2020 Fiscal Year Annual Research Report
パルスレーザーの多点同時照射とエネルギー変調による透明材料内部の誘起構造制御
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20H02482
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
三浦 清貴 京都大学, 工学研究科, 教授 (60418762)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 雅弘 京都大学, 工学研究科, 助教 (60704757)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ガラス / レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多点レーザー照射における空間的な照射位置、繰返し周波数および照射エネルギーの違いによる元素移動の挙動を明らかにするため、熱拡散方程式を用いて多点同時照射中の溶融領域における温度分布の時間変化をシミュレーションした。さらに、得られた温度勾配からFulcherの式によって与えられる粘度と温度の関係を利用し空間的な粘度分布を計算した。
同時に、多点レーザーの照射位置等を変化させて得られた溶融領域の元素分布形状を実測し、シミュレーション結果との相関を調べた。
繰返し周波数が1kHzと250 kHzの同時レーザー照射によって、元素分布形状を三次元的に制御することが可能であることに加え、250 kHzレーザーの集光位置（深さ）に対して1 kHzレーザーの集光位置を相対的に変化させることで、温度分布（粘度分布）に対応して特定元素、例えば、網目形成イオンであるSiのみが上側もしくは下側に選択的に移動することを明らかにした。この現象は、温度勾配を駆動力とした物質の拡散現象であるソレー効果が大きく関与していることが考えられるため、ガラス融液のソレー係数を修正Kempersモデルにより計算することで、単純化したSiO2-CaOガラスにおいて元素の拡散方向(高温側と低温側)を予測し、実験結果と一致することを確認した。しかしながら、CaやNaイオンのような網目修飾イオンの三次元空間における実験結果は、多点照射による温度勾配の形成だけでは説明することが難しく、レーザーの繰返し周波数に応じて温度分布・粘度分布が変化することでイオンが拡散する効果や、1 kHzレーザー照射により生じる瞬間的な熱膨張と、その結果として発生する密度対流の影響を加味する必要があることも確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度の研究目標である、レーザーを多点同時照射することで生じる温度分布（勾配）の三次元空間でのシミュレーションおよび温度分布の結果から予測される粘度分布の把握と、最終的に得られる元素分布の実験結果とをもとに、多点レーザー照射における空間的な照射位置、繰り返し周波数および照射エネルギーの違いによる元素移動の挙動を明らかにすることをおおむね達成しているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
単結晶内部における衝撃波の干渉を利用したクラックの伸長制御や構造変化
衝撃波の干渉効果を利用して特定方向の転位やクラックの形成など、原子配列に依存した異方的な構造変化を制御するためには、レーザー照射により発生する過渡応力（衝撃波）の伝搬過程を観測し、さらには実験結果を再現できるシミュレーションの確立が必要である。そこで、既設の時間分解透過顕微鏡システムを利用し、プローブ光として円偏光を用い、1/4 波長板と偏光子の条件を変化させたときの透過光強度を解析することで、ピコからナノ秒スケールでの応力の変化を観測する(三浦)。同時に、弾性力学シミュレーションによる応力分布の理論的解析およびPump-Probe法と偏光解析法に基づき、レーザー照射後の結晶内部での過渡応力分布の可視化を行い、理論と実験の両面から結晶構造に依存して異なる種々衝撃波の緩衝効果を比較・検証する(三浦、清水)。
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