JP7241897B2 - 材料内部でのレーザ加工 - Google Patents
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Description
レーザ光線を供給するように構成されたレーザ光源と、
サンプルを支持するためのサンプル・ホルダと、
サンプルがサンプル・ホルダによって支持されているとき、レーザ光源からのレーザ光線をサンプルの中に導くように構成された1つ又は複数の光学素子であって、レーザ光線がサンプルの中に合掌するように構成され、レーザ光線がサンプルの内部の目標位置に合焦されるように、レーザ光線が入るサンプルの表面における屈折率の不整合に起因する球面収差を補正するように構成された構成要素を含む、1つ又は複数の光学素子と、
表面から入るレーザ光線の光軸に対するサンプルの表面の傾斜角を測定するように構成された傾斜測定デバイスと、
測定された傾斜角を基にサンプル・ホルダ及び/又は光学素子のうちの1つ又は複数を動かして、傾斜角に起因するコマ収差を補正するための駆動機構と
を有する。
ダイヤモンド原石の表面下の第1の深さに配設された第1のマークと、
ダイヤモンド原石の表面下の第2の深さに配設された第2のマークと
を有するダイヤモンド原石も提供され、
第1のマークは10倍のルーペ下で可視であり、
第2のマークは、10倍のルーペ下では不可視であるが、より高い倍率では可視である。
a. ガラスの内部に合焦するときの球面収差を解消するための補正カラーを含有している多くの顕微鏡対物レンズが購入可能である。一般的には、補正カラーが回転するときレンズの内部のガラス素子が光軸に沿って動くことができ、ガラスの内部の特定の深さ用に球面収差を調節する。この球面収差の位相は、宝石の内部に合焦される異なる深さにおける球面収差の位相に近いものであってよく、そこで、その深さにおける球面収差を低減するために使用される。
b. 浸漬媒体として空気を有し、ガラスの内部の特定の深さに対して一定の補正を有する、多くの顕微鏡対物レンズが購入可能である。この球面収差の位相は、宝石の内部に合焦される異なる深さにおける球面収差の位相に近いものであってよく、そこで、その深さにおける球面収差を低減するために使用される。
c. 何らかの所望の任意位相を示す一定の位相板が購入され得る。したがって、特定の深さ及び対物レンズに関して必要な位相を計算し、次いで、球面収差のない宝石の内部でこの深さに合焦するために、この位相板をこのレンズとともに使用することができる。
d. ダイヤモンドの界面における屈折によって生成される球面収差を部分的又は完全に相殺する球面収差を対物レンズの前でレーザ・ビームに与えるために、対物レンズの前で、レンズの組合せが、(a)に類似のやり方で整列され、且つ調節されてよい。
a. サンプルの傾斜を測定するための機構(例えば光学顕微鏡)と、次いで、サンプルの傾斜を、ゴニオメータ又はチップ/チルトステージなどの機械的取付け台を用いて、理想的には0.5度未満であるが、傾斜が1度未満や、確実に2度未満といった特定の値未満になるまで調節するための機構。図3は、サンプル・ホルダ(及びサンプル・ホルダによって支持されたサンプル)が、サンプルの傾斜を低減するか又は解消してコマ収差を補正するために回転するように構成され得る、図2のレーザ・システムを示すものである。
b. サンプルの傾斜を測定するための機構(例えば光学顕微鏡)と、次いで、サンプルに対する対物レンズの傾斜を上記で説明された値未満に調節するための機械式機構。レンズが傾斜されるとき、レーザ・ビームを対物レンズの後軸に対して垂直に保つように、レーザ及び/又は他の光学部品の角度も変化され得る。図4は、光学構成要素が、サンプルの傾斜を低減するか又は解消してコマ収差を補正するために、回転するように構成され得る図2のレーザ・システムを示すものである。
c. レンズなどの一定の光学素子もコマ収差を生成することができる。サンプルの傾斜が一旦測定されると、サンプルが誘起した収差を相殺するために必要な量のコマを作成するように、レンズを光軸に対して垂直に移動することによってコマ収差が補償され得る。図5は、レーザ、3つの光学素子、及びサンプルを支持するサンプル・ホルダを含むレーザ・システムを概略的に示すものであり、光学素子のうちの少なくとも1つは、傾斜角に起因して誘起されたサンプルのコマ収差を相殺するコマの量を作成するように動かされ得る。
d. 深さ依存の球面収差(のみ)を補正するための空間光変調器(SLM)又は他の適応光学素子/アクティブ光学素子、並びにサンプルの傾斜及びコマ収差を解消するための機械的取付け台。例えば、図5のレーザ・システムにおける光学素子のうち1つは、球面収差を補正するように構成されたSLMであり得る。
ダイヤモンド原石の表面下の第1の深さに配設された第1のマークと、
ダイヤモンド原石の表面下の第2の深さに配設された第2のマークとを有するダイヤモンド原石も提供され、
第1のマークは10倍のルーペ下で可視であり、
第2のマークは、10倍のルーペ下では不可視であるが、より高い倍率では可視である。
この式で、角のある括弧<...>は光学系における特定の開口にわたる平均を表し、ここでは合焦対物レンズの瞳開口と解釈される。完全なシステムについては、波面誤差はゼロ(平坦な位相)であり、ストレール比は1である。収差のために波面誤差が増加するとストレール比が低下する。収差関数は、焦点に向かう光の伝搬に関連したすべての位相誤差を表し、1次コマ、1次球面非点収差及び1次非点収差などのゼルニケ多項式の合計として記述され得る。収差関数は、或いは、基底関数の別のセットの合計として、又は既知のサンプルの内部の特定の合焦位置に関する直接的な数値計算/解析解として構成され得る。
フェムト秒のパルス状レーザがダイヤモンドの内部に密に合焦されたとき、非線形の光学的相互作用が、焦点におけるエネルギ密度に依拠して結晶格子を様々に改修する。低エネルギでは結晶格子の小さな破壊があり、アニーリングの後に色中心を生成するために使用され得る。より高いエネルギでは、炭素の、sp3相(ダイヤモンド・クリスタル構造)からsp2位相(グラファイト)への大幅な変換があるほどの、大幅な格子破壊がある。一般的には、レーザ改修された領域は、sp2相とsp3相の組合せである無定形炭素の形態をとる。
理想的な場合には、レーザ焦点のサイズは、回折限界、すなわち所与の波長、対物レンズの屈折率及び開口数にとって可能な最小のスポット・サイズであるべきである。しかしながら、この限界は、収差の影響のために達成されないことが多い。収差は、光学系の、理想的な合焦性能からの逸脱である。光線光学の点では、収差によって、集束円錐の中の光線が同一のポイントに合致しなくなる。電波光学の点では、焦点に収束する波面が、回折限界スポットに合焦するために必要な球状キャップの形をとらなくなる。この電波光学の場合には、収差は、多くの場合、理想波面と歪み波面との間の光位相誤差に関して定量化され、異なるタイプの歪みは異なる位相誤差によって特徴付けられる。焦点は、収差の影響によって広がるか又はぼやけてしまい、ピーク強度が低下する。合焦の性質により、広がりは、主に光軸に沿ったものになる。
この式は、波長λの光に対して、開口数NA及び浸漬媒体n1を伴う対物レンズを使用して、屈折率n2の材料の内部の深さdnomに合焦するときの、球面収差位相φSAの解析的な記述である。座標ρは対物レンズの瞳における正規化された半径である。
この式は、表面の傾斜による収差成分の解析的な記述であり、傾斜は小角度tである。θは瞳における方位角の座標であり、εは傾斜の配向を表す。係数a及びbはスカラ係数であり、その値は屈折率及びNAに依拠する。
サンプルの内部の異なる位置(特に深さ)の間及び異なるサンプルの間で加工の安定した品質を維持するために、収差補正とパルス・エネルギとの適切な組合せを維持することができる適応制御システムを実施する必要がある。これは、焦点領域から、波面及びエネルギを制御するデバイスにフィードバックする方法を使用することができる。
又は最大化されるべきメリット関数
のいずれかによって与えられる。関数f又はgは測定値の組合せとして定義され得る。例えば、レーザ加工中に生成される焦点プラズマの強度は合計の収差内容に依拠するものであり、その結果、補正されたシステムは焦点のプラズマ発光における最大値を示す。
より大規模な構造及びマーキングも可能である。これは、英数字文字、バーコード、QRコード(登録商標)又は画像を作成するためのポイント状のフィーチャ若しくは実線を含み得る。そのようなフィーチャは、回折素子、ホログラム、又は回折格子を形成するためにグループ化され得る。深さ範囲及び領域は、使用されている宝石のサイズまでであり得る(一般的には横のx方向及びy方向において3mmの範囲であり、伝搬のz方向では1mmの範囲である)。フィーチャのサイズは、横方向(x方向及びy方向)では5μmまで、伝搬のz方向では20μmまでであり得る。実際には、より大きいフィーチャを確実に作成する場合は、より小さいスケール修正の組合せをつなぎ合わせることによって達成され得る。大きいフィーチャを生成するときには、大規模で不規則なクラックの形成を回避するために、周囲のサンプル(例えばダイヤモンド)の応力負荷を管理するように注意しなければならない。これは、光学的には大きく見えるがダイヤモンドからグラファイトへの最小のボリューム変換のみを有するフィーチャを形成するように結合された、小さい(約1μmの規模の)フィーチャのスパース行列によって達成され得る。
図10はレーザ・システムの構成を示す。例えば、収差又は位置の感知を支援するため、さらなる収差補正を実施するため、又はシステムを並行処理にして複数のフォーカル・スポットを使用するために、さらなる構成要素が追加されてよい。
ダイヤモンドがレーザ加工システムに取り付けられる。対物レンズは、最初に、LEDからの反射光を最大化することによってダイヤモンド表面を見つけるように、軸方向(すなわちz方向)に移動される。ダイヤモンドは、加工のための所望の位置まで横断(X-Y)方向に移動される。
Claims (18)
- サンプルの表面下のサンプル内に配置された目標位置に、改修された領域を形成するための、サンプル改修用レーザ・システムであって、
レーザ光線を提供するように構成されたレーザ光源と、
前記サンプルを支持するためのサンプル・ホルダと、
前記サンプルが前記サンプル・ホルダによって支持されているとき、前記レーザ光線を前記レーザ光源から前記サンプル中に方向付けるように構成された1つ又は複数の光学素子であって、前記1つ又は複数の光学素子は、前記レーザ光線を前記サンプル中に合焦させるように構成され、また前記1つ又は複数の光学素子は、前記レーザ光線が入る前記サンプルの前記表面における屈折率の不整合に起因する球面収差を補正するように構成された構成要素を含み、それにより前記レーザ光線が前記サンプル内の前記目標位置に合焦させられる、1つ又は複数の光学素子と、
前記表面を通って入る前記レーザ光線の光軸に対する前記サンプルの前記表面の傾斜角を測定するように構成された傾斜測定デバイスと、
前記測定された傾斜角に基づいて前記サンプル・ホルダ及び/又は前記光学素子のうちの1つ又は複数を動かすための駆動機構であって、それにより前記傾斜角に起因するコマ収差を補正する駆動機構と
を有するレーザ・システム。 - 前記駆動機構は、前記測定された傾斜角に基づいて前記サンプル・ホルダを動かし、それにより前記サンプルの前記表面の前記傾斜角を低減してコマ収差を補正するように構成されている、請求項1に記載のレーザ・システム。
- 前記駆動機構は、前記サンプルの前記表面を通って入る前記レーザ光線の前記光軸を傾斜させるために前記光学素子のうちの1つ又は複数を動かし、それにより前記傾斜角を低減してコマ収差を補正するように構成されている、請求項1又は2に記載のレーザ・システム。
- 前記駆動機構は、前記傾斜角に起因してサンプルが誘起したコマ収差をキャンセルするコマの量を生成するように前記光学素子のうちの1つ又は複数を動かすように構成されている、請求項1から3までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記1つ又は複数の光学素子は、前記サンプル内の前記目標位置における球面収差を補正するための、調節可能な補正カラーを備えたレンズを含む、請求項1から4までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記1つ又は複数の光学素子は、前記サンプル内の前記目標位置における球面収差に対する固定された補正を伴うレンズを含む、請求項1から5までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記1つ又は複数の光学素子は、前記サンプル内の前記目標位置における球面収差を補正するように構成されたレンズ及び位相板を含む、請求項1から6までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記1つ又は複数の光学素子は、前記サンプルの前記表面における屈折率の不整合に起因する球面収差によって部分的又は全体的にキャンセルされる球面収差を前記レーザ光線に導入するように構成されたレンズの組合せを含む、請求項1から7までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記1つ又は複数の光学素子は、前記サンプル内の前記目標位置における球面収差を補正するように構成された適応光学素子を含む、請求項1から8までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記適応光学素子は空間光変調器を含む、請求項9に記載のレーザ・システム。
- 前記1つ又は複数の光学素子は、特定のタイプの材料内の固定された目標深さにおける球面収差を補正するように予め構成されている、請求項1から10までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記1つ又は複数の光学素子は、種々のサンプル材料内で、及び/又は種々の目標深さにおいて、球面収差を補正するように調節可能である、請求項1から10までのいずれか一項に記載のレーザ・システム。
- 使用可能な補正のデータベースと前記サンプルの光学的測定との一方又は両方に基づいて球面収差を補正するために前記1つ又は複数の光学素子を自動的に調節するように構成された球面収差コントローラをさらに有する、請求項12に記載のレーザ・システム。
- 前記レーザ光源は、サブ10ピコ秒のパルス状レーザ光を提供するように構成されている、請求項1から13までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記レーザ光源は、10nJ~300nJのパルス・エネルギを有するパルス状レーザ光を提供するように構成されている、請求項1から14までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記1つ又は複数の光学素子は、少なくとも0.8、1、又は1.2の開口数で前記サンプル内に前記レーザ光線を合焦させるように構成されている、請求項1から15までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記レーザ・システムは、宝石の原石にマークを付けるように構成されている、請求項1から16までのいずれかに記載のレーザ・システム。
- 前記レーザ・システムは、ダイヤモンドにマークを付けるように構成されている、請求項17に記載のレーザ・システム。
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