ファイバーレーザー開発の過去と現在

出典: レーザー製造ネットワーク

初期のファイバーレーザーは効率が悪く、出力が低く、制限がありましたが、より効率的な方法が開発されてポンプビームをクラッドに届けられるようになりました。 IPG Photonics の創設者兼 CEO である Valentin Gapontsev 氏は、複数のシングルエミッタダイオードレーザーを使用して、大面積クラッドにサイドポンプビームを照射する技術を開拓した人物として知られています。

これは、従来の放出方法の限界を克服できる方法です。サイドポンプビーム方式は、ファイバーレーザーの真の可能性を解き放ち、高出力ファイバーレーザーと増幅器の新時代を先導し、ファイバー技術のさらなる発展に革命をもたらし、産業、科学、医療機器などのさまざまな応用分野でファイバーレーザーの大規模な採用を促進します。産業用ファイバーレーザーの開発は、電力結合器と輝度変換器を特徴とする 2 つの段階に分けられます。

第 1 段のパワーコンバイナには、マルチモード光をパッシブ配信ファイバーに効率的に結合するように設計された複数のレーザーダイオードポンプパッケージが含まれています。冗長な単一エミッタダイオードパッケージの使用により、レーザーの高い信頼性が保証されます。レーザーの光キャビティには、さまざまな希土類元素が添加されたクラッドを備えた高純度光ファイバーである中央のシングルモードコアに配置された 2 つのファイバーブラッググレーティングミラーが含まれています。

この光キャビティは、低品質のダイオード光をシングルモードのレーザービームに変換します。ファイバーブラッググレーティングの 1 つは全反射器として機能し、もう 1 つは部分反射器または出力カプラとして機能します。マルチモードクラッドには他の元素は添加されておらず、その機能はダイオードポンプ光を放射することだけです。ファイバーレーザーはソリッドステート構造のため、ほこり、湿気、自由空間の空気の乱れなどの環境要因の影響を受けません。

ポンプ方式全体の電気効率は50％を超え、単一モジュールのシングルモード出力は約2kW〜3kWです。個々のモジュールの出力は直接使用することも、組み合わせて 100 kW を超える高輝度出力を提供することもできるため、このファイバーレーザーは幅広い産業用途に使用できます。

操作方法

ファイバーレーザーは、連続波 (CW)、準連続波 (QCW)、ナノ秒パルス、超高速ピコ秒またはフェムト秒パルスなど、さまざまな光波モードに分類できます。 CW レーザーは定格最大出力内で安定した出力を提供し、出力に応じて最大 50kHz まで変調できますが、変調によってピーク電力は増加しません。連続波レーザーは、切断や金属溶接など多くの分野で応用されていますが、ろう付け、3D プリント、クラッディング、熱処理にも使用できます。

10 個の QCW レーザーによって生成される長いパルスは、パルス持続時間が 10μs から 100000μs の範囲で、パルスエネルギーとピーク出力を 10 倍に増加させることができます。たとえば、平均出力 300W、ピーク出力 3kW、パルスエネルギー 30J の QCW レーザー。 QCW レーザーは主に、溶接、穴あけ、反射率の高い金属やその他の材料の切断などの特殊な切断作業に使用されます。標準 QCW モデルのピーク電力は 1kW ～ 20kW で、同等の出力を持つ競合レーザー技術に比べて運用コストが大幅に低くなります。

ナノ秒パルス Q スイッチファイバーレーザーは、10W から 2kW までの平均出力範囲を提供できます。パルス持続時間は、1ns ～ 1000ns の範囲で固定または調整可能 (ユーザーが選択して事前にプログラム可能) です。一般的なレーザーパルスエネルギーは 10W ～ 300W の範囲で、微細加工に使用されるシングルモードのビーム品質に近く、最大約 1mJ になります。モデルに応じて、これらのレーザーはキロヘルツとメガヘルツの間で変調できます。高速表面処理に平均出力の高いパルスレーザーを使用すると、最大 100 mJ のパルスエネルギーで、より広い処理領域を実現できます。

パルス持続時間が 200fs から数ピコ秒、平均出力が 10W ～ 200W の超高速ピコ秒およびフェムト秒ファイバーレーザーは、金属や非金属を含むさまざまな微細加工アプリケーションに使用できます。

ファイバーレーザーのアクティブレーザーコアに 1 つ以上のアクティブ原子をドープして、複数のスペクトル範囲で標準出力を生成することができます。

波長範囲

ファイバーレーザーのアクティブレーザーコアには、1 つ以上のアクティブ原子がドープされており、いくつかのスペクトル範囲で標準出力が生成されます (図 3)。たとえば、イッテルビウム (Yb) 原子をドーピングすると 1030nm ～ 1080nm の出力を生成できます。エルビウム (Er) 原子をドーピングすると 1500nm ～ 1570nm の波長を生成できます。ツリウム (Tm) 原子をドーピングすると 1900nm ～ 2050nm の光を生成できます。これらの基本線の周波数を 2 倍または 3 倍にすると、緑色 (515nm - 550nm) および紫外線 (-355nm) の光を放射するレーザーが生成されます。

基本波イッテルビウム・エルビウムのラマンシフト範囲は1.15μm～1.8μmに拡大されています。波長をさらに倍増すると、ファイバーレーザーは 515nm ～ 635nm の可視光範囲で動作できるようになります。さらに、ツリウムまたはエルビウムを添加した連続波ファイバーレーザーで励起されるハイブリッド固体レーザーは、1.9μm から 5μm を超える範囲の中赤外線出力を提供できます。

ビーム空間パターン

ファイバーレーザーは、ほぼあらゆる用途に適合するように、さまざまな空間ビームモードで構成できます。これらのモードは、熱動作点ではなく、使用されるシングルモードファイバーの特性を指します。したがって、他の固体レーザーとは異なり、ファイバーレーザーは、動作電力範囲全体（通常は定格電力の 10% ～ 100%）にわたって発散の変化のない同じビームプロファイルを生成します。

変形がほぼ制限されたビーム品質を備えたシングルモード連続波レーザーは、最大 10kW の平均出力と 25μm ～ 30μm の範囲の最小スポットサイズを必要とする産業用アプリケーションで使用できます。高輝度マルチモードレーザーの出力ファイバーコア径は50μm～600μmの範囲で、ビーム品質は2mm×mradから始まります。励起光ビームのエネルギー分布はほぼガウス分布またはフラットトップであり、コアの直径は 1 mm に達することがあります。

特殊な用途では、デュアルスポットモジュール、トリプルスポットビーム伝送、ビームスイング、調整可能ビームモード (AMB) などのソリューションを使用して、時空間エネルギー分散をさらに実行する必要がある場合があります。 AMB ビームモード調整可能レーザーは、ファイバーレーザーの内部コアを囲む同軸リングを備えています。センタービームとリングビームのサイズとパワーは、独立して動的に制御できます。 AMB レーザーは、特にアルミニウム溶接における穴あけ、切断、溶接を改善できます。アルミニウム溶接時に環状ビームを追加することで、安定したキーホールを形成でき、スパッタ、亀裂、多孔性を低減または完全に排除できます。

ビームモード可変レーザーは、中心ビームとリングビームのサイズと出力を独立して動的に制御し、処理品質を向上させることができます。

用途と利点

1990 年代初頭以来、ファイバーレーザーは、通信、医療、さまざまなハイエンドおよび科学分野でますます使用されるようになりました。広い波長範囲、狭い線幅、偏光または非偏光の放射、短いパルス持続時間、シングルモード動作、環境条件の影響を受けない、小型サイズなどの特徴を持つファイバーレーザーは、科学や政府での用途に最適なソリューションです。これらの分野では、ファイバーレーザーは他の処理技術では解決できない課題に対応できる場合が多くあります。

21 世紀に入り、産業用ファイバーレーザーは、自動車、航空宇宙、重工業および輸送、民生用デバイス、電子機器、医療機器、石油およびガス、原子力、太陽光発電、半導体製造、その他の材料処理アプリケーションでますます使用されるようになっています。

初期のアプリケーションのほとんどは金属材料の加工に基づいていましたが、クラッディングや3Dプリント、熱処理、表面洗浄、さまざまな微細加工技術、ポリマーやセラミックなどの他の非金属材料などのアプリケーションもあり、急速に発展しています。

これらの業界やアプリケーションでは、産業用ファイバーレーザーがパフォーマンスのベンチマークとなっています。比較的高い出力と均一で優れたビーム品質により、高速処理速度が保証されます。また、防振性と防汚性、頑丈でコンパクトな設計、効率的なエネルギー効率、高い信頼性により、投資家は迅速に投資収益を得ることができます。

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