2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of laser processing of ceramic based on transient transparentization
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22J22624
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
WEI CHAORAN 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2022-04-22 – 2025-03-31
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| Keywords | レーザ加工 / マイケルソン干渉計 / ポンププローブ観察法 / 微細加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
セラミック材料の過渡的透明化加工を実現するために、材料がレーザパルスに照射される最初期に起こる現象が非常に重要となる。今年度、その時の過渡的な現象の高速度観察に注目した。最初に、パルスレーザの加工実験系に基づいて、マイクルソン干渉計のポンププローブ観察系を構築しました。時間分解計測法とマイケルソン干渉計を組み合わせることで，超短パルスレーザ照射後の材料表面の変形過程を，ピコ秒かつナノメートルの時空間スケールで計測することを目指す。
それに、上記の実験系により、石英ガラス材料のパルスを受ける時の最初期の表面形状の変化を観察した。加工前後の材料表面の干渉縞画像を干渉縞解析プログラムによる解析し、レーザ照射後100 ps以内の表面形状変化履歴をナノメートルオーダーの精度で取得した。照射直後の5 ps内に材料の変形速度が100 km/sを超えることが分かった。なお、このような表面観察は多種の材料に対応できるので、これからセラミックなどの不透明材料に実施する予定がある。以上の研究はパルスレーザの照射によりセラミック材料の物性を制御する目標に貢献する。
上記の研究と並列して、セラミック材料でのパルスレーザによる局所電子励起領域の生成過程及びTSL（過渡選択的レーザ）加工法の加工性について調査した。フェムト秒レーザ照射時ジルコニアセラミック材料内部の電子励起領域（金属相）の生成と発展過程を明らかにした。実験によって、セラミックの表面散乱を低減させ、高密度微細電子励起領域を誘導することに成功しました。最後に、超高速カメラ観察技術を使用して、セラミック材料のTSL加工の材料除去メカニズムを明らかにし、セラミック材料の加工効率を大幅に向上させました。
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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
今年度以下の二項目に手を組んだ。
1．石英ガラス材料のパルスレーザ照射時の最初期の現象観察である。この項目には、マイケルソン干渉計と時間分解計測法により、レーザ照射後100 ps以内の最初期における表面形状変化を高空間・時間分解能で観察した。これらの結果は，光照射後最初期の過程の解明と，レーザエネルギの高効率利用に貢献すると考えられる．セラミック材料に対する過渡的な物性制御にも役に立つと考えられる。
2．セラミック材料の高効率精密微細加工を実現するため、パルスレーザによる材料内部の電子励起領域の生成メカニズム及び制御が重要である。実験により、電子励起領域の生成過程を高時間分解能で観察できて、レーザパラメータが電子励起領域の諸特性に与える影響を定量的に評価した。そして、加工に最適な電子励起領域が生成できるレーザパラメータを決めて、セラミック材料に過渡選択的加工法の実施に成功して、ジルコニアセラミックのレーザ加工効率を大幅に向上させました。
以上の進捗をまとめ、今年度の研究の進捗はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下の三方向で将来の研究を推進したいと思う。
1．パルスレーザが物質に照射時の最初期の現象観察をより高い時間分解能で行い、最初の5 psに発生する超高速現象をより深く理解することを目指す。そして、ガラス材料以外に、セラミック材料を対象にして、パルスレーザが材料に与える影響を観察実験により解明する。
2．当研究室今まで開発したレーザ加工シミュレーションモデルを基づいて、二温度モデルと第一原理計算の理論を加え、パルスレーザと物質の相互作用を分析できるシミュレーションモデルの作成を目指す。そのモデルにより、レーザ照射時物質の瞬時物性を計算することが期待される。
3．加工実験について、ビーム整形やフィードバック制御などの方法により、加工効率と質を改善することを目指す。さらに、加工に発生するマイクロ・サブマイクロスケールのダメージの生成と拡大を観察し、定量的に評価し、低減させる対策を探索する。
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