産総研、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

産総研、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

画像提供:マイナビニュース

産業技術総合研究所(産総研)は、同所 物理計測標準研究部門 応用放射計測研究グループ主任研究員の沼田孝之氏らが、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ことを発表した。この成果の詳細は6月14日、日本科学未来館にて開催された国際会議NEWRAD2017にて発表された。

高出力レーザーは、複合材料などの加工が難しい材料の切断や自動車ボディーの溶接などへの利用が拡大している一方で、実際の加工現場においては、作業環境の温度変化などによってレーザーのパワーが揺らぐことがあり、歩留まりの良い加工を行うために、レーザーのパワーを高精度に制御し安定化させる技術が望まれていた。

産総研 物理計測標準研究部門では、レーザー光を高感度に検出する技術やレーザーのパワーを高度に安定化させる技術の開発を進めており、今回、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の開発に取り組んだ。

プリズム底面に一定の角度以上で光が入射すると全反射するが、その過程で、光はわずかにプリズム底面の外側、数百ナノメートル程度の範囲に侵出し、その後、再びプリズム内部に戻って反射光となる。プリズム底面に別のプリズムを近づけると、侵出した光の一部を近づけたプリズムへと抽出できる。このとき、元のプリズム内に戻って、反射光となる光のパワーは、別のプリズムに抽出された分だけ減少する。抽出される光の量は2つのプリズム間の距離に依存するため、この距離を変えれば反射光のパワーを制御できる。

この原理は以前から知られていたが、今回、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。透明度の高いプリズムを用いているため、光の吸収に伴う発熱を抑制でき、これにより高出力レーザーパワーであっても制御できることを実証した。

このシステムを用いて、波長が1.1μm、2kW/cm2という加工用レーザーを制御してレーザーパワーを意図的に変動させた結果、ステップ状に5%以上の変動を与えた場合でも、パワーの揺らぎを0.1%以下に抑制でき、レーザーパワーを安定化させることに成功した。また、300秒から420秒付近の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も確認した。

今後は、開発したシステムをもとに応答特性の改善を進めると同時に、システムを小型化して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、実用化を目指すという。さらに、ビーム形状制御技術の開発にも取り組むということだ。
(早川厚志)

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