JPS61163681A - Laser device for forming micro-beam - Google Patents
Laser device for forming micro-beamInfo
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- JPS61163681A JPS61163681A JP60003630A JP363085A JPS61163681A JP S61163681 A JPS61163681 A JP S61163681A JP 60003630 A JP60003630 A JP 60003630A JP 363085 A JP363085 A JP 363085A JP S61163681 A JPS61163681 A JP S61163681A
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、ピンホールを通過したレーザービームを第１
のレンズによって平行ビームに修正した後、それを第２
のレンズによって絞ることを基本として、極小集光スポ
ットを形成するマイクロビームを得ることを可能とする
のみならず、微細加工等に際し・、集光レンズたる第２
のレンズの先端部と試料との距＃ｌ（以下作動距離とい
う）を大きくとりつつもマイクロビームを得ることを可
能として、ＩＣ等の超微細加工の分野や細胞工学等にお
ける＃Ｉ微細処理（切断、穴あけ等）の分野等において
有効に利用することができる、マイクロビーム形成用の
レーザー装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention provides a first
After correcting it into a parallel beam by the lens of
It is not only possible to obtain a microbeam that forms an extremely small condensed spot, but also to use a second condensing lens for microfabrication, etc.
It is possible to obtain a microbeam while maintaining a large distance #l (hereinafter referred to as working distance) between the tip of the lens and the sample. The present invention relates to a laser device for forming microbeams, which can be effectively used in the field of cutting, drilling, etc.
（発明の青畳及び従来の技術）
レーザーは非常に広範囲な分野において応用されている
が、集光した際の極めて高いエネルギー密度を利用する
分野も広い、その−例として、ｔＣ等の微小加工を行う
こと、細胞の一部を切断したり細Ｗ！！膜に穴をあける
こと、分光分析の際に試料の微小部分を気化させること
、半導体表面等の微小部分に光化学変化をおこさせるこ
と等の分野における応用が挙げられる。しかしながら、
従来におけるレーザーと−ムの集光は、発振器からのし
−ザービームをそのまま集光レンズによって集光する方
式を採用していた。(Blue Tatami of the Invention and Prior Art) Lasers are applied in a very wide range of fields, but there are also a wide range of fields that utilize the extremely high energy density when condensed light. What to do, cut a part of the cell or thin W! ! Applications include making holes in membranes, vaporizing minute portions of samples during spectroscopic analysis, and causing photochemical changes in minute portions such as semiconductor surfaces. however,
Conventional laser beam focusing has employed a method in which the laser beam emitted from an oscillator is directly focused by a focusing lens.
（発明が解決しようとする問題点）
そのため、とりわけパルス発振のレーザーにおいては、
進行方向が僅かに異なる幾つかのモードで発振が起こる
ため、レーザービームはある拡がり角度をもって発振器
から出ることとなり、従って従来の集光方式においては
、集光スポットの最小部の長さが５μ以下というマイク
ロビームを得ることには困難を伴い、とりわけ操作に支
障を来たさない充分大きな作動距離を確保しつつ前記し
たマイクロビームを得ることは事実上不可能であった。(Problem to be solved by the invention) Therefore, especially in pulsed lasers,
Since oscillation occurs in several modes with slightly different propagation directions, the laser beam exits the oscillator with a certain divergence angle. Therefore, in the conventional focusing method, the length of the minimum part of the focused spot is less than 5 μm. It is difficult to obtain such a microbeam, and in particular, it has been virtually impossible to obtain the above-mentioned microbeam while ensuring a sufficiently large working distance that does not interfere with operation.
ちなみに、従来１μ近くの集光スポットを得るためには
、焦点距離の短い１００倍程度の集光レンズを用いなけ
ればならず、そのための作動距離は０．２軸以下という
極めて小さいものであった。By the way, conventionally, in order to obtain a focused spot of nearly 1μ, it was necessary to use a focusing lens with a short focal length of about 100 times, and the working distance for this was extremely small, less than 0.2 axis. .
本発明は、かかる問題点に鑑み、パルス発振のレーザー
においても種牛集光スポットを十分な作動距離を確保し
つつ得ることを主たる目的として開発されたものである
。In view of these problems, the present invention was developed with the main purpose of obtaining a condensing spot on a bull while ensuring a sufficient working distance even in a pulsed laser.
（問題点を解決するための手段）
本発明に係るマイクロビーム形成用のレーザー装置（以
下装置という） １は、発振器２の前方に、該発振器２
から出たレーザービームを通過させうるピンホール１２
が穿設された遮蔽板４を配置し、該遮蔽板４の前方には
ピンホール１２を出たレーザービームを平行ビームに修
正する第１のレンズ５を配置し、該第１のレンズ５の前
方には前記平行光を集光する第２のレンズ７を配置し、
第１のレンズ５の焦点路＃ｆ１及び第２のレンズ７の焦
点路１１［ｆ２は、最小部の長さが５μ以下である集光
スポット９が得られるよう、ｆｌ＞ｆ２の関係を満足す
るように設定したことを特徴とする。(Means for Solving the Problems) A laser device for forming a microbeam according to the present invention (hereinafter referred to as the device) 1 has a laser device in front of an oscillator 2.
Pinhole 12 through which the laser beam emitted from the
A shielding plate 4 with a perforated hole is disposed, and a first lens 5 for correcting the laser beam exiting from the pinhole 12 into a parallel beam is disposed in front of the shielding plate 4. A second lens 7 for condensing the parallel light is arranged in front,
The focal path #f1 of the first lens 5 and the focal path 11[f2 of the second lens 7 satisfy the relationship fl>f2 so that the focal spot 9 whose minimum length is 5μ or less is obtained. It is characterized by being set to do so.
なお前記ピンホール１２は、円形状、矩形状等として形
成され、該ピンホール１２の像がｆ２／ｒ１だけ縮小さ
れて集光スポット９となる。ここに集光スポット９の最
小部の長さとは、例えばそれが円形状（楕円形状を含む
）であるばあいにはその最小径を、又それが矩形（正方
形を含む）状であるばあいには短辺長さを措す、なお、
ピンホール１２によって出力が低下した結果、装置１の
ｆＩＩ用目的に応し、集光スポット９部において所要の
エネルギー密度が得られないばあいには、第１のレンズ
５と第２のレンズ７との間に、一台あるいは複数台の増
幅器６が配設される。Note that the pinhole 12 is formed in a circular shape, a rectangular shape, etc., and the image of the pinhole 12 is reduced by f2/r1 to become a focused spot 9. Here, the length of the minimum part of the focused spot 9 is, for example, the minimum diameter if it is circular (including elliptical), or the minimum diameter if it is rectangular (including square). The length of the short side is taken into account, and
As a result of the reduction in output due to the pinhole 12, if the required energy density cannot be obtained at the focused spot 9 depending on the fII purpose of the device 1, the first lens 5 and the second lens 7 One or more amplifiers 6 are disposed between them.
なお、ピンホール１２によって出力が低下した結果、装
置ＩのＩＩＩ用目的に応し、集光スポット９部において
所要のエネルギー密度が得られないばあいには、第１の
レンズ５と第２のレンズ７との間に、一台あるいは複数
台の増幅器６が配設される。In addition, if the required energy density cannot be obtained in the focused spot 9 according to the purpose of the device I as a result of the decrease in the output due to the pinhole 12, the first lens 5 and the second lens One or more amplifiers 6 are disposed between the lens 7 and the lens 7.
（作用）
然して、発振器２から出たレーザービームのうちピンオ
ール１２を遭遇したもののみが第１のレンズ５によって
平行ビームに修正され、該平行ビームが第２のレンズ７
によって集光され、ピンホール１２の像がｒ２＃１だけ
縮小され、集光スポット９の最小部の長さが５μ以下で
あるマイクロビームｌＯが形成されることとなる。しか
も第１のレンズ５の焦点距離を大きくすることによって
、十分な作動距離を確保しつつマイクロビームｌＯを形
成することが可能となる。(Function) Of the laser beams emitted from the oscillator 2, only the one that encounters the pinall 12 is corrected into a parallel beam by the first lens 5, and the parallel beam is transmitted to the second lens 7.
The image of the pinhole 12 is reduced by r2#1, and a microbeam IO whose minimum length of the focused spot 9 is 5μ or less is formed. Furthermore, by increasing the focal length of the first lens 5, it becomes possible to form the microbeam IO while ensuring a sufficient working distance.
（実施例）
以下本発明に係る装置の実施例を、該装置が微細加工装
置あるいは細胞メスとして応用されたばあいを例にとり
、図面に基づいて説明する。(Example) Examples of the apparatus according to the present invention will be described below based on the drawings, taking as an example the case where the apparatus is applied as a microfabrication apparatus or a cell scalpel.
第１図において本発明の装置１は、発振器２の前方に集
光レンズ３、遮蔽板４、第１のレンズ５、増幅器６、第
２のレンズ７を順に配置し、最小部の長さが５μ以下で
ある集光スポット９を形成するマイクロビーム１０を得
るとともに、該集光スポット９部のエネルギー密度がＩ
Ｊ／−以上となるようにしたものであり、これを具体的
に説明すれば次のごとくである。即ち本発明の装置ｌは
、例えばパルスレーザ−発振器として構成された発振器
２の前方に、レーザービームを集光させるための集光レ
ンズ３、及び該集光部分１１を通過させうるピンホール
１２が穿設された遮蔽板４を具える。なお該ピンホール
１２は、直径約１０μの円形ピンホールとして形成され
ている。又ピンホール１２部分におけるレーザービーム
の強度は、ピンホールの破頃を防止するため、ｌ Ｏ’
Ｗ／ｃｄを越えないようにする。In FIG. 1, the device 1 of the present invention has a condenser lens 3, a shielding plate 4, a first lens 5, an amplifier 6, and a second lens 7 arranged in this order in front of an oscillator 2, and the length of the minimum part is A micro beam 10 is obtained that forms a focused spot 9 with a diameter of 5μ or less, and the energy density of the focused spot 9 is I
J/- or more, and the concrete explanation thereof is as follows. That is, the device 1 of the present invention has a condensing lens 3 for condensing a laser beam and a pinhole 12 through which the condensing part 11 can pass, in front of an oscillator 2 configured as a pulsed laser oscillator, for example. It includes a perforated shielding plate 4. Note that the pinhole 12 is formed as a circular pinhole with a diameter of about 10μ. In addition, the intensity of the laser beam at the pinhole 12 portion is set at l O' to prevent the pinhole from breaking.
Do not exceed W/cd.
又前記遮蔽板４の前方には、ピンホール１２を通過した
レーザービームを平行光に修正する第１のレンズ５が、
又その前方には増幅器６が、さらにその前方には前記平
行光を集光する第２のレンズ７が配置されており、該第
１のレンズ５の焦点距離は２００鰭に、第２のレンズの
焦点距離は２０ｆｌに夫々設定されている。Further, in front of the shielding plate 4, there is a first lens 5 that corrects the laser beam that has passed through the pinhole 12 into parallel light.
Further, an amplifier 6 is arranged in front of it, and a second lens 7 for condensing the parallel light is arranged further in front of it.The focal length of the first lens 5 is 200 fins, and the second lens The focal length of each is set to 20 fl.
然して、発振器２から出たレーザー−ムのうちピンホー
ル１２を遭遇したもののみが第１のレンズ５によって平
行光に修正され、該平行光が第２のレンズ７により集光
されてマイクロビーム１０が形成されることとなる。そ
して形成される集光スポット９の径は、ピンホール１２
の径をｄｌ、集光スポット９の径をｄ２とすれば、ｄ２
＝ｄｌ・ｆ２／４１の関係式が成立することから、これ
にｄｌ−１０ｕ、ｆ １＝２００ｗ、ｆ２−２０ｍを代
入すると、集光スポット９の径ｄ２は１μとなり、その
ときの作動距離は約１０ｓ＋ｍというかなり大きなもの
である。又集光スポット９部分のエネルギー密度は、ピ
ンホール１２を出たレーザービームの出力が増幅器６に
よって増幅され、微細加工等に支障を生じない程度（Ｉ
Ｊ／ｃｊ以上）のものとなっている。Of the laser beams emitted from the oscillator 2, only those that encounter the pinhole 12 are corrected into parallel light by the first lens 5, and the parallel light is focused by the second lens 7 to form a microbeam 10. will be formed. The diameter of the condensed spot 9 formed is the same as that of the pinhole 12.
If the diameter of is dl and the diameter of the focused spot 9 is d2, then d2
Since the relational expression =dl・f2/41 holds true, by substituting dl-10u, f1=200w, f2-20m into this, the diameter d2 of the focused spot 9 becomes 1μ, and the working distance at that time is It is quite large, approximately 10 s+m. The energy density of the focused spot 9 is set to such an extent that the output of the laser beam exiting the pinhole 12 is amplified by the amplifier 6, so that it does not interfere with microfabrication, etc. (I
J/cj or higher).
第２〜３図は本発明の装置を応用して構成された微細加
工装置、あるいはレーザーメスの加工部（処理部）及び
観察部の一例を示す説明図であり、第２図は、第２のレ
ンズ７と観察用レンズ１３とを別個独立体として構成し
たばあいを示し、第３図は、第２のレンズ７と観察用レ
ンズ１３とを兼用したばあいを示す、なお第２〜３図に
おいて１５は試料である。2 and 3 are explanatory diagrams showing an example of a processing section (processing section) and an observation section of a microfabrication device or a laser scalpel configured by applying the device of the present invention, and FIG. FIG. 3 shows a case where the second lens 7 and the observation lens 13 are configured as separate and independent bodies, and FIG. In the figure, 15 is a sample.
なお第２〜３図に示すばあい、あるいはそれに１１位し
たばあいにおいて、本発明に係る装置！を例えば紫外レ
ーザー等の不可視レーザーを用いて構成するときには、
例えば第１図において一点鎖線で示すごとく、集光スポ
ット９を着色してその位置を明瞭とするためにマーカー
装置１７を併設することが便利である。該マーカー装置
１７は、例えばヘリウムネオンレーザ−等の連続発振で
ありかつ可視のレーザーあるいは白色光源からなる光ａ
ｌ１１９の前方に調整レンズ２０を配置し、光源１９か
らのビームが該調整レンズ２０を透過した後、増幅器６
と第２のレンズ７との間に斜めに配設されている半透ｍ
２１に、第２のレンズ７への入射レーザービームと光軸
が一致するごとく大斜させ、調整レンズ２０を微調整す
ることによって光源１９の集光スポットを前記集光スポ
ット９と一敗させ、集光スポット９を着色してその位置
を明瞭ならしめうるように構成されている。なお、調整
レンズ２０を微調整する必要がある理由は、第２のレン
ズ７の焦点距離が、透過する光の波長によって異なった
ものとなるため、それを補正して、光源１９の集光スポ
ットと集光スポット１９とを一敗させるためである。な
お又本発明の装置において、ピンホール１２は円形状、
矩形状等として形成され、その最小部の長さは、好まし
くは２〜ｌＯＯμの範囲において設定される。ここにピ
ンホール１２の最小部の長さとは、例えばそれが円形状
（楕円形状を含む）であるばあいにはその最小径を、又
それが矩形（正方形を含む）状であるばあいには短辺長
さを指す、該最小部の長さが２μよりも小さいとピンホ
ール１２を出たレーザービームの強度が不足することと
なるからであり、又１００＃よりも大きくする。ことは
、レーザービームをピンホールに通過させてマイクロビ
ームを得んとする本発明の目的に沿わなくなるからであ
る
（発明の効果）
■ 本発明に係る装置は、ピンホールを通過したレーザ
ービームを第１のレンズによって平行ビームに修正した
後、それを第２のレンズによって絞ることを基本構成と
する結果、１μ以下の極小集光スポットを形成するマイ
クロビームを得ることを可能とするのみならず、作動距
１１１１（集光レンズたる第２のレンズの先端部と試料
との距離）を大きくとりつつも前記マイクロビームを得
ることを可能とする。そしてこのように形成されたマイ
クロビームは、Ｉｃ等の超微細加工の分野や細胞工学に
おける超微細処理（切断、穴あけ等）の分野、試料の極
微小部分を気化させる分光分析の分野、半導体表面等の
極微小部分に光化学変化を起こさせる電子工学の分野等
、光による超微細処理を必要とする分野等において有効
に利用することができる。In addition, in the case shown in FIGS. 2 and 3, or in the case ranked 11th therein, the device according to the present invention! For example, when configuring using an invisible laser such as an ultraviolet laser,
For example, as shown by the dashed line in FIG. 1, it is convenient to provide a marker device 17 in order to color the condensing spot 9 to make its position clear. The marker device 17 emits light a from a continuous wave and visible laser such as a helium neon laser or a white light source.
An adjustment lens 20 is placed in front of the light source 119, and after the beam from the light source 19 passes through the adjustment lens 20, the amplifier 6
and the second lens 7.
21, the second lens 7 is tilted so that its optical axis coincides with the incident laser beam, and by finely adjusting the adjustment lens 20, the condensed spot of the light source 19 is made to overlap with the condensed spot 9; It is configured so that the focused spot 9 can be colored to make its position clear. The reason why it is necessary to finely adjust the adjustment lens 20 is that the focal length of the second lens 7 differs depending on the wavelength of the transmitted light. This is to eliminate both the light and the condensing spot 19 at once. Furthermore, in the device of the present invention, the pinhole 12 has a circular shape,
It is formed into a rectangular shape or the like, and the length of its minimum portion is preferably set in the range of 2 to lOOμ. Here, the length of the minimum part of the pinhole 12 is, for example, the minimum diameter if it is circular (including elliptical), or the minimum diameter if it is rectangular (including square). indicates the length of the short side. If the length of the minimum portion is smaller than 2μ, the intensity of the laser beam exiting the pinhole 12 will be insufficient, and it should be larger than 100#. This is because the purpose of the present invention, which is to obtain a microbeam by passing a laser beam through a pinhole, is not met (effects of the invention). The basic configuration is to correct the parallel beam by the first lens and then narrow it down by the second lens, which not only makes it possible to obtain a microbeam that forms an extremely small focused spot of 1μ or less. , it is possible to obtain the microbeam while keeping a large working distance 1111 (the distance between the tip of the second lens, which is a condensing lens, and the sample). The microbeams formed in this way are used in the field of ultrafine processing such as IC, the field of ultrafine processing (cutting, drilling, etc.) in cell engineering, the field of spectroscopic analysis that vaporizes extremely small parts of samples, and the field of semiconductor surfaces. It can be effectively used in fields that require ultra-fine processing using light, such as the field of electronic engineering, which causes photochemical changes in extremely small parts such as microscopic objects.
なお本発明の装置は連続発振レーザーを用いて構成する
こともできるのであるが、上記構成とした結果、指向性
の悪いパルス発振レーザーにおいてさえ、上述した諸効
果を発揮させうる点に大きな特徴がある。Although the device of the present invention can be constructed using a continuous wave laser, the major feature of the above structure is that even a pulsed laser with poor directivity can exhibit the various effects described above. be.
■ なお実施例において示したごとく、発振器と第１の
レンズとの間に集光レンズを介在させるばあいには、発
ｉ器から出たレーザービームのうち、出力の大きい部分
のみを効率よくピンホールに入射させることができる。■ As shown in the example, when a condensing lens is interposed between the oscillator and the first lens, only the high-output portion of the laser beam emitted from the oscillator can be efficiently focused. It can be made to enter the hole.
第１図は本発明の一実施例を示す説明図、第２〜３図は
マイクロビームの照射部とその観察部とを示す説明図で
ある。
ｌ・・・装置、２・・・発振器、４・・・遮蔽板、５・
・・第１のレンズ、７・・・第２のレンズ、９・・・集
光スポット、１Ｇ・・・マイクロビーム、１２・・・ピ
ンホール。FIG. 1 is an explanatory diagram showing one embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are explanatory diagrams showing a microbeam irradiation part and its observation part. l... device, 2... oscillator, 4... shielding plate, 5...
...First lens, 7...Second lens, 9...Focused spot, 1G...Micro beam, 12...Pinhole.
Claims (1)
を通過させうるピンホール１２が穿設された遮蔽板４を
配置し、該遮蔽板４の前方にはピンホール１２を出たレ
ーザービームを平行ビームに修正する第１のレンズ５を
配置し、該第１のレンズ５の前方には前記平行光を集光
する第２のレンズ７を配置し、第１のレンズ５の焦点距
離ｆ１及び第２のレンズ７の焦点距離ｆ２は、最小部の
長さが５μ以下である集光スポット９が得られるよう、
ｆ１＞ｆ２の関係を満足するように設定したことを特徴
とするマイクロビーム形成用のレーザー装置。In front of the oscillator 2, a shielding plate 4 with a pinhole 12 through which the laser beam emitted from the oscillator 2 can pass is arranged. A first lens 5 for correcting the parallel beam is arranged, a second lens 7 for condensing the parallel light is arranged in front of the first lens 5, and the focal length f1 of the first lens 5 and The focal length f2 of the second lens 7 is set so as to obtain a focused spot 9 whose minimum length is 5μ or less.
A laser device for forming a microbeam, characterized in that it is set to satisfy the relationship f1>f2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60003630A JPS61163681A (en) | 1985-01-12 | 1985-01-12 | Laser device for forming micro-beam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60003630A JPS61163681A (en) | 1985-01-12 | 1985-01-12 | Laser device for forming micro-beam |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61163681A true JPS61163681A (en) | 1986-07-24 |
Family
ID=11562811
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60003630A Pending JPS61163681A (en) | 1985-01-12 | 1985-01-12 | Laser device for forming micro-beam |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61163681A (en) |
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- 1985-01-12 JP JP60003630A patent/JPS61163681A/en active Pending
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