2022 Fiscal Year Annual Research Report
| Project/Area Number |
22F22360
|
|---|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
杉田 直彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70372406)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ZHANG YANMING 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
|
|---|
| Project Period (FY) |
2022-11-16 – 2025-03-31
|
| Keywords | 電子励起 / 散乱効果 / ダブルパルスフェムト秒―マイクロ秒レーザ加工 / 加工能率 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
セラミック材料(Al2O3, AlN, Si3N4, ZrO2等)は, 熱的, 力学的, 化学的および電気的に優れた特性を有し, 最先端製品の製造に広く用いられている．既存のフェムト秒レーザ加工法によるセラミック材料の加工は, 低いエネルギ効率および局所的なマイクロクラックの発生により, 高効率, 高精度, 高品質な加工を実現できていない.本研究は, 局所的かつ過渡的な光誘導結晶粒界変化のメカニズムに基づいて, セラミック材料の表面付近でのフェムト秒レーザの散乱を取り除き, 高密度微細スケールの電子励起領域(金属相)発生の制御を実現することで, 最終的にセラミック材料の高速精密微細加工の実現を目指す.
今年度は，セラミック加工の超高速観察プラットフォームおよびダブルパルスフェムト秒-マイクロ秒レーザ加工プラットフォームを構築した．ポンプ-プローブ法などの超高速観察技術を改良し，フェムト秒レーザ照射時のジルコニアセラミック内部の電子励起領域（金属相）の生成と発展過程を明らかにした．また，実験によって，セラミックの表面散乱を低減させ、高密度微細電子励起領域を誘導することに成功した．さらに，超高速カメラ観察技術を使用して，セラミック材料のダブルパルスフェムト秒-マイクロ秒レーザ加工の材料除去メカニズムを明らかにし，セラミック材料の加工効率を大幅に向上さた．従来のフェムト秒レーザ加工と比較して，加工効率は5000倍以上に向上した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年の研究目標は，セラミック材料の高効率精密微細加工を実現するために，セラミック材料の表面散乱層の生成と消失のメカニズム，および，レーザ照射時の散乱層が材料内部の電子励起領域に与える影響を究明することであった．この目標を達成するために，ポンププローブ超高速観察プラットフォームを改良した．フェムト秒-ナノ秒スケールでのフェムト秒レーザによる電子励起の変化過程を観察し，セラミック材料の散乱効果が電子励起領域のサイズ，密度および寿命に与える影響を定量的に評価した．さらに，レーザ加工パラメータがセラミック材料内部の電子励起領域に与える影響を詳細に解明した．あるレーザパラメータによって，セラミック材料の表面散乱層が電子励起領域に与える悪影響を回避し，高密度かつ微細な電子励起領域を生成させることに成功した．最後に，二つのフェムト秒-マイクロ秒パルスレーザ加工プラットフォームを構築し，異なるレーザパラメータでの加工実験により，ジルコニアセラミックのレーザ加工効率を大幅に向上させた．
|
| Strategy for Future Research Activity |
異なる種類のセラミック材料内部の金属相の形態変化を観察し，表面散乱層の材料依存性を調査するとともに，微細・高密度かつ長寿命な金属相を形成させることを目指す．そして，超高速カメラを用いて，連続波レーザ照射による金属相領域の材料を瞬間的に溶融させて除去するメカニズムを解明し，ビーム整形やフィードバック制御などの方法により加工効率と精度を向上させる．さらに，セラミックの材料除去時に発生するマイクロ・サブマイクロスケールのダメージの拡大を評価し，加工品質を向上させる．最後に，セラミック材料に対して超高速アレイ構造の加工実験を行い，アレイ構造加工の効率，寸法の一致性，表面ダメージなどの加工特性を定量的評価する．異なる種類のセラミック材料の高効率で精密な微細加工の実現を目指す．
|
