【用途別】産業用ナノ秒レーザー選定完全ガイド

ナノ秒レーザーとは？ その特徴と幅広い応用分野

レーザー光にはさまざまな発振方式・パルス幅がありますが、ナノ秒レーザーはその名の通り、パルス幅（光が放出される時間幅）が約1ナノ秒(10^-9秒)の領域を指します。Qスイッチ技術などを用いて高ピークパワーを瞬間的に得られるため、材料表面の熱影響を最小限に抑えつつ効率の高い加工が可能です。

ピコ秒レーザー（10^-12秒）やフェムト秒レーザー（10^-15秒）と比べると、ややパルス幅が長いため、超精密加工には向かないケースもありますが、その分コストやメンテナンス性に優れる点が大きな特長です。

このような特性から、ナノ秒レーザーは産業分野における精密な材料加工や表面処理から、科学研究における分光分析、そして医療分野における治療まで、幅広い分野で活用されています。

産業用途におけるナノ秒レーザー

主要な産業アプリケーション事例

ナノ秒レーザーは、その特性を活かして多岐にわたる産業分野で利用されています。

• マーキング・彫刻: 金属、プラスチック、セラミックスなどの材料表面に、製品情報、ロゴ、シリアル番号などを高精度かつ高速に印字することができます 。これにより、製品のトレーサビリティ確保やブランドイメージの向上に貢献します。
• 切断・スクライビング: 薄板金属、フィルム、ウェハーなどの材料を、熱影響を最小限に抑えながら精密に切断したり、基板を分割するための溝（スクライブ）を形成したりすることができます 。微細なパターン形成にも適しており、エレクトロニクス産業などで重要な役割を果たします。
• 溶接: 金属部品同士を接合する際に、ナノ秒レーザーを用いることで、高精度で高品質な溶接が可能になります 。特に、従来の溶接方法では難しかった異種金属の接合にも応用されています。
• 微細加工: 微小な穴あけ、溝加工、表面のテクスチャリングなど、精密な加工が可能です 。半導体製造、医療機器製造、電子部品製造など、高度な微細加工技術が求められる分野で不可欠です 。
• 表面処理・洗浄: 金属表面の改質、錆や汚れの除去、塗装の剥離など、様々な表面処理に利用されます 。高精度な表面クリーニングは、製品の品質向上や寿命延長に貢献します。
• その他: レーザードーピングによる半導体特性の制御、金属表面のピーニングによる強度向上、薄膜の製膜など、特殊な用途にも応用されています 。また、高出力のナノ秒レーザーは、金属箔の高速切断や高速な穴あけ加工にも利用されています 。自動車部品への高精度な彫刻や、プリント基板（PCB）のデパネリングなど、特定の産業ニーズに対応した応用も広がっています 。

各用途で求められるレーザー特性

上記の産業用途において、最適なナノ秒レーザーを選定するためには、それぞれの用途で求められるレーザーの特性を理解することが重要です。

• マーキング・彫刻: 一般的に、 中出力から高出力のレーザーが用いられ、材料の種類に応じて適切な波長（IR、可視光、UV）が選択されます。繰り返し周波数は、処理速度に影響します 。
• 切断・スクライビング: 材料の厚みや種類によって適切な出力と波長が重要になります。パルス幅が短いほど、熱影響が少なく、よりシャープな切断面が得られます 。
• 溶接: 高いピークパワーと適切なパルスエネルギーを持つレーザーが求められます。異種金属接合では、材料の吸収率を考慮した波長選択が重要です 。
• 微細加工: 高いビーム品質により微小なスポット径を実現できるレーザーが適しています。繰り返し周波数を高くすることで、高速な加工が可能になります 。
• 表面処理・洗浄: 材料表面に適切なエネルギー密度を与えるために、出力、パルス幅、繰り返し周波数を調整できるレーザーが望ましいです 。
• 穴あけ: 材料の種類や厚み、そして求められる穴の径や深さによって、適切な出力、パルスエネルギー、繰り返し周波数が異なります 。

このように、用途によって最適な波長、出力、パルス幅、繰り返し周波数などの範囲は大きく異なります。また、加工する材料の種類とレーザー光の相互作用を理解することも、高品質な加工を実現するためには不可欠です。さらに、求められる加工品質と処理速度のバランスを考慮しながら、最適なレーザーパラメーターを選択する必要があります。

レイチャーシステムズのナノ秒レーザー製品

弊社レイチャーシステムズでは、多様な産業および研究用途に対応するため、幅広いラインナップのナノ秒レーザー製品を取り扱っております。

製品ラインナップと主要スペック

LD励起固体レーザー

• DCシリーズ: コンパクトで完全空冷式のDPSSレーザーシステムです。共振器内設計により高い波長変換効率と長い結晶寿命を実現しています。波長は527nmと351nm、最大出力は3Wです。
• DX-ACシリーズ: こちらもコンパクトな完全空冷式DPSSレーザーシステムで、共振器内設計を採用しています。波長は532nmと355nm、最大出力は20Wです。
• DXシリーズ: 高出力でありながらコンパクトなDPSSレーザーシステムです。波長は532nm（最大80W）と355nm（最大50W）をご用意しています。
• DPシリーズ: コンパクトながら高パルスエネルギーを実現したDPSSレーザーシステムです。短いパルス幅（<10ns）を持ち、1030nmで最大50mJのパルスエネルギーを出力します。多様な波長（1064nm、1053nm、1030nm、532nm、527nm、515nm、355nm、351nm、343nm、266nm、263nm、257nm）と繰り返し周波数（100Hz、1kHz）のオプションがあります。
• DX-YLFシリーズ: LD励起の固体パルスレーザーで、波長は527nm（緑色）、高パルスエネルギー（1kHzで最大35mJ）、そして高いビーム品質（M2 < 1.2）を特長としています。
• DMシリーズ: Photonics Industries International社のレーザーの中で最も高いパルスエネルギーを発振するように設計されたナノ秒DPSSレーザーシステムです。Nd:YAGとNd:YLFの媒質があり、527nmで最大100mJ（1kHz）のモデルや、最大50kHzの繰り返し周波数を持つモデルがあります。
• DM Dual Headシリーズ: 高パルスエネルギー/高出力のDMレーザーシステムを2つ組み合わせたデュアルヘッドレーザーシステムです。527nmで最大200mJ、10kHzで最大400Wを実現します。各レーザーヘッドは独立して制御可能です。
• SNシリーズ: ナノ秒よりも短いパルス幅（200ps～5ns）で、高い出力/パルスエネルギーを実現するために開発されたサブナノ秒レーザーシステムです。最大250W/5mJのモデルがあります。
• 一体型チューナブルレーザー: 自社製のDPSSレーザーを励起光源として使用しています。OPOレーザーはmJクラスの高パルスエネルギー、Ti:sapphireレーザーは高繰り返し周波数と狭線幅（1-3GHz）を特長とし、波長可変です。
• Nano DPSSシリーズ: 超コンパクトなLD励起固体（DPSS）レーザーシステムで、最大130mJのパルスエネルギーと最大300Hzの繰り返し周波数を提供します。優れたパルス間安定性、ビームポインティング安定性、そして幅広い波長（1064nm、532nm、355nm、266nm、213nm）を特長としています。
• TRLi DPSSシリーズ: コンパクトなLD励起固体（DPSS）レーザーシステムで、最大360mJのパルスエネルギーと最大300Hzの繰り返し周波数を提供します。波長は1064nm、532nm、355nm、266nmです。
• Plasmaシリーズ: LD励起の高パルスエネルギーレーザーシステムです。最大パルスエネルギーは1J、最大繰り返し周波数は200Hz、パルス間安定性は0.2% RMSです。波長は1064nm、532nm、355nm、266nmをご用意しており、ガウシアン共振器を搭載しています。
• LD PIVシリーズ: LD励起Nd:YLFを採用したデュアルヘッドレーザーシステムです。シングルショットから20kHzまで最大30mJのパルスエネルギーを提供し、高速PIVや励起光源として最適です。波長は527nmです。
• Plasma PIV: LD励起の高パルスエネルギーデュアルヘッドレーザーシステムで、PIVアプリケーション向けです。優れたビームプロファイル（M2 < 10）を持ち、レーザー光の成形が容易です。波長は532nm、最大パルスエネルギーは75mJです。

フラッシュランプ励起固体レーザー

• Nanoシリーズ: コンパクトなフラッシュランプ励起Nd:YAGレーザーシステムです。1064nmで130mJ～340mJのパルスエネルギー、最大100Hzの繰り返し周波数、そして1064nm、532nm、355nm、266nm、213nmの波長を提供します。
• TRLiシリーズ: 小型パルスYAGレーザーで、最大パルスエネルギーは850mJ、波長は1064nm、532nm、355nm、266nm、213nmです。ガウシアン共振器を搭載しています。
• 1.57μmシリーズ: 眼に安全な波長1.57μmの固定波長OPO（Optical Parametric Oscillator）レーザーシステムです。LD励起モデルは、レーザー共振器とOPOの間の恒久的なアライメントを保証します。最大パルスエネルギーは90mJ、最大繰り返し周波数は200Hz、波長範囲は1.57μmです。
• LPYシリーズ: フラッシュランプ励起Nd:YAGレーザーシステムで、最大10Jという非常に高いパルスエネルギーを誇ります。波長は1064nm、532nm、355nm、266nm、213nm、最大繰り返し周波数は200Hz、ガウシアン共振器を搭載しています。
• LPY7000シリーズ: こちらもフラッシュランプ励起Nd:YAGレーザーシステムで、最大3.5Jの非常に高いパルスエネルギーを提供します。波長は1064nm、532nm、355nm、266nm、213nmで、ガウシアン共振器を搭載しています。
• LPY 10Jシリーズ: フラッシュランプ励起Nd:YAGレーザーシステムで、最大10Jの超高パルスエネルギーを実現します。波長は1064nm、532nm、355nm、266nmで、ガウシアン共振器を搭載しています。
• Nano S/L/T PIVシリーズ: 2つのNanoレーザーシステム共振器を1つのレーザーヘッドに収めたデュアルヘッドレーザーシステムです。波長は532nm、最大パルスエネルギーは200mJ、最大繰り返し周波数は100Hzで、PIVアプリケーション向けに設計されています。
• TRL PIVシリーズ: 中規模のデュアルヘッドレーザーシステムで、PIVアプリケーション向けです。波長は532nm、355nm、266nm、最大パルスエネルギーは425mJ、最大繰り返し周波数は20Hzです。
• Bernoulli PIVシリーズ: コンパクトで防塵、防振、防水性能を持つパルスYAGレーザーシステムで、様々な環境でのPIVアプリケーションでの使用を想定しています。波長は532nm、最大パルスエネルギーは200mJで、高い耐久性を誇ります。
• Bernoulli LIBSシリーズ: コンパクト、防塵、防水、防振、高耐久性のダブルパルスLIBSレーザーシステムです。波長は1064nm、最大パルスエネルギーは250mJです。
• LPY PIVシリーズ: 2つのLPYレーザーシステム共振器を1つのレーザーヘッドに収めたデュアルヘッドレーザーシステムで、PIVアプリケーション向けです。532nmで最大425mJのパルスエネルギーと最大200Hzの繰り返し周波数を提供します。波長は532nm、355nm、266nmです。
• Aurora II Integra OPO: フラッシュランプ励起Nd:YAGレーザーを励起光として用いた、波長可変の高パルスエネルギーOPOレーザーシステムです。波長範囲は205nm～2.3μm、最大エネルギーは65mJです。
• Aurora Ⅱ 532 OPO: TRLiレーザーを励起光源として使用し、タイプII BBO OPO共振器を組み合わせた高パルスエネルギーOPOレーザーシステムです。840nmで最大110mJのエネルギーを提供します。

産業・研究用途への適合性

上記の製品ラインナップは、それぞれの特性に応じて、様々な産業および研究用途に適用できます。例えば、高精度なマーキングや微細加工には、LD励起のDPシリーズやDXシリーズが適しています。一方、高パルスエネルギーが必要なLIBSやレーザーアブレーションの研究には、フラッシュランプ励起のLPYシリーズやPlasmaシリーズが有効です。波長可変が必要な分光研究には、一体型チューナブルレーザーやAuroraシリーズが適しています。

具体的なアプリケーションと推奨製品の対応については、以下の表をご参照ください。

ナノ秒レーザー選び方のポイント

最適なナノ秒レーザーを選ぶためには、以下の主要な要素を慎重に考慮する必要があります。

用途

まず、ナノ秒レーザーをどのような目的で使用するのかを明確にすることが最も重要なステップです。用途が異なれば、必要となるレーザーの特性も大きく変わってきます。例えば、微細なマーキングを行うのか、それとも厚い金属板を切断するのかによって、最適なレーザーの出力や波長は全く異なります。

必要な出力

加工する材料の種類や、処理の内容によって、適切なレーザーの出力レベルは異なります 。一般的に、硬い材料や厚い材料の加工には高出力のレーザーが、繊細な加工には低出力のレーザーが適しています。高出力レーザーは、高速な加工や深部の加工を可能にする一方で、熱影響が大きくなる可能性があります。一方、低出力レーザーは、熱影響を抑えた精密な加工に適していますが、処理速度が遅くなる場合があります。

繰り返し周波数

繰り返し周波数は、1秒間にレーザーパルスが発振する回数を示し、処理速度や熱影響に影響を与えます 。高い繰り返し周波数では、単位時間あたりに多くのエネルギーが照射されるため、高速な処理が可能になりますが、熱が蓄積しやすくなる傾向があります。低い繰り返し周波数では、熱影響を抑えられますが、処理速度は低下します。用途に応じて、高速処理と精密性の間で適切なバランスを見つけることが生産効率を高めるうえで重要です。

波長

レーザー光の波長は、材料の吸収特性に大きく依存します 。材料が最もよく吸収する波長のレーザーを使用することで、効率的なエネルギー伝達と高品質な加工が可能になります。ナノ秒レーザーでは、紫外（UV）、可視光、赤外（IR）など、様々な波長のレーザーが利用可能です。加工する材料の種類に応じて、最適な波長を選択する必要があります。

パルス幅

パルス幅は、レーザー光が発振している時間幅を示し、熱影響や加工精度に影響を与えます 。ナノ秒レーザーの場合、パルス幅は数ナノ秒から数百ナノ秒の範囲で選択できます。一般的に、パルス幅が短いほど、材料へのエネルギーの局在性が高まり、熱影響を抑えた精密な加工が可能になります。

冷却方式

レーザー発振器の冷却方式には、空冷、水冷などがあります 。空冷方式は、比較的低出力のレーザーに用いられ、設置が容易であるというメリットがあります。一方、高出力のレーザーでは、効率的な冷却のために水冷方式が採用されることが一般的です。冷却方式は、設置環境や運用コストにも影響を与えるため、考慮が必要です。

メンテナンス性とサポート体制

レーザーシステムを長期間安定して使用するためには、メンテナンス性も重要な要素です 。定期的なメンテナンスの必要性や、メンテナンスが容易に行えるかどうかを確認することで、ダウンタイムを最小限に抑えることができます。また、レーザーは高額で精密な機器のため、万一のトラブル時に迅速なサポートが受けられるかどうかは大切な要素です。国内にサポート拠点がある、導入時の技術相談が受けられるといった点も選定の大きな決め手になります。

コスト

レーザーシステムの導入にあたっては、初期導入コストだけでなく、ランニングコストも考慮する必要があります 。レーザー発振器本体の価格、周辺機器の費用、そして運用にかかる電力消費量やメンテナンス費用などを総合的に評価し、費用対効果の高いシステムを選択することが重要です。

その他

上記以外にも、ビーム品質、トリガーオプション、安定性、OEM統合性など、用途によっては重要な考慮事項となる要素があります 。例えば、微細な加工を行う場合には、高いビーム品質が求められます。外部の機器と連携してレーザーを制御する必要がある場合には、適切なトリガーオプションを備えているかを確認する必要があります。

レイチャーシステムズが提供するソリューション

ナノ秒レーザーは産業用・研究用を問わず、材料加工の効率化や先端研究の精度向上に大きく貢献する技術です。一方で、製品ラインナップが幅広く、波長・出力・繰返し周波数など選定の切り口が多いため、初めて導入する方は迷いがちです。本記事でご紹介した選定ポイントや主要な用途事例を踏まえ、ぜひ最適なモデルをお選びください。

レイチャーシステムズの強みは、海外メーカー製品も含め、国内技術サポートを一括して提供できる点にあります。導入前の試験照射や用途相談はもちろん、導入後のアフターメンテナンスや部品交換にも対応。メーカーとの橋渡しもスムーズに行えるため、お客様の設備ダウンタイムを最小限に抑えます。

もし、どのナノ秒レーザーが最適か分からない場合は、当社エンジニアがお客様のアプリケーションや設置環境に合わせてベストな機種選定をサポートします。「金属の深堀加工でパルスエネルギーを重視したい」「ガラスの内部マーキングには紫外域の波長が必要だ」など、具体的なご要望があればぜひ下記お問い合わせフォームよりお気軽にお問い合わせください。