成果報告書詳細
管理番号20150000000535
タイトル平成22年度-平成26年度成果報告書 次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト 次世代レーザ加工技術の研究開発(2)
公開日2015/7/18
報告書年度2010 - 2014
委託先名国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P10006
部署名ロボット・機械システム部
和文要約本事業では、今後大きな市場の成長が期待されるファイバーレーザー加工分野において、自動車用として拡大が見込まれる炭素繊維複合材料(CFRP)のレーザー加工や金属の3Dプリンター技術を対象にした高出力ファイバーレーザーの開発を行った。高出力パルスファイバーレーザーは、それぞれ種光源、前置増幅部、主増幅部からなる3つのユニットから構成される。種光源としては、連続発振ファイバーレーザーと強度変調器を組み合わせた任意波形発生技術、および狭線幅半導体レーザーの直接パルス電流駆動によるパルス幅可変発振器(パルス幅:250ps〜70ns、繰り返し周波数:150kHz〜5MHz)、3波長(1035, 1040, 1045nm)の種光源を製作した。これらの種光源を、前置増幅部として、ラックマウントタイプのYb添加シングルモードファイバーと口径25µmのLMAファイバー増幅器により5W以上まで増幅した。主増幅器には、ロッド型フォトニック結晶ファイバー[PCF]を採用し、コア径55µm PCFの出力を2分岐して各々85µm PCFで増幅する主増幅器を設計しPCF1本あたりの最大出力215W以上(メーカー推奨運転130-160W)でビーム品質M2値約1.3を得た。各ユニットの主増幅器は55µm PCF 2本と85µm PCF 4本から構成され、4ビーム出力をビーム結合により最大合計出力500W以上に合成した後に、異なる波長で動作する3ユニットの最大合計出力として約1.5 kWを得た。各ユニットの4本出力の合成にはコヒーレントビーム結合を採用した。新規の位相制御(光路長制御)フィードバックアルゴリズムを開発することにより、結合パワーの不安定性を0.8%以下(P.V.値、従来法に比べて半分以下)に抑制することに成功した。開発したアルゴリズムを基にして、2ビームコヒーレント結合用のフィードバック制御器を設計・製作し、パルスファイバーレーザーシステムへ導入した。パルスファイバーレーザーの2ビーム結合では、結合前レーザーパワー300Wに対して効率95%(結合出力276W)を達成した。さらに、4ビーム結合では、結合前レーザーパワー513Wに対して効率75%(結合出力380W)を達成した。
これらの技術を基盤に、パルス幅:10ns、繰返し周波数:1MHz、波長:1064nm、平均出力:150Wおよびパルス幅:100ns繰返し周波数:1MHz、波長:1064ns、平均出力:150Wのパルスファイバーレーザーモジュールを開発し、CFRPのレーザー切断および粉末成型の加工評価をそれぞれ行った。
 また、最終目標である2倍高調波600W、3倍高調波200Wを達成するために、2個の波長変換モジュール出力の偏光ビーム合成方式を採用し、基本波入力680W(繰返し15kHz、パルス幅5ns)において2倍高調波出力340W、変換効率50%を達成した。3倍高調波実験では、基本波入力470W(繰返し15kHz、パルス幅5ns)に対して、3倍高調波出力106W、変換効率22%を達成した。
 次に、アニール用グリーンレーザー装置の開発を行った。基本波702W、グリーンレーザー出力180Wを達成した。当該レーザーをアニール実証実験及び評価のための加工機に供給し、アニール用グリーンレーザー装置の性能評価及び信頼性の確認を行った。さらに、アニール加工の高性能化および実用化に向けた大出力グリーンレーザー光の発生と制御の検討を行った。アニール加工の実証試験の期間中にレーザー装置の信頼性を実証し、累積25億ショットの稼働実績を達成し、実用化の見通しを得た。
英文要約High power pulsed laser systems, which is expected for the growth of the big market, have developed for applying the carbon fiber reinforced plastics (CFRP) processing and 3D printer technique. The high power pulsed fiber laser consists of three units each of which has a seed pulse source, preamplifiers and main amplifiers. Two types of seed pulse sources were prepared. The first one is CW fiber laser coupled with an amplitude modulator for the generation of arbitrary pulse waveform. The second one is three sets of pulsed laser diode (LD) oscillators each of which operates at the different wavelength (1035, 1040 and 1045nm) with continuously variable pulse width (from 250 ps to 70 ns) and repetition rate (from 150 kHz to 5 MHz). The seed pulse train was amplified to >5 W using a rack-mount type preamplifier consisting of Yb-doped single mode fiber and large mode area (LMA) fiber of 25-µm core diameter. We employed photonic crystal fiber (PCF) rods having core diameters of 55 µm and 85 µm, as main amplifier. The output of 55-µm PCF rod was divided into two beam lines of 85-µm PCF rod amplifiers. When the main PCF rod amplifier was seeded with 40 W, a maximum average output power of 215 W and an excellent beam quality M2 of 1.3 were obtained. Each booster unit has four beam lines of 85-µm PCF rod, generating total power exceeding 500 W after the coherent beam combining (CBC). Then the final output power of ~1.5 kW was achieved using a technique of the wavelength beam combining.  To combine four beams of each booster unit, we also adopted CBC technique. The power fluctuation of beam-combined output was improved to ≤0.8% (P-V) by a factor of 2 in comparison with the proportional feedback method by developing a new feedback algorithm for phase-controlled CBC. Based on this algorithm, the beam phase controller was designed and developed. This combine system was introduced into the pulse fiber laser system. In addition, polarization beam combine (PBC) was successfully performed with keeping the linear polarization. Regarding two-beam combination of the pulsed fiber laser, we achieved a combined power of 276 W with an efficiency of 95%. Finally, we achieved an unit output power of 380 W with an efficiency of 75%. Based on these techniques, two laser modules have developed and evaluated for applying the CFRP cutting and 3D printer technique; one laser module is pulse width of 10 ns, wavelength of 1064 nm, repitation rate of 1 MHz, and average output power of 150 W, another one has pluse width of 100 ns and so forth. To achieve the final goal (600-W SHG and 200-W THG), we adopted a method of PBC of outputs from two harmonic converter modules, and then the design targets were 300 W for SHG and 100 W for THG. With an improved crystal holder, we obtained 340-W SHG (conversion efficiency of 50%) at 680-W fundamental power and 106-W THG (22%) at 470-W fundamental power, clearing the design targets.
Hamamatsu Photonics and ILE, Osaka University with Ulvac Inc. developed and constructed a green pulsed laser system for annealing process. We achieved the fundamental wave (1064nm) output power of 702W and the second harmonic generation power of 180W. The laser beam charateristics including pulse width and polarization and others were fully satisfied with the goals. Furghtermore, we evaluated reliability of the laser system due to supplying the green laser beam to an annealing process machine. 2.5 billion shots of the result in long-term operation was recorded without any major troubles. We obtained the perspective for implementation of the annealing green laser system products.
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