エンジニアリングのフロンティア：明るさを犠牲にすることなくパワーを拡大する

産業用レーザーの分野では、より高い出力への要求は絶えませんが、出力だけでは欺瞞的な指標です。メーカーにとっての真の課題は、シングル・エミッタから高出力レーザにスケールアップする際に、空間的な輝度を維持することである。 マルチモードファイバーレーザーモジュール. .より多くのダイオードチップを1本のファイバーに集積すると、必然的にビームパラメータ積（BPP）の制約にぶつかります。統合されたシステムのBPPが伝送ファイバの許容量を超えると、余分なエネルギーが熱に変換され、光学コーティングやファイバクラッドの急速な劣化につながります。.

スケーリング ファイバー結合レーザー そのためには、単にエミッターを機械的に「積み重ねる」だけでは不十分である。それは、光路長管理、偏光状態制御、スペクトル密度に対する決定論的アプローチを伴う。この記事では、空間、偏光、スペクトルの高度な結合技術について考察する。 ファイバー結合ダイオードレーザー システムは、精密な材料加工に必要な集束性を維持しながら、キロワットレベルに達する。.

空間的制約：ステップミラーとBPPマネジメント

すべての広域 レーザーダイオード (BAL）には特徴的な非対称性がある。高速軸（垂直）は回折限界に近く、低速軸（水平）は高度にマルチモードである。また ファイバー結合型レーザーダイオード, 内部マイクロオプティクスの主な目標は、発散ビームをファイバーの円形コアに一致する対称的なバンドルに再形成することである。.

ステップミラー建築

複数の単一エミッタを空間的に組み合わせるために、エンジニアは「ステップミラー」または「階段」配置を利用する。各エミッターのビームは、個別の高速軸コリメーター（FAC）と低速軸コリメーター（SAC）によってコリメートされる。これらのコリメートされたビームは、次に、ビームを垂直に「積み重ねる」一連の正確な角度のミラーによって反射される。.

このスタッキングの精度が重要である。積み重ねられたビーム間に隙間があればBPPは無駄になり、重なれば輝度は失われる。高品質の マルチモードファイバーレーザーモジュール の設計では、ビーム間の「デッドスペース」を5マイクロメートル以下に最小化するために、ロボットによるアクティブアライメントを採用している。この密度により、200WモジュールをNA0.15の105マイクロメートル・ファイバーに結合することができ、標準的な産業用ファイバーのNA0.22の限界に対して大きな安全マージンを提供することができる。.

偏光とスペクトル結合：密度の倍増

空間スタッキングがファイバーコア直径の物理的限界に達すると、メーカーは光の他の特性、すなわち偏光と波長に目を向けなければならない。.

偏波ビーム合成（PBC）

レーザーダイオードが自然に偏光した光（通常はTEモード）を発することを利用し、空間的に積層された2組の同じビームを組み合わせることができる。一組を半波長板に通し、偏光を90度回転させる。その後、2セットとも偏光ビーム・スプリッター（PBS）に導かれる。これにより、モジュールの出力は ファイバー結合レーザー 空間フットプリントやBPPを増やすことなく。.

しかし、PBCは熱感度をもたらす。PBSと波長板には超低吸収コーティング（5ppm以下）が施されていなければならない。これらのコンポーネントに吸収された熱は、ビームの焦点位置をずらし、ファイバーへの結合効率を低下させる「熱レンズ効果」を引き起こす可能性があります。.

スペクトルビームコンバイニング（SBC）とWDM

スペクトルコンバイニングは、ファイバーレーザーのターゲット材料やゲインメディアの異なる吸収ピークを利用します。915nm、940nm、976nmの光源を、ダイクロイック・フィルター（波長分割多重）を使って1本のファイバーに組み合わせることで ファイバー結合ダイオードレーザー は前例のない出力レベルを達成することができる。この技術は、重量対出力比が厳しく規制されている防衛・航空宇宙分野におけるハイパワーポンプに不可欠である。.

材料の完全性：はんだの選択から光フィードバック保護まで

の寿命は長い。 マルチモード ファイバー結合型レーザーモジュール は、レーザーが最初に発射されるずっと前に、組立クリーンルームで決定されることが多い。半導体チップからヒートシンクへの移行部は、最も重要な熱インターフェースである。.

硬質はんだAuSnの優位性

ハイパワー ファイバー結合レーザー モジュールでは、インジウム（軟質）はんだの使用が信頼性リスクと見なされるようになっています。インジウムは、工業溶接に典型的な高電流サイクルの下で「クリープ」と熱疲労を起こしやすい。時間の経過とともに、これは「サーマル・グリン」（はんだの移動によってチップが物理的に傾くずれ）につながります。プロ仕様のモジュールは、金錫（AuSn）硬質はんだを使用しています。これには、（チップとサブマウントの熱膨張の違いにより）より複雑な応力緩和構造が必要になりますが、光学的アライメントが50,000時間以上安定して保たれることが保証されます。.

工業加工における後方反射の管理

ある時 ファイバー結合ダイオードレーザー 銅や金のような反射する金属の溶接に使用すると、レーザーエネルギーの一部がファイバーに反射します。保護がなければ、この反射光が内部レンズやダイオードのファセットに当たり、即座に故障を引き起こす可能性があります。.

最近のモジュールには、「後方反射フィルター」やダイクロイック・アブソーバーが組み込まれている。これらのコンポーネントは、ポンプ波長（例えば、915nm）を通過させる一方で、プロセス波長（例えば、1080nmや450nm）を吸収または迂回させるように設計されています。OEMにとって、この保護機能の搭載は一種の保険であり、$5,000レーザーモジュールが単純なワークピースのミスアライメントによって破壊されるのを防ぎます。.

技術仕様マトリックス：波長別カップリングダイナミクス

の条件 ファイバー結合レーザー これは主に光子のエネルギーと半導体材料の効率によるものである。.

ケーススタディEVバッテリー製造のための高効率銅溶接

顧客背景

電気自動車(EV)業界のあるティア1サプライヤーは、従来の1064nm赤外線レーザーを使った薄い銅バスバーの溶接の「スパッタ」と不安定さに悩んでいました。銅の赤外線吸収率は5%以下であるため、非常に高い出力が必要となり、しばしば「バーンスルー」や機械的強度の低下を招いていました。.

技術的課題

その顧客は、銅に65%以上の吸収を持つ450nm（青色）レーザー光源への移行を必要としていました。しかし、青色ダイオード・レーザーは、発散が大きく、青色光子のエネルギーが高いため、小型ファイバーへの結合が難しいことで知られている。目標は、高安定性で200マイクロメートルのファイバーを通して300Wの青色光を供給することであった。.

技術パラメーターと設定

• レーザー光源： 450ナノメートル マルチモードファイバーレーザーモジュール.
• 内部アーキテクチャ： 24個の単一エミッターの空間合成。.
• ファイバー・インターフェース： 200/220 um、0.22 NA、クラッドモードストリッパー付き。.
• 動作モード： 連続波（CW）、変調ランプ付き。.
• コーティング技術： 紫外線による劣化を防ぐイオンビームスパッタリング（IBS）コーティング。.

品質管理（QC）と実施

長期的な安定性を確保するため、モジュールは高湿度環境で500時間の「加速エージング」テストにかけられた。私たちは、ファイバーコア内でのビームの動きである「スポットポインティング安定性」をモニターしました。最終焦点レンズに6軸インバー・スタビライズド・マウントを使用することで、ポインティング・ドリフトを2マイクロメートル未満に抑え、溶接部でのパワー密度を一定に保つことができました。.

結論

450nmの ファイバー結合ダイオードレーザー, 95%によりスパッタが減少し、バスバー接合部の導電性が向上しました。これにより、スパッターが95%減少し、バスバー接合部の導電性が向上しました。このシステムは現在、出力劣化ゼロで14ヶ月間稼動しており、光学系が高い光子エネルギー用に設計されている場合、高度な青色波長カップリングが実行可能な産業用ソリューションであることを証明しています。.

経済的信頼：ワットあたりドル」から「部品あたりドル」へ“

OEM製造の世界では、その購入は大きな賭けとなる。 ファイバー結合レーザー はしばしば間違ったレンズを通して評価される。モジュールが20%安くても、故障率が10%高かったり、より頻繁なメンテナンスが必要だったりする場合、「ワットあたりドル」という指標は意味をなさない。.

診断フィードバックの価値

洗練されたモジュールには、現在、以下のようなセンサーが内蔵されている：

1. 湿度： 内部光学系を曇らせる可能性のある結露を検出する。.
2. 後方反射の強さ： デリバリー・ファイバーの「ヘルス・スコア」をリアルタイムで提供。.
3. ケース温度： ヒートシンクが意図したとおりに機能していることを確認する。.

このレベルの透明性を提供するメーカーは、単に光源を売っているのではなく、“稼働時間予測 ”を売っているのだ。システムインテグレーターにとって、顧客にレーザーモジュールのメンテナンスが必要であることを伝える能力を持つことは、次のような利点がある。 以前 失敗こそが究極の競争優位性なのだ。.

未来予想図：3Dプリンティングとダイレクトダイオードの進歩

次のフロンティアは マルチモードファイバーレーザーモジュール は反応性金属の積層造形（3Dプリンティング）である。青と緑のファイバー結合ダイオードの輝度を拡大するにつれて、高価なファイバー・レーザーから「ダイレクト・ダイオード」システムへのシフトが見られるでしょう。これらのシステムは、業界がBPP管理と熱安定性の限界を押し広げ続けることができれば、より高いウォールプラグ効率とより小さなフットプリントを提供します。.

よくある質問プロフェッショナル・テクニカル・コンサルティング

Q1: なぜマルチモードモジュールに “Cladding Mode Stripper”（CMS）が必要なのですか？

A: 高出力ファイバー結合レーザーでは、ずれたり反射したりした光はコアではなくファイバーのクラッドに入射します。クラッド光はコア光のようにガイドされることはなく、通常はプラスチックである保護ジャケットを通して漏れ出します。この「不正な」光を安全に吸収し、金属ヒートシンクに放散する CMS がないと、ファイバー・ピグテールは発火します。.

Q2: 「サーマル・ブルーミング」はファイバー・カップリングにどのような影響を与えますか？

A: サーマル・ブルーミングは、内部の光学部品やレーザーダイオード自体が加熱され、屈折率が変化したり、機械的マウントがわずかに膨張したりすることで発生します。その結果、ビームの発散が大きくなります。発散が大きくなりすぎると、ビームはファイバーコアの端を越えて「ブルーム」し、結合パワーが直ちに低下します。.

Q3: 必要以上に大きなファイバーコアを使用するメリットはありますか？

A: 105umに収まるモジュールに200umのファイバーを使用すると、ファイバー面のパワー密度が下がり、コネクターの寿命を延ばすことができます。しかし、輝度も低下します。アプリケーションで非常に小さく強いスポット（切断など）が必要な場合、ファイバーが大きくなるのは不利です。広範囲の加熱やクラッディングを行うだけであれば、より太いファイバーの方が安全で堅牢な選択です。.

Q4：「波長安定化」ポンピングの影響は？

A: 励起に使用されるファイバー結合ダイオードレーザーでは、（VBGを介した）安定化により、パワー（電流）を変化させても波長がドリフトしないことを保証します。ファイバーレーザーの吸収は非常に特定の波長（例えば976nm）でしか効率的でないため、これはファイバーレーザーにとって非常に重要です。安定化がなければ、ポンプ・パワーを上げると波長はドリフトし、吸収は低下し、システムは不安定になります。.

Q5: このモジュールを100%のデューティ・サイクルで運転できますか？

A: 産業グレードのマルチモードファイバー結合レーザーモジュールユニットは、冷却システム（チラーまたはヒートシンク）がベースプレート温度を指定された範囲内（通常20～30℃）に保つことができれば、100%のデューティサイクルで24時間365日動作するように設計されています。.