【产通社，2月12日讯】由于CO2激光器的维护超过了其在材料加工方面的成本优势，而光纤激光器包含数百个激光二极管，导致高能耗，
，三菱电机的高级首席技术专家Koji Yasui至少10年来一直怀疑，节能光子激光器是基于激光的制造业不可避免的下一步，感觉全球将会转向光子激光器。


光子学和量子技术


激光使用气体、固体或液体作为光学放大的来源，产生由光子组成的相干激光束，光子是电磁辐射的最小离散量或量子。例如，二氧化碳（CO2）激光器使用气体进行光学放大，而更节能、更紧凑的光子激光器使用半导体晶体直接放大光束。

今天，基于激光的制造业主要由二氧化碳激光器和光纤激光器主导——即使是常规任务，如在智能手机的电路板上打小孔。Yasui认为，直接利用电力的光子激光器有可能降低制造成本。这样，激光切割的成本和排放减半是可能的，因为它们体积小，也许更多。

然而，在实现这些成本节约之前，必须克服重大的技术障碍。1999年京都大学（Kyoto University）发明了光子晶体表面发射激光器（PCSELs ），改善了实验室的光子光束质量。然而，为了使它们被制造业有效地利用，需要解决功率输出和光束质量之间的权衡。

克服这一点是“光子学和量子技术为社会服务5.0”项目的主要目标。这是一个为期五年、由日本政府资助的、关于光技术工业应用的学术界-产业界合作项目，Yasui是其中的一个子项目主任。

由于辅助驾驶和自动驾驶汽车的增长，预计到2025年，汽车行业对光子激光传感器的需求将每年增长21%。

尽管来自京都大学的项目参与者正在生产的光子激光器仍然没有完全解决与制造相关的问题，但在2021年，该小组使用了镜子重塑了PCSEL微结构以减少光损失。通过这种设置，他们首次使用单芯片PCSEL成功加工了金属表面。

Yasui说，下一步是扩大激光器，开发包装和冷却系统。与此同时，该方案产生了许多正在使用或处于尖端的技术。Yasui指出，PSCEL传感器最早将于明年开始出现在商业设备中。


激光设备将强劲增长


美国专利数量表明，新的激光技术有发展空间。自20世纪70年代以来，激光专利通常每十年翻一番，但在2020年之前的十年里，申请量下降了约17%。

“这些事情是一波一波来的，”Yasui解释道。他解释说，许多激光制造技术是激光市场的最大部分，在20-30年前就进入了商业市场。“一旦安装，人们往往会坚持使用有效的系统，因此对新系统的需求往往会下降。”但是几十年后，随着新的排放目标的实施，可能会有新的投资空间。

总部位于维尔纽斯的立陶宛激光软件开发商Direct Machining Control的首席执行官arnas vake lis指出，日本在这股浪潮中处于有利地位。他解释说，虽然自20世纪90年代的鼎盛时期以来，日本在激光加工技术生产方面已经落后于美国和德国的竞争对手，但它仍然是相关光学和光子学行业的主要力量。例如，光子学领域广泛涵盖由日本研究人员开创的激光二极管和发光二极管、光纤、光学传感器、显示器和太阳能电池等技术。从制造商总部所在的国家来看，日本在2015年以大约30%的全球市场份额领先。

预计到2025年，激光设备将实现10%的强劲增长，价值将从2020年的170亿美元上升至约280亿美元。希望新的节能和节省空间的PSCEL光子晶体表面发射激光器将开辟新的用途，并有助于减少激光相关的辐射。

Yasui指出，最近的世界事件也加速了对高效、安全和灵活的智能工厂新技术的需求。例如，乌克兰——全球主要的石油和天然气来源——战争突显了能源供应中断的可能性，“而新冠肺炎疫情强化了向远程操作设施转移的愿望”，他表示。

日本五年计划开发的许多技术可以给这里带来好处。用于光探测和测距（LiDAR）的独特小型高效PCSELs为远程引导的工厂机器人和电动汽车提供了新的选择。材料处理人工智能（AI）和光子通信系统也正在进入现实世界的使用测试案例，并可能为高度数字化的生产范式提供更灵活的系统和前所未有的数据安全性。

查询进一步信息，请访问官方网站http://www.nature.com/articles/d42473-022-00113-1。（Robin Zhang，产通数造）