【基本】超短パルスレーザー

レーザーでの加工は、その特性をいかし、多くのメリットがあります。特に微細加工においては、超短パルスレーザーが注目されています。近年、工業用途においてレーザー光源自体の安定性・信頼性が向上し、ものづくりで利用される機会が多くなってきています。

連続的にレーザーを発射し続けるCWレーザーとは異なり、パルスレーザーは発射のOn/OFFを繰り返します。このパルスONの時間が短いレーザーは短パルスレーザーと呼ばれます。従来は、ナノ秒が使用されていました。ピコ秒/フェムト秒等の特に短いレーザーは超短パルスレーザーと呼ばれています。

ナノ、ピコ、フェムトは、接頭語でそれぞれ\(10^{-9}, 10^{-12}, 10^{-15}\)を表します。光速を\(3×10^{8}m/s\)とすると、1秒間に進む距離はナノ秒レーザーで300mm、フェムト秒レーザーでは0.3μmとなります。フェムト秒レーザーは、非常に短いパルスであることが分かります。

物質に対するレーザーでの加工は、一般的に熱加工であり、物質に熱を加える時間を短くすることで、物質への損傷を抑えることができます。レーザー照射時の熱拡散長\(x_D\)は、レーザーのパルス幅を\(\tau_p\)として、次式で表されます[1]。

\(x_D=\sqrt{\frac{2k_0\tau_p}{C_i}}\)

ここで、\(k_0[Wcm^{-1}K^{-1}]\)は熱伝導率、\(C_i[Jcm^{-1}K^{-1}]\)は格子イオンの熱容量です。例えば、銅に対してレーザーを照射し、蒸散が起こる融点で加熱すると、フェムト秒レーザーでは\(x_D\)=329nmですが、10nsのナノ秒レーザーでは、\(x_D\)=1.5μmとなります。ナノ秒レーザーの方が材料への損傷が大きいことは明らかです。

実際の加工結果を次の写真で示します。写真左から、ナノ秒レーザー、ピコ秒レーザー、フェムト秒レーザーでの加工結果です。写真上段がアルミ、下段が銅への溝加工結果です。ナノ秒->ピコ秒->フェムト秒とパルス幅が短くなるに従い加工幅が短くなり、きれいな加工になっていることが分かります。

[1] フェムト秒レーザーによる物質プロセッシング、橋田昌樹et.al.、光学、31 第8号(2002) 621

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