Observation and characterization of quasi-continuous wave kW-class laser interaction with metal and metal oxide targets using a high-speed camera and microscopes

高速度カメラと顕微鏡を用いた疑似連続発振キロワット級レーザーと金属および金属酸化物ターゲットの相互作用の観察と特性評価

大道 博行*; 山田 知典; 猿田 晃一   ; 宮部 昌文   ; 伊藤 主税   ; 柴田 卓弥  ; 井上 薫*; 寺林 稜平*; 長谷川 秀一*

Daido, Hiroyuki*; Yamada, Tomonori; Saruta, Koichi; Miyabe, Masabumi; Ito, Chikara; Shibata, Takuya; Inoue, Kaoru*; Terabayashi, Ryohei*; Hasegawa, Shuichi*

kW級の疑似連続発振レーザー(パルス時間10ms)と金属・金属酸化物との相互作用について、レーザー誘起絶縁破壊や連続的なレーザー誘起溶融・蒸発と機械的応答、それに続く様々な種類の粒子や破片の放出に関する特性評価を行った。ファイバーレーザーと高速度カメラを用いて、相互作用ダイナミクスを観察した。放出された微粒子をカスケードインパクターや自作コレクターで捕集して電子顕微鏡で観察した。照射痕形状はデジタル光学顕微鏡で観察し、ターゲットから噴出した総質量を求めた。その結果、金属との相互作用のしきい値は、酸化物との相互作用のしきい値よりも低く安定していた。またステンレス鋼では、レーザーで加熱された薄層からの熱伝導により生じる溶融層のダイナミクスと、隣接する固体層による機械的応答の少ない連続的な粒子放出が支配的であることが分った。一方、酸化物では溶融のほか、比較的深い相互作用領域での破壊と、比較的大きなレーザーショット間変動のある脆性材料応答が重要な役割を果たすらしいことが分った。

Characterization of kW class quasi-continuous wave (a pulse duration of 10 ms) laser interaction with metal targets and those with metal oxide targets are presented in respect to the laser induced breakdown and the successive laser induced melting and evaporation coupled with a mechanical response followed by ejection of various kinds of particles and fragments. An experiment was performed using fiber lasers coupled with a high-speed camera to observe dynamics of the interaction. Ejected fine particles were collected using a cascade impactor and a home-made collector and were observed with electron microscopes. Shapes of irradiation marks were observed with a digital optical microscope. We also measured total ejected mass from a target. The experimental results reveal that firstly the laser threshold intensity of the interaction with the metal target was lower and more stable than those with the metal oxide targets. Secondly, in the stainless steel targets, the dynamics of molten layer created by thermal conduction from the laser heated thin layer and successive particle ejection with less mechanical response by the adjacent solid layer are dominant processes, while in the metal oxide targets, the fracturing in the relatively deeper interaction region coupled with brittle material response having relatively large laser shot to shot fluctuation appears to play a significant role in addition to the laser induced melting.