(57)【要約】      （修正有）【課題】不透明材料及び透明材料への深穴加工が可能な穴用レーザ加工装置を提供する。【解決手段】加工用試料格納容器１０の内部に、雰囲気流体１５を導入する配管と、加工用試料格納容器の内部の圧力制御部３０と、加工用試料格納容器の内部の温度制御部４と、外部から内部にレーザ光３４を導入するレーザ光学系とを備え、下記式によって得られる無次元化温度ｔ１が３００以上となるように、加工用試料格納容器の内部の雰囲気流体の温度及び圧力を制御して加工用試料に形成する穴の内部に雰囲気流体の対流を生じさせて、加工用試料に穴を形成する。2018138310.tif 000010（ここで、αは雰囲気流体の体積膨張率、ｇは重力加速度、νは雰囲気流体の動粘度、κは雰囲気流体の温度拡散率、Ｔ０は穴の外側の雰囲気流体の温度、Ｔ１は穴の内壁の温度、ａは穴の半径、ｌは穴の深さである。）【選択図】図１
2018138310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部と内部とを区画する壁を有し、内部に加工用試料を格納し、外部から内部にレーザ光を導くための前記レーザ光を透過可能な窓部を前記壁に有する加工用試料格納容器と、
前記加工用試料格納容器の内部に、雰囲気流体を導入する雰囲気流体配管と、
前記加工用試料格納容器の内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記加工用試料格納容器の内部の温度を制御する温度制御部と、
前記窓部を介して、外部から内部にレーザ光を導入するレーザ光学系と、
を備え、下記式によって得られる無次元化温度ｔ１が３００以上となるように、前記圧力制御部と、前記温度制御部と、によって、前記加工用試料格納容器の内部の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御可能であって、前記加工用試料に形成する前記穴の内部に前記雰囲気流体の対流を生じさせて、前記加工用試料に穴を形成する穴用レーザ加工装置。
2018138310.tif 000008
（ここで、αは前記雰囲気流体の体積膨張率、ｇは重力加速度、νは前記雰囲気流体の動粘度、κは前記雰囲気流体の温度拡散率、Ｔ０は前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、Ｔ１は前記穴の内壁の温度、ａは前記穴の半径、ｌは前記穴の深さである。）
【請求項２】
前記圧力制御部と、前記温度制御部と、によって、前記加工用試料格納容器の内部の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御して、前記加工用試料に形成された穴の深さが深くなるにつれて、前記雰囲気流体の臨界点以上の温度であって臨界点より低圧側の第１の温度圧力条件から、前記第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点より高圧側の第２の温度圧力条件を経て、前記第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点と同じ密度の第３の温度圧力条件に順にシフトさせて、前記加工用試料に穴を形成する、請求項１に記載の穴用レーザ加工装置。
【請求項３】
前記レーザ光学系は、前記加工用試料に形成した穴の内側に生じる中央の低温層と内壁側の高温層との２重層による導波路構造における全反射条件を満たす入射角の条件で、前記窓部を介して、外部から内部の前記加工用試料にレーザ光を入射する、請求項１又は２に記載の穴用レーザ加工装置。
【請求項４】
前記レーザ光学系は、前記窓部を介して、外部から内部の前記加工用試料にｐ偏光のレーザ光を入射する、請求項３に記載の穴用レーザ加工装置。
【請求項５】
前記窓部を介して、前記加工用試料に形成された穴の内側から外部へ取り出した光による画像を撮像するカメラをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の穴用レーザ加工装置。
【請求項６】
前記レーザ光学系は、前記窓部を介して、外部から内部の前記加工用試料に照明用のレーザ光を入射する、請求項５に記載の穴用レーザ加工装置。
【請求項７】
前記レーザ光学系は、前記カメラによって撮像された画像に基づいて検出された前記加工用試料への最適な入射角の条件で、前記窓部を介して、外部から内部の前記加工用試料にレーザ光を入射する、請求項５又は６に記載の穴用レーザ加工装置。
【請求項８】
前記雰囲気流体は、超臨界流体又は超流動流体である、請求項１から７のいずれか一項に記載の穴用レーザ加工装置。
【請求項９】
区画された領域に加工用試料を配置すると共に、前記加工用試料の周囲に雰囲気流体を導入するステップと、
下記式によって得られる無次元化温度ｔ１が３００以上となるように、前記加工用試料の周囲の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御する工程と、
2018138310.tif 000009
（ここで、αは前記雰囲気流体の体積膨張率、ｇは重力加速度、νは前記雰囲気流体の動粘度、κは前記雰囲気流体の温度拡散率、Ｔ０は前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、Ｔ１は前記穴の内壁の温度、ａは前記穴の半径、ｌは前記穴の深さである。）
前記加工用試料にレーザ光を照射して、前記加工用試料に形成する前記穴の内部に前記雰囲気流体の対流を生じさせて、前記加工用試料に穴を形成するステップと、
を含む、穴用レーザ加工方法。
【請求項１０】
前記加工用試料の周囲の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御して、前記加工用試料に形成された穴の深さが深くなるにつれて、前記雰囲気流体の臨界点と同じ温度以上であって臨界点より低圧側の第１の温度圧力条件から、前記第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点より高圧側の第２の温度圧力条件を経て、前記第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点と同じ密度の第３の温度圧力条件に順にシフトさせて、前記加工用試料に穴を形成する、請求項９に記載の穴用レーザ加工方法。
【請求項１１】
前記加工用試料に形成した穴の内側に生じる中央の低温層と内壁側の高温層との２重層による導波路構造における全反射条件を満たす入射角の条件で、前記加工用試料にレーザ光を入射する、請求項９又は１０に記載の穴用レーザ加工方法。
【請求項１２】
前記加工用試料にｐ偏光のレーザ光を入射して前記加工用試料に穴を形成する、請求項１１に記載の穴用レーザ加工方法。
【請求項１３】
前記加工用試料に形成された穴の内側から外部へ取り出した光による画像を撮像するステップをさらに含む、請求項９から１２のいずれか一項に記載の穴用レーザ加工方法。
【請求項１４】
前記加工用試料に照明用のレーザ光を入射して、前記加工用試料に形成された穴の内側から外部へ取り出した光による画像を撮像する、請求項１３に記載の穴用レーザ加工方法。
【請求項１５】
前記撮像された画像に基づいて検出された前記加工用試料への最適な入射角の条件で、前記加工用試料にレーザ光を入射する、請求項１３又は１４に記載の穴用レーザ加工方法。
【請求項１６】
前記雰囲気流体として、超臨界流体又は超流動流体を用いる、請求項９から１５のいずれか一項に記載の穴用レーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、穴用レーザ加工装置及びレーザ加工方法、特に、穴深さに対する穴径であるアスペクト比の高い深穴用レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光による加工は、通常、マーキングや表面処理などの表層加工や、比較的薄い板材の切断加工など、低深度加工に用いられることが多い。これに対して、深穴加工に代表される高深度の、閉塞した狭い空間の加工においては、第１にレーザ光が壁面に反射、散乱して孔底まで届かないこと、第２に加工された加工くずを穴外に排出する手段がないこと、といった理由によってレーザ光による深穴加工が難しいとされている。そのため、穴深さと穴径の比であるアスペクト比が１００を超える深穴についてのレーザ加工技術は実質的に存在していない。
【０００３】
なお、透明材料においては、穴を形成する表面側とは反対の裏面側からレーザ光の集光を行える（例えば、非特許文献１参照。）。このため、形成される穴内部にレーザ光を通過させる必要がなく、上記第１の問題点は回避できる。この場合でもアスペクト比１００を超えることは容易ではなく、例えば、腐食液によるエッチング加工の併用によってさらに深い穴加工を実現することが試みられている（例えば、非特許文献２参照。）。しかし、この場合でも穴深さは数倍の伸長にとどまる。これは、第２の加工くずの排出性の問題が完全に排除されたわけではないことに起因するが、加えてエッチングによって穴径が過大に拡張されたり、穴径が不均一になる等の問題も新たに生じるためである。
【０００４】
また、近年ＬＩＢＷＥ法という光加工法も提案されている（例えば、非特許文献３参照。）。これは、雰囲気流体中に溶解させた色素をアブレーションさせ、その圧力によって爆発加工を行うというものである。そのため、機械加工の一種ともいえ、なめらかな表面をもつ加工が特徴である。本手法も高アスペクトの深穴加工が可能と主張されているが、加工物の排出性の点では、従来のレーザ加工と比べて原理的に大きな利点はなく、実際に革新的な加工結果が出ていないことを考えると、上記方法における深穴加工性能自体はそれほど高くないと考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】空気中、水中等の一般的な流体中で熱的物理加工を行う方法（D. J. Hwang et al., Appl. Phys. A 79, 605-612 (2004)）
【非特許文献２】水中でエッチングを援用した加工 (Y. Kondo, Jpn. J. Appl. Phys. 38, 1146-1148 (1999))
【非特許文献３】雰囲気流体中に溶解させた色素のアブレーションを利用した加工法(レーザー誘起背面湿式加工法(laser-induced backside wet etching: LIBWE)) (X. Ding et al., J Photochem Photobiol A Chem., 166, 129, (2004))
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、穴深さに対する穴径であるアスペクト比の高い深穴用レーザ加工装置及びレーザ加工方法は実質的に得られていない。
【０００７】
そこで、本発明は、不透明材料及び透明材料への深穴加工が可能な穴用レーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る穴用レーザ加工装置は、外部と内部とを区画する壁を有し、内部に加工用試料を格納し、外部から内部にレーザ光を導くための前記レーザ光を透過可能な窓部を前記壁に有する加工用試料格納容器と、
前記加工用試料格納容器の内部に、雰囲気流体を導入する雰囲気流体配管と、
前記加工用試料格納容器の内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記加工用試料格納容器の内部の温度を制御する温度制御部と、
前記窓部を介して、外部から内部にレーザ光を導入するレーザ光学系と、
を備え、下記式によって得られる無次元化温度ｔ１が３００以上となるように、前記圧力制御部と、前記温度制御部と、によって、前記加工用試料格納容器の内部の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御可能であって、前記加工用試料に形成する前記穴の内部に前記雰囲気流体の対流を生じさせて、前記加工用試料に穴を形成する。
2018138310.tif 000003
（ここで、αは前記雰囲気流体の体積膨張率、ｇは重力加速度、νは前記雰囲気流体の動粘度、κは前記雰囲気流体の温度拡散率、Ｔ０は前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、Ｔ１は前記穴の内壁の温度、ａは前記穴の半径、ｌは前記穴の深さである。）
【０００９】
本発明に係る穴用レーザ加工方法は、区画された領域に加工用試料を配置すると共に、前記加工用試料の周囲に雰囲気流体を導入するステップと、
下記式によって得られる無次元化温度ｔ１が３００以上となるように、前記加工用試料の周囲の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御するステップと、
2018138310.tif 000004
（ここで、αは前記雰囲気流体の体積膨張率、ｇは重力加速度、νは前記雰囲気流体の動粘度、κは前記雰囲気流体の温度拡散率、Ｔ０は前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、Ｔ１は前記穴の内壁の温度、ａは前記穴の半径、ｌは前記穴の深さである。）
前記加工用試料にレーザ光を照射して、前記加工用試料に形成する前記穴の内部に前記雰囲気流体の対流を生じさせて、前記加工用試料に穴を形成するステップと、
を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る穴用レーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、透明材料及び不透明材料のいずれについても穴深さに対する穴径であるアスペクト比の高い深穴を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る穴用レーザ加工装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１の加工用試料格納容器の内部の拡大図である。
【図３Ａ】流線が穴底まで達して対流が生じている状態を示す模式図である。
【図３Ｂ】流線が穴底まで達しておらず、滞留部を伴い、全体として十分な対流が得られていない状態を示す模式図である。
【図４】ライトヒルの式の係数部（αｇ／νκ）の温度圧力依存性を示す概略図である。
【図５】（ａ）は、穴に入射するレーザ光の様子を示す概略図であり、（ｂ）は、穴の周囲の雰囲気の冷部と温部との境界層で生じるレーザ光の屈折を示す概略図であり、（ｃ）は、穴の内側の冷部と温部との境界層で生じるレーザ光の全反射を示す概略図である。
【図６】ｐ偏光（ラジアル偏光）とｓ偏光（アジマス偏光）との入射角に対する反射率の関係の一例を示すグラフである。
【図７】実施の形態５に係る穴用レーザ加工装置において、不透明材料及び透明材料である加工用試料へのレーザ光の入射及び出射を示す概略図である。
【図８Ａ】図７のカップリングモニタによる出力の一例を示す概略図である。
【図８Ｂ】図７の加工穴観察カメラによる出力の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（本発明に至る経緯）
本発明者は、不透明材料及び透明材料への深穴加工における課題について以下のように検討した。
【００１３】
１．不透明材料加工（金属など）の場合
（課題１−１）不透明材料への深穴加工は非常に困難である。その理由として、本発明者は、
（１）穴の壁面でレーザ光が吸収、散乱されて減衰すること、
（２）穴内の残留加工くず、雰囲気流体の残留気泡による吸収、散乱が生じること、
（３）穴開口部に発生する噴流による加工用レーザ光の屈折散乱が生じること、
の各問題があることを見出した。これらの問題から、レーザ光による金属への穴あけ加工の深さはどの事例をとっても穴径が１００μｍでは深さ数ｍｍ程度にとどまっていた。
（課題１−２）特殊偏光が高効率穴加工には有効だが、深穴加工には適用困難である。偏光方向が軸対称になっているラジアル偏光、アジマス偏光などの特殊偏光による高効率穴加工が提唱されており、穴が浅い段階ではラジアル偏光、深くなるにつれアジマス偏光が有利とされている。これは、図６に示す通り、ラジアル偏光（ｐ偏光）はビームに対して垂直な面に対して吸収が大きく、効率的に熱に変換され、アジマス偏光（ｓ偏光）はビームに対して水平な面に対して反射率が高く、穴内を効率的に反射伝搬して穴底に到達するためである。しかし、その効果は数ｍｍ程度の深さまでであり（M. Meier et al., Proc. of SPIE 6053 605312, (2006)）、それ以上の穴深さでは穴壁面における乱反射によって無偏光化し、効果を失う。
【００１４】
２．透明材料加工（ガラスなど）の場合
（課題２）透明材料では、不透明材料ほどではないが、やはり深穴加工は非常に困難とされている。透明材料は、材料の穴を設ける面とは反対側の背面からレーザ光を入射させることができる。このため、上記（課題１−１）の（１）および（３）の課題については考慮する必要がない。しかし、上記（２）の課題はなおも残り、それに加えて透明材料には脆性材料が多いことから、熱衝撃等の熱的影響に関しては金属が主な被加工物となる不透明材料以上に気を使わなければならない。このような制約を回避するために、超短パルスレーザ光や紫外光によって、なるべく低いエネルギーで加工しつつも、なるべく高いアブレーション圧力で加工屑を除去して上記（２）の課題をクリアするという、相反する要求を満たさなければならず、それは実際には至難である。その結果、直接除去加工をする場合は穴深さ１ｍｍが限界である。ただし、除去加工の閾値以下のビームパワーでも変質させることはできるため、変質後、エッチング液によって腐食、除去することで数ｍｍの深穴を加工する手法も開発されている。但し、この方法で加工を行うと、孔径が深度によって変化したり、孔内への腐食液残渣の残留、そして、溶解した母材はやはり孔外部へ排出する必要があるため、原理的に無制限に深穴加工が出来る手法ではない。また、上記ＬＩＢＷＥ法も同じ理由により穴の深さに関して限界があると予想される。
【００１５】
（基礎となる発明の発見及びさらなる検討によって至った本発明について）
本発明者は、様々な検討を進めて、雰囲気流体として超臨界流体を用いたレーザ加工によって、深穴加工が可能であることを見出し、基礎となる発明に至った。つまり、超臨界二酸化炭素の雰囲気中でレーザ加工することにより、透明材料において従来技術の１０倍以上の深穴加工が可能であることを確認した。超臨界二酸化炭素とは、二酸化炭素を７．４ＭＰａ、３１℃の臨界点以上に加圧及び／又は加熱したものである。雰囲気流体としての超臨界二酸化炭素中で穴の開口部とは反対側へのレーザ光の背面照射による深穴加工を行うことで、少なくとも水中、空気中の１０倍以上の深さの穿孔が可能となり、穴径も安定していることを確認した。この加工メカニズムについて、本発明者は図５に示す超臨界流体の対流による熱、加工くずの除去が原因である可能性があると考えている。
【００１６】
さらに、不透明材料である金属加工においては、ガラス加工のような背面照射とは違い、穴の開口部側からレーザ光を入射する必要がある。このため、本発明者は、さらに、加工による噴流や対流とレーザ光とが干渉するため、加工穴内部へのレーザ光の導入効率の低下、すなわちデカップリングが問題点になることを見出した。すなわち、対流の温度境界面によって入射ビームが反射、屈折をおこし、穴に到達できない場合がある。これについて、本発明者は、対流によって孔内に光ファイバと同じ屈折率分布が現れることが示唆され、光が無減衰で穴底に到達し、深穴加工を行うことが可能となることを見出した。さらに、後述するように、本発明者は、穴内の対流についてライトヒルの式を適用して、超臨界流体に限られず、雰囲気流体の温度圧力条件を制御することで、穴内の対流を制御して、特に上記（２）の課題を解決できることを見出して、本発明に至った。そこで、ビームの入射条件などによる加工穴近辺の温度制御による対流制御によって温度境界面の形状を図５に図示するような収束型とし、デカップリングによるロスを防ぐことができる。
【００１７】
第１の態様に係る穴用レーザ加工装置は、外部と内部とを区画する壁を有し、内部に加工用試料を格納し、外部から内部にレーザ光を導くための前記レーザ光を透過可能な窓部を、前記壁に有する加工用試料格納容器と、
前記加工用試料格納容器の内部に、雰囲気流体を導入する雰囲気流体配管と、
前記加工用試料格納容器の内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記加工用試料格納容器の内部の温度を制御する温度制御部と、
前記窓部を介して、外部から内部にレーザ光を導入するレーザ光学系と、
を備え、下記式によって得られる無次元化温度ｔ１が３００以上となるように、前記圧力制御部と、前記温度制御部と、によって、前記加工用試料格納容器の内部の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御可能であって、前記加工用試料に形成する前記穴の内部に前記雰囲気流体の対流を生じさせて、前記加工用試料に穴を形成する。
2018138310.tif 000005
（ここで、αは前記雰囲気流体の体積膨張率、ｇは重力加速度、νは前記雰囲気流体の動粘度、κは前記雰囲気流体の温度拡散率、Ｔ０は前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、Ｔ１は前記穴の内壁の温度、ａは前記穴の半径、ｌは前記穴の深さである。）
【００１８】
第２の態様に係る穴用レーザ加工装置は、上記第１の態様において、前記圧力制御部と、前記温度制御部と、によって、前記加工用試料格納容器の内部の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御して、前記加工用試料に形成された穴の深さが深くなるにつれて、前記雰囲気流体の臨界点以上の温度であって臨界点より低圧側の第１の温度圧力条件から、前記第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点より高圧側の第２の温度圧力条件を経て、前記第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点と同じ密度の第３の温度圧力条件に順にシフトさせて、前記加工用試料に穴を形成してもよい。
【００１９】
第３の態様に係る穴用レーザ加工装置は、上記第１又は第２の態様において、前記レーザ光学系は、前記加工用試料に形成した穴の内側に生じる中央の低温層と内壁側の高温層との２重層による導波路構造における全反射条件を満たす入射角の条件で、前記窓部を介して、外部から内部の前記加工用試料にレーザ光を入射してもよい。
【００２０】
第４の態様に係る穴用レーザ加工装置は、上記第３の態様において、前記レーザ光学系は、前記窓部を介して、外部から内部の前記加工用試料にｐ偏光のレーザ光を入射してもよい。
【００２１】
第５の態様に係る穴用レーザ加工装置は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記窓部を介して、前記加工用試料に形成された穴の内側から外部へ取り出した光による画像を撮像するカメラをさらに備えてもよい。
【００２２】
第６の態様に係る穴用レーザ加工装置は、上記第５の態様において、前記レーザ光学系は、前記窓部を介して、外部から内部の前記加工用試料に照明用のレーザ光を入射してもよい。
【００２３】
第７の態様に係る穴用レーザ加工装置は、上記第５又は第６の態様において、前記レーザ光学系は、前記カメラによって撮像された画像に基づいて検出された前記加工用試料への最適な入射角の条件で、前記窓部を介して、外部から内部の前記加工用試料にレーザ光を入射してもよい。
【００２４】
第８の態様に係る穴用レーザ加工装置は、上記第３の態様において、前記雰囲気流体は、超臨界流体又は超流動流体であってもよい。
【００２５】
第９の態様に係る穴用レーザ加工方法は、区画された領域に加工用試料を配置すると共に、前記加工用試料の周囲に雰囲気流体を導入するステップと、
下記式によって得られる無次元化温度ｔ１が３００以上となるように、前記加工用試料の周囲の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御するステップと、
2018138310.tif 000006
（ここで、αは前記雰囲気流体の体積膨張率、ｇは重力加速度、νは前記雰囲気流体の動粘度、κは前記雰囲気流体の温度拡散率、Ｔ０は前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、Ｔ１は前記穴の内壁の温度、ａは前記穴の半径、ｌは前記穴の深さである。）
前記加工用試料にレーザ光を照射して、前記加工用試料に形成する前記穴の内部に前記雰囲気流体の対流を生じさせて、前記加工用試料に穴を形成するステップと、
を含む。
【００２６】
第１０の態様に係る穴用レーザ加工方法は、上記第９の態様において、前記加工用試料の周囲の前記雰囲気流体の温度及び圧力を制御して、前記加工用試料に形成された穴の深さが深くなるにつれて、前記雰囲気流体の臨界点と同じ温度以上であって臨界点より低圧側の第１の温度圧力条件から、前記第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点より高圧側の第２の温度圧力条件を経て、前記第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点と同じ密度の第３の温度圧力条件に順にシフトさせて、前記加工用試料に穴を形成してもよい。
【００２７】
第１１の態様に係る穴用レーザ加工方法は、上記第９又は第１０の態様において、前記加工用試料に形成した穴の内側に生じる中央の低温層と内壁側の高温層との２重層による導波路構造における全反射条件を満たす入射角の条件で、前記加工用試料にレーザ光を入射してもよい。
【００２８】
第１２の態様に係る穴用レーザ加工方法は、上記第１１の態様において、前記加工用試料にｐ偏光のレーザ光を入射して前記加工用試料に穴を形成してもよい。
【００２９】
第１３の態様に係る穴用レーザ加工方法は、上記第９から第１２のいずれかの態様において、前記加工用試料に形成された穴の内側から外部へ取り出した光による画像を撮像するステップをさらに含んでもよい。
【００３０】
第１４の態様に係る穴用レーザ加工方法は、上記第１３の態様において、前記加工用試料に照明用のレーザ光を入射して、前記加工用試料に形成された穴の内側から外部へ取り出した光による画像を撮像してもよい。
【００３１】
第１５の態様に係る穴用レーザ加工方法は、上記第１３又は第１４の態様において、前記撮像された画像に基づいて検出された前記加工用試料への最適な入射角の条件で、前記加工用試料にレーザ光を入射してもよい。
【００３２】
第１６の態様に係る穴用レーザ加工方法は、上記第９から第１５のいずれかの態様において、前記雰囲気流体として、超臨界流体又は超流動流体を用いてもよい。
【００３３】
以下、実施の形態に係る穴用レーザ加工装置及び穴用レーザ加工方法について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る穴用レーザ加工装置２０の構成を示す概略図である。図２は、図１の加工用試料格納容器１０の内部の拡大図である。図１及び図２には、便宜上、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。ｙ軸は紙面を手前から奥に向かって貫いている。なお、各軸は説明の都合上設けているものであって、穴用レーザ加工装置２０の方向を特定するためのものではない。
穴用レーザ加工装置２０は、加工用試料格納容器１０と、雰囲気流体配管２２と、圧力制御部３０と、温度制御部４と、レーザ光学系３４、３５と、を備える。加工用試料格納容器１０は、外部と内部とを区画する壁１１を有し、内部に加工用試料１３を格納し、外部から内部にレーザ光３４を導くためのレーザ光を透過可能な窓部１２を壁１１に有する。雰囲気流体配管２２によって加工用試料格納容器１０の内部に、雰囲気流体１５を導入する。圧力制御部３０によって、加工用試料格納容器１０の内部の圧力を制御する。温度制御部４によって、加工用試料格納容器１０の内部の温度を制御する。レーザ光学系３４、３５によって、窓部１２を介して、外部から内部にレーザ光３４を導入する。
【００３５】
この穴用レーザ加工装置２０では、下記のライトヒルの式によって得られる無次元化温度ｔ１が３００以上となるように、圧力制御部３０と、温度制御部４と、によって、加工用試料格納容器１０の内部の雰囲気流体１５の温度及び圧力を制御する。これによって、加工用試料１３に形成する穴１４の内部に雰囲気流体１５の対流を生じさせて、加工用試料１３に穴１４を形成できる。
ライトヒルの式は、下記式（１）の通りである。
2018138310.tif 000007
（ここで、αは雰囲気流体１５の体積膨張率、ｇは重力加速度、νは雰囲気流体１５の動粘度、κは雰囲気流体１５の温度拡散率、Ｔ０は穴１４の外側の雰囲気流体１５の温度、Ｔ１は穴１４の内壁の温度、ａは穴１４の半径、ｌは穴１４の深さである。）
図１及び図２において、穴１４は、ｚ方向に沿って形成される。
【００３６】
（作用）
図５に示すとおり、加工中の穴は、穴の両端が開口端と閉塞端（加工端）になっており、穴の内外は雰囲気流体に満たされている。そして、穴１４の内壁は加工用のレーザ光３４によって供給された熱量によって高温であり、穴１４の外の雰囲気流体１５は低温である。この時、高温部で発生した浮力が流体の摩擦抵抗に優れば自由対流による上昇流によって、高温流体が穴外へ排出され、代わりに穴１４の中心部では穴外の低温流体が穴底へ流入することで熱交換及び加工屑の排出を行うことができる。これは熱交換器としてはオープンサイフォン型の熱交換器と呼ばれ、現にジェットエンジンのタービンブレードに使用されてきた。このような対流現象はライトヒル（M. J. Lighthill, Quart. Journ. Mech. and Applied Math., Vol. VI, Pt. 4 (1953) p398-p439）によって定式化され、ハセガワ（S. Hasegawa, K. Nishikawa, and K. Yamagata, Bulletin of JSME, Vol. 6, No. 22, 1963, p230-p250）による実験的検証も行われており、層流が保たれる範囲においてライトヒルの理論は実現象を再現しうることが示されている。
【００３７】
本発明者は、上記ライトヒルの式を加工穴内の対流現象の解析に適用することを試み、雰囲気流体の温度圧力条件の制御と、加工穴内の対流現象との関係を見出し、本発明に至ったものである。図３Ａは、流線１８が穴１４の底まで達して対流が生じている状態を示す模式図である。図３Ｂは、流線１８が穴１４の底まで達しておらず、加工くず、余剰熱等が対流によって移動できない滞留部１９を伴い、全体として十分な対流が得られていない状態を示す模式図である。本理論に従うと、水、空気を始め、常温常圧で使用できる一般的な流体は、レーザ光によって作られる細径の深穴内においては全く対流しないことが理論的に示される（図３Ｂ）。対流し易さは、無次元化温度ｔ１によって、加工穴のスケール、温度、使用する雰囲気流体によらず一元的に整理される。上記無次元化温度ｔ１が３００（≒１０２．５）を超えなければ穴内に滞留部が残り、例えば、水、空気では孔径２００μｍを仮定すると、深さ５００μｍの孔でも対流が起こらなくなる（図３Ｂ）。対流が起こらなければ、加工によって発生する熱が効果的に排出されないことに加え、加工によって生成された加工くずが穴内に蓄積し易い。
【００３８】
そこで、本発明者は、雰囲気流体として超臨界二酸化炭素を始めとする超臨界流体を使用することを検討した。これらの超臨界流体は、狭い穴内でも対流を起こし、熱、および加工くずの排出性能を向上させる。上記式（１）の右辺は、加工穴のサイズや温度などの加工条件によって決まる項目のほか、α、ｇ、ν、そしてκなどの雰囲気流体によって決まる係数部分（αｇ／νκ）が含まれ、超臨界二酸化炭素では、これらの値が全て無次元化温度ｔ１を高くする特性を備えている。その結果、図４に示すとおり、この係数部分（αｇ／νκ）は、水、空気などに比べ２０℃以上、２ＭＰａ以上の温圧条件下では１０３〜１０６倍以上も無次元化温度ｔ１が高く、対流が非常に起こりやすい（図３Ａ）。この結果、例えば臨界点（およそ３１℃、７．４ＭＰａ）においては、２００μｍ径の穴であれば１ｍ以上の穴内であっても対流するという結果が得られる。なお、雰囲気流体としては、上記超臨界流体に限られず、無次元化温度ｔ１が３００（１０２．５）以上となるものであればよい。無次元化温度ｔ１が３００以上であることによって、穴内では穴底から穴上部にいたるまで穴全域で雰囲気流体による対流が生じる。また、無次元化温度ｔ１が３００を超え、およそ１０３．６（＝３９８１）程度までは対流の勢いが増していくため好ましい。一方、無次元化温度ｔ１が、１０３．６を超えると対流の勢いの増加は鈍くなり、乱流化のリスクが高くなってくる。なお、乱流化に起因する要素は無次元化温度ｔ１だけでないため、１０３．６は無次元化温度ｔ１の絶対的な上限値ではなく、無次元化温度ｔ１が、１０３．６を超えても必ずしも乱流が発生するとは限らない。その一方、無次元化温度ｔ１を１０３．６以下とすることで乱流の発生を抑制できる。
【００３９】
雰囲気流体は、無次元化温度ｔ１が３００以上であればよく、超臨界状態に限られず、臨界点、亜臨界状態、非臨界状態であってもよい。また、雰囲気流体は、例えば、極低温の４Ｈｅ、３Ｈｅの超流動流体であってもよい。さらに、雰囲気流体は二酸化炭素に限られず、例えば、メタン（臨界点１９０．４Ｋ、４．６０ＭＰａ）、エタン（臨界点３０５．３Ｋ、４．８７ＭＰａ）、エタノール（臨界点５１３．９Ｋ、６．１４ＭＰａ）、アセトン（臨界点５０８．１Ｋ、４．７０ＭＰａ）、水（臨界点６４７．３Ｋ、２２．１２ＭＰａ）等を用いてもよい。
【００４０】
この穴用レーザ加工装置２０では、加工用試料１３を加工用試料格納容器１０に封入し、加工用試料格納容器１０の内部に雰囲気流体１５を導入して、内部の温度圧力条件を管理して、壁１１に設けた窓部１２を介してレーザ光３４を導入し、レーザ加工を行う。そのため、この穴用レーザ加工装置２０は、加工用試料格納容器１０等の構造系、雰囲気流体の導入及びその圧力制御系、温度制御系、レーザ光学系、の４つの系等について整理できる。
【００４１】
＜加工用試料格納容器等の構造系＞
加工用試料１３は、加工用試料格納容器１０に封入されている。加工用試料格納容器１０は、さらに温度制御のために恒温槽１内に配置されている。また、この加工用試料格納容器１０は、壁１１にレーザ光を透過させるための耐圧性の窓部１２を設けている。なお、窓部１２としては、透明材料の場合に穴を形成する側とは反対側の面に加工用レーザ光の入射窓として、不透明材料の場合に穴を形成する側の面に加工用レーザ光の入射窓及びカメラ観察用窓として、２つ設けられることが好ましい。また、加工用試料格納容器１０は、圧力調整容器２６と接続されている。対流の効果を最大限に得るために、加工穴の開口部は常に上方を向いていなければならないため、実際の窓部は容器の上部及び／又は下部に設置されることが望ましい。つまり、窓部はｚ軸方向の上部及び／又は下部に設けられる。なお、穴の開口端が下向きでは対流の効果が得られないが、横向き（ｘ方向又はｙ方向）では、効果は劣るが対流の効果を得ることは可能である。
また、加工用試料格納容器１０は、駆動部１６によってｚ軸方向に移動可能であって、穴の深さが深くなるにつれて、レーザ光学系による焦点位置を穴の適切な位置に合わせることができる。
【００４２】
＜温度制御系＞
この穴用レーザ加工装置２０では、恒温槽１を加熱する加熱装置２、温度センサ３及び温度制御部４によって、恒温槽１及びその中の加工用試料格納容器１０内の温度制御が行われている。
【００４３】
＜圧力制御系＞
雰囲気流体である液化二酸化炭素は、液化二酸化炭素容器２１から配管２２、バルブ２３、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）２４、リークバルブ２５、圧力調整容器２６、閉鎖バルブ２７を介して加工用試料格納容器１０へポンプ（非表示）で充填される。また、液化二酸化炭素やポンプを使用できない場合は，圧力調整容器２６に必要量のドライアイスを充填して閉鎖バルブ２７を介して加工用試料格納容器１０へ充填しても良い。使用する圧力容器は２つあり、互いに配管で接続されて、それぞれ別の役割を持っている。一方の圧力容器は、加工用試料１３を格納する加工用試料格納容器１０であり、レーザ光３４を入射する耐圧の窓部１２を備えている。もう一方の圧力容器は、圧力調整のための圧力調整容器２６である。加工用試料格納容器１０内の圧力制御は、圧力センサ２９及び圧力制御部３０によって、接続されたもう一方の圧力容器である圧力調整容器２６で行って、加工用試料格納容器１０の温度を調整することによって加工用試料格納容器１０内の温度及び圧力を制御する。圧力調整容器２６の圧力は加熱装置２８による加熱によっても調整できる。このとき、２つの圧力容器１０、２６を接続する配管は十分に細く長いため、容器間の圧力は同じであるが、温度は独立である。そのため、圧力と温度の制御は、それぞれ別々のフィードバック制御によって行うことができる。臨界点近傍（図４の点ｅ）の実験に求められる温圧制御の精度は０．０１ＭＰａ、０．０１℃という高精度が求められるため、温度圧力双方を制御する方法では精度に限界がある。そのため、温圧条件が許容範囲に入った瞬間に２つの圧力容器間の配管バルブを自動遮断することによって加工用試料格納容器１０内の密度を一定とし、温度制御だけで臨界点近傍で安定化させる。安定化は、恒温槽１の他に温度センサ７を監視し，ペルチェ素子６による加熱冷却によるペルチエ素子制御部８を用いた高速温度制御を併用することで実現できる。また、加工用試料格納容器１０からの排気は、排出用配管３１、リークバルブ３２、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）３３を介して行われる。さらに、排気の際は急冷を伴うため、恒温槽１、ペルチェ素子６によって加温をしながら、加工用試料格納容器１０内の温度が安定するようにペルチエ素子制御部８を用いて排気速度を制御する排気弁フィードバックを行う。
【００４４】
＜レーザ光学系＞
レーザ光３４は、加工用試料格納容器１０の壁１１に設けられた窓部１２を介して加工用試料格納容器１０の内部に導入される。加工用試料１３に到達したレーザ光３４によって穴１４が形成される。加工用のレーザ光３４の最適な入射角を決めるために、例えば、後述の実施の形態５に示すように、モニタリングしてもよい。この場合に、加工用のレーザ光に代えて、照明用のレーザ光を照射してもよい。照明光が穴１４の開口部に集光されると、穴外の温度境界層を突破し、穴内を伝播し得る入射角で入射した光線のみが穴底に到達する。そして、穴底からの反射光は同じく穴外へ伝搬可能な光線のみが集光レンズに戻ってくる。集光レンズによって、戻り光はコリメートされ、カメラ（図１に図示せず。図７の「カップリングモニタ４８」）で検出される。カメラでの検出位置によって、最適な光線の入射角が求まり、その入射角で集光出来るように加工用のレーザ光のビームプロファイルを調整することができる。
【００４５】
ビームプロファイルの調整の方法は、図７の符号４５の位置に液晶偏光素子による光強度変調装置や、ビームエキスパンダによるビーム径の拡縮装置を配置するなど、各種の手段が考えられる。また、液晶偏光素子を用いれば、ビーム内の偏光分布も制御可能であり、穴内にｐ偏光、ｓ偏光を入射するために、それぞれラジアル偏光、アジマス偏光を生成したり、それらの中間的な性質を持つ偏光、さらに複雑な偏光など、各種の偏光が考えられる。また、カップリングモニタ４８の前に、別に偏光計測機能をもつ素子を備えることで、穴内を通過しやすい偏光状態とその分布を計測し、入射偏光分布に反映させることによって、偏光も含めた入射ビームの最適化を行うことが出来る。符号４７の位置には、例えば、偏光計測の機能を与える光学素子が入るが、同様の機能を持つものとして、符号４５に使われるものと同様の軸対称偏光ビーム生成器を使用することもできる。ただし、符号４７の位置では、符号４５に配置したものとは光の入射方向は逆向きにする必要がある。
【００４６】
（実施の形態２）
図４は、ライトヒルの式の係数部（αｇ／νκ）の温度圧力依存性を示す概略図である。なお、図４中の等高線には係数部（αｇ／νκ）の値の指数のみを表示している。図４には、横軸が温度、縦軸が圧力であって、温度圧力条件を示す範囲において、ａ点からｉ点までの９つの点を示している。この９点のうち、ａ点、ｂ点、ｃ点は、低温側から高温側にかけて同じ密度のライン上に配置されている。また、ｄ点、ｅ点、ｆ点は、低温側から高温側にかけて同じ密度のライン上に配置されている。このｅ点が臨界点である。また、ｇ点、ｈ点、ｉ点は、低温側から高温側にかけて同じ密度のライン上に配置されている。一方、ａ点、ｄ点、ｇ点は、同じ温度のライン上に配置されている。また、ｂ点、ｅ点、ｈ点は、同じ温度のライン上に配置されている。ｃ点、ｆ点、ｉ点は、同じ温度のライン上に配置されている。なお、臨界点のｅ点以外の各点は例示であってこれらに限定されるものではない。
【００４７】
この図４に示すように、係数部（αｇ／νκ）の値は、臨界点（図４のｅ点）付近で最も大きくなる（約１０１６以上（臨界点では実質的に無限大∞に発散してしまい精確な値の計測は困難））。また、臨界点以下の圧力では、係数部（αｇ／νκ）の値は、１０１３から１０１２へと減少する。一方、臨界点以上の圧力範囲では、圧力増加による密度の増加に伴って動粘度が増加することから、係数部（αｇ／νκ）の値は、いくぶん減少する。つまり、係数部（αｇ／νκ）は、臨界点から高温高圧側に延びる同じ密度のライン上（Ｗｉｓｄｏｍ’ｓ  Ｌｉｎｅ）に沿って１０１５程度の高い値を有し、上記ラインから低圧側では係数部（αｇ／νκ）の値は、１０１２程度まで急激に減少する。一方で、上記ラインから高圧側では、上述のように圧力増加による密度増加に起因して係数部（αｇ／νκ）の値は、やや減少するが、１０１４から１０１３への減少に留まる。
なお、常温の水、空気では、ライトヒルの式の係数部（αｇ／νκ）の値は、それぞれ１．０８×１０８、および１．８３×１０６となる。
【００４８】
実施の形態２に係る穴用レーザ加工装置では、圧力制御部３０と、温度制御部４と、によって、穴１４の深さに応じて加工用試料格納容器１０の内部の雰囲気流体１５の温度及び圧力を制御することを特徴とする。つまり、加工用試料１３に形成された穴１４の深さが深くなるにつれて、雰囲気流体１５の臨界点以上の温度であって臨界点より低圧側の第１の温度圧力条件（例えば、図４のｉ点、ｈ点）から、第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点より高圧側の第２の温度圧力条件（例えば、図４のｃ点、ｂ点）を経て、第１の温度圧力条件の温度と同じ温度であって臨界点と同じ密度の第３の温度圧力条件（例えば、図４のｆ点、ｅ点）に順にシフトさせて、加工用試料１３に穴１４を形成する。これによって、穴１４の深さが浅い場合にはライトヒルの式の係数部（αｇ／νκ）の値が比較的小さい条件（１０１２）で乱流を生じないように穴を開けていくことができる。さらに、穴が深くなるにつれて係数部（αｇ／νκ）の値が比較的大きい条件（１０１４〜１０１５）の穴１４の内部の対流が生じる温度圧力条件とすることができる。
【００４９】
（作用）
穴の内部で対流が起こるためには無次元化温度ｔ１は３００以上必要だが、上述の通り、高ければ高いほど良いというわけではなく、１０３．６までは対流の程度が増すため好ましいが、さらに高くなると乱流化する。この時、上昇流と下降流の間で輸送現象が活発となり、熱交換、物質交換の効果が穴底まで到達しにくくなる。そのため、無次元化温度ｔ１は、層流が保たれる範囲内に保たれる必要がある。これを実際の加工プロセスで考えると、穴深さは加工の進行と共に増大していくため、無次元化温度ｔ１を一定の範囲に保つには、ライトヒルの式の係数部分（αｇ／νκ）の部分を穴深さの増大に伴って調整することによって対流の状態を一定に保つ必要がある。図４の計算結果から、例えば、初期状態として、図中ｉ点の状態からスタートし、穴深さの増大にあわせて状態ｃ点、状態ｆ点へ移行することにより係数部分（αｇ／νκ）の値を増大させることで、層流を保ったまま徐々に穴加工を進展させていくことができる。さらに、最終的に臨界点である状態ｅ点に近づけていくことにより係数部分（αｇ／νκ）の値を最大にすることができる。例えば、穴径２００μｍ、１００μｍ、５０μｍ加工時に、穴深さの進展に伴って温圧条件を図４に示すｉ点→ｃ点→ｆ点→ｅ点の状態へリレーすることで係数部分（αｇ／νκ）の値を増大させることができる。あるいは、別例として、状態ｈ点からスタートし、穴深さの増大にあわせて状態ｂ点、状態ｅ点へ移行させてもよい。
【００５０】
（実施の形態３）
図５（ａ）は、穴に入射するレーザ光の様子を示す概略図であり、図５（ｂ）は、穴の周囲の雰囲気の冷部４２と温部４３との境界層４４で生じるレーザ光の屈折を示す概略図であり、図５（ｃ）は、穴の内側の冷部４２と温部４３との境界層４４で生じるレーザ光の全反射を示す概略図である。
実施の形態３に係る穴用レーザ加工装置では、レーザ光学系は、加工用試料１３に形成した穴１４の内側に生じる中央の低温層４２と内壁側の高温層４３との２重層による導波路構造における全反射条件を満たす入射角の条件で、窓部１２を介して、外部から内部の加工用試料１３にレーザ光３４を入射することを特徴とする。これによって、穴１４の内側に生じる中央の低温層４２と内壁側の高温層４３との２重層による導波路構造でレーザ光３４が全反射され、穴底まで無減衰で到達させることができる。
【００５１】
（作用）
対流の様子を示す図５（ａ）によると、対流４１に伴って穴１４の中心付近の低温部４２と穴１４の外壁周辺の高温部４３との間には温度境界層４４が形成されている。温度の違いは密度の違いを表し、密度の違いは屈折率ｎ１、ｎ２の違いとなる。温度境界層４４の存在は屈折率ｎ１、ｎ２の境界層の存在となり、光を屈折、反射させる作用をもつ。そして、加工穴中の屈折率分布は中心部が高屈折率ｎ１、外壁近傍が低屈折率ｎ２（＜ｎ１）となり、これは光ファイバと同一の屈折率構造であることがわかる。つまり、穴内において、導波路構造を構成している。よって、加工用のレーザ光３４を温度境界層４４に対して全反射となる角度以上で入射させることで、全反射を繰り返して穴内を無減衰で伝搬することが可能となり、深穴加工が可能となる。また、冷却が進むことによって加工穴の内壁温度が低下すると温度境界層４４の温度差が小さくなり、光導波路機能が弱まるが、その場合、図５（ｃ）の破線矢印に示す透過光成分が現れ、温度が低下した穴内壁を加熱することになるため、再び昇温して光導波路を再生することになる。このように、いったん雰囲気流体の２層構造による光導波路ができると、光を入射し続ける限り光導波路が修復、維持される。
【００５２】
（実施の形態４）
図６は、ｐ偏光（ラジアル偏光）とｓ偏光（アジマス偏光）との入射角に対する反射率の関係を示すグラフである。図６に示されるように、ラジアル偏光（ｐ偏光）は、入射角が低角側で反射率が０となる角度（ブリュースター角）がある。
実施の形態４に係る穴用レーザ加工装置及びレーザ加工方法では、穴１４の周囲の低温部４２から高温部４３への入射角を反射率が０となる入射角（ブリュースター角）に合わせることを特徴とする。これによって、外部から穴１４にレーザ光を入射させた場合に、穴１４の周囲に形成されている低温部４２と高温部４３との境界層４４を完全に透過させることが出来る。これによって、穴１４の周囲の境界層４４での反射（図５（ｂ）の破線矢印）による透過光の減衰を抑制して、穴１４内へレーザ光３４を効率的に入射させることができる。
【００５３】
（作用）
屈折率変化による反射、屈折特性は、偏光の影響を受け、ｐ偏光とｓ偏光とでは入射角に対する反射率、透過率の依存性が異なる。図６に一例を示すように、穴のような軸対称な加工においては、ラジアル偏光がｐ偏光、アジマス偏光ならｓ偏光入射となる。ここで、入射角がある角度を超えると全反射となり、ラジアル偏光（ｐ偏光）では、ある角度で透過率が１００％となる。ここで、図５のケースで考えると、穴の入口と穴内において、高屈折率領域（低温部４２）から低屈折率領域（高温部４３）への光の入射が起こっていることが分かる。穴外対流においては、入射角によっては反射が起こり、加工穴内に光が入射しないデカップリングが起こるが、ラジアル偏光（ｐ偏光）を利用し、対流の形態と入射角を適切に制御すれば、低温部４２と高温部４３との境界層４４を完全に透過させることが出来る。一方で、穴内の導波路の高屈折率領域（低温部４２）と低屈折率領域（高温部４３）との境界層４４では入射角がより大きくなるため、全反射となる。このように、入射角と偏光とを制御することによって、カップリング効率も伝送効率もほぼ無減衰とすることが可能である。なお、加工用試料１３にあえて光を当てることによって対流の維持も併せて行う場合はアジマス偏光も同軸入射させてもよい。また、偏光の制御に対しては、例えば軸対称偏光ビーム生成器を用いてもよい。
【００５４】
（実施の形態５）
図７は、実施の形態５に係る穴用レーザ加工装置において、不透明材料及び透明材料である加工用試料１３へのレーザ光の入射及び出射を示す概略図である。図８Ａは、図７のカップリングモニタ４８による出力の一例を示す概略図である。図８Ｂは、図７の加工穴観察カメラ５０による出力の一例を示す概略図である。なお、図７の加工用試料１３の面Ａは、穴１４を設ける側の面であり、面Ｂは、穴１４を設ける側とは反対側の面である。図７では、加工用試料１３が不透明材料の場合と透明材料の場合とでレーザ光３４の入射面を適宜選択できることを示している。つまり、加工用試料１３が不透明材料の場合には面Ａからレーザ光３４を入射する。一方、加工用試料１３が透明材料の場合には、面Ｂからレーザ光３４を入射できる。
この実施の形態５に係る穴用レーザ加工装置は、実施の形態１に係る穴用レーザ加工装置と対比すると、カップリングモニタ４８及び加工穴観察カメラ５０を設けている点で相違する。図７に示すように、加工用レーザ光及び照明光等の入射光は、符号４５の位置に配置された軸対称偏光ビーム生成器を介してハーフミラー４６ａで反射され、集光レンズ３５によって穴１４の内部に向けて集光される。集光された光は穴１４内の導波路構造を介して穴底に達する。なお、符号４５の位置に例えば軸対称偏光ビーム生成器を設けた場合には、軸対称偏光のラジアル偏光及びアジマス偏光を生成できる。また、符号４５の位置には、例えば、ビーム径調整機能、ビーム強度分布調整機能等を含む光学機器を設けてもよい。
【００５５】
穴１４の内部から外部への光は、ハーフミラー４６ａを突き抜けて直進し、次のハーフミラー４６ｂをさらに突き抜けて直進した光は偏光分布解析装置４７を介してカップリングモニタ４８に達する。一方、ハーフミラー４６ｂで反射された光は結像レンズ４９を介して加工穴観察カメラ５０で加工穴の画像を構成する。カップリングモニタ４８では、例えば図８Ａに示すように最適な入射角に対応する角度について、リング状５２に明るく映る。そこで、カップリングモニタ４８によって最適な入射角を検出することができる。また、加工穴観察カメラ５０によって、例えば図８Ｂに示すように、加工用試料１３の表面の穴径５４の穴１４の開口部を観察できる。
【００５６】
（作用）
実際のレーザ加工において適切な入射角は、レーザ加工の加工深さの変化、条件の変化、及び時間につれて変動する。そのため、実施の形態５に係る穴用レーザ加工装置では、加工状態をモニタリングすることで、理想的な入射角を随時決定し、入射条件を追従させることで常に適切な加工を行うことができる。モニタリングは、加工穴を穴１４の開口部側から観察することによって行う。具体的には、カップリングモニタ４８と加工穴観察カメラ５０とを設けている。レーザ光が加工穴近傍において正常にカップリングし、加工穴中を無減衰で到達しうるならば、穴底へ到達した光の反射や、穴底における加工時の発光が穴外から見えるはずである。そのため、穴内から穴外へ出てくる光を観測することによって穴底の加工が可能かどうかが判断できる。図８Ａに示すように、穴の内壁面の屈折率境界層で全反射角で入射して、無減衰で入射光が穴内に導入され、穴底で反射される条件を満たす特定の角度θを通った光線は、その特定の角度に対応してリング状５２に明るく映る。この特定の角度θを検出することで、最適な入射角を得ることができる。カップリングモニタ４８は、穴深さ検出装置として利用することもでき、これを無次元化温度ｔ１の制御へとフィードバックすることができる。穴の深さが変化すれば、リングの明るさも角度θも変化するが、無次元化温度ｔ１が穴深さに対して不足してくると、穴の進展が止まり、これらの変化も止まるため、無次元化温度ｔ１を雰囲気流体の温度、圧力制御等で上昇させるタイミングを測るフィードバックセンサとなる。また、加工穴観察カメラ５０によって、加工用試料１３の表面の穴１４の開口部を観察でき、穴への焦点合わせもできる。
【００５７】
本発明に係る穴用レーザ加工装置及びレーザ加工方法を用いれば、半径１００μｍの穴の場合、１ｍの穴深さでも対流を維持できることがライトヒルの理論より示される。つまり、対流による加工屑除去性能をそれほどの深さでも維持できることを示しており、実際にこれだけの深さの穴が開く可能性がある。このような高アスペクト（約５０００）の細径穴はかつて例がないものであり、様々な分野で今までになかったものづくりに貢献すると期待される。例えば、細孔を金属材に多数設けると、表面積が非常に大きく、軽い多孔質材料が出来る。この細孔に熱交換効率の高い冷媒を充填すると、熱交換用の素材として使用できる。単純に表面積で比較した場合、同じ除去体積でも孔径と表面積が反比例するため、大径の穴、もしくは溝加工をしていた熱交換器を本技術で小径化し、効率を向上させることができる。
【００５８】
また、バルク透明材料に微細な細孔を自在に空けることができれば、μＴＡＳなどのマイクロ流体デバイスを２次元流路の積層工程を経ずに形成することが出来る。本発明に係る加工方法は、化学処理を伴わない物理的な除去加工であるため、素材を選ばず、シンプルな製造法である。そのため、流体デバイスの設計自由度を上げ、より高度なデバイスの出現が期待できるほか、量産を前提としない多品種少量生産が可能となる。例えば、人工臓器においては毛細血管を模したマイクロ流路の密度が重要であるが、２次元流路の基板の厚みが集積度の限界を規定している。上記の深穴加工が可能な本発明に係る穴用レーザ加工装置及び加工方法であれば、このような流路を実際の毛細血管と同一パターンで穿孔することも可能であり、実臓器に近い人工臓器の開発につながる。また、マイクロスラスタのようなパワーデバイスに対しても積層工程の排除による信頼性の向上が期待できる。
【００５９】
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る穴用レーザ加工装置及びレーザ加工方法では、透明材料及び不透明材料のいずれについても穴深さに対する穴径であるアスペクト比の高い深穴を形成することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  恒温槽
２  加熱装置
３  温度センサ（恒温槽）
４  温度制御部
６  ペルチエ素子
７  温度センサ（格納容器）
８  ペルチエ素子制御部
１０  加工用試料格納容器
１１  壁
１２  窓部
１３  加工用試料
１４  穴
１５  雰囲気流体
１６  駆動部
１８  流線
１９  滞留部
２０  穴用レーザ加工装置
２１  液化二酸化炭素（液化炭酸ガス）容器
２２  二酸化炭素配管
２３  バルブ
２４  ＭＦＣ（マスフローコントローラ）
２５  リークバルブ
２６  圧力調整容器
２７  閉鎖バルブ
２８  加熱装置
２９  圧力センサ
３０  圧力制御部
３１  排出用配管
３２  リークバルブ
３３  ＭＦＣ（マスフローコントローラ）
３４  レーザ光
３５  対物レンズ
４１  対流
４２  雰囲気流体（冷部）、低温層
４３  雰囲気流体（温部）、高温層
４４  境界層（温度境界層）
４５  軸対称偏光ビーム生成器、ビーム径調整器、ビーム強度分布調整器
４６ａ、４６ｂ  ハーフミラー
４７  偏光分布解析装置
４８  カップリングモニタ
４９  結像レンズ
５０  加工穴観察カメラ
５２  リング状高輝度部
５４  穴径
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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