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応力場の高速時空間制御による超精密フェムト秒レーザ加工技術基盤の創出

Research Project

Project/Area Number 23K20907
Project/Area Number (Other) 21H01224 (2021-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

伊藤 佑介  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (90843227)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Keywordsレーザ加工 / 精密加工 / 応力波 / 応力分布計測 / 超高速計測 / 衝撃波 / 応力分布 / 光弾性法 / フェムト秒レーザ加工 / 応力計測 / 応力制御 / 超高速イメージング / 透明材料 / フェムト秒レーザ / ガラス / 高速計測 / 高速イメージング
Outline of Research at the Start

本研究では,フェムト秒レーザ加工時に過渡的に出現する巨大応力場を制御することにより,透明硬脆材料の超精密加工を実現する.ピコ秒スケールで変動する応力場の定量計測技術と,瞬間的に出現する引張応力を抑制する応力場制御技術を開発し,両技術を統合することで,超精密加工技術基盤を創出することを目的とする.定量計測法,応力場制御法,それらを統合した計測制御システムの構築法,の3つの基礎理論を確立し,超精密レーザ加工の体系化を図る.

Outline of Annual Research Achievements

透明材料を微細に加工する手法としてフェムト秒レーザが注目されている.しかし,フェムト秒レーザ加工時にはクラックが生成されるため,精密加工が困難である.本研究では,フェムト秒レーザ加工時に過渡的に出現する巨大応力場を時間的かつ空間的に制御することにより,透明硬脆材料の超精密加工を実現する.従来の電気的・機械的なセンシング・アクチュエーションで,ピコ秒の時間スケールを計測・制御することは極めて困難である.そこで本研究では,ピコ秒スケールで変動する応力場の定量計測技術と,瞬間的に出現する引張応力を抑制する応力場制御技術を開発し,両技術を統合することで,超精密加工技術基盤を創出することを目的としている.
前年度までの研究において,応力波伝搬時の密度分布をピコ秒からナノ秒のオーダで計測する技術の開発を実現した.また,同等の時間スケールの現象を再現可能な数値モデルを開発した.本年度は,マッハツェンダー干渉計測,光弾性法,ポンプ・プローブ法を複合したイメージングシステムを開発し,応力成分の超高速精密計測を実現した.計測結果をもとに数値モデルをキャリブレーションすることにより,引張応力出現のメカニズムを明らかにした.さらに,引張応力を低減可能な新たな加工法である,マルチステップ加工法を提案し,当該手法により脆性材料の精密加工を実現した.そして,開発した計測法と数値モデルに基づき,マルチステップ加工法による精密加工実現のメカニズムを明らかにした.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

前年度までの研究において,応力波伝搬時の密度分布をピコ秒からナノ秒のオーダで計測する技術の開発を実現した.また,同等の時間スケールで応力分布を制御する技術を開発し,両技術の複合によって引張応力を抑制する方法を提案した.密度分布計測には,ポンプ・プローブ撮像法とマッハ・ツェンダー干渉計を組み合わせた手法を開発し,高速変化の3次元分布を計測した.計測の結果,応力波の前方に分布する圧縮応力と後方に分布する引張応力の時間差と強度差を明瞭に示した.それをもとに引張応力の生じるタイミングで第2の応力波を生成し,圧縮応力を付与し,応力を相殺することを提案した.また,提案手法の有効性を評価するために, 加工用のレーザ光をメインパルスとサブパルスに分岐し,微小な遅延時間を設けた後に同軸で加工試料に集光できる実験系を構築した.さらに,その際の高速現象を計測できるシステム構成とした.各種の条件で実験を行い,有効性を評価した.
さらに,ポンプ・プローブ法およびマッハ・ツェンダー干渉計に,光弾性法を組み合わせることにより,応力成分の計測を実現した.計測結果をもとに作成したシミュレーションにより,引張応力の出現メカニズムを明らかにした.また,引張応力を低減可能な新たな加工法として,マルチステップ加工法を提案し,それにより脆性材料に対するクラックレスな精密加工を実現した.

Strategy for Future Research Activity

計測と制御の両方の精度を上げ,精密フェムト秒レーザー加工を実現する.
計測については,シングルショットによる応力分布の3次元情報の精密計測を実現する.既に応力成分の高速計測を実現したが,1枚の応力分布画像を得るために,複数の実験を繰り返す必要がある.そのため,繰り返し実験に伴うノイズが発生し,これが計測精度を下げる要因となっている.本年度は,複数の写真をシングルショットで撮影することにより,この課題の解決を目指す.さらに,応力分布の計測結果と応力分布の数値計算結果を,応力成分の比較により対応付けることにより,数値モデルの正確性をさらに向上させる.その上で,レーザ照射初期(ピコ秒スケール)の応力の空間分布を明らかにすることで,応力波生成機構および応力波制御による精密加工実現の学理を構築する.

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (43 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 4 results) Presentation (36 results) (of which Int'l Joint Research: 20 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Generation mechanism and temporal?spatial evolution of electron excitation induced by an ultrashort pulse laser in zirconia ceramic2024

    • Author(s)
      Wei Chaoran、Zhang Yanming、Sugita Naohiko、Ito Yusuke
    • Journal Title

      Applied Physics A

      Volume: 130 Issue: 2 Pages: 105-105

    • DOI

      10.1007/s00339-023-07223-7

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Crackless high-aspect-ratio processing of silica glass with a temporally shaped ultrafast laser2024

    • Author(s)
      Guoqi Ren, Huijie Sun, Keiichi Nakagawa, Naohiko Sugita, and Yusuke Ito*
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 49 Issue: 9 Pages: 2321-2324

    • DOI

      10.1364/ol.522052

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  • [Journal Article] Ultrafast processing of zirconia ceramics by transient and selective laser absorption2024

    • Author(s)
      Zhang Yanming、Wei Chaoran、Fukui Tomohiro、Sugita Naohiko、Ito Yusuke
    • Journal Title

      Ceramics International

      Volume: In press Issue: 14 Pages: 25273-25281

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2024.04.257

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  • [Journal Article] Mechanism and performance evaluation of transient and selective laser processing of glass based on optical monitoring2023

    • Author(s)
      Zhang Yanming、Ito Yusuke、Yoshizaki Reina、Shibata Akihiro、Nagasawa Ikuo、Nagato Keisuke、Sugita Naohiko
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 31 Issue: 23 Pages: 38191-38191

    • DOI

      10.1364/oe.497360

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  • [Journal Article] Temporal-spatial characteristics of filament induced by a femtosecond laser pulse in transparent dielectrics2022

    • Author(s)
      Ren Guoqi、Ito Yusuke、Sun Huijie、Sugita Naohiko
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 30 Issue: 4 Pages: 4954-4964

    • DOI

      10.1364/oe.449874

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  • [Journal Article] Ultrafast and large-gap microwelding of glass substrates by selective absorption of continuous-wave laser into transiently excited electrons2022

    • Author(s)
      Yoshitake Shunya、Ito Yusuke、Miyamoto Naoyuki、Yoshizaki Reina、Sugita Naohiko
    • Journal Title

      CIRP Annals

      Volume: - Issue: 1 Pages: 157-160

    • DOI

      10.1016/j.cirp.2022.03.003

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      Hattori Junya、Ito Yusuke、Nagato Keisuke、Sugita Naohiko
    • Journal Title

      Precision Engineering

      Volume: 72 Pages: 789-797

    • DOI

      10.1016/j.precisioneng.2021.08.006

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  • [Presentation] 励起領域への選択的光吸収による透明材料の超高速レーザー加工2024

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      伊藤佑介, 任国旗
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    • Invited
  • [Presentation] 石英ガラス内の超短パルスレーザ誘起応力波の3次元応力テンソル場計測2024

    • Author(s)
      服部隼也, 徳味健太, 杉田直彦, 伊藤佑介
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      第71回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] パルスエネルギ変調フェムト秒レーザ加工法による石英ガラスへのクラックフリー微細穴あけ加工2024

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  • [Presentation] Plasma filament induced by a femtosecond laser pulse in transparent dielectrics2024

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      Guoqi Ren, Huijie Sun, Naohiko Sugita, and Yusuke Ito
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      第100回レーザ加工学会講演会
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  • [Presentation] Ultrafast processing of transparent materials by selective absorption of long-pulse laser into transiently excited electrons2023

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      Yusuke Ito
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  • [Presentation] Ultrafast processing of dielectric materials by selective absorption of continuous-wave laser into transiently excited electrons2023

    • Author(s)
      Yusuke Ito
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      PULMM
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  • [Presentation] Ultrafast processing of transparent materials by selective absorption of continuous-wave laser into transiently excited electrons2023

    • Author(s)
      Yusuke Ito, Naohiko Sugita
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      Q-Basis
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  • [Presentation] Ultrafast dynamics of the interaction between double-pulse femtosecond laser and silica glass2023

    • Author(s)
      Guoqi Ren, Yusuke Ito, Reina Yoshizaki, Huijie Sun, Junya Hattori, Naohiko Sugita
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      JSAP-Optica Joint Symposia
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      Huijie Sun, Junya Hattori, Tomohiro Fukui, Naohiko Sugita, and Yusuke Ito
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      Junya Hattori, Yusuke Ito, and Naohiko Sugita
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      72nd CIRP General Assembly
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      Kotaro Hinuma, Yanming Zhang, Yusuke Ito, Naohiko Sugita
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      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
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      Yanming Zhang, Chaoran Wei, Yusuke Ito, Naohiko Sugita
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      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
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      Takumi Koike, Yusuke Ito, Guoqi Ren, Naohiko Sugita
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      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
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  • [Presentation] Time-resolved stress measurement by photoelastic imaging incorporated with Mach-Zehnder interferometry2023

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      Sabrina Crepaldi, Yusuke Ito, Junya Hattori, Hiroshi Jo, Guoqi Ren, Naohiko Sugita
    • Organizer
      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
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  • [Presentation] Time-resolved quantitative imaging of electronic excitation processes in glass under femtosecond laser irradiation2023

    • Author(s)
      Qinru Zheng, Yusuke Ito, Junya Hattori, Yuta Teshima, Guoqi Ren, Huijie Sun, A. Amani Eilanlou, Atsushi Iwasaki, Naohiko Sugita
    • Organizer
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      小池匠, 伊藤佑介, 任国旗, 杉田直彦
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      服部隼也, 伊藤佑介, 徳味健太, 杉田直彦
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      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      Takumi Koike, Yusuke Ito, Reina Yoshizaki, Guoqi Ren, and Naohiko Sugita
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      COLA 2022
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      Huijie Sun, Yusuke Ito, Guoqi Ren, Junya Hattori, Hiroshi Jo, and Naohiko Sugita
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      Guoqi Ren, Yusuke Ito, Huijie Sun, Takumi Koike, and Naohiko Sugita
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      SPIE LASE
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      任国旗, 伊藤佑介, 服部隼也, 孫慧傑, 杉田直彦
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      第69回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 高速応力場制御によるガラスの精密フェムト秒レーザ加工2022

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      佐藤俊大, 伊藤佑介, 服部隼也, 魏超然, 杉田直彦
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      第29回精密工学会学生会員卒業研究発表講演会
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      Huijie Sun, Yusuke Ito, Guoqi Ren, Junya Hattori, Naohiko Sugita
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      Chaoran Wei, Reina Yoshizaki, Yusuke Ito, Akihiro Shibata, Ikuo Nagasawa, Keisuke Nagato, and Naohiko Sugita
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      Huijie Sun, Zhenzhi Ying, Yusuke Ito, Chaoran Wei, Hidebumi Takahashi, and Naohiko Sugita
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      The 10th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century
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      Chaoran Wei, Yusuke Ito, Rin Shinomoto, Keisuke Nagato, and Naohiko Sugita
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      孫慧傑, 応振智, 伊藤佑介, 魏超然, 徐弘, 高橋秀史, 杉田直彦
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      徐弘, 伊藤佑介, 服部隼也, 長藤圭介, 杉田直彦
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      吉武俊哉, 伊藤佑介, 吉﨑れいな, 服部隼也, 長藤圭介, 杉田直彦
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      魏超然, 吉﨑れいな, 伊藤佑介, 柴田章広, 長澤郁夫, 長藤圭介, 杉田直彦
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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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