レーザーと物質の相互作用を観察する新しい方法

レーザーとその応用について何十年にもわたって多くの研究が行われてきましたが、材料との相互作用の詳細を正確かつ効率的に直接観察する方法はほとんどありません。 現在、研究者は初めて、低コストの機器を使用して生産レーザーからそのようなデータを取得する方法を見つけました。これにより、レーザー カットまたはエッチングされたアイテムの精度が大幅に向上します。 レーザーが至る所にあることを考えると、これは実験室、商用、および産業用アプリケーションで幅広い影響を与える可能性があります。

現代世界におけるレーザーの用途は非常に広いです。レーザーの動作精度は他の処理ツールよりもはるかに高いため、特に重要なアプリケーション領域の 1 つは製造です。ただし、現在のレーザー加工の精度レベルは理論的にはさらに高くなる可能性があり、新世代の技術が出現する可能性があります。ただし、研究者はこれまでに克服すべきいくつかの障害をまだ抱えています。



(左下) レーザーは材料に穴をあけます; (左上) レーザーのフラックスを測定します; (右下) フラックスと穴の深さの測定値を重ね合わせます; (右上) 測定されたこれらの間の関係を決定しますフルエンスのみに基づいて穴の深さを計算できる値



レーザー加工の精度を向上させる鍵は、レーザーと材料加工の相互作用のフィードバックをよりよく把握することです。このようにして、産業用レーザーは、切断やエッチングを行う際の制御性が向上し、不確実性が少なくなります。この問題は今のところ解決されておらず、その難しさを証明するのに十分です。



「レーザーが表面にどれだけ到達するかを測定するには、多くの場合、数十から数百の深さの読み取りが必要です。これは、レーザーベースの高速自動生産システムにとって大きな障害です」と、東京大学物理学部の湯本淳司教授は述べています。東京大学 「そこで、私たちの研究チームは、数十回や数百回ではなく、1回の観測に基づいて、レーザーパルス発生穴の深さを決定および予測する新しい方法を設計しました。この発見は、レーザー加工の制御性を向上させる重要なステップです。 . .」



湯本淳司と彼のチームは、できるだけ少ない情報でレーザー穴あけの深さを決定する方法を知りたがっていました。これにより、彼らはレーザー パルスのエネルギー密度、つまり、特定の領域でパルスによって提供されるフラックスを研究するようになりました。最近まで、レーザーパルスのエネルギー密度を観察したい場合、高価なイメージング機器のサポートが必要であり、十分な解像度を提供することはできませんでした。しかし、他の分野での電子工学と光学の発展により、比較的単純なデバイス「Raspberry Pi Camera Version 2」がこのタスクを実行できることが証明されました。



テスト用のレーザー装置がサファイアに穴をあけたとき、カメラはレーザー パルスの光束分布を直接記録しました。次に、レーザー顕微鏡を使用して穴の形状を測定します。これら 2 つの結果を重ね合わせ、最新の数値手法を使用することで、チームはエネルギー密度と穴の深さの関係を正確に取得できる大規模で信頼性の高いデータ セットを生成しました。これは、1 回の測定から約 25% を抽出するのに相当します。10,000 のデータ ポイントを使用して、 、この新しい方法は、機械学習と新しい数値シミュレーション方法にビッグ データを効果的に提供し、産業用レーザー加工の精度と制御性を向上させることができます。