超高速レーザーは、エネルギー出力波形に基づいて定義されるピコ秒レベル (10 ～ 12 秒) 以下またはその範囲内のパルス幅を持つ超高強度の超短パルス レーザーの一種です。
レーザーの名前は「超高速現象」に基づいています。これは、物質の微細なシステムが物理的、化学的、または生物学的プロセスにおいて急速に変化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、振動の周期はフェムト秒のオーダーです。
レーザーの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、マットの温度の微視的な本質である分子全体の熱運動に与える影響が大幅に回避されます。 さらに、材料は分子振動の時間スケールによって影響を受け、生成されるため、加工中の熱影響が大幅に減少します。
目次
超高速レーザーの種類
超高速レーザーのコンポーネント
超高速レーザーのアプリケーション
超高速レーザーの長所と短所
超高速レーザーの種類
レーザーには多くの分類方法がありますが、最も一般的に使用される XNUMX つの分類方法は、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です。
エネルギー出力波形に従って、レーザーは連続レーザー、パルスレーザー、および準連続レーザーに分類できます。
連続レーザー
連続レーザーとは、稼働時間中安定したエネルギー波形を継続的に出力するレーザーです。 ハイパワーで金属板など高融点のボリュームのある素材も加工できるのが特徴です。
パルスレーザー
パルスレーザーは、エネルギーをパルスの形で出力します。 パルス幅に応じて、これらのレーザーはミリ秒レーザー、マイクロ秒レーザー、ナノ秒シャットダウンデバイス、ピコ秒レーザー、フェムト秒レーザー、アト秒レーザーにさらに分類できます。 たとえば、出力レーザーのパルス幅が 1 ～ 1000ns の場合、ナノ秒レーザーとして分類されます。 ピコ秒レーザー、フェムト秒レーザー、アト秒レーザー、超高速レーザーの場合、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、加工精度は高くなります。 一般にパルス幅が狭いほど処理精度は高くなります。
準CWレーザー
準CWレーザーは、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できるパルスレーザーです。
前述の XNUMX つのレーザーのエネルギー出力波形は、パラメーター「デューティ サイクル」によって説明することもできます。
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。 したがって、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 サイクルになります。 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。
材料処理の分野では、パルス レーザーは当初、連続レーザーの過渡的な製品でした。 これは、コア部品の支持力や初期段階の技術レベルなどの影響により、連続レーザーの出力がそれほど高くならないことや、材料を高温まで加熱できないためです。融点。 これらの要素は処理の目的を達成するものであり、イノベーションの必要性を意味します。
この革新には、レーザーの出力エネルギーを単一パルスに集中させるために使用される特定の技術的手段が伴いました。 これにより、レーザーの総出力の変化が阻止されましたが、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すことが可能になりました。
その後、連続レーザー技術が徐々に成熟し、パルスレーザーが加工精度に大きな利点があることが判明しました。 これは、パルスレーザーが材料に及ぼす熱の影響が小さいためです。 レーザーのパルス幅が狭いほど、熱の影響は小さくなります。 加工された材料のエッジが滑らかであればあるほど、対応する加工精度は高くなります。
超高速レーザーのコンポーネント
超高速レーザーとみなされるレーザーの中心的な要件の XNUMX つは、安定性の高い超短パルスと高いパルスエネルギーです。 一般に、モード同期技術を使用すると超短パルスが得られ、CPA 増幅技術を使用すると高いパルスエネルギーが得られます。
関連するコアコンポーネントには、オシレーター、ストレッチャー、アンプ、コンプレッサーが含まれます。 その中で、発振器と増幅器は最も難しいものですが、これらは超高速レーザー製造会社の核となる技術でもあります。
発振器
モードロック技術は、発振器で超高速レーザーパルスを取得するために使用されます。
ストレッチャー
ストレッチャーは、異なる波長を使用して、フェムト秒シード パルスを時間的に引き延ばします。
増幅器
チャープ増幅器を使用して、伸張されたパルスを完全に活性化します。
コンプレッサー
コンプレッサーは、さまざまな成分の増幅されたスペクトルを統合し、それらをフェムト秒幅に復元することで、非常に高い瞬間出力を持つフェムト秒レーザー パルスを形成します。
超高速レーザーのアプリケーション
超高速レーザーは、ナノ秒レーザーやミリ秒レーザーと比較すると全体の出力は低くなりますが、材料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」が実現され、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、および超高速レーザーはすべて、その特性が異なるため、下流のアプリケーション分野で大きな違いを示します。
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、穴あけ、金属材料の 3D プリント。
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、洗浄および実行に使用されます。 精密彫刻 金属表面、精密溶接金属、微細加工金属などに。
超高速レーザーは、ガラス、PET、サファイアなどの透明な材料だけでなく、硬くて脆い材料の切断や溶接にも使用されます。 さらに、これらは次の目的で使用されます。 精密マーキング、眼科手術、顕微鏡不動態化、およびエッチング。
高出力CWレーザーと超高速レーザーは、用途の観点からは相互置換の関係がほとんどありません。 これらは斧とピンセットのようなもので、そのサイズには長所と短所の両方があります。
非超高速パルスレーザーの下流アプリケーションは、連続レーザーや超高速レーザーのアプリケーションと一部重複します。 ただし、同じアプリケーションで得られた結果から判断すると、非超高速パルス レーザーの出力は連続レーザーほど良くなく、その精度も超高速レーザーほど良くありません。 最大の特徴はコストパフォーマンスです。
特にナノ秒紫外レーザーは、パルス幅がピコ秒レベルに達しないにもかかわらず、他のカラーナノ秒レーザーに比べて加工精度が非常に高い。 ナノ秒紫外線レーザーは 3C 製品の加工や製造に広く使用されており、将来的には超高速レーザーのコストが低下するため、ナノ秒紫外線市場を占める可能性があります。
超高速レーザーは本当の意味での冷間加工を実現し、精密加工に大きなメリットをもたらします。 さらに、生産技術が徐々に成熟するにつれて、これらの超高速レーザーのコストは低下します。 これらの理由から、これらのレーザーは将来、医療生物学、航空宇宙、家電、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。
医療美容学
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。 たとえば、フェムト秒レーザーは近視手術に使用され、波面収差技術に次いで「屈折矯正手術におけるもう一つの革命」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く、これは、リラックス状態にあるとき、屈折後の眼の屈折系による平行光線の焦点が網膜の前に来ることを意味します。 フェムト秒レーザー手術は、軸方向の余分な筋肉を除去し、軸方向の距離を通常の長さ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、高い快適性などの利点があり、最も主流の近視手術法の一つとなっています。
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、硬くて脆い透明材料の加工、薄膜加工、精密マーキングに適しているほか、家庭用電化製品の製造プロセス内で他の機能も提供します。 携帯電話に使われるサファイアや強化ガラスは、家電製品の原材料の中でも硬くて脆く透明な材料とされています。
特にサファイアは、スマートウォッチ、携帯電話のカメラカバー、指紋認証モジュールカバーなどに広く使用されています。 しかし、硬度と脆性が高いため、従来の機械加工方法の効率と歩留まりは非常に低くなります。 このため、ナノ秒紫外線レーザーと超高速レーザーがサファイアを切断するための主要な技術手段となっており、超高速レーザーの加工効果は紫外線ナノ秒レーザーよりも優れています。 上記の機能に加えて、ナノ秒レーザーとピコ秒レーザーも、カメラ モジュールや指紋モジュールで使用される主な処理方法です。
また、超高速レーザーは、将来的には、フレキシブルな携帯電話のスクリーン (折りたたみ式スクリーン) の切断や、それに対応する 3D ガラスの穴あけのための主流の技術になる可能性が最も高くなります。
超高速レーザーは、OLED 偏光子の切断や、LCD/OLED 製造時の剥離および修復プロセスなど、パネル製造においても重要な用途を持っています。
OLED 製造におけるポリマー材料は、特に熱の影響を受けやすいです。 さらに、現在作成されているセルのサイズと間隔は、残りの処理サイズと同様に非常に小さいです。 これは、従来の型抜きプロセスがもはや適していないことを意味します。 業界の生産ニーズと特殊な形状のスクリーンや穴あきスクリーンの用途要件は、今や伝統的な工芸品の能力を超えています。 したがって、特に熱の影響を受けるゾーンが小さく、湾曲加工などの柔軟な用途に適したピコ秒紫外線レーザーやフェムト秒レーザーを考慮した場合、超高速レーザーによってもたらされる利点は明らかです。
マイクロウェルディング
ガラスなどの透明な固体媒体コンポーネントの場合、超短パルスレーザーが媒体内を伝播するときに、非線形吸収、溶融損傷、プラズマ形成、アブレーション、ファイバーの伝播などのさまざまな現象が発生します。 この図は、異なるパワー密度と時間スケールの下で、超短パルスレーザーと固体材料の間の相互作用中に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微細溶接技術は、中間層を挿入する必要がなく、高効率、高精度、巨視的な熱影響がなく、理想的な状態を実現できるため、ガラスなどの透明材料の微細溶接に非常に適しています。マイクロウェルディング処理後の機械的および光学的特性。 たとえば、研究者らは、70 fs、250 kHz のパルスを使用してエンド キャップを標準および微細構造の光ファイバーに溶接することに成功しました。
ディスプレイ照明
ディスプレイ照明の分野における超高速レーザーの応用は、主に LED ウェハー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どのように適しているかを示すもう XNUMX つの例です。 超高速レーザー加工は、精度と効率が優れているだけでなく、断面の平坦性が高く、エッジのチッピングが大幅に減少します。
太陽光発電
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。 たとえば、CIGS 薄膜電池の製造では、超高速レーザーを元の機械的スクライビング プロセスに置き換えることで、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の品質を大幅に向上させることができ、チッピング、クラック、残留物がほとんど発生しません。ストレス。
航空宇宙
航空宇宙分野で使用されるエンジンの性能やタービンブレードの性能と寿命を向上させるには、空気膜冷却技術が必要です。 しかし、そのためには空気膜穴加工技術に対する要求が非常に高いことになります。
2018 年、西安光学機械研究所は、中国で最高の単一パルス エネルギーである 26 ワットの工業グレードのフェムト秒ファイバー レーザーを開発しました。 さらに、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る一連の超高速レーザー製造装置を開発しました。 この加工方法は放電加工よりも高度で精度が高く、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適用でき、加工精度の向上により、航空宇宙やその他のハイエンド分野における炭素繊維などの複合材料の用途拡大に貢献します。
研究分野
二光子重合（2PP）技術は、光硬化ラピッドプロトタイピング技術と同様の「ナノ光学」3D プリンティング方法です。 未来学者のクリストファー・バーナット氏は、この技術が将来的には 3D プリンティングの主流になる可能性があると考えています。
2PP技術の原理は、「フェムト秒パルスレーザー」を用い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と似ているように見えますが、違いは、2PP テクノロジーが達成できる最小層厚と XY 軸解像度が 100 nm ～ 200 nm であることです。 つまり、2PP 3D プリント技術は従来の光硬化成形技術よりも数百倍正確で、プリントされたものはバクテリアよりも小さいのです。
超高速レーザーの価格は依然として比較的高価ですが、STYLECNC は業界のパイオニアとして、すでに超高速レーザー加工装置を製造しており、市場から良好なフィードバックを得ています。 超高速レーザー技術をベースにした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、ピコ秒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、ピコ秒赤外線ガラスウエハーなどを製品化しています。
これらの技術を活用して発売された製品には、レーザー切断装置、LED自動インビジブルダイシング装置、半導体ウェーハなどがあります。 レーザー切断機、指紋識別モジュール用のガラスカバー切断装置、フレキシブルディスプレイの量産ライン、および一連の超高速レーザー製品などです。
超高速レーザーの長所と短所
超高速レーザーの長所
超高速レーザーは、レーザー分野における最も重要な開発方向の XNUMX つです。 新しいテクノロジーとして、精密微細加工において大きな利点があります。
超高速レーザーによって生成される超短パルスは、レーザー自体が非常に短時間のみ材料と相互作用するため、周囲の材料に熱を与えないことを意味します。 また、レーザーのパルス幅がピコ秒やフェムト秒レベルに達すると、分子の熱運動への影響が大幅に回避され、熱の影響が少なくなります。 このため、超高速レーザー加工は「冷間加工」とも呼ばれます。
超高速レーザーの利点を示すわかりやすい例は、保存された卵を切れ味の悪い包丁で切るときです。 保存卵は細かく切ることが多いので、切れ味の良い包丁を選ぶと、均等に綺麗に切れます。
超高速レーザーの短所
集積回路やパネルの製造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件が非常に高く、新たな技術的進歩が期待を下回るリスクがあります。
超高速レーザーの価格は高く、新しいレーザーサプライヤーに切り替えると、レーザー装置メーカーとエンドユーザーの両方が当初期待していたように市場を拡大できないリスクが生じます。
ソースから スタイルcnc.com
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