【応用】レーザートリミング

レーザーは、微小な領域へエネルギーを集めることができ、除去量も精密に制御できるというメリットがあります。このように、微小な量だけ材料を除去する応用例の一つとしてレーザートリミングがあります。

ここでいうトリミングとは、抵抗やコンデンサなどの電子部品を少しだけ削り、その性能を調整することです。このような電子部品は最終製品の小型化・高性能化によって、どんどん小さく精度が高くなってきています。そのため、品質のばらつきが無視できなくなってきました。そこで、例えば抵抗であれば、抵抗そのものを少しだけ削り抵抗値を調整する作業が行われるようになりました。これにより、精度向上、歩留まり向上、製造工程での自動化、データ化ができるというメリットがあります。このような作業は、ファンクショントリミングと呼ばれ、そのための装置はファンクショントリマと呼ばれています。

ファンクショントリマは、レーザー、ガルバノミラーを含む光学系の他に、サンプルを移動させるステージや観察・アライメント系、性能を測る測定系などから構成されています。対象サンプルは、電子部品として個別になったものもあれば、ウエハを直接扱えるものもあります。装置形状は、多くを手動で行う卓上タイプからウエハを連続的に自動加工できる大型の装置まであります。

使用されるレーザーは、サンプルによって様々です。ナノ秒レーザーが使われる場合もあれば、より高精度の非熱加工を求め超短パルスレーザーが使用される場合もあるようです。波長もIRからGreen、UVまで幅広く使われているようです。レーザー出力も数Wの小出力タイプから、数十Wの高出力タイプまで用途に合わせて選択します。多くのメーカーでは、お客様の用途に合わせたカスタマイズを行っており、サンプルに最適な装置構成となっています。

かつては、微小粉体を高速・高圧で噴射して材料を除去するサンドブラストによるトリミングも行われていたようです。マイクロクラックが発生せず高速に低コストで導入できるというメリットがあったものの、微小量の制御が困難であり、削りすぎ(オーバーシュート)も起き、表面が荒れる(電子部品のノイズや安定性の原因)という課題がありました。

世界で最初にレーザートリミングを実用化したのは、米モトローラと言われています。1971年にネオジウムYAGとCOレーザーを組み合わせたレーザートリミングの開発に着手し、翌72年に米テレダインが最初の装置を市場に投入したようです。

このような、レーザーを用いたファンクショントリミンマを製造・販売しているメーカーは、国内外を問わず多く存在しているようです。また、その需要の増加、多様化によって、レーザトリマを専門に行う受託加工業者もあるようです。

今後も電子部品の小型化・高機能化、低コスト化が進むと考えられ、レーザートリマの重要性はさらに高まりそうです。

【応用】光ファイバ融着加工

光ファイバ同士を接続したり、先端を球状にしたり、コアを広げたりと様々な加工がなされる場合があります。

多くの場合には、熱を加えることで光ファイバ先端を変化させることで実現しています。この熱源としてCO2レーザーが使用されることが多いです。理由としては、比較的簡単に微小領域へ熱を集中できること、CO2レーザーの波長が樹脂に吸収されやすく効率が良いこと、技術的に成熟しておりコストが安いことなどがあげられます。

光ファイバ用の加工機として販売されているものもあります。このような装置は、レーザー加工部に加えて、アライメント・観察機能や制御用ソフトウエアが組み込まれており、確実に容易に作業できるようになっています。また、レーザーを使用するため、その安全性を保つため、装置全体としてレーザー安全企画クラス1に適合しているものがほとんどです。

操作性、加工安定性を考慮して、デスクトップ型の加工機が多くみられます。加工も、自動で完結できる機種もあれば、細かな設定を手動で変更できる機種もあるようです。

光ファイバは、高速情報通信の重要なインフラとして整備されてきています。伝送容量を拡大させるために、時分割・波長分割多重伝送や、空間分割多重伝送(マルチファイバ)などの技術開発が進められてきました。特に、マルチファイバは容易に伝送容量を増やせるため、ファイバの心数は今後もさらに増えると予想されます。

ファイバの溶着は、ここにあげたCO2レーザーの他にアーク放電溶着でも行われてきました。しかし、アーク放電では距離に応じて溶着性能が異なってしまい、特にマルチファイバの加工での利用に適さないようです。今後は、さらにCO2レーザーへの期待が高まりそうです。

【応用】レーザークラッディング

金属材料へ異なる材料を置き、その材料を溶融させて表面に付着させることで複合材料化することを言います。これは、レーザー肉盛とも呼ばれています。

その方法としては、ワイヤや粉末を供給してレーザーで溶かしながら溶着させていきます。ニッケル、クロム、チタン、マンガン、ステライト、アルミなど金属や金属合金が用いられます。加工中は、加工の促進、加工の安定化のためにガスの噴射も同時に行われることがあります。

付加する材料は基板にはあまり浸透させず、付加する材料と基板の材料の性質はそのまま利用します。異部材のクラッディングも可能ですので、母材に別の機能を付加することが可能です。粉末レーザークラッディングでは、サブmm程度以上の厚み制御が可能です。このように、微細な肉厚の制御ができることが強みとなっています。

レーザーヘッドと被加工物を相対的に上手く移動させることができれば、平面のみならず、円筒や任意の3次元形状へもクラッディングできます。

レーザーを用いるため、微細なスポットでの溶接が可能であるという特徴があります。また、熱影響を小さくできることも利点です。さらに、レーザーのパラメータ等を数値で管理できるため再現性が良く安定した加工ができます。

この技術は、2000年代前半にドイツで始まったといわれています。レーザー先進国のドイツらしい技術です。

【応用】ガラス内部マーキング

適切なレーザーを用いると、ガラスなど透明材料の表面にはダメージを与えずに内部だけにマーキング、描画を行うことができます。まるで、ガラスの中に絵などが浮いたように見えます。

YAGレーザーの基本波は、ガラスなどに対して透明で、通常は透過します。しかし、内部に焦点を当ててピーク強度の高い短パルスにて加工すると、焦点位置で微小クラックが発生します。この微小クラックは局所的な屈折率変化があるため人の目には白く見えます。

特殊な光学系を用いると、焦点スポット径はマイクロメートルオーダーとなります。このレーザースポットで加工されるサイズも同様にマイクロメートルオーダー以下となります。したがって、非常に微小なドットをガラスなど透明材料に形成できるわけです。

このスポットを少しずつずらしながら移動させていくと、線を描くことができます。この原理を使うと一つの平面内でマーキングができます。これを平面スライスデータとして上下3次元的に描画することで、ガラス内部に立体的な描画を実現できます。

ドット1つを形成する時間は、使用する加工機によりますが、1/1000秒よりずっと短い時間も可能です。

用途としては、装飾品としての利用が多いようです。これは視認性をよくするため、また、安価にするためドット径は比較的大きいです。一方で、ドットをより小さくすることで工業用途に使用する動きもあります。例えば、ドットの有無をデータの1/0と見立てることで、デジタルデータとみなすこともできます。ガラス内のドットの集まりを3次元的なメモリーが実現できるわけです。

レーザーによる透明材料への内部マーキングは、他の加工方法ではできない特殊な加工事例です。

【基本】レーザー割断

レーザーにて材料を切断する場合には、アブレーションや溶融などの現象を利用して材料を除去しながら加工を進める方法があります。一方で、材料に着目すると、ガラスのように熱伝導性が悪くもろい脆性材料の場合には、大きな温度勾配があると割れてしまいます。この特性を積極的に利用する切断方法に「割断」があります。

レーザー割断のメカニズムは、加工対象物の中にある温度勾配により応力ひずみが起こり亀裂が発生します、それを連続的に進めることで材料を割ることができます。ポイントとなるのは、どういう方法でどの位置へレーザーを照射して温度を高めるか、それをどのように走査して亀裂を進展させるかです。様々なパラメータを適切に設定する必要があるため、条件出しには困難が伴います。加工速度や方向を正しく制御するために、積極的な冷却を行うこともあります。

レーザー割断の最大のメリットは、加工速度です。条件にもよりますが、300mm/s以上の非常に速い速度で加工した例もあります。また、材料を割りますので、切断面は一般的にきれいです。条件の最適化により、切断面を鏡面のようにすることも可能です。さらに、使用されるガラスなどの材料が薄くなる傾向にあります。薄いガラスはガラスカッターなど機械的な加工では扱いにくい問題があります。このため、レーザー割断がさらに注目されているようです。

【応用】ラピッドプロトタイピング

製品開発の段階では、時間とコストの節約のため、実際と同じ部品を迅速に試作品を作る必要があります。このような場合、3次元データから一方向へスライスした2次元スライスデータを作成し、薄いスライス構造を作り、それを積み上げて所定の構造とする手法がラピッドプロトタイピングです。3次元的に印刷しているとみなして、3Dプリンティングとも呼ばれます。この方式は、材料を除去する加工ではなく、材料を付加する加工ですので、アディティブマニュファクチャリングに分類されます。

ラピッドプロトタイピングの手法はいくつかありますが、レーザーを応用したものもあります。

一つ目は、光硬化方式です。液体の光硬化性樹脂を浴槽にためておき、紫外線レーザーにて1層ずつ部品を形成していきます。光造形とも呼ばれています。レーザーのスポットの高さを変更することで層の違いを作り出し、立体的な3次元構造を作り出します。この方式では、樹脂の特性やレーザースポット径にもよりますが、サブミクロンオーダーの非常に高い分解能をもった加工ができます。また、樹脂の相変化はレーザーが照射されると瞬時に起こるため、加工速度が速いという特長もあります。

二つ目は、粉末溶融方式です。非常に細かいパウダー状の金属粒子を敷き詰め、レーザーにてスライス形状に沿って溶融していきます。一層が完成すると、その上にさらに金属粒子層を形成し、さらにレーザーにてスライス形状をつくります。この操作を繰り返すことで三次元的な構造体を作ることができます。加工分解能は、レーザースポット径や金属粒子径によりますが、10μm以下の構造体も作成できます。材料として工業的に多用される金属を利用できることと、比較的大型の部品も加工できるため、多くのメーカーが参入し、産業利用もすでに始まっています。

三つ目は、薄板積層方式です。上記の2つとはことなり、薄い板を2次元スライスデータの外周に沿って切断し、その薄い板を積層・接着させることで実現される方式です。材料としては、木や紙が多いようです。手軽に利用できる方式ですが、精度が高くなく、積層・接着の手間がかかるため、工業的な利用は少ないのではないでしょうか?

ラピッドプロトタイピングは、3次元データから、手軽に試作品を作ることができまるオンデマンド加工が最大の長所です。また、光硬化方式や粉末溶融方式では、除去加工では不可能ないくつもの部品が複雑に入り組んだ構造も実現でき、加工後の部品の組み立ても不要な設計にすることができます。
一方で、オーバーハング形状が不得手であったり、加工速度が遅いという課題もあります。

このように、レーザーは除去加工のみではなく、付加加工にも活躍しています。

【応用】エリプソメータ

光を利用した顕微鏡には、位相差顕微鏡、微分干渉顕微鏡、ラマン顕微鏡、共焦点顕微鏡、蛍光顕微鏡などがあります。これらは、照明光を落射や透過させて用います。

斜めに照明光を照射する顕微鏡にエリプソメータがあります。これは、被測定物の膜の厚さや光学特性(屈折率等)を測定するものです。膜への光の反射と透過光を検出して測定しますので、被測定物は十分に薄く(サブミクロン)面粗さが良い必要があります。また、最下層の基板は一般には光を通さない方が好ましいです。したがって、測定できる膜厚もサブミクロンレベルとなります。

エリプソメータの構造は、レーザー光が偏光子、補償子を通り被測定物へ入射します。その反射光は検光子を通り検出器で検出されます。レーザーの入射角は一般にブリュースター角に設定されます。

原理は、被測定物に斜めにレーザー(直線偏光)を照射し、その反射光を検出器にて検出することで物性値を求めます。反射光は、被測定物により円偏光、楕円偏光や直線偏光となります。媒質1から媒質3へ反射光のp偏光成分rとs偏光成分の振幅反射率rを用いると、次の関係が成り立ちます。
$$ r_p =  \frac{N_3 \cos{ \theta_1} – N_1 \cos{ \theta_3} }{N_3 \cos{ \theta_1} + N_1 \cos{ \theta_3}} $$
$$ r_s =  \frac{N_1 \cos{ \theta_1} – N_3 \cos{ \theta_3} }{N_1 \cos{ \theta_1} + N_3 \cos{ \theta_3}} $$
$$ \tan{\psi} e^{i \Delta} = \frac{r_p}{r_s} $$
ここで、\(\psi, \Delta\)は、エリプソメータパラメータと呼ばれ、このパラメータを求めることで、被想定物の膜厚や光学特性を算出します。Nは複素屈折率であり、N=n-ik(n:屈折率、k:消衰係数)です。

検出器で検出される光強度Iは、補償子の回転角Θcによって、次のように変化します。
$$ I = I_0 (a_0 + a_2 \cos{2 \theta_c} + b_2 \sin{ 2 \theta_c} + a_4 \cos{4 \theta_c } + b_4 \sin{4 \theta_c} ) $$

検出器で検出されるこの光強度信号から、フーリエ級数ai, bi (i=2, 4)を求め、次の式からエリプソメータパラメータを算出します。
$$ \Delta = \tan^{-1} \frac{\sin^2{ \frac {\delta}{2} \sqrt {a^2_2 + b^2_2}}}{\sin{ \delta (-a^2_4 \sin {2P} + b^2_4 \cos{2P}) }} $$
$$ \psi = \frac{1}{2} \tan^{-1} \frac{\sqrt{\sin^2 { \delta (-a_4 \sin{2P} + b_4 \cos{2P})^2 + \sin^4 {\frac{\delta}{2} (a^2_2 + b^2_2)}}}}{\sin {2A} \sin{\delta \{ \sin^2{\frac{\delta}{2} \cos{2A} – (a_4 \cos{2P} + b_4 \sin{2P})} \}}} $$
ただし、$$ 0 \circ \leq \Delta \leq 360 \circ $$
$$ 0 \circ \leq \psi \leq 90 \circ $$ です。ここで、P,A,\(\delta\)はそれぞれ偏光子と検光子の角度および補償子のリタデーションです。

信号は波長依存性がありますから、レーザーの波長を変えながらエリプソメータパラメータを取得し、コーシーモデルなどの複素屈折率の波長分散モデルへのフィッティング解析を行い、膜厚と複素屈折率を求めます。

【応用】レーザーマーキング

レーザーによって、様々な材料へのマーキングが行われています。レーザーマーキングは非常に多く使われているレーザーの応用の一つです。このマーキングとは、材料に幾何学的な印をつけることのみを指すのではなく、文字や模様、意匠性の高い印も含まれます。

一般にマーキングは、レーザーマーカーと呼ばれる装置で加工がおこなわれますが、原理的には我々が使用している加工機と同じです。レーザーを集光させ、材料に変質・改質を与え、他の部分とは異なる状態とすることで、人の目などに印として認識されるわけです。

普及しているレーザーマーカーは、COレーザーやYAGレーザー、半導体レーザーが使われることが多いです。長年の技術の蓄積があり安定して動作することとメンテナンスや価格など経済的なメリットが大きいためです。

マーキングをするためには、レーザースポットを加工物に対して相対的に移動させる必要があります。この方法の一つとしては、レーザー光路の途中に2枚の鏡を置き、その鏡の角度を変更することでスポット位置を変える方法があります。この2枚の鏡とその制御機構を含めた部分をユニット化してガルバノスキャナーとして実用化されています。
また、集光レンズを加工物に対して2次元的に移動させる、いわば、プロッターのような方法もあります。構造が簡易であり、走査範囲も比較的広くとることができますので、安価なレーザーマーカーが多く採用しているようです。

レーザーマーカーへ、どのようなマーキングをするのかデータを入力する必要があります。データの形式は、各レーザーマーカーの仕様によりますが、テキストデータや、ラスターデータ、ベクトルデータなど描画データ、もしくは独自のデータ形式があります。レーザーマーカーには、各データを編集できるソフトウエアが付属している場合が多いです。

加工対象物も多岐にわたります。基本的にレーザーで変色・変質できる物質には広く応用できます。木材へのマーキングや、飲料ボトルパッケージへのバーコード印刷、金属への製造番号マーキング、玩具やお菓子までマーキングしています。

多くのマーキングは材料表面へのマーキングですが、レーザー波長に対して透明な材料へは材料内部へ直接マーキングすることも可能です。例えば、ガラス内部を変質させることで光の透過性を変更させることも可能です。これにより、透明なガラスの内部に文字や絵が浮かんで見えます。このような内部マーキングはゴミ等を嫌う工業用途でも積極的に利用されています。

レーザーでは、微細に正確に高速にマーキングできますから、今後も利用範囲は広まっていくものと思われます。

【応用】マイケルソン干渉計

レーザーを用いた応用の一つにマイケルソン干渉計があります。これは、かつて光の媒質として考えられていたエーテルを検出するために,マイケルソンが発明したものです。

原理は、図の通り、レーザー源からの光がビームスプリッタBSで2つの光路に分けられ、それぞれミラーM1とミラーM2に向かいます。光は、ミラーで反射し2つの光がBSで合わさりスクリーンもしくはフォトディテクタで検出されます。

BSで分けられた2つの光の光路の差により干渉縞が発生し、それがスクリーンで検出されます。例えば、ミラーM2がΔxだけ変位すると、干渉縞の数mと光の波長λの間に次のような関係が成り立ちます。

$$ 2 \Delta x = m \lambda $$

光の波長λが一定であるとするなら、干渉縞の数mを数えることでミラーM2の変位Δxを求めることができます。

多くの場合、光源としてHe-Neレーザー(波長632.8 nm)が用いられます。また、ミラーの変位に応じて発生する縞の変化は、内挿することでさらに細かい変位を求めることができます。干渉縞はフォトディテクタで検出され増幅後にAD変換されコンピュータなどの取り込まれ処理されます。AD変換の精度にもよりますが、16bitでAD変換すると、Δxは、

$$ 632.8 / 2^{16} / 2 = 0.005 nm $$

の分解能で検出できることになります。実際の精度は、装置のS/N比や光源の安定性のため、これほど高めることは難しいですが、それでもサブnmの精度で変位を測定できることになります。

マイケルソン干渉計は、すでに産業用途として実用化されており、微小な変位を高精度に測定する必要があるとき等に用いられています。2つのビームにより得られる2つの変位の差分から角度の検出にも用いられています。

また、光路差は屈折率の変化でも発生します。この現象を利用して屈折率を測定するためにマイケルソン干渉計の原理が使われることもあります。

【応用】レーザー冷却

レーザーは物質にエネルギーを与え、温度を上昇させるものですが、なんと冷却もできます。レーザー冷却という技術です。

具体的には、レーザー光を利用して原子の運動エネルギーを減少させる、つまり原子の速度が遅くなりますので、原子の温度が下がるということです。ただし、代表的な冷却冷媒である液体ヘリウムと異なり、気体のまま絶対零度近くまで冷やすことができます。実際は、10nKまで到達しているそうです。これは、原子などが完全に静止する絶対零度(-273.15℃)にかなり近い温度です。

原子や分子は光を吸収すると、エネルギー\(E = h \nu\)を受け取ります。この時、力(光圧)を進行方向に受けることになります。これにより原子や分子の速度が減速されるわけです。

実際には、気体原子を、その原子の吸収波長の中心から少し長い波長の光を当てます。レーザー光の吸収は、レーザーの光子と衝突して光のエネルギーが原子に移ることです。つまり、少し波長の長いレーザー光を原子にぶつけると、原子との正面衝突を繰り返し原子の速度が遅くなります。これがレーザー冷却の原理です。

この技術の応用例の一つに原子やイオンの観察があります。原子やイオンが長時間停止しているので、その内部構造を超精密に観測できるようになりました。

また、原子時計にもこの技術が使われ、精度が現在より2桁以上向上すると期待されています。

さらなる応用としては、量子性の研究(ボーズ・アインシュタイン凝縮や量子コンピュータ)が進められています。

この技術は、パワーが強く安定して連続発振できるレーザーの出現によってはじめて実用化されました。今後もレーザーの幅広い応用に期待があつまります。