2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of new methods for surface structuring of solid by time-space controlled femtosecond laser pulses

Research Project

Project/Area Number	22K04977
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	欠端雅之国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (70356757)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	屋代英彦国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30358197) 大村英樹国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (60356665)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	光プロセッシング / フェムト秒レーザー / 固体表面修飾 / パルス合成 / 時空間特性 / アブレーション
Outline of Annual Research Achievements	フェムト秒レーザーを適切な条件で固体表面に照射するとレーザー誘起表面周期構造が形成される。物質や照射条件に依存し多様な形状が形成可能であり、表面への機能性付与への応用が期待されている。本研究では、異なる偏光・異なる波長のフェムト秒レーザーパルス対を位相精度で時間的に組み合わせ、特異な時間・空間依存性を有する「時空間発展制御光パルス」を発生し、レーザー誘起表面周期構造形成の制御技術の開拓に取り組む。このような光パルスは原子・分子のイオン化や高次非線形現象の研究で効果が検証されているが、固体の表面修飾の報告はなく、新規形状の作製や新規制御技術の実現に繋がることが期待される。本研究の目的は、時空間発展制御光パルスやダブルパルス照射による固体表面の周期構造形成やアブレーション特性を実験的に調べること、さらに表面周期構造形成の機構を明らかにし表面周期構造制御の高度化を行うことである。具体的な研究内容としては、(1) 基本波と二倍波のフェムト秒レーザーパルスの偏光状態を調整し同軸上に組み合わせ相対遅延を位相精度で制御する手法による時空間発展制御光パルスの発生、　(2) 誘電体や金属表面への照射によるアブレーションや周期構造形成の評価、(3) 表面周期構造形成機構に関連する時間発展情報等の取得である。 2022年度は時空間発展制御光パルスの発生と固体表面への照射実験に取り組んだ。二色パルスを同軸上に配置し各偏光状態の調整と遅延の精密制御を可能とする時空間発展制御光パルス発生光学系を構築した。照射実験として、各波長のフェムト秒パルスのみでのアブレーションと周期構造形成のフルエンス依存性等を評価した。さらにジルコニアセラミックスに対し二色ダブルパルス照射を行い、パルスの遅延に対するアブレーションと周期構造形成を調べた（国内学会発表2件）。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画通り、初年度である2022年度は時空間発展制御光パルスの発生と固体表面への基礎的照射実験を実施した。固体材料には主にジルコニアセラミックスを用いた。具体的には、基本波と二倍波パルスを同軸上に配置し各偏光状態と遅延を精密に制御可能な、時空間発展制御光パルスの発生光学系を構築した。また固体表面への基礎的照射実験として、基本波800 nmと二倍波400 nmのフェムト秒レーザーパルスをそれぞれ単独で複数ショット照射し、アブレーション痕を共焦点レーザー顕微鏡や電子顕微鏡で観察・計測し、アブレーション閾値フルエンスと周期構造形成の基本的な依存性を評価した。さらに、ジルコニアセラミックスに対し二色ダブルパルス照射を行い、遅延に対するアブレーションの変化と形成される周期構造の形態の評価を行った。二色ダブルパルス照射において各成分のフルエンスを変化させた場合の結果に関して、各波長のアブレーション閾値と全フルエンスの比に着目して結果を考察した（国内学会発表2件）。上記のようにほぼ計画通りに研究が進んでおり、おおむね順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	2023年度以降の研究として、チタン合金を照射対象にし各波長のパルスのみでのアブレーション特性や周期構造形成の特性評価、さらに二色ダブルパルス照射実験を推進する。金属の場合フルエンスにより異なる形態の周期構造形成が生じることが報告されており、ガウシアンレーザービームの空間分布に依存し構造に分布が生じることが予想される。また、初年度に構築した時空間発展制御光パルス発生光学系により時空間発展が制御された光パルスが発生されているはずであるが、合成された時空間発展制御光パルスの特性評価方法として気体原子や分子のイオン化を用いた方法についても検討する。気体原子や分子のイオン化を用いた光パルスの評価結果と固体表面への照射による表面周期構造形成結果を比較することで、より詳細な解析が可能となると考えられる。
Causes of Carryover	22022年度にレーザー波長変換装置の導入を計画していたが、波長変換装置の導入を想定していた研究代表者が所有するレーザー装置の出力低下が確認されたため波長変換装置の導入を暫定的に見送り、基本波と二倍波レーザーを用いた実験には研究分担者が所有するレーザー装置を主に使用し研究を進めた。今後の予算の使用計画としては、経年劣化によるレーザー出力低下への対応、そして波長変換装置に関しては光学素子や非線形結晶を個別に消耗品として購入し自作で構築することを考えている。