(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービームを、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムを表示させた液晶空間変調器に通過させることにより、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換し、該レーザービームを対物レンズにより集光し、集光した該レーザービームを２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に照射して回折限界以下の微小スポットを形成することを特徴とし、
２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することを特徴とする、回折限界以下の微小スポット形成方法。
0005470629.tif 000006
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。
【請求項２】
パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービーム発振手段と、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービームを、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換するために光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムを表示させた液晶空間変調器と、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームを集光する対物レンズとを備え、集光したレーザービームを２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に照射して回折限界以下の微小スポットを形成するものであることを特徴とし、
２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することを特徴とする、回折限界以下の微小スポット形成装置。
0005470629.tif 000007
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー微細加工に有用な微小スポット形成方法および微小スポット形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小スポット形成のための有効な手段として超解像現象が利用される。この超解像現象は、光束の中心部分を不透明な遮蔽板により遮り、光強度の空間分布を変化させて回折限界より小さなスポットを得るものである。
【０００３】
超解像現象を利用した微小スポット形成として、下記特許文献１の段落［００７６］〜［００７９］には、対物レンズの入射瞳の半径Ｒ０に対して中心を共有し、その半径ｒが０≦ｒ≦Ｒ０×α（α：０％，２０％，２５％，３０％）である円形領域Ｒ１の位相を、それ以外の領域よりもπだけ進ませる或いは遅らせるような位相シフトマスクを用いると、スポット径ｄを回折限界の８９％（ｒ＝Ｒ０×３０％のとき）にまで小さくすることが可能であることが開示されている。
【０００４】
しかし、特許文献１の段落［００７６］に記載されているように、サイドローブのピーク強度が５.０％以下となるときには、スポット径は回折限界のときの約９５％にしかならず、十分な超解像効果を得ることはできない。逆にいうと、超解像によりスポット径を縮小すると、中心のメインスポットのほかに、その周りにサイドローブと呼ばれる強度分布が顕著に現われるという問題がある（特許文献１  段落００７８  表２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３０２３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、その目的は、
（１）回折限界を超える微小スポットを形成することができる微小スポット形成方法
（２）回折限界を超える微小スポットを形成することができる微小スポット形成装置
を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、
「［１］パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービームを、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムを表示させた液晶空間変調器に通過させることにより、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換し、該レーザービームを対物レンズにより集光し、集光した該レーザービームを２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に照射して回折限界以下の微小スポットを形成することを特徴とする、回折限界以下の微小スポット形成方法。
0005470629.tif 000002
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。
［２］２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することを特徴とする請求項１記載の、回折限界以下の微小スポット形成方法。
［３］パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービーム発振手段と、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービームを、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換するために光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムを表示させた液晶空間変調器と、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームを集光する対物レンズとを備え、集光したレーザービームを２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に照射して回折限界以下の微小スポットを形成するものであることを特徴とする、回折限界以下の微小スポット形成装置。
0005470629.tif 000003
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。
［４］２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することを特徴とする請求項３記載の、回折限界以下の微小スポット形成装置。」
に関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の微小スポット形成方法によると、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に回折限界を超える微小スポットを形成することができる。具体的には回折限界のときのスポット径を100％としたときの60％−70％程度のスポット径の微小スポットを形成することができる。
本発明の微小スポット形成装置によると、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に回折限界を超える微小スポットを形成することができる。具体的には回折限界のときのスポット径を100％としたときの60％−70％程度のスポット径の微小スポットを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の微小スポット形成方法は、パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービームを、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムを表示させた液晶空間変調器に通過させることにより、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換し、該レーザービームを対物レンズにより２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に集光することを特徴とする。なお、「少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える」とは、「光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域の位相を、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域よりも、πだけ進ませる或いは遅らせる」という意味である。
0005470629.tif 000004
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。なお、ａは、レーザービーム半径に相当する。
【００１０】
図１に、（ｐ）計算機ホログラムの概念図とその（ｑ）計算機ホログラムを示す。図１の（ｑ）計算機ホログラムの中心に存在する円領域は、（ｐ）計算機ホログラムの概念図における半径ｂの円に相当する。図１の（ｑ）計算機ホログラムは、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域の位相がπだけずれている。
【００１１】
図１（ｑ）のように、パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービームの光軸を中心とする半径ｂの円の領域に位相差πを与えるよう空間変調器に計算機ホログラムを表示させれば、簡便に上記計算機ホログラムと実質的に同等な計算機ホログラムを作成することができるので好ましい。したがって、本発明において、光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムは、パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービームから見て実質的に同等な計算機ホログラム、つまりパルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービーム半径の円をオーバーラップできる大きさの計算機ホログラムであり、かつ光軸を中心とする半径ｂの円の領域に、他の領域に対して位相差πを与える計算機ホログラムを含むものである。
【００１２】
式（１）で与えられる強度分布を有する遠視野像（強度分布がベッセル関数となるため、以下、ベッセルモードと称する。）は、光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域と、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域のそれぞれから現れる遠視野像の振幅差で決まるため、メインローブはみかけ小さくなる。逆にサイドローブ（側波帯）は大きくなってしまうので、線形な系では所望の光学性能を得にくいが、非線形な光学系ではサイドローブの効果は大幅に軽減できる。したがって、本発明の微小スポット形成方法では、パルス幅が１０−９秒以下のパルスレーザービームを上記計算機ホログラムが表示された液晶空間変調器に通過させることにより、遠視野像が式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換し、該レーザービームを対物レンズにより２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に集光するので、光吸収が光強度の２乗に比例して起こるためにピークパワーの弱いサイドローブは実効的に吸収に寄与せず、回折限界を超える微小スポットを形成することができる。なお、回折限界を超える微小スポットとは、回折限界以下の微小スポットとも言える。
【００１３】
一方、前記変換されたレーザービームを２光子吸収特性または多光子吸収特性を有しない材料に集光しても、サイドローブによって微小スポットの周辺部に熱的、化学的な損傷（変形、変質）を与えてしまうため、回折限界を超える微小スポットを形成することは困難である。
【００１４】
光軸を中心とする半径ｂを調整すればベッセルモードの微小スポットの半径を任意に変えることが出来る。この場合、振幅の減算は位相差で行うことになるため、光エネルギーの損失もほとんどない。光軸を中心とする半径ｂがリングの外径の1/√2となる場合は特に遠視野像に光の届かない空孔ができる。図２の（ｐ）は、本発明の微小スポット形成方法によって位相変調（但し、ｂ＝0.3ａである）を施したレーザービームの遠視野像強度分布、つまりベッセルモード強度分布と、位相変調を施していないレーザービームの遠視野像強度分布、つまりガウスモード強度分布を示す。また、図２の（ｑ）は、ベッセルモードとガウスモードにおける強度の２乗分布、つまり、二光子吸収を介して記録される微小スポットを示す。
半径ｂは、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値に応じて変えることが好ましく、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値0.5−2に対し、半径ｂは、半径ａの0.1倍−0.9倍であることが好ましい。ガンマ値の大きい材料の場合、半径ｂを大きくすることが、形成する微小スポットの径を小さくするという点で好ましい。よって、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することが好ましい。
【００１５】
本発明の微小スポット形成方法において、パルスレーザービームは、パルス幅が10-9秒以下のパルスレーザービームであり、特にフェムト秒（ｆｓ）パルスレーザービームが好ましい。パルスレーザービームの波長は、700−1070nmであることが好ましい。液晶空間変調器に通過させる前のパルスレーザービームのエネルギー密度は、0.1ｍＷ／ｃｍ２−10Ｗ／ｃｍ２であることが好ましい。
また、対物レンズの焦点距離は、ＮＡ＞0.4であることが好ましい。
【００１６】
２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料としては、紫外線硬化型樹脂が例示される。例えば、紫外線硬化型ＰＭＭＡ樹脂、紫外線硬化型エポキシ樹脂、紫外線硬化型ポリウレタン樹脂の中に見出すことができる。
【００１７】
本発明の微小スポット形成方法および微小スポット形成装置は、回折限界のときのスポット径を100％としたときの60％−70％程度のスポット径の微小スポットを形成することができる。
【実施例】
【００１８】
本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置の実施形態を、図３、図４、図５に基づいて説明する。図３は、本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置の光学系の模式図である。図４の（ｐ）はガウスモード、図４の（ｑ）はベッセルモードである。図５の（ｐ）はガウスモードにより形成した複数の微小スポットの顕微鏡写真（倍率：100倍）、図５の（ｑ）はベッセルモードにより形成した複数の微小スポットの顕微鏡写真（倍率：100倍）である。
【００１９】
本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置をより２光子吸収材料に微小スポットを記録した。使用した２光子吸収材料(ＪＳＲ製紫外線硬化型エポキシ系樹脂SCR701、ガンマ値は1から2の間である)の吸収波長のカットオフが400nm近辺にあるため、光源には再生増幅器付きのチタンサファイアフェムト秒レーザーを用いた。光源波長は780nm、繰返し周波数1kHz、パルス幅150fsである。レーザーのスペクトル線幅は〜6nmであり、計算機ホログラムによる波長分散は無視できる。
液晶空間変調器４に、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラム３をコンピュータ２により表示させた。
上記光源から発振された超短パルスレーザービーム１を、前記液晶空間変調器４に通過させ、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービーム５に変換し、該レーザービーム５を２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に対物レンズ１０(ミツトヨ  NA0.4)により集光した。
0005470629.tif 000005
但し、ａ：レーザービーム半径〜2ｃｍ，ｂ：〜1.4ｃｍ（半径ａに対しての割合は0.7である），ｋ：波数2×3.14/800nm，ｆ：対物レンズの焦点距離（NA〜0.4）である。
液晶空間変調器４は、透過型液晶空間変調器 (Holoeye LC2002)を用いた。波面制御されたレーザービーム５は、集光レンズ６、空間フィルター７、コリメートレンズ８、ミラー９を通り、半波長板（図示せず）と偏光ビームスプリッター（図示せず）を用いてパルスエネルギーが1μJ（ピークパワーに換算して〜0.7MW）になるように減光されたのち、対物レンズ１０(ミツトヨ  開口数NA0.4)でスキャニングステージ（図示せず）に固定されている２光子吸収材料１１に集光されている。また、孤立した微小スポットを記録できるように、ステージを１次元走査した。このほか、液晶空間変調器４を使用しないで、ガウスモードを用いて微小スポットを記録した。
【００２０】
微小スポットの径は、回折限界のときのスポット径を100％としたときの70％程度であり、２μｍであった。
発生させたガウスモードとベッセルモードを、図４の（ｐ）、（ｑ）にそれぞれ示す。
記録した微小スポット１２を、対物レンズ１３、レンズ１４、CCDカメラ１５、モニター１６からなる顕微鏡(対物×100倍)で観測した。その観測写真を図５に示す。ベッセルモードを用いた場合の微小スポットは、ガウスビームを用いた場合の微小スポットに比べ、小さいことが確認できる。また、サイドローブによる２光子吸収材料の損傷は、確認されなかった。
また、数値シミュレーションを実施した結果、面積比で回折限界の〜0.6倍の点像が記録可能になることがわかった。なお、「〜」は二アリーイコールの意である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置は、情報記録媒体、三次元光造形、光リソグラフィーやレーザー走査型非線形顕微鏡に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１の（ｐ）は計算機ホログラムの概念図、（ｑ）は計算機ホログラムである。
【図２】図２の（ｐ）は、ガウスモード（without phase modulation）とベッセルモード（with phase modulation）の強度分布、（ｑ）は、ガウスモード（without phase modulation）とベッセルモード（with phase modulation）の強度の２乗分布である。
【図３】図３は、本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置の光学系の概略図である。
【図４】図４の（ｐ）はガウスモード、（ｑ）はベッセルモードである。
【図５】図５の（ｐ）はガウスモードにより形成した複数の微小スポットの顕微鏡写真（顕微鏡×100倍）、図５の（ｑ）はベッセルモードにより形成した複数の微小スポットの顕微鏡写真（顕微鏡×100倍）である。
【符号の説明】
【００２３】
１    超短パルスレーザービーム
２    コンピュータ
３    計算機ホログラム
４    液晶空間変調器
５    遠視野像が式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービーム
６    集光レンズ
７    空間フィルター
８    コリメートレンズ
９    ミラー
１０  対物レンズ
１１  ２光子吸収材料
１２  微小スポット
１３  対物レンズ
１４  レンズ
１５  CCDカメラ
【図１】
0005470629.tif 000008
【図２】
0005470629.tif 000009
【図３】
0005470629.tif 000010
【図４】
0005470629.tif 000011
【図５】
0005470629.tif 000012