レーザーアブレーション

レーザーアブレーションとは？

レーザーアブレーションとは特定の性質を有するレーザー光を対象物に照射した際、その表面が瞬間的に溶融・蒸発することで様々な原子や分子、固体片といったものが爆発的に放出される現象であり、またその現象を活用して固体ワークから不純物を除去したり微細加工を施したり、あるいは新素材を創製するといったレーザー加工技術です。

レーザーアブレーションを活用することでミクロン単位の材料加工を行ったり、放出された成分を分析したりといった様々なことが可能になると期待されています。一方、期待通りの効果を生むためには高度な技術やプロセスが必要になることもポイントです。

レーザーアブレーションのメカニズム

レーザーアブレーションという用語には領域や分野によって複数の意味があり、またレーザー加工の応用技術としてレーザーアブレーションを利用する際にも様々な目的が想定されます。

レーザー光と照射対象物の相互作用によって発生するレーザーアブレーションは、発振装置やレーザー光の種類と、加工対象となる物質や材料の特性によって色々なパターンが存在しており、期待する目的や結果によってもシステムやプロセスが異なる点も重要です。

金属材料におけるレーザーアブレーション

金属を材料としてレーザーアブレーションを行う場合、材料表面の価電子帯に存在している自由電子によって、レーザー光が強く吸収されるという性質を考えなければなりません。

レーザーによる光子エネルギーを吸収した電子は、そのエネルギーを金属元素である原子へ伝達し、格子振動を励起させます。その結果、対象物の温度が急激に上昇して溶融や蒸発が発生するという仕組みです。

半導体におけるレーザーアブレーション

半導体や誘導体が材料となる場合、レーザーの格子エネルギーが電子の存在しないバンドギャップよりも大きい場合に強く吸収されます。

またレーザー光には波長が短いほどエネルギーが大きくなるという性質があり、そのため半導体では対象物のバンドギャップを考慮した上で、照射レーザーのエネルギーの大きさや波長といった要素を決定しながら最適なレーザーアブレーションを発生させる必要があります。

レーザーアブレーションを応用した技術

レーザーアブレーションを応用することで様々な材料の表面加工・微細加工を行ったり、材料表面に薄膜を形成したり、あるいは放出される元素や固体片から超微粒子を創成するなど色々な目的を追求することが可能です。

そのためレーザーアブレーションは産業分野や工業分野だけでなく、医療分野やエネルギー創出分野など幅広い分野で研究されています。

レーザーアブレーションを応用できる加工や分野としては以下のようなものが一例として考えられます。

• 微細加工
• 薄膜形成（PLD：Pulsed Laser Deposition）
• 超微粒子の創成
• 元素分析
• 短波長光発生
• レーザー核融合

微細加工

一般的なレーザー加工による切断や溶接、穴あけ加工に対して、レーザーアブレーションを応用した加工ではより精密で微少範囲の加工を実現することが可能です。

レーザーアブレーションではレーザー光の種類や材料特性を適正化することで、ミクロン単位の微細加工を行えることが特徴です。

薄膜形成（PLD：Pulsed Laser Deposition）

レーザーアブレーションを行って材料表面から元素を放出させた上で、その元素を基板へ堆積させることで薄膜を形成させることができます。

これにより、金属素材だけでなくセラミックス材料や絶縁体など様々な素材をターゲットに利用して薄膜化形成を行える点が強みです。

超微粒子の創成

レーザーアブレーションによってターゲットから特定の元素は物質を剥離・放出させることで、超微粒子や新素材などを生み出すことも可能とされています。

元素分析

レーザーアブレーションの発生はレーザー光や対象物の特性によって左右されています。この性質を応用して、分析対象となる元素の性質や光子エネルギーの吸収性を考慮した上でレーザーアブレーションを行い、放出された物質を分析することで、対象に含まれる元素分析などを行うことが可能です。

短波長光発生

レーザー光は波長が短いほど高エネルギーを持つため、レーザーアブレーションの効率化には短波長光を安定的に維持できる設備が重要です。

レーザーアブレーションの技術追及の過程において開発された短波長レーザーは産業分野や工業分野だけでなく、人を対象とした手術や治療など医療分野でも応用されています。

レーザー核融合

レーザー核融合は、重水素と三重水素によって構成される固体燃料カプセルへ高強度のレーザーを照射し、瞬間的な爆縮を引き起こすことで核融合反応を発生させて高エネルギーを取得するシステムです。

レーザー核融合の点火役として必要になる爆縮プラズマの発生に、レーザーアブレーション技術が応用されています。

レーザーアブレーション技術を活用する産業

レーザーアブレーションは単一の現象や加工技術を指すのでなく、ターゲット材料へ適切なレーザー光を照射することで原子の熱エネルギーを増強させて格子運動を促進し、瞬間的な溶融や剥離などを発生させるプロセスです。

この原理や関連装置を応用した技術は半導体製造や新素材の創成、レーザー医療器や手術器具の開発など様々な場面で利用メリットを追及できるとされており、目的に合わせたレーザー発振装置や対象材料を最適化することで、レーザー核融合などエネルギー問題の解決に向けた取り組みにも利用価値が期待されています。