超短パルスレーザーを利用したガラス内部の三次元元素分布制御とそのメカニズムの解明

超短脉冲激光玻璃内部三维元素分布控制及其机理阐明

• 批准号: 09J03481
• 负责人: 清水 雅弘
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2009
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2009 至 2011
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J03481/
• 关键词: 超短パルスレーザー; ガラス; 三次元; 元素分布; 温度分布; 温度勾配; フェムト秒レーザー

本年度の研究は、より定量的かつ信頼性の高い温度分布の解析を行った。前年度までの温度分布に対する研究成果から、レーザー照射点付近は数千℃の高温に達しており、また温度勾配は1マイクロメートルあたり数十℃以上になることがわかった。しかし、これらの解析においては、(1)レーザーの伝搬方向の温度分布を考慮していない(2)ガラス物性の温度依存性を考慮していない、という二つの大きな問題点があった。本年度においてはこれら二つの問題点を解決することに成功し、求まった温度分布からガラスの構造変化のメカニズムを解明するに至った。具体的には、円筒対称の熱拡散方程式の解析解を用い、実験で得られるレーザーの伝搬方向の構造変化を解析することにより温度分布を得た。得られた温度分布とガラスの比熱から見積もった光吸収率は、光の透過損失率と非常に良い一致を示した。このことは、求めた温度分布が妥当であることを意味する。そして構造変化の閾値温度がガラス転移温度付近であるという結果が得られ、この結果を粘弾性モデルで説明することに成功した。また、元素移動現象が生じている領域は1200Kに達しており、レーザー照射後の偏光顕微鏡観察により流動が起こっていることが示唆された。以上の成果は高繰り返しフェムト秒レーザーによるガラスの内部加工を理解するために重要であり、特に応用面ではガラス内部への三次元低損失光導波路を作製する際に有用な知見を与える。

今年的研究对温度分布进行了更定量和可靠的分析。直到上一年的温度分布的研究结果表明，在激光辐射点附近几千度摄氏摄氏度的温度高，并且温度梯度超过几十摄氏度。但是，这些分析有两个主要问题：（1）未考虑激光传播方向的温度分布，并且（2）不考虑玻璃性能的温度依赖性。今年，我们已经成功解决了这两个问题，并从我们获得的温度分布中了解了玻璃结构变化的机理。具体而言，通过分析使用圆柱对称性热扩散方程的分析溶液在实验中获得的激光器传播方向的结构变化获得温度分布。从玻璃的特定热量中估计的获得的温度分布和光吸收率与光传输损耗率非常吻合。这意味着获得的温度分布是合理的。得到的结果是，结构变化的阈值温度在玻璃过渡温度附近，并且使用粘弹性模型成功地解释了该结果。此外，发生元素转移现象的区域达到1200K，激光照射后通过极化光显微镜观察表明流动发生。以上结果对于使用高度重复的飞秒激光器，尤其是在应用方面，在制造三维低损坏的低损坏光学波导时，它提供了有用的知识，因此上述结果对于理解玻璃的内部处理至关重要。

项目成果

Control of element distribution in glass with femtosecond laser

• DOI: 10.1117/12.906644
• 发表时间: 2012-02
• 作者: M. Shimizu;M. Sakakura;M. Nishi;Y. Shimotsuma;K. Hirao;K. Miura

Space selective reduction of europium ions via SrF₂ crystals induced by high repetition rate femtosecond laser

高重复频率飞秒激光诱导SrF₂晶体空间选择性还原铕离子

• DOI: 10.2109/jcersj2.119.939
• 发表时间: 2011
• 期刊: Journal of the Ceramic Society of Japan
• 影响因子: 1.1
• 作者: Xi Wang;Nan Wu;Masahiro Shimizu;Masaaki Sakakura;Yasuhiko Shimotsuma;Kiyotaka Miura;Shifeng Zhou;Jiarong Qiu;Kazuyuki Hirao
• 通讯作者: Kazuyuki Hirao

Homogeneous and elongation-free 3D microfabrication by a femtosecond laser pulse and hologram

• DOI: 10.1063/1.4705286
• 发表时间: 2012-04
• 期刊: Journal of Applied Physics
• 影响因子: 3.2
• 作者: M. Yamaji;H. Kawashima;J. Suzuki;S. Tanaka;M. Shimizu;K. Hirao;Y. Shimotsuma;K. Miura

レーザーによるガラス内部の元素移動制御

使用激光控制玻璃内部的元件移动

• 作者: 清水雅弘;保田直美;坂倉政明;兼平真悟;西正之;下間靖彦;三浦清貴;平尾一之
• 通讯作者: 平尾一之