成果報告書詳細
管理番号20120000000699
タイトル平成21年度~23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 大面積ナノ構造材料創製用高出力超短パルスレーザー装置の研究開発
公開日2012/7/26
報告書年度2009 - 2011
委託先名サイバーレーザー株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約本事業では、自動車エンジン内部の機械駆動系の摩擦損失低減、航空機や自動車のボディを外部汚染から守る表面活性をナノ周期構造の作製により実現することで、省エネ効果を達成することができる。本申請テーマにおいては、このナノ周期構造の作製を産業で使用できるレベルにするために、3つのサブテーマに分けて取り組んだ。1)ナノ周期構造の研究(毎秒75mm2の実証)、2)高出力超短パルスレーザーの開発(10W100時間の安定動作の実証、3ps50Wの実証)、3)高出力レーザーの加工性能評価(毎秒375mm2の実証)である。
初年度である2009年には、1)ナノ周期構造の研究において、毎秒15mm2の実証を行った。また、2010年度、2011年度での加工を円滑に行うために、ソフトウェア面、ハードウェア面から加工ステージの整備を行った。応用上非常に重要となる、ビームパターンのフラットトップ化の実験も行い、一定の範囲内ではあるが、フラットトップパターンを得ることに成功した。2010年度は、レーザーパルス照射によるナノ周期構造の形成速度の調査を行い、効率よく加工できるフルエンス、繰り返し周波数、オーバーラップ率、パルス幅などのパラメーターの違いによる加工の違いを測定した。得られた測定結果から導かれた条件下で、5Wの高出力レーザーを照射して金属材料加工スピード毎秒75mm2を実証した。2)高出力超短パルスレーザーの開発では、2009年度に3W、65時間動作、2010年度に5W、50時間、2011年度末までに、10W、100時間安定動作実証、平均出力50W以上の実証を行った。これらは、光学素子の高度な選定、設計変更による各素子への負担の軽減により達成することができた。この成果により、新型超短パルスレーザー装置においても長時間にわたる出力の変動の低減にも繋げることが可能となった。また、新型超短パルスレーザー装置においては、熱的特性の有利な薄ディスクの導入、半導体レーザーの直接励起励起及びパルス圧縮器の排除を行うことによって、従来よりも効率よく出力を得ることを試みた。2010年度より本格的に設計、組み立て、調整を開始し、同年度に35W出力を達成した。この作業中で、光学素子のダメージや光学特性に対する増幅器内出力のマージンを明らかにしており、次の設計へフィードバックを行った。2011年度には、これらのフィードバックに基づく共振器再設計、再調整を行い、半導体レーザー出力が203W時に50.3Wの出力を得ることに成功した。得られたパルス幅も2.1psであり、当初目標の3ps以下を達成している。さらに、2)高出力超短パルスレーザーの開発内の高出力波長変換については、平成21年度には、波長200nm波長変換確認、平成22年度には波長266nmで変換効率5%の実証を行い、目標を達成した。1)の成果と2)の成果を組み合わせた3)の最終的な加工評価については、1.58mm幅で300mm/sの速度で加工した場合に幅全体にわたりナノ周期構造が作製され、毎秒474mm2を達成した。
光源の開発の省エネ効果としては、光源の電気光効率で、0.11%から2.4%と約21倍に向上した。これは、2030年の販売台数を2000台とし、原油換算で考えると、2030年に17万kL/年の削減が見込まれる。
英文要約 In the consignment research program Cyber Laser inc. has developed a high power and high repetition rate ultra short pulse laser of which output pulse irradiation could create nano-periodic structures on surfaces of various, processing resistant materials with a high processing speed. Such nano-periodic structure has been attracting a lot of researcher’s interest to apply it to industrial use such as reduction of dynamic friction loss in the mechanical motion parts in the automobile engine, avoiding of soiling on the surface of vehicles and airplanes. We performed the experimental study for three divided sub-themes, which were 1) investigation of nano-periodic structure and manufacturing it with the speed of 75 mm2/s, 2) development of high power ultrashort pulse laser, 3) evaluation of processing with high power ultrashort laser to achieve the final purpose. In the first year, a prototype of processing machine had been developed with specific functions of servo control with 3 motion axis in order precisely to move irradiation point of the fs pulse beam. We evaluated the processing speed for nano-periodic structures by using a femtosecond laser with a wavelength of 780 nm and a pulse duration of shorter than 250 fs and we achieved a processing speed of 15 mm2/s. Besides, we got started evaluation of a flat top beam shaper for a uniform processing, which converts from a Gaussian beam profile to a flat-top shaped one.
In the second year, on the basis of an experiment to investigate the processing energy for nano-periodic structure, we designed and employed an optical system to expand laser beam using three cylindrical lenses. Using a pulsed laser beam with a wavelength of 780 nm, and a pulse energy of 0.054 mJ, nano-periodic structure was created on a 300 x 300 mm stainless steel plate with a speed of 75 mm2/s was carried out.
We demonstrated the long term operation test using a high power femtosecond laser. We have achieved stable 5-W operation for 100 hours in 2010 and 10-W operation for 100 hours in 2011 by designing the cavity configuration to reduce the laser fluences on the optics.
We have also developed a Yb:YAG thin disk based regenerative amplifier system. We have designed the amplifier cavity not only to match the spatial mode size on the disk to pump region but also to reduce nonlinearity in the amplifier. As a result, we have achieved up to 35-W amplified power with a pulse duration of 2.34 ps in 2010 and 50.3-W with a duration of 2.1 ps in 2011. In the final year of the program, 2011, we have also achieved 474-mm2/s with the 50-W laser pulses.
As a result of development of the 50-W high power ultrashort pulse laser, the effect of reduction of consuming energy will be 170,000 kL per a year because effciency from electricity to optical increase 2.4% from 0.11%.
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