2023年12月

はじめに

近年、部品の微細化が進展するなどの影響で、その製造工程にも、微細化、高精度化が進められてきています。製造技術の重要な一つである溶接にもその流れがあります。

溶接の微細化が進む中で、レーザを利用した微細で高精度な溶接が注目されています。

この微細レーザー溶接は、宇宙産業においてさまざまな利用が期待されています。

以下に、その例をいくつかご紹介します。

微細レーザ溶接の応用例

1. 衛星の製造と修理
衛星は宇宙において重要な役割を果たしていますが、運用中に損傷や故障が発生することもあります。微細レーザー溶接は、衛星の部品や構造体の修理に役立ちます。高い制御性を持つレーザーによって、必要な箇所の微細な溶接や接合が可能となり、衛星の修理を効率的かつ正確に行うことができます。

2. 宇宙船や宇宙ステーションの製造
宇宙船や宇宙ステーションの製造においても、微細レーザー溶接は有用です。微細なレーザービームを使用することで、部品の精密な組み立てや接合が可能となります。これにより、軽量化や強度向上、構造の安定性の向上などが実現できます。

3. マイクロサットやナノサットの製造
マイクロサットやナノサットは、小型でコンパクトな衛星であり、宇宙分野において注目されています。微細レーザー溶接は、これらの小型衛星の製造に適しています。微細なレーザー溶接によって、小さな部品や配線の接合を高精度かつ信頼性の高い方法で行うことができます。

4. 光ファイバーの接続
宇宙分野では、高速で信頼性の高い通信が必要となります。微細レーザー溶接は、光ファイバーの接続に利用されます。微細な溶接によって、光ファイバー同士や光ファイバーと光ファイバー配線の接続を高い精度で行うことができます。

さいごに

以上の応用例は、微細レーザー溶接が宇宙分野での利用において有望な技術である一部の例です。微細レーザー溶接の高い制御性と精密性は、宇宙環境下での要件を満たすために重要です。

微細レーザ溶接の宇宙産業への応用は、まだまだ始まったばかりです。将来的には、より高度な宇宙ミッションや宇宙探査において微細レーザー溶接がますます重要な役割を果たすことが期待されています。

概要

周波数で100GHz～10THz、波長が3mm~30μmをテラヘルツ(THz)波と呼びます。光と電波の中間に位置しており、可視光線とマイクロ波の間の領域に相当します。一部の物質に対して透過性が高いため、紙、プラスチック、布などの一般的な材料を透過して物質の内部情報を取得することができ、これは非破壊検査や医療画像診断に利用されています。

原理

テラヘルツ波の生成と検出にはいくつかの方法があります。はじめに、その生成方法について紹介します。

1. 光パルス法（光検出法）
   一般的な方法の一つは、フェムト秒またはピコ秒の超短パルスのレーザを使用してテラヘルツ波を生成する方法です。この方法では、レーザーパルスがテラヘルツ放射を引き起こすため、テラヘルツ波が発生します。このテクニックは光検出法とも呼ばれます。
2. 光整合法（光学整合法）
   光整合法は、非線形結晶などの光学的整合材料を使用して、二つの異なる光波を組み合わせてテラヘルツ波を生成する方法です。このプロセスは、高い光整合度を持つ結晶を使用して非常に高い周波数の波を生成することが可能です。
3. 光伝播法（放射法）
   他の手法として、高い電場の光を物質に照射すると、物質が非線形応答を示し、その結果としてテラヘルツ波が発生することがあります。この方法は光伝播法として知られています。

次に、テラヘルツ波の検出方法について紹介します。

1. 非線形光学効果を利用した検出
   テラヘルツ波は一般的に検出が難しいため、非線形光学効果を利用して検出されることがあります。これには、光検出法と同様に、光学的整合材料や非線形結晶を使用することが含まれます。
2. アンテナを使用した検出
   テラヘルツ波を検出するためには、適切なアンテナが必要です。特に、微小な結晶や金属のアンテナを使用して、テラヘルツ波を効果的に検出することができます。

応用例

テラヘルツ波の周波数帯は光の特徴である直進性やミラーやレンズによる取り回し易さ、電波の特徴である様々な物質に対する透過性を併せ持っているため、計測や検査に注目されています。以下にその応用例をいくつか紹介します。

1. 組織の特性の調査
   テラヘルツ波は、生体組織において水分や脂肪などの特性を検出できるため、医療画像診断に利用されます。がんなどの疾患の早期検出や、組織の異常な変化の追跡が可能です。
2. 材料の特性評価
   テラヘルツ波は多くの物質に対して透過性があり、金属、プラスチック、ガラスなどの材料の内部構造や異常を非破壊で評価できます。これは工業や建設分野での利用が期待されます。
3. 高帯域通信
   テラヘルツ波は非常に高い周波数を持っており、これを利用して高帯域通信が可能です。将来的には、テラヘルツ通信が5G以上の通信規格として登場する可能性があります。
4. 物質の特定
   テラヘルツ波は物質の異常な特性を検出できるため、セキュリティスクリーニングや爆発物の検知に応用されます。例えば、荷物やコンテナの中の異常な物質を特定するのに使用されます。
5. 食品の品質評価
   テラヘルツ波は、食品の水分や油分などの特性を測定するのに適しています。これにより、食品の品質評価や異常検出が可能となります。
6. 分子の振動スペクトル
   テラヘルツ波を使用することで、分子の振動スペクトルを観察できます。これにより、分子の構造や化学反応の進行状況を非破壊で調査することが可能です。

参考文献

• THINK LANDS:ミリ波・テラヘルツ波とは
• テラヘルツ波とは何？活用事例や測定方法の種類・原理を解説

概要

UVレーザはその波長が基本波長レーザの1/3であるレーザです。その波長が紫外線と同じ領域のため「UVレーザ」と呼ばれています。

構成

1,064nmの基本波長を非線形結晶に通して変換された532nmの波長に基本波長を合わせ、さらにもう1つの単結晶を通過させることで355nmの波長に変換します。

特徴

先述したように、UVレーザの光の波長は基本波長レーザ（1,064nm）の約1/3（355nm）です。この波長は、紫外線領域であることから「UVレーザ」と呼ばれます。

各素材に対して吸収率が非常に高く、熱ダメージを与えない印字や加工が可能なため、高い発色性や製品へのダメージを抑えた加工が求められる用途に最適です。つまり、必要以上にパワーを上げることなく、視認性の高いマーキングが可能となります。金、銀、銅をはじめとする反射率の高い材質に対しても吸収率が高く、熱ダメージを与えません。そのため煤やバリを抑制し、表面を破壊しない耐腐食性の高い印字・加工が可能です。基本波長レーザでは、封止樹脂部を透過して内部にダメージを与える懸念がありますが、UVレーザなら、高い吸収率で内部への透過を抑制することができます。

また、UVレーザは波長が短いため、レーザをレンズで集光した際に集光径をより小さくでき、微細な加工が可能です。一般的にレーザはレンズで集光すると、レーザの波長程度まで絞ることができます。したがって波長の短いレーザほど、微細な加工が可能となります。

一般に光のエネルギーはレーザの波長に反比例します。波長が短いという特徴はエネルギーの観点からも有益です。つまり、波長の短いUVレーザは波長の長いレーザに比べて、光エネルギーが高くなります。そのため、高効率な加工が可能となります。特に樹脂の有機結合を切断する点で有利であり、樹脂の高品質加工には、UV領域のレーザが多用されます。

応用例

UVレーザは、その波長の短さから光のエネルギーが高いという特徴があります。そのため、世界で最も硬い物質で知られるダイヤモンドも、UVレーザのエネルギーを直接吸収して加工されます。

またサファイアはYAGレーザではレーザー光が透過してしまい加工ができませんが、UVレーザでは光のエネルギーが高いため、レンズで集光することにより吸収が起こり、加工することが可能となります。

CO2レーザでも格子振動による吸収が起こりサファイアの加工は可能ですが、熱的な加工となるため、クラックや熱影響層の大きな加工となります。

参考

1. UVレーザーマーカー | 基礎知識 | マーキング学習塾 | キーエンス

2. UVレーザー加工｜Orbray株式会社

3. レーザー加工機の種類やレーザーの分類について解説