2004FY-009-2
光技術応用システムのフィージビリティ調査報告書
−フェムト秒超加工技術−
2005(平成 17)年 3 月
財団法人 光産業技術振興協会
この事業は，競輪の補助金を受けて実施したものです。
この事業は，競輪の補助金を受けて実施したものです。
この事業は、競輪の補助金を受けて実施したものです。
序 文
2004（平成 16）年度の光産業国内生産額は、当協会が行っている光産業動向調査委員会の調査結果によ
ると、金額にして8兆4,045億円、前年度比13.8%増という高い水準での伸びが見込まれている。21世紀に おいて、日本が引き続き発展を続けるためには産業と技術の振興が不可欠である。特に急激な産業構造、経 済状況の変化が起こっている現在、新たな発想を持った新技術と新製品並びに新市場の創造が強く望まれて いる。光技術分野は、通信・情報産業や環境・エネルギー産業等の発展のための基礎・基盤として大きな成 長が期待される重要な技術分野であり、新規事業や市場創造の可能性が高い。
当協会は、光技術の普及促進と光産業の発展並びに光技術分野における新規事業創造に寄与するために、
平成 8 年度より「新規事業創造プロジェクト推進委員会」を設置した。本事業は、「技術指導事業」、「フィ ージビリテイ調査事業」、「委託開発事業」の3つのカテゴリに大別される事業について、それぞれに委員会 等を設置して活動を行っている。
本報告書は、このような背景のもとに上記「フィージビリテイ調査事業」の一環として、2004（平成16）
年度に設置した「フェムト秒超加工技術フィージビリティ調査委員会」の調査研究結果について取りまとめ たものである。当委員会は、フェムト秒加工の特徴を調査するとともに、代表的なフェムト秒加工技術であ る内部加工、ソフトマテリアル、表面加工について、産業界の立場から実用化のための光源技術に関する将 来展望や周辺技術について調査を行った。フェムト秒レーザがもたらす革新的な加工技術が潜在的なニーズ を呼び起し、新たな市場を創造していくことを期待したい。
本報告書の作成に当たっては、本調査委員会の藤田雅之委員長をはじめとする委員各位、「新規事業創造プ ロジェクト推進委員会」の矢嶋弘義委員長はじめ委員各位、さらには関係官庁、諸機関、関係企業の各位の 多大のご支援とご協力を賜ったことを、ここに特に記して深く感謝の意を表す次第である。
2005（平成17）年3月
財団法人 光産業技術振興協会 会長 金杉 明信
平成 16 年度 フェムト秒超加工技術フィージビリティ調査
委員会名簿
（敬称略、順不同）
委員長 藤田 雅之 財団法人 レーザー技術総合研究所
レーザー加工研究チーム チームリーダー 主任研究員 委 員 朝日 剛 大阪大学 大学院 工学研究科 応用物理学専攻 助教授 委 員 佐野 智一 大阪大学 大学院 工学研究科 生産科学専攻 助手 委 員 沢田 博司 NECマシナリー株式会社
研究開発センター 先端技術開発シニアエキスパート 委 員 節原 裕一 大阪大学 接合科学研究所 教授
委 員 西井 準治 独立行政法人 産業技術総合研究所
光技術研究部門 ガラス材料技術グループ グループリーダー 委 員 細川 陽一郎 独立行政法人 科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 研究員 委 員 増原 宏 大阪大学 大学院 工学研究科 応用物理学専攻 教授
委 員 松嶋 朝明 松下電工株式会社
先行・融合技術研究所 高度MEMS開発センター 主幹研究員 委 員 三澤 弘明 北海道大学 電子科学研究所 教授
委 員 森 淳暢 関西大学 工学部 機械システム工学科 教授 委 員 吉田 睦 アイシン精機株式会社
新規事業企画室 ファイバーレーザー事業グループ グループマネージャー 委 員 鷲尾 邦彦 有限会社パラダイムレーザーリサーチ 取締役社長
事務局 新田 康一 財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （主担当）
事務局 野口 幸男 財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （副担当）
委員以外の執筆者名簿
（敬称略、順不同）
杉岡 幸次 独立行政法人 理化学研究所 レーザー物理工学研究室 先任研究員 橋田 昌樹 京都大学
化学研究室 先端ビームナノ科学センター レーザー物質科学研究領域 助手 塚本 雅裕 大阪大学 接合科学研究所 助手
松坂 壮太 千葉大学 工学部 電子機械工学科 助手
水野 剛 ソニー株式会社 マイクロシステムズネットワークカンパニー
コアテクノロジー開発本部 フォトニクス研究部 Distinguished Engineer
総 目 次
序文・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3 フェムト秒超加工技術フィージビリティ調査委員会名簿・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 4 委員以外の執筆者名簿・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5 1. はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 12 2. フェムト秒加工の特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 15 2.1 技術マップについて ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17 2.2 フェムト秒加工に関するロードマップについて ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21 2.3 海外動向調査 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 25 2.4 ドイツにおけるフェムト秒レーザプロセスの国家プロジェクト ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26 2.5 フェムト秒加工に関する特許について ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 28 2.6 フェムト秒加工の歴史 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 32 2.7 加工技術の学会発表動向 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 35 2.8 フェムト秒加工に対する産学の意識調査結果 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 41 2.9 将来展望について ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46 3. 内部加工、3 次元造形 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48 3.1 光導波路・回折格子加工について ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48 3.2 フェムト秒 3 次元造形によるフォトニック結晶の作製技術 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 53 3.3 光メモリについて ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59 3.4 マイクロ化学分析システム応用について ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 62 3.5 産業への展開 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 65 4. ソフトマテリアル加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 66 4.1 有機固体のレーザアブレーション ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 66 4.2 細胞加工 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74 4.3 結晶化 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 77 4.4 産業への展開 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 80 5. 表面加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 83 5.1 周期構造による機能表面形成 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 83 5.2 次世代半導体接合形成 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 94 5.3 表面改質 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101 5.4 産業への展開について ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 105 6. フェムト秒超加工装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 106 6.1 フェムト秒レーザ光源 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 106 6.2 フェムト秒超加工装置 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 114 6.3 光源の現状と今後の展望 について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 122 6.4 産業界の要請について ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 124
7. おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 126 8. 新規事業創造事業・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 128 8.1 新規事業創造事業の概念 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 128 8.2 平成 16 年度 事業活動の結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 130 8.3 平成 16 年度 新規事業創造プロジェクト推進委員会名簿・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 132 8.4 平成 16 年度 新規事業創造事業の委員会構成及び事務局・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 133
目 次
序文
フェムト秒超加工技術フィージビリティ調査委員会名簿 委員以外の執筆者名簿
1. はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 12 2. フェムト秒加工の特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 15 2.1 技術マップについて・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17 2.1.1 技術の俯瞰図について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 18 2.1.2 技術マップについて・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 20 2.2 フェムト秒加工に関するロードマップについて・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21 2.2.1 フェムト秒加工ロードマップ＠2002・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21 2.2.2 フェムト秒加工ロードマップ＠2004・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 22 2.2.3 フェムト秒レーザのロードマップ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 23 2.3 海外動向調査・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 25 2.4 ドイツにおけるフェムト秒レーザプロセスの国家プロジェクト・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26 2.5 フェムト秒加工に関する特許について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 28 2.6 フェムト秒加工の歴史・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 32 2.7 加工技術の学会発表動向・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 35 2.7.1 フェムト秒レーザによる金属材料加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 35 (1) 応用物理学会学術講演会（秋）及び応用物理学関係連合講演会（春）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 35 (2) レーザー学会学術講演会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 37 2.7.2 精密工学会における学会発表動向・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 39 2.8 フェムト秒加工に対する産学の意識調査結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 41 2.9 将来展望について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46 3. 内部加工、3 次元造形・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48 3.1 光導波路・回折格子加工について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48 3.1.1 フェムト秒レーザ加工による光導波路・回折格子形成概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48 3.1.2 光導波路加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48 (1) ガラス系材料加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48 (2) ポリマ−系材料加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 49 3.1.3 回折格子加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50 (1) ガラス系材料・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50 (2) ポリマー系材料・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50 3.2 フェムト秒 3 次元造形によるフォトニック結晶の作製技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 53 3.2.1 フォトニック結晶、およびそれを用いたフォトニックデバイス・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 53
3.2.2 集光フェムト秒レーザ加工によるフォトニック結晶の作製・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 53 3.2.3 フェムト秒レーザ干渉加工によるフォトニック結晶の作製・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 55 3.3 光メモリについて・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59 3.3.1 3 次元光メモリの最近の動向と今後の方向性 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59 3.3.2 追記型光酸型記録媒体の提案・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59 3.4 マイクロ化学分析システム応用について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 62 3.5 産業への展開・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 65 4. ソフトマテリアル加工 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 66 4.1 有機固体のレーザアブレーション・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 66 4.1.1 有機固体薄膜の離散的なエッチング・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 66 4.1.2 有機固体薄膜の段階状エッチング・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 68 4.1.3 フェムト秒レーザによるタンパク質固体のエッチング・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 69 4.1.4 超高速高熱変換によるフェムト秒レーザ加工の特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 70 4.1.5 フェムト秒レーザによる有機ナノ顔料作製 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 71 4.2 細胞加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74 4.2.1 培養液のレーザアブレーション・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74 4.2.2 単一動物細胞の非破壊操作・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 75 4.2.3 花粉管を伝搬する精細胞の非破壊単離・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 76 4.3 結晶化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 77 4.3.1 レーザアブレーションを利用した結晶核発生の制御・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 77 4.3.2 有機分子の結晶化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 77 4.3.3 タンパク質の結晶化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 78 4.3.4 結晶化のメカニズム・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 79 4.4 産業への展開・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 80 4.4.1 離散的なエッチング、段階エッチングの応用・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 80 4.4.2 フェムト秒レーザ衝撃波による細胞の非破壊操作・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 81 4.4.3 フェムト秒レーザアブレーションによる結晶化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 81 5. 表面加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 83 5.1 周期構造による機能表面形成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 83 5.1.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 83 5.1.2 フェムト秒レーザによる周期構造・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 83 5.1.3 しゅう動部の摩擦・摩耗低減・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 85 5.1.4 引き離し力（凝着力）の低減・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 88 5.1.5 DLC 膜の密着性向上・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ 89 5.1.6 生体材料への応用・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 90 5.1.7 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 91 5.2 次世代半導体接合形成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 94 5.2.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 94
5.2.2 フォノン励起プロセス・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 95 5.2.3 反射型ポンプ−プローブ法による誘電応答ダイナミックス・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 96 5.2.4 ドーパント層の電気的特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 98 5.2.5 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 99 5.3 表面改質・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101 5.3.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101 5.3.2 レーザ駆動衝撃波・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101 (1) ハイパワーレーザ駆動衝撃波を利用した表面改質・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101 (2) フェムト秒レーザ駆動衝撃波の発生及び金属内部伝搬挙動・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101 (3) フェムト秒レーザ駆動衝撃波の特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 102 5.3.3 フェムト秒レーザ駆動衝撃波による高圧相合成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 103 (1) 鉄の高圧相合成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 103 (2) 今後の展望・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 104 5.3.4 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 104 5.4 産業への展開について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 105 6. フェムト秒超加工装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 106 6.1 フェムト秒レーザ光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 106 6.1.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 106 6.1.2 チタンサファイアレーザ光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 106 (1) 新しい市販のチタンサファイアレーザ光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 107 (2) 研究開発中のチタンサファイアレーザ光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 108 6.1.3 ネオジウム系短パルス光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 108 (1) 市販の短パルスネオジウムレーザ系光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 109 (2) 研究開発中の短パルスネオジウムレーザ系光源 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 110 6.1.4 イッテルビウム系短パルスレーザ光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 110 (1) 市販のイッテルビウム系短パルスレーザ光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 110 (2) 研究開発中のイッテルビウム系短パルスレーザ光源・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 111 6.1.5 ファイバーデリバリ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 112 6.2 フェムト秒超加工装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 114 6.2.1 基本的システム構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 114 6.2.2 加工用光学系・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 114 6.2.3 位置決め制御系・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 116 6.2.4 加工アシスト・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 117 (1) 微小な固体部品をアシスト材料に用いたナノ加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 117 (a) 走査型プローブを利用したナノ加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 117 (b) 微小シリカガラス球を利用したナノ加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 118 (2) 流体アシストフェムト秒超加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 118 (a) 流体アシスト裏面フェムト秒超加工法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 118
(b) 空力学的ウィンドウを利用したフェムト秒穴あけ加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 118 6.2.5 観察・モニタリング系・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 119 6.2.6 除振台（定盤） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 119 6.3 光源の現状と今後の展望について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 122 6.4 産業界の要請について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 124 7. おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 126
8. 新規事業創造事業 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 128 8.1 新規事業創造事業の概念・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 128 8.1.1 技術指導事業・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 128 (1) 光スモールビジネス委員会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 128 (2) 技術アドバイザ制度・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 128 8.1.2 フィージビリティ調査事業・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 129 (1) フェムト秒超加工技術フィージビリティ調査委員会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 129 (2) 光集積技術フィージビリティ調査委員会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 129 8.1.3 委託開発事業・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 129 8.2 平成 16 年度 事業活動の結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 130 8.2.1 光スモールビジネス委員会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 130 8.2.2 技術アドバイザ制度・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 130 8.2.3 フェムト秒超加工技術フィージビリティ調査委員会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 130 8.2.4 光集積技術フィージビリティ調査委員会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 130 8.2.5 開発プロジェクト審査・評価委員会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 130 8.3 平成 16 年度 新規事業創造プロジェクト推進委員会名簿 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 132 8.4 平成 16 年度 新規事業創造事業の委員会構成及び事務局 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 133
1. はじめに
レーザ加工は様々な産業分野で実用化され、高付加価値の製品を産み出している。身近な例では、携帯電 話内に搭載されているプリント基板の微細な穴開けには不可欠な加工ツールとして使われている。レーザ加 工の特徴は、1）微小スポットでの高いエネルギー密度、2）非接触、3）無反動などが挙げられ、他の加工 ツールとは異なった特徴を有している。図 1.1 に一般的なレーザの産業応用を示す。CW（連続波）あるい はパルス幅が長いレーザ光を照射すると、光強度が低いため加熱や溶融が主となり、「表面改質・焼き入れ」
などが可能となる。パルス幅が短く、照射強度が高くなるにつれ、厚板の「溶接・切断」や「穴開け」加工 が可能となり、産業界に広く普及している。
1960年のレーザの発明以来、レーザ光源は発振波長領域、パルス幅、出力において飛躍的な進歩を遂げて きた。レーザのパルス幅がマイクロ秒→ナノ秒→ピコ秒→フェムト秒と短くなるにつれ、加工現象が変化し 新しい応用が展開している。図1.2に短パルスレーザの応用を産業利用の観点からまとめてみた。パルス幅 が1ピコ（10-12）秒を下回ると、レーザと物質との相互作用において非線形性が顕著になり、多光子吸収を 利用したプロセシングや熱的影響が無視できる微細加工が可能となってくる。この領域、即ちパルス幅が 1 ピコ秒以下のパルスレーザを用いた加工が一般的にフェムト秒加工と呼ばれている。
歴史的には、1980年代にフェムト秒パルスと物質の相互作用の研究が始まった。1996 年から1997 年に かけてドイツの研究者から加工応用の論文が相次いで発表され、我が国でも産業界の注目を集めるようにな ってきた。超短パルスを用いたレーザ加工は、熱が周囲に伝わるよりも短い時間でレーザが照射されるため、
1）周囲に熱変成のない加工が可能、2）熱損失が少なく、エネルギー利用効率が高い、3）加工の制御性が
良い、4）多光子吸収により透明媒質の加工が可能となる、5）多光子吸収により波長以下の加工が可能とな
る、などの特徴を有しているため産学官での活発な研究開発が行われている。
10 -6 10-3 100 1
03 104 106 108
衝撃作用 硬化・除染
100 穴開け 102
104 106
1010
レーザーパルス幅（s）
切断 溶接
10 -12 10-9 10-6 106
108 1010 1012 1014 1016 1018 1020
レーザーパルス幅（s）
ps ns μs
102 104
106
10-4 合金化処理
原子・分子 の直接加工
衝撃作用 硬化 高効率
アブレー ション
・除染 10-2 非線形
加工 断熱的
加工
プラズマ 輻射利用
100
超高速 計測
図1.1 一般的なレーザ応用 図1.2 短パルスレーザ応用
我が国におけるフェムト秒加工に関する産学官の活動を振り返ると、図1.3のような流れをまとめること ができる。1997年に（財）光産業技術振興協会（以下、略称光協会）から光技術動向調査事業の一環として
海外調査団が米国へ派遣された。調査団の目的は高出力レーザの技術動向調査であったが、この時、米国国 立リヴァモア研を視察した際にフェムト秒加工が爆弾の解体に利用されているなど非熱的加工の応用事例が 報告されている。1998年と2000 年、2001年には（財）製造科学技術センター・フォトンセンターで先導 研究・事前調査研究・技術動向調査がNEDOの委託で実施され、産業界から研究提案が出された。1998年 には7社、2000年には4社から研究提案書が出された。景気低迷の影響はあるものの、当時から産業界は 国プロのテーマとして興味を持っていたことがうかがえる。2000年 4 月には（財）レーザー技術総合研究 所主催でフェムト秒加工研究会が立ち上がった。メンバーとして、産10 社、学19 名、官3組織が参加し 2001年12月までに8回の研究会が行われた。2000年前後から、フェムト秒加工関連の学会発表が増え、
フェムト秒加工をテーマとしたセミナーや講演会が頻繁に開催されるようになってきた。また、光協会によ る光技術動向調査の加工・計測分野の調査テーマとして継続的に取り上げられるようになる。2001年には光 協会の中でフェムト秒超加工研究会が立ち上がった。産学官の会員約90名の参加で年5回の研究会が2004 年度まで継続した。2002年にはフェムト秒超加工研究会を中心とした海外調査団が欧州に派遣され、ドイツ のフェムト秒加工国家プロジェクトを中心とした調査が行われた。また、2002年からは（社）レーザー学会 主催の展示会レーザーエキスポでフェムト秒加工をテーマとした特別セミナーがもたれるようになっている。
2003年には光協会のもとで光加工ロードマップが策定され、フェムト秒加工が将来のキーテクノロジーとし て取り上げられた。
1998年のフォトンセンター先導研究から今日に至るまで、産学官が参加する勉強会が継続すると共にフェ ムト秒加工の基礎研究・応用研究が精力的に進められてきた。近年、特に産業界の興味が著しく高まってき ており国家プロジェクトのテーマとして強く望まれるようになってきている。
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
1997
フ ェ ムト 秒超加工 FS委員会 フ ェ ムト 秒超加工研究会
光加工ロ ード マ ッ プ 策定 海外調査団
欧州 海外調査団
米国
光技術動向調査委員会 フ ェ ムト 秒加工研究会
NEDO調査研究 NEDO調査研究
光産業技術振興協会レーザー 総研OM協会フォトン センターレーザー 学会 レ ーザーエ キスポ特別セミ ナー NEDO調査研究
図1.3 フェムト秒加工に関する産学官の活動（OM協会：（財）オプトメカトロニクス協会）
本報告書は、産学官が参加する「フェムト秒超加工研究会」の活動も踏まえて設置された本「フェムト秒
超加工技術フィージビリティ調査委員会」において、フェムト秒レーザがもたらす革新的な加工技術が産業 界にいかに有用であるかを調査した結果をまとめたものである。2 章においては、フェムト秒加工の特徴を まとめると共に、フェムト秒加工の技術マップやロードマップを示し、背景としての研究開発の歴史や国際 動向、国内学会発表動向をまとめている。3章から5章にかけて代表的なフェムト秒加工技術である内部加 工・ソフトマテリアル加工・表面加工に関してその可能性を網羅している。6 章においては、産業界の立場 から実用化のための光源技術に関する将来展望や周辺技術について述べられている。
我が国の“ものづくり”の復活を助け、景気回復の切り札となるフェムト秒加工の近未来像が本報告書に 描かれている。ドイツに見られるような国を挙げての取り組みが必要な時期であると言える。
（藤田 雅之）
2. フェムト秒加工の特徴
1980年後半から、極短光パルス発生とその増幅に関する技術が急速に発展した。現在では、パルス幅はフ ェムト秒の領域からアト秒の領域に向かい、パルスのピーク強度は、テラワットからペタワットの領域に到 達している 1),2)。今やテーブルトップサイズでテラワット級の高強度フェムト秒レーザパルスにより超高電 界が作り出せ、ターンキーオペレーションのフェムト秒レーザが容易に入手できるため、フェムト秒レーザ パルスの極限特性を活かした研究、産業応用が様々な分野で進展している3)-5)。
産業面でのフェムト秒レーザパルスの代表的な応用としては、切断・穴開け等のアブレーション加工があ げられる。物質にレーザが照射されると、まずはじめに電子と相互作用を起こしエネルギーが吸収される。
そのエネルギーはアブレーションに要するエネルギーとしての格子エネルギーへとピコ秒オーダーで移行す る。格子が十分なエネルギーを受け取ると融解、蒸発に至りアブレーションが生じる。フェムト秒レーザパ ルスを用いた場合は、レーザ照射が終了した後に熱緩和が生じアブレーションが起こる。レーザは固体表面 とだけ相互作用し、その後の融解状態やプラズマ状態とは相互作用しないこととなる。そのため、アブレー ション部分において熱影響層:HAZ(加工部分の融解による変成)が無視できる、いわゆる非熱加工が可能とな る。ナノ秒パルスとフェムト秒パルスによる加工の違いを図2.1に示す。ナノ秒パルスを固体ターゲットに 照射した場合（図2.1 (a)）は、発生したプラズマをレーザが加熱し続けるため、周囲に溶融層が形成される。
これに対してフェムト秒照射の場合（図2.1 (b)）は、レーザは固体とのみ相互作用し不要な加熱がなくなる ためエネルギー利用効率も高い。
( a) ( b)
6 0 ミ ク ロ ン 6 0 ミ ク ロ ン
図2.1 穴開け加工の比較：(a)ナノ秒レーザ照射、(b)フェムト秒レーザ照射、ターゲットは金属Ti。
フェムト秒レーザの第二の特徴は、集光することにより容易に高強度を実現できる点にある。例えば100 フェムト秒のパルスと同様の集光強度をパルス幅が10ナノ秒のレーザで得るためには、10万倍のエネルギ ーを必要とする。ターゲットに高強度レーザを照射すると、多光子吸収過程（アバランシェ過程よりも支配 的）によりアブレーション閾値はパルス幅の減少とともに低下することが知られている。これは、パルス幅 が短くなればなるほど効率の良いアブレーションが実現できることを意味している。また、低強度ではレー ザ光に対して透明な材料にフェムト秒レーザパルスを集光すると、集光点付近で強度が上がり多光子吸収を 選択的に起こすことができる。この現象を利用すると透明材料内部での回折限界以下の加工が可能になる。
最近では、透明材料に高強度フェムト秒レーザを集光すると内部改質ができ3次元メモリとして用いること が提案され、この手法でシリカガラスへの作製が行われている。同様の手法を用いてガラス内部での光導波 路やマイクロ化学分析システムの作製も進められている。また、光硬化性樹脂を用いてフォトニック結晶や それを用いたフォトニックデバイスの開発も行われている。
金属や半導体の加工において、切断や穴開け加工以外で興味深い表面加工現象が報告されている。その物 理機構は解明されていないが、いずれもフェムト秒レーザパルスの低エネルギー且つ高集光強度に起因する ものと考えられる。フェムト秒レーザパルスを加工閾値以下の低強度で金属や半導体表面に照射すると、数
100nmの周期を持った微細構造が自己形成される。この微細周期構造には表面摩擦の低減や薄膜密着性の向
上など産業応用に有益な効果があることが見いだされている。また、フェムト秒を材料表面に集光し衝撃波 を発生させることで表面改質が可能となる。半導体の表面加工においては、次世代半導体の極浅接合に有効 であるという提案が出されている。
石英・ガラスや金属・半導体の他にも有機固体や細胞などソフトマテリアルへのフェムト秒加工の研究も 進展している。有機固体の離散的エッチング現象や結晶化の促進、フェムト秒パルス生成衝撃波による細胞 操作など、これまで見られなかったフェムト秒特有の現象が観測され実用化研究が進められている。
以上、簡単にフェムト秒加工の特徴をまとめてみた。2 章では、以下にフェムト秒加工技術マップ・ロー ドマップ、フェムト秒加工に対する産学の意識調査結果、海外での技術動向、研究の歴史や国内学会発表動 向を紹介していく。
（藤田 雅之）
参考文献
(1) 鍋川康夫、藤田雅之 : 電気学会誌、122、754 (2002).
(2) 宮崎健創 : レーザ加工学会誌、8，221 (2001).
(3) 小原實、藤田雅之 : 電気学会誌、122、740 (2002).
(4) 橋田昌樹 : 電気学会誌、122、749 (2002).
(5) 橋田昌樹、藤田雅之、節原裕一：光学、31、621 (2002).
