技術トピックス

金や銅などの加工用光源への応用が可能な世界最高クラスの高出力・高輝度青色半導体レーザーを開発

今後ものづくり現場でもIoTやAIを活用したスマート工場の普及により、製造工程の自動化・無人化が進むといわれています。半導体レーザーはレーザー強度や波形を遠隔でデジタル制御できるためこうした近未来の工場に最も適しているといわれるレーザー加工用光源ですが、これまではレーザー波長が赤外領域に限られていたため銅や金などの高反射特性をしめす材料の加工には向いていませんでした。一方、青色半導体レーザー※1は、図2に示すように金属に対する吸収効率が高く、従来の赤外半導体レーザーと異なり金や銅などの加工に適しているため、金属加工用次世代レーザー加工機の光源への応用が期待されてきました。しかしこれまで青色半導体レーザーは、プロジェクターや照明、ヘッドマウントディスプレイなどさまざまな機器の光源として広がってきているものの、高出力化と高輝度化を課題としており、本格的な金属加工への利用はまだ進んでいませんでした。
そこで、NEDOプロジェクト※2において、当社と国立大学法人大阪大学は、日亜化学工業株式会社の協力のもと、金属加工用レーザー加工機の光源として応用可能な高出力かつ高輝度な青色半導体レーザーを実現するための研究開発を進めてきました。そして2017年10月24日には、世界で初めて※3青色半導体レーザーの高輝度化により、純銅を積層造形できる3Dプリンタを実現しました。

各種金属の光吸収係数の波長依存性

各種金属の光吸収係数の波長依存性


今回、この研究成果をもとに、当社は世界最高クラスの出力100W・輝度1.3×106W/cm2(直径100μmのスポット)の青色半導体レーザーBLUE IMPACT™(100W)を製品化しました。この製品は、従来の青色半導体レーザー製品に対して5倍の出力と輝度※4を達成しており、従来の製品では実現できなかった、金や銅などの熱伝導溶接、レーザーマーキング、3Dプリンタでの積層向けの光源などへの応用が期待できます(図3、4)。当社でこれまで展開してきた青色半導体レーザーシリーズに今回開発した製品を加え、金属加工用レーザー加工機向け光源としてさらなる展開を図ります。

100W青色LDによる純銅の30µmシートを3枚の重ね溶接した例、左の写真は溶接部を上面から見た様子、右の写真は溶接部の断面の様子

100W青色LDによる純銅の30µmシートを3枚の重ね溶接した例、
左の写真は溶接部を上面から見た様子、右の写真は溶接部の断面の様子


なお、当社と大阪大学は、2018年1月30日から2月1日まで米国サンフランシスコで開催された「Photonics West 2018」に青色半導体レーザーBLUE IMPACT™(100W)を出展しました。また、同時に世界で初めてとなる青色レーザーによる溶接と3Dプリンタの実機によるデモ展示を行い、大変好評を得ました。

高出力・高輝度青色半導体レーザーにより3Dプリンティングした純銅のサンプル(左)と 元にした3Dモデル(右)。写真左のサンプルは下半分が銅粉内に埋もれている状態。

高出力・高輝度青色半導体レーザーにより3Dプリンティングした純銅のサンプル(左)と
元にした3Dモデル(右)。写真左のサンプルは下半分が銅粉内に埋もれている状態。


高出力・高輝度青色半導体レーザーBLUE IMPACT™(100W)の特徴は世界トップクラスの出力と輝度を実現したことにあります。多数のレーザー素子からの光を合成してコア径100μmの細径ファイバーに集約することで、同径においてこれまでの青色半導体レーザーでは実現できていなかった世界最高クラスの高出力(100W)かつ高輝度(1.3×106W/cm2)を達成しています。一般に、金属表面を十分に溶融させるには1.0×106W/cm2以上の輝度が必要とされるのに対し、本レーザーはこれを上回る輝度を達成したことで、青色半導体レーザーによる金属の本格的なレーザー加工が可能になります。レーザーを照射して表面を溶融する熱伝導溶接、レーザーマーキング、3Dプリンタでの積層向けの光源などとしての使用が期待できます。

また、高出力・高輝度青色半導体レーザーBLUE IMPACT™(100W)はレーザー加工用光源として求められる様々な条件に対応しており、高い応用可能性を有しています。波長450nmの青色半導体レーザー素子複数個からの光を一本のファイバーに集光・伝播させているため、100Wの青色半導体レーザーをフレキシブルに取り回すことが可能です。また、独自の精密溶接工法を用いた構造により、光源としてはH88mm×W430mm×D420mm(ファイバーを除く)とコンパクトであり、他の機器への組み込みが容易です。レーザーの出力はパソコンから制御可能であり、連続出力から最大10kHzの変調駆動ができます。加工部周辺への影響が最小限の入熱量で金属を加工可能なため、熱変性領域の小さい高品質・高効率な加工が期待でき、さらなる加工時間の短縮や消費電力の低減にも貢献します。

【用語解説】
※1 青色半導体レーザー
波長400nm~460nmの範囲の青色光を発振する半導体レーザー。
※2 NEDOプロジェクト
高輝度・高効率次世代レーザー技術開発/次世代レーザー及び加工の共通基盤技術開発/レーザー加工プラット
フォームの構築/高輝度青色半導体レーザー及び加工技術の開発 (2016年度~2020年度(予定))
※3 世界で初めて
2017年10月24日付NEDOニュースリリース「世界初、青色半導体レーザーの高輝度化により純銅を積層造形できる3Dプリ
ンタを開発」当時の情報。
http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100864.html
※4 従来の青色半導体レーザー製品に対して5倍の出力と輝度
(株)島津製作所の青色半導体レーザー「BLUE IMPACT」20Wモデルとの比較。

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