ダイナミックビームファイバレーザ発振器
イスラエルCivan Advanced Technology社のコヒーレントビームコンバイニング（CBC)技術にはレーザ光を高品質のまま結合して高出力化するだけでなく、以下の様々なメリットがあります。
・ビームプロファイルの高速制御
・超高速スキャニング
・超高速ダイナミックフォーカス
OPAはマルチkWのシングルモードファイバレーザでありながら、上記機能を備えた次世代ファイバレーザ発振器です。
ダイナミックファイバレーザでできること
無限のビームシェーピング
位相を制御した複数のレーザ光を結合することで、様々なビームパターンを生成します。
フィールドマッパーやDoEでは一つの光学素子に対して一つのビームプロファイルが原則ですが、CBCではこの制限がありません。無限にプロファイル生成を行うことが可能となります。
ダイナミックファイバレーザではこのようなプロファイルを数分で作成することができます。一度作成したプロファイルは保存しておき、あとから読み込むことも可能です。
そのため、最適なプロファイルを検討するのに、ビームシェーパーの設計⇒製造⇒実験ということが不要になり、時間と費用を大幅に節約できます。
以下の例はダイナミックレーザを利用して生成した各ビームプロファイルでの溶接実験の結果です。
各プロファイルで異なる溶接溶け込み断面が確認できます。ダイナミックファイバレーザを使用するとこのような実験を光学系を変えずに簡単に行うことができます。
以下はハイスピードカメラの映像です。左は溶融池、キーホールが不安定になっているため、スパッターが確認できますが、右側は比較的安定しているのがわかると思います。
このような実験を簡単に実現できます。
超高速スキャニング
ダイナミックファイバレーザでは集光ビームを極めて高速に操作することができます。これにより、擬似的にビームが多点に同時に存在している状態を作ることが可能となります。上述の無限ビームシェーピングはこのようにして作られています。これまでのスピードとは異次元の超高速ウォブリングです。
この時、スキャニングのスピードを変えることで、溶接現象に変化が起こります。以下は無限大（∞）のマークをそれぞれ400Hz、2kHz、20kHz、70kHzで描きながら溶接したときの溶け込み断面写真です。周波数を変えることで溶け込みが異なっているのがわかると思います。この実験では1.5mm厚のSUS304に4.5kWのレーザパワー、160mm/秒のフィードレートでビードオンプレートを実施しています
以下は実験動画です。このような実験も簡単に行うことができます。
以下の例はアルミニウムと銅の溶接を行ったものです。超高速ウォブリングを行ったものは、材料が混ざることがなく、広いビードで非常にきれいな溶接ができています。
超高速ダイナミックフォーカス
ダイナミックフォーカスとはフォーカス位置を光軸上に動作させることを言います。通常レーザ切断では、ピアッシングを行った後、フォーカス位置を一定にしたまま切断が行われます。超高速ダイナミックフォーカス機能を使うとフォーカス位置を上下させながら切断を行うことができます。
以下の例は２つのプロファイルでフォーカス位置一定の場合と超高速ダイナミックフォーカス動作の場合の切断面を示しています。いずれのプロファイルでも超高速ダイナミックフォーカス時の切断面がきれな仕上がりとなっています。
動的ビームシェーピング
ダイナミックファイバレーザではビームプロファイルを動的に変化させることができます。フィールドマッパーやDoEのようなビームシェーパーはスタティックなビームシェーピングができますが、動的にビームプロファイルを変化させることができません。また、マルチコアファイバのようなレーザでは動的にプロファイル変化を行うことができますが、スピード、自由度の点でダイナミックファイバレーザのほうが優れています。ダイナミックファイバレーザでは複雑な形状であっても容易にプロファイル変化が可能です。
非対称なプロファイルを作った際にはこの機能が有効です。非対称なプロファイルでは加工ヘッドの動かし方が難しいです。例えば2スポットを作り、これをタンデムになるように加工ヘッドを動かしたとします。次に加工ヘッドの進行方向を90度ターンさせると、先程までタンデムだったビームがパラレルに変わります。
動的にビームシェーピングすることでこのような状況を回避できます。
他にも、例えば異種材料の多層プレートに穴あけをする際に、各材料ごとに異なるプロファイルで穴あけ加工を行うということも可能です。
ダイナミックファイバレーザの動画特集
ビームプロファイルの高速制御
位相を制御することでファーフィールドでの回折パターンを制御することができます。CBCではこれを利用して加工点でのビームプロファイルを制御することができます。そのため、外部にビームシェーパーを設ける必要がなく、また、ビームプロファイルはほぼ無限に生成可能であるため、加工内容によって光学部品を変更する必要がございません。プロファイルの変更はわずか数十ナノ秒で行うことが可能です。
ダイナミックビームシェーピング動画
超高速スキャニング
位相を制御することでファーフィールドにてピークを動かすことができます。これにより電気光学的にビームをスキャニングすることが可能となります。ガルバノのようなメカ機構では1kHz程度のスキャニングが可能ですが、電気光学的にスキャニングを行うとMHｚレベルでのビーム走査が可能となります。ガルバノスキャナと組み合わせた超高速レーザ加工の実現も可能です。
超高速スキャニング動画
超高速ダイナミックフォーカス
CBCによりフォーカス位置を光軸方向に高速制御することが可能です。これにより、例えばレーザ切断のピアッシングの際にレンズや光学ヘッドを移動させたりすることが不要となります。また、フォーカス位置を高速に動かしながら切断するといったことも可能となります。
超高速ダイナミックフォーカス動画
ビードオンプレート実験動画
ビームプロファイル、変調周波数によりスパッタの振る舞いが変わる様子をご覧いただけます。
OPA6によるビードオン試験（プロファイル３パターン✕変調周波数２パターン）
プロファイル生成ソフトウェア
ユーザオリジナルのビームプロファイルを生成することができます。
ダイナミックファイバレーザ OPA6仕様
| OPA6 6kW | OPA6 14kW | OPA6 21kW | |
| レーザ出力（最小/典型値/最大） | 7/8/9.5kW | 12.7/14/15kW | 20/22/23kW |
| 出力制御範囲 | 10-100% | ||
| 出力安定度 | ±2% | ||
| ビーム品質M2 | <1.1 | ||
| オペレーティング・モード | CW, QCW(5kHz) | ||
| 中心波長 | 1065±5nm | ||
| 偏光 | 円偏光 | ||
| スポット径 | 50-300um ※ご使用のレンズ仕様により異なります | ||
| ビーム走査範囲 | 50-300um | ||
| ジャンプスピード | 25ナノ秒 | ||
| 電気仕様 | |||
| 電圧 | 230V | ||
| 消費電力 | 40kW | 60kW | 90kW |
| 冷却仕様 | |||
| 冷却能力 | 22kW | 44kW | 66kW |
| 冷却水流量 | 173リットル/分 | 235リットル/分 | 379リットル/分 |
| 冷却水温度 | 20±0.5℃ | ||
| 寸法と重量 | |
| 光学キャビネットサイズ | 1940×966×1405mm |
| 電源キャビネットサイズ |
567×817×700mm(8kW) |
| 光学ヘッドサイズ | 675×745×635mm |
| 重量 |
1.2T（光学キャビネット） |
ケーススタディ
