Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

セラミクス / フェムト秒レーザ / レーザ加工 / 高速観察 / 相転移 / 過渡的透明化 / 光駆動相転移 / 多段相転移

セラミック材料は，優れた機械的，電気的，熱的特性を有することから，電子機器，光学機器等の主要部品として活用されている．これらの機器の更なる高機能化，低価格化のためには，セラミック材料の微細加工を高能率かつ精密に施す技術の確立が要求されるが，その硬脆性故にセラミック材料の加工は困難を極める．硬脆材料に対する微細加工技術としてフェムト秒レーザが注目されているが，精密加工と加工能率に課題が存在する．上記の2点の課題を同時に解決する手法として，2018年に「過渡選択的レーザ加工法」が実証された．しかしながら本技術の適用対象は，その原理上，透明材料に限定され，不透明であるセラミック材料には適用できない．そこで本研究では，不透明材料を加工中に瞬間的に透明化する技術を開発することで「過渡選択的レーザ加工法」の適用範囲を拡張し，セラミック材料の超高速精密微細加工を実現することを目的とする．
本年度は，フェムト秒レーザ照射時の材料内部の基礎過程解明に向け，ポンプ・プローブ法と高速度カメラを複合させたイメージングシステムを構築し，加工過程をピコ秒からミリ秒に至る極めて広い時間スケールで計測した．セラミック材料はミクロスケールにおいて広いバンドギャップを有し，高い透過性を示すが，マクロに見たバルク材料では粒界における光散乱のために透過性が低く，内部を観察することが容易ではない．本研究では，プローブ光に工夫を施すことで，材料内部の観察を実現し，励起の基礎過程を写し出した．

相転移 / レーザーナノ / マイクロ加工 / サファイア / シリカガラス(アモルファス・結晶性) / X線回折 / ラマン散乱 / リップル構造 / プラズマ処理 / レーザー加工

本年度も引き続き、フェムト秒レーザーパルスをサファイアなどの固体結晶内部に集光照射することで生じるマイクロ衝撃波によって形成される細孔及びその周囲の結晶構造変化の形成メカニズムに関する研究を行った。解析する試料として、これまでの行った研究と比較して改質領域の大きい細孔構造を基板全体に作製し、直径数10μmサイズの円筒形状の改質部位をサンプル全体に1.5-2.5μm間隔で得た。これらの作製した改質領域に対して、日本のSpring-8、及び米国Argonne National Laboratoryのシンクロトロン放射光施設を用いてX線を照射することで、改質部位の構造解析を行った。現在はこれらの膨大な計測結果の解析を進めている段階であり、まだすべてのデータを解析し終えたわけではないが、相転移の本質に迫る結果が得られると考えられる。また、ニッケル及びシリコン薄膜にレーザー光を集光照射することによって形成されるリップル構造についても、その形成過程の解析を行った。その結果、どちらの場合においても、光電場の垂直方向成分とプラズモン増強効果がリップル構造形成に大きく影響していることが明らかとなった。
一方、液晶液滴をレーザートラッピング法によって捕捉し、液晶液滴内部の分子配向を制御することによって、光の偏光状態をコントロールすることが可能であることを見出した。レーザー光の偏光状態は、誘起される改質部分の形状に大きく影響を与えることが予想され、この知見はレーザー光の偏光状態と改質の形成について解析するうえで重要となると考えられる。

【研究分担者】
田中悟	九州大学	大学院・工学研究院	教授	(Kakenデータベース)