成果報告書詳細
管理番号20120000000238
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発 エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発 省エネルギーレーザ加工のための高効率ファイバ結合型レーザ光源の研究開発
公開日2012/5/10
報告書年度2008 - 2010
委託先名三菱電機株式会社 株式会社フジクラ
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー部
和文要約本研究開発では、今後ますます拡大が予測される産業製造プロセスにおけるレーザ加工の省エネルギー化を目的として、全レーザ中で最も効率の高い半導体レーザ(LD)を対象として高効率・高出力・高ビーム品質のファイバ結合型LD光源を開発するとともに、これを励起源として高効率のモードコンバータとなる高出力ファイバレーザを開発する。LD光源は高効率ではあるが、ビームの集光性が低く、直接加工適用や高密度のファイバレーザ励起に適した光密度が得られないという課題がある。高出力ファイバレーザにおいては、高い光エネルギーが集中するために損傷を生じやすく、信頼性が低いという課題がある。また、ファイバレーザでは微細加工に多用されているパルスエネルギー1mJを越える高エネルギーパルス動作が困難であるという課題がある。本研究開発ではこれらの課題に対して以下3項目の研究開発を実施した。(1)高密度ファイバ結合型LD光源の開発 ア)高効率LDチップの開発:LDチップガイド層厚の最適化等の開発により、最大電気効率65.7%の高効率LDチップの開発に成功した。また、高いファイバ結合効率が得られる独自仕様の高輝度LDチップを実現した。 イ)高密度ファイバ結合型パッケージの開発:ファイバ結合効率を向上させる独自の結合光学系を開発した。また、ファイバ結合効率の観点から高輝度LDチップの仕様設計を行った。これらの開発により、コア径105μm、ファイバ端出力50Wで、電気効率52.3%の高密度ファイバ結合型パッケージを開発し、所期の目標を達成した。(2)高出力ファイバレーザの開発 ア)高耐力ファイバコンポーネント開発:独自の分散型励起コンバイナやFBG(ファイバブラッググレーティング)等の接合部の低発熱化により、高出力動作を実現するための高耐力ファイバコンポーネントの開発に成功した。 イ)高出力ファイバレーザ試作:フォトダークニングを抑制した高性能活性ファイバ(Yb添加ダブルクラッドファイバ)を開発し、高耐力ファイバコンポーネントと組み合わせて高出力ファイバレーザを試作し、シングルモード(M2<1.3)レーザ出力555W、(1)の成果を反映した電気効率29.4%を実証し、所期の目標を達成した。 (3)高効率レーザ産業適用のための評価技術開発 ア)レーザ光源基礎特性評価:(1)で開発したLD光源を海外の先端メーカとのベンチマーク評価し、効率で上回り、ファイバレーザ励起特性は同等であることを実証した。 イ)加工適用拡大のための要素技術探索:ラージモードエリア(LMA)ファイバを用いた増幅器構成において、顕著な非線形光学現象を生じることなくパルスエネルギー1.4mJ, パルス幅16nsの高エネルギーパルス動作を実証した。また、独自のモード制御技術の開発にも成功し、所期の目標を達成した。
英文要約Title: Strategic Development of Energy Conservation Technology Project / Preparatory Research Phase (Fundamental Technology Development for Energy Conservation) / Research & Development of Efficient Fiber Coupled Laser Sources for Energy Saving Laser Processing (FY2008-FY2010) Final Report
We carried out 3 research items for the development of efficient fiber coupled laser sources for energy saving laser processing. Consequently, we accomplished final marks in each research item to achieve final target. (1)Development of High-Intensity Fiber Coupled Laser Diode: (a)Development of Efficient Laser Diode Chip: We have investigated the dependence of slope efficiency on thickness of guide layer and the effect of quantum well structure on laser features. As a result, maximum electrical efficiency of 65.7% was obtained. We also have developed a unique laser diode chip of high-brightness by optimizing emitter arrangement. (b)Development of High-Intensity Fiber Coupled LD-Package: Based on beam profile measurement and ray trace simulation, we designed and prototyped a newly-developed optical system to reduce anisotropic beam quality. As a result, we obtained 50W φ105μm fiber coupled output power, with electrical efficiency of 52.3%. (2)Development of High-Power Fiber Laser: (a)Development of High-Power Fiber Components: We investigated the durability of the pump combiner to the optical power of 500W and found that the overheating was caused by the beam divergence angle of the pumping LD module. We optimized the shape of the taper fiber and adopted a cooling structure so that we achieved the pump power of 1000W without causing significant temperature rise of the pump combiner. (b)Trial Manufacturing of High-Power Fiber Laser: We assembled a high-power fiber laser utilizing the result of (a) and double-clad active fibers with single mode core. We realized a fiber laser with an output power of 555W from the total pump power of 1000W with electrical efficiency of 29.4% by adopting a Fabry-Perot cavity configuration. The M-squared value should be less than 1.3 since we utilized single-mode-core fibers. (3)Evaluation of Fiber Coupled Laser Sources: (a)Parametric Study of a High-Power Diode and Fiber lasers: We have investigated performances of a fiber amplifier by using a developed LD module. The energy extraction efficiency of 69% was obtained which was identical with that obtained by using another commercial (German) LD as the pump source. (b)Design Issues of High-Power Pulse Fiber Lasers: We presented the production of high energy nano-second pulses by combining a Q-switched DPSS master laser with a large mode-area (core diameter 30μm) Yb doped fiber amplifier. As a result, we achieved output pulse energy of 1.4mJ, pulse width of 16ns, and a peak power of 87.5kW.
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