産総研、加工用高出力レーザーのパワーを高精度に制御するシステムを開発

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今回開発した高出力レーザーパワー制御システム

産業技術総合研究所(産総研)は2017年6月14日、加工用の高出力レーザーのパワーを高精度に制御するシステムを開発したと発表した。対向する2個のプリズムからなる素子を用いて光の反射量を精密に調整し、レーザー出力を安定化できることを実証したという。

近年、炭素繊維強化プラスチックなどの複合材料の加工や自動車ボディーなどの鋼板の溶接に、高出力レーザーによるレーザー加工が利用されるようになっている。しかし加工現場では、作業環境の温度変化やレーザー装置の予熱状態などによってレーザーのパワーが揺らぐことがあり、加工の歩留まり向上のため、パワーを安定化する技術が求められていた。

今回開発された技術は、2個のプリズムを使用して反射光のパワーを高精度に制御するものだ。プリズムの底面に光を入射し全反射させると、その過程で光はプリズム底面の外側数百nm程度の範囲に侵出し、その後再びプリズム内部に戻る。侵出した光(エバネッセント光)は、プリズム底面に別のプリズムを近づけることでその一部を抽出できる。抽出される光の量はプリズム間の距離によって変わり、抽出される光が増えると反射光のパワーは減少するため、距離を変えて反射光のパワーを制御できる。

今回用いたレーザーパワー制御方法の原理

今回用いたレーザーパワー制御方法の原理

この原理は以前から知られていたが、今回産総研では、システムの出射口にパワーモニターを設置し、その測定値が目標値に一致するように2個のプリズム間の距離を精密にフィードバック制御するシステムを開発した。また、従来のパワー制御技術では、光の吸収の大きい光学材料が使われていたが、今回開発したシステムは透明度の高いプリズムを使うため、光の吸収に伴う発熱を抑制できる。これにより、高出力のレーザーパワーでも制御が可能となった。

産総研は今回開発したシステムを用いて、波長が1.1μmで2kW/cm2という高出力加工用レーザーのパワー制御の実証実験を実施。実際の生産ラインでの出力変動を想定してレーザーパワーを意図的に変動させたところ、ステップ状に5%以上の変動を与えた場合でも、制御後の変動を、変動直後を除いて0.1%以下に抑制でき、レーザーパワーを安定化することに成功した。また連続的なパワー変動に対しても、制御後は一定値を維持できることを確認した。

今後産総研では、今回のシステムをもとに応答特性の改善を進める。また、このシステムを小型化し、加工用レーザーに内蔵したり、レーザー出射口に設置したりするだけで、レーザーパワーを高精度に制御できるシステムとして、実用化を目指す。さらに、レーザービーム断面の光強度分布を制御することも可能であるため、円形ビーム以外に、矩形や線状など特性や用途に応じたビーム形状を作りだせる制御技術の開発にも取り組むとしている。

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