超高速レーザー材料加工では、熱レンズ効果に注意を払う必要があります

過去数年間、高出力超高速レーザーは材料加工で広く注目されており、市場ではメガワットおよびテラワット超高速レーザーの需要も増加しています。 実践により、この超高速レーザー処理システムは、その独自性により、マイクロ処理に非常に適していることが証明されています。

マイクロマシニングプロセスでは、高出力超高速レーザーがより広範囲の材料加工に対応でき、より高精度の加工能力を実現できます。しかし現在、超高速レーザーのピークパワーを盲目的に追求することは、望ましい処理結果を達成することができないかもしれません。その中で、主な制限は熱レンズ効果です。






熱レンズ効果とは、光学素子の品質の悪さ、汚れ、損傷などによるレーザーの吸収率の上昇を指します。光学素子にレーザービームを長時間照射すると、温度が上昇します。そして熱変形が起こり、それが透過型を引き起こす。光学素子の屈折率と反射光学素子の反射方向が変化する。熱レンズ効果はレーザー焦点の位置を変え、それによって最終的な処理効果に影響を与えます。
30000mw高出力レーザー


高出力超高速レーザーは、キャビティ光学システムに強い非線形効果を引き起こし、熱の蓄積を引き起こす可能性があります。この不均一な熱分布により、光学デバイスの屈折率勾配によって焦点距離が変化します。これらの影響のいくつかは、共振器を再設計することで軽減できます。一方、高次の収差は補正が難しく、低品質のレーザービームが発生する可能性があります。



場合によっては、レーザーキャビティが完全にずれていて共振が観察されない場合、熱レンズ効果によって引き起こされる損傷はさらに大きくなる可能性があります。モードロックレーザーの回折限界性能は、熱の影響を最小限に抑えることによってのみ達成できます。



分散ミラーが解決策になります

多層誘電体コーティング技術の進歩により、分散ミラーは、ほとんどの光学媒体に見られる正のグループ遅延分散（GDD）を補償し、パルス幅を延長し、ピークパワーを低減することにより、超高速レーザーの重要な部分になりました。この種のパルス圧縮ミラーは、広い波長範囲で負の群遅延分散を提供でき、非常に短いレーザーパルスをサポートできると同時に、損失を制限し、レーザーアライメントの継続的な需要を提供します。



ただし、高分散ミラーは熱レンズ効果も示す可能性があり、それによって処理システムのパフォーマンスに影響を与えます。幸いなことに、コーティング技術の新しい開発により、エンジニアは、熱レンズの影響を無視できる新しいタイプの分散ミラーを作成できます。キャビティミラーの熱効果を低減することにより、これらのミラーは高出力の超高速材料処理システムの開発に理想的です。



■熱レンズ効果の低い分散ミラーは、高反射率と高振幅の負の群遅延分散を維持します。これは、高精度の材料処理システムで非常に重要です。



これらのミラーは、広い波長範囲にわたって分散ミラーによって提供される高い負の広帯域グループ遅延分散と低損失を組み合わせ、同時に熱レンズ効果を低減します。光学設計と蒸着プロセスのさまざまなパラメータを注意深く操作することにより、Yb：YAG、Er：YAG、ツリウム、ホルミウムレーザーシステムなどの高出力超高速レーザーシステムで比類のない性能を実現できます。



熱性能をテストする

赤外線カメラを使用してリフレクターの表面温度の上昇を測定することにより、リフレクターの熱レンズ効果を、連続波（CW）モードで動作するYb：YAG薄型ディスクレーザーでテストしました。下の図は、新しい低熱レンズコーティングなしの分散ミラーのスペクトル性能を示しています。グループ遅延分散は-3000fs2で、反射率は1010nmから1050nmの間です。このミラーは57Kの温度変化を受けており、レーザーと発振器の安定性が低下しています。



■新しい低熱レンズコーティングのない分散ミラーは、テスト中に57Kの温度変化を経験しました。これにより、レーザーが不安定になり、システムパフォーマンスが低下します。



これは、2つの分散ミラーの測定温度が上昇し、熱レンズ効果が低下し、グループ遅延分散値が-1000fs2と-3000fs2であることを示しています。従来のミラーと比較して、熱レンズ効果が低減された分散ミラーは、温度上昇がはるかに小さくなっています。 10Kと20Kの温度上昇は、グループ遅延分散がそれぞれ-1000fs2と-3000fs2のミラーで観察されます。これは、従来の分散ミラーよりも大幅に低くなっています。レーザーと発振器の安定性が維持されるため、レーザーシステム全体がモードロックを実現し、正常に動作します。



■-1000fs2のグループ遅延分散を備えた低熱レンズ分散ミラーは、テスト中に10Kの温度変化を経験し、検出可能な熱による性能低下を回避しました。






いつ低熱レンズコーティングが必要ですか？

ミラー内の熱蓄積を減らすことは、高出力超高速モードロックレーザーの熱レンズ効果を減らすのに非常に役立ちます。ただし、すべての超高速レーザーがこの技術を必要とするわけではありません。 Ti：サファイアレーザーは通常、十分に高い平均出力を達成しないため、熱の蓄積と熱レンズ効果が問題になります。ファイバーレーザーは、熱効果が発生する可能性のある固体レーザーキャビティがないため、低熱レンズコーティングも必要ありません。



上記の2つのケースでは、新しい熱的に安定したコーティングのないパルス圧縮光学系でさえ完全に十分です。ただし、Er：YAG、ホルミウム、ツリウムなどの高出力ソリッドステート超高速レーザー材料処理システムでは、熱レンズ効果を低減することが特に重要です。