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フォトニックナノジェットを利用した高分解能ナノ3次元形状加工技術の開発

Research Project

Project/Area Number 18J10140
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Production engineering/Processing studies
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

上野原 努  大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsフォトニックナノジェット / レーザ微細加工 / FDTD法 / 加工シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements

本研究は,フォトニックナノジェット(Photonic nanojet: PNJ)という,従来の集光光学系では得られない特性を有した光ビームを用いて,ナノメートルスケールの3次元微細加工技術の確立を目指している.ナノメートルスケールの高分解能かつフレキシブルな加工技術を実現するために,電磁場計算に基づいた加工シミュレーションと加工実験を行った.その結果,PNJがサブマイクロメートルスケールの除去加工技術として,集光ビームを用いた従来の加工技術では得られない加工特性を有していることを明らかにした.
まず,電磁場計算に基づいた加工シミュレータを構築し,PNJの理論的な加工特性について考察した.加工の対象はシリコンとし,直径8μmのシリカ微粒子に波長800nmのレーザ光を照射するシステムを想定した.PNJの小さいビーム径が発散せずに伝搬するという長い焦点深度特性によって,PNJのz位置を1μm以上変化(デフォーカス)させた場合でも,1μm以下の加工分解能を維持できることを理論的に明らかにした.
理論的に明らかになった加工特性を実証するために,シリコンに対して加工実験を行った.加工シミュレーションと加工実験の結果は非常に良い一致を表し,PNJの長い焦点深度特性が加工に有効であることを実証した.さらに,焦点深度を長くする試みとして,水中でPNJによる加工を行い,3μm程度の非常に長い焦点深度内でサブマイクロメートルスケールの加工を実現可能であることを明らかにした.
これらの知見から,PNJは従来の集光ビームに比べてより小さいビーム径および長い焦点深度を有し,それらよって高分解能かつフレキシブルな加工が可能であることが明らかとなった.

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Study on Laser Micro Machining Using a Photonic Nanojet (1st report) —Fundamental Characteristics of Laser Micro Machining Using a Photonic Nanojet—2020

    • Author(s)
      上野原努, 水谷康弘, 高谷裕浩
    • Journal Title

      Journal of the Japan Society for Precision Engineering

      Volume: 86 Issue: 1 Pages: 113-119

    • DOI

      10.2493/jjspe.86.113

    • NAID

      130007782514

    • ISSN
      0912-0289, 1882-675X
    • Year and Date
      2020-01-05
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Comparison of intensity distribution of photonic nanojet according to Gaussian beam and radially polarization beam incidence2019

    • Author(s)
      Uenohara Tsutomu、Mizutani Yasuhiro、Takaya Yasuhiro
    • Journal Title

      Precision Engineering

      Volume: 60 Pages: 274-279

    • DOI

      10.1016/j.precisioneng.2019.07.019

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Laser micro machining using a photonic nanojet controlled by intensity distribution of incident laser2019

    • Author(s)
      Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Mizutani, Yasuhiro Takaya
    • Organizer
      ISMTII 2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フォトニックナノジェットを利用した微細加工に関する研究 (第 8 報) -マイクロ球に照射する集光ビームパラメータによる加工制御-2019

    • Author(s)
      上野原努, 水谷康弘, 高谷裕浩
    • Organizer
      2019年度精密工学会秋季大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Study on in-liquid laser nanomachining by photonic nanojet in optical tweezers configuration (1st report) -Investigation on machining realization by numerical simulation-2019

    • Author(s)
      Reza Aulia Rahman, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Mizutani, Yasuhiro Takaya
    • Organizer
      2019年度精密工学会秋季大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] In-Liquid Laser Nanomachining by Photonic Nanojet in Optical Tweezers Configuration2019

    • Author(s)
      Reza Aulia Rahman, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Mizutani, Yasuhiro Takaya
    • Organizer
      ISMQC 2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フォトニックナノジェットを利用した微細加工に関する研究(第7報) -フォトニックナノジェットの強度分布制御に基づいた加工制御-2019

    • Author(s)
      上野原努, 水谷康弘, 高谷裕浩
    • Organizer
      2019年度精密工学会春季大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Laser micro processing by position control of a photonic nanojet2018

    • Author(s)
      Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Takaya, Yasuhiro Mizutani
    • Organizer
      euspen’s 18th International Conference & Exhibition
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フォトニックナノジェットを利用した微細加工に関する研究(第6報) -フォトニックナノジェットの発生原理に基づく強度分布制御手法-2018

    • Author(s)
      上野原努, 水谷康弘, 高谷裕浩
    • Organizer
      2018年度精密工学会秋季大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Remarks] 高谷・水谷研究室ホームページ

    • URL

      http://www-optim.mech.eng.osaka-u.ac.jp

    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-05-01   Modified: 2024-03-26  

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