(57)【要約】  【課題】走査方向に沿う方向に各構成要素が延びる周期構造を一軸のレーザを用いて作製できる周期構造作製方法及び装置を提供する。  【解決手段】  加工閾値近傍のエネルギ密度を有し直線偏光成分を含むフェムト秒レーザ（照射光１ａ）を材料表面に照射し、そのパルス照射領域Ｌをオーバーラップさせながら材料Ｍ表面に対して相対移動させ、入射光１ａと表面散乱光またはプラズマ波１ｂとの干渉による周期的エネルギ強度分布に基づいて、材料表面に周期構造Ｃを作製する周期構造作製方法であって、材料表面に対する集光点を扁平形状とし、形成される周期構造の構成要素の延在方向が、該扁平形状の長軸に対して０〜６５度となり、且つ集光点の移動方向に沿う方向となるように、偏光方向を調整して前記相対移動を行なう周期構造作製方法。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工閾値近傍のエネルギ密度を有し直線偏光成分を含むフェムト秒レーザを材料表面に照射し、そのパルス照射領域をオーバーラップさせながら材料表面に対して相対移動させることにより、入射光と表面散乱光またはプラズマ波とを干渉させながら、該干渉の下で不連続部位が起点となって発生する周期的エネルギ強度分布に基づいて、一定の延在方向を有する構成要素からなる周期構造を材料表面に形成する周期構造作製方法であって、
材料表面に対する前記フェムト秒レーザの集光点を扁平形状とし、形成される周期構造の構成要素の延在方向が、前記扁平形状の長軸に対して０〜６５度の範囲内の角度となり、且つ前記集光点の移動方向に沿う方向となるように、フェムト秒レーザの偏光方向を調整して前記相対移動を行なうことを特徴とする周期構造作製方法。
【請求項２】
材料表面を固定し、前記フェムト秒レーザの光束を移動させることを特徴とする請求項１に記載の周期構造作製方法。
【請求項３】
前記フェムト秒レーザの光束を固定し、材料表面を移動させることを特徴とする請求項１に記載の周期構造作製方法。
【請求項４】
前記フェムト秒レーザの集光点の扁平形状が、短軸に対して１．１倍以上の長さの長軸を有する形状とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の周期構造作製方法。
【請求項５】
加工閾値近傍のエネルギ密度を有し直線偏光成分を含むフェムト秒レーザを材料表面に照射し、そのパルス照射領域をオーバーラップさせながら材料表面に対して相対移動させ、入射光と表面散乱光との干渉による周期的エネルギ強度分布に基づいて、材料表面に周期構造を作製するための周期構造作製装置であって、
フェムト秒レーザ発生器と、
該フェムト秒レーザ発生器から発振された直線偏光を含む偏光のフェムト秒レーザの照射強度を調整する強度調整用光学素子と、
偏光方向を光軸を中心に回転させるための偏光方向調整用光学素子と、
周期構造の形成対象となる材料を支持するワーク支持部と、
フェムト秒レーザの光束を扁平状にする扁平化光学素子と、
フェムト秒レーザを材料表面に集光する集光用光学素子と、
該集光用光学素子によって集光された扁平光の長軸と前記ワーク支持部との照射光軸回りの相対回転位置を調整するための回転位置調整部と、
前記集光用光学素子と前記ワーク支持部とを照射光軸を横切る方向へ相対移動させるための移動装置とを備えたことを特徴とする周期構造作製装置。
【請求項６】
前記集光用光学素子がシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項５に記載の周期構造作製装置。
【請求項７】
前記集光用光学素子に対する光路の光源寄りの位置に光束を扁平にする扁平化光学素子を配置したことを特徴とする請求項５または６に記載の周期構造作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェムト秒レーザによる微細な周期構造の作製方法及び作製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェムト秒レーザを物体表面に照射することにより、微細な周期構造を形成する技術が知られており、その実用化に向けた提案が種々行なわれている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、高強度のフェムト秒パルスを、２つに分割してこれら２軸レーザの干渉によって、微細な周期構造を形成すること、および材料をＸ−Ｙステージに取りつけて、レーザの繰り返し周波数と同期させて走査することによって、材料全体に周期構造を形成することが報告されている。
【０００４】
また、特許文献１に記載の技術では、凹凸を有する材料表面に、一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のフェムト秒レーザを照射し、その照射部をオーバーラップさせながら走査して、入射光のＰ偏光成分と材料表面に沿ったＰ偏光成分との散乱光またはプラズマ波との干渉部分のアブレーションによって、自己組織的に入射光の偏光方向に直交して各構成要素が延びた周期構造を作製するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０５４３３０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】河村賢一，平野正浩，細野秀雄：「フェムト秒レーザーのシングルパルス干渉露光による無機材料の微細加工とその応用」  レーザー研究、第３０巻第５号（２００２年５月）Ｐ．２４４〜２４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に記載された技術では、レーザを２軸に分割すると共に、その光路差を厳密に等しくする必要がある上、レーザの走査速度を周期構造の周期ピッチに厳密に対応させる必要がある。その結果、光軸管理などが極めて煩雑であり、また装置が複雑・高価になる。
【０００８】
また、特許文献１に記載された技術では、入射光のＰ偏光成分と材料表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光またはプラズマ波との干渉に基づくアブレーションによって周期構造を作製するので、周期構造の各構成要素については、入射光の走査方向に直交して延びるものを作製するのは容易であるが、走査方向に沿って延びるものを作製すると各構成要素の直線性が劣り、適切な周期構造が得られないという欠点があった。
【０００９】
そこで、本発明は、フェムト秒レーザによる微細な周期構造の作製に関し、走査方向に沿う方向に各構成要素が延びる周期構造を一軸のレーザを用いて作製できる周期構造作製方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記目的を達成するため、加工閾値近傍のエネルギ密度を有し直線偏光成分を含むフェムト秒レーザを材料表面に照射し、そのパルス照射領域をオーバーラップさせながら材料表面に対して相対移動させることにより、入射光と表面散乱光またはプラズマ波とを干渉させながら、該干渉の下で不連続部位が起点となって発生する周期的エネルギ強度分布に基づいて、一定の延在方向を有する構成要素からなる周期構造を材料表面に形成する周期構造作製方法であって、材料表面に対する前記フェムト秒レーザの集光点を扁平形状とし、形成される周期構造の構成要素の延在方向が、前記扁平形状の長軸に対して０〜６５度の範囲内の角度となり、且つ前記集光点の移動方向に沿う方向となるように、フェムト秒レーザの偏光方向を調整して前記相対移動を行なうことを特徴とする周期構造作製方法を提供するものである。
【００１１】
本発明はまた、前記目的を達成するため、加工閾値近傍のエネルギ密度を有し直線偏光成分を含むフェムト秒レーザを材料表面に照射し、そのパルス照射領域をオーバーラップさせながら材料表面に対して相対移動させ、入射光と表面散乱光との干渉による周期的エネルギ強度分布に基づいて、材料表面に周期構造を作製するための周期構造作製装置であって、フェムト秒レーザ発生器と、該フェムト秒レーザ発生器から発振された直線偏光を含む偏光のフェムト秒レーザの照射強度を調整する強度調整用光学素子と、偏光方向を光軸を中心に回転させるための偏光方向調整用光学素子と、周期構造の形成対象となる材料を支持するワーク支持部と、フェムト秒レーザの光束を扁平状にする扁平化光学素子と、フェムト秒レーザを材料表面に集光する集光用光学素子と、該集光用光学素子によって集光された扁平光の長軸と前記ワーク支持部との照射光軸回りの相対回転位置を調整するための回転位置調整部と、前記集光用光学素子と前記ワーク支持部とを照射光軸を横切る方向へ相対移動させるための移動装置とを備えたことを特徴とする周期構造作製装置を提供するものである。
【００１２】
直線偏光成分を含むフェムト秒レーザとしては、直線偏光成分が主となるものが望ましいが、楕円偏光成分を部分的に含むものも用いることができる。
【００１３】
加工閾値近傍のエネルギ密度とは、材料表面に形状や組織の変化を生じさせ得る限界的なエネルギ密度に近いエネルギ密度（フルエンス）を意味する。
【００１４】
上記方法及び装置によって形成される周期構造は、材料表面の凹凸形状または材質変化が周期的に繰り返される。本明細書及び特許請求の範囲においては、この周期構造の構成要素が延びる方向（凹凸形状であれば凹部または凸部が延びる方向、材質変化であれば同じ材質部分が延びる方向）を周期構造の延在方向、周期構造の周期的な繰り返しの方向を周期構造のピッチ方向という。
【００１５】
フェムト秒レーザの照射が行なわれると、材料表面にある欠陥、異物、結晶格子の不連続部位等が基点となって発生する表面散乱光又はプラズマ波と入射光との干渉によって周期構造が形成される。この不連続部位等は、レーザ照射前から材料表面に存在ものであっても、レーザ照射によって材料表面に発生したものでもよい。周期構造には、このようにして形成される初期的な周期構造も、それを元にして引き続いて形成される周期構造をも含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、以下に詳述するように、フェムト秒レーザによる微細な周期構造の作製に関し、レーザによる走査方向に沿う方向に各構成要素が延びる周期構造を一軸のレーザを用いて作製できる周期構造作製方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】フェムト秒レーザによる周期構造の基本的な形成状態の一例を説明する図であり、(1) は縦断面図、(2), (3) は平面図である。
【図２】フェムト秒レーザによる周期構造の基本的な形成原理を説明する図である。
【図３】フェムト秒レーザによる周期構造の基本的な形成状態の他の例を説明する図であり、(1) は縦断面図、(2) ,(3) は平面図である。
【図４】フェムト秒レーザによる周期構造の基本的な形成状態のさらに他の例を説明する図であり、(1) は縦断面図、(2) ,(3) は平面図である。
【図５】フェムト秒レーザによる周期構造の基本的な形成原理を説明する図である。
【図６】本発明に係る周期構造の製造方法及び装置に使用し得るフェムト秒レーザの集光点の形状を例示する図であり、(1) は縦断面図、(2) ,(3) はその種々の例を示す平面図である。
【図７】本発明によるフェムト秒レーザによる周期構造の形成原理を説明する図である。
【図８】本発明によるフェムト秒レーザによる周期構造の形成状態を説明する図であり、(1) は縦断面図、(2) は平面図である。
【図９】本発明に係る周期構造の形成装置の一実施形態を概略的に示す正面図である。
【図１０】本発明によるフェムト秒レーザによる周期構造の形成状態の他の例を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施例及び比較例によって得られた周期構造の写真を図面化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の原理及び実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図面中の同一または同種の部分については、同じ番号を付して説明を一部省略する。
【００１９】
１．周期構造の基本的な形成原理
フェムト秒レーザの照射によって得られる周期構造は、図１に示すように、基本的にはその延在方向Ｒがレーザの偏光方向Ｑに垂直となるように形成される。材料表面にフェムト秒レーザの照射が行なわれると、レーザ照射前から材料表面に存在するあるいはレーザ照射によって材料表面に発生した凹凸、欠陥、異物、結晶格子の不連続部位等が起点となって発生する表面散乱光又はプラズマ波と入射光との干渉によって周期構造が形成される。そして、図２に模式的に示すように、既に形成された周期構造Ｃの延在方向Ｒに対して、相対的に移動（移動方向Ｆ）をした位置で次のパルスの照射が行なわれれば、表面散乱光又はプラズマ波１ｂと入射光１ａとの干渉により周期構造Ｃのピッチ方向Ｐへ、等しい周期で離反した領域でエネルギ強度が強くなる（図２には模式的に１つの領域Ｃａと一部の照射光１ａを示す）。したがって、この方向に位置を移動しながらパルス照射を繰り返すことにより、照射の移動方向に周期構造Ｃが形成されて行く。
【００２０】
図３は、このようにして、フェムト秒レーザの照射箇所である集光点Ｌをピッチ方向Ｐに移動して連続形成した周期構造Ｃを示す。図３の(1) は材料Ｍに対し、フェムト秒レーザの光束１をレンズ２で集光した照射光１ａを照射している状態を示す縦断面図であり、(2) は半円筒形のレンズ（シリンドリカルレンズ）（平坦面を照射面に平行に配置）で集光した集光点Ｌにより領域Ｅに周期構造Ｃが形成された状態の平面図、(3) は半球形のレンズ（平坦面を照射面に平行に配置）で集光した集光点Ｌにより領域Ｅ０に周期構造Ｃが形成された状態の平面図を示している。
【００２１】
しかしながら、この方法によると、周期構造Ｃは、集光点Ｌを移動することによりピッチ方向Ｐには所望の長さで連続的に得られるが、周期構造Ｃの延在方向Ｒには集光点Ｌ，Ｌ０の幅寸法ＷまたはＷ０でしか得られない。延在方向Ｒに長く延びる周期構造Ｃを得るために、ピッチ方向Ｐへの移動を所定長さに亘って行なって一連の周期構造を形成した後、その幅だけずらせた位置で同じ長さの一連の周期構造を形成するという工程を繰り返して行なうことが考えられる。しかし、この場合は、周期構造Ｃを延在方向Ｒに正確に一致させることは実質上不可能である。
【００２２】
これに対し、図４に示すように、フェムト秒レーザの集光点Ｌを延在方向Ｒに移動する（移動方向Ｆ）ことにより、延在方向Ｒに連続した周期構造Ｃを形成することも考えられる。図４は、(1) が材料Ｍに対するフェムト秒レーザの照射状態を示す縦断面図、(2) は半円筒形のレンズを用いて周期構造Ｃを形成した状態の平面図、(3) は半球形のレンズを用いて周期構造Ｃを形成した状態の平面図を示している。
【００２３】
しかしながら、この場合は、図５に示すように、既に形成された周期構造Ｃにおける集光点Ｌの移動方向の終端から進行する表面散乱光又はプラズマ波１ｂは、周期構造Ｃのピッチ方向Ｐにおいては入射光と干渉して等しい周期で離反した領域でエネルギ強度が強くなり周期構造が形成されるが、延在方向Ｒには既に形成された周期構造Ｃにおける集光点Ｌの移動方向の終端から進行する表面散乱光またはプラズマ波１ｂは入射光に対して２方向から干渉することになり、正確な周期構造が形成されず直線性が失われる。例えば、図５の周期構造Ｃにおける中央の構成要素Ｃｍの延長上について見れば、入射光１１ａ，１２ａの表面散乱光１１ｂ、１２ｂが分布する領域においては、該領域への入射光に対してこれらの表面散乱光が２方向から干渉する。したがって、集光点Ｌを延在方向Ｒに移動することによって延在方向Ｒに連続した周期構造を得るのは困難である。
【００２４】
２．本発明に係る周期構造の形成原理
これらの方法に対し、本願発明においては、図６に示すように、フェムト秒レーザの集光点を扁平形状とした上で、集光点と材料表面との相対移動方向に対して集光点の長軸Ｌｃを傾斜させて、作製しようとする周期構造の延在方向へ集光点Ｌの移動を行なう。図６の(1) は、材料Ｍに対し、フェムト秒レーザの光束１をレンズ２で収束した照射光１ａを照射している状態を示す縦断面図であり、(2) は集光点Ｌの長軸Ｌｃを移動方向Ｆに対して傾斜させた状態を示す平面図であり、(2) の(a)及び(b)は半円筒形のレンズで集光した場合（傾斜方向が相互に異なる）、(c)及び(d)は回折光学素子等の光学部品で集光した例（集光点の形状が相互に異なる）を示している。
【００２５】
このように、光束の長軸Ｌｃを移動方向Ｆに対して傾斜させると、図７に示すように、形成された周期構造Ｃの終端は、集光点の移動方向Ｆに対して斜めに並んだ位置となる。すなわち、周期構造Ｃにおける一つの構成要素の終端（例えばｃ０）の両側には、移動方向に見て、より進行した位置とより遅れた位置に構成要素の終端（ｃｆ，ｃｒ）が位置する。したがって、一つの構成要素の終端の一方の側（終端ｃｆがある側）に、複数の構成要素が等ピッチで並存している。その結果、既存の周期構造Ｃに対して移動方向Ｆへ移動した位置で照射されたパルスレーザは、並存する構成要素に基づく表面散乱光又はプラズマ波と入射光との干渉によって、等ピッチでエネルギ強度分布の粗密を発生させる。すなわち、入射波に対して一方向からの表面散乱光が干渉することにより、新たな周期構造が正確に形成されることとなる。こうして、移動した位置へ連続した周期構造Ｃが形成される。したがって、作製しようとする周期構造の延在方向へ集光点Ｌをオーバーラップさせながら移動することによって、延在方向Ｒに連続した周期構造Ｃを得ることができる。
【００２６】
この効果を得るためには、扁平形状の集光点を用い、作製しようとする周期構造の構成要素の延在方向に対して該扁平形状の長軸を０〜６５度での傾斜角で傾斜させて、集光点を材料表面に対してその延在方向に相対移動させる。この傾斜角が６５度を超えると、入射波に対して一方向からの表面散乱光又はプラズマ波が関与するという作用が弱まり、正確な周期構造が得られない。この観点から、上記傾斜角度は、４５度以下とするのがより望ましく、３０度以下とするのがさらに望ましい。
【００２７】
また、上記効果を得るためには、フェムト秒レーザの集光点の扁平率（集光点における長軸方向寸法の短軸方向寸法に対する比）は１．１以上とするのが望ましい。集光点は移動方向に対して傾斜させるので、扁平率が１．１未満であると、幅方向（移動方向に垂直な方向）の寸法が小さくなるという不利がある。一方、扁平率の上限は、必要とされる周期構造の幅方向の寸法、光源やレンズといった光学要素等の製造上または制御上の要請に基づいて決められる。一般的には、円筒形レンズであれば、必要に応じた長尺のものを製作することが可能であり、また集光レンズに入射するまでにレーザ光束をビームエキスパンダなどを用いて扁平状に整形すれば、例えば、扁平率１０００００のものを得ることもできる。
【００２８】
ところで、フェムト秒レーザの照射によって得られる周期構造は、基本的にはその延在方向Ｒがレーザの偏光方向Ｑに垂直となるように形成されるが、集光点を扁平にした上、その長軸を偏光方向に対して傾斜した場合は、周期構造の延在方向が偏光方向に対して正確に垂直とならない場合があることが見いだされた。このような場合は、偏光方向に垂直な方向を基準方向として集光点の長軸の傾斜角を一旦定め、光束を材料表面に照射し、或いは集光点を基準方向へ僅かな距離だけ移動することにより、実際に形成される周期構造の延在方向を検出する。これにより、作製すべき周期構造の延在方向と集光点の長軸とのなす角度を知ることができる。これに基づき、作製された周期構造の延在方向へ集光点を相対移動すればよい。あるいは、作製すべき周期構造の延在方向に対して実際に形成された周期構造の延在方向を補正すべく、適当な角度差分だけ偏光方向と該光束の長軸との一方又は双方を回転させればよい。作製すべき周期構造の延在方向と集光点の長軸とのなす角度は、良好な直線性が得られる範囲（０〜６５度の範囲）内となるように選択する。
【００２９】
図８は、上記のようにして、集光点の長軸Ｌｃを傾斜した状態で集光点Ｌを移動して材料Ｍに周期構造Ｃを連続形成した状態を示しており、(1) は縦断面図、(2) は平面図である。図から明らかなように、周期構造Ｃは、集光点Ｌの移動方向へ連続して形成され、幅方向（延在方向Ｒを横切る方向）にも集光点の扁平形状に基づき大きな寸法の周期構造Ｃを得ることができる。
【００３０】
３．本発明の装置例とその作動
上記方法を実施するための本発明に係る装置の例について、以下に説明する。装置は、図９に概略的に示すように、フェムト秒レーザ発生器１０、周期構造の形成対象となる材料Ｍを支持するステージ１８、これらの間に順に配置されたミラー１１、メカニカルシャッタ１２、半波長板１３、偏光ビームスプリッタ１４、半波長板１５、円筒形レンズ１６、及びレンズ支持部１７を備えている。
【００３１】
レンズ支持部１７は、円筒形レンズ１６を光軸の回りに回転可能に支持し、所定角度回転した位置で固定し得るようになっている。ステージ１８は、周期構造の形成対象となる材料Ｍを固定し光軸に垂直な面に沿う直交軸（ｘ−ｙ軸）の方向への移動、光軸方向（ｚ軸）への移動、光軸に平行な軸（θ軸）及び光軸に垂直な軸（φ軸）回りの回転による位置調節が可能となっている。これに基づいて、フェムト秒レーザ発生器１０から円筒形レンズ１６を経た光束に対して、図８に示したように、支持部１７及び基板Ｍを移動させることができる。
【００３２】
前述の形成原理にしたがって本発明に係る周期構造を作製するには、この装置の基本的な機能に基づき、直線偏光成分を含むフェムト秒レーザ発生器１０から発せられたレーザ光の集光点に材料Ｍを固定し、パルス照射領域をオーバーラップさせながら材料表面に対して該照射領域を相対移動させる。
【００３３】
レーザ光は、偏光面を半波長板１３で所定の角度に回転させた状態でビームスプリッタ１４に通過させることにより、透過光及び反射光の比を制御しレーザ強度を調整される。したがって、この装置では、半波長板１３及びビームスプリッタ１４が強度調整用光学素子となっており、その調整により、フェムト秒レーザは、加工閾値近傍のエネルギ密度とされる。
【００３４】
円筒形レンズ１６は、フェムト秒レーザの光束を扁平にする扁平化光学素子と、フェムト秒レーザを材料表面に集光する集光用光学素子とを兼ね備えた機能を奏する。レーザ光に対して円筒形レンズ１６は光軸回りに配置角度が調整され、レーザ光の偏光方向は、半波長板１５（偏光方向調整用光学素子）によって光軸回りに所定角度に調整される。これらの操作により、円筒形レンズ１６による扁平形状の集光点の長軸と、作製される周期構造の構成要素の延在方向とのなす角度が望ましい角度（０〜６５度）に傾斜され、この状態で、材料Ｍがｘｙ平面内で移動させられる。すなわち、該光束の集光点と材料表面とが相対移動させられる。上記の望ましい角度が０〜６５°の範囲であることは、以下に示す実験により確かめられた。
【００３５】
フェムト秒レーザの偏光方向と集光点の長軸方向と周期構造の構成要素の延在方向とは、相互に関連性を有しているので、これらの設定によっては、集光点の移動方向と周期構造の延在方向とが異なる場合がある。この場合にも、本発明によれば、形成される周期構造の構成要素の延在方向が、前記扁平形状の長軸に対して０〜６５度の範囲内の角度となり、且つ前記集光点の移動方向に沿う方向となるように、フェムト秒レーザの偏光方向を調整して前記相対移動を行なうことにより、直線性の良い周期構造が形成される。すなわち、必ずしも周期構造の延在方向と集光点の移動方向とが一致しなければならないという制限はない。
【００３６】
前記相対移動は、周期構造の構成要素の延在方向に沿う方向に行なわれるのであり、その方向は、前記延在方向に対して０〜４５°の範囲とするのが望ましい。このように、相対移動の方向と延在方向とを接近した範囲内にすることにより、周期構造の構成要素を延在方向に長く連続形成する加工を有利に行なうことができ、加工の自由度が増大する。すなわち、相対移動の方向と延在方向とが接近しているので、扁平形状の集光点が、その長軸方向に小さいものであっても、上記方向に連続的に相対移動させることにより、長尺の周期構造を得ることができる。一方、周期構造の構成要素の延在方向と集光点の相対移動方向とが直交する従来方法によって長尺の周期構造を得るためには、その長尺寸法に等しい長さの集光点を形成する必要がある。同様に、相対移動方向と延在方向とが４５°を越える場合に長尺の周期構造を得るためには、その周期構造の長尺寸法に近い長さの集光点を形成する必要がある。このように長い集光点を形成し、しかもエネルギ密度を加工閾値近傍の値とするには、高い出力のレーザ光源を要し、集光点を長くするための光学部品の数量や性能の増大を必要とすることとなり、装置が大掛かりなものとなる。
【００３７】
これに対し、本発明では、周期構造の構成要素の延在方向と集光点の扁平形状の長軸との角度を０〜６５度の範囲内の角度とすることにより、材料表面に対する相対移動方向を延在方向に対して０〜４５°の範囲としても、直線性の良い周期構造が得られるので、長尺の周期構造を得る場合にも、比較的低いレーザ出力で済み、集光点を長くするための光学部品の数量や性能に対する要求も低いものとなり、装置の簡易化が可能である。この観点から、前記相対移動方向は、構成要素の延在方向に対して０〜３５°の範囲で行なうのがより望ましく、０〜２５°の範囲で行なうのがさらに望ましい。また、周期構造の延在方向に対して集光点の長軸が上記角度範囲内にあり、且つ、前記延在方向に関して前記長軸とは反対の側に集光点の移動方向がある場合には、これらの長軸及び移動方向がなす角度は、９０°より小さくするのが望ましい。この角度が９０°を越えると、良好な周期構造の直線性が得られない。
【００３８】
上記のようにして周期構造を形成するためには、直線偏光のレーザが材料表面に加工閾値近傍のエネルギ密度で照射されれば良いのであり、光束が集光レンズおよび材料表面に垂直に入射しなければならないという制限はない。
【００３９】
また、扁平化光学素子と集光用光学素子の機能は、図示の装置のようにシリンドリカルレンズが兼ね備えることができるが、集光用光学素子を円形レンズ等の光学素子とし、扁平化光学素子を組み合わせレンズや回折光学素子等の光学素子として別個に機能を奏させることもできる。この場合は、集光用光学素子に対する光路の光源寄りの位置に光束を扁平にする扁平化光学素子を配置することができる。このように、集光用光学素子と扁平化光学素子と別個に設けることにより、これにより精密な調整が可能となる。
【００４０】
なお、円筒形レンズ１６とステージ１８との関係は、相対的にいずれか一方または双方によって、上記光軸回りの回転、及び光軸に垂直な面に沿う移動が可能となっていればよい。図１０は、円筒形レンズ１６の長軸Ｌｃを固定し、これに対してステージ１８を角度αをなす移動方向Ｆへ、光軸に垂直な面に沿って移動させている状態を示している。
【００４１】
また、本発明方法は、平面の他、曲面に適用することもできる。例えば、円筒形、円錐形、球形等の回転体の外周面又は内周面に相当する面や、その他曲面に適用する場合は、周期構造を形成する箇所での接平面と、照射するフェムト秒レーザの光軸との角度を保つようにして、集光点と材料とを相対移動させればよい。また、円筒形の外周面又は内周面に相当する面に周期構造を形成する場合は、円筒の中心軸線回りに対象とする材料を回転させることにより、集光点の相対移動を行なうことができる。
【００４２】
さらに、この装置によれば、メカニカルシャッタ１２により、材料Ｍの移動中の適宜の位置で光路を開閉することにより、レーザ走査照射領域を所望の範囲に限定することができる。また、レーザ光の偏光面を半波長板１３で所定の角度に回転させた状態でビームスプリッタ１４に通過させることにより、透過光及び反射光の比を制御しレーザ強度を調整することができる。
【００４３】
４．実施例
図９に示した装置を用いた本発明の実施例について、以下に記載する。フェムト秒レーザ発生器１０により、中心波長８００nm、パルス幅１２０fs、繰り返し周波数１kHz、照射エネルギー２００μJ／pulseのフェムト秒レーザーを発生させ、円筒形レンズ１６でステンレス鋼（SUS304）製基板の表面に集光させた。円筒形レンズ１６の焦点距離はｆ＝５０mmである。円筒形レンズ１６は、基板の移動方向に対して長軸が０〜９０度となる範囲で光軸回りに回転させた位置に保持した。この状態で、ステージ１８により、走査速度１mm/secで基板を移動させた。また照射光の偏光方向は、基板の移動方向と周期構造の延在方向とが一致するように調整した。
【００４４】
こうして得られた基板表面の周期構造を写真撮影した。その写真を図面化して図１１に示す。この図から、移動方向に対する光軸の長軸の角度が６５度、４５度、４０度、３０度の場合に、直線性（周期構造の各構成要素が示す延在方向への連続性）に優れた周期構造が得られており、７０度の場合には周期構造の直線性が劣っていることが明らかである。その角度が６５度より小さい場合は直線性がより良くなっていた。
【００４５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、入射光と表面散乱光との干渉に基づくアブレーションによって微細な周期構造を作製することができるので、その周期構造を物体の表面に形成することにより、光学素子の形成やトライボロジー特性の改善を行なうことができる。また、フェムト秒レーザを用いることで、熱影響を極めて低く抑えることができるので、熱による材料特性の劣化が現われやすい小型部品や薄い部品に対する周期構造の形成にも適用することが可能になる。
【符号の説明】
【００４７】
１    光束
１ａ  照射光
１ｂ  表面散乱光
２    レンズ
１０  フェムト秒レーザ発生器
１６  円筒形レンズ
１７  レンズ支持部
Ｃ    周期構造
Ｆ    集光点の移動方向
Ｌ，Ｌ０    集光点
Ｌｃ  集光点の長軸
Ｍ    材料
Ｐ    周期構造のピッチ方向
Ｒ    周期構造の延在方向
Ｑ    偏光方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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