प्लास्टिक पर मार्किंग के लिए MOPA फाइबर लेज़र – सभी लेज़र एक समान नहीं होते!

प्लास्टिक पर मार्किंग के लिए MOPA फाइबर लेज़र – सभी लेज़र एक समान नहीं होते!

यह प्लास्टिक की औद्योगिक लेज़र मार्किंग में सबसे महत्वपूर्ण तकनीकी विकासों पर दो-भाग वाली श्रृंखला का पहला भाग है। हम Ytterbium फाइबर लेज़र की संरचना, उनके कार्य करने के तरीके और मार्किंग की गुणवत्ता तय करने वाले प्रमुख प्रदर्शन कारकों की जाँच करेंगे। भाग 2 में MOPA मार्किंग लेज़र, पॉलिमर और FDA-अनुरूप एडिटिव्स का उपयोग करने वाले नए समाधानों पर चर्चा है, जिनसे उत्कृष्ट मार्किंग कंट्रास्ट, कस्टम रंग और तेज़ गति, इन-लाइन लेज़र मार्किंग सहित, प्राप्त होती है।

मुख्य बिंदु

• MOPA लेज़र के पैरामीटर को एक-दूसरे से अलग कर देता है। Q-स्विच्ड डिज़ाइन उन्हें आपस में जोड़ देते हैं, जिससे प्रक्रिया का अनुकूलन सीमित हो जाता है।
• बीम गुणवत्ता में निरंतरता, M2 के मान से अधिक महत्वपूर्ण है। अलग-अलग अनुप्रयोगों को अलग-अलग बीम मोड चाहिए; निरंतरता की कमी ही मार्किंग बिगाड़ती है।
• M2 का 1.1 से 1.5 तक बदल जाना फ़ोकस्ड पावर डेंसिटी को दोगुना कर देता है, जिससे प्लास्टिक पर मार्किंग की गुणवत्ता बहुत बदल जाती है।
• इरेडिएंस तीव्रता है, फ्लुएंस खुराक है। बहुत कम हो तो मार्क नहीं बनता; बहुत अधिक हो तो सामग्री क्षतिग्रस्त हो जाती है।
• पावर और पल्स रिपिटिशन रेट व्युत्क्रमानुपाती हैं। कम आवृत्ति पर उच्च पीक पावर न्यूनतम ऊष्मा चालन के साथ सामग्री को वाष्पित करती है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

MOPA का पूरा नाम क्या है और यह कैसे काम करता है?

मास्टर ऑसिलेटर पावर एम्प्लीफ़ायर। यह मॉड्यूलेटेड, कम-पावर, टेलीकॉम-गुणवत्ता वाले लेज़र डायोड को प्रवर्धित करके सटीक उच्च-पावर पल्स उत्पन्न करता है। चूँकि एक आंतरिक पल्स जनरेटर डायोड को मॉड्यूलेट करता है, इसलिए पल्स चौड़ाई और परिणामी पल्स ऊर्जा को विस्तृत मॉड्यूलेशन दर पर सेट, स्थिर या समायोजित किया जा सकता है।

प्लास्टिक के लिए MOPA लेज़र, Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र से बेहतर क्यों है?

यह लेज़र के पैरामीटर को अलग-अलग कर देता है। Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र में प्रमुख पैरामीटर आपस में कसकर जुड़े होते हैं — पल्स रिपिटिशन रेट बढ़ाने से औसत पावर बढ़नी चाहिए, पर इसके बजाय पल्स पावर घट जाती है, और पावर या रिपिटिशन रेट में किसी भी बदलाव से बीम गुणवत्ता काफ़ी बदल सकती है। MOPA प्रक्रिया का बेहतर अनुकूलन और दोहराव क्षमता देता है।

M2 क्या है और उसके मान से अधिक निरंतरता क्यों मायने रखती है?

M2 यह मापता है कि बीम को कितनी अच्छी तरह फ़ोकस किया जा सकता है, जहाँ M2 = 1 आदर्श गॉसियन बीम है। अलग-अलग अनुप्रयोगों को अलग-अलग बीम मोड चाहिए, इसलिए कम M2 से अधिक महत्वपूर्ण एक स्थिर M2 है। M2 का 1.1 से 1.5 के बीच बदलना फ़ोकस्ड पावर डेंसिटी में 2 गुना परिवर्तन करता है, जिससे मार्किंग की गुणवत्ता बहुत बदल जाती है।

लेज़र इरेडिएंस और फ्लुएंस में क्या अंतर है?

इरेडिएंस प्रति इकाई क्षेत्र पावर है, जो W/cm² में मापी जाती है; यह मूलतः बीम की तीव्रता है और फ़ोकस्ड स्पॉट साइज़ का फलन है। फ्लुएंस प्रति इकाई क्षेत्र ऊर्जा है, जो J/cm² में मापी जाती है; यह तय करती है कि सतह पर कितनी ऊर्जा स्थानांतरित होती है। फ्लुएंस बहुत कम हो तो सामग्री पर कोई असर नहीं पड़ता; बहुत अधिक हो तो वह इच्छित मार्क से आगे क्षतिग्रस्त हो जाती है।

क्या सस्ते फाइबर लेज़र प्लास्टिक मार्किंग के लिए घाटे का सौदा हैं?

उत्पादन कार्य के लिए, हाँ। औद्योगिक लेज़र लगातार चलते हैं और उनमें उच्च-गुणवत्ता वाले ऑप्टिक्स, लेंस, स्कैन हेड, इलेक्ट्रॉनिक्स और सॉफ़्टवेयर होते हैं, और कुछ शीर्ष निर्माता रियल-टाइम रिमोट मॉनिटरिंग भी देते हैं। कम लागत वाले शौकिया-श्रेणी के लेज़रों में सस्ते ऑप्टिक्स और इलेक्ट्रॉनिक्स के कारण बीम गुणवत्ता में भिन्नता आती है और मार्किंग की गुणवत्ता अनियमित रहती है।

MOPA फाइबर मार्किंग लेज़र का उदय

Q-स्विच्ड नैनोसेकंड Ytterbium फाइबर लेज़र का उपयोग 30 वर्ष से भी पहले उनके आविष्कार के बाद से प्लास्टिक की मार्किंग के लिए होता आ रहा है। इन लेज़रों के लाभों में फाइबर डिलीवरी, छोटा आकार, कम रखरखाव और कम कीमत शामिल हैं। जब निर्माता “लो-ऑर्डर” मोड या “TEM00” अनुप्रस्थ विद्युत-चुंबकीय मोड के बजाय “मल्टी-मोड” आउटपुट का उपयोग करते हैं, तब फाइबर लेज़र की बीम गुणवत्ता और ब्राइटनेस अपने पूर्ववर्ती आर्क-लैंप Nd:YAG लेज़र से बेहतर हो सकती है।

फाइबर मार्किंग लेज़र में आम तौर पर प्रति पल्स लगभग 1 mJ ऊर्जा होती है। उनकी कम लागत और सुविधाजनक फाइबर डिलीवरी ने उन्हें लेज़र मार्किंग अनुप्रयोगों के लिए जल्दी ही आकर्षक बना दिया। Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र का मूल डिज़ाइन समय के साथ बहुत नहीं बदला है और ये लेज़र आज भी कई प्लास्टिक मार्किंग अनुप्रयोगों के लिए लोकप्रिय हैं। डिज़ाइन स्थिर हैं, लेकिन आपस में जुड़े लेज़र पैरामीटर प्रक्रिया के अनुकूलन पर सीमाएँ लगाते हैं। लगभग 25 वर्ष पहले SPI Lasers (अब TRUMPF Lasers) के वैज्ञानिक फाइबर मार्किंग लेज़र की अगली पीढ़ी पर तेज़ी से काम कर रहे थे।

MOPA (मास्टर ऑसिलेटर पावर एम्प्लीफ़ायर) डिज़ाइन वाले नैनोसेकंड Ytterbium फाइबर लेज़र का उभरना लेज़र प्लास्टिक मार्किंग की सबसे महत्वपूर्ण प्रगतियों में से एक है। उद्योग को बदल देने वाला यह लेज़र डिज़ाइन अब पारंपरिक मिरर/Q-स्विच कैविटी की तुलना में ऊर्जा को अलग ढंग से पल्स के रूप में देता है। यह डिज़ाइन त्वरित प्रोसेसिंग और सूक्ष्म पल्स नियंत्रण के लिए “वेवफ़ॉर्म” को लेज़र के औज़ार के रूप में उपयोग करता है। ग्राफ़ 1 में TRUMPF TruPulse Nano MOPA फाइबर लेज़र के 40 विभिन्न रंगीन वेवफ़ॉर्म पल्स दिखाए गए हैं। ग्राफ़ का प्रत्येक रंग एक अलग MOPA पल्स वेवफ़ॉर्म दर्शाता है, जिसका उपयोग प्लास्टिक मार्किंग के परिणामों को अनुकूलित करने के लिए फ्लुएंस और इरेडिएंस में संतुलन बनाने में किया जा सकता है। कई प्रतिस्पर्धी प्रौद्योगिकियों की तरह यहाँ भी महत्वपूर्ण शब्दावली और विशिष्ट कारकों को लेकर अक्सर भ्रम और अनजाने में ग़लत प्रस्तुति होती है। यह लेख फाइबर लेज़र के विज्ञान और शब्दावली को स्पष्ट करता है, ताकि पाठक और लेज़र के खरीदार सुविचारित निर्णय ले सकें।

MOPA फाइबर लेज़र (आरेख 1) मॉड्यूलेटेड, कम-पावर, टेलीकॉम-गुणवत्ता वाले लेज़र डायोड को प्रवर्धित करके सटीक उच्च-पावर लेज़र पल्स उत्पन्न करता है। कम-पावर डायोड को मॉड्यूलेट करने के लिए आंतरिक पल्स जनरेटर का उपयोग करके, लेज़र विस्तृत पल्स मॉड्यूलेशन दर पर पल्स चौड़ाई और परिणामी पल्स ऊर्जा को चयनात्मक रूप से सेट, स्थिर या समायोजित कर सकता है।

यह संरचना Q-स्विच्ड की तुलना में लेज़र पैरामीटर को प्रभावी ढंग से अलग कर देती है और बेहतर व अधिक सुसंगत मार्किंग परिणामों के लिए प्रक्रिया का अधिक अनुकूलन और दोहराव क्षमता देती है। मानक MOPA फाइबर लेज़र डिज़ाइनों में भी Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र जैसी बीम गुणवत्ता (M2) भिन्नता की समस्याएँ हो सकती हैं। अग्रणी फाइबर लेज़र निर्माता TRUMPF एक पेटेंटेड दो-चरणीय GTWave फाइबर एम्प्लीफ़ायर डिज़ाइन देता है, जो अपनी निर्दिष्ट पल्स रिपिटिशन रेंज में M2 को स्थिर रखता है। MOPA फाइबर लेज़र के विपरीत, सक्रिय रूप से Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र लेज़र कैविटी में गेन को बाधित करके काम करता है, जिससे बाधा हटने पर एम्प्लीफ़ायर में गेन जमा होता है और उच्च-पावर लेज़र पल्स उत्सर्जित होते हैं। Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र में प्रमुख पैरामीटर आपस में कसकर जुड़े होते हैं।

आउटपुट पावर बदलने के लिए डायोड करंट को बढ़ाया या घटाया जा सकता है। पल्स रिपिटिशन रेट बढ़ाने से औसत पावर बढ़नी चाहिए, लेकिन Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र में ऐसा नहीं होता, क्योंकि पल्स पावर घट जाती है। चार्ट 2 समय के फलन के रूप में पावर और रिपिटिशन रेट दिखाता है। Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र में M2 (बीम गुणवत्ता) लेज़र पावर और पल्स रिपिटिशन रेट में किसी भी बदलाव के साथ काफ़ी बदल सकता है। M2 का 1.1 से 1.5 के बीच बदलना फ़ोकस्ड पावर डेंसिटी में 2 गुना परिवर्तन करता है, जिससे प्लास्टिक पर मार्किंग की गुणवत्ता बहुत बदल सकती है।

लेज़र मार्किंग की गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले कारक

Ytterbium फाइबर लेज़र निकट-अवरक्त (NIR) स्पेक्ट्रम में 1060-1070 nm तरंगदैर्घ्य पर काम करते हैं। मार्किंग लेज़र का कार्य पुर्ज़े की सतह (पॉलिमर) को स्थानीयकृत उच्च-ऊर्जा विकिरण स्रोत (लेज़र) से विकिरणित करना है। सामग्री विकिरण ऊर्जा को अवशोषित करके उसे ऊष्मीय ऊर्जा में बदल देती है। ऊष्मीय ऊर्जा सामग्री में “ऊष्मा-रासायनिक” अभिक्रियाएँ उत्पन्न करती है। बीम-स्टीयर्ड लेज़र मार्कर उन दर्पणों का उपयोग करते हैं जो उच्च गति वाले कंप्यूटर-नियंत्रित गैल्वेनोमीटर पर लगे होते हैं और लेज़र बीम को मार्क की जाने वाली सतह पर घुमाते हैं। प्रत्येक गैल्वेनोमीटर, एक Y-अक्ष पर और एक X-अक्ष पर, मार्किंग क्षेत्र के भीतर बीम की गति प्रदान करता है। फ्लैट-फ़ील्ड लेंस असेंबली लेज़र प्रकाश को फ़ोकस करके सब्सट्रेट सतह पर उच्च पावर डेंसिटी प्राप्त करती है।

बीम गुणवत्ता

बीम गुणवत्ता कारक M2, किसी बीम की फ़ोकस करने की क्षमता का मापन है और मार्किंग प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण है। लेज़र बीम का M2 कारक उस सीमा को निर्धारित करता है जहाँ तक किसी दिए गए बीम डाइवर्जेंस के लिए बीम को फ़ोकस किया जा सकता है, जो फ़ोकसिंग लेंस के एपर्चर द्वारा सीमित होता है। M2 = 1 आदर्श गॉसियन लेज़र बीम है। ऑप्टिकल पावर के साथ मिलकर, बीम गुणवत्ता कारक लेज़र बीम की ब्राइटनेस “रेडियंस” निर्धारित करता है। एक स्थिर M2 कारक स्वयं उसके मान से अधिक महत्वपूर्ण है, क्योंकि विभिन्न अनुप्रयोगों को अलग-अलग बीम मोड की आवश्यकता होती है। निरंतरता की कमी कम-प्रदर्शन वाले लेज़रों की एक आम समस्या है, जिससे मार्किंग, उसके स्वरूप और कार्यक्षमता में भिन्नता आती है।

लेज़र इरेडिएंस और फ्लुएंस

लेज़र इरेडिएंस और फ्लुएंस प्लास्टिक मार्किंग के प्रमुख पैरामीटर हैं। ये मार्किंग प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करते हैं, इसका संक्षिप्त विवरण नीचे है:

लेज़र इरेडिएंस: इरेडिएंस लेज़र की प्रति इकाई क्षेत्र पावर है, जो वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर (W/cm2) में मापी जाती है। यह मूलतः लेज़र बीम की तीव्रता है, जो फ़ोकस्ड स्पॉट साइज़ का फलन है। किसी भी फ़ोकल लंबाई के लेंस और लेज़र तरंगदैर्घ्य के लिए फ़ोकस्ड लेज़र स्पॉट साइज़ लेज़र बीम डाइवर्जेंस का फलन है। बड़े स्पॉट साइज़ से ऊर्जा घनत्व कम होता है। उच्च इरेडिएंस से सामग्री तेज़ी से गर्म होकर वाष्पित हो सकती है, जबकि कम इरेडिएंस पर हो सकता है कोई दृश्यमान मार्क बने ही नहीं। इरेडिएंस मार्किंग प्रक्रिया की गति और गुणवत्ता को प्रभावित करती है। उच्च इरेडिएंस से मार्किंग तेज़ हो सकती है, क्योंकि सामग्री तेज़ी से गर्म होकर वाष्पित होती है। लेकिन यदि इरेडिएंस बहुत अधिक हो, तो इससे सामग्री को क्षति पहुँच सकती है, जैसे दरार पड़ना या अत्यधिक जलना। दूसरी ओर, कम इरेडिएंस के कारण मार्किंग की गति धीमी हो सकती है या कोई दृश्यमान मार्क नहीं बनता।

तीव्रता इनसे प्रभावित होती है:

• पल्स आवृत्ति (Hz, kHz) – पल्स रिपिटिशन रेट
• लेज़र पावर (वाट) – पावर डेंसिटी W/cm2 से भिन्न
• फ़ोकल स्पॉट साइज़ – जिसे फ़ोकल व्यास भी कहा जाता है
• पल्स चौड़ाई – किसी आवेग के आरंभ और अंत के बीच का समय, जो नैनोसेकंड, पिको- या फेम्टोसेकंड में मापा जाता है। यह ऊर्जा घनत्व को नियंत्रित करने का एक कारक है और प्रक्रिया अनुकूलन के लिए महत्वपूर्ण है। MOPA लेज़र में पल्स अवधि का समायोजन Q-स्विच्ड (स्थिर पल्स) फाइबर लेज़र की तुलना में अधिक लचीला है।

लेज़र फ्लुएंस: फ्लुएंस प्रति इकाई क्षेत्र लेज़र ऊर्जा का माप है। इसे आम तौर पर जूल प्रति वर्ग सेंटीमीटर (J/cm2) में मापा जाता है। फ्लुएंस तय करती है कि सामग्री की सतह पर कितनी ऊर्जा स्थानांतरित होती है। यदि फ्लुएंस बहुत कम हो, तो सामग्री पर कोई असर नहीं पड़ सकता। यदि बहुत अधिक हो, तो सामग्री इच्छित मार्किंग प्रभाव से आगे अत्यधिक क्षतिग्रस्त हो सकती है। फ्लुएंस उस विशिष्ट सामग्री के लिए उपयुक्त स्तर पर होनी चाहिए जिस पर मार्किंग की जा रही है। कुछ सामग्रियों को दृश्यमान मार्क के लिए पर्याप्त ऊर्जा अवशोषित करने हेतु अधिक फ्लुएंस चाहिए, जबकि अन्य को क्षति से बचने के लिए कम। मार्क की गहराई भी फ्लुएंस से प्रभावित हो सकती है; आम तौर पर अधिक फ्लुएंस से मार्क अधिक गहरे बनते हैं।

फ्लुएंस इनसे प्रभावित होती है:

• बीम की तीव्रता
• स्कैनर वेग
• पल्स ओवरलैप
• फ़ोकस बीम व्यास

मार्क बनाने और इष्टतम कंट्रास्ट व गति प्राप्त करने में पल्स रिपिटिशन रेट और पीक पावर डेंसिटी महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। कम आवृत्ति पर उच्च पीक पावर सतह का तापमान तेज़ी से बढ़ाती है और सब्सट्रेट में न्यूनतम ऊष्मा पहुँचाते हुए सामग्री को वाष्पित करती है। जैसे-जैसे पल्स रिपिटिशन बढ़ता है, कम पीक पावर न्यूनतम वाष्पीकरण करती है लेकिन अधिक ऊष्मा पहुँचाती है। पावर बनाम पल्स रिपिटिशन रेट के अंकगणितीय वक्र व्युत्क्रमानुपाती हैं। मार्किंग बीम वेग और वेक्टर लाइन पृथक्करण दूरी जैसे अतिरिक्त कारक मार्किंग कंट्रास्ट और गुणवत्ता तय करते हैं।

इन पैरामीटर को सावधानी से समायोजित और नियंत्रित करके, लेज़र मार्किंग द्वारा विभिन्न प्लास्टिक सामग्रियों पर सटीक, उच्च-गुणवत्ता वाले मार्क बनाए जा सकते हैं। यह एक संतुलन है, जो सामग्री के गुणों, इच्छित मार्क की गहराई और आवश्यक मार्किंग गति पर निर्भर करता है। प्लास्टिक में लेज़र एब्ज़ॉर्बर जोड़ने से मार्क किए जा सकने वाले प्लास्टिक की श्रेणी बहुत बढ़ जाती है, मार्क की गुणवत्ता सुधरती है और मार्क की निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए प्रोसेस विंडो चौड़ी हो जाती है।

सभी लेज़र एक समान नहीं होते!

Trumpf Lasers ने इस लेख में वर्णित अग्रणी MOPA फाइबर संरचना और औद्योगिक मार्किंग सिस्टम विकसित किए, जो सभी लेज़रों में सुसंगत मार्किंग परिणाम सुनिश्चित करते हैं। औद्योगिक लेज़र और कम लागत वाले थोक लेज़र के बीच अंतर करना अत्यंत महत्वपूर्ण है।

औद्योगिक लेज़र सस्ते थोक (रीसेलर) शौकिया-श्रेणी के लेज़रों से श्रेष्ठ होते हैं। औद्योगिक लेज़र 24/7 लगातार चल सकते हैं और उनमें उच्च-गुणवत्ता वाले ऑप्टिक्स, लेंस, स्कैन-हेड, इलेक्ट्रॉनिक्स और बहुमुखी सॉफ़्टवेयर लगे होते हैं। उद्योग के कुछ शीर्ष निर्माता समस्याएँ पैदा होने से पहले ही उनका पता लगाने के लिए रियल-टाइम रिमोट सिस्टम मॉनिटरिंग का उपयोग करते हैं। सस्ते लेज़रों में अनियमित मार्किंग गुणवत्ता की गंभीर समस्याएँ होती हैं, और सस्ते ऑप्टिक्स व इलेक्ट्रॉनिक्स के कारण बीम गुणवत्ता में भिन्नता और असंगत मार्किंग होती है।

इस लेख के भाग 2 में पाठक जानेंगे कि प्लास्टिक मटीरियल साइंस और नैनोसेकंड फाइबर लेज़र में हुई प्रगति ने उन प्लास्टिक पर उच्च-गुणवत्ता वाले कंट्रास्ट, कस्टम रंगों और अभूतपूर्व गति के साथ लेज़र मार्किंग को कैसे संभव बनाया है, जिन पर मार्किंग करना पहले कठिन या असंभव था।

श्रद्धांजलि: यह लेख Mark Brodsky को समर्पित है, जो एक सच्चे लेज़र दूरदर्शी, आविष्कारक, सहकर्मी और मित्र थे।

संदर्भ

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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