【產(chǎn)通社，2月12日訊】由于CO2激光器的維護(hù)超過(guò)了其在材料加工方面的成本優(yōu)勢(shì)，而光纖激光器包含數(shù)百個(gè)激光二極管，導(dǎo)致高能耗，
，三菱電機(jī)的高級(jí)首席技術(shù)專家Koji Yasui至少10年來(lái)一直懷疑，節(jié)能光子激光器是基于激光的制造業(yè)不可避免的下一步，感覺(jué)全球?qū)?huì)轉(zhuǎn)向光子激光器。


光子學(xué)和量子技術(shù)


激光使用氣體、固體或液體作為光學(xué)放大的來(lái)源，產(chǎn)生由光子組成的相干激光束，光子是電磁輻射的最小離散量或量子。例如，二氧化碳（CO2）激光器使用氣體進(jìn)行光學(xué)放大，而更節(jié)能、更緊湊的光子激光器使用半導(dǎo)體晶體直接放大光束。

今天，基于激光的制造業(yè)主要由二氧化碳激光器和光纖激光器主導(dǎo)——即使是常規(guī)任務(wù)，如在智能手機(jī)的電路板上打小孔。Yasui認(rèn)為，直接利用電力的光子激光器有可能降低制造成本。這樣，激光切割的成本和排放減半是可能的，因?yàn)樗鼈凅w積小，也許更多。

然而，在實(shí)現(xiàn)這些成本節(jié)約之前，必須克服重大的技術(shù)障礙。1999年京都大學(xué)（Kyoto University）發(fā)明了光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSELs ），改善了實(shí)驗(yàn)室的光子光束質(zhì)量。然而，為了使它們被制造業(yè)有效地利用，需要解決功率輸出和光束質(zhì)量之間的權(quán)衡。

克服這一點(diǎn)是“光子學(xué)和量子技術(shù)為社會(huì)服務(wù)5.0”項(xiàng)目的主要目標(biāo)。這是一個(gè)為期五年、由日本政府資助的、關(guān)于光技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的學(xué)術(shù)界-產(chǎn)業(yè)界合作項(xiàng)目，Yasui是其中的一個(gè)子項(xiàng)目主任。

由于輔助駕駛和自動(dòng)駕駛汽車的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年，汽車行業(yè)對(duì)光子激光傳感器的需求將每年增長(zhǎng)21%。

盡管來(lái)自京都大學(xué)的項(xiàng)目參與者正在生產(chǎn)的光子激光器仍然沒(méi)有完全解決與制造相關(guān)的問(wèn)題，但在2021年，該小組使用了鏡子重塑了PCSEL微結(jié)構(gòu)以減少光損失。通過(guò)這種設(shè)置，他們首次使用單芯片PCSEL成功加工了金屬表面。

Yasui說(shuō)，下一步是擴(kuò)大激光器，開發(fā)包裝和冷卻系統(tǒng)。與此同時(shí)，該方案產(chǎn)生了許多正在使用或處于尖端的技術(shù)。Yasui指出，PSCEL傳感器最早將于明年開始出現(xiàn)在商業(yè)設(shè)備中。


激光設(shè)備將強(qiáng)勁增長(zhǎng)


美國(guó)專利數(shù)量表明，新的激光技術(shù)有發(fā)展空間。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，激光專利通常每十年翻一番，但在2020年之前的十年里，申請(qǐng)量下降了約17%。

“這些事情是一波一波來(lái)的，”Yasui解釋道。他解釋說(shuō)，許多激光制造技術(shù)是激光市場(chǎng)的最大部分，在20-30年前就進(jìn)入了商業(yè)市場(chǎng)。“一旦安裝，人們往往會(huì)堅(jiān)持使用有效的系統(tǒng)，因此對(duì)新系統(tǒng)的需求往往會(huì)下降。”但是幾十年后，隨著新的排放目標(biāo)的實(shí)施，可能會(huì)有新的投資空間。

總部位于維爾紐斯的立陶宛激光軟件開發(fā)商Direct Machining Control的首席執(zhí)行官arnas vake lis指出，日本在這股浪潮中處于有利地位。他解釋說(shuō)，雖然自20世紀(jì)90年代的鼎盛時(shí)期以來(lái)，日本在激光加工技術(shù)生產(chǎn)方面已經(jīng)落后于美國(guó)和德國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但它仍然是相關(guān)光學(xué)和光子學(xué)行業(yè)的主要力量。例如，光子學(xué)領(lǐng)域廣泛涵蓋由日本研究人員開創(chuàng)的激光二極管和發(fā)光二極管、光纖、光學(xué)傳感器、顯示器和太陽(yáng)能電池等技術(shù)。從制造商總部所在的國(guó)家來(lái)看，日本在2015年以大約30%的全球市場(chǎng)份額領(lǐng)先。

預(yù)計(jì)到2025年，激光設(shè)備將實(shí)現(xiàn)10%的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，價(jià)值將從2020年的170億美元上升至約280億美元。希望新的節(jié)能和節(jié)省空間的PSCEL光子晶體表面發(fā)射激光器將開辟新的用途，并有助于減少激光相關(guān)的輻射。

Yasui指出，最近的世界事件也加速了對(duì)高效、安全和靈活的智能工廠新技術(shù)的需求。例如，烏克蘭——全球主要的石油和天然氣來(lái)源——戰(zhàn)爭(zhēng)突顯了能源供應(yīng)中斷的可能性，“而新冠肺炎疫情強(qiáng)化了向遠(yuǎn)程操作設(shè)施轉(zhuǎn)移的愿望”，他表示。

日本五年計(jì)劃開發(fā)的許多技術(shù)可以給這里帶來(lái)好處。用于光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）的獨(dú)特小型高效PCSELs為遠(yuǎn)程引導(dǎo)的工廠機(jī)器人和電動(dòng)汽車提供了新的選擇。材料處理人工智能（AI）和光子通信系統(tǒng)也正在進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界的使用測(cè)試案例，并可能為高度數(shù)字化的生產(chǎn)范式提供更靈活的系統(tǒng)和前所未有的數(shù)據(jù)安全性。

查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)官方網(wǎng)站http://www.nature.com/articles/d42473-022-00113-1。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）