【儀表網 儀表企業(yè)】濱松公司利用薄膜設計及電路設計技術，成功開發(fā)出耐光強度達400 GW/cm2的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(yè)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。
本研發(fā)的一部分，是在日本內閣府綜合科學技術創(chuàng)新會議中戰(zhàn)略創(chuàng)新創(chuàng)造項目(SIP)“實現(xiàn)Society 5.0的光子與量子技術”(管理法人：國立研究開發(fā)法人量子科學技術研究開發(fā)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(tǒng)(Cyber Physical System，以下簡稱CPS)來連接虛擬空間與物理的現(xiàn)實世界，實現(xiàn)創(chuàng)新性的技術和開發(fā)成果。在以CPS激光加工為代表的人工智能(AI)型生產系統(tǒng)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(fā)背景>
在SIP第2期戰(zhàn)略創(chuàng)新項目里，“實現(xiàn)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(fā)，旨在驗證CPS激光加工系統(tǒng)的實際能力和效果。CPS激光加工系統(tǒng)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(xiàn)設計和生產上的優(yōu)化。濱松公司是“實現(xiàn)Society 5.0的光子與量子技術”項目的研發(fā)機構之一，承擔高性能SLM的研發(fā)工作。
本開發(fā)成果在CPS激光加工系統(tǒng)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。
本開發(fā)成果是擁有耐光性能，用于高功率工業(yè)級脈沖激光加工的SLM。 激光可分為連續(xù)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(fā)熱造成的損傷，實現(xiàn)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(tǒng)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(yè)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(xiàn)工業(yè)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。
濱松中國迄今，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(fā)和生產著高耐光性能的波面調制器件。這次，通過優(yōu)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(yōu)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(yōu)化減少了器件整體的噪音。
使用本開發(fā)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(tǒng)(5G)所需低介電常數材料等不易加工材料的處理上發(fā)揮作用。
在繼續(xù)提高本開發(fā)成果耐光特性的同時，本開發(fā)成果將在今年度內裝載到東京大學的CPS激光加工系統(tǒng)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。
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