レーザー加工機の性能を最大化する軸対称偏光ビームへの高速変換・制御技術の開発
大阪大学 レーザー科学研究所
助教 椿本 孝治
（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019222-B3）
キーワード：軸対称偏光，Nd:YAG レーザー、高速スイッチング，コヒーレント結合

１．研究の目的と背景光ビームは、直線偏光を前提として構成される多段増幅器

金属材料、樹脂材料や CFRP（Carbon fiber reinforcedシステムを使った出力増強が難しい。そのため、高いエネplastics）といった複合材料等のレーザー加工では、レールギーを必要とする加工への軸対称偏光の導入が可能とザーの偏光状態が加工効率を左右する重要なパラメータなるような、高いレーザー耐力を有し、増幅後に直線偏光の一つとなる。直線偏光のレーザーでは、加工切断面に対から軸対称偏光へ高効率に変換するための技術が必要とする偏光方向により反射率や吸収率が異なり、加工方向になる。

よる異方性を生じるため、多くの加工機では円偏光が採用

また、軸対称偏光においても、ラジアル偏光は切断加工されている。しかしながら、円偏光は、反射率や吸収率をに適した偏光モードであり、深穴加工ではアジマス偏光が平均化している状態であり、加工機がもつパフォーマンス適していることが知られている。2 種類の軸対称偏光モーを低下させている。一方、金属材料において、軸対称偏光ドを加工材料や形状に合わせて高速に切り替えることがと呼ばれる特殊な偏光を利用することで加工性能が向上できれば、レーザー加工機の最大パフォーマンスを発揮す

する 1)ことが知られており、軸対称偏光の一つであるラジることができる。

アル偏光で連続発振する炭酸ガスレーザー加工機が開発されている。

これらの背景に基づき、本研究では、金属や CFRP など、加工材料や加工状況に応じてレーザー加工機のパフォ

軸対称偏光ビームを発生させる方法は、分割波長板、フーマンスを最大化し、高速、高精度加工を実現することをォトニック結晶、回折格子や液晶空間変調器など、偏光を目指し、「高平均出力パルスレーザー加工機にも導入可能制御する素子を挿入する方法や、固体レーザーの複屈折をな軸対称偏光ビームへの変換と高速切り替えを実現する利用した発振器、偏光特性を持つミラーで構成した発振器レーザーシステム技術」を開発する。など、直接発振させる方法等がある。偏光を制御する素子
は、レーザー損傷が低い、挿入損失が大きいといった問題

２．実験方法があり、発振器単体では蓄積エネルギーが制限されるため

2・1

高平均出力パルスレーザーには向かない。また、軸対称偏図 1 に軸対称偏光ビームの発生、増幅、スイッチング実

図１

実験装置

実験用レーザーシステムのブロックダイアグラム

験に用いたレーザーシステムのブロックダイアグラムを

2・3

直線偏光から軸対称偏光への変換とスイッチング示す。シード光には、波長 1064nm で連続発振しているフ

直線偏光ラゲールビームから軸対称偏光に変換するにァイバー発振器を使った。この光を、LN 振幅変調器を使は、左右円偏光ラゲールビーム変換した後に、ハーフミラって任意のパルス幅、繰り返しでパルスに切り出した。典ーを使ってビーム結合する。この時、2 つのビームの位相型的な繰り返しは 1MHz,パルス幅 10ns を用いている。そ差が０の時はラジアル偏光、位相差がπの時はアジマス偏の後、ファイバー増幅器で 5W まで増幅した直線偏光ビー光が得られる。図 3 に軸対称偏光へ変換とスイッチングのムを前置増幅器通過後、軸対称偏光子に挿入し軸対称偏光構成を示している。軸対称偏光への変換ではハーフミラーに変換した。次に、図中赤枠部分で軸対称偏光からラゲーの出射光としてラジアル偏光とアジマス偏光が現れる。こルガウスビームの左右円偏光に変換した。得られた左右円の時、結合時の位相差でどちら側にどちらの偏光が現れる

偏光をλ/4 板に通し直線偏光に変換した後 7mmΦ×145mmかを切り替えることができる。したがって、ピエゾミラーの Nd:YAG ロッド増幅器 2 台でダブルパス増幅し、1 ビーをパルスに合わせて駆動することで自由に切り替えるこ

ム当たり 50W の出力を出した 。増幅後に再度λ/4 板にとができる。最終的には、片側に 90 度旋光子を入れるこ

通し左右円偏光に戻した後、図中青枠部分で示した軸対称とで同じ軸対称偏光ビームに変換し、2 ビームから 1 ビー偏光スイッチング部でビーム結合させ、軸対称偏光のスイムへ結合した。

2)

ッチングを行った。最後に、図中黄色枠部分で 2 本の軸対称偏光ビームを 1 ビームにまとめ結合出力として得ている。この時、それぞれの光路からラジアル偏光とアジマス偏光が対になって得られるため、出力光として得る前に90 度旋光子を用いて両偏光を揃えている。
2・2軸対称偏光から左右円偏光への変換

軸対称偏光から直線偏光への変換の原理について説明

図３

する。最終的に必要なのは直線偏光であるが、軸対称偏光から直接直線偏光への変換はできない。そのため、一度円軸対称偏光のスイッチング

３．実験成果 3)偏光に変換する。図２に変換の原理図を示す。図に示すよ

3・1

うに、軸対称偏光であるラジアル偏光とアジマス偏光は互軸対称偏光から左右円偏光ラゲールビームに変換され円偏光ラゲールビームの発生いに偏光が直交するように偏光が分布している。この２つている様子を確認するために、結合後の片方のビームを偏の偏光を位相差π/2 でハーフミラーによりビーム結合す光子に通過させた後、カメラにより強度分布を計測した。

る事により、各位置で円偏光が発生する。ただ、発生する

図４に計測した強度分布を示している。アジマス偏光とラ円偏光は、ビーム中心を中心として偏光軸が螺旋状に回転

ジアル偏光のビーム結合は、偏光軸が螺旋状に回転していしている状態になる。これを瞬時で評価すると、面内で位相が螺旋状に 0 から 2πまで変化することになり、これは一般的に、ラゲールビームと呼ばれるものに相当する。ハーフミラーから出射される結合後の 2 ビームは位相差πを持つことから、左右円偏光のラゲールビームが得られることになる。

(a)

(b)

(c)
図２ 軸対称偏光から直線偏光への変換原理

図４ 軸対称偏光から変換したラゲールビーム。
(a)2 ビームの位相差がπ/2 でない場合, (b)位相差がπ/2 の場合の偏光子通過後の強度分布。(c)平面波との干渉パターン。

る状況となるので、すべての断面領域で円偏光となるには偏光からラジアル偏光の切り替えが行えていることが分位相差をπ/2 に保つ必要がある。図 4(a)では位相差がπかる。

/2 からずれているため、部分的に直線偏光となり、偏光子通過後に扇形の強度分布となっている。一方で、図 4(b)では、ピエゾピストンミラーで位相差をπ/2 に保っているため、ビーム断面の全領域で円偏光が実現されており、偏光子透過後の分布がドーナツ状になっている。さらに、結合後のビームは偏光軸が螺旋状に回転しているため、ラゲールビームとなっていると予想される。図 4(c)は平面波との干渉パターンを示している。図中の矢印で示しているように、ビーム中央部に位相の飛びが現れており、ラゲールビームに特有の特徴が観測されている。もう片方のビームについても同様の傾向が観測されており、左右円偏光ラゲールビームが発生していることが確認できた。
次に、アジマス偏光とラジアル偏光を結合させて得られた円偏光の安定性を調べた。図５に位相制御フィードバックによるパワーの安定化の様子を示す。軸対称偏光から円
図６

アジマス偏光とラジアル偏光のスイッチング

ワーの変動は発生しない。しかしながら、ビームの強度分

3・3

高出力動作における軸対称偏光のスイッチング

布やミラーの偏光依存性などによって変更分布の変化が次に、図１に示している Nd:YAG ロッド増幅器 2 台を用パワー変動として現れる。図５からわかるように、位相フいてダブルパス増幅後、、原理実証時に用いた方法で軸対ィードバック制御をしない場合は若干のパワー変動が生称偏光のスイッチングを行った。図７にスイッチングを行じている。フィードバック制御により位相差をπ/2 に維持った結果を示す。原理実証実験の時と同様にビーム結合後することでパワーが一定になることがわかる。のビームを偏光子に通過させ、垂直成分と水平成分のビー偏光への変換では、どのような位相差であっても縦、横偏光成分の比が変化しないため、基本的には位相差によるパムパターンを CCD カメラにより計測し、扇形の強度分布が確認されるか否かでスイッチングの可否を判断した。原理実証時と異なり、増幅を行うことで、ビーム品質が劣化することが予想される。そのため、イメージ点に CCD カメラを配置し、ビームパターンを観察できるようにしている。
図７からわかるように、水平成分においては傾きが生じているものの扇形の強度分布が得られており、位相差πを与える事で扇形分布が約 90 度回転し、スイッチングが行え

図５

円偏光変換におけるフィードバック制御

3・2

軸対称偏光スイッチングの原理実証

スイッチングの原理実証のために主増幅器をバイパスした状態でラジアル偏光、アジマス偏光の相互スイッチングを検証した。図６にスイッチングしたときのパターンの変化結果を示す。パターンの計測は偏光子を透過した後で行っており、軸対称偏光特有の扇形分布が得られている。
制御反転前では、水平方向成分に縦型の扇分布、垂直方向成分に横型の扇分布が見られたことからアジマス偏光が得られていることが分かる。この状態から制御反転を行う

図７

高出力動作時における軸対称偏光のスイッチンと、強度分布が 90 度回転した。このことから、アジマスグ動作結果ている。垂直成分においても扇形の強度分布が見られるが断した CFRP の断面は切断面が歪曲している。また、同様

ラジアル偏光の制御反転前、アジマス偏光を制御反転してに、アジマス偏光ビームで切断した CFRP の断面について

ラジアル偏光になった垂直成分は漏れ成分があるが、扇形も歪曲している様子が見える。しかし、アジマス偏光の断模様が 90 度回転している様子が確認できた。しかしなが面と比べると直線に近い。直線偏光ビームで切断した

ら、増幅時に受ける熱歪が大きく影響しており、均一な強CFRP の断面、円偏光ビームで切断した CFRP の断面は共に度分布が得られていない。特に、偏光の漏れが大きく、熱直線的であった。これは、今回使用して CFRP の繊維の方複屈折や熱レンズによる位相歪がスイッチング特性を低向が 2mm ごとに直交するような市松構造をしていること下させている。これらの影響をいかにして除去するか、今が起因している。軸対称偏光では切断しやすい繊維の方向後の課題である。

が交互に現れる構造となり、その影響が顕著に表れたと考えられる。加工部周辺の熱影響領域（HAZ）については偏3・4軸対称偏光レーザーによる CFRP の加工特性光による大きな差はみられなかった。加工効率を比較する開発したレーザー装置は、軸対称偏光の高出力化、光速ため、切断時の単位長さ当たりに投入されたエネルギーをスイッチングの可能性を検証することができたが、加工特評価した。図９に結果を示す。図中、縦横と書かれている性を比較するのに十分なビーム品質を得ることができなのは直線偏光であり、切断方向に対しての偏光の方向を示かった。そのため、加工評価には高速偏光スイッチングがしている。この結果から、切断方向に対して並行（縦）な可能なファイバーレーザー装置に軸対称偏光変換素子を成分を持っている場合には切断効率が低下していると考挿入することで代用した。最終出力は、繰り返し 10MHz、えられる。図 8 の結果を考慮すると、切断時は円偏光が最平均出力 45W であり、パルス幅は 200ps～5ns で可変可能も適していると言える。

である。

次に、CFRP の穴あけ加工を行った。図１０に加工痕を

まず、厚さ 100 ミクロンの CFRP の切断加工を行った。

示す。CFRP に使われる炭素繊維は熱伝導率が高い。そのCFRP は繊維の方向が交差するように形で多層に積み上げため、繊維方向に熱が拡散してしまう。加工痕を見ると、られるが、この厚みの場合、単層状態となる。切断した繊維に沿った方向に熱影響領域が広がっていることがわ

CFRP の断面を顕微鏡で拡大したものを図８に示す。それかる。熱影響領域の拡がりは、ラジアル偏光が最も小さく、ぞれの切断面を見比べてみると、ラジアル偏光ビームで切円偏光が最も大きくなっている。アジマス偏光は加工痕が

図８

CFRP の切断加工痕

図９

図１０

切断に要した単位長さ当りのエネルギー

CFRP の穴あけ加工痕

丸くなっているが、他は楕円になっており、繊維の方向に2 種類の軸対称偏光を、コヒーレントビーム結合を用いて並行な成分が切断に使われず、吸収されたエネルギーが拡高速に切り替える技術を開発し、原理を実証した。また、散してしまうためと考えられる。次に、加工効率の比較を軸対称偏光レーザーによる CFRP の加工を行い、偏光依存行うため、1mJ 当たりの加工量を評価した。加工量は、レ性を確認した。

ーザー顕微鏡を用いて加工穴の容積を計測した結果からレーザーの増幅では、用いた増幅器の熱影響のため、ビ計算した。図 11 に穴あけ加工時の加工効率を示す。直線ーム品質が劣化し、十分なビーム結合効率が得られなかっ偏光がアジマス偏光と同程度なっているが、厚みのあるたが、軸対称偏光への再変換および、スイッチング動作をCFRP では繊維が層ごとにクロスするので、効率は低下す確認できた。効率の変換、スイッチングを行うためには、ることが予測できる。ラジアル偏光は最も効率が悪くなっ

ビーム品質の良い増幅を行う必要がある。CFRP についてている。軸対称偏光では、レーザーの分布が穴あきとなっは、切断では軸対称偏光の優位性は確認できなかったが、ているので、中央部が加工されにくかったためと思われる。

穴あけ加工ではアジマス偏光が有効であることが確認でこれらのことから、穴あけ加工では、アジマス偏光が最きた。

も適していると言える。

謝

辞本研究を遂行するにあたりご支援いただきました公益財団法人天田財団に心より感謝申し上げます。

参考文献
1)

V. G. Niziev and A. V. Nesterov: “Influence ofbeam polarization on laser cutting efficiency,” J.
Phys. D, 32, 1455-1461 (1999).

2)

K. Tsubakimoto, et al., “High-average-power
green

laser

using

Nd:YAGamplifierwith

stimulated Brillouin scattering phase-conjugate
図１１

pulse-cleaning

CFRP の穴あけ加工効率

mirror,”OpticsExpress,

24,12557-12564 (2016).

４．結論
本研究では、軸対称偏光から直線偏光のラゲールガウスビームに変換することで高出力化を可能にするとともに、

3)

下垣弘輝、川崎鉄次、椿本孝治、中田芳樹、白神宏之、“ビーム結合を用いた高出力軸対称偏光ビームのスイッチング技術の開発”、レーザー学会第 41 回年次大会予稿集 (2021)．