超短パルスレーザーの特徴と用途は何ですか?

超短パルスレーザー医療や光記録への幅広い応用が期待されており、現在、物理科学研究への応用を含む多くの応用が実用化の実験段階にあります。

この技術のもう 1 つの特徴は、使用されるパルスの範囲が非常に広いことです。 たとえば、情報通信アプリケーションでは、小さなエネルギー (pJ レベル) の単一パルスの超高繰り返し周波数は 100 GHz を超えます。 レベルのエネルギー範囲は高い繰り返し率で動作します。 高強度の量子科学研究アプリケーションでは、単一周波数パルスを使用してペタワット (PW) レベルの高いピーク強度を達成できます。 波長的には超短パルスレーザーの出力波長変換により、数nmの軟X線領域からサブミリ波相当のTHzパルスまで加工可能です。 超短パルスレーザーの現状を応用面から考えると、大きく以下の3つに分類できます。

(1) 物理科学研究用のレーザー。 これは、最初に確立された超短パルスレーザーデバイスの応用分野です。 この用途では、波長、パルス幅、パルスエネルギーなどのパルス特性にさまざまな要件が課されるため、色素レーザーやエキシマレーザーなどのさまざまなレーザーを使用できます。 コストを重視せず性能を重視する場合には、固体レーザーが使用されることが多い。 固体レーザーは、核融合点火用レーザーや各種研究装置で開発・利用されている大型レーザーシステムなど、柔軟な性能（パルスエネルギーや繰り返し周波数などのパラメータを比較的広範囲に調整できる）を持っており、このカテゴリーに属します。

（２）産業機器用途のレーザーとしての利用が期待される。 主に計測や加工の分野で検討されています。 短パルスレーザーを使用すると理想的な加工結果が得られますが、装置の信頼性やメンテナンス、コストを考慮する必要があります。 近年、モード同期固体レーザーの信頼性の向上や高出力ファイバーレーザーの登場により、この分野の発展に大きな期待が寄せられています。

(3) 光情報通信システムデバイスとしての半導体レーザーやファイバーレーザー。 この産業応用は社会的利益が最も大きいが、市況や情報通信政策などの社会情勢の影響も受けやすい。 ITバブル崩壊による業界不況は今でも記憶に新しい。 機器の性能だけでなく、信頼性、コスト、環境保護なども考慮する必要があり、技術的な要求も厳しい。 長期的な視点で見ると、コミュニケーション分野は最も期待されている分野です。

近年、超短パルス光技術が普及し、1990年代以降、様々な波長可変超短パルスモード同期固体レーザーが実用化されている。 波長可変レーザーは、レーザーのより低いエネルギーレベルが振動励起状態にあり、発振周波数帯域を広げる光子閉じ込めレーザーです。

一般的なTi:Sapphireレーザーは安定して動作し、平均出力1Wの超短パルス(最短で約5fs)のパルス光を実現します。Ybイオンをドープしたレーザー結晶を使用すると、より高い平均出力でサブピコ秒のパルス出力が得られます。取得できる。

短パルスレーザーの応用

PCB および FPC を切断および穴あけする場合、熱の影響を受ける部分を最小限に抑えることが非常に重要です。 切断面や穴付近の材料の熱影響部は、ある程度の熱劣化の一種です。 超短パルス幅レーザーの使用により、熱の影響を受けるゾーンが最小限に抑えられます。 超短パルスは、レーザー加工プロセスを「より低温」、つまり「冷間加工」にすることができます。 これは、パルス持続時間が有機材料の熱拡散時間より短いためです。これは、レーザー パルス エネルギーのほとんどが、拡散する前に射出された材料によって持ち去られてしまうことを意味します。

フェムト秒およびピコ秒範囲のパルス幅を持つ超短パルス レーザー (USP) は、エネルギーをレーザー スポット付近にうまく閉じ込めることができます。 出力密度が平方センチメートルあたり数十GWに達すると、レーザー加工は「コールド」アブレーション状態になります。つまり、この場合、材料の大部分はレーザーが照射された領域から直接蒸発します。 このようにして、材料は短時間で蒸発し、熱が伝導する時間がなくなるため、スポットの近くで発生する可能性のある間接的な損傷が大幅に軽減されます。 吸収されたエネルギーの大部分は、アブレーションされた材料によって運動エネルギーの形で持ち去られます。 残念ながら、現時点では超短パルスレーザーを工業生産に応用することは困難です。 平均パワーが低いため加工速度が遅く、自動材料加工装置との組み合わせが難しいことが主な理由です。 さらに、レーザーのサイズは比較的大きいです (専用レーザーは光学プラットフォーム上に構築されています)。

超短パルス レーザーのパルス エネルギーはナノ秒レーザーのパルス エネルギーよりもはるかに小さいですが、これらのレーザーのアブレーション閾値が低い (加工効率が高い) ため、パルス エネルギーの減少が相殺され、歩留まりが高くなります。 さらに、超短パルスレーザーはパルス繰り返し率が高く、迅速な複数の処理をサポートするため、基板（通常はセラミック）上のより薄い層を選択的に処理するのに最適です。

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