Development of Ultra-short Pulsed Laser Micro-precision Processing Technology by High-speed Stress Control

高速应力控制超短脉冲激光微精密加工技术发展

• 批准号: 22KJ0935
• 负责人: 服部 隼也
• 金额: $ 1.09万
• 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: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0935/
• 关键词: レーザ加工; 微細加工; 超短パルスレーザ; 干渉計

本研究の目的は，硬脆材料への超短パルスレーザ微細加工において，加工に用いる超短パルスレーザの強度分布を時空間的に変調することにより，材料内部に生じる超短パルスレーザ誘起応力波の応力分布を制御し，加工中に発生するダメージを抑制する加工手法を提案・実証することである．応力波の応力分布を制御するためには応力分布を計測する手法が必要であるため，時間分解マッハ・ツェンダー干渉計を用いたフェムト秒レーザ誘起衝撃波の３次元的な空間プロファイル計測の開発を行った．本計測手法を用いて得られた応力波のプロファイルを用いて有限要素法応力波伝搬シミュレーションを較正することで，フェムト秒レーザ誘起応力波の時空間的なふるまいを明らかにした．これらの計測手法とシミュレーション手法を用い，硬脆材料に対するフェムト秒レーザ微細穴あけ加工時の衝撃波によるクラック発生メカニズムの解明を行った．これによって得られた知見に基づいて，新しいクラックレスな超短パルスレーザ微細穴あけ加工法の提案・実証にも取り組んだ．パルスエネルギの時間変調を行うことで加工穴先端におけるフェムト秒レーザ誘起衝撃波の発生および，新たなクラックの発生を抑制し，硬脆材料へのフェムト秒レーザ微細穴あけ加工時の大幅なクラック低減を実現した．次年度以降は，超短パルスレーザの時空間プロファイルを高速に変調，最適化する技術の開発を進めることで，さらなるクラック低減や穴あけ加工以外の微細加工に対しての応用を進めていく．

本研究的目的是通过时空调制硬脆材料超短脉冲激光微加工中使用的超短脉冲激光的强度分布来研究材料内部产生的超短脉冲激光诱导应力波。旨在提出并演示一种控制应力分布并抑制加工过程中发生的损坏的加工方法。为了控制应力波的应力分布，需要一种测量应力分布的方法，因此我们开发了利用时间分辨马赫-曾德干涉仪Ta进行飞秒激光诱导冲击波的三维空间轮廓测量。通过使用这种测量方法获得的应力波剖面来校准有限元应力波传播模拟，我们阐明了飞秒激光诱导应力波的时空行为。利用这些测量和模拟方法，阐明了硬脆材料飞秒激光微钻孔过程中冲击波引起的裂纹产生机制。基于由此获得的知识，我们还提出并演示了一种新的无裂纹超短脉冲激光微钻孔方法。脉冲能量的时间调制抑制了飞秒激光在加工孔尖端产生的冲击波以及新裂纹的产生，从而显着减少了在硬脆材料中进行飞秒激光微钻孔时的裂纹。明年起，我们将继续开发快速调制和优化超短脉冲激光时空轮廓的技术，并将其进一步应用于钻孔以外的裂纹减少和微加工。

项目成果

パルスエネルギの多段階変化による単結晶炭化ケイ素の精密フェムト秒レーザ加工

利用脉冲能量多步变化对单晶碳化硅进行精密飞秒激光加工

• 发表时间: 2023
• 作者: J. Hattori;Y. Ito;D. Veysset;K. Nakagawa;K. Nelson;N. Sugita;服部隼也，伊藤佑介，徐弘，杉田直彦
• 通讯作者: 服部隼也，伊藤佑介，徐弘，杉田直彦

Crackless femtosecond laser percussion drilling of SiC by suppressing shock wave magnitude

通过抑制冲击波幅度对 SiC 进行无裂纹飞秒激光冲击钻孔

• DOI: 10.1016/j.cirp.2023.03.012
• 发表时间: 2023
• 期刊: CIRP Annals
• 作者: Hattori Junya;Ito Yusuke;Sugita Naohiko
• 通讯作者: Sugita Naohiko

Time-resolved measurement of stress wave profile during femtosecond laser processing of synthetic silica glass

合成石英玻璃飞秒激光加工过程中应力波分布的时间分辨测量

• 发表时间: 2023
• 作者: J. Hattori;Y. Ito;D. Veysset;K. Nakagawa;K. Nelson;N. Sugita
• 通讯作者: N. Sugita