JP2006239730A

JP2006239730A - レーザーアブレーションによる加工方法と前記加工方法により加工された材料

Info

Publication number: JP2006239730A
Application number: JP2005058180A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Mishima; 英彦三島; Yasuhito Masuda; 泰人増田; Yasuhiro Okuda; 泰弘奥田; Kenichi Wataya; 研一綿谷; Shuji Sakabe; 周二阪部; Masaki Hashida; 昌樹橋田; Seiji Shimizu; 政二清水
Original assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Kyoto University; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-14
Also published as: CN101128280A; CA2598056A1; WO2006093017A1; US20090152246A1; CN100528456C; KR20070114372A; HK1114050A1; TW200635690A; EP1859894A1

Abstract

【課題】レーザーアブレーションにより効率的に高精度加工を行う技術を提供する。
【解決手段】パルスレーザービームを用いたレーザーアブレーションによる材料の加工方法であって、レーザーパルス幅とアブレーション閾値の関係が、両対数グラフの横軸にｐ秒を単位にしてレーザーパルス幅を、縦軸にＪ／ｃｍ^２を単位にしてアブレーション閾値を取って表示したときに、勾配が０．５未満の略直線となる領域を有する材料に対して、前記領域内のレーザーパルス幅のパルスレーザービームにより加工することを特徴とするレーザーアブレーションによる材料の加工方法。
【選択図】図２

Description

本発明はレーザーアブレーションによる加工方法と前記加工方法により加工された材料に関し、特にパルス幅の変動の悪影響が少ない領域を有する材料に対して、前記領域内のパルス幅のレーザービームを使用して材料を加工する方法と材料に関する。

従来から、強烈なレーザービーム（光）を物質の局所に集中して照射し、その部分の物質に物理的、化学的変化を生じさせ、溶接、溶融再結晶、穿孔、切断等の加工を行うことが広くなされている。この際、パルス発振は、連続発振に比較して、発振周波数を変化させてレーザー出力光を制御することが可能であること、１パルスあたりの発光エネルギーを強く出来るため照射物体に比較的精度良いレーザーエネルギーを照射することが可能であること、発光エネルギーのピーク値が高いため平均出力が比較的低くても加工能力が高いこと等の特徴があるため、パルスレーザービームが金属、生体、樹脂等の加工に広く用いられている。

さらに、パルスレーザーを使用する加工についても、レーザーアブレーションを局在化すること、加工周辺部への悪影響を少なくすること、材料の内部または外部に一定のパターンによる破壊を誘起させることを目的として、パルス幅が小さい（短い）、特にフェムト（１０^−１５）秒の単位レーザービームを使用することが提案されている（特許文献１）。
特許第３２８３２６５号公報

しかし、レーザーパルス幅（パルスの継続時間）の小さいレーザー、特にフェムト秒の単位のレーザービームを使用する場合、前記特許文献１に示される様に、フルエンス（ｆｕｌｌ−ｅｎｃｅ）破壊閾値、即ちアブレーション閾値とレーザーパルス幅との関係が曲線となり、かつ勾配の急速かつ明瞭な変化が生じると考えられていた。
このため、レーザーパルス幅の変動によりアブレーション閾値が大きく異なることになるが、一方、材料の加工に用いる大きな出力かつ高密度エネルギーのレーザーのパルス幅を、正確に制御することは困難である。
以上のため、従来レーザーパルス幅の小さいレーザービーム、特にフェムト秒の単位でレーザービームを使用した材料の加工においては、高い精度を確保するために種々の方策が必要であると考えられていた。

本発明者らは、レーザー光の波長、レーザーパルス幅、被加工材料とレーザービームの焦点間の距離等の各種のパラメータを変化させて材料にパルスレーザーを照射し、より優れた加工技術を見出すべく鋭意研究を行ってきた。その結果、特定の材料については、特定のレーザーパルス幅の領域において、レーザーパルス幅と材料のアブレーションによる破壊の閾値に、加工上極めて好ましい関係が存在することを見出し、本発明を完成するに至った。

請求項１に記載の発明は、
パルスレーザービームを用いたレーザーアブレーションによる材料の加工方法であって、レーザーパルス幅とアブレーション閾値の関係において、両対数グラフの横軸にｐ秒を単位にしてレーザーパルス幅を、縦軸にＪ／ｃｍ^２を単位にしてアブレーション閾値を取って表示したときに、勾配が０．５未満の略直線となる領域を有する材料に対して、前記領域内のレーザーパルス幅のパルスレーザービームにより加工することを特徴とするレーザーアブレーションによる材料の加工方法である。

本請求項の発明では、両対数目盛でアブレーション（ａｂｌａｔｉｏｎ、材料の中性原子や正／負に帯電したイオンが噴出すること）閾値とレーザーパルス幅とが略直線となる範囲でレーザーアブレーションを利用して加工することとなるため、レーザーパルス幅の制御が容易になる。
さらに、略直線となる領域においても、その勾配（横軸との角度）が大きい場合には、レーザーパルス幅の変動がアブレーション閾値に一定以上の影響をもたらすが、本請求項の発明においては０．５未満であるため、レーザーパルス幅の変動によるアブレーション破壊への影響を小さくすることができ、高精度の加工が安定的、効率的にできる。

ここに「略直線となる」とは、測定誤差、材料の不均一性等のため、各測定点が完全に１本の直線上にある場合に限らないことを意味する。このため、上下に多少飛び出す点がある場合、帯状の領域内にある場合等をも含む。
なお、本明細書では、レーザーパルス幅の単位は、フェムト秒では数値の桁が大きくなりすぎる場合があるので、原則としてｐ（ピコ、１０^−９）秒を使用する。

上記勾配が０．５未満の略直線となる領域を有する材料としては、主として有機高分子材料が挙げられることが判ったが、本発明はこれらに限定されるものではない。即ち、本発明においては、従来フルエンス破壊閾値とレーザーパルス幅との関係において勾配の急速かつ明瞭な変化が生じると考えられていた材料を含め、両対数グラフの横軸にｐ秒を単位にしてレーザーパルス幅を、縦軸にＪ／ｃｍ^２を単位にしてアブレーション閾値を取って表示したときに、勾配が０．５未満の略直線となる領域を有する材料であるか否かを確認することにより、そのような略直線となる領域を有する材料を本発明の加工対象材料として選定することができる。そしてこのようにして選定された材料に対しては、他の種々の方策を採らなくても、前記領域内のレーザーパルス幅のパルスレーザーを用いることにより、高精度の加工を効率的に行うことができる。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のレーザーアブレーションによる材料の加工方法により加工されたことを特徴とする材料である。

本請求項の発明は、前記の加工方法により加工されているため、高精度の材料を提供することができる。

本発明においては、レーザーパルス幅に多少の変動があっても、被照射材料に適切な加工エネルギーとなるレーザービームを安定的に照射することができる。このため、レーザーパルス幅の制御が容易になり、高精度の加工を効率的に行うことが可能となる。

以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同等および均等の範囲において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

はじめに、実験材料として、高精度の加工が困難とされる有機高分子材料の１つである延伸ＰＴＦＥ多孔質体を選択した。
実験に使用した延伸ＰＴＦＥは、特公昭４２−１３５６０号公報に記載されている方法により製造した膜厚６０μｍ、気孔率６０％、平均孔径０．１μｍのシート状のものであり、このシートの全面を、静電気力により試料ホルダーに完全に密着させ、各レーザーパルス幅ごとにレーザーエネルギーを変化させてパルスレーザーの照射を行った。

レーザーは、チタンサファイアが最も安定にかつ高強度にレーザーを発振できるため、波長８００ｎｍのチタン／サファイアレーザーを使用した。
パルス幅は、０．１３５ｐ秒、０．１８３ｐ秒、０．１８９ｐ秒、０．３０５ｐ秒、０．７ｐ秒および４００ｐ秒で実験を行った。

（実験の結果）
（１）加工跡の形状について
パルス幅０．１３５ｐ秒、周波数１０Ｈｚ、レーザースポット径４４μｍで、エネルギーを７．２５μＪから２１２μＪ近傍まで変化させて前記材料にレーザーを照射した時の加工径とレーザーエネルギーの関係を図１に示す。同じく、図１に両者の理論値に基づく理論曲線を比較のために示す。なお、理論値は、レーザーの空間プロファイルがガウシアン形状をしている場合には以下の式で示されることが知られている。
Ｄ＝ａ×｛ｌｎ（Ｆ／Ｆｔｈ）｝^１／２
ここに、Ｄは加工径、ａはレーザースポット径、Ｆはレーザーエネルギー、Ｆｔｈはアブレーション閾値である。
また、図１において、各点は測定点を示し、各点の横長と縦長の線分はエラーバーを示す。
図１において、実験により得られた値は理論値に近い値を示しており、実験に用いた材料では高精度に加工できていることが確認できた。

（２）レーザーパルス幅とアブレーション閾値の関係について
次に、レーザーパルス幅とアブレーション閾値の関係を求めた。即ち、図１におけるＤ＝０の場合のフルエンスより、実験に用いた材料の場合、レーザーパルス幅０．１３５ｐ秒のとき、アブレーション閾値は、７．５μＪであり、フルエンスで表示すると０．５Ｊ／ｃｍ^２であるという結果を得た。

次に、他のレーザーパルス幅についても、前記材料を対象にして同様の実験を行い、理論曲線との比較により高精度の加工が実現できていることを確認すると共に、各レーザーパルス幅ごとのアブレーション閾値を求めた。その結果を図２に示す。この図２では、横軸はレーザーパルス幅を示し、またｐ（ピコ）秒を単位とする対数目盛である。同じく、縦軸は、アブレーション閾値を示し、またＪ／ｃｍ^２を単位とする対数目盛である。
また、各点は測定点を示し、各点の縦長の線分はエラーバーを示す。

図２より、実験に用いた材料については、レーザーパルス幅とアブレーション閾値との関係が勾配の急速かつ明瞭な変化を有する関係ではなく、全体として勾配０．５未満の緩やかな直線状になっていることが判る。
即ち、実験に用いた材料については、レーザーパルス幅とアブレーション閾値の関係が、前記の様な関係になっているため、レーザーパルス幅の変動によってもアブレーション閾値に及ぼす影響が小さいため、レーザーパルス幅の制御が容易になり、高精度の加工が効率的にできることが判る。

なお、図２に示す測定点は、パルス幅が０．１３５ｐ秒、０．１８３ｐ秒、０．１８９ｐ秒、０．３０５ｐ秒、０．７ｐ秒および４００ｐ秒におけるアブレーション閾値が、各０．５０Ｊ／ｃｍ^２、０．７５Ｊ／ｃｍ^２、０．４４Ｊ／ｃｍ^２、０．７５Ｊ／ｃｍ^２、０．９９Ｊ／ｃｍ^２および３．８７Ｊ／ｃｍ^２である。

レーザーパルス幅０．１３５ｐ秒におけるレーザーエネルギーと加工径の関係を示す図である。レーザーパルス幅とアブレーション閾値との関係を示す図である。

Claims

パルスレーザービームを用いたレーザーアブレーションによる材料の加工方法であって、レーザーパルス幅とアブレーション閾値の関係において、両対数グラフの横軸にｐ秒を単位にしてレーザーパルス幅を、縦軸にＪ／ｃｍ^２を単位にしてアブレーション閾値を取って表示したときに、勾配が０．５未満の略直線となる領域を有する材料に対して、前記領域内のレーザーパルス幅のパルスレーザービームにより加工することを特徴とするレーザーアブレーションによる材料の加工方法。
請求項１に記載のレーザーアブレーションによる材料の加工方法により加工されたことを特徴とする材料。