A study of thermal damage reduction of laser material removal by combination of femto second laser and electric double layer

飞秒激光与双电层组合减少激光材料去除热损伤的研究

基本信息

批准号：
22K14519
负责人：
吉田剛
金额：
$ 2.75万
依托单位：
防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14519/
关键词：
レーザー加工超短パルスレーザー電気化学反応電気二重層

项目摘要

本研究は極めて強い電圧印可条件における超短パルスレーザー照射によるレーザー照射による熱影響を極限まで取り除いた新規物質除去現象を探求することを目的としている。fsレーザーを使用したレーザーアブレーション加工は極めて短いパルス幅による局所的な加熱により長いパルス幅を持つレーザーと比較して高品質な加工痕を得られることが知られているが、近年の二次元物質の加工や構造形成の微細化の要請により、将来的に更なる熱影響の低減の要請が予想される。本目的を達成する具体的方法として、電解液中において電極表面に形成される電気二重層が電極表面に極めて強い電場を発生させることを利用し、その強い電場とフェムト秒レーザーの局所的な加熱を組み合わせることで従来のアブレーションより低い加工閾値を持った加工の可能性を探る。加工閾値を低下させることは熱源となるレーザー照射のエネルギー自体を低下させ、熱影響の低減につながると期待される。本研究計画は2022年度に電解液中におけるレーザー照射を行う実験装置の構築、2022年度-2024年度にかけてAlなどの金属材料、Siなどの半導体材料において電解液中におけるレーザー照射の実験を行い、結果を報告する予定である。2022年度には実験装置の構築とNaCl水溶液系での金属に対するfsレーザー照射実験を行った。現有のフェムト秒レーザー光源と、本助成金により購入したポテンショスタット、光学部品を組み合わせることで電解液中で作用電極に任意の電位を印加しつつフェムト秒レーザー照射が可能な垂直照射型の光学系を構築した。　現在、構築した実験装置を用いて銅、アルミニウムなどの金属サンプルに対して電解液中におけるレーザー照射の実験を進めている。

本研究的目的是探索一种新的材料去除现象，在极强的电压施加条件下使用超短脉冲激光照射，最大限度地减少激光照射的热效应。众所周知，与长脉冲宽度的激光器相比，使用飞秒激光器的激光烧蚀加工由于极短脉冲宽度引起的局部加热而产生更高质量的加工疤痕，但近年来二维材料由于对更精细加工和结构的需求形成，预计未来将需要进一步减少热效应。作为实现该目的的具体方法，我们利用电解质溶液中电极表面形成的双电层在电极表面产生极强的电场，并利用该强电场和飞秒的局部加热通过将这些结合起来，我们探索了比传统烧蚀加工阈值更低的加工可能性。降低加工阈值有望降低作为热源的激光照射本身的能量，从而减少热效应。该研究计划包括在2022年建成电解质溶液中激光辐照实验装置，并于2022年至2024年对Al等金属材料和Si等半导体材料进行电解质溶液中激光辐照实验。我们计划对此进行报告。 2022年，我们搭建了实验装置，在NaCl水溶液体系中对金属进行了飞秒激光辐照实验。通过将现有的飞秒激光光源与利用本次资助购买的恒电位仪和光学元件相结合，构建了一个垂直照射光学系统，该系统可以在向电解质中的工作电极施加任何电位的同时进行飞秒激光照射。我们目前正在利用搭建的实验设备进行实验，在电解液中用激光照射铜、铝等金属样品。