レーザーによる透明材料の溶接

質問

レーザー溶接について質問します。

パルスの幅がとても短いレーザーを使って透明材料の接合ができるという話を耳にしました。

しかし透明なものは光を吸収しないから透明であるのに、それをレーザーで接合することができるという理屈が分らないです。

レーザーによる透明材料の溶接の原理について教えてください

回答No.6

leo-ultra · ベストアンサー

フェムト秒レーザーはパルス幅がとても狭い代わりに、光強度が非常に大きいです。
すると、多光子吸収という現象がおきます。

例えば、レーザーの波長が1eVにあたる赤外レーザーを透明な物質（バンドギャップが4eV以上）に当てると、同時に複数の光子が吸収される現象です。

これで透明な物質でも吸収が起こるので、接合ができるのではないでしょうか。

お礼

返信有難うございます。
強度が強いと物質は普段と異なる振る舞いをするのですね。

質問なのですが、
1.なぜパルス幅が短いと強度が大きいのでしょうか？
2.基本的な知識が無いので、多光子吸収の例が分りませんでした。
　透明な物質はバンドギャップというものがどれも4eV以上なのでしょうか？
　また、光子が吸収されるので、そのエネルギーが接合に用いられるのでしょうか？

以上、お願い致します

回答No.5

KitCut-100

こんばんは、 Kit-cut-100です。
Kinako-ame様が回答なさっている通りでです。

さて御質問の文章を読んで思ったのですが、「パルス幅が短い」 と「レーザーの波長が短い」を混同して使用しているお思います。

フーリエ級数等の知識があると、パルス幅が短いから、基本波長が短いと考えることがありますので、 混同して使用しているかもしれません。 ただし光の場合は
波長のレンジが全く違いますので、 光の波長の短さが本質です。
パルス幅の長短は光の吸収には無関係です。

お礼

返信有難うございます。

確かに波長とパルス幅について曖昧に認識しているとおもいます。
友人が波長が可視光の範囲外で、パルス幅がfs単位のレーザーを使っている
という話を聞いたときも違いが良く分りませんでした。

ご指摘、有難うございます

回答No.4

KinakoAme

お礼の欄に，もう一つ質問がありましたね。

パルス幅が短いといっても，せいぜい数十kHzのオーダーです。
光の周波数は，10THz以上でしょうから，パルス幅が光の透過などに
影響を与えることはないと考えてよいでしょう。

お礼

返信有難うございます。

大事なことを言い忘れてました。
パルス幅が短いと言っていましたが、友人が使用しているのはパルス幅がfs（フェムト秒）単位のレーザーだったと思います。

パルス幅がfs単位のレーザーというのは一般的なもので、そのパルス幅の周波数は数十kHzであり、溶接には何も影響しないという認識でよいのでしょうか？

回答No.3

KinakoAme

お礼での質問への回答です。

2倍，3倍というのは高調波という意味です。
すなわち，周波数が高いということになります。
波長と周波数はプランク定数を介して，逆数の関係になりますので
1064nmの波長の2倍高調波は，1064÷２＝532nm
1064nmの波長の3倍高調波は，1064÷３＝355nm
となります。

前回の回答での参考URLの片岡製作所のカタログないしは
説明を読んでみてください。

回答No.2

KinakoAme

基本的な原理はNo.1の方がおっしゃる通りです。少し捕捉します。
どのようにして透明材料の溶接が可能かどうかを調べればよいかは
波長を変えながら光透過実験を行い，どの波長での吸収が大きい
かを調べます。すべての波長で透過できる材料は存在しません。
つまり吸収の大きな波長のレーザーを用いればよいということに
なります。

レーザー溶接ということはYAG等のレーザーを使われているのだと
思います。例えば通常のNd:YAGレーザーの波長は1064nmです。
これを2倍，3倍の波長を用いることにより，532nmのグリーンレーザー
とか355nmのUVレーザーというものが市販されていますので，
その材料の吸収できる波長のレーザーを選択すればよいと
思います。どんな材料を溶接するかによって，レーザー出力も
考慮する必要があるでしょう。

ちなみにパルス幅が非常に短いというのは，Qスイッチ方式の
レーザーだと思います。パルス幅は波長とは異なりますので
どんなにDutyをあげても，透過してしまう波長のレーザーでは
溶接は困難だと思います。

参考URL：

http://www.kataoka-ss.co.jp/index.html

お礼

ご返答有難うございます。
丁寧な回折、有難うございます。おかげでよく分りました。

ところで、何故2倍，3倍の波長を用いると532nmや355nmになるのでしょうか？
2倍，3倍なら2128nm3192nmになると思うのですが。
また、パルス幅が短いとレーザー光は普通とは違う振る舞いをするのでしょうか？

回答No.1

KitCut-100

人間の目は, 波長400~700n程度のものが見えます。人間の目に透明とは、
この波長で光を透過するということです。
ところで物体が光を吸収する波長は物質により決まりますが、これはその波長を
吸収するかは物質により異なります。通常ガラスでも短波長になれば光を吸収します。 人間の目には透明でも、短波長では透明でないです。 短波長のレーザーは透過しないということです。 従ってその物質はレーザー波を吸収します。

お礼

ご返答有難うございます。
透明と言うのは可視光を透過することなのですね。

しかし可視光外とはいえ、友人の使っているレーザーは波長が1000nmを超えるそうです。
また、パルス幅が非常に短いと言う情報も気にかかります。

引き続き情報を希望いたします