濱松公司利用獨(dú)創(chuàng)的薄膜設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出耐光強(qiáng)度達(dá)400 GW/cm²的液晶空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，以下簡(jiǎn)稱SLM）。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于高功率的工業(yè)級(jí)脈沖激光加工裝置，可對(duì)重量輕，強(qiáng)度大的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）等不易加工材料進(jìn)行高速度，高精度的加工處理。

擁有400 GW/cm2耐光性能的SLM

本研發(fā)的一部分，是在日本內(nèi)閣府綜合科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新會(huì)議中戰(zhàn)略創(chuàng)新創(chuàng)造項(xiàng)目（SIP）“實(shí)現(xiàn)Society 5.0的光子與量子技術(shù)”（管理法人：國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人量子科學(xué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，QST）的委托下進(jìn)行的。該課題的目標(biāo)之一是驗(yàn)證如何利用網(wǎng)絡(luò)物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical System，以下簡(jiǎn)稱CPS）來(lái)連接虛擬空間與物理的現(xiàn)實(shí)世界，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的技術(shù)和開(kāi)發(fā)成果。在以CPS激光加工為代表的的人工智能（AI）型生產(chǎn)系統(tǒng)里，能對(duì)激光的光束模型進(jìn)行自由調(diào)制的SLM被認(rèn)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(xiàng)目里，“實(shí)現(xiàn)Society 5.0的光子與量子技術(shù)”就CPS的關(guān)鍵技術(shù)給出了尚需突破的3個(gè)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(yàn)證CPS激光加工系統(tǒng)的實(shí)際能力和效果。CPS激光加工系統(tǒng)通過(guò)改變激光參數(shù)，收集加工結(jié)果，再用AI選擇合適的加工條件。這樣可以縮短人工的實(shí)驗(yàn)摸索時(shí)間，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上的最優(yōu)化。濱松公司是“實(shí)現(xiàn)Society 5.0的光子與量子技術(shù)”項(xiàng)目的研發(fā)機(jī)構(gòu)之一，承擔(dān)高性能SLM的研發(fā)工作。

本開(kāi)發(fā)成果在CPS激光加工系統(tǒng)中的應(yīng)用模式

SLM是一種通過(guò)液晶來(lái)控制激光等入射光束的波面（※）來(lái)任意調(diào)整反射光波面形狀的光學(xué)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(guò)電腦來(lái)控制像素電極來(lái)改變液晶分子傾角，進(jìn)而改變?nèi)肷涔獾膫鞑ラL(zhǎng)度，同時(shí)矯正入射光的進(jìn)程和畸變，達(dá)到對(duì)激光光束模型進(jìn)行自在調(diào)控的目的。 ※ 光的波面：光具有波粒二象性。光作為波動(dòng)傳播時(shí)，某一時(shí)刻將其波形高度（相位）相同點(diǎn)連接起來(lái)的面稱為波面，光的前進(jìn)方向與波面垂直。

SLM的構(gòu)造（左）和光的前進(jìn)方向（右）

＜開(kāi)發(fā)成果概要＞

本開(kāi)發(fā)成果是擁有高耐光性能，用于高功率工業(yè)級(jí)脈沖激光加工的SLM。 激光可分為連續(xù)產(chǎn)生一定強(qiáng)度輸出的CW（Continuous Wave）激光和一定間隔里重復(fù)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(nèi)輸出很高的能量，能減少由于發(fā)熱造成的損傷，實(shí)現(xiàn)高精度的加工。因此，在CFRP和半導(dǎo)體集成電路上為維持處理速度而使用的低介電常數(shù)（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(lái)替代傳統(tǒng)的機(jī)械加工，但問(wèn)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(jí)脈沖激光加工上通過(guò)SLM可以同時(shí)照射多束激光，相比于單點(diǎn)激光可以提高加工速度。目前市場(chǎng)上開(kāi)始出現(xiàn)工業(yè)級(jí)的高功率脈沖激光，對(duì)耐光性能高的SLM的需求也隨之增加。

本公司迄今，對(duì)于生產(chǎn)線上高速移動(dòng)物體進(jìn)行文字或二維碼打標(biāo)等用途，一直開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)著高耐光性能的波面調(diào)制器件。這次，通過(guò)優(yōu)化反射入射激光的多層薄膜介質(zhì)鏡的設(shè)計(jì)和像素電極的電路設(shè)計(jì)，使整體的耐光性能達(dá)到400 GW/cm²，比以往產(chǎn)品提高了10倍以上。

以往的多層薄膜介質(zhì)鏡是用兩種材料進(jìn)行交替層疊，由于光會(huì)在薄膜接觸的界面處相互干涉并增強(qiáng)，入射功率大的時(shí)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(duì)薄膜的影響。同時(shí)，通過(guò)像素電極電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化減少了器件整體的噪音。

使用本開(kāi)發(fā)成果，可以在進(jìn)行激光分束的同時(shí)維持到達(dá)加工對(duì)象上的所需激光強(qiáng)度。因此可以期待其在用于飛機(jī)或汽車的CFRP材料，以及第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）所需低介電常數(shù)材料等不易加工材料的處理上發(fā)揮作用。

使用SLM進(jìn)行脈沖激光加工的示意圖

＜今后的方向＞

在繼續(xù)提高本開(kāi)發(fā)成果耐光特性的同時(shí)，本開(kāi)發(fā)成果將在今年度內(nèi)裝載到東京大學(xué)的CPS激光加工系統(tǒng)以及宇都宮大學(xué)的激光加工設(shè)備上，在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行推廣。

●主要規(guī)格

（內(nèi)容來(lái)源于濱松官網(wǎng)）