ファイバーレーザー開発の過去と現在

初期のファイバーレーザーは、ポンプビームをクラッドに送るより効果的な方法が登場するまで、効率が低く、出力が低く、制限されていました。 IPGPhotonicsの創設者兼CEOであるValentinGapontsevは、サイドポンプビームを大面積のクラッドフィールドに送信するために複数のシングルエミッタダイオードレーザーを使用することで「パイオニア」としての評判を楽しんでいます。

これは、以前の打ち上げ方法の限界を克服できる方法です。サイドポンプビーム法は、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切り開き、ファイバー技術の開発を完全に変えるのに役立ちます。 。さらなる開発により、産業、科学、医療機器などのさまざまなアプリケーション分野でのファイバーレーザーの大規模な採用が促進されています。産業用ファイバーレーザーの開発は、パワーコンバイナーと輝度変換器を特徴とする2つの段階に分けることができます。



第1ステージのパワーコンバイナには、マルチモード光をパッシブ伝送ファイバに効果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。冗長シングルエミッタダイオードパッケージを使用すると、レーザーの高い信頼性を確保できます。レーザーの光共振器には2つのファイバーブラッググレーティングミラーがあり、中央のシングルモードコアにあります。これは、さまざまな希土類元素がドープされたクラッドを備えた高純度ファイバーです。

この光共振器は、低品質のダイオード光をシングルモードレーザービームに変換します。ファイバブラッググレーティングの1つは全反射器として使用され、もう1つは部分反射器または出力カプラーとして使用されます。ダイオードポンプ光のみを放射するマルチモードクラッドには、他の要素はドープされていません。ファイバーレーザーの固体構造により、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。

ポンピング方式全体の電力効率は50％を超え、シングルモジュールのシングルモード出力は約2kW〜3kWです。単一モジュールの出力を直接または組み合わせて使用して、100 kWを超える高輝度出力を提供できるため、このファイバーレーザーはさまざまな産業用途に適しています。



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、およびその他の光波モードに分類できます。連続波レーザーは、定格最大出力パワー内で安定した出力を提供でき、出力パワーに応じて50kHzに変調できますが、変調によってピークパワーが増加することはありません。連続波レーザーは多くの分野で使用されており、最も注目すべきは切断と金属溶接ですが、ろう付け、3D印刷、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、パルスエネルギーとピーク出力パワーを10倍に増加させることができ、長いパルス持続時間は10µs〜100000µsです。たとえば、平均出力が300WのQCWレーザーのピーク出力は、3kW、パルスエネルギーは30Jです。 QCWレーザーは、主に溶接、穴あけ、および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操作に使用されます。標準のQCWモデルマシンのピーク出力範囲は1kW〜20kWであり、運用コストは、同じ出力を実行できる他の競合するレーザー技術よりもはるかに低くなっています。

ナノ秒パルスQスイッチファイバーレーザーは、10W〜2kWの平均出力パワー範囲を提供できます。 1ns〜1000nsの範囲で、パルス幅を固定または調整できます（ユーザーは事前にプログラムすることを選択できます）。一般的なレーザーパルスエネルギーは10W〜300W以内で、マイクロプロセッシングに使用されるシングルモードビーム品質に近く、最大約1mJです。モデルに応じて、これらのレーザーはキロヘルツからメガヘルツまで変調できます。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ことで、パルスエネルギーを100mJに到達させることができ、処理面積を拡大することができます。

超高速ピコ秒およびフェムト秒ファイバーレーザーのパルス幅は200fsから数ピコ秒で、平均出力は10W〜200Wで、金属および非金属を含むさまざまなマイクロプロセッシングアプリケーションで使用できます。



ファイバーレーザーのアクティブレーザーコアに1つまたは複数のアクティブ原子をドープして、いくつかのスペクトル範囲で標準出力を生成できます。

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1つまたは複数のアクティブ原子をドープすると、いくつかのスペクトル範囲で標準出力を生成できます（図3）。たとえば、イッテルビウム（Yb）原子をドープすると、1030 nm〜1080 nmの出力が生成され、エルビウム（Er）原子をドープすると、1500 nm〜1570 nmの波長が生成され、ツリウム（Tm）原子をドープすると、1900 nm〜2050nmの光が生成されます。これらの基本線の周波数を2倍または3倍にし、緑色光ビーム（515nm-550nm）と紫外線ビーム（-355nm）を放射できるレーザーです。

基本的なイッテルビウムエルビウムのラマンシフトの到達可能範囲は、1.15µm〜1.8µmに拡張されています。波長をさらに2倍にすると、ファイバーレーザーは515nm〜635nmの可視光範囲で機能します。さらに、ツリウムまたはエルビウムをドープした連続波ファイバーレーザーで励起されたハイブリッド固体レーザーは、1.9µmから> 5µmの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、ほとんどすべてのアプリケーションに適合するように、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の特性を参照します。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同じビームプロファイルを生成し、発散はその全動作出力範囲（通常は定格出力の10％から100％）内で変化しません。

シングルモード連続波レーザーは、歪みがほぼ制限されたビーム品質を備えており、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の範囲であり、ビーム品質は2mm×mradから始まります。励起された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分布であり、コアの直径は1mmに達する可能性があります。



特別なアプリケーションでは、時空間エネルギー分配をさらに行うために、デュアルスポットモジュール、3スポットビーム伝送、ビームスイング、または調整可能ビームモード（AMB）の使用などのソリューションが必要になる場合があります。 AMBビームモード波長可変レーザーの特徴は、ファイバーレーザーの内部コアの周りに同軸リングがあることです。中央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の場合、穴あけ、切断、溶接の効果を向上させることができます。アルミニウムを溶接する過程で、リングビームを追加することにより、安定した鍵穴を形成し、飛沫、亀裂、および細孔を低減または完全に排除することができます。



調整可能なビームモードレーザーは、センタービームとリングビームのサイズとパワーを独立して動的に制御できるため、処理品質が向上します。

アプリケーションと利点

1990年代初頭以来、ファイバーレーザーは、電気通信、医療、およびさまざまなハイエンドおよび科学分野で広く使用されてきました。広い波長範囲、狭い線幅、偏光または非偏光発光、短いパルス幅、シングルモード動作、環境条件への鈍感、およびファイバーレーザーのサイズが小さいという利点により、科学および政府部門でのアプリケーションに理想的なソリューションになります。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処できることがよくあります。

21世紀には、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、消費者向け機器、電子機器、医療機器、石油およびガス、原子力、太陽光発電、半導体などの他の材料の処理にますます使用されるようになっています。製造。



初期の用途のほとんどは主に金属材料加工でしたが、クラッディングや3D印刷、熱処理、表面洗浄、ポリマー、セラミック、その他の非金属材料を含むさまざまな微細加工技術などの用途もありました。急速に発展しています。

これらの産業および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ベンチマークになっています。比較的高い出力と均一で優れたビーム品質のおかげで、高速処理速度を保証できます。防振、汚染防止、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、投資家は投資収益率をすばやく得ることができます。