| Project/Area Number |
23K17716
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小澤 祐市 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (90509126)
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| Project Period (FY) |
2023-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
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| Keywords | レーザー加工 / ベクトルビーム / 軸方向電場 / 径偏光ビーム / フェムト秒パルス / アブレーション / レーザー微細加工 / フェムト秒レーザー |
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| Outline of Research at the Start |
ビーム断面において放射状に偏光した径偏光（ラジアル偏光）ビームは、焦点に強い軸方向電場（縦電場）が生じ、かつ従来の光ビームよりも微小なスポットを形成する超解像特性を持つ。本研究では、この径偏光ビームの持つ特異な集光特性をレーザー微細加工に適用することを目指し、焦点で集光スポットの強度分布や偏光や位相の空間分布を3次元的にデザインすることで軸方向電場による加工効果を最大化する新たなレーザー加工法の開発を目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ビーム断面において放射状に偏光した径偏光（ラジアル偏光）ビームを強く集光した場合の焦点に形成される軸方向電場による微小な集光スポットをレーザー微細加工に応用することを目指すものである。特に、軸方向電場が界面に形成する高強度定在波に着目し、超微細レーザー加工の実現を目的としている。本年度は、当該目的に対して、加工材料としてガラスのような透明材料を用いた場合を想定し、界面における集光特性について数値計算に基づいて詳細に検討を行った。その結果、油浸対物レンズを用いてガラス／空気界面に径偏光ビームを強く集光した場合には、ガラス内部側に軸方向電場による集光スポットを相対的に増強できることがわかった。さらに、集光するビームを円環状の強度分布として、ガラス界面において全反射の臨界角となるような直径の円環となる場合には、界面では軸方向電場のみが発生する極めて特異な条件が得られ、ガラス内部に形成されるスポットサイズが極めて小さくなることがわかった。そこで、本集光条件を踏まえて、波長1040 nmのフェムト秒パルスレーザーを加工用光源として、円環状径偏光ビームを発生させ、シングルショットでのレーザー加工を試みた。実際に、ホウケイ酸ガラス基板を対象として、開口数1.4の油浸対物レンズを使用したレーザーアブレーション加工において、前述した臨界角条件近傍での集光によって、ガラス裏面に対して直径67 nmの微細な穴加工を実証した。本結果は、径偏光ビームの強い集光で生ずる軸方向電場がアブレーション加工に直接寄与することを示しており、軸方向電場が持つ微小集光スポット特性を反映した微細加工が実際に可能であることを実証する結果といえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
径偏光ビームの集光特性について、材料界面での反射や屈折を考慮した検討を進める中で、特定の全反射条件が軸方向電場を増強できることを新たに見出し、これによって軸方向電場による直接的なアブレーション加工が可能であることを報告した。さらに、径偏光ビームの軸方向電場の特性を駆使したナノ加工についても、既に波長の1/16程度のスケールの超微細加工が可能であることも実証しており、当初の計画・目的を超えた大きな進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に得られた結果を踏まえて、集光ビームの強度分布、位相などを精密に制御することで、焦点にスーパーオシレーションスポットを形成することでさらなる微細化を目指す。また、集光するレーザー光の波長や対物レンズの条件、さらには加工対象などを詳細に検討して、軸方向電場によるレーザー加工特性の評価を進める。さらに、金属などを加工対象としたダブルパルススキームでの加工実験についても実施していきたい。
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