ファイバーレーザのご紹介

ファイバーレーザのご紹介　(343KB)

産業用途におけるレーザ応用の経過

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。

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（ｴｷｼﾏﾚｰｻﾞを除く）の市場占有率を以下に示します。

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. M²〜１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。

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。

励起用のLD光源としては単一エミッタ、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考えると　ファイバーレーザは異なった波長にはなりますが、LD光の「ビーム整形器」とか「輝度変換器」と考える事が出来ます。

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。

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。

「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のオーダー）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。

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。

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。

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、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。

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。

CO₂レーザを越えるファイバーレーザの優位性

CO₂ﾚｰｻﾞ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M²〜1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×M²／D　である。
   　　　　　ｆ：レンズの焦点距離、　D：レンズでのビーム径

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10-30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。

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　M²が1に近いほど　焦点深度が増加する事が判ります。両方のパラメーター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。
  

ファイバーレーザの優位な点として　ビームパラメーター積（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ー積（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M²と波長を用いても定義できます。

BPP　＝　M²×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_０^２/ 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。

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M²〜１であるのに　ランプ励起ではM²〜50（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M²〜１であるのに　LD励起ではM²〜20（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。

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
  
  
  

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、M²〜１
  
  
• 10−20Wの連続出力赤外ファイバーレーザが用いられている
  
  
  
  
  

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
  −　10.6μm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
  
  
• 20−200W連続出力1μmファイバーレーザ
  

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

LINOS Photonics：可視光ファイバーレーザ

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

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 Labs：励起光コンバイナー、タップ、MZ等各種ファイバ融着関連部品

松下寿電子工業：励起用LD（ピッグテールファイバー付き）

その他 FBG、ASEフィルター、アイソレーター、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、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　�Xオプトサイエンス 電話 03-3356-1064、E-mail: info@optoscience.comまで

ファイバーレーザのご紹介　(343KB)