JPH07136782A - パルスレーザビームを用いた、透明な材料の内側に像を形成する方法及び装置 - Google Patents

パルスレーザビームを用いた、透明な材料の内側に像を形成する方法及び装置

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JPH07136782A
JPH07136782A JP6124200A JP12420094A JPH07136782A JP H07136782 A JPH07136782 A JP H07136782A JP 6124200 A JP6124200 A JP 6124200A JP 12420094 A JP12420094 A JP 12420094A JP H07136782 A JPH07136782 A JP H07136782A
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transparent material
laser
focusing
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JP6124200A
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I Erokhin Alexander
アレクサンダー・アイ・エローキン
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RUSSIAN TECHNOL GROUP LP
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルスレーザビームを用いて、透明な材料の
内側に像を形成するための方法及び装置を提供すること
を目的とする。 【構成】 回折が制限されたＱスイッチされたレーザを
用いて、レーザビームを発生させる過程と、前記レーザ
ビームの鋭い焦点合わせを行い、前記透明な材料の内側
に寸法を調節可能な微小破壊を形成する過程と、前記透
明な材料の内側の予め設定された点に前記レーザビーム
を周期的に焦点合わせする過程と、前記透明な材料に前
記微小破壊を形成するために十分な前記レーザビームの
電力及びパルス幅を選択する過程と、次の微小破壊を形
成するために、前記透明な材料と前記レーザビームを前
記像が再生される次の点まで相互に変位させる過程とか
らなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、透明な材料を取り扱う
ためのレーザ技術に関し、特にパルスレーザビームを用
いて、透明な材料の内側に像を生み出すための装置及び
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体レーザビームが発生したパルスレー
ザー波を用いて、透明な材料の内側及び表面に様々な像
を生み出す方法及び装置が公知となっている。
【０００３】プレキシグラス（商標）からなる透明な材
料に像を形成する方法の１つが、１９７８年５月３０日
に発行された、国際分類Ｂ２３Ｋ２７／００または国内
分類２１９／１２１の米国特許第４，０９２，５１８号
明細書に開示されている。
【０００４】その方法は以下に示すようなものである。
透明の材料から形成された円筒形の物体が、その平坦な
端部をレーザビームに向けて配置され、１００μ秒から
３００μ秒の範囲のパルス幅のレーザビームが、光学レ
ンズを用いてその物体の内側で焦点を合わせられる。
【０００５】レーザーパルスの効果は、扇形に広がる亀
裂として現われる多数の３次元のマクロな破壊を示す。
【０００６】そのようなマクロな破壊の変形は、物体の
長手方向に沿ったレーザビームの焦点の深さを変更する
ことによって、透明な材料からなる物体内に生み出され
る。マクロな破壊は主に、焦点の周りにランダムに配置
された異なる寸法の皿状の亀裂として形成され、従って
透明な材料の内側に光学的な装飾効果を生み出す。
【０００７】そのような装飾効果は、その物体が照明さ
れているとき、適切に強化される。
【０００８】そのような方法を実施するための装置とし
ては、多重モードの固体自走パルスレーザ及びレーザの
放射の焦点を合わせるための１００mmから２００mmの焦
点距離を備えた集光レンズが挙げられる。直径３５mmか
ら８０mm及び長さ８５mmから２０５mmの透明な材料から
なる円筒形の物体が、レーザを取り扱うために推薦され
る。
【０００９】その技術は、装飾効果を生み出すと共に３
次元の制御不可能な抽象的な形状の像を提供する。
【００１０】更に、この技術は、任意の所望の像を再生
することができず、レーザによって処理される材料内で
発生する制御不可能な性質のマクロな破壊を形成する。
【００１１】他の公知の方法は、レーザビームを用い
て、予め設定された像（例えば光学的なカメラによって
複写された像）を透明な材料の表面に形成するものであ
る。特に、１９８９年６月２７日に発行された米国特許
第４，８４３，２０７号（ＩＰＣ Ｂ２３ｋ２６／００
またはＮＰＣ ２１９／１２１）明細書は、レーザビー
ムを用いて、透明な物質からなる中空の軸対称のキャッ
プ型の製品に装飾部分を形成することが可能な方法及び
装置を開示している。
【００１２】その方法は、透明な材料から形成された製
品を予め所望の状態にする過程を有し、その製品は、装
飾されていない表面の上の少なくとも１．２mmの厚さの
被膜を含み、かつ動作波長でのレーザの放射を７５％以
上吸収するという特徴を有する材料によって形成されて
いる。
【００１３】その被膜は、色ガラス層または貴金属層の
何れかによって形成されている。
【００１４】波長０．５μｍから２．０μｍのレーザビ
ームは、厚い内部の壁を通して中空の製品の外部の吸収
被膜に作用し、外部の表面での相変化を引き起こす。レ
ーザビーム及びビームによって処理される製品は相互に
運動するので、レーザビームはある表面上で焦点を合わ
せられている。
【００１５】その方法を実施するためには、音響光学的
Ｑスイッチである光学レンズと鏡を有することを特徴と
する固体パルスレーザを備えた装置が用いられ、レンズ
及び鏡は、レーザの放射が処理される製品の外側面で焦
点を合わせられ、一方鏡が回転可能となるように、中空
の製品の対称軸に沿って移動可能である。
【００１６】上述された全ての動きは、マイクロコンピ
ュータ及び光学的カメラによって制御かつ監視され、そ
の光学的カメラは、レーザビームによってその製品の外
側面に形成された装飾部分のパターンを複写する。
【００１７】上述された公知の技術が、ガラスを芸術的
に処理するために用いられる場合、ガラスに十分に高い
装飾的な特性を与えることが可能となる。
【００１８】しかし、その技術はいくつかの制限を与
え、例えば、製品は中空かつ最大でも４０mmの厚さの壁
を備えていなければならず、透明な材料から形成された
製品は、その外側面が予め所望の状態に設定されていな
ければならず、かつ再生される像は、その製品の表面の
みに形成される。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、パル
スレーザビームを用いて、透明な材料の内側に像を形成
するための方法及び装置を提供することであり、その像
及び装置の両方は、寸法を調節することのできる微小破
壊を形成できるように改良されており、かつ予め設定さ
れた像を生み出すように材料の所望の点に配置すること
ができる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上述された目的は、パル
スレーザビームを用いて、透明な材料の内側に像を形成
する方法であって、回折が制限されたＱスイッチレーザ
を用いて、レーザビームを発生させる過程と、前記レー
ザビームの鋭い焦点合わせを行い、前記透明な材料の内
側に寸法を調節可能な微小破壊を形成する過程と、前記
透明な材料の内側の予め設定された点に前記レーザビー
ムを周期的に焦点合わせする過程と、前記透明な材料に
前記微小破壊を形成するために十分な前記レーザビーム
の電力及びパルス幅を選択する過程と、次の微小破壊を
形成するために、前記透明な材料と前記レーザビームを
前記像が再生される次の点まで相互に変位させる過程と
を有することを特徴とする透明な材料の内側に像を形成
する方法を提供することによって達成される。
【００２１】
【作用】上述された問題は、パルスレーザビームを用い
た透明な材料の内側に像を形成するための方法を提供す
ることによって解決され、この方法に基づけば、レーザ
ビームは透明な材料の予め設定された点に周期的に焦点
を合わせられ、レーザビームのパルス幅及び電力は、材
料内に破壊を発生させるために十分な値に設定される。
本発明に基づく、処理される材料に寸法を調節可能な微
小な破壊を生み出すべくレーザビームを正確に焦点合わ
せするＱスイッチレーザの回折が制限されたビームを生
み出すための現在の技術的な解法は明らかではない。各
レーザショットの後に、材料及びレーザビームは像が再
生される次の点へ相対的に変位させられる。
【００２２】提案された方法を実現するために回折が制
限された放射源として単一モードのＴＥＭ００のＱスイ
ッチ固体レーザを用いることが推薦される。
【００２３】発散レンズを用いて、レンズの半径に対す
る予め調節可能な焦点はずれを実施することによって、
鋭いレーザビームの焦点合わせを実施することがより好
ましく、発散レンズの焦点距離は、焦点レンズの実際の
口径を決定し、これによって焦点での放射強度を一定に
保持しながら、レーザの放射エネルギーを変更すること
が可能となり、従って、レーザビームの焦点での微小な
破壊の寸法が制御される。パルスレーザビームを用いて
透明な材料の内側に像を形成する、提案された方法を実
施するための装置は、パルスレーザと、レーザビームを
材料の内側で焦点合わせし焦点をレーザビームに沿って
移動するように適合した光学レンズと、レーザビームと
材料とを互いに変位させる機械的な駆動手段と、レーザ
と機械的な駆動手段に機能的に接続されたコンピュータ
とを有する。本発明に基づけば、装置内で用いられるパ
ルスレーザは、回折が制限されたＱスイッチレーザであ
り、可変焦点距離の焦点はずれレンズが、パルスレーザ
と焦点レンズの間に挿入されており、この焦点はずれレ
ンズは、焦点レンズの実際の口径の占有を変更するよう
に適合されている。透明な材料とレーザビームを相対的
に変位させる機械的な駆動手段は、１軸及び２軸動作機
構として形成されている。
【００２４】ミクロ的な破壊の特性を調節することによ
って、種々の形状及び例えば硬度などの機械的な特性を
備えた透明な材料に予め設定された模様の３次元又は２
次元の像を形成することが可能である。
【００２５】
【実施例】本発明は、添付の図面を参照して以下の本発
明の更に特定された実施例の説明から一層明らかとな
る。
【００２６】提案された方法の本質をよりよく理解する
ために、図１に示された、提案された方法を実施するた
めの装置の模式図について始めに考慮することが好都合
である。
【００２７】この装置は、定位置に固定された固体パル
スレーザ１と、レーザビーム３の軸上に固定された可変
焦点距離の焦点はずれ発散レンズ２と、アクチエータ５
によって前記軸に沿って移動することが可能なレーザビ
ーム３の軸上に配置された焦点レンズ４と、焦点合わせ
されたレーザビーム３の通路を横切って配置された透明
な材料の標本６とを有し、標本６は駆動部７によってレ
ーザビーム３と直交する平面上で移動可能である。
【００２８】駆動部７は、公知の構造のプロッタからな
る。
【００２９】コンピュータ８は、パルスレーザ１と、焦
点レンズ４及び標本６を変位させるためのアクチエータ
５及び駆動部７との動作を制御するために提供されてい
る。更に、コンピュータ８は、可変焦点距離の公知のカ
メラ用レンズと同様な焦点はずれ発散レンズの焦点距離
を制御する。
【００３０】本発明の目的に最も適したレーザは、ＴＥ
Ｍ００レーザである。
【００３１】レーザは、所定の電力に対して最も明るい
放射を発散するものが選択される。
【００３２】電力に対する明るさの比が低いレーザを用
いることは、自動焦点という望まれない効果をもたら
す。レーザを放射する電力が、自動焦点の閾値を超える
ことによって、レーザビームが複数の糸状の脈理内に自
動トラッピングされるということが明らかにされてい
る。この欠点を防止するために、レーザを放射する電力
は自動焦点の閾値以下に抑えられなければならない。
【００３３】焦点でブレークダウンを開始させるために
は、任意の点で閾値ブレークダウン強度を超える必要が
ある。このような条件から、ここで選択されるレーザ
は、焦点構造を変化させることなしに、焦点での最も高
い強度と放射電力との比を有する。
【００３４】選択された形式のレーザの他の固有の特徴
は、鋭い放射ビームの焦点合わせの最も高い可能性を用
いることであり、その特徴は図２に模式的に例示されて
いる。
【００３５】装置の通常の動作に必要な鋭い放射ビーム
の焦点合わせは、以下のように実行される。
【００３６】直径Ｄを有するレーザの放射ビーム３は、
焦点はずれレンズ２に入射し、レンズ２から発散しなが
ら放出され、直径Ｄの焦点合わせレンズ４の口径内に達
する。ここでＤは以下の式で与えられる。
【００３７】Ｄ＝ｄ（Ｌ＋ｆ）／ｆ ここでＬはレンズ間の距離を表し、ｆは焦点合わせレン
ズの焦点距離を表している。
【００３８】レンズ４によって収差の無い焦点合わせを
行う場合、焦点の寸法は次の式で特徴づけられる。
【００３９】（λ／Ｄ）×Ｆ ここでλは使用されるレーザの波長を表しており、Ｆは
焦点合わせレンズの焦点距離を表している。
【００４０】焦点９でのレーザ放射の強度は次の式から
求められる。
【００４１】Ｉ＝Ｐ／Ｓ ここでＰはレーザ放射の電力を表し、Ｓは焦点の実行面
積を表している。
【００４２】この式から、レーザの放射の強度は次の値
に比例することがわかる。 （Ｐ／λ2）×（Ｄ／Ｆ）2
【００４３】多重モードレーザの焦点での放射強度の値
を計算する場合、上述された表現は、ビームの発散と、
使用されたレーザの回折が制限された発散との比の２乗
に分割される。焦点合わせの損失を放射電力を増加する
ことによって補うことにより、自動焦点によって消費さ
れる電力が増加することになる。上述された表現の第２
の因子の増加は、焦点合わせレンズ４の収差によって制
限されている。
【００４４】括弧内の関係Ｄ／Ｆは、焦点合わせの鋭さ
を定義し、その結果、任意の放射電力に対する焦点での
最大のレーザ放射強度は、単一モードのレーザビームの
最も鋭い収差のない焦点合わせによって達成されること
になる。
【００４５】焦点合わせ発散レンズ２の焦点距離Ｆが短
くなるに従い、レーザ放射の焦点合わせがより鋭くな
り、かつレーザ放射の強度がより高くなる。即ち、焦点
でのレーザによって誘導されたブレークダウンの所望の
強度を、少ない消費電力によって達成することが可能と
なり、その結果より寸法の小さいレーザによって破壊面
積を誘導することが可能となる。
【００４６】従って、レンズ３の焦点距離と、透明な材
料から形成された標本６内の破壊領域の寸法を制御する
ことのできるレーザの発散電力を調節することによっ
て、ハーフトーンの像を再生することが可能となる。
【００４７】主に、光を透過させる材料内に３次元また
は２次元の像を形成する提案された技術は、各々の撮影
の前に、レーザビームの焦点合わせの鋭さ及びレーザビ
ームの放射電力を変更することによって、レーザ１を手
動で制御して使用することができる。しかし、その場合
の像形成過程は生産性の低いものとなる。像の形成過程
の生産性をあげるために、システムの動作を監視するコ
ンピュータが導入され、このコンピュータが導入された
過程は、図３及び図４に例示された模式図の詳しい説明
によって例示される。
【００４８】再生されるべき物体の像１０は、軸Ｚによ
って定義された平行な平面１１によって形成された複数
の部分としてコンピュータ８のメモリ内に書き込まれて
いる。各セクション１１は、平面（Ｘ、Ｙ）の上に配置
され互いに隣接した画素（点）の列として表現される。
【００４９】透明な材料の標本６の内側への像１０の転
送と、像１０の複製１２の再生は、レーザビーム３を用
いて、像１０の３次元の空間の各点１３を、標本６の各
々の点１４へ連続して表現することによって行われる。
像１０を転送する過程は、最も低い区分１１から始め
て、各区分１１ごとに像を転送することによって実施さ
れる。コンピュータ８によって制御されたアクチエータ
５と駆動部７は、レーザビーム３の焦点を標本６の内側
の点１４と一致させ、所定の寸法の微小な破壊を形成す
るために必要な値に焦点はずれ発散レンズ２の焦点距離
を調節し、コンピュータ８は、ブレークダウンに十分な
電力を備えたパルスを発生させるようにレーザ１を制御
し、次に同じ区分１１の次の点を再生するために標本６
が駆動部７によって変位させられる。
【００５０】区分１１の点１３の再生を完了したとき、
コンピュータ８は、レンズ４を次の隣接する区分１１の
レーザビームの焦点合わせに対応する位置へ変位させる
ために、アクチエータ５をガイドする。更に、この過程
が上述された順序で継続される。
【００５１】透明な材料の標本内に、３次元の像ではな
く、平坦な（２次元の）像を形成することが必要な場
合、所望の像に対応するコンピュータ８のプログラム内
の単一の区分を用いるだけで十分なことは明らかであ
る。
【００５２】本明細書に開示された記述によって、種々
の機械的な特性を備えた種々の形状の透明な材料を取り
扱うことが可能となることが以下に説明される。それら
の材料には、有機ガラス及び無機ガラス、着色された結
晶を含む天然の結晶及び合成結晶が含まれ、着色された
結晶は、透明な高分子材料及び広い空隙を有する半導体
と同様にレーザビームの伝達を大きく減少するものでは
ない。
【００５３】本発明の方法を用いた、特定の光を透過さ
せる材料を処理する例が以下に示されている。
【００５４】例１．３次元の像が、波長１．０６μｍの
光に対する屈折率１．５０５を有する珪酸ガラスからな
る標本内に形成されている。
【００５５】標本は、その寸法が数cm（１０cm以内）の
側面を備えた立方体であり、かつレーザビームが通過す
る側面の表面は平坦かつ滑らかであることを特徴として
いる。
【００５６】使用されるＴＥＭ００放射は、波長１．０
６μｍ及び１５ナノ秒程度のパルス幅と、５ｍＪから１
５ｍＪの範囲の放射エネルギーのＮｄ：ＹＡＧレーザに
よって放射されている。
【００５７】レーザビームの鋭い焦点合わせは以下に説
明される方法によって実施される。焦点の寸法は、２cm
から５cmの焦点距離を備えた焦点レンズによって調節さ
れ、一方焦点レンズの実際口径は、５mmから１５mmの範
囲で変化し、焦点レンズの焦点距離は焦点の寸法に適切
に影響を与え、従って標本内の破壊された領域に影響を
与える。
【００５８】破壊された領域の寸法は０．１mmから０．
４mmの間で変化する。空白の内側にこのようにして形成
された３次元の像は、複数の点によって構成されてい
る。
【００５９】例２．３次元の像は基層内で成長させら
れ、かつ波長１．０６μｍの光に対して屈折率１．４５
を有する合成結晶の標本内に形成される。数cm（１０cm
以内）の寸法の側面を備えた立方体の標本は、処理され
る間にその平坦な側面の１つをレーザビームに向けるよ
うに配置されている。
【００６０】ＴＥＭ００放射は、１０ｍＪから３０ｍＪ
の範囲の放射エネルギーと、１．０６μｍの波長と、１
５ナノ秒のパルス幅を備えたＮｄ：ＹＡＧレーザによっ
て放出される。
【００６１】レーザビームの鋭い焦点合わせは、上述さ
れた方法によって実施される。焦点距離は、２cmから５
cmの焦点距離を備えた焦点レンズを用いて調節される。
焦点レンズの実際の口径は５mmから１５mmの範囲で変化
し、破壊された領域の寸法は０．１mmから０．４mmの範
囲で変化する。
【００６２】このようにして標本内に形成された３次元
の像は、複数の点から構成されている。
【００６３】最も純粋でかつ光学的に強い透明な材料を
取り扱う場合に等しい結果を得るためには、レーザの放
出パルスの電力は、珪酸ガラスを処理するために用いら
れた放出電力の２倍を超えない範囲で増加されなければ
ならない。
【００６４】透明な高分子材料を取り扱う場合、レーザ
の放出パルスの電力は、珪酸ガラスを処理する場合に加
えられた放射電力と等しい程度の振幅まで減少させるこ
とができる。
【００６５】本発明を工業的な用途について説明してき
たが、本発明は、クリスタルガラスの外側及び内側を彫
刻するばかりでなく、ガラスを美術的に処理するために
も用いることができる。
【００６６】
【発明の効果】本発明によれば、パルスレーザビームを
用いて、透明な材料の内側に像を形成するための方法及
び装置が提供され、その像及び装置の両方は、寸法を調
節することのできる微小破壊を形成できるように改良さ
れており、かつ予め設定された像を生み出すように材料
の所望の点に配置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく、レーザビームを用いた透明な
材料の内側に像を形成する方法を実施するための装置の
ブロック図。
【図２】本発明によって提案された方法を実施するため
の、パルスレーザビームの鋭い焦点合わせの模式図。
【図３】コンピュータの記憶装置内に記憶された像を表
す模式図。
【図４】透明な材料の１つの標本の内側に、レーザビー
ムによって形成された、コンピュータの記憶装置内に記
憶された像の複写を再生した様子を表す模式図。
【符号の説明】
１ 固体パルスレーザ ２ 発散レンズ ３ レーザビーム ４ 焦点レンズ ５ アクチエータ ６ 標本 ７ 駆動部 ８ コンピュータ ９ 焦点 １０ 像 １１ 平面 １２ 像１０の複製 １３ レーザビーム３を用いた点 １４ 標本６の点

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パルスレーザビームを用いた、透明な
    材料の内側に像を形成する方法であって、 回折が制限されたＱスイッチレーザを用いて、レーザビ
    ームを発生させる過程と、 前記レーザビームの鋭い焦点合わせを行い、前記透明な
    材料の内側に寸法を調節可能な微小破壊を形成する過程
    と、 前記透明な材料の内側の予め設定された点に前記レーザ
    ビームを周期的に焦点合わせする過程と、 前記透明な材料に前記微小破壊を形成するために十分な
    前記レーザビームの電力及びパルス幅を選択する過程
    と、 次の微小破壊を形成するために、前記透明な材料と前記
    レーザビームを前記像が再生される次の点まで相互に変
    位させる過程とを有することを特徴とする透明な材料の
    内側に像を形成する方法。
  2. 【請求項２】 前記回折が制限されたＱスイッチレー
    ザが、固体単一モードＴＥＭ００レーザからなることを
    特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 発散レンズを用いて、前記レーザの放
    射の焦点はずれを予め行うことによって、前記レーザビ
    ームの前記鋭い焦点合わせを行う過程と、 前記焦点レンズの実際の口径を調節するために、前記発
    散レンズの焦点距離を変更する過程と、 前記レーザの電力と前記焦点レンズの前記実際の口径を
    同時に変更することによって、前記レーザビームの前記
    焦点の破壊された領域の寸法を調節する過程とを有する
    ことを特徴とする請求項１若しくは２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 パルスレーザビームを用いて、透明な
    材料の内側に像を形成する装置であって、 回折を制限されたＱスイッチパルスレーザと、 前記透明な材料の内側の前記レーザの放射の焦点を合わ
    せる焦点レンズと、 前記焦点レンズを前記レーザビームに沿って変位させる
    ための単軸のアクチエータと、 可変焦点距離を有し、パルスレーザと前記焦点レンズと
    の間に挿入され、前記焦点レンズの前記実際の口径の占
    有を変更するときに使用される焦点はずれ発散レンズ
    と、 前記透明な材料を変位させるための２軸駆動部と、 前記パルスレーザと、前記アクチエータと、前記駆動部
    とに機能的に接続された計算機とを有することを特徴と
    する透明な材料の内側に像を形成する装置。
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