ファイバーレーザの構成を模式的に示すと以下の様になります Splice to multi-mode diode pumps (M 2 >20) Active Gain Fiber Laser output (M 2 =1) 4 5 n Tapered fiber bundle (n:1

Size: px

Start display at page:

Download "ファイバーレーザの構成を模式的に示すと以下の様になります Splice to multi-mode diode pumps (M 2 >20) Active Gain Fiber Laser output (M 2 =1) 4 5 n Tapered fiber bundle (n:1"

えいしろうこのえ
6 years ago
Views:

1 産業用途におけるレーザ応用の経過ファイバーレーザのご紹介オプトサイエンス過去 15 年以上に渡って CO2 レーザと YAG レーザ ( ランプ励起方式 ) は製造業の工場で用いられています CO2 レーザは加工用として広範囲な応用がありますがランプ励起 YAG レーザは高反射率の金属に対する切断溶接マーキング等用途の 1μm 市場に用いられています LD 励起 YAG レーザはランプ励起 YAG レーザや CO2 レーザの市場を取って代わるべく挑みましたが以下の 2 点の理由によりあまり良い結果が得られておりません CO2 Lasers 52 % Diode Pumped YAG 7 % Lamp pumped YAG 41 % 2003 Industrial Laser Market Share 1. 初期の LD の信頼性が低かった事 2. レーザの特性に対する市場からの応用に対する要求は LD 励起 YAG レーザの高い価格を受け入れる程高いモノではなかった 2003 年度の産業用途向けレーザ ( エキシマーレーサを除く ) の市場占有率を以下に示します佐ファイバーレーザは理想的な時期に製品市場に登場しました加工性能に対する要求が一層厳しくなりその結果レーザの性能に対する要求は一層高くなっております一例を挙げると以下のようです 1. より小さなスポットサイズが高精細な加工応用分野から要求されています 2. より高い出力がより高い加工のスルーップトを得る為に要求されています 3. レーザの停止時間 (MTBF,MTBM) を短くする事が要求されていますファイバーレーザの信頼性と特性は今日の産業界からの要求 ( 上記 3 点 ) に適合していますそのファイバーレーザの特性を以下に示します 1. M 2 ~1でファイバー導光が出来る1μm 出力のレーザである 2. 単一の LMA(Large Mode Area) ファイバーから1kW を越える出力が得られる 3. 3 万時間以上の予測寿命 LD の価格の低下がファイバーレーザを従来に比べよりコスト競争力を強くしていますファイバーレーザとは ( クイックビュー ) Yb ガラスファイバーを例として取り上げファイバ Ref. Index inner cladding doped core waveguide for pump Outer cladding Inner cladding (polymer) (Silica) Doped Core Pump light from diode ーレーザを簡単に紹介しますダブルクラッドファイバーの屈折率分布とファイバーの構造を模式化した図を左に示します高出力ファイバーレーザの希土類元素 ( 例 :Yb, Er, Er:Yb, Tm, Nd 等 ) をドープしたコアはマルチモード LD を用いてダブルクラッドファイバーを通して励起されます励起光はインナークラッド内に集光しファイバーの中を伝搬しますコアにドープされる希土類元素を Yb とすると励起光に対するレーザ光の光 / 光変換効率は~80% です

2 ファイバーレーザの構成を模式的に示すと以下の様になります Splice to multi-mode diode pumps (M 2 >20) Active Gain Fiber Laser output (M 2 =1) 4 5 n Tapered fiber bundle (n:1 combiner) Photosensitive Fibers (Bragg Gratings) 励起用の LD 光源としては単一エミッターバースタックが用いる事が出来ます LD 光は単一のファイバーケーブルか励起光コンバイナーをとおしてレーザ共振器内に導かれアクティブゲインファイバーを励起します FBG(Fiber Bragg Grating) がレーザ共振器の全反射ミラーや出力ミラーとなりますファイバーレーザのデザインはモノリシック構造に出来る事であり自由空間に光学素子がない事ですファイバーレーザの構成を左図の様に Large Spot Wide Input Cone Small Spot Narrow 考えるとファイバーレーザは異なっ Output cone (Brightness Enhanced) た波長にはなりますが LD 光のビー Diode pump input Fiber with internal Bragg reflectors ム整形器とか輝度変換器と考える事が出来ます ~ 0.46 NA Fiber laser Output ~ 0.06 NA Light goes into the large cladding area, comes out of the small core area ファイバーレーザの優位性ファイバーレーザの優位性を纏めると以表の様になります ost Of Ownership) (30-40% ) (service requirements) M 2 ~1, TEM 00 1

ファイバーレーザの優位性 (1): 効率変換効率については下表から明らかにファイバーレーザが秀でていますその特有な高い変換効率は他の通常のレーザの効率とは比較にならない程高い値です Laser Optical-optical efficiency W all plug efficiency Lamp-pumped YAG 4% 1% Diode-pumped YAG 40-50 % 6%

3 ファイバーレーザの優位性 (1): 効率変換効率については下表から明らかにファイバーレーザが秀でていますその特有な高い変換効率は他の通常のレーザの効率とは比較にならない程高い値です Laser Optical-optical efficiency W all plug efficiency Lamp-pumped YAG 4% 1% Diode-pumped YAG % 6% Yb:YAG Disk % 20% CO2 N/A 10% Yb:Glass fiber >75% 30-40% なぜ LD 励起レーザは光 / 光変換効率が高いのでしょうか? YAG 結晶の吸収スペクトルとフラッシュランプと LD の発光スペクトルを左図に示します従来のランプ励起 YAG レーザでは全発光のほんの一部の波長の光だけが YAG 結晶に吸収され励起に寄与するだけであり YAG 結晶の吸収波長に一致する波長で励起できる LD 励起の YAG レーザの効率はより一層高くなりますランプの発光は非常に広い波長に渡っており殆どレーザロッドに吸収されませんしむしろ熱に変換されてしまいます (LD 励起レーザとは Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4, ファイバーレーザ, ディスクレーザを含んでいます ) なぜ LD 励起ファイバーレーザはランプ励起や LD 励起の固体レーザより効率が良いのでしょうか? 通常のランプ励起や LD 励起の固体レーザとファイバーレーザの構成を模式化した図を以下に示しますランプ励起や LD 励起の固体レーザでは励起エネルギーは相対的に小さな結晶 ( レーザ活性媒質 ) 内に集光されます高励起レベルにおいては結晶の温度が上昇し発生するレーザ光の効率は低くなりますファイバーレーザでは励起光の吸収は長いファイバー (10m のオーダ ) 内に渡って分布され吸収されます励起光はファイバーの中を全反射する為殆ど損 Outer cladding Inner cladding (polymer) (Silica) Doped Core Pump light from diode 励起エネルギーと発光エネルギーの差である量子欠損は Yb を活性元素とするファイバーレーザにおいては比較的小さく殆ど熱は発生しませんファイバーレーザ内の励起フォトン当たり発生する熱は非常に僅かですこれは発振効率が高い事を意味しています失はありません ( ファイバー内の損失は 10dB/km 以下であり非常に低い値です ) 発生する全ての熱は細いファイバーから放射されます Nd:YAG レーザと Yb: ファイバーレーザのエネルギー順位図を下記に示します heat heat 1064 nm 808 nm emission 1080 nm pump 976 nm emission Pump heat heat Nd:YAG Laser Yb Fiber Laser

4 ファイバーレーザの優位性 (2): 励起波長と発振波長のフレキシビリティが高い Yb ガラスファイバーの吸収スペクトルと発光スプクトルを下図に示します Fitted Abs. spectrum, calculated g* for LMA-YDF-20/ Absorption and g* (db/m) pump wavelength Absorption g* lasing wavelength Wavelength (nm) Yb ガラスファイバーは 915nm 940nm 976nm で発振する LD で効率よく励起できます LD としてはシングルエミッターダイオードバーおよびより高出力のダイオードスタック等が使えます非常に広い Yb ガラスの吸収帯は広い半値幅で発光する水冷などの冷却が不要な LD を励起用として用いる事が出来る事を意味します ( これは安価な LD が使える事を意味しています ) Yb ガラスファイバーの広い利得帯域は 1030nm から 1120nm の間の何処でも発振させる事が出来ますファイバーレーザの優位性 (3): 冷却の要求が少ないロッド型 Nd:YAG レーザを例に取り下図を用いて冷却について説明します High reflector Output coupler Nd:YAG rod, without thermal loading. Collimated Output High reflector Output coupler Bang! Nd:YAG rod, with thermal loading Converging Output (thermal lensing). ロッド型等のバルクレーザでは大きな熱不可 ( 熱誘起レンズ効果 ) は出力ビームの品質劣化を避ける為注意深く制御しなければなりませんですからこの種のレーザにおいては自由空間に光学素子を配置するので温度変化に伴うミスアライメントに敏感です高出力のランプ励起や LD 励起の固体レーザはこれらの効果を保証する為注意深く冷却の方法を検討し設計しなければなりませんこれらの課題はファイバーレーザでは存在しませんファイバーレーザの優位性 (4): 高い信頼性ファイバーレーザのモノリシックな全ファイバー構造はアライ Couple to diode pumps Output Splice to multi-mode diode LMA Double Clad Fiber pumps (M 2 >20) Tapered fiber bundle Photosensitive (pump combiner) Fibers (Bragg Gratings) メント敏感な調整機構を配置し自由空間に曝された光学素子を用いた従来のレーザと比較すると本質的に高い信頼性がありますよってファイバーレーザのビーム品質はレーザの寿命となるまで変化しません左にファイバーレーザの外観と構成の模式図を示しますファイバーレーザの構造はモノリシックですレーザ全てがファイバーです利得媒質はドープされたコアです励起チャンバーはファイバーのクラッドです出力ミラーと全反射ミラーはファイバーコア内に書き込まれたブラッググレーティングです励起用 LD のピッグテールファイバーはアクティブファイバー ( 共振器 ) に直接融着出来ますこのモノリシック構造がファイバーレーザの高い信頼性の源です

5 CO 2 レーザを越えるファイバーレーザの優位性 CO2 レーサの様な長波長の光は銅金銀等高反射の金属によって効果的に反射されますマーキング等では波長の短いレーザ光を用いて効果的に加工されますので 1μmが発振波長であるファイバーレーザはマーキングのための有効なレーザとなりますマーキング加工例を右図に示しますファイバーレーザの光学的な特性は次のようです 1.1μmにて M 2 ~1のビーム出力なので集光点でより小さなスポットサイズにできる 2. 最小スポット径 =1.27 f 波長 M 2 /D である f: レンズの焦点距離 D: レンズでのビーム径 CO2 Lasers Yb:Glass Fiber Laser Minimum spot size D=25 mm, f=300 mm,f/ microns 16 microns Minimum spot size D=25 mm, f=100 mm,f/4 107 microns 5 microns ファイバーレーザではより小さく集光でき出力ビームはより高いパワー密度と高分解能な加工をより高速で実現する事が出来ますまたより小さなスポットサイズがそんなにビームを拡大しなくても得られます結果としてレンズ径が小さく安価なレンズを用いる事が出来ますまたマーキング装置で考えると高速でより小さくあまり高くないガルバノミラーが使用できる事になりますファイバーレーザは焦点深度が CO2 レーザの倍長く ( 深く ) なります集光されたビームは最初レンズの焦点面に集められその後再度広がっていきます焦点深度はレーリー領域によって記述されレーリー領域は集光されたビーム径の2 倍の値で以下の様になります ω 02 * π DOF = Z R = M 2 * λ λは波長であり CO2 レーザでは 10,600nm Yb ガラスファイバーレーザでは 1,080nm であり ω 0 はビーム半径です上記公式から波長が短くて M 2 が1に近いほど焦点深度が増加する事が判ります両方のパラメータともファイバーレーザには有利な数値です焦点深度が長いと言う事はレーザ強度が高い焦点の領域が広い範囲に渡って維持できるという事であり次の様な種々の良い点が出てきます加工用レンズはワークから距離を離して加工できますより小さなカーフ幅でより厚いワークの加工が出来ますワークの表面や厚さが不均一でも良好な加工が出来ます加工中のワークから発生する熱反射光飛散物から光学系を保護する為の光学設計を省く事が出来る自由空間伝送光学系をクリーニングする事や交換する等のメンテナンスを省く事が出来る

6 ファイバーレーザの優位な点としてビームパラメータ積 (BPP) と焦点深度レーザビームが何処まで狭く集光できるかとその焦点深度がビーム品質の関数となりますビーム品質は一般にビームパラメータ積 (BPP) を使って定量化されます BPP はビームウェストの半径 ω 0 とビームの発散角の半値全幅 θの積として定義されます BPP = ω 0 θ = コンスタント BPP は M 2 と波長を用いても定義できます BPP = M 2 λ/π(mm mrad) また重要な公式として与えられた集光スポットサイズに対して焦点深度 DOF は BPP を用いて記述できます DOF = 2 ω 02 / BPP 各種レーザの BPP と焦点深度を表にしましたファイバーレーザが如何に優れているか一目瞭然です CO2 Lasers Lamp-pumped Nd:YAG Diode-pumped Nd:YAG Yb:YAG Disk Yb:Glass Fiber BPP 6 mm.mrad 25 mm.mrad 12 mm.mrad 6 mm.mrad 0.34 mm.mrad DOF (mm) at given focused spot size 400 microns 13.3 mm 3.2 mm 6.6 mm 13.3 mm 235 mm 200 microns 3.3 mm 0.8 mm 1.6 mm 3.3 mm 58.8 mm ランプ励起 YAG レーザを越えるファイバーレーザの優位性ファイバーレーザがランプ励起 YAG レーザを越える優位性を持つ点を紹介しますより良いビーム品質 - ファイバーレーザの M 2 ~1であるのにランプ励起では M 2 ~50( 出力 100W での比較 ) - 集光性が良い小さな集光径 - 焦点深度が深い ( 大きい ) 効率が 30 倍良い熱の取り扱いが簡単 - 冷却の要求がより小さい専有面積が 1/10 低い COO (Cost Of Ownership) -より長い MTBM 寿命が長い信頼性が高い -より長い MTBF LD 励起 YAG レーザを越えるファイバーレーザの優位性ファイバーレーザが LD 励起 YAG レーザ (DPSSL) を越える優位性を持つ点を紹介しますより良いいビーム品質 - ファイバーレーザの M 2 ~1であるのに LD 励起では M 2 ~20( 出力 100W での比較 ) - 集光性が良い小さな集光径 - 焦点深度が深い ( 大きい ) 効率が5 倍良い熱の取り扱いが簡単 - 冷却の要求がより小さい専有面積が1/6 低い COO (Cost Of Ownership) -より長い MTBM 寿命が長い信頼性が高い -より長い MTBF 装置導入費用が安い

ファイバーレーザの優位性 ( まとめ ) ファイバーレーザの優れた点について表にまとめると以下の様になります 1kW CO 2 Nd:YAG (lamp) Nd:YAG (diode) DISK FIBER DIRECT DIODE Wavelength 10.6µm 1.06µm 1.06µm 1.07µm 1.

7 ファイバーレーザの優位性 ( まとめ ) ファイバーレーザの優れた点について表にまとめると以下の様になります 1kW CO 2 Nd:YAG (lamp) Nd:YAG (diode) DISK FIBER DIRECT DIODE Wavelength 10.6µm 1.06µm 1.06µm 1.07µm 1.07µm nm Minimum spot size (2mm i/p beam, f=100mm) 107µm 400µm 200µm 96µm 5µm 1.6mm BPP (mm.mrad) 6mm.mrad 25mm.mrad 12mm.mrad 6mm.mrad 0.34mm.mrad 200mm.mrad M Wall plug efficiency 10% 1% 6% 15% 30% 50% Fiber Deliverable? NO YES YES YES YES YES (1 mm + fibers) Replacement Optics 2000 hrs, Gas 20,000 hrs Lamps 500 hrs Optics 2000 hrs Diodes 10,000 hrs Optics 2,000 hrs Diodes 10,000 hrs Optics 2,000 hrs Diodes 10,000 hrs 10,000 hrs Footprint 100sq.ft 100sq.ft 60sq.ft 40sq.ft 10sq.ft 2sq.ft Price Ratio ファイバーレーザの市場への浸透 ( 利用例 ) -マーキングへの応用ファイバーレーザ応用の具体的な優位点 - 壁コンセント効率が高い - 空冷 - 長寿命 - 低い COO (Cost Of Ownership) - 競争力のある導入コスト 10-20W 連続出力発振および高繰返し Q スイッチ発振が用いられている ( 次頁に続く )

8 ファイバーレーザの市場への浸透 ( 利用例 ) - 印刷への応用ファイバーレーザ応用の具体的な優位点 - 焦点深度が長い ( 深い ) ので加工物表面の不均一性に敏感でない - 出力安定度が良い - TEMoo モード M 2 ~ W の連続出力赤外ファイバーレーザが用いられている Flexography/Gravure CTP DRUPA (May 2004) $, Ms Computer to Plate Pre-press Total Lasers In Printing Fiber lasers ファイバーレーザの市場への浸透 ( 利用例 ) -Rapid Prototyping -レーザ焼結ファイバーレーザ応用の具体的な優位点 μm の CO2 レーザに比べ 1μm のファイバーレーザでは物質との相互作用が良い - より小さな集光径のため高い分解能 - 小さなスキャニングミラーが利用できる - 効率の良い空冷動作 - 小さな専有面積と占有体積 W 連続出力 1μm ファイバーレーザ ( 著作 :Dr.Andy Held / Nufern) オプトサイエンスが取り扱っているファイバーレーザおよび関連製品このファイバーレーザのご紹介では主に加工などの用途に用いる連続発振や高繰返し発振の Yb ファイバーを用いたファイバーレーザを例に用いてご紹介致しましたが下記の様な計測に用いるp 秒出力ファイバーレーザや通信用途のファイバーレーザも取り扱っておりますまたファイバーレーザ発振器や増幅器の開発に必要な部品も取り扱っておりますお気軽にご相談下さいファイバーレーザ Nufern:CW ファイバーレーザモジュールサブアセンブリ TOPTICA Photonics: フェムト秒ファイバーレーザ ( 超高速 Er ファイバーレーザ ) MPB communications:l 帯 C 帯 Er ファイバーアンプ Er-Yb ファイバーアンプ

9 ファイバーレーザ用各種部品および製造設備 Nufern: 希土類添加 (Yb, Nd, Yb;Er, Er, Tm 等 ) ファイバー ( 各種コアクラッド径有り ) 各種レーザ導光用ファイバーなど Crysta Fiber: フォトニックファイバー ( ホーリファイバー ) 各種 Gooch & Housego, NEOS: ファイバー付き AO Q スイッチ itf itf Labs: 励起光コンバイナータップ MZ 等各種ファイバー融着関連部品 Quintessence Photonics(QPC): ファイバーカップルシングルエミッタファイバーカップルバーその他 FBG ASE フィルターアイソレータパンプダンプモード径変換ファイバー超低比率 TAP カップラー MZ( マッハチェンダー ) 等多数の部品も取り扱っております高出力用も有ります是非お問い合わせ下さい Vytran: 大口径ファイバー切断機融着器リコーター等各種お問い合わせはオプトサイエンス電話 info@optoscience.com まで

「世界初、高出力半導体レーザーを8分の1の狭スペクトル幅で発振に成功」

「世界初、高出力半導体レーザーを8分の1の狭スペクトル幅で発振に成功」 NEWS RELEASE LD を 8 分の 1 以下の狭いスペクトル幅で発振するレーザー共振器の開発に世界で初めて成功全固体レーザーの出力を向上する励起用 LD 光源の開発に期待 215 年 4 月 15 日本社 : 浜松市中区砂山町 325-6 代表取締役社長 : 晝馬明 ( ひるまあきら ) 当社は高出力半導体レーザー ( 以下 LD ) スタック 2 個をストライプミラーと単一面型