レーザー加工のための分光計測手法の開発

Development of spectroscopic measurement techniques for laser processing

宮部 昌文   ; 岩田 圭弘   ; 寺林 稜平*; 長谷川 秀一*

Miyabe, Masabumi; Iwata, Yoshihiro; Terabayashi, Ryohei*; Hasegawa, Shuichi*

廃炉ではレーザー切断やレーザー除染など様々なレーザー加工技術の利用が検討されている。我々はレーザー加工時の作業環境の汚染検知や、材料の除染効率の評価などを迅速・非接触で行うことを目的として、発光分光法や吸収分光法の開発を行っている。強いレーザー光が照射された物質表面から飛び出した原子種は、逆制動放射を介して照射レーザー光のエネルギーを吸収し、レーザープラズマへと急速に成長する。このため、生じるレーザープラズマの特性はレーザーの照射時間に大きく依存する。従来研究では。パルス長10ns程度のNd:YAGレーザーと100ns程度のロングパルスレーザーで、発光特性に大きな違いがあることが報告されているが、レーザー加工でよく利用される、10ms程度のレーザー照射による発光・吸収スペクトルは殆ど知られていなかった。そこで本研究では、パルス長10ms程度のQCWファイバーレーザーを用いてジルコニアなど様々な材料の発光スペクトルを測定した。その結果。得られる発光スペクトルは、ロングパルスレーザーで報告されている特性に近く、原子発光に比べて分子発光の寄与が大きいことや、空気中で燃焼反応の起きやすい元素ほど発光強度が強くなる傾向があることなど、基本的な分光特性が明らかになった。これによりレーザー加工のための分光計測の基礎データを得ることができた。

Various laser processing techniques such as laser cutting and laser decontamination are being considered for use in decommissioning. We are developing emission and absorption spectroscopy techniques to detect contamination in the work environment during laser processing and to evaluate the decontamination efficiency of materials in a rapid and non-contact manner. Atomic species ejected from the surface of a material irradiated by an intense laser beam absorb the optical energy of the irradiating laser via inverse bremsstrahlung process and rapidly grow into laser plasma. Therefore, the characteristics of the resulting laser plasma are strongly affected by the pulse length of the ablation laser. In previous studies. However, little was known about the emission and absorption spectra of laser irradiation of about 10 ms, which is often used in laser processing. Therefore, in this study, we measured the emission spectra of various materials such as zirconia using a QCW fiber laser with a pulse length of about 10 ms. The resultant emission spectra are very similar to the characteristics previously reported for long-pulse lasers, and basic spectral characteristics were clarified, such as the greater contribution of molecular emission compared to atomic emission, and the stronger the emission intensity for elements that are more likely to undergo combustion reactions in air. This provided basic data for spectroscopic measurements for laser processing.