Dynamics of spallation during femtosecond laser ablation studied by time-resolved reflectivity with double pump pulses

熊田 高之; 乙部 智仁; 錦野 将元; 長谷川 登; 林 照剛*

Applied Physics Letters, 108(1), p.011102_1 - 011102_4, 2016/01

AA2015-0725.pdf:1.07MB

https://doi.org/10.1063/1.4939231

ダブルパルスを用いた時間分解反射率測定法により、フェムト秒レーザーアブレーションにおける非熱効果によって膜状に試料が剥離するダイナミクスを調べた。アブレーション閾値以上のポンプ光照射後、剥離膜と母体試料表面におけるプローブ光反射波の干渉による振動が現れる。その振幅は、第1ポンプ光の直後に第2ポンプ光を照射すると増大するが、両光の時間間隔とともに減少し、20ps以上では消滅した。この結果は、第1ポンプ光直後の第2光が膜剥離前の母体試料表面を励起するのに対して、20ps以上離れた第2光は既に剥離した膜を励起したものと考えられる。剥離膜は試料母体との機械的接触を持たないために、膜に付与されたエネルギーは試料母体に散逸することなく、膜表面から激しい蒸発を促し、膜自体を破壊したのであろう。本結果から決定される膜剥離時間は10ps程度と決定され、この値は膜厚と音速によって決定される構造緩和時間20psと実験結果と近い値となることが見出された。

Soft X-ray laser observation of femtosecond-laser-driven ablation of tungsten

錦野 将元; 長谷川 登; 石野 雅彦; 越智 義浩; 河内 哲哉; 山極 満; 加藤 義章*

Chinese Optics Letters, 13(7), p.070002_1 - 070002_3, 2015/07

https://doi.org/10.3788/COL201513.070002

Ablation dynamics of tungsten irradiated with a 70-fs laser pulse is investigated with X-ray interferometry and X-ray imaging using 13.9 nm soft X-ray laser of 7 ps pulse duration. The evolution of high density ablation front of tungsten is presented. The ablation front expands to around 120 nm above the original target surface at 160 ps after fs-laser irradiation with the expansion speed of approximately 750 m/s. These results will provide important data for understanding ablation properties of W, which is a candidate material of the first wall of magnetic confinement fusion reactors.

Non-thermal effects on femtosecond laser ablation of polymers extracted from the oscillation of time-resolved reflectivity

熊田 高之; 赤木 浩; 板倉 隆二; 乙部 智仁; 錦野 将元; 横山 淳

Applied Physics Letters, 106(22), p.221605_1 - 221605_5, 2015/06

https://doi.org/10.1063/1.4921854

時間分解反射率測定法を用いて透明高分子のフェムト秒レーザーアブレーションダイナミクスを追ったところ、アブレーション閾値以上の強度のポンプ光入射後に反射率の振動を観測した。本振動は試料表面と、非熱効果によって試料から剥離した薄膜において反射したプローブ光の干渉によるものであると結論付けた。

Photomechanical effects on femtosecond-laser ablation of fused silica studied using time-resolved reflectivity

熊田 高之; 赤木 浩; 板倉 隆二; 乙部 智仁; 横山 淳

no journal, , 

石英の時間分解反射率測定において周期60psの明瞭な振動を観測した。振動周期はプローブ光波長に正比例することから、この振動はコヒーレントフォノンのような反射面の物理的な振動ではなく、試料表面と非熱効果により剥離した薄膜表面における反射波の干渉であることを突き止めた。

Observation of femtosecond laser ablation on tungsten by using soft X-ray laser

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 馬場 基芳*; 南 康夫*; 河内 哲哉; et al.

no journal, , 

近年、フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。これまで金や白金のアブレーション過程の観測を行ってきたが、新たなターゲットとして融点の高いタングステンを用いた。フェムト秒レーザー照射によるタングステンのアブレーション過程の解明のために、フェムト秒レーザー(波長795nm、パルス幅80fs)ポンプ・ピコ秒軟X線レーザー(波長13.9nm、パルス幅7ps)プローブを構築し、ピコからナノ秒スケールで起きる金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を行った。レーザー照射の数ピコ秒後から数ナノ秒後の時間領域のサンプル表面でのアブレーション面の膨張過程について軟X線による反射及び干渉計測を行い、アブレーションフロントの表面状態について解析を行った。また、講演では、タングステンと金や白金のアブレーション過程の違いについても考察する。

フェムト秒レーザーによる金属アブレーション過程の軟X線レーザー反射・干渉計による観測

錦野 将元; 長谷川 登; 富田 卓朗*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 河内 哲哉; 山極 満; 末元 徹

no journal, , 

フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。近年、フェムト秒レーザー照射による金属のアブレーション過程の解明のために、プラズマ軟X線レーザーをプローブ光源として、金属表面におけるアブレーション過程についてのピコ秒からマイクロ秒にわたる変化の観測を行った。我々はプラズマ励起軟X線レーザーによる軟X線反射率計測や軟X線干渉計測からアブレーション表面や膨張表面の状態について解析を行った。これらの実験結果と分子動力学シミュレーションを用いたフェ ムト秒レーザーアブレーションに関する結果を比較しアブレーションダイナミクスの検討を行った。これらの解析結果について報告する。

軟X線レーザーを用いた時間分解表面形状計測技術とレーザーアブレーションへの応用

錦野 将元; 長谷川 登; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 河内 哲哉; 山極 満; 末元 徹*

no journal, , 

日本原子力研究開発機構・関西光科学研究所の発振波長13.9nmのプラズマ軟X線レーザーを使用したピコ秒の時間スケールでナノメートルスケールの表面起伏をシングルショット計測可能なポンププローブ軟X線干渉イメージングシステムと反射率イメージングシステムの開発について報告する。この計測手法を用いてフェムト秒レーザー照射による金属表面におけるアブレーション過程のピコ秒からマイクロ秒にわたる変化の観測を行った。この13.9nmの軟X線は、固体密度程度の臨界密度を持つ一方、固体に対する浸透長が数nm程度のため、レーザーアブレーションによって生成される表面プラズマの影響をほとんど受けること無く固体表面の情報を得ることが可能である。これらの実験結果と分子動力学シミュレーションを用いたフェムト秒レーザーアブレーションに関する計算結果を比較しアブレーションダイナミクスの基礎的メカニズムの解明に向けた検討についても報告する。

ダブルパルスを用いたフェムト秒レーザーアブレーションにおける膜剥離ダイナミクスの研究

熊田 高之; 乙部 智仁; 錦野 将元; 長谷川 登; 林 照剛*

no journal, , 

ナノ秒レーザーと異なりフェムト秒レーザーアブレーションでは照射時間内に光吸収体積内に生じた熱のみならず圧力が重要な役割を演じる。この圧力効果は、熱損傷を最小限に抑えた非熱加工技術として精密加工技術開発の点から注目されている。高強度フェムト秒レーザー照射時に圧力は表面ではなく光の侵入長で最大値をとり、そこから生じる斥力によって被照射物質は薄膜状に剥離する。膜状剥離は圧力効果に特有の現象であることから、この剥離膜の観測からアブレーションにおける熱効果に対する圧力効果の寄与を議論することができる。我々は、ダブルポンプパルスを用いた時間分解反射率測定により剥離膜生成時間を実験的に決定し、理論予測されているストレス緩和時間とほぼ同程度であることを確認した。