高速レーザー加工のための高出力繰り返しパルスレーザーの開発
大阪大学 レーザー科学研究所
助教 荻野 純平
（2020 年度 奨励研究助成（若手研究者枠） AF-2020242-C2）
キーワード：高出力レーザー，低温冷却 Yb:YAG レーザー，レーザー加工

１．研究の目的と背景

り、これにより数百μm~mm オーダーの領域に残留応力

日本における社会資本は、高度経済成長期に集中的に建を付加可能である。ショットピーニングが、表面の変形に設され、特に道路、トンネル、鉄道などの社会インフラにより応力を付加するのに対し、レーザーピーニングは、プついては、今後急速に老朽化が進むことが懸念されている。

ラズマによる衝撃波により応力を付与するため、表面の状

今後 20 年間で、建設後 50 年以上を経過する社会インフラ態の変化も少なく後処理にかかるコストも少なく済むとの割合が加速度的に増加する見込みである。老朽化を原因いう特徴もある。このように、レーザーピーニングは、金とした事故は、世界各国で多発しており、橋の崩落、トン属材料の疲労強度高める能力や環境性能、局所処理の操作

ネルの天井落下、鉄道線路の破断など人命にかかわるよう性なども優れており、古くから研究されている[1-4]。近年なものが多くみられる。老朽化する社会インフラの保守・では、様々な材料で疲労強度の向上が見られることが分か

メンテナンスには、莫大な費用が掛かることが試算されてってきている[4-8]。しかしながら、その応用例は、航空機

おり、国土交通省の調査によると世界規模で 200 兆円、日産業や、原子力産業などの付加価値の高いものが主流であ本国内でも 5 兆円以上に上る。そのため、今後は、社会イり、社会に広く実用化されるには至っていないのが現状でンフラの老朽化に対する、低コストで持続的かつ戦略的な、ある。これは、レーザーピーニングの初期コストが高いこ保守・メンテが求められている。老朽化する社会インフラとと、加工速度がショットピーニングと比較して遅いこと

において、特に老朽化の原因となる部分は、金属構造材でが大きな問題である。加工速度が遅い原因は、ショットピあることが多い。鉄筋コンクリート内の鉄筋、水道配管、ーニンに使用されるレーザーのスペックにある。プラズマ

鉄道・レール、橋梁はそのものが金属構造材である。このを励起するためには、レーザー強度は 109 W/cm2 以上が必ため、金属の老朽化に対する耐久すなわちは長寿命化を図要であり、産業応用において十分なスループットを確保しることが社会インフラの抱える課題を解決する一つの方ようとするとレーザーのエネルギーとしては必然的に J法である。本研究では、金属構造材を長寿命化する方法とクラスのレーザーが必要となる。レーザーピーニングにおして「レーザーピーニング」に着目している。金属の長寿ける加工速度は、レーザーの繰り返し周波数に依存するが、命化とは、金属の疲労割れに対する耐力「疲労強度」を高市販されているこのクラスのレーザーの繰り返し周波数めることであり、金属の疲労割れは、荷重が繰り返し負荷は、高いものでも 10 Hz 程度であり、産業応用を考えた場されることにより、材料表面に割れが生じる現象である。

合では十分ではない。レーザーピーニングのみならず、J「レーザーピーニング」は、パルスレーザーにより金属表級で高繰り返しの、簡便なレーザーが実現すれば、様々な面にプラズマを発生させ、その圧力で部材に衝撃波を生じレーザー加工において、大面積を高速に処理可能であり産させ残留応力を与える手法である。レーザーピーニングに業の発展に大きく貢献できると予想される。

より、付加できる残留応力は、圧縮応力であるためその硬本研究では、パルスエネルギーを >1J、繰り返し周波数度を高め疲労強度を高めることが可能である。金属の疲労を 100 Hz を目標とし、産業応用での利用が容易なロッド

強度を高める手法としては、無数の粒子を金属表面に衝突型レーザーにおいて、将来的にさらなる高出力化を望めるさせ、表面に塑性変形を形成し、部材内部に圧縮残留応力固体レーザーの新技術の確立を目指し、低温 Yb:YAG を用を発生させる「ショットピーニング」と呼ばれる手法もあいた、高効率かつコンパクトなレーザーシステムの開発をる。この手法は、加工速度が速い一方、騒音・粉塵などの行った。

環境問題や処理可能な材料が限られるなどの問題や加工物の形状に制限があり、社会インフラへの応用は難しい。
一方、レーザーピーニングは、騒音・粉塵は発生せず、レ２．実験方法
2・1

概要ーザーのパラメータを調整することで、様々な材料の加工

レーザーのパルスエネルギーの限界は一般に寄生発振・が可能であり、レーザーによる加工であるため加工物の形ASE（増幅自然放出）と熱により決まる。励起により生じ状の制限が緩いという特徴を持つ。また、発生する圧力は、る熱を排熱する手法は様々あるが、エネルギーが J 級とショットピーニングよりはるかに高い、数 GPa 以上であなると必然的にレーザーの口径が大きくなり、一般的にディスク型のレーザー方式となる場合が多い。ディスク型レことで吸収層の熱を効率的に排熱し、高い蓄積エネルギーーザーにおける寄生発振は、径方向に発生するため、利得と温度上昇の抑制を実現する手法である。

媒質の形状を工夫するか、蛍光を吸収する媒質(クラッド)を使用することで寄生発振を抑制することが一般的であ2・2る。クラッドとしては、一般的に界面での反射を防ぐため

図 2 に、本研究で構築した、J 級、100 Hz のレーザーシ実験装置に屈折率マッチの取れた固体や液体が用いられる。

ステムの概要図を示す。信号光源は、中心波長 1029.5 nm、Yb:YAG が利得媒質の場合、Cr:YAG クラッドを接合した最大パワー5 mW の CW 単一縦モードファイバ発振器

コンポジット媒質が用いられるが、これは製造にコストが（Koheras ADJUSTIK, NKT Photonics）を用いた。この出力かかる上、Cr:YAG で発生した熱が Yb:YAG を温めてしまを、EO パルススライサーにより、パルス幅 10 ns、繰り返うという欠点がある。この問題は、より大口径のディスク

し 100 Hz に切り出す。パルス波形形状は、任意波形ジェとすることで、励起領域とクラッド間の距離を離すことで、ネレーター（AWG、AWG70002A, Tektronics）により制御ある程度抑制可能であるが、コンパクトなレーザー設計をされ飽和増幅によるパルスフロントのピークパワー上昇目指すという観点や、利得媒質の製造限界を考慮するとスを防ぐように調整した。切り出されたパルスは低温冷却ケーリングの限界を決める要因となることから重要な設Yb:YAG 再生増幅器によりパルスエネルギー約 3 mJ に増計事項と言える。寄生発振の抑制については種々様々であ幅される。利得媒質は、スターリングエンジン冷凍機（SC-り、中国の Tinghao Liu らのグループでは、利得媒質とUF01, Twinbird）により 77 K まで冷却される。励起には波エッジクラッドの間にすき間を作り、そのすき間に水を流長 940 nm パルス幅 1 ms のファイバーカップルの半導体すことでエッジクラッドから利得媒質への熱流を減少さレーザー(LD) を用いた。出力ビームはガウシアンビームせている手法を用いている[9]。また、エッジクラッドを用プロファイルで 1/e2 直径で約 1 mm である。この出力をいずに利得媒質の形状を変化させ蛍光をディスク外部に拡大光学系により直径 7 mm（1/e2）まで拡大し、低温冷却放出する工夫を施したレーザーも存在する[10, 11]。また、

Yb:YAG マルチパス増幅器によってパルスエネルギー約

ディスク形状は、排熱能力は高いが、波面制御の難しさと、1 J に増幅する。利得媒質は、直径 20 mm、厚さ 15 mm の吸収長を長くできないため、励起システムが複雑になると単結晶 Yb:YAG を用い Gifford- McMahon (GM) 冷凍機いう問題がある。そこで本研究では、増幅方式をロッド型（AL300，CRYOMECH）によって 77 K 以下に冷却する。とし、利得媒質を低温冷却することで熱的現象を低減し、利得媒質の側面を市販のマジックペンで塗ることでごくインクを用いた超薄型クラッドを用い、寄生発振を抑制す薄い吸収層を形成した。励起には波長 940 nm パルス幅 0.5

る新しいタイプの低温 Yb:YAG 増幅器を提案した(図 1)。

～0.7 ms、ピークパワー 2.5 kW のファイバーカップルのこのクラッドの外側から大きな面積で直接伝導冷却するLD 2 台を用いた。増幅光路は、4 パスまたは 6 パスのボウタイ型光路で構成した。

Pulse energy:
2 0 pJ

Pulse energy: ~ nJ
1 J / 1 0 0 Hz

Pulseenergy:
3 mJ

図2

構築したレーザーシステムの概略図

３．実験結果3・1

寄生発振抑制インクを用いた超薄型クラッドの性能を確認するために、クラッドのない利得媒質と、クラッドを付けた利得媒質を用意し、LD でパルス幅 1 ms の励起を行い、蛍光をピンダイオードで測定し、寄生発振の有無を観測した。図 3
図１ 本研究で構築した低温 Yb:YAG 増幅器のにクラッドがない場合とある場合の蛍光測定結果を示す。

(a) 構造図、(b) 写真

クラッドが無い場合は、励起エネルギー 2.5Ｊにおいて寄生発振が起こり、蛍光パルスの形状が変化していることが分かる。一方、クラッドを用いた場合は、励起エネルギー2.5Ｊでも蛍光パルスの形状に変化が無く、今回用いたＬＤの最大励起エネルギー 5 Ｊまで寄生発振が起きないことが確認できた。

図4

Yb:YAG マルチパス増幅器の出力特性(a)増幅エネルギー、(b)増幅利得

図 3 蛍光測定結果(a)クラッドなし、(b)クラッドあり
3・2

増幅特性・出力安定性

図 4 に、Yb:YAG マルチパス増幅器の出力特性を示す。
入力信号は再生増幅器からの中心波長 1029.5 nm、パルス幅 10 ns、繰り返し周波数 100 Hz、パルスエネルギー 3mJ のパルスを用いた。増幅パス数 6 パスで励起エネルギ
ー 2.4 J、励起パルス幅 0.5 ms のとき、増幅利得 380 倍で、パルスエネルギー 1.1 J、光光変換効率 35%を得た。
また励起エネルギー 2.4 J、励起パルス幅 0.7 ms のとき増幅利得 522 倍、パルスエネルギー 1.15 J を得た。

図 5 Yb:YAG マルチパス増幅器の出力安定性

図 5 に、Yb:YAG マルチパス増幅器の出力安定性を示す。
励起パルス幅 0.7 ｍs、パルスエネルギー 1.15 J、繰り返４．まとめ

し 100 Hz での出力エネルギーの推移を測定した。1 時間

本研究では、レーザーピーニングなどのレーザー加工にでの出力低下は 5%以下、最後 10 分間の RMS 誤差は適したレーザー技術の確立として、ロッド型の低温冷却0.47%であった。

Yb:YAG 増幅システムの開発を行った。パルスエネルギーLaser amp. method
Laser medium
number of disk andtickness
Cooling method
Parasitic oscillation
suppression method
Pulse energy

表 1 他の J 級高繰り返しレーザーとの比較
ILE, Osaka univ.
MBI
Colorado SUDESY(2015) [10](2015) [12](2020) [13](2019) [11]Active-mirror
Thin-disk
Active-mirror
Thin-disk

This-work

0.8mm, 4disks

0.75mm, 2disks

7mm, 2disks

1mm, 1disk

15mm, 1rod

LN cooler

Room Temp.

LN cooler

LN cooler

GM cooler

Large cap

none

Cr:YAG clad

Parabolic cap

Ink clad

Rod1J

1.07 J

1.1 J

1J

1.1 JRep. rate

100 Hz100Hz1000 Hz

500 Hz100 HzOpt.-Opt. efficiency

20%

5.80%

36%

50%

35%

Gain

114

3.3

2220

380

＞1 J、繰り返し 100 Hz で、１時間動作の出力安定性＜5％components”, Journal of The Surface Finishing Society ofJapan, 60, 698 (2009).の高エネルギー・高繰り返しを高安定で達成した。表１に、他の J 級のパルスエネルギーの高繰り返しレーザーとの6)

Y.Sano: “Improving fatigue strength with laser peening”,比較を示す。ドイツの、Max Born Institute のグループ[12]Processing of National Symposium on Welding Mechanic-や、DESY のグループ[11]では Thin-disk レーザーを、我々s and Design 2006, 2, 605 (2006).のグループ[10]とアメリカのコロラド州立大のグループ

7)[13]ではアクティブミラーレーザーを用いてそれぞれ、>1

Performance of Titanium”, TMS, Warrendale, PA., 217

J、>100 Hz を達成している。それぞれ寄生発振の抑制の手法、冷却方式、冷却温度が異なるが、本研究のシステム

J. K. Gregory, H. J. Rack, and D. Eylon (eds.): “Surface(1996).

8)

I. Altenberger, Y. Sano, I. Nikitin and B. Scholtes , 9th Int.

は、利得が高いこと、レーザーシステムのフットプリント

Fatigue Congress (FATIGUE 2006) (Atlanta, Georgia, May

が、0.5 ｍ×1.5 ｍ程度であることから、このクラスの出2006).

力を持つレーザーシステムとしては非常に高効率、コンパ

9)

mirror amplifier chain with ASE suppression,” Opt. Express

高効率・コンパクトな高エネルギー・高繰り返しレーザ

25(18), 21981–21992 (2017).

ー技術を確立したことにより、レーザーピーニングのみならず、レーザー加工機のスループット向上など広く産業のT. Liu, Z. Sui, L. Chen, Z. Li, Q. Liu, M. Gong, and X. Fu:“12 J, 10 Hz diode-pumped Nd:YAG distributed active

クトなシステムであると言える。

10)

M. Divoky, S. Tokita, S. Hwang, T. Kawashima, H. Kan, A.
Lucianetti, T. Mocek, and J. Kawanaka: “1-J operation of

発展に貢献できると期待される。

monolithic composite ceramics with Yb:YAG thin layers:

謝辞本研究の一部は、公益財団法人天田財団の 2020 年度奨励研究助成（若手研究者枠）AF-2020242-C2 のご支援

multi-TRAM at 10-Hz repetition rate and prospects for 100Hz operation”, Opt. Lett. 40(6), 855–858 (2015).
11)

L. E. Zapata, H. Lin, A. L. Calendron, H. Cankaya, M.

を受けて実施しました。ここに謝意を表します。研究の実

Hemmer, F. Reichert, W. R. Huang, E. Granados, K. H.

施に当たり、ご協力いただいた名古屋大学の北島将太朗先Hong, and F. X. Kartner: “Cryogenic Yb:YAG composite-

生に感謝申し上げます。

thin-disk for high energy and average power amplifiers”,
Opt. Lett. 40(11), 2610–2613 (2015).

参考文献
1)

12)

J. A. Vaccari: “Laser shocking extends fatigue life,Americandisk ring amplifier for high pulse energy”, Opt. Express

Machinist”, American Machinist, 62 (1992).
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3)

P. Peyre, R. Fabbro, P. Merrien, and H. P. Lieurade: “Laser

R. Jung, J. Tümmler, T. Nubbemeyer, and I. Will: “Thin24(5), 4375–4381 (2016).

13)

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cycle fatigue behavior” Materials Science and Engineering,Rocca: “Thermal behavior characterization of a kilowatt-A 210, 102 (1996).

power-level cryogenically cooled Yb:YAG active mirror

M. Obata, A. Sudo, and J. Matsumoto: Proc. 6th Int. Conf.

laser amplifier”, J. Opt. Soc. Am. B 36(4), 1084–1090

on Shot Peening (ICSP6), San Francisco, 24 (1996).

(2019).

4)

佐野雄二, 須藤亮, 宮野廣: 東芝レビュー53, 49 (1998).

5)

Y.Sano: “Laser peening for extending service life of