フェムト秒レーザー加工

しくみ

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   超短パルスをつくる。 発振器(レーザーのパルスをつくる中核)が、弱いパルスを一定の列で出します。各パルスは、数十から数百フェムト秒続きます(1フェムト秒は、10億分の1秒の100万分の1)。

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   増幅する。 増幅器が、各パルスを引き伸ばし、エネルギーを高めてから、再び短く圧縮します。このチャープパルス増幅という技術は、2018年のノーベル物理学賞を受賞しました。

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   狙って集光する。 スキャナー(高速で回る2枚のミラー)がビームを導きます。レンズが、幅数ミクロンの点に集光します(ミクロン、つまり µm は 1 ミリの千分の1)。

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   コールドアブレーション。 パルスは、原子が隣の原子に熱を伝えるより速く、エネルギーを放出します。薄い層が、蒸気とプラズマ(熱い荷電ガス)となってアブレーション、つまり吹き飛ばされ、溶けることはほとんどありません。

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   経路をスキャンする。 毎秒数十万回以上のパルスが、プログラムした経路を層ごとにたどり、切削、穴あけ、テクスチャー加工をします。透明なガラスの内部に集光すれば、表面に触れずに流路を書き込むこともできます。

主なポイント

材料

ほぼ何でも:鋼、チタン、ニチノール(形状記憶合金)、ガラス、サファイア、セラミックス、ポリマー、目の組織さえ

代表的な部品

心臓のステント、燃料インジェクターや回路基板の微細穴、スマートフォンのカバーガラスの切り抜き、テクスチャー加工した表面

部品サイズ

約 1 µm からミリメートルまでの形状。部品は通常小さいか薄い(管、板、箔)

精度

通常は数ミクロン。形状は約 1 µm まで

表面仕上げ

バリのないきれいな縁で、熱影響部(熱で性質が変わった材料の帯)がほとんどない

向いているロット数

試作から、高価な部品(ステント、スマートフォンのガラス、電池の箔)の大ロット生産まで

金型・設備コスト

金型は不要。レーザーのワークステーションは通常、数十万ドル

速度

毎秒数十万回のパルスだが、バルクの除去は遅い:通常は毎分数立方ミリメートル

強みと限界

使われる場所

• 医療機器冠動脈ステント、カテーテル、マイクロニードル
• 家電・モバイル機器スマートフォンのカバーガラス、サファイアのカメラカバー、ディスプレイの切り抜き
• エレクトロニクスマイクロビア(回路基板の層をつなぐ微小な穴)、ウェハーのダイシング
• 電池電極箔の切断と構造化
• 眼科手術LASIK の角膜フラップ、白内障手術の一部の工程
• 自動車と航空宇宙燃料インジェクターの穴、冷却穴、摩擦を減らす表面テクスチャー

見分け方

• ふつうは見えません:形状の幅はミクロンで、ステント、スマートフォン、回路基板、エンジンの内部に隠れています。
• ガラスや金属の切断面が、焼け色もバリも、再凝固した金属の粒もなく、完璧にきれいに見えます。
• 拡大鏡で見ると、くっきりした丸い微細穴で、わずかにテーパーがついている(レーザーが入った側が広い)ことがよくあります。
• 虹色にきらめく、レーザーでテクスチャー加工した金属:パルスが、光を色に分けるほど細かいさざ波を残します。

比較

動画を見る

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実写真を見る

• Wikipedia: レーザーアブレーション — パルスレーザーが材料をどう除去するか。写真は少なめ
• Wikipedia: 超短パルス — フェムト秒パルスとは何か、どうつくるか
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