レーザビームシェイピングとレーザビーム評価

March, 19, 2021, 東京--2021年2月24日､レーザ協会第189回研究会「レーザビームシェイピングとレーザビーム評価」がオンライン開催で行われた｡内容は､4セッションで構成されている｡3番目のセッションを除いては､各社の扱う製品とアプリケーション及び最近のトレンドとなっている｡細部は各社が紹介するメーカーのWebサイトが参考になる｡

1.「世界初の透過型アダプティブオプティクスと最新のビームシェイピング事情」オーテックス（株）　渡邉篤氏
2.「独自開発した回折光学素子（DOE）を用いたビームシェイピングのご紹介」（株）スペースフォトン　川島勇人氏
3.「屈折型ビームシェイパ」千葉工業大　徳永剛氏
4.「非接触ビームプロファイラによる高出力レーザのフォーカススポットおよびフォーカスシフト測定」Ophir Optronics Solutions Ltd. MKS Instruments, Inc.　マイケル モズジェチコフ氏
　以下では､3を除く各セッションの概要を簡単に紹介する。

1.「世界初の透過型アダプティブオプティクスと最新のビームシェイピング事情」　
　オーテックスの渡邉氏は､最初に｢ビームシェイパーが求められる背景｣を説明した｡続いて､同社が扱う米ダイナミックオプティクス社（Dynamic Optics）､仏Cailabs社､英グーチ・アンド・ハウスゴー社（Gooch&Housego）､その他の関連製品を紹介した｡
　同氏は､｢ビームシェイパーが求められる背景｣については､プロフィテット社から援用して説明している｡
　ビームシェイパーとは何か｡同社は､｢ビームシェイパーはガウシアンビームをトップハットビームやドーナッツビーム、リングビームなど、切断、溶接、AM（Additive Manufacturing）、ブレージング、穴あけ、スクライビングなどさまざまなレーザ加工に有効なビームプロファイルに成形するための光学部品｣と解説している｡つまり､最近の精密加工状況が｢ビームシェイパー｣を必要としているという見方である｡
　オーテックスが最初に紹介したのは､ダイナミックオプティクス社の製品デフォーマブルミラー､アダプティブレンズ､波面センサ｡｢マルチアクチュエータアダプティブレンズ｣（MAAL）は世界的に初めてのものである｡アプリケーションは､顕微鏡､レーザシェーピング､望遠鏡など｡ダイナミックオプティクス社の説明によると､MAALは､多くのアプリケーションでデフォーマブルミラーを置き換えるアダプティブレンズであり､これによりコンパクトなアダプティブ光学系の設計が可能になる｡
　アクチュエータはリング形状､境界が異なる2つの同心リングに設置されており､チャンバーは液体で満たされている｡
　これらの製品に関連したアプリケーションと実績が多数紹介された｡
　次に､Cailabs社製品（図1）､ビームシェイパー､アキシコンミラー､CWハイパワーレーザ用ビームシェイパーが紹介された｡同社が対象とするアプリケーションは､テレコム､LAN､防衛､宇宙､レーザ加工､航空宇宙と多岐にわたるが､セッションではレーザ加工にフォーカスしている｡

　グーチ・アンド・ハウスゴー社関連では､超音波光変調器の原理を紹介た後､CO2レーザ用AOM利用の加工例を説明｡
　AOMは､同社の説明によると､光強度を制御し70MHzまでのスピードで変調するデバイス｡音響波を利用して結晶内に回折格子を形成する｡加えるRF信号を変えることで､信号に比例して回折光の量を変える｡
　アプリケーションは､マーキング､材料加工､マイクロマシニング､ライダ､レーザ線幅計測など多様である｡
　CO2レーザ用AOMを用いることで､熱影響の少ないCO2レーザ加工が可能になる､と紹介された｡

2.「独自開発した回折光学素子（DOE）を用いたビームシェイピングのご紹介」
　スペースフォトンは､回折光学素子（DOE）の設計開発､DOEを用いたレーザシステム開発及びレーザ微細加工テスト（DOE搭載レーザ加工用光学ユニット）を行う茨城県つくば市の新興企業である｡
　レンズは、従来の球面レンズの他に､­回折レンズ､メタサーフェスを利用した最新技術､メタレンズがあるが､スペースフォトンのフォーカスは､回折光学素子｡つまり､光の波の性質（回折、干渉）を利用して集光点､焦点距離を規定する｡DOEでは､素子の凹凸の組合せにより集光パターンを自在に形成することができる｡
　同社のDOEの特徴は､｢1本のレーザビームから任意形状を集光可能｣､つまりビーム分岐ではなく結像（集光）作用があること｡同社独自の設計により､光強度を均一に照射､光強度に強弱を付与､3次元的集光制御（超焦点深度設計など､既存光学系との連携により拡大･縮小パターン投影､広角投影が可能になる｡
　新しい設計技術として紹介されたのは｢最適位相パターン生成アルゴリズムを適用したコンピューテーショナルホログラムの生成｣｡これはフォトリソグラフィ技術（半導体製造技術）を適用したもので､電子ビーム描画装置､ドライエッチング装置などで作製する｡
　DOEの主要アプリケーションとしては､加工技術､計測技術､表示技術が紹介された（図2）｡

　加工応用の一端を見ると､レーザ加工では集光レンズを利用する従来加工法（逐次加工）とDOEを利用した一括加工では､加工時間に大きな差が出る｡
　紹介されたのは、材料の穴開け加工､直線形状DOE利用シリコン表面加工､点列DOEマルチディンプル微細加工､金属薄膜直線スクライブ加工､SUS薄板レーザ溝加工など｡
　その他､セミナーでは､計測､表示などさまざまなアプリケーション例が紹介された｡

4.「非接触ビームプロファイラによる高出力レーザのフォーカススポットおよびフォーカスシフト測定」
　米MKSインスルメンツ社傘下のオフィールオプトロニクス社は､高出力レーザビームの新しい測定技術を中心に紹介を行った｡
　高出力レーサービームサンプリングシステムでは､LBS-300HP-NIRについて説明｡｢ビームサンプリングと減衰システムの最大出力5000W長まで増加｣｢5kWあたり15MW/cm2超の最大出力密度に対応｣を強調した（図3）｡

　LBS-300HPレーザビームプロファイリングアッテネータのアプリケーションは､レーザ切断アライメント､レーザAM､SLM､DMLM､パワー計測､他のハイパワーレーザビーム分析アプリケーション､LPBM､3Dプリンティング｡
　LBS-300HP-NIRは､ハイパワーレーザ向けビームスプリッター､特許申請中の技術である｡5kW～15MW/cm2までのNIR（～1064nm）集光､コリメートレーザビームに対応｡入射ビームの99.999％を透過し､0.0001％をカメラに入射する｡
　さらに､新しい測定原理としてレイリー散乱原理を利用した計測が紹介された｡
ソリューションは､非接触ビームプロファイリング｡非接触であるので､無制限のパワー､メンテナンスフリーなどが特徴になる｡また､｢リアルタイム焦点スポット及び焦点シフト測定（業界初）｣｢数分内にセットアップ､数秒で測定｣も特徴である｡
　アプリケーション例としては､｢溶接、焦点シフトのトラブルシューティング｣｢積層造形､SLMの表面品質と気孔率問題への対処｣が紹介された（図4）。