JP2005014059A - 超短パルスレーザ加工法及び加工装置並びに構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な形状、特に微細な立体形状を多様に作製することが可能な超短パルスレーザ加工法および、前記加工法を用いた加工装置および前記加工装置によって作製された立体形状を有する光学素子（構造体）を提供すること。
【解決手段】５００ピコ秒以下の時間幅を持つ単一のパルスレーザ光を複数のパルスレーザ光に分け、それぞれのパルスレーザ光に対して時間遅延を発生させる分割・遅延光学系と、前記分割した複数のパルスレーザ光それぞれに関して、加工面照射形状、強度分布および加工面照射位置を調整するためのビーム整形光学系およびビーム伝播光学系を備え、それぞれのパルスレーザ光の加工面照射形状を一部あるいは完全に空間的に重ねて被照射物の加工を行うレーザ加工方法において、それぞれのパルスが加工面照射される時間をパルス幅乃至１ナノ秒の間隔としたこと。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，複数の超短パルスレーザ光の照射により被加工材料に直接加工を行うレーザ加工法、殊に微細な２次元形状または立体形状を短時間で形成するレーザ加工法に関するものであり、特に微細形状を必要とされる高精度部品形成が必要とされるＭＥＭＳ素子やその原盤の作製方法、さらには、回折光学素子、ホログラフィック素子、フォトニック結晶などの光学素子およびその原盤の作製方法及びその装置に利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術と問題点】
短パルスレーザ光複数を連続的に照射し、加工を行う方法が特開平１０−１１３７８２号公報、特開平５−５７４６４号公報に記載されている。これらは、時間幅が短く強いレーザ光を照射することによる加工部周辺の損傷を避けるためのものである。また、超短パルスレーザ光を複数連続的に照射して加工を行う方法が、特開２００２−３２４７６８号公報、特開平１１−２２１６８４号公報などに記載されている。
【０００３】
通常のレーザ加工では、熱的な効果によって加工が行われるが、超短パルスレーザによる加工では、非熱的な加工を行うことができ、加工部周辺のダメージや付着物が軽減できる加工法として知られている。
この短パルスレーザによって直接除去加工を行う加工法において、加工形状の制御は、照射レーザ光位置の移動または被加工物の移動によってパターンを描画する、あるいはマスクを通しパターンを投影することで行っている。この場合、レーザ光あるいは基板を移動する方法は加工に時間がかかり、短時間でパターンを形成するためには、マスクパターンを投影する方法が優れている。
マスクパターンを投影し加工する方法は通常２次元形状を形成するものであるが、グレイスケールマスクを用いることによって立体形状を加工することも可能である。さらに、複雑な２次元形状、あるいは立体形状を作製するために、複数回に分けてレーザ照射し加工を行う方法がある。
【０００４】
しかし、マスクパターンを投影する加工法のデメリットとしては、（１）複雑な形状を形成するために高精度なマスクが必要であり、作製が困難でコストが高い、（２）加工形状に対する柔軟性が低い、（３）複雑な立体形状を作製することが困難であるなどの点を挙げることができる。
又、グレイスケールマスクを用いる加工法のデメリットとしては、（１）マスクが通常のものよりさらに製作が困難でコストが高い、（２）加工形状がグレイスケールマスク自身の特性による影響を受けるなどの点を挙げることができる。
これらを解決する方法として、複数回、レーザ照射形状あるいは強度分布を変えながらレーザ光を照射する加工法が考えられる。なんとなれば、同時に複数本の可干渉性のあるレーザ光を空間的に重ねて照射した場合、干渉縞が発生し加工形状が悪化するため、複数本のレーザ光を順次照射し加工を順次行う必要があるからである。しかし、この方法では、２回目以降のレーザ照射時に前回までの加工による加工面形状変化による反射や加工効率変化・加工面の荒れによる散乱やさらなる加工面荒れ増加・加工飛散物でのレーザ光の吸収や散乱等の影響を受け、所望の形状が加工面上に精密に形成されないという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１１３７８２号公報
【特許文献２】特開平５−５７４６４号公報
【特許文献３】特開２００２−３２４７６８号公報
【特許文献４】特開平１１−２２１６８４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はこれら従来のレーザ加工での課題を解決し、微細な形状、特に微細な立体形状を多様に作製することが可能な超短パルスレーザ加工法および、前記加工法を用いた加工装置および前記加工装置によって作製された立体形状を有する光学素子（構造体）を提供することを目的とする。
【０００７】
【問題を解決するための手段】
本発明は次の解決手段によって上記課題を解決したものである。
【解決手段１】（請求項１に対応）
解決手段１は本発明レーザ加工法の基本構成であり、
５００ピコ秒以下の時間幅を持つ単一のパルスレーザ光を複数のパルスレーザ光に分け、それぞれのパルスレーザ光に対して時間遅延を発生させる分割・遅延光学系と、前記分割した複数のパルスレーザ光それぞれに関して、加工面照射形状、強度分布および加工面照射位置を調整するためのビーム整形光学系およびビーム伝播光学系を備え、それぞれのパルスレーザ光の加工面照射形状を一部あるいは完全に空間的に重ねて被照射物の加工を行うレーザ加工方法において、
それぞれのパルスが加工面照射される時間をパルス幅乃至１ナノ秒の間隔としたことである。
【０００８】
【作用】
超短パルスレーザによる直接加工では、レーザ光を照射しはじめてから数ナノ秒程度後から被加工物の表面形状変化が開始される。この現象を利用し、第一のパルス光による表面形状変化が開始される前に逐次連続的に全てのパルス光を入射することで、表面形状変化の影響、特に加工部エッジの影響を受けること無く複数のレーザ光による加工が可能となる。また、それぞれのパルスレーザ光はパルス幅以上の時間間隔をあけて順次加工面に照射するため時間的に重なることは無く、お互いに干渉することは無い。このとき、加工結果は複数のパルスレーザ光それぞれの照射強度分布を足し合わせたものと同等の加工結果となる。
また、複数に分割したパルスレーザ光のうちいくつかを選び加工に用いる加工方法をとることによって、選択するレーザ光の種類によって柔軟に加工形状を変化させることが可能となる。
【０００９】
【解決手段２】（請求項２に対応）
解決手段２は、前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光に対してレーザ光強度を調整する手段を備えることである。
【作用】
解決手段２によれば、複数のパルスレーザ光それぞれに対して相対的な強度変化を変えつつ加工を行うことで、立体的な形状加工が可能である。
【００１０】
【解決手段３】（請求項３に対応）
解決手段３は、前記分割光学系として、回折光学素子を用いることである。
【作用】
解決手段３によれば、レーザ分割法として回折光学素子を用いることによって、分割するレーザ光の数や強度分布を回折光学素子の設計次第で様々に変化させることが可能であり、また、回折光学素子を用いたレーザ分割方法では、超短パルスレーザを非常に短い時間差で同じ位置に照射することが可能である。
【００１１】
【解決手段４】（請求項４に対応）
解決手段４は、前記分割光学系として、偏光ビームスプリッタを用いることである。
【作用】
解決手段４によれば、パルスレーザ光を偏光ビームスプリッタに入射することによってビームを２本に分岐することが出来、このとき入射レーザ光の偏光方向を調整することで分岐した２本の相対的なレーザ光強度を変化させることが出来る。ハーフミラーでビームを分割する方法に比べ、偏光ビームスプリッタを用いる方法ではレーザを分岐し再び結合する際に光量のロスをほとんど無くすことが可能である。
【００１２】
【解決手段５】（請求項５に対応）
解決手段５は、前記分割・遅延光学系として、複屈折材料を用いることである。
【作用】
カルサイトのような複屈折率を持つ材料にパルスレーザ光を入射すると、偏光方向によって光路が変化する。このことを利用してビームを分岐することが出来、この方法でビーム分割を行うと分岐した２つのビーム間で時間遅延が発生する。この遅延時間は複屈折材料の厚みによって変化させることが出来る。
【００１３】
【解決手段６】（請求項６に対応）
解決手段６は、前記複数のパルスレーザ光へ分割する方法として、レーザ光を空間的に分割する光学系を用いることである。
【作用】
通常レーザ光は空間的に均一ではない強度分布を持っており、このことが加工形状悪化の原因となる。レーザ光の空間強度分布を解消するために、ビームを空間的に分割し加工面でそれぞれのビームを重ね合わせるビームホモジェナイザ−が一般的に使用されている。しかし、このとき可干渉性のあるレーザ光では重ねあわされた位置において干渉が生じ、干渉による強度分布が発生する。ビームを空間的に分割した複数のパルス光に、それぞれ時間遅延をつけ加工面に照射する本実施例の加工法では、上述したような干渉が生じないため空間的に均一な強度分布を持つレーザ光による加工が可能である。
【００１４】
【解決手段７】（請求項７に対応）
解決手段７は、前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光は、マスクを通し縮小投影を行うことで加工形状制御することである。
【作用】
解決手段７によれば、加工形状の制御を行うことが出来る。特に、複数のマスクパターンの形状を加工面で重ね合わせた形状に加工が出来るため、微細形状加工が容易に行える。また、複数のマスクのうち例えばどれかひとつを変えることで、少し違う形状を加工することが出来るなど柔軟性の高い加工が可能となる。さらに、マスクを移動するステージを取り付けることで、あるいはたとえば液晶のように空間的に透過・非透過を切り分けられる素子をマスクとして用いることで、加工形状を動的に調整することが可能である。
【００１５】
【解決手段８】（請求項８に対応）
解決手段８は、前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光に対して空間強度変調器によって強度変調することで加工形状制御を行うことである。
【作用】
空間的に強度変調（振幅変調）された光は集光点で変調をかけた像のフーリエ変換像が形成されることが知られているが、解決手段８によれば、これにより加工形状の制御を行うことが出来る。液晶のような空間強度変調器を用いれば、加工形状を動的に調整することが可能である。
【００１６】
【解決手段９】（請求項９に対応）
解決手段９は、前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光に対して空間位相変調をすることで加工形状制御を行うことである。
【作用】
振幅を変調しフーリエ変換像を得る方法では光を透過しない部分があるために、入射光に対してエネルギーのロスが生じるが、位相変調によれば、ほぼ全ての入射光を加工に利用することが可能となり、エネルギー効率の高い加工が出来る。液晶を用いた空間位相変調器などを用いることによって加工形状を動的に制御することも可能である。
【００１７】
【解決手段１０】（請求項１０に対応）
解決手段１０は、前記遅延光学系として、レーザ光に対して透明で、かつ空気に対し屈折率の異なる物質を用いることである。
【作用】
解決手段１０によれば、簡単で安価な装置によって遅延時間を微調することが可能である。
【００１８】
【解決手段１１】（請求項１１に対応）
解決手段１１は、前記遅延光学系として、電気光学素子を用いることである。
【作用】
本解決手段１１によれば、１次の電気光学現象を利用することで、電流値に対し遅延時間が比例して大きくなるため、精密に再現性良く遅延時間を調整することができる。
【００１９】
【解決手段１２】（請求項１２に対応）
解決手段１２は、前記被加工物として、レーザ光に対して透明な材料を用いることである。
【作用】
本解決手段１２によれば、透明体を加工することで、透過型光学素子など高需要製品の作製に有効に対応できる。特に、透明体表面に段差や曲面などが存在する場合、透明体内部でレーザ光が部分的に集光され内部欠陥が生じてしまうといった問題をクリアーできる。
【００２０】
【解決手段１３】（請求項１３に対応）
解決手段１３は、前記被加工物として、薄膜あるいは積層薄膜を用いることである。
【作用】
本解決手段によれば、被加工物に薄膜を用いることで、強度に関係無く深さ方向に一定な加工を行うことが可能となる。さらに、積層薄膜体を用いることで深さ方向にナノメートルオーダで制御することが可能である。
【００２１】
【解決手段１４】（請求項１４に対応）
解決手段１４は、前記解決手段１乃至１３のレーザ加工法を用いてレーザ加工装置としたことである。
【００２２】
【解決手段１５】（請求項１５に対応）
解決手段１５は、解決手段１４のレーザ加工装置を用いて光学素子を構成したことである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザ加工法、この方法に用いる光分割並びに時間遅延の実施例、さらには、レーザ加工装置並びにレーザ加工装置によって作製した構造体の実施例について詳述する。
【実施例１】（請求項１に関連）
本発明のレーザ加工法の実施例を図１を参照しつつ説明する。
パルス時間幅１００ｆｓをもつ第一のパルスレーザ光１０１を被加工物１０２に入射し、その後同じくパルス時間幅１００ｆｓをもつ第二のパルスレーザ光１０３を入射する。第一のパルスレーザ光のみによる加工結果は１０４のようになる。第一のパルスレーザ光による加工が終了した後に（すなわち数ｎｓ以上後に）第二のパルスレーザ光を入射したとき、加工結果は、第一のパルスレーザ光によって出来た斜面において加工効率が低下し、１０５のようになる。
本発明の実施例として、第一のパルスレーザ光入射後２００ｆｓ後に第二のパルスレーザ光を入射したとき、加工終了後の加工部形状は１０６のようになる。このとき、加工面に入射するパルスレーザ光強度と、加工形状変化量の時間変化は図２のようになっている。
【００２４】
本実施例１のレーザ加工法では、パルス時間幅が５００ピコ秒以下である単一の超短パルスレーザ光を用意し、これを複数の超短パルスレーザ光に分割する。分割されたパルスレーザ光は、それぞれ時間遅延をつけ、加工面で目的の形状および強度分布となるようビームを整形した後に、順次加工面に照射する（この分割や遅延の好適な具体例は後述する）。このとき、それぞれのパルスレーザ光の照射時間間隔は数フェムト秒から数百ピコ秒とする。第一のパルスレーザ光を入射してから最後のパルスレーザ光の照射が終了するまでの時間は１ナノ秒以下となることが好ましい。また、分割したパルスレーザ光のうちいくつかを選択し、加工を行うことも出来る。分割したすべてのパルスに対して遅延光学系が備わっていることが望ましい（超短パルスレーザによる直接加工では、レーザ光を照射しはじめてから数ナノ秒程度後から被加工物の表面形状変化が開始されることが一般的に知られている。この現象に関してはＰｒｏｃ．ＳＰＩＥ４２７４，７８−８７の論文に詳しく載っているので、必要なら参照されたい。）
【００２５】
この現象を利用し、第一のパルス光による表面形状変化が開始される前に全てのパルス光を入射することで、表面形状変化の影響、特に加工部エッジの影響を受けること無く複数のレーザ光による加工が可能となる。また、それぞれのパルスレーザ光はパルス幅以上の時間間隔をあけて順次加工面に照射するため時間的に重なることは無く、お互いに干渉することは無い。このとき、加工結果は複数のパルスレーザ光それぞれの照射強度分布を足し合わせた単一パルスでの加工と同等となる。また、複数に分割したパルスレーザ光のうちいくつかを選び加工に用いる加工方法をとることによって、選択するレーザ光の種類によって柔軟に加工形状を変化させることが可能である。第一のパルスレーザ光および第二のパルスレーザ光の強度を加工閾値以下に設定し、第一および第二のレーザ光が重なる部分のみを加工する手法をとることで超微細加工を行うことも可能である。
【００２６】
ところで、短パルスレーザ光複数を連続的に照射し、加工を行う方法が上記公知文献に記載されており、これらは、時間幅が短く強いレーザ光を照射することによる加工部周辺の損傷を避けるためのものである。また、超短パルスレーザ光を複数連続的に照射して加工を行う方法が、上記の公知文献に記載されており、これらは超短パルスレーザ光を加工面同位置に複数照射することで加工効率を向上させる加工法に関するものである。したがって、上記従来技術のいずれも、それぞれのパルス光がお互いに影響を及ぼしあわずに（加工形状変化の影響、干渉の影響）、それぞれのパルスレーザ光強度分布を足し合わせた強度分布による加工結果を得る本発明の加工法とはその手法が異なる。
【００２７】
【実施例２】（請求項２に関連）
本実施例は、前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつは、ＮＤフィルターあるいは偏光素子によって強度を調整するものである。それぞれのパルスレーザ光に強度を調整する装置を設けておき、それぞれの相対強度が自由に可変となっていることが望ましい。以下、実施例２を図３を参照しつつ説明する。
まずパルス時間幅１００ｆｓをもつ第一のパルスレーザ光３０１を被加工物３０２に入射する。その後、２００ｆｓ遅れて、ＮＤフィルタ３０３を通して第一のレーザ光に対して約半分の強度に調整された第二のパルスレーザ光３０４を入射する。加工終了後の加工部形状は３０５のような立体的な段差をもつ加工形状が可能となる。
本実施例によれば、複数のパルスレーザ光それぞれに対して相対的な強度変化を変えつつ加工を行うことで、立体的な形状加工が可能となる。
【００２８】
【実施例３】（請求項３に関連）
実施例３は、パルスレーザ光を分割する方法として、回折光学素子を用いるものである。これを図４を参照しつつ説明する。
単一のパルスレーザ光４０１は回折光学素子４０２によって０次回折光４０３および複数本の１次回折光４０４に分けられる。このとき、０次回折光４０３と１次回折光４０４の強度比は回折光学素子４０２の構造設計によって可変である。ビーム分岐後にコリメータレンズ４０５を設置することで、複数の平行なパルス光とすることが出来る。このとき、複数の１次回折光４０４の間に時間遅延は無いが、０次光との間には光路差による時間遅延が存在する。
本実施例によれば、レーザ分割法として回折光学素子を用いることによって、分割するレーザ光の数や強度分布を回折光学素子の設計次第で様々に変化させることが可能となる。また、回折光学素子を用いたレーザ分割方法では、超短パルスレーザを非常に短い時間差で同じ位置に照射することが可能である。この特徴を生かし、複数の超短パルスレーザ光による干渉加工方法が特開２００３−２５０８５で提案されている。
【００２９】
【実施例４】（請求項４に関連）
実施例４は、パルスレーザ光を分割する方法として偏光ビームスプリッタを用いるものである。加工面は加工レーザ光の偏光方向によって影響を受けるので、最終的な加工時での偏光方向を調整する光学素子を備えていることが好ましい。
以下、本発明レーザ加工法のパルスレーザ光分割の実施例を図５を参照しつつ説明する。
単一パルスレーザ光５０１は１／２波長板５０２によって偏光方向を調整した後に偏光ビームスプリッタ５０３によって２本のビーム５０４および５０５に分けられる。反射されたビーム５０５は２枚のミラー５０６によって光路差をつけて折り返され、１／２波長板５０７によって再び偏光方向を調整する。その後ビーム５０５は再び偏光ビームスプリッタ５０８によって２本に分けられ、片方はビーム５０４に合成され、もう一方は再び２枚のミラー５０９によって光路差をつけた後に偏光ビームスプリッタ５１０によってビーム５０４に合成される。
【００３０】
パルスレーザ光を偏光ビームスプリッタに入射することによってビームを２本に分岐することが出来るが、このとき入射レーザ光の偏光方向を調整することで分岐した２本の相対的なレーザ光強度を変化させることが出来る。ハーフミラーでビームを分割する方法に比べ、偏光ビームスプリッタを用いる方法ではレーザを分岐し再び結合する際に光量のロスをほとんど無くすことが可能となる。
また、パルスレーザ光分岐後にさらに１／２波長板や１／４波長板などの波長板を挿入し、偏光方向を変えることでさらに多数のビームに強度を調整しながら分割することが可能である。
【００３１】
【実施例５】（請求項５に関連）
実施例５は、パルスレーザ光を分割する方法として、複屈折材料を用いるものである。以下、本発明レーザ加工法におけるパルス光分割・遅延の実施例を図６を参照しつつ説明する。
単一のパルスレーザ光６０１は１／２波長板６０２を通り偏光方向を調整した後に複屈折率を持つ材料６０３に入射し、常光６０４および異常光６０５に分割される。それぞれのパルスレーザ光に対してガラス６によって光路長を調整する。
カルサイトのような複屈折率を持つ材料にパルスレーザ光を入射すると、偏光方向によって光路が変化する。このことを利用してビームを分岐することが出来、この方法でビーム分割を行うと分岐した２つのビーム間で時間遅延が発生する。この遅延時間は複屈折材料の厚みによって変化させることが出来る。
【００３２】
【実施例６】（請求項６に関連）
この実施例６は、単一のパルスレーザ光に関して空間的に区切り分割することで、複数のパルス光を発生させるものである。この実施例を図７を参照しつつ説明する。
まず空間的なビーム強度分布７０１を持つ単一パルスレーザ光７０２をシリンドリカルレンズアレイ７０３に入射することで、分割されたビーム７０４を生成する。分割されたそれぞれのビームはコリメータレンズ７０５を通り、平行平面ガラス板アレイ７０６（場所によってガラスの厚さが違うもの）によって遅延時間を調整した後に結像面７０７上で合成される。このとき結像面７０７上におけるビームの時間平均強度分布は均一なビームプロファイル７０８となっている。７０７上で加工を行うもしくは、７０７面を加工面に投影することで、空間的に均一な強度を持った加工が可能となる。
【００３３】
通常レーザ光は空間的に均一ではない強度分布を持っており、このことが加工形状悪化の原因となる。レーザ光の空間強度分布を解消するために、ビームを空間的に分割し加工面でそれぞれのビームを重ね合わせるビームホモジェナイザ−が一般的に使用されている。しかし、このとき可干渉性のあるレーザ光では重ねあわされた位置において干渉が生じ、干渉による強度分布が発生する。ビームを空間的に分割した複数のパルス光に、それぞれ時間遅延をつけ加工面に照射する本実施例の加工法では、上述したような干渉が生じないため空間的に均一な強度分布を持つレーザ光による加工が可能となる。
【００３４】
【実施例７】（請求項７に関連）
この実施例７は、前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光が、マスクを通し縮小投影を行うことで加工形状制御するものである。これを図８を参照しつつ説明する。
単一パルスレーザ光８０１は１／２波長板８０２によって偏光方向を調整した後に偏光ビームスプリッタ８０３によって２本のビーム８０４および８０５に分けられる。反射されたビーム８０５は２枚のミラー８０６によって光路差をつけて折り返された後にマスク８０７およびレンズ８０８を通り、偏光ビームスプリッタ８０９に入射する。ビーム８０４も同様にマスク８１０およびレンズレンズ８１１を通過し、偏光ビームスプリッタでビーム８０５と合成される。これによって、加工面８１２ではマスク８０７および８１０の形状を重ね合わせた形状が形成される。
【００３５】
本実施例により、加工形状の制御を行うことが出来る。特に、複数のマスクパターンの形状を加工面で重ね合わせた形状に加工が出来るため、微細形状加工が容易に行える。また、複数のマスクのうち例えばどれかひとつを変えることで、少し違う形状を加工することが出来るなど柔軟性の高い加工が可能となる。さらに、マスクを移動するステージを取り付けることで、あるいはたとえば液晶のように空間的に透過・非透過を切り分けられる素子をマスクとして用いることで、加工形状を動的に調整することも可能である。
【００３６】
【実施例８】（請求項８に関連）
本実施例は、可干渉性を持つパルスレーザ光を分割して作った複数のパルスレーザ光のうち少なくひとつのレーザ光について、マスクを通すまたは空間的に振幅（強度）を変調し、その後対物レンズなどの集光光学素子によって加工面に集光するものである。それぞれのパルスレーザ光には可干渉性があることが必要である。
以下、本発明レーザ加工法の他の実施例について図９に基づいて説明する。
図９において、９０１はマスク形状をあらわしており、９０２部位（白色の部分）が開口部となっている。マスク９０１を通ったレーザ光はレンズによって集光され（図示せず）、集光面で加工形状９０３を形成する。
空間的に振幅変調された光は集光点で変調をかけた像のフーリエ変換像が形成されることが知られているが、本実施例によれば、これにより加工形状の制御を行うことが出来る。尚、振幅変調を行うパルスレーザ光は可干渉性を持っている必要があるが、レーザ光とその他のパルスレーザ光との間には時間パルス幅以上の時間遅延があるため干渉はしない。液晶のような空間振幅変調器を用いれば、加工形状を動的に調整することも可能である。
【００３７】
【実施例９】（請求項９に関連）
本実施例は、可干渉性を持つパルスレーザ光を分割して作った複数のパルスレーザ光のうち少なくひとつのレーザ光について、透過型あるいは反射型の位相変調素子によって空間的に位相を変調し、その後対物レンズなどの集光光学素子によって加工面に集光するものである。それぞれのパルスレーザ光には可干渉性があることが必要である。
透過型空間位相変調素子の一例について図１０に示す。１００１は空気に対して屈折率の異なる透明体によって作製されている空間位相変調素子をあらわしており、表面の凹凸によって位相差の制御を行うものである。１００２は空間的に屈折率が分布しており、屈折率の大小によって位相差を制御する空間位相変調素子である。
振幅を変調しフーリエ変換像を得る方法では光を透過しない部分があるために、入射光に対してエネルギーのロスが生じるが、本実施例の位相変調型ではほぼ全ての入射光を加工に利用することが可能となり、エネルギー効率の高い加工が出来る。液晶を用いた空間位相変調器などを用いることによって加工形状を動的に制御することも可能である。
【００３８】
【実施例１０】（請求項１０に関連）
実施例１０は、ガラスのような屈折率の異なる物質を光路に介在させ、分割されたパルスレーザ光の時間遅延を行うものである。これを図１１を参照しつつて説明する。
パルスレーザ光１１０１はガラス板１１０２を透過する。ガラス板１１０２には図中矢印方向に回転するステージ１１０３が取り付けられており、ガラス板の回転によって光路長を微調する。物質の両面は光学研磨された平行平面基板であり、反射防止コーティングが施されていることが好ましい。本実施例によれば、簡単で安価な装置によって遅延時間を微調することが可能である。
この時、たとえばＢＫ７ガラスと石英等複数の屈折率の異なる材料を同時に用いることで、異なる時間遅延を作ることも可能である。
【００３９】
【実施例１１】（請求項１１に関連）
実施例１１は、複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつを、たとえばＬｉＮｂ０３のような電気光学素子に通し、該電気光学素子にかける電圧を調整することでパルスレーザ間の遅延時間を調整するものである。
本実施例によれば、１次の電気光学現象を利用することで、電流値に対し遅延時間が比例して大きくなるため、精密に再現性良く遅延時間を調整することができる。
【００４０】
【実施例１２】（請求項１２に関連）
透明体を加工することは透過型光学素子を作製する点で需要が高い。
本実施例１２は、レーザ光に対して透明な物質、特に透過型光学素子として一般的に用いられているガラス・石英・ポリマーなどの素材を被加工物とするものである。
透明体表面に段差や曲面などが存在する場所にレーザ光を照射し加工すると、透明体内部でレーザ光が部分的に集光され内部欠陥が生じてしまうことがある。よって、複数回の加工によって透明体に複雑な形状を加工する際には、上記実施例１乃至実施例１１の方法で加工を行うとよい。
【００４１】
【実施例１３】（請求項１３に関連）
実施例１３は、被加工物として、吸収体の薄膜、あるいは透明体および吸収体の薄膜が層状に積み上げられた薄膜積層構造体を用いるものである。
本実施例のように、被加工物に薄膜を用いることで、強度に関係無く深さ方向に一定な加工を行うことが可能となる。さらに、積層薄膜体を用いることで深さ方向にナノメートルオーダで制御することが可能である。
【００４２】
【実施例１４】（請求項１４に関連）
実施例１４は、短パルスレーザ光源、およびレンズ・ミラー等の光学素子によって超短単一パルス光を作り出す装置を備え、上記実施例１乃至１３のレーザ加工法を用いレーザ加工を行うレーザ加工装置としたものである。本加工装置には加工対象物を光軸と垂直な方向あるいは光軸方向に動かすことの出来るステージを備えることが好ましい。本実施例のレーザ加工装置によって、実施例１乃至１３のレーザ加工法を実施することができる。
以下、本実施例のレーザ加工装置を図１２を参照しつつ説明する。
本実施例の装置は、レーザ光源としてパルス幅１２０ｆｓのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ１２０１を用い、出射されたビームはλ／２波長板１２０２および偏光ビームスプリッタ１２０３を通すことで強度および偏光を調整される。上記ビームは整形レンズ１２０４を通し、偏光ビームスプリッタ１２０５によって２本のビームに分割される。第二のパルスレーザ光１２０６はレトロリフレクタ１２０７によって光路長を調整し反射された後に、マスク１２０８およびレンズ１２０９を通り偏光ビームスプリッタ１２１０へと導かれる。
【００４３】
第一のパルスレーザ光１２１１も同様に、マスク１２１２およびレンズ１２１３を通り偏光ビームスプリッタに入射する。このとき第一のパルスレーザ光と第二のパルスレーザ光の遅延時間は２００ｆｓ程度になるようレトロリフレクタ１２０７によって光路長を調整している。
その後合成されたビームは対物レンズ１２１４によって被加工物１２１５の表面に集光される。被加工物１２１５はステージ１２１６によって光軸と垂直方向に可動となっている。また、加工はＣＣＤ１２１７を通しモニタ１２１８で加工形状を観察しながら行うことが出来る。
【００４４】
【実施例１５】（請求項１５に関連）
本実施例は、実施例１４のレーザ加工装置によって作成された構造体について例である。代表的サイズは加工幅がサブミクロンから数百ミクロン、加工深さが数ｎｍから数ミクロン程度の構造体である。
本実施例の構造体として、欠陥を含んだフォトニック結晶の作製を図１３を参照しつつ説明する。第一のパルス光１３０１および第二のパルス光１３０２をＳｉ０２ 基板１３０３上の被加工物１３０４を加工する。このとき、第一のパルス光１３０２は第一のマスク１３０５を通過させており、第二のパルス光１３０３はマスク１３０６を通過させ、加工面上にそれぞれ縮小投影する。第一のパルス光照射のみによって加工されたときには２次元フォトニック結晶１３０７ができ、第二のパルス光も照射した場合には欠陥導波路を含む２次元フォトニック結晶１３０８が作製される。第二のマスク１３０６の形状を変えることで、さまざまな欠陥を加えたフォトニック結晶の作製が可能である。
本実施例のレーザ加工構造体によれば、立体的な微小構造体はバイナリオプティクスなど高性能な回折光学素子の作製が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明によれば、微細な形状、特に微細な立体形状を多様に作製することが可能な超短パルスレーザ加工法および、該加工法を用いたレーザ加工装置および前記加工装置によって作製された立体形状を有する光学素子（構造体）を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明のレーザ加工方の基本原理を示す図であり、（ｂ）は、本発明のレーザ加工法の基本構成図である。
【図２】は、入射レーザ加工強度および加工面形態変化量と時間の関係を示したものである。
【図３】は、第一のパルスレーザ光と第二のパルスレーザ光で強度変化をつけたときの加工形状の説明図である。
【図４】は、回折光学素子を用いたビーム分岐の構成図である。
【図５】は、偏光ビームスプリッタを用い３つのパルスレーザ光を作成する模式図である。
【図６】は、複屈折率を有する材料を用いたビーム分割方法の模式図である。
【図７】は、空間的に分割されたレーザ光に時間遅延をそれぞれつけることで干渉の効果を取り除いたビームホモジェナイザー装置の模式図である。
【図８】は、偏光ビームスプリッタで分割した２つのパルスそれぞれに関してマスク投影を行う加工方法の模式図である。
【図９】は、開口マスクによって集光面上に形成された像面である。
【図１０】は、空間位相変調器の模式図である。
【図１１】は、ガラス板の角度調整による遅延時間の微調の説明図である。
【図１２】は、本発明のレーザ加工装置の一実施例である。
【図１３】は、欠陥（間欠部）を含むフォトニクス結晶およびその作製方法の模式図である。
【符号の説明】
１０１，３０１：第一のパルスレーザ光
１０３，３０４：第二のパルスレーザ光
１０２，３０２：平坦基板（被加工物）
１０４，１０５，１０６，３０５：加工された形状
４０１，５０１，６０１，８０１：単一のパルスレーザ光
４０２：回折光学素子
５０３，５０８，５１０，８０３，８０９，１２０３，１２０５：偏光ビームスプリッタ
５０６，５０９：２対のミラー
６０３：複屈折率を有する材料
６０６：ガラス板
７０３：シリンドリカルレンズアレイ
７０５：コリメータレンズ
７０６：ガラス板アレイ
８０７，８１０，９０１，１２０８，１２１２：マスク
１１０２：ガラス板
１２０７：レトロリフレクタ
１２０９，１２１３：レンズ
１２１５：被加工物
１２１６：移動ステージ
１２１８：モニタ装置
１３０１：第二のパルスレーザー光
１３０２：第一のパルスレーザー光

Claims (15)

1. ５００ピコ秒以下の時間幅を持つ単一のパルスレーザ光を複数のパルスレーザ光に分け、それぞれのパルスレーザ光に対して時間遅延を発生させる分割・遅延光学系と、前記分割した複数のパルスレーザ光それぞれに関して、加工面照射形状、強度分布および加工面照射位置を調整するためのビーム整形光学系およびビーム伝播光学系を備え、それぞれのパルスレーザ光の加工面照射形状を一部空間的に重ねてあるいは完全に同位置に重ねて被照射物の加工を行うレーザ加工方法において、
   それぞれのパルスが加工面に照射される時間をパルス幅乃至１ナノ秒の間隔とすることを特徴とするレーザ加工法。
2. 前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光に対してレーザ光強度を調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工法。
3. 前記分割光学系として、回折光学素子を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ加工法。
4. 前記分割光学系として、偏光ビームスプリッタを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ加工法。
5. 前記分割・遅延光学系として、複屈折材料を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ加工法。
6. 前記複数のパルスレーザ光への分割として、レーザ光を空間的に分割する光学系を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ加工法。
7. 前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光は、マスクを通し縮小投影を行うことで加工形状制御することを特徴とする請求項１乃至請求項６記載のレーザ加工法。
8. 前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光に対して空間強度変調器によって強度変調することで加工形状制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７記載のレーザ加工法。
9. 前記複数のパルスレーザ光のうち少なくともひとつのレーザ光に対して空間位相変調をすることで加工形状制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項８記載のレーザ加工法。
10. 前記遅延光学系として、レーザ光に対して透明で、かつ空気に対し屈折率の異なる物質を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項９記載のレーザ加工法。
11. 前記遅延光学系として、電気光学素子を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項９記載のレーザ加工法。
12. 前記被加工物として、レーザ光に対して透明な材料を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項１１記載のレーザ加工法。
13. 前記被加工物として、薄膜あるいは積層薄膜を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項１２記載のレーザ加工法。
14. 請求項１乃至請求項１３記載のレーザ加工法を用いることを特徴とするレーザ加工装置。
15. 請求項１４記載のレーザ加工装置を用いることによって作製した光学素子。

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