フェムト秒レーザ誘起コヒーレントプラズモン遠方場によるナノプロセシング

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平成25年度は、フェムト秒レーザ誘起表面微細周期構造LIPSS、特に周期が照射光波長の半分以下であるHSFL (High Spatial Frequency LIPSS)の作製メカニズムの解明を主に行った。今までHSFLはフェムト秒レーザを用いて単一パルスのアブレーション閾値以下のフルエンスでマルチパルス照射した時に作製されてきた。今まで生成原理が未解明であったHSFLの成長過程を調べた。作製実験結果と3D-FDTD法による光強度分布の計算結果から、表在する欠陥によるMie散乱由来でHSFL生成されることが分かった。4H-SiC結晶ではフェムト秒レーザの初期パルス照射により表面欠陥が生成された。HSFLはアブレーション過程で1パルスごとに長軸方向に伸長していくことがわかった。ガウス分布のレーザ照射スポットの中心部では、レーザ強度が高いためにSiC結晶が金属様となり表面プラズモン遠方場由来でLSFLが生成された。一方、照射スポットの周辺部においては4H-SiC結晶中のレーザ励起電子数密度が低いため、Mie散乱が支配的になりMie散乱遠方場由来でHSFLが生成されることが分かった。実験的にHSFLの成長過程を報告した論文はなく、重要な知見を得ることができた。HSFLの深さ方向のアブレーションについても3D-FDTD法による計算結果を用いて説明した。SiC半導体結晶は、結晶成長中に積層欠陥やSi欠陥などが発生しやすいので、精密なHSFLを作製するためには欠陥の少ない結晶を準備することが非常に重要である。また、HSFLは多パルスレーザアブレーションで成長していくために、基板が金属化しない低フルエンスレーザで非常に多くのパルス数を照射することで非常に深い溝のHSFLを生成することができるであろう。本研究で明らかにしたナノ周期構造作製技術は、電子工学、光工学、医療工学、機械工学まで非常に幅広い分野に渡る応用が期待される。本研究で得られた知見を基礎に、応用研究が発展することが期待される。例えば、光工学では高屈折率GaN系のLEDやLDの光取り出し端面にナノ周期構造を作製して、光の取り出し効率を向上できる。