2021 年度研究成果報告書

透明材料の超短パルスレーザ加工閾値に関する熱的・電子的統一モデリングの構築

研究課題

PDF

研究課題/領域番号	18H01379
研究種目	基盤研究(B)
配分区分	補助金
応募区分	一般
審査区分	小区分19020:熱工学関連
研究機関	東京工業大学
研究代表者	伏信一慶東京工業大学, 工学院, 教授 (50280996)
研究期間 (年度)	2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード	レーザ / 透明材料 / 加工閾値 / 熱工学
研究成果の概要	透明材料の超短パルスレーザ加工における熱的・電子的な加工メカニズムについて実験的・理論的な検討を行い、その重畳性について理論的な説明を与えた。溶融石英を対象に超短パルスレーザ加工を行い、その加工閾値については特徴的な振る舞いを示し、パルス幅依存性を有することを確認した。また加工深さについてはフルエンスに対して２段階の特徴を示す。この解析のため電子のrate eq.、電場解析のBPMと、２温度モデルによる電子・格子の温度上昇解析を組み合わせることで、数百fsのパルス幅領域における両者の重畳性を説明できた。これにより当初目的とした統一的モデリングの重要性の確認を果たしている。
自由記述の分野	熱工学
研究成果の学術的意義や社会的意義	ガラスなどの透明材料はスマートフォンやディスプレイ、微量試薬検査など膨大な応用があるが、一般に硬くて脆い材料が多いため機械加工が困難で、レーザ加工が期待される。しかしながら「透明」材料であるため、レーザ光を吸収させ加工に至らせる現象が複雑で、意図した加工を施すための条件設定が極めて複雑である。本研究ではこの課題に理論的説明を与えるため、非線形光学効果と呼ばれる現象により光吸収が強くなる１兆分の１秒程度以下の超短パルスで発光するレーザを用いた加工現象について、従来から言われてきた電子の挙動と、条件によって共存する熱的な挙動の両者を統一的に論じることの重要性を提起し、実験と理論計算により検証した。