ファイバーレーザーとは何ですか? 定義、機能、原理、タイプ、光学系、用途、コスト

目次
ファイバーレーザーとは何ですか?
ファイバーレーザーの特徴
 構成と原理
 ファイバーレーザー光学系
 種類と用途
 ファイバーレーザーのコスト

ファイバーレーザーとは何ですか?

ファイバーレーザーは固体レーザーの一種で、希土類元素をドープしたガラスファイバーを利得媒体として使用します。これにより、高い光電変換効率、シンプルな構造、良好なビーム品質が可能になります。

このシステムは、レーザー技術開発および産業用途において主流となっています。その理由としては、光ファイバーの設置面積が小さいため、下流の製造および加工分野での適用範囲が広く、使用率が高いことが挙げられます。もう XNUMX つの理由は、ファイバーレーザーの高い加工適応性により、多くの用途に使用できることです。さらに、ビーム品質も向上し、製造企業のコスト削減と効率向上の効果を最大限に高めることができます。

ファイバーレーザーの特徴

ダブルクラッドファイバー構造を介して希土類元素の吸収スペクトルから高出力、低輝度のLD光源を励起することにより実現される、高輝度のシングルモードレーザーです。
小型で柔軟な設計、高い変換効率、効果的な冷却システムのおかげで過酷な条件下でも動作します。
高い変換効率と低いしきい値を備えた高品質のビームの生成。
各種希土類元素を使用することで0.38～4um帯のレーザー出力を実現。
簡単に調整可能な波長選択と広い調整範囲。
良好な結合と既存の光通信システムとの高い互換性。
光ファイバーデバイスと光ファイバーにより、構造コストが大幅に削減されます。

構成と原理

他の種類のレーザーと同様に、ファイバーレーザーは、利得媒体、ポンプ源、および共振空洞の XNUMX つの部分で構成されます。ファイバーレーザーは、利得媒体として、コアに希土類元素がドープされたアクティブファイバーを使用します。一般に、励起光源としては半導体レーザーが使用される。共振空洞は通常、ミラー、ファイバ端面、ファイバループミラー、またはファイバグレーティングで構成されます。

具体的な動作プロセスは次のとおりです。動作状態では、アクティブファイバ (ゲインファイバ) がポンプ源によって提供されるエネルギーを吸収します。次に、出力レーザーは、アクティブファイバーとファイバーグレーティングで構成される共振空洞によって増幅されます。

シードソース

信号源としても知られるシード源は、レーザー増幅システムにおける放射線増幅の対象です。ここでは、低出力信号を提供するレーザーを「シード」として使用し、この「シード」の状態に応じて増幅システムを増幅させます。

アクティブ光ファイバー

アクティブファイバーは利得媒体として使用され、ポンプ光のエネルギーを信号光に変換して増幅する機能を持っています。

パッシブ光ファイバー

パッシブ光ファイバーは主に光伝送の機能を実現し、波長変換には関与しません。ファイバーレーザーシステムには主にファイバーグレーティングがあり、ファイバーアイソレータにはパッシブマッチングファイバーが、レーザーエネルギー伝送コンポーネントにはパッシブマルチモードラージコアエネルギー伝送ファイバーが使用されます。

現在、国内サプライヤーのパッシブ光ファイバ製品は生産ニーズをほぼ満たしており、超高出力製品に使用されるパッシブ光ファイバのうち輸入光ファイバを使用しているのはごくわずかです。

ファイバーレーザー光学系

ポンプ源

ポンプ光源は、産業用半導体レーザーでレーザー光を出力するための直接光源として使用できます。さらに、ファイバーレーザーに高出力、高輝度のポンプ光を提供するポンプ光源としても使用できます。

ポンプコンバイナー

複数のポンプ光源からのレーザーを組み合わせて光ファイバーに供給することで、より高出力のポンプレーザー出力を実現できます。

エネルギーコンバイナー

エネルギーコンバイナーは、複数の高出力ファイバーレーザーモジュールからのエネルギーを重ね合わせることができます。マルチモードのレーザー光出力を作成する際の中心となるデバイスでもあります。

ファイバーグレーティング

ファイバーグレーティングは、ファイバーコアの屈折率を一定の方法で周期的に軸方向に変調することで形成された回折格子です。ファイバーグレーティングはパッシブフィルターデバイスに属するだけでなく、あらゆる共振器に必要なコンポーネントでもあります。また、レーザーの出力波長と帯域幅も決定し、レーザーモードとビーム品質を制御できます。

レーザーヘッド

レーザーヘッドは、高出力レーザーの長距離かつフレキシブルな出力を現場で実現するための重要なコンポーネントです。また、加工システムとも互換性があり、レーザーによって生成されたレーザーを加工材料に送信して、レーザー加工アプリケーションを完成させることができます。

アイソレーター

アイソレータはレーザーを保護し、戻り光が他の光学コンポーネントに損傷を与えるのを防ぎます。

ストリッパー

ストリッパーは、レーザー内のクラッド光を効果的に除去し、関連デバイスを保護し、出力レーザービームの品質を向上させることができます。音響光学変調器は主に共振器内で使用され、高周波駆動変調技術によって必要なレーザーパルスを変調します。これは、Q スイッチパルスファイバーレーザーのコアコンポーネントの XNUMX つです。

パターンマッチャー

パターンマッチャーは、XNUMX つの異なるタイプの光ファイバーを接続して、接続損失を最小限に抑え、レーザーモードのフィールドのマッチングを最適化するために使用されるコアデバイスです。

種類と用途

動作モードに応じて、最も一般的に使用される XNUMX 種類のファイバーレーザーは、連続レーザーとパルスレーザーです。これらは、切断、溶接、彫刻、マーキング、クリーニング、その他のシナリオで使用できます。

連続レーザー

連続レーザーは、ピーク出力 120KW の連続光ビームを放射します。切断、溶接、ろう付け、穴あけなどに使用されます。半連続レーザー (QCW) は依然としてパルス状ですが、パルス幅が長く、ピーク出力が 23KW で、切断、アーク溶接、穴あけ、ろう付け、金属焼入れ (金属の延性の向上と DC 抵抗の低減) に使用されます。これは、スポット溶接、シーム溶接および穴あけ用途におけるランプ励起 YAG レーザーの代替に特に適しています。連続レーザーと機能的に重複する部分があります。

パルスレーザー

パルスレーザーは、ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒のパルスレーザーに分類できます。より長いパルス幅のナノ秒レーザーは、ピーク出力が 1MW で、スクライビング、エッチング、穴あけ、表面処理、焼き入れ、マーキングなどに使用されます。微細仕上げ用にパルス幅が短いナノ秒レーザーは、急冷、シリコンウェーハ、ガラスの切断に使用されます。

ピコ秒レベルに達するパルス幅を持つピコ秒レーザーは、10MWを超えるピーク出力を持ち、黒色化、サファイアとガラスの切断、太陽光発電とOLEDの切断に使用されます。フェムト秒レベルまでのパルス幅を持つフェムト秒レーザーは、ピーク出力が29MWを超え、板金切断や穴あけ、高精度加工、眼科手術などに使用されています。