セラミック材料の超高能率精密微細加工技術の開発

セラミック材料(Al2O3, AlN, Si3N4, ZrO2等)は, 熱的, 力学的, 化学的および電気的に優れた特性を有し, 最先端製品の製造に広く用いられている．既存のフェムト秒レーザ加工法によるセラミック材料の加工は, 低いエネルギ効率および局所的なマイクロクラックの発生により, 高効率, 高精度, 高品質な加工を実現できていない.本研究は, 局所的かつ過渡的な光誘導結晶粒界変化のメカニズムに基づいて, セラミック材料の表面付近でのフェムト秒レーザの散乱を取り除き, 高密度微細スケールの電子励起領域(金属相)発生の制御を実現することで, 最終的にセラミック材料の高速精密微細加工の実現を目指す.今年度は，セラミック加工の超高速観察プラットフォームおよびダブルパルスフェムト秒-マイクロ秒レーザ加工プラットフォームを構築した．ポンプ-プローブ法などの超高速観察技術を改良し，フェムト秒レーザ照射時のジルコニアセラミック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．また，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た．さらに，超高速カメラ観察技術を使用して，セラミック材料のダブルパルスフェムト秒-マイクロ秒レーザ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た．従来のフェムト秒レーザ加工と比較して，加工効率は5000倍以上に向上した．

セラミック材料(Al2O3, AlN, Si3N4, ZrO2等)は, 熱的, 力学的, 化学的および電気的に優れた特性を有し, 最先端製品の製造に広く用いられている．既存のフェムト秒レーザ加工法によるセラミック材料の加工は, 低いエネルギ効率および局所的なマイクロクラックの発生により, 高効率, 高精度, 高品質な加工を実現できていない.本研究は, 局所的かつ過渡的な光誘導結晶粒界変化のメカニズムに基づいて, セラミック材料の表面付近でのフェムト秒レーザの散乱を取り除き, 高密度微細スケールの電子励起領域(金属相)発生の制御を実現することで, 最終的にセラミック材料の高速精密微細加工の実現を目指す.今年度は，セラミック加工の超高速観察プラットフォームおよびダブルパルスフェムト秒-マイクロ秒レーザ加工プラットフォームを構築した．ポンプ-プローブ法などの超高速観察技術を改良し，フェムト秒レーザ照射時のジルコニアセラミック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．また，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た．さらに，超高速カメラ観察技術を使用して，セラミック材料のダブルパルスフェムト秒-マイクロ秒レーザ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た．従来のフェムト秒レーザ加工と比較して，加工効率は5000倍以上に向上した．