An Overview of Micromachining Characteristics with Femtosecond Lasers

Abstract

制御で可能なこと, (3)エネルギー密度が高いので 高速加工が可能なこと, (4)高機能難加工材料の加 工が可能なこと, などである. レーザ光が固体物 質に照射されるとき, 光エネルギーは物質に吸収 されて熱エネルギーに変換される. この過程は, レーザ照射時の(1)物質の光学特性(屈 折率, 吸収率 など), (2)物質の熱物性(熱 拡散率, 比熱など), (3)物質の相変化 ・変態, (4)レーザビーム特性(集 光 特性, 波長, パルス幅, エネルギー, 繰 り返 し周 波数 出力など), (5)光と物質の相互作用, などに 強く依存する1). 従来のNd: YAGレ ーザやCO2レ ー ザを用いた加工法では, 熱歪 ・熱的衝撃によるひび 割れ, レーザ照射点およびその周辺部の溶融 ・蒸発 物の再付着によるデブ リなどの熱影響が避けられ ず, 高品位な微細加工が困難であった. これに対して, 最近の進展が著 しい超短パルス幅 のフェム ト秒 レーザは, 種々の材料に対する微細加 工が試みられ, 実用化に向けた期待が高まってきて いる. フェム ト秒 レーザは, 一般にパルス幅がサブ ピコ秒から数十フェム ト秒の超短パルスレーザを さす. この種のレーザを材料に照射 した場合, 材料 の熱拡散特性時間に比べてパルス幅が十分に短い ため, 光エネルギーを有効に照射部に投入できる. その結果, 照射周辺部への熱影響が局限可能で, 高 精度な微細加工が実現できる. また, レーザ光の電 場強度が非常に高いので, ビームが集光されたとこ ろにのみ空間選択的に多光子吸収, 多光子イオン化 などの非線形作用を誘起することが可能である》7). 近年, 広帯域発振波長のモー ド同期レーザ媒質 (例えば, Ti: Sな ど)で 発振したパルス光をチャー プパルス増幅(Chhped-PulseAmplificadon: CPA)す ることで, テラワット(TW)級 の超短パルス光(最 大パルスエネルギー: 数+mJ, パルス幅: 数+fsec 程度)を 発振させる技術が成熟し, この種のシステ ムが市販されるようになった. 初期(1987~1993 年頃)の システムは, エキシマレーザ励起色素増幅 方式で, 高度な調整技術が要求された.一 方, 現在 市販のシステムは, 装置の調整. 操作も比較的容易 で, これにより基礎研究のみならず加工などの応用 も含めた研究開発が飛躍的な進歩を遂げるように なった3)-7). このような状況の中で, フェム ト秒 レーザを利用 した金属やガラス, セラミックスなどの高機能材料 の微細加工が最近注目を集めている3)-7)・ 本稿では, *東海大 学工学部(〒259 -1292平 塚 市北金 目1117)