【応用】レーザー表面硬化

材料(特に金属)の表面特性を変化させるために局所的な加熱を行うことがあります。その熱源としてレーザーを用いたものが、レーザー表面硬化法(Laser Transformation Hardening)です。

レーザーを材料表面に照射して融点以下まで加熱し、その後、冷却することで材料特性を変化させます。金属の熱による硬化は様々な方法がありますが、レーザーを用いる特徴としては、選択的に一部分のみの加工ができることや、加熱に対して自己冷却が進むため冷却が早いことが挙げられます。

実用的な数mm深さの表面硬化を行うには、出力kW級のレーザーが用いられます。従来は、CO2レーザーがメインでしたが発振波長が10.6μmであり金属への吸収率があまり良くないため、加工効率は良くありませんでした。場合により材料表面に吸収促進剤を塗布するなどの工夫を行っていました。一方、YAGレーザーが実用に近づいてくると光源の置き換えが検討されました。YAGレーザーの波長1.06μmは金属の吸収率が高く表面硬化に適していると考えられました。しかし、半導体レーザーの高出力化が進むと、扱いやすさやコストパフォーマンスの点で利用が進む可能性があります。

レーザー表面硬化は1970年代ごろには、すでに開発が進められていた技術のようです。1990年ごろには、歯車、ピストンリング溝、モーター軸、シリンダライナ、タービンブレードなど多くの工業製品に応用されるようになりました。

2000年に入ると、実用的なkW級の高出力半導体レーザーが入手できるようになりました。半導体レーザーは金属への吸収が良く、ランニングコストが安価でメンテナンスフリー、ファイバーによりレーザーのハンドリングが容易という特徴があり、レーザー表面硬化に有利なため、プロセスの研究開発がさらに進むことになりました。近年は、レーザー光源のさらなる発達により、また、市場のニーズにより利用範囲が広くなっているようです。

R. C. Reedらは、kW級のCWレーザーを用いてビーム形状によって硬化にどのような影響があるかを3種類の金属材料に対して調べています。

レーザー表面硬化は、局所的な表面処理が可能で、自己冷却で効率という点で、レーザーのメリットを活かした加工方法であるといえそうです。

【応用】光ピンセット

光ピンセットは、光の力学的な作用を利用して、物体をマニピュレーションする方法ないし、装置です。操作する対象は主に液体内にある光に対して(ほぼ)透過なマイクロメートルオーダーの物体です。稀に空気中で微小物体を操作する研究も見受けられます。

光ピンセットは、被操作物体に集光光を当て、その力学的な作用である放射圧(光圧)によって、操作する技術です。

この放射圧は、17世紀にニュートンによって予測され、19世紀にマクスウエルによって定式化され、レーザーが実用化されてきたことにより、この微小な力の研究と応用が進められてきました。

主となる応用分野は、生物学です。微生物や細胞の操作などに広く使われるようになってきているようです。

光によって発生する力「光圧」は、電磁波中の誘電体に生じる双極子によって起こる電磁界の歪から計算することができます。電磁界のもつ単位体積当たりの運動量Pは、ポインティングベクトルS,物質中の光の速さvを用いて、次式であらわされます。

$$ P = \frac{S}{ v^2 }$$

力学的な力Fは、運動量の変化によって生じますので、次式で求められることになります。

$$ F = \frac{\Delta P}{ \Delta t} $$

これらより、光の入射強度をIとすると、力は次の式で表されます。

$$ F = \frac{QIn}{c} $$

ここで、nは粒子の屈折率、cは真空中の光の速さ、Qは運動量の変化の度合いに対応する無次元の定数(0~2)で効率をみなせます。

照射する光の波長が被操作対象に対して大きいか小さいかで力の発生原理が異なります。対象が波長より大きい場合はMie散乱領域として扱われ、小さい場合はRayleigh散乱領域として扱われます。

被操作対象が、光が照射されると反射・透過を何度も繰り返します。そのそれぞれの光線が力を発生させます。下図のように、光強度Iの光線が被操作対象に角度Θで入射したときの散乱力と勾配力を考えます。被操作対象が光の波長より大きいとして幾何光学的に散乱力Fsと勾配力Fgを求めると次式であらわされます。

$$ F_\xi = F_s = \frac{n_1 I}{c}\left[ 1 + R \cos 2 \theta – \frac{T^2 \{ \cos (2 \theta – 2 r) + R \cos 2 \theta \}}{1 + R^2 + 2 R \cos 2 r} \right]$$
$$ F_\eta = F_g = \frac{n_1 I}{c}\left[ R \sin 2 \theta – \frac{T^2 { \sin (2 \theta – 2 r) + R \sin 2 \theta }}{1 + R^2 + 2 R \cos 2 r} \right]$$

ここで、被操作対象の屈折率がn1、反射係数がR、透過率がTです。

全光線についての力を足し合わせることで被操作対象に働く力を求めることができます。この式をグラフ化するとわかるのですが、入射光線の進行方向と反対方向への力を発生することもできます。

光ピンセットの例としては、1064nmのNd:YAGレーザー145mWを対物レンズ(×100、NA=1.3)で集光させエチレングリコール内の直径1μmのポリスチレン微粒子をトラップした例などがあります。

Arthur Ashkinは、この研究成果により、2018年にノーベル物理学賞を受賞しています。

【応用】リップル

レーザーで材料(特に金属)を加工するときに、微細なさざ波形状の模様(リップル: ripple)ができることがあります。周期としては、使用したレーザーの波長程度で、深さはレーザーの強度によりますがサブミクロン程度のほぼ規則的な凹凸で、いわゆるグレーティングに近いものです。この現象は、直線偏光のレーザーを使用したときに観察され、その偏光方向やレーザー走査方向によって形成される構造が変化します。

これは、レーザーによって被照射材料の表面粗さによって励起された表面電磁波と入射レーザーとの干渉によるものと考えられています。

グレーティングの空間周期\(\delta_s\)は、励起された表面電磁波の波数をks、入射レーザーの波数をk0として、レーザー入射角度をΘとすると、以下のように表されます。

$$ \delta_s = \frac{2 \pi}{k_s \pm k_0 \sin \theta} $$

レーザーを適切に制御することで、このようなリップルを形成でき、写真のように虹色に光る模様を作ることもできます。

より実用的には、この技術を使って量子ドットを作る研究もなされています。こちらは、より高精度に加工するために2ビーム干渉により材料表面をエッチングしています。

【応用】サビ落とし

レーザーアブレーションの応用としてサビ落としがあります。アブレーションの閾値の差を利用して、材料表面についたサビのみを除去する技術です。パラメータを最適に設定することで、下地には全く損傷を与えることなくレーザーによりクリーニングすることができます。

パルス幅9ns、フルエンス0.3~0.4J/cm2、もしくは、パルス幅200ns、フルエンス1~4.4J/cm2のNd:YAGレーザーを照射することで厚さ4μmの赤サビをきれいに除去できているようです。除去後の表面粗さは0.89μmだったとのことです*。

市販化されている装置は、ヘッドを手に持ち、レーザーを対象物に照射するタイプが多いようです。ヘッドにはガルバノスキャナが内蔵されているものもあり、より高効率なサビ除去ができることが期待できます。レーザー出力は、100W程度以上のパルス発振のファイバーレーザーが使い勝手も良く多用されているようです。

ファイバーレーザーを使うことができれば、ロボット等によるレーザーのハンドリングが可能になるため、様々な表面形状に対して柔軟にサビとりを行うことができます。さらに、CAD/CAMと連携できれば自動で作業を実施できる可能性もあります。

また、アブレーション閾値の差を利用するため、サビだけではなく、成形型に付着した樹脂や金属についたセメント、金属に付着した油脂等の除去にもレーザークリーニングが使われます。

レーザーによるクリーニングは、従来はサンドペーパーや薬品に頼っていた作業を手軽に安全に環境にやさしい作業へと変えてくれました。今後も利用領域は拡大していくものと思われます。

*出典:レーザー応用工学、コロナ社、小原他

【応用】美術品の修復

絵画や彫刻品の修復にもレーザーが活躍しています。汚れた空気や経年劣化から美術品の表面がくすむ等の劣化が見られる場合があります。レーザーアブレーションの技術を使い、表面をほんの僅かだけ削り、元の表面を露出させ修復します。


PhotonicsMediaの記事にあるように、フィレンツェの研究所にて絵画を修復しています。様々なテストを行い、レーザーアブレーションで問題となる加工後の黄味がかった色を加工パラメータの最適化で克服しています。
ギリシャのFotakis教授のグループはKrFエキシマレーザーを用いて17世紀のイコンを修復したとしています。修復前後で見比べると、レーザーを用いた修復の効果がはっきり分かります。


また、近年の超短パルスレーザーの発展により、より高品質な修復ができる可能性も出てきました。”The potential of UV femtosecond laser ablation for varnish removal in the restoration of painted works of art”の記事にあるように、Paraskevi Pouli氏らのチームは、パルス幅500fsのTiサファイアレーザーを用いてナノ秒レーザーより高いエッチング分解能を実現しています。

イタリアのQuanta System社は、美術品のレーザー修復専用装置を販売しています。

このように、アートの世界でもレーザーが活躍しています。

【応用】重力の絶対測定

重力は、重さの源であり重力があるから重さを認識でき、地球上の物体は重力の存在を前提に構成されています。この重力を精密に測定するためにもレーザーが応用されています。

以前は、重力振り子によって重力の絶対測定が行われていました。振り子の周期Tが重力加速度gの平方根に反比例しますので、周期を測定することで間接的に重力値を求めていました。振り子の長さをlとすると、周期Tは、次のようにあらわされます。

$$ T = 2 \pi \sqrt{ \frac{l}{g} } $$

しかし、振り子の長さを正確に求める必要があるため、厳密には直接的な絶対測定とは言えず、相対測定として使用されてきました。

現在の、絶対重力は自由落下法を用いています。真空中で空気の摩擦を除いて物体を落下させると、落下速度vは、落下時間tを用いて次のようにあらわされます。

$$ v = v_0 + gt $$

ここで、v0は初速度です。この式を、tで一度積分すると、落下距離sと落下時間tの関係が求められます。

$$ s = s_0 + v_0 t + \frac{1}{2} g t^2 $$

s0は初期位置です。この関係を見ると、長さsと時間tは基準として定義されており、正確に求めることができます。したがって、重力の絶対測定ができるわけです。

具体的には、次図にしめす原理で距離を測定します。原理的にはマイケルソンレーザー干渉計で、落下する物体の位置を測定します。ポイントは、反射鏡にコーナーキューブプリズムを利用していることです。コーナーキューブプリズムは、入ってきた光を全く同じ方向へ返すという特徴があります。これにより、反射鏡(コーナーキューブプリズム)が傾いても光を平行のまま戻すことができます。参照用と検出用の両方の反射鏡をコーナーキューブプリズムとして、参照用コーナーキューブプリズムは固定、検出用コーナーキューブプリズムは落下させて、その距離を測定します。

光源のレーザーとして、ヘリウムネオンレーザー(波長633nm)を利用した場合、検出用コーナーキューブプリズムが約320nm落下するごとに検出器で検出される干渉縞の明暗が1回だけ変化します。この明暗をカウントすることで落下距離がわかります。さらに高分解能を達成するために、明暗の1周期を内挿する場合もあります。

時間は、ルビジウム原子時計を標準として測定されます。これら、標準値を用いた測定により重力の絶対測定が行われています。

この原理を利用した絶対重力計は市販されています。米国のMicro-g LaCosteから種々のタイプが販売されています。

レーザーは、その特異な特長から、非常に重要な測定にも活用されています。

【応用】重力波の検出

以前、レーザーを利用した検出器としてマイケルソン干渉計を紹介しました。

今回は、この干渉計の利用例として重力波の検出を紹介します。重力波とは、重力の影響が波動として伝搬するという現象で、アインシュタインの一般相対性理論によって予言されました。一般相対性理論では、重力の相互作用を時空間の曲がりとして表現します。すると、重力波は時空間のゆがみが伝搬する効果となって現れます。つまり、重力波があると時空間がわずかに変化することになります。この歪みを検出する装置が重力波検出器です。

この重力波を検出するために、かつては様々な実験が行われました。1960年代には、ウェーバーが大きな機械的な振動子を共鳴振動させ、先端に付けた振動センサの出力変化で検出しようと試みました(実験は成功と発表されましたが、再現できていないようです)。また、宇宙空間にある人工衛星の位置を精密に追跡して重力波による位置のずれから重力波そのものを求めるようとした例(ドップラートラッキング)もあります。さらに、天体からの信号パルサーが重力波で揺らぐとの予測から重力波を求める試みもあります。

様々な試みがなされてきましたが、現在、最も高感度で検出できる装置はマイケルソンレーザー干渉計を利用したレーザー干渉計型検出器と言われています。

基本的な原理は、マイケルソンレーザー干渉計ですが、レーザーを反射する2つの鏡が水平面内で光軸方向へ自由に動くことができるようになっています(自由質量型検出器)。重力波によって2つの光路長に差が生じると検出器によって変位として検出されます。

ある検出器の腕の長さ(レーザーを飛ばす長さ)をLとして、振幅hの重力波によって、検出器のターゲットの位置が\(\)\delta L[/]atex]だけ変化したとすると

$$ h \sim \frac{\delta L}{L} $$

という関係になります。地球上でこの検出器を設置した場合、実用的なレーザー長は3~4km程度です。重力波の振幅hは、10-21~10-22程度と考えられており、干渉計の鏡の変位は水素原子の大きさの10-8程度の変位を検出する必要があることになります。この微小変位を検出するために、様々な工夫がなされています。

一つの例は、レーザーを折り返し何度も鏡に反射させることで光路長を稼ぎ、感度向上させています。また、光による雑音の一種であるショット雑音を低減させるためになるべく大きな出力のレーザーを使います。鏡への外乱を遮断するために除振装置や真空装置を駆使して安定化させています。

このような重力波検出の研究は世界で行われています。米国のLIGO,イタリアとフランスのVIRGO、英国とドイツのGEO600、日本のTAMAなど、世界でその成果を競っています。

【応用】原子・分子のイオン化

レーザーの特徴を使うと、原子・分子をイオン化できます。イオン化された原子・分子は、持っている電荷を増幅しパルス電圧として検出することで、その個数をカウントする研究に利用されています。

原子・分子のイオン化は、それら自身がもつイオン化エネルギーより大きなエネルギーを与えられると実現します。例えば、レーザーの1光子あたりのエネルギーは短波長レーザーほど大きいですが、その一つ、ArFエキシマレーザーでは、1光子あたりのエネルギーは、6.0eV程度です。これに対して、われわれの身近なガスは12~16eVと大きいため、そのままではイオン化できません。

そのため、次の2つの方法があります。

一つ目は、原子が吸収しやすい波長のレーザーを照射し段階を追ってイオン化する方法です(共鳴イオン化法)。この方法では、イオン化したい原子の吸収波長にあわせてレーザー波長を選択する必要があります。このため、波長可変レーザーが使われます。代表的な波長可変レーザーは、色素レーザーやチタン・サファイヤレーザーがあります。

もう一つの方法は、格子密度が非常に高いとどんな原子でもイオン化することを利用して、複数の光子を連続的に照射する方法(非共鳴イオン化法)です。この方法は、エネルギーの大きなレーザーがあれば、どんな原子でもイオン化できるというメリットがあります。実際、イオン化エネルギーが最も高いヘリウム原子(イオン化エネルギー24eV以上)でもイオン化できています。

この方法のイオン化率Wは入射レーザーパワー(P)のべき乗に比例することが知られています。イオン化に必要な光子数をnとすると、

$$ W \propto P^n $$

となります。しかし、どこまでもイオン化率が拡大するわけではなく、ある時点で確率1となり飽和します(イオン化の飽和)。

実際の例としては、水素分子をイオン化した例があります。真空装置中に1×10-4Paで封入し、そこへ、YAGレーザー第2高調波、30psパルス,10mJの超短パルスレーザーを照射することで、2×103個の水素イオンを検出しています。

今回紹介したレーザーの応用例は、レーザーの高密度エネルギーが貢献した特徴的な例であるといえます。

【応用】年代別 科学者

光学を支えてきた多くの科学者がいます。年代順に表示してみます。

グラフはRで作成しました。そのコードは、下記のとおりです。

library(tidyverse)
library(ggplot2)

dat <-matrix( c(
  "ガリレオ", 1564, 1642,
  "ケプラー", 1571, 1630,
  "スネル", 1591, 1626,
  "フェルマー", 1607, 1665,
  "ホイヘンス", 1629, 1695,
  "レーフェンフック", 1632, 1723,
  "フック", 1635, 1703,
  "ニュートン", 1643, 1727,
  "ダランベール", 1717, 1783,
  "ラプラス",1749, 1827,
  "ヤング", 1773, 1829,
  "マリュス",1775, 1812,
  "リッター",1776, 1810,
  "ガウス", 1777, 1855,
  "フラウンホーファー", 1787, 1826,
  "フレネル",1788, 1827,
  "レンツ",1804, 1865,
  "フィゾー",1819, 1896,
  "ザイデル", 1821, 1896,
  "マクスウェル", 1831, 1879,
  "アッベ", 1840, 1905,
  "レントゲン", 1845, 1923,
  "リーギ", 1850, 1920,
  "フィッツジェラルド", 1851, 1901,
  "マイケルソン", 1852, 1931,
  "プランク", 1858, 1947
), ncol=3, byrow = TRUE)

chronological_dat <- dat %>% 
  as.data.frame() %>% 
  rename("name"=V1, "b_year"=V2, "d_year"=V3) %>% 
  mutate(b_year=as.numeric(b_year), d_year=as.numeric(d_year)) %>% 
  arrange(desc(b_year)) %>% 
  mutate(cap=paste(name, "(", b_year, "-", d_year, ")")) %>% 
  pivot_longer(!c(name, cap), names_to="fname", values_to="fyear") %>% 
  ggplot() +
  geom_line(aes(fyear, fct_inorder(name, fyear), group = name), color = 'black', size = 2) +
  geom_point(aes(fyear, fct_inorder(name, fyear)), size = 3) +
  theme(axis.title.x=element_blank(), axis.title.y=element_blank())

chronological_dat

【応用】レーザーVIAホール加工

電子部品が載ったプリント基板の層間を電気的に接続するための穴(スルーホール)は、基板の小型化とともに小さくなってきました。一方で、電流確保のためにその数を増やす必要がある場合があります。また、ランドとの確実な導通も必要とされるため、穴の品質も求められます。

このVIAホール加工にもレーザーが用いられてきました。1971年に米ウエスタン・エレクトリック社により最初にこの技術が紹介されたようです。1974年には、同社がCO2レーザーを用いた加工装置を実用化してVIAホール加工の量産を始めたようです。この後、固体レーザー、エキシマレーザーを用いたVIA加工も提唱され、電子産業の盛り上がりの波に乗り、レーザーの一大応用となりました。

レーザー光源としては、樹脂を加工するという観点からCOレーザーが多く用いられています。また、このレーザーは技術的にも成熟しており大出力の者でも安定的に稼働でき、導入・ランニングコストも安いというメリットがあります。一方で、より大出力・高安定性を求め、YAGレーザーやファイバーレーザーなどを利用する例もあります。また、波長が長いと近年の微細穴加工に対応することが厳しくなります。実際にビアホール径は、数百μmだったものが、最近では数十μmにまで小さくなってきています。この微細化に対応するため、より短い波長のレーザーを用いる動きもあるようです。

VIAホールを加工するレーザー加工機は、電子部品の需要増から、より早くより多くの加工が求められます。そのため、ビーム走査はガルバノスキャナーで高速に行われます。さらに、1台の装置に複数のレーザーを搭載し、複数のビームラインで一度に加工する技術もあります。最新の加工機によっては、1秒間に数万穴という非常に高速の穴加工ができる場合があります。また、レーザー・レーザー光学系の進歩のみならず、アライメント・検査のための画像認識技術や、基板搬送技術も日々進歩しています。

基板の種類の多様化が進んできました。最近の加工機では、BGA, FPC, CSP, HDIなど様々な基板に対応できるようになってきています。このように、任意の加工対象へ柔軟に対応できるのがオンデマンド加工ができるレーザーの強みです。