成果報告書詳細
管理番号20110000001011
タイトル*平成22年度中間年報 高出力多波長複合レーザー加工基盤技術開発プロジェクト 次世代レーザー加工技術の研究開発(2)
公開日2011/10/12
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P10006
部署名機械システム部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
【2】レーザー高品位化技術の開発
(1)ファイバーレーザーのパルス制御・高性能化技術の開発
1)ファイバーレーザーのパルス制御技術の開発
波長1064.1~1064.8nmの2種類のシードレーザーを開発した。1つは、DFB-LDを直接変調によりパルス化した。高周波回路設計の制限のためパルス幅5ns~10nsと5ns以下を分離し基板開発を進め、5ns~10ns 75kHz(内部周波数源使用時76.9kHz)の光パルス発生を実証した。5ns以下においては3nsの電気パルス出力と光出力を確認した。もう1つは外部変調器によりパルス化した。パルス幅100ns、繰り返し周波数1MHzである。後段の増幅特性が最適になるよう、光源のビーム品質の安定性、波長の安定性、偏光の安定性、信号対ノイズ比(OSNR)の拡大等を評価しながら、変調・制御の最適化を行った。
2)ファイバーレーザーのモジュール化技術の開発
それぞれのシードレーザーをYb添加のシングルモードファイバー増幅器、LMA化ファイバー増幅器とともに、19インチ汎用筐体に納めた。直接変調のレーザーは5W、75kHz、外部変調のレーザーは70W、1MHzまで増幅できる。光学部品(励起光源、励起光カプラ、アイソレータ、光変調器、Ybファイバー等)の性能向上及びLMAファイバーから出力されるレーザー光を増幅するための基礎技術開発を主体として行った。Ybファイバーに関しては非線形効果抑圧のためのコア拡大(LMA(Large Mode Area)化)を中心とした特殊ファイバー開発、フォトニッククリスタルファイバー(PCF)増幅器の設計を推進した。また励起半導体レーザーの特性を評価しながら、ビーム特性を向上させる開発を開始した。
開発したファイバーレーザーを実際の加工(実践)に導入する前に要求されるレーザービームを実践的に評価するためのシステムを構築した。
3)ファイバーレーザーの高出力化技術の開発
2)で開発したファイバーレーザーの出力を増幅するための、半導体レーザー(LD)で励起される中口径(コア径30 40 m)のLMAファイバー増幅器と大口径(コア径70 100m)のフォトニック結晶ファイバー増幅器の光学配置の検討と励起用LDの光学設計を行い、物品の調達を実施した。大口径ファイバー増幅器の励起用LDでは最大出力200Wが得られた。また、スペクトル特性の測定を行い、冷却水温30℃、電流60A動作時に、中心波長978nm、バンド幅3-5nmが得られた。
英文要約Title : High-power Pulsed Fiber Laser and Processing Technology Project (FY2010-FY2014) FY2010 Annual Report
II. Development of technologies for the advanced laser;
(1) Development of pulse-controllable high-performance fiber laser;
1) Development of technologies for pulse control of fiber laser;
We have achieved goals of first fiscal year of 3-10ns pulse generation and 100ns pulse generation using fiber laser and external modulation. We have also realized high power fiber MOPA systems of 5W and 70W output.;
2) Development of technologies for fiber laser module;
Optical components for photonic crystal fiber (PCF) and amplifier, pumping laser diodes (LD), an LD power supply, a chiller, adjustment mechanical components, and a measuring instrument, etc. were provided. We developed system for evaluation of the developed laser performance.;
3) Technology development for high-power fiber laser.;
A medium -core (30-40 ~m) LMA fiber amplifier and a large-core (70-100 ~m) photonic crystal fiber amplifier were designed and their parts were prepared. As for the pump source the properties of a high power laser diode (LD) were examined to deliver >200W at 978-nm wavelength with a spectral width of 23-5 nm.
(2) Development of the amplifying technologies of pulse laser;
1) Development of kilo-watt booster amplifier;
A laser amplifier head which uses Nd-doped YAG/ YAG ceramics was designed and fabricated. High power laser diodes (LDs) and irradiation optics were also fabricated to attain high energy-density excitation of the laser medium. Maximum gain and maximum temperature were designed to be 5 and ~100 degrees Celsius respectively. For optimization of the composite ceramic booster amplifier, three kinds of the simulation code were evaluated and laser beam diagnostics had been prepared. Furthermore the method to realize compact booster amplifier was discussed.
2) Development of the amplifier technologies of annealing laser;
The booster amplifier system, the optical layout and the system configuration of annealing laser were designed prepared including pumping laser diodes (LDs), a LD power supply and a cooling chiller.
(3) Development of the harmonic generation technologies of high power laser;
1) Development of the technologies for harmonic generation module;
[The harmonic generation module for annealing laser];
An optics system design has started based on a preliminary study of harmonic generation device. The design of a beam control system has started for the annealing process.;
[The harmonic generation module for fiber laser];
The conversion property of the harmonic generation device was examined by use of several ten-W laser. The preliminary design of the harmonic generation module for fiber laser have been prepared.;
2) Technology development for efficient harmonic generation;
To remove the heat effectively from the crystal, several types of thin crystals and their holder were designed and fabricated to ensure near one dimensional heat flow. And the zigzag propagation in crystal was designed to reduce the thermal effect. A calculation code was developed to estimate the temperature dependence on the frequency conversion efficiency. Furthermore the method to enhance the harmonic conversion efficiency was discussed.
(4) Equipment for testing CFRP cutting
For preparing an experimental test stand for CFRP cutting, The methods of modification of existing YAG laser from duty operation to CW pulse mode, the beam transport and harmonic generation were examined.
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