ファイバーとCO2レーザー用レンズの違い

はじめに：レーザーシステムの核心

高精度のレーザー切断および溶接装置の中心には、重要なコンポーネントである集光レンズアセンブリがあります。この光学系は、強力なレーザー光線を受け取り、そのエネルギーを集約して非常に小さくも極めて高密度なスポットに集中させる役割を果たしており、これによりレーザーが金属を切断したり、高精度で溶接したりすることが可能になります。しかし、すべてのレーザーが同じというわけではなく、当然ながらそれらのレンズアセンブリも同様です。 ファイバーレーザーレンズの場合、異なるレーザー切断ヘッドメーカーごとに光学経路や構造設計が異なります。たとえ直径や焦点距離が同じであってもです。一方、CO2集光レンズについては、形状、直径、エッジ厚さ、焦点距離が購入前にユーザーが把握しておく必要のある主要なパラメーターです。

基本的な違い：それはすべて波長から始まります

この2つのレンズを区別する最も重要な要因は、それぞれが設計されているレーザー光の波長です。マイクロメートル（μm）またはナノメートル（nm）で測定される波長は、レンズ素材そのものも含めた物質との光の相互作用を決定します。

• CO2レーザー：これらのレーザーは10.6マイクロメートル（μm）の長い波長で動作します。これは人間の目には見えない中赤外域に属しています。
• ファイバーレーザー：対照的に、ファイバーレーザーははるかに短い波長で光を発生させ、通常は約1.07マイクロメートル（μm）または1064ナノメートル（nm）です。これは近赤外域に属しています。

なぜこれが重要なのでしょうか？キャンプファイヤーの熱をガラス窓を使って集めようとしている状況を想像してみてください。このガラスは可視光を通す一方で、熱（長波赤外線）を遮ってしまう可能性があります。同様に、ある波長の光に対して完全に透明な材料でも、別の波長に対しては完全に不透明または吸収的になることがあります。これが、ファイバーレーザー用レンズアセンブリをCO2レーザー装置で使用できないこと、またその逆もできない主な理由です。

レンズ素材：透明性と高出力耐性の鍵

異なる波長は、レンズアセンブリ内の個々の光学素子を製造する際に使用すべき材料を直接的に決定します。この選択は、特に高出力条件下でのコスト、耐久性、性能に影響を与えます。

• CO2レーザー用レンズ：CO2レンズアセンブリ内の光学素子に使用される標準的な材料は、セレン化亜鉛（ZnSe）です。ZnSeは10.6μm波長に対して非常に低い吸収率を持ち、レーザーエネルギーが最小限の損失と発熱で通過することを可能にします。ゲルマニウム（Ge）やヒ化ガリウム（GaAs）などの他の材料も、特定の高出力または特殊用途に使用されます。これらの材料は高価であることが多く、熱衝撃に対して感受性が高い場合があります。

ファイバーレーザー用レンズ：標準的なファイバーレーザー用レンズアセンブリの光学素子に選ばれる材料は、溶融シリカまたは合成石英です。溶融シリカは1μm波長に対して優れた透過性を持ち、高い熱的安定性と「サーマルレンジング」（レンズが加熱されて形状が変化し、ビームが焦点を外れる現象）への優れた耐性を備えています。また、非常に硬く汚染にも強いことから、産業用環境での耐久性に適しています。

光学設計：レンズアセンブリと光学素子

光学設計を理解するには、「レンズアセンブリ」全体とその内部にある個々の「光学要素」とを区別する必要があります。フォーカシングレンズは一つのシステムであり、その実装は特定の一種類の光学要素に限定されるものではありません。

CO2レーザー光学系：CO2レーザーのフォーカシングアセンブリは、透過型（レンズを使用）と反射型（ミラーを使用）の両方の設計を利用できます。ZnSeレンズが一般的ですが、非常に高い出力（例えば数キロワット以上）では、反射型のフォーカシングミラーが好まれます。これらは通常、銅またはモリブデン製の放物面鏡です。これは「CO2フォーカシングレンズアセンブリ」が必ずしも透過型のレンズ要素を含むわけではないことの典型的な例です。その主要構成部品は反射鏡である可能性があります。

ファイバーレーザー光学系：現代のファイバーレーザー切断ヘッドは複雑な光学システムです。このレンズアセンブリには通常、複数の要素が含まれています：コリメートレンズ群、フォーカシングレンズ群、および保護ウィンドウです。このアセンブリ内の中心的なフォーカシング要素は、優れた総合的特性を持つため、最も一般的に溶融石英（Fused Silica）で作られています。しかし、必要な性能に応じて、この要素は単一レンズ、ダブレット（2枚のレンズを接着したもの）、あるいは非球面レンズである場合もあり、固定されたものではないことに注意することが重要です。したがって、「ファイバーレーザーレンズアセンブリ」と特定の「レンズ要素」との関係は一定ではなく、カスタマイズされたソリューションとなります。

用途に応じた焦点：正しいレンズ選定が結果を決める理由

波長の違いはレンズに影響するだけでなく、レーザーがどの材料を効率的に加工できるかを決定します。

• ZnSeレンズを備えたCO2レーザー：10.6μmの波長は非金属材料によって非常に効果的に吸収されます。このため、適切なレンズアセンブリと組み合わせたCO2レーザーは、木材、アクリル、プラスチック、繊維、セラミックスの切断および彫刻に最適な選択肢となります。
• 溶融石英レンズを備えたファイバーレーザー：1μmの波長は金属によりはるかに効率よく吸収されます。このため、ファイバーレーザーレンズアセンブリは現代の金属加工の中心的存在です。鋼板、ステンレス鋼、アルミニウム、真鍮、銅の切断、溶接、マーキングを前例のない速度とエネルギー効率で実現するキーコンポーネントです。

CO2光学系とファイバー光学系のメンテナンスにはどのような違いがありますか

1064nm近赤外線レーザーは、独自の特性と基本的なビーム品質、コンパクトな設計により、ファイバーレーザー切断は処理効率、精度、コストパフォーマンスにおいて顕著な利点を示しています。特に金属加工用途に適しており、近年、ファイバーレーザー装置はCO2レーザー切断機から急速に市場シェアを獲得しています。CO2レーザーと比較して、ファイバーレーザーは主要光学部品のメンテナンス費用が低く抑えられ、交換も容易です。メーカーは切断ヘッドの設計を継続的に最適化しており、内部部品を損傷することなくユーザーが部品を迅速に交換できるようになっています。例えば、フォーカス レンズ引き出し式トレイおよび平行化レンズ引き出し式トレイ ユーザーが清潔な環境で専門家の支援を必要とせずに交換作業を行えるようにします。ただし、CO2レーザーは内部構造が複雑であるため、すべての光学部品の交換は現場で専門家が行う必要があります。これは高コストがかかります。