濱松成功研發出擁有世界最高耐光性400 GW/cm^2的工業級空間光調制器
發布時間:2020-07-01

濱松公司利用獨創的薄膜設計及電路設計技術,成功開發出耐光強度達400 GW/cm2的世界最高耐光性能的液晶空間光調制器(Spatial Light Modulator,以下簡稱SLM)。該產品可廣泛應用于高功率的工業級脈沖激光加工裝置,可對重量輕,強度大的碳纖維復合材料(CFRP)等不易加工材料進行高速度,高精度的加工處理。


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擁有400 GW/cm2耐光性能的SLM


本研發的一部分,是在日本內閣府綜合科學技術創新會議中戰略創新創造項目(SIP)“實現Society 5.0的光子與量子技術”(管理法人:國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構,QST)的委托下進行的。該課題的目標之一是驗證如何利用網絡物理融合系統(Cyber Physical System,以下簡稱CPS)來連接虛擬空間與物理的現實世界,實現創新性的技術和開發成果。在以CPS激光加工為代表的人工智能(AI)型生產系統里,能對激光的光束模型進行自由調制的SLM被認為是一種不可或缺的元件。


<研發背景>

在SIP第2期戰略創新項目里,“實現Society 5.0的光子與量子技術”就CPS的關鍵技術給出了尚需突破的3個課題:“激光加工”,“光子?量子通信”和“光電信息處理”。其中,“激光加工”課題從不易加工材料出發,旨在驗證CPS激光加工系統的實際能力和效果。CPS激光加工系統通過改變激光參數,收集加工結果,再用AI選擇合適的加工條件。這樣可以縮短人工的實驗摸索時間,實現設計和生產上的最優化。濱松公司是“實現Society 5.0的光子與量子技術”項目的研發機構之一,承擔高性能SLM的研發工作。


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本開發成果在CPS激光加工系統中的應用模式


SLM是一種通過液晶來控制激光等入射光束的波面(※)來任意調整反射光波面形狀的光學元件。帶像素電極的硅基板和有透明電極的玻璃基板之間夾有液晶層,通過電腦來控制像素電極來改變液晶分子傾角,進而改變入射光的傳播長度,同時矯正入射光的進程和畸變,達到對激光光束模型進行自在調控的目的。 ※ 光的波面:光具有波粒二象性。光作為波動傳播時,某一時刻將其波形高度(相位)相同點連接起來的面稱為波面,光的前進方向與波面垂直。

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SLM的構造(左)和光的前進方向(右)


<開發成果概要>

本開發成果是擁有世界最高耐光性能,用于高功率工業級脈沖激光加工的SLM。 激光可分為連續產生一定強度輸出的CW(Continuous Wave)激光和一定間隔里重復輸出的脈沖激光。CW激光可用于焊接,切割等金屬材料的熱處理,是激光加工的主流。而脈沖激光在瞬間內輸出很高的能量,能減少由于發熱造成的損傷,實現高精度的加工。因此,在CFRP和半導體集成電路上為維持處理速度而使用的低介電常數(low-k)材料等不易加工材料中,人們傾向于以高精度的脈沖激光來替代傳統的機械加工,但問題是加工速度還有待提高和所需激光的輸出不足。工業級脈沖激光加工上通過SLM可以同時照射多束激光,相比于單點激光可以提高加工速度。目前市場上開始出現工業級的高功率脈沖激光,對耐光性能高的SLM的需求也隨之增加。


本公司迄今,對于生產線上高速移動物體進行文字或二維碼打標等用途,一直開發和生產著高耐光性能的波面調制器件。這次,通過優化反射入射激光的多層薄膜介質鏡的設計和像素電極的電路設計,使整體的耐光性能達到400 GW/cm2,比以往產品提高了10倍以上。


以往的多層薄膜介質鏡是用兩種材料進行交替層疊,由于光會在薄膜接觸的界面處相互干涉并增強,入射功率大的時候薄膜容易被損壞。而這次是用模擬的方法優化了各層的膜厚,大幅度減少了界面處的光干涉以及其對薄膜的影響。同時,通過像素電極電路設計的優化減少了器件整體的噪音。


使用本開發成果,可以在進行激光分束的同時維持到達加工對象上的所需激光強度。因此可以期待其在用于飛機或汽車的CFRP材料,以及第5代移動通信系統(5G)所需低介電常數材料等不易加工材料的處理上發揮作用。


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使用SLM進行脈沖激光加工的示意圖


<今后的方向>

在繼續提高本開發成果耐光特性的同時,本開發成果將在今年度內裝載到東京大學的CPS激光加工系統以及宇都宮大學的激光加工設備上,在實際應用中進行推廣。

●主要規格

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