ツリウムファイバレーザ、世界最高性能を達成

April, 21, 2025, Jena--Fraunhofer IOF応用光学・精密工学研究所(IOF)の研究者は、これまでの世界性能記録をほぼ倍増する強力なツリウムファイバレーザを開発した。この技術は、さらに優れた性能の視点を持つ高出力レーザの基盤を築く。

高出力ファイバレーザは、材料加工やフリービームリンクを介した長距離通信など、様々な技術用途に対応する汎用性の高いツールである。特に、地球から衛星までの距離など、極端な距離では、適切なスペクトル範囲の選択が決定的な役割を果たす。2030nmを超える領域は、大気の損失がほとんどなく、同時に反射の危険性が少ないため、特に適していると考えられている。

FraunhoferIOFの研究チームは、2030-2050nmのスペクトル範囲で光を放射し、1.91kWの出力を達成する3つの高出力ツリウムファイバレーザシステムを開発した。従来のシステムの約2倍(～1.1kW)で、過去最高を記録した。

持続可能なスケーラビリティのための技術の進歩
Jenaの研究チームは現在、これまでの記録を基に、一貫して技術をさらに発展させている。「われわれの目標は、技術基盤を最適化して、信頼性の高い個々のソースで次のレベルのパフォーマンスに到達できるようにすることである」と、FraunhoferIOFのレーザ技術グループリーダDr. Till Walbaumは説明している。

スペクトルビーム合成(SBC)の原理は、これの中心である。このプロセスでは、異なる波長のレーザビームが、適合した角度で特殊な光反射格子に照射される。回折により、レーザビームは1つのビームに結合される。これにより、ファイバレーザシステムの性能を向上させると同時に、ビーム品質を維持し、レーザビームの良好な集束性を維持することができる。

接続技術と独自のグリッドにより、高性能を実現
従来のシステムは、特に組み合わせ効率やレーザ効率の低さによる過熱により、高出力では物理的な限界に達する。FraunhoferIOFチームは、より効率的な新しい個別電源と改良された冷却システムにより、これらの課題を解決した。たとえば、「コールドスプライシング」と呼ばれるファイバ用の特別な接続技術により、低損失のファイバ間結合と効果的な温度調節が可能になる。

もう一つの重要なコンポーネントは、95%以上の効率と優れた熱性能を備えた特別に設計された回折格子である。「コンビネーショングレーティングは、われわれのシステムの心臓部だ」と、FraunhoferIOFのレーザ技術部門の科学者であるFriedrich Möllerは説明している。「これまで、波長2µmのグレーティングやダイクロイックミラーなどの光学複合素子は、数百Wのレーザ出力にしか対応できなかった。しかし、研究所の同僚は、数kWの範囲でも困難なパラメータの下で優れた機能を発揮する特別な回折格子を開発した。これにより、総効率が90%を超える低損失ジェットの組み合わせが可能になり、パフォーマンスの次の飛躍の基礎を形成している」(Möller)。

「われわれは、さらに高性能で信頼性の高いレーザシステムを実現するための技術的前提条件を作成した。次の大きな課題は、20kWの大台に到達することである」と、Till Walbaumはこの技術の将来性について付け加えている。

材料加工、医療、コミュニケーションの新たな可能性
開発された高出力ツリウムファイバレーザは、医療処置、ポリマ加工、光データ伝送など、幅広いアプリケーションを開く。そのレーザの重要な利点は、目の安全性の向上である。波長2µmの迷光は角膜に吸収され、敏感な網膜に到達しないため、産業用途や医療用途でより安全に使用できる。