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産業用CW方式マイクロチップ型Yb:YAGレーザ発振器の開発 |
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| ○平等 拓範（分子科学研究所）、常包 正樹、Traian Dascalu（福井県産業支援センター） |
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| 結集事業Ａグループにおいては産業創成のためのYb:YAGを媒体とした次世代の高性能半導体レーザ（以下LDと略す）励起固体レーザの開発を進めている。今回はそのうちの１つのテーマであるCW（連続動作）方式のマイクロチップ型Yb:YAGレーザの開発状況についての報告。 |
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金属造形法をはじめレーザを用いた成形、加工応用においては、高出力で高ビーム品質のレーザ光源が必要とされている。これは加工対象面でレーザビームを細く長く絞ることができるため加工分解能が向上するというメリットだけでなく、同じエネルギーであれば照射スポット内のエネルギー密度が向上するために加工速度（タクト）を上げることができ生産性が向上したり、穴あけではより細く深い加工が可能になる。さらに長く絞れると言う特長生かし集光（対物）レンズを加工対象から離すことができるので、加工対象の形状によっては集光レンズを対象に移動することなくガルバノミラーで遠方よりビームを走査することでより高速な加工を行うことも可能になる。また高いエネルギー密度を生かしこれまで加工が難しかった高融点材料の加工も可能になる。図１に光産業技術振興協会が３月にまとめた光テクノロジーロードマップの抜粋を示す。ここでは自動車・重工業の例をあげたが、その他の加工分野においても傾向は同じであり、加工技術の進歩につれレーザの高出力化、高ビーム品質化が必要とされ、１０年後にはビーム品質を保ったまま出力を１桁上げる必要がある。
一口に産業用レーザと言っても金属などのマクロな加工応用分野には炭酸ガスレーザと固体レーザが主に用いられる。特に炭酸ガスレーザは高出力（＞１００W）でもビーム品質が高く、装置の価格も安いことから現在最も普及している。これに対してNd:YAGを代表とする固体レーザは波長が炭酸ガスの１／１０（約１μｍ）と短いことから同じビーム品質、出力であれば炭酸ガスより１００倍輝度が高く加工に有利であり、LD励起であれば効率も高く、ガス交換の必要がないためランニングコストも抑えられる。さらにレーザ光をファイバーで加工対象まで導光できるためにロボットによる３次元加工をはじめフレキシブルな加工応用が可能で、今後クリーンで高性能な加工用レーザ光源として進化が強く期待されている。しかしながら固体レーザ共通の問題として発熱によって固体レーザ媒質内に温度上昇、温度分布が発生するために屈折率の変化や歪みによりレーザ光が乱され、炭酸ガスレーザに比べ特に高出力領域において高いビーム品質を得ることが難しいという課題があった。
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| 図１ 自動車・重工業における金属加工と加工用レーザのロードマップ |
本研究の目的は、このような次世代の加工応用に対応できる高ビーム品質の高出力LD励起固体レーザ発振器を開発することにある。従来の設計の延長上では改善が難しいため、固体レーザ材料とその構造から本質的に見直すことでその実現を目指した。当面の成果目標としてはCW３００Ｗの試作検証機の完成を目指す。 |
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現在産業用含め商用レーザとして最も普及している固体レーザ媒質はNd:YAGで固体レーザ全製品の８０％を占める。これはYAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット））母材にNd（ネオジウム）を発光元素として添加した媒質である。レーザ発振特性はじめ、熱的特性や機械強度、加工性、価格や品質などの点から現在最もバランスが取れている材料といえる。この媒質は一般に８０８ｎｍの励起光（励起用LD波長）を吸収し１０６４ｎｍのレーザ光を発生する。このためレーザ光に変換されなかったエネルギー差として励起光吸収エネルギーの２４％が熱として結晶内に放出される。これに対し我々は１９９３年より母材は同じYAGであるが発光元素としてYb（イッテルビウム）を添加したYb:YAGに注目し研究を進めてきた。この媒質は励起光として９４０ｎｍを吸収し１０３０ｎｍのレーザ光を発生する。励起光波長とレーザ発振波長が極めて近いことから発生する熱の割合も吸収エネルギーの僅か９％に抑えられるために本質的に発熱を上記Nd:YAGの半分以下に抑えることができ、高出力用の固体レーザ媒質として高いポテンシャルを有している。さらにYb:YAGの特長として励起光の吸収許容波長幅がNd:YAGに比べて２０倍近く広い（波長半値幅２１ｎｍ）ため、励起LDの波長が個体差や環境温度でばらついても吸収エネルギーの変動は小さく抑えられる。加えてYb:YAGの特長として励起光の吸収率を上げるためにYbの添加濃度を上げてもレーザ特性の劣化が少ないという点がある。このため媒質の形状を薄くしてもYbの添加濃度を上げることで励起光の十分な吸収を行わせることが出来るために小型でも高出力動作が可能である。またもう一つ重要なYb:YAGの特長として、発光のスペクトル幅も１０ｎｍと広いために、同じ媒質でCWのみならずピコからフェムト秒までの超短パルス発生も可能であると言う点があげられる。
このように多くの優れた特長を有するYb:YAGであるが、近年励起用の波長９４０ｎｍの高出力LDが安定して市場に供給されるようになったことで産業用として実用化への期待がにわかに高まっている。しかし一方でこれらYb:YAGの特長を生かし高出力レーザとして実用化するためにはレーザ発振構成の際に考慮しなければならない重要な点がいくつかある。一つはわずかながらYb:YAGにレーザ光の自己吸収があり、このためレーザ発振を起こさせるために必要な励起光の強度（密度）がNd:YAGに比べ高いことである。また環境温度に比較的敏感で高温になるほどレーザ特性の劣化が大きいことも上げられる。これらはいずれも物理的に先に挙げた特長の裏返しで生じるもので本質的に避けることは出来ないが、レーザ発振器の設計によりそれらのレーザ発振特性への影響を最小限に抑えることは可能である。我々は本研究でこの優れたYb:YAGの特長を生かすと同時に問題点を抑える新しい励起実装方式として次に説明するエッジ励起マイクロチップを提案し、その検証を進めている。
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図２に我々が試作開発を進めているエッジ励起マイクロチップレーザの概念構造を示す。中央のコアの部分にYb:YAG媒質を配置し、その周囲をレーザ発光元素を含まないアンドープYAG媒質で囲み一体化した薄い円盤状のコンポジットマイクロチップYb:YAGの一面をヒートシンクに接着し媒質の冷却を行う。レーザ発振はその反対側の面を通して外部の共振ミラーとの間で行われ、接着された面はレーザ光を全反射するミラーとして働く。励起光はレーザ光とは垂直にマイクロチップのエッジのYAG部から導入される。エッジから導入された励起光は屈折率（１．８２）の高いYAGおよびYb:YAG媒質中を全反射で損失なく伝搬し、コアのYb:YAG内を伝搬する際に次第に吸収されレーザ光に変換される。この構成の特長を現在Nd:YAGで主流である図３のロッド型形状と比較すると、まず発熱による温度分布が全く異なる。ロッド型ではロッドの周囲から冷やされるために中心部で最も温度の高い径方向温度分布が形成され等温面はレーザ光路と平行になる。したがってロッドの中心に近いレーザ光ほどより温度の高い（屈折率が高い）領域を通過することになり、光の速度が遅くなるために波面が遅れレーザ光全体として波面がゆがんでしまう。これに対しマイクロチップ型では等温面はヒートシンクの面と平行に形成され、これに対しレーザ光は垂直に透過するためレーザビーム面内で光は温度の高い表面（ヒートシンクの反対側）と温度の低いヒートシンク側を同じ距離だけ透過するためにマイクロチップ内をレーザ光が折り返しても途中で波面の乱れが生じないという特長がある。このため原理的には炭酸ガスレーザと同じように高出力でも高いビーム品質が得られるはずである。さらにマイクロチップを薄くすることで最も温度の高いチップ表面とヒートシンクとの距離が縮められるためチップ全体に渡り効果的に発熱による温度上昇を抑えることが出来る。このことは結晶内での温度歪みを緩和できるだけでなく、レーザ特性の温度依存性が大きいYb:YAGに対して非常に効果的である。またチップを薄くできればチップ内でのレーザ光の再吸収の問題も最小限に抑えることが出来る。さらにマイクロチップの周囲から導入された励起光はコアのYb:YAGで集中的に吸収されるため励起光の密度を上げることができYb:YAGの発振に必要な励起密度が容易に得られる点も有利である。この構造と好対照なのがドイツのシュツッツガルド大学のギーセン教授により開発されたYb:YAGディスクレーザである。こちらはエッジではなくレーザ光から少し傾けた同じ方向から励起光を照射している。しかしこの方式ではレーザ媒質に予めコア領域を設ける必要がないものの、励起光が薄い結晶を一度往復しても発振に必要な十分なエネルギー吸収が到底困難であるために、十数回にわたり励起光を同じ場所に往復させるための非常に多くのミラーを用いて複雑な励起光学系を設置する必要がある。これに対し我々のエッジ励起方式は単純な光学系によってLDからの励起光を結晶内に導入でき、逆に発振領域も作りつけのコア面積で規定されるために、サイズはもちろん制御性、部品コストや励起効率、安定性の点でも有利であり、産業用のレーザとしてより優れた特長を有していると考えられる。またコアサイズやチップ外径を広げることで高出力化の拡張性が容易であり、この点でもドイツのディスクレーザに比べ優れている。
本研究では本提案の性能実証に向けたマイクロチップ構造の最適化シミュレーションと検証実験を進めている。さらにその中で生じる様々な新しい技術的課題に対して解決策を講じ、同時にその特許化をおこなっている。具体的にはマイクロチップ全体の外形、厚み、コア部分の形状およびYbの添加濃度の最適化について、励起光の吸収分布シミュレーション、発熱によるチップ内の温度上昇の有限要素法による解析（図４、計算は□２ｍｍコア８．６Ｗの発熱を仮定）および実際に励起を行って赤外放射温度計（IRカメラ）を用いたチップの非接触温度分布測定実験を行っている。さらに薄いチップのエッジからLD光をもれなく入射させるための集光光学系のCADによる最適設計、トレランスの把握と実験による集光径の測定（図５）、励起に適したLDの仕様の明確化を行い、逆にマイクロチップ形状設計へのフィードバックも行っている。その結果３００W出力動作目標の仕様では、チップの外形Φ１０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、コアの径Φ５ｍｍ、Yb添加濃度５ａｔ％で対向する４方向から励起光を入射する構造が最適であると判断しており最終仕様として現在試作を進めている。
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| 図２ エッジ励起マイクロチップ構造 |
図３ ロッド型構造 |
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| 図４ 有限要素法によるチップ内熱解析例 |
図５ LD集光ビーム形状の測定実験 |
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| ２．３ マイクロチップのヒートシンクへのダイボンディング技術開発 |
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マイクロチップをヒートシンクに固定するダイボンディング技術は放熱の点からレーザ性能を左右する本研究において非常に重要な開発テーマの一つであり同時にコア技術の一つと言える。エッジ励起マイクロチップの構成において例えば１ｋWの励起入力を行った場合、コアのYb:YAGではおよそ１００Wの発熱が発生することになる。コア径がΦ５ｍｍであれば、５００W／ｃｍ２の発熱面密度となる。本構造におけるダイボンディングは単にチップ固定するだけでなく、数百W／ｃｍ２という非常に高い面密度で発熱するチップから如何に効率よくヒートシンクに熱を伝えるかという点が重要である。しかも発熱するコアの面内で放熱に不均一性が合った場合、局所的な温度上昇だけでなく歪み等でレーザ光のビーム品質の劣化や出力低下、最悪の場合チップの破壊などを招くことが予測される。またダイボンディングプロセスの際のチップに対する歪みや化学的な反応、温度上昇によるコーティング膜の劣化、破壊などにも十分配慮する必要がある。
本研究においては同様に高い発熱面密度を呈する既存のLDのダイボンディング技術に注目し、一部構造、プロセスを取り入れることでこの課題を解決しつつある。具体的にはヒートシンクとチップの接着側にLDの電極構造に似た積層金属膜を形成し、InあるいはAuSnなどの熱伝導率の高い金属製ハンダを用いて接着する試作実験を行った。しかしInの場合にはIn表面の酸化の影響により接着面にボイド等のムラが肉眼で確認でき、励起状態でのIRカメラを用いた非接触温度分布測定の結果からも放熱のムラが測定された。そのため結果的にCWのレーザ発振動作では高励起時に出力が飽和する傾向が見られた。一方AuSnによる接着では良好な接着面が得られ後述するようにCW動作で１００W近い出力を得ることができた。しかしAuSnは融点温度が２７８℃とInの１５６℃に比べ高いために、今のところ目立った悪影響は見られないがチップに形成した誘電体多層膜コーティングの劣化や形成後の残留歪みが懸念され今後評価の必要があると考えている。
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| 図６ 新型水冷ヒートシンク外観 |
最大１００W、５００W／ｃｍ２の高い発熱密度で狭い面積から効率よく熱を除去するためには、先のダイボンディング技術同様ヒートシンク自体も高性能でなければならず、これを開発することも本レーザの高出力化に非常に重要なテーマである。今年度にはこれまで開発したマイクロチャンネル水冷ヒートシンクをさらに改良し冷却効率の大幅改善を実現した。具体的にはマイクロチップと冷却水までの距離を１ｍｍまで近づけ、ヒートシンクの材質をCuWからより熱伝導性の高い純Cuに変更した。また冷却水の流れをチップの面に平行から垂直に変更した。これによりヒートシンクの形状構造に自由度が高まり、４方向励起のための集光レンズがチップの周囲に近接して配置されることからヒートシンクの外形形状を周囲に出っ張りのない細長い円筒形に変更した（図６）。試作したヒートシンクについてチップを接着する面に外部からレーザ光を照射して加熱し、その時のヒートシンクの表面温度を非接触のIRカメラで測定した結果、これまでのヒートシンクに比べ同じレーザ照射パワーでも温度上昇を実に１／２以下に抑えることに成功した。現在も引き続き冷却効率の向上を目指し構造の最適化、試作評価を進めている。 |
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| 図７ エッジ励起Yb:YAGマイクロチップレーザ発振実験 |
図７はエッジ励起マイクロチップレーザの発振実験の構成の一例を示す。コア形状□２ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ、Yb濃度１５at%のマイクロチップをAuSnにてヒートシンクに接着し、４方向から励起光を導入した。なおこれは開発の途中経過の中で行ったものであるためチップの形状は先に述べた最適なものではなく、またヒートシンクも従来のものである。また励起光はLDから直接ではなく一旦ファイバーに導入されファイバーからの出力をレンズで成形しチップに導入している。外部のレーザ発振器の出力ミラーは透過率（Ｔ）５％、曲率１００ｍｍで共振器長は５０ｍｍとした。図８に横軸励起光入力に対するレーザ出力（縦軸）特性を示す。発振閾値（励起入力）は５５W、３４０W励起時に最大CW出力９０．２W（スロープ効率４０％、光−光変換効率２７％）が得られた。出力パワー密度として２．２５ｋＷ／ｃｍ２であった。さらに出力ミラーの曲率を１ｍ、共振器長を６６０ｍｍまで長くしたところ出力は２５％低下したが、ビーム品質としてM2値（ビーム品質を表す指標）５が得られた。これは現行市販されている数百からキロワットクラスの高出力固体（Nd:YAG）レーザに比べ、１／１０、炭酸ガスレーザに比べても半分のビーム径にまで絞ることが出来るビーム品質である。共振器長を広げることで簡単に高ビーム品質化が可能であると言うことは、このエッジ励起マイクロチップ構造が発熱に対して極めてレーザ光の波面に与える影響が少ないことを示している。そこで専用の測定装置（Wavefront Analyser CLAS 2D）によりコア部分でのマイクロチップの透過レーザ光波面歪みを実測したところ、図９に示すように励起入力（横軸）を変化させても透過波面の変化（縦軸）がほとんど観測されなかった。このことは先に述べたようにこの構造が発熱のレーザ光に与える影響を設計通り非常に効果的に抑えていることを証明している。
今後はマイクロチップ構造、ダイボンディング、ヒートシンクなど、現在最適化されつつあるコア技術の組み合わせにより実験系を構成し、CW３００Ｗの出力と高ビーム品質動作の実証実験を進めていく。パワー密度が２．２５ｋＷ／ｃｍ２で一定と考えると単純な見積もりではコア径を□２ｍｍからΦ５ｍｍまで広げることで出力が５倍の４５０Ｗまで増加可能で、しかもヒートシンクの改善により温度上昇が１／２に抑えられればさらにその２倍の９００Ｗ出力まで動作が可能になるはずで、目標出力の達成は十分可能な領域と考えている。
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| 図８ レーザー発振特性 |
図９ 波面歪み測定結果
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これまでの地域結集Ａグループにて進めているCW方式Yb:YAGマイクロチップレーザの開発経過、成果について簡単に説明した。チップ構造、ダイボンディング、ヒートシンクの主要なコア技術に関してはすでに特許申請済みである。今後開発に残されている課題としてはダイボンディング技術の確立が上げられる。これはチップ及びヒートシンク側の接着面の層構造の最適化のみならず、ダイボンディングプロセスの最適化（温度、時間、雰囲気、圧力等）がまだ十分ではないと考えており、最適化には詳細な理論検討と同時に多くの検証実験が必要で時間を要する。また高ビーム品質化のためのレーザ共振器構成の最適化もまだ十分ではない。今後は残された時間でこれらの課題にメドをたてながら３００Ｗ試作機を完成させることに研究を注力する。なお試作実証機ではエッジ励起の特長を最大限に生かしレーザヘッドサイズはＡ４版程度に納めることを想定している。これが実現されれば現行市販装置の１／３〜１／５になり世界でも最も小さい高出力レーザヘッドになるはずである。
本研究の成果である試作機は工業技術センター内で開発を進めている金属造形用光源を応用第一候補に考えているが、初めにも述べたように高出力、高ビーム品質で小型、高安定であれば既存のほとんど加工用途の高出力レーザ光源の置き換えが可能で、エッジ励起Yb:YAGマイクロチップレーザは高性能化光源としてその十分な性能と魅力、可能性を持ち合わせている。今後本研究において開発された多くのコア技術を民間に移植し、実用化のための信頼性、量産性の確立を経て実際に様々な産業分野で普及する日もそれほど遠くないと考えている。特に福井県内には優れた技術力を有するロボット機械メーカ、金型はじめ金属、プラスチック、樹脂加工メーカが多く、本研究の成果を県内で短期間の間に産業に生かせる土壌は十分にある。また幸いなことに優れたメッキ技術を有するメーカも多いことから、本研究で確立したダイボンディング、ヒートシンクなどのコア技術をさらに向上、実用化すれば、レーザ装置あるいはその部品の製品化まで県内で行うことも十分可能であり、福井県の新たな産業創成の場を数多く提供できる。
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主要発表論文 |
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| 1) |
N. Pavel, S. Saikawa, aNd T. Taira: "Radial-pumped microchip high-power
compsite Yb:YAG laser: design aNd power characteristics," Jpn. J.
Appl. Phys., 40 (part 1, no. 1) (2001) 146-152. |
| 2) |
T. Dascalu, T. Taira, aNd N. Pavel,Jpn. J. Appl. Phys. (Express Letters)
41 (part 2, no. 6A), L606-L608 (2002). |
| 3) |
T. Dascalu, T. Taira, N. Pavel, Opt. Lett., 27, pp. 1791-1793 (2002) .. |
| 4) |
T. Dascalu, N. Pavel , T. Taira, Appl. Phys. Lett., in press (2003) |
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出願特許 |
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| ３件（内訳、マイクロチップ構造１件、ダイボンディング１件、ヒートシンク１件） |
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