MOPA излучатель для лазерной обработки материалов

Установки для лазерной маркировки на основе волоконных лазеров наиболее распространены и применяются в широком спектре областей: электроника, машиностроение, пищевая, медицинская, упаковочная промышленности и т.д. 

В настоящее время для маркировки используются волоконные лазеры двух типов: с модуляцией добротности (Q-switch) и лазеры с конфигурацией МОРА. Первые занимают значительную долю рынка, поскольку известны достаточно давно. 

Конфигурация МОРА - Master Oscillator Power Amplifier (задающий генератор-усилитель мощности) - является самой инновационной и технологичной системой на сегодняшний день. В традиционных однокамерных лазерных системах приходится выбирать между шириной полосы и мощностью излучения. С технологией MOPA больше не придется идти на этот компромисс.

Конструкция MOPA является двухкамерной, ее образуют задающий генератор и усилитель мощности. Задающий генератор предназначен для генерации излучения небольшой мощности и c очень узкой шириной полосы. Это излучение используется в качестве затравочного во второй активной среде, которая действует как усилитель мощности, где излучение усиливается до определенного уровня с сохранением его основных параметров. Одно из преимуществ этой системы заключается в том, что она не требует задающего пучка высокой мощности, а при этих условиях проще реализовать узкую ширину полосы частот. Способность конфигурации МОРА увеличивать выходную мощность излучения без изменения геометрии системы делает технологию самым популярным методом масштабирования мощности. [1, 3, 4, 6] 

Если в системе в качестве усилителя используется усилитель на оптическом волокне, то такая система называется MOFA (Master Oscillator Fiber Amplifiers).

Сравнение характеристик волоконных лазеров МОРА JPT и лазеров с модуляцией добротности (Q-switched)

1. Форма импульса

Рисунок 1 - Q-Switch лазер: пиковая мощность проседает при увеличении частоты, длительность импульса не может быть отрегулирована.

Рисунок 2 – Лазер МОРА JPT: поддерживает высокую пиковую мощность при различной частоте повторения и длительности импульсов.    

2. Пиковая мощность

С увеличением частоты следования импульсов пиковая мощность при добротности проседает и зачастую становится меньше порога разрушения материала. Лазер МОРА сохраняет высокий уровень пиковой мощности при высокой частоте следования импульсов.

Низкая частота:

Высокая частота:

Рисунок 2 – Сравнение пиковой мощности лазеров Q-switch и МОРА при высоких и низких частотах: а) низкая пиковая мощность (ниже порога разрушения); б) высокая пиковая мощность, короткая длительность импульса.

3. Характеристики включения/выключения генерации излучения 

  Лазер МОРА имеет улучшенные характеристики включения/выключения генерации излучения: быстрое время нарастания и спада фронтов импульсов. Представлены осциллограммы для лазера JPT YDFLP M6+. 

Рисунок 3 - Характеристики включения/выключения генерации излучения MOPA лазера

Рисунок 4 - Характеристики включения/выключения генерации излучения Q-switch лазера

4. Нулевая задержка 

Волоконные лазеры МОРА JPT обладают функцией контроля первого импульса, что делает лазер идеальным для выполнения маркировки. 

а) Q-switch лазер 

б) Лазер МОРА JPT     Рисунок 5 – Результат гравировки

5. Контроль каждого импульса JPT MOPA управляет каждым отдельным импульсом и дает регулярную матрицу импульсов. Благодаря этой функции лазер обеспечивает высокие показатели маркировки QR-кодов, штрих-кодов, при скрайбировании и т. д.

а) Q-switch лазер: нерегулярная последовательность импульсов 

б) Лазер JPT MOPA: идеальная матрица импульсов.     Рисунок 6 – Сравнение последовательности импульсов лазеров 

6. Утечка мощности У JPT MOPA отсутствует утечка энергии, что хорошо заметно при сравнении маркировок QR-кода. У маркировки, выполненной лазером МОРА, более высокая четкость, особенно при небольшом размере QR-кода. 

а) Q-switch лазер 

б) Лазер MOPA JPT       Рисунок 7 – Сравнение результатов маркировки Волоконные лазеры МОРА и YAG лазеры 

Волоконные лазеры МОРА и YAG лазеры

YAG лазеры и волоконные лазеры MOPA обладают возможностями маркировки, гравировки и травления на различных поверхностях и материалах. Хотя результат их работы практически аналогичен, все больше компаний обнаруживают конкурентное преимущество использования волоконных лазеров MOPA. 

YAG лазеры YAG лазеры используют ламповую накачку, а в качестве активной среды - кристалл YAG. Лампа и кристалл находятся в оптическом резонаторе, обычно позолоченном, который отражает свет и участвует в процессе генерации лазерного излучения. По сравнению с лазерами МОРА эти системы лишены многих преимуществ, тем не менее широко используются. Например, лампы для YAG лазеров имеют короткий срок службы и нуждаются в частой замене. Также они выделяют большое количество тепла и требуют водяного охлаждения. YAG лазеры обладают не очень высокой эффективностью и подвержены распространенным проблемам разрегулировки. Волоконные лазеры MOPA В отличие от YAG лазеров, для волоконных лазеров MOPA в качестве механизма накачки используются полупроводниковые диоды, в качестве усилителя - легированное оптическое волокно, которое также служит резонатором. Волоконные лазеры MOPA намного надежнее и эффективнее предыдущих технологий.

Установки для лазерной маркировки на основе волоконного МОРА лазера Сравнение установок для лазерной маркировки на основе волоконных лазеров MOPA и лазеров с модуляцией добротности. 

1. Удаление слоя оксида алюминия Современная электроника становится все легче и тоньше. Большинство производителей мобильных телефонов, планшетов и компьютеров используют легкий оксид алюминия в качестве внешней оболочки своих изделий. При маркировке на тонкой алюминиевой пластине лазер с модуляцией добротности может легко деформировать материал, что напрямую влияет на внешний вид изделия. Лазер МОРА позволяет выполнить более точную маркировку без деформации материала. Это связано с тем, что лазер MOPA позволяет настроить небольшую длительность импульсов лазерного излучения, которые воздействуют на материал в течение более короткого времени, но с достаточной энергией для удаления анодного слоя. Таким образом, для удаления слоя оксида алюминия с тонкой пластины лазеры MOPA - лучший выбор. 

2. Черная маркировка на анодированном алюминии и цветная маркировка стали Крупнейшие производители электроники, такие, как Apple, Huawei, ZTE, Lenovo и Meizu используют лазерную маркировку для нанесения идентификационной информации на поверхности своих изделий из анодированного алюминия. Требование к такой маркировке – высокая точность и черный цвет. На сегодняшний день отвечать таким требованиям может только лазер MOPA. Поскольку лазер MOPA имеет широкий диапазон регулировки длительности и частоты импульса, короткая длительность импульса и его высокая частота обеспечивает черную маркировку поверхности материала. Различные комбинации параметров приводят к различным оттенкам серого. Также подбором параметров можно выполнить цветную маркировку на нержавеющей стали.[2] 

Рисунок 8 - Черная маркировка на алюминии

Рисунок 9 - Цветная маркировка на нержавеющей стали   

  3. Прецизионная обработка электроники, полупроводников Прецизионная обработка электроники и полупроводников требует тонкой линии. Лазеры с модуляцией добротности не обеспечивают регулировку параметров длительности импульса. Конструкция MOPA за счет этой способности позволяет выполнять маркировку тонкой линии с гладкими краями. 

Рисунок 10 – Пример маркировки QR-кода на PCB при помощи лазера МОРА    

Таблица 1 - Возможности применений волоконных лазеров МОРА и лазеров с модуляцией добротности. [2, 3]

Все приведенные примеры маркировки выполнены на оборудовании, производимом компании JPT Opto-electronics.

Разработка и производство волоконных лазеров МОРА является одним из направлений компании JPT Opto-electronics. Они специализируется на исследованиях, производстве, продаже и техническом обслуживании волоконной оптики и волоконных лазеров. Продукты компании широко используются в оптической связи, оптическом зондировании, лазерной обработке, медицинской лазерной терапии и т. д. У JPT очень сильная исследовательская команда, каждый год она выполняет несколько проектов от государственных и общественных институтов, владеет многими патентами и интеллектуальной собственностью. [4]