(57)【要約】本発明は、ワークピース（２）をレーザ孔あけし、またはレーザ切断するための方法に関する。レーザによって放射された電磁放射線（１０）は、ワークピース（２）に当たり、ワークピース（２）の、レーザから離隔した側には、ナノ粒子（１８）が含まれている液体（１６）があって、電磁放射線（１０）が、ワークピース（２）を貫通したときに、レーザによって放射された電磁放射線（１０）が当たるようにしてある。ナノ粒子は、電磁放射線（１０）が、ナノ粒子（１８）の中で、集団励起、特に、例えば表面プラズモンのようなプラズモンを発生することによって、電磁放射線（１０）の大部分を、ナノ粒子（１８）によって吸収するように、形成されている。【選択図】      図２
2016528039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（２）をレーザ孔あけし、またはレーザ切断する方法であって、
-レーザによって放射された電磁放射線（１０）が前記ワークピース（２）に当たり、
-前記ワークピース（２）の、前記レーザから離隔した側には、ナノ粒子（１８）が含まれている液体（１６）があって、
-前記電磁放射線（１０）が、前記ワークピース（２）を貫通したときに、前記レーザによって放射された前記電磁放射線（１０）が前記ナノ粒子（１８）に当たるようにする方法において、
前記ナノ粒子は、前記電磁放射線（１０）が、前記ナノ粒子（１８）の中で、集団励起、特に、例えば表面プラズモンのようなプラズモンを発生することによって、前記電磁放射線（１０）の大部分を、前記ナノ粒子（１８）によって吸収するように、形成されていることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ナノ粒子（１８）のサイズおよび／または形状は、前記集団励起を発生させるために、前記電磁放射線に同調されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ナノ粒子（１８）は、楕円形、ロッド状、八面体形状、十面体形状または直方体形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記電磁放射線（１０）は、３８０ｎｍと６５０ｎｍの間、好ましくは５００ｎｍと５３０ｎｍの間、特には５１５ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記電磁放射線（１０）は、９５０ｎｍと１１００ｎｍの間、好ましくは１０００ｎｍと１０５０ｎｍの間、特には１０３０ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記ナノ粒子（１８）の空間的延在は、少なくとも１つの空間方向で、以下のように、すなわち、前記集団励起の励起エネルギが前記電磁放射線（１０）のエネルギに対応するように、選択されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記ナノ粒子（１８）のうちの少なくともいくつかは、特に、金、銀、銅、パラジウムの、またはこれらの元素のうちの複数の元素のうちの合金の金属粒子であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記ナノ粒子（１８）のうちの少なくともいくつかは、少なくとも部分的に、カルコゲニド、特に、セレン化銅および／または硫化銅からなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記ナノ粒子（１８）のうちの少なくともいくつかは、微粒子の表面に配置されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ナノ粒子（１８）のうちの少なくともいくつかは、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ナノ粒子（１８）のうちの少なくともいくつかは、表面に、感光性物質を有することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記液体（１６）は、ナノ粒子（１８）を、４ｇ／ｌ未満の、好ましくは２ｇ／ｌ未満、特に好ましくは２ｇ／ｌ未満の濃度で含有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークピースをレーザ孔あけし、またはレーザ切断するための方法に関し、レーザによって放射された電磁放射線は、ワークピースに当たり、ワークピースの、レーザから離隔した側には、ナノ粒子が含まれている液体があって、電磁放射線が、ワークピースを貫通したときに、レーザによって放射された電磁放射線がナノ粒子に当たるようにするのである。
【背景技術】
【０００２】
高いアスペクト比および非常に良好なエッジ品質を有する孔を、経済的な処理時間で形成させるために、高いパルスエネルギを有するパルスレーザが必要である。該パルスレーザによって放射された電磁放射線が、ワークピースを貫通した後に、電磁放射線は、放射路内にある材料および／または人にとって危険である。特に、穴出口側からほんのわずかな距離をあけて他の材料があるとき、この材料は、通常、噴出するレーザ放射線によって損傷を受ける。孔あけ工程または切断工程を、損傷の発生前には中断することができない。何故ならば、ワークピースの中に貫通孔をあけた後に、必要な形状にしなければならないからである。生じる損傷は、多くの用途、例えば噴射ノズルのレーザ孔あけ、またはタービンブレードにおける冷却孔の形成のためには受け入れられない。小さな内径を有するパイプ材の切断の際でも、例えば医療ステントの製造の際に、問題が生じる可能性がある。
【０００３】
穿孔または切削孔の後方に位置する材料部分を保護するために、従来の技術からは、異なった方法が知られている。これらの方法すべてにおいて、電磁放射線の放射方向でワークピースの後方に材料部分が設けられている。その目的は、電磁放射線が損傷を与えることを防止するためである。原理的には、ここでは、固体、循環する液体および流体または粒子懸濁液が適切である。
【０００４】
特許文献１からは、例えば、穿孔され、または切断されるべき材料と、後方の他の材料との間の中間空間に、レーザ放射線の光子を吸収し、かつ、かくして高密度のプラズマを形成する単原子ガスまたは分子ガスを設けることは公知である。他の実施の形態では、中間空間に固体または高粘性液体が充填されている。
【０００５】
特に、電磁放射線を阻止するための固体の使用は、いくつかの欠点に結びついている。かような固体、例えば、セラミックロッドまたはセラミックプレートを使用することができるためには、切断されるべきワークピースと、後ろ側にある材料との間のキャビティに外から容易に到達することができなければならない。更に、一時的に蓄えられた固体を除去し、そして、供給または新しくしなければならない。更に、レーザの電磁放射線によって放たれる、固体の摩耗粒子は、孔あけ工程の最後にキャビティから容易に除去可能でなければならない。
【０００６】
例えば８つの別々の孔を有する噴射ノズルの製造の際には、各々の孔あけ後に、挿入された固体を新しくする必要がある。このことは、処理時間を長くし、自動化の可能性を低減し、費用がかかる。
【０００７】
特許文献２からは、中間空間に、乾燥した安定的な粉末、例えば酸化アルミニウムの粉末を充填することが公知である。この場合、１０μｍと１０００μmとの間の個々の粒子のサイズを選択する。しかし、この解決策でも、孔あけ後に、粉末をキャビティから除去し、かつ、次の孔あけのために、必要な場合には、新たな粉末を補充しなくてはならない。
【０００８】
特許文献３および特許文献４は、これに対し、染料の入った液体を使用することを提案する。ここでは、これらの染料を、該染料が、特に、レーザ光の波長を有する光子を、吸収するように、選択することができる。ここでは、染料の分子には、光子がより高いエネルギレベルに上げられてなる電子励起が生じる。かくして、光子を吸収する。
【０００９】
しかしながら、このような染料が比較的速く色あせし、かつ、レーザの電磁放射線に対し透過することが欠点である。従って、染料は、電磁放射線の短期吸収のためにのみ適切である。更に、染料は、通常、比較的小さい吸収断面積のみを有する。
【００１０】
染料に加えて、液体中には、微粒子が含まれていてもよい。該微粒子は、入射するレーザ光を散乱させ、かくして、電磁放射線のエネルギ密度を減少させる。それ故に、エネルギ密度は、特に、染料による電磁放射線の吸収との組み合わせで、望ましくない箇所での材料を除去するためには、もはや十分ではない。
【００１１】
レーザによって放射された電磁放射線の十分に強い散乱を達成するためには、しかしながら、この場合、液体中の粒子濃度が非常に高くなければならない。このことは、狭いキャビティでの高い流速を防止するところの高粘度をもたらす。このことは、一方では、高粘度の液体を、特に狭いキャビティから再度除去することは非常に難しいという欠点を有し、他方、低い流速では、電磁放射線が液体を部分的に蒸発させ、従って、この領域では、後方にある材料のための保護がもはや存在しないという危険がある。レーザ放射線がほぼ妨げなしに貫通する気泡が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】US 6,303,901 B1
【特許文献２】WO 2007/089469 A2
【特許文献３】WO 00/69594 A1
【特許文献４】US 6,365,871 B1
【発明の概要】
【００１３】
従って、ワークピースをレーザ孔あけし、またはレーザ切断するための方法を、ワークピースの後方にある材料の損傷をわずかな距離でもできる限り安全に防止し、同時に、ナノ粒子を含む液体を、必要な場合には小さなキャビティから容易に除去することができ、しかし、長期的に使用することができるように、改善するという課題が、本発明の基礎になっている。
【００１４】
本発明は、提示された課題を、請求項１の上位概念に記載の方法によって、すなわち、電磁放射線がナノ粒子中に集団励起を発生させることによって、電磁放射線の大部分をナノ粒子によって吸収するように、ナノ粒子がかように形成されていることを特徴とする方法によって、解決される。
【００１５】
液体中にあるナノ粒子は、従って、電子レーザ放射線の、集団励起への結合が可能であるように、形成されていなければならない。集団励起は、この場合、本件では、個々のナノ粒子のサイズに依存する励起エネルギによる励起を意味する。これらの励起では、特に、複数の粒子、例えば、１つのナノ粒子の複数の原子、分子または電子が関係している。従って、集団励起は、染料の場合に電磁放射線の吸収を担うところの励起とは根本的に異なる。染料および顔料の場合には、磁気放射線の吸収を、電子を分子または原子の中でより高いエネルギレベルに上げることによって行なう。このことのために必要な励起エネルギは、存在する分子の数に実質的に依存しない。何故ならば、常に、只１つの分子のみ、しばしば只１つの電子のみが、励起プロセスに係わっているからである。本願の意味での集団励起の際には、このことは異なる。このような集団励起には、複数の電子、原子核、原子または分子が係わっている。このような集団励起の発生のために必要なエネルギは、この場合、各々のナノ粒子のサイズに依存する。
【００１６】
電磁放射線の大部分は、電磁放射線の特に５０％より超過、好ましくは７５％より超過、特に好ましくは９０％より超過を意味する。特には、放射線の残部が、後方空間にある材料の損傷を引き起こすほどの電磁放射線が吸収されることが重要である。
【００１７】
本発明に係わる方法によって、例えばレーザ孔あけによって製造される穿孔の質を著しく増大させる。このことは、穿孔の種々の態様に関する。穿孔は、ワークピースの材料に刳りあけられるトンネルである。トンネルは、従って、入口孔を有する前面または入口側、および出口孔を有する裏面または出口側を具備する。入口側における入口孔の直径および出口側での出口孔の直径がほぼ同じ大きさであることは、しばしば望ましい。レーザスキャナおよびピコ秒レーザを用いた穿孔試験は、例えば、孔をあけるべきワークピースの厚さに対応するところの、７００μｍの穿孔の長さでは、出口側での出口孔の直径が、入口側での入口孔の直径の半分未満のサイズであることを示した。従来の技術に基づく、例えばペースト状の液体の含む後方空間保護材料部分の使用は、行なった試験では、孔の形状を改善することはできなかった。しかしながら、この裏当てでは、使用した後方空間保護材料の粒子が、孔あけされるワークピースに付着されることが欠点である。
【００１８】
しかしながら、本発明に記載されたナノ粒子裏当て、すなわち、ナノ粒子を含んだ液体を使用するとき、穿孔の形状を著しく改善する。試験は、例えば、出口側での出口孔が増大されることを示した。孔があけられるべきワークピースの厚さに同様に対応する穿孔の長さが７００μmであり、かつ入口孔の直径が約１２０μmであるとき、出口孔の直径は、約８０μmであった。この場合、８９４ｍｇ／ｌの濃度で金ナノ粒子を使用した。更に、出口側の穿孔の丸みの改善およびエッジ部の平滑が生じる。本発明に係わる方法によって、従って、驚くべきことに、特に良好な後方空間保護材料部分を保証するだけでなく、同時に、穿孔の形状の著しい改善を達成する。
【００１９】
発生しかつ穿孔を通るレーザ放射線を制御し、かくして、レーザ放射線のエネルギ密度を減少させるべき微粒子を使用した、従来の技術の後方空間保護材料部分と比較して、ナノ粒子を含む、ここで使用された液体では、後ろ側のワークピースの、従来の技術より大きな加熱が生じる。このことは、場合によっては、穿孔の形状の改善を担う。更に、穿孔から除去された粒子を、液体と共に、より容易にかつ迅速に除去する。何故ならば、液体は、ナノ粒子の比較的低い濃度により、従来の技術のペースト状の後方空間材料と比較して著しく低い粘性を有するからである。このことは、流速の増大をもたらす。
【００２０】
好ましい実施の形態では、集団励起は、プラズモン、特に表面プラズモンである。集団励起は、おおまかに言って、ナノ粒子中の電子の振動であって、該振動は、入射する電磁放射線の電磁場によって引き起こされる。このようなプラズモン、またはプラズモン励起は、染料において生じる、単電子励起に該当する場合よりも、入射する電磁放射線による著しく大きな作用断面積を有する。従って、このような励起を発生することができてなるナノ粒子は、例えば染料および顔料において当てはまるよりも、液体中の著しく低い濃度で存在することが可能である。このことによって、ナノ粒子を有する液体の粘度が減少されており、それ故に、高い流速および一般的には良好な流動挙動が得られることが達成される。
【００２１】
入射する電磁レーザ放射線のエネルギが、今や、集団励起の発生のために必要なエネルギに対応するとき、プラズモン共鳴が生じる。該プラズモン共鳴は、液体中のナノ粒子が、極端に低い透過率を有することをもたらす。このことは、電磁放射線の大部分が、ナノ粒子によって吸収され、この放射線が、他の材料において、全然損傷を引き起こすことがないことを意味する。
【００２２】
ナノ粒子が、楕円形、ロッド状、八面体形状、十面体形状または直方体形状を有することは有利である。楕円形状は、この場合、すべての球状の形、すなわち、球形状、卵形、楕円形の形を意味する。集団励起を発生させるために必要な励起エネルギは、この場合、特に、各々のナノ粒子の空間的延在（raeumliche Ausdehnungen）に依存する。特に、２つの異なる空間方向の空間的延在が、著しく異なっている場合には、従って、同じナノ粒子において著しく異なる励起エネルギでは、異なる集団励起を発生させることが可能である。このことは、特に、例えば２つの異なるレーザ波長で作動がなされ、該レーザ波長を、２つとも、同時にナノ粒子によって吸収することが意図される場合にとって、有利である。
【００２３】
しばしば、２つの異なる空間方向での空間的延在の比も、集団励起の励起エネルギにとって決定的である。ロッド状のナノ粒子では、ここでは特に、ロッドの長手方向に沿った長手方向延在と、この長手方向延在、いわゆる横方向に対する垂直の方向における延在との比を挙げねばならない。例えば、このようなロッド状の金ナノ粒子を使用するとき、長手方向における空間的延在と、横方向における空間的延在との、４という比率は、赤外線レーザ光を吸収することができる、表面プラズモンの励起エネルギをもたらす。かくして、例えば、長手方向に１０ｎｍの、および該長手方向に対し垂直の横方向に２．５ｎｍの延在を有するロッド状のナノ粒子を使用することができる。
【００２４】
当然ながら、できる限り広帯域の吸収のために、異なって形成されたナノ粒子も混合することが可能である。原理的には、同じ形状を有するが、異なる空間的延在を有するところにナノ粒子も、かようにして混合することができ、該ナノ粒子は、かくして、異なったエネルギおよび波長の電磁放射線を吸収することができることをもたらす。
【００２５】
ナノ粒子を、今日では、異なる形状およびサイズで製造することができる。既述のように、この場合、とりわけ、ナノ粒子の延在および／またはいわゆるアスペクト比、すなわち、ナノ粒子の幅に対する長さの比は、集団励起の励起エネルギ、従ってまた最良に吸収された電磁放射線の波長にとって、決定的な意味を有する。同時に、この波長は、使用される材料に依存する。試験は、吸収された電磁放射線の波長の共鳴を、ナノ粒子のサイズを変えることによって、シフトさせることができることを示した。水中の球状の銀ナノ粒子において、かくして３ｎｍの半径を有するナノ粒子が、波長３８０ｎｍの共鳴を有し、従って、この波長の電磁放射線を吸収することができることが明らかになった。１０ｎｍの半径は、３９０ｎｍの共鳴をもたらし、２５ｎｍの半径は、４１０ｎｍの共鳴をもたらし、５０ｎｍの半径は、４８０ｎｍの共鳴をもたらし、１００ｎｍの半径は、７７０ｎｍの共鳴をもたらす。従って、球状の銀ナノ粒子のサイズの変化によってもう、共鳴の位置、従ってまた吸収可能なレーザ放射線の波長を著しくシフトさせることができることが分かる。
【００２６】
同じことが、例えば、水中の球状の金ナノ粒子に当てはまる。３ｎｍの半径は、５１５ｎｍの共鳴をもたらし、他方、１０ｎｍへの半径の増加は、５３０ｎｍの共鳴をもたらす。半径の更なる増加は、ここでも、吸収された電磁放射線の波長の増加をもたらす。２５ｎｍの半径は、５４０ｎｍの吸収をもたらし、５０ｎｍの半径は、５７５ｎｍの吸収をもたらし、１００ｎｍの半径は、７７０ｎｍの吸収をもたらし、１５０ｎｍの半径は、１１００ｎｍの波長の吸収をもたらす。
【００２７】
切断および穿孔のための古典的なレーザ波長が、８００ｎｍ、１０３０ｎｍまたは１０６４ｎｍにあることを考慮すれば、選択された波長の各々に関して、水中の、例えば球状の金ナノ粒子を見つけることができる。該金ナノ粒子は、直径または半径に基づいて、照射されたレーザ波長を正確に吸収するために適切である。その代わりに、レーザ周波数を倍増し、従って、レーザ放射線の波長を半分にすることができるだろう。従って、例えば、水中の非常に小さな球状の金ナノ粒子または球状の銀ナノ粒子によって、吸収することができるだろう、４００ｎｍ、５１５ｎｍまたは５３２ｎｍのレーザ波長が使用可能であろう。
【００２８】
球状のナノ粒子の代わりに、いわゆるナノロッド、すなわちロッド状のナノ粒子を水中で使用するとき、特に、ナノ粒子のアスペクト比、すなわち、ロッドの長さと幅の比が決定的である。金の場合、１のこのようなアスペクト比は、５３０ｎｍの波長の吸収をもたらす。アスペクト比を２．５に増加させるとき、吸収された波長は、７００ｎｍにシフトし、アスペクト比が４の場合に、８００ｎｍに、アスペクト比が４．５の場合に、８５０ｎｍに、アスペクト比が５．５の場合に、９００ｎｍにシフトする。「Chemistry of Materials」 2003,15,1957-1962頁の記事「Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods Using Seed-Mediated Growth Method」には、異なったロッド状の金ナノ粒子が公知である。該金ナノ粒子のアスペクト比は、波長７００ｎｍの、７６０ｎｍの、７９０ｎｍの、８８０ｎｍの、１１３０ｎｍのおよび１２５０ｎｍの共鳴をもたらす。６．５のアスペクト比は、この場合、１０００ｎｍの吸収波長をもたらし、他方、９のアスペクト比は、１３００ｎｍの吸収波長をもたらす。個々のナノ粒子のアスペクト比を、この場合、非常に細かくかつ正確に調整することができる。それ故に、吸収された電磁放射線の波長も調整することができ、かつ、各々のレーザ波長に、有利なことに、正確に同調することができる。
【００２９】
当然ながら、ナノ粒子の形状は、球形、楕円形またはロッド状形状に限定されない。「Chem. Soc. Rev」2008, 37, 1792-1805頁のレビュー記事「Modelling the optical response of gold nanoparticles」からは、例としては、例えば円形のまたは四角形の横断面のロッドの異なる形状、あるいは、八面体型のナノ粒子（Nano-Oktaedern）の異なるサイズを試験した。十面体型のナノ粒子も製造可能かつ使用可能である。ここでも、空間的延在および該延在同士の比率は、吸収された電磁放射線の波長に決定的な影響を有する。
【００３０】
今や、電磁レーザ放射線がこのようなナノ粒子に当たるとき、このような光子は、ナノ粒子によって吸収される。この場合、ナノ粒子をこのレーザ放射線によって断片化することができることが明らかになった。この断片化は、レーザ放射による溶融および蒸発に基づいている。しかしながら、このプロセスは、例えば金粒子に関しては、約５ｎｍの平均的なサイズで終わる。何故ならば、これらの小さいナノ粒子の吸収断面積は、更なる断片化のために必要であろうエネルギ量を、レーザ放射によって吸収するためには、余りに小さいからである。以下、ナノ粒子の断片化がレーザ放射によって終わってなるサイズを、最終サイズと言う。更なるレーザ放射によっても低減することができない、最終サイズのナノ粒子が、照射された電磁放射線にとって適切な励起エネルギを持つ集団励起を有する限り、特に、球状のナノ粒子において、ナノ粒子を含んだこの液体を、いわば消耗なしに使用することが可能である。ナノ粒子が、他の形状、例えば、ロッド形状または直方体形状を有するとき、このことは、かように無制約に当てはまらない。何故ならば、これらのナノ粒子も、レーザ放射中に崩壊かつ断片化し、必要な場合には、空間的延在の比は、種々の空間方位に変化するからである。
【００３１】
ナノ粒子の断片化は、特に、パルスレーザによる放射の際に生じる。この場合、各パルス中の局所エネルギ密度は。粒子の断片化が生じるほどに高い。これらのパルスレーザは、所定のワークピースのいくつか材料を加工することができるために、必要である。他の材料、例えばプラスチックでは、より低いエネルギ密度は、材料が、例えばｃｗレーザ、すなわち連続波レーザで加工することができるためには、十分である。この場合、レーザ放射線の局所エネルギは、ナノ粒子において断片化をもたらすためには、低すぎる。このことは、球状に形成されていないナノ粒子も、崩壊も、断片化もせず、それ故に、所望の放射線の波長に同調されているこれらのナノ粒子も、ほとんど無制限に使用し、かつ使用し続けるという大きな利点を有する。この場合、従って、複数のワークピースの加工のために、新たな液体に常に新たなナノ粒子を提供する必要はない。
【００３２】
本方法の好ましい実施の形態では、電磁放射線は、３８０ｎｍと６５０ｎｍ  の間、好ましくは５００ｎｍと５３０ｎｍの間、特には５１５ｎｍの波長を有する。
【００３３】
使用されたナノ粒子のサイズの選択によって、既述のように、集団励起の発生のために必要な励起エネルギが調整される。特に、球状の金ナノ粒子に関しては、該金ナノ粒子が、従って更なるレーザ放射によって低減することができないところの、約５ｎｍの最終サイズでは、５１５ｎｍの波長を有する光子に対応する励起エネルギを有することが明らかになった。この波長を、今や、電磁放射源、すなわちレーザのために使用するとき、ナノ粒子のサイズ分布がもはや変化しない「静止」状態に、入射する電磁放射線のためのナノ粒子の最適な吸収断面積が確保されていることが、保証されている。ナノ粒子の他の材料または他の実施の形態を使用するとき、この最終サイズ、従ってまた「最終的な」励起エネルギが、前記数値と異なっている可能性がある。しかしながら、一般的に有利なことは、入射した電磁放射線の波長を、選択されたナノ粒子が、長時間動作中でも、入射波長を持つ光子のエネルギに対応する励起エネルギを持つ集団励起を有するように、選択することである。
【００３４】
従って、特に、球状の形状を有する金粒子、および５１５ｎｍの波長を有するレーザを使用することは好ましい。
【００３５】
本方法の他の実施の形態では、電磁放射線は、９５０ｎｍと１１００ｎｍの間、好ましくは１０００ｎｍと１０５０ｎｍの間、特には１０３０ｎｍの波長を有する。特に１０３０ｎｍは、レーザ加工の際の一般的な波長の１つの波長に対応する。それ故に、この波長によって、本方法を、多数の実用的な用途において実行可能である。
【００３６】
ここに記載の方法では、ナノ粒子を含む液体を、循環して使用することは有利である。電磁レーザ放射線の十分な吸収のために、ナノ粒子の比較的低い濃度のみが液体中に存在すればよいことによって、例えば、水またはアセトンまたは他の有機溶媒であってもよい液体の比較的低い粘度により、十分に高い流速が保証される。ナノ粒子を含む液体を、ワークピースの孔あけ箇所または切断箇所の傍らを通って導く。続いて、レーザ加工によってワークピースから解き放たれ、かつ液体中に混合せられるところの、ワークピースの粒子がもしあれば、該粒子を、例えば、外部の磁場または濾過による作用によって除去する。ナノ粒子を含む液体からなる、かくして精製されたコロイドを、続いて、必要な場合に冷却し、かつ、再度孔あけ箇所または切断箇所の傍らを通って導くことができる。かくして使用されるコロイドは、十分な流速を有し、該コロイドを、更に、例えば噴射ノズルまたはタービンブレードに形成された冷却孔を製造する際に存在するところの狭いキャビティから、容易に除去することができる。
【００３７】
ナノ粒子の空間的延在が、少なくとも１つの空間方向で、集団励起の励起エネルギが電磁放射線のエネルギに対応するように、選択されていることは有利であることが分かった。かようにして、ナノ粒子の吸収断面積を最適化する。その目的は、特に、電磁放射線の多くを吸収することができるためである。
【００３８】
ナノ粒子の少なくともいくつかが、特に、金、銀、銅、パラジウムの、またはこれらの元素のうちの複数の元素のうちの合金の金属粒子であることは有利である。当然ながら、すべてのナノ粒子を、この形態で実施することも可能である。このようなナノ粒子を、例えば、レーザ放射によって、直接液体中に発生させることができる。このことは、非常に安全な製造工程である。何故ならば、ナノ粒子を例えば吸入する人にとって、健康上のリスクであるナノ粒子が、空中に放出されることを,このような方法で阻止するからである。更に、この工程は、非常に柔軟性がある、何故ならば、多くの材料または合金から、かようにナノ粒子を発生させることができるからである。同時に、液体中で他の物質との結合を行なう。当然のことながら、しかし、ナノ粒子を他の方法で製造することができ、続いて、はじめて、液体、例えば水またはアセトンに入れることができる。
【００３９】
ナノ粒子のうちの少なくともいくつかが、少なくとも部分的に、カルコゲニド、特に、セレン化銅および／または硫化銅からなることは有利である。少なくともいくつかの、好ましくはすべてのナノ粒子が、カルコゲニド、特にセレン化銅または硫化銅から完全に構成されていることは、特に有利であることが分かった。
【００４０】
このようなナノ粒子を、有機液体、特にトルエンに入れることは好ましい。例えば、トルエンは、比較的低い沸点および高い揮発速度を有するが、有機液体、特にトルエンは、低い粘度、従ってまた高い流動性を有する。試験は、この粘度が、ナノ粒子を含む液体の移動を可能にし、この移動が、レーザ放射線によって照射される熱量を排出するためには十分であることを示した。照射されたレーザ放射線の吸収されない、または偏向した部分を、パーミルの範囲に低減することができる。レーザ放射線の、数ワットを有する平均的なレーザパワーが、レーザ加工の際に予想される平均レーザパワーの範囲（Groessenordnung）にあった。この低減のためには、セレン化銅からなるナノ粒子を含む液体、この場合、トルエンを、撹拌によって移動されることで十分である。ナノ粒子を含むトルエンの低い粘度により、かくして、レーザによって導入された熱量を排出するために十分な移動を発生させることが可能であるのみならず、同時に、液体とナノ粒子の組み合わせにより、小さな、最小の中間空間および中空体を貫通しかつ洗浄し、かくて、レーザによる孔あけまたはレーザ切断の発生の際に各々の後方領域を保護することが可能である。
【００４１】
多くの金属、特に貴金属および半貴金属は、プラズモン共鳴を可能にする。このプラズモンの励起エネルギを、材料の、形状の、サイズの、およびナノ粒子のための周辺条件の適切な選択によって調整し、ほぼ自由に選択することができる。かようにして、ナノ粒子を、既存のレーザに従って選択することが可能である。その代わりに、当然ながら、レーザを、今あるナノ粒子に適合させることもできる。いずれにせよ、ナノ粒子の形状、サイズおよび材料を、調整されたレーザ波長に同調させて、プラズモン共鳴あるいは他の集団励起の共鳴が、照射されたレーザ光の波長で生じるようにすることは有利である。
【００４２】
例えば、平均約３０ｎｍ（±１０ｎｍ）の直径を有する金属製の球状の金粒子を使用することができる。このことは、約５３０ｎｍのプラズモン共鳴をもたらす。それ故に、この波長の電磁レーザ放射線を、このようなナノ粒子によって、特に良好に吸収することはできる。既述のように、ナノ粒子は、レーザ放射線によって、約５ｎｍの平均的サイズまで小さくなる。各々のプラズモン集団励起の励起エネルギが容易に上昇し、５１５ｎｍの波長を持つ光子が有するエネルギに対応する。製造法に従って、他のサイズのナノ粒子を製造することができる。例えば、１００ｎｍから約３００ｎｍまでのサイズを有するナノ粒子を使用することができる。その目的は、長波の光子を吸収するためである。
【００４３】
既述のように、５１５ｎｍの照射される波長の使用が、金粒子の場合に有利である。何故ならば、このことが、５ｎｍの直径を有する金粒子のプラズモン共鳴に対応するからである。このサイズのナノ粒子を、レーザ放射線によってはもはや小さくしない。その目的は、このような金ナノ粒子の懸濁液を、ほぼ無制限の時間、後方空間保護材料として、およびレーザ放射線に対する吸収材料として、遮蔽効果を低下または全く失うことなく、使用することができるためである。
【００４４】
ナノ粒子の少なくともいくつかが、微粒子の表面上にあることは有利である。当然ながら、微粒子の表面にすべてのナノ粒子を配置することも可能である。レーザ穿孔法およびレーザ切断法において、後方空間保護材料として、液体中の微粒子の使用は、従来の技術から知られている。しかしながら、この場合、微粒子の集団励起によるレーザ放射線の吸収は生じないが、レーザ放射線の散乱は生じる。このことによって、レーザ放射線のエネルギ密度を低減させる。この方法でも、レーザ放射線が、ワークピースを貫通した後に、特に後方空間にある他の材料部分において損傷を引き起こすこと防止することができる。既述のように、この効果によってのみでは、有効な後方空間保護をほとんど達成することはできない。何故ならば、作用断面積が、微粒子における散乱の断面積が比較的小さく、従ってまた、微粒子における必要な濃度が非常に大きいからである。しかしながら、本明細書に記載したように、ナノ粒子が、微粒子の表面で吸収されるとき、微粒子およびナノ粒子によって引き起こされる異なった効果が組み合わされる。従って、ナノ粒子による磁気放射線の吸収のみならず、微粒子による放射線の散乱も生じ、微粒子の表面上でナノ粒子が吸収されている。
【００４５】
本方法の好ましい実施の形態では、ナノ粒子の少なくともいくつかは、カーボンナノチューブである。当然ながら、すべてのナノ粒子は、カーボンナノチューブとして形成されていることも可能である。このようなカーボンナノチューブでも、集団励起を引き起こすことができる。ナノチューブの長さ、肉厚および直径をほぼ自由に調整することができる。その目的は、この場合でも、集団励起の発生のために必要な励起エネルギをほぼ自由に調整することができるためである。励起エネルギを、この場合でも、最適な方法で、照射されたレーザ波長に調整することができる。カーボンナノチューブは、例えば金属粒子に比較して、以下のような追加の利点を有する。すなわち、カーボンナノチューブは、黒色粉末として存在し、従ってまた、集団励起による高い吸収断面積のほかに、追加的に、電子励起による比較的高い吸収断面積を有するという利点である。カーボンナノチューブは、従って、染料の利点を、集団励起を有するナノ粒子の利点と結びつける。
【００４６】
ナノ粒子の少なくともいくつかが、表面に、感光性物質を有することは好ましい。当然ながら、すべてのナノ粒子の表面上に、このような感光性物質を設けることができる。感光性物質は、所定の波長の電磁放射線を吸収するために適切な染料または顔料である。これらの染料を、ナノ粒子の表面に配置するとき、染料は、従って、かくして染料が備えられた粒子の吸収断面積を増大する。何故ならば、既述したカーボンナノチューブと同様に、ナノ粒子の集団励起の効果が、感光性物質の電磁励起と組み合わされるからである。
【００４７】
液体が、ナノ粒子を、４ｇ／ｌ未満の、好ましくは２ｇ／ｌ未満の、特に好ましくは１ｇ／ｌ未満の濃度で含有することが有利であることが分かった。しかしながら、この場合、実際の使用された濃度は、複数の異なるパラメータに依存しており、かつ、濃度を、所望の課題と、試験装置または生産装置の特性に従って選択することができる。実際の濃度は、この場合、特に、集団励起の励起エネルギと比較して、照射されたレーザ放射線の強度と、レーザ放射線の波長とに依存する。処理されるワークピースの後方空間における空間も、重要な役割を果たす。保護されるべき後方空間材料部分からの距離が小さいほど、ナノ粒子の濃度を、一層高く選択しなければならない。その目的は、照射されたレーザ放射線の十分な量を吸収することができることを保証することができるためである。代替的にまたは追加的に、液体の流速を高くすることができる。
【００４８】
この場合、使用した液体は、使用されたナノ粒子がこの液体中で安定している限りは、二次的な役割を果たす。
【００４９】
例の枠内で、５１５ｎｍのレーザ波長で、水中で金ナノ粒子の吸収を実験的に測定した。金ナノ粒子を、３．６ｇ／ｌの濃度で、２ｍｍの層厚を有する石英製キュベットに充填した。この石英製キュベットを、ピコ秒レーザのわずかに発散性を持つ光路に入れた。キュベットは、レーザ焦点の下５０ｍｍにあった。３．５Ｗの入力電力では、熱形測定子（thermischer Messkopf）によっては、発振した放射線を測定することができなかった。１０秒の照射時間後にも、キュベット内に、放射線が貫通することができたであろう気泡は全然形成されなかった。
【００５０】
異なる材料のより良い比較を可能にするために、熱形測定子をフォトダイオードと交換した。フォトダイオードの表示されたパルスピーク電圧は、前記金ナノ粒子懸濁液における平均で５１ｍＶであった。１０秒の測定時間内では、９６ｍＶのレベルを持つ単一のピークのみがあった。これに対し、例えば、従来の技術に従って後方空間保護試験のために用いるところの従来のペースト状の液では、１．７６Ｖの測定信号を測定することができた。金ナノ粒子の懸濁液によって、従って、少なくとも１８倍高い吸収係数を達成した。
【００５１】
第２の試験では、キュベットの位置をレーザの焦点の下方３０ｍｍの距離に変更した。金ナノ粒子懸濁液の中のレーザ照射線の透過は、７５ｍＶを発生させた。これに対し、従来の技術によるペースト状の液体では、４．０８Ｖを得た。
【００５２】
２つの図面を参照して、以下、本発明を詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】レーザ孔あけの際の後壁損傷の略図を示す。
【図２】本発明の第１の実施の形態による方法の略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
図１は、キャビティ４がある内部を有するワークピース２を示す。ワークピース２には、貫通孔６をあけることが意図される。この目的のために、ワークピース２の前面８に、レーザ放射線１０を照射する。
【００５５】
本方法の、図１に示した段階では、貫通孔６は、既にあいている。それ故に、レーザ放射線１０がワークピース２を貫通する。ここでは、レーザ放射線１０は、後方空間で、後方空間材料部分１２に当たり、かつ、ここでは損傷個所１４をもたらす。このことを、本発明の実施の形態に係わる方法で、防止する必要がある。
【００５６】
図２には、ワークピース２に、貫通孔６を再度あけることが意図される。この目的のために、再度、レーザ放射線１０を使用する。キャビティ４には、しかしながら、今や、液体１６がある。液体には、円として略示されているナノ粒子１８がある。レーザ放射線１０は、ナノ粒子１８に当たり、かつ、ここで、レーザ放射線１０がナノ粒子１８によって吸収されるように、集団励起の発生をもたらす。後方空間材料部分１２が無傷のままであることは、明らかである。
【００５７】
レーザ放射線１０がワークピース２に貫通孔６をあける間、ワークピース２の材料の粒子が解き放たれて（hearusgeloest）、液体１６と混合される。ナノ粒子１８を含む液体１６を導いて貫通孔６の傍を通過させ、図示しない他の工程段階で、ワークピース２の材料の粒子によって洗浄する。このことを、例えば濾過により、または磁界により行なうこともできる。続いて、液体１６をナノ粒子１８で冷却し、図２に示した箇所に再度供給する。
【符号の説明】
【００５８】
２  ワークピース
４  キャビティ
６  貫通孔
８  前面
１０  レーザ放射線
１２  後方空間材料部分
１４  損傷個所
１６  液体
１８  ナノ粒子
【図１】
2016528039.tif 000003
【図２】
2016528039.tif 000004
【国際調査報告】
2016528039.tif 000005
2016528039.tif 000006
2016528039.tif 000007
2016528039.tif 000008