Research

Research Overview: Terakawa Lab

Laser processing has already been integrated into various stages of industrial manufacturing. Because lasers enable non-contact, ultra-precise processing with high controllability, they are perfectly suited for the increasing sophistication of modern manufacturing. Beyond conventional cutting, welding, and heat treatment, the diverse interactions of laser light—including multiphoton processes—are being utilized across a wide array of fields.

The "3S" Concept

In the Terakawa Lab, we conduct laser processing research centered around the "3S" keywords: Soft (stretchable, shrinkable), Small, Sensitive

By focusing on the physics of high-intensity light-matter interactions, our research targets not only metals and transparent dielectrics but also biomaterials, cells, and hydrogels. We place a particular emphasis on the exploratory stages of research, striving to demonstrate entirely new applications and conceptual frameworks.

Vision for the Future

Through the use of lasers, we aim to create the foundational technologies required for manufacturing techniques, fabrication of functional structures, unprecedented micro devices, and environmentally friendly electronics. We envision a future where "soft things" are produced at high speeds in intelligent, high-tech factories.

Keywords

Ultrafast laser processing of soft materials, laser direct writing (LDW), laser-induced graphene (LIG), microdevice fabrication, multiphoton reduction, functionalization of hydrogels

レーザプロセシングは、既に産業界において製造工程の様々な段階に導入されています。レーザは高い制御性を伴って非接触かつ超細密な加工を行えるため、製造における高度化と極めて高い親和性を持っています。レーザによる切断、溶接、熱処理はもちろんのこと、多光子過程の利用を含めた多彩な相互作用はあらゆる分野において活用されています。

寺川研では、3Sをキーワードとしたレーザプロセシングの研究を行っています。3Sとは、Soft (stretchable, shrinkable), Small, Sensitiveの頭文字です。

高強度光と物質の相互作用の物理を軸として、金属や透明誘電体等に加え、バイオマテリアル、細胞、ハイドロゲル等もレーザ加工の対象として研究を進めています。研究では、萌芽的段階からスタートして新しい応用・概念を示すことに特に注力しています。

レーザを使うことにより、これまでに無い加工技術、機能構造の作製、マイクロデバイス、環境調和型のデバイスを実現するための基盤技術を創出し、将来、インテリジェント化したハイテク工場で「やわらかいもの」が高速に生産される、そんな未来を思い描いています。

キーワード：ソフトマテリアルの超短パルスレーザ加工、レーザ直接描画、レーザ誘起グラフェン、マイクロデバイス作製、多光子還元、ハイドロゲルの機能化

 Link to ”レーザー誘起グラフェン”概説ページ

研究ハイライト／Research Highlights

2026 【論文】MOF-5微細構造のレーザ直接描画

2026 Laser direct writing of metal-organic framework-5 microstructure 

前駆体溶液と支持体の境界面にフェムト秒レーザパルスを照射することで、MOF-5の微細構造を作製できることを実証しました。

従来、MOFの合成には長時間を要し、またデバイス等への応用にはMOFのパターニングが必要です。本技術では、レーザパルス照射により短時間でMOF-5の合成およびパターニングが可能であることを示しました。ミクロンスケールのMOF-5微細構造を場所選択的に作製する技術です。

本研究はOptics Lettersに掲載されました。
https://doi.org/10.1364/OL.583129

We experimentally demonstrated the laser direct writing of MOF-5 microstructure by irradiating femtosecond laser pulses at the interface between a support and MOF-5 precursor solution.

Conventional synthesis methods are time-consuming, and patterning of MOFs are required for the device applications. In this study, it has been revealed that by irradiating and scanning laser pulses, MOF-5 can be simultaneously synthesized and patterned along desired paths. The presented method realizes the site-selective fabrication of micro-scaleMOF-5 microstructures.

This paper has been published in Opics Letters.
https://doi.org/10.1364/OL.583129

2025 【論文】海洋生分解性材料の改質による導電性炭素構造の作製と熱電発電デバイス

2025 Fabrication of Conductive Carbon Structures via Modification of Marine Biodegradable Materials for Sustainable Thermoelectric Power Generation Devices 

海洋生分解性ポリマーにNaClを混合することによって、海洋生分解性ポリマーのレーザ誘起黒鉛化を実験実証しました。熱電発電デバイスの作製には、熱電特性の異なる材料を組み合わせることが必要です。本技術では、レーザの照射パラメータを変えることのみで異なる特性の黒鉛質炭素構造を作製可能であることを示しました。廃棄時の環境負荷が低い熱電発電デバイスの実現に貢献する研究成果です。

本研究はACS Applied Electronic Materialsに掲載されました。
https://doi.org/10.1021/acsaelm.5c00486

We experimentally demonstrated laser-induced graphitization of a marine biodegradable polymer by incorporating sodium chloride (NaCl) as an additive. The fabrication of thermoelectric generators requires the integration of materials with distinct thermoelectric properties. In this study, we show that graphite-like carbon structures with different characteristics can be selectively formed by varying the laser irradiation parameters alone. This approach offers a promising route toward the development of environmentally friendly thermoelectric devices with reduced ecological impact upon disposal.

This paper has been published in ACS Applied Electronic Materials.
https://doi.org/10.1021/acsaelm.5c00486

2024 【論文】環境負荷の低い蓄電デバイスの作製に向けた多孔質炭素構造の作製とスーパーキャパシタへの応用

2024 Fabrication of porous carbon structures and their application to supercapacitors for the development of energy storage devices with low environmental impact

天然由来の生分解性複合シートへのレーザ光照射において、複合シートに重曹 (NaHCO3) を混合することでナノスケールの孔を有する導電性炭素構造を作製しました。多孔質構造は表面積が大きいため、スーパーキャパシタ の電極へと応用することで蓄電性能が向上します。本研究に用いた生分解性材料は土壌中で最終的に水と二酸化炭素に分解されます。また重曹も腐食性および生体毒性が低い材料です。
  本研究で作製したスーパーキャパシタは、その使用時のみならず廃棄時においても環境負荷が低い蓄電デバイスとして自然環境中で使用されることが期待されます 。

本研究はAdvanced Engineering Materialsに掲載されました。
https://doi.org/10.1002/adem.202401301

In the laser irradiation of natural-derived biodegradable composite sheets, we fabricated conductive carbon structures with nanoscale pores by incorporating sodium bicarbonate (NaHCO3) with the composite sheets. Due to its large surface area, the porous structure improves energy storage performance when applied to the electrodes for supercapacitors. The biodegradable materials used in this study ultimately decompose into water and carbon dioxide in the natural environment. In addition, sodium bicarbonate has low corrosivity and low biotoxicity.
The supercapacitor fabricated in this study is expected to be an energy storage device with low environmental impact, not only during its use but also at the time of disposal, making it suitable for use in natural environments.

This paper has been published in Advanced Engineering Materials.
https://doi.org/10.1002/adem.202401301

2024 【論文】高速レーザ走査による金微細構造の作製と透過率制御への応用 

2024 Fabrication of gold microstructures by high-speed laser scanning and application to optical transmittance control

温度応答性ハイドロゲル内部に多光子還元法により金微細構造を作製するとともに、刺激光による透過率制御を実証しました。

ガルバノスキャナーおよび音響光学変調器を用いて高速走査することで、多光子還元法における熱影響を低減しました。これにより、構造作製時の金微細構造の湾曲を抑制し、精密かつ光吸収が大きい構造を作製しました。光刺激による温度応答性ハイドロゲルの体積相転移において、応答時間を短縮することが可能となり、ソフトマテリアルを用いた透過率制御を実証しました。本研究は、ハイドロゲルを用いた光学デバイスへの応用が期待できます。

本研究はACS Applied Optical Materialsに掲載されました。
https://doi.org/10.1021/acsaom.3c00470

We demonstrated the fabrication of gold microstructures within a thermoresponsive hydrogel using multiphoton photoreduction method, along with transmittance control by light stimulation.

By using a galvanometer scanner system and an acousto-optic modulator for high-speed scanning, we mitigated thermal effects in the multiphoton photoreduction. This method minimized the distortion of the gold microstructures during fabrication. Additionally, this method shortened the response time of volume phase transition of thermoresponsive hydrogels, resulted in optical transmittance control by light stimulation with the hydrogel. This research holds promise for the application of optical devices using hydrogels.

This paper has been published in ACS Applied Optical Materials.
https://doi.org/10.1021/acsaom.3c00470

2023【論文】蓄電デバイスの作製に向けてハイドロゲルを導電性に局所改質

2023 Laser direct writing of conductive structures on hydrogels for supercapacitor fabrication

レーザ照射によりハイドロゲルに導電性構造を描けることを初めて実証し、描画した構造を利用して蓄電デバイスの一つである電気二重層キャパシタを作製しました。ハイドロゲルはコンタクトレンズに使用されており、生体適合性の高い材料として知られています。レーザ描画技術は、今後、スマートコンタクトをはじめとするハイドロゲル・エレクトロクスデバイスへの応用が期待できます。

本研究はAdvanced Electronic Materialsに掲載されました。
https://doi.org/10.1002/aelm.202201277

• Direct writing of conductive structures by simple laser irradiation was demonstrated for the first time, and the presented method was applied for the fabrication of hydrogel-based supercapacitor. Hydrogels are widely used for biomedical products including contact lenses, owing to its high biocompatibility. The presented method realizes the facile fabrication of hydrogel-based electronic devices (e.g., smart contact lenses).

• This paper has been published in Advanced Electronic Materials.
  https://doi.org/10.1002/aelm.202201277

2022【論文】レーザーを使ってグラフェン量子ドット構造を描くように生成

2021 The “Drawing” of Graphene Quantum Dots with a Laser

レーザーパルスを透明高分子材料に集光照射することで、レーザービームの軌跡に沿って描くように蛍光性を示すグラフェン量子ドット（Graphene Quantum Dots: GQDs）が生成されることを明らかにしました。
量子ドットは量子閉じ込め効果により蛍光を示すナノサイズの粒子であり、発光ダイオード、バイオマーカー、偽造防止タグ、等、様々な用途への利用が期待されています。
中でもGQDsは環境に優しく、持続可能社会に適合する粒子として近年注目を集めています。今後、光学デバイスやフレキシブル・エレクトロニクス・デバイスへの応用が期待できます。

本研究はNano Lettersに掲載されました。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04295
また、慶應義塾からプレスリリースが配信されました。https://www.keio.ac.jp/ja/press-releases/2022/1/25/28-92277/

Quantum dots are nano-sized particles that exhibit photoluminescence owing to quantum confinement effects and are desirable materials for applications such as light-emitting diodes, biomarkers, and anticounterfeiting security tags. Particularly, GQDs have attracted significant attention as an eco-friendly alternative to conventional QDs in the context of sustainable development. In this work, it has been revealed that by irradiating and scanning focused ultrashort laser pulses, GQDs can be simultaneously synthesized and patterned along desired paths, similar to drawing with a pen. Since the presented method is based on multiphoton interactions, GQDs can be patterned, not just two-dimensionally on the surface, but three-dimensionally inside of the transparent polymer substrate. This work expands the possibilities of GQDs for applications in novel flexible optoelectrical devices.

The paper has been published in Nano Letters.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04295