JP2006018051A - パルス光照射装置及びパルス光照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバなどの光伝送手段を用いてパルス光を照射対象物へと好適に照射することが可能なパルス光照射装置、及びパルス光照射方法を提供する。
【解決手段】 所定波長のパルス光を供給するパルスレーザ光源１０と、パルス光を照射対象物Ｓへと伝送するマルチモードファイバ１５とを用いてパルス光照射装置１Ａを構成する。また、マルチモードファイバ１５の入力側に、パルス光源１０からファイバ１５へと入力されるパルス光の時間波形を広げる入力側パルス光制御部３０を設置し、その出力側に、ファイバ１５から出力される出力パルス光の時間波形を縮めて、所望の波形を有する照射パルス光を生成する出力側パルス光制御部４０を設置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照射対象物へとパルス光を照射するパルス光照射装置、及びパルス光照射方法に関するものである。

近年、パルスレーザ光源において、フェムト秒領域の超短パルスレーザ光源の開発が進められている。このようなレーザ光源によって生成されるフェムト秒パルス光を産業上の様々な分野に応用するため、その光学系の簡略化、あるいは操作性の向上の観点から、光ファイバによるパルス光伝送が検討されている。また、一般的な光ファイバを用いたレーザ光の伝送については、特許文献１、２にマルチモードファイバを用いたＣＷレーザ光の伝送に関する記載がある。
特開平８−１６７７５４号公報 特開平１１−１４８６９号公報

パルスレーザ光の利用分野の１つとして、レーザ加工装置がある。このようにフェムト秒パルス光などのパルスレーザ光を用いた加工装置では、加工効率の向上などのため、加工対象物に対して大強度のパルス光を照射することが必要となる場合がある。一方、光ファイバによって大強度のパルス光を伝送させた場合、空間的、時間的に高密度なパルス光による光ファイバの損傷等が問題となる。

すなわち、フェムト秒パルス光などの短パルス光では、光のピーク強度が非常に大きいため、光ファイバが熱損傷などによる損傷を受けてしまう。また、このようなパルス光では、その大強度のため、伝送に用いられる光ファイバの石英材料において非線形光学効果による屈折率変化が生じる。光ファイバでの屈折率変化が発生すると、パルス光が余分な位相変調を受けるなど、良好な伝送条件でパルス光を伝送することができない。このような問題は、加工装置以外のパルス光照射装置においても同様に生じる。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、光ファイバなどの光伝送手段を用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を照射対象物へと好適に照射することが可能なパルス光照射装置、及びパルス光照射方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明によるパルス光照射装置は、（１）所定波長のパルス光を供給するパルス光源と、（２）パルス光を照射対象物へと伝送する光伝送手段と、（３）光伝送手段に対して入力側に設置され、パルス光源から光伝送手段へと入力されるパルス光の時間波形を広げる入力側パルス光制御手段と、（４）光伝送手段に対して出力側に設置され、光伝送手段から出力される出力パルス光の時間波形を縮めて、所望の波形を有する照射パルス光を生成する出力側パルス光制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明によるパルス光照射方法は、（ａ）所定波長のパルス光を照射対象物へと伝送する光伝送手段に対し、パルス光を供給するパルス光供給ステップと、（ｂ）光伝送手段の入力側において、光伝送手段へと入力されるパルス光の時間波形を広げる入力側パルス光制御ステップと、（ｃ）光伝送手段の出力側において、光伝送手段から出力される出力パルス光の時間波形を縮めて、所望の波形を有する照射パルス光を生成する出力側パルス光制御ステップとを備えることを特徴とする。

上記したパルス光照射装置及び照射方法においては、パルス光の伝送に光ファイバなどの光伝送手段を用いている。これにより、パルス光源から照射対象物へとパルス光を効率良く確実に伝送することができる。また、この光伝送手段に対し、その入力側及び出力側にそれぞれパルス光制御手段を設置している。光伝送手段の入力側にパルス光制御手段を設けることにより、パルス光の時間波形を広げて光の時間的な密度を低減した状態で光伝送手段を伝送させて、大強度のパルス光による光伝送手段の損傷や屈折率変化等の発生を防止することができる。また、光伝送手段の出力側にパルス光制御手段を設けることにより、広げられた状態で光伝送手段を伝送されたパルス光の時間波形を再び縮めて所望の波形とした上で、照射対象物へと照射することができる。以上の構成により、光ファイバなどの光伝送手段を用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を照射対象物へと好適に照射することが可能となる。

ここで、パルス光源は、パルス光としてパルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源であることが好ましい。上記構成のパルス光照射装置及び照射方法は、特にこのような短パルス幅で時間的に高密度なパルス光の伝送、照射に対して有効である。また、パルス光を伝送する光伝送手段は、伝送可能なパルス光の強度などの点で、マルチモードファイバであることが好ましい。

また、パルス光照射装置において、入力側パルス光制御手段及び出力側パルス光制御手段は、光伝送手段を伝送されるパルス光の分散補償条件を含む伝送条件を制御することが好ましい。これにより、照射対象物に対する最終的な照射パルス光を好適な特性のパルス光とすることができる。

また、パルス光照射装置は、パルス光源から出射されたパルス光を、所定の伝搬モードで伝送される入力条件で光伝送手段へと入力する入力光学系を備えることが好ましい。このような入力光学系を設けることにより、マルチモードファイバなどの光伝送手段を用いてパルス光を好適に伝送することが可能となる。また、光伝送手段の出力側において、光伝送手段から出力される出力パルス光を空間的に広げて出力側パルス光制御手段へと入射させるように光学系が構成されていることとしても良い。この場合、パルス光による出力側パルス光制御手段の損傷等の発生を防止することができる。

本発明のパルス光照射装置及び照射方法によれば、パルス光の伝送に光ファイバなどの光伝送手段を用いるとともに、光伝送手段の入力側及び出力側にそれぞれパルス光制御手段を設置し、パルス光の時間波形を広げた状態で光伝送手段を伝送させる構成とすることにより、光ファイバなどの光伝送手段を用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を照射対象物へと好適に照射することが可能となる。

以下、図面とともに本発明によるパルス光照射装置、及びパルス光照射方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明によるパルス光照射装置の第１実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。パルス光照射装置１Ａは、光ファイバなどの光伝送手段を用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を伝送した後、照射対象物へとパルス光を照射する装置である。本実施形態によるパルス光照射装置１Ａは、パルスレーザ光源１０と、マルチモードファイバ１５と、入力光学系２０と、入力側パルス光制御部３０と、出力側パルス光制御部４０とを備えている。また、図１においては、本照射装置１Ａから出力される照射パルス光の照射対象物を、符号Ｓによって模式的に図示している。

パルスレーザ光源１０は、本照射装置１Ａを用いて照射対象物Ｓへと照射されるパルス光の元となる所定波長のパルス光（所定波長帯域のスペクトル成分を有するパルス光）を供給するパルス光源である。また、このパルス光源１０から出射されたパルス光を照射対象物Ｓへと伝送するための光伝送手段として、光ファイバであるマルチモードファイバ１５が所定の伝送経路に沿って配置されている。

パルス光源１０とマルチモードファイバ１５との間には、入力光学系２０が設けられている。この入力光学系２０は、パルス光源１０から出射されたパルス光を、所定の入力条件でマルチモードファイバ１５へと入力端１５ａから入力する光学系である。また、入力光学系２０を構成する光学要素と、マルチモードファイバ１５の入力端１５ａ側の所定部分とは、好ましくは、図１に模式的に示すように、互いに位置決めされた状態で保持機構（制御機構）２０ａによって一体に保持される。

入力光学系２０は、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件が、マルチモードファイバ１５において所定の伝搬モードでのパルス光伝送が可能な条件、好ましくは基本モードだけが伝搬するシングルモードのパルス光伝送が可能な条件となるように構成されている。また、マルチモードファイバ１５の出力端１５ｂ側には、必要に応じて出力光学系が設けられる。

また、本照射装置１Ａにおいては、光伝送手段であるマルチモードファイバ１５の入力側及び出力側に、それぞれパルス光制御部３０、４０が設置されている。これらのパルス光制御部３０、４０は、マルチモードファイバ１５を照射対象物Ｓに向けて伝送されるパルス光の伝送条件を制御するための制御手段である。このように、パルス光制御部３０、４０でパルス光の伝送条件を制御することにより、照射装置１Ａから照射対象物Ｓへと照射されるパルス光の特性を所望の特性に制御することができる。

図１に示した構成では、マルチモードファイバ１５の入力側には、パルス光源１０と入力光学系２０との間に入力側パルス光制御部３０が設けられている。このパルス光制御部３０は、パルス光源１０からマルチモードファイバ１５へと入力されるパルス光の時間波形を広げるように、パルス光の波形を制御する。一方、マルチモードファイバ１５の出力側には、出力側パルス光制御部４０が設けられている。このパルス光制御部４０は、マルチモードファイバ１５から出力される出力パルス光の時間波形を縮めて、所望の波形を有する照射パルス光を生成する。そして、このパルス光制御部４０で生成された照射パルス光が、照射対象物Ｓへと照射される。なお、パルス光制御部３０、４０の構成等については、具体的には後述する。

図１に示したパルス光照射装置１Ａにおけるパルス光照射方法について概略的に説明する。まず、所定波長のパルス光を照射対象物Ｓへと伝送する光伝送手段であるマルチモードファイバ１５に対し、パルス光源１０から出射されたパルス光を供給する（パルス光供給ステップ）。マルチモードファイバ１５へと入力されるパルス光源１０からのパルス光は、マルチモードファイバ１５の入力側において、その時間波形がパルス光制御部３０によって広げられる（入力側パルス光制御ステップ）。これにより、パルス光源１０からのパルス光は、その時間的な光の密度（マルチモードファイバ１５でのパルス光の伝送方向に沿った空間的な光の密度に相当）が低減された状態で、入力光学系２０を介してマルチモードファイバ１５へと入力される。

入力光学系２０を通って入力端１５ａからマルチモードファイバ１５へと入力されたパルス光は、ファイバ１５を伝送された後、その出力端１５ｂから出力される。そして、マルチモードファイバ１５から出力されたパルス光は、出力側のパルス光制御部４０によってその時間波形が縮められるとともに、所望の波形となるように波形が制御される（出力側パルス光制御ステップ）。これにより、照射対象物Ｓに対するパルス光の好適な照射条件に応じた波形を有する照射パルス光が生成され、この照射パルス光が照射対象物Ｓへと照射される。

上記実施形態によるパルス光照射装置１Ａ、及びパルス光照射方法の効果について説明する。

図１に示したパルス光照射装置１Ａ、及びパルス光照射方法においては、パルス光の伝送に光ファイバであるマルチモードファイバ１５を用いている。このように、光ファイバを用いてパルス光を伝送することにより、パルス光源１０から照射対象物Ｓへとパルス光を効率良く確実に伝送することができる。また、このように光ファイバなどの光伝送手段を用いる構成では、パルスレーザ光源などのパルス光源１０から照射対象物Ｓまでの間で複雑なパルス光の伝送光学系を設置する必要がなく、照射装置１Ａの構成の簡単化、小型化等が可能となる。

また、この光伝送手段であるマルチモードファイバ１５に対し、その入力側及び出力側にそれぞれパルス光制御部３０、４０を設置している。マルチモードファイバ１５の入力側にパルス光制御部３０を設けることにより、パルス光源１０から出射されたパルス光の時間波形を広げて光の時間的な密度を低減した状態でマルチモードファイバ１５を伝送させることができる。また、マルチモードファイバ１５の出力側にパルス光制御部４０を設けることにより、広げられた状態でマルチモードファイバ１５を伝送されたパルス光の時間波形を再び縮めて所望の波形とした上で、照射対象物Ｓへと照射することができる。

上記のように、パルス光の時間波形を広げた状態でマルチモードファイバ１５などの光伝送手段を伝送させる構成によれば、大強度のパルス光による光伝送手段の損傷や屈折率変化等の発生を防止することができる。

すなわち、フェムト秒パルス光などのようにパルス幅が短いパルス光では、そのピーク強度が非常に大きくなる。このようなパルス光を光ファイバ中で伝送させると、空間的、時間的に高密度なパルス光によって光ファイバに損傷が発生する場合がある。

このような損傷を回避するためには、光ファイバ内、及び入力側、出力側の両端面の近傍において、光の密度が高くなるのを避ける構成とすることが好ましい。このような光ファイバの損傷は、特に、屈折率が大きく変化する光ファイバの入力端、出力端で発生しやすい。また、大強度のパルス光を光ファイバ中で伝送させた場合、光ファイバの損傷に加えて、非線形光学効果によるパルス光の特性変化の発生という問題もある。また、パルス光の伝送における光の密度については、空間的な密度と時間的な密度とが考えられるが、光ファイバを用いたパルス光伝送では、光伝送路としての構造上、光の空間的な密度を制御することは難しい。

これに対して、上記のようにマルチモードファイバ１５の入力側でパルス光の時間波形を広げ、その状態でマルチモードファイバ１５を伝送させた後に出力側で所望の波形に戻す構成では、パルス光による光伝送手段の損傷の発生を防止して、より大強度のパルス光を照射対象物Ｓに照射することが可能となる。また、光伝送手段中での非線形光学効果の発生が低減されるため、マルチモードファイバ１５を伝送された照射パルス光の安定性を向上することができる。したがって、光ファイバなどの光伝送手段を用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を照射対象物へと好適に照射することが可能となる。

このようなパルス光照射装置及び照射方法は、パルス光を照射対象物へと照射する様々な装置に適用可能である。そのような装置としては、例えば、加工対象物へとパルス光を照射する加工装置、試料へとパルス光を照射して所望の反応を起こさせる反応装置などがある。このような装置に対して上記構成を適用することにより、短パルス幅で大強度のパルス光を使用することが可能となる。

ここで、照射対象物Ｓへのパルス光の伝送に用いられる光伝送手段としては、光の伝送効率などから光ファイバを用いることが好ましい。また、特に、図１の構成に示したように、マルチモードファイバを用いることが好ましい。この場合、シングルモードファイバを用いた場合に比べて、例えば、より大強度のパルス光の伝送、照射など、様々な条件でのパルス光照射が可能となる。これは、フェムト秒パルス光などの短パルス光を加工装置などの様々な形態のパルス光照射装置に適用し、それらの応用範囲を広げる上で非常に有用である。また、マルチモードファイバとしては、グレーデッドインデックス型、ステップインデックス型のいずれも用いることができる。

ただし、この光伝送手段としては、照射に必要とされるパルス光の強度などに応じて、シングルモードファイバを用いても良い。また、複数の光ファイバを束ねたバンドルファイバを用いても良い。あるいは、光ファイバ以外のものを用いることも可能である。そのような光伝送手段としては、例えば中空ファイバがある。

また、照射対象物Ｓへと照射されるパルス光を供給するパルス光源としては、パルス光照射装置の用途等に応じて様々なものを適用して良いが、特に、パルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源を用いることが好ましい。上記構成のパルス光照射装置１Ａは、特にこのようなフェムト秒領域で短パルス幅のパルス光の照射、例えば、広帯域のスペクトル成分を有するフェムト秒パルス光の伝送、及び照射対象物Ｓへの照射に対して有効である。このようなパルスレーザ光源としては、例えば、チタンサファイアレーザがある。また、このようなパルス光源は、単一のパルス光を出射する構成、または、複数のパルス光を合成して出射する構成として良い。

また、パルス光源として、レーザ光源を１次光源とし、１次光源から供給されたレーザ光を媒質中で伝搬させることによって発生する２次的な光を、照射対象物Ｓへと照射するパルス光として出射する構成を用いても良い。このような２次的な光の発生に用いられる媒質としては、例えばフォトニック結晶、非線形光学結晶などが挙げられる。

また、上記実施形態では、マルチモードファイバ１５を用いた照射対象物Ｓへのパルス光伝送のため、マルチモードファイバ１５に対するパルス光の入力条件を所定の伝搬モードでの伝送が可能な条件に設定する入力光学系２０を設置している。このような入力光学系２０を設けることにより、マルチモードファイバ１５を用いてフェムト秒パルス光などの短パルス光を好適に伝送することが可能となる。例えば、マルチモードファイバ１５の光軸に対してパルス光の入力軸を充分な精度で一致させ、マルチモードファイバ１５の中心近傍の位置にパルス光を入力することにより、基本モードだけが伝搬するパルス光のシングルモード伝送を実現することも可能である。

入力光学系２０において制御されるパルス光のマルチモードファイバ１５への入力条件としては、具体的には例えば、入力端１５ａでのパルス光の入力位置（集光位置）の他、集光径、開口数、光強度、伝搬方向、空間分布、または入力する際の波面の傾き、あるいはそれらの組合せがある。ただし、このような入力光学系２０は、照射対象物Ｓに照射するパルス光の特性についての制約条件などを考慮して、必要に応じて設置すればよい。

また、上記構成のパルス光照射装置１Ａにおいて、入力側パルス光制御部３０及び出力側パルス光制御部４０は、マルチモードファイバ１５を伝送されるパルス光の分散補償条件を含む伝送条件を制御することが好ましい。このように、パルス光制御部３０、４０を用いてパルス光の分散補償等を行うことにより、照射対象物Ｓへの照射パルス光を好適な特性のパルス光とすることができる。

また、パルス光制御部３０、４０において、パルス光に変調を付与する光変調部を設けても良い。このような光変調部を用いることにより、様々なパルス光照射の制御が可能となる。この光変調部によるパルス光の変調については、具体的には、パルス光の波長毎の振幅（強度）、位相、及び偏光の少なくとも１つを変調する構成とすることが好ましい。また、マルチモードファイバ１５の入力側の構成については、入力光学系２０及びパルス光制御部３０の全体を、両者の機能を併せ持つ単一の光学系から構成することも可能である。

図２は、本発明によるパルス光照射装置の第２実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。本実施形態によるパルス光照射装置１Ｂは、図１に示した構成に加えて、照射評価部５０と、照射制御部５５とを備えている。

照射評価部５０は、照射対象物Ｓに対するパルス光の照射状況を評価する評価手段である。また、この照射評価部５０での照射状況の評価結果は、照射制御部５５へと入力されている。照射制御部５５は、照射評価部５０による照射対象物Ｓへのパルス光の照射状況の評価結果に基づいて、入力光学系２０、入力側パルス光制御部３０、及び出力側パルス光制御部４０の少なくとも１つの動作を制御する制御手段である。

このように、照射評価部５０及び照射制御部５５を備えた構成では、照射対象物Ｓに対する実際のパルス光の照射状況に応じて、精度良くパルス光照射を制御することが可能となる。なお、照射評価部５０による具体的な照射状況の評価方法については、様々な方法を用いて良い。例えば、マルチモードファイバ１５の入力端１５ａへと入力されるパルス光、またはマルチモードファイバ１５を伝送されて出力端１５ｂから出力されるパルス光の一方または両方を計測し、その計測結果を参照してパルス光の照射状況を評価する構成を用いることができる。また、照射対象物Ｓでパルス光が反射、散乱された光を計測し、その計測結果を参照する構成としても良い。あるいは、パルス光照射による照射対象物Ｓの状態の変化を計測し、その計測結果を参照する構成としても良い。

なお、入力光学系２０においてマルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件を制御する場合には、マルチモードファイバ１５に対するパルス光の入射位置、及び入射角度を制御することが好ましい。このような入力条件の制御は、入力光学系２０を構成する各光学要素に対して調整機構を付加することによって実現できる。このような調整機構としては、例えば、光学要素の３次元的な位置や傾きを調整する機構を付加すれば良い。あるいは、入力光学系２０側ではなく、マルチモードファイバ１５の位置や傾きを調整する構成としても良い。

本発明によるパルス光照射装置の具体的な構成についてさらに説明する。

図３は、パルス光照射装置に用いられる入力光学系の一例を示す構成図である。本構成例においては、入力光学系２０を構成する光学要素として、パルス光源１０から出射されたパルス光を集光しつつマルチモードファイバ１５へと入力するための平凸レンズ２２を用いている。なお、図３においては、パルス光制御部３０、４０については図示を省略している。

具体的には、図３においては、平凸レンズ２２の２つのレンズ面のうち、マルチモードファイバ１５側のレンズ面が平面（平坦面）２２ａ、パルス光源１０側のレンズ面が凸面２２ｂとなっている。また、パルス光源１０と平凸レンズ２２との間には、パルス光源１０からマルチモードファイバ１５へと向かうパルス光が開口部２１ｃを通過するアパーチャ２１が設置されており、これらのアパーチャ２１及び平凸レンズ２２によって入力光学系２０が構成されている。

このような構成により、パルス光源１０からのパルス光をマルチモードファイバ１５へと好適な入力条件で入力することができる。また、このような平凸レンズ２２は、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件、及びマルチモードファイバ１５でのパルス光の伝送条件の調整、設定を行う上でも有用である。

具体的には、入力光学系２０の平凸レンズ２２を利用したパルス光の伝送条件の調整方法では、まず、パルス光源１０、マルチモードファイバ１５、及び平凸レンズ２２を含む照射装置１Ａの各光学要素を、それぞれ所定の位置関係となる初期位置に設置する（設置ステップ）。続いて、パルス光源１０からマルチモードファイバ１５へとパルス光を出射させ、平凸レンズ２２の平面２２ａでパルス光の一部が反射された平面反射像、及び凸面２２ｂでパルス光の一部が反射された凸面反射像を観察する（観察ステップ）。

そして、平面反射像、及び凸面反射像の観察結果に基づいて、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件を調整する。具体的には、平凸レンズ２２の平面２２ａからの平面反射像の中心位置、及び凸面２２ｂからの凸面反射像の中心位置が、マルチモードファイバ１５へと入力されるパルス光の中心軸と一致するように、パルス光源１０、平凸レンズ２２、及びマルチモードファイバ１５の位置関係を調整する。これにより、パルス光の伝送の伝搬モードなど、マルチモードファイバ１５でのパルス光の伝送条件が調整される（調整ステップ）。

このように、平凸レンズ２２からの反射像を利用してパルス光の入力条件を調整する調整方法によれば、マルチモードファイバ１５を用いてフェムト秒パルス光などの短パルス光が照射対象物Ｓへと好適に伝送されるように、その入力条件、及びマルチモードファイバ１５での伝搬モードなどの伝送条件を調整することが可能となる。ただし、このようなパルス光の入力条件の調整は、照射パルス光での所望の波形等により、必要に応じて行えば良い。

また、平凸レンズ２２からのパルス光の反射像の観察方法については、パルス光源１０及び平凸レンズ２２の間に配置されたアパーチャ２１を用いて平面反射像及び凸面反射像を観察することが好ましい。このような構成によれば、平凸レンズ２２を含む入力光学系２０によるマルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件の調整を、確実かつ簡単な方法で実行することが可能となる。一般には、パルス光源１０及び平凸レンズ２２の間の所定位置に配置された板状部材を用いて平面反射像及び凸面反射像の観察を行う構成とすることが好ましい。また、このような板状部材については、パルス光の入力条件の調整等を終えた後、取り外しが可能な機構を有する構成としても良い。

図４は、図３に示した平凸レンズ２２を含む入力光学系２０を用いて行われるパルス光の伝送条件の調整方法について示す模式図である。この図４では、その中心位置に円形状の開口部２１ｃが設けられたアパーチャ２１を、平凸レンズ２２側から見た状態で示し、その下流側の面である反射像観察面２１ａ、観察面２１ａ上に投映された平凸レンズ２２の平面２２ａからの平面反射像Ａ、及び観察面２１ａ上に投映された凸面２２ｂからの凸面反射像Ｂを図示している。また、図中においては、反射像Ａ、Ｂのそれぞれを、斜線を付して模式的に示している。

平凸レンズ２２を介したマルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件が好適に調整された状態では、図４に示すように、平面反射像Ａ、及び凸面反射像Ｂのいずれも、アパーチャ２１の中心軸上の位置を中心とする円形状の光像となる。また、これらの反射像Ａ、Ｂのうち、凸面反射像Ｂは、反射面となる平凸レンズ２２の凸面２２ｂの形状により平凸レンズ２２からアパーチャ２１へと広がりつつ入射するため、その像の大きさが平面反射像Ａよりも大きくなっている。これら２種類の反射像Ａ、Ｂを利用し、反射像Ａ、Ｂがアパーチャ２１の観察面２１ａ上で同心円状のパターンとなるように調整することにより、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件の調整を、簡単な入力光学系２０の構成及び調整方法で実現することができる。なお、マルチモードファイバ１５へのパルス光の具体的な入力条件については、マルチモードファイバ１５の中心近傍の位置にパルス光を入力することが好ましい。

上記した入力条件でパルス光源１０とマルチモードファイバ１５とを接続した場合、マルチモードファイバ１５における高次伝搬モードでのパルス光の伝送を抑制して、光ファイバとしてマルチモードファイバ１５を用いたにもかかわらず、実質的に基本モードだけが伝搬するパルス光のシングルモード伝送が実現可能である。また、パルス光の空間モードについては、マルチモードファイバ１５から出力されるパルス光の空間モードを、ガウス型の強度分布に近い良好な分布形状とすることが好ましいと考えられる。したがって、このような空間モードについても考慮しつつ、入力光学系２０によるパルス光の入力条件を調整することが望ましい。

なお、マルチモードファイバ１５の入力端１５ａの端面が平面形状に研磨されている場合には、平凸レンズ２２の平面２２ａ、凸面２２ｂからのパルス光の反射像に加えて、マルチモードファイバ１５の入力端１５ａからの反射像をも入力条件の調整に利用することとしても良い。これにより、入力条件の調整をさらに精度良く行うことができる。

また、このように入力条件の調整を行うための入力光学系の構成としては、一般には、入力光学系２０が、パルス光を集光しつつマルチモードファイバ１５へと入力するためのレンズを有する構成とすれば良い。このような構成によっても、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件の調整を、簡単な入力光学系２０の構成及び調整方法で実現することができる。この場合のレンズとしては、平凸レンズに限らず、両面が凸面のレンズを用いても良い。

また、この場合のレンズからの反射像の観察については、入力光学系は、パルス光源及びレンズの間の所定位置に設置されたアパーチャなどの板状部材を有し、板状部材は、レンズの光出射側（マルチモードファイバ側）の面でパルス光の一部が反射された第１の反射像、及びレンズの光入射側（パルス光源側）の面でパルス光の一部が反射された第２の反射像の観察に用いることが可能に構成されていることとすれば良い。

また、上記した例では、パルス光源１０から供給されるパルス光が概ね均一な平面波であることを前提としているが、パルス光の波面が不均一である場合には、空間フィルタ等を介して波面を均一とした後にマルチモードファイバ１５へと入力することが好ましい。また、上記構成ではマルチモードファイバ１５に対するパルス光の入力条件について説明したが、マルチモードファイバ以外の光伝送手段に対するパルス光の伝送条件の調整においても、上記した入力光学系２０の構成、及び伝送条件の調整方法を適用可能である。

図５は、パルス光照射装置に用いられる入力側及び出力側パルス光制御部の一例を示す構成図である。本構成例においては、入力側パルス光制御部３０は、波形整形器３６と、伸張器３７とを有して構成されている。

波形整形器３６は、例えば、入力されたパルス光を回折格子やプリズム等の分光素子によって分光し、その各スペクトル成分（波長成分）に対して変調素子によって変調を付与した後にスペクトル成分を合波するように構成される。図５においては、波形整形器３６は、パルス光源１０からのパルス光を分光する回折格子３６ａ、分光された光を結像する円筒凹面ミラー３６ｂ、凹面ミラー３６ｂから入射されるパルス光の各スペクトル成分に対して位相変調を付与する空間光変調器３６ｃ、変調された光を集光する円筒凹面ミラー３６ｄ、及び集光された光を合波して変調後のパルス光とする回折格子３６ｅから構成されている。

また、伸張器３７は、回折格子やプリズム等の分光素子によってパルス光の各スペクトル成分に対して線形な位相変調を付与するように構成される。図５においては、伸張器３７は、波形整形器３６からのパルス光を分光し、パルス光の各スペクトル成分に対して位相変調を付与するための回折格子３７ｂ、３７ｃ、及び全反射ミラー３７ｄから構成されている。

また、この伸張器３７には、波形整形器３６の回折格子３６ｅと、伸張器３７の回折格子３７ｂとの間に、一部反射ミラー３７ａが配置されている。この一部反射ミラー３７ａは、波形整形器３６から入力された光を回折格子３７ｂへと透過させるとともに、回折格子３７ｂからの光を反射して入力光学系２０へ向けて出力するために用いられる。

図５に示した構成のパルス光制御部３０を用いたパルス光の波形等の制御について説明する。まず、波形整形器３６に入力されたパルス光源１０からのパルス光は、回折格子３６ａによって分光された後、円筒凹面ミラー３６ｂによって各スペクトル成分がフーリエ面上に空間的に分離した状態で結像される。このフーリエ面上に配置された空間光変調器３６ｃでは、これらのパルス光のスペクトル成分に対して、それぞれ独立した位相変調が付与される。変調されたパルス光のスペクトル成分は、円筒凹面ミラー３６ｄ及び回折格子３６ｅによって合波される。この波形整形器３６では、主として、伸張器３７では補正しきれない３次以上の高次の位相分散の補正が行われる。

また、伸張器３７に入力された波形整形器３６からのパルス光は、回折格子３７ｂ、３７ｃによって線形な位相変調が付与された後、全反射ミラー３７ｄによって反射され、再び回折格子３７ｃ、３７ｂで回折されて、反射ミラー３７ａを介して出力される。この伸張器３７では、主として、上記したように時間波形を広げるパルス光の波形の制御、及び後段の光ファイバで生じる２次の位相分散に対する補正が行われる。なお、このような構成において、全反射ミラー３７ｄを紙面に対して垂直方向にあおることにより、回折格子３７ｂ、３７ｃの位置では入力時と出力時とでパルス光の位置が上下に分離され、変調後のパルス光の取り出しが容易となる。この場合、例えば、反射ミラー３７ａを全反射ミラーとし、パルス光の出力光路のみに対して配置する構成としても良い。

一方、出力側パルス光制御部４０としては、所定の波長分散特性を有する分散媒質４１が用いられている。このように、出力側パルス光制御部４０については、照射対象物Ｓの近くに配置されることから、取り回しの利便性等を考えると小型な構成を用いることが好ましい。分散媒質４１としては、具体的には、ガラスブロック、ガラスロッドなどを用いることができる。あるいは、回折格子対等の分散光学系を用いても良い。

なお、これらのパルス光制御部３０、４０については、図５に示した構成例以外にも、様々な構成を用いて良い。例えば、図５の入力側パルス光制御部３０において、波形整形器３６と伸張器３７との設置順序は逆でも良く、また、いずれか一方のみを設置する構成としても良い。また、パルス光制御部３０に用いられる光変調器としては、位相パターンを制御可能な空間光変調器や固定位相パターンの光変調器などの位相変調素子を用いることができる。あるいは、空間光変調器の前後に偏光子を配置することにより、パルス光の各スペクトル成分に対して強度変調を付与することも可能である。

また、図５では、出力側パルス光制御部４０として分散媒質４１を用いているが、これ以外の光学要素を用いても良く、あるいは、照射対象物Ｓ近傍でも空間的な制約が問題とならない場合には、入力側パルス光制御部３０について示したような光学系を用いることも可能である。また、マルチモードファイバ１５の出力側において、空間的な光の密度を低減させるため、マルチモードファイバ１５の出力端１５ｂから出力された時点でパルス光を一旦空間的に広げ、出力側パルス光制御部４０でパルス光を時間的に圧縮しつつ、レンズなどを用いて空間的に集光させる構成の出力光学系を設置しても良い。

また、入力側パルス光制御部３０において分散媒質等を用いても良い。また、照射対象物Ｓに対するパルス光の照射条件を変更する自由度を考えると、パルス光制御部３０、４０の少なくとも一方を制御または交換可能な構成としておくことが好ましい。また、パルス光制御部３０、４０としては、例えばＥ／Ｏ変調器やＡ／Ｏ変調器などのように、時刻に応じて異なる位相変調が与えられる素子を用いても良い。

入力側パルス光制御部３０及び出力側パルス光制御部４０によるパルス光の伝送条件、及び照射パルス光の波形等の制御についてさらに説明する。

まず、入力側パルス光制御部３０及び出力側パルス光制御部４０による、マルチモードファイバ１５を伝送されるパルス光の分散補償条件の制御について説明する。図６は、マルチモードファイバ１５の位相分散特性を示すグラフであり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は位相分散（ｒａｄ）を示している。図６に示す位相分散特性は、マルチモードファイバ１５を合成石英ブロックとして考えて、長さ１００ｍの石英伝送路での波長分散を計算したものを示している。

このようなマルチモードファイバ１５の分散特性に対して、それを打ち消すための位相分散特性を図７に示す。パルス光制御部３０、４０においてパルス光の分散補償条件を制御する場合、パルス光制御部３０、４０の全体としての位相分散特性を図７に示す特性に設定することが好ましい。これにより、図６に示すマルチモードファイバ１５の位相分散と、図７に示す位相分散とが打ち消しあって、マルチモードファイバ１５で生じる波長分散が補償された、好適な特性の照射パルス光が得られる。

このような分散補償は、マルチモードファイバ１５中でパルス光が広げられた状態で伝送される上記した条件を満たした上で、パルス光制御部３０、４０の両者を合わせて全体として実現されていれば良い。この場合、波長分散の寄与は線形に足し合わせることが可能であるため、マルチモードファイバ１５に対して入力側、出力側にそれぞれ位置するパルス光制御部３０、４０に対して、図７に示した波長分散量を任意の割合で分割して付与すれば良い。

なお、図５に示したように出力側パルス光制御部４０として分散媒質４１を用いる構成では、上記したように取り回しの利便性等を考えると、分散媒質４１の物理的なサイズは小さい方が好ましい。この場合、このような分散媒質４１のサイズをも考慮して、パルス光制御部３０、４０での波長分散量の配分を設定することが好ましい。

例えば、１００ｍの光ファイバによるパルス光伝送によってパルス幅１００ｆｓのパルス光が３００ｐｓまで広がるとした場合、パルス幅の広がりは約３０００倍である。ここで、パルス光の広がり量が分散媒質の長さに概ね比例すると考えて、３０倍／ｍと換算する。このとき、例えば、出力側に長さ１ｍの分散媒質を設置する構成とすれば、光ファイバの出力端におけるパルス光のパルス幅は１００ｆｓの３０倍、すなわち３ｐｓである。このような構成では、光ファイバの出力端での損傷閾値を、３０倍大きくすることができる。なお、このような分散量の配分は、一般には、パルス光照射装置の使用条件や、パルス光制御部３０、４０の具体的な構成等に応じて、任意に設定すれば良い。

また、これらのパルス光制御部３０、４０において分散補償を行う場合でも、必ずしもマルチモードファイバ１５で生じる波長分散を相殺させる構成としなくても良い。すなわち、出力側パルス光制御部４０で生成される照射パルス光の波形は、パルス光源１０から供給されるパルス光の波形と同じである必要はなく、具体的な照射対象物Ｓの種類や照射の目的等に応じて、好適な照射パルス光の波形を選択すれば良い。

この場合、パルス光制御部３０、４０によって制御される照射パルス光の波形のパラメータとしては、例えば、パルス光の時間波形の形状自体、パルス幅、パルス強度、などが挙げられる。例えば、照射パルス光がパルス光源１０から供給されるパルス光よりもパルス幅が広いパルス光となるように構成しても良い。あるいは、照射対象物Ｓへの好適なパルス光の照射条件などに応じて、複数のパルス光成分を有する波形の照射パルス光としても良い。このような波形のパルス光は、パルストレインタイプやダブルパルス等を用いる加工装置に有用である。

図８は、照射対象物へと照射するパルス光の時間波形の例を示すグラフである。図８に示した３つのグラフのうち、グラフ（ａ）はシングルパルスとした場合の時間波形、グラフ（ｂ）及びグラフ（ｃ）はそれぞれマルチパルスとした場合の時間波形を示している。また、これらのグラフにおいて、横軸は時間（ｆｓ）、縦軸は強度を示している。

上記したパルス光照射装置を加工装置に適用し、加工対象物に対して図８の各グラフに示した時間波形のパルス光を照射する。図９は、図８に示した時間波形のパルス光による加工対象物の加工状況を示す模式図である。この図において、加工部位Ｐ_Ａは上記のグラフ（ａ）に示したパルス光による加工状況、加工部位Ｐ_Ｂはグラフ（ｂ）に示したパルス光による加工状況、加工部位Ｐ_Ｃはグラフ（ｃ）に示したパルス光による加工状況をそれぞれ示している。

ここでは、透明なアクリル材料を加工対象物としてパルス光照射による加工を行っており、図９は、上方からパルスレーザ光を照射したアクリル材料の加工状況を横から観察したものである。また、図８に示したグラフ（ａ）〜（ｃ）は、加工点におけるパルス光の波形を示している。

図９に示したアクリル材料の加工結果では、破線で囲まれた領域Ｓによって模式的に示すように、シングルパルスのパルス光を用いた場合の加工部位Ｐ_Ａに対して、その周囲の領域Ｓに歪みが発生する。これに対して、加工部位Ｐ_Ｂ及びＰ_Ｃに示すように、マルチパルスのパルス光を用いることにより、加工部位近傍での歪みの発生が改善される。

このように、照射対象物へと照射するパルス光の波形については、パルス光照射の目的や照射対象物の材質などによって好適とされる波形が異なる。したがって、出力側パルス光制御部４０で生成されて照射対象物Ｓへと照射される照射パルス光の波形については、具体的な照射条件に応じて適宜設定すれば良い。また、照射パルス光としてマルチパルスのパルス光を用いることが好ましい場合には、パルスレーザ光源から供給されるパルス光は一般的にはシングルパルスであるため、パルス光が伝搬していく経路上にあるマルチモードファイバ１５及びパルス光制御部３０、４０などの各光学要素の作用によって、最終的な照射パルス光としてマルチパルスの波形とすれば良い。

本発明によるパルス光照射装置、及びパルス光照射方法は、上記した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

例えば、図２に示したように、照射評価部５０及び照射制御部５５を用いてパルス光照射を制御する構成では、リアルタイムに照射対象物Ｓ等を観測しながらパルス光を制御することが可能であるが、それに限定されるものではない。すなわち、所定の照射対象物に対して有効な照射条件を与えるパルス光の制御条件が確定した際には、上記した制御系を切り照射条件を固定して、照射対象物へのパルス光照射を行う構成としても良い。

また、上述したように、図５に示した構成では、マルチモードファイバ１５の出力側において、空間的な光の密度を低減させるため、マルチモードファイバ１５の出力端１５ｂから出力された時点でパルス光を一旦空間的に広げ、出力側パルス光制御部４０でパルス光を時間的に圧縮しつつ、レンズなどを用いて空間的に集光させる構成の出力光学系を設置しても良い。

図１０は、図５に示したパルス光照射装置の変形例を示す構成図である。本構成では、マルチモードファイバ１５を伝搬して出力された光を一旦空間的に広げる。そして、マルチモードファイバ１５のＮＡに概ね一致したＮＡの光学系、例えばレンズにより、広げられた出力パルス光をほぼ平行光に変換した後、出力側パルス光制御部４０である分散媒質４１、例えばガラスへと入射する。

マルチモードファイバ１５の出力時にパルス光が有する分散を、ガラスブロックなどの分散媒質４１を伝搬する際に受ける分散と逆符号となるようにしておくことにより、パルス光はガラスブロックを伝搬しながら徐々に圧縮されていく。この時点では、空間的に広げられていることによって、ガラスブロックに入射する際には光損傷を受けにくい状態となっている。分散媒質４１のガラスブロックから出力されたパルス光は、その後のレンズにより空間的に絞られ、かつレンズの分散によってさらに時間的にも圧縮されて、照射対象物Ｓへと照射される。一般には、マルチモードファイバなどの光伝送手段の出力側において、光伝送手段から出力される出力パルス光を空間的に広げて出力側パルス光制御手段へと入射させるように光学系が構成されていることが好ましい。この場合、パルス光による出力側パルス光制御手段の損傷等の発生を防止することができる。

なお、このようなマルチモードファイバ１５の出力側の光学系については、図１０においてはレンズを用いているが、これに限られるものではなく、例えば凹面鏡を用いても良い。また、分散補償がレンズによる分散量のみで実現できる場合には、レンズを出力側パルス光制御部４０として機能させて分散媒質４１を省略しても良い。あるいは、照射対象物Ｓの近傍でも空間的な制約が問題とならない場合には、入力側パルス光制御部３０について示したような光学系を用いることも可能である。また、分散媒質４１としては、ガラスブロックに限定されるものではなく、バンドルファイバや容器に封入された液体を用いることも可能である。また、レンズの代わりにテーパ状のファイバやガラスブロックを用いても良い。

本発明は、光ファイバなどの光伝送手段を用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を照射対象物へと好適に照射することが可能なパルス光照射装置、及びパルス光照射方法として利用可能である。

パルス光照射装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。 パルス光照射装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。 照射装置に用いられる入力光学系の一例を示す構成図である。 図３に示した入力光学系を用いたパルス光の伝送条件の調整方法について示す模式図である。 照射装置に用いられるパルス光制御部の一例を示す構成図である。 マルチモードファイバの位相分散特性を示すグラフである。 図６に示した分散特性を打ち消すための位相分散特性を示すグラフである。 照射対象物へと照射するパルス光の時間波形の例を示すグラフである。 図８に示した時間波形のパルス光による加工対象物の加工状況を示す模式図である。 図５に示したパルス光照射装置の変形例を示す構成図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ…パルス光照射装置、１０…パルスレーザ光源、１５…マルチモードファイバ（光伝送手段）、１５ａ…入力端、１５ｂ…出力端、２０…入力光学系、２０ａ…保持機構、２１…アパーチャ、２１ａ…反射像観察面、２１ｃ…開口部、２２…平凸レンズ、２２ａ…平面、２２ｂ…凸面、３０…入力側パルス光制御部、３６…波形整形器、３７…伸張器、４０…出力側パルス光制御部、４１…分散媒質、５０…照射評価部、５５…照射制御部。

Claims (7)

1. 所定波長のパルス光を供給するパルス光源と、
   前記パルス光を照射対象物へと伝送する光伝送手段と、
   前記光伝送手段に対して入力側に設置され、前記パルス光源から前記光伝送手段へと入力される前記パルス光の時間波形を広げる入力側パルス光制御手段と、
   前記光伝送手段に対して出力側に設置され、前記光伝送手段から出力される出力パルス光の時間波形を縮めて、所望の波形を有する照射パルス光を生成する出力側パルス光制御手段と
   を備えることを特徴とするパルス光照射装置。
2. 前記パルス光源は、前記パルス光としてパルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源であることを特徴とする請求項１記載のパルス光照射装置。
3. 前記光伝送手段は、マルチモードファイバであることを特徴とする請求項１または２記載のパルス光照射装置。
4. 前記入力側パルス光制御手段及び前記出力側パルス光制御手段は、前記光伝送手段を伝送される前記パルス光の分散補償条件を含む伝送条件を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のパルス光照射装置。
5. 前記パルス光源から出射された前記パルス光を、所定の伝搬モードで伝送される入力条件で前記光伝送手段へと入力する入力光学系を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のパルス光照射装置。
6. 前記光伝送手段の出力側において、前記光伝送手段から出力される出力パルス光を空間的に広げて前記出力側パルス光制御手段へと入射させるように光学系が構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のパルス光照射装置。
7. 所定波長のパルス光を照射対象物へと伝送する光伝送手段に対し、前記パルス光を供給するパルス光供給ステップと、
   前記光伝送手段の入力側において、前記光伝送手段へと入力される前記パルス光の時間波形を広げる入力側パルス光制御ステップと、
   前記光伝送手段の出力側において、前記光伝送手段から出力される出力パルス光の時間波形を縮めて、所望の波形を有する照射パルス光を生成する出力側パルス光制御ステップと
   を備えることを特徴とするパルス光照射方法。

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