超高速レーザーは、業界の需要に急速に追いついています
超短パルス レーザー (通常、超短パルス レーザーと呼ばれます) のパルス長は、ピコ秒またはフェムト秒に達することもあります。 科学研究ツールとしての超高速レーザーの研究開発の歴史は数十年です。 超高速レーザーの開発により、フェムト秒化学、分光法、多光子イメージングの分野も大きな恩恵を受け、神経科学と量子力学の新しい研究が可能になりました。
技術開発やユーザーベースの拡大などの一連の要因が、超高速レーザー技術市場の急速な発展に貢献しています。今後5年間で、市場は年平均16.6%の複合成長率で成長する - この予測は、新型肺炎の流行による生産の鈍化を考慮して作成されている (出典: Chromacity)
現在、超高速レーザーは従来の研究手法を超え始めています。ピコ秒レーザーの商用アプリケーションには、20 年以上の歴史があります。これに続いて、超短パルスレーザーの製造コストが削減され、産業上のニーズに対応できるようになりました.最近まで、商用アプリケーションは重要なポイントに達していました。カリフォルニアのレーザー メーカー Lumentum の生産ライン管理ディレクターである Vincent Issier 氏は、「過去 5 ～ 7 年間で、ピコ秒レーザーが大規模に使用されてきました。それまでは、超高速レーザーが最後の選択肢でした」と述べています。
「現在、ピコ秒レーザーは、微細加工ソリューションの競争に参加できるため、徐々に主流になりつつあります。また、業界の新しい開発方向でもあります」と Vincent Issier 氏は述べています。 2016 年、Lumentum は PicoBlade 2 超高速レーザーをリリースして、この市場を開拓しました。彼らは、テクノロジーをより小さなスペースで使用し、産業システムに簡単に統合できるように再設計しました。
長い間、超高速レーザーは実験室用のツールに過ぎませんでしたが、現在、超高速レーザーの総コストは、産業用アプリケーションの可能性に対する関心を喚起するのに十分に低くなりました (出典: Chromacity)
微細加工ツール
市場調査会社のレポートによると、産業用超高速レーザー市場の原動力はいくつかの要因で構成されています。新型クラウン肺炎の流行による生産の減速を考慮しても、超高速レーザー市場の今後5年間の複合年間成長率は、依然として16.6%に達すると予想されています。その中で、大規模な需要の出現が一つの要因である。
MKS Instruments の製品マーケティング担当シニア ディレクタである Herman Chui 氏は、「消費者向け電子機器がピコ秒レーザー技術を採用する本当の理由です」と述べています。ただし、自動車、バイオイメージング、および医療分野での産業用超高速レーザーの需要も高まっており、より長いパルス幅のレーザープロセスなどの産業用超高速レーザーの新しい製造機能の開発や、他の技術に取って代わることができます。
Herman Chui 氏によると、Apple が 2007 年に第 1 世代の iPhone をリリースして以来、タブレット、AR/VR デバイス、ウェアラブル医療機器など、すべての電子製品カテゴリが製品化されました。これらのデバイスはますます小型化、多機能化が進んでいます。製造業者は、プリント基板やOLEDディスプレイなどの材料をより微細な機能に加工できる必要がありますが、熱によって材料が損傷する可能性があるため、大量の熱伝達を防ぐ必要があり、超高速レーザーはそのような用途に非常に適しています。
Lumentum の Vincent Issier 氏は、「以前は、ドリルを使用して、電子部品を構成する部品にワイヤーや穴をあけるなど、機械的なプロセスが使用されていましたが、ドリルのサイズを小さくすることができないことがよくありました。磨耗したり壊れたりすると、部品を交換する必要があり、コストが増加します。さらに、メンテナンスはダウンタイムの原因となり、機械の効率を低下させます。」
業界は常に生産コストを最小限に抑える方法を模索しています。この点で、超短パルスレーザーの加工品質は重要な役割を果たします。 「波長、エネルギー、パルス持続時間、透過光学などの超高速レーザーの適切な特性を使用することで、材料の熱影響部を最小限に抑え、破片の生成、再鋳造、変色を減らすことができます。これは、大きなアドバンテージだ」とヴィンセント・イッシエは語った。
信頼できるレーザー
もちろん、業界は超高速レーザーが成熟した持続可能な機械的微細加工と競合できるように、レーザーに懸命に取り組む必要があります。 Lumentum の再設計された製品 PicoBlade によって実証されているように、超高速レーザーはサイズが縮小され、さまざまな製造プラットフォームやモーション システムに統合しやすくなっています。これは、レーザーの主な利点です。しかし、スコットランドの超高速レーザー メーカー Chromacity のコマーシャル ディレクター兼共同創設者である Christopher Leburn 氏は、次のように述べています。
「超短パルス レーザー システムの開発の歴史を通じて、信頼できるメンテナンス効果を達成することは非常に困難です。非常に複雑な光学機器であるため、一貫したパルス品質またはスペクトル安定性を実現するために、追加の電子層または冷却プロセスが必要です」とクリストファー ルバーンは述べています。時間の経過とともに、改良されたレーザー アーキテクチャはより安定し、製造プロセスはより効率的になりました。」
MKS Instruments の Herman Chui 氏は、「これらのレーザーを商用アプリケーションに適応させるための新しい方法を考えるのに長い時間がかかりました。これらの改善の多くは、段階的な機能改善ではなく、時間をかけて行われました。これらは既存のレーザー アーキテクチャの改善です。 」
箱の中に
ほとんどの産業用超高速レーザーは、定評のあるマスター オシレータ パワー アンプ (MOPA) に基づいて設計されています。増幅器のレーザーに発振器を配置し、増幅器にシードレーザーとして接続することで、放出されるパルスのエネルギーを高め、標準化されたプラットフォームによるレーザー加工を実現します。発振器は通常、ファイバーベースであり、増幅器は最終的な出力要件に応じて、ファイバーベースまたはソリッドステート結晶にすることができます。
一般に、設計出力が 100W 未満の場合はファイバー増幅器が適しています。また、半導体増幅器を備えたレーザー システムは、より高い出力を生成できます。ファイバー増幅器は、誘導ブリルアン散乱、誘導ラマン散乱、光カー効果などの非線形効果の影響も受けます。これらはすべて、出力電力に干渉します。これらの予期しない影響が、機器メーカーが超高速レーザー システムを他のシステムと組み合わせることが多い主な理由です。
Herman Chui 氏によると、MKS Instruments の子会社である Rippon Spectroscopy Physics Technology Co., Ltd. は、ファイバー発振器とソリッドステート増幅器を組み合わせた IceFyre ピコ秒レーザーにこの複合アーキテクチャを適用しました。このアーキテクチャにより、必要に応じて、レーザー パルスをナノ秒からピコ秒、フェムト秒にすばやく切り替えることができます。これは、コストの削減、オプトエレクトロニクス コンポーネント (ダイオードなど) のパフォーマンスの向上、および超高速レーザーの費用対効果の向上にプラスの役割を果たしています。
非常に複雑な光学機器である超短パルスレーザーシステムは、「維持が難しく、操作が難しい」という問題に直面しており、一貫したパルス品質やスペクトル安定性を実現するために、電子層または冷却プロセスが必要です。ただし、基盤となるアーキテクチャを改善することで、これらのシステムをより堅牢で耐久性のあるものにすることができ、大規模に製造することができます (出典: Chromacity)。
スコットランドのヘリオット・ワット大学でレーザー研究をしているときに、クリストファー・ルバーンはクロマシティーを設立しました。同社の最新のレーザー設計は、光パラメトリック発振器 (OPO) システムであり、リン化ガリウム非線形結晶を使用して、中赤外領域でピコ秒パルスを生成します。クリストファー・ルバーンは次のように述べています.「この発振器は、ファイバーの一部と自由空間レーザーの一部に基づいた高い平均出力を持つ1μmの波長の光源によって励起されます.これらのコンポーネントはモノリシック基板に取り付けられ、レーザーシステムをコンパクトで信頼できます.熱効率の高いレーザーシステムは水冷を必要としません。」
より速いパルス速度
産業加工における超高速レーザーの開発により、金属、ガラス、宝石、プラスチックなど、ますます多くの材料の加工に使用されるようになりました。これらの材料のユニークな特性とレーザー パルスに対するさまざまな許容度により、メーカーはこれらの材料を処理できる機器を開発するようになりました。 Herman Chui 氏は次のように述べています。
Libo Spectroscopy Physics Technology Co., Ltd. によって製造された新しい超高速レーザーは、高調波を伴うスペクトルの紫外および緑の波長領域でピコ秒パルスを放出します。一部の製品は、フェムト秒パルスを放出することもできます。パルスが短いほど、材料は光をよりよく吸収し、吸収の深さはより浅くなります。また、フェムト秒レーザーは、ピコ秒レーザーよりも材料への熱影響が少なく、熱影響面積も小さいですが、同じ出力でも光束が低く、コストが高くなる可能性があります。したがって、パルス列の波長、形状、タイプなどのパルス パラメータは大きく異なる場合があります。
「これは、光と材料の相互作用が最適化されているためです。超短パルス レーザーの利点は、後処理なしで数十ナノメートルの端面を得ることができるためです。粗さ。フラット パネル ディスプレイの製造を例にとると、この技術の進歩は製造コストを削減するのに役立ちます。」
高出力ピコ秒パルスレーザー切断有機ELディスプレイ。ピコ秒レーザーの超短パルスは、大きな熱を伝導することなく、プリント基板や OLED ディスプレイの微細加工に非常に効果的であり、これによって引き起こされる部品の損傷を防ぎます (出典: MKS Instruments)
Chromacity の Christopher Leburn 氏は次のように述べています。波長が5μm～12μmで、環境、防衛、セキュリティの各部門がこのスペクトルを要求しています.気体、液体、固体は中赤外領域で非常に明確な化学的特性を持っているため、これらのレーザーの化学分析への適用は非常に効果的です. 」
紫外光を放射するレーザーでプラスチックや高分子材料を加工すると、赤外線パルスを使用するレーザーよりも発熱が少なくなります。 Lumentum が昨年リリースした PicoBlade 3 は、赤外線バンドに加えて、紫外線バンドとグリーンバンドも選択できます。その演算能力は、同シリーズの従来製品の 4 倍です。
「顧客は、生産性を高めるために、材料を処理するためにより多くの電力を必要としています」と Vincent Issier 氏は述べています。彼は、市場に出回る産業用超高速レーザーの数は、今後数年間で増加すると考えています。さらに、超短パルスレーザーには、表面テクスチャー加工などの他の用途もあり、レーザー加工によって材料に疎水性または親水性の機能を作成します。
Chromacity の Christopher Leburn は、レーザーのサイズがますます小さくなり、最終的には携帯可能なレベルに到達することを発見しました。 「当社の超短パルス OPO システムを使用して、現場でメタン、エタン、水蒸気を測定し、70 メートルの距離内の化学信号を 10 億分の 1 の分解能で測定しました。これは従来の手法ではありません。考えられる効果,」 Christopher Leburn 氏は、「物理的なレベルではなく、よりコンパクトな超短パルス レーザー システムを作成するのは時間とリソースの問題だけです」と述べています。