Real time and localized analysis of pulse laser fine-machining mechanism based on Raman scattering with optical frequency comb
| Project/Area Number |
19K21919
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高谷 裕浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70243178)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水谷 康弘 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40374152)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | 液中超短パルスレーザ加工 / フォトニック・ナノジェット / 電子増強ラマン散乱効果 / 光周波数コム・ラマン散乱解析 / ナノ局所界面計測 / 超微細レーザ加工 / 時間・空間選択性 / 加工現象解析 |
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| Outline of Research at the Start |
環境・エネルギー，医療・バイオや情報通信などの分野において，高品位な精密微細加工の必要性が増えている．本研究は，液中における超短パルスレーザ微細加工によってナノ局所界面で起こる加工現象を解明し，インプロセス加工計測制御への展開を目的とした，新規な計測原理の開拓に挑戦する．レーザ加工材料のプラズマ化が起こる直前の初期電子放出を契機とした水分子による電子の雪崩現象によって，増強度が１０万倍以上の電子増強ラマン散乱効果が誘起される．そこで，独自のフォトニック・ナノジェットとナノ粒子を利用したラマン散乱計測の超高感度化と，ナノ局所界面温度と物質構造変化の時間・空間選択的な加工計測原理の確立をめざす．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，電子増強ラマン散乱効果を利用した，ナノ局所界面における水分子層の選択的な温度・物性計測の基礎データを得るため，液中におけるフォトニック・ナノジェット（以降，PNJ: Photonic Nanojet）生成特性シミュレーションおよび加工現象の詳細な解析を行い，次の研究成果[1]～[3]を得た．
[1] 水中（屈折率1.33）におけるPNJ加工では，空気中（屈折率1.00）に比べてマイクロ球と加工試料の間の距離を長く取ることができるため，加工が可能であるビーム距離の範囲が長く，より自由度の高い加工に適用可能であることを明らかにした．さらに，水中で加工を行うことで加工時に発生する熱の影響の低減および加工された材料の除去を促すなどの効果を見いだし，ナノ局所界面における水分子層の選択的な温度・物性計測に有利な加工条件を明らかにした．
[2] 水中における加工実験条件と同様の数値解析モデルを設定したFDTD数値解析を行った．その結果，PNJ の特徴がシリコン基板表面における加工エネルギー分布にも反映されることが確認された．また，数値解析と実際の加工特性が良好な一致を示し，水中で発生した PNJ によって3μmデフォーカスしても加工可能であること，および長焦点深度特性がナノ局所界面の温度計測に有効に利用できることが実験的に確かめられた．
[3] 短パルスレーザを高いエネルギー密度で材料に照射するとプラズマが発生し，周囲媒質に衝撃波を発生させる現象を新たに見いだした．発生した衝撃波はマイクロ球まで到達し，マイクロ球を励振する．さらに加工が進行すると発生した衝撃波の伝搬距離が長くなるため，マイクロ球の振動状態が変化する．従って，加工中にマイクロ球の振動とナノ局所界面温度の同時計測によって，加工量のより高精度なリアルタイムモニタリングが実現できる可能性を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
フォトニック・ナノジェットによる液中の超短パルスレーザ加工過程において，ナノ局所界面で起こる加工現象による温度や物性変化を時間・空間選択的に捉えることができる，新たな加工計測原理を確立するためには，水分子層の選択的な温度・物性計測の基本特性を反映する，液中における加工現象の詳細な解析を行う必要がある．そこで本年度は，水中におけるPNJ特性のFDTD数値解析と実際の加工現象との関係を明らかにし，選択的な温度・物性計測に有利な加工条件を明らかにした．一方，水の電子増強ラマン散乱効果（以降，EERS:Electron Enhanced Raman Scattering）で増強されたスペクトルによる温度計測手法および加工表面層の光コムEERSスペクトルによる物性計測手法を確立するためには，誘導ラマン散乱が放射される後方散乱光を低損失で分光計測することによって，ナノ局所界面における水分子層によるEERSスペクトル計測を実現する必要がある．このとき，衝撃波によるマイクロ球の励振および加工の進行とともに変化する衝撃波の伝搬距離とそれに起因するマイクロ球の振動状態変化の影響が問題となる可能性がある．従って，PNJ特性のFDTD数値解析に基づいた加工量の推定を高精度化するため，ビームパワーやマイクロ球と加工試料の間の距離などの加工条件を変えたときの液中加工実験を遂行したが，コロナ感染による実験の停滞によって十分な検証データが得られていない．さらに，EERSスペクトル計測の予備実験，光コムの波長間隔に対応した波長吸収率の深さ分解能で加工表面の物性が測定可能な表面ラマン計測光学系の構築，およびそれを利用した光コムEERSスペクトル計測の適用性およびナノ局所界面における水分子層と加工表面の同時EERSスペクトル計測の有効性の検証が未着手であることから，進捗状況として「やや遅れている」の評価とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
加工条件による加工量変化の推定を高精度化するために不可欠な，水中加工実験に基づいた検証データ収集の遅れを取り戻すため，加工の進行とともに変化するマイクロ球の振動状態と加工量および後方散乱光を同時に計測する手法の検討と系統的な基礎実験を集中的に遂行する．特に，衝撃波の伝搬距離に起因するマイクロ球の振動状態変化と吸収・散乱による誘導ラマン散乱光量の減衰を定量的に明らかにすることによって，分光器に導入できる誘導ラマン散乱光量が減衰するのを最小限に抑える．そのためにマイクロ球の振動状態を共焦点光学系によって測定し，誘導ラマン散乱光の集光位置を一定に制御するラマン散乱計測光学系を構築する．また，PNJ特性のFDTD数値解析に基づいて加工量を推定し，誘導ラマン散乱が放射される後方散乱光の高S/N，低損失および高効率な分光計測手法を検討する必要がある．そこで，水中加工中において励起用ナノ粒子として水酸化フラーレン分子を用いたEERSスペクトル計測を系統的に遂行し，誘導ラマン散乱の放射特性を明らかにする．その知見に基づいて，誘導ラマン散乱の増強効果を最適化し，ナノ局所界面で起こる加工現象による温度や物性計測の時間・空間選択性と安定性向上を図る．ナノ局所界面における水分子層のEERSスペクトルから温度に換算するため，あらかじめバルク水のラマン散乱スペクトルに基づいた温度校正手法を確立し，温度変化と材料除去に伴う構造変化が識別可能なラマンスペクトル解析手法を検討する．さらに，光コムEERSスペクトルに基づいた，ナノメートルオーダの深さ分解能による構造変化検出によって，加工中における加工変質と温度との関係を明らかにできる可能性を検討する．以上により，ナノ局所界面における水分子層と加工表面の同時EERSスペクトル計測に基づいた加工現象解析手法の有効性を示す．
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
