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レーザマーカ技術入門

レーザ技術入門

レーザの原理・特徴・種類など、レーザの基礎知識をわかりやすく解説いたします。

1.レーザとは

レーザとは

レーザ(LASER)は、「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の頭の文字を組み合わせた言葉で、日本語にすると「放射の誘導放出による光増幅」となります。

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2.レーザ発振

レーザの発振原理

(1)基底状態

原子は芯になる原子核と、そのまわりを回る電子から構成されています。レーザ媒質中の原子がもっとも安定した状態のことを基底状態といいます。

(2)励起状態

基底状態にある原子に外部から光などのエネルギーを与えると、電子がいったん外側の軌道に飛び、高いエネルギー状態(励起状態)となります。(図中2)

(3)自然放出

励起状態の原子は不安定なので、自然に元の基底状態に戻ります。その時にエネルギー(光)を放出します。 これを自然放出といいます。(図中3,4)

レーザの発振原理の解説イメージ

(4)誘導放出

自然放出された光が、他の励起状態の原子に入射し、自然放出光に刺激されて基底状態に戻ります。この時にエネルギー(光)を放出します。これを誘導放出といいます。
誘導放出光は、入射した自然放出光と同じ方向・波長の強いエネルギー(光)となります。(放出される光の波長はレーザ媒質に含まれる原子の種類により異なります。)

(5)反転分布状態

レーザ媒質に対して強力なエネルギーを供給すると、励起状態の原子数が増え(ポンピング)、基底状態の原子数を上回った状態になります。これを反転分布状態といいます。

この状態で外から同じ周波数の光信号(種)を送ると、誘導放出過程により光増幅が行われます。励起状態の原子が連鎖反応的に同一方向に向けて光を放出し、より強い光が得られるのです。

ポンピングによる反転分布状態

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レーザ共振器

レーザ共振器とは、レーザの増幅効率を高くし、多量の光を作り出すための構造をさします。

レーザは前項で説明したレーザ発振原理によって得られますが、実際1回の誘導放出で得られる光は弱いので、増幅させる必要があります。

レーザを二枚のミラーから形成される光共振器の間を往復させることで、さらに誘導放出による光増幅が行われます。増幅された光は片側の部分反射ミラーからレーザとして取り出されます。

レーザ共振器解説イメージ

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ビームモード

ビームモードとは、出力されたレーザ(ビーム)の形状やパワーの分布のことをいいます。

ビームモードはシングルモードとマルチモードの2つに分けられます。ビーム形状が円形でパワーがその中心に集中しているモードをシングルモード、形状は複数の円や楕円でパワーのピークもランダムに分布しているモードをマルチモードといいます。

シングルモードは集光性が良く、ビームの形状も円形なので微細印字・微細加工に適しています。一方、マルチモードの集光性はシングルモードよりは劣りますが、大出力が可能で生産性を向上させる印字・加工に適しています。

シングルモードとマルチモードの例

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3.レーザの特徴

レーザの特徴

レーザは太陽光や蛍光灯、電灯といった通常の光源とは大きく異なっています。ここでは、レーザが通常の光源と比較してどのような特徴を持っているかを説明します。

1.単色性に優れている

通常光は複数の色・波長を含んでいますが、レーザは単色・短波長で、強度の強い光です。この特徴を単色性といいます。

通常光とレーザ光の波長の違い

2.指向性に優れている

通常光は八方に分散しますが(点光源)、レーザは広がりが少なく直進する(平行光源)指向性に優れた光源です。

通常光とレーザ光の指向性の違い

3.コヒーレントな光

レーザは波長とタイミングが重なった(コヒーレントな)光の集まりです。干渉性に優れている光ともいいます。

通常光とレーザ光の波長タイミングの違い

4.エネルギー集中度に優れている

通常光は光の波長、位相、方向がバラバラなのでエネルギーの集中度が低いですが、レーザは単色性・指向性に優れた光のためエネルギー集中性が高く、大きなエネルギー密度が実現できます。

たとえば、太陽光は地球上にほぼ平行に降り注ぐので、太陽光をレンズで集光すると焦点で紙を燃やすことができます。実際は光の絞り込みに限度があり、エネルギー集中性は低いです。

レーザの場合は光の波長・位相・方向が一致しているという特性により、回折限界(※)までレンズで光を絞ることが可能です。そのため、金属をも溶かす高いエネルギー集中が可能です。

このように、エネルギー集中性は、光の絞り込み限界が大きな要因となります。

通常光とレーザ光のエネルギー集中度の違い

※回折限界とは、波の性質をもつ光には、その波長より小さいサイズには絞り込めないという限界があります。これを回折限界といいます。

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4.レーザの種類

レーザの種類について

レーザの種類 結晶 波長(μm) 発振形態 標準加工例
固体
レーザ
基本波 Nd:YOV4
(ネオジウム:イットリウム・バナジウム・オキサイト)
1.06 CW、
パルス
マーキング、トリミング、穴あけ
Nd:YAG
(ネオジウム:イットリウム・アルミニウム・ガーネット)
1.06 CW、
パルス
マーキング、トリミング、穴あけ、溶接、切断
Er:YAG
(エルビウム:イットリウム・アルミニウム・ガーネット)
2.94 パルス (医療用途)
高調波 第2高波波 SHG 0.53 CW、
パルス
マーキング、トリミング、穴あけ、溶接
第3高波波 THG 0.35 マーキング、トリミング、穴あけ、液晶リペア
第4高波波 FHG 0.26 穴あけ、液晶リペア
ファイバレーザ 希土類添加ファイバ 1.06
など
CW、
パルス
マーキング、トリミング、穴あけ、溶接、切断
半導体レーザ 例:GaAlAs(3元)InGaAsP(4元) 0.85
1.3
1.55
CW、
パルス
樹脂溶着、溶接、
マーキング
気体
レーザ
CO2 CO2(炭酸ガス) 10.6 CW、
パルス
マーキング、溶接、
切断、穴あけ、
熱処理
ヘリウム
ネオン
He-Ne(ヘリウム・ネオン) 0.6328 CW (表示用途)
アルゴン
イオン
Arイオン 0.5145 CW 半導体加工、
ウラン濃縮
0.488
エキシマ エキシマXeF 0.4 パルス 光化学反応、
フォトエッチング
エキシマXeCl 0.35
エキシマKrF 0.308
エキシマArF 0.193
液体
レーザ
色素
レーザ
ローダミン他 0.3~
1.2
CW、
パルス
(分光分析など)
固体レーザNd:YVO4,Nd:YAG,Nd:YLFから高調波を生成します。

加工以外の用途例

加工用以外にも身近なところで こんなところに利用されています。

  • コンパクトディスクやDVDの書き込み、読み出し
  • レーザポインタ、レーザプリンタ、バーコードリーダ
  • 光通信、レーザ測距
  • 医療用レーザメス
  • レーザーショー

このほか、小型化、高出力化でさらに応用範囲が広がっています。

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媒質による分類

工業用途のレーザ媒質を大別すると、固体・ファイバ・半導体・気体に分類されます。

(1)固体レーザ

レーザ媒体が固体であるものを固体レーザといいます。

固体レーザは、気体に比べて体積中に原子が多く詰まっているため、レーザ出力は大きく、レーザ加工・レーザ溶接・レーザマーキングなど広い分野で利用されています。工業用の固体レーザには主に、YVO4、YAGなどの種類があります。

(2)ファイバレーザ

レーザ媒体に希土類添加ファイバを用いたものをファイバレーザといいます。シンプルな構造で小型軽量化が可能。また、長時間の安定したレーザ発振が可能です。

(3)半導体レーザ

レーザ媒体が半導体である半導体レーザは固体レーザの一種ですが、一般的に固体レーザとは区別されています。半導体レーザは他のレーザに比べ小型・軽量であり、低出力でもよい用途で主に使用されています。

(4)気体レーザ

レーザ媒体が気体であるものを気体(ガス)レーザといいます。レーザ媒質別に炭酸ガス・ヘリウムネオン・アルゴンイオン・エキシマなどがあります。

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発振波長による分類

発振される光の波長(発振波長)によって分類することができます。ほとんどがレーザ媒体によって、レーザの発振波長はほぼ決まっており、それぞれ限定された波長範囲を持っています。

発振波長による分類図

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