超高速レーザーとは何ですか?
定義
超高速レーザーは、パルス幅がピコ秒レベル（2-10秒）以下である超強力超短パルスレーザーの一種であり、エネルギー出力波形に基づいて定義されます。この定義は「超高速現象」に関連しています。超高速現象とは、物質のミクロシステムで急速に変化する物理的、化学的、または生物学的プロセスで発生する現象を指します。原子および分子システムでは、原子および分子の運動の時間スケールはピコ秒からフェムト秒のオーダーです。たとえば、分子の回転周期はピコ秒のオーダーであり、振動周期はフェムト秒のオーダーです。レーザーパルス幅がピコ秒またはフェムト秒のレベルに達すると、分子の全体的な熱運動への影響を大幅に回避できます（分子の熱運動は物質の温度のミクロな本質です）。また、物質は分子振動の時間スケールで生成されるため、処理の目的を達成しながら、熱の影響が大幅に軽減されます。
種類
レーザーの分類方法は数多くありますが、その中で最も一般的に使用されている分類方法は、動作物質による分類、エネルギー出力波形（動作モード）による分類、出力波長（色）による分類、および出力による分類の 4 つです。
その中で、エネルギー出力波形に応じて、レーザーは連続レーザー、パルスレーザー、準連続レーザーに分類されます。
連続レーザー
作業時間中、安定したエネルギー波形を連続的に出力するレーザーです。高出力が特徴で、金属板など体積が大きく融点の高い材料を加工できます。
パルスレーザー
パルスの形でエネルギーを出力します。パルス幅に応じて、さらにミリ2ndレーザー、マイクロ2ndレーザー、ナノ2ndシャットダウンデバイス、ピコ2ndレーザー、フェムト2ndレーザー、アト2ndレーザーに分類されます。たとえば、パルスレーザーの場合、出力レーザーのパルス幅は1〜1000nsであり、ナノ2ndレーザーと呼びます。ピコ2ndレーザー、フェムト2ndレーザー、アト2ndレーザー、超高速レーザーと呼びます。パルスレーザーの出力は連続レーザーよりもはるかに低いですが、加工精度は連続レーザーよりも高く、一般に、パルス幅が狭いほど加工精度が高くなります。
準CWレーザー
比較的高エネルギーのレーザーを一定期間内に繰り返し出力することができ、理論上はパルスレーザーでもあります。
上記の 3 つのレーザーのエネルギー出力波形は、パラメータ「デューティ サイクル」によっても説明できます。レーザーの場合、デューティ サイクルは、パルス サイクル内の合計時間に対するレーザー エネルギー出力の時間の比率として解釈できます。
CW レーザーのデューティ サイクル (= 1) > 準 CW レーザーのデューティ サイクル > パルス レーザーのデューティ サイクル。一般に、パルス レーザーのパルス幅が狭いほど、デューティ サイクルは低くなります。
材料加工の分野では、パルスレーザーは当初、連続レーザーの過渡的産物でした。これは、連続レーザーの出力が、コア部品の支持力や初期の技術レベルなどの要因の影響により、あまり高くできず、材料を融点まで加熱できないためです。上記は加工の目的を達成します。特定の技術的手段を使用して、レーザーの出力エネルギーを単一のパルスに集中させると、レーザーの総出力は変化しませんが、パルス時の瞬間出力が大幅に増加し、材料加工の要件を満たします。その後、連続レーザー技術が徐々に成熟し、パルスレーザーは加工精度に大きな利点があることがわかりました。これは、パルスレーザーの材料に対する熱影響が小さく、レーザーパルス幅が狭いほど熱影響が小さく、加工材料のエッジが滑らかであるほど、対応する加工精度が高くなるためです。
コンポーネント
超高速レーザーの2つの核心的要求：高安定性の超短パルスと高パルスエネルギー。一般的に、超短パルスはモードロック技術を使用して得られ、高パルスエネルギーはCPA増幅技術を使用して得られます。関連するコアコンポーネントには、発振器、伸張器、増幅器、および圧縮器が含まれます。その中でも、発振器と増幅器の技術は最も難しく、超高速レーザー製造会社のコア技術でもあります。
発振器
発振器では、モードロック技術を使用して超高速レーザーパルスが得られます。
ストレッチャー
ストレッチャーは、フェムト秒シードパルスを異なる波長で時間的に離して引き伸ばします。
増幅器
この伸張されたパルスを完全に励起するためにチャープ増幅器が使用されます。
コンプレッサー
コンプレッサーは、さまざまなコンポーネントの増幅されたスペクトルをまとめてフェムト2nd幅に復元し、非常に高い瞬間出力を持つフェムト2ndレーザーパルスを形成します。
アプリケーション
超高速レーザーはナノ秒レーザーやミリ秒レーザーに比べると、全体的な出力は低いものの、物質の分子振動の時間スケールに直接作用するため、真の意味での「冷間加工」を実現し、加工精度が大幅に向上します。
高出力連続レーザー、非超高速パルスレーザー、超高速レーザーは、特性が異なるため、下流の応用分野で大きな違いがあります。
高出力連続レーザー (および準連続レーザー) は、切断、焼結、 溶接、表面被覆、掘削、 3D 金属材料の印刷。
非超高速パルスレーザーは、非金属材料のマーキング、シリコン材料の加工などに使用されます。 精密彫刻 金属表面の研磨、金属表面の洗浄、金属の精密溶接、金属の微細加工。
超高速レーザーは、ガラス、PET、サファイアなどの透明材料や硬くて脆い材料の切断や溶接に使用されます。 精密マーキング、眼科手術、材料の顕微鏡的不動態化およびエッチング。
使用の観点から見ると、高出力CWレーザーと超高速レーザーは相互代替関係がほとんどありません。それらは斧とピンセットのようなもので、サイズによってそれぞれ長所と短所があります。非超高速パルスレーザーの下流アプリケーションは、連続レーザーと超高速レーザーと一部重複しています。実際の結果から、同じアプリケーションでは、そのパワーは連続レーザーほど良くなく、精度は超高速レーザーほど良くありません。より顕著なのはコストパフォーマンスです。
特にナノ2nd紫外線レーザーは、パルス幅がピコ2ndレベルには達していないものの、他のカラーナノ2ndレーザーに比べて加工精度が大幅に向上しており、3C製品の加工・製造に広く利用されています。今後、超高速レーザーのコストが下がると、ナノ2nd紫外線市場を独占する可能性があります。
超高速レーザーは、本当の意味で冷間加工を実現し、精密加工に大きな利点を持っています。超高速レーザーの生産技術が徐々に成熟するにつれて、コストは徐々に低下します。将来的には、医療生物学、航空宇宙、民生用電子機器、照明ディスプレイ、エネルギー環境、精密機械などの下流産業で広く使用されることが期待されています。
医療化粧品
超高速レーザーは、医療用眼科手術機器や美容機器に使用できます。フェムト秒レーザーは近視手術に使用され、波面収差技術に続く「屈折矯正手術のもう一つの革命」として知られています。近視患者の眼軸は正常な眼軸よりも大きいため、眼球がリラックスした状態では、眼の屈折システムによる屈折後の平行光線の焦点は網膜の前に落ちます。フェムト秒レーザー手術は、軸方向の余分な筋肉を取り除き、軸距離を正常に戻すことができます。フェムト秒レーザー手術は、高精度、高安全性、高安定性、短い手術時間、高快適性などの利点があり、最も主流の近視手術方法の2つになっています。
美容の面では、超高速レーザーを使用して色素や自然なほくろを除去したり、タトゥーを除去したり、皮膚の老化を改善したりすることができます。
家電
超高速レーザーは、家電製品の製造工程における硬くて脆い透明材料の加工、薄膜加工、精密マーキングなどに適しています。携帯電話の強化ガラスとサファイアは、家電製品の原材料の中で代表的な硬くて脆い透明材料であり、特にサファイアは硬度が高く脆いため、従来の加工方法の効率と歩留まりが非常に低く、現在、スマートウォッチ、携帯電話のカメラカバー、指紋モジュールカバーなどに広く使用されています。ナノ2nd紫外線レーザーと超高速レーザーは現在、サファイアを切断するための主な技術手段であり、超高速レーザーの加工効果は紫外線ナノ2ndレーザーよりも優れています。また、カメラモジュールと指紋モジュールで使用される加工方法は、主にナノ2ndレーザーとピコ2ndレーザーです。フレキシブルな携帯電話の画面（折りたたみ式画面）の切断とそれに対応する 3D 将来、ガラスの穴あけ加工においては、超高速レーザーが主流の技術となる可能性が高いでしょう。
超高速レーザーはパネル製造においても重要な用途があります。超高速レーザーは、LCD/OLED 製造中の OLED 偏光板の切断、剥離、修復に使用できます。
OLEDの場合、そのポリマー材料は熱の影響に特に敏感です。さらに、現在製造されているセルのサイズと間隔は非常に小さく、残りの加工サイズも非常に小さいです。以前のような伝統的なダイカットプロセスは、今日ではもはや適していません。業界の生産ニーズ、そして今では特殊形状のスクリーンや穴あきスクリーンのアプリケーション要件があり、これは伝統的な工芸品の能力を超えています。このように、超高速レーザー、特にピコ2nd紫外線やフェムト2ndレーザーの利点が反映されています。これらは熱影響部が小さく、曲線加工などのより柔軟なアプリケーションに適しています。
マイクロ溶接
ガラスなどの透明な固体媒体では、超短パルスレーザーが媒体中を伝搬する際に、非線形吸収、溶融損傷、プラズマ形成、アブレーション、ファイバー伝搬などのさまざまな現象が発生します。図は、さまざまなパワー密度と時間スケールでの超短パルスレーザーと固体材料との相互作用で発生するさまざまな現象を示しています。
超短パルスレーザーマイクロ溶接技術は、中間層を挿入する必要がなく、高効率、高精度、マクロ的な熱影響がなく、マイクロ溶接処理後の機械的および光学的特性が比較的理想的なため、ガラスなどの透明材料のマイクロ溶接に非常に適しています。たとえば、研究者は、70 fs、250 kHzのパルスを使用して、標準および微細構造光ファイバーにエンドキャップを溶接することに成功しました。
ディスプレイ照明
ディスプレイ照明分野における超高速レーザーの応用は、主に LED ウェーハのスクライビングと切断を指します。これは、超高速レーザーが硬くて脆い材料の加工に適しているもう 1 つの例です。超高速レーザー加工は、断面の平坦性が高く、エッジの欠けが大幅に減少します。効率と精度が大幅に向上します。
太陽光発電エネルギー
超高速レーザーは、太陽電池の製造において幅広い応用範囲を持っています。例えば、CIGS薄膜電池の製造では、超高速レーザーは従来の機械的なスクライビング工程を置き換え、特にP2およびP3スクライビングリンクのスクライビング品質を大幅に向上させ、欠けや亀裂、残留応力をほとんど発生させません。
航空宇宙産業
タービンブレードの性能と耐用年数を向上させ、エンジンの性能を向上させるには、空気膜冷却技術を採用する必要があり、空気膜穴加工技術に非常に高い要求が課せられています。 2018年、西安光学機械研究所は、中国で最高の単一パルスエネルギーを開発しました。 26ワットの産業グレードのフェムト秒ファイバーレーザーと一連の超高速レーザー極限製造装置を開発し、航空エンジンのタービンブレードの空気膜穴の「冷間加工」で画期的な進歩を遂げ、国内のギャップを埋めました。 この加工方法は、EDMよりも先進的で、方法の精度が高く、歩留まりが大幅に向上します。
超高速レーザーは繊維強化複合材料の精密加工にも応用でき、加工精度の向上は航空宇宙などのハイエンド分野における炭素繊維などの複合材料の応用拡大に貢献します。
研究分野
2光子重合技術（2PP）は「ナノ光学」 3D 光硬化型ラピッドプロトタイピング技術に似た印刷方法であり、未来学者のクリストファー・バーナットは、この技術が主流の形態になる可能性があると考えています。 3D 2光子重合技術の原理は、「フェムト秒パルスレーザー」を使用して感光性樹脂を選択的に硬化させることです。光硬化ラピッドプロトタイピングに似ていますが、2光子重合技術が達成できる最小層厚とXY軸解像度が2nmから100nmの間である点が異なります。つまり、200PP 3D 印刷技術は従来の光硬化成形技術よりも数百倍正確で、印刷物は細菌よりも小さいです。
現在、超高速レーザーの価格はまだ比較的高価です。業界の先駆者として、 STYLECNC すでに超高速レーザー加工装置を生産しており、良好な市場フィードバックを得ています。超高速レーザー技術に基づくOLEDモジュール用レーザー精密切断装置、超高速（ピコ秒/フェムト秒）レーザーマーキング装置、ピコ2nd赤外線ディスプレイスクリーン用ガラス面取りレーザー加工装置、ピコ2nd赤外線ガラスウェーハが発売されています。レーザー切断装置、LED自動インビジブルダイシングマシン、半導体ウェーハ レーザー切断機、指紋認証モジュール用ガラスカバー切断装置、フレキシブルディスプレイ量産ライン、超高速レーザー製品シリーズなど。
長所と短所
メリット
超高速レーザーはレーザー分野における重要な発展方向の一つであり、新興技術として精密微細加工において大きな利点を持っています。超高速レーザーによって生成される超短パルスは、非常に短時間で材料と相互作用し、周囲の材料に熱をもたらさないため、超高速レーザー加工は冷間加工とも呼ばれます。これは、レーザーパルス幅がピコ秒またはフェムト秒レベルに達すると、分子の熱運動への影響を大幅に回避できるため、熱の影響が少なくなるためです。
例えば、鈍い包丁で塩卵を切ると、塩卵が細かく切れてしまうことが多いです。特に刃先が鋭く、素早く切れる切り方を選べば、塩卵が均等に美しく切れます。それが超高速のメリットです。
デメリット
集積回路やパネルなどのハイエンド製造業では、レーザー加工装置に対する要求が非常に高く、技術革新が期待に応えられないリスクがあります。
超高速レーザーは価格が高く、新しいレーザーサプライヤーに切り替えると、レーザー機器メーカーと最も下流のユーザーの両方にとって、期待通りに市場を拡大できないリスクがあります。
参考文献
レーザー彫刻機でビジネスを革新 - コストとメリット
この記事では、レーザー彫刻機のコスト、利点、可能性、そしてレーザーを使用してカスタムビジネス向けのパーソナライズされた彫刻を作成する方法について説明します。
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