ファイバーレーザーとは
ファイバーレーザーとは、光ファイバーをレーザー媒体として使用する先進的な技術です。
希土類元素をドープされた光ファイバーをレーザー媒体として利用し、1030～1070nmの基本波長を発振させることが可能です。ファイバーレーザーは、発振形式として連続発振 (英: CW, Continuous Waves) とパルス発振の2種類が存在します。連続発振は高出力であるため主に溶接や切断加工の分野で活用されており、パルス発振は低出力であるためマーキングや微細加工に適しています。
ファイバーレーザーの特徴は、従来の固体レーザーやガスレーザーに比べて、効率が良く、コンパクトで、メンテナンスが容易であることです。また、光ファイバーを通してエネルギーが伝達されるので、光の損失が少なく、高い出力が得られるという利点があります。
ファイバーレーザーの使用用途
ファイバーレーザーの主な使用用途は溶接、切断、マーキング、溶着などです。アルミや銅、真鍮といった反射が強く加工しにくい素材も、ファイバーレーザーを使用することで効率的に加工可能です。
ファイバーレーザーはビーム品質が高く、レンズによって集光しやすい特性を持っているため、小さなスポット径を実現できます。また、パルス発振のファイバーレーザーはマーキングにも適しており、金属やプラスチック、樹脂などさまざまな素材に対応しています。
部品への印字やバーコード印字など、多岐にわたるマーキング方法に対応できるのも、ファイバーレーザーの大きな魅力の1つです。具体的には、深掘り、黒色マーキング、白色マーキング、表面層剥離など、さまざまなマーキング方法を利用できます。
ファイバーレーザーの原理
レーザーは共振器、レーザー媒体、励起源、共振ミラーで構成されていますが、レーザー媒体の違いによって大きく分類されます。媒体にガスを使用する気体レーザーと結晶を使用する固体レーザーの2種類です。
ファイバーレーザーはレーザー媒体に光ファイバーを使用しています。コアは希土類元素がドープされたダブルクラッドファイバーと呼ばれるものです。ファイバー内の内側を第一クラッド、外側を第二クラッドと呼び、LDで励起された光がこの2つの境界で反射します。
励起光が反射を繰り返すとコアに吸収され、そこで誘導放出が行われます。ファイバーの両端には共振ミラーが配置されており、十分に増幅された光が発振されます。ファイバーレーザーは発振方式によって、発振器の構造が異なります。
1. 連続発振 (CW)
連続発振のファイバーレーザーは、励起LDから光がポンプコンバイナを通して共振器に届きます。ここでは共振ミラーでなく、ファイバーブラッググレーティング (英: Fiber Bragg Grating) が用いられているのが特徴です。
増幅された光は、出力ファイバーを通して発信されます。共振器内にミラーがないため光学調整の必要がなく、メンテナンスの時間もコストも抑えることができます。
2. パルス発振
パルス発振のファイバーレーザーの構造のひとつに、MOPA (英: Master Oscillator Power Amplifier) 型があります。これは種光 (シード光) のLDをパルスジェネレータでパルスにし、光ファイバーアンプを通して2段階で光を増幅させます。
MOPA型ではパルス幅や繰り返し周波数を調整できる特徴がありますが、これはパルスジェネレータで制御しているためです。
ファイバーレーザーのその他情報
1. ファイバーレーザーとCO2レーザーとの違い
ファイバーレーザーでは CO2レーザーのような放電準備と冷却用の電気コストが不要になります。一般の試算では、例えばCO2レーザーは スタンバイ時においても20KW以上の電力を消費します。ファイバーレーザーでは、5KW未満の消費電力と約25％未満の電力消費に抑えることが可能です。
CO2レーザーで必要とされるレーザーガスは、ファイバーレーザーには不要です。また、CO2レーザーの光学系は複雑であり、長年使用する際のメンテナンス費用はかさみます。ファイバーレーザーでは、ファイバーに光を集光させる原理から、高い変換効率によりレーザー加工時間の短縮が可能です。
CO2レーザーと比較して約5倍のスピードで切断できます。一方で、ファイバーレーザー加工機はまだまだ高価であり、初期投資費用は2倍程度は必要です。また、厚い金属を切断する場合、集光が良すぎるため切断面を綺麗に仕上げるのは困難です。
2. ファイバーレーザーでの溶接
近年は金属の溶接に、従来用いられてきたCO2レーザーからファイバーレーザーが着目されてきています。その理由はCO2レーザと比較してレーザーの発光効率が高いため、安価なランニングコストが期待されているからです。また、ファイバーに光を閉じ込めて集光させ、発光出力を大きくできるので、異種金属や厚い金属等を比較的短時間で溶接できることも理由として挙げられます。
ファイバーレーザーでは長年スパッタと呼ばれる溶接時の金属屑の飛散に悩まされてきましたが、それも近年のレーザー加工技術の向上で集光ビーム近傍にも出力の比較的弱いレーザ-照射を行う技術が開発されたおかげで、対策されつつあります。
3. ファイバーレーザーの価格
ファイバーレーザーの光源本体においては、一般的に数十万円の価格帯で取引されています。ただし、レーザー加工装置になると、仕様にも大きく依存しますが、数百万円以上になることも珍しくありません。
参考文献
https://www.fiberlabs.co.jp/tech-explan/about-fiber-laser/
https://uw-j.co.jp/fiber-laser-features/
https://www.keyence.co.jp/ss/products/marker/lasermarker/basics/fiber-laser.jsp
https://www.keyence.co.jp/ss/products/marker/lasermarker/processing/surface.jsp