内部加工

レーザーで材質を変化させる内部加工

レーザーを使った加工法は他の方法ではできない特殊な加工を実現できるのが強みで、その1つが透明材料の内部のみに加工を行える内部加工です。フェムト秒レーザーパルスをガラスなどの透明な材料に集光照射することで、レーザーの波長および密度によって焦点付近の材質を局所的に改質することが可能。個体材料の内部における任意の場所に直接影響を与えられるのは、光学技術を用いた加工法ならではの特徴です。

内部加工の原理

透明材料の内部のみに加工を行える理由としては、「多光子吸収」が影響しています。多光子吸収とは、光の密度が高くなった箇所では非線形光学効果によって光の吸収が起こる現象です。

ガラスや樹脂などの透明材料の内部にレンズなどを利用して集光照射した場合、光の密度が高くなった焦点部のみ強度が上がり、表面吸収を起こさずに内部改質が可能となります。内部改質を起こす原因は材質の種類や加工条件によっても変わってきますが、密度の変化やボイド（空孔）、含有成分の移動などが関係しているとされています。

母材部と改質部では屈折率も異なり、変化の程度やサイズによっては目視でも確認することが可能です。内部加工を利用した身近な製品としては、ガラス内部に3次元で絵を彫刻した贈答品の置物やキーホルダーなどがあげられます。これらの製品はパルス幅がナノ秒オーダーのレーザーで内部加工されており、熱影響によるクラック（亀裂）を積極的に利用して製作されています。

内部加工（インナーマーキング）の流れ

対象物の内部に加工を施すには、ステージという道具を機械的に動かしながら集光点を加工するか、ホログラムレンズと呼ばれる特殊なレンズを使用します。どちらも細工したい箇所にレーザーを集光照射して内部でレーザーを衝突させることにより、100マイクロほどの微細な傷を付けながら彫刻を施していくという流れです。

透明な材料の内部に目に見える加工を施せる理由としては、レンズでレーザー光線がしぼられることによって集光点で高いエネルギーが生まれ、焦点付近の材料の性質が改質するためです。それによって透明な材料に色がつき、立体的な像が目に見えるという仕組みになっています。

ガラスへの内部加工

ガラスのような透明な材料は、レーザーの透過率が非常に大きいのが特徴です。そんな材料に内部加工を施すには、超短パルスレーザーを集光照射してガラスに多光子吸収を発生させ、ガラス内部に局部的な屈折率の変化を起こさせる必要があります。この方法によってガラス内部に3次元加工を行えるようになり、3次元光学素子の製造やガラス内部に3次元の導波路を形成できます。

ガラス内部を3次元で加工するには、ガラス内部に集光するレーザーを3次元で走査しなければいけません。レーザーを走査する方法としては、ガラス材料を乗せたステージを3次元的に移動させる方法（逐次加工法）、もしくはホログラム・レンズを利用してガラス内部に一括でレーザーを照射する方法があります。

シリコン基板への内部加工

東京都港区にある芝浦工業大学の工学部機械工学科において、従来のレーザーよりも波長がやや短く、シリコンに対して完全に透明ではないレーザーを用いたシリコン基板への内部加工の研究が行われました。

本研究ではシリコン基板の表面・裏面を傷つけずに内部のみを加工できる条件が調査され、得られた加工条件をもとに作製した回折格子が光学的に機能することを実証。これにより5G時代やBeyond 5G時代で多様な用途が見込まれる半導体・集積回路において、シリコンフォトニクスの技術発展への寄与が期待されています。