高熱伝導率流体冷却による固体レーザーの高出力化
自然科学研究機構 核融合科学研究所
教授 安原 亮（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019221-B3）
キーワード：高出力レーザー，液体金属，熱光学効果

１．研究の目的と背景レーザーの高出力化は、熱的、非熱的な手法を問わず、横方向から温度分布を可視化した結果、(b)が上方向から温度分布を可視化した結果である。

レーザー加工にとって必須である。高出力化は、加工のスループットを向上させるに留まらず、難加工材料への応用表１も可能にする。レーザーの出力向上では、レーザー媒質の計算に用いたパラメータ
YAP 結晶冷却技術が主要な開発課題であり、実際にファイバーレー

熱伝導率11.7W/mK

ザー等の高出力化は冷却能力の向上と合わせて出力が向熱容量0.557 J/gK上してきた。レーザー動作における光（励起光）から光（レ密度5.35 g/cm3ーザー光）の変換過程では、100%の変換効率が得られない。
変換されない部分は熱となりレーザー性能を劣化させるGalinstan

ため、レーザーの高出力化には冷却技術が必須となるので熱伝導率24.89W/mKある｢1-7｣。今回、報告者は、固体レーザー媒質の冷却媒

熱容量

0.4179 J/gK

体に常温で液体となる「液体金属」を用いた冷却方法を採

密度6.3632 g/cm3

用し[8,9]、冷却性能の格段の向上によるレーザーの高出力化に着目した。これは、冷却媒体そのものを高熱伝導率化（水に比べて 30 倍程度の熱伝導率が見込める）することで、様々なレーザー装置の高出力化が可能となる広範に応用可能な技術である。レーザー高出力化技術のブレークスルーを実現し、レーザー加工の応用範囲拡大を目指す。

水
熱伝導率

0.606 W/mK

熱容量

0.4179 J/gK

密度0.997 g/cm3

本報告では、液体金属による固体レーザー媒質の冷却効率を調査するために、①数値シミュレーションによる検討、②実験による比較を行った結果を報告する。

２．液体金属による冷却効果の検討
液体金属を用いた冷却性能向上について、数値計算による性能比較を行った。液体金属として、ガリウム系材料である Galinstan を想定した。この材料はガリウム、インジウム、スズの共晶合金で、融点が摂氏マイナス 19 度と低く、常温で液体である。熱伝導率は水と比較して 24.89（a）横方向からW/mK と極めて高い。報告者のグループで近年積極的に研究に取り組んでいる中赤外固体レーザー、特に波長 2.9µmで連続波発振する半導体レーザー励起 Er:YAP レーザー
[10,11]を題材に計算を試みた。用いた Er:YAP 結晶は、Er添加濃度 5at%で、結晶サイズは、2 mm  2 mm  12 mmの角柱で、12 mm の方向が光軸と仮定した。表１にその他計算に用いたパラメータ群を示す。
励起パワーは 30W、投入パワーの 7 割が熱になるとして計算を行った。計算モデルでは、結晶のレーザー入出力面以外の 4 面はすべて流体と接しているとした。また流量は0.2m/s と固定した。結晶中の励起分布を計算するための数値として吸収係数 1.15 cm-1 とした。これらの条件を基に作動流体を水として計算した結果を図１に示す。(a)が(b)上方向から
図１

冷却用流体に水を使った場合の数値計算結果

図２には、液体金属、ガリンスタンを作動流体として用３．液体金属による冷却効果実験的検証いた場合の数値計算結果を示す。同様に(a)が横方向から

次に、液体金属による冷却効果を検証するために、ファ温度分布を可視化した結果、(b)が上方向から温度分布をイバーレーザーの発熱除去に液体金属冷却を適応した、実可視化した結果である。

証実験を行った。図４に実験構成を示す。用いたファイバ
ーは、Er 添加 ZBLAN ファイバーで、波長 976nm の励起に対して、2800 nm のレーザー光を出力する。3μｍ付近の中赤外レーザーは、材料加工やセンシング応用などに向けて研究が進んでいる[12]。今回の実験では、片側連続光励起した Er:ZBLAN ファイバーを、一方は金属プレートによる伝導冷却、もう一方は、自作のガリウム混合液体金属をファイバーに直接接触させた冷却方法を試みた。液体金属は、液体ポンプを用いて循環させ、外部の熱交換機によって排熱した。また比較実験のための金属プレートは、水冷した。

（a）

横方向から

図４

液体金属冷却ファイバーレーザー概要

以上のような実験を行ったところ、液体金属冷却を用いた場合、比較実験で得られた出力の 3 倍の出力が得られた。
液体金属冷却が効果的に働いたことを示している。
(b)上方向から
図２ 冷却用流体に液体金属を使った場合の数値計算結果

４．まとめ
固体レーザー媒質の冷却媒体に常温で液体となる「液体金属」を用いた冷却方法を採用し、冷却性能の格段の向上

図１と図２より、本計算条件での水を用いた場合の結晶の最大温度は、395 度、液体金属を用いた場合は、365 度であることが分かった。作動流体の差で、30 度の差がついた。図３に、励起パワーを変化させた場合の最大温度の比較を示す。励起パワーは 5Ｗから 30Ｗまで変化させた。
傾きを取ると、水の場合は、3.3W/K、ガリンスタンの場合は 2.5W/K と、ガリンスタンの方が、約 25%傾きが小さい。

によるレーザーの高出力化に着目した。これは、冷却媒体そのものを高熱伝導率化（水に比べて 30 倍程度の熱伝導率が見込める）することで、様々なレーザー装置の高出力化が可能となる広範に応用可能な技術である。レーザー高出力化技術のブレークスルーを目指した。本報告では、液体金属による固体レーザー媒質の冷却効率を調査するた
めに、①数値シミュレーションによる検討、②実験による比較を行った結果を報告した。①のシミュレーション研究
では、Er:YAP レーザーを対象に、冷媒に液体金属であるガリンスタンを採用した場合と水を採用した場合、それぞれの冷却能力を COMSOL を用いて計算を行った。結果、水の場合は、3.3W/K、ガリンスタンの場合は 2.5W/K と、ガリンスタンの方が、約 25%傾きが小さい結果となった。次に②の実験による比較では、ファイバーレーザーの冷却方法として、ガリウム混合材料を液体金属そして用いてレーザー発振実験を行った。結果、比較対象である従来手法と比較して、3 倍近い出力向上が得られた。このように、本研究によって液体金属冷却がレーザーの高出力化に効果的であるということが示唆された。
一方で、課題も確認された。一般にガリウム系の液体金

図３ 冷却用流体に液体金属を使った場合の数値計算結果

属は、金属に対して浸食性があると言われている。したがって長時間の利用では、部品構成を考える際に金属部品を0.2避け、フッ素樹脂系の材料やセラミック材料などの採用を

Yb:YAG ceramics laser," Opt. Express 30,検討しなければならない。これらは一般的に高コストで難44385-44394 (2022).

加工であるために導入の障壁となる可能性がある。

Hz, LD pumped cryogenic helium gas cooled（5） Martin Divoký, Jan Pilař, Martin Hanuš, PetrNavrátil, Ondřej Denk, Patricie Severová, PaulMason, Thomas Butcher, Saumyabrata Banerjee,謝 辞

Mariastefania De Vido, Chris Edwards, John

本研究の一部をサポートしていただいた公益財団法人

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