✷ レーザー
正式名称は「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」です。これは文字通り「光励起放射線の増幅」を意味します。直線的に遠くまで広がり、狭い範囲に集まる自然光とは異なる性質を持った人工光源です。
✷ レーザーと自然光の違い
1. 単色性
自然光には、紫外線から赤外線までの幅広い波長が含まれています。その波長は様々です。
自然光
レーザー光は単一波長の光であり、単色性と呼ばれる性質があります。単色性の利点は、光学設計の自由度が高まることです。
レーザ
光の屈折率は波長によって異なります。
自然光がレンズを通過すると、レンズに含まれるさまざまな種類の波長により拡散が発生します。この現象は色収差と呼ばれます。
一方、レーザー光は、同じ方向にのみ屈折する単一波長の光です。
たとえば、カメラのレンズは色による歪みを補正する設計が必要ですが、レーザーはその波長のみを考慮するだけで済むため、ビームを長距離に伝送することができ、光を集中させる精密な設計が可能になります。小さな場所で。
2. 指向性
指向性とは、音や光が空間を伝わる際に拡散しにくい度合いを指します。指向性が高いほど、拡散が少ないことを示します。
自然光： さまざまな方向に拡散した光で構成されており、指向性を高めるためには進行方向以外の光を除去する複雑な光学系が必要となります。
レーザ：指向性の高い光なので、レーザーが広がらずに直進する光学系の設計が容易となり、長距離伝送などが可能になります。
3. 一貫性
コヒーレンスは、光が互いに干渉する傾向の程度を示します。光を波とみなすと、バンドが近づくほどコヒーレンスが高くなります。たとえば、水面上のさまざまな波が衝突すると、互いに強めたり打ち消し合ったりすることがありますが、この現象と同様に、波がランダムであればあるほど干渉の度合いは弱くなります。
自然光
レーザーの位相、波長、方向が同じであるため、より強い波動を維持できるため長距離伝送が可能です。
レーザーの山と谷は一貫しています
コヒーレント性が高く、広がらずに遠くまで伝わる光は、レンズを通して小さな点に集めることができ、他の場所で発生した光を透過させることで高密度の光として利用できるという利点があります。
4. エネルギー密度
レーザーは優れた単色性、指向性、コヒーレンスを備えており、非常に小さなスポットに集めて高エネルギー密度の光を形成することができます。レーザーは、自然光では到達できない自然光の限界近くまでスケールダウンできます。(バイパス限界: 光の波長よりも小さいものに光を集中させることが物理的に不可能であることを指します。)
レーザーをより小さなサイズに縮小することにより、金属の切断に使用できるレベルまで光強度 (出力密度) を高めることができます。
レーザ
✷ レーザー発振原理
1. レーザー発生原理
レーザー光を生成するには、レーザー媒体と呼ばれる原子または分子が必要です。レーザー媒質は外部からエネルギーを与えられ（励起され）、原子は低エネルギーの基底状態から高エネルギーの励起状態に変化します。
励起状態とは、原子内の電子が内殻から外殻へ移動する状態です。
原子は励起状態に変化した後、一定の時間が経過すると基底状態に戻ります（励起状態から基底状態に戻るまでの時間を蛍光寿命と呼びます）。このとき受け取ったエネルギーは光の形で放射されて基底状態に戻ります（自然放射）。
この放射光は特定の波長を持っています。レーザーは、原子を励起状態に変換し、その結果生じた光を取り出して利用することによって生成されます。
2. 増幅レーザーの原理
一定時間励起状態になった原子は自然輻射により光を放射し、基底状態に戻ります。
しかし、励起光が強くなると、励起状態にある原子の数が増加し、光の自然放射も増加して、励起放射という現象が起こります。
誘導放射線とは、自然放射線または刺激放射線の光が励起原子に入射した後、その光が励起原子にエネルギーを与え、光を対応する強度にする現象です。励起された放射線の後、励起された原子は基底状態に戻ります。この誘導放射線をレーザーの増幅に利用するのですが、励起状態にある原子の数が多ければ多いほど、より多くの刺激放射線が発生し続けるため、急速に光が増幅されてレーザー光として取り出されます。
✷ レーザーの構造
産業用レーザーは大きく4種類に分類されます。
1. 半導体レーザー：活性層（発光層）構造を有する半導体を媒体としたレーザー。
2. ガスレーザー：CO2 ガスを媒体とする CO2 レーザーが広く使用されています。
3. 固体レーザー: 一般に、YAG レーザーおよび YVO4 結晶レーザー媒体を使用する YAG レーザーおよび YVO4 レーザー。
4. ファイバーレーザー: 媒体として光ファイバーを使用します。
✷ パルス特性とワークへの影響について
1. YVO4とファイバーレーザーの違い
YVO4 レーザーとファイバーレーザーの主な違いは、ピークパワーとパルス幅です。ピークパワーは光の強度を表し、パルス幅は光の持続時間を表します。yVO4は高いピークと短いパルスの光を発生しやすい特性があり、ファイバーは低いピークと長いパルスの光を発生しやすい特性を持っています。レーザーを材料に照射する場合、パルスの違いにより加工結果が大きく異なります。
2. 材料への影響
YVO4 レーザーのパルスは、材料に高強度の光を短時間照射するため、表面層の明るい部分が急速に加熱され、すぐに冷却されます。照射部分は沸騰状態から冷却されて発泡状態となり、蒸発して浅い痕跡が形成されます。熱が伝わる前に照射が終了するため、周囲への熱影響が少ないです。
一方、ファイバーレーザーのパルスは、弱い光を長時間照射します。物質の温度はゆっくりと上昇し、長時間液体または蒸発したままになります。そのため、彫刻量が多くなる場合や、金属が多量の熱を受けて酸化し黒くしたい場合の黒色彫刻にファイバーレーザーは適しています。
投稿日時: 2023 年 10 月 26 日