JP2006110587A - レーザー干渉加工方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射時間の短い干渉光をカットすることで、加工幅や加工深さの分布を低減する。
【解決手段】ビームスプリッターによって分割された二本のパルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ を角度θで重ね合わせ得られる干渉光によって基材表面や内部を加工または改質するレーザー干渉加工方法において、パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ の光路に、ビームの断面形状を整形するためのマスク−レンズ系を設けて、両パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ の干渉領域幅ＤＥを、理想平面波による干渉可能領域幅ＡＢより狭くすることで、照射時間の短い干渉光を排除し、干渉光による加工幅や加工深さを均一にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超短パルスレーザーを用いて被加工材の加工や改質を行うレーザー干渉加工方法および装置に関するものである。

フェムト秒レーザーは、パルスが１〜９９９×１０^-15 秒と非常に短く、レーザーエネルギーの吸収によるアブレーション加工において、熱の拡散による影響を殆ど受けないことが知られている。この特徴を生かして、これまでに、フェムト秒レーザーを用いた１００ｎｍオーダーの加工が非特許文献１などで報告されている。また、パルスの強度は１ＴＷ（１０¹²Ｗ）以上に達するため、集光して光強度を高めたフェムト秒レーザーを物質に照射すると、一つの電子が複数の光子を一度に吸収する多光子吸収と呼ばれる現象が起こることが知られている。この現象を用いれば、ガラスなどの透明物質の内部のみでレーザーの吸収を引き起こすことが可能であり、それら物質の内部にボイドを形成することができる。また、ボイドの形成に至らない比較的弱いフェムト秒レーザーを照射した場合でも多光子吸収は起こり、屈折率やエッチングレートの変化を引き起こすことが知られている。

これらの現象を用いた応用例として、ガラス内部にボイドを周期的に配列したフォトニック結晶の製作（非特許文献２参照）や、ガラスの屈折率変化を応用した光導波路の製作（非特許文献３参照）や、エッチングレート変化を応用した液体流路の製作（非特許文献４参照）などが知られている。また、これら二つの特徴を生かした、角膜などの生体の加工、多光子吸収による分析などへの応用も盛んに研究されている。

さらに、フェムト秒レーザーは非常に干渉性の高いレーザーであり、適当な光学系により二つのフェムト秒レーザーを重ね合わせると、干渉による光強度の縞（干渉縞）が生ずる。このフェムト秒レーザーの干渉性を応用した例が、特許文献１や特許文献２に開示されている。

特許文献１は、ビームスプリッターにより分割したフェムト秒レーザーパルスを、空間的かつ時間的に重ね合わせて干渉を引き起こし、それを基材の表面に照射し、アブレーションによる基材表面の形状変化または屈折率の変化として干渉縞を基材の表面に記録するものである。また、ガラス表面にアブレーションに至らないパルスエネルギーの干渉フェムト秒レーザーを照射したのち、１％−ＨＦでのエッチング処理を行うことにより、干渉縞と同ピッチの溝をガラス表面に加工できることも述べられている。このように、フェムト秒レーザーの干渉を用いれば、フォトリソグラフィなどの複雑な工程を経なくても、数十〜数百オーダーの周期構造もしくは周期的な屈折率変化を、数十〜数百μｍの領域に、容易に加工することが可能である。

また、特許文献２では、特許文献１と同様の装置によって干渉させたフェムト秒レーザーパルスを、ビームの入射方向を変えて二回基材に照射することにより、二方向の周期をもつ構造体を基材の表面に製作できることが述べられている。なお、特許文献１または特許文献２に開示された発明の内容は、学術論文として非特許文献５の中でも詳しく述べられている。
Optics＆Laser Technology34(2005)575 AppliedSurface Science 197-198 (2002) 705-709 第４２回レーザー熱加工研究会論文集(1997.11)p.105 March 1, 2001/Vol. 26, No.5/ Optics Letters 第５４回レーザー加工学会論文集(2001.11)p.16 特開２００１−２３６００２号公報 特開２００３−５７４２２号公報

しかし、従来の方法によるフェムト秒レーザーの干渉装置を用いた場合、干渉により形成された構造物の深さ、幅、もしくは屈折率の変化率は、パルスの照射された領域内で大きく分布していた。

図１４および図１５は、従来のフェムト秒レーザー干渉を使用して基材２０１の表面をアブレーション加工した際の、加工形状（加工パターン）を示す図である。図１４は、レーザーの照射領域を移動させずに一箇所のみ加工したもの、図１５は、図１の加工パターンを並べて広域を加工したものである。図１４のレーザー照射領域の中心部の充分に加工された領域αではアブレーションによる周期構造がはっきりと形成されている。しかし、レーザー照射領域の中心から外れた両側の領域βでは、周期構造のコントラストがはっきりしなくなり、加工された領域と加工されていない領域との境界は非常に曖昧となっていた。

また、図１５に示すように、図１４の加工パターンを並べて広い領域を加工した場合でも、この加工領域α、βにおける加工幅、および加工深さの分布は解消されない。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、レーザー干渉加工における加工深さや加工幅の分布を解消し、フェムト秒レーザーの干渉光を用いてより高精度で信頼性の高いデバイス等の加工や改質を行うことのできるレーザー干渉加工方法および装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明のレーザー干渉加工方法は、可干渉性を持つパルスレーザー光を二つのパルスビームに分割し、それらを所定の角度で重ね合わせることにより干渉させて得られた干渉光を被加工材に照射して、前記被加工材を加工・改質させるレーザー干渉加工方法において、前記干渉光の干渉周期方向の断面が、前記二つのパルスビームと同じパルス長の理想平面波を前記所定の角度で重ね合わせて得られる干渉可能領域より小さいことを特徴とする。

干渉可能領域の中心部のみの干渉光を利用することで、照射時間の分布による加工深さや加工幅の不均一を低減し、形状精度の高い溝加工等を行うことができる。

図１に示すように、フェムト秒レーザー光を二つに分割して得られるパルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ を角度θで重ね合わせて限定された領域で干渉を生じさせる。その干渉光を、図２に示すように、被加工材である基材１に照射することにより基材１の加工もしくは改質を行うに当たり、干渉するパルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ の断面寸法を限定することで、同じパルス長の理想平面波Ｓ₁ 、Ｓ₂ を同じ角度θで干渉させた干渉周期方向の干渉可能領域幅ＡＢと比較して、パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ による干渉光の断面である干渉領域幅ＤＥの方を狭くすることで、照射時間の短い干渉光を排除し、加工幅や加工深さの分布を解消する。

本発明者らは、詳細な検討により、先に述べたレーザー干渉加工における加工幅等の分布は、干渉光の照射時間が基材の表面で分布することが原因であることを突き止めた。フェムト秒レーザーはそのパルス長も数１０〜３００μｍと非常に短いため、図３に示すように、無限に広い理想平面波Ｓ₁ 、Ｓ₂ を干渉させた場合でも、干渉に寄与する領域（干渉可能領域）は図中のひし形の領域に限られる。図４の（ａ）〜（ｃ）に示すように、このひし形の領域は、その形を保ったまま基材１に入射するため、ひし形の端に位置する点Ａ、Ｂと、ひし形の中央に位置する点０では、同図の（ｄ）に示すように干渉光に晒される時間が著しく異なっている。加工深さや幅および改質の程度は、干渉光の照射時間に依存しており、照射時間の長い領域では充分に加工もしくは改質が進むが、加工時間の短い領域では不充分となる。したがって、照射領域Ａ−Ｂ間で加工および改質の程度に分布が生じてしまう。

なお、干渉可能領域幅ＡＢは、各パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ のパルス長をＬとしたときに、以下の式、

によって算出される。また、干渉パターンのピッチｄは、以下の式

によって算出される。

そこで、図１および図２に示すように、ｘｙ断面において、パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ の入射面で切り取られる干渉領域の干渉周期方向の幅ＤＥを、干渉可能領域幅ＡＢよりも狭くして、干渉可能領域の中心部のみの干渉を利用し、干渉光の照射時間が充分でない領域Ａ−Ｄ間および領域Ｅ−Ｂ間では干渉の発生を抑制する。

このような干渉光を基材１に照射すれば、照射時間の不均一に起因する加工および改質の分布を改善することができる。また、加工もしくは改質された領域とそうでない領域の境界も明確になり、それらのパターンを並べて広い領域を加工もしくは改質する場合に好都合である。なお、上記の干渉領域幅ＤＥの制約は、パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ の入射面に平行な方向に対するものであり、ビーム入射面に直角な方向（ｚ方向）の干渉領域に対しては、何ら制約を加えるものではない。したがって、ｚ方向に干渉領域が長くなるようにすれば、充分な加工面積および改質面積が確保できる。

図５は、一実施例によるレーザー干渉加工装置を示す模式図である。フェムト秒レーザーの発振には、チタンサファイア結晶を用いた再生増幅システムを用いた。レーザーの波長、パルス幅、発振周期、パルスエネルギーおよび１／ｅ² 強度ビーム径（φ（１／ｅ² ））は、それぞれ８００ｎｍ、１００ｆｓ、４０ｋＨｚ、３ｍＪ、８ｍｍである。図示しないフェムト秒レーザー発振器には、発振器と同期させた光学シャッターとＮＤフィルターが組み合わされており、適当なパルスエネルギーのパルスを適当な数だけ取り出せるようになっている。

このようにしてエネルギーとパルス数が制御されたパルスレーザ光であるフェムト秒レーザーパルス２は、ビームスプリッター３によって等しいエネルギーの二本のパルスビーム２ａ、２ｂに分割される。分割されたパルスビーム２ａ、２ｂは、ほぼφ（１／ｅ² ）＝８ｍｍのガウシアンビームであり、中心での光強度は２ｍＪ／ｃｍ² であった。分割されたパルスビーム２ａ、２ｂはそれぞれ、ミラー５ａ、５ｂで向きを変えた後、ビーム整形手段であるマスク−レンズ系６ａ、６ｂを通過し、基材１の表面で重なり合い干渉するパルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ となる。二つのパルスビーム２ａ、２ｂの光軸はミラー５ａ、５ｂにより調整され、それらの光路は基材１の表面で重なり合う。

フェムト秒レーザーのパルス長は３０μｍしかないため、フェムト秒パルスを重なり合わせるには、ビームスプリッターから干渉領域までの光路長を、数μｍのオーダーで一致させる必要がある。

そこで、数μｍの光路長の調整を行うために、分割したパルスビーム２ａ、２ｂの片方の光路に光路長調整器７を設置した。具体的には、ビームスプリッター３を通過するか否かによって生じる光路長差を補正するため、適当な厚さの石英平板を挿入した。なお、本実施例では、分割されたパルスビーム２ａ、２ｂが重なり合う角度θは４５°である。また、基材１にはガラス平板を用いた。

図６は、マスク−レンズ系６ａ、６ｂの詳細を示すもので、互いに干渉するパルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ の光路における点ｃは干渉領域の中心であり、ガラス平板である基材１の表面と一致している。各マスク−レンズ系６ａ、６ｂは、光学マスクであるマスク８と、焦点距離が異なる二枚のシリンドリカルレンズ９、１０で構成されている。シリンドリカルレンズ９、１０の焦点距離は、それぞれｆ＝４８ｍｍ、ｆ＝１０ｍｍである。二枚のシリンドリカルレンズ９、１０は、それぞれ、パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ の入射面であるｘｙ平面に対して、一方のシリンドリカルレンズ９の軸が平行、他方のシリンドリカルレンズ１０の軸が垂直になるように配置されている。

マスク８の開口部は、３ｍｍ×３ｍｍの正方形であり、光軸がその中心を通り、正方形の一辺がパルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ の入射面と平行になるように配置されている。

マスク８、シリンドリカルレンズ９、１０および基材１間の距離は、図６に記されている通りであり、各シリンドリカルレンズ９、１０の位置は、基材１の表面の点ｃが、マスク８の裏面の点ｂの結像共役点となるようにそれぞれ微調整されている。点ｃにおけるマスク像の縮小倍率は、レーザーの入射面に平行なｙ方向と垂直なｚ方向とでは異なっており、それぞれ１／１００倍、１／２０倍となる。したがって、マスク８を通過した３ｍｍ×３ｍｍのビームは、点ｃで３０μｍ×１５０μｍの矩形となる。

図７は、図６の点ａ、ｂ、ｃにおけるｙ方向およびｚ方向のレーザーの空間強度分布（ビームプロファイル）を表している。点ｂでマスク８によってガウシアンビームの裾がカットされたパルスは、ｙ方向とｚ方向で異なる比率で縮小され、点ｃにおいて矩形状に結像する。このときのパルスのピーク光強度は、４Ｊ／ｃｍ² である。

このように、ビームスプリッター３によって分割された２つのパルスビーム２ａ、２ｂはいずれも、点ｃにおいて、３０μｍ×１５０μｍの矩形断面を有する光ビームＰ₁ 、Ｐ₂ として結像される。すなわち、図示しないシャッターが開いてパルスレーザ光が入射すると、矩形状のパルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ が重なり合い、点ｃにおいて干渉が生じる。

ガラス平板である基材１は、その表面が点ｃと一致するように設置されており、干渉が起こるたびに表面がアブレーション加工される。図８は、点ｃにおいて二本のパルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ が重なり合って形成された干渉光の空間強度分布、および形成された周期構造を示すもので、干渉パターンである周期構造のピッチｄは約１．０μｍであった。

図８から分かるように、パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ は干渉可能領域の中心部のみに入射するため、干渉可能領域Ａ−Ｂの幅が約７８μｍであるのに対して、その中心部の領域Ｄ−Ｅ（幅約３３μｍ）でしか干渉が起きない。このように、パルスビームＰ₁ 、Ｐ₂ による干渉領域幅ＤＥを干渉可能領域幅ＡＢよりも狭くすることにより、干渉光の照射時間が短い領域（Ａ−ＤおよびＥ−Ｂ）に干渉が生じることを防ぐ。また、ｙ方向のビームプロファイルの幅は、上記のように制約を受けるが、ｚ方向にはそのような制約がない。本実施例では、ｚ方向のビームプロファイルの幅を１５０μｍとすることにより、基材１の表面に３３μｍ×１５０μｍの加工エリアを確保している。

図９は、図８で示した加工形状を並べて、基材１のより広い領域に加工を施した例である。

（比較例）
比較のために、図３および図４に示した従来と同様の方法で加工した比較例を説明する。従来は、加工および改質の分布を改善するために、干渉させる２つのパルスビームのビームプロファイル（断面形状）を制御するといった考え方は無かったため、図１０に示すように、ガラス等の基材１０１の加工に十分なエネルギーを得るために、凸レンズや対物レンズ等のレンズ１０６ａ、１０６ｂによってパルスビーム１０２ａ、１０２ｂを集光するのみである。レンズ１０６ａ、１０６ｂは、ｆ＝１０００ｍｍの凸レンズを使用しており、ガラス平板の基材１０１は、凸レンズの焦点位置に配置されている。図１１に示すように、図１０のａ点でφ（１／ｅ² ）＝８ｍｍのガウシアンビームは、焦点位置であるｃ点においてφ（１／ｅ² ）＝１２７μｍのガウシアンビームに集光される。

図１２の（ａ）に示すように、ガウシアンビームの干渉は、干渉可能領域幅ＡＢの全域で起こるため、干渉光の照射時間が短い点Ａ、点Ｂに近い領域でも干渉が生じて、同図の（ｂ）、（ｃ）に示すように加工の深さおよび幅に大きな分布が生じる。図１３は、図１２の加工パターンを並べて、基材１０１の広い領域に加工を施したものである。

図８と図１２、もしくは図９と図１３を比較すると、上記実施例のほうが、比較例よりも加工深さの分布が小さいことが分かる。比較例でガラス平板に周期構造を製作した場合、その深さの分布は０．１５〜２μｍであったが、上記実施例によって加工を行った場合、深さの分布は１．２〜２μｍであり、加工深さの均一性に大幅な改善が見られた。

上記実施例では、ガラス表面のアブレーション加工を例に挙げたが、本発明は、アブレーション加工に限定されたものではなく、パルスのピーク光強度を８００ｍＪ／ｃｍ² 以下まで下げれば、屈折率の変化を周期的に生じさせる方法として応用できる。また、加工する基材材料もガラスに限定されるものではなく、金属、プラスティック、有機体、あるいはそれ以外の物質であってもよい。

一実施例によるレーザー干渉加工方法の原理を説明する図である。 上記実施例によるレーザー干渉加工方法における干渉光の照射時間を説明する図である。 比較例によるレーザー干渉加工方法の原理を説明する図である。 上記比較例によるレーザー干渉加工方法における干渉光の照射時間を説明する図である。 一実施例によるレーザー干渉加工装置を説明する図である。 図５の装置の主要部の構成を示す図である。 図６のａ点、ｂ点、ｃ点におけるパルスビームの強度分布を示すグラフである。 図６の装置による加工例を示す図である。 図６の装置によって広い領域を加工した場合を示す図である。 比較例によるレーザー干渉加工装置を説明する図である。 図１０の装置のａ点、ｃ点におけるパルスビームの強度分布を示すグラフである。 図１０の装置による加工例を示す図である。 図１０の装置によって広い領域を加工した場合を示す図である。 従来例によるレーザー干渉加工方法によって加工した加工例を示す図である。 従来例によって広い領域を加工した場合を示す図である。

符号の説明

１ 基材
３ ビームスプリッター
５ａ、５ｂ ミラー
６ａ、６ｂ マスク−レンズ系
７ 光路長調整器

Claims (4)

1. 可干渉性を持つパルスレーザー光を二つのパルスビームに分割し、それらを所定の角度で重ね合わせることにより干渉させて得られた干渉光を被加工材に照射して、前記被加工材を加工・改質させるレーザー干渉加工方法において、前記干渉光の干渉周期方向の断面が、前記二つのパルスビームと同じパルス長の理想平面波を前記所定の角度で重ね合わせて得られる干渉可能領域より小さいことを特徴とするレーザー干渉加工方法。
2. パルス幅が１フェムト秒＜τ＜９９９フェムト秒の可干渉性を持つレーザーパルス光を発振する発振器と、前記レーザーパルス光を二つのパルスビームに分割するビームスプリッターと、前記二つのパルスビームを所定の角度で重ね合わせて干渉光を発生させる光学系と、前記干渉光の干渉周期方向の断面が、前記二つのパルスビームと同じパルス長の理想平面波を前記所定の角度で重ね合わせて得られる干渉可能領域より小さくなるように、前記二つのパルスビームを整形するビーム整形手段とを有することを特徴とするレーザー干渉加工装置。
3. ビーム整形手段が、各パルスビームが干渉領域に到達するまでの光路に配設された光学マスクおよびレンズ手段を有し、前記光学マスクの背面と前記干渉領域の中心とが前記レンズ手段に対して結像関係にあることを特徴とする請求項２記載のレーザー干渉加工装置。
4. レンズ手段は、複数のシリンドリカルレンズからなることを特徴とする請求項３記載のレーザー干渉加工装置。

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