(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ（１）と集束素子（４）と振幅マスク（３）とを有する光学装置（１０）であって、
前記レーザ（１）から送出されるレーザビーム（２）のビーム路にて、前記レーザ（１）と前記集束素子（４）との間に前記振幅マスク（３）が入れられており、前記レーザビーム（２）が案内されて、前記レーザビーム（２）は、前記集束素子（４）における前記レーザビーム（２）の集束の前に前記振幅マスク（３）に当たり、
前記集束素子（４）によって変更されたレーザビーム（２’）は、感光材料（５）内の焦点（６）に配向され、
前記レーザビーム（２）の前記焦点（６）における光強度の空間的な分布は、回転楕円体の形状を有し、その長軸は、前記レーザビームのビーム路に対して軸方向を向いており、
前記振幅マスク（３）は、前記振幅マスク（３）の中央部分にある中央領域（３０）と、前記中央領域（３０）の外側の第１のリング領域（３１）と、前記第１のリング領域（３１）の外側の第２のリング領域（３２）と、を有しており、
前記第１および第２のリング領域（３１，３２）は、前記レーザビーム（２）の光軸に同心状に配置されており、
前記第１および第２のリング領域（３１，３２）は、前記振幅マスク（３）の軸の周りに同心状に配置されており、
前記第１のリング領域（３１）は、０％〜６０％の透過率を有し、
前記第２のリング領域（３２）は、８０％〜１００％の透過率を有する、
光学装置（１０）。
【請求項２】
前記集束素子（４）によって変更されたレーザビーム（２’）により、前記焦点（６）に加えて少なくとも２つの２次焦点（７，７’）が前記感光材料（５）内に形成される、
請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１のリング領域（３１）の透過率は、前記レーザビーム（２）の外側にある前記振幅マスク（３）の縁部（３９）を除き、前記中央領域（３０）および前記第２のリング領域（３２）の透過率よりも小さい、
請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記中央領域（３０）は、８０％〜１００％の透過率を有する、
請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記第１のリング領域（３１）の内周縁は、１°〜２５°の内側の開口度θiを形成し、
前記第１のリング領域（３１）の外周縁は、少なくとも６０°の外側の開口度θaを形成する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記振幅マスク（３）にはガラス基板が含まれており、
前記ガラス基板に前記第１のリング領域（３１）が金属フィルムとして被着されており、
前記金属フィルムは、前記レーザビーム（２）の波長の1/100〜1/20の厚さを有する、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記レーザビーム（２）の前記焦点（６）または２次焦点（７，７’）における空間的な強度分布が、前記感光材料（５）において形成されている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項８】
前記レーザビーム（２）は、前記感光材料（５）において、前記焦点（６）に加えて複数の２次焦点（７，７’）を形成し、前記複数の２次焦点（７，７’）のうちの１つの２次焦点または前記焦点（６）にて１光子吸収または多光子吸収が行われる、
請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記感光材料（５）において化学的または物理的な変化、削摩、プラズマまたはマイクロクラックが形成される、
請求項７または８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記感光材料（５）において、前記レーザビーム（２）の前記焦点（６）または前記複数の２次焦点（７，７’）のうちの１つの２次焦点にある少なくとも２つの境界面を接続する、
請求項７または８に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記レーザビーム（２）が光ピンセットのビーム源である、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置とその使用方法とに関する。
【０００２】
集束されたレーザビームは、材料の局所的な処理ないしは加工に使用される。これに関連して材料の加工に殊に重要であるのは、レーザビームの焦点（フォーカス）における光強度の空間的な分布である。この空間的な分布は、等照線とも称される等光度表面によって表すことができる。等照線の形状およびサイズは、集束光学系と、露光すべき材料の光屈折率とによって決まり、ふつう回転楕円体の形状を有し、その最長の軸は、レーザビームのビーム路の軸方向を向いている。
【０００３】
使用する波長に対して透過な材料の内部にレーザビームを集束すると、このレーザビームの焦点における小体積体内の光の強度は、多光子吸収に対する材料固有の閾値を上回る。内部でこの吸収が発生する体積体は、等照線の経過によって決定される。この体積体における局所的な吸収は、物理的または化学的な変化を発生させることがあり、この吸収は、例えば、フォトレジストを露光する場合、結果的に後続の処理ステップにおける選択的化学的溶解になるのである。
【０００４】
S. Kawata，H. -B. Sun，T. TanakaおよびK. Takada，Nature 412，第6976-698頁（２００１）から、いわゆる直接レーザ書き込みが公知である。ここでは感光材料がレーザを用いて露光され、このレーザの周波数はこの感光材料の１光子重合閾値以下である。このレーザが上記の材料の内部に集束される場合、焦点において、等照線によって決定される小体積体内の光強度が、多光子重合化に対する閾値を上回ることがある。ここでもこの体積体はふつう回転楕円体の形状を有しており、その最長の軸は軸方向を向いている。このような形態の露光により、レーザビームに曝される材料の物理的ないしは化学的な変化が発生する。
【０００５】
M. Martinez-Corral，C. Ibanez-Lopez，G. SaavedraおよびM. T. Caballero，Optics Express，11，第1740-45頁（２００３） ならびにC. Ibanez-Lopez，G. Saavedra，G. BoyerおよびM. Martinez-Corra，Optics Express，13，第6168-6174頁（２００５）には顕微鏡検査用、例えば２光子ラスタ顕微鏡検査、蛍光顕微鏡検査および共焦点顕微鏡検査用の振幅マスクが記載されており、これら振動マスクはリングを有しており、このリングはこれを包囲する領域よりも透過率が低い。ここでこれらの振幅マスクは、光を受動的に集める際の分解能改善に使用される。
【０００６】
US 2006/0171846 A1，US 2005/0046818 A1およびUS 6 618 174 B2にはそれぞれ、空間フィルタとして使用されかつレーザを有する光学装置が記載されており、レーザから送出されるレーザビームのビーム路において、レーザと集束素子との間に振幅マスクがつぎのように入れられている。すなわち、上記のレーザビームがまず上記の集束素子において集束され、引き続いて振幅マスクに当たるように入れられているのである。これによって振幅マスクが、レーザから送出される平行ビームに位置しないようにされる。
【０００７】
DE 10 2004 013 886 A1には、プロジェクションマスクとして使用されかつレーザを有する光学装置が記載されており、ここでもレーザから送出されるレーザビームのビーム路において、レーザと集束素子との間に振幅マスクがつぎように入れられている。すなわち、上記のレーザビームがまず上記の集束素子において集束され、引き続いて振幅マスクに当たるように入れられているのである。これによって振幅マスクが、レーザから送出される平行ビーム内に位置しないようにされる。
【０００８】
10 2005 009 188 A1にはレーザを有する光学装置が記載されており、レーザから送出されるレーザビームのビーム路において、レーザと集束素子との間に第１の振幅マスクが入れられており、まずこの振幅マスクにレーザビームが当たる。この第１の振幅マスクは、ビームスプリッタにおけるビームプロフィールの振幅を変えるために使用され、このビームスプリッタは、蛍光検出における損失ができるだけ小さくなるように選択されたリング状の構成を有し得る。ここではさらに第２の振幅マスクが使用されて、例えば障害となる回折次数を抑止するため、付加的な空間フィルタリングが同様に上記のビームスプリッタで行われる。
【０００９】
上記から出発して本発明の課題は、上述の欠点および制限を有しない光学装置およびその使用方法を提案することである。ここでは殊に、露光される材料における等照線において際立だった空間方向がなく、等照線をできるかぎり球状に構成することの可能な能光学装置を提供する。
【００１０】
上記の課題は、光学装置については請求項１の特徴部分に記載した特徴的構成により、またその使用方法については請求項８および１２によって解決される。従属請求項には本発明のそれぞれ有利な実施形態が記載されている。
【００１１】
本発明の装置には、レーザが含まれており、またこのレーザから送出されるレーザ光のビーム路に振幅マスクおよび集束素子が配置されている。ここでこの装置は、上記のレーザビームがまず振幅マスクに当たり、引き続いて集束素子において集束されるように構成されている。有利な１実施形態では、上記の振幅マスクはレーザビームの光軸と同心状に配置されている。
【００１２】
本発明では有利には上記の振幅マスクを構成して、この振幅マスクが、振幅マスクの軸を中心として同心に配置されている有利には１つ、２つ、３つまたはそれ以上のリングからなる少なくとも１つの領域を有するようにする。この際に重要であるのは、この領域内の透過度が、この領域以外の振幅マスクの領域の透過度よりも小さいことである。レーザビームが当たり得る振幅マスクの面の外側の縁部である振幅マスクの領域に対して、上記の条件は別である。したがって上記の振幅マスクを透過する光の強度は、無段階に局所的に入射光の０％〜１００％で変化することが可能である。
【００１３】
好適な１実施形態では上記の光学装置に振幅ディスクが含まれており、この振幅ディスクでは１つまたは複数のリングがそれぞれ０％〜６０％の透過率を有しており、またこの１つまたは複数のリング以外の、振幅マスクの領域は８０％〜１００％の透過率を有する。
【００１４】
有利な１実施形態において上記の光学装置はちょうど１つのリングを有しており、このリングは、０％〜６０％の透過率と、１°〜２５°の内側のビーム角θiと、６０°から振幅ディスクのサイズに依存する最大限可能なビーム角までの外側のビーム角θaとを有する。上記のビーム角は、使用している集束素子の入射瞳およびビーム角αを基準にして上記の振幅マスクを特徴付けており、ここで上記の入射瞳およびビーム角αはそれぞれ焦点から見たものである。
【００１５】
ちょうど１つのリングからなる振幅マスクに対して挙げた上記のパラメタはつぎのように設計される。すなわち、等照線の軸方向の伸びは、横方向の拡がりに対して格段に小さくなるが、同時に、発生した等照線の２次極大における強度が１次極大よりも低く維持され、また同時に１次極大の絶対強度の減少が、振幅マスクがない場合の強度に比べて可能な限り少なく維持されるように設計されるのである。
【００１６】
複数のリングからなる振幅マスクに対しては、等照線の軸方向の拡がりは、横方向の拡がりと比べてさらに小さくなり、また上記のパラメタの選択に応じて等照線の２次極大における強度は１次極大に対して格段に大きくなり得る。
【００１７】
顕微鏡検査とは異なり、本発明では、光を受動的に集める際の分解能を改善するためにではなく、焦点における強度分布を調整して、レーザ光を用いて材料を能動的に加工するために振幅マスクを使用する。顕微鏡検査とは異なり、光路はいわば逆なのである。
【００１８】
有利な１実施形態では、上記の振幅マスクにはガラス基板が含まれており、このガラス基板に１つまたは複数のリングが金属フィルム状に被着され、有利には接着層としてのクロームの上に金が被着され、これによって金属領域における透過率を調整することができる。上記の金属フィルムは、レーザビームの波長の１/100〜1/20の厚さを有する。したがって可視光の領域（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）に対して、４ｎｍ〜４０ｎｍの層厚が好適である。
【００１９】
このため、振幅マスクは、これに当たる光ビームの振幅ではなく位相を変える位相マスクとは異なる。当たる光ビームの位相を変えるためには、レーザビームの波長の1/10〜1/2の層厚、すなわち可視光に対して40nm〜400nmの層厚を有する透明な材料が必要である。
【００２０】
さらに振幅マスクは、同様に等照線を操作するために考えられる位相マスクに比べて有利である。それは振幅マスクの場合、位相が一層自由なまた独立したパラメタとして利用でき、これにより、発生する球面収差、色収差または別のレンズ収差が、場合によっては別の光学素子を使用することにより、付加的に補償される。ここでこれらの収差の特徴は、材料のどのくらいの深さに焦点があるかに部分的に依存する。
【００２１】
本発明の装置は、材料におけるレーザビームの焦点または２次極大の空間的な強度分布を変更するために使用され、ここでこの材料は、好適には感光材料であり、この感光材料レーザビームが当たる。これによって上記の装置は、例えば、材料における化学的または物理的な変化、削摩、ミクロ爆発、プラズマまたはマイクロクラックを形成するのに好適である。
【００２２】
露光材料として、例えば、有機または無機のフォトレジスト、ガラス、強化ガラス、合わせガラス、アクリルガラス、セラミックガラス、サファイアまたはポリカーボネートが好適である。
【００２３】
有利な１実施形態では、本発明の装置は、材料内のレーザビームの焦点または２次極大における１光子吸収または多光子吸収を行うために使用される。
【００２４】
有利な１実施形態において、上記のレーザは、隣接する材料の１つまたは複数の、材料内の境界面に集束され、これによって本発明による装置はレーザ溶接の枠内で使用されて、レーザビームの焦点または２次極大にある２つまたは複数の境界面を接続する。
【００２５】
殊に有利な１実施形態では、本発明の装置は直接レーザ書き込みに使用される。本発明にしたがい、ビーム路において集束素子（対物レンズ）の直前に振幅マスクを組み入れることにより、材料における等照線の軸方向の伸びが横方向の拡がりに比べて小さくなり、これによって等照線の形状が、理想的な球対称に近づけられる。
【００２６】
さらにこれに対して専用に構成した振幅マスクを使用することにより、等照線の２次極大の形を整えてこれを増強することができ、これらの２次極大を介して、１次極大としての焦点に付加的にかつ同時に感光材料の別の領域を露光することができる。これにより、例えば、空間的に離れた多光子重合が１露光ステップ中に可能になる。したがって直接レーザ書き込みにおける書き込みプロセスの並列化も実現することができる。
【００２７】
上記の露光に続き、場合によっては、露光した材料の物理的または化学的な後処理を行うことができる。
【００２８】
さらに本発明による光学装置は、ビーム源として、光ピンセットの構成部分とすることが可能である。
【００２９】
さらに本発明による光学装置は、医療技術、例えば、眼科手術に対して、また入れ墨除去、組織除去、蒸散、切除、内視鏡を用いた軟組織の切開または凝固に使用される。
【００３０】
本発明による装置用の振幅マスクは、つぎ方法によって作製することができる。
【００３１】
まず、使用するレーザ光の波長に好適な透明の基板、例えばガラス製の基板を準備する。このガラスにリソグラフ法を用いて材料、有利にはフォトレジストを平面ネガティブマスクとして被着する。これに続いて、使用するレーザ光の波長において局所的な吸光度が０％〜１００％で無段階に調整可能な薄い層を上記のマスクに蒸着する。上記の局所的な吸光度は、個々に蒸着した層の吸光度の積として得られる。上記の層に対する材料として、吸収性の材料も、反射性の材料も共に好適であり、殊に金属フィルムが好適である。
【００３２】
基板に被着したマスクを剥がした後、基板上にポジとして薄い層が残る（リフトオフ法）。このポジが所望の振幅マスクである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】光学装置（ａ）ないしは振幅マスク（ｂおよびｃ）の概略構造を示す図である。
【図２】振幅マスクに対する有利な作製方法の方式図（ａ〜ｅ）である。
【図３】振幅マスクのない場合に感光材料にレーザビームを集束した際の焦点周りの等照線を示す図である。
【図４】振幅マスク（透過率10.21%，ビーム角θi＝12°，θa＝65.8951°）がある場合に感光材料にレーザビームを集束した際の焦点周りの等照線を示す図である。
【図５】振幅マスク（透過率4.21%，ビーム角θi＝23°，θa＝62.2218°）がある場合に感光材料にレーザビームを集束した際の焦点周りの等照線を示す図である。
【図６】振幅マスクがない場合（ａ）または振幅マスクがある場合（ｂ）に直接レーザ書き込みによって作製した構造の断面図である。
【００３４】
以下では実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００３５】
図１ａ）には本発明による装置１０の概略構造と、感光材料５において、集束されたレーザビームの空間的な強度分布を変更するためにこの装置を使用することとが示されている。レーザ１からレーザビーム２が送出され、このレーザビームのビーム路にはレーザ１と集束素子４との間に振幅マスク３が配置されている。
【００３６】
有利な使用方法において、集束素子４によって変更されたレーザビーム２’は、感光材料５内で焦点（フォーカス）６と、使用される振幅マスク３および集束素子４の特性に応じて、さらに２つのまたは場合によってはそれ以上の２次極大７，７’とを形成する。
【００３７】
図１ｂ）にはただ１つのリング３１を有しかつ同心状に構成された振幅マスク３が略示されている。振幅マスク３の中央には第１の領域３０があり、この領域の周りにただ１つのリング３１が配置されている。リング３１の外側には別の領域３２があり、これは領域３０と同様に、レーザビームに対し、リング３１の透過率よりも高い透過率を有する。レーザビーム２の外側になる振幅マスク３の縁部３９は、透過率に対して０％〜１００％の任意の値を有する。
【００３８】
図１ｃ）には、図１ｂ）のただ１つのリング３１を有する同心状に構成された振幅マスク３の別の概略図が示されている。内側のビーム角θiおよび外側のビーム角θaは、使用される集束素子４の入射瞳およびビーム角αを基準にして振幅マスク３を特徴付ける。
【００３９】
図２には、振幅マスク３を作製する方法の例が略示されている。図２ａ）には、使用するレーザ光の波長に好適で透過な基板３００を準備することが示されており、図２ｂ）ではこの基板に、有利にはフォトレジストである材料からなる第１の層３０１が被着され、引き続いて図２ｃ）のように、実現すべき振幅マスク３の平坦なネガティブマスクが作製される。
【００４０】
図２ｄ）に示されているのは、上に続いて接着促進剤として使用されるクロームおよび金からなる薄い第２の層３０２がマスク３０１にどのように蒸着されるかであり、この層の局所的な吸光度は、使用されるレーザ光の波長において０％〜１００％で無段階に調整可能である。図２ｃ）のように基板３００に被着した第１の層３０１（マスク）を剥がした後、図２ｅ）に示したように、基板３００に第２の層３０２がポジとして残る。このポジが振幅マスク３である。
【００４１】
図３には、従来技術として、フォトレジストＳＵ−８（屈折率ｎ＝1:589）に波長８００ｎｍのレーザビームを集束した場合に、計算される等照線の（正規化した）値が示されている。上記の集束素子に対してつぎのパラメタ、すなわち、屈折率ｎOel＝1.518を有するオイル−液浸−顕微鏡−対物レンズと、開口数ＮＡ＝1.4と、焦点距離ｆ＝2mmと、ａ≒67.26°の最大ビーム角（sinα=ＮＡ／ｎOelから得られる）とを想定する。ここでは等照線の楕円形の断面がはっきりと識別できる。
【００４２】
図４には、図３と同じパラメタで計算した等照線の（正規化した）値が、第１の振幅マスクを本発明にしたがって使用した場合に示されており、ここでこの振幅マスクは、透過率＝10.21％と、ビーム角θi＝12°と、θa＝65.8951°とを有する、透明のガラス基板上のリングからなる。ここでは、プロフィールが図３に比べて格段に円くなった等照線の断面をはっきりと識別することができる。
【００４３】
図５には、図３と同じパラメタで計算した等照線の（正規化した）値が、第２の振幅マスクを本発明にしたがって使用した場合に示されており、ここでこの振幅マスクは、透過率＝4.21％と、ビーム角θi＝23°と、θa＝62.2218°とを有する、透明のガラス基板上のリングからなる。ここでも焦点のおける等照線のプロフィールは、図３に比べて格段に円くなることが示されている。ここで生じた２次極大における等照線によって付加的に可能になるのは、感光材料内の３つの領域を同時に露光することである。
【００４４】
図６には、本発明の装置を用いずに直接レーザ書き込みによって作製した構造の断面（図６ａ）ないしは本願発明の装置１０を用いて直接レーザ書き込みによって作製した構造の断面（図６ｂ）が示されている。使用したレーザ１の中央波長はλ＝780〜800nm（可変）であり、集束素子４として、図３に示したパラメタを有する顕微鏡対物レンズを使用した。振幅マスク３は、集束素子４の入射瞳の直径に合わせて金属製のリング３１を有しており、このリングは、薄さ約4nmのクローム製のフィルムと、薄さ約23nmの金製フィルムとからなり、またビーム角θi＝12.00°±1.00°およびθa＝65.90°±1.00°である。リング３１の透過率は１０％±１％であり、この値は、周囲のガラス基板の透過率を基準にして、メタライゼーションされたガラス基板の領域の透過率を示す。
【００４５】
図６ａ）の構造は、振幅マスクなしに単純に集束されたレーザビームを使用して作製したものである。図６ａ）の構造を作製するため、本発明にしたがって振幅マスク３を使用した。この振幅マスクは、レーザビーム２において集束素子４としての顕微鏡対物レンズの直前に入れられている。
【００４６】
図６ａと図６ｂとを比べることによってわかるのは、振幅マスクを使用しているのにもかかわらず、感光材料をなお良好に露光することができ、また構造が前と同様に高い品質を有することである。さらにこれらの構造の断面によって示されるのは、梁の台形の断面が格段に改善されていることである。それは図６ｂでは、ｚ方向の軸方向の伸びが、横方向の拡がりに比べて少なくなっているからである。
【図１ａ）】
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【図１ｂ）】
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【図１ｃ）】
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【図２ａ）】
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【図２ｂ）】
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【図２ｃ）】
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【図２ｄ）】
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【図２ｅ）】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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