Lasery światłowodowe MOPA do znakowania tworzyw sztucznych – nie wszystkie lasery są takie same!

Lasery światłowodowe MOPA do znakowania tworzyw sztucznych – nie wszystkie lasery są takie same!

To pierwsza część dwuczęściowego cyklu o najważniejszych osiągnięciach technologicznych w przemysłowym znakowaniu laserowym tworzyw sztucznych. Omówiono architekturę laserów światłowodowych na iterbie, zasadę ich działania oraz główne czynniki wydajności decydujące o jakości znakowania. Część 2 przedstawia nowe rozwiązania wykorzystujące lasery znakujące MOPA, polimery i dodatki zgodne z wymaganiami FDA, które zapewniają doskonały kontrast znakowania, kolory niestandardowe i dużą prędkość, także w znakowaniu laserowym w linii produkcyjnej.

Kluczowe wnioski

• MOPA rozprzęga parametry lasera. W konstrukcjach z przełączaniem dobroci (Q-switch) są one ze sobą powiązane, co ogranicza optymalizację procesu.
• Stałość jakości wiązki jest ważniejsza niż sama wartość M2. Różne zastosowania wymagają różnych modów wiązki; to niestałość psuje znakowanie.
• Dryf M2 z 1,1 do 1,5 podwaja gęstość mocy w ognisku, drastycznie zmieniając jakość znakowania tworzyw sztucznych.
• Natężenie napromienienia to intensywność, a fluencja to dawka. Zbyt mała – nic się nie oznakuje; zbyt duża – materiał ulega uszkodzeniu.
• Moc i częstotliwość powtarzania impulsów są odwrotnie proporcjonalne. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości odparowuje materiał przy minimalnym przewodzeniu ciepła.

Często zadawane pytania

Co oznacza skrót MOPA i jak działa ten laser?

Master Oscillator Power Amplifier (wzmacniacz mocy z generatorem wzorcowym). Wzmacnia modulowaną diodę laserową o niskiej mocy i jakości telekomunikacyjnej, tworząc precyzyjne impulsy o dużej mocy. Ponieważ diodę moduluje wewnętrzny generator impulsów, szerokość impulsu i wynikającą z niej energię impulsu można ustawiać, utrzymywać lub regulować w szerokim zakresie częstotliwości modulacji.

Dlaczego laser MOPA jest lepszy od lasera światłowodowego z przełączaniem dobroci do tworzyw sztucznych?

Rozprzęga parametry lasera. W laserze światłowodowym z przełączaniem dobroci kluczowe parametry są silnie powiązane – zwiększenie częstotliwości powtarzania impulsów powinno zwiększać moc średnią, lecz zamiast tego maleje moc impulsu, a jakość wiązki może się znacznie zmieniać przy każdej zmianie mocy lub częstotliwości powtarzania. MOPA zapewnia lepszą optymalizację i powtarzalność procesu.

Czym jest M2 i dlaczego stałość ma większe znaczenie niż wartość?

M2 określa ilościowo, jak dobrze można skupić wiązkę; M2 = 1 oznacza idealną wiązkę gaussowską. Różne zastosowania wymagają różnych modów wiązki, dlatego stałe M2 jest ważniejsze niż niskie. Zmiana M2 między 1,1 a 1,5 powoduje dwukrotną zmianę gęstości mocy w ognisku, co drastycznie zmienia jakość znakowania.

Czym różni się natężenie napromienienia lasera od fluencji?

Natężenie napromienienia to moc na jednostkę powierzchni w W/cm², czyli w istocie intensywność wiązki, zależna od rozmiaru skupionej plamki. Fluencja to energia na jednostkę powierzchni w J/cm², decydująca o tym, ile energii przekazywane jest powierzchni. Przy zbyt małej fluencji materiał pozostaje nienaruszony, a przy zbyt dużej ulega uszkodzeniu poza zamierzonym znakiem.

Czy tanie lasery światłowodowe to fałszywa oszczędność w znakowaniu tworzyw sztucznych?

W pracy produkcyjnej tak. Lasery przemysłowe pracują w trybie ciągłym i wykorzystują wysokiej jakości optykę, obiektywy, głowice skanujące, elektronikę i oprogramowanie, a niektórzy czołowi producenci oferują zdalny monitoring w czasie rzeczywistym. Tanie lasery typu hobbystycznego charakteryzują się nieregularną jakością znakowania, ponieważ tania optyka i elektronika powodują zmienność jakości wiązki.

Rozwój światłowodowych laserów znakujących MOPA

Nanosekundowe lasery światłowodowe na iterbie z przełączaniem dobroci stosuje się do znakowania tworzyw sztucznych od ponad 30 lat, czyli od czasu ich wynalezienia. Do zalet tych laserów należą doprowadzenie wiązki światłowodem, mniejsze gabaryty, niższe koszty utrzymania i niższa cena. Lasery światłowodowe mogą mieć lepszą jakość wiązki i jasność niż ich poprzednicy, lasery Nd:YAG z lampą łukową, gdy producenci stosują wyjście „wielomodowe” zamiast modu „niskiego rzędu” lub poprzecznego modu elektromagnetycznego „TEM00”.

Światłowodowe lasery znakujące mają zazwyczaj energię impulsu rzędu 1 mJ na pojedynczy impuls. Niska cena i wygodne doprowadzenie wiązki światłowodem szybko uczyniły je atrakcyjnymi w zastosowaniach znakowania laserowego. Podstawowa konstrukcja światłowodowego lasera z przełączaniem dobroci nie zmieniła się znacząco z czasem, a lasery te nadal są popularne w wielu zastosowaniach znakowania tworzyw sztucznych. Konstrukcje są stabilne, ale wzajemnie powiązane parametry lasera ograniczają optymalizację procesu. Prawie 25 lat temu naukowcy z SPI Lasers (obecnie TRUMPF Lasers) intensywnie pracowali nad kolejną generacją światłowodowych laserów znakujących.

Pojawienie się nanosekundowych laserów światłowodowych na iterbie o konstrukcji MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) to jeden z najważniejszych postępów w znakowaniu laserowym tworzyw sztucznych. Ta rewolucyjna dla branży konstrukcja dostarcza energię impulsową inaczej niż tradycyjne rezonatory z lustrami i przełącznikiem dobroci. Wykorzystuje „przebiegi impulsów” jako narzędzie laserowe do szybkiej obróbki i precyzyjnej kontroli impulsu. Wykres 1 przedstawia 40 różnych kolorowych przebiegów impulsów laserów światłowodowych MOPA TRUMPF TruPulse Nano. Każdy kolor na wykresie odpowiada innemu przebiegowi impulsu MOPA, którego można użyć do zrównoważenia fluencji i natężenia napromienienia w celu optymalizacji wyników znakowania tworzyw sztucznych. Podobnie jak w przypadku wielu konkurencyjnych technologii, często dochodzi do nieporozumień i niezamierzonego przekłamywania ważnej terminologii i cech wyróżniających. Niniejszy artykuł przedstawia naukowe podstawy i terminologię laserów światłowodowych, aby czytelnicy i nabywcy laserów mogli podejmować świadome decyzje.

Laser światłowodowy MOPA (schemat 1) wzmacnia modulowaną diodę laserową o niskiej mocy i jakości telekomunikacyjnej, tworząc precyzyjne impulsy laserowe o dużej mocy. Dzięki wewnętrznemu generatorowi impulsów modulującemu diodę małej mocy laser może wybiórczo ustawiać, utrzymywać lub regulować szerokość impulsu i wynikającą z niej energię impulsu w szerokim zakresie częstotliwości modulacji impulsów.

Taka architektura skutecznie rozprzęga parametry lasera w porównaniu z przełączaniem dobroci i zapewnia lepszą optymalizację oraz powtarzalność procesu, a tym samym lepsze i bardziej spójne wyniki znakowania. Standardowe konstrukcje laserów światłowodowych MOPA mogą wykazywać podobne problemy ze zmiennością jakości wiązki (M2) jak lasery światłowodowe z przełączaniem dobroci. TRUMPF, wiodący producent laserów światłowodowych, oferuje opatentowaną dwustopniową konstrukcję wzmacniacza światłowodowego GTWave, która utrzymuje stałe M2 w całym określonym zakresie częstotliwości powtarzania impulsów. W przeciwieństwie do laserów światłowodowych MOPA, aktywnie przełączany laser światłowodowy działa przez zakłócanie wzmocnienia we wnęce lasera, co pozwala na narastanie wzmocnienia we wzmacniaczu i emisję impulsów laserowych o dużej mocy po usunięciu zakłócenia. Kluczowe parametry w laserach światłowodowych z przełączaniem dobroci są silnie powiązane.

Prąd diody można zwiększać lub zmniejszać, aby zmienić moc wyjściową. Zwiększenie częstotliwości powtarzania impulsów powinno zwiększać moc średnią, jednak w laserach światłowodowych z przełączaniem dobroci tak się nie dzieje, ponieważ moc impulsu maleje. Wykres 2 przedstawia moc i częstotliwości powtarzania w funkcji czasu. Współczynnik M2 (jakość wiązki) w laserach światłowodowych z przełączaniem dobroci może się znacznie zmieniać przy każdej zmianie mocy lasera i częstotliwości powtarzania impulsów. Zmiana M2 między 1,1 a 1,5 powoduje dwukrotną zmianę gęstości mocy w ognisku, co może drastycznie zmienić jakość znakowania tworzyw sztucznych.

Czynniki wpływające na jakość znakowania laserowego

Lasery światłowodowe na iterbie pracują w zakresie bliskiej podczerwieni (NIR) z długością fali 1060–1070 nm. Zadaniem lasera znakującego jest napromieniowanie powierzchni części (polimeru) skoncentrowanym źródłem promieniowania o wysokiej energii (laserem). Energia promieniowania jest następnie pochłaniana przez materiał i przekształcana w energię cieplną. Energia cieplna wywołuje w materiale reakcje „termochemiczne”. Znakowarki z wychylaną wiązką wykorzystują lustra zamontowane na szybkich galwanometrach sterowanych komputerowo, które kierują wiązkę laserową po znakowanej powierzchni. Każdy galwanometr, jeden dla osi Y i jeden dla osi X, zapewnia ruch wiązki w polu znakowania. Zespół obiektywu płaskiego pola skupia światło lasera, aby uzyskać wysoką gęstość mocy na powierzchni podłoża.

Jakość wiązki

Współczynnik jakości wiązki M2 to ilościowa miara zdolności skupienia wiązki i ma kluczowe znaczenie dla wydajności znakowania. Współczynnik M2 wiązki laserowej ogranicza stopień, w jakim wiązkę można skupić przy danej rozbieżności, która jest ograniczona aperturą obiektywu skupiającego. M2 = 1 oznacza idealną wiązkę laserową gaussowską. Wraz z mocą optyczną współczynnik jakości wiązki określa jasność („radiancję”) wiązki laserowej. Stały współczynnik M2 jest ważniejszy niż jego wartość, ponieważ różne zastosowania wymagają różnych modów wiązki. Brak stałości to częsty problem laserów o niższej wydajności, powodujący zmienność znakowania, jego wyglądu i funkcjonalności.

Natężenie napromienienia i fluencja lasera

Natężenie napromienienia i fluencja lasera to kluczowe parametry znakowania tworzyw sztucznych. Poniżej krótko opisano, jak wpływają na proces znakowania:

Natężenie napromienienia lasera: to moc lasera na jednostkę powierzchni, mierzona w watach na centymetr kwadratowy (W/cm2). Jest to w istocie intensywność wiązki laserowej, zależna od rozmiaru skupionej plamki. Rozmiar skupionej plamki lasera dla danej ogniskowej obiektywu i długości fali zależy od rozbieżności wiązki. Większa plamka oznacza mniejszą gęstość energii. Wysokie natężenie napromienienia może prowadzić do szybkiego nagrzewania i odparowania materiału, a niskie może w ogóle nie wytworzyć widocznego znaku. Natężenie napromienienia wpływa na prędkość i jakość procesu znakowania. Wysokie natężenie może przyspieszyć znakowanie, ponieważ materiał jest szybko nagrzewany i odparowywany. Jeśli jednak jest zbyt wysokie, może uszkodzić materiał, np. przez pękanie lub nadmierne przypalenie. Z kolei niskie natężenie może skutkować niską prędkością znakowania lub brakiem widocznego znaku.

Na intensywność wpływają:

• Częstotliwość impulsów (Hz, kHz) – częstotliwość powtarzania impulsów
• Moc lasera (wat) – różna od gęstości mocy W/cm2
• Rozmiar plamki ogniskowej – zwany też średnicą ogniska
• Szerokość impulsu – czas między początkiem a końcem impulsu, mierzony w nanosekundach, pikosekundach lub femtosekundach. Czynnik sterujący gęstością energii i kluczowy dla optymalizacji procesu. Regulacja czasu trwania impulsu w laserach MOPA jest bardziej elastyczna niż w laserach światłowodowych z przełączaniem dobroci (o stałym impulsie).

Fluencja lasera: fluencja jest miarą energii lasera na jednostkę powierzchni. Zwykle mierzy się ją w dżulach na centymetr kwadratowy (J/cm2). Fluencja określa ilość energii przekazywanej powierzchni materiału. Jeśli jest zbyt niska, materiał może pozostać w ogóle nienaruszony. Jeśli jest zbyt wysoka, materiał może zostać nadmiernie uszkodzony, poza pożądany efekt znakowania. Fluencja musi mieć odpowiedni poziom dla znakowanego materiału. Niektóre materiały mogą wymagać wyższej fluencji, aby pochłonąć dość energii do wytworzenia widocznego znaku, inne zaś niższej, aby uniknąć uszkodzenia. Na głębokość znaku może wpływać także fluencja; ogólnie wyższa fluencja daje głębsze znaki.

Na fluencję wpływają:

• Intensywność wiązki
• Prędkość skanera
• Nakładanie się impulsów
• Średnica skupionej wiązki

Częstotliwość powtarzania impulsów i szczytowa gęstość mocy to kluczowe parametry kształtowania znaku oraz uzyskania optymalnego kontrastu i prędkości. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości szybko podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał przy minimalnym przewodzeniu ciepła w głąb podłoża. Wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania niższa moc szczytowa powoduje minimalne odparowanie, ale przewodzi więcej ciepła. Krzywe arytmetyczne mocy w funkcji częstotliwości powtarzania impulsów są odwrotnie proporcjonalne. Dodatkowe czynniki, takie jak prędkość wiązki znakującej i odstęp między liniami wektorowymi, określają kontrast i jakość znakowania.

Przez staranne dostosowanie i kontrolę tych parametrów znakowanie laserowe pozwala wykonywać precyzyjne, wysokiej jakości znaki na wielu tworzywach sztucznych. To kompromis zależny od właściwości materiału, pożądanej głębokości znaku i wymaganej prędkości znakowania. Dodanie do tworzywa absorberów laserowych znacznie zwiększa zakres znakowalnych tworzyw sztucznych, poprawia jakość znaku i poszerza okno procesu, zapewniając powtarzalność znakowania.

Nie wszystkie lasery są takie same!

Trumpf Lasers opracował przełomową architekturę światłowodową MOPA i przemysłowe systemy znakujące opisane w tym artykule, zapewniające spójne wyniki znakowania na wszystkich laserach. Kluczowe jest odróżnienie laserów przemysłowych od tanich laserów z hurtowej sprzedaży.

Lasery przemysłowe są lepsze od tanich laserów typu hobbystycznego z hurtowej sprzedaży (od odsprzedawców). Lasery przemysłowe mogą pracować w trybie ciągłym 24/7 i są wyposażone w wysokiej jakości optykę, obiektywy, głowice skanujące, elektronikę i wszechstronne oprogramowanie. Niektórzy czołowi producenci w branży stosują zdalny monitoring systemu w czasie rzeczywistym, aby wykrywać problemy, zanim się pojawią. Tanie lasery mają poważne problemy z nieregularną jakością znakowania, a tania optyka i elektronika powodują zmienność jakości wiązki i niespójne znakowanie.

W części 2 tego artykułu czytelnicy dowiedzą się, jak postępy w materiałoznawstwie tworzyw sztucznych i nanosekundowe lasery światłowodowe umożliwiły znakowanie laserowe tworzyw, które były trudne, a nawet niemożliwe do oznakowania, z niespotykanym dotąd kontrastem wysokiej jakości, kolorami niestandardowymi i prędkością.

Wspomnienie: ten artykuł dedykowany jest Markowi Brodsky’emu, prawdziwemu wizjonerowi w dziedzinie laserów, wynalazcy, koledze i przyjacielowi.

Piśmiennictwo

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.

---