JP2018520882A - レーザー加工を用いて多相の透明ワークピース内にまたは多相の透明ワークピース上に変性を作製する方法;多相の複合素材 - Google Patents
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Abstract
Description
によって表すこともでき、式中、x∈{500,1000,2000}、εrは、1つの相、好ましくは1つのガラス質の媒体、または残留ガラス相の比誘電率であり、かつ|Δεr|は、ガラス質の媒体の比誘電率と封入された相の比誘電率との差の絶対値を表す。
好ましくは、ワークピース内に、完璧な点状の集束の代わりに、軸方向に延びかつ横断方向にコンパクトな強度分布を生じさせるビーム形成系が使用される。
このために、レーザー加工装置のビーム形成光学系は、多様に成形された光学素子を含む。例えば、凹面レンズ、凸面レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、または凹面レンズ、凸面レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、またはアキシコンが可能である。アキシコンを用いて、ことに、強度分布がガウスビームに相当するレーザービームから、強度分布がベッセルビームに相当するレーザービームを生成するかまたはベッセルビームに相当するレーザービームに近づけることが可能である。本発明による方法を用いて、(近づけられた)ベッセルビームを用いる材料加工も可能である。あるいは、および一般に僅かな調整の必要性のために、好ましくは、適切な球面収差を有する光学系を使用することもできる。最も簡単な場合には、これは、球面レンズもしくはこの球面レンズからなる系、または非球面を有する光学素子である。さらに、一定のまたは可変の特性を有する回折性の、ホログラフィック素子も使用することができる。数100μm〜数ミリメートルの区間に沿って、光軸と同形の、できる限り高い強度を生成し、この場合、この強度の中央の半値幅は軸方向でできる限り僅かにしか変化せず、かつ僅かなレーザー波長の幅を有することが常に目標である。
さらに、x、y、z位置をワークピースに対する時間の関数として調節または制御することが大抵は有利である。さらに、ワークピースの表面が平坦な面とは相違する場合、または管のような湾曲した面の場合には、入射するレーザービームの方向を、局所的な面法線に関して調節または制御することが好ましいことがある。
反対に、個々の粒子の体積を、封入された相の比誘電率と取り囲む相の比誘電率との比率、ならびにフィラメントの所望の長さに依存して選択することができる。
(粒子体積/nm3)・(|Δεr|/εr)>x
式中、x∈{500、1000、2000}、εrは、ガラス質の媒体の比誘電率。
SiO2 60〜73.0質量%、
Al2O3 15〜25.0質量%、
Li2O 2.2〜5.0質量%、
CaO+SrO+BaO 0〜5.0質量%、
TiO2 0〜5.0質量%、
ZrO2 0〜5.0質量%、
ZnO 0〜4.0質量%、
Sb2O3 0〜3.0質量%、
MgO 0〜3.0質量%、
SnO2 0〜3.0質量%、
P2O5 0〜9.0質量%、
As2O3 0〜1.5質量%、
Na2O+K2O 0〜1.2質量%、ここでそれぞれの割合は、次に記載する範囲内にある、
Na2O 0〜1.0質量%、
K2O 0〜0.5質量%、および
着色性酸化物 0〜1.0質量%。
Claims (26)
- レーザー加工装置(1)を用いて透明なワークピース(2)内にまたは透明なワークピース(2)上に変性を作製する方法であって、
前記ワークピース(2)の透過範囲内の波長を有するレーザービーム(12)を放射する短パルスレーザーまたは超短パルスレーザー(10)と、ビーム形成するための、ことに前記レーザービームを集束するためのビーム形成光学系(11)とを有するレーザー加工装置(1)を使用し、
かつ、複数の相を有する材料からなる透明なワークピース(2)を使用し、前記複数の相の少なくとも2つの相は、異なる比誘電率を有し、また前記相の一方の相は、粒子の形で封入された相であり、前記粒子の形で封入された相は他方の相によりほぼ取り囲まれていて、かつ前記粒子の立方ナノメートルで表される体積と、2つの異なる比誘電率の差の絶対値の、前記取り囲む相の比誘電率に対する比率との積は、500より大で、好ましくは1000より大で、特に好ましくは2000より大である、レーザー加工装置(1)を用いて透明なワークピース(2)内にまたはワークピース(2)上に変性を作製する方法。 - 前記透明なワークピース(2)内に、線(20)に沿って互いに並んだ線形の変性(14)を、前記レーザービーム(12)を前記ワークピース(2)に対して相対的に、前記線(20)に沿って動かし、かつ時間的に前後するレーザーパルスを、単一パルスとしてか、またはバーストの形で放射し、ここで、前記単一パルスまたはバーストのそれぞれを、前記線形の変性(14)のそれぞれ1つを作製するために用いることにより作製する、請求項1記載の方法。
- 前記線形の変性(14)の長さをパルスエネルギーの高さによって調節することを特徴とする、請求項2記載の方法。
- 前記線形の変性を、線形焦点の形成を伴うビーム形成により、もしくは光軸に沿って変性のために十分に高い強度の形成を伴うビーム形成により作製することを特徴とする、請求項2または3記載の方法。
- 前記レーザービームの集束のために、前記レーザービームの最大強度が、材料を変性する強度の閾値の150%未満、好ましくは130%未満となるように、伝播方向に向かって焦点を空間的に延ばす光学系を使用することを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
- 前記強度が変性の閾値の少なくとも110%である長さ領域の、前記強度が閾値の少なくとも10%である長さ領域に対する比率が、少なくとも0.4、好ましくは少なくとも0.5、特に好ましくは少なくとも0.7となるように前記レーザービームを集束することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
- 前記線形の変性を、直線的または曲線的に高い強度分布を有するビーム形成によって作製することを特徴とする、請求項2から6までのいずれか1項記載の方法。
- ワークピーステーブル(3)と、前記ワークピース(2)内に前記線形の変性(14)を製造するための、前記ワークピース(2)に対して、前記ビーム形成光学系(11)を位置合わせし、かつその後で、前記線(20)に従って、ビーム形成光学系(11)とワークピーステーブル(3)との間で段階的に相対的に送るための送り装置を準備することを特徴とする、請求項2から7までのいずれか1項記載の方法。
- 前記線形の変性を、所与の方向で前記ワークピース内に導入し、前記方向は、前記ワークピースの局所的な面法線と関連して、かつ前記ワークピースに対する距離で調節されることを特徴とする、請求項2から6までのいずれか1項記載の方法。
- 前記線形の変性(14)は、通路に沿って配置された複数の欠陥からそれぞれ形成され、前記欠陥の長さは、前記ワークピース(2)の表面からの距離が増大するにつれて増大することを特徴とする、請求項2から9までのいずれか1項記載の方法。
- 前記レーザービーム(12)を用いて前記表面から材料を除去することにより、前記透明なワークピース(2)の表面に変性を作製する、請求項1記載の方法。
- 前記短パルスレーザーまたは超短パルスレーザーのパラメータを、前記透明なワークピース(2)の表面で損傷が避けられるように調節することにより、前記透明なワークピース(2)の内部に変性を作製する、請求項1記載の方法。
- 前記封入された相は、少なくとも1つの粒子から形成されていることを特徴とする、請求項1から12までのいずれか1項記載の方法。
- 前記材料は、ガラスセラミックまたは複合素材であることを特徴とする、請求項1から13までのいずれか1項記載の方法。
- 粒子が6nm以上の粒子サイズの中央値を有する材料を使用することを特徴とする、請求項1から14までのいずれか1項記載の方法。
- 光学素子を用いて前記レーザー光を偏向し、かつ前記レーザービームの衝突点を漸次変更することを特徴とする、請求項1から15までのいずれか1項記載の方法。
- 比誘電率εr1を有する第1の相の領域と、比誘電率εr2を有する少なくとも1つの第2の相の領域とを含み、前記比誘電率εr1とεr2とは互いに相違する複合素材、ことにガラスセラミックまたはポリマー素材において、
前記少なくとも1つの第2の相の領域の立方ナノメートルで表される体積と、前記第1の相の比誘電率と前記少なくとも1つの第2の相の比誘電率との、1を差し引いた比率との積は、500より大で、好ましくは1000より大で、特に好ましくは2000より大であり、前記第1の相の比誘電率εr1は、前記少なくとも1つの第2の相の比誘電率εr2以上であり、かつ少なくとも500マイクロメートルの長さの欠陥の通路である欠陥から形成された少なくとも1つの線形の変性が、前記複合素材の内部に延びる、複合素材。 - 前記第1の相の領域は、前記少なくとも1つの第2の相の領域を少なくとも部分的に取り囲むことを特徴とする、請求項17記載の複合素材。
- 前記少なくとも1つの第2の相の領域は、前記第1の相により封入されていることを特徴とする、請求項17または18記載の複合素材。
- 前記少なくとも1つの第2の相の領域は、互いに離れて存在することを特徴とする、請求項17から19までのいずれか1項記載の複合素材。
- 前記少なくとも1つの第2の相は、ほぼ球状に形成されていることを特徴とする、請求項17から20までのいずれか1項記載の複合素材。
- 前記少なくとも1つの線形の変性の長さまたは全欠陥長さは、100〜10000マイクロメートル、好ましくは1000〜10000マイクロメートル、特に好ましくは3000〜10000マイクロメートルであることを特徴とする、請求項17から21までのいずれか1項記載の複合素材。
- 前記第1の比誘電率と前記第2の比誘電率との比率(εr1/εr2)は、1.1以上であることを特徴とする、請求項17から22までのいずれか1項記載の複合素材。
- 前記欠陥から形成された少なくとも1つの線形の変性は、通路に沿って配置された複数の欠陥から形成されていて、前記欠陥の長さは、前記複合素材の表面からの距離が増大するにつれて増大することを特徴とする、請求項17から23までのいずれか1項記載の複合素材。
- 前記少なくとも1つの線形の変性は、1〜5μmの範囲の、ことに2〜3μmの範囲の平均幅を有することを特徴とする、請求項17から24までのいずれか1項記載の複合素材。
- 前記少なくとも1つの線形の変性は、少なくとも部分的に開放した領域、ことに多孔性のまたは気泡状の領域を有することを特徴とする、請求項17から25までのいずれか1項記載の複合素材。
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