ファイバーレーザー切断：究極のガイド
レーザーが、まるでバターを溶かす熱いナイフのように金属を切断できることを不思議に思ったことはないだろうか。この魅力的な記事では、ファイバー・レーザー切断技術の背後にある科学を探ります。
最先端技術がどのようにしてこのような精度を実現しているのか、不思議に思ったことはないだろうか。現代工学の驚異であるファイバー・レーザーは、希土類ドープ・ガラス・ファイバーを利用して、高効率で汎用性の高いレーザー・ビームを生成します。この記事では、ファイバー・レーザーの背後にあるメカニズムを発見し、そのさまざまなタイプを探求し、その数多くの産業用途を理解します。高出力の切断から繊細なマーキングまで、ファイバー・レーザーが製造工程にどのような革命をもたらしているか、また従来のレーザー技術より優れているのはなぜかを学びます。レーザー技術の未来を明らかにするために飛び込んでください。
ファイバー・レーザーとは、希土類元素をドープしたガラス・ファイバーを利得媒質とするレーザーのこと。
ポンプ光の作用により、ファイバー内に高パワー密度が容易に形成され、レーザー材料中のレーザーエネルギー準位の「ポピュレーション・インバージョン」を引き起こす。
共振共振器を形成する）適切な正帰還ループを追加すると、レーザー発振出力を形成することができる。
ファイバー材料の種類によって、ファイバーレーザーは次のように分けられる：
(1) クリスタルファイバーレーザー。
作動材料はレーザー結晶ファイバーで、ルビー単結晶ファイバーレーザーやNd3+：YAG単結晶ファイバーレーザーなどがある。
(2) 非線形光ファイバーレーザー。
主な種類には、刺激ラマン散乱ファイバーレーザーと刺激ブリルアン散乱ファイバーレーザーがある。
(3) 希土類ドープファイバーレーザー。
ファイバーの基材はガラスで、希土類元素イオンをファイバーにドープして活性化させ、ファイバーレーザーを作る。
(4) プラスチック・ファイバー・レーザー。
レーザー色素をプラスチックファイバーのコアやクラッドにドープしてファイバーレーザーを作る。
第3世代のレーザー技術の代表として、ファイバーレーザーには次のような利点がある：
ダブルクラッドファイバーの登場は、ファイバー分野における大きなブレークスルーであることは間違いなく、高出力ファイバーレーザーや高出力光増幅器の製造を現実のものとした。
1988年にE・スニッツァーがクラッド励起ファイバー・レーザーについて初めて述べて以来、クラッド励起技術はファイバー・レーザーやファイバー・アンプに広く応用され、高出力ファイバー・レーザーの製造に適した方法となっている。
クラッディング・ポンプ技術は4つの層で構成されている：
ファイバーコア；
内側クラッド；
アウター・クラッド；
保護層。
ポンプ光は内側クラッド（一般に楕円形、正方形、梅花形、D形、六角形などの不規則な構造を採用）に結合され、光は内側クラッドと外側クラッド（一般に円形に設計されている）の間で往復反射され、複数回交差した後にシングルモードファイバーコアに吸収される。
この構造では、ポンプ光がシングルモードレーザーである必要はなく、ファイバーの全長をポンプすることができるため、高出力マルチモードレーザーダイオードアレイをポンプ光源として選択することができ、ポンプエネルギーの70%以上をファイバーコアに間接的に結合し、ポンプ効率を大幅に向上させることができる。
クラッドポンプ技術の特性は、この技術の以下のような優れた性能を決定する。 レーザーの種類:
(1) ハイパワー
マルチモードポンプダイオードモジュール群は、100ワットの光パワーを放出することができ、複数のマルチモードポンプダイオードを並列に設置することで、高出力ファイバーレーザーの設計が可能になる。
(2) サーモエレクトリック・クーラーが不要
この高出力、広域マルチモードダイオードは高温でも動作可能で、必要なのは簡単な空冷だけであり、低コストである。
(3) 広い励起波長範囲
高出力ファイバーレーザーのエルビウム／イッテルビウム希土類元素をドープしたアクティブクラッドファイバーは、広くフラットな光波吸収範囲（930～970nm）を持つため、ポンプダイオードに波長安定化装置を必要としない。
(4) 高効率
ポンプ光はシングルモードファイバーのコアを何度も横切るため、利用率が高い。
(5) 高い信頼性
マルチモードポンプダイオードは、シングルモードポンプダイオードよりもはるかに安定しています。幾何学的に広い面積を持つため、光パワー密度が低く、アクティブエリアを流れる電流密度も低い。
現在，クラッド励起ファイバーレーザーを実現する技術は，リニア共振器シングルエンド励起，リニア共振器ダブルエンド励起，全ファイバーリング共振器ダブルクラッドファイバーレーザーの3つに大別できる。ダブルクラッドファイバーレーザーは、この3つの基本タイプからさまざまなタイプに拡張することができます。
OFC-2002のある資料では、出力3.8W、しきい値1.7W、スロープ効率85%までの新しいタイプのクラッド励起ファイバーレーザーを実現するための構造が採用されている。
製品技術では、700Wのエルビウムドープダブルクラッドファイバーレーザーを開発し、2000Wのファイバーレーザーの発売を発表したアメリカのIPG社が台頭してきた。
パルスファイバーレーザーは、その優れたビーム品質、信頼性、最長メンテナンスフリー時間、最高の総合電気光学変換効率、パルス繰り返し周波数、最小のサイズ、水冷なしの最もシンプルで柔軟な使用方法、最低の運用コストにより、高速・高精度のレーザーマーキングには唯一の選択肢となっている。
ファイバーレーザーマーキングシステムは、1つまたは2つの25Wファイバーレーザー、被加工物に光を導くための1つまたは2つのスキャニングヘッド、およびスキャニングヘッドを制御するための産業用コンピュータで構成できます。この設計は、50Wのレーザーを2つのスキャニングヘッドに分割して使用するよりも4倍以上効率的です。
ファイバーレーザーによる材料加工は、材料の一部がレーザーエネルギーを吸収することに基づく熱処理プロセスである。波長1um前後のレーザー光は、金属、プラスチック、セラミック材料に吸収されやすい。
ファイバー・レーザー成形または曲げ加工は、金属板や硬質セラミックの曲率を変えるために使用される技術である。
集中加熱と急速な自己切断により、レーザー加熱領域で塑性変形が生じ、ターゲット加工物の曲率が永久的に変化する。
出力の継続的な増加に伴い、ファイバーレーザーは工業用切断に大規模に適用されている。例えば、高速チョッピング連続ファイバーレーザーを使用したステンレス鋼動脈チューブのマイクロ切断。
その高いビーム品質により、ファイバーレーザーは非常に小さな集光径を達成することができ、その結果、小さな集光径を達成することができる。 カーフ幅医療機器業界に新たな基準を打ち立てる。
さらに、ファイバー・レーザーの波長は1.3μmと1.5μmという2つの主要な通信ウィンドウをカバーしているため、光通信の分野ではかけがえのない地位を占めている。
高出力ダブルクラッドファイバーレーザーの開発に成功したことで、次のような分野での需要が急速に拡大している。 レーザー加工.
レーザー加工分野におけるファイバーレーザーの具体的な使用範囲と要求性能は以下の通りである：
さらに、紫外ファイバーブラッググレーティングの書き込みとクラッド励起技術の発展により、紫外、青、緑、赤、近赤外を出力する波長変換ファイバーレーザーは、実用的な固体光源として、データストレージ、カラーディスプレイ、医療用蛍光診断などに広く利用されている。
遠赤外波長出力ファイバーレーザーは、そのコンパクトでフレキシブルな構造、調整可能なエネルギーと波長により、レーザー医療や生体工学などの分野にも応用されている。
レーザーの初期の研究は、主に短パルス出力と波長可変範囲の拡大に重点を置いていた。
今日、高密度波長分割多重（DWDM）と光時分割多重技術の急速な発展と進歩は、多波長ファイバーレーザー技術とスーパーコンティニュームファイバーレーザーの進歩を加速し、刺激している。
一方、多波長ファイバー・レーザーやスーパーコンティニューム・ファイバー・レーザーの出現は、低コストのTb/s DWDMやOTDM伝送を実現する理想的なソリューションを提供する。
技術的な実装の観点からは、EDFAによって増幅された自然放出が使用されている、 フェムト秒 パルス技術、スーパールミネッセント・ダイオードなどが報告されている。
ファイバーレーザーは、第3世代のレーザー技術の代表として、他のレーザーに比べて比類のない技術的優位性を持っている。
しかし、短期的には、ファイバーレーザーは主にハイエンドのアプリケーションに焦点を当てると考えています。ファイバーレーザーの普及、コスト削減、生産能力の向上により、最終的には高出力CO2レーザーの大部分とYAGレーザーの大部分を世界中で置き換えることになるでしょう。
MachineMFGの創設者として、私は10年以上のキャリアを金属加工業界に捧げてきました。豊富な経験により、板金加工、機械加工、機械工学、金属用工作機械の分野の専門家になることができました。私は常にこれらのテーマについて考え、読み、執筆し、常にこの分野の最前線にいようと努力しています。私の知識と専門知識をあなたのビジネスの財産にしてください。
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