レーザー加工への分光計測法の応用研究

Study on application of laser spectroscopic techniques to laser processing

宮部 昌文   

Miyabe, Masabumi

レーザー除染やレーザー切断などのレーザー加工技術で必要となるプロセス情報を得る手段として分光計測法の適用性を調べている。物質に強いパルスレーザー光を照射すると、表面から飛び出した原子種が、逆制動放射過程を介して光エネルギーを吸収し、レーザープラズマへと急速に成長する。このため、発生するレーザープラズマの様々な特性は、レーザー光の照射時間に大きく左右される。先行研究ではパルス長10ns程度のNd:YAGレーザーと、100ns程度のロングパルスレーザーで発光特性に違いのあることが報告されているが、レーザー加工で一般的な10ms以上の光照射によるプラズマの発光・吸収特性は殆ど知られていない。そこで本研究ではQCW(Quasi Continuous Wave)ファイバーレーザーを用いて大気圧空気中のレーザープラズマの発光特性等を調べた。その結果、先行研究と同様に、ナノ秒パルスレーザーの場合と比べて、酸化物分子の発光強度が強くなることが分かった。また、ジルコニアやガドリニアでは原子の強い発光線も多数観測され、これはスパッタ物質が空中を浮遊しながら燃焼することで生じている可能性があることが分かった。これにより、発光特性の違いはあるものの、レーザー加工時の発光から元素組成情報を得られる可能性があることを実証した。

We have studied the applicability of spectroscopic technique for obtaining process information needed for laser decommissioning and other various laser processing techniques. When a material is irradiated with intense laser pulses, atomic species eject from the surface which absorbing the light energy via inverse Bremsstrahlung process and laser plasma grows rapidly. Thus various properties of the generated laser plasma strongly depend on the duration of the laser irradiation. Although previous studies have reported differences in emission characteristics between Nd:YAG lasers with about 10 ns-pulse and long-pulse lasers with about 100 ns-pulse, little is known about the emission and/or absorption characteristics of the plasma produced through the irradiation of longer than 10 ms duration, which is common in current laser processing. In this study, we investigated the emission characteristics of the laser plasma produced in atmospheric air using a QCW (Quasi Continuous Wave) fiber laser. As a result, it was found that the emission intensity of oxide molecules is enhanced. Also, only for zirconia and gadolinia targets, strong emission lines of atomic species were observed. From the images recorded during laser ablation process, it was observed that the sputtered materials were burned while floating in the air and this might contribute to strong emission signal of atomic species. This study demonstrated the possibility of applying emission spectroscopy to laser processing to evaluate elemental composition of the processed materials.