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    1. 濱松成功研發出全球面積最大的空間光調制器
      發布時間:2022-04-13

      濱松公司利用其獨特的光學半導體制造工藝,成功研制出世界上最大規模的液晶型空間光調制器(Spatial Light Modulator,以下簡稱SLM※1),該SLM的有效面積約較以往產品增加了4倍,且耐熱性更高。該開發器件可應用于工業用高功率連續振蕩(以下簡稱CW)激光器,實現激光分束等控制,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。


      本次研發項目的一部分是受量子科學技術研發機構(QST)管理的內閣辦公室綜合科學技術和創新會議戰略創新創造計劃(SIP)第2期項目“利用光和量子實現Society 5.0技術”的項目委托,開展的研發工作。


      該開發器件將于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天的國內最大的國際光學技術會議“OPIC 2022”上發布,敬請期待。※1 SLM:通過液晶控制激光等入射光的波前,調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備。


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      傳統開發產品(左)和本次研發器件(右)



      產品開發概要

      本次研發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可重復輸出的脈沖激光器和連續輸出的CW激光器。脈沖激光器可以減少熱損壞,實現高精度加工;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計技術,已經成功開發了全球耐光性能最佳,適用于工業脈沖激光器的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,它的優勢在于它可以實現碳纖維增強塑料(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。


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      SLM結構和圖形控制原理

      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,來改變入射光的路徑長度然后進行衍射。其結果便是,通過對入射光進行分支、畸變校正等,實現對激光束照射后衍射圖形的自由調控。


      此次,濱松公司運用了大型光學半導體器件在開發和生產中積累的拼接技術(※2),將SLM的有效面積擴大到30.24×30.72 mm,約為現有尺寸的4倍,為世界上最大的液晶型SLM,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激光器連續照射而引起的溫度升高,使得SLM可適用于工業用的高功率CW激光器。此外,大面積硅襯底在制造過程中容易出現彎曲、平整度惡化的情況,進而導致入射圖形的光束形狀產生畸變,針對這一問題我們運用了濱松獨特的光學半導體元件生產技術,使SLM在增大面積的同時,保持了襯底的平整度。至此,實現了光束的高精度控制。※2拼接技術:在硅襯底上反復進行光刻的技術。適用于完成無法一次性光刻的大型電子回路。


      本次研發的器件適用于工業用高功率CW激光器,實現多點同時并行加工,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,該開發器件可根據對象物體的材料和形狀進行優化,進而實現高精度的激光熱加工。


      今后,我們將繼續優化SLM結構中的多層介質膜反射鏡,以進一步提高耐光性能。此外,我們也會將此開發器件搭載到激光加工設備中,進行實際驗證實驗。


      研發背景

      SIP第2期課題旨在通過將網絡空間(虛擬空間)和物理空間(現實空間)高度融合的信息物理系統(Cyber Physical System,以下簡稱CPS)驗證具有革命性的創新型工業制造。其中,“利用光和量子的Society 5.0實現技術”中,我們研發的主題包括激光加工在內的3個領域,旨在通過CPS激光加工系統驗證創新型制造的可能性。


      隨著CPS激光加工系統的實現,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果數據,選擇最佳的加工條件,進而優化設計和生產過程。SLM被定義為CPS激光加工系統中必需的關鍵設備,為此,我們將繼續致力于提高SLM的性能。


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      本次研發的器件在CPS激光加工系統中的應用場景


      主要規格

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