CO2 レーザーを用いたレーザーダメージマネージメントの研究
米田研究室
1. はじめに三村 幸祐
ある標本をレーザーによって加工するた本論文研究の目的は、高強度レーザーでめには、その標本がレーザーの波長に吸収最近になって導入されつつある、光学素子を示している必要があるが、石英ガラスのの損傷問題に対し、早期発見と損傷部を広場合約 0.4~4μm の、また Sulfide glass にがらないようにする局所加工を組み合わせ関しては約~10μm の透過スペクトルを持たダメージマネージメントの手法を確立す

ち、多くのレーザーの波長ではガラスに吸ることである。本研究では、高繰り返しレー収されない。そこで長い発振波長を持ち、かザーでも起きている光学素子損傷の問題を、つ安定的な高出力を実現するレーザーとしその早期発見と損傷部の保護をできる手法て考えられるのが CO2 レーザーである。の開発を目的とした(図 1 参照)。

CO2 レーザーは発振波長 10.6μm のレーザーであり、透過スペクトルの広い大部分のガラスに対しても線形吸収を示すため、ガラスの加工に適していると考えられる。

図 1.ダメージマネージメントの概念図
具体的な研究内容としては、①光学損傷部分の損傷発展を停止させる目的で、ガラ

図 2.ガラスの透過スペクトル

スに高い吸収を示す CO2 高繰り返しレーザーを選択し、その損傷部への照射システム

3. ガラスの赤外吸収を開発する、②この照射システムで鍵とな

赤外領域でのガラスの電磁波の吸収は、る集光点が円周運動する駆動装置を、1 つガラスを構成するイオン間振動が励起されの回転軸で可能とするミラーホルダーの設ることにより起こる。イオン間の振動の振計・試作・試験を行う、③石英ガラスにパル動数 μ は結合を調和振動子として、スレーザーを用いたダメージ付加の観察と耐久テストを行う、④光学損傷痕の微細加工の円周方向へのスキャンスピードでの最ν=1 𝑘√
2𝜋 𝜇適値を決定する、ことになる。

であらわされ、さらに μ は換算質量、すな

2. CO2 レーザーとガラスの光学的特性

わち陰イオン、陽イオンの質量それぞれ ma、ガラスの透過スペクトルを図 2 に示す。

mc として次のようになる。

111=+𝜇 𝑚𝑎 𝑚𝑐

ダメージの楔の先端に当たる部分から拡大

この ν について、陽イオンが酸化物イオ曲率半径の大きな箇所から損傷が拡大してンからハロゲン化物イオンに変化すると価いるということを示している。したがって数が減ることで結合強度、および力の定数曲率半径の小さな滑らかな穴を開ける必要k が減少し、ν も小さくなる。また、硫黄があると予想し、滑らかなテーパ穴を開け以下のカルコゲン元素、塩素以下のハロゲることを考える。

ン元素に置き換わることによっても ma が5. CO2 レーザーのビームプロファイルしている様子が確認できた。つまりこれは大きくなるため同様に ν が小さくなる。赤CO2 レーザーを照射してダメージマネー外域の吸収端は、ガラスの最大振動エネルジメントに適した穴形成を行うためにはレギーの伸縮振動も含めて他の伸縮振動、おーザーのビームプロファイルを知ることがよび変角振動など複数モードの振動が励起重要になる。そこで今回はシングルモードされる多フォノン吸収により決まり、その発振の CO2 レーザーを 130mm の焦点距離大きさに比例して長波長側にシフトする。

を持つレンズで絞った最小スポット点にお赤外域に大きな吸収をもつシリカなどのいて以降、ガラス表面への照射を行うことガラスだが、今日では赤外線カメラやセンとし、この点でのレーザービームプロファ

サなどの赤外域での活用もあり、それに必イルをナイフエッジ法により計測した(図 4

要な 10μm 以上の遠赤外線に透過性を示す参照)。

ガラス系を使用する。すなわちその用途では、フッ化物以外のハロゲン化物ガラス、セレン、テルルを主成分としたカルコゲン化物ガラスに限られる。
4. ダメージの拡大観察

図 4.CO2 レーザーのビームプロファイルとその加工穴
図 3.レーザーダメージの拡大図

計測データからこの CO2 レーザーが滑らかなガウスビームプロファイルを持っていパルスレーザーをスライドガラス(SiO2)ることを確認した。CO2 レーザーの波長域に当て、その表面にダメージが付加、及び拡に対してガラスが線形吸収を示すことから大していく様子を観察したデータを図 3 にその蒸発により形成される穴もガウスプロ示す。パルスのショット数によってダメーファイルに従ったテーパ形状になるものとジが拡大していくが、ダメージは主に初期予想し、実際に 1 点照射を行ってみた。形成された穴を深さ方向に数点分観察したところ、この穴表面がテーパ形状を取ってい

7. ガウスビームの加工特性
ダメージマネージメントに必要な加工穴ることを確認した。の形状を曲率半径の大きな箇所のない緩や6. デブリフリーの条件かなテーパ穴だとしたが、CO2 レーザーのレーザー照射による形成穴が深さ方向にプロファイルはシングルモードの滑らかなテーパ形状を確認したが、次に加工表面がガウス分布になっているため、これをダメレーザーのパラメータによってどう変化すージ点の一点に照射すれば求める穴が形成るかを調査するために、実際に CO2 レーザできるものと予想し、先述のデブリが付着ーの最小スポットをパルス幅、出力、照射時しない(デブリフリーの)条件で CO2 レーザ間等を変えながら石英ガラスの表面の１点ーを 1 点に照射したときの加工特性を調査に照射した(図 5 参照)。

した(図 6.参照)。

図 6.ガウスビームの加工特性
図 5.デブリのパルス幅依存性
するとレーザーのパルス幅を大きくする
するとあるパルス幅の条件により CO2 レにしたがって照射点の周囲のガラス表面にーザーの照射により蒸発したガラスのごみ一様な蒸発跡が確認されるようになった。

(デブリ)が加工穴表面に付着してしまうこ

この理由として考えられるのは、CO2 レーとを確認した。デブリの付着は加工後 2 次

ザーは高出力名ガウスビームプロファイル

表面での多段反射を起こすためガラスに高であるために、広い範囲に微小な出力をし負荷を与えることになる。そのためこれをめしているということである。すなわちあ取り除くことがダメージマネージメントでる時間以上で照射し続けると、そのガウスは必要となるが、本研究では臨床的なドラビームの微小部分による寄与が加工に現れイプロセスでマネージメントをすることをてくるものと考えられた。したがって CO2目指しているため、エッチングなどの化学レーザーでガラス表面のダメージマネージ処理はできない。したがってデブリフリーメントをする場合は、その微小面あたりのとなる CO2 レーザーの照射条件を求めた。

勝者時間が微小出力域による表面蒸発が起

この時のパルス幅が 1μs であったが、こきないスピードでビームをスキャンする必

こからパルス幅を大きくしていき、20μs を要があると考えられる。そのためレーザー超えたところからデブリが照射表面に付着の照射時間とパルス幅、およびパルス周期しなくなった。

によって決まるアブレーション時間を定義

し、ダメージマネージメントに求められるーション時間は 0.028~0.112s でおよそ求めアブレーション時間を調査した。

たアブレーション時間以内に収めている。

すると、パルス周期 1000μs、パルス幅 200.112s でも周囲のアブレーションが見られμs の設定で 5 秒以内の照射を行うと照射ないのは、円周スキャンはある微小面を 2周囲のアブレーションが見られなくなるこ度通過していてその正味のアブレーションとが分かった。したがって、微小面あたりの時間が上記に示されている時間であり、1度アブレーション時間は 0.1s(=5×20/1000)の通過時のアブレーションだけが照射周囲以内である必要がある。

への影響に寄与しているためだと考えられ

8. CO2 レーザーの円周スキャンる。したがってここから速いスピードで円周方向に何度もスキャンさせる照射方法を用いれば、デブリフリーかつ周囲への影響を防ぐという条件をクリアした上で、任意のダメージの大きさに対応できるダメージマネージメントを行うことができると言える。

図 7.レーザースキャナー装置の設計

9. まとめ本研究ではダメージ拡大プロセスの観察

CO2 レーザーを円周方向にスキャンできからダメージマネージメントに求められるる装置を作成した。微小面あたりの照射時レーザーによる加工形状を見積もり、デブ間 T=66μm/(300μm×π/s)=700ms とな

リフリーと照射周囲への蒸発等の影響を防るように設計した(図 7.参照)。

ぐ条件を求めた。そしてレーザーを円周スキャンさせる装置を設計し、円周スキャンがそれらの条件をクリアして任意のダメージ形状に対応したレーザーダメージマネージメントに適していることを示した。
しかし今回のスキャナー装置よりも速いスピードでのスキャンが必要であることは、ダメージの大きさ(~300μm)に対して現状

図 8.レーザー円周スキャンによる形成穴の CO2 レーザー穴が深すぎる、遅いスピー
ドのスキャンでは照射部に局所的な吸収のガウスビームを 1 点照射したときと同じ偏りが生じてしまう、などの理由で考えら条件でガラス表面に CO2 レーザーを円周スれている。したがって以降はスキャナーのキャンして照射したところ、どのデータで改良、および穴の形状評価、石英ガラス以外もデブリフリーかつ照射周囲の蒸発のないのガラスへの実験、などを行う必要がある

任意の範囲でのアブレーションができていと考えている。

ることを確認した(図 8.参照)。このアブレ