塑料打标用 MOPA 光纤激光器——并非所有激光器都一样！

塑料打标用 MOPA 光纤激光器——并非所有激光器都一样！

本文是两部分系列的第一部分，介绍工业塑料激光打标领域最重要的技术进展。我们将探讨掺镱光纤激光器的架构、工作原理，以及决定打标质量的主要性能因素。第二部分将探讨采用 MOPA 打标激光器、聚合物和符合 FDA 要求的添加剂的新方案，以实现卓越的打标对比度、定制颜色和高速度，包括在线激光打标。

要点速览

• MOPA 使激光参数相互解耦。调Q设计将这些参数绑定在一起，限制了工艺优化。
• 光束质量的一致性比 M2 数值本身更重要。不同应用需要不同的光束模式；不一致才是毁掉标记的原因。
• M2 从 1.1 漂移到 1.5，会使聚焦功率密度翻倍，显著改变塑料的打标质量。
• 辐照度是强度，能量密度是剂量。太低则无法打标，太高则损伤材料。
• 功率与脉冲重复频率成反比。低频高峰值功率可使材料汽化，同时传导的热量极少。

常见问题

MOPA 代表什么？它是如何工作的？

MOPA 即主振荡功率放大器（Master Oscillator Power Amplifier）。它将经调制的低功率电信级激光二极管放大，以产生精确的高功率脉冲。由于内部脉冲发生器对二极管进行调制，因此可在很宽的调制频率范围内设定、保持或调节脉冲宽度及由此产生的脉冲能量。

为什么在塑料打标中 MOPA 激光器优于调Q光纤激光器？

因为它使激光参数解耦。在调Q光纤激光器中，关键参数紧密耦合——提高脉冲重复频率本应提高平均功率，但脉冲功率反而下降，而且功率或重复频率的任何变化都可能导致光束质量大幅波动。MOPA 可实现更好的工艺优化和可重复性。

什么是 M2？为什么一致性比数值更重要？

M2 用于量化光束的可聚焦程度，M2 = 1 为理想高斯光束。不同应用需要不同的光束模式，因此稳定一致的 M2 比低 M2 更重要。M2 在 1.1 与 1.5 之间变化会使聚焦功率密度产生 2 倍的变化，从而显著改变打标质量。

激光辐照度与能量密度有何区别？

辐照度是单位面积的功率，单位为 W/cm²，本质上是光束强度，取决于聚焦光斑尺寸。能量密度（fluence）是单位面积的能量，单位为 J/cm²，决定传递到表面的能量多少。能量密度过低，材料不受影响；过高则会造成超出预期标记的损伤。

廉价光纤激光器用于塑料打标是否得不偿失？

就生产应用而言，是的。工业激光器可连续运行，并采用高品质的光学元件、镜头、扫描头、电子器件和软件，一些顶级制造商还提供实时远程监控。低成本的爱好者级激光器因光学元件和电子器件廉价而导致光束质量波动，打标质量不稳定。

MOPA 光纤打标激光器的兴起

调Q纳秒掺镱光纤激光器自 30 多年前问世以来一直用于塑料打标。这类激光器的优点包括光纤传输、占地面积小、维护少和价格较低。当制造商采用“多模”输出而非“低阶模”或“TEM00”横向电磁模时，光纤激光器可比其前身弧光灯 Nd:YAG 激光器具有更好的光束质量和亮度。

光纤打标激光器的单脉冲能量通常约为 1 mJ。其低成本和便捷的光纤传输很快使其在激光打标应用中颇具吸引力。调Q光纤激光器的基本设计多年来变化不大，这类激光器仍广泛用于许多塑料打标应用。其设计稳定，但相互关联的激光参数限制了工艺优化。近 25 年前，SPI Lasers（现为 TRUMPF Lasers）的科学家们正在加紧研发下一代光纤打标激光器。

采用 MOPA（主振荡功率放大器）设计的纳秒掺镱光纤激光器的出现，是塑料激光打标领域最重要的进展之一。这种改变行业的激光设计以不同于传统反射镜/调Q谐振腔的方式提供脉冲能量。该设计利用“波形”作为激光工具，实现快速加工和精细的脉冲控制。图表 1 显示了 TRUMPF TruPulse Nano MOPA 光纤激光器的 40 种不同颜色的波形脉冲。图中每种颜色代表一种独特的 MOPA 脉冲波形，可用于平衡能量密度与辐照度，以优化塑料打标效果。与许多竞争性技术一样，重要术语和关键区别常常被混淆或无意中被误述。本文阐明光纤激光器的科学原理和术语，帮助读者和激光器买家做出明智决策。

MOPA 光纤激光器（见示意图 1）将经调制的低功率电信级激光二极管放大，以产生精确的高功率激光脉冲。通过使用内部脉冲发生器调制低功率二极管，激光器可在很宽的脉冲调制频率范围内选择性地设定、保持或调节脉冲宽度及由此产生的脉冲能量。

与调Q相比，这种架构有效地使激光参数解耦，可实现更好的工艺优化和可重复性，从而获得更好、更一致的打标效果。标准 MOPA 光纤激光器设计可能出现与调Q光纤激光器类似的光束质量（M2）波动问题。领先的光纤激光器制造商 TRUMPF 提供获得专利的双级 GTWave 光纤放大器设计，可在其规定的脉冲重复频率范围内保持稳定的 M2。与 MOPA 光纤激光器不同，主动调Q光纤激光器的工作方式是干扰激光谐振腔中的增益，使放大器中的增益得以积累，并在干扰消除时发射高功率激光脉冲。调Q光纤激光器的关键参数是紧密耦合的。

可通过增大或减小二极管电流来改变输出功率。提高脉冲重复频率本应提高平均功率，但调Q光纤激光器并非如此，因为脉冲功率会下降。图表 2 显示了功率和重复频率随时间的变化。调Q光纤激光器的 M2（光束质量）可能随激光功率和脉冲重复频率的任何变化而大幅波动。M2 在 1.1 与 1.5 之间变化会使聚焦功率密度产生 2 倍的变化，从而显著改变塑料的打标质量。

影响激光打标质量的因素

掺镱光纤激光器工作在近红外（NIR）波段，波长为 1060-1070 nm。打标激光器的功能是用局部高能辐射源（激光）照射零件表面（聚合物）。辐射能随后被材料吸收并转化为热能，热能引发材料中的“热化学”反应。光束偏转式激光打标机采用安装在高速计算机控制振镜上的反射镜，将激光束引导至待打标表面。每个振镜（一个用于 Y 轴，一个用于 X 轴）在打标场内提供光束运动。平场镜头组件对激光进行聚焦，以在基材表面获得高功率密度。

光束质量

光束质量因子 M2 是对光束可聚焦能力的量化，对打标性能至关重要。对于给定的光束发散角（受聚焦镜头孔径限制），激光束的 M2 因子限制了光束的可聚焦程度。M2 = 1 为理想高斯激光束。M2 因子与光功率一起决定了激光束的亮度（“辐射亮度”）。稳定一致的 M2 因子比其数值本身更重要，因为不同应用需要不同的光束模式。缺乏一致性是低性能激光器的常见问题，会导致打标效果、外观和功能的差异。

激光辐照度与能量密度

激光辐照度和能量密度是塑料打标的关键参数。以下简要说明它们如何影响打标过程：

激光辐照度：辐照度是单位面积的激光功率，单位为瓦特每平方厘米（W/cm2）。它本质上是激光束的强度，取决于聚焦光斑尺寸。对于任何给定焦距的镜头和激光波长，聚焦光斑尺寸取决于激光束发散角。光斑越大，能量密度越低。高辐照度会导致材料快速加热和汽化，而低辐照度可能根本无法形成可见标记。辐照度影响打标的速度和质量。高辐照度可实现更快的打标，因为材料被迅速加热并汽化。但如果辐照度过高，则可能损坏材料，如开裂或过度烧焦。反之，低辐照度可能导致打标速度慢或没有可见标记。

强度受以下因素影响：

• 脉冲频率（Hz、kHz）——脉冲重复频率
• 激光功率（瓦）——不同于功率密度 W/cm2
• 焦点光斑尺寸——也称焦点直径
• 脉冲宽度——一个脉冲从开始到结束的时间，以纳秒、皮秒或飞秒计。它是控制能量密度的因素，对工艺优化至关重要。MOPA 激光器的脉冲宽度调节比调Q（固定脉冲）光纤激光器更灵活。

激光能量密度：能量密度（fluence）是单位面积的激光能量的度量，通常以焦耳每平方厘米（J/cm2）为单位。能量密度决定传递到材料表面的能量多少。如果能量密度过低，材料可能完全不受影响；如果过高，材料可能受到过度损伤，超出预期的打标效果。能量密度必须与所打标的特定材料相适应。有些材料可能需要较高的能量密度才能吸收足够的能量形成可见标记，而另一些材料则可能需要较低的能量密度以避免损伤。标记深度也会受能量密度影响；通常能量密度越高，标记越深。

能量密度受以下因素影响：

• 光束强度
• 扫描速度
• 脉冲重叠
• 聚焦光束直径

脉冲重复频率和峰值功率密度是形成标记并获得最佳对比度和速度的关键参数。低频高峰值功率使表面温度迅速升高，使材料汽化，而传入基材的热量极少。随着脉冲重复频率增加，峰值功率降低，汽化极少，但传导的热量更多。功率与脉冲重复频率的算术曲线成反比。打标光束速度和矢量线间距等其他影响因素决定了打标对比度和质量。

通过仔细调节和控制这些参数，激光打标可在多种塑料材料上形成精确、高质量的标记。这是一种取决于材料特性、所需标记深度和要求的打标速度的平衡。在塑料中添加激光吸收剂，可大大扩展可打标塑料材料的范围，提高标记质量，并拓宽工艺窗口以确保标记的一致性。

并非所有激光器都一样！

Trumpf Lasers 开发了本文所述的开创性 MOPA 光纤架构和工业打标系统，可确保所有激光器都能获得一致的打标效果。区分工业级激光器与低成本批发激光器至关重要。

工业激光器优于廉价批发（经销商）的爱好者级激光器。工业激光器可全天候 24/7 连续运行，并配备高品质的光学元件、镜头、扫描头、电子器件和多功能软件。一些行业顶级制造商采用实时远程系统监控，在问题出现之前就加以发现。廉价激光器存在打标质量不稳定的严重问题，其廉价的光学元件和电子器件会导致光束质量波动和打标不一致。

在本文第二部分中，读者将了解塑料材料科学和纳秒光纤激光器的进步如何使那些难以甚至无法激光打标的塑料，实现前所未有的高质量对比度、定制颜色和速度。

谨以此文纪念：本文献给 Mark Brodsky，一位真正的激光远见者、发明家、同事和朋友。

参考文献

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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