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体育成功研发出拥有世界最高耐光性400 GW/cm^2的工业级空间光调制器
发布时间:2020-07-01

体育公司利用独创的薄膜设计及电路设计技术,成功开发出耐光强度达400 GW/cm2的世界最高耐光性能的液晶空间光调制器(Spatial Light Modulator,以下简称SLM)。该产品可广泛应注册高功率的工业级脉冲激光加工APP,可对重量轻,强度大的碳纤维复合材料(CFRP)等不易加工材料进行高速度,高精度的加工处理。


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拥有400 GW/cm2耐光性能的SLM


本研发的一部分,是在日本内阁府综合科学技术创新会议中战略创新创造项目(SIP)“实现Society 5.0的体育版与量子技术”(管理法人:国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构,QST)的委托下进行的。该课题的目标之一是验证如何利用网络物理融合系统(Cyber Physical System,以下简称CPS)来连接虚拟空间与物理的现实世界,实现创新性的技术和开发成果。在以CPS激光加工为代表的人工智能(AI)型生产系统里,能对激光的光束模型进行自由调制的SLM被认为是一种不可或缺的元件。


<研发背景>

在SIP第2期战略创新项目里,“实现Society 5.0的体育版与量子技术”就CPS的关键技术给出了尚需突破的3个课题:“激光加工”,“体育版・量子通信”和“光电信息处理”。其中,“激光加工”课题从不易加工材料出发,旨在验证CPS激光加工系统的实际能力和效果。CPS激光加工系统通过改变激光参数,收集加工结果,再用AI选择合适的加工条件。这样可以缩短人工的实验摸索时间,实现设计和生产上的最优化。体育公司是“实现Society 5.0的体育版与量子技术”项目的研发机构之一,承担高性能SLM的研发工作。


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本开发成果在CPS激光加工系统中的应用模式


SLM是一种通过液晶来控制激光等入射光束的波面(※)来任意调整反射光波面形状的10bet元件。带像素电极的硅基板和有透明电极的玻璃基板之间夹有液晶层,通过电脑来控制像素电极来改变液晶分子倾角,进而改变入射光的传播长度,同时矫正入射光的进程和畸变,达到对激光光束模型进行自在调控的目的。 ※ 光的波面:光具有波粒二象性。光作为波动传播时,某一时刻将其波形高度(相位)相同点连接起来的面称为波面,光的前进方向与波面垂直。

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SLM的构造(左)和光的前进方向(右)


<开发成果概要>

本开发成果是拥有世界最高耐光性能,注册高功率工业级脉冲激光加工的SLM。 激光可分为连续产生一定强度输出的CW(Continuous Wave)激光和一定间隔里重复输出的脉冲激光。CW激光可注册焊接,切割等金属材料的热处理,是激光加工的主流。而脉冲激光在瞬间内输出很高的能量,能减少由于发热造成的损伤,实现高精度的加工。因此,在CFRP和注册集成电路上为维持处理速度而使用的低介电常数(low-k)材料等不易加工材料中,人们倾向于以高精度的脉冲激光来替代传统的机械加工,但问题是加工速度还有待提高和所需激光的输出不足。工业级脉冲激光加工上通过SLM可以同时照射多束激光,相比于单点激光可以提高加工速度。目前市场上开始出现工业级的高功率脉冲激光,对耐光性能高的SLM的需求也随之增加。


本公司迄今,对于生产线上高速移动物体进行文字或二维码打标等用途,一直开发和生产着高耐光性能的波面调制登录。这次,通过优化反射入射激光的多层薄膜介质镜的设计和像素电极的电路设计,使整体的耐光性能达到400 GW/cm2,比以往产品提高了10倍以上。


以往的多层薄膜介质镜是用两种材料进行交替层叠,由于光会在薄膜接触的界面处相互干涉并增强,入射功率大的时候薄膜容易被损坏。而这次是用模拟的方法优化了各层的膜厚,大幅度减少了界面处的光干涉以及其对薄膜的影响。同时,通过像素电极电路设计的优化减少了登录整体的噪音。


使用本开发成果,可以在进行激光分束的同时维持到达加工对象上的所需激光强度。因此可以期待其在注册飞机或汽车的CFRP材料,以及第5代移动通信系统(5G)所需低介电常数材料等不易加工材料的处理上发挥作用。


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使用SLM进行脉冲激光加工的示意图


<今后的方向>

在继续提高本开发成果耐光特性的同时,本开发成果将在今年度内装载到东京大学的CPS激光加工系统以及宇都宫大学的激光加工设备上,在实际应用中进行推广。

●主要规格

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