研究紹介

パラメータ自動可変レーザー加工システム

レーザー加工は、レーザーのパルス幅・パルス強度・繰り返しレートなど各種パラメータに大きく依存することが知られています。パラメータを可変することによって、様々な仕様に最適な加工を実現できる自由度がありますが、所望の形状や品質を得るために最適なパラメータを探索するためには多大なる時間と労力がかかるという問題がありました。我々は、最適なパラメータ探索を効率的に行うために、超短パルスレーザーの各種パラメータを自動で可変できるレーザー加工システムを東京大学物性研究所の小林研究室と共同で開発し、産総研柏センターにあるレーザー加工プラットフォームに設置しました。

特に、超短パルスレーザー加工では、短い時間で物質除去（アブレーション）に必要なエネルギーを与えることができるため、熱影響の少ない加工が実現できます。熱影響の度合いは、パルス幅に大きく依存すると考えられるため、この装置では、パルス幅を400フェムト秒～ 400ピコ秒（フェムトは10^-15、ピコは10^-12）という3桁の広域で連続的に可変できるようになっており、熱的領域から非熱的領域の境界を探索するのに適しています。他に、パルスエネルギーは2桁可変（最大100マイクロジュール）で、繰り返しレートは 1 MHz の任意分数周波数に設定できます。また、照射するショット数もシングルショットから無限回まで任意に設定できます。単一のコンピューターからプログラムを通して、すべてのパラメータを一括制御できるため、多くのパラメータ可変加工データを自動的に効率よく取得することができます[1-5]。現在、この装置を活用して、金属・ガラス・セラミックス・樹脂など各種材料のレーザー微細加工について研究を行っています。ユーザー利用も可能となっておりますので、ご利用をご希望の際はご相談ください。

専門的な詳細については、以下のページをご覧ください。

パラメータ自動可変レーザー加工システム（InterOpto 2020 説明パネル）[PDF : 835 KB]

フェムト秒ファイバレーザーの開発

Er（エルビウム）やYb（イッテルビウム）添加ファイバーを用いた近赤外域のフェムト秒ファイバレーザーの研究開発を行っています。波長1000～1100 nm帯のYbファイバレーザーでは、発表当時世界最短の28フェムト秒パルスを発生するモード同期発振器を開発しました[1]。また、チャープパルス増幅法を用いて、パルスエネルギー50 μJ、パルス幅670フェムト秒の Ybファイバレーザー増幅システムを構築しました。このシステムは、外部からTiサファイアレーザー光のパルスをファイバー発振器に注入することにより、 Tiサファイアレーザーと同期して動作するのが特長です。これによって、Tiサファイアレーザー励起のパラメトリック発振器からの３波長同期パルスを Ybファイバレーザーの第二高調波で励起して、パラメトリック増幅を行い、サブμJレベルまで高強度化することが可能となりました[2]。

最近では、レーザー加工用光源として、複数のパラメータを可変できる平均出力100 W（パルスエネルギー 100 μJ)のフェムト秒ファイバレーザーシステムを開発しました。パルス幅は、400フェムト秒～400ピコ秒まで可変となっています。このレーザーは、上記の「パラメータ自動可変レーザー加工システム」の光源として、活用しています[3-5]。

また、高繰返しYbファイバレーザーの第二高調波（波長517 nm）をエンハンスメント共振器に閉じ込めることにより、高効率な第二高調波変換を行い、波長259 nmで出力1 Wの紫外フェムト秒パルスを発生しました。紫外加工や光電子分光計測などへの応用が考えられます[6]。

ファイバレーザーをベースに、コンパクトでメンテナンスが容易な実用性の高い光ファンクションジェネレーターの構築をめざして、シード光となる41フェムト秒のErファイバーレーザーを開発しました。このレーザーは完全にファイバー融着のみで構成されており、まったく自由空間部分が存在しないため、アラインメントが不要で非常に安定な光源となっていることが特長です。

２波長フェムト秒レーザーの高精度同期

電界合成を行うために、波長の異なる２台のフェムト秒レーザー発振器からのフェムト秒パルスを高精度に同期制御する技術を研究しています。電界合成による任意電界発生を実現するには、パルスピークのタイミングと内部の電界位相の２種類の同期を行う必要があります。２台の独立したフェムト秒レーザーからは通常、それぞれ独立したタイミングでパルスが出射されるため、このままでは２つのパルスを時間的に重ね合わせることができません。我々は、一方のレーザー結晶中で両方のレーザー光路が空間的に重なり合うように、２つのレーザー共振器を配置することによって、パルスどうしの非線形効果を利用して、タイミングを受動的に同期する方法を考案・実証しました。さらに、能動的な制御による補正機構を追加することにより、発表当時世界最高の 0.1フェムト秒（100アト秒）という同期精度を達成しました[1]。

電界位相についても、２台のレーザー光を非線形結晶によって同じ波長に変換し、得られる干渉信号からレーザー間の位相差を検出した後、その誤差信号をレーザーにフィードバックすることにより、 0.1フェムト秒（100アト秒）の精度に同期することに成功しています。得られた同期精度は、波長1ミクロンの光電界振動周期（3.3フェムト秒）の30分の1以下に相当し、電界合成を行う上で十分な同期性能が得られたことを意味しています[2]。

専門的な詳細については、以下のページをご覧ください。

タイミング同期（概説）

多波長フェムト秒パルスの電界合成による任意光電界発生（光ファンクションジェネレーター）

多波長フェムト秒パルスの電界合成によって、任意光電界発生を可能にする装置「光ファンクションジェネレーター」の実現に向けて、研究を行っています。上記の方法で高精度に同期した２波長レーザーから非線形結晶による波長変換を行い、周波数比が2:3:4となる合計３波長の互いに位相同期したパルス光を得ることができました。これらを時間的・空間的に重ね合わせ、電界合成を行い、独自の方法で合成点における相対的な位相を計測し、合成電界波形を決定することに成功しました。位相の計測には、合成点に薄い非線形結晶を配置し、複数の周波数混合過程から生じる光どうしの干渉を利用しました。計算結果から、分散による影響は補正可能であることが分かりました。この結果により、３波長パルスの電界合成により、たとえば、0.66フェムト秒（660アト秒）の幅を有する電界構造を作りこむことができることを実証しました[1]。

また、Tiサファイアレーザーにタイミング同期したYbファイバレーザー増幅器を開発し（上記参照）、これを励起光にしたパラメトリック増幅による３波長同期パルスの高強度化を行いました。高強度化によって、多光子電離などの高次非線形現象を見ることができるようになり、電界波形に依存した効果が観測可能になると考えています[2]。

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