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金属材料強化用ナノ秒レーザ光学系
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レーザアブレージョンとレーザキャビテーション（二重露光）
532nm(緑色)を減光するために補色の赤色フィルタを使用しています |
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レーザアブレージョンとレーザキャビテーションの経時変化 |
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光学系（レーザ未照射） |
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光学系（レーザ照射時） |
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装置全体（レーザ未照射） |
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装置全体（レーザ照射時） |
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普段はカバーを付けています |
【概要】
写真は，5ナノ秒の短時間にエネルギーを集中させたレーザ光を金属表面に照射して，金属表面を吹き飛ばし，
その反動で金属表面をたたいて金属を強くするためのレーザ用光学系です。特定の波長のレーザを効率よく
反射するために，ミラーには特殊なコーティングが施されており，斜めから見ると，写真のようにいろいろな
色に見えます。近年，生体インプラントや航空機部品として注目を集めている金属製3次元積層造形材
（３Ｄプリント材）は，疲労強度がバルク材の半分以下，という欠点があります。当研究室のレーザを用いて
材料表面をたたくと，強度を2倍にできます。
【詳細説明】
数百mJから数Jのナノ秒オーダのパルスレーザを，水中に設置した金属表面に照射すると，金属表面がプラズ
マ化してアブレージョンを発生します。このアブレージョンによる衝撃波（膨張波）を水の慣性力で封じ込める
と，金属表面に直径数十μｍから数mm程度の局所的塑性変形を付与できます。このレーザアブレージョンの衝撃
波の後，負圧が発生し，この負圧のために，水が水蒸気泡（水の気相状態；レーザキャビテーション）となります。数百μsから数msの間に
泡が発達した後，やがて泡が収縮して圧潰，再膨張します。この圧潰と再膨張時に，金属を塑性変形させるよう
な局所的衝撃力を発生します。すなわち，一つのパルスレーザで金属を2回叩くことができます。この金属表面を
叩いて強くする方法を機械的表面改質と呼んでいます。機械的表面改質により，金属組織の微細化や加工硬化，
圧縮残留応力の導入が可能で，これらの作用により金属の強度が向上します。
当研究室のレーザシステムは，アブレージョンを効率よく発生させるために水に吸収されない波長532nmと，水蒸
気泡を効率よく発生させるための波長1,064nmのレーザを使い分けています。これらの特定の波長を効率よく用い
るために，ミラーやレンズには特殊なコーティングを施しています。当研究室のパルスレーザは，5ナノ秒間に
0.85 Jのエネルギーを発生できますので，仕事率は141MW (1.41×10^8 W)に達します。普通の電子レンジは，
1400 W (1.4 kW = 1.4×10^3 W)程度ですから，10万台の電子レンジに相当します。このようなエネルギーを数十
μｍから数mm程度に集中させるので，金属の表面がプラズマ化して吹き飛ぶわけです。
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