軸対称偏光炭酸ガスレーザーによる炭素繊維強化樹脂(CFRP)加工

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26390086
• Research Institution: Tokai University
• Principal Investigator: 遠藤 雅守 東海大学, 理学部, 教授 (60317758)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宇野 和行 山梨大学, 総合研究部, 助教 (20550768)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 軸対称偏光 / CO2レーザー / アジマス偏光 / レーザー加工 / パルスレーザー

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，申請者が発明した「トリプルアクシコン光共振器」を用い，軸対称偏光で発振するパルス炭酸ガス(CO2)レーザーを開発するとともに，開発したレーザーを用いて炭素繊維強化プラスチック(CFRP)加工の基礎研究を行うものである．
本年度の目標は，軸対称偏光で発振するパルスCO2レーザーの開発である．当初は市販の大気圧放電CO2レーザーをベースに改造する予定であったが，補助金支給額が減額され購入不能となった．そこで，山梨大学の宇野助教に協力を仰いだ．
急遽体制を組み直し，宇野助教を共同研究者に据えた．宇野助教が開発したパルスCO2レーザーは低圧の軸方向放電励起方式をとるが，ガス組成のコントロールによりTEAレーザーと遜色ない短パルスが得られるという特徴があり，本研究の目的とも合致する．
宇野助教が開発したレーザー本体に申請者が開発したトリプルアクシコン光共振器を組み合わせ，軸対称偏光でのレーザー発振に成功した．パルスエネルギーは繰り返し3Hzのとき約20mJで，当初目標とほぼ同じ水準である．パルス幅はサブμsの先頭パルスに数十μsのテールを伴う．これは，ガス組成がCO2:N2:He=1:1:2と出力優先の組み合わせを選んだためで，ガス組成を変えればテールフリーのパルスが得られることは宇野助教の先行研究より明らかである．
ZnSeブリュースタ窓からの反射光を利用した偏光解析器を用いて，レーザーがアジマス偏光で発振していることを確認した．ビーム品質の解析からM2は約2.0で，レーザーが理論通りTEM01*モードで発振していることを確認した．また，光共振器のリアミラーを球面鏡に変え発振させたところ，ランダム偏光のTEM01*モードで発振した．すなわち，リアミラーを交換するのみで，ランダム偏光とアジマス偏光を選べるパルスCO2レーザーが完成したことになる．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

補助金減額により本研究の大前提となるレーザー開発に黄信号が灯った．しかし，宇野助教の献身的な協力により，ほぼ目標とする出力およびパルス特性を持つレーザーの開発に成功した．

Strategy for Future Research Activity

27年度は予定通り開発したレーザーを用いたCFRP加工試験に入る．また，大学教員であり研究者である宇野助教が共同研究者となったことで，宇野助教が持つレーザー加工の研究テーマに申請者の軸対称偏光を組み合わせたらどうなるか，という新たな興味が広がる．今後も，互いの持ち味を活かした相乗効果で，有意義な研究成果を出すよう鋭意努力したい．

Causes of Carryover

研究に使用するレーザーを市販品購入から大学の一品製作(開発)に切り替えたため，使用しきれない予算が発生した．

Expenditure Plan for Carryover Budget

1年めの積み残し，および2年目の目的に沿った以下の費目にて使用の予定．具体的には　◆加工試料の購入　◆レーザー装置2号機の作成(東海大学で何かあった場合のバックアップおよび細部の改良)　◆加工システム作成(光学系，ステージ等)　◆山梨大学から東海大学への出張旅費　◆サンプル測定のための機器使用料および旅費　などである．