レーザによる局所選択的加熱を用いたガラスの三次元微細加工法

激光局部选择性加热玻璃三维微加工方法

• 批准号: 20J11607
• 负责人: 吉崎 れいな
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J11607/
• 关键词: 微細加工; レーザ加工; 超短パルスレーザ; 電子励起密度; ガラス; 過渡選択的レーザ加工法

「レーザによる局所選択的加熱を用いたガラスの三次元微細加工法」では，ガラスの過渡的な物性変化を活用した三次元微細加工法の実現を目指した．三次元加工には除去加工と積層造形がある．積層造形について提案手法の肝となるファイバーヒューズ発生を試みたが，発生しなかった．原因を検討すべく，ガラスの過渡的な吸収について調査を進めると同時に，三次元除去加工法の開発を進めた．ガラスは高エネルギ・高温状態になった際に，高い吸収率をもつことが知られている．超短パルスレーザ(USPL)照射で材料内に高エネルギ状態の電子励起を形成し，そこに連続波レーザ(CWL)を選択的に吸収させて材料除去を行う過渡選択的レーザ(TSL)加工法はこの吸収特性を活用した加工法のひとつである．TSL加工を調査し，過渡的なレーザ吸収メカニズムを明らかにしていった．まず合成石英ガラスにおけるTSL加工法の材料除去パラメータ依存性を網羅的に調査し，シミュレーション結果と紐づけることで，材料除去閾値が電子励起密度とCWL光強度で表されることを明らかにした．更に厳密な議論に向けて励起電子密度分布の時間変化を用いて計算し，材料内に蓄積されたレーザエネルギを正確に見積もることで，合成石英ガラス内のTSL加工が励起電子から格子へと移動した熱が材料を熱分解することで生じる吸収係数の増大と熱拡散で説明されることを明らかにした．メカニズム解明からファイバーヒューズ現象が確認されなかった原因は入射損失によるCWL強度不足であったことが推定された．今後入射損失を減らし，ファイバーヒューズ発生とそれによる積層造形実現に取り組む．三次元除去加工法として，TSL加工法を同時多点で行う多点同時TSL加工法を実現した．同時に複数の穴あけにより加工を高効率化しただけでなく，穴間隔・穴深さの制御による三次元構造の加工の可能性を示した．

在“利用激光局部选择性加热的玻璃三维微加工方法”中，我们的目标是实现利用玻璃物理性能瞬态变化的三维微加工方法。三维加工包括去除加工和增材制造。我们尝试生成纤维熔丝，这是所提出的增材制造方法的关键，但它没有发生。为了探究其原因，我们研究了玻璃的瞬态吸收，同时着手开发三维去除加工方法。众所周知，玻璃在高能量和高温条件下具有高吸收率。瞬态选择性激光（TSL）加工方法是通过超短脉冲激光（USPL）照射在材料中形成电子激发的高能态，并通过选择性吸收连续波激光（CWL）去除材料的方法。利用这种吸收特性的加工方法。我们研究了 TSL 加工并阐明了瞬态激光吸收机制。首先，我们全面研究了TSL加工方法对合成石英玻璃的材料去除参数依赖性，并通过将其与模拟结果联系起来，明确了材料去除阈值由电子激发密度和CWL光强度表示。为了进行更严格的讨论，利用激发电子密度分布的时间变化进行计算，并通过准确估计材料中存储的激光能量，阐明了合成石英玻璃中的TSL加工从激发电子移动到晶格。产生的热量可以通过材料热分解和热扩散引起的吸收系数增加来解释。从机理的阐明来看，未确认光纤熔断现象的原因被认为是由于入射损耗导致的CWL强度不足。未来，我们将致力于降低入射损耗，生成光纤熔丝，并利用它实现增材制造。作为三维去除加工方法，我们实现了在多个点同时进行TSL加工的多点同时TSL加工方法。这不仅通过同时钻多个孔使加工更加高效，而且展示了通过控制孔间距和孔深度来加工三维结构的可能性。

项目成果

Mechanism of material removal through transient and selective laser absorption into excited electrons in fused silica

通过瞬态和选择性激光吸收到熔融石英中的激发电子来去除材料的机制

• DOI: 10.1063/5.0049195
• 发表时间: 2021-08-02
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: Reina Yoshizaki;Yusuke Ito;Shunya Yoshitake;Chao;Akihiro Shibata;I. Nagasawa;K. Nagato;N. Sugita
• 通讯作者: N. Sugita

過渡選択的光吸収による合成石英除去のパルスエネルギ依存性

通过瞬态选择性光吸收去除合成石英的脉冲能量依赖性

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉﨑 れいな;伊藤 佑介;任 国旗;小池 匠;孫 慧傑;長藤 圭介;杉田 直彦
• 通讯作者: 杉田 直彦

空間光変調器を用いた並列過渡選択的レーザ加工によるガラスの高能率マイクロ穴あけ

使用空间光调制器通过并行瞬态选择性激光加工在玻璃上高效微孔钻孔

• 发表时间: 2021
• 作者: 吉﨑れいな;伊藤佑介;小笠原数馬;柴田章広;長澤郁夫;佐野智一;長藤圭介;杉田直彦
• 通讯作者: 杉田直彦

Mechanism of material removal through transient and selective laser absorption into excited electrons in fused silica

通过瞬态和选择性激光吸收到熔融石英中的激发电子来去除材料的机制

• DOI: 10.1063/5.0049195
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 3.2
• 作者: Yoshizaki Reina;Ito Yusuke;Yoshitake Shunya;Wei Chaoran;Shibata Akihiro;Nagasawa Ikuo;Nagato Keisuke;Sugita Naohiko
• 通讯作者: Sugita Naohiko

High-efficiency Micro-drilling of Glass by Simultaneous Multiple Transient and Selective Laser Absorption into Multiple Filaments using Spatial Light Modulator

使用空间光调制器将多个瞬态和选择性激光同时吸收到多个灯丝中，对玻璃进行高效微钻孔

• 发表时间: 2021
• 作者: Yoshizaki R; Ogasawara K. J.; Ito Y; Wei C; Ren G.; Shibata A; Nagasawa I; Sano T.; Nagato K; Sugita N
• 通讯作者: Sugita N