フェムト秒レーザーによるガラスの穴あけがさらに改良されました

ガラス！ それは気難しいことだ。 めちゃくちゃ丈夫ですが、欠けたり、間違った方向から見たりすると、鋭いゴミの束が残ります。 その透明感と滑らかさは賞賛されると同時に、機械的、熱的、その他の衝撃が加わった場合にいかに不安定になるかで非難されます。

ガラスに穴を開けようとしたことがあれば、それが大変な作業であることがわかるでしょう。 破らずにそれを達成するのは、火星の宝くじに当たるのと同じくらいの確率です。 レーザーでもあまり得意ではありません。 しかし、フランスの研究チームは、フェムト秒レーザーを使用して、テーパを最小限に抑え、亀裂を発生させずにガラスに微細な穴を開ける新しい技術を開発しました。 素晴らしいですね?

フェムト秒レーザーは強力で便利なツールですが、説明が必要なほどまだよく知られていません。 これらは、1 フェムト秒から数百フェムト秒程度の信じられないほど短いパルスを発射するレーザーです。 フェムト秒に詳しくない方のために説明すると、フェムト秒は 1 x 1015 秒、つまり 100 万分の 1 ナノ秒です。 これらのレーザーは、非常に短時間に大量のエネルギーを放出します。これは、物理的に考えると、ピーク出力が高いことを意味します。 これらのレーザーは単一パルスを発射できますが、さまざまな速度で繰り返し発射することもできます。 たとえば、一部のフェムト秒レーザーは、ギガヘルツの速度で超短パルスを繰り返し発射できます。

これらのレーザーが提供するのは、光エネルギーの高強度パルスを非常に正確に供給できることです。 そのため、科学者がアブレーションと呼ぶ、非常に少量の材料の破壊を伴う、非常に細かく非常に繊細な作業に非常に役立ちます。 高強度パルスは多くの材料をアブレーションできますが、フェムト秒パルスの持続時間が短いため、周囲の領域への熱影響が最小限に抑えられます。 このように、フェムト秒レーザーは、レーザー眼科手術からさまざまな微細加工作業に至るまで、あらゆる用途に有用であることが証明されています。

しかし、ガラスに穴を開ける場合、フェムト秒レーザーは従来、あまり性能が良くありませんでした。 通常の技術では、長い時間間隔をあけて単一のフェムト秒パルスを使用します。 これにより、貫通力が制限された穴が形成される傾向があり、大幅な先細りや粗い内面を示す可能性もあります。 この新しい方法は、ボルドー大学の研究者らの研究によるものです。 代わりに、ギガヘルツバーストで発射されるフェムト秒パルスを利用して、ガラスに微細な穴を開けます。

研究論文によると、この技術はガラスにはるかに優れた微細な穴を加工します。 研究者らは、ソーダ石灰ガラスでは最大 37:1 のアスペクト比、溶融シリカでは最大 73:1 のアスペクト比の亀裂のない深い穴を作製することができました。 穴自体の直径はわずか 27 ～ 52 μm でしたが、深さは 510 μm ～ 1620 μm に達していました。 石英ガラスの場合、穴の表面仕上げも驚くべき品質で、「光沢があり、ほとんど透明だった」とボルドー大学のインカ・マネク・ヘニンガート教授はPhotonics Mediaに語った。

研究チームは、研究ではイッテルビウムをドープしたフェムト秒レーザーであるAmplitudeのTangor 100レーザーを使用した。 レーザーは、1030 nm で 100 W の最大平均出力を出力し、500 フェムト秒パルスを発射しました。 穴を開けるために、レーザーは 1 GHz の繰り返し率で 500 fs パルスのバーストを発射しました。 50 パルスの各バーストは 50 ナノ秒続きました。 次に、バーストが 1 KHz の速度で繰り返されました。 これにより、バーストの間に熱が放散するのに十分な時間が確保され、穴の周囲の材料に熱影響ゾーンが形成されるのが回避されました。 研究チームは、非線形の吸収挙動とレーザーバーストの累積的な熱効果が高品質の穴を形成する鍵となると指摘している。 激しいバーストを繰り返すと、材料のアブレーション率が増加し、より深く、よりきれいな穴を形成するのに役立ちます。

この技術がさまざまな産業用途に役立つことが証明されることが期待されています。 熱の影響によるガラスの損傷を避けるために、この技術の速度は制限されています。 ただし、ソーダ石灰または溶融シリカに非常に小さな穴をきれいに加工する必要がある用途では、この技術がまさに最適な方法になる可能性があります。 先進的ではあるが既製のレーザーハードウェアを使用していることを考えると、他の研究室でも容易に再現できるはずです。