「レーザ」とは、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationの頭文字をとったもの。より簡単に言えば、レーザはエネルギーを光に変換し、その光を光学系を通して増幅してから、高エネルギーのビームに集光する。レーザ光が通常の光と異なる点は、平行光にできること、つまり分散しにくくできること、そして集光してエネルギー密度を大幅に高められることである。レーザ光には多くの種類があり、その用途は、娯楽、科学的活動、外科手術から、高度な重工業製造まで多岐にわたる。
すべてのレーザは、基本的な構成要素を共有しています。レーザは、光のパワーを増幅するために使用される利得媒質から始まります。レーザ利得媒質には、ガス、染料、ダイオード、結晶、光ファイバーなどがあります。エネルギー源（電流または光源）は、利得媒質を励起するために使用されます。必要なエネルギーが生成されると、部分反射器や全反射器として知られる反射材料がレーザ出力を制御し、手元のアプリケーションの必要に応じて調整・集光されます。
ナノメートル（nm）またはミクロン（μm）で測定されるレーザの波長は、光波の連続する頂上間の距離である。レーザの波長は通常、深紫外から中赤外（IR）までの範囲で、人間の目には～400～～700nmの範囲で見える。
波長は、多くのアプリケーションにとって重要な考慮事項です。なぜなら、材料は光のエネルギーを吸収する方法が大きく異なることが多いからです。材料は、レーザビームのエネルギーの一部を吸収し、残りを反射します。この2つのバランスにより、異なるレーザ波長を使用する必要があります。波長はまた、顕微鏡、光トラッピング、超音波を含む高度で科学的なアプリケーションにとっても非常に重要です。
特に金属の加工では、約1000nmの近赤外波長が出発点として使用される。これは、近赤外レーザの方が高出力で、複雑でなく、費用対効果が高い場合が多いからです。ほとんどの金属は、近赤外または可視域の光を効率よく吸収する。アルミニウムや銅のような赤外反射率の高い金属でさえ、高出力密度で材料の反射を克服する近赤外レーザで主に加工されます。
様々なポリマー、セラミック、ガラス、その他の非金属は、しばしば中赤外から深紫外までの波長のレーザによって加工される。透明なポリマーやガラスは、実際には近赤外光に対して透明またはほぼ透明であり、近赤外光の大部分を吸収せずに透過させる。そのため、近赤外光を吸収しやすい材料は、ポリマーやガラス層を通して加工することができる。
平均出力とも呼ばれるレーザ出力は、ワット（W）単位で測定されます。レーザの平均出力は、一定期間にどれだけのエネルギーがターゲット材料に供給されるかを表します。レーザの出力要件は、用途によって何桁も異なります。多くのセンシング、データ処理、電気通信、医療、または科学的アプリケーションは、数ミリワットから数十ワットの出力を利用します。非金属加工アプリケーションでは、通常、数ワットから数百ワットの平均出力が要求されます。金属加工アプリケーションでは、一部のマイクロプロセシング・アプリケーションでは数百ワットから、厚い金属の切断や溶接アプリケーションでは数十キロワット以上の電力を必要とします。
このモードは連続波（CW）と呼ばれ、最も一般的なレーザ動作モードです。このモードは連続発振（CW）と呼ばれ、最も一般的なレーザの動作モードです。パルスレーザは、1秒あたりのパルス数（繰り返し率）、レーザパルスの総エネルギー（パルスエネルギー）、パルスによって達成される最高出力（ピーク出力）、各パルスの長さ（パルス持続時間）によって特徴付けられます。
CWレーザと同様に、パルスレーザの出力は平均出力で表されます。パルスレーザは、その平均出力がCWレーザと同じであっても、ターゲットとする材料に異なる影響を与えます。パルスレーザは、周囲の材料への熱影響を最小限に抑えながら部品を加工する場合や、より高いピーク出力が必要な場合によく使用されます。ロングパルス準連続波(QCW)レーザは、高ピーク出力でミリ秒単位で測定されるパルスを利用し、より少ない入熱と低出力のレーザでCWレーザ加工をエミュレートします。ナノ秒および超短パルス（ピコ秒/フェムト秒）レーザは、過剰な入熱が許容されない、あるいは極めて高いピーク出力が要求されるマイクロプロセッシングアプリケーションにおいて、極めて短いパルスを利用します。
一般的に、CWレーザは最も高い平均出力を提供し、結果として最も速い加工速度を実現します。CWレーザとパルスレーザのどちらを使用するかを決定する際には、多くの考慮事項がありますが、スループットと部品品質のバランスをとることが最も重要であることがよくあります。シートメタル切断のような多くのアプリケーションでは、切断速度を大幅に向上させるために高出力CWレーザの恩恵を受け、完璧なエッジ品質を必要としません。しかし、極薄箔のスタックを切断する場合、優れたエッジ品質を確保し、負の熱影響を低減または排除するために、ナノ秒および超短パルスレーザが一般的に使用されます。
左：スポットサイズが大きいマルチモードビームプロファイル。右：スポットサイズが小さいシングルモードのビームプロファイル。
レーザビームがターゲット材料に接触すると、スポットと呼ばれるレーザ光の領域が形成されます。スポットサイズは通常μm単位で測定され、レーザがターゲットとどのように相互作用するかを決定する重要な要素です。スポットサイズは、異なる伝送ファイバーや集光レンズの使用、ビーム伝送とターゲット間の距離の変更、長波長または短波長の使用など、さまざまな方法で制御することができます。
スポットサイズを小さくすることで、ビームのエネルギーをより小さな領域に集中させ、レーザのパワーをより効率的に使用することができます。高いエネルギー密度は、レーザビームが材料を貫通するまでの時間を短縮し、加工速度を向上させるのに有効です。小さなスポットサイズは、さまざまな微細加工アプリケーションや微細な形状を必要とする部品にも不可欠です。しかし、構造溶接のような多くの用途では、スポットサイズを大きくすることが、より広い領域を加工し、必要なビームトラベルを減らすために最適である。
Beam quality, typically measured in M2 for single-mode lasers (typical spot size: 20 to 50 µm) and Beam Parameter Product (BPP) for multi-mode lasers (typical spot size: 100+ µm), is an important and complex laser parameter that, in practice, represents how much a laser beam can be focused. Lower M2 and BPP values correspond with higher beam qualities. A beam quality of M2 = 1 means that the beam experiences no divergence and is considered perfect. Although this is not quite achievable with actual devices, industrial fiber lasers can reliably achieve beam qualities of M2 =< 1.1. For applications that require strongly focused beams like cutting, drilling, and welding, higher beam qualities improve processing speeds and qualities. Some applications, like wide area laser heat treatment and cleaning, do not require particularly high beam qualities, instead benefitting from less focused laser energy.
ファイバー・レーザは、利得媒質となる石英ガラス製の光ファイバー・ケーブルを通して光を導き、電流によって励起される。この伝送方法は、電気を光に効率的に変換することと相まって、CO2レーザのようなレガシーレーザやディスクレーザのような代替技術よりも、ファイバーレーザの方が多くの場合において格段に実用的なソリューションとなっている。複雑な光学系、頻繁なサービス要件、消耗品から解放されたファイバーレーザ技術は、統合が著しく容易であり、レーザベースの製造、医療アプリケーション、および科学的試みに革命的な影響を及ぼしている。
光ファイバーのユニークな特性は、それを理想的なアクティブゲイン媒体およびレーザ共振器材料にします。柔軟で扱いやすく、さまざまな長さに対応でき、ファイバーの体積に対する表面積のアスペクト比が大きいため、熱の除去が容易で熱レンズの発生を避けることができます。さまざまなタイプ、組成、コア径のファイバーを接続することで、ポンプ光源、光増幅、ビーム伝送ファイバーを組み合わせた複雑な光学システムを、自由空間光学系やそれらに固有の汚染、損傷、ミスアライメントのリスクを伴わずに構築することができます。
当社独自の技術プラットフォームにより、IPGレーザは他の競合レーザ技術では達成できない高出力と優れたビーム品質を低コストで実現することができます。IPG独自の設計は、革新的な励起技術と、IPGが数十年にわたる投資と技術革新によって完成させた高性能コンポーネントに基づいています。IPGファイバーレーザ技術の基礎は、クラッドサイドポンプ技術と分散型シングルエミッターダイオードポンプアーキテクチャです。
クラス最高のダイオードポンプ技術は、当社の膨大な電気通信業界での経験と技術投資を活用しています。IPGのシングルエミッターダイオードは、電気通信業界で実証された技術とプロセスを使用して製造されており、各ウェハは厳しい電気通信業界標準に適合しています。これは、短寿命のダイオードバーやバースタック技術を使用した代替の産業用ポンプ製品とは一線を画しています。その結果、IPGのシングルエミッターダイオードは、バースタック型ポンプの1桁高いポンピング輝度と最大2倍の電力効率を提供します。シングルエミッターポンプは、高価で信頼性が低く、高圧脱イオン水を使用する複雑なマイクロチャンネルクーラーを必要とするバースタックとは対照的に、単純な水冷や強制空冷さえも使用することができます。
ファイバー・レーザは、コリメートされたレーザ出力を作り出すために、レーザ・ダイオードからの光をカップリングして集めなければならない。IPGシングルエミッターダイオードの出力は、100ミクロンという小さなコア径のファイバーに集められる。ヴァレンティン・ガポンツェフ博士とイーゴリ・サマルツェフ博士が開発したサイド・ポンピング技術を用いると、多数のポンプ・ダイオードからの光が効率よくアクティブ・ゲイン・ファイバーのクラッドに結合される。ポンプ光はクラッド内で多重反射を受けながら、シングルモード・コアと頻繁に交差し、そこで希土類イオンによって光が吸収・再放出される。このエレガントなメカニズムにより、ダイオードの光をファイバー・レーザ光に卓越した効率で変換します。
ミリワットの出力から100キロワット以上の出力まで、紫外から中赤外まで、連続波からフェムト秒パルスまで、IPGレーザは業界をリードする技術によって駆動され、材料加工、医療操作、科学的試みを含む幅広い用途で結果を最適化します。
最も幅広いファイバーレーザとファイバーレーザの機能が、どのように生産性を最大化し、より多くのことを可能にするかについて、詳細をご覧ください。
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