【儀表網(wǎng) 儀表新品】濱松公司利用其獨特的光學半導體制造工藝，成功研制液晶型空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator，以下簡稱SLM※1)，該SLM的有效面積約較以往產(chǎn)品增加了4倍，且耐熱性更高。該開發(fā)器件可應用于工業(yè)用高功率連續(xù)振蕩(以下簡稱CW)激光器，實現(xiàn)激光分束等控制，應用到如金屬3D打印，以激光燒灼金屬粉來模塑成形車輛部件等，同時有望提高激光熱加工的效率和精度。
本次研發(fā)項目的一部分是受量子科學技術(shù)研發(fā)機構(gòu)(QST)管理的內(nèi)閣辦公室綜合科學技術(shù)和創(chuàng)新會議戰(zhàn)略創(chuàng)新創(chuàng)造計劃(SIP)第2期項目“利用光和量子實現(xiàn)Society 5.0技術(shù)”的項目委托，開展的研發(fā)工作。
該開發(fā)器件于4月18日(星期一)至22日(星期五)在橫濱Pacifico(橫濱市神奈川縣)舉辦為期5天的國際光學技術(shù)會議“OPIC 2022”上發(fā)布。
※1 SLM：通過液晶控制激光等入射光的波前，調(diào)整反射光的波前形狀，來校正入射光的光束和畸變 等，是可自由控制激光衍射圖形的光學設(shè)備。
產(chǎn)品開發(fā)概要
本次研發(fā)的器件是適用于高輸出功率CW激光器的SLM。
激光器分為在短時間間隔內(nèi)可重復輸出的脈沖激光器和連續(xù)輸出的CW激光器。脈沖激光器可以減少熱損壞，實現(xiàn)高精度加工；而CW激光器可用于金屬材料的焊接和切割等熱加工，因此成為激光加工的主流。
濱松憑借長期以來積累的獨特的薄膜和電路設(shè)計技術(shù)，已經(jīng)成功開發(fā)了全球耐光性能最佳，適用于工業(yè)脈沖激光器的SLM。通過應用SLM，將多個高功率脈沖激光光束進行并行加工，相較于僅聚焦到1個點的加工方式，它的優(yōu)勢在于它可以實現(xiàn)碳纖維增強塑料(CFRP)等難加工材料的高速、高精度地加工。但在應用于CW激光器時，存在隨著SLM溫度上升導致性能下降的問題。
SLM結(jié)構(gòu)和圖形控制原理
SLM由帶像素電極的硅襯底、帶透明電極的玻璃襯底，以及兩襯底中間的液晶層組成。它通過控制在像素電極上的液晶的傾斜角度，來改變?nèi)肷涔獾穆窂介L度然后進行衍射。其結(jié)果便是，通過對入射光進行分支、畸變校正等，實現(xiàn)對激光束照射后衍射圖形的自由調(diào)控。
此次，濱松公司運用了大型光學半導體器件在開發(fā)和生產(chǎn)中積累的拼接技術(shù)(※2)，將SLM的有效面積擴大到30.24×30.72 mm，約為現(xiàn)有尺寸的4倍，也因此它可以減少SLM單位面積的入射光能量。
同時，由于采用耐熱性和導熱性俱佳的大型陶瓷襯底，提高了散熱效率，成功地抑制了因CW激光器連續(xù)照射而引起的溫度升高，使得SLM可適用于工業(yè)用的高功率CW激光器。
此外，大面積硅襯底在制造過程中容易出現(xiàn)彎曲、平整度惡化的情況，進而導致入射圖形的光束形狀產(chǎn)生畸變，針對這一問題濱松公司運用了濱松獨特的光學半導體元件生產(chǎn)技術(shù)，使SLM在增大面積的同時，保持了襯底的平整度。至此，實現(xiàn)了光束的高精度控制。
※2拼接技術(shù)：在硅襯底上反復進行光刻的技術(shù)。適用于完成無法一次性光刻的大型電子回路。
本次研發(fā)的器件適用于工業(yè)用高功率CW激光器，實現(xiàn)多點同時并行加工，有望提高如金屬3D打印為代表的激光焊接和激光切割等激光熱加工的效率。此外，通過對光束形狀進行高精度的控制，該開發(fā)器件可根據(jù)對象物體的材料和形狀進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)高精度的激光熱加工。
今后，濱松公司將繼續(xù)優(yōu)化SLM結(jié)構(gòu)中的多層介質(zhì)膜反射鏡，以進一步提高耐光性能。此外，也會將此開發(fā)器件搭載到激光加工設(shè)備中，進行實際驗證實驗。
研發(fā)背景
SIP第2期課題旨在通過將網(wǎng)絡(luò)空間(虛擬空間)和物理空間(現(xiàn)實空間)高度融合的信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System，以下簡稱CPS)驗證具有革命性的創(chuàng)新型工業(yè)制造。其中，“利用光和量子的Society 5.0實現(xiàn)技術(shù)”中，濱松公司研發(fā)的主題包括激光加工在內(nèi)的3個領(lǐng)域，旨在通過CPS激光加工系統(tǒng)驗證創(chuàng)新型制造的可能性。
隨著CPS激光加工系統(tǒng)的實現(xiàn)，我們期待通過AI人工智能收集在多種條件下用激光照射物體得到的加工結(jié)果數(shù)據(jù)，選擇最佳的加工條件，進而優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)過程。SLM被定義為CPS激光加工系統(tǒng)中必需的關(guān)鍵設(shè)備，為此，濱松公司將繼續(xù)致力于提高SLM的性能。
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