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青色半導体レーザー装置の世界最高出力1kWを達成【島津製作所】
2019年1月29日
青色半導体レーザー装置の世界最高出力1kWを達成
―金属のレーザー切断実現へ、航空・宇宙・電気自動車などの産業応用に期待―
NEDOプロジェクトにおいて、（株）島津製作所と大阪大学は、青色半導体レーザー装置の世界最高出力1kWを実現しました。これは、同プロジェクトで昨年達成した出力の10倍です。 この高出力化によって、従来の青色半導体レーザー技術では難しいとされている数ミリメートル厚の銅や金のレーザー切断加工の実現に向けて前進しました。本技術は、航空・宇宙・電気自動車などの産業において、部品加工に活用されることが期待されます。
なお、（株）島津製作所と大阪大学は、1月30日から2月1日まで東京ビッグサイトで開催される「TCT Japan 2019」に、今回開発した青色半導体レーザー光源、光源を搭載した加工装置、実際に加工したサンプルなどを出展し、デモンストレーションを行います。
1．概要
青色半導体レーザー※1は金属に対する吸収効率が高く、赤外半導体レーザーでは困難とされる銅や金などの加工に適しており、次世代レーザー加工機用の光源として応用が期待されるほか、熱伝導型溶接※2やレーザーマーキング用の光源として用途が広がりつつあります。一方で、数ミリメートル厚の金属の切断※3やレーザー焼き入れ※4、溶融・蒸散を伴うキーホール型溶接※5には、さらなる高出力化と高輝度化※6が必要とされています。
そこで、NEDOプロジェクト※7において、株式会社島津製作所と国立大学法人大阪大学接合科学研究所 塚本雅裕教授らは、日亜化学工業株式会社の協力のもと、青色半導体レーザーの高出力化と高輝度化を追求してきました。
そしてこのたび、（株）島津製作所と大阪大学は、青色半導体レーザー装置の世界最高出力1kWを実現しました。これは、同プロジェクトで開発した出力100Wの従来品※8の10倍の出力です。この成果は、青色半導体レーザー光源単体の高出力化および高輝度化の実現と、5本のレーザーを集約して1つの光ファイバーに束ねるレーザービームコンバイニング技術の新開発によるものです。
この高出力化によって、従来の青色半導体レーザー技術では難しいとされていた数ミリメートル厚の銅や金のレーザー切断加工、レーザー焼き入れ、キーホール型溶接などの実現に向けて前進しました。高い精度が要求される航空・宇宙・電気自動車などの産業において、部品加工での利用が見込めます。
図1 青色半導体レーザービームコンバイニング技術の模式図
2．今回の開発成果
（1）青色半導体レーザー光源単体の高出力化・高輝度化
出力200W、輝度2.6×106W／cm2（直径100μm）の青色半導体レーザー光源を開発しました。レーザー光源単体としても、世界最高の出力と輝度を達成することができました。なお、これまでの世界最高値は、本プロジェクト成果の従来品が達成した出力100W、輝度1.3×106W／cm2（直径100μm）であり、出力、輝度ともに2倍の結果が得られました。
（2）複数レーザーの集約技術（レーザービームコンバイニング技術）
青色半導体レーザー光源単体から出力されたレーザーを1本の光ファイバーに集約するために、レーザービームコンバイニング技術を新たに開発しました。この技術は、複数の光ファイバーに入力されたレーザーを1本の光ファイバーに集約して出力するものです。入力側光ファイバーの小径化と高い出力および輝度の両立を実現したことで、（1）で開発した高輝度青色半導体レーザー光源単体から出力されるレーザー5本を直径400μmの光ファイバーに集約し、出力1kWを達成しました。集約後の出力側光ファイバーでも直径400μmの細さを実現しながら、レーザー加工に必要な高輝度特性を確保しています。
なお、（株）島津製作所と大阪大学は、1月30日から2月1日まで東京ビッグサイトで開催される3Dプリンティング／AM（Additive Manufacturing）技術の総合展「TCT Japan 2019」に、今回開発した青色半導体レーザー光源（図2）、光源を搭載した加工装置、実際に加工したサンプル（図3）などを出展します。
3．今後の予定
NEDOプロジェクトにおいて、（株）島津製作所と大阪大学は、青色半導体レーザー光源のさらなる高出力化と高輝度化を目指すとともに、レーザービームコンバイニング技術をさらに改良し、レーザーを集約する光ファイバーのさらなる小径化を進めます。 なお、（株）島津製作所は、今回開発した単体のレーザー（出力200W、輝度2.6×106W／cm2、直径100μm）光源を、同社が展開する青色半導体レーザー光源「BLUE IMPACT」シリーズに加えることを予定しており、2020年度の製品化を計画しています。
注釈
※1青色半導体レーザー
波長400nm～460nmの範囲の青色光を発振する半導体レーザー。
※2熱伝導型溶接
熱伝導型溶接は表面からの熱伝導で金属を溶かして溶接すること。
出力100W級の青色半導体レーザーで実施可能な加工手法の一つ。
※3数ミリメートル厚の金属の切断
レーザー切断加工は、レーザーを用いて材料を切断すること。
一般的に熱伝導型溶接より高いレーザー出力が必要となる。
※4レーザー焼き入れ
レーザー焼き入れは、レーザーを用いて金属組織を制御すること。
レーザーを照射する面積にもよるが、一般的に熱伝導型溶接より高い
レーザー出力が必要となる。
※5溶融・蒸散を伴うキーホール型溶接
キーホール型溶接は、レーザーにより金属を蒸散させくぼみを作りながら
溶接すること。一般的に熱伝導型溶接より高いレーザー出力が必要となる。
出力とは、レーザー光自体の強度。輝度とは、単位面積当たりの強度。
従って、材料加工には、高い輝度を必要とし、高輝度化のためには
高い出力が必要となる。なお、材料によってレーザー光の吸収効率が
異なるため、最適化した波長のレーザー光を高出力かつ高輝度に
照射することで効率の良い加工が可能になる。
※7NEDOプロジェクト
高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次世代レーザー及び加工の
共通基盤技術開発／レーザー加工プラットフォームの
構築／高輝度青色半導体レーザー及び加工技術の開発
（2016年度～2020年度（予定））
※8 従来品
（株）島津製作所の青色半導体レーザー「BLUE IMPACT」100Wモデルとの比較。
参考：2018年1月25日ニュースリリース 世界最高クラスの高出力・高輝度青色半導体レーザーを製品化へ
4．問い合わせ先
本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先
NEDO IoT推進部 担当：須永、服部 TEL：044-520-5211
（株）島津製作所 広報室 TEL：075-823-1110
大阪大学 接合科学研究所 教授 塚本
TEL：06-6879-8675 E-mail：tukamoto@jwri.osaka-u.ac.jp
その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先
NEDO 広報部 担当：藤本、坂本、佐藤
TEL：044-520-5151 E-mail：nedo_press@ml.nedo.go.jp
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