(57)【要約】本発明は、感熱性を有する誘電材料、特に、小さな熱膨張係数を示す材料をレーザビームによって精密に研磨／構造化する方法に関する。該方法は、照射時間を１０−１３秒から１０−１１秒の範囲に調整し、アブレーションの閾値よりも低くてクーロン爆発を誘発するに十分なようにレーザーパルスエネルギーを調整した、極めて強い超短パルスレーザビームを、加工できる材料の表面に照射することからなる。その独創的な方法は、ピコセカンドとサブピコセカンドとの間の領域の超短レーザパルスによってナノメートルのレンジで材料を除去することを可能とし、プレ・アブレーション加工工程（アブレーションレンジよりも低い除去）の間、該材料の表面が精密に研磨される。極めて短いレーザのため、該表面は低温（おおよそ、１０℃程度上昇するに過ぎない）に保たれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工される材料の表面に、極めて強い超短パルスレーザビームを照射し、
該表面への該レーザビームの照射時間を、１０−１３秒から１０−１１秒の範囲とし、
該レーザビームのパルスのエネルギーを、アブレーションの閾値よりも低く、かつクーロン爆発を誘発するに十分なように調整する、
感熱性を有する誘電材料をレーザビームで精密に研磨／構造化する方法。
【請求項２】
前記加工される表面での前記レーザビームのフルエンスは、フルエンス閾値の７０％から９５％の間に設定される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加工される表面が前記レーザビームの焦点の手前に配置される、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記加工される表面は前記レーザビームで走査される、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記加工される表面に照射されるレーザビームのプロファイルとして、トップハット・プロファイルが設定される、
請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感熱性を有する誘電材料をレーザビームで精密に研磨／構造化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密技術には加工方法が含まれ、該加工方法によって、巨視的測定を行った物体（ｂｏｄｉｅｓ）や表面が  極めて精度の高い形状や平滑さに加工される。表面の平滑さや整形が  より精密になされればなされる程、該表面は  より良好な光学的性質を有することとなる。しかしながら、光学的に使用できる波長の帯域は非常に広いので、ほとんどの種類の材料の加工は詳しく調べられなければならない。可視域となるように形成されなければならないレンズをより滑らかに精密加工するのに加えて、紫外線領域及びＸ線領域と同様に赤外領域の光を通すことがますます要求される。この目的のため、伝統的な加工方法と全く新しい加工方法の組み合わせからなる、完成された加工方法が研磨技術において要求される。
【０００３】
今日、古典的な機械的方法に加え、特に２つの、材料の研磨にビームを使用する方法が知られている。
【０００４】
一つ目は、誘電材料を精密に研磨するためにイオンビームを使用するという確立された方法であり、二つ目は、ＣＯ２レーザを使用するという方法である。さらに、ＹＡＧレーザで金属を研磨する方法は以前から存在している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザを用いる２つの方法は、表面の凹凸を取り除いて研磨の効果を得るために短期間の溶融を利用している。この目的を達成するために、該表面でのエネルギー密度は、破壊をもたらす除去は生じないで、むしろ微視的な小さなピークの溶融や気化だけが生ずるように選択されるべきである。例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．３３，２０００年１１月２０日，６１３６−６１４３に開示されているように、高いレーザ出力を伝達するように光ファイバーの端面がＣＯ２レーザで加工される。また、複合金が、手作業が１度だけ主として必要なＹＡＧレーザ（例えば、ＤＧＭ  ＡＫＴＵＥＬＬ  ２００１，３，Ｎｏ．１２，“軽く研磨された金属”及び／又は独国特許出願公開第１０２２８７４３号明細書（ＤＥ１０２  ２８  ７４３  Ａ１）を参照）で研磨される。しかしながら、表面の平滑化が温度の僅かな増加を伴う、溶融方法に基づいたこれらのレーザによる方法は、ゼロデュア（登録商標）のような感熱性材料には適していない。
【０００６】
このため、現在のところは  そのような材料を精密に研磨するためにイオンビームが使用されている。他のものに比べた不利な点は、真空装置が必要で、加工できる部品のサイズを大きくするに従って高価になるということである。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、感熱性を有する誘電材料、特に、熱膨張係数が小さい材料をレーザビームで精密に研磨／構造化する方法を開示することにある。
【０００８】
この目的は、加工される材料の表面に  極めて強い超短パルスレーザビームが導かれ、該表面へのレーザビームの照射時間が１０−１３秒から１０−１１秒の範囲となるように調整され、アブレーションの閾値よりも低いがクーロン爆発を誘発するに十分なようにレーザパルスのエネルギーが調整される方法によって、本発明により達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明による方法は、ピコセカンドやサブピコセカンド域の超短レーザパルスを使用して、プレ・アブラティブ加工工程（ｐｒｅ−ａｂｌａｔｉｖｅ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｓｔｅｐ：アブレーションの閾値以下での除去）の間、材料表面を精密研磨することによって、ナノメートルのレンジで材料を除去することができる。加工される表面へのレーザビームの照射時間が極めて短いので、加熱量は非常に小さくなり、数十度に過ぎない程度である。このため、本発明に係る方法は冷間加工方法に分類できる。この方法は空気中で実施され、例えば、費用の掛かる真空装置は必要では無く、試料の除去のオンラインのコントロールが可能である。
【００１０】
本発明の課題解決方法は、いわゆるクーロン爆発効果（例えば、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６２（２０００）１３１６７−１３１７３や、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８８，（２００２）０９７６０３や、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ７９（２００４）１１５３−１１５５などに開示されているようなもの）を活用している。この効果では、表面に近接した部分（０．１ｎｍから数ｎｍ）の材料だけが、極めて強い超短パルスレーザビームの表面への照射によって除去される。その工程においては、光電離によって電子が表面から放出され、該表面に近接した部分に留まるイオンが分離される程度の強い静電圧力を受けるように  高出力のレーザが照射される。
【実施例】
【００１１】
１つの実施例においては、加工面でのレーザビームのフルエンスがフルエンス閾値の７０％から９５％となるように、必要なエネルギー密度の調整がなされる。これ（調整）は、例えば、加工面をレーザビームの焦点の手前に配置することによって成し遂げられるかも知れない。
【００１２】
他の実施例においては、加工される表面はレーザビームで走査される。本発明による方法が空気中で実施されるので、これは、公知の手段を使って比較的簡単に実行されるかも知れない。
【００１３】
ここで、本発明は、図面に示される実施例を参照してより詳細に説明される。
【００１４】
その実施例においては、本発明による方法が使用されてゼロデュア（登録商標）の表面が加工された。ここで、図１に示されるように、試料表面がレーザビームの焦点の手前に位置するように、レンズを使って、レーザビームの焦点を該試料の方向に合わせた。フルエンスＦがフルエンス閾値Ｆｔｈの約７０％から９５％となるように、試料表面の位置を設定した。該試料表面を焦点の後方に置くことは不可能である。何故なら、レーザの強度が高くなって、空気中（焦点の部分）でプラズマ・ブレイクスルー（ｐｌａｓｍａ  ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）が発生して、ビームプロファイルの破壊やエネルギーロスをもたらすからである。さらに、トップハット・プロファイルをおおよそシミュレートするために、レーザビーム中に方形開口が置かれた。改質（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は試料の内部（欠陥）で起こったが、深い場所で起こったので試料表面には影響が出なかった。画像法（ｉｍａｇｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）の場合よりも凹凸を少なくすることで、スキャニング法での除去が達成されるので、このトップハット・プロファイルが選択される。この実施例では、試料の表面がレーザビームによって幅広に走査され、各走査領域（ｓｔｒｉｐ）は、互いに隣接するように設定される。超短パルスレーザの初期のプロファイル（ガウシアンプロファイル）では、走査領域同士のオーバーラップは、試料表面の凹凸に関しては不十分なので、このおおよそのトップハット・プロファイルが使用された。
【００１５】
しかしながら、そのようなトップハット・プロファイルは、また、制御可能な回折光学素子（ＤＯＥ）によって作り出されるかも知れず、そのようなＤＯＥは、加工される表面に所望のトップハット・プロファイルを直接形成するように使用される。
【００１６】
使用されたレーザシステムは、波長が８００ｎｍでパルス幅が５０ｆｓの、増強された商用ＴｉＳａであった。波長は変更されていなかったが、利用できる潜在的な適正なエネルギーであるので、出力ビームの第二高調波の波長（約４００ｎｍ）だけは、潜在的な波長として考えられる。
【００１７】
図２は、０．１ｍｍ／ｓｅｃの移動速度（ｔｒａｖｅｒｓｅ  ｓｐｅｅｄ）で作り出され、本発明による方法でアブレーション閾値以下で除去されたワイド・ストリップ（ｗｉｄｅ  ｓｔｒｉｐ）を示す。ここで、フルエンスＦは、該材料のアブレーションに必要な値であって１．６Ｊ／ｃｍ２に等しい、フルエンス閾値の約８０％であり、試料は５０ｍｍレンズの焦点から３．９ｍｍの所に配置された。１パルス当たりのレーザのエネルギーは、方形開口の後方では０．９ｍＪであり、該レーザのパルス繰り返し数は７００Ｈｚであった。このことは、本発明による方法を実施している間、試料のほとんど同じ場所に約５００個のパルスが照射されることを意味する。互いにΔｚ＝７０μｍの距離を取って、２０のラインが隣接した状態に置かれた。該図は、均一で一様な除去を示し、個々のラインは認識できない。当然ながら、より多くのラインを互いに隣接するように配置できる。その結果、試料の全表面が除去される。本発明に係る方法で加工される表面の粗さは、１±０．１５ｎｍのＲＭＳ粗さであった。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の１つの実施例の本質を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明に従った方法で加工した後の表面を示す。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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