材料加工、レーザー手術、リモートセンシングなどのさまざまな用途で、特にレーザーマーキング、さまざまな一般的なレーザー システムが存在します。 これらのレーザー システムの多くは重要なパラメータを共有しています。 これらのパラメータの普遍的な用語を確立すると、誤った表現を防ぐことができ、これらの用語を理解することで、アプリケーションのニーズを満たすレーザー システムとコンポーネントを正しく指定できます。
図 1: 一般的なレーザー材料加工システムの概略図。レーザー システムの 10 個の重要なパラメーターが対応する数字で表されています。
NO.1の波長: レーザーの波長は、放射される光波の空間周波数を記述する基本的なパラメーターです。 異なる波長のレーザーは、さまざまな用途で役割を果たします。 材料処理では、材料が異なると波長ごとに吸収特性が異なるため、材料との相互作用も異なります。 短波長のレーザーとレーザー光学系は、周囲の発熱が少なく、小さくて精密な形状を作成できるという利点があります。 ただし、これらのデバイスは通常、より長い波長のレーザーに比べて高価で壊れやすいです。
NO.2パワー: レーザー出力は通常ワット (W) で測定され、連続波 (CW) レーザーの光出力、またはパルスレーザーの平均出力を表すために使用されます。 パルスレーザーの特徴は、そのパルスエネルギーが平均パワーに正比例し、繰り返し率に反比例することです。 エネルギーの単位はジュール (J) です。 したがって、パルスエネルギーは、平均パワーを繰り返し率で割ることによって計算できます。
図 2: パルス レーザーのパルス エネルギー、繰り返し率、平均パワーの関係を視覚的に表したものです。一般に、高出力および高エネルギーのレーザーはより高価であり、より多くの廃熱を発生します。 出力とエネルギーが増加するにつれて、高いビーム品質を維持することがますます困難になります。
NO.3 パルス幅:レーザーのパルス持続時間またはパルス幅は通常、レーザーが最大光パワーの半分 (FWHM) に達するまでにかかる時間として定義されます。 超高速レーザーは、ピコ秒 (10-12 秒) からアト秒 (10-18 秒) までの範囲の短いパルス持続時間が特徴です。
図 3: パルスレーザーのパルス間隔は繰り返し率の逆数です
NO.4 繰り返し率:パルスレーザーの繰り返し率は、1 秒あたりに放射されるパルスの数を表します。これは、パルス間の時間間隔の逆数です。 前に述べたこととは反対に、繰り返し率はパルスエネルギーに反比例し、平均パワーに正比例します。 繰り返し率が高いほど、レーザー光学素子表面と最終集光スポットの熱緩和時間が短くなり、材料の加熱速度が速くなります。
NO.5 コヒーレンス長:レーザーにはコヒーレンスがあります。これは、異なる時間または位置での電場の位相値の間に一定の関係があることを意味します。 この特性は、レーザーが他のほとんどのタイプの光源とは異なる誘導放出によって生成されるという事実に由来します。 レーザーのコヒーレンスは伝播中に徐々に弱まりますが、レーザーのコヒーレンス長は、その時間コヒーレンスが一定のレベルに留まる距離を定義します。
NO.6 偏光:偏光は光波の電場の方向を定義し、常に伝播方向に対して垂直になります。 ほとんどの場合、レーザーは直線偏光です。つまり、放出される電場は常に同じ方向を指します。 対照的に、非偏光はさまざまな方向を向く電場を生成します。 偏光は通常、100:1 や 500:1 など、2 つの直交する偏光状態間の光パワーの比として表されます。
NO.7 ビーム径: レーザーのビーム直径は、ビームの横方向の広がり、つまり伝播方向に垂直な物理的サイズを表します。 通常、ビーム径は 1/e2 幅、つまりビーム強度が最大値の 1/e2 (約 13.5%) に達する点で定義されます。 この時点で電界強度は最大値の1/e（約37％）まで低下します。 ビーム直径が大きくなると、ビームクリッピングを回避するために必要な光学部品とシステム全体が大きくなり、コストが増加します。 ただし、ビーム径を小さくするとパワー・エネルギー密度が増加し、悪影響も生じます。
NO.8 電力またはエネルギー密度: パワーまたはエネルギー密度は、単位面積あたりのビームのパワーまたはエネルギーを指します。 ビーム直径はパワー/エネルギー密度と密接に関係しています。 ビームのパワーまたはエネルギーが一定のままの場合、ビーム直径が大きくなるほど、パワー/エネルギー密度は小さくなります。 一般に、レーザー切断やレーザー溶接用途などでは、高出力/エネルギー密度のレーザーがシステムの理想的な最終出力となります。 ただし、低出力/エネルギー密度のレーザーはシステム内部にとって有益であり、レーザーによる損傷を軽減し、ビームの高出力/高エネルギー密度領域による空気のイオン化を防ぐことができます。
NO.9 ビームプロファイル: ビームプロファイルは、断面上のビームの分布強度を表します。 一般的なビーム プロファイルにはガウス ビームとフラットトップ ビームが含まれ、それらのビーム プロファイルはそれぞれガウス関数とフラットトップ関数に従います。 ただし、レーザー内部には常に一定数のホット スポットまたは発振が存在するため、理想的なビーム プロファイルに完全に一致する完璧なガウス ビームや完璧なフラットトップ ビームを生成できるレーザーはありません。 レーザーの実際のビーム プロファイルと理想的なビーム プロファイルの差は、通常、複数の測定指標 (レーザーの M² 係数を含む) によって説明されます。
NO.10 ダイバージェンス:通常、レーザー光は平行光であると考えられていますが、実際にはレーザー光は常にある程度の発散を持っています。 発散は、回折による長距離伝播後のビームのウエストに対するビームの拡散の度合いを表します。 ターゲットとレーザー システムが数百メートル離れている可能性があるレーザー レーダー システムなど、作動距離が長いアプリケーションでは、発散が特に重要な問題になります。 ビームの発散は通常、レーザーの半角によって定義され、ガウス ビームの発散角 (θ) は、λ がレーザー波長、w0 がレーザー ビーム ウエストとして定義されます。
NO.11 スポットサイズ: スポット サイズは、集束レンズ システムの焦点に位置する集束レーザー ビームのスポット直径を表します。 材料処理や医療手術などの多くの用途において、当社の目標はスポット サイズを最小限に抑えることです。 これにより、電力密度が最大化され、特に微細な形状を作成できます。 非球面レンズは、球面収差を低減し、スポット サイズを小さくするために、従来の球面レンズの代わりによく使用されます。 一部のタイプのレーザー システムでは、レーザーは最終的にレーザーをスポットに集束しないため、この場合、このパラメーターは適用されません。
図5: イタリア工科大学でのレーザー微細加工実験では、一定光束でスポットサイズが220ミクロンから9ミクロンに減少すると、ナノ秒レーザー穴あけシステムのアブレーション効率が10倍増加することが示されています。
