ブルーダイレクトダイオードレーザが産業レーザ機能を拡張

ジャン＝ミシェル・ペラプラ ､マシュー ･フィヌフ ､ロバート ･フリッツ ､マーク ･ゼディカー

ハイパワー ､高輝度ブルーダイレクトダイオードレーザシステムは ､銅を高効率 ､低過熱加工する｡

レーザは､エネルギーを正確な場所に供給できる柔軟なツールである｡柔軟で正確なエネルギー送達は､多くの産業アプリケーションにとって望ましいが､送達エネルギー量が作業実現に十分でありさえすればよい｡例えば､溶接､切断､クラッディングはすべて、産業用レーザの立派な候補である｡しかし､最近まで､これらのアプリケーションで使える十分なパワーを持っているレーザは赤外（IR）レーザしかなかった｡米ヌブル社（NUBURU）は､最近､新しいタイプの産業用レーザを開発した｡光ファイバを結合したブルーレーザダイオードで構成されるハイパワーブルーレーザである（図1）｡最初の商用製品､AO-150､は150W 450nmレーザ光源で､その出力は200μm径光ファイバに結合されている｡
　多くのアプリケーションで、ブルーレーザは､IRレーザに対して複数の本質的な強みがある｡第1に､より短波長になると､多くの一般的な産業用材料の吸収性が強くなるからである（図2）｡例えば､銅および多くの他の金属の溶接は､IRの場合と比べると青色波長では、はるかに効率がよい｡積層造形（3Dプリンティング）に使用される多くの材料も､青色波長での加工効率が優れている｡
　材料加工にとって青色光の基本的な物理的優位性は､誰でも知っていることであるが､産業アプリケーションでの青色光の利用は､ハイパワー青色レーザ発振を可能にする技術進歩を待たねばならなかった｡

青色化

ブルーレーザを使う溶接の利点は､吸収の基本的物理学からくる｡そのような固有の利点は､生産的となるだけの十分な光パワーを供給するブルーレーザなら､どれからでも引き出すことができる｡
　第1の重要要素は､ダイオード光源そのものである｡窒化ガリウム（GaN）ベース半導体技術は､急速に進歩し､一般固体照明や関連アプリケーションへ向かって進み､そこから恩恵を得ている｡この一例は､独オスラム社（Osram）のブルーレーザダイオード･マルチダイパッケージ（PLPM4 450）である｡これは､20の個別マルチモードダイオードを単一のパッケージに統合し､総出力>60Wを供給する｡AO150は､4つの独立したパッケージからの個々のダイオード出力を統合し､半自動プロセスでアクティブアライメントしている｡
　すべてのレーザダイオード同様､個別素子の出力は非対称であるので､各出力は､まずは､速軸､遅軸コリメータで円形化される｡これらのマイクロ光学素子は､ダイオード技術の発展にしたがい随伴開発される｡コリメーション後､各ビームの発散は､1.5×4.3mradとなる｡次に個々のビームは､チップモジュールのおのおのからのギャップを満たすように一連のパターンミラーでインタリーブされる｡追加のマクロオプティクスにより､約130×225μm集束ビームサイズになる｡これは､200μm光ファイバへの効果的結合には大きすぎる｡
　ビームは次に一連の光学素子で､さらに調整される｡これには､偏光素子、2.5Xシリンドリカルテレスコープ､非球面結合レンズが含まれる｡ファイバ入力点で､有効開口数0.22､ビームサイズ125×129μmである｡結果は､約95%の効率である｡これには結合効率とファイバ損失の両方が含まれている。図3に示したように､出力ビームプロファイルは､よく調整されていて､非常に対称的である｡
　AO-150設計は､約190W連続波（CW）動作が可能であるが､供給システムは､レーザの長寿命を保証するために150W出力で動作するように設定されている｡安定した機械的､熱的設計､クローズドループ水冷とともに､1000時間で3%を上回るパワー安定性を実現している｡
　このようにシステムエンジニアリングの詳細に注意を払う理由は､青色波長レーザが、多くの産業アプリケーションでIRレーザを凌ぐという期待である｡最初のテストで､その期待の正当性は実証された｡

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出典元
http://ex-press.jp/wp-content/uploads/2018/11/p28-30_ft_novel_lasers.pdf