《機械》〈照明〉[H27:問6] 加工用レーザに関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆(普通)

次の文章は,加工用レーザに関する記述である。文中の\(\fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$}\)に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選びなさい。

レーザから発せられるビームは,レンズなどの光学系を用いて微小なスポットに集光できるため,非常に高いエネルギー密度を得ることができる。また,被加工物の必要な部分にだけ照射することが容易なため,被加工物に与えるひずみも少ない。代表的な加工用レーザには,エキシマレーザ,\(\mathrm{YAG}\)レーザ,及び\(\mathrm{CO_{2}}\)レーザがある。

エキシマレーザは,\(\fbox {  (1)  }\)とハロゲンガスとの混合ガスを用いる気体レーザであり,\(\fbox {  (2)  }\)が発生する。エキシマレーザは半導体製造工程における露光装置の光源などに用いられている。

\(\mathrm{YAG}\)レーザ及び\(\mathrm{CO_{2}}\)レーザは,金属などの穴あけ,切断,溶接,微細な表面加工などに用いられている。\(\mathrm{YAG}\)レーザは,\(\fbox {  (3)  }\)であり,発生する光の波長は\(\mathrm{CO_{2}}\)レーザの波長\(\fbox {  (4)  }\),集光スポット径をより小さくできる。このため,より微細な加工が可能である。しかし,非金属物質を対象とする場合には,多くの物質においてその波長における光のエネルギーの\(\fbox {  (5)  }\)が低いため,加工対象物の種類は限られる。

一方,\(\mathrm{CO_{2}}\)レーザは,加工対象物の種類が多く,\(\mathrm{YAG}\)レーザよりも\(\fbox {  (6)  }\)光を得ることができるため,厚板の切断や溶接により適している。

〔問6の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&(イ)& 出力の大きな連続した     &(ロ)& 窒素ガス \\[ 5pt ] &(ハ)& 活性ガス     &(ニ)& 赤外光を発生する気体レーザ \\[ 5pt ] &(ホ)& よりも長く     &(ヘ)& 可視光を発生する固体レーザ \\[ 5pt ] &(ト)& 反射率     &(チ)& 光子エネルギーの大きな \\[ 5pt ] &(リ)& と同じであるが     &(ヌ)& 紫外域のパルス光 \\[ 5pt ] &(ル)& 赤外光を発生する固体レーザ       &(ヲ)& 吸収率 \\[ 5pt ] &(ワ)& 可視域のパルス光     &(カ)& 希ガス \\[ 5pt ] &(ヨ)& 透過率     &(タ)& よりも短く \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] \[
\begin{eqnarray}
&(レ)& \mathrm {Q}スイッチによる尖(せん)頭値の大きなパルス状の \\[ 5pt ] &(ソ)& 紫外域の連続光 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

レーザの種類に関する問題です。代表的なレーザの種類や特徴等は理解しておくようにして下さい。

\[
\begin{array}{|l|l|l|l|}
\hline
 レーザ名称 &    媒質 & 波長(\mathrm {\mu m} ) &      特徴・用途 \\
\hline
エキシマレーザ & ハロゲン,希ガス & 0.19~0.35 & 精密加工が可能 \\
\hline
\mathrm {CO_{2}}レーザ & \mathrm {CO_{2}} & 10.6 & 高出力で加工分野で利用 \\
\hline
\mathrm {He-Ne}レーザ & \mathrm {He},\mathrm {Ne} & 0.63 & レーザ効率が低い \\
\hline
ルビーレーザ & \mathrm {Al_{2}O_{3}},\mathrm {Cr} & 0.69 & 高出力である \\
\hline
\mathrm {YAG}レーザ & \mathrm {Y_{2}Al_{5}O_{12}} & 1.06 & 高出力で金属加工に利用 \\
\hline
半導体レーザ & \mathrm {GaAs},\mathrm {InP}等 & 0.7~1.0 & 情報通信,レーザプリンタ等 \\
\hline
\end{array}
\]

【解答】

(1)解答:カ
題意より,解答候補は(ロ)窒素ガス,(ハ)活性ガス,(カ)希ガスになると思います。ワンポイント解説の通り,エキシマレーザは希ガスとハロゲンガスの混合ガスを用いるレーザです。

(2)解答:ヌ
題意より,解答候補は(ヌ)紫外域のパルス光,(ワ)可視域のパルス光,(ソ)紫外域の連続光になると思います。ワンポイント解説の通り,波長は\(0.19~0.35\mathrm {\mu m}\)の紫外光です。また光はパルス光になります。

(3)解答:ル
題意より,解答候補は(ニ)赤外光を発生する気体レーザ,(ヘ)可視光を発生する固体レーザ,(ル)赤外光を発生する固体レーザであると思いますが,ワンポイント解説の通り,\(\mathrm {YAG}\)レーザは赤外光を発生する固体レーザとなります。

(4)解答:タ
題意より,解答候補は(ホ)よりも長く,(リ)と同じであるが,(タ)よりも短くとなりますが,ワンポイント解説の通り,\(\mathrm {CO_{2}}\)レーザの方が一桁以上波長が長いです。

(5)解答:ヲ
題意より,解答候補は(ト)反射率,(ヲ)吸収率,(ヨ)透過率になると思います。レーザ加工に寄与するのは吸収率となります。

(6)解答:イ
題意より,解答候補は(イ)出力の大きな連続した,(チ)光子エネルギーの大きな,(レ)\(\mathrm {Q}\)スイッチによる尖(せん)頭値の大きなパルス状のになると思いますが,\(\mathrm {CO_{2}}\)レーザは\(\mathrm{YAG}\)レーザよりも出力の大きな連続した光を得ることができます。



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