Laser processing method of ceramic material by transient control of transparency

瞬态控制透明度的陶瓷材料激光加工方法

• 批准号: 22KJ1128
• 负责人: WEI CHAORAN
• 金额: $ 1.6万
• 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 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1128/
• 关键词: レーザ加工; マイケルソン干渉計; ポンププローブ観察法; 微細加工

セラミック材料の過渡的透明化加工を実現するために、材料がレーザパルスに照射される最初期に起こる現象が非常に重要となる。今年度、その時の過渡的な現象の高速度観察に注目した。最初に、パルスレーザの加工実験系に基づいて、マイクルソン干渉計のポンププローブ観察系を構築しました。時間分解計測法とマイケルソン干渉計を組み合わせることで，超短パルスレーザ照射後の材料表面の変形過程を，ピコ秒かつナノメートルの時空間スケールで計測することを目指す。それに、上記の実験系により、石英ガラス材料のパルスを受ける時の最初期の表面形状の変化を観察した。加工前後の材料表面の干渉縞画像を干渉縞解析プログラムによる解析し、レーザ照射後100 ps以内の表面形状変化履歴をナノメートルオーダーの精度で取得した。照射直後の5 ps内に材料の変形速度が100 km/sを超えることが分かった。なお、このような表面観察は多種の材料に対応できるので、これからセラミックなどの不透明材料に実施する予定がある。以上の研究はパルスレーザの照射によりセラミック材料の物性を制御する目標に貢献する。上記の研究と並列して、セラミック材料でのパルスレーザによる局所電子励起領域の生成過程及びTSL（過渡選択的レーザ）加工法の加工性について調査した。フェムト秒レーザ照射時ジルコニアセラミック材料内部の電子励起領域（金属相）の生成と発展過程を明らかにした。実験によって、セラミックの表面散乱を低減させ、高密度微細電子励起領域を誘導することに成功しました。最後に、超高速カメラ観察技術を使用して、セラミック材料のTSL加工の材料除去メカニズムを明らかにし、セラミック材料の加工効率を大幅に向上させました。

为了实现陶瓷材料的瞬态透明加工，材料受到激光脉冲照射时最开始发生的现象非常重要。今年，我们重点关注当时瞬态现象的高速观测。首先，我们在脉冲激光加工实验系统的基础上构建了米克尔森干涉仪泵浦探针观测系统。通过结合时间分辨测量方法和迈克尔逊干涉仪，我们的目标是在皮秒和纳米时空尺度上测量超短脉冲激光照射后材料表面的变形过程。此外，利用上述实验系统，我们观察了石英玻璃材料在受到脉冲作用时表面形状的初始变化。利用干涉条纹分析程序对加工前后材料表面的干涉条纹图像进行分析，以纳米级精度获得激光照射后100 ps内表面形状变化的历史记录。结果发现，材料的变形率在辐照后5 ps内立即超过100 km/s。请注意，这种类型的表面观察可以应用于多种材料，并且计划在陶瓷等不透明材料上实施。上述研究有助于实现脉冲激光辐照控制陶瓷材料物理性能的目标。与上述研究并行，我们研究了陶瓷材料中使用脉冲激光的局域电子激发区域的生成过程以及TSL（瞬态选择性激光）加工的可加工性。我们阐明了飞秒激光照射过程中氧化锆陶瓷材料内部电子激发区域（金属相）的形成和发展过程。通过实验，我们成功地减少了陶瓷的表面散射并诱导了高密度微电子激发区域。最后，利用超高速相机观察技术，揭示了TSL加工陶瓷材料的材料去除机理，大大提高了陶瓷材料的加工效率。

项目成果

超短パルスレーザ照射時の材料表面膨張過程のナノスケール計測

超短脉冲激光照射期间材料表面膨胀过程的纳米级测量

• 发表时间: 2023
• 作者: WEI CHAORAN;伊藤 佑介;服部 隼也;孫 慧傑;北村 章吾;杉田 直彦
• 通讯作者: 杉田 直彦