2023 Fiscal Year Annual Research Report
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
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21H01224
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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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), 講師 (90843227)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 応力波 / 衝撃波 / 応力分布 / 光弾性法 / フェムト秒レーザ加工 |
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| 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．
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| 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．
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| 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．
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