2020年11月26日、Jerome Landry
産業用レーザー
ファイバーレーザーは現代社会の至る所にあります。いろいろな波長を生成できるため、切断、マーキング、溶接、クリーニング、テクスチャリング、穴あけなど、さまざまな業界の環境で幅広く使用されています。電気通信や医療など他の分野でも使われています。
ファイバーレーザーには、光を誘導するためにシリカガラス製の光ファイバーケーブルが使用されています。結果として得られるレーザービームは、直線的で小さいため、他の種類のレーザーよりも正確です。また小さな設置面積、高い電気効率、少ないメンテナンス頻度、低運用コストを実現します。
ファイバーレーザーについて知っておくべきことをすべて学びたい方は、引き続きご覧ください。
- ファイバーレーザーが発明されたのはいつ？
- ファイバーレーザーの種類は？
- ファイバーレーザーと炭酸ガスレーザーの違いは？
- ファイバーレーザー機器とは？
- ファイバーレーザーの継続使用時間は？
- ファイバーレーザーの仕組み（そしてその構成部品）は？
- レーザーパラメーターとは？
ファイバーレーザーが発明されたのはいつ？
1961年にエリアス・スニッツァーがファイバーレーザーを発明し、1963年にその使用を実証しました。しかし、本格的な商業的応用がされたのは1990年代になってからです。
なぜこのように時間がかかったのか？ファイバーレーザー技術がまだ黎明期であったことが主な理由です。例えば、ファイバーレーザーは数十ミリワットしか放射できませんが、ほとんどの用途で少なくとも20 ワット必要です。また、半導体レーザーの性能が今日ほど優れていなかったため、高品質の励起光を発生させる手段もありませんでした。
ファイバーレーザー技術の歴史における重要な瞬間を、アルベルト・アインシュタインが基礎を確立した1917年にさかのぼって解説します。
- 1917：誘導放出が発見される（アルベルト・アインシュタイン）。
- 1957：レーザーの理論的枠組みが開発される（ゴードン・グールド）。
- 1960：最初のレーザーであるルビーレーザーが製作される（セオドア・メイマン）。
- 1960：連続波レーザービームが初めて発生する。
- 1960：「光ファイバー」という用語が作られる（ナリンダー・カパニー）。
- 1961：ガラス繊維の光学モードが発明される（エリアス・スニツァー）。
- 1962：パルスレーザービームの発生技術であるQスイッチを実証（ロバート・ヘルワース＆R.J.マクラング）。
- 1963：最初のファイバーレーザーが実証される（エリアス・スニツァー）。
- 1964：ガラス繊維から不純物を取り除き、光の損失を抑える方法が発見される（チャールズ・カオとジョージ・ホッカム）。
- 1988：最初のダブルクラッドファイバーレーザーが実証される（エリアス・スニツァー）。
- 1990：4Wのエルビウム添加ファイバーレーザーでワットバリアが破られる。
- 2004：単一モードのシリカファイバーレーザーと増幅器が発明される（デビッド・ペイン）。
今日でも、ファイバーレーザー技術は重要な進歩を続けていて、より効率的で強力で利用しやすくなっています。近々発表される用途には、汚染物質を生じる技術に取って代わり、世界をより環境に優しいものにする可能性のあるレーザークリーニングやレーザーテクスチャリングなどがあります。
ファイバーレーザーの種類は？
一般的に、ファイバーレーザーは次の基準で分類できます。
- レーザー光源：ファイバーレーザーは、レーザー光源を混合する素材によって異なります。例えば、イッテルビウム添加ファイバーレーザー、ツリウム添加ファイバーレーザー、エルビウム添加ファイバーレーザーなどがあります。これらすべてのタイプのレーザーは、異なる波長を生成するため、異なる用途に使用されます。
- 動作モード：レーザーの種類によってレーザービームの放出方法は異なります。レーザービームは、「Qスイッチ」、「ゲインスイッチ」、「モードロック」レーザーの場合と同様に、設定された繰り返し比率でパルス化することで高いエネルギーピーク（パルスファイバーレーザー）に到達することができます。もしくは、同じ量のエネルギーを連続的に送ることもできます（連続波ファイバーレーザー）。
- レーザー出力：レーザー出力はワットで、レーザービームの平均出力を表します。例えば、20Wファイバーレーザー、50Wファイバーレーザーなどがあります。高出力レーザーは低出力レーザーよりも高速にエネルギーを発生させます。
- モード：モードは、光ファイバー内のコア（光が移動する場所）のサイズを指します。モードには、シングルモードファイバーレーザーとマルチモードファイバーレーザーの2種類があります。シングルモードレーザーのコア直径は小さく、通常8から9マイクロメートルであるのに対し、マルチモードレーザーの場合は大きく、通常50から100マイクロメートルあります。一般的に、シングルモードレーザーはレーザー光をより効率的に伝達し、ビームの質も優れています。
ファイバーレーザーは他の多くの方法で分類できますが、ここで言及されている分類が最も一般的です。製品に統合されたファイバーレーザーの例を確認する場合は、次のリンクを参照してください。
ファイバーレーザーと炭酸ガスレーザーの違いは？
ファイバーレーザーと炭酸ガスレーザーの主な違いは、レーザービームが生成される光源です。ファイバーレーザーでは、レーザー光源はシリカガラスに希土類元素を混合したものです。炭酸ガスレーザーでは、レーザー光源は二酸化炭素を含むガスを混合したものです。
光源の状態により、ファイバーレーザーは固体レーザーと見なされ、炭酸ガスレーザーは気体レーザーと見なされます。
また、これらのレーザー光源が作り出す波長も異なります。例えば、ファイバーレーザーは780 nmから2200 nmの範囲の短い波長を発生させます。一方、炭酸ガスレーザーは通常9,600nmから10,600nmの長い波長を発生させます。
それぞれ波長が異なるため、別の用途に使用されます。例えば、金属加工用途では1064 nmのファイバーレーザーが通常好まれます。レーザー切断ははっきりとした例外で、金属の切断には炭酸ガスレーザーがより好まれます。また、炭酸ガスレーザーは有機物質とうまく反応します。
炭酸ガスとファイバーレーザーのどちらを選択するかについては、こちらの記事を参照してください。
ファイバーレーザー機器とは？
ファイバーレーザーシステムを使用可能なソリューションとして設計した場合、そのソリューションはファイバーレーザー機器と呼ばれます。OEMレーザーシステムが動作を実行するツールであるのに対し、レーザー機器はツールが統合されたフレームワークです。
レーザー機器は次のことを可能にします。
- レーザーによる安全性とヒュームの抽出により作業者が100%安全
- 機械部品を含み作業を自動化、またはオペレータの作業を容易化
- 特定の操作に合わせてレーザープロセスを微調整可能
例えば、ここに示すファイバーレーザーマシンには、ロータリーテーブル、円型割出台、クラス1レーザー安全エンクロージャ、排煙システム、ビジョンカメラ、HMIが含まれています。
ファイバーレーザー機器に関するその他の例を確認する場合は、次のリンクを参照してください。
ファイバーレーザーの継続使用時間は？
オンライン上のほとんどの情報源によると、ファイバーレーザーは10万 時間、炭酸ガスレーザーは3万 時間継続使用できるとのことです。これは完全な真実ではありません。これらの数値は「平均故障間隔」（MTBF）と呼ばれる値を示しており、すべてのファイバーレーザーで同じというわけではありません。実際には、ファイバーレーザーの種類によって異なる数値が表示されます。
MTBFは、障害が発生するまでにレーザーが機能すると予想される時間を示すことによって、レーザーの信頼性を測定します。複数のレーザーユニットをテストし、稼働時間の合計を故障の合計時間で割ることで求められます。
この値は、ファイバーレーザーの継続使用時間を正確に示すものではありませんが、レーザーの信頼性を示しています。
ファイバーレーザーの正確な寿命を本当に知りたいのであれば、そのような答えはないのでがっかりするかもしれません。実際には、ファイバーレーザーには寿命の中で故障が起こり得る時として、重要なポイントがあります。
以下が、レーザーに障害が発生した場合に知っておく必要があることです。
- 使用の初期段階：ファイバーレーザーに製造エラーがある場合、初期段階で障害が発生する可能性が高くなります。レーザーを無料で交換できるように、製造エラーをカバーする購入保証があることを確認する必要があります。
- 通常の使用段階：初期故障があり得る最初の使用段階を過ぎると、MTBF値からレーザーが故障する可能性を知ることができます。高いMTBFは、すべてが順調に進むことを確信させるものではありますが、保証するものではありません。予備のレーザーを用意する、修理中にレーザーをレンタルする、長期購入保証をつけるなど、さまざまな方法で通常の使用期間中の故障に備えることができます。
- 使用の最終段階：ファイバーレーザーの寿命が近づくと、故障の可能性が飛躍的に増加します。その場合でも、高品質の産業用レーザーはMTBFをはるかに超えて動作することが多くあります。
ファイバーレーザーの仕組み（そしてその構成部品）は？
ファイバーレーザーは、半導体レーザーと呼ばれるものからの励起光を使用します。これらのダイオードは光を発し、光ファイバーケーブルに送られます。その後、ケーブル内に配置された光学構成部品を使用して、特定の波長を生成して増幅します。最後に、生成したレーザービームを成形して放出します。
以下が、この動作を実行するために各構成部品を使用する方法です。
ステップ1半導体レーザーで光を作る
半導体レーザーは電気を光子、つまり光に変換し、光ファイバケーブルに送り込みます。そのため、「励起光源」とも呼ばれます。
光を発生させるために、ダイオードは異なる電荷を帯びた2つの半導体を使用します。
- 1つ目は正電荷を帯びていますが、これは電子が欠乏していることを意味しています。
- 2つ目は負荷電を帯びていて、余分な電子、つまり自由電子を持っていることを意味します。
正と負の電荷が出会うと、結合しようとします。しかし、そのためには自由電子が光子として放出されなければなりません。 半導体に電流が流れると、光子の量は急速に増加します。
その光が光ファイバーケーブルに送り込まれ、レーザービームの生成に使用されます。
ステップ2光ファイバケーブルに励起光が誘導される
本来、光はあらゆる方向に進みます。光を一方向に集中させてレーザービームを生成させるために、光ファイバーケーブルはファイバーコアと金属被覆材の2つの基本構成部品を使用します。
- コアは光が移動する場所です。シリカガラスでできており、ケーブルの中で唯一希土類元素を含んでいます。
- 金属被覆材はコアを囲む物質です。光が金属被覆材に当たると、コアに跳ね返ります。これは、金属被覆材が全反射するために発生します。
全反射は、金属被覆材の屈折率がコアよりも低いことが原因で発生します。自然界でも同様の効果が見られます。たとえば、水中にある物体を見ると、変形しているように見えます。これは、光が空気から水に移動するとき、異なる屈折率にぶつかったことで方向が変わることが理由です。光がコアから金属被覆材に伝わる場合も同様ですが、方向の変化によって反射が生じる点が異なります。
金属被覆材がなければ、光はあらゆる方向に進み、コアから出ることになります。しかし、金属被覆材の屈折率が要因となり、光はコア内にとどまり、通過し続けます。
光がファイバーケーブルを移動する様子は、次の動画から確認できます。
ステップ3光はレーザー共振器で増幅される
励起光は光ファイバーケーブルを移動し、最終的にはレーザー共振器（特定の波長の光のみが発生するケーブルの小さな領域）に入ります。物理工学者によると、この領域ではファイバーと希土類元素が混合されているため、ファイバーに希土類が「添加」されているとのことです。
添加ファイバーからの粒子が光と相互作用すると、その電子はより高いエネルギー準位に上昇します。基本状態に戻る際には、光子や光の形でエネルギーを放出します。物理工学者はこれらの現象を「電子励起」と「電子緩和」と呼びます。
レーザー共振器は、光が「ファイバー・ブラッグ・グレーティング」と呼ばれるものの間を往復する共振器としても機能します。これが「放射線の誘導放出による光増幅」、すなわちレーザーを発生させます。簡単に言うと、ここでレーザービームが生成されます。
ブラッグ・グレーティングには、2種類あります。
- 1つ目は鏡の役割を果たし、光を反射して共振器に戻します。
- 2つ目は選択的な鏡として機能し、光の一部を共振器から外に出し、残りを共振器に戻します。
ここで増幅が起こる仕組みを説明します。光子が他の励起粒子にぶつかると、これらの粒子も光子を放出します。ブラッグ・グレーティングは光子を共振器に反射し、より多くの励起光が共振器に送られるため、指数関数的に数の光子が放出されます。
この放射線の誘導放出の結果、レーザー光が生成されます。
ステップ4特定の波長のレーザー光が作られる
添加ファイバーによって生成される波長は、レーザー共振器に添加している元素によって変化します。これは用途によって使用する波長が異なるため、非常に重要です。添加している元素にはエルビウム、イッテルビウム、ネオジム、ツリウムなどがあります。例えば、イッテルビウム添加ファイバーレーザーは1064 nmの波長を発生し、レーザーマーキングやレーザークリーニングなどの用途に使用されます。
添加している元素に応じて特定の粒子が特定の光子を放出するため、異なる波長を生成します。そのため、レーザー共振器内で発生する光子はすべて同じ波長です。これが、各タイプのファイバーレーザーが特定の波長を生成し、その波長のみを発生させる理由を説明しています。
ステップ5レーザービームを成形して放出する
共振器から出た光子は、ファイバーの導光特性により高度に集束された（または直線になった）レーザービームを形成します。実際、ほとんどのレーザー用途において集束しすぎています。
レーザービームに望ましい形状を与えるために、レンズやビーム拡大器などの異なる構成部品を使用することができます。例えば当社のファイバーレーザーは、素材を掘り下げるレーザー用途（すなわち、レーザー彫刻とレーザーテクスチャリング）には焦点距離254mmのレンズを搭載しています。この場合、焦点距離が短いので、より強力なレーザーアブレーションを得るためにエリアに多くのエネルギーを集中させることができます。
他の種類のレンズには異なるメリットがあるため、エキスパートは特定の用途にレーザーを最適化する際に慎重にレンズを選択します。
レーザーパラメーターとは？
すべてのレーザーとレーザーアプリケーションが同様のパラメーターを使用するわけではありません。例えば、レーザー切断とレーザーマーキングでは異なるパラメーターを調整する必要があります。ただし、一部のパラメータはすべての種類のファイバーレーザーで使用されます。以下が、最も目にする可能性の高いものです。
波長
画像提供：アメリカ国立標準技術研究所
ファイバーレーザーによって生成される波長は、レーザー光の電磁放射レベルに相当します。通常、ファイバーレーザーは780 nmから2200 nmの波長を発生させますが、赤外線スペクトルに位置するため、人間の目には見えません。この範囲の赤外線は、金属やゴム、プラスチックによく反応する傾向があるため、幅広い素材処理用途に有用です。
グリーンレーザーなどの一部のファイバーレーザーは、金、銅、シリコン、柔らかいガラスなどの柔らかい素材によく反応する可視光を発生します。グリーンファイバーレーザーは、ホログラフィー、治療、手術などにも使用されています。
これらのレーザーは、可視光を発生させるために追加の構成部品を必要とします。Laser Focus Worldのジョン・ワランスがその方法を説明しています。
[...]実際のところ、レーザーファイバー内部から可視レーザー光を生成するファイバーレーザーは市販されていません。しかし、ラマンシフト、周波数倍増、周波数合計混合、またはこれらの組み合わせなどの外部の周波数変換によって、近赤外（IR）発光ファイバレーザーから可視光を得ることができます。
フォトニクス製品からの抜粋：ファイバーレーザー：可視光ファイバーレーザーは、Laser Focus World によって赤、緑、そして今では青みを帯びています。
動作モード
動作モードとは、レーザービームが放出される方法のことです。ファイバーレーザーは通常、連続波またはパルスモードで動作します。
連続波動作モードでは、連続的で途切れないレーザービームが放出されるため、レーザー溶接やレーザー切断などの用途に最適です。
パルス動作モードでは、設定された繰り返し率で短いパルスが放出されます。パルスレーザービームはより高い最大出力に達するため、レーザー彫刻やレーザークリーニングに最適です。このモードには、次のパラメータが含まれます。
- パルスエネルギー：パルスエネルギーは、各パルスに含まれるミリジュールの値です。通常、各パルスには1 mJのエネルギーが含まれます。
- パルスの継続時間：パルスの持続時間は、パルス長やパルス幅とも呼ばれ、各パルスの持続時間です。短いパルスは短時間で同じエネルギーを集中させるため、より高い最大出力に達します。パルスの持続時間はマイクロ秒、ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒で表すことができます。
- 繰り返し率：パルス繰り返し数は、1秒間に放出されるパルスの数です。これはパルス周波数とも呼ばれ、kHzで表します。100 kHzは毎秒10万パルスに相当します。
電力
レーザー出力とは、レーザーによって1秒間に生成できるエネルギー量のことです。また、「標準出力」、「出力電力」とも呼ばれます。
パルスレーザーは、別のパラメータである最大出力を示すこともあります。最大出力は、1回のパルスで到達するエネルギーの最大量です。例えば、100Wのパルスファイバーレーザーは、簡単に最大出力10,000Wに達することができます。これは、パルスレーザーは連続波レーザーとは異なり、エネルギーを時間の経過に沿って均等に分配しないためです。
ビームの品質
ビームの品質は、そのビームがガウスビームと呼ばれるものにどれだけ近いかを示します。実際の用途においては、この値はレーザービームの焦点がどれだけ合っているかを示すため、品質に関連します。
数学的に言うと、完全なビーム品質はM2=1と表されます。よく集束されたレーザービームは、より小さなエリアに多くのエネルギーを集中させます。レーザー彫刻やレーザークリーニングのような用途には高品質のレーザービームが必要ですが、レーザー溶接のようなアブレーションを必要としない用途には品質の劣るビームの方が適している場合があります。
