レーザーの5つの種類 ゲインミディアム
レーザーの利得媒体とは、光を増幅する物質のことです。有用なレーザーには、ファイバーレーザー、ガスレーザー、半導体ダイオードレーザー、バルク固体レーザー、色素レーザーの5つのグループがあります。これらのレーザーは、光の生成方法、使用可能な波長、用途が異なります。ファイバーレーザーは固体レーザーの一種であるため、これら5つのグループは、互いに排他的な5つの物理状態ではなく、実用的な比較のためのものです。
5つのタイプを比較するレーザー光学実験室の写真：アイダホ国立研究所、CC BY 2.0。読みやすさを考慮して画像の一部を切り取り、暗くしています。製品テストではありません。
レーザー利得媒体とは何ですか？
利得媒質はレーザー内部の活性物質である。これにエネルギーを供給することで、通過する光が誘導放出によって増幅される。活性粒子としては、結晶やガラス中のイオン、ガス分子、色素分子、半導体中の電荷キャリアなどが挙げられる。
これは、活性物質とその容器を区別するのに役立ちます。例えば、Nd:YAGレーザーでは、ネオジムイオンがレーザー遷移を担い、YAG結晶はそのイオンのホストとなります。一般的な産業用ファイバーレーザーでは、イッテルビウムイオンが細長いガラスファイバー内に封入されています。
媒質は、様々な波長の放射に対応できます。共振器はどの波長が増幅されるかを選択し、追加の光学ステージでそれらを変換できます。そのため、利得媒質を特定することは装置の説明に役立ちますが、出力仕様全体を把握できるわけではありません。
用語は、コヒーレント社のレーザー基礎知識およびエドモンド・オプティクス社の一般的なレーザーの種類に関する解説における、レーザー媒体とデバイス構造の区別に従っています。このガイドは、すべての特殊レーザーを網羅的に列挙することを目的としたものではありません。
5種類のレーザーを比較するとどう違うのか？
この表は、活性材料と代表的な出力値を比較したものです。波長の例は、その系列のすべてのレーザーの全波長調整範囲を示すものではありません。また、1つのモデルが必ずしも記載されているすべての波長に対応しているとは限りません。
| レーザーの種類 | ゲインは中程度 | 波長の例 | 使用する一般的な理由 |
|---|---|---|---|
| ファイバ | 希土類元素を添加したガラス繊維 | イッテルビウム系は約1 µm、エルビウム系は約1.55 µm | 金属加工、マーキング、センシング、および科学用途 |
| ガス | 励起ガスまたは混合ガス | CO₂：一般的に10.6 µm；He–Ne：632.8 nm；KrFエキシマ：248 nm | 材料加工にはCO₂、測定にはHe-Ne、UV処理にはエキシマレーザーが用いられる。 |
| 半導体ダイオード | 半導体活性領域 | 可視光と赤外線のオプションがあり、産業用途の例としては、450 nm付近の青色光と980 nm付近の近赤外線光がある。 | 直接加熱または加工、および他のレーザーの励起 |
| バルク固体 | Nd:YAGなどのドーピングされた結晶またはガラス | Nd:YAGは一般的に1064 nmの波長で動作し、周波数変換された出力には532 nmと約355 nmが含まれる。 | 溶接、マーキング、マイクロマシニング、科学研究など、情報源によって異なる |
| 染料 | 有機染料（通常は液体溶媒に溶解） | 色素、ポンプ、光学系によって設定された帯域内で調整可能 | 分光法や波長調整が必要な研究 |
1 µm = 1,000 nm。参考文献：フラウンホーファーILTのレーザーの種類、IPGのエルビウム光源、Laserlineの450 nmダイオードの例、CoherentのCO₂波長オプション。これらはあくまで例であり、機器の限界や性能のランキングを示すものではありません。
ポンピングと光フィードバックはどのようにしてレーザー光を生成するのか？
一般的なレーザー発振器では、励起によってエネルギーが供給され、利得媒体によって光が増幅され、光フィードバックによって選択された光が媒体を繰り返し通過します。その結果、一部の光が有用な出力として放出されます。具体的な構造はレーザーの種類によって異なります。
放電によって気体を励起することができる。電流はレーザーダイオードを駆動する。ダイオードやランプからの光は、結晶、光ファイバー、または色素媒体を励起することができる。
励起された媒質は、誘導放出によって光にエネルギーを伝達する。これが光学的利得である。
鏡、回折格子、またはその他の空洞構造によってフィードバックが提供される。光の一部が外部に取り出され、後段の増幅器で出力が増強される可能性がある。
これらは機能であり、汎用的な組み立て図ではありません。Coherent社の共振器とポンピングに関する説明を参照してください。
ファイバーレーザー：活性媒体はファイバー内部にある
ファイバーレーザーは、ドーピングされた光ファイバーを用いて利得を得る。ファイバーが光を導き、活性イオンが光を増幅する。また、その細長い形状は熱の分散にも役立つ。これは、既に生成されたビームを単に受動的な伝送ケーブルに通すのとは異なる。
波長約1μmのイッテルビウム系光源は、金属の切断、溶接、マーキング、洗浄などの用途で広く用いられています。設計によっては、連続動作またはパルス動作が可能です。エルビウム、ツリウム、その他のドーパントを用いることで、他の波長帯や用途にも対応できます。
生産においては、伝送波長、パルスフォーマット、ビーム品質、反射光からの保護といった点が重要となる。日常的な内部調整がほとんど不要な光源であっても、清潔な保護窓、適切な冷却、そして伝送ファイバーの慎重な取り扱いが必要となる場合がある。
出力ケーブルから光源を特定しないでください。ダイオードレーザーやバルク固体レーザーも光ファイバーを通して光を伝送できます。どの材料が利得を生み出しているかを確認してください。
ガスレーザー：CO₂、ヘリウムネオン、エキシマレーザーはそれぞれ異なる役割を担う
「ガスレーザー」とは、単一の波長や出力レベルを指すのではなく、幅広い種類を指す言葉である。CO₂レーザーでは、励起された二酸化炭素分子が混合ガス中のレーザー遷移を引き起こす。他のガスレーザーは、異なる活性種を使用し、全く異なる出力を生成する。
CO₂光源は、ポリマー、木材、紙、繊維など、さまざまな素材の切断やマーキングに広く使用されています。市販のモデルでは、9.3、9.6、10.2、10.6 µmといった離散的な波長が用いられています。これらは波長の選択肢であり、必ずしも連続的な波長調整範囲ではありません。材料の吸収率と、求められる切断面やマーキングの品質によって、波長の選択が決まります。
CO₂レーザーは非金属材料に限らず、適切な高出力システムであれば金属の切断や溶接も可能です。その長波長ビームは、多くの近赤外線システムで用いられる一般的なシリカ伝送ファイバーではなく、適切な自由空間光学系を用いることが一般的です。
プロセス試験の前に、コーティングとポリマー組成を特定してください。ビームを吸収する材料であっても、許容できない煙、火災挙動、または損傷を引き起こす可能性があります。
赤外線出力は、適切な材料を加熱、切断、またはマーキングすることができます。動作ビームは目に見えません。
632.8 nmの馴染み深い赤い線は、位置合わせや測定に使用されるものであり、高出力切断光源の代替として使用されるものではありません。
248 nmのKrFのような光源は、「ガス」が「赤外線」を意味しない理由を示している。
ダイオードレーザー：直接使用または励起用の半導体光
レーザーダイオードは、半導体の活性領域で光を発生させ、通常は電流によって駆動されます。単一の発光体は、アレイやより大きなモジュールに組み合わせることができます。使用可能な波長は半導体の設計によって決まります。「ダイオード」とは、単一のビーム色を意味するものではありません。
ダイオードには2つの異なる役割がある。直接ダイオードレーザーは、ダイオードで生成された光をアプリケーションに送信する。一方、励起ダイオードは、ファイバーレーザーやバルク固体レーザー内の別の利得媒体にエネルギーを供給する。最終的な処理ビームは、その別の媒体によって生成される。
工業用ダイオードシステムは、ろう付け、クラッディング、熱処理、乾燥、および特定の溶接作業に適しています。広範囲の加熱には、小さな焦点よりも、制御された長方形または線状のスポットの方が適している場合があります。その他の設計では、より高い輝度とより精密な焦点が優先されます。
例えば、 Laserline社のLDLシリーズは、980nmの出力と整形された照明を用いて広範囲の加熱を実現しています。これは特定のアーキテクチャであり、すべてのダイオードレーザーの性能テンプレートではありません。
バルク固体レーザー：結晶またはガラス製の利得媒体
バルク固体レーザーは、ドーピングされた結晶またはガラスの個別の部品を使用します。例としては、Nd:YAG、Nd:YVO₄、Ti:サファイアなどがあります。ロッド、スラブ、薄型ディスクといった構造は、活性材料の形状を表すものであり、個々の物理状態を表すものではありません。
これらの光源は、多くの場合ダイオード励起方式が用いられるが、他の励起方式も存在する。出力は連続波またはパルス波となる。溶接、穴あけ、精密マーキング、マイクロマシニング、研究などに使用され、実際の性能は媒体とレーザー設計によって決まる。
一般的なNd:YAGレーザーの波長は、赤外線領域の1064nmです。非線形光学結晶を用いることで、この光の一部を532nmの緑色光、あるいは約355nmの紫外線光に変換することができます。変換結晶は新たな利得媒体ではありません。変換によって光学的損失や動作上の制約も生じます。
波長が短いと微細な構造や材料の結合処理に役立ちますが、紫外線は必ずしも「低温」で損傷がないわけではありません。パルス幅、エネルギー密度、繰り返し照射といった要素が結果に影響を与えます。コヒーレント社のAVIA LXは、UV/グリーンDPSS処理技術の商用製品の一例です。
色素レーザー：研究用波長調整可能レーザー
色素レーザーは通常、液体溶媒に溶解した有機分子を使用します。励起光源からの光が色素を励起します。光学素子は利得帯域内の波長を選択するため、この種類のレーザーは分光法（物質と光の相互作用を研究する学問）に役立ちます。
1種類の色素で全ての波長をカバーできるわけではありません。色素、溶媒、励起波長、共振器光学系が連携して機能する必要があります。追加の周波数変換段を用いることで、色素の直接発光範囲を超えて出力範囲を広げることができます。そのため、Sirah社は自社レーザープラットフォームごとに色素選択に関するデータを個別に公開しています。
液体循環、化学的適合性、染料の劣化はメンテナンスの手間を増大させます。色素レーザーは、波長可変範囲とスペクトル精度が重要な科学研究においては最適なツールとなり得ますが、日常的な金属切断や錆除去には必ずしも適切な選択肢とは言えません。実験の実際の要件と照らし合わせて、他の波長可変光源と比較検討してください。
DPSS、MOPA、UVレーザー、パルスレーザーは、それぞれ異なる利得媒体ですか？
いいえ。これらの名称はレーザーの異なる側面を表しています。同じ光源に複数の名称が適用される場合もあります。これらを区別することで、サプライヤーの仕様書がはるかに読みやすくなります。
DPSSはポンプと媒体について説明します
DPSSとは、ダイオード励起固体レーザーの略です。ダイオードは固体媒体（工業製品の名称では一般的にバルク結晶）に励起光を照射します。これは、最終的なビームが直接ダイオード光であることを意味するものではなく、またレーザーが紫外線である必要もありません。
MOPAはソースアーキテクチャを記述します
マスターオシレーターパワーアンプは、シード光源とそれに続く増幅回路を使用します。MOPAは特定のパルス幅を保証するものではなく、様々な媒体や動作モードで使用できます。例えば、Coherent社のMephisto MOPAは、連続波DPSSシステムです。
UVまたはグリーンは出力波長を表します
異なるレーザー技術でも同じスペクトル領域に到達できる場合があります。紫外線光源は、エキシマガスを用いる場合もあれば、周波数変換型固体出力を用いる場合もあります。色ラベルから推測するのではなく、正確な波長と構造を確認してください。
CWまたはパルスは、時間経過に伴う出力を表します。
連続波（CW）出力は動作中持続します。パルス出力はバースト状に発生します。ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒はパルス幅を表す単位であり、利得媒体を表す単位ではありません。ファイバー光源とバルク結晶光源の両方でパルス出力が可能です。
同じ出力の2つのレーザーが異なる挙動を示すのはなぜか？
定格光出力は、単位時間あたりに供給されるエネルギー量を示しますが、そのエネルギーがスポット内またはパルス内でどのように分布するかは示しません。波長も、被加工物による吸収に影響を与えます。
- 波長と表面
- 吸収率は、材質、表面仕上げ、酸化物、コーティング、温度によって変化する可能性があります。室温でのデータは、溶融またはアブレーションされている表面の状態を完全に表すものではありません。
- パルスエネルギーと持続時間
- 一定のパルス列の場合、平均電力はパルスエネルギーに繰り返し周波数を乗じた値に等しくなります。ピーク電力は、パルスの持続時間と時間的な形状にも依存します。
- スポットサイズとビーム品質
- 同じパワーをより小さな領域に集中させることで、光の強度を高めることができます。ビーム品質と照射光学系は、光をどれだけ精密に集光できるかに影響します。
- 配達とスキャン
- レンズ、保護窓、作動距離、スキャンパターン、およびオーバーラップは、部品への露光量に影響を与えます。光源の出力は、ワークピースへの出力と必ずしも一致するわけではありません。
例：100Wはパルスエネルギーを指定していません
安定した平均出力100W、均等なパルス、および100kHzの繰り返し周波数を仮定します。
100 J/秒 ÷ 100,000 パルス/秒 = 1 mJ/パルス
50kHzでは、同じ100Wの出力を得るには、パルスあたり2mJのエネルギーが必要となる。実際の電源ではこの組み合わせに対応できない可能性があるため、動作許容範囲を確認する必要がある。
100Wの連続波（CW）光源には、それに相当する個別のパルス列は存在しません。この計算は仕様を説明するものであり、洗浄や溶接の設定を説明するものではありません。浸透深さ、除去速度、表面損傷を予測するものではありません。
材料固有の結合については、金属加工におけるレーザー波長の選択を参照してください。比較を行う際は、材料、表面状態、および加工条件を必ず明記してください。
用途に応じてどのタイプのレーザーを評価すべきでしょうか？
アプリケーションを使って候補リストを作成し、その後、実際の素材をテストしてください。万能に最適なゲイン媒体は存在しません。ここで紹介する出発点は一般的な方法を示すものであり、必ずしも適合性を保証するものではありません。
金属の切断、溶接、洗浄
近赤外線ファイバーレーザーは、一般的な出発点となります。合金の種類、厚さ、接合状態、汚染の有無などを確認し、必要な出力モードと光学系を比較検討してください。反射性の高い金属や厳しい耐熱性を必要とする場合は、他の波長や構造も検討する価値があるかもしれません。レーザー溶接ガイドとレーザー洗浄ガイドには、プロセス固有の疑問点が網羅されています。
ポリマー、木材、紙、繊維
CO₂の吸収は評価する価値がある場合が多いが、まずは材料の種類とコーティングの有無を正確に特定する必要がある。切断面の品質、変色、発生する煙、そしてビームが材料を貫通するかどうかも確認しなければならない。吸収率が高いというだけでは、材料の加工が許可されるわけではない。
精密マーキングとマイクロマシニング
パルスファイバー光源、グリーン光源、UV光源など、適切な光源を、対象物のサイズ、コントラスト、許容損傷度合いに基づいて比較検討する。短波長は有効な場合もあるが、パルスエネルギー、焦点、繰り返し露光については、依然として検証が必要である。
加熱または波長選択研究
広範囲加熱には、制御された線状または面状のスポットを照射する直接ダイオード光源が適している場合があります。分光分析においては、必要な波長可変帯域と線幅に応じて、色素レーザーやその他の波長可変光源が用いられます。これらは異なる用途であり、単一の「最高のレーザー」ランキングで順位付けされるべきではありません。
より広範な機器比較については、「産業用レーザーの種類」を参照してください。ここで重要な違いは、活性媒体と、それがレーザーの出力にどのように関係するかです。
レーザー加工の見積もりを比較する前に確認すべきことは何ですか？
光源の仕様と代表的な処理結果を要求してください。「ファイバー」「UV」「MOPA」といった名称だけでは、多くの変数が不明瞭なままです。
- 光源とビーム： 正確なモデル、利得媒体、波長、平均出力、パルス範囲、ビーム品質、および出力が指定される点。
- 光学系とワークピース： スポットの寸法、作動距離、搬送経路、そして実際の材料、表面、形状に一致するサンプル。
- 受け入れ： 必要な溶接融合、マーキング品質、切断端面またはクリーニング終点、さらに必要な取り扱いと検査を含むサイクルタイム。
- 運用費用： 計画された作業負荷における、電力、冷却、排気、光学、サービス、およびダウンタイム。
効率を比較する際は、同じ基準で比較してください。壁コンセント効率は、指定されたシステム境界における光出力÷電気入力です。冷却装置やその他の補助装置が含まれているかどうかを確認してください。光源効率が高いからといって、必ずしも部品あたりのコストが低くなるわけではありません。
利得媒体はレーザー安全クラスを決定するのか？
いいえ。完成品の排出物と動作構成が重要です。「ファイバー」「CO₂」「ダイオード」といった情報だけでは、危険度クラスを判断することはできません。
クラス1の密閉型製品であっても、より高クラスの危険源を内包している可能性があります。保守のためにシステムを開放すると、別の危険が露呈する恐れがあります。製品の分類は明確に定める必要があり、カバーを取り付けるだけでは、クラス1への適合を証明するものではありません。
対策としては、評価対象のビーム経路、反射、アクセス、目や皮膚への曝露、煙、火災、電気的危険性などを考慮する必要があります。保護具は、評価対象の波長と曝露条件に適合していなければなりません。ビームの色や位置合わせのドットだけでは、保護具を選ぶのに十分ではありません。
IEC 60825-1は、レーザー製品の分類および製造業者の要件を定めています。OSHAのレーザー危険性に関する基準ページには、関連する米国の職場における基準が記載されています。機器および設置場所に適した要件を適用してください。
ゲイン・ミディアム分類はどのように活用すべきでしょうか？
利得媒体を利用して、レーザーがどのように光を生成するかを理解しましょう。次に、実際の波長、パルス形式、ビーム伝送方式、および処理結果を確認します。ファイバーが必ずしも活性ファイバーであるとは限らず、ポンプダイオードが必ずしも処理光源であるとは限らず、UVラベルは利得媒体を特定するものではありません。
これらの違いを理解することで、より的確な質問をしたり、異なる仕様の機械を互換性のあるものとして扱うことなく比較したりすることが可能になります。
レーザー加工アプリケーションについてご相談ください
Oceanplayer Laser社に、材料のグレード、寸法、表面状態、希望する結果、および生産目標をお知らせください。図面または鮮明な写真を添付していただければ、レーザーの機種名を示すだけでなく、具体的なサンプルテスト計画の策定へとスムーズに進めることができます。
サンプルテストについて話し合う技術参考資料
- コヒーレント ― レーザーとは何か？ 利得媒体、ポンピング、共振器の機能。
- エドモンド・オプティクス社 ― 一般的なレーザーの種類 固体素子、光ファイバー、半導体に関する用語。
- フラウンホーファーILT — レーザーの種類 代表的な媒体と発光波長。
- コヒーレント社製CO₂レーザー 個別の波長オプションと材料加工プラットフォーム。
- コヒーレント — AVIA LX UV/グリーンDPSS製品の例。
- Laserline — LDLダイレクトダイオードレーザー 980nmの大面積加熱アーキテクチャ。
- シラ - ダイリングレーザー 波長可変色素レーザープラットフォームと動作オプション。
- Coherent — Mephisto MOPA データシート MOPAが連続波であり、かつDPSSであることを示す例。