レーザー 電力 原則 と 産業 応用 を 探求 する

レーザー技術において、出力は、機器の選択とプロセスの効率に直接影響を与える基本的なパラメータとして位置づけられています。レーザー溶接、クリーニング、エッチング、切断、マーキングのいずれにおいても、レーザー出力は処理速度と品質を決定する上で中心的な役割を果たします。しかし、レーザー出力の多様な表現は、しばしば混乱を招く可能性があります。この記事では、レーザー出力の概念、関連パラメータ、およびその応用について包括的に検証します。

レーザー出力の定義と単位

米国国立衛生研究所（NIH）によると、レーザー出力は「レーザーがエネルギーを放出する速度」と定義されています。簡単に言えば、レーザーがどれだけの速さでエネルギーを放出するかを測定します。レーザー出力の標準的な単位は、ワット（W）、キロワット（kW）、またはミリワット（mW）です。1ワットは、レーザーが1秒あたり1ジュールのエネルギーを放出できることを示します。したがって、100Wのレーザーは、毎秒100ジュールのエネルギーを放出します。

レーザー出力と出力密度の区別は非常に重要です。50Wと200Wのレーザーが同様のタスクを実行するためにエネルギーを集中させる場合でも、高出力のレーザーは、1秒あたりのエネルギー出力が大きいため、より速く作業を完了します。レーザー出力は、その集中度ではなく、単位時間あたりに放出される総エネルギーを表すだけです。

連続波レーザーとパルスレーザー

レーザーは、主に、出力を異なる方法で使用する2つのカテゴリに分類されます。

• 連続波レーザー：これらは、一定の速度でエネルギーを放出します。たとえば、50Wの連続レーザーは、一貫して毎秒50ジュールのエネルギーを放出します。
• パルスレーザー：これらは、エネルギーをバーストで放出し、パルス間に短い一時停止を挟んでエネルギーを蓄積します。これにより、パルスレーザーはより高いピークエネルギーレベルを達成できます。

パルスレーザーは、材料のアブレーションに必要な高いピークエネルギーを生成できるため、マーキング、クリーニング、エッチングなどの用途で、一般的に連続波レーザーよりも優れています。

詳細なレーザーパラメータ

パルスエネルギー

各レーザーパルスには特定のエネルギーが含まれており、通常はミリジュール（mJ）で測定されます。低エネルギーを必要とするアプリケーションでは、パルス設定を減らすことができます。

パルス幅

これは、各パルスの持続時間を指し、エネルギーの集中に影響します。短い持続時間は、より高いピーク出力を生み出します。パルス幅はパルス長とも呼ばれ、レーザーの種類によってフェムト秒からナノ秒の範囲です。

パルス繰り返し周波数

ヘルツ（Hz）またはキロヘルツ（kHz）で測定され、これは1秒あたりのパルス数を示します。高出力レーザーは、1秒あたりにより多くのパルスを放出できます。繰り返し周波数と出力の関係を以下に示します。

スポットサイズ

レーザービームは、非均一なエネルギー分布を持つさまざまな形状（円形、正方形、長方形）を持つことができます。スポットサイズは、エネルギーが最も集中している直径を指します。より小さなスポットは、より高いピークエネルギーを生み出し、集光レンズなどの光学部品を使用して調整できます。

ビームプロファイル

これは、ビーム直径全体にエネルギーがどのように分布するかを記述します。ガウスプロファイルは、より小さなスポットでより高いピークを達成し、フラットトッププロファイルは、よりクリーンな切断のために、より均一なエネルギー分布を提供します。ビームプロファイルは、特殊なアナライザーを使用して測定されます。

レーザー出力レベル

さまざまな出力の概念を理解することで、100Wのレーザーがはるかに高い有効出力を生成できることがわかります。

平均出力

レーザー出力に相当し、これは1秒間のレーザーの平均出力を表します。連続およびパルス100Wレーザーの両方が100Wの平均出力を持ちます。

ピーク出力

これは、特定の時間間隔における最高の出力です。短いパルスにエネルギーを集中させると、非常に高いピーク出力レベルが生成され、パルスエネルギーをパルス幅で割って計算されます。

出力密度

照射度とも呼ばれ、このパラメータ（W/cm²で測定）は、出力をビーム面積に関連付けることでエネルギーの集中を示します。より多くの出力をより小さなスポットに集中させると、より高い出力密度が得られます。

実用的なアプリケーション

レーザー出力設定は、アプリケーションによって大きく異なります。

• 高出力マーキング：500Wファイバーレーザーは、材料に高エネルギーを供給することにより、深く耐久性のあるマークを作成します。
• 低出力アニーリング：低出力レーザーによる穏やかな加熱は、表面の完全性を維持しながら化学反応を誘発します。

結論

レーザープロセスを最適化するには、レーザー出力の概念を習得することが不可欠です。パルスエネルギー、パルス幅、繰り返し周波数、スポットサイズ、ビームプロファイルなどのパラメータを注意深く調整することにより、オペレーターはさまざまなアプリケーションのエネルギー出力を正確に制御できます。適切な出力設定は、レーザー処理タスクの効率と品質の両方を大幅に向上させます。