JP2005205464A - レーザ加工法、構造物および光学素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ装置から発振されたレーザ光を回折光学素子、集光レンズを経て、被加工物体に集光させて、物体中に異質相を形成する加工法であって、発振されたレーザ光が半値全幅130nm以内スペクトル幅をもつパルスレーザ光であり、さらに回折光学素子は、集光レンズ透過後のその回折光の集光点が被加工物体において少ない色収差で連続的に繋がっているような格子構造を有する回折光学素子であるレーザ加工法とする。
【選択図】なし
Description
図10は、従来のレーザ光走査による高屈折率領域の形成における特性を示す図であり、(A)は高屈折率領域の形状を示す概念図、(B)は高屈折率領域の偏心量を示すグラフ、(C)は高屈折率領域の外径変動量を示すグラフである。
さらに、回折光学素子が設計どおりに作成されていることを確認するためには、一般によく用いられるレーザ光プロファイラでは不十分であり、レーザ光の波面を測定する特殊な装置が必要である。
レーザ装置が、発振波長がスペクトル幅をもつパルスレーザ装置の場合には、パルスレーザ装置から発振されたレーザ光スペクトルの半値全幅が130nm以内であり、レーザ装置が単色光発振のCWレーザ装置またはパルスレーザ装置の場合には、少なくとも2つのレーザ装置が用いられ、レーザ装置から発振されたそれぞれのレーザ光のうち最長波長と最短波長との差が130nm以内であり、また回折光学素子は、回折光学素子に入射したのち集光レンズにより集光されたレーザ光の集光点が、被加工物体において連続的、または離散的な異質相を形成する、格子構造を有する回折光学素子である、ことを特徴とするレーザ加工法を提供する。
レーザ光が、発振波長がスペクトル幅をもつパルスレーザ光の場合、レーザ光スペクトルにおける任意の波長の中心波長λからのずれ量を△λ、レーザ光が単色発振のCW光またはパルスレーザ光の場合、複数のレーザ光のうち最長波長λLと最短波長λSとの差を△λ、とし、△λの変化に対する集光レンズの焦点距離のずれ量を△fとするとき、ZLの変化量△ZL=(L−fb)2×△f/(L−fb−f)2−fb×f2×△λ/{(L−fb−f)2×λ}の大きさが、集光レンズの焦点深度DFの1.5倍以下であり、かつy´の変化量△y´=M×{(L−fb)△ZL−fb×ZL×△λ/λ}/(L−fb)2の大きさが、入射瞳によるエアリーディスク半径Raの2倍以下となり、さらに、入射瞳位置でのレーザ光の最大半径RA´=(L−fb)×d/fb+L×M/fbが入射瞳半径Eよりも小さくなるように、fb、f、△f、xの条件で加工する上記のレーザ加工法を提供する。
さらに、本発明の方法において回折光学素子と集光レンズとの相対的な位置を変えることで形成される異質相の大きさを制御でき、製造の許容誤差を向上させることができる。
回折光学素子を用いた異質相の形成法(パターニング法)の基本的な光学配置の概念図を図1(A)に示す。図1(A)においては、回折光学素子2は透過型の素子であり、回折光学素子2によって透過回折された入射レーザ光1は集光レンズ3により、被加工材料4の集光部(点)5に集光され結像する。このような照射・光学系をそのまま、超短パルスレーザ装置、および波長の異なる複数のレーザ装置による透明体内部の異質相の形成に利用する場合における問題点を説明する。
加工空間でどのようなレーザ光の集光形状になるかは、回折光学素子3を正の分散をもつレンズとして設計すればよく、分散をもつ集光レンズ3によってどのように結像できるかは幾何光学において近軸近似を仮定して簡単に計算できる。たとえば、使用するレーザ光の中心波長をλ、平行な入射レーザ光1の半径をdとする。ここで、レーザ光の半径とは、レーザ光強度が1/e2となるレーザ光の光束の半径をいう。レーザ光の外径の場合も同様にレーザ光強度が1/e2となるレーザ光の光束の外径の値をいう。
また、M=2RaDOEとしたときのyの値は、どれくらい細かな集光形状を形成できるか、という分解能の尺度になる。ここで、そのときのyの値をRes分解能指数として分解能の尺度とすると、式(20)となる。
焦点Pと光軸との距離Mがエアリーディスクの直径2RaDOEと同程度になると、径方向に細かな強度分布をつけることが難しくなり加工物体の形状の自由度が下がるため好ましくない。式(31)のとおりMを2RaDOEの要素数Elt倍であるとする。
M=2RaDOEとしたときのyの値は、どれくらい細かな集光形状を形成できるか、という分解能の尺度になる。ここで、そのときのyの値をRes´分解能指数として分解能の尺度とすると、
Res´は小さいほうが好ましく、好ましくは2以下、より好ましくは1.5以下、さらに好ましくは1以下である。Res´が2よりも大きいと、被加工物体に形成される集光形状を微細にすることができず、その結果形成される異質相も微細化できないため好ましくない。
また、Lを変化させる機構を具備することが好ましい。Lを変化させることで形成物となる異質相の大きさを制御できる。これにより微妙な加工寸法の調整ができるため好ましい。
・内部からのクラック発生を低減する効果
・発生したクラックの進行方向を変える効果
・発生したクラックの伸展を抑制する効果
このような異質相は、材料の強度を向上させる補強部をなす。このような内部に補強部を有する材料、特に透明材料は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ELディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ用の薄板ガラス基板に代表される情報処理分野、窓ガラスなどの建築分野、自動車用ガラスに代表される輸送機器分野、太陽電池用のガラス基板に代表されるエネルギー分野などで好ましく使用される。本発明の方法によれば、材料を所望の形状に加工した後で、材料の内部の所望の位置に所望の形状をした補強部をレーザ光の照射により一括して形成できるため、材料を加工する前に、予め補強部を設けたりする手順を必要とせず、また、従来のレーザ光を照射して補強部を形成する方法のように、集光点を走査させる手順を必要とせず、材料の製造スループットが向上されている。
図11に,本実施例で用いたレーザ加工装置の形態を示す。これは、請求項3に記載される第1の好ましい配置に従うものである。レーザ装置27として、チタンサファイア・レーザ装置を用いた。パルス時間幅40fs、スペクトル幅(半値全幅)が40nm、レーザ光直径8mmの装置を用いた。レーザ装置27は分散制御装置28を具備しており、アップチャーピングおよびダウンチャーピングをもつパルス時間幅40fsから2000fsまでのレーザパルス光を発生させることができる。1パルスあたりのエネルギーは5.7μJである。
図11に示す配置と同じ配置のレーザ加工系を表2に示すパラメタで構築した。入射レーザ光のパルス時間幅150fs、スペクトル幅10nm(FWHM)を用いたところ、式(1)〜(20)によって表2の結果を得た。いずれの場合も△Zmの大きさおよび△yの大きさの最大値や、RA、Elt、Resの条件を満たすため十分な加工ができる。
図11に示す配置と同じ配置のレーザ加工系を構築し、図15に示す回折光学素子単体で形成される集光形状を有する素子を用いる。この回折光学素子の焦点の光軸成分fbは2000mm、Mは最大で2.5mmである。
図11に示す配置と同じ配置で、図17に示す回折光学素子単体で形成される集光部を有する素子を用いた。この回折光学素子の焦点の光軸成分fbが900〜1200mm、Mが最大で1.58mmである。焦点の光軸成分1000mmのXY平面に2本の直線構造があり、片方の直線からは光軸方向の前後に直線が伸びている。
図19に、本実施例で用いたレーザ加工装置の形態を示す。これは請求項11に記載される第2の好ましい配置に従うものである。この配置でレーザ加工系を表3に示すパラメタで構築した場合を考える。入射レーザ光のパルス時間幅150fs、スペクトル幅10nm(FWHM)を用いて、式(21)〜(32)によって計算すると、表3の結果を得た。いずれの場合も△ZLの大きさおよび△y´の大きさの最大値や、RA、Elt、Res´の条件を満たすため十分加工が可能である。
図11に示す配置と同じ配置でレーザ加工系を表4に示すパラメタで構築し、入射レーザ光のパルス時間幅150fs、スペクトル幅10nm(FWHM)を用いると、式(1)〜(16)によって表4の例9、10に示す計算結果を得た。例9の場合は△Zmの大きさの最大値が、1.5×DFよりも大きくなった。この集光形状で加工すると、異質相が目標値よりも大きくなることもあり好ましくない。例10の場合はRAがEよりも大きくなったため、レーザ光の光束が集光レンズの入射瞳で遮られて結像が乱れて好ましくない。
図19に示す配置と同じ配置でレーザ加工系を表5に示すパラメタで構築し、入射レーザ光のパルス時間幅150fs、スペクトル幅10nm(FWHM)を用い、式(21)〜(28)によって計算すると、表5の例11、12に示す結果を得た。例11の場合は△ZLの大きさの最大値が、1.5×DFよりも大きくなった。この集光形状で加工すると、異質相が目標値よりも大きくなることもあり好ましくない。例12の場合はRA´がEよりも大きくなったため、レーザ光の光束が集光レンズの入射瞳で遮られて結像が乱れて好ましくない。
2:回折光学素子
3:集光レンズ
4:被加工物体
5:集光部(点)
6:光束
7:中心波長の集光部
8:中心波長からずれた波長の集光部
9:集光レンズの入射瞳
10:平行光に対するレンズの集光位置(レンズ焦点)
11:レンズ焦点よりも奥の集光点
12:レンズ焦点よりも手前の集光点
13:回折光学素子の有効範囲
15:光導波路の回路部分
15a、15b:光結合部
15c:Y分岐部
16:光導波路の回路部分のギャップ
17:方向性結合器構造
18:Y分岐導波路構造
19:マッハツェンダ干渉器構造
20:リング共振器構造
21:形成された異質相
22:材料の走査方向
23:回折格子
24:フレネルレンズ素子
25:ホログラム素子
26:光ファイバ
27:レーザ装置
28:分散制御機構
29:回折素子単体での集光部
Claims (15)
- レーザ装置から発振されたレーザ光を回折光学素子に入射し、回折光学素子により回折されたレーザ光を集光レンズにより集光し、集光されたレーザ光を被加工物体の表面または内部に集光点を有するように照射して、被加工物体の集光点の部位における材質を変化させてことにより、被加工物体に二次元的または三次元的形状の異質相を形成するレーザ加工法において、
レーザ装置が、発振波長がスペクトル幅をもつパルスレーザ装置の場合には、パルスレーザ装置から発振されたレーザ光スペクトルの半値全幅が130nm以内であり、
レーザ装置が単色光発振のCWレーザ装置またはパルスレーザ装置の場合には、少なくとも2つのレーザ装置が用いられ、レーザ装置から発振されたそれぞれのレーザ光のうち最長波長と最短波長との差が130nm以内であり、
また回折光学素子は、回折光学素子に入射したのち集光レンズにより集光されたレーザ光の集光点が、被加工物体において連続的、または離散的な異質相を形成する、格子構造を有する回折光学素子である、
ことを特徴とするレーザ加工法。 - 前記レーザ装置が、発振波長がスペクトル幅をもつパルスレーザ装置であって、前記パルスレーザ装置が発振するパルスレーザ光のパルス時間幅がチャーピングのない状態で10fs〜10psである請求項1に記載のレーザ加工法。
- 回折光学素子の任意の1つの焦点をPとし、Pと光軸との距離をM、Pから光軸へ下ろした垂線と光軸との交点から回折光学素子の後側主点までの距離、すなわち回折光学素子の焦点距離の光軸方向成分をfb、回折光学素子のPに対応する後側主点と集光レンズの前側主点との距離をx、レーザ光の半径をd、レーザ光が回折光学素子を通過後集光レンズにより集光されるPに対応する焦点をP´、P´と光軸との距離をy、P´から光軸へ下ろした垂線と光軸との交点からレンズの後側主点までの距離をZm、集光レンズの焦点距離をfとし、また、
レーザ光が、発振波長がスペクトル幅をもつパルスレーザ光の場合、レーザ光スペクトルにおける任意の波長の中心波長λからのずれ量を△λ、
レーザ光が単色光発振のCW光またはパルスレーザ光の場合、複数のレーザ光のうち最長波長λLと最短波長λSとの差を△λ、
とし、△λの変化に対する集光レンズの焦点距離のずれ量を△fとするとき、
Zmの変化量△Zm=−A×△λ+B×△fの大きさが集光レンズの焦点深度DFの1.5倍以下であり、かつyの変化量△y=C×△λ+D×△fの大きさが、入射瞳によるエアリーディスク半径Raの2倍以下となり、
さらに、入射瞳位置でのレーザ光の最大半径RA=x×M/fb+d×(1−x/fb)が入射瞳半径Eよりも小さくなるように、
fb、f、△f、xの条件を変化させて加工する請求項1または2に記載のレーザ加工法。
ただし、A=f2×fb/(fb−x+f)2/λ
B=(fb−x)2/(fb−x+f)2
C=M×{(f−x)×(Zm/λ−A)+f×x/λ}/(f×fb)
D=M×{x×Zm+(f2−x×f)×B}/(f2×fb)、である。 - 前記M、d、fb、yおよびRaを用いて、Elt=M×d/(2×0.61×λ×fb)と定義される要素数Eltが3以上、かつRes=y/(Elt×2Ra)と定義される分解能指数Resが2以下である請求項3に記載のレーザ加工法。
- 前記fbが50mm以上、3000mm以下の範囲にある集光点の集合により構成される請求項3または4に記載のレーザ加工法。
- 前記集光レンズの前側主点と前記回折光学素子の後側主点との距離xが上記fbの0.05倍以上、0.7倍以下である請求項3、4または5に記載のレーザ加工法。
- 前記集光レンズの前側主点と前記回折光学素子の後側主点との距離xを変える機構を具備し、xを変えることにより被加工物体に形成される異質相の大きさを制御する請求項3から6までのいずれか1項に記載のレーザ加工法。
- 回折光学素子の任意の1つの焦点をPとし、Pと光軸との距離M、Pから光軸へ下ろした垂線と光軸との交点から回折光学素子の後側主点までの距離、すなわち回折光学素子の焦点距離の光軸方向成分をfb、回折光学素子のPに対応する後側主点と集光レンズの前側主点との距離をL、レーザ光の半径をd、レーザ光が回折光学素子を通過後集光レンズにより集光されるPに対応する焦点をP´とし、P´と光軸との距離をy´、P´から光軸へ下ろした垂線と光軸との交点から集光レンズの後側主点までの距離をZL、集光レンズの焦点距離をfとし、また、
レーザ光が、発振波長がスペクトル幅をもつパルスレーザ光の場合、レーザ光スペクトルにおける任意の波長の中心波長λからのずれ量を△λ、
レーザ光が単色発振のCW光またはパルスレーザ光の場合、複数のレーザ光のうち最長波長λLと最短波長λSとの差を△λ、
とし、△λの変化に対する集光レンズの焦点距離のずれ量を△fとするとき、
ZLの変化量△ZL=(L−fb)2×△f/(L−fb−f)2−fb×f2×△λ/{(L−fb−f)2×λ}の大きさが、集光レンズの焦点深度DFの1.5倍以下であり、かつy´の変化量△y´=M×{(L−fb)△ZL−fb×ZL×△λ/λ}/(L−fb)2の大きさが、入射瞳によるエアリーディスク半径Raの2倍以下となり、
さらに、入射瞳位置でのレーザ光の最大半径RA´=(L−fb)×d/fb+L×M/fbが入射瞳半径Eよりも小さくなるように、
fb、f、△f、xの条件で加工する請求項1または2に記載のレーザ加工法。 - 上記のM、d、fb、y´およびRaを用いて、Elt=M×d/(2×0.61×λ×fb)と定義される要素数Eltが3以上、かつRes´=y´/(Elt×2Ra)と定義される分解能指数Resが2以下である請求項8に記載のレーザ加工法。
- 前記回折光学素子の焦点距離の光軸方向成分fbが50mm以上、2500mm以下の範囲にある集光点の集合により構成される請求項8または9に記載のレーザ加工法。
- 前記集光レンズの前側主点と前記回折光学素子の後側主点との距離Lが上記fbの1.1倍以上、8倍以下である請求項8、9または10のいずれか1項に記載のレーザ加工法。
- 前記集光レンズの前側主点と前記回折光学素子の後側主点との距離Lを変える機構を具備し、前記Lを変えることにより被加工物体に形成される異質相の大きさを制御する請求項8から11までのいずれか1項に記載のレーザ加工法。
- 請求項1から12までのいずれか1項に記載のレーザ加工法を、集光されたレーザ光に対して被加工物体を相対的に移動させて用いるレーザ加工法。
- 請求項1から13までのいずれか1項に記載のレーザ加工法が用いられて、被加工物体に形成された異質相を有することを特徴とする構造物。
- 請求項14に記載の構造物を備え、前記構造物は光機能を有していることを特徴とする光学素子。
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