成果報告書詳細
管理番号20120000000349
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 「省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発フェーズ 加工用省エネ超短パルスレーザーの実用化技術の研究開発」
公開日2012/6/1
報告書年度2009 - 2011
委託先名株式会社メガオプト
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約現在、加工用として提供されている超短パルスレーザーとして主なものにチタンサファイア(Ti:S)レーザーがある。しかし、そのエネルギー利用効率は1%にも満たず、市販品では数kWもの電力を消費しながら平均出力はわずか1W程度が得られているにすぎない。産業用レーザーでは初期コストとランニングコストが大切なので、このエネルギー効率の低さが加工現場に導入される上での大きな障壁となっている。一方、Ybを活性イオンとした固体レーザーではLD(レーザーダイオード)での直接励起が可能であるために、原理的には、80%を超えるエネルギー効率がLDからの光-光変換効率で期待できる。そこで本研究ではYb:YAGを利用した新しい超短パルスレーザーシステムの実用化のための研究を行う。開発目標は、平均出力20W、繰返し周波数10kHz、パルス幅700fs、電気光効率10%を仕様とする省エネ超短パルスレーザーの実用機プロトタイプ機の製作である。以下に開発課題ごとの成果をまとめる。課題(1):高出力高安定度Yb:YAGレーザー加工機用光源の開発 i)超短パルス増幅共振器高出力モデルの開発- これまでの高効率増幅モジュールを2つ直列に接続したタンデム型チャンバーの増幅共振器を設計試作した。この増幅部単体によるCW発振にて電気-光変換効率10.7%の高効率が得られた。これを元に増幅共振器を構成しパルス増幅試験を行い最大出力30W@100kHz、ビーム品質M2<1.6、光-光変換効率17.6%を達成した。次に、VBG(Volume Bragg Grating)を用いたパルスストレッチャー部とAOTF(音響光学チューナブルフィルター)を用いた補償光学系の設計および評価を行った。AOTFにより増幅前スペクトルのコントロールを行い、増幅後のスペクトルを1.6nm程度に広げることで、圧縮後の最短パルス幅1.4ps(1400fs)を得た。 ii)実用超短パルスレーザーヘッドの設計開発- 予期しない発振器出力の停止や動作の不安定が発生した場合に備えたアラームシステムの構成を検討し設計を行った。また出力安定化の為のLD電源パルス駆動機構の設計を完了した。増幅モジュールのコンパクト化とメンテナンス性向上のための設計開発を行い小型レーザーヘッド(900 x 600 x 300mm)の製作を行った。このレーザーヘッド内に長期安定度を確保するための高安定ミラーホルダーとクリーン化対策を施した構成部品を組み込み、安定度の評価を実施した。またレーザーヘッド内で発生する熱による出力不安定化の対策として熱を効率的に排出するための機構の評価を行った。これにより一定環境下においては高い安定度が得られることを確認した。繰り返し周波数100kHzでの増幅後の平均出力として12.9 Wをシングルモードで得ることが出来た。このときの光-光変換効率は13.2%であった。また現在環境温度変化に対する出力変動は、温度変化25.0±2.5℃に対して出力変動±1%/1℃(10W出力時)となった。課題(2):加工ヘッド用光学系の設計開発 次に、レーザーヘッドからの高品位の空間モードを持つビームを効率よく集光し加工に利用するための加工ヘッドの設計試作を行った。加工ヘッドの機能は、特定の加工に限らず様々な要求に対応可能となる拡張性を持たせている。2インチのワークへの直描加工や薄膜の剥離工程を実現するために、ガルバノスキャナとfθレンズにより、マーキング加工とトレパニング加工を可能とした。このときの加工の位置決め精度0.1μmを達成した。
英文要約Ultrashort-pulse lasers have attracted considerable attention for laser fabrication in a wide range of industrial applications. Although Ti:S lasers are commercially available for ultrashort-pulse laser processing, their energy efficiency is less than 1%. Only 1 W output power is obtained when a power of several kW from the excitation LD (laser diode) is applied. Because the initial and running costs are crucial for industrial use, this low energy efficiency has prevented the widespread use of ultrashort-pulse laser systems. A solid-state laser system using Yb:YAG as a lasing medium can be pumped directly by LDs, and theoretically, its optical-optical efficiency can exceed 80%. The Yb:YAG laser system can achieve both high productivity and high energy efficiency simultaneously. With this background, we have developed a prototype novel ultrashort-pulse laser system using a Yb:YAG crystal, with the aim of achieving an average power of 20 W, a 10 kHz repetition rate, a 700 fs pulsewidth, and an electro–optic conversion efficiency of 10%. The developed Yb:YAG laser system consists of (a) a high-efficiency Yb:YAG ultrashort pulse laser head which has the output level sufficiently high for industrial use, and (b) a beam guidance system which focuses the laser beam onto sample materials efficiently for processing. The results of each subject are described below. 1) High power and high stability Yb:YAG ultrashort-pulse laser for processing: An amplification module for the regenerative amplifier was designed to achieve higher output power and higher electro-optic conversion efficiency. The module has “tandem chamber” shape which consists of two sets of regular Yb:YAG amplification modules in series. A Gaussian TEM00 beam from the amplifier was demonstrated at CW operation. The electro-optic conversion efficiency of 10.7% was obtained. Then amplification test of the tandem chamber is done. When it was driven at a 100 kHz repetition rate, the amplified power had reached to 30 W with a high beam quality (M2<1.6). The optic-optic conversion efficiency was 17.6%. Next, a pulse stretcher using a VBG type grating and the spectral control unit using AOTFs were designed in order to achieve wider spectral width of amplified pulses for ultrashort-pulse operation. We evaluated the system and results of the spectral width of 1.6nm after amplification and the minimum pulse width of 1.4ps after compression were obtained with the regenelative amplifier. An emergency stop system was developed for the case of unexpected miss of the seed laser pulse. Pulse driving system of laser diodes was developed for higher stability operation. We constructed a compact laser head (900 x 600 x 300mm) which contains high stabilization mirror holder and dust-free components. Evaluation of these components was done and it showed high stability under steady condition at room temperature.
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