GHz バーストモード超高繰り返しフェムト秒レーザーパルスを用いたレーザー加工技術の開発
国立研究開発法人理化学研究所 先端レーザー加工研究チーム
研究員 小幡 孝太郎（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019224-B3）
キーワード：フェムト秒レーザー，GHz バーストモード，微細加工１．はじめにされた材料とともに除去する（アブレーション冷却）こと

フェムト秒レーザーを用いたレーザーブレーションは，で，熱影響の少ない高品質のアブレーションを実現するとレーザーのパルス幅が電子から格子へのエネルギー伝達述べている 4)．さらに，GHz バーストモードによるアブレ時間よりも短いため，レーザーブレーション領域周辺の熱ーションでは，アブレーション効率が向上する（1 桁以上）影響部（Heat-Affected Zone: HAZ）の形成を抑制し，マことも示している．これらの成果は，レーザーマイクロ・イクロスケール，さらにはナノスケールでの高品質で高精ナノプロセッシングの分野に大きな影響を与え，複数の研度な加工を実現することが知られている 1-3)．また，非常究グループがこれに追随して GHz バーストモードによるに高いピーク強度により，レーザー光を透明材料に対してアブレーションの研究を加速させている 4-15)．本研究では，効率良く多光子吸収を誘起させることによって，強い吸収GHz バーストモードアブレーション加工技術の実用化をを生じさせることができる．近年，数百ピコ秒の極短い時目標として，金属加工へ応用した場合の加工効率と品質に間間隔をもつフェムト秒パルス列（イントラパルス列）で関する研究結果を報告する．

構成されている GHz バーストモードを用いたフェムト秒
レーザー加工は，従来のフェムト秒レーザー加工を超える高品質，高効率加工を実現し，その応用が期待されている4-15)

２．実験方法図 1 に，フェムト秒レーザーを用いた GHz バーストモー．GHz バーストモードフェムト秒レーザーパルスを加ドアブレーション実験装置の概略図を示す．アブレーショ

工対象となる材料へ照射した場合，従来のフェムト秒レーンは，中心波長 1030 nm の Yb:KGW 高出力フェムト秒レーザ

ザーパルスの照射方式（シングルパルスモード）と比較しーシステム（Light conversion Ltd., Pharos，パルス幅:て，レーザー照射による急峻な加熱・冷却を抑制したアブ220 fs）から得られた超短パルスレーザーを用いて行なっレーションを誘起する特徴をもつ．Ilday のグループによた．本フェムト秒レーザーシステムでは，一定の繰り返しって実施された GHz バーストモードによるフェムト秒レ周波数を持つ通常のフェムト秒レーザーパルス（シングルーザーアブレーションの報告では，レーザーパルスで発生パルスモード）と同一の波長とパルス幅を持つ GHz バース

した熱が加工領域外に拡散する前にターゲット材料をアトモードフェムト秒レーザーパルス（GHz バーストモード）ブレーションし，蓄積された熱の大部分をアブレーションを装置構成の変更をすることなく発生させることができる．

図１ GHz バーストモードフェムト秒レーザー加工装置の概略図.

GHz バーストパルス列（イントラパルス列）に含まれるパル弱いパルスが含まれる．ターゲット材料へ照射されるレース数は最大 25 パルスまで調整可能である．図２に，高速フザーパルスのパルスエネルギーは，半波長板（l/2 WP）とォトディテクター(Elecrto-Optics Technilogy, Inc., ET-

偏光キューブビームスプリッタ（PBS）からなる偏光光学素3500)で観測した(a)10 パルスで構成するＧＨｚバーストパ子を用いて調整し，機械シャッター（Shutter）で照射パルルス波形と，比較として(b)シングルパルスモードのパルスス数を制御した．レーザーパルスは，焦点距離 50 mm のア測定波形を示す．バーストパルス内の各パルス（イントラクロマートレンズ（Achromatic doublet）で直径 19.2 µmパルス）は，205 ps（周波数 4.88 GHz）の一定の間隔を有のスポット径に集光し，試料表面へ照射した．試料には，している．このパルス間隔は，イントラパルス数を変更し無酸素銅板（寸法：10 mm × 10 mm，厚さ 2 mm，JIS: C1020）た場合でも 205 ps 一定の間隔を維持する．また，各イントを使用した．試料は，コンピュータ制御の XYZ ステージ（シラパルスのパルス幅は，イントラパルス数に関わらず，シグマ光機株式会社，OSMS20-85）にセットし，実際の２次元ングルパルスモードのレーザーパルスと同一のパルス幅平面上へのレーザー直接描画による加工を想定して，走査（220 fs）を維持している．パルス列を構成する各イント速度 1000 µm/s，ピッチ 5 µｍでレーザービームを 1000 ×ラパルスのパルスエネルギーは，シングルパルスモードで500 µｍ2 の領域に走査した．加工領域のサイズは，ステー設定されたパルスエネルギーをバーストパルス内のイントジが移動方向を変更する際に発生する加減速によってレーラパルス数で割った値とほぼ同じである．イントラパルス

ザーパルスが過照射される領域と，加工領域周辺に形成さのエネルギーは，各種パラメーター制御によって，ほぼ一れる傾斜領域を分析結果から除去して，平坦な加工領域の定となるように調整されている．しかし，バーストパルスみからの実験データを考察するために決定された．アブレ

列を発生させるレーザーシステム内部の電気光学系の特性ーション処理後，レーザー走査型顕微鏡（Zeta Instruments

上，イントラパルス列の最後尾のパルスが非常に強くなっInc, Zeta-20）および走査型電子顕微鏡（SEM）（Thermoている．また，最後尾のパルス後には，ごくエネルギーのFisher Scientific K.K., Quattro S）を用いて，アブレーションした領域の深さおよび表面形態をそれぞれ評価した．

３．実験結果および考察
図３に，バーストパルス内のイントラパルス数を異なるパルス数（２〜２５パルス）で銅のアブレーションを行なった場合におけるアブレーション深さの入力レーザーパワー依存性を示す．比較のため，シングルパルスモードのアブレーション結果も示す. バーストモード，シングルパルスモードとも，繰り返し周波数は 200 kHz である．バー
ストモードで銅試料をアブレーションした場合，同じ入力レーザーパワーでのアブレーションの深さが総じて浅く，GHz バーストモードのアブレーション効率はシングルパルスモードよりも低いことがわかった．バーストモードでは加工効率が低下する理由の一つとして，プラズマ遮蔽の影響が考えられる．レーザーブレーションによって誘起されたプラズマの生成時間は，ターゲットとなる材料や照射されるレーザーの条件に依存するが，レーザー照射後10ps～数 ns の時間スケールで発生し，その時間スケール以降に入射されたレーザー光を遮蔽する．特に銅をターゲットとしたアブレーションの場合，10-50 ps からプラズマの膨張と密度の増加が始まり，1 ns 付近で最大になる
16)．本実験で用いられたパルス間隔が 205 ps であるイントラパルス列のアブレーションを考えると，２番目のイントラパルスからプラズマ遮蔽の影響を受け始め，その後プラズマ遮蔽効果は増長する．以降，約 1 ns でプラズマ遮蔽効果は飽和するため，5 番目以降のイントラパルスは，1 番目のイントラパルスと比較して，プラズマの遮蔽効果
図２ 高速フォトディテクターで観測した(a)10 パルスが最大となり，アブレーションに寄与できるエネルギーがで構成するＧＨｚバーストパルス波形と，比較として激減するため，シングルパルスモードと比較して全体の加(b)シングルパルスモードのパルス波形．

工効率が低下すると考えられる．別の理由としてアブレー

ション冷却を仮定するならば，バーストモードアブレーシグルパルスモードの総パルス数が同一になるように，繰りョンによりターゲット内部温度が低下し，レーザーパルス返し周波数をシングルパルスモードでは 200 kHz，バースで発生した熱のターゲット内部への拡散を抑制するため，トモードでは 20 kHz とした（図４上部）．シングルパルス

熱が発生した領域（レーザー光が吸収された領域）近傍のモードの場合，アブレーション閾値は，おおよそ 100 mW

みでアブレーションが生じ，加工深さが減少したと考えらとなり，この閾値以下ではアブレーションが発生しなかっれる．一方，シングルパルスモードアブレーションでは，た．一方で，10 イントラパルス列のバーストモードでは，発生した熱の一部がターゲット内部に拡散し，レーザー光アブレーション閾値が 25 mW となった．すなわち，バース照射領域よりも深い領域がアブレーションされている可トモードアブレーションでは，シングルパルスモードでの能性がある．シングルパルスモードのレーザーブレーショアブレーションと比較して，アブレーション閾値が 1/4 にンで用いられたレーザーパルスのパルスエネルギーは，入低下した．一方，シングルパルスモードでのアブレーショ力レーザーパワーを繰り返し周波数で割った値であるが，ン閾値となる 100 mW でのバーストモードのアブレーショバーストモードのイントラパルスエネルギーは，それをバン深さは，シングルパルスモードアブレーションとほぼ同ーストパルス内のイントラパルス数でさらに割った値とじであるが，入力レーザーパワーが増加すると，バーストなる．バーストパルス内のパルスエネルギーは，シングルモードでのアブレーションは，シングルパルスモードの場パルスモードではアブレーション閾値以下であるにも関合よりも著しく減少している．レーザーパワーが 150 mW

わらずアブレーション加工が生じている．この結果は，GHzでのバーストモードでのアブレーション深さは，シングル周波数領域の超高繰り返しレーザーパルス列であるバーパルスモードのアブレーション深さの半分以下である．つストモードの照射によって，ターゲット材料内に発生したまり，入力レーザーパワーを関数とするアブレーション深熱が加工領域からターゲット材料内部に拡散する前に後さの直線の傾きは，バーストモードの方が遥かに小さい．

続パルスが入射され，アブレーションを連続的に誘起した

これは前述した通り，アブレーション冷却を仮定した場合，ためと考えられる．

ターゲット材料内部への熱拡散の抑制効果によって説明

イントラパルスエネルギーをシングルパルスモードのできる．すなわち，バーストモードではレーザー光のエネパルスエネルギーと同じにして 10 イントラパルスからなルギーが吸収された領域近傍のみでアブレーションが生るバーストモードでアブレーションを行った場合の，アブじるのに対し，シングルパルスモードアブレーションではレーション深さの入力レーザーパワー依存性を図４に示

熱の拡散によりより深い領域がアブレーションされたた

す．実験は，照射領域に投入されるバーストモードとシンめと推察される．同時に，アブレーション閾値の減少は，熱拡散の抑制によりレーザーのエネルギーがより有効に

図３ 異なるイントラパルス数での GHz バーストモード加工によるアブレーション深さの入力レーザーパワー依存性．

図４ 同一イントラパルスエネルギーでのアブレーシ
ョン深さの入力レーザーパワー依存性．

アブレーションに利用されたためではないかと考察され急峻な加熱・冷却サイクルの緩和があげられる．バーストる．従って，バーストモードでのアブレーションは，シンモードでは，レーザー照射によって加熱・冷却サイクルがグルパルスモードの場合と比較してアブレーション効率繰り返されるが，イントラパルス列による比較的小さいパは低下するものの，加工深さを精密制御可能な加工法といルスエネルギーの連続的なレーザー照射により，急峻な加える．

熱・冷却を抑制することができる．すなわち，熱影響によアブレーションされた領域の表面形状を SEM で観察しる試料の溶融，再固化が緩やかに行なわれたことによってた．図５にシングルパルスモード（a）と 2 イントラパル滑らかな表面形状を形成したと考えられる．以上の結果は，ス列で構成されたバーストモード（b）で作製した試料のGHz 領域の超高繰り返し周波数でレーザーブレーション

SEM 像を示す．SEM 観察には，図３の実験で作製されたアを行うと，アブレーション冷却の影響によって，試料内にブレーション深さが約 10 µm となる試料をそれぞれ用い生じる熱拡散を抑制する仮説を裏付けるものである．またている．シングルパルスモードのレーザーブレーションでGHz バーストモードによる低アブレーション速度での精作製された試料の加工領域の表面形状は，レーザーの走査

密なアブレーションは，より滑らかなアブレーション面の方向に沿って平行な線状の溝が形成されている．さらに加実現に寄与する．その結果，銅の GHz バーストモードに工領域は，レーザー照射前と比較して表面粗さが増大してよるアブレーションは，より品質の高いアブレーション表いる．一方，バーストモードでアブレーションした試料の面を形成するために有効であると考えられる．

表面形状は，シングルパルスモードで形成された線状の溝は見られず，滑らかな表面形状を示している．バーストモ

４．結論ードアブレーションで得られた滑らかな加工面は，アブレGHz バーストモードフェムト秒レーザーパルスを用いーション冷却が一つの要因として考えられる．すなわちアた銅試料のアブレーション加工特性を検討した．その結果，ブレーション冷却により，非熱的な加工が実現され，平坦バーストモードフェムト秒アブレーションは，従来のシンな表面が得られた．これらの加工形状に大きな差が発生すグルパルスモードフェムト秒レーザーブレーションと比る要因として，シングルパルスモードアブレーションでは較して，アブレーション効率が低下することがわかった．

熱影響領域の形成により粗い加工表面形状になったので一方で，バーストパルスのイントラパルスエネルギーは，はないかと考えられる．また別の要因として熱影響領域のシングルパルスモードにおけるアブレーション閾値より小さいにも関わらずアブレーション加工が生じる．この結果は，GHz オーダーの超高繰り返しレーザーパルス列であるバーストモードの照射によって，ターゲット材料内に発生した残留熱が加工領域から拡散する前に，後続のパルスが照射され，アブレーションを連続的に誘起したためと考えられる．また，イントラパルスエネルギーと照射パルス数をシングルパルスモードと同一にして 10 イントラパル
スのバーストモードでアブレーションを行った結果，従来のシングルパルスモードアブレーションと比較して，アブレーション閾値が 1/4 に減少した．加工領域の表面観察から，GHz バーストモードによるアブレーションでは，アブレーション加工領域の平坦性がシングルパルスモードと比較して改善されることを見出した．以上のことから，GHzバーストパルスによる銅レーザーブレーションは，精密な加工深さ制御と，より高品質なアブレーション表面を形成するために有効な手法であると考えられる．一方，最近の実験結果では，異なる材料に対しては異なる特性を示すことが観察されており，今後多様な材料に対して GHz バース
トパルスアブレーションの加工特性を検討することが必要である．

謝 辞
本研究を行うにあたり，公益財団法人天田財団一般研究
図５ 加工痕の SEM 観察像（(a)シングルパルスモード，(b)GHz バーストパルス（2 イントラパルス））．

開発助成（レーザプロセッシング：AF-2019224-B3，2019年度）の助成をいただけたことに感謝いたします．

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