ファイバレーザとは

レーザとは

レーザとは

レーザとは、 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation の頭文字であり、日本語にすると“輻射の誘導放出による光増幅”という意味になります。
レーザーは、一般的にレーザ媒質、光共振器、およびポンピングデバイス(レーザ媒質の電子を、高いエネルギー準位に励起する装置)から成り立っています。
レーザには、固体レーザ(YAG・ガラス・ルビー等)、液体レーザ、気体(ガス)レーザ、半導体レーザ、自由電子レーザ、化学レーザ、ファイバレーザ等の種類があります。
固体レーザやファイバレーザで使われる希土類元素(Nd・Er・Yb等)の場合、自然放出されるエネルギーが光の波長に相当します。

増幅用ファイバ(ダブルクラッドファイバ)の構造 図1

ファイバーレーザの増幅用ファイバの構造

ファイバレーザとは、光ファイバを増幅媒体とする固体レーザの一種です。光ファイバの中心にあるコアに、希土類元素Yb(イッテルビウム)がドープ(添加)されています。屈折率は、中心部が一番高くなっています。このYb添付中心コアの中を、1.1μmレーザ光励起光が通ります。その外側の第一クラッドは、励起光が通ります。更にその外側に第二クラッドがあります。クラッドが二重になっているので、ダブルクラッドファイバと呼ばれています。

図2  ダブルクラッドファイバの光ビーム伝搬 図2

ダブルクラッドファイバの光ビーム伝搬

図2は、ダブルクラッドファイバの構造と、光ビーム伝搬の光強度分布となります。励起光は、第二クラッドで全反射(*注)しながら、Yb添付中心コアと第一クラッドを伝搬します。レーザ光は、第一クラッドで全反射しながら、Yb添付中心コアを通ります。励起光がYb添付中心コアを通過する度に、Ybが励起されます。

*注 全反射:入射光が境界面を透過せず、境界面ですべて反射する現象

図3 高出力ファイバレーザの光回路の基本構成 図3

高出力ファイバレーザの光回路の基本構成

図3は、高出力ファイバレーザの光回路の基本構成です。
光回路は、①励起部②共振器部③ビームデリバリ部と大きく3つに分かれています。
①励起部は、励起用半導体レーザ(LD)から出たレーザ光を、光ファイバで励起光コンバイナに伝搬します。励起光コンバイナは、複数のLDからの励起光を一本の光ファイバに結合します。
②共振器部は、図2で説明したダブルクラッドファイバ(増強用ファイバ)に、励起光コンバイナからの励起光を伝搬します。励起光はYbを励起し、FBG( Fiber Bragg Grating)で増幅されます。FBGには高反射率ミラーと低反射率ミラーがあり、低反射率ミラー側からレーザ光が発振します。
③ビームデリバリ部は、②共振器部からのレーザ光を加工ヘッド、もしくはビームカプラとを繋ぐ光ファイバです。

図4 単一共振器のファイバレーザの出力光結合によるファイバレーザの高出力化 図4

ファイバレーザの高出力化

図4は、図3のデリバリファイバを出力光結合部(出力光コンバイナ)で複数本結合し、高出力化します。
例えば、1kWを4本結合すると4kW、1kWを6本結合すると6kWになります。

  ファイバレーザ YAGレーザ CO2レーザ
ビーム品質
設置面積
消費電力
信頼性(寿命)
メンテナンス
リモート加工
イニシャルコスト

他のレーザ方式と比較したファイバレーザの優位性

従来の固体レーザに比べファイバレーザには多くの特長があります。

  • 光ファイバから出力されるため、ビーム品質が高い(集光性に優れている)
  • 光ファイバ内で効率良く増幅ができるため、小型軽量で電気-光変換効率が高い(設置性に優れ消費電力が低い)
  • 高出力で高信頼性の半導体レーザを励起光源として使っているため、ファイバレーザとしても高出力と高信頼性の両方を同時に実現(長寿命)
  • すべて光ファイバで構成されておりミラーやレンズ等がないため、塵埃付着や光軸ずれの心配がなく、頻繁なメンテナンスは不要(高メンテナンス性)

以上の特長から、マーキング、微細加工、溶接、切断、計測など、様々な分野において普及が急速に進んでいます。


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