(57)【要約】【課題】レーザ光の吸収によって誘起されるアブレーションあるいは蒸発を利用するレーザ加工において、ガラス表面近傍のみならず、ガラス内部に至るレーザ加工をも行うことが可能なレーザ加工用ガラスを提供する。【解決手段】鉄、セリウムおよびスズのうち、少なくとも一種類の元素を含むガラスが、ガラス内部に至るレーザ加工をも可能とするレーザ加工用ガラスとして適する。このような組成上の特徴を持つガラスの中でも、Ｆｅ２Ｏ３に換算して０．５〜９モル％の鉄を組成中に含むガラス、ＣｅＯ２に換算して１〜９モル％のセリウムを組成中に含むガラス、またはＳｎＯ２に換算して１〜５モル％のスズを組成中に含むガラスは、レーザ加工用として好適である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の吸収によって誘起されるアブレーションあるいは蒸発を利用するレーザ加工に用いるレーザ加工用ガラスにおいて、
前記ガラスには、鉄、セリウムおよびスズのうち、少なくとも一種類の元素が含有されていることを特徴とするレーザ加工用ガラス。
【請求項２】
前記鉄の含有量はＦｅ２Ｏ３に換算して０．５〜９モル％であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用ガラス。
【請求項３】
前記セリウムの含有量はＣｅＯ２に換算して１〜９モル％であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用ガラス。
【請求項４】
前記スズの含有量はＳｎＯ２に換算して１〜５モル％であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用ガラス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工用ガラスに関し、特にレーザ加工に適したガラスの組成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナノ秒台以下のパルス幅を持つレーザ光を固体物質に照射すると、強い発光、衝撃音とともに分解物が蒸散する。この現象はレーザアブレーション、あるいは単にアブレーションと呼ばれている。極めて短いレーザ照射時間、すなわちレーザのパルス幅の時間程度内に誘起される現象であるため、材料の加工プロセスとして応用した場合、レーザ照射部周辺の熱的ダメージによる加工荒れを抑えることができる。このため、近年では、特に金属、有機物の精密微細加工に広く利用されている。
【０００３】
被加工物としてのガラスは、その脆性ゆえに、アブレーションによる精密加工が一般に難しい材料である。しかしながら、光ファイバ、平面型光導波路、マイクロレンズなど、特に光通信システムにおけるガラス材料の重要性が広く認知されている昨今、ガラスの精密微細加工技術に関するニーズは高まりつつある。
広い波長領域において透明なガラスをアブレーション加工するためには、一般に、紫外光を発振するパルスレーザの利用が望ましい。これは、アブレーション加工が、光と物質との効率的な相互作用（レーザ光の吸収）を必要とするためである。紫外パルスレーザには、現在、エキシマレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３、第４高調波レーザなどがある。これら加工用レーザ光源の諸性質、例えば、パルス幅、強度安定性、出力、ビーム形状などは材料の加工性を大きく左右する。この点、レーザ光源の近年の性能向上は目覚しく、現在では、安定かつ高出力のナノ秒パルスが比較的小型の装置でも得られるようになってきた。
【０００４】
このように、「加工用レーザ」の性能向上は近年著しいが、その一方、「被加工物の改良」という観点から「ガラスの加工性の向上」が検討されたことはほとんどない。しかしながら、弱いレーザパワーでも加工できる（つまり、加工しきい値が低い）、速く加工できる、パルスレーザの衝撃によって割れない、加工部周りが荒れない、などの特徴を有する「レーザ加工に適したガラス」が開発されれば、精密微細な構造を有する光学部品などへの応用が大きく広がる。また、「レーザ加工用ガラス」は一般的なガラスよりもレーザ加工性が高められているため、同じ加工なら低いコストで行うことができる。
【０００５】
上記の観点から、本発明者らは、レーザ加工に適したガラスの提供を目的とした研究開発に着手し、これまでに、イオン交換により銀がガラス表面近傍に導入されたガラスを発明している（例えば、特許文献１参照）。このイオン交換ガラスは、銀を含む溶融塩にガラスを浸し、溶融塩中の銀イオンとガラス中のイオンとを交換させることによって作製される。ガラス表面近傍に導入された銀イオン、あるいは銀コロイドが効率的に紫外光を吸収するため、比較的低いパワーのレーザを用いても良好なアブレーション加工を施すことができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２１７２３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記イオン交換ガラスには、レーザ加工用材料として考えた場合、次のような課題がある。
【０００８】
すなわち、イオン交換ガラスでは、貫通穴あけのようなガラス内部に至る加工が難しい。この理由は、銀イオン、銀コロイドといった紫外光の吸収中心がガラス表面近傍に集中しているため、有効なレーザ加工領域がガラス表面近傍に限られていることに起因する。ガラス内部にまで紫外光吸収成分を分布させるには、イオン交換速度と母ガラスの厚さにもよるが、通常極めて長時間のイオン交換処理を要する。したがって、このような加工要求に応えるためには、紫外光を吸収する成分がガラス全体に均一に分布しているガラスを提供することが望ましい。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、ガラス表面近傍のみならず、ガラス内部に至るレーザ加工が容易なレーザ加工用ガラスを提供することにある。ここに、本発明におけるレーザ加工用ガラスとは、紫外光を吸収する成分がガラス全体に均一に分散しているガラスであり、前述したイオン交換ガラスは含まない。このため、ガラス表面近傍のみならず、ガラス内部に至るレーザ加工をも容易に行うことができる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、レーザ光の吸収によって誘起されるアブレーションあるいは蒸発を利用するレーザ加工に用いるレーザ加工用ガラスにおいて、
前記ガラスには、鉄、セリウムおよびスズのうち、少なくとも一種類の元素が含有されていることを要旨とする。
【００１１】
このように、鉄、セリウムおよびスズのうち、少なくとも一種類の元素がガラスに含有されると、この元素によりレーザ光のエネルギーが吸収されるので、ガラス内部に至るレーザ加工をも行うことができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工用ガラスにおいて、前記鉄の含有量はＦｅ２Ｏ３に換算して０．５〜９モル％であることを要旨とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工用ガラスにおいて、前記セリウムの含有量はＣｅＯ２に換算して１〜９モル％であることを要旨とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工用ガラスにおいて、前記スズの含有量はＳｎＯ２に換算して１〜５モル％であることを要旨とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施の形態について詳細に説明する。
ホストガラスの組成として、ソーダライムガラスの代表的な組成の一つである、７４ＳｉＯ２＋１０ＣａＯ＋１６Ｎａ２Ｏを、例として用いた。ここに、組成中の数値はモル％で表されている。これに光吸収成分として、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｅＯ２またはＳｎＯ２のいずれかをドープして、レーザ加工用ガラス試料とした。
【００１６】
表１にＦｅ２Ｏ３をドープしたガラス試料中のＦｅ２Ｏ３含有量をモル％で示す。同様に、表２にＣｅＯ２をドープしたガラス試料中のＣｅＯ２含有量を、表３にＳｎＯ２をドープしたガラス試料中のＳｎＯ２含有量を示す。それぞれの含有量は表１〜表３に示すように、Ｆｅ２Ｏ３が０．５〜９．１モル％、ＣｅＯ２が１．０〜９．１モル％、ＳｎＯ２が１．０〜４．８モル％である。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
【表２】
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【００１９】
【表３】
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【００２０】
〔試料の作製〕
作製するガラスが約４００ｇになるように原材料の調合を行った。これを白金製の坩堝に移した後、１４５０℃に昇温した溶融炉内に投入し、融液の攪拌を適宜行いながら５〜６時間保持した。この後、融液を鉄板上の型内に流し出し、これを直ちに５３０℃前後に昇温した徐冷炉に投入し、１６時間かけて室温まで徐冷した。このようにして得られたガラスブロックを一般的な方法にて切断、研磨し、両表面が平滑なガラス板をレーザ加工試験用のガラス試料とした。
【００２１】
なお、組成中のＮａ２Ｏの原料としてはＮａ２ＣＯ３試薬を用いたが、試料の一部は、Ｎａ２ＣＯ３総量の一部を酸化剤であるＮａＮＯ３およびＮａ２ＳＯ４試薬に置換し、酸化雰囲気下において作製した（実施例３、５、７、１１）。また、バッチに少量のカーボンを加え、溶融条件を還元雰囲気とした試料も作製した（実施例４、６、９、１３）。
【００２２】
〔レーザ照射実験〕
試料へのレーザ照射は図１に示すレーザ加工用装置１００を用いて行った。照射レーザ光１として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第４高調波（波長：２６６ｎｍ）を用いた。レーザ光源２から繰り返し周波数２０Ｈｚ，パルス幅５〜８ｎｓのレーザ光を供給した。
【００２３】
試料１２へのレーザ光未照射時にはミラー３を光路内に挿入し、レーザ光１を反射させてダンパー４により吸収させた。一方向の偏光のみを通すグランレーザプリズム５は、第４高調波とは異なる偏光方向を持つ第２高調波（５３２ｎｍ）を除去するために挿入している。レーザ光強度を調節するためのアッテネータ６を通過したレーザ光１の強度をパワーメータ７により測定した。
【００２４】
試料１２に対してレーザ光１を照射する際は、パワーメータ７は光路から除く必要がある。遠隔操作可能なレーザビームシャッタ８は、試料１２へのレーザ照射開始時に開、照射終了時に閉とする。シャッタ８が開のときにこれを通過したレーザ光１は、焦点距離１０ｃｍのレンズ９で集光され、ＸＹＺステージ１０に連結された試料ホルダ１１に固定された試料１２の表面に対して、垂直方向に照射された。
【００２５】
〔加工速度および加工しきい値の算出〕
レーザフルエンスを加工しきい値Ｆｔｈ以上に設定し、図１に示すＸＹＺステージ１０を光軸に垂直な平面内において一定速度で直線的に移動させながら試料１２にレーザ光を照射させることにより、試料表面に溝が形成される。レーザ繰り返し周波数、ステージ移動速度、およびレーザスポット径は既知であるから、これらの値より、溝の任意の箇所あたりのレーザショット数を算出することができる。
【００２６】
ここに、レーザ繰り返し周波数およびレーザスポット径は、レーザパワー等その他実験諸条件に拘わらず、このレーザ加工実験を通じて一定である。このため、ステージ移動速度の異なる条件下でレーザ照射実験を繰り返すことにより、一箇所あたりレーザショット数の異なる溝を試料表面に形成することができる。
【００２７】
所定のレーザフルエンス条件の下、ステージ移動速度を様々に変化させた上記溝加工実験を行えば、加工深さ（溝深さ）のレーザショット数依存性を知ることができる。ここに、通常、加工深さはレーザショット数にほぼ比例するため、この傾きから、１ショットあたりの加工深さ、すなわち加工速度Δｈが求められる。なお、本実施例では、１本の溝に対して数十箇所の断面形状を三次元形状測定器により測定し、それらの平均を加工深さとした。
【００２８】
上記方法により、様々なレーザフルエンス条件において加工速度Δｈが求められれば、加工速度のレーザフルエンス依存性を知ることができる。同依存性は、理論上、次の（１）式に従うことが知られている。
Δｈ＝α−１×ｌｎ（Ｆ／Ｆｔｈ）    （１）
ここに、Δｈは加工速度であり、レーザパルス１ショットあたりの加工深さに相当する。αは照射レーザ波長における物質の吸収係数である。本実施形態では、測定結果に対して（１）式を適用し、最小２乗法によるフィッティングを行って、物質固有の吸収係数αおよび未知数である加工しきい値Ｆｔｈを算出した。
【００２９】
〔評価結果〕
図２、図３および図４に、加工速度のＦｅ２Ｏ３、ＣｅＯ２およびＳｎＯ２含有量依存性を示す。加工速度はレーザフルエンスが７．８Ｊ／ｃｍ２での値である。
【００３０】
図２より明らかなように、Ｆｅを含有するガラスにおいて最も速い加工速度を得るには、Ｆｅ２Ｏ３の含有量を１〜２モル％程度とすることが望ましい。
【００３１】
一方、Ｃｅを含有するガラスの場合は、図３より、加工速度がＣｅＯ２含有量の増加と共に単調に増大することが分かる。したがって、Ｃｅを含有するガラスの加工においてより速い加工速度を得るには、できるだけＣｅＯ２含有量の多いガラスを被加工物として用いることが望ましく、具体的には、含有量９モル％程度のガラスを用いることが望ましい。
【００３２】
Ｓｎを含有するガラスでは、図４より、ＳｎＯ２含有量の増加と共に加工速度は徐々に減少することが分かる。ＦｅあるいはＣｅを含有するガラスと比較してＳｎ含有ガラスの加工速度は遅いが、Ｓｎ含有ガラスにおいてできるだけ速い加工速度を得るためには、ＳｎＯ２含有量を１モル％程度とすることが望ましい。
【００３３】
図５、図６および図７に、加工しきい値のＦｅ２Ｏ３、ＣｅＯ２およびＳｎＯ２含有量依存性を示す。
【００３４】
Ｆｅを含有するガラスでは、図５より、Ｆｅ２Ｏ３の含有量を１〜２モル％程度としたガラスにおいて最も低い加工しきい値が得られる。したがって、最も低い加工しきい値、最も速い加工速度という両特性を得るためには、望ましくはＦｅ２Ｏ３の含有量を１〜２モル％程度に調整することが好ましい。
【００３５】
Ｃｅを含有するガラスの場合は、図６より、加工しきい値がＣｅＯ２含有量の増加と共にほぼ単調に増大することが分かる。したがって、Ｃｅを含有するガラスの加工においてより低い加工しきい値を得るには、できるだけＣｅＯ２含有量の少ないガラスを被加工物として用いることが望ましく、具体的には、含有量１モル％程度のガラスを用いることが望ましい。
【００３６】
なお、図３から、より速い加工速度を得るためには、より高濃度にＣｅＯ２を含有したガラスを用いることが望ましいことが分かっている。このように、Ｃｅを含有するガラスでは、加工速度を最速とするＣｅＯ２含有量条件と、加工しきい値を最低とするＣｅＯ２含有量条件が異なることに注意する必要がある。当然のことながら、加工目的や加工仕様に合わせて、適当なＣｅＯ２含有量を有するガラスを選択することに何ら問題はない。例えば、加工速度が遅くとも弱いレーザパワーで加工したい場合には、ＣｅＯ２をできるだけ１モル％近くまで低濃度に含有するガラスを用いるとよい。また、中程度の加工しきい値、中程度の加工速度を必要とするならば、例えば、ＣｅＯ２含有量を５モル％程度に調整してもよい。
【００３７】
ＦｅあるいはＣｅを含有するガラスと比較して、図７より、Ｓｎ含有ガラスの加工しきい値は比較的低いことが分かる。また、Ｓｎ含有ガラスの加工しきい値は、ＳｎＯ２含有量に対して大きくは変化しない。図４より、加工速度のＳｎＯ２含有量依存性も比較的小さいため、Ｓｎ含有ガラスを用いる場合には、屈折率や光透過率、熱膨張係数など、特にレーザ加工性以外の物性に注目して、より望ましいガラス組成を選択することもできる。
【００３８】
以上のように、表１〜表３に示した全てのガラスでレーザ加工が可能なことを確認した。すなわち、Ｆｅ、Ｃｅ、Ｓｎのうち、少なくとも一種類の元素が含有されたガラスは、レーザ照射により加工が可能なことが分かった。この際のＦｅ、Ｃｅ、Ｓｎの含有量は、それぞれ、Ｆｅ２Ｏ３換算で０．５〜９モル％、ＣｅＯ２換算で１〜９モル％、ＳｎＯ２換算で１〜５モル％である。
【００３９】
なお、ガラス中では、鉄は２価と３価の両状態が存在し、その割合は、組成や溶融条件によって変化することが知られている。一般に、２価鉄の主な吸収は１μｍ付近にあるので、２価鉄の存在は紫外レーザ光の吸収に寄与しない、あるいは寄与が少ないと考えられる。このことを考慮すれば、加工しきい値と加工速度は、３価鉄の量にのみ左右されると予想できる。
【００４０】
ホストガラスに加えられた全ての酸化鉄をＦｅ２Ｏ３としたときの全鉄量（一般にＴ−Ｆｅ２Ｏ３と表される）から、分析によって得られたＦｅＯ量を差し引き、ガラス中の三酸化二鉄Ｆｅ２Ｏ３のモル比を算出した。この値と加工速度および加工しきい値との相関を調べた結果を、それぞれ図８および図９に示す。これらをそれぞれ図２および図５と比較すると、両者の傾向はそれ程大きくは変わらないことが分かる。
【００４１】
すなわち、原理的には、加工しきい値および加工速度は、ガラス中の三酸化二鉄Ｆｅ２Ｏ３の量に依存すると考えられるが、実用上は、全鉄量Ｔ−Ｆｅ２Ｏ３から、加工しきい値あるいは加工速度を近似的に予想して組成設計しても問題がないといえる。ただし、溶融条件をコントロールすることによって２価鉄と３価鉄量の割合を変化させ、レーザ加工性の微調整を行うような組成設計を行ってもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明により、ガラス表面近傍のみならず、ガラス内部に至るレーザ加工をも行うことが可能なレーザ加工用ガラスが提供できる。これらは低い加工しきい値を有するため、レーザ加工に要するレーザエネルギー投入量を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ加工用の装置を示す模式図。
【図２】加工速度のＦｅ２Ｏ３含有量依存性を示す図。
【図３】加工速度のＣｅＯ２含有量依存性を示す図。
【図４】加工速度のＳｎＯ２含有量依存性を示す図。
【図５】加工しきい値のＦｅ２Ｏ３含有量依存性を示す図。
【図６】加工しきい値のＣｅＯ２含有量依存性を示す図。
【図７】加工しきい値のＳｎＯ２含有量依存性を示す図。
【図８】加工速度の三酸化二鉄Ｆｅ２Ｏ３含有量依存性を示す図。
【図９】加工しきい値の三酸化二鉄Ｆｅ２Ｏ３含有量依存性を示す図。
【符号の説明】
１  レーザ光
２  レーザ光源
３  ミラー
４  ダンパー
５  グランレーザプリズム
６  アッテネータ
７  パワーメータ
８  シャッタ
９  レンズ
１０  ＸＹＺステージ
１１  試料ホルダ
１２  試料
１００  レーザ加工用装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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８】
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【図９】
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