ファイバーレーザのご紹介 ㈱オプトサイエンス 産業用途におけるレーザ応用の経過 佐 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は Diode Pumped YAG 7 % 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。 CO2 Lasers 52 % 2003 年度の産業用途向けレーザ（ｴｷｼﾏｰﾚｰｻﾞを除く）の市場 Lamp pumped YAG 41 % 2003 Industrial Laser Market Share 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 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 ２．より高い出力が レーザの性能に対する要求は一層高くなっておりま 高精細な加工応用分野から要求されています。 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。 Ref. Index ファイバーレーザとは（クイックビュー） Inner cladding (Silica) Doped Core doped core inner cladding waveguide for pump 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, Outer cladding (polymer) 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 Pump light from diode 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。 Active Gain Fiber Splice to multi-mode diode pumps (M2>20) 1 2 3 Laser output (M2=1) 4 5 n Photosensitive Fibers (Bragg Gratings) Tapered fiber bundle (n:1 combiner) 励起用の LD 光源としては単一エミッター、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 Large Spot Wide Input Cone Small Spot Narrow Output cone (Brightness Enhanced) Fiber with internal Bragg reflectors Diode pump input ~ 0.46 NA Fiber laser Output ~ 0.06 NA 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。 Light goes into the large cladding area, comes out of the small core area 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。 特長 利点 高 効 率 LD励 起 動 作 (3 0 -4 0 % 壁 コ ン セ ン ト 効 率 ) 低 い C O O (C o s t O f O w n e rs h ip ) (s e rv ic e re q u ire m e n ts ) 簡 単 な熱 の 取 り扱 い 冷却の要求が少ない （空 冷 動 作 ） メンテナ ンス頻 度 が 低 い 調整する共振器光学素子が無い 堅牢で信頼性の高い 全 ファイバ ー モノリシック構 造 設 計 優 れ た ビ ー ム 品 質 M 2 ~ 1 , T E M 00 小 さな集 光径 深い焦点深度 高 出 力 1ミク ロ ン 出 力 ファイバ ー導 光 で出 力を 直 接 加 工 対 象 の 近 くま で 伝 送 小型で軽量 設 置面 積 が小 さい 搭載が容易で稼動テーブルにも搭載可能 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。 Laser Lamp-pumped Y AG D iode-pumped YAG Yb:YAG Disk C O2 Yb:Glass fiber Optical-optical efficiency 4% 40-50 % 40-50 % N/A >75% W all plug efficiency 1% 6% 20% 10% 30- 40% 「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）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 Inner cladding (Silica) Outer cladding (polymer) 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。 Doped Core Nd:YAG レーザと Yb:ファイバーレーザのエネルギー Pump light from diode 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ーレーザにおい 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。 heat 1064 nm emission 808 nm pump heat Nd:YAG Laser heat 1080 nm emission 976 nm Pump heat Yb Fiber Laser 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。 F itted A bs . s p ectrum , ca lcu la te d g * fo r LM A -YDF -2 0/4 00 Absorption and g* (dB/m ) 2.5 A bs orption pump wavelength 2.0 g* lasing wavelength 1.5 1.0 0.5 0.0 850 870 890 910 930 950 970 990 1010 1030 1050 W av eleng th (nm ) 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 シングルエミッター、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。 High reflector ロッド型等のバルクレーザでは大きな熱不可（熱誘起レ Output coupler 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 Nd:YAG Nd:YAG rod, without Collimated Output thermal loading. High reflector 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 Output coupler ! ng Ba Nd:YAG Nd:YAG rod, with thermal loading (thermal lensing). lensing). においては自由空間に光学素子を配置するので温度変 Converging Output 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 Couple to diode pumps 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 Output 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 Splice to multi-mode diode pumps (M2>20) LMA Double Clad Fiber 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 Tapered fiber bundle (pump combiner) Photosensitive Fibers (Bragg Gratings) 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 工されますので 波長の短いレーザ光を用いて効果的に加 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 ｆ：レンズの焦点距離、 D：レンズでのビーム径 Minimum spot size D=25 mm, f=300 mm,f/12 Minimum spot size D=25 mm, f=100 mm,f/4 ファイバーレーザでは CO2 Lasers Yb:Glass Fiber Laser 323 microns 16 microns 107 microns 5 microns 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 ても得られます。 である。 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 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。 DOF = ZR = ω02 * π M2 * λ 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、ω０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ω０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) DOF ＝ ２ ×ω０２/ BPP また、重要な公式として 記述できます。 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 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。 BPP C O2 Lasers Lamp-pumped Nd:YAG Diode-pumped Nd:YAG Yb:YAG Disk Yb:G lass Fiber 6 mm.mrad 25 mm.mrad 12 mm.mrad 6 mm.mrad 0.34 mm.m rad 3.2 mm 0.8 mm 6.6 mm 1.6 mm 13.3 mm 3.3 mm 23 5 m m 58.8 m m DOF (mm) at given focused spot size 400 microns 200 microns 13.3 mm 3.3 mm 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 － 焦点深度が深い（大きい） － 集光性が良い ・ 効率が 30 倍良い ・ 熱の取り扱いが簡単 ・ 専有面積が 1／10 小さな集光径 －冷却の要求がより小さい ・ 低い COO (Cost Of Ownership） ・ 寿命が長い ・ 信頼性が高い ランプ励起では M2～50（出力 100W での比較） －より長い MTBM －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 － － 集光性が良い 小さな集光径 LD 励起では M2～20（出力 100W での比較） 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 ・ 専有面積が１／６ －冷却の要求がより小さい ・ 低い COO (Cost Of Ownership） ・ 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 －より長い MTBM 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。 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 M2 2 73 37 18 1 800 Wall plug efficiency 10% 1% 6% 15% 30% 50% Fiber Deliverable? NO YES YES YES YES YES (1 mm + fibers) Replacement Optics 2000 hrs, Gas 20,000 hrs Lamps 500 hrs Optics 2000 hrs Diodes 10,000 hrs Optics 2,000 hrs Diodes 10,000 hrs Optics 2,000 hrs Diodes 10,000 hrs 10,000 hrs Footprint 100sq.ft 100sq.ft 60sq.ft 40sq.ft 10sq.ft 2sq.ft Price Ratio /W @2006 4.2 10.5 20.6 17.7 13.6 1 ファイバーレーザの市場への浸透（利用例） ・ 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 － 低 い COO (Cost Of Ownership) － － －マーキングへの応用 長 寿命 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 （次頁に続く） ファイバーレーザの市場への浸透（利用例） ・ ファイバーレーザ応用の具体的な優位点 － － － －印刷への応用 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 Computer to Plate Pre-press 80 70 60 50 Total Lasers In Printing $, Ms 40 30 Flexography/Gravure CTP DRUPA (May 2004) 20 10 Fiber lasers 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 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 （著作：Dr.Andy Held / Nufern） 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 TOPTICA Photonics：フェムト秒ファイバーレーザ（超高速 Er 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ーなど 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 itf Labs：励起光コンバイナー、タップ、MZ 等各種ファイバー融着関連部品 Quintessence Photonics(QPC)：ファイバーカップルシングルエミッタ、ファイバーカップルバー そ の他 FBG、ASE フィルター、アイソレータ、パンプダンプ、モード径変換ファイバー、超 低比率 TAP カップラー、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 ㈱オプトサイエンス 電話 03-3356-1064、E-mail: info@optoscience.com まで
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