【產通社，2月12日訊】由于CO2激光器的維護超過了其在材料加工方面的成本優勢，而光纖激光器包含數百個激光二極管，導致高能耗，
，三菱電機的高級首席技術專家Koji Yasui至少10年來一直懷疑，節能光子激光器是基于激光的制造業不可避免的下一步，感覺全球將會轉向光子激光器。


光子學和量子技術


激光使用氣體、固體或液體作為光學放大的來源，產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）激光器使用氣體進行光學放大，而更節能、更緊湊的光子激光器使用半導體晶體直接放大光束。

今天，基于激光的制造業主要由二氧化碳激光器和光纖激光器主導——即使是常規任務，如在智能手機的電路板上打小孔。Yasui認為，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，因為它們體積小，也許更多。

然而，在實現這些成本節約之前，必須克服重大的技術障礙。1999年京都大學（Kyoto University）發明了光子晶體表面發射激光器（PCSELs ），改善了實驗室的光子光束質量。然而，為了使它們被制造業有效地利用，需要解決功率輸出和光束質量之間的權衡。

克服這一點是“光子學和量子技術為社會服務5.0”項目的主要目標。這是一個為期五年、由日本政府資助的、關于光技術工業應用的學術界-產業界合作項目，Yasui是其中的一個子項目主任。

由于輔助駕駛和自動駕駛汽車的增長，預計到2025年，汽車行業對光子激光傳感器的需求將每年增長21%。

盡管來自京都大學的項目參與者正在生產的光子激光器仍然沒有完全解決與制造相關的問題，但在2021年，該小組使用了鏡子重塑了PCSEL微結構以減少光損失。通過這種設置，他們首次使用單芯片PCSEL成功加工了金屬表面。

Yasui說，下一步是擴大激光器，開發包裝和冷卻系統。與此同時，該方案產生了許多正在使用或處于尖端的技術。Yasui指出，PSCEL傳感器最早將于明年開始出現在商業設備中。


激光設備將強勁增長


美國專利數量表明，新的激光技術有發展空間。自20世紀70年代以來，激光專利通常每十年翻一番，但在2020年之前的十年里，申請量下降了約17%。

“這些事情是一波一波來的，”Yasui解釋道。他解釋說，許多激光制造技術是激光市場的最大部分，在20-30年前就進入了商業市場。“一旦安裝，人們往往會堅持使用有效的系統，因此對新系統的需求往往會下降。”但是幾十年后，隨著新的排放目標的實施，可能會有新的投資空間。

總部位于維爾紐斯的立陶宛激光軟件開發商Direct Machining Control的首席執行官arnas vake lis指出，日本在這股浪潮中處于有利地位。他解釋說，雖然自20世紀90年代的鼎盛時期以來，日本在激光加工技術生產方面已經落后于美國和德國的競爭對手，但它仍然是相關光學和光子學行業的主要力量。例如，光子學領域廣泛涵蓋由日本研究人員開創的激光二極管和發光二極管、光纖、光學傳感器、顯示器和太陽能電池等技術。從制造商總部所在的國家來看，日本在2015年以大約30%的全球市場份額領先。

預計到2025年，激光設備將實現10%的強勁增長，價值將從2020年的170億美元上升至約280億美元。希望新的節能和節省空間的PSCEL光子晶體表面發射激光器將開辟新的用途，并有助于減少激光相關的輻射。

Yasui指出，最近的世界事件也加速了對高效、安全和靈活的智能工廠新技術的需求。例如，烏克蘭——全球主要的石油和天然氣來源——戰爭突顯了能源供應中斷的可能性，“而新冠肺炎疫情強化了向遠程操作設施轉移的愿望”，他表示。

日本五年計劃開發的許多技術可以給這里帶來好處。用于光探測和測距（LiDAR）的獨特小型高效PCSELs為遠程引導的工廠機器人和電動汽車提供了新的選擇。材料處理人工智能（AI）和光子通信系統也正在進入現實世界的使用測試案例，并可能為高度數字化的生產范式提供更靈活的系統和前所未有的數據安全性。

查詢進一步信息，請訪問官方網站http://www.nature.com/articles/d42473-022-00113-1。（Robin Zhang，產通數造）