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JP2018138310A - Laser processing apparatus for hole and laser processing method - Google Patents

Laser processing apparatus for hole and laser processing method Download PDF

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JP2018138310A
JP2018138310A JP2017033891A JP2017033891A JP2018138310A JP 2018138310 A JP2018138310 A JP 2018138310A JP 2017033891 A JP2017033891 A JP 2017033891A JP 2017033891 A JP2017033891 A JP 2017033891A JP 2018138310 A JP2018138310 A JP 2018138310A
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Japan
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hole
temperature
processing sample
laser
processing
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JP2017033891A
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Japanese (ja)
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啓介 吉木
Keisuke Yoshiki
啓介 吉木
裕正 古田
Hiromasa Furuta
裕正 古田
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Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
University of Hyogo
Original Assignee
Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
University of Hyogo
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  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)

Abstract

【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。(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1An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus for a hole that can perform deep hole processing on an opaque material and a transparent material. A piping for introducing an atmospheric fluid 15 into a processing sample storage container, a pressure control unit 30 inside the processing sample storage container, and a temperature control unit 4 inside the processing sample storage container are provided. A laser optical system for introducing the laser beam 34 from the outside to the inside, and the temperature and pressure of the atmosphere fluid inside the processing sample storage container so that the dimensionless temperature t1 obtained by the following equation is 300 or more. Is controlled to generate convection of the atmospheric fluid inside the hole formed in the processing sample, thereby forming a hole in the processing sample. (Where α is the volume expansion coefficient of the atmosphere fluid, g is the gravitational acceleration, ν is the kinematic viscosity of the atmosphere fluid, κ is the temperature diffusivity of the atmosphere fluid, T0 is the temperature of the atmosphere fluid outside the hole, T1 is the temperature of the hole fluid. The temperature of the inner wall, a is the radius of the hole, and l is the depth of the hole.)

Description

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。   The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method for holes, and more particularly to a laser processing apparatus and a laser processing method for deep holes having a high aspect ratio that is a hole diameter with respect to the hole depth.

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。   Processing with a laser beam is often used for low-depth processing such as surface layer processing such as marking and surface treatment, and cutting processing of a relatively thin plate material. On the other hand, in the processing of a closed space with a high depth represented by deep hole processing, firstly, the laser beam is reflected and scattered on the wall surface and does not reach the bottom of the hole. It is said that deep hole machining with a laser beam is difficult because there is no means for discharging the scraps outside the hole. For this reason, there is substantially no laser processing technology for deep holes having an aspect ratio, which is the ratio of the hole depth and the hole diameter, exceeding 100.

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。   In the case of a transparent material, laser light can be collected from the back side opposite to the front side where holes are formed (see, for example, Non-Patent Document 1). For this reason, it is not necessary to allow the laser beam to pass through the hole to be formed, and the first problem can be avoided. Even in this case, it is not easy to exceed the aspect ratio of 100. For example, it has been attempted to realize deeper hole processing by using etching processing with a corrosive solution (see, for example, Non-Patent Document 2). However, even in this case, the hole depth only extends several times. This is due to the fact that the problem of discharging the second processing waste is not completely eliminated, but in addition, problems such as excessive expansion of the hole diameter due to etching and non-uniformity of the hole diameter. This is also because it newly occurs.

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。   In recent years, an optical processing method called the LIBWE method has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 3). In this method, the pigment dissolved in the atmospheric fluid is ablated and explosive processing is performed by the pressure. Therefore, it can be said to be a kind of machining, and it is characterized by machining with a smooth surface. This method is also claimed to be capable of high-aspect deep hole machining, but in terms of work discharge, there is no significant advantage in principle compared to conventional laser machining, and in fact innovative machining results Considering that it does not appear, it is considered that the deep hole processing performance itself in the above method is not so high.

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))Thermal physical processing in general fluids such as air and water (D. J. Hwang et al., Appl. Phys. A 79, 605-612 (2004)) 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))Etching-assisted processing in water (Y. Kondo, Jpn. J. Appl. Phys. 38, 1146-1148 (1999)) 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))Laser-induced backside wet etching (LIBWE) (X. Ding et al., J Photochem Photobiol A Chem., 166, 129, (2004))

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。   As described above, a deep hole laser processing apparatus and laser processing method having a high aspect ratio, which is a hole diameter with respect to the hole depth, have not been substantially obtained.

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。   Then, this invention is providing the laser processing apparatus for holes which can process the deep hole to an opaque material and a transparent material.

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t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。

Figure 2018138310
(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、Tは前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、T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。) The hole laser processing apparatus according to the present invention has a wall that partitions the outside and the inside, a window through which the laser beam can be transmitted for storing the processing sample inside and guiding the laser light from the outside to the inside A processing sample storage container having a portion on the wall;
An atmospheric fluid pipe for introducing an atmospheric fluid into the processing sample storage container;
A pressure control unit for controlling the pressure inside the processing sample storage container;
A temperature control unit for controlling the temperature inside the processing sample storage container;
A laser optical system for introducing laser light from the outside into the inside through the window;
And the temperature of the ambient fluid inside the processing sample storage container by the pressure control unit and the temperature control unit so that the dimensionless temperature t 1 obtained by the following formula is 300 or more. And the pressure is controllable, and convection of the atmospheric fluid is generated inside the hole formed in the processing sample to form a hole in the processing sample.
Figure 2018138310
(Where α is the volume expansion coefficient of the ambient fluid, g is the acceleration of gravity, ν is the kinematic viscosity of the ambient fluid, κ is the temperature diffusivity of the ambient fluid, and T 0 is the ambient fluid outside the hole. Temperature, T 1 is the temperature of the inner wall of the hole, a is the radius of the hole, and l is the depth of the hole.)

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t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、

Figure 2018138310
(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、Tは前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、T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。 The hole laser processing method according to the present invention includes a step of arranging a processing sample in a partitioned region and introducing an ambient fluid around the processing sample;
Controlling the temperature and pressure of the ambient fluid around the processing sample so that the dimensionless temperature t 1 obtained by the following formula is 300 or more;
Figure 2018138310
(Where α is the volume expansion coefficient of the ambient fluid, g is the acceleration of gravity, ν is the kinematic viscosity of the ambient fluid, κ is the temperature diffusivity of the ambient fluid, and T 0 is the ambient fluid outside the hole. Temperature, T 1 is the temperature of the inner wall of the hole, a is the radius of the hole, and l is the depth of the hole.)
Irradiating the processing sample with laser light to cause convection of the atmospheric fluid inside the hole formed in the processing sample, and forming a hole in the processing sample;
including.

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。   According to the laser processing apparatus and the laser processing method for holes according to the present invention, deep holes having a high aspect ratio that is a hole diameter with respect to the hole depth can be formed for both the transparent material and the opaque material.

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。It is the schematic which shows the structure of the laser processing apparatus for holes which concerns on Embodiment 1. FIG. 図1の加工用試料格納容器の内部の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the inside of the processing sample storage container of FIG. 1. 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。It is a schematic diagram which shows the state in which the streamline has reached the hole bottom and convection has arisen. 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。It is a mimetic diagram showing the state where the streamline does not reach the hole bottom, is accompanied by a staying part, and sufficient convection is not obtained as a whole. 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。It is the schematic which shows the temperature-pressure dependence of the coefficient part ((alpha) g / (nu) kappa) of a light hill formula. (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。(A) is the schematic which shows the mode of the laser beam which injects into a hole, (b) is the schematic which shows the refraction | bending of the laser beam which arises in the boundary layer of the cold part of the atmosphere around a hole, and a warm part. (C) is a schematic diagram showing total reflection of laser light generated in the boundary layer between the cold part and the warm part inside the hole. 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。It is a graph which shows an example of the relationship of the reflectance with respect to the incident angle of p polarized light (radial polarized light) and s polarized light (azimuth polarized light). 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。FIG. 10 is a schematic diagram showing the incidence and emission of laser light on a processing sample that is an opaque material and a transparent material in the hole laser processing apparatus according to the fifth embodiment. 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。It is the schematic which shows an example of the output by the coupling monitor of FIG. 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。It is the schematic which shows an example of the output by the processing hole observation camera of FIG.

(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。
(Background to the present invention)
The present inventor has studied the following problems in deep hole processing of opaque materials and transparent materials.

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。
1. In the case of opaque material processing (metal etc.) (Problem 1-1) Deep hole processing to an opaque material is very difficult. The reason is that the inventor
(1) The laser beam is absorbed and scattered by the wall surface of the hole and attenuated.
(2) Residual processing waste in the hole, absorption and scattering due to residual bubbles in the atmospheric fluid occur,
(3) Refraction scattering of the processing laser beam due to the jet generated in the hole opening occurs.
I found that there are problems. Because of these problems, the depth of drilling a metal with a laser beam is only about several millimeters when the hole diameter is 100 μm.
(Problem 1-2) Special polarized light is effective for high-efficiency drilling, but difficult to apply to deep-hole drilling. High-efficiency drilling using special polarized light such as radial polarized light and azimuth polarized light whose polarization directions are axially symmetric has been proposed. Radial polarized light is advantageous when the hole is shallow, and azimuth polarized light is advantageous as it becomes deeper. As shown in FIG. 6, radial polarized light (p-polarized light) has a large absorption with respect to a plane perpendicular to the beam and is efficiently converted into heat, and azimuth polarized light (s-polarized light) is horizontal to the beam. This is because the reflectivity is high with respect to a smooth surface, and the light is efficiently reflected and propagated in the hole to reach the bottom of the hole. However, the effect is up to a depth of several millimeters (M. Meier et al., Proc. Of SPIE 6053 605312, (2006)). Lose.

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。
2. In the case of transparent material processing (glass etc.) (Problem 2) With transparent materials, deep hole processing is still very difficult, although not as opaque materials. The transparent material can be irradiated with laser light from the back surface opposite to the surface on which the hole of the material is provided. For this reason, it is not necessary to consider the problems (1) and (3) of (Problem 1-1). However, the above problem (2) still remains, and in addition to this, transparent materials are often brittle materials, so the thermal effects such as thermal shock are more important than the opaque materials in which metal is the main work piece. Must be used. In order to avoid such a restriction, the processing waste is removed with an ablation pressure as high as possible while working with ultrashort pulse laser light or ultraviolet light as much as possible to clear the problem of (2) above. The conflicting requirements must be met, which is actually difficult. As a result, the hole depth of 1 mm is the limit when removing directly. However, since it can be altered even with a beam power below the removal processing threshold, a method of machining a deep hole of several mm by corroding and removing with an etching solution after the alteration has been developed. However, if this method is used, the hole diameter may change depending on the depth, the residue of the corrosive liquid residue in the hole, and the dissolved base material must be discharged outside the hole. However, this is not a technique that enables deep hole machining. The LIBWE method is also expected to have a limit on the hole depth for the same reason.

(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。
(About the present invention that has been made through the discovery of the underlying invention and further examination)
The present inventor has made various studies and found that deep hole processing can be performed by laser processing using a supercritical fluid as an atmospheric fluid, and has led to a basic invention. In other words, it was confirmed that deep hole machining 10 times or more that of the prior art can be performed in a transparent material by laser machining in an atmosphere of supercritical carbon dioxide. Supercritical carbon dioxide is carbon dioxide pressurized and / or heated to a critical point of 7.4 MPa and 31 ° C. or higher. By drilling deep holes in the supercritical carbon dioxide as the atmospheric fluid by back irradiation of the laser beam to the opposite side of the hole opening, drilling can be performed at least 10 times deeper than in water and air. Thus, it was confirmed that the hole diameter was stable. With respect to this processing mechanism, the present inventor believes that there is a possibility that heat and processing waste removal due to convection of the supercritical fluid shown in FIG.

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。   Furthermore, in the metal processing which is an opaque material, it is necessary to make a laser beam enter from the opening part side of a hole unlike back surface irradiation like glass processing. For this reason, the present inventor has further found that since the jet or convection due to machining interferes with the laser beam, the efficiency of introducing the laser beam into the machining hole, that is, decoupling becomes a problem. That is, the incident beam may be reflected and refracted by the convection temperature boundary surface, and may not reach the hole. In this regard, the present inventor suggests that the same refractive index distribution as that of the optical fiber appears in the hole due to convection, and that the light reaches the hole bottom without attenuation and can perform deep hole processing. I found it. Furthermore, as will be described later, the present inventor applied the Light Hill equation to the convection in the hole and controlled the temperature and pressure conditions of the atmospheric fluid, not limited to the supercritical fluid, to control the convection in the hole. In particular, the inventors have found that the above problem (2) can be solved, and have reached the present invention. Therefore, the shape of the temperature boundary surface is made a convergence type as shown in FIG. 5 by the convection control by the temperature control in the vicinity of the machining hole depending on the beam incident condition, and the loss due to the decoupling can be prevented.

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t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。

Figure 2018138310
(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、Tは前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、T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。) The laser processing apparatus for holes according to the first aspect has a wall that partitions the outside and the inside, stores the processing sample inside, and transmits the laser light for guiding the laser light from the outside to the inside A processing sample storage container having an open window on the wall;
An atmospheric fluid pipe for introducing an atmospheric fluid into the processing sample storage container;
A pressure control unit for controlling the pressure inside the processing sample storage container;
A temperature control unit for controlling the temperature inside the processing sample storage container;
A laser optical system for introducing laser light from the outside into the inside through the window;
And the temperature of the ambient fluid inside the processing sample storage container by the pressure control unit and the temperature control unit so that the dimensionless temperature t 1 obtained by the following formula is 300 or more. And the pressure is controllable, and convection of the atmospheric fluid is generated inside the hole formed in the processing sample to form a hole in the processing sample.
Figure 2018138310
(Where α is the volume expansion coefficient of the ambient fluid, g is the acceleration of gravity, ν is the kinematic viscosity of the ambient fluid, κ is the temperature diffusivity of the ambient fluid, and T 0 is the ambient fluid outside the hole. Temperature, T 1 is the temperature of the inner wall of the hole, a is the radius of the hole, and l is the depth of the hole.)

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。   The hole laser processing apparatus according to the second aspect is the temperature and pressure of the atmospheric fluid inside the processing sample storage container by the pressure control unit and the temperature control unit in the first aspect. As the depth of the hole formed in the sample for processing increases, the first temperature and pressure condition at a temperature higher than the critical point of the atmospheric fluid and lower than the critical point is The second temperature and pressure condition is the same as the temperature of the first temperature and pressure condition, and the second temperature and pressure condition is higher than the critical point. The holes may be formed in the processing sample by sequentially shifting to the temperature and pressure condition of 3.

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。   The laser processing apparatus for holes according to a third aspect is the laser device according to the first or second aspect, wherein the laser optical system includes a central low-temperature layer and a high temperature on the inner wall side that are generated inside the hole formed in the processing sample. A laser beam may be incident on the processing sample inside from the outside through the window under a condition of an incident angle that satisfies a total reflection condition in the waveguide structure formed by a double layer with the layer.

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。   In the laser processing apparatus for holes according to a fourth aspect, in the third aspect, the laser optical system makes p-polarized laser light incident on the processing sample inside from the outside through the window portion. May be.

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。   The hole laser processing apparatus according to a fifth aspect is the light extracted from the inside of the hole formed in the processing sample to the outside through the window portion in any of the first to fourth aspects. You may further provide the camera which images the image by.

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。   In the laser processing apparatus for holes according to a sixth aspect, in the fifth aspect, the laser optical system is configured such that the laser beam for illumination enters the processing sample inside from the outside through the window portion. May be.

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。   In the laser processing apparatus for holes according to a seventh aspect, in the fifth or sixth aspect, the laser optical system is optimal for the processing sample detected based on an image captured by the camera. A laser beam may be incident on the processing sample inside from the outside through the window under the condition of an incident angle.

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。   In the laser processing apparatus for holes according to an eighth aspect, in the third aspect, the atmospheric fluid may be a supercritical fluid or a superfluid fluid.

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t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、

Figure 2018138310
(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、Tは前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、T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。 The laser processing method for holes according to the ninth aspect includes a step of arranging a processing sample in a partitioned area and introducing an ambient fluid around the processing sample;
Controlling the temperature and pressure of the ambient fluid around the processing sample so that the dimensionless temperature t 1 obtained by the following formula is 300 or more;
Figure 2018138310
(Where α is the volume expansion coefficient of the ambient fluid, g is the acceleration of gravity, ν is the kinematic viscosity of the ambient fluid, κ is the temperature diffusivity of the ambient fluid, and T 0 is the ambient fluid outside the hole. Temperature, T 1 is the temperature of the inner wall of the hole, a is the radius of the hole, and l is the depth of the hole.)
Irradiating the processing sample with laser light to cause convection of the atmospheric fluid inside the hole formed in the processing sample, and forming a hole in the processing sample;
including.

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。   The hole laser processing method according to a tenth aspect is the above ninth aspect, wherein the temperature and pressure of the ambient fluid around the processing sample is controlled to control the depth of the hole formed in the processing sample. As the depth increases, the temperature is equal to or higher than the critical point of the atmospheric fluid and is the same temperature as the temperature of the first temperature and pressure condition from the first temperature and pressure condition at a pressure lower than the critical point. After passing through the second temperature and pressure condition on the higher pressure side, the processing sample is sequentially shifted to a third temperature and pressure condition having the same temperature as the first temperature and pressure condition and the same density as the critical point. You may form a hole in.

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。   The laser processing method for holes according to an eleventh aspect according to the ninth or tenth aspect is based on a double layer of a central low temperature layer and a high temperature layer on the inner wall side that are generated inside the hole formed in the processing sample. A laser beam may be incident on the processing sample under an incident angle condition that satisfies the total reflection condition in the waveguide structure.

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。   In the hole laser processing method according to a twelfth aspect, in the eleventh aspect, p-polarized laser light may be incident on the processing sample to form a hole in the processing sample.

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。   In the laser processing method for holes according to a thirteenth aspect, in any one of the ninth to twelfth aspects, the step of capturing an image by light taken out from the inside of the hole formed in the processing sample is provided. Further, it may be included.

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。   The laser processing method for holes according to a fourteenth aspect is the method according to the thirteenth aspect, wherein the laser beam for illumination is incident on the processing sample and is taken out from the inside of the hole formed in the processing sample. You may take the picture by the light.

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。   The hole laser processing method according to the fifteenth aspect is the processing according to the thirteenth or fourteenth aspect, wherein the processing is performed under the condition of an optimal incident angle to the processing sample detected based on the captured image. Laser light may be incident on the sample for use.

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。   In the laser processing method for holes according to the sixteenth aspect, in any of the ninth to fifteenth aspects, a supercritical fluid or a superfluid fluid may be used as the atmospheric fluid.

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。   Hereinafter, a laser processing apparatus for holes and a laser processing method for holes according to embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, substantially the same members are denoted by the same reference numerals.

(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a hole laser processing apparatus 20 according to the first embodiment. FIG. 2 is an enlarged view of the inside of the processing sample storage container 10 of FIG. 1 and 2 show the x axis, the y axis, and the z axis orthogonal to each other for convenience. The y-axis penetrates the paper surface from the front to the back. Each axis is provided for convenience of explanation, and is not for specifying the direction of the hole laser processing apparatus 20.
The hole laser processing apparatus 20 includes a processing sample storage container 10, an atmospheric fluid pipe 22, a pressure control unit 30, a temperature control unit 4, and laser optical systems 34 and 35. The processing sample storage container 10 has a wall 11 that partitions the outside and the inside, and stores a processing sample 13 inside, and a window portion through which laser light for guiding laser light 34 from the outside to the inside can be transmitted. 12 on the wall 11. The atmospheric fluid 15 is introduced into the processing sample storage container 10 by the atmospheric fluid piping 22. The pressure control unit 30 controls the pressure inside the processing sample storage container 10. The temperature control unit 4 controls the temperature inside the processing sample storage container 10. Laser light 34 is introduced from the outside to the inside through the window 12 by the laser optical systems 34 and 35.

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t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。

Figure 2018138310
(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、Tは穴14の外側の雰囲気流体15の温度、T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。 In this hole laser processing apparatus 20, a processing sample storage container is provided by the pressure control unit 30 and the temperature control unit 4 so that the dimensionless temperature t 1 obtained by the following Light Hill equation is 300 or more. 10 controls the temperature and pressure of the atmospheric fluid 15 inside. Thereby, the convection of the atmospheric fluid 15 is generated inside the hole 14 formed in the processing sample 13, and the hole 14 can be formed in the processing sample 13.
The formula of Light Hill is as the following formula (1).
Figure 2018138310
(Where α is the volume expansion coefficient of the ambient fluid 15, g is the acceleration of gravity, ν is the kinematic viscosity of the ambient fluid 15, κ is the temperature diffusivity of the ambient fluid 15, and T 0 is the ambient fluid 15 outside the hole 14. (T 1 is the temperature of the inner wall of the hole 14, a is the radius of the hole 14, and l is the depth of the hole 14.)
1 and 2, the hole 14 is formed along the z direction.

(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。
(Function)
As shown in FIG. 5, the hole being processed has an open end and a closed end (processed end) at both ends of the hole, and the inside and outside of the hole are filled with atmospheric fluid. The inner wall of the hole 14 is hot due to the amount of heat supplied by the processing laser beam 34, and the ambient fluid 15 outside the hole 14 is cold. At this time, if the buoyancy generated in the high temperature portion is excellent in the frictional resistance of the fluid, the high temperature fluid is discharged out of the hole by the upward flow due to free convection. Instead, the low temperature fluid outside the hole moves to the bottom of the hole at the center of the hole 14. By flowing in, heat exchange and processing waste can be discharged. This is called an open siphon heat exchanger as a heat exchanger, and has been used for turbine blades of jet engines. Such a convection phenomenon is formulated by M. Lighthill, Quart. Journ. Mech. And Applied Math., Vol. VI, Pt. 4 (1953) p398-p439), and Hasegawa, S. Hasegawa, K. Nishikawa. , and K. Yamagata, Bulletin of JSME, Vol. 6, No. 22, 1963, p230-p250), and the theory of Light Hill reproduces the actual phenomenon within the range where laminar flow is maintained. It has been shown that it can.

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t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t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。 The present inventor tried to apply the above-mentioned Light Hill equation to the analysis of the convection phenomenon in the machining hole, found the relationship between the control of the temperature and pressure conditions of the atmospheric fluid and the convection phenomenon in the machining hole, and reached the present invention. Is. FIG. 3A is a schematic diagram showing a state where the streamline 18 reaches the bottom of the hole 14 and convection occurs. FIG. 3B is a schematic diagram showing a state in which sufficient convection is not obtained as a whole with the staying portion 19 in which the streamline 18 does not reach the bottom of the hole 14, processing waste, surplus heat, etc. cannot move by convection. It is. According to this theory, it is theoretically shown that a general fluid that can be used at normal temperature and pressure, such as water and air, does not convect at all in a small-diameter deep hole formed by laser light (FIG. 3B). Convection ease, depending dimensionless temperature t 1, the scale of the machined hole, temperature, is centrally organized regardless of the ambient fluid used. If the dimensionless temperature t 1 does not exceed 300 (≈10 2.5 ), a staying portion remains in the hole. For example, assuming that the hole diameter is 200 μm in water and air, convection does not occur even in a hole having a depth of 500 μm ( FIG. 3B). If convection does not occur, heat generated by machining is not effectively discharged, and machining waste generated by machining tends to accumulate in the hole.

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t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10〜10倍以上も無次元化温度t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tが300(102.5)以上となるものであればよい。無次元化温度t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t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t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tだけでないため、103.6は無次元化温度tの絶対的な上限値ではなく、無次元化温度t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tを103.6以下とすることで乱流の発生を抑制できる。 Therefore, the present inventor has examined the use of supercritical fluids such as supercritical carbon dioxide as the atmospheric fluid. These supercritical fluids cause convection even in a narrow hole and improve heat and waste discharging performance. The right side of the above formula (1) includes items determined by processing conditions such as the size and temperature of the processing hole, as well as a coefficient portion (αg / νκ) determined by the atmospheric fluid such as α, g, ν, and κ. the supercritical carbon dioxide has a characteristic that these values are higher dimensionless temperature t 1 all. As a result, as shown in FIG. 4, this coefficient portion (αg / νκ) is 10 3 to 10 6 times the dimensionless temperature t under a temperature and pressure condition of 20 ° C. or higher and 2 MPa or higher compared to water, air, etc. 1 is high and convection is very likely (FIG. 3A). As a result, for example, at a critical point (approximately 31 ° C., 7.4 MPa), a convection can be obtained even in a hole of 1 m or more if the hole has a diameter of 200 μm. Note that the atmospheric fluid is not limited to the supercritical fluid, and may be any fluid as long as the dimensionless temperature t 1 is 300 (10 2.5 ) or more. When the dimensionless temperature t 1 is 300 or more, convection by the atmospheric fluid occurs in the entire hole from the bottom to the top of the hole in the hole. Further, the dimensionless temperature t 1 exceeds 300 and is preferably about 10 3.6 (= 3981) because the convection momentum increases. On the other hand, the non-dimensional temperature t 1 is increased convective momentum exceeds 10 3.6 dull, the risk of turbulent comes higher. Since elements due to turbulence is not only the dimensionless temperature t 1, 10 3.6 is not an absolute upper limit of the dimensionless temperature t 1, the dimensionless temperature t 1 is 10 3 Even if .6 is exceeded, turbulent flow does not always occur. On the other hand, generation of turbulent flow can be suppressed by setting the dimensionless temperature t 1 to 10 3.6 or less.

雰囲気流体は、無次元化温度t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He、He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。 Atmosphere fluid may be any non-dimensional temperature t 1 is 300 or more, not limited to a supercritical state, the critical point, subcritical state, or may be a non-critical state. Further, the atmospheric fluid may be, for example, a cryogenic 4 He or 3 He superfluid fluid. Furthermore, the atmospheric fluid is not limited to carbon dioxide, and for example, methane (critical point 190.4K, 4.60 MPa), ethane (critical point 305.3K, 4.87 MPa), ethanol (critical point 513.9K, 6.14 MPa). ), Acetone (critical point 508.1K, 4.70 MPa), water (critical point 647.3K, 22.12 MPa), or the like may be used.

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。   In the hole laser processing apparatus 20, the processing sample 13 is sealed in the processing sample storage container 10, the atmosphere fluid 15 is introduced into the processing sample storage container 10, and the internal temperature and pressure conditions are controlled. The laser beam 34 is introduced through the window portion 12 provided on the wall 11 to perform laser processing. Therefore, this hole laser processing apparatus 20 can be organized into four systems such as a structural system such as the processing sample storage container 10 and the like, introduction of atmospheric fluid and its pressure control system, temperature control system, and laser optical system.

<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。
<Structural system such as sample storage container for processing>
The processing sample 13 is enclosed in the processing sample storage container 10. The processing sample storage container 10 is further disposed in the thermostat 1 for temperature control. In addition, the processing sample storage container 10 is provided with a pressure-resistant window 12 for allowing the laser beam to pass through the wall 11. In addition, as the window part 12, in the case of a transparent material, it is a laser beam for processing on the surface opposite to the side where holes are formed, and in the case of an opaque material, a processing laser is formed on the surface where holes are formed. Two light incident windows and two camera observation windows are preferably provided. The processing sample storage container 10 is connected to the pressure adjustment container 26. In order to obtain the maximum effect of convection, it is desirable that the actual window part is installed at the upper part and / or the lower part of the container because the opening part of the processing hole must always face upward. That is, the window part is provided in the upper part and / or the lower part in the z-axis direction. In addition, although the convection effect cannot be obtained when the opening end of the hole is downward, the convection effect can be obtained in the lateral direction (x direction or y direction), although the effect is inferior.
Further, the processing sample storage container 10 can be moved in the z-axis direction by the driving unit 16 and can adjust the focal position of the laser optical system to an appropriate position of the hole as the depth of the hole increases. .

<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。
<Temperature control system>
In this hole laser processing apparatus 20, temperature control in the thermostat 1 and the processing sample storage container 10 therein is performed by a heating device 2 that heats the thermostat 1, a temperature sensor 3, and a temperature control unit 4. Yes.

<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。
<Pressure control system>
The liquefied carbon dioxide, which is an atmospheric fluid, is transferred from the liquefied carbon dioxide container 21 to the processing sample storage container 10 via the pipe 22, the valve 23, the MFC (mass flow controller) 24, the leak valve 25, the pressure adjustment container 26, and the closing valve 27. Filled with a pump (not shown). Further, when liquefied carbon dioxide or a pump cannot be used, the pressure adjusting container 26 may be filled with a necessary amount of dry ice and filled into the processing sample storage container 10 via the closing valve 27. There are two pressure vessels to be used, which are connected to each other by piping and have different roles. One pressure vessel is a processing sample storage container 10 for storing the processing sample 13, and includes a pressure-resistant window 12 through which a laser beam 34 is incident. The other pressure vessel is a pressure adjustment vessel 26 for pressure adjustment. The pressure in the processing sample storage container 10 is controlled by the pressure sensor 29 and the pressure control unit 30 in the pressure adjusting container 26 which is the other connected pressure container, and the temperature of the processing sample storage container 10 is adjusted. By doing so, the temperature and pressure in the processing sample storage container 10 are controlled. The pressure in the pressure adjusting container 26 can also be adjusted by heating with the heating device 28. At this time, since the piping connecting the two pressure vessels 10 and 26 is sufficiently thin and long, the pressure between the vessels is the same, but the temperature is independent. Therefore, the pressure and temperature can be controlled by separate feedback controls. The accuracy of temperature and pressure control required for experiments near the critical point (point e in FIG. 4) requires high accuracy of 0.01 MPa and 0.01 ° C. Therefore, the method for controlling both temperature and pressure has a limit in accuracy. . For this reason, the density inside the processing sample storage container 10 is made constant by automatically shutting off the piping valve between the two pressure vessels at the moment when the temperature and pressure conditions are within the allowable range, and stabilized near the critical point only by temperature control. Let Stabilization can be realized by monitoring the temperature sensor 7 in addition to the thermostat 1 and using high-speed temperature control using the Peltier element control unit 8 by heating and cooling by the Peltier element 6 in combination. Further, exhaust from the processing sample storage container 10 is performed via a discharge pipe 31, a leak valve 32, and an MFC (mass flow controller) 33. Further, since the exhaust is accompanied by rapid cooling, the exhaust rate is controlled by using the Peltier element control unit 8 so that the temperature in the processing sample storage container 10 is stabilized while heating by the thermostat 1 and the Peltier element 6. Performs exhaust valve feedback to be controlled.

<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。
<Laser optical system>
The laser beam 34 is introduced into the processing sample storage container 10 through the window 12 provided on the wall 11 of the processing sample storage container 10. The hole 14 is formed by the laser beam 34 that has reached the processing sample 13. In order to determine the optimum incident angle of the laser beam 34 for processing, for example, monitoring may be performed as shown in a fifth embodiment described later. In this case, a laser beam for illumination may be irradiated instead of the laser beam for processing. When the illumination light is collected at the opening of the hole 14, only the light ray that has entered through the temperature boundary layer outside the hole and incident at an incident angle that can propagate through the hole reaches the hole bottom. And only the light ray that can propagate out of the hole is returned to the condenser lens. The return light is collimated by the condensing lens and detected by a camera (not shown in FIG. 1, “coupling monitor 48” in FIG. 7). The optimal incident angle of the light beam can be obtained depending on the detection position of the camera, and the beam profile of the processing laser beam can be adjusted so that the light can be condensed at the incident angle.

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。   As a method for adjusting the beam profile, various means such as a light intensity modulation device using a liquid crystal polarizing element and a beam diameter expansion / contraction device using a beam expander can be considered at the position 45 in FIG. If a liquid crystal polarizing element is used, the polarization distribution in the beam can also be controlled. In order to make p-polarized light and s-polarized light enter the hole, radial polarized light and azimuth polarized light are generated, respectively. Various types of polarized light can be considered, such as polarized light having more complex polarization. In addition, by providing an element having a polarization measurement function in front of the coupling monitor 48, the polarization state and its distribution easily passing through the hole are measured and reflected in the incident polarization distribution, thereby including the incident light including the polarization. Beam optimization can be performed. For example, an optical element that gives a polarization measurement function enters the position of reference numeral 47. However, an axially symmetric polarized beam generator similar to that used for reference numeral 45 can be used as having the same function. . However, at the position of reference numeral 47, it is necessary to make the light incident direction opposite to that arranged at reference numeral 45.

(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。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic diagram showing temperature-pressure dependence of the coefficient part (αg / νκ) of the Light Hill equation. Note that only the exponent of the value of the coefficient part (αg / νκ) is displayed on the contour lines in FIG. FIG. 4 shows nine points from point a to point i in a range in which the horizontal axis indicates temperature and the vertical axis indicates pressure, and indicates the temperature-pressure condition. Among these nine points, points a, b, and c are arranged on the same density line from the low temperature side to the high temperature side. The points d, e, and f are arranged on the same density line from the low temperature side to the high temperature side. This e point is a critical point. The points g, h, and i are arranged on the same density line from the low temperature side to the high temperature side. On the other hand, points a, d, and g are arranged on the same temperature line. Further, the points b, e, and h are arranged on the same temperature line. The points c, f and i are arranged on the same temperature line. In addition, each point other than e point of a critical point is an illustration, Comprising: It is not limited to these.

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1.08×10、および1.83×10となる。
As shown in FIG. 4, the value of the coefficient part (αg / νκ) becomes the largest near the critical point (point e in FIG. 4) (about 10 16 or more (diverging to practically infinite ∞ at the critical point). It is difficult to measure accurate values)). Also, at a pressure below the critical point, the value of the coefficient part (αg / νκ) decreases from 10 13 to 10 12 . On the other hand, in the pressure range above the critical point, the value of the coefficient part (αg / νκ) somewhat decreases because the kinematic viscosity increases with the increase in density due to the pressure increase. That is, the coefficient part (αg / νκ) has a high value of about 10 15 along a line (Wisdom's Line) of the same density extending from the critical point to the high temperature and high pressure side, and the coefficient is low on the low pressure side from the above line. The value of the part (αg / νκ) decreases rapidly to about 10 12 . On the other hand, on the high pressure side from the above line, the value of the coefficient part (αg / νκ) slightly decreases due to the increase in density due to the increase in pressure as described above, but only decreases from 10 14 to 10 13 .
In normal temperature water and air, the values of the coefficient part (αg / νκ) of the Light Hill equation are 1.08 × 10 8 and 1.83 × 10 6 , respectively.

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。 In the laser processing apparatus for holes according to the second embodiment, the temperature of the atmospheric fluid 15 inside the processing sample storage container 10 and the temperature are controlled by the pressure control unit 30 and the temperature control unit 4 according to the depth of the holes 14. It is characterized by controlling the pressure. That is, as the depth of the hole 14 formed in the processing sample 13 becomes deeper, the temperature is higher than the critical point of the atmospheric fluid 15 and is lower than the critical point at the first temperature and pressure condition (for example, FIG. 4). From the point i and point h), the second temperature and pressure condition (for example, points c and b in FIG. 4) is the same as the temperature of the first temperature and pressure condition and higher than the critical point. 1 is shifted to a third temperature and pressure condition (for example, point f and point e in FIG. 4) having the same density as the critical point and the same density as the critical point. Form. As a result, when the depth of the hole 14 is shallow, the hole may be formed so as not to generate turbulent flow under the condition (10 12 ) where the value of the coefficient part (αg / νκ) of the Light Hill equation is relatively small. it can. Furthermore, it can be set as the temperature-pressure condition in which the convection inside the hole 14 occurs under the condition (10 14 to 10 15 ) where the value of the coefficient portion (αg / νκ) is relatively large as the hole becomes deeper.

(作用)
穴の内部で対流が起こるためには無次元化温度t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t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t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。
(Function)
For convection occurs inside the hole dimensionless temperature t 1 is but need more than 300, as described above, it does not mean that the higher the better, but preferred to increase the degree of convection until 10 3.6 When it gets higher, it becomes turbulent. At this time, the transport phenomenon becomes active between the upward flow and the downward flow, and the effects of heat exchange and mass exchange are difficult to reach the bottom of the hole. Therefore, the dimensionless temperature t 1 needs to be maintained within a range where laminar flow is maintained. Considering this in an actual machining process, the hole depth increases as the machining progresses. Therefore, in order to keep the dimensionless temperature t 1 within a certain range, the coefficient part (αg / νκ) of the Light Hill equation It is necessary to keep the state of convection constant by adjusting this part as the hole depth increases. From the calculation result of FIG. 4, for example, as an initial state, the coefficient portion (αg / νκ) is started by starting from the state of point i in the figure and moving to the state c point and the state f point as the hole depth increases. By increasing the value of, drilling can be gradually advanced while maintaining a laminar flow. Further, the value of the coefficient portion (αg / νκ) can be maximized by approaching the state e point which is a critical point. For example, when machining the hole diameters of 200 μm, 100 μm, and 50 μm, the temperature part is relayed to the state of i point → c point → f point → e point shown in FIG. / Νκ) can be increased. Alternatively, as another example, it is possible to start from the state h point and shift to the state b point and the state e point as the hole depth increases.

(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。
(Embodiment 3)
FIG. 5A is a schematic diagram showing a state of laser light incident on the hole, and FIG. 5B shows a laser generated in the boundary layer 44 between the cold part 42 and the warm part 43 in the atmosphere around the hole. FIG. 5C is a schematic diagram showing total reflection of laser light generated in the boundary layer 44 between the cold part 42 and the warm part 43 inside the hole.
In the laser processing apparatus for holes according to the third embodiment, the laser optical system is a waveguide formed by a double layer of a low temperature layer 42 at the center and a high temperature layer 43 on the inner wall side that is formed inside the hole 14 formed in the processing sample 13. The laser beam 34 is incident on the processing sample 13 from the outside through the window 12 under the condition of an incident angle that satisfies the total reflection condition in the structure. As a result, the laser beam 34 is totally reflected by the waveguide structure formed by the double layer of the central low temperature layer 42 and the inner wall side high temperature layer 43 generated inside the hole 14 and can reach the hole bottom without attenuation.

(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n、nの違いとなる。温度境界層44の存在は屈折率n、n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n、外壁近傍が低屈折率n(<n)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。
(Function)
According to FIG. 5A showing the state of convection, a temperature boundary layer 44 is formed between the low temperature part 42 near the center of the hole 14 and the high temperature part 43 around the outer wall of the hole 14 along with the convection 41. Yes. A difference in temperature represents a difference in density, and a difference in density is a difference in refractive indexes n 1 and n 2 . The presence of the temperature boundary layer 44 is the presence of a boundary layer having refractive indexes n 1 and n 2 , and has a function of refracting and reflecting light. The refractive index distribution in the processed hole has a high refractive index n 1 at the center and a low refractive index n 2 (<n 1 ) near the outer wall, which indicates that this is the same refractive index structure as the optical fiber. That is, a waveguide structure is formed in the hole. Therefore, by making the processing laser beam 34 incident on the temperature boundary layer 44 at an angle that makes total reflection or more, it becomes possible to propagate the inside of the hole without attenuation by repeating total reflection, and deep hole processing is possible. It becomes. In addition, when the inner wall temperature of the processed hole decreases due to the progress of cooling, the temperature difference of the temperature boundary layer 44 is reduced and the optical waveguide function is weakened. In this case, the transmitted light component indicated by the broken line arrow in FIG. Since the inner wall of the hole that has appeared and the temperature has decreased is heated, the temperature is increased again to regenerate the optical waveguide. As described above, once an optical waveguide having a two-layer structure of atmospheric fluid is formed, the optical waveguide is repaired and maintained as long as light is continuously incident.

(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。
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a graph showing a relationship of reflectance with respect to incident angles of p-polarized light (radial polarized light) and s-polarized light (azimuth polarized light). As shown in FIG. 6, radial polarized light (p-polarized light) has an angle (Brewster angle) at which the incident angle is low and the reflectance is 0.
In the hole laser processing apparatus and laser processing method according to Embodiment 4, the incident angle from the low temperature portion 42 around the hole 14 to the high temperature portion 43 is matched with the incident angle (Brewster angle) at which the reflectance is zero. It is characterized by. As a result, when laser light is incident on the hole 14 from the outside, the boundary layer 44 between the low temperature portion 42 and the high temperature portion 43 formed around the hole 14 can be completely transmitted. Thereby, attenuation of transmitted light due to reflection at the boundary layer 44 around the hole 14 (broken arrow in FIG. 5B) can be suppressed, and the laser light 34 can be efficiently incident into the hole 14. .

(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。
(Function)
Reflection and refraction characteristics due to changes in refractive index are affected by polarization, and p-polarized light and s-polarized light have different dependency on reflectance and transmittance with respect to the incident angle. As shown in an example in FIG. 6, in axially symmetric processing such as a hole, when the radial polarization is p-polarization and azimuth polarization, s-polarization is incident. Here, when the incident angle exceeds a certain angle, total reflection occurs, and in the case of radial polarized light (p-polarized light), the transmittance becomes 100% at a certain angle. Here, in the case of FIG. 5, it can be seen that light is incident from the high refractive index region (low temperature portion 42) to the low refractive index region (high temperature portion 43) at the entrance and inside the hole. In out-of-hole convection, reflection occurs depending on the incident angle, and decoupling occurs so that light does not enter the processed hole. However, by using radial polarization (p-polarization) and appropriately controlling the convection form and the incident angle, The boundary layer 44 between the low temperature part 42 and the high temperature part 43 can be completely transmitted. On the other hand, since the incident angle is larger in the boundary layer 44 between the high refractive index region (low temperature portion 42) and the low refractive index region (high temperature portion 43) of the waveguide in the hole, total reflection occurs. As described above, by controlling the incident angle and the polarization, it is possible to make the coupling efficiency and the transmission efficiency substantially non-attenuated. In addition, when maintaining the convection by irradiating the processing sample 13 with light, azimuth polarized light may be incident coaxially. For controlling the polarization, for example, an axially symmetric polarized beam generator may be used.

(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。
(Embodiment 5)
FIG. 7 is a schematic view showing the incidence and emission of laser light on the processing sample 13 which is an opaque material and a transparent material in the hole laser processing apparatus according to the fifth embodiment. FIG. 8A is a schematic diagram showing an example of output from the coupling monitor 48 of FIG. FIG. 8B is a schematic diagram illustrating an example of output from the processing hole observation camera 50 of FIG. 7 is a surface on the side where the hole 14 is provided, and the surface B is a surface opposite to the side where the hole 14 is provided. FIG. 7 shows that the incident surface of the laser beam 34 can be appropriately selected depending on whether the processing sample 13 is an opaque material or a transparent material. That is, when the processing sample 13 is an opaque material, the laser beam 34 is incident from the surface A. On the other hand, when the processing sample 13 is a transparent material, the laser beam 34 can be incident from the surface B.
The laser processing apparatus for holes according to the fifth embodiment is different from the laser processing apparatus for holes according to the first embodiment in that a coupling monitor 48 and a processing hole observation camera 50 are provided. As shown in FIG. 7, incident light such as processing laser light and illumination light is reflected by the half mirror 46 a via the axially symmetric polarized beam generator arranged at the position of 45, and is holed by the condenser lens 35. The light is condensed toward the inside of 14. The condensed light reaches the hole bottom via the waveguide structure in the hole 14. For example, when an axially symmetric polarized beam generator is provided at the position of 45, axially symmetric radial and azimuth polarized light can be generated. Further, an optical device including a beam diameter adjustment function, a beam intensity distribution adjustment function, and the like may be provided at the position denoted by reference numeral 45, for example.

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。   The light from the inside of the hole 14 goes straight through the half mirror 46 a, and the light that goes straight through the next half mirror 46 b reaches the coupling monitor 48 via the polarization distribution analyzer 47. On the other hand, the light reflected by the half mirror 46 b forms an image of the processed hole by the processed hole observation camera 50 through the imaging lens 49. In the coupling monitor 48, for example, as shown in FIG. 8A, an angle corresponding to the optimum incident angle is brightly reflected in the ring shape 52. Therefore, the optimum incident angle can be detected by the coupling monitor 48. Further, with the processing hole observation camera 50, for example, as shown in FIG. 8B, the opening portion of the hole 14 having the hole diameter 54 on the surface of the processing sample 13 can be observed.

(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t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t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t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。
(Function)
The angle of incidence appropriate for actual laser processing varies with changes in the processing depth of laser processing, changes in conditions, and time. Therefore, in the hole laser processing apparatus according to the fifth embodiment, by monitoring the processing state, an ideal incident angle can be determined as needed, and appropriate processing can always be performed by following the incident conditions. The monitoring is performed by observing the processed hole from the opening side of the hole 14. Specifically, a coupling monitor 48 and a processing hole observation camera 50 are provided. If the laser beam can be coupled normally in the vicinity of the machining hole and can reach the inside of the machining hole without attenuation, the reflection of the light reaching the bottom of the hole and the light emission during machining at the bottom of the hole should be visible from outside the hole. is there. Therefore, it is possible to determine whether or not the hole bottom can be processed by observing light coming out of the hole and out of the hole. As shown in FIG. 8A, a specific angle θ that is incident at the total reflection angle at the refractive index boundary layer of the inner wall surface of the hole, is introduced into the hole without attenuation, and satisfies the condition of being reflected at the bottom of the hole. The light beam that passes through is reflected brightly in the ring shape 52 corresponding to the specific angle. By detecting this specific angle θ, an optimum incident angle can be obtained. Coupling monitor 48, it can also be used as hole depth detector, which can be fed back to the control of the dimensionless temperature t 1. If the depth of the hole changes, the brightness of the ring and the angle θ also change. However, if the dimensionless temperature t 1 becomes insufficient with respect to the hole depth, the progress of the hole stops and these changes also stop. Therefore, the temperature of the dimensionless temperature t 1 atmosphere fluid, a feedback sensor for measuring the timing of raising a pressure control. Moreover, the opening of the hole 14 on the surface of the processing sample 13 can be observed by the processing hole observation camera 50, and focusing on the hole can be performed.

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。   Using the hole laser processing apparatus and the laser processing method according to the present invention, it is shown by the Light Hill theory that a hole having a radius of 100 μm can maintain convection even at a hole depth of 1 m. In other words, it shows that the machining waste removal performance by convection can be maintained even at such a depth, and a hole having such a depth may actually be opened. Such a high-aspect (about 5000) narrow hole is unprecedented and is expected to contribute to unprecedented manufacturing in various fields. For example, when a large number of pores are provided in a metal material, a light porous material having a very large surface area can be obtained. If the pores are filled with a refrigerant having high heat exchange efficiency, it can be used as a material for heat exchange. When the surface area is simply compared, the hole diameter and the surface area are in inverse proportion even with the same removal volume. Therefore, the heat exchanger that has been processed to have a large-diameter hole or groove can be reduced in diameter by this technique to improve the efficiency.

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。   Further, if fine pores can be freely formed in the bulk transparent material, a microfluidic device such as μTAS can be formed without going through the two-dimensional flow path laminating step. Since the processing method according to the present invention is a physical removal process that does not involve chemical treatment, it is a simple manufacturing method regardless of the material. Therefore, the degree of freedom in designing the fluid device can be increased, and the appearance of a more advanced device can be expected. In addition, high-mix low-volume production that does not assume mass production is possible. For example, in an artificial organ, the density of microchannels simulating capillaries is important, but the thickness of the substrate of the two-dimensional channel defines the limit of integration. With the hole laser processing apparatus and processing method according to the present invention capable of deep hole processing as described above, it is possible to drill such a flow path in the same pattern as an actual capillary blood vessel, which is close to a real organ. This leads to the development of artificial organs. Moreover, improvement of reliability can be expected for power devices such as microthrusters by eliminating the lamination process.

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。   It should be noted that the present disclosure includes appropriately combining any of the various embodiments and / or examples described above, and each of the embodiments and / or examples. The effect which an Example has can be show | played.

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。   In the laser processing apparatus and laser processing method for holes according to the present invention, a deep hole having a high aspect ratio, which is a hole diameter with respect to the hole depth, can be formed for both the transparent material and the opaque material.

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
1 Temperature chamber 2 Heating device 3 Temperature sensor (temperature chamber)
4 Temperature controller 6 Peltier element 7 Temperature sensor (container)
8 Peltier element control unit 10 Sample storage container 11 Wall 12 Window 13 Processing sample 14 Hole 15 Atmospheric fluid 16 Drive unit 18 Stream line 19 Retention unit 20 Hole laser processing device 21 Liquid carbon dioxide (liquefied carbon dioxide) container 22 Carbon dioxide piping 23 Valve 24 MFC (mass flow controller)
25 Leak valve 26 Pressure regulating container 27 Closure valve 28 Heating device 29 Pressure sensor 30 Pressure control unit 31 Discharge piping 32 Leak valve 33 MFC (mass flow controller)
34 Laser light 35 Objective lens 41 Convection 42 Atmospheric fluid (cold part), low temperature layer 43 Atmospheric fluid (warm part), high temperature layer 44 Boundary layer (temperature boundary layer)
45 Axisymmetric polarized beam generator, beam diameter adjuster, beam intensity distribution adjuster 46a, 46b Half mirror 47 Polarization distribution analyzer 48 Coupling monitor 49 Imaging lens 50 Processing hole observation camera 52 Ring-shaped high brightness part 54 Hole diameter

Claims (16)

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t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。
Figure 2018138310
(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、Tは前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、T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。)
A processing sample storage container having a wall for partitioning the outside and the inside, storing a processing sample inside, and having a window portion on the wall through which the laser light can be transmitted to guide the laser light from the outside to the inside When,
An atmospheric fluid pipe for introducing an atmospheric fluid into the processing sample storage container;
A pressure control unit for controlling the pressure inside the processing sample storage container;
A temperature control unit for controlling the temperature inside the processing sample storage container;
A laser optical system for introducing laser light from the outside into the inside through the window;
And the temperature of the ambient fluid inside the processing sample storage container by the pressure control unit and the temperature control unit so that the dimensionless temperature t 1 obtained by the following formula is 300 or more. And a laser processing apparatus for a hole that is capable of controlling a pressure and that forms a hole in the processing sample by causing convection of the atmospheric fluid in the hole formed in the processing sample.
Figure 2018138310
(Where α is the volume expansion coefficient of the ambient fluid, g is the acceleration of gravity, ν is the kinematic viscosity of the ambient fluid, κ is the temperature diffusivity of the ambient fluid, and T 0 is the ambient fluid outside the hole. Temperature, T 1 is the temperature of the inner wall of the hole, a is the radius of the hole, and l is the depth of the hole.)
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。   The pressure control unit and the temperature control unit control the temperature and pressure of the atmospheric fluid inside the processing sample storage container to increase the depth of the hole formed in the processing sample. Accordingly, from the first temperature and pressure condition at a temperature higher than the critical point of the atmospheric fluid and lower than the critical point, the temperature is the same as the temperature of the first temperature and pressure condition and higher than the critical point. After passing through the temperature and pressure conditions of 2, the holes are formed in the processing sample by sequentially shifting to the third temperature and pressure conditions having the same temperature as the first temperature and pressure conditions and the same density as the critical point. The laser processing apparatus for holes according to claim 1. 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。   The laser optical system includes the window under the condition of an incident angle satisfying a total reflection condition in a waveguide structure including a double layer of a central low temperature layer and an inner wall side high temperature layer formed inside a hole formed in the processing sample. The laser processing apparatus for holes according to claim 1 or 2, wherein a laser beam is incident on the processing sample inside from outside through a section. 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。   4. The laser processing apparatus for holes according to claim 3, wherein the laser optical system makes p-polarized laser light incident on the processing sample inside from the outside through the window portion. 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。   The hole laser according to any one of claims 1 to 4, further comprising a camera that captures an image of light extracted from the inside to the outside of the hole formed in the processing sample through the window. Processing equipment. 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。   The hole laser processing apparatus according to claim 5, wherein the laser optical system makes illumination laser light incident on the processing sample inside from the outside through the window portion. 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。   The laser optical system applies a laser beam from the outside to the internal processing sample through the window under the condition of an optimal incident angle to the processing sample detected based on an image captured by the camera. The laser processing apparatus for holes according to claim 5 or 6, wherein light is incident. 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。   The laser processing apparatus for holes according to any one of claims 1 to 7, wherein the atmospheric fluid is a supercritical fluid or a superfluid fluid. 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t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、
Figure 2018138310
(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、Tは前記穴の外側の前記雰囲気流体の温度、T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。
Placing the processing sample in the partitioned area and introducing an ambient fluid around the processing sample;
Controlling the temperature and pressure of the ambient fluid around the processing sample so that the dimensionless temperature t 1 obtained by the following equation is 300 or more;
Figure 2018138310
(Where α is the volume expansion coefficient of the ambient fluid, g is the acceleration of gravity, ν is the kinematic viscosity of the ambient fluid, κ is the temperature diffusivity of the ambient fluid, and T 0 is the ambient fluid outside the hole. Temperature, T 1 is the temperature of the inner wall of the hole, a is the radius of the hole, and l is the depth of the hole.)
Irradiating the processing sample with laser light to cause convection of the atmospheric fluid inside the hole formed in the processing sample, and forming a hole in the processing sample;
A method for laser processing for holes, comprising:
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。   The temperature and pressure of the ambient fluid around the processing sample are controlled, and as the depth of the hole formed in the processing sample becomes deeper, the critical temperature is equal to or higher than the critical point of the ambient fluid. From the first temperature and pressure condition lower than the point, the first temperature and pressure condition passes through the second temperature and pressure condition that is the same as the temperature of the first temperature and pressure condition and higher than the critical point. The hole laser processing method according to claim 9, wherein the hole is formed in the processing sample by sequentially shifting to a third temperature and pressure condition having the same density as the critical point and the same density as the critical point. 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。   A laser beam is applied to the processing sample under the condition of an incident angle satisfying the total reflection condition in the waveguide structure of the double layer of the central low temperature layer and the inner wall side high temperature layer generated inside the hole formed in the processing sample. The laser processing method for holes according to claim 9 or 10, which is incident. 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。   The hole laser processing method according to claim 11, wherein a hole is formed in the processing sample by injecting p-polarized laser light into the processing sample. 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。   The laser processing method for holes according to any one of claims 9 to 12, further comprising a step of capturing an image by light extracted from the inside of the hole formed in the processing sample to the outside. 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。   14. The laser processing method for holes according to claim 13, wherein an image of a laser beam for illumination is incident on the processing sample, and an image is picked up by light extracted from the inside of the hole formed in the processing sample. 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。   The laser processing method for holes according to claim 13 or 14, wherein laser light is incident on the processing sample under a condition of an optimum incident angle to the processing sample detected based on the captured image. 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。   The laser processing method for holes according to any one of claims 9 to 15, wherein a supercritical fluid or a superfluid fluid is used as the atmospheric fluid.
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