COHERENT | NUFERN

【基礎】ファイバレーザの原理とその優位性

 

1. ファイバレーザとは(クイックビュー)

2. ファイバ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

3. ランプ励起 YAG レーザを越えるファイバレーザの優位性

4. LD 励起 YAG レーザを越えるファイバレーザの優位性

5. ファイバレーザの優位性(まとめ)

ファイバレーザとは(クイックビュー)

ダブルクラッドファイバの屈折率分布とファイバの構造

Yb ガラスファイバを例として取り上げ、ファイバレーザを簡単に紹介します。

ダブルクラッドファイバの屈折率分布とファイバの構造を模式化した図を
左に示します。

高出力ファイバ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。


ファイバレーザの構成を模式的に示すと以下の様になります。

ファイバレーザの構成


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ケーブルか励起光コンバイナ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。

ファイバレーザの構成を左図の様に考えると ファイバ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。

ファイバレーザの構成

ファイバ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×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 / BPP

各種レーザの BPP と焦点深度を表にしました。ファイバ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レーザの優位性

ファイバ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レーザの優位性

ファイバレーザが 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

ファイバレーザの優位性(まとめ)

ファイバ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 CO2 Nd:YAG (lamp) Nd:YAG (diode) DISK FIBER DIRECT DIODE
Wavelength 10.6µm 1.06µm 1.06µm 1.07µm 1.07µm 800-980 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
2 73 37 18 1 800
Wall plug efficiency 10% 1% 6% 15% 30% 50%
Fiber Deliverable? NO YES YES YES YES YES
(1mm+fibers)
Replacement Optics 2000hrs,
Gas 20000hrs
Lamps 500hrs,
Optics 2000hrs
Diodes 10000hrs,
Optics 2000hrs
Diodes 10000hrs,
Optics 2000hrs
Diodes 10000hrs 10000hrs
Footprint 100sq.ft 100sq.ft 60sq.ft 40sq.ft 10sq.ft 2sq.ft
Price Ratio /W @2006 >.2 10.5 20.6 17.7 13.6 1

(著作:Dr.Andy Held / COHERENT | NUFERN)


COHERENT | NUFERN

COHERENT | NUFERN 社は、ファイバレーザ用の各種希土類添加 DC ファイバから、
高出力ファイバレーザ出力導光用 DC ファイバ、LD 出力導光用 SM/MM ファイバ を始め、
可視・紫外光導光用の SM/MM/PM ファイバを取り揃えています。


前へ戻るCOHERENT | NUFERN社の製品一覧へ戻る