JP2006026726A

JP2006026726A - レーザ加工方法

Info

Publication number: JP2006026726A
Application number: JP2004213555A
Authority: JP
Inventors: Takeji Arai; 武二新井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【目的】
加工面上に平面加工を瞬時に施すことができるレーザ加工方法を提供する。
【構成】
赤外及び紫外領域におけるレーザをレーザ発振器２から発振し、このレーザ光を回析格子が形成された画像形成面５を備えた回析光学素子１０を通過せしめてその通過光をレンズ４、１１、１２により集光して画像の自在縮小を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、回析光学素子を用いたレーザ加工方法に関する。

一般に、レーザ加工方法においては、赤外及び紫外波長領域のレーザ光を使用し、このレーザ光は共振器から取り出された後に一定の光路を経てレンズ又は反射ミラーによって集光され、材料表面に照射される。その照射強度は発振されるレーザ強度及び集光（エネルギーパワー密度）によって、定まり、除去加工や接合加工、或いは表面改質等の加工種類によって調整している。しかし、これらは基本的に光が一点に集光したもので、加工に供する場合にはこの一点のスポットを必要に応じて連続的、または断続的に照射しながら光を移動させることによる一筆書きを基本としたライン描画や模様を形成する。したがって、一定幅や面積を同時に加工することには難があり、加工自体に相当の時間を有した。また、微細な加工では機械精度やビームの不安定性や時間変動が付加されるために、連続照射は精度維持に難があった。また、入射形状を拡大するためのディフューザ（Diffuser）と称するものが利用されているが、UV硬化樹脂の成形によって作成された素子面を貼り付けることで、主に、低エネルギーで波長６５０ｎｍ付近での図形拡大を行なうものはあるが、この波長はいわゆる加工に供するものではなく、産業界で広く用いられている加工用の波長に適合した高出力、高エネルギー用のもので、特に集光を意図したものは現在のところない。

レーザビームの移動やテーブル駆動等の相対的位置変化をさせない加工方法としては、ビームを一定径に広げて、その光路内にマスク板を位置させることで通過光のみによる加工をすることが考えられるが、この範囲に限りがあり、マスク板の製作においても拡大や縮小には限界があり微細で精密な加工は困難である。また、大きい幅のマスク板上をレーザビームを走査させることで形状を転写させる方法などがあるが、基本的にビームの移動や走査（スキャニング）を原則とするため、比較的に高出力のレーザを必要とし、一定幅を有する加工にはそれなりに加工時間を有し、加工精度の維持にも限界があった。

上記の従来型の加工法による時間変動による精度維持や微細加工の分解能からくる欠点を解消し、特に微小に集光して任意の形状を瞬時に転写する光学素子、または光学系が必要とされ、微小面積内に微細で任意の穴、溝、形状加工を瞬時に施す安定した加工法が必要になってくる。回析格子などを用いる場合においても、中心に位置する０次光の強度が他に勝るため、そのままでは、均一なエネルギー強度を加工面（イメージ面）に与えることができない状態にある。

そこで、本発明は、赤外（近赤外〜遠赤外）及び紫外（近紫外〜遠紫外）領域におけるレーザを用いて、材料表面での除去作用及び溝加工、並びに加飾などの作用を及ぼす系において、表面構造光学素子に回析格子を用い、その通過光を更にレンズを用いて集光することによって相似形で自在に縮小することで、２次元（面）の微細加工を行う。前記回析光学素子において、主に入射レーザビームがコンピュータによって作成される素子面（フーリエ面）でフーリエ変換されて、材料面に当る像面（シグナル面）で所望の形状を転写加工し、前記素子面には、高出力の赤外から紫外領域での波長を選択できる溶融石英を用いてもよい。更に、前記回析格子において、中心の０次光（センタースポット）を中心に、第１象限と第３象限を対称とし、第２象限と第４象限を対称とし、中心の０次光と対称画面をマスキングすることによって、得たい一つの画像を材料面に転写加工してもよい。更に、また、前記回析格子を加工用機能素子に用い、ビーム拡散法によって、ランダムにビームを飛ばし、広範囲に完全連続に任意形状を一括加工してもよい。更に、また赤外及び紫外領域におけるレーザに対応できるように、溶融石英などの光学ガラスを用い、その表面にレーザまたは電子ビームによって回析格子の微細構造を形成してもよい。更に、また、像面を通常の拡大光学系と焦点可変加工光学系、ズーミング、ｆθレンズと、無収差の集光光学系の光学系と組合わせることによって、一定範囲で任意に拡大縮小してもよい。

本発明においては、コンピュータによって表面構造を変換前の画像に変換し、これを光学素子の素子面にエッチングやマイクロマシン、さらにはレプリケーションやリソグラフィーで画像を生成することで、描かれた変換前の画像は、レーザは透過または反射することによって材料表面の像面でフーリエ変換されて所望のパターンが取り出される。これに必要に応じて通常の光学系と組合わせて加工光学系を組むことも可能で、一定の範囲で自在の倍率での加工可能となる。これを用いて材料に対する除去加工、表面描写、表面加飾等の加工が実施できる。また、当該素子はモアレ縞や波長依存性がなく偏光の依存性もなく、自在に拡散や集光角度を選択でき、光効率が高い。したがって分解能の非常に高く、微細領域では、当該素子単体でも他の光学系との組合せでも微細加工が可能である。例えば、１０μｍ角以内での微細な複雑形状、均一微細ドット、パターン等の精密で瞬時の面除去加工が可能である。医療用での応用では、部位の位置決め、数μ台の微細直線で、血管の吻合、腸管や皮膚の縫合にまた、手術用ナイフの応用が期待される。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１において、赤外波長領域（近赤外、遠赤外領域）又は紫外波長領域（近紫外、縁紫外領域）のレーザビーム１がレーザ共振器２によって発振され、このレーザビーム１はレンズ系３の一部を形成する光学素子である集光レンズ４によって集光される。この集光レンズ４の平らな入射面４ａ上には、それと一体的に画像形成面５が形成されている。この集光レンズ４と画像形成面５とが回析光学素子１０を形成している。この画像形成面は図２に示すように主にフーリエ変換型回析格子面であり、コンピュータによってその表面構造材料６の加工面６ａの図３に示すような複数のドットパターンＰ１（図３（ａ））、十文字パターンＰ２（図３（ｂ））又は特殊模様パターンＰ３（図３（ｃ））等の加工パターンに対応するように変換した画像を集光レンズ４の入射面４ａ上にエッチング、マイクロマシン、レプリケーション又はリソグラフィーなどで生成したものである。

前記画像形成面５は、高出力の赤外から紫外領域での波長を選択できる溶融石英から形成され、この溶融石英面にレーザ又は電子ビームによって回析格子の微細構造が形成される。

前記レーザ共振器２によって発振されたレーザビームは回析格子をなす画像形成面５によって加工面の加工パターンに適合するようにそれぞれの方向に指向され、加工面上に照射されて、それぞれのパターンが少なくとも一回の照射によって加工される。一回の照射では不十分な場合には、２回、３回と照射される。前記光学系は、必要に応じて公知の光学系と図４乃至図６に示すように適宜組合わされ、一定の範囲で自在の倍率（相似形の自在縮小）での加工が可能となる。すなわち、図４に示すように平ガラス７の表面に画像形成面を形成した回析光学素子をｆθレンズ系１１と組合わせてもよく、図５に示すように、回析光学素子８をズーミング作用を有するズーミング系１２と組合わせてもよいし、図６に示すように、回析光学素子１０を備えた焦点可変系１３と組合わせてもよい。
更に、無収差の集光光学系と組合わせてもよい。

また、図７に示すように、レーザ共振器２からのレーザビーム１を反射鏡２０で反射して前記回析光学素子８を通過せしめてもよい。

この回析光学素子８を通過したレーザビームの像は中心の０次光１ａ（センタースポット）を中心に画像形成面６上で点対称となり、第１象限と、第３象限が対称となり、更に第２象限（ビーム１ｂ）と第４象限（ビーム1ｃ）が対称となる。このため、複雑な画像は分散するが、遮蔽板２１を回析光学素子８と画像形成面６間に設け、０次光１ａと対称画面の一方（ビーム1ｂ）をマスキングして１つの画像２２を材料面に転写加工するようにすることもできる。

また、前記回析光学素子８を加工用機能素子に用いビーム拡散法によってランダムにビームを飛ばして広範囲に完全連続に任意形状を一括加工することもできる。

これら回析光学素子はモアレ縞や波長依存性がなく偏光の依存性もなく、自在に拡散や集光角度を選択でき、光効率が高い。したがって分解能が非常に高く、微細領域では、当該素子単体でも他の光学系との組合せでも微細加工が可能である。例えば、１０μｍ角以内での微細な複雑形状、均一微細ドット、パターン等の精密な瞬時の面加工が可能である。

本発明は、上記の一点集中による従来に描写法又は加工法に替わり、加工光学系の表面（素子面）に直にコンピュータによって作成されたレーザ光が入射される素子面にレーザ描画、電子ビーム描画を含む、マイクロ加工、微細エッチング加工によって回析光子のフーリエ面に変換加工を施し、主に赤外又は紫外領域のレーザ光を入射することにより任意のパターンを材料面（像面）に生起させることにより加工を行う。広く産業界の需要に答えることを意図しているため、波長領域は赤外及び紫外領域であり、一般的な拡大／縮小はもとより、特に、その描画範囲は一定の焦点距離をもっていてそのうちの描画点においては、波長以下の極微小範囲に集光することができ、回析格子によって分岐される点は、通常ではスポットである。

このスポットは、図８に示すように分岐されたドットｄ、ｄ…ｄ（ドットの間隔は２００μｍ、３５０μｍ、５００μｍ等種々に変えることができる。）で描画されるが、この方法では、他に連続的なラインや面としてエネルギーを分散すれば、面でも点でも拡大縮小が可能である。

すなわち、図９、図１０に示すように集光光学系を用いてなだらかな集光傾向をもつビーム５０を形成し、このビーム５０をレンズ５１及び回析光学素子８を通して加工面６にドットｄを形成する。図９においては、回析光学素子８の距離ｌ_１のときには、加工面６のドットｄの間隔はΔＸ₁であるが、図１０に示すように、回析光学素子８をレンズ５１から距離ｌ_２（ｌ_２＞ｌ_１）だけ離すと加工面６のドットｄの間隔はΔＸ_２となりドット間隔が狭くなる。このように、ドットｄの間隔は任意に変化させることができるとともに連続描画の場合でも、任意の大きさに縮小することができる。

本加工方法は、加工面の除去、表面描写、表面加飾に加えて溶接加工にも適用でき、特に医療適用においては部位の位置決め、数１００μ台の微細直線で、血管の吻合、腸管や皮膚の縫合ができ、手術用ナイフにも適用できる。

図１は、本発明の概略構成図である。図２は、光学素子の入射面の正面図である。図３は、加工面の加工パターンを示す図であり、（ａ）は複数ドットパターン図、（ｂ）は十文字パターン図、（ｃ）は特殊パターン図である。図４は、本発明の他の実施例図である。図５は更に本発明の他の実施例図である。図６は、本発明の更に他の実施例図である。図７は、本発明の更に他の実施例図である。図８は、加工面の状態説明図である。図９は、加工面のドット間隔調整説明図である。図１０は、図９に示す回析光学素子をより離間せしめたときの加工面のドット間隔調整説明図である。

符号の説明

２…レーザ共振器
３…レンズ系
４…集光レンズ
５…画像形成面
６…加工面
8…回析光学素子
２１…遮蔽板

Claims

赤外（近赤外〜遠赤外）及び紫外（近紫外〜遠紫外）領域におけるレーザを用いて、材料表面での除去作用及び溝加工、並びに加飾などの作用を及ぼす系において、表面構造光学素子に回析格子を用い、その通過光を更にレンズを用いて集光することによって相似形で自在に縮小することで、２次元（面）の微細加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
前記回析光学素子において、主に入射レーザビームがコンピュータによって作成される素子面（フーリエ面）でフーリエ変換されて、材料面に当る像面（シグナル面）で所望の形状を転写加工し、前記素子面には、高出力の赤外から紫外領域での波長を選択できる溶融石英を用いることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
前記回析格子において、中心の０次光（センタースポット）を中心に、第１象限と第３象限を対称とし、第２象限と第４象限を対称とし、中心の０次光と対称画面をマスキングすることによって、得たい一つの画像を材料面に転写加工することを特徴とする請求項２又は３記載のレーザ加工方法。
前記回析格子を加工用機能素子に用い、ビーム拡散法によって、ランダムにビームを飛ばし、広範囲に完全連続に任意形状を一括加工することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
赤外及び紫外領域におけるレーザに対応できるように、溶融石英などの光学ガラスを用い、その表面にレーザまたは電子ビームによって回析格子の微細構造を形成することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
像面を通常の拡大光学系と焦点可変加工光学系、ズーミング、ｆθレンズと、無収差の集光光学系の光学系と組合わせることによって、一定範囲で任意に拡大縮小をすることを特徴とする請求項1乃至５のいずれかに記載のレーザ加工方法。