三菱重工技報 Vol.57 No.1 (2020) 新製品・新技術特集

技 術 論 文1

高精度・高能率レーザ加工技術を実現する
フォトニック結晶ファイバによるビーム伝送技術
Beam Transmission Technology by Photonic Crystal Fiber
to Realize High-Precision and High-Efficiency Laser Processing Technology

奥 田 剛 久 *1

藤 谷 泰 之 *2

Takehisa Okuda

Yasuyuki Fujiya

呉 屋 真 之 *3

井 上 明 子 *3

Saneyuki Goya

Akiko Inoue

日本電信電話(株)（以下，NTT）と三菱重工業(株)（以下，当社）は，2014 年４月より NTT の研究所が持つ ICT（情報通信技術）分野の研究開発成果を，当社のエネルギー・環境，交通・輸送等の社会インフラ関連製品や国内外の生産現場や現地工事などに適用し，新たな価値創造を目指すことを目的に，研究開発連携を推進してきた。その１つの成果として今回，NTT が保有していた通信用の光ファイバ技術であるフォトニック結晶ファイバ（PCF：Photonic Crystal Fiber）と当社の高出力レーザ加工技術の融合により，精密な加工に適した高い品質を維持したまま，kW 級の高出力シングルモードレーザ光を数十メートルにわたり伝送することに成功した。

|1. はじめに
現在広く使われているレーザ光（マルチモードレーザ光）は，既存の光ファイバ（マルチモード光ファイバ）を使い，数百メートルにわたり伝送することができるが，マルチモードレーザ光はビーム集光径に限界があり高い加工精度が求められる用途には不向きである。一方，より精密なレーザ加工に適した高品質で集光性の高いシングルモードレーザ光は，既存の光ファイバではシングルモードを維持したままでは数メートルしか伝送することができず数十メートルの光ファイバ伝送が必要な生産現場や現地工事での実加工には適用できていなかった。高精度で利便性の高いレーザ加工を実現するには，高出力シングルモードレーザ発振器から出力される高品質なレーザ光を，加工に適した品質を維持したまま加工現場まで効率的に届ける必要があり，その伝送媒体として光ファイバが重要な役割を果たす。光ファイバのハイパワー伝送能力は，使用波長における実効ビーム断面積 Aeff を拡大することにより改善できる。しかし，Aeff の拡大に伴い，光ファイバ中を伝搬可能なモード数が増大し，光ファイバ出射端におけるビーム品質が劣化してしまう。
このため，材料添加によりコアを形成する一般的な単一モード光ファイバ（SMF： Single-ModeFiber）では，出力光強度と伝送距離の積で表されるハイパワー伝送能力を 100 kW m 以上に改善することが困難であった(1)。

|2. フォトニック結晶ファイバ
PCF は純石英ガラスの伝搬方向に形成された複数の空孔で囲まれる領域に光を閉じ込めて導波する。空孔層が実効的なクラッド領域として動作し，コア領域に対する実効屈折率差を柔軟に制御することができるため，PCF は一般的な SMF では不可能な伝送特性を実現することができる。図１に一般的な SMF と PCF の断面イメージと特長を示す。最もシンプルな断面構造を有する
PCF は直径 d の空孔を均一な間隔Λで周期的に配置することで実現できる。PCF の導波原理は*1 総合研究所製造研究部*3 総合研究所製造研究部 主席研究員*2 総合研究所製造研究部 主幹研究員

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一般的な SMF と同等の全反射による光の閉じ込めであるが，SMF のコア・クラッド間の実効屈折率差は１％程度であるのに対し，PCF では実効的な屈折率差を約 0.01～10％超と非常に柔軟に制御することができる。PCF の伝送特性は d とΛの組み合わせを任意に変更することで制御でき，例えば，d/Λの比率を制御することで任意の波長における単一モード伝送を実現でき，Aeff を飛躍的に拡大することができる。また今回，Aeff の制御性と製造性を両立する準均一構造 PCF を新たに考案した。準均一構造 PCF は均一な d で構成され，特定の層の空孔数を増加させることで実効的にΛが変化する構造を実現している。d が一定であるため光ファイバの紡糸時に複雑な空孔径の制御を行う必要がないため，均一構造 PCF と同程度の製造性を維持することができる。
一方で，PCF の半径方向に空孔部の占有率が変化することで，均一構造 PCF に比べ，より複雑な等価屈折率分布を実現することが可能となる。

図１ 一般的な SMF と PCF の断面イメージと特徴

PCF の空孔構造条件は，許容伝搬モード数（ビーム品質 M2）を３以下，許容最小曲げ半径を500 mm，ハイパワー伝送能力を 300 kW m 以上として，これらの要求条件を同時に満たす空孔直径 d と間隔Λの関係について検討を行った。図２にΛと d/Λの関係を示す。図２の左は均一構造
PCF に対する計算結果を，右は準均一構造 PCF に対する検討結果を示す。図中の実線，破線，及び点線は，それぞれモード数，曲げ半径，及びハイパワー伝送能力の要求条件に対する構造境界を表し，図中の網掛けの領域で全ての要求条件を同時に満たすことが可能となる。図２より，今回考案した準均一構造 PCF は，均一構造 PCF に比べより広い設計条件を実現可能なことが確認できる。図２中の２個の赤丸で示した構造を設計中心とした時の Aeff 及びハイパワー伝送能力の計算結果を，文献(1)の報告例との比較により表１に示す。表１より PCF は 2000μm2 以上のAeff が実現可能であり，既存の SMF に比べ４倍以上のハイパワー伝送能力が期待できることが分かる。

図２ 所望の伝送特性を実現する均一構造 PCF 及び準均一構造 PCF の設計条件

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表１ 図２中の設計中心（赤丸）における Aeff とハイパワ伝送能力の計算値（λ＝1 070nm）
SMF の報告例(1)均一構造 PCF

準均一構造 PCF

2

実効ビーム断面積 Aeff（μm ）600

2 1002 500

ハイパワー伝送能力（kW・m）

100350420|3. 試作及び伝送実験
２章で述べた設計条件に基づき，準均一構造 PCF 素線を試作し，ハイパワー結合用のコネクタを具備した長さ 30 m の光ケーブルを作製した。開発した高出力用 PCF はファイバコア径が小さく，レーザ発振器から出射されたビームを効率よく伝送させるためには，ファイバ端面に入射ビームを精度よく位置合わせできる結合光学系が必要となるが，ハイパワーでは結合光学系に使用するレンズが温度上昇により屈折率変化が生じ，ビーム位置が変動してしまう。そこで温度に対して屈折率の変化特性が相反する合成石英と CaF2 をレンズ材料に用い，シミュレーションにより配置構成を求め適用した（図３）。図４に高出力シングルモードレーザ発振器による伝送実験での入出力特性の実験結果を示す。入力光強度に対し出力光強度が線形に増加している様子が確認できる。保有装置の最大出力 10 kW 入射時には 9.1 kW で，結合損失を含む伝搬効率は 91％，ビーム品質 M2 の値は 2.5 であった。以上の結果により，実際に作製した準均一構造 PCF を包含したコネクタ付き光ケーブルで 270 kW m 以上のハイパワー伝送能力が実証された。

図３ ビーム位置変動を抑制したハイパワ用結合光学系

図４ 試作結果及び伝送実験結果(a)試作した準均一構造 PCF の断面写真と基礎特性(b)高品質単一モードレーザ光の入出力特性|4. シングルモード光ファイバを用いたレーザ加工適用先
本技術の展開先として，ガスタービン高温部品やエンジン部品の耐熱合金における極低入熱
高品質溶接，廃炉解体における長距離ビーム照射によるレーザ切断，航空機（主翼，防音カバー）における CFRP の熱影響レス切断・穴あけへの適用が期待される。図５～図７に加工例を示す。

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図５ 耐熱ニッケル合金における高品質溶接

図７ CFRP の高品質・高能率レーザ切断

図６ 長距離ビーム照射によるレーザ切断|5. まとめNTT と共同で，高出力・高品質なレーザ光の長距離伝送を可能とする世界初の技術を開発した。本技術は，高出力シングルモードレーザ光を，精密加工に適した品質を維持したまま長い距離にわたり伝送することを可能にするものであり，レーザ加工技術の適用領域の拡大を加速し，ものづくりの変革をもたらす技術と期待される。今後は実機適用検証を進め，航空機等の複合材切断や廃炉解体における遠隔高能率効率解体工法への適用，外販用レーザ加工システムへの搭載を目指す。

参考文献(1) 内山ほか，高出力シングルモードファイバレーザおよび加工応用，第 60 回光波センシング技術研究会（2017-12）p.133～139