2022 Fiscal Year Research-status Report

A study of thermal damage reduction of laser material removal by combination of femto second laser and electric double layer

Research Project

Project/Area Number	22K14519
Research Institution	防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)
Principal Investigator	吉田剛防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 電気情報学群, 講師 (30837456)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	レーザー加工 / 超短パルスレーザー / 電気化学反応
Outline of Annual Research Achievements	本研究は極めて強い電圧印可条件における超短パルスレーザー照射によるレーザー照射による熱影響を極限まで取り除いた新規物質除去現象を探求することを目的としている。fsレーザーを使用したレーザーアブレーション加工は極めて短いパルス幅による局所的な加熱により長いパルス幅を持つレーザーと比較して高品質な加工痕を得られることが知られているが、近年の二次元物質の加工や構造形成の微細化の要請により、将来的に更なる熱影響の低減の要請が予想される。本目的を達成する具体的方法として、電解液中において電極表面に形成される電気二重層が電極表面に極めて強い電場を発生させることを利用し、その強い電場とフェムト秒レーザーの局所的な加熱を組み合わせることで従来のアブレーションより低い加工閾値を持った加工の可能性を探る。加工閾値を低下させることは熱源となるレーザー照射のエネルギー自体を低下させ、熱影響の低減につながると期待される。本研究計画は2022年度に電解液中におけるレーザー照射を行う実験装置の構築、2022年度-2024年度にかけてAlなどの金属材料、Siなどの半導体材料において電解液中におけるレーザー照射の実験を行い、結果を報告する予定である。 2022年度には実験装置の構築とNaCl水溶液系での金属に対するfsレーザー照射実験を行った。現有のフェムト秒レーザー光源と、本助成金により購入したポテンショスタット、光学部品を組み合わせることで電解液中で作用電極に任意の電位を印加しつつフェムト秒レーザー照射が可能な垂直照射型の光学系を構築した。　現在、構築した実験装置を用いて銅、アルミニウムなどの金属サンプルに対して電解液中におけるレーザー照射の実験を進めている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究計画は2022年度中に実験装置の構築を行い、2023-2024年度にかけて装置の改良と金属、半導体サンプルに対するレーザー照射の実験進める予定である。 2022年度に電解液中でのfsレーザー照射を行う実験装置に必要な光学部品、ポテンショスタットなどの購入と実験装置の構築が終了し、いくつかのサンプルに対して電圧印可条件下でレーザー照射を試みている。ある金属サンプルでは電圧印可とレーザー照射を同時に行った際にレーザー加工痕の形状に顕著な変化がみられた。レーザー照射により局所的に温度が上昇し、金属表面での電気化学的プロセスによる原子脱離が進行したと解釈している。この現象がレーザーアブレーションによる穴形成よりも低いフルエンスでも起きる可能性が高いことを示唆する結果が得られており、現在その結果について内容をまとめ、発表を予定している。以上の理由により、本研究課題の進行はおおむね順調に進展していると判断した。
Strategy for Future Research Activity	現在、電解液を1 M食塩水として金属材料を中心に電圧印可とレーザー照射を別々、同時に行った場合に形成される加工痕形状の違いについて調べている。現在ではCuを中心にレーザー照射の実験を行っているが、本年度はAlやAuなど様々な金属に対象を広げ実験を進める予定である。また、今後の進展により電解液についても現在使用しているNaCl水溶液だけでなく、より金属イオンとの錯体を形成しずらいハロゲンイオンを持たない塩についても実験を行う予定である。また、現在の実験で使用しているレーザーの波長1040 nmについて、高調波発生装置と組み合わせ520 nmでのレーザー照射を可能にするよう改良を検討している。波長の変化による加工痕への影響についても今後の実験の進展に応じて調査を検討している。
Causes of Carryover	ポテンショスタットを想定より安価で購入できたこと、光学部品を校費で購入できたことで初年度の使用経費を抑えることができた。昨年度の繰り越し予算を用いて、今年度レーザー照射光学系の拡張やビームプロファイラーの購入を検討している。