JP4709482B2 - 超短光パルスによる透明材料の接合方法、物質接合装置、接合物質 - Google Patents

Description

本発明は、短時間パルス幅で所定位置に焦点を形成するレーザービームによる多光子吸収現象を生成させて２つの物質を接合する接合方法、物質接合装置、接合物質に関するものであって、特に、超短光パルスを、外部から狭持された２つの同種材料あるいは異種材料間に集光照射して外部から圧力を加えることにより、透明材料を接合することができるものに関する。

従来より、２つの同種物質又は異種物質を接合する方法が種々存在する。このうち特に、特許文献１に開示された方法は、接合する部材間にレーザー光を吸収する吸光材を介挿し、吸光材にレーザー光を照射することにより吸光材を加熱し、熱伝導により２つの部材を接合界面のみで溶接するというものである。

また、特許文献２には、短時間パルス幅で所定位置に焦点を形成するレーザービームによる多光子吸収現象を利用し、物質のアブレーション（切断）ないし材料構造における物性の変性など内外両面の態様を変更する手法が開示されている。

特開２００３−１７０２９０号公報 特表平０９−５１１６８８号公報

しかし、特許文献１に開示された方法では、部材間に吸光材を塗布あるいは添付あるいは製膜により介挿する手間が必要となるという問題、吸光材により部材の透過率などの光学的特性を減少させるという問題、吸光材にレーザー光を照射するために、吸光材では１光子吸収現象による反応が生じ、レーザー光を照射した全ての部分において光物理現象や光化学過程が起きるため、接合部において空間選択性をもたせた微小な接合が困難であるという問題が考えられる。

また、特許文献２に開示された手法では、物質の接合に関したものではない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、物質の非吸収性波長をもつ短時間パルス幅で所定位置に焦点を形成するレーザービームによる物質の非線形吸収現象を利用し、互いに積層する物質を接合界面のみで接合する方法及びこの方法を利用する物質の接合装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にあっては、短時間パルス幅で所定位置に焦点を形成するレーザービームによる多光子吸収現象を生成させて２つの物質を接合する方法である。具体的には、２つの物質を直接積層させた状態で積層方向接近側に圧力を付与し、前記２つの物質の試料間でアブレーションが生じないようにその間隙が照射されるレーザービームの中心波長の４分の１程度以下となるようにして互いに当接させ、レーザービームの焦点を２つの物質の当接部近傍に位置決めしてレーザービームを２つの物質の外部から照射する。

また、本発明の物質接合装置は、短時間パルス幅で所定位置に焦点を形成するレーザービームを照射するパルスレーザ照射手段と、互いに当接状態で直接積層された少なくとも２つの物質を、前記２つの物質間でアブレーションが生じないようにその間隙が照射されるレーザービームの中心波長の４分の１程度以下となるようにして支持する支持部材を備えている。さらに、支持部材は、パルスレーザ照射手段に対してレーザービームの焦点が２つの物質の当接部近傍に配設するように位置決めするように形成されている。

本発明においては、上述するように、物質の非吸収性波長の光を出力する短時間パルス幅で所定位置に焦点を形成するレーザービームを物質の当接部に集光照射し、多光子吸収現象を生成させる。多光子吸収現象により、物質の当接部においてプラズマが生成し、熱が生じることにより物質を接合することができる。なお、２つの物質を直接積層させた状態において、積層方向接近側に圧力を付与することにより、当接部の厚みを減少させ、レーザーアブレーションの発生を抑止が可能となり微小な接合が実現できる。

上記圧力を付与する方法として、本発明の接合方法によれば、２つの物質は、該２つの物質を同時に外部から狭持することによって当接状態を保持することが好ましい。具体的には、本発明の物質接合装置では、支持部材が、２つの物質をそれぞれ上方及び下方から担持する第一及び第二部材と、第一部材又は第二部材の少なくとも一方を上下方向に移動させる駆動手段とを有しても良い。

また、本発明の接合方法によれば、所定の支持部材に下方から支持させ、２つの物質の上側の物質の自重によって２つの物質を互いに当接させても良い。さらに、２つの物質の少なくとも一方は前記レーザービームを透過することが要求される。

以上、本発明の物質接合方法及び物質接合装置について説明してきたが、本発明の方法等による成果物としての接合物質は大きな特徴を有する。具体的には、２つの物質が互いに積層して接合された接合物資であって、該２つの物質の接合界面が２つの物質のいずれか又は両者が変性して形成されており、さらに、前記接合界面変性領域の厚みが概ね数100?m程度以下である。また、２つの物質の接合後に当接部のX線分析を行った結果、２つの物質の構成元素、金属スッパタに用いた元素、金属スパッタ時に用いた粘着テープの元素だけが検出されたことにより、２つの物質の構成元素により当接部が構成されている。

以上の説明より、本発明によれば、超短光パルスを、外部から狭持された２つの同種材料あるいは異種材料間に集光照射する。レーザーパルスを吸収する塗料が必要なく、外部から圧力を加えることにより、透明材料を接合できる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係わる物質接合装置の構成図である。

図１において、１は同種物質あるいは異種物質、２は超短光パルス、３はハロゲン光、４は増幅チタンサファイアレーザー、５はＮＤフィルタ、６はシャッター、７は凹レンズ、８は凸レンズ、９はアパーチャー、１０はミラー、１１は対物レンズ、１２と１６はハロゲンランプ、１３はＸＹステージ、１４と１８は結像用レンズ、１５と１９はＣＣＤカメラ、１７はビームスプリッターである。

増幅チタンサファイアレーザー４より照射された超短光パルス２は、ＮＤフィルタ５によりレーザー光出力を低減され、シャッター６を通過し、凹レンズ７および凸レンズ８よりなる拡大光学系により、レーザービーム径を拡大される。

さらに、超短光パルスは、アパーチャー９によりレーザービームの中心の光だけを選択され、ミラー１０により光の進行方向を変え、対物レンズ１１をＺ軸上において移動させることにより、同種材料あるいは異種物質１を直接積層させた少なくとも２つの当接部に集光される。

さらに、ＸＹステージ１３を移動させることにより、レーザービームの照射位置を制御し、接合すべき当接部の位置に任意の接合形状を生成することが可能となる。また、必要に応じて超短光パルス２を複数に分岐し、複数の照射スポットを作り出すことにより、同時に複数個の接合を行うことも可能である。前記当接部において生じた多光子吸収現象を観察する手段としては、ハロゲンランプ１２より発生されるハロゲン光３をＸ軸方向より前記当接部に照射し、当接部を透過したハロゲン光を結像用レンズ１４を通してＣＣＤカメラ１５に結像し、前記当接部のＸ軸断面を観察する方法や、ハロゲンランプ１６より発生されるハロゲン光をＺ軸方向より前記当接部に照射し、当接部において反射したハロゲン光をビームスプリッター１７により結像用レンズ１８をとおしてＣＣＤカメラ１９に結像し、前記当接部のＺ軸断面を観察する方法がある。

上記装置によって接合を行う材料としては、超短光パルスの波長帯域において、物質の非吸収性波長がある同種材料あるいは異種材料を対象とすることができる。いいかえれば、超短光パルス波長帯域において、物質が透明媒質と考えられるものである。

２つの物質を直接積層させた状態において、積層方向接近側に圧力を付与することにより、当接部の厚みを減少させ、レーザーアブレーションの発生の抑止が可能となる。上記圧力を付与する方法として、本発明の接合方法によれば、２つの物質は、２つの物質を同時に外部から狭持することによって当接状態を保持する。具体的には、本発明の物質接合装置では、図２に示すように支持部材が、２つの物質をそれぞれ上方及び下方から担持する第一部材２０及び第二部材２１または２２と、第一部材２０又は第二部材２１または２２の少なくとも一方を上下方向に移動させる駆動手段を有しても良い。

上記装置を使用してガラスを接合する場合を例にとって本方法を説明する。

外部から狭持された２つの同種物質あるいは異種物質１をＸＹステージ１３上に設置し、対物レンズ１１をＺ方向に移動させることにより、超短光パルスを同種物質あるいは異種物質１の境界面に集光照射する。このとき、多光子吸収現象により、集光点近傍領域の物質の当接部においてのみ、プラズマが生成し、熱が生じたことにより図２の接合部２３において物質を接合することができる。また、必要に応じて超短光パルス２を複数に分岐し、複数の照射スポットを作り出すことにより、同時に複数個の接合を行うことも可能である。

続いて超短光パルスによる接合を行う際の条件について説明する。本発明法による透明材料の接合実験においては、試料として大きさ約２０ｍｍ×３ｍｍ×１．５ｍｍのシリカガラスを２枚用いた。２枚の試料の片面には前もってレーザーアブレーションにより傷を付けてある。これは、傷を付けた表面同士を重ね合わせたときに、試料間の位置がわかるようにするためである。超短光パルス２（中心波長８００ｎｍ、パルス幅１３０フェムト秒、繰り返し周波数：１ｋＨｚ）を開口数０．１０の対物レンズ１１を用いて、試料間隙に集光した。接合部付近の試料の試料間隙は波長の４分の１程度以下に調整した。ＸＹステージ１３により、試料を光軸に垂直な方向に５．０μｍ／ｓの速さで走査し、１００μｍ×１００μｍの領域において多光子吸収を生じさせた。

以上本発明に係る実施形態について説明したが、同種材料あるいは異種物質１は、上記したシリカガラスに限定されることなく、超短光パルスを透過する材料であれば種々の材料に関して接合が可能である。また、同種材料あるいは異種物質１は、超短光パルスが透過できる状態であれば、２枚以上を重ね、それぞれの当接部に超短光パルスを照射し溶接できることが可能である。さらに、本発明はその精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。

本発明に係る超短光パルスによる透明材料の接合に用いる装置の構成図である。 超短光パルスにより、同種材料あるいは異種材料を接合する説明図である。

符号の説明

１ 同種物質あるいは異種物質
２ 超短光パルス
３ ハロゲン光
４ 増幅チタンサファイアレーザー
５ ＮＤフィルタ
６ シャッター
７ 凹レンズ
８ 凸レンズ
９ アパーチャー
１０ ミラー
１１ 対物レンズ
１２、１６ ハロゲンランプ
１３ ＸＹステージ
１４、１８ 結像用レンズ
１５、１９ ＣＣＤカメラ
１７ ビームスプリッター
２０ 第一部材
２１，２２ 第二部材
２３ 接合部

Claims (7)

1. 短時間パルス幅で所定位置に焦点を形成するレーザービームによる多光子吸収現象を生成させて２つの物質を接合する接合方法であって、
   前記２つの物質を直接積層させた状態で積層方向接近側に圧力を付与し、前記２つの物質の試料間でアブレーションが生じないようにその間隙が前記レーザービームの中心波長の４分の１程度以下となるようにして互いに当接させ、前記レーザービームの焦点を前記２つの物質の当接部近傍に位置決めして前記レーザービームを前記２つの物質の外部から照射することを特徴とする接合方法。
2. 前記２つの物質は、該２つの物質を同時に外部から狭持することによって当接状態を保持することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記２つの物質は所定の支持部材に下方から支持させ、該２つの物質の上側の物質の自重によって２つの物質を互いに当接させることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
4. 前記２つの物質の少なくとも一方は前記レーザービームを透過することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接合方法。
5. 短時間パルス幅で所定位置に焦点を形成するレーザービームを照射するパルスレーザ照射手段と、
   互いに当接状態で直接積層された少なくとも２つの物質を、前記２つの物質間でアブレーションが生じないようにその間隙が前記レーザービームの中心波長の４分の１程度以下となるようにして支持し、且つ前記パルスレーザ照射手段に対して前記レーザービームの焦点が該２つの物質の当接部近傍に配設するように位置決めするための支持部材と、
   を備えることを特徴とする物質接合装置。
6. 前記支持部材は、前記２つの物質をそれぞれ上方及び下方から担持する第一部材及び第二部材と、前記第一部材又は前記第二部材の少なくとも一方を上下方向に移動させる駆動手段を有することを特徴とする請求項５に記載の物質接合装置。
7. ２つの物質が、前記２つの物質間でアブレーションが生じないようにその間隙が照射されるレーザービームの中心波長の４分の１程度以下となるように積層されて互いに接合された接合物質であって、
   前記２つの物質の接合界面が２つの物質のいずれか又は両者が変性して形成された接合界面変性領域を有し、
   前記接合界面変性領域の厚みが略数１００μｍ以下であることを特徴とする接合物質。

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