2021 Fiscal Year Research-status Report
過渡的透明化によるセラミクスの超高速精密フェムト秒レーザ加工
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21K18667
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
伊藤 佑介 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90843227)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | セラミクス / フェムト秒レーザ / レーザ加工 / 高速観察 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
セラミック材料は，優れた機械的，電気的，熱的特性を有することから，電子機器，光学機器等の主要部品として活用されている．これらの機器の更なる高機能化，低価格化のためには，セラミック材料の微細加工を高能率かつ精密に施す技術の確立が要求されるが，その硬脆性故にセラミック材料の加工は困難を極める．硬脆材料に対する微細加工技術としてフェムト秒レーザが注目されているが，精密加工と加工能率に課題が存在する．上記の2点の課題を同時に解決する手法として，2018年に「過渡選択的レーザ加工法」が実証された．しかしながら本技術の適用対象は，その原理上，透明材料に限定され，不透明であるセラミック材料には適用できない．そこで本研究では，不透明材料を加工中に瞬間的に透明化する技術を開発することで「過渡選択的レーザ加工法」の適用範囲を拡張し，セラミック材料の超高速精密微細加工を実現することを目的とする．
本年度は，フェムト秒レーザ照射時の材料内部の基礎過程解明に向け，ポンプ・プローブ法と高速度カメラを複合させたイメージングシステムを構築し，加工過程をピコ秒からミリ秒に至る極めて広い時間スケールで計測した．セラミック材料はミクロスケールにおいて広いバンドギャップを有し，高い透過性を示すが，マクロに見たバルク材料では粒界における光散乱のために透過性が低く，内部を観察することが容易ではない．本研究では，プローブ光に工夫を施すことで，材料内部の観察を実現し，励起の基礎過程を写し出した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
セラミック材料の超高速精密微細加工の実現を見据え，本年度はレーザ加工現象の高速観察システムを構築し，加工の基礎過程を調査した．
フェムト秒レーザ照射時の材料内部の基礎過程の解明のために，ポンプ・プローブ法と高速度カメラを複合させたイメージングシステムを構築した．ポンプ・プローブ法では，光学遅延ステージによりポンプ光とプローブ光の試料への到達時間差を設けることで，ピコ秒からナノ秒スケールの現象を撮影した．また，ポンプ光およびプローブ光の繰り返し周波数と高速度カメラの撮影周波数を一致させることで，マイクロ秒からミリ秒スケールの現象観察を実施した．これにより，加工過程をピコ秒からミリ秒に至る極めて広い時間スケールで計測した．セラミック材料はミクロスケールにおいて広いバンドギャップを有し，高い透過性を示すが，マクロに見たバルク材料では粒界における光散乱のために透過性が低く，内部を観察することが容易ではないが，本研究ではプローブ光に工夫を施すことで，材料内部の観察を実現した．
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| Strategy for Future Research Activity |
基礎過程の観察結果から，セラミクス内部に励起領域が過渡的に出現することを示した．次年度以降，この励起領域を拡大させるために，透過性を過渡的に向上させる手法の考案と，より効率的に励起する手法を考案する．
具体的には次の2点の研究を進めることを検討している．
(1) 透明アモルファス相生成: 加熱用レーザをセラミック材料に集光し，局所的に昇温・溶融させた後，急冷することで，透明アモルファス相を準安定相として生成する．
(2)光誘起金属相生成: 透明アモルファス相にフェムト秒レーザを集光し，電子励起により自由電子を生成することで，瞬間的かつ局所的に透明相内部に金属相を創出する．
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| Causes of Carryover |
当初の計画では，加工実験ごとに加工後の試料を割断し，観察する必要があると想定していた．そのため，多量の試料購入のための費用と，その割断に要する加工費用が必要となると考えていた．しかし，加工中の高速観察手法が実現したことにより，加工後の観察を毎度実施する必要がなくなり，試料購入費と割断加工費が大幅に削減された．
一方，次年度以降は，加工後の組織を観察する必要があるため，試料と加工に費用を要することとなる．そのため，当該年度使用予定であった費用を次年度に活用し，多量の実験を実施する．
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