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时透明处理，当材料被照射到激光脉冲时，发生的最早现象变得极为重要。今年，我们关注当时对过渡现象的高速观察。首先，我们根据脉冲激光的实验系统为Meicklesson干涉仪构建了一个泵探测器观察系统。通过结合时间分辨的测量方法和迈克尔逊干涉仪，我们旨在在超短脉冲激光照射下在Picseconds和纳米量的时空尺度上测量材料表面的变形过程。此外，在上述实验系统中观察到石英玻璃材料受到脉冲的最早变化。使用条纹分析程序分析了处理前后材料表面的干涉条纹图像，并在纳米阶的阶面准确地获得了激光照射后100 ps的表面形状变化的历史。发现在辐照后立即在5 ps之内，材料的变形速度超过100 km/s。由于这种表面观察可以适应多种材料，因此计划在不透明的材料（例如陶瓷）上进行。上述研究有助于通过用脉冲激光辐射来控制陶瓷材料的物理特性。与上述研究同时，我们研究了通过脉冲激光器中陶瓷材料中产生局部电子激发区域的过程，以及TSL（瞬态选择性激光）处理方法的加工性。阐明了飞秒激光照射期间氧化锆陶瓷材料内部电子兴奋区（金属相）的形成和开发过程。实验成功地减少了陶瓷的表面散射，并诱导了高密度的细电子激发区。最后，使用超高速度摄像头观察技术来阐明陶瓷材料TSL加工的材料去除机制，从而显着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: 緒方亜文;緒方亜文;中村優;中村優;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: WEI CHAORAN，伊藤 佑介，服部 隼也，孫 慧傑，北村 章吾，杉田 直彦