Irradiancja lasera

Irradiancja lasera

Najważniejsze informacje

• Irradiancja to moc podzielona przez powierzchnię, wyrażana w watach na centymetr kwadratowy w plamce ogniskowej.
• Rozmiar plamki ma większe znaczenie niż sama moc. Mniejsza plamka skupia te same waty w znacznie wyższą intensywność.
• Jakość wiązki wyznacza osiągalne minimum. Niska wartość M2 pozwala na ostrzejsze ogniskowanie i wyższą irradiancję.
• Zbyt wysoka uszkadza, zbyt niska nie znakuje wcale – użyteczne okno jest ograniczone z obu stron.

Irradiancja lasera

Irradiancja lasera to moc optyczna podzielona przez powierzchnię, na którą jest dostarczana, wyrażana w watach na centymetr kwadratowy (W/cm²). Opisuje, jak bardzo wiązka jest skoncentrowana na obrabianym elemencie – a w przypadku tworzyw sztucznych to irradiancja, a nie znamionowa moc lasera, decyduje o tym, czy powstanie znak, jaki mechanizm go tworzy i czy otaczający materiał przetrwa.

Irradiancja = moc (W) ÷ pole plamki (cm²)

Dlaczego moc znamionowa wprowadza w błąd

Pole plamki rośnie z kwadratem jej średnicy, więc dwukrotne zmniejszenie zogniskowanej plamki czterokrotnie zwiększa irradiancję przy tej samej mocy. Dwa systemy znakujące o mocy 30 W, różniące się jakością wiązki, ekspanderami wiązki i ogniskowymi soczewek f-theta, mogą dawać na elemencie irradiancje różniące się o rząd wielkości.

To praktyczny powód, dla którego receptury znakowania nie można przenieść między maszynami, kopiując samą moc i prędkość, oraz dla którego wybór dużego pola znakowania „dla elastyczności” po cichu pogarsza możliwości znakowania – dłuższa ogniskowa daje większą plamkę i mniejszą gęstość mocy.

Irradiancja i fluencja

Oba pojęcia są rutynowo mylone, a opisują różne rzeczy:

W przypadku laserów impulsowych do znakowania różnica jest jeszcze wyraźniejsza, ponieważ szczytowa irradiancja w impulsie nanosekundowym może być o wiele rzędów wielkości wyższa od średniej. Laser 30 W emitujący impulsy 100 ns z częstotliwością 20 kHz ma moc średnią 30 W, ale moc szczytową rzędu dziesiątek kilowatów. To ona napędza mechanizm znakowania; moc średnia decyduje głównie o tym, ile ciepła odpadowego gromadzi się w elemencie.

Okno procesu na polimerach

Tworzywa sztuczne mają węższe użyteczne okno niż metale, ograniczone z obu stron:

• Poniżej progu – powierzchnia się nagrzewa, ewentualnie lekko przebarwia, ale nie powstaje trwały znak. Zwiększenie prędkości lub obniżenie mocy przesuwa proces głębiej w ten obszar.
• W oknie – kontrolowane zwęglenie, spienienie lub zmiana barwy dają zamierzony kontrast.
• Powyżej okna – gwałtowne odparowanie, spalanie, stapianie, zwęglone obwódki, naprężenia wewnętrzne i odkształcenia wymiarowe.

Położenie okna zależy od żywicy, jej pakietu dodatków i barwników, dlatego zwalidowana receptura dotyczy konkretnego gatunku materiału, a nie rodziny polimerów w ogóle.

Kontrola irradiancji w praktyce

• Położenie ogniska to najszybsza dźwignia. Celowe odogniskowanie powiększa plamkę i gwałtownie obniża irradiancję – to uprawniona technika łagodzenia zbyt agresywnego znaku, a zarazem częsta niezamierzona przyczyna słabego znaku, gdy zmienia się wysokość części.
• Jakość wiązki (M²) wyznacza najmniejszą osiągalną plamkę. Niskie M² pozwala uzyskać wysoką irradiancję bez dużej mocy.
• Czas trwania impulsu w źródle MOPA bezpośrednio zmienia szczytową irradiancję przy stałej mocy średniej – to najczystszy sposób zwiększenia intensywności bez dodawania ciepła.
• Moc średnia powinna być zazwyczaj ostatnią regulacją, ponieważ jej zwiększenie podnosi ogrzewanie objętościowe wraz z intensywnością.

Przykład obliczeniowy

Powód, dla którego moc znamionowa wprowadza w błąd, staje się oczywisty po wykonaniu rachunków. Weźmy źródło 20 W i zmieniajmy wyłącznie ogniskowanie:

Podwojenie średnicy plamki czterokrotnie zmniejsza irradiancję, ponieważ pole rośnie z kwadratem średnicy. Stukrotna zmiana dostarczanej intensywności jest możliwa na jednej maszynie przy jednym ustawieniu mocy, wyłącznie dzięki ogniskowaniu i doborowi soczewki. Dlatego receptura działająca w jednym systemie zawodzi w innym o identycznej mocy znamionowej, i dlatego ogniskowanie jest pierwszą rzeczą do sprawdzenia, gdy jakość znaku się pogarsza.

Pomiar tego, co faktycznie jest dostarczane

Irradiancję się oblicza, a nie odczytuje z panelu przedniego, dlatego oba składniki obliczenia trzeba znać, a nie zakładać:

• Moc należy mierzyć na elemencie, a nie przy źródle. Miernik mocy pod głowicą skanującą uwzględnia straty transmisji w ekspanderze wiązki, lustrach galwanometrycznych, soczewce f-theta i oknie ochronnym – rzadko są one pomijalne i rosną wraz z zanieczyszczaniem się optyki.
• Rozmiar plamki należy wyznaczyć, a nie przytaczać ze specyfikacji. Bezpośrednio podaje go profilometr wiązki. W razie jego braku serię odcisków wypalonych na papierze termicznym lub anodowanym aluminium w różnych położeniach względem ogniska można użyć do zlokalizowania przewężenia i uzyskania szacunku.
• Uwzględnić jakość wiązki. Minimalna osiągalna plamka skaluje się z M², więc dwa źródła o równej mocy i równej ogniskowej nie dają równej irradiancji, jeśli różni się ich jakość wiązki.
• Sprawdzić ponownie po każdej zmianie w układzie optycznym. Wymieniona soczewka, nowe okno ochronne lub ponowna kalibracja pola zmieniają dostarczaną irradiancję, nie zmieniając żadnej liczby w recepturze znakowania.
• Odróżniać wartość średnią od szczytowej. W źródle impulsowym to szczytowa irradiancja w trakcie impulsu napędza reakcję materiału i może być o rzędy wielkości wyższa od średniej wskazywanej przez miernik mocy.

Diagnozowanie znaków przez pryzmat irradiancji

Powiązane pojęcia i lektura

• Parametry procesu wpływające na jakość znakowania
• Lasery ze skanowaniem wiązki
• Lasery światłowodowe
• Rozwiązania do znakowania laserowego tworzyw sztucznych

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie opracowywania okna procesu laserowego i przenoszenia parametrów między systemami znakującymi. Jeśli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub usuwają problem produkcyjny, pomoże nasz zespół ds. usług inżynieryjnych. Prosimy o kontakt, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest irradiancja lasera?

Moc wiązki laserowej przypadająca na jednostkę powierzchni, zwykle wyrażana w watach na centymetr kwadratowy i mierzona w ognisku lub plamce wiązki. Określa intensywność energii dostarczanej do materiału, a tym samym to, co się dzieje, gdy wiązka trafia w powierzchnię.

Jaka jest różnica między irradiancją a fluencją?

Irradiancja to moc na jednostkę powierzchni, w istocie intensywność. Fluencja to energia na jednostkę powierzchni, mierzona w dżulach na centymetr kwadratowy, i opisuje całkowitą dostarczoną dawkę. Irradiancja decyduje o tym, jak mocno wiązka uderza; fluencja – ile energii zostaje przekazane.

Jakie czynniki zmieniają irradiancję?

Moc lasera, rozmiar plamki ogniskowej, jakość wiązki i długość fali. Większa moc zwiększa irradiancję, mniejsza plamka ją koncentruje, a niska wartość M2 umożliwia ostrzejsze ogniskowanie. Długość fali ma znaczenie, ponieważ wpływa zarówno na absorpcję, jak i na osiągalne ogniskowanie.

Dlaczego sama moc lasera w watach wprowadza w błąd?

Ponieważ to gęstość mocy na powierzchni znaku tworzy znak, a różni się ona od mocy znamionowej lasera. Dwa systemy 50 W o różnej jakości wiązki i optyce mogą dawać na elemencie bardzo różną irradiancję.

Co się dzieje, gdy irradiancja jest ustawiona nieprawidłowo?

Zbyt wysoka powoduje szybkie nagrzewanie i odparowanie, prowadząc do pęknięć, nadmiernego spalenia lub uszkodzeń wykraczających poza zamierzony znak. Zbyt niska może dać powolny, słaby znak lub brak widocznego znaku. Oba rodzaje wad są częste w nieoptymalizowanych procesach.

Dlaczego ta sama moc daje różne wyniki na dwóch maszynach?

Ponieważ irradiancja zależy od pola plamki, a nie od mocy znamionowej. Podwojenie średnicy plamki czterokrotnie zmniejsza dostarczaną intensywność, więc ogniskowa soczewki, jakość wiązki i położenie ogniska mogą dawać stukrotną różnicę w tym, co faktycznie dociera do materiału przy jednym ustawieniu mocy. Dwie maszyny o identycznej mocy znamionowej nie są równoważne, dopóki nie zgadzają się ich rzeczywista plamka i transmisja optyczna.

Jak faktycznie mierzy się dostarczaną irradiancję?

Należy zmierzyć moc na elemencie miernikiem umieszczonym pod głowicą skanującą, co uwzględnia straty w ekspanderze wiązki, lustrach, soczewce f-theta i oknie ochronnym. Następnie wyznaczyć rozmiar plamki profilometrem wiązki lub oszacować go na podstawie serii odcisków wypalonych w różnych położeniach względem ogniska. Trzeba zmierzyć oba składniki – podanie mocy źródła i specyfikacji soczewki daje liczbę, która może być dalece odległa od rzeczywistości.

Co należy sprawdzić najpierw, gdy jakość znaku się pogarsza?

Ognisko. To największa pojedyncza dźwignia irradiancji i najczęściej dryfujący parametr, czy to z powodu zużycia oprzyrządowania, zmian wysokości części, czy zmiany w układzie optycznym. Dodawanie mocy w celu skompensowania odogniskowanej wiązki działa krótko, a potem pogarsza wszystko, ponieważ zwiększa różnicę między środkiem a brzegami pola.

---