibre qui dépend des propriétés du matériau, de la profondeur de marquage souhaitée et de la vitesse de marquage requise. L'ajout d'absorbeurs laser aux plastiques élargit considérablement la gamme de plastiques marquables, améliore la qualité de marquage et élargit la fenêtre de procédé pour garantir la constance du marquage.

Tous les lasers ne se valent pas !

Trumpf Lasers a mis au point l'architecture à fibre MOPA révolutionnaire et les systèmes de marquage industriels décrits dans cet article, qui garantissent des résultats de marquage constants d'un laser à l'autre. Il est essentiel de distinguer les lasers industriels des lasers de gros à bas prix.

Les lasers industriels sont supérieurs aux lasers de type amateur vendus à bas prix par des revendeurs. Ils peuvent fonctionner en continu 24 h/24 et 7 j/7 et sont équipés d'optiques, de lentilles, de têtes de balayage, d'une électronique et de logiciels polyvalents de haute qualité. Certains grands fabricants du secteur utilisent une surveillance à distance du système en temps réel pour détecter les problèmes avant qu'ils ne surviennent. Les lasers bon marché présentent de sérieux problèmes de qualité de marquage erratique, d'optiques et d'électronique peu coûteuses, qui provoquent des variations de qualité de faisceau et un marquage irrégulier.

Dans la partie 2 de cet article, les lecteurs découvriront comment les progrès de la science des matériaux plastiques et des lasers à fibre nanoseconde permettent de marquer des plastiques difficiles, voire impossibles à marquer auparavant, avec un contraste de haute qualité, des couleurs personnalisées et une vitesse jamais atteinte.

In memoriam : cet article est dédié à Mark Brodsky, véritable visionnaire du laser, inventeur, collègue et ami.

Références

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.

---