応力場の高速時空間制御による超精密フェムト秒レーザ加工技術基盤の創出

利用应力场高速时空控制创建超精密飞秒激光加工技术平台

• 批准号: 21H01224
• 负责人: 伊藤 佑介
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01224/
• 关键词: 応力波; 応力分布計測; 超高速計測; 精密加工; フェムト秒レーザ加工; 応力計測; 応力制御; 超高速イメージング; 透明材料; フェムト秒レーザ; ガラス; 高速計測; 高速イメージング

透明材料を微細に加工する手法としてフェムト秒レーザが注目されている．しかし，フェムト秒レーザ加工時にはクラックが生成されるため，精密加工が困難である．本研究では，フェムト秒レーザ加工時に過渡的に出現する巨大応力場を時間的かつ空間的に制御することにより，透明硬脆材料の超精密加工を実現する．従来の電気的・機械的なセンシング・アクチュエーションで，ピコ秒の時間スケールを計測・制御することは極めて困難である．そこで本研究では，ピコ秒スケールで変動する応力場の定量計測技術と，瞬間的に出現する引張応力を抑制する応力場制御技術を開発し，両技術を統合することで，超精密加工技術基盤を創出することを目的としている．本年度は，応力波伝搬時の密度分布をピコ秒からナノ秒のオーダで計測する技術の開発と，同等の時間スケールで応力分布を制御する技術を開発し，両技術の複合によって引張応力を抑制することを目的とした．密度分布計測には，ポンプ・プローブ撮像法とマッハ・ツェンダー干渉計を組み合わせた手法を開発し，高速変化の3次元分布を計測した．計測の結果，応力波の前方に分布する圧縮応力と後方に分布する引張応力の時間差と強度差を明瞭に示した．それをもとに引張応力の生じるタイミングで第2の応力波を生成し，圧縮応力を付与し，応力を相殺することを提案した．提案手法の有効性を評価するために， 加工用のレーザ光をメインパルスとサブパルスに分岐し，微小な遅延時間を設けた後に同軸で加工試料に集光できる実験系を構築した．さらに，その際の高速現象を計測できるシステム構成とした．各種の条件で実験を行い，有効性を評価した．

飞秒激光器作为透明材料的精细加工方法而备受关注。然而，飞秒激光加工过程中会产生裂纹，导致精密加工变得困难。在这项研究中，我们通过在时间和空间上控制飞秒激光加工过程中瞬态出现的巨大应力场，实现了透明硬脆材料的超精密加工。使用传统的电气和机械传感和驱动来测量和控制皮秒时间尺度是极其困难的。因此，在本研究中，我们开发了皮秒级波动的应力场定量测量技术和抑制瞬间出现的拉应力的应力场控制技术，通过整合这两种技术，我们将为超微结构的发展奠定基础。目的是创造精密加工技术。今年，我们开发了一种以皮秒到纳秒量级测量应力波传播过程中的密度分布的技术，以及一种在同一时间尺度上控制应力分布的技术，并通过结合这两种技术来抑制拉伸应力。 。为了测量密度分布，我们开发了一种结合泵浦探针成像方法和马赫-曾德干涉仪的方法，测量高速变化的三维分布。测量结果清晰地显示了应力波前方分布的压应力与后方分布的拉应力之间的时间差和强度差。基于此，我们建议在拉应力发生时产生第二应力波，施加压应力，并抵消应力。为了评估该方法的有效性，我们构建了一个实验系统，其中用于加工的激光束被分成主脉冲和子脉冲，并在设置一分钟的延迟时间后，将光同轴聚焦在工件上。处理过的样品。此外，我们还设计了可以测量当时高速现象的系统配置。我们在各种条件下进行了实验并评估了有效性。

项目成果

Temporal-spatial characteristics of filament induced by a femtosecond laser pulse in transparent dielectrics.

透明电介质中飞秒激光脉冲引起的灯丝的时空特性。

• DOI: 10.1364/oe.449874
• 发表时间: 2022-01-25
• 期刊: Optics express
• 影响因子: 3.8
• 作者: Guoqin Ren;Yusuke Ito;Huijie Sun;N. Sugita
• 通讯作者: N. Sugita

ガラスのフェムト秒レーザ加工中の超高速圧力分布計測

玻璃飞秒激光加工过程中的超高速压力分布测量

• 发表时间: 2021
• 作者: 服部隼也; 伊藤佑介; 杉田直彦
• 通讯作者: 杉田直彦

Investigation of damage generation process by stress waves during femtosecond laser drilling of SiC

SiC飞秒激光钻孔应力波损伤产生过程研究

• DOI: 10.1016/j.precisioneng.2021.08.006
• 发表时间: 2021-11-01
• 期刊: Precision Engineering-journal of The International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology
• 影响因子: 3.6
• 作者: J. Hattori;Yusuke Ito;K. Nagato;N. Sugita
• 通讯作者: N. Sugita

Investigation of ultrashort pulse laser drilling of sapphire by combining time-resolved imaging and high-speed camera

时间分辨成像与高速相机相结合研究蓝宝石超短脉冲激光钻孔

• 发表时间: 2022
• 作者: Huijie Sun; Yusuke Ito; Guoqi Ren; Junya Hattori; Naohiko Sugita
• 通讯作者: Naohiko Sugita

High-speed observation of stress wave propagation and damage generation during ultrashort pulse laser drilling of sapphire

蓝宝石超短脉冲激光钻孔过程中应力波传播和损伤产生的高速观察

• 发表时间: 2021
• 作者: Hiroshi Jo; Yusuke Ito; Junya Hattori; Keisuke Nagato;Naohiko Sugita
• 通讯作者: Naohiko Sugita