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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

研究課題

研究課題/領域番号 23K20907
補助金の研究課題番号 21H01224 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分18020:加工学および生産工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

伊藤 佑介  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (90843227)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 130千円 (直接経費: 100千円、間接経費: 30千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2021年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
キーワードレーザ加工 / 精密加工 / 応力波 / 応力分布計測 / 超高速計測 / 衝撃波 / 応力分布 / 光弾性法 / フェムト秒レーザ加工 / 応力計測 / 応力制御 / 超高速イメージング / 透明材料 / フェムト秒レーザ / ガラス / 高速計測 / 高速イメージング
研究開始時の研究の概要

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.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する.定量計測法,応力場制御法,それらを統合した計測制御システムの構築法,の3つの基礎理論を確立し,超精密レーザ加工の体系化を図る.

研究実績の概要

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.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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.

今後の研究の推進方策

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.

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (43件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (36件) (うち国際学会 20件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Generation mechanism and temporal?spatial evolution of electron excitation induced by an ultrashort pulse laser in zirconia ceramic2024

    • 著者名/発表者名
      Wei Chaoran、Zhang Yanming、Sugita Naohiko、Ito Yusuke
    • 雑誌名

      Applied Physics A

      巻: 130 号: 2 ページ: 105-105

    • DOI

      10.1007/s00339-023-07223-7

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Crackless high-aspect-ratio processing of silica glass with a temporally shaped ultrafast laser2024

    • 著者名/発表者名
      Guoqi Ren, Huijie Sun, Keiichi Nakagawa, Naohiko Sugita, and Yusuke Ito*
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 49 号: 9 ページ: 2321-2324

    • DOI

      10.1364/ol.522052

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrafast processing of zirconia ceramics by transient and selective laser absorption2024

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yanming、Wei Chaoran、Fukui Tomohiro、Sugita Naohiko、Ito Yusuke
    • 雑誌名

      Ceramics International

      巻: In press 号: 14 ページ: 25273-25281

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2024.04.257

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mechanism and performance evaluation of transient and selective laser processing of glass based on optical monitoring2023

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yanming、Ito Yusuke、Yoshizaki Reina、Shibata Akihiro、Nagasawa Ikuo、Nagato Keisuke、Sugita Naohiko
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 31 号: 23 ページ: 38191-38191

    • DOI

      10.1364/oe.497360

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Temporal-spatial characteristics of filament induced by a femtosecond laser pulse in transparent dielectrics2022

    • 著者名/発表者名
      Ren Guoqi、Ito Yusuke、Sun Huijie、Sugita Naohiko
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 30 号: 4 ページ: 4954-4964

    • DOI

      10.1364/oe.449874

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultrafast and large-gap microwelding of glass substrates by selective absorption of continuous-wave laser into transiently excited electrons2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshitake Shunya、Ito Yusuke、Miyamoto Naoyuki、Yoshizaki Reina、Sugita Naohiko
    • 雑誌名

      CIRP Annals

      巻: - 号: 1 ページ: 157-160

    • DOI

      10.1016/j.cirp.2022.03.003

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigation of damage generation process by stress waves during femtosecond laser drilling of SiC2021

    • 著者名/発表者名
      Hattori Junya、Ito Yusuke、Nagato Keisuke、Sugita Naohiko
    • 雑誌名

      Precision Engineering

      巻: 72 ページ: 789-797

    • DOI

      10.1016/j.precisioneng.2021.08.006

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 励起領域への選択的光吸収による透明材料の超高速レーザー加工2024

    • 著者名/発表者名
      伊藤佑介, 任国旗
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 石英ガラス内の超短パルスレーザ誘起応力波の3次元応力テンソル場計測2024

    • 著者名/発表者名
      服部隼也, 徳味健太, 杉田直彦, 伊藤佑介
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] パルスエネルギ変調フェムト秒レーザ加工法による石英ガラスへのクラックフリー微細穴あけ加工2024

    • 著者名/発表者名
      服部隼也, 長谷川亮太, 杉田直彦, 伊藤佑介
    • 学会等名
      2024年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Plasma filament induced by a femtosecond laser pulse in transparent dielectrics2024

    • 著者名/発表者名
      Guoqi Ren, Huijie Sun, Naohiko Sugita, and Yusuke Ito
    • 学会等名
      第100回レーザ加工学会講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Ultrafast processing of transparent materials by selective absorption of long-pulse laser into transiently excited electrons2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Ito
    • 学会等名
      International workshop on laser material processing and applications (LMPA)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast processing of dielectric materials by selective absorption of continuous-wave laser into transiently excited electrons2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Ito
    • 学会等名
      PULMM
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast processing of transparent materials by selective absorption of continuous-wave laser into transiently excited electrons2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Ito, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      Q-Basis
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast dynamics of the interaction between double-pulse femtosecond laser and silica glass2023

    • 著者名/発表者名
      Guoqi Ren, Yusuke Ito, Reina Yoshizaki, Huijie Sun, Junya Hattori, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      JSAP-Optica Joint Symposia
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Measurement of intense stress wave generated by femtosecond laser double pulses in fused silica2023

    • 著者名/発表者名
      Huijie Sun, Junya Hattori, Tomohiro Fukui, Naohiko Sugita, and Yusuke Ito
    • 学会等名
      12th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Crackless femtosecond laser percussion drilling of SiC by suppressing shock wave magnitude2023

    • 著者名/発表者名
      Junya Hattori, Yusuke Ito, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      72nd CIRP General Assembly
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Real-time optical monitoring and evaluation of glass through hole drilled by transient and selective laser processing2023

    • 著者名/発表者名
      Kotaro Hinuma, Yanming Zhang, Yusuke Ito, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Ultrafast and precision micro-drilling of zirconia ceramics by transient and selective laser processing2023

    • 著者名/発表者名
      Yanming Zhang, Chaoran Wei, Yusuke Ito, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on the propagation behaviour of ultrashort pulses inside synthetic silica glass2023

    • 著者名/発表者名
      Takumi Koike, Yusuke Ito, Guoqi Ren, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Time-resolved stress measurement by photoelastic imaging incorporated with Mach-Zehnder interferometry2023

    • 著者名/発表者名
      Sabrina Crepaldi, Yusuke Ito, Junya Hattori, Hiroshi Jo, Guoqi Ren, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Time-resolved quantitative imaging of electronic excitation processes in glass under femtosecond laser irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      Qinru Zheng, Yusuke Ito, Junya Hattori, Yuta Teshima, Guoqi Ren, Huijie Sun, A. Amani Eilanlou, Atsushi Iwasaki, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 熱影響を考慮した超短パルスレーザ・誘電体間の相互作用に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      小池匠, 伊藤佑介, 任国旗, 杉田直彦
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 時間分解偏光マッハ・ツェンダー干渉計による超短パルスレーザ誘起応力波の空間プロファイル計測2023

    • 著者名/発表者名
      服部隼也, 伊藤佑介, 徳味健太, 杉田直彦
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 超短パルスレーザ照射時の材料表面変位の高速ナノスケール計測2023

    • 著者名/発表者名
      魏超然, 北村章吾, 服部隼也, 孫慧傑, 杉田直彦, 伊藤佑介
    • 学会等名
      2023年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Ultrafast processing of glass by selective absorption of continuous-wave laser into transiently excited electrons2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Ito, Reina Yoshizaki, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      OPIC SLPC
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Multi-timescale observation of femtosecond laser drilling of zirconia ceramics2022

    • 著者名/発表者名
      Yanming Zhang, Huijie Sun, Yusuke Ito, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      COLA 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Pulse width dependence of spatiotemporal electron excitation in fused silica by ultrashort laser pulse2022

    • 著者名/発表者名
      Takumi Koike, Yusuke Ito, Reina Yoshizaki, Guoqi Ren, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      COLA 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of ultrashort pulse laser drilling of dielectric materials by combining time-resolved imaging and high-speed camera2022

    • 著者名/発表者名
      Huijie Sun, Yusuke Ito, Guoqi Ren, Junya Hattori, Hiroshi Jo, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      SPIE LASE
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Temporal-spatial evolution of filament induced by femtosecond laser pulse in transparent dielectrics2022

    • 著者名/発表者名
      Guoqi Ren, Yusuke Ito, Huijie Sun, Takumi Koike, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      SPIE LASE
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantitative estimation of plasma density in filament induced by a femtosecond laser pulse2022

    • 著者名/発表者名
      任国旗, 伊藤佑介, 服部隼也, 孫慧傑, 杉田直彦
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高速応力場制御によるガラスの精密フェムト秒レーザ加工2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤俊大, 伊藤佑介, 服部隼也, 魏超然, 杉田直彦
    • 学会等名
      第29回精密工学会学生会員卒業研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Investigation of ultrashort pulse laser drilling of sapphire by combining time-resolved imaging and high-speed camera2022

    • 著者名/発表者名
      Huijie Sun, Yusuke Ito, Guoqi Ren, Junya Hattori, Naohiko Sugita
    • 学会等名
      2022年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 超短パルスレーザによって形成されるプラズマチャネル時空間分布のパルス幅依存性2022

    • 著者名/発表者名
      小池匠, 伊藤佑介, 吉﨑れいな, 任国旗, 杉田直彦
    • 学会等名
      2022年度精密工学会春季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] High-speed observation of stress wave propagation and damage generation during ultrashort pulse laser drilling of sapphire2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Jo, Yusuke Ito, Junya Hattori, Keisuke Nagato, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High-speed processing of glass by sweeping high-temperature region formed by femtosecond and continuous wave lasers2021

    • 著者名/発表者名
      Chaoran Wei, Reina Yoshizaki, Yusuke Ito, Akihiro Shibata, Ikuo Nagasawa, Keisuke Nagato, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvements on machinability and efficiency for laser-assisted machining of titanium alloys via experimental and thermal analyses2021

    • 著者名/発表者名
      Huijie Sun, Zhenzhi Ying, Yusuke Ito, Chaoran Wei, Hidebumi Takahashi, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulation of femtosecond laser drilling of glass in consideration of heat accumulation2021

    • 著者名/発表者名
      Chaoran Wei, Yusuke Ito, Rin Shinomoto, Keisuke Nagato, and Naohiko Sugita
    • 学会等名
      The 22nd International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] レーザ援用によるチタン合金の高速微細切削加工に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      孫慧傑, 応振智, 伊藤佑介, 魏超然, 徐弘, 高橋秀史, 杉田直彦
    • 学会等名
      2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 超短パルスレーザによるサファイア加工の超広時間スケール観察2021

    • 著者名/発表者名
      徐弘, 伊藤佑介, 服部隼也, 長藤圭介, 杉田直彦
    • 学会等名
      2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 電子励起領域へのレーザ吸収を用いたガラスの微細高速接合における密度分布変化の解析2021

    • 著者名/発表者名
      吉武俊哉, 伊藤佑介, 吉﨑れいな, 服部隼也, 長藤圭介, 杉田直彦
    • 学会等名
      2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 精密過渡選択的レーザ吸収と高温領域の掃引によるガラスの微細高速溝加工法2021

    • 著者名/発表者名
      魏超然, 吉﨑れいな, 伊藤佑介, 柴田章広, 長澤郁夫, 長藤圭介, 杉田直彦
    • 学会等名
      2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ガラスのフェムト秒レーザ加工中の超高速圧力分布計測2021

    • 著者名/発表者名
      服部隼也, 伊藤佑介, 杉田直彦
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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