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2011 年度 実績報告書

レーザー誘起局所加熱と温度分布制御によるガラス内部の組成分布変化現象の解明

研究課題

研究課題/領域番号 22750187
研究機関京都大学

研究代表者

坂倉 政明  京都大学, 次世代低炭素ナノデバイス創製ハブ, 特定専門業務職員 (90402958)

キーワードガラス / レーザー加工 / 組成分布制御 / 液晶空間光変調器 / フェムト秒レーザー / 温度圧力分布 / 熱拡散シミュレーション
研究概要

本研究では、ガラスの組成の空間分布を制御することによって機能性を向上する技術を確立するために、フェムト秒レーザーパルスの集光照射によってガラス内部の溶融領域で起こる組成分布変化の制御因子を見出すことを目的とした。制御因子はガラスの構成元素、熱的性質、温度分布、圧力分布と考えられ、それぞれの効果を明らかにする必要がある。本年度では、(1)空間光変調器を用いた多点同時レーザー照射によって複雑な温度分布を形成し、温度分布が及ぼす元素分布の影響を詳細に調べ、(2)元素拡散のシミュレーションにより、元素が温度分布に従って移動する物理的要因と構成元素の組み合わせ・温度分布・移動方向の関係を調査した。
(1)多点同時レーザー照射により多数の熱源を作るだけでなく、異なる繰返し周波数のレーザーを組み合わせることにより、温度勾配の空間分布を制御し溶融領域の形状を制御することに成功した。急峻な温度勾配は低い繰返し周波数で照射することにより作ることができるが、冷却速度が非常に速く溶融状態を保つことができなかった。そこで、高い繰返し照射を同時に組み合わせることで温度を高く保つ方法を開発し、溶融領域の形状制御の自由度が向上した。具体的には、鋭い頂点を持つ多角形を生じるような組成分布を作成することに成功した。また、急峻な温度勾配によって対流を引き起こし、特定の元素が局所的に集まることも見出した。
(2)1年目の研究により明らかにしたレーザー照射中の温度分布を用いて二成分系のガラス中での熱駆動拡散方程式のシミュレーションを行い、ガラスを構成するアニオンとの結合強度が強い元素が高温側に移動することが明らかになった。このことにより、添加する元素をうまく選べば、望みの元素を特定の場所に集められるようになり、その具体例として、相対的にアニオンとの結合強度の弱いInを加えることにより通常は低温側へ移動するBa2+イオンを高温領域に集めることに成功した。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 7件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] Laser-induced transient stress distribution inside a single crystal by time-resolved birefringence imaging2012

    • 著者名/発表者名
      T. Tochio, M. Sakakura, S. Kanehira, Y. Shimotsuma, K. Miura, K. Hirao
    • 雑誌名

      Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing(LAMOM) XVII

      ページ: 82430E-82430E-8

    • DOI

      DOI:10.1117/12.908186

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Three-dimensional temperature distribution and modification mechanism in glass during ultrafast laser irradiation at high repetition rates2012

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Shimizu, Masaaki Sakakura, 他5名
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 20 ページ: 934-940

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Control of material properties by parallel laser irradiations at multiple laser spots using a spatial light modulator2012

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Sakakura, Takaya Tochio, 他6名
    • 雑誌名

      Laser Applications in Microelectronic and Optelectronic Manufucturing (LAMOM) XVII, Proceedings of SPIE

      巻: 8,243 ページ: UNSP824310

    • DOI

      10.1117/12.912752

  • [雑誌論文] Control of element distribution in glass with femtosecond laser2012

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Shimizu, Masaaki Sakakura, 他4名
    • 雑誌名

      Laser-based Micro- and Nanopackaging and Assembly VI, Proceedings of SPI

      巻: 8,244 ページ: UNSP82440O

    • DOI

      10.1117/12.906644

  • [雑誌論文] Modification of long range order in germanate glass by ultra fast laser2011

    • 著者名/発表者名
      X. Wang, M. Sakakura, Y. Liu, JR. Qiu, Y. Shimotsuma, K. Hirao, and K. Miura
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: Vol.511(4-6) ページ: 266-269

    • DOI

      DOI:10.1016/j.cplett.2011.06.063

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improved phase hologram design for generating symmetric light spots and its application for laser-writing of waveguide2011

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Sakakura, Tsutomu Sawano, 他3名
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 36 ページ: 1065-1067

    • DOI

      10.1364/OL.36.001065

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation mechanism of element distribution in glass under femtosecond laser irradiation2011

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Shimizu, Masaaki Sakakura, 他5名
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 36 ページ: 2161-2163

    • DOI

      10.1364/OL.36.002161

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Observation of femtosecond laser induced stress wave and structural change inside a rock-salt crystal2011

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Sakakura, Takaya Tochio, 他6名
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 19 ページ: 17780-17789

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unexpected influence of focal depth on nucleation during femtosecond laser crystallization of glass2011

    • 著者名/発表者名
      Adam Stone, Masaaki Sakakura, 他5名
    • 雑誌名

      Optical Material Express

      巻: 1 ページ: 990-995

    • 査読あり
  • [学会発表] Transient stress imaging inside single crystals after photoexcitation by a focused fs laser pulse2012

    • 著者名/発表者名
      坂倉政明, 杤尾孝哉, 他3名
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(招待講演)
    • 年月日
      2012-03-15
  • [学会発表] Control of element distribution in glass with femtosecond laser2012

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Shimizu, Masaaki Sakakura, 他4名
    • 学会等名
      Photonics West 2012
    • 発表場所
      The Moscone Center, San Fransisco, CA, USA
    • 年月日
      2012-01-26
  • [学会発表] Control of material properties by parallel laser irradiations at multiple laser spots using a spatial light modulator2012

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Sakakura, Takaya Tochio, 他6名
    • 学会等名
      Photonics West 2012
    • 発表場所
      The Moscone Center, San Fransisco, CA, USA(招待講演)
    • 年月日
      2012-01-25
  • [学会発表] Laser-induced transient stress distribution inside a single crystal by time-resolved birefringence imaging2012

    • 著者名/発表者名
      Takaya Tochio, Masaaki Sakakura, 他4名
    • 学会等名
      Photonics West 2012
    • 発表場所
      The Moscone Center, San Fransisco, CA, USA
    • 年月日
      2012-01-24

URL: 

公開日: 2013-06-26  

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