(57)【要約】【課題】加工特性の向上を図ることができるレーザー加工装置を提供する。【解決手段】レーザー加工装置１は、被加工物ＴＡにレーザー光を照射して被加工物ＴＡを加工する。レーザー加工装置は、レーザー装置３と、加工装置５とを備える。レーザー装置３は、フェムトパルストレインＰＴを含むレーザー光を生成する。フェムトパルストレインＰＴは、複数のパルスＰを含む。複数のパルスＰは、被加工物ＴＡにおいて励起されるコヒーレントフォノンＣＰの周期のオーダーのパルス間隔を有する。加工装置５は、フェムトパルストレインＰＴを被加工物ＴＡに照射する。【選択図】図１
2015057289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザー光を照射して前記被加工物を加工するレーザー加工装置であって、
パルストレインを含む前記レーザー光を生成するレーザー手段と、
前記パルストレインを前記被加工物に照射する加工手段と
を備え、
前記パルストレインは、複数のパルスを含み、前記複数のパルスは、前記被加工物において励起される格子振動の周期のオーダーのパルス間隔を有する、レーザー加工装置。
【請求項２】
前記加工手段は、前記パルストレインの前記複数のパルスのうち最初のパルスによりコヒーレントフォノンを励起し、
前記パルス間隔は、前記コヒーレントフォノンの周期のオーダーである、請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
前記レーザー手段は、前記パルス間隔が前記コヒーレントフォノンの周期の整数倍になるように前記パルストレインを生成する、請求項１又は請求項２に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
前記レーザー手段は、前記パルス間隔が前記コヒーレントフォノンの半周期の奇数倍になるように前記パルストレインを生成する、請求項１又は請求項２に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
前記レーザー手段は、
パルス幅がフェムト秒のオーダーであるシングルパルスを生成するレーザー部と、
前記シングルパルスの波形を整形して、前記パルストレインを生成する波形整形部と
を含み、
前記波形整形部は、
入力された位相パターンに従って、前記シングルパルスをフーリエ変換して得られた複数の周波数成分に対して位相変調を実行する位相変調手段を含み、
前記位相パターンは、複数の周期的なパターンを含み、前記複数の周期的なパターンは互いに異なっている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
前記レーザー手段が生成した前記パルストレインの波形を測定する波形測定手段をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
前記被加工物において励起された前記格子振動を検出する格子振動検出手段をさらに備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項８】
前記加工手段は、前記複数のパルスによって起こる光絶縁破壊によるエネルギー伝達を実行する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項９】
前記加工手段は、前記複数のパルスのうちの第１パルスを前記被加工物に照射して、格子振動を励起し、前記格子振動の励起されている時に、前記複数のパルスのうち前記第１パルスに後続する第２パルスを前記被加工物に照射し、
前記第２パルスは、前記第２パルスが照射される前よりも高い振動数の帯域で前記被加工物の電子を振動させ、光絶縁破壊によって前記高い振動数の帯域で振動する電子に光エネルギーを伝達し、
前記光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーは、前記励起された格子振動の振動エネルギーに変換される、請求項８に記載のレーザー加工装置。
【請求項１０】
被加工物にレーザー光を照射して前記被加工物を加工するレーザー加工方法であって、
パルストレインを含む前記レーザー光を生成する工程と、
前記パルストレインを前記被加工物に照射する工程と
を含み、
前記パルストレインは、複数のパルスを含み、前記複数のパルスは、前記被加工物において励起される格子振動の周期のオーダーのパルス間隔を有する、レーザー加工方法。
【請求項１１】
前記照射する工程は、
前記複数のパルスのうちの第１パルスを前記被加工物に照射して、格子振動を励起する工程と、
前記格子振動が励起されている時に、前記複数のパルスのうち前記第１パルスに後続する第２パルスを前記被加工物に照射する工程と、
前記第２パルスによって、前記第２パルスが照射される前よりも高い振動数の帯域で前記被加工物の電子を振動させる工程と、
前記第２パルスによって光絶縁破壊を起こし、前記高い振動数の帯域で振動する電子に前記第２パルスの光エネルギーを伝達する工程と、
前記光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーを前記励起された格子振動の振動エネルギーに変換する工程と
を含む、請求項１０に記載のレーザー加工方法。
【請求項１２】
前記励起する工程は、各々が前記被加工物の格子定数で規定される異なる複数の振動数から選択された振動数で調和振動を行うように前記格子振動を励起する、請求項１１に記載のレーザー加工方法。
【請求項１３】
被加工物に複数のパルスを含むレーザー光を照射して前記被加工物を加工するレーザー加工方法であって、
前記複数のパルスのうちの第１パルスを前記被加工物に照射して、格子振動を励起する工程と、
前記格子振動が励起されている時に、前記複数のパルスのうち前記第１パルスに後続する第２パルスを前記被加工物に照射する工程と、
前記第２パルスによって、前記第２パルスが照射される前よりも高い振動数の帯域で前記被加工物の電子を振動させる工程と、
前記第２パルスによって光絶縁破壊を起こし、前記高い振動数の帯域で振動する電子に前記第２パルスの光エネルギーを伝達する工程と、
前記光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーを前記励起された格子振動の振動エネルギーに変換する工程と
を含む、レーザー加工方法。
【請求項１４】
被加工物にレーザー光を照射して前記被加工物を加工し、前記被加工物から加工物を製造する方法であって、
パルストレインを含む前記レーザー光を生成する工程と、
前記パルストレインを前記被加工物に照射する工程と
を含み、
前記パルストレインは、複数のパルスを含み、前記複数のパルスは、前記被加工物において励起される格子振動の周期のオーダーのパルス間隔を有する、加工物の製造方法。
【請求項１５】
前記照射する工程は、
前記複数のパルスのうちの第１パルスを前記被加工物に照射して、格子振動を励起する工程と、
前記励起された格子振動が消滅する前に、前記複数のパルスのうち前記第１パルスに後続する第２パルスを前記被加工物に照射する工程と、
前記第２パルスによって前記第２パルスが照射される前よりも高い振動数の帯域で前記被加工物の電子を振動させる工程と、
前記第２パルスによって光絶縁破壊を起こし、前記高い振動数の帯域で振動する電子に前記第２パルスの光エネルギーを伝達する工程と、
前記光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーを前記励起された格子振動の振動エネルギーに変換する工程と
を含む、請求項１４に記載の加工物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物にレーザー光を照射して被加工物を加工するレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び加工物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フェムト秒レーザーは、様々な微細加工に利用されている。フェムト秒レーザー加工は、熱拡散を伴わない非熱的加工であるため、熱拡散を伴うレーザー加工と比べて、加工特性が優れているからである。
【０００３】
例えば、非特許文献１は、フェムト秒レーザーを銅の表面に照射して、銅の表面に微細周期構造を形成した例を開示する。例えば、フェムト秒レーザーによって摺動部品に微細周期構造を形成して摩擦を低減できる。また、非特許文献１は、フェムト秒レーザーを金に照射して、金に微細穴開け加工を実行した例を開示する。さらに、非特許文献２は、フェムト秒レーザーを透明材料に照射し、多光子吸収を誘引することによって多層構造を形成する例を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】藤田雅之、橋田昌樹、「フェムト秒レーザー加工」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｌａｓｍａ  ａｎｄ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、２００５年、Ｖｏｌ．８１、ｐ．１９５−２０１
【非特許文献２】三澤弘明、「多光子吸収による３次元フォトニック結晶の作製」、表面科学、２００１年、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．１１、ｐ．７２９−７３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、科学技術の発展に伴い、レーザーによる、さらなる加工特性の向上が求められる。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工特性の向上を図ることができるレーザー加工装置、レーザー加工方法、及び加工物の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点によれば、レーザー加工装置は、被加工物にレーザー光を照射して前記被加工物を加工する。レーザー加工装置は、レーザー手段と、加工手段とを備える。レーザー手段は、パルストレインを含む前記レーザー光を生成する。加工手段は、前記パルストレインを前記被加工物に照射する。前記パルストレインは、複数のパルスを含む。前記複数のパルスは、前記被加工物において励起される格子振動の周期のオーダーのパルス間隔を有する。
【０００８】
本発明のレーザー加工装置において、前記加工手段は、前記パルストレインの前記複数のパルスのうち最初のパルスによりコヒーレントフォノンを励起することが好ましい。前記パルス間隔は、前記コヒーレントフォノンの周期のオーダーであることが好ましい。
【０００９】
本発明のレーザー加工装置において、前記レーザー手段は、前記パルス間隔が前記コヒーレントフォノンの周期の整数倍になるように前記パルストレインを生成することが好ましい。
【００１０】
本発明のレーザー加工装置において、前記レーザー手段は、前記パルス間隔が前記コヒーレントフォノンの半周期の奇数倍になるように前記パルストレインを生成することが好ましい。
【００１１】
本発明のレーザー加工装置において、前記レーザー手段は、レーザー部と、波形整形部とを含むことが好ましい。レーザー部は、パルス幅がフェムト秒のオーダーであるシングルパルスを生成することが好ましい。波形整形部は、前記シングルパルスの波形を整形して、前記パルストレインを生成することが好ましい。前記波形整形部は、位相変調手段を含むことが好ましい。位相変調手段は、入力された位相パターンに従って、前記シングルパルスをフーリエ変換して得られた複数の周波数成分に対して位相変調を実行することが好ましい。前記位相パターンは、複数の周期的なパターンを含むことが好ましい。前記複数の周期的なパターンは互いに異なっていることが好ましい。
【００１２】
本発明のレーザー加工装置において、前記位相パターンは、前記各周波数成分に対して分散補償を行うパターンを含むことが好ましい。
【００１３】
本発明のレーザー加工装置は、波形測定手段をさらに備えることが好ましい。波形測定手段は、前記レーザー手段が生成した前記パルストレインの波形を測定することが好ましい。
【００１４】
本発明のレーザー加工装置は、格子振動検出手段をさらに備えることが好ましい。格子振動検出手段は、前記被加工物において励起された前記格子振動を検出することが好ましい。
【００１５】
本発明のレーザー加工装置において、前記加工手段は、前記複数のパルスによって起こる光絶縁破壊によるエネルギー伝達を実行することが好ましい。
【００１６】
本発明のレーザー加工装置において、前記加工手段は、前記複数のパルスのうちの第１パルスを前記被加工物に照射して、格子振動を励起し、前記格子振動が励起されている時に、前記複数のパルスのうち前記第１パルスに後続する第２パルスを前記被加工物に照射することが好ましい。前記第２パルスは、前記第２パルスが照射される前よりも高い振動数の帯域で前記被加工物の電子を振動させ、光絶縁破壊によって前記高い振動数の帯域で振動する電子に光エネルギーを伝達することが好ましい。前記光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーは、前記励起された格子振動の振動エネルギーに変換されることが好ましい。
【００１７】
本発明の第２の観点によれば、レーザー加工方法は、被加工物にレーザー光を照射して前記被加工物を加工する。レーザー加工方法は、パルストレインを含む前記レーザー光を生成する工程と、前記パルストレインを前記被加工物に照射する工程とを含む。前記パルストレインは、複数のパルスを含む。前記複数のパルスは、前記被加工物において励起される格子振動の周期のオーダーのパルス間隔を有する。
【００１８】
本発明のレーザー加工方法において、前記照射する工程は、前記複数のパルスのうちの第１パルスを前記被加工物に照射して、格子振動を励起する工程と、前記格子振動が励起されている時に、前記複数のパルスのうち前記第１パルスに後続する第２パルスを前記被加工物に照射する工程と、前記第２パルスによって、前記第２パルスが照射される前よりも高い振動数の帯域で前記被加工物の電子を振動させる工程と、前記第２パルスによって光絶縁破壊を起こし、前記高い振動数の帯域で振動する電子に前記第２パルスの光エネルギーを伝達する工程と、前記光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーを前記励起された格子振動の振動エネルギーに変換する工程とを含むことが好ましい。
【００１９】
本発明のレーザー加工方法において、前記励起する工程は、各々が前記被加工物の格子定数で規定される複数の異なる振動数から選択された振動数で調和振動を行うように前記格子振動を励起することが好ましい。
【００２０】
本発明の第３の観点によれば、レーザー加工方法は、被加工物に複数のパルスを含むレーザー光を照射して前記被加工物を加工する。レーザー加工方法は、前記複数のパルスのうちの第１パルスを前記被加工物に照射して、格子振動を励起する工程と、前記格子振動が励起されている時に、前記複数のパルスのうち前記第１パルスに後続する第２パルスを前記被加工物に照射する工程と、前記第２パルスによって、前記第２パルスが照射される前よりも高い振動数の帯域で前記被加工物の電子を振動させる工程と、前記第２パルスによって光絶縁破壊を起こし、前記高い振動数の帯域で振動する電子に前記第２パルスの光エネルギーを伝達する工程と、前記光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーを前記励起された格子振動の振動エネルギーに変換する工程とを含む。
【００２１】
本発明の第４の観点によれば、加工物の製造方法は、被加工物にレーザー光を照射して前記被加工物を加工し、前記被加工物から加工物を製造する方法である。加工物の製造方法は、パルストレインを含む前記レーザー光を生成する工程と、前記パルストレインを前記被加工物に照射する工程とを含む。前記パルストレインは、複数のパルスを含む。前記複数のパルスは、前記被加工物において励起される格子振動の周期のオーダーのパルス間隔を有する。
【００２２】
本発明の加工物の製造方法において、前記照射する工程は、前記複数のパルスのうちの第１パルスを前記被加工物に照射して、格子振動を励起する工程と、前記格子振動が励起されている時に、前記複数のパルスのうち前記第１パルスに後続する第２パルスを前記被加工物に照射する工程と、前記第２パルスによって前記第２パルスが照射される前よりも高い振動数の帯域で前記被加工物の電子を振動させる工程と、前記第２パルスによって光絶縁破壊を起こし、前記高い振動数の帯域で振動する電子に前記第２パルスの光エネルギーを伝達する工程と、前記光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーを前記励起された格子振動の振動エネルギーに変換する工程とを含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、被加工物において励起される格子振動の周期のオーダーの時間分解でレーザー光（パルストレイン）を被加工物に照射することによって、格子が高速で振動及び減衰する系の状態を制御できる。その結果、レーザー光から被加工物へのエネルギーの伝達効率を改善でき、加工特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態１に係るレーザー加工装置を示すブロック図である。
【図２】（ａ）インコヒーレントフォノンを説明する図である。（ｂ）コヒーレントフォノンを説明する図である。
【図３】（ａ）フェムトシングルパルス及びコヒーレントフォノンを説明する図である。（ｂ）フェムトパルストレイン及びコヒーレントフォノンを説明する図である。
【図４】コヒーレントフォノンが励起された状態の被加工物にフェムトパルストレインのパルスを照射する第１タイミングを説明する図である（コヒーレントフォノンの周期の整数倍）。
【図５】コヒーレントフォノンが励起された状態の被加工物にフェムトパルストレインのパルスを照射する第２タイミングを説明する図である（コヒーレントフォノンの半周期の奇数倍）。
【図６】図１の波形整形部を示す概略図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るレーザー加工装置を示すブロック図である。
【図８】図７のレーザー加工装置を示す模式図である。
【図９】図８の波形整形部内の光路を説明する概念図である。
【図１０】図７のコヒーレントフォノン検出装置を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係るレーザー加工方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態４に係るレーザー加工方法を示すフローチャートである。
【図１３】エネルギー移動の周波数応答を説明する図である。
【図１４】光絶縁破壊を説明する図である。
【図１５】コヒーレントフォノン励起加工におけるエネルギー変換プロセスを説明する図である。
【図１６】特定結合の選択的処理を説明する図である。
【図１７】比較例に係るフェムトシングルパルスの波形図である。
【図１８】（ａ）本発明の実施例１に係る位相パターンの波形図である。（ｂ）図１８（ａ）の位相パターンに基づき生成されたフェムトパルストレインの波形図である。
【図１９】（ａ）本発明の実施例１に係る他の位相パターンの波形図である。（ｂ）図１９（ａ）の位相パターンに基づき生成されたフェムトパルストレインの波形図である。
【図２０】本発明の実施例１に係る加工条件を説明する図である。
【図２１】（ａ）比較例に係るフェムトシングルパルスの波形図である。（ｂ）〜（ｄ）ＡＦＭで測定された比較例に係る加工結果を示す図である。
【図２２】（ａ）本発明の実施例１に係るフェムトパルストレインの波形図である。（ｂ）〜（ｄ）ＡＦＭで測定された実施例１に係る加工結果を示す図である。
【図２３】（ａ）本発明の実施例１に係る他のフェムトパルストレインの波形図である。（ｂ）〜（ｄ）ＡＦＭで測定された実施例１に係る加工結果を示す図である。
【図２４】比較例及び本発明の実施例１に係る加工レートを示す図である。
【図２５】比較例及び本発明の実施例１に係る加工面積を示す図である。
【図２６】（ａ）本発明の実施例２に係る位相パターンを示す波形図である。（ｂ）図２６（ａ）の位相パターンに基づき計算されたフェムトパルストレイン波形を示す図である（ｃ）図２６（ａ）の位相パターンをＳＬＭに入力して実際に生成されたフェムトパルストレインを示す波形図である。
【図２７】（ａ）本発明の実施例２に係る他の位相パターンを示す波形図である。（ｂ）図２７（ａ）の位相パターンに基づき計算されたフェムトパルストレイン波形を示す図である（ｃ）図２７（ａ）の位相パターンをＳＬＭに入力して実際に生成されたフェムトパルストレインを示す波形図である。
【図２８】（ａ）本発明の実施例２に係る他の位相パターンを示す波形図である。（ｂ）図２８（ａ）の位相パターンに基づき計算されたフェムトパルストレイン波形を示す図である（ｃ）図２８（ａ）の位相パターンをＳＬＭに入力して実際に生成されたフェムトパルストレインを示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
（実施形態１）
［基本原理］
【００２６】
図１を参照して、本発明の実施形態１に係るレーザー加工装置１について説明する。図１は、レーザー加工装置１を示すブロック図である。レーザー加工装置１は、被加工物ＴＡにレーザー光（例えば、フェムト秒レーザー光）を照射して被加工物ＴＡを加工する。レーザー加工装置１は、レーザー装置３と、加工装置５とを備える。レーザー装置３及び加工装置５は、それぞれ、レーザー手段及び加工手段として機能する。
【００２７】
レーザー装置３は、パルストレインビームＰＴを含むレーザー光を生成する。加工装置５は、パルストレインビームＰＴを被加工物ＴＡに照射する。パルストレインビームＰＴは、複数のパルスＰを含む。複数のパルスＰは、被加工物ＴＡにおいて励起される格子振動ＣＰ（例えば、コヒーレントフォノン）の周期のオーダーのパルス間隔を有する。なお、図１に示す格子振動ＣＰの波形は、被加工物ＴＡにパルストレインビームＰＴを照射した後の波形を示している。
【００２８】
本実施形態１によれば、被加工物ＴＡにおいて励起される格子振動ＣＰの周期のオーダーの時間分解でレーザー光（パルストレインビームＰＴ）を被加工物ＴＡに照射することによって、格子が高速で振動及び減衰する系の状態を制御できる。その結果、レーザー光から被加工物ＴＡへのエネルギーの伝達効率を改善でき、加工特性（例えば、加工レート、又は加工精度）の向上を図ることができる。
【００２９】
以下、本明細書では、レーザー光がフェムト秒パルスレーザー光であり、被加工物ＴＡにおいて励起される格子振動ＣＰがコヒーレントフォノンである例を説明する。従って、パルストレインビームＰＴは、フェムト秒パルストレインビーム（以下、「フェムトパルストレイン」又は「フェムトパルストレインビーム」と記載する。）ＰＴであり、複数のパルスＰのパルス間隔は、コヒーレントフォノンＣＰの周期のオーダーである。なお、レーザー光を単に「レーザー」と記載することもある。
【００３０】
［コヒーレントフォノンＣＰ］
図１及び図２を参照して、コヒーレントフォノンＣＰについて説明する。図２（ａ）はインコヒーレントフォノンを説明する図である。図２（ｂ）はコヒーレントフォノンＣＰを説明する図である。図中、横軸は時間（ｆｓ（フェムト秒））を示し、縦軸は振幅（ΔＲ／Ｒ）を示す。Ｒは、格子が平衡位置にあるときに光波が照射された時の反射率を示す。ΔＲは、格子が平衡位置からずれた場合に、光波が照射された時の反射率の微小変化を示す。また、物質中の複数の格子の代表として、格子ａ１〜格子ａ３の波形を図示している。
【００３１】
インコヒーレントフォノンとは、格子振動（又はフォノン）の位相が時間的・空間的にランダムで揃っていない現象、又はそのような格子振動（又はフォノン）のことである（図２（ａ）参照）。これに対して、コヒーレントフォノンＣＰとは、時間的・空間的にランダムな格子振動（又はフォノン）の位相が全て揃う現象、又はそのような格子振動（又はフォノン）のことである（図２（ｂ）参照）。例えば、格子振動の周期よりも十分に短い時間幅のパルスレーザー（代表的には、フェムト秒パルスレーザー）を物質に照射すると、その衝撃により位相が不揃いだった格子振動が一斉に励起され、時間的・空間的に全ての格子振動の位相が揃い、コヒーレントフォノンＣＰが発現する（コヒーレントフォノンＣＰの励起）。
【００３２】
コヒーレントフォノンＣＰの励起には、第１特徴及び第２特徴がある。第１特徴は、時間的な格子の振動状態（表面のエネルギー活性）が一様であることである。第２特徴は、電子から格子へのエネルギー伝達効率が高いことである。従って、被加工物ＴＡにコヒーレントフォノンＣＰが励起された状態での加工には、第３特徴及び第４特徴がある。第３特徴は、加工の初期状態が揃っているため、エネルギー伝達が一様に行われ、加工特性が向上することである。第４特徴は、格子の温度上昇が速くなり、加工レート（単位パルス当たりの加工量）が向上することである。単位パルスは、本実施形態１では１パルストレインを示し、一般的なフェムト秒レーザー加工では１パルスを示す。
【００３３】
そこで、図１に示すように、本実施形態１では、加工装置５は、フェムトパルストレインＰＴを被加工物ＴＡ（例えば、被加工物ＴＡの表面）に照射する。その結果、フェムトパルストレインＰＴに含まれる最初のパルスＰによって、被加工物ＴＡ（例えば、被加工物ＴＡの表面）にコヒーレントフォノンＣＰが励起される。そして、コヒーレントフォノンＣＰが励起された状態の被加工物（つまり、コヒーレントフォノンＣＰが減衰により消滅する前の状態の被加工物）ＴＡには、最初のパルスＰに後続するパルスＰが照射される。その結果、電子−格子の相互作用により被加工物ＴＡに新たな格子振動が発生し、加工特性が向上する。以下、コヒーレントフォノンＣＰが励起された状態でのレーザー加工を「コヒーレントフォノン励起加工」と記載する。
【００３４】
［コヒーレントフォノン励起加工］
図１及び図３を参照して、コヒーレントフォノン励起加工の原理を説明する。図３（ａ）は、フェムト秒シングルパルスビーム（以下、「フェムトシングルパルス」又は「フェムトシングルパルスビーム」と記載する。）ＳＰ及びコヒーレントフォノンＣＰを説明する図である。図３（ｂ）は、フェムトパルストレインＰＴ及びコヒーレントフォノンＣＰを説明する図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）の上段に示した波形図の縦軸は強度を示し、下段に示した波形図の縦軸は規格化された反射率変化の振幅（ΔＲ／Ｒ）を示す。また、横軸は時間を示す。
【００３５】
図１のレーザー装置３は、レーザー部７と波形整形部９とを備えることができる。レーザー部７は、パルス幅がフェムト秒のオーダーであるフェムトシングルパルスＳＰを生成する。フェムトシングルパルスＳＰの繰返し周波数及びパルス間隔は、それぞれ、例えば、８０ＭＨｚ及び１２．５ｎｓ（ナノ秒）である。
【００３６】
本実施形態１では、フェムトシングルパルスＳＰは被加工物ＴＡに照射されない。ただし、フェムトシングルパルスＳＰを被加工物ＴＡに照射した場合は、図３（ａ）の下段に示す波形のコヒーレントフォノンＣＰが被加工物ＴＡに励起される。例えば、コヒーレントフォノンＣＰの周波数及び持続時間（減衰時間）は、それぞれ、９ＴＨｚ及び２．７ｐｓ（ピコ秒）である。従って、コヒーレントフォノンＣＰの持続時間は、フェムトシングルパルスＳＰのパルス間隔よりも非常に短い。
【００３７】
その結果、フェムトシングルパルスＳＰを被加工物ＴＡに繰り返し照射しても、被加工物ＴＡにコヒーレントフォノンＣＰが励起された状態で被加工物ＴＡにフェムトシングルパルスＳＰを照射することはできない。例えば、時点ｔ０のフェムトシングルパルスＳＰによりコヒーレントフォノンＣＰが励起されても、次のフェムトシングルパルスＳＰを照射する時点ｔ１では、時点ｔ０で励起されたコヒーレントフォノンＣＰは消滅している。
【００３８】
そこで、本実施形態１では、波形整形部９は、レーザー部７が生成したフェムトシングルパルスＳＰに対して波形整形を実行することによって、フェムトパルストレインＰＴを生成する。フェムトパルストレインＰＴは、複数のパルスＰを含む。複数のパルスＰは、コヒーレントフォノンＣＰの周期のオーダーのパルス間隔を有する。パルスＰとパルスＰとの間隔は、フェムト秒のオーダー又はピコ秒のオーダーであり、例えば、１０ｆｓ〜数十ｐｓである。好ましくは、パルスＰとパルスＰとの間隔は、例えば、１００ｆｓ〜数ｐｓである。
【００３９】
加工装置５は、波形整形部９が生成したフェムトパルストレインＰＴを被加工物ＴＡに照射して、フェムトパルストレインＰＴに含まれる最初のパルスＰによって、被加工物ＴＡにコヒーレントフォノンＣＰを励起する。そして、最初のパルスＰに後続するパルスＰが、コヒーレントフォノンＣＰが励起された状態の被加工物ＴＡに照射される（図３（ｂ）参照）。図３（ｂ）の例では、フェムトパルストレインＰＴは、４つのパルスＰを含む。従って、最初のパルスＰによって、コヒーレントフォノンＣＰが励起され、後続する３つのパルスＰが、コヒーレントフォノンＣＰが励起された状態の被加工物ＴＡに照射される。
【００４０】
［フェムトパルストレインＰＴの照射タイミング］
図１、図４、及び図５を参照して、フェムトパルストレインＰＴのパルスＰの照射タイミングについて説明する。図４及び図５は、それぞれ、コヒーレントフォノンＣＰが励起された状態の被加工物ＴＡにパルスＰを照射する第１タイミング及び第２タイミングを説明する図である。図４及び図５において、横軸は時間を示す。コヒーレントフォノンＣＰに対応する縦軸は規格化された反射率変化の振幅（ΔＲ／Ｒ）を示し、フェムトパルストレインＰＴに対応する縦軸は強度を示す。
【００４１】
図４及び図５では、フェムトパルストレインＰＴが２つのパルスＰ（パルスＰ１及びパルスＰ２）を含む例を示す。
【００４２】
まず、図１及び図４を参照して、第１タイミングについて説明する。第１タイミングは、コヒーレントフォノンＣＰの振動を強めるタイミング（位相）でパルスＰを照射するタイミングである。具体的には、波形整形部９が、パルスＰの間隔ΔｔがコヒーレントフォノンＣＰの振動を強める間隔となるように、フェムトパルストレインＰＴを生成する。
【００４３】
例えば、波形整形部９は、パルスＰの間隔ΔｔがコヒーレントフォノンＣＰの周期（振動周期）Ｔｃの整数倍となるように、フェムトパルストレインＰＴを生成する。即ち、Δｔ＝ｎ×Ｔｃである。ｎは１以上の整数である。
【００４４】
図４の例では、最初のパルスＰ１によってコヒーレントフォノンＣＰが励起され、コヒーレントフォノンＣＰのエネルギーが高い状態で、後続するパルスＰ２が照射される。従って、効率良くパルスＰ２のエネルギーを被加工物ＴＡに伝達することができる。その結果、加工レートが向上する。例えば、単位パルス当たりの加工深さが大きくなる。
【００４５】
換言すると、コヒーレントフォノンＣＰの振動を強める間隔のパルスＰを照射すると、照射領域に励起されているコヒーレントフォノンＣＰの振動が増進され、格子温度が上昇する。その結果、コヒーレントフォノンＣＰの高い振動エネルギーが加工に利用され、加工レートが増加する。
【００４６】
次に、図１及び図５を参照して、第２タイミングについて説明する。第２タイミングは、コヒーレントフォノンＣＰの振動を弱めるタイミング（位相）でパルスＰを照射するタイミングである。具体的には、波形整形部９が、パルスＰの間隔ΔｔがコヒーレントフォノンＣＰの振動を弱める間隔となるように、フェムトパルストレインＰＴを生成する。
【００４７】
例えば、波形整形部９は、パルスＰの間隔ΔｔがコヒーレントフォノンＣＰの半周期（Ｔｃ／２）の奇数倍となるように、フェムトパルストレインＰＴを生成する。即ち、Δｔ＝ｍ×（Ｔｃ／２）＝（ｍ／２）×Ｔｃである。ｍは奇数である。
【００４８】
図５の例では、最初のパルスＰ１によってコヒーレントフォノンＣＰが励起され、コヒーレントフォノンＣＰのエネルギーが低い状態で、後続するパルスＰ２が照射される。従って、パルスＰ２のエネルギーがコヒーレントフォノンＣＰの振動を減衰させるために利用される。その結果、加工精度が向上する。例えば、加工面積が小さくなる。
【００４９】
換言すると、コヒーレントフォノンＣＰの振動を弱める間隔のパルスＰを照射すると、照射領域に励起されているコヒーレントフォノンＣＰの振動が抑制され、格子温度が下降する。その結果、コヒーレントフォノンＣＰの抑制された振動エネルギーが加工に利用され、加工レートが抑制されて、加工精度が向上する。
【００５０】
以上、コヒーレントフォノンＣＰが励起された面（以下、「コヒーレントフォノン励起面」と記載することもある。）に、第１タイミング又は第２タイミングでパルスＰを照射したが、第３タイミングでパルスＰを照射することもできる。第３タイミングは、任意のタイミングでパルスＰを照射するタイミングである。
【００５１】
３つの照射タイミング（第１タイミング、第２タイミング、及び第３タイミング）のいずれかの照射タイミングでパルスＰを照射可能とすることにより、コヒーレントフォノン励起面、つまり、加工面の格子温度を局所的かつ瞬間的に（例えば、フェムト秒又はピコ秒のオーダーで）増減させて、加工を実行できる。従って、コヒーレントフォノン励起面へのパルスＰの照射タイミングを制御することによって、加工目的に応じて、加工レートを意図的に増減することができる。つまり、加工レートを容易に制御できる。
【００５２】
また、フェムトパルストレインＦＴを繰り返し照射して加工を実行する工程において、第１タイミングによる加工だけを実行してもよいし、第２タイミングによる加工だけを実行してもよいし、第３タイミングによる加工だけを実行してもよいし、第１タイミングによる加工と第２タイミングによる加工とを異なる時間帯で実行してもよいし、第１タイミングによる加工と第３タイミングによる加工とを異なる時間帯で実行してもよいし、第２タイミングによる加工と第３タイミングによる加工とを異なる時間帯で実行してもよいし、第１タイミングによる加工と第２タイミングによる加工と第３タイミングによる加工とを異なる時間帯で実行してもよい。
【００５３】
例えば、加工終了時に、第２タイミングでパルスＰを照射し、パルスＰのエネルギーによってコヒーレントフォノンＣＰのエネルギーを相殺することによって、最終的に熱になって拡散されるエネルギーを減らし、加工精度を高めることが可能である。
【００５４】
［フェムトパルストレインＰＴの生成］
図１及び図６を参照して、波形整形部９によるフェムトパルストレインＰＴの生成について説明する。図６は、波形整形部９を示す概略図である。波形整形部９は、レーザー部７が生成したフェムトシングルパルスＳＰの波形を整形して、フェムトパルストレインＰＴを生成する。具体的には次の通りである。
【００５５】
波形整形部９は、回折格子（Ｇｒａｔｉｎｇ）１１ａ、回折格子１１ｂ、レンズ１３ａ、レンズ１３ｂ、透過型の空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）１５、及びコンピューター１７を備える。ＳＬＭ１５は位相変調手段として機能する。例えば、ＳＬＭ１５は、液晶空間光変調器（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ−Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＬＣ−ＳＬＭ）である。
【００５６】
回折格子１１ａと回折格子１１ｂとの機能及び構成は同一であり、また、レンズ１３ａとレンズ１３ｂとの機能及び構成は同一である。波形整形部９は４ｆ型波形整器であるため、回折格子１１ａとレンズ１３ａとの距離、レンズ１３ａとＳＬＭ１５との距離、ＳＬＭ１５とレンズ１３ｂとの距離、及びレンズ１３ｂと回折格子１１ｂとの距離は、それぞれ、レンズ１３ａ（レンズ１３ｂ）の焦点距離ｆに等しい。従って、フーリエ変換面が形成される。
【００５７】
フェムトシングルパルスＳＰは、回折格子１１ａに入射する。フェムトシングルパルスＳＰは、回折格子１１ａによって、空間的に複数の周波数成分ＦＣの光に分散され、レンズ１３ａに入射する。複数の周波数成分ＦＣに分散された光は、レンズ１３ａによって平行光にされ、ＳＬＭ１５に入射する。つまり、フェムトシングルパルスＳＰは、回折格子１１ａ及びレンズ１３ａによってフーリエ変換されて、複数の周波数成分ＦＣの光としてＳＬＭ１５に入射する。
【００５８】
ＳＬＭ１５は、フーリエ変換面に配置される。ＳＬＭ１５は、一次元的に配列された複数のピクセルＰＸを含む。ＳＬＭ１５は、コンピューター１７から入力される位相パターンＰＰに従って、ピクセルＰＸごとに位相変調を実行する。具体的には、フーリエ変換面では複数の周波数成分ＦＣが直線状に並んで配列されるため、ＳＬＭ１５は、個々の周波数成分ＦＣに対して、ピクセルＰＸごとに位相変調を実行する。本実施形態１では、光（フェムトシングルパルスＳＰ）の利用効率の向上を図るため、ＳＬＭ１５は、各周波数成分ＦＣの振幅を維持したまま位相変調を実行する。
【００５９】
位相変調された複数の周波数成分ＦＣの光は、レンズ１３ｂに入射する。複数の周波数成分ＦＣの光は、レンズ１３ｂによって集光され、回折格子１１ｂに入射する。複数の周波数成分ＦＣの光は、回折格子１１ｂによって周波数領域で空間的に分解された状態から再び、空間的に重ね合わせられることによって時間領域に変換されたのと同じ効果を示し、フェムトパルストレインＰＴとして出射される。つまり、複数の周波数成分ＦＣの光は、回折格子１１ｂ及びレンズ１３ｂによって逆フーリエ変換されて、フェムトパルストレインＰＴとして出射される。フェムトパルストレインＰＴは、複数のパルスＰを含む（図３参照）。複数のパルスＰは、コヒーレントフォノンＣＰの周期のオーダーのパルス間隔を有する。
【００６０】
［フェムトパルストレインＰＴの振幅制御］
図６を参照して、フェムトパルストレインＰＴの振幅制御について説明する。フェムトパルストレインＰＴの振幅は、例えば、ＳＬＭ１５に入力する位相パターンＰＰを調整することによって制御される。位相パターンＰＰとしては、正弦関数及びステップ関数等の様々な関数により表される位相パターンを採用できる。
【００６１】
本実施形態１では、コンピューター１７は、Ｍ系列（Ｍａｘｉｍｕｍ  ｌｅｎｇｔｈ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）に基づく位相パターンＰＰをＳＬＭ１５に入力する。以下、詳細を説明する。
【００６２】
ｎ次のＭ系列は、周期Ｑ＝２n−１の周期系列であり、０と１との組み合わせで構成される。１周期内に０が（２n-1−１）個あり、１が２n-1個ある。例えば、Ｍ系列は、４次のＭ系列である。４次のＭ系列は、［０  ０  ０  １  ０  ０  １  １  ０  １  ０  １  １  １  １］である。本実施形態１では、４次のＭ系列として、Ｍ系列［０  ０  ０  ｋ  ０  ０  ｋ  ｋ  ０  ｋ  ０  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ］（０＜ｋ＜２）を採用する（以下、本明細書において「適用Ｍ系列」と記載する）。
【００６３】
位相パターンＰＰは、適用Ｍ系列の要素（項）ｋにπ（ラジアン）を乗じ、適用Ｍ系列を繰り返すことによって作成される。位相パターンＰＰの各要素（０又はｋπ）が、ＳＬＭ１５の対応するピクセルＰＸに入力される。１つの要素と１つのピクセルＰＸが対応する。その結果、ＳＬＭ１５は、位相パターンＰＰの各要素に応じて、ピクセルＰＸごとに位相変調を実行する。なお、位相パターンＰＰの各要素は位相遅れを示す値である。従って、ＳＬＭ１５の各ピクセルＰＸは、入力された位相遅れを示す値に従って、入射した周波数成分ＦＣの位相を遅らせる。
【００６４】
適用Ｍ系列の要素ｋの値を調整することにより、フェムトパルストレインＰＴに含まれる最初のパルスＰ１（図４、図５参照）の振幅を制御できる。例えば、要素ｋの値が小さいほど、最初のパルスＰ１の振幅は小さくなる。
【００６５】
［フェムトパルストレインＰＴのパルス間隔制御］
図６を参照して、フェムトパルストレインＰＴのパルス間隔制御について説明する。フェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスＰの間隔は、例えば、ＳＬＭ１５に入力する位相パターンＰＰを調整することによって制御される。
【００６６】
一般的に、フェムト秒パルスレーザーの電界Ｅ（ｔ）は、複数の縦モード（以下、「モード」と記載する。）の重ね合わせで表現できる。複数のモードは、回折格子１１ａによって得られるフェムトシングルパルスＳＰの複数の周波数成分ＦＣに相当する。
【００６７】
電界Ｅ（ｔ）は、各モードの振幅Ａq、振動数ωq、位相φq、位相遅れδφSLMq、虚数単位ｉ、時間ｔ、及び各モードの識別子ｑ（＝１、２、…）を使用して、式（１）によって表される。
【００６８】
【数１】
2015057289.tif 000003
【００６９】
コンピューター１７は、位相パターンＰＰの各要素として、位相遅れδφSLMqを示す値をＳＬＭ１５に入力する。従って、ＳＬＭ１５は、位相パターンＰＰに従って、各モード（周波数成分ＦＣ）ｑに位相遅れδφSLMqを与え、位相変調を実行する。
【００７０】
Ｎ（Ｎは１以上の整数）のモードｑに適用Ｍ系列の同じ１つの要素を割り当てることによって、位相パターンＰＰが作成される。位相パターンＰＰの周期は、Ｎが１のときの周期のＮ倍になる。
【００７１】
例えば、１つのモードｑに適用Ｍ系列の１つの要素を割り当てる。この場合、１５のモードｑが、適用Ｍ系列［０  ０  ０  ｋ  ０  ０  ｋ  ｋ  ０  ｋ  ０  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ］に割り当てられる。位相パターンＰＰは、この適用Ｍ系列の要素ｋにπを乗じ、適用Ｍ系列を繰り返すことによって作成される。従って、１５のモードｑが、位相パターンＰＰの１周期に割り当てられる。
【００７２】
例えば、２つのモードｑに適用Ｍ系列の同じ１つの要素を割り当てる。この場合、３０のモードｑが、適用Ｍ系列［０  ０  ０  ０  ０  ０  ｋ  ｋ  ０  ０  ０  ０  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ  ０  ０  ｋ  ｋ  ０  ０  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ］に割り当てられる。位相パターンＰＰは、この適用Ｍ系列の要素ｋにπを乗じ、適用Ｍ系列を繰り返すことによって作成される。従って、３０のモードｑが、位相パターンＰＰの１周期に割り当てられる。その結果、位相パターンＰＰの周期は２倍になる。
【００７３】
また、位相パターンＰＰの周期が、Ｎが１のときの周期のＭ（Ｍは１より大きい小数）倍になるように、モードｑに適用Ｍ系列の要素を割り当てることもできる。つまり、適用Ｍ系列の全てと、適用Ｍ系列の一部とを連結する。適用Ｍ系列の一部とは、適用Ｍ系列の最初の要素からＬ（Ｌは２以上の整数）番目までの要素である。連結された適用Ｍ系列を連結Ｍ系列と記載する。Ｎのモードｑに連結Ｍ系列の同じ１つの要素を割り当てることによって、位相パターンＰＰを作成する。
【００７４】
例えば、Ｌ＝１０、Ｎ＝１とする。この場合、２５のモードｑが、連結Ｍ系列［０  ０  ０  ｋ  ０  ０  ｋ  ｋ  ０  ｋ  ０  ｋ  ｋ  ｋ  ｋ  ０  ０  ０  ｋ  ０  ０  ｋ  ｋ  ０  ｋ］に割り当てられる。位相パターンＰＰは、この連結Ｍ系列の要素ｋにπを乗じ、連結Ｍ系列を繰り返すことによって作成される。従って、２５のモードｑが、位相パターンＰＰの１周期に割り当てられる。その結果、位相パターンＰＰの周期は５／３倍になる。
【００７５】
位相パターンＰＰの１周期に割り当てるモードｑの数（以下、「モード数ＭＮ」と記載する。）を調整することにより、フェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスＰ（図４、図５参照）の間隔を制御できる。例えば、モード数ＭＮが大きいほど、パルスＰの間隔は小さくなる。
【００７６】
［ＳＬＭ１５による分散補償］
図６を参照して、ＳＬＭ１５による分散補償について説明する。波長分散は光学素子を通過するときの波長による屈折率の違いによって生じる。つまり、各波長成分に様々な位相遅れが生じる。そこで、ＳＬＭ１５によって、その位相遅れを補償するような位相変調を行う。波長分散を考えるとき、波長の短い方が屈折率は大きく位相の遅れが大きい。回折格子１１ａによって得られた複数の周波数成分ＦＣのうち、波長が長い（周波数の小さい）成分の位相を遅らせて、分散補償を行う位相パターンＰＰを作成し、ＳＬＭ１５に与える。
【００７７】
［エネルギー変換プロセス］
図１、図４、及び図５を参照して、コヒーレントフォノン励起加工におけるエネルギー変換プロセスについて説明する。加工装置５は、複数のパルスＰによって起こる光絶縁破壊によるエネルギー伝達を実行する。具体的には次の通りである。加工装置５は、複数のパルスＰのうちのパルスＰ１（第１パルス）を被加工物ＴＡに照射して、コヒーレントフォノンＣＰを励起し（格子振動を励起し）、コヒーレントフォノンＣＰが励起されている時に（格子振動が励起されている時に）、複数のパルスＰのうちパルスＰ１に後続するパルスＰ２（第２パルス）を被加工物ＴＡに照射する。なお、コヒーレントフォノンＣＰを励起する過程において、パルスＰ１は、光絶縁破壊によって電子に光エネルギーを伝達する。
【００７８】
パルスＰ２は、パルスＰ２が照射される前よりも高い振動数の帯域で被加工物ＴＡの電子を振動させ、光絶縁破壊によって高い振動数の帯域で振動する電子に光エネルギーを伝達する。光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーは、励起されたコヒーレントフォノンＣＰの振動エネルギーに変換される。コヒーレントフォノンＣＰの振動エネルギーによって被加工物ＴＡが加工される。なお、パルスＰ１の照射によっても、コヒーレントフォノンＣＰの振動エネルギーによって被加工物ＴＡは加工される。
【００７９】
以上、図１〜図６を参照して説明したように、本実施形態１によれば、コヒーレントフォノンＣＰの周期のオーダーの時間分解でレーザー光（フェムトパルストレインＰＴ）を被加工物ＴＡに照射することによって、コヒーレントフォノンＣＰの振動を制御できる。その結果、レーザー光から被加工物ＴＡへのエネルギーの伝達効率を改善でき、加工特性の向上を図ることができる。
【００８０】
これに対して、従来のレーザー加工の分野では、被加工物（例えば、被加工物の表面）の格子振動は平均化されて一様であるとの前提で（つまり、時間方向の格子振動は無視して）レーザー加工が行われていた（時間平均）。本実施形態１では、時間方向の格子振動を考慮して、時間分解でレーザー光を照射し、格子振動を制御することによって加工特性の向上を図っている。
【００８１】
また、図４を参照して説明したように、本実施形態１によれば、コヒーレントフォノンＣＰの振動を強める間隔のパルスＰを含むフェムトパルストレインＰＴを生成する。その結果、効率良くエネルギーを被加工物ＴＡに伝達することができ、加工レートを向上できる。
【００８２】
さらに、図５を参照して説明したように、本実施形態１によれば、コヒーレントフォノンＣＰの振動を弱める間隔のパルスＰを含むフェムトパルストレインＰＴを生成する。その結果、加工精度を向上できる。
【００８３】
さらに、図６を参照して説明したように、本実施形態１によれば、ＳＬＭ１５は、入力された位相パターンＰＰに従って、フェムトシングルパルスＳＰをフーリエ変換して得られた複数の周波数成分ＦＣに対して位相変調を実行する。従って、入力する位相パターンを調整することにより、生成されるフェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスＰの間隔及び振幅を簡易に制御できる。また、位相パターンＰＰに、各周波数成分ＦＣに対して分散補償を行うパターンを含めることによって、各周波数成分ＦＣの分散が抑制されて、精度良くフェムトパルストレインＰＴを生成できる。
【００８４】
（実施形態２）
［概要］
図７及び図８を参照して、本発明の実施形態２におけるレーザー加工装置１の概要について説明する。図７及び図８は、それぞれ、レーザー加工装置１を示すブロック図及び模式図である。
【００８５】
レーザー加工装置１は、レーザー装置３と、加工装置５と、波形測定装置２０と、コヒーレントフォノン検出装置４０とを備える。また、レーザー加工装置１は、ミラーＭ１、１／２波長板Ｗ１、ハーフミラーＨＭ１、ミラーＭ２、ミラーＭ３、ミラーＭ４、ミラーＭ５、ミラーＭ６、ハーフミラーＨＭ２、及びハーフミラーＨＭ３をさらに備える。なお、図８では、図面の簡素化のため、コヒーレントフォノン検出装置４０の図示を省略した。
【００８６】
レーザー装置３、加工装置５、波形測定装置２０、及びコヒーレントフォノン検出装置４０は、それぞれ、レーザー手段、加工手段、波形測定手段、及び格子振動検出手段として機能する。
【００８７】
レーザー装置３は、レーザー部７と波形整形部９とを含む。レーザー装置３は、図１に示したレーザー装置３と同様である。ただし、本実施形態２では、図６に示した透過型の波形整形部９に代えて、反射型の波形整形部９を採用する。レーザー部７は、レーザー発振器ＬＡを含む。レーザー発振器ＬＡは、パルス幅がフェムト秒のオーダーであるフェムトシングルパルスＳＰを生成する。
【００８８】
波形測定装置２０は、相互相関法に基づいて、フェムトパルストレインＰＴの波形を測定する。コヒーレントフォノン検出装置４０は、ポンプ−プローブ法に基づいて、被加工物ＴＡにおいて励起されたコヒーレントフォノンＣＰ（図４、図５参照）を検出する。
【００８９】
［波形整形部９］
図８を参照して、波形整形部９の詳細について説明する。波形整形部９は、図６を参照して説明した実施形態１の波形整形部９と同様にして、フェムトパルストレインＰＴを生成する。具体的には次の通りである。
【００９０】
波形整形部９は、回折格子１１ａと、レンズ１３ａと、反射型の空間光変調器（ＳＬＭ）１５とを備える。波形整形部９は、ＳＬＭ１５に位相パターンＰＰを与えるコンピューターを備えるが、図６に示したコンピューター１７と同じであるため、図示を省略した。ＳＬＭ１５は位相変調手段として機能する。例えば、ＳＬＭ１５は、液晶空間光変調器である。
【００９１】
回折格子１１ａとレンズ１３ａとの距離、及びレンズ１３ａとＳＬＭ１５との距離は、それぞれ、レンズ１３ａの焦点距離ｆに等しい。また、反射型のＳＬＭ１５を採用しているため、波形整形部９は実質的には４ｆ型波形整器である。ＳＬＭ１５はフーリエ変換面に配置される。
【００９２】
レーザー部７が生成したフェムトシングルパルスＳＰは、ミラーＭ１、１／２波長板Ｗ１、ハーフミラーＨＭ１、及びミラーＭ２を介して、波形整形部９の回折格子１１ａに入射する。
【００９３】
回折格子１１ａに入射されたフェムトシングルパルスＳＰは、回折格子１１ａ及びレンズ１３ａによってフーリエ変換され、複数の周波数成分ＦＣ（図６の複数の周波数成分ＦＣに相当するため同じ参照符号ＦＣを付した。）の光としてＳＬＭ１５に入射する。詳細は、図６を参照して説明した実施形態１の回折格子１１ａ及びレンズ１３ａによるフーリエ変換と同様であり、説明を省略する。
【００９４】
ＳＬＭ１５は、一次元的に配列された複数のピクセルＰＸ（図６のピクセルＰＸに相当するため同じ参照符号ＰＸを付した。）を備える。ＳＬＭ１５は、コンピューターから入力される位相パターンＰＰ（図６の位相パターンＰＰに相当するため同じ参照符号ＰＰを付した。）に従って、ピクセルＰＸごとに位相変調を実行する。
【００９５】
詳細は、図６を参照して説明した実施形態１のＳＬＭ１５と同じであり、説明を省略する。なお、本実施形態２でも、光（フェムトシングルパルスＳＰ）の利用効率の向上を図るため、ＳＬＭ１５は、各周波数成分ＦＣの振幅を維持したまま位相変調を実行する。
【００９６】
ＳＬＭ１５は、位相変調を実行した複数の周波数成分ＦＣの光をレンズ１３ａに向けて出射する。複数の周波数成分ＦＣの光は、レンズ１３ａによって集光され、回折格子１１ａに入射する。複数の周波数成分ＦＣの光は、回折格子１１ａによって周波数領域で空間的に分解された状態から再び、空間的に重ね合わせられることによって時間領域に変換されたのと同じ効果を示し、フェムトパルストレインＰＴとしてミラーＭ３に出射される。つまり、複数の周波数成分ＦＣの光は、回折格子１１ａ及びレンズ１３ａによって逆フーリエ変換されて、フェムトパルストレインＰＴとして出射される。
【００９７】
ＳＬＭ１５への入射光路ＯＰ１及びＳＬＭ１５からの出射光路ＯＰ２については、図９を参照して詳細に後述する。
【００９８】
［加工装置５］
図８を参照して、加工装置５の詳細について説明する。加工装置５は、フェムトパルストレインＰＴを被加工物ＴＡに照射して、被加工物ＴＡを加工する。具体的には次の通りである。加工装置５は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）５０と、レンズＬ１と、ミラーＭ７と、対物レンズ５２と、ステージ５４とを備える。波形整形部９が生成したフェムトパルストレインＰＴは、ミラーＭ３及びハーフミラーＨＭ３を介して、加工装置５のレンズＬ１に入射する。レンズＬ１に入射したフェムトパルストレインＰＴは、さらに、ミラーＭ７を介して、対物レンズ５６に入射する。フェムトパルストレインＰＴは、対物レンズ５６により、被加工物ＴＡに照射される。被加工物ＴＡはステージ５４上に配置される。
【００９９】
ユーザーは、ＣＣＤ５０で被加工物ＴＡを観察しながら、対物レンズ５２及び被加工物ＴＡの位置を調整して、フェムトパルストレインＰＴの照射位置及び焦点距離を調整する。
【０１００】
［波形測定装置２０］
図８を参照して、波形測定装置２０の詳細について説明する。波形測定装置２０は、相互相関法に基づいて、レーザー部７が生成したフェムトパルストレインＰＴの波形を測定する。具体的には次の通りである。波形測定装置２０は、遅延ステージ２２と、レンズＬ２と、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第２高調波発生）結晶２４と、パワーメーター２６とを備える。
【０１０１】
レーザー部７が生成したフェムトシングルパルスＳＰは、ハーフミラーＨＭ１によって、サンプリング光と、波形整形のためのフェムトシングルパルスＳＰとに分けられる。サンプリング光は、ミラーＭ４によって、遅延ステージ２２に入射される。遅延ステージ２２は、サンプリング光に任意の遅延時間を与えて、ミラーＭ５に出射する。サンプリング光は、ミラーＭ５及びミラーＭ６を介して、ハーフミラーＨＭ２に入射する。一方、波形整形部９で生成されたフェムトパルストレインＰＴは、ハーフミラーＨＭ３を介して、ハーフミラーＨＭ２に入射する。
【０１０２】
ハーフミラーＨＭ２は、サンプリング光とフェムトパルストレインＰＴとを非共軸でレンズＬ２に入射させる為に配置される。ハーフミラーＨＭ２を透過したサンプリング光及びフェムトパルストレインＰＴは、重ね合わせられ干渉光として、レンズＬ２に入射し、さらに、ＳＨＧ結晶２４に入射する。その結果、ＳＨＧ結晶２４は、干渉光に応じた第２高調波を発生する。この第２高調波をパワーメーター２６で検出することにより、フェムトパルストレインＰＴの波形を観測できる。
【０１０３】
次に、図９を参照して、ＳＬＭ１５への入射光路ＯＰ１及びＳＬＭ１５からの出射光路ＯＰ２について説明する。図９は、波形整形部９内の光路を説明する概念図である。図９では、側面視によってレンズ１３ａ等の光学部品が示される。ただし、図９では、説明の便宜のため、光学部品の物理的配置を示していない。
【０１０４】
ミラーＭ８及びミラーＭ９を利用して、ＳＬＭ１５への入射光路ＯＰ１とＳＬＭ１５からの出射光路ＯＰ２とが異なるように光学系を構成する。その結果、ビームスプリッターを利用してＳＬＭ１５への入射光路とＳＬＭ１５からの出射光路とを共通にする場合と比較して、光（フェムトシングルパルスＳＰ）の利用効率の向上を図ることができる。具体的には次の通りである。
【０１０５】
フェムトシングルパルスＳＰは、ミラーＭ８によって、回折格子１１ａに入射される。回折格子１１ａによって複数の周波数成分ＦＣに分散された光は、レンズ１３ａの一方端部ＬＩに入射され、ＳＬＭ１５に向けて出射される。ＳＬＭ１５で位相変調が実行された複数の周波数成分ＦＣの光は、レンズ１３ａの他方端部ＬＯに入射され、更に回折格子１１ａに入射される。複数の周波数成分ＦＣの光は、レンズ１３ａ及び回折格子１１ａによって逆フーリエ変換され、フェムトパルストレインＰＴとして、ミラーＭ９に出射される。フェムトパルストレインＰＴは、複数のパルスＰを含む（図３参照）。複数のパルスＰは、コヒーレントフォノンＣＰの周期のオーダーのパルス間隔を有する。
【０１０６】
［コヒーレントフォノン検出装置４０］
図１０を参照して、コヒーレントフォノン検出装置４０の詳細について説明する。図１０は、コヒーレントフォノン検出装置４０を示す模式図である。コヒーレントフォノン検出装置４０は、差動型検出法を採用する反射型ポンプ−プローブ法によって、被加工物ＴＡにおいて励起されたコヒーレントフォノンＣＰ（図４、図５参照）を検出する。具体的には次の通りである。
【０１０７】
コヒーレントフォノン検出装置４０は、ミラーＭ１０と、ミラーＭ１１と、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルターＮＤ１と、ＮＤフィルターＮＤ２と、ミラーＭ１２と、ハーフミラーＨＭ４と、オプティカルチョッパーＯＰと、ＮＤフィルターＮＤ３と、ミラーＭ１９と、ハーフミラーＨＭ５と、ＮＤフィルターＮＤ４と、フォトダイオードＣＨ２とを備える。なお、ＮＤフィルターＮＤ１〜ＮＤフィルターＮＤ４の各々は、減光フィルターであり、設定された減光率に従って、入射光の光量を減少させて出射する。なお、ＮＤフィルターＮＤ４の減光率は可変である。
【０１０８】
コヒーレントフォノン検出装置４０は、１／２波長板Ｗ２と、ミラーＭ１３〜ミラーＭ１７と、レンズＬ３と、１／２波長板Ｗ３と、フォトダイオードＣＨ１とをさらに備える。コヒーレントフォノン検出装置４０は、差動増幅器４２と、ロックインアンプ４６と、オシロスコープ４８とをさらに備える。
【０１０９】
フェムトパルストレインＰＴは、ミラーＭ１０、ミラーＭ１１、ＮＤフィルターＮＤ１、ＮＤフィルターＮＤ２、及びミラーＭ１２を介して、ハーフミラーＨＭ４に入射され、プローブ光ＰＢとポンプ光ＰＭとに分けられる。
【０１１０】
ポンプ光ＰＭは、１／２波長板Ｗ２、ミラーＭ１３〜ミラーＭ１５、及びレンズＬ３を介して、被加工物ＴＡに照射される。
【０１１１】
一方、プローブ光ＰＢは、オプティカルチョッパーＯＰから、参照信号としてロックインアンプ４６に入力される。また、プローブ光ＰＢは、ＮＤフィルターＮＤ３を介して、ミラーＭ１９に入射される。ミラーＭ１９によって遅延されたプローブ光ＰＢは、ハーフミラーＨＭ５及びＮＤフィルターＮＤ４を介して、参照光Ｉ0として、フォトダイオードＣＨ２に入力される。
【０１１２】
一方、ミラーＭ１９によって遅延されたプローブ光ＰＢは、ハーフミラーＨＭ５、１／２波長板Ｗ３、ミラーＭ１７、及びレンズＬ３を介して、被加工物ＴＡに照射される。被加工物ＴＡからのプローブ光ＰＢの反射光は、ミラーＭ１６を介して、フォトダイオードＣＨ１に入力される。
【０１１３】
ここで、定常状態のプローブ光ＰＢの反射光を反射光Ｉｐと記載する。反射光Ｉｐは、ポンプ光ＰＭが被加工物ＴＡに入射する前におけるプローブ光ＰＢの反射光である。本実施形態２では、参照光Ｉ0の強度と反射光Ｉｐの強度とが等しくなるように、ＮＤフィルターＮＤ４を調整する。一方、非定常状態のプローブ光ＰＢの反射光を反射光Ｉ（ｔ）と記載する。反射光Ｉ（ｔ）は、ポンプ光ＰＭが被加工物ＴＡに入射した後におけるプローブ光ＰＢの反射光である。
【０１１４】
また、参照光Ｉ0の強度及び参照光Ｉ0に対応するフォトダイオードＣＨ２の出力信号にも、参照光Ｉ0と同じ参照符号Ｉ0を付する。反射光Ｉｐの強度及び反射光Ｉｐに対応するフォトダイオードＣＨ１の出力信号にも、反射光Ｉｐと同じ参照符号Ｉｐを付する。反射光Ｉ（ｔ）の強度及び反射光Ｉ（ｔ）に対応するフォトダイオードＣＨ１の出力信号にも、反射光Ｉ（ｔ）と同じ参照符号Ｉ（ｔ）を付する。
【０１１５】
差動増幅器４２は、フォトダイオードＣＨ１の出力信号（ΔＩ＋Ｉ0）（＝Ｉ（ｔ））とフォトダイオードＣＨ２の出力信号Ｉ0との差分を増幅して、差分信号ΔＩをロックインアンプ４６に出力する。ロックインアンプ４６は、オプティカルチョッパーＯＰからの参照信号に基づいて、差分信号ΔＩを増幅し、オシロスコープ４８に出力する。オシロスコープ４８は、差分信号ΔＩの強度を参照光の信号の強度Ｉ0で除して、除算結果をコヒーレントフォノンＣＰの波形として表示する。
【０１１６】
コヒーレントフォノン検出装置４０による検出原理は、式（２）によって示される。
【０１１７】
【数２】
2015057289.tif 000004
【０１１８】
コヒーレントフォノンＣＰの振動（ΔＲ（ｔ）／Ｒ）は、プローブ光ＰＢの非定常状態の反射光の強度Ｉ（ｔ）とプローブ光ＰＢの定常状態の反射光の強度Ｉ0との差を参照光の強度Ｉ0で除することにより算出される。ロックインアンプ４６に入力される差分信号ΔＩが、（Ｉ（ｔ）−Ｉ0）に相当する。
【０１１９】
以上、図７及び図８を参照して説明したように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様に、コヒーレントフォノンＣＰの周期のオーダーの時間分解でレーザー光（フェムトパルストレインＰＴ）を被加工物ＴＡに照射することによって、コヒーレントフォノンＣＰの振動を制御できる。その結果、レーザー光から被加工物ＴＡへのエネルギーの伝達効率を改善でき、加工特性の向上を図ることができる。その他、本実施形態２では、実施形態１と同様の効果を奏する。
【０１２０】
また、図８を参照して説明したように、本実施形態２によれば、波形測定装置２０はフェムトパルストレインＰＴの波形を測定する。従って、フェムトパルストレインＰＴの波形を確認して、最適な波形のフェムトパルストレインＰＴを被加工物ＴＡに照射できる。
【０１２１】
さらに、図１０を参照して説明したように、本実施形態２によれば、コヒーレントフォノン検出装置４０は、被加工物ＴＡにおいて励起されたコヒーレントフォノンＣＰを検出する。従って、コヒーレントフォノンＣＰの状態を確認しながら被加工物ＴＡを加工できるので、被加工物ＴＡに応じて、より効果的なフェムトパルストレインＰＴを生成できる。
【０１２２】
（実施形態３）
図１、図７、及び図１１を参照して、本発明の実施形態３に係るレーザー加工方法について説明する。図１１は、レーザー加工方法を示すフローチャートである。レーザー加工方法は、図１に示した実施形態１に係るレーザー加工装置１又は図７に示した実施形態２に係るレーザー加工装置１によって実行される。
【０１２３】
レーザー加工方法は、被加工物ＴＡにレーザー光を照射して被加工物ＴＡを加工する。工程Ｓ１において、パルストレイン（例えば、実施形態１又は実施形態２のフェムトパルストレインＰＴ）を含むレーザー光を生成する。パルストレインは、複数のパルスＰを含む。複数のパルスＰは、被加工物ＴＡにおいて励起される格子振動（例えば、コヒーレントフォノンＣＰ）の周期のオーダーのパルス間隔を有する。
【０１２４】
工程Ｓ３において、パルストレインを被加工物ＴＡに照射する。工程Ｓ５において、加工が完了したか否かが判定される。加工が完了していないと判定された場合、処理は工程Ｓ１に進む。一方、加工が完了したと判定された場合、処理は終了する。つまり、加工が完了するまで、工程Ｓ１及び工程Ｓ３が繰り返される。
【０１２５】
以上、本実施形態３によれば、実施形態１及び実施形態２と同様に、被加工物ＴＡにおいて励起される格子振動の周期のオーダーの時間分解でレーザー光（パルストレイン）を被加工物ＴＡに照射することによって、格子が高速で振動及び減衰する系の状態を制御できる。その結果、レーザー光から被加工物ＴＡへのエネルギーの伝達効率を改善でき、加工特性の向上を図ることができる。その他、本実施形態３では、実施形態１及び実施形態２と同様の効果を奏する。
【０１２６】
なお、本発明の一実施形態に係る加工物の製造方法は、本実施形態３に係るレーザー加工方法を実行することによって、被加工物ＴＡにレーザー光（例えば、フェムトパルストレインＰＴ）を照射して被加工物ＴＡを加工し、被加工物ＴＡから加工物を製造する。
【０１２７】
（実施形態４）
［レーザー加工方法］
図１、図４、図５、図７、及び図１２を参照して、本発明の実施形態４に係るレーザー加工方法について説明する。レーザー加工方法は、実施形態１に係るレーザー加工装置１又は実施形態２に係るレーザー加工装置１によって実行される。レーザー加工方法は、被加工物ＴＡに複数のパルスＰを含むレーザー光（例えば、パルストレイン）を照射して被加工物ＴＡを加工する。パルストレインは、例えば、実施形態１〜実施形態３のいずれかのフェムトパルストレインＰＴである。
【０１２８】
図１２は、レーザー加工方法を示すフローチャートである。図４、図５、及び図１２に示すように、工程Ｓ４０において、複数のパルスＰのうちのパルスＰ１（第１パルス）を被加工物ＴＡに照射して、格子振動（例えば、実施形態１〜実施形態３のいずれかのコヒーレントフォノンＣＰ）を励起する。
【０１２９】
工程Ｓ５０において、格子振動が励起されている時に、複数のパルスＰのうちパルスＰ１に後続するパルスＰ２（第２パルス）を被加工物ＴＡに照射して、フォトンの振動エネルギーを電子の振動エネルギーに移動し、さらに、電子と格子とのエネルギー交換過程を経て、電子の振動エネルギーを格子の振動エネルギーに移動する。
【０１３０】
工程Ｓ６０において、加工が完了したか否かが判定される。加工が完了していないと判定された場合、プロセスは、工程Ｓ４０の先頭、つまり、工程Ｓ１１に進む。一方、加工が完了したと判定された場合、プロセスは終了する。つまり、加工が完了するまで、工程Ｓ４０及び工程Ｓ５０が繰り返される。
【０１３１】
具体的には、工程Ｓ４０は、工程Ｓ１１〜工程Ｓ１７を含む。工程Ｓ１１において、複数のパルスＰのうちのパルスＰ１を被加工物ＴＡに照射する。工程Ｓ１３において、パルスＰ１によって、パルスＰ１が照射される前よりも高い振動数の帯域で被加工物ＴＡの電子を振動させる。工程Ｓ１５において、パルスＰ１によって光絶縁破壊を起こし、高い振動数の帯域で振動する電子にパルスＰ１の光エネルギーを伝達する。工程Ｓ１７において、パルスＰ１の光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーを被加工物ＴＡの格子振動の振動エネルギーに変換し、格子振動（例えば、コヒーレントフォノンＣＰ）を励起する。格子振動の振動エネルギーによって加工が行われる。プロセスは工程Ｓ５０に進む。
【０１３２】
工程Ｓ５０は、工程Ｓ１９〜工程Ｓ２５を含む。工程Ｓ１９において、格子振動が励起されている時に、つまり、励起された格子振動が消滅する前に、複数のパルスＰのうちパルスＰ１に後続するパルスＰ２を被加工物ＴＡに照射する。工程Ｓ２１において、パルスＰ２によって、パルスＰ２が照射される前よりも高い振動数の帯域で被加工物ＴＡの電子を振動させる。工程Ｓ２３において、パルスＰ２によって光絶縁破壊を起こし、高い振動数の帯域で振動する電子にパルスＰ２の光エネルギーを伝達する。工程Ｓ２５において、パルスＰ２の光エネルギーが伝達された電子の振動エネルギーを、励起された格子振動の振動エネルギーに変換する。格子振動の振動エネルギーによって加工が行われる。プロセスは工程Ｓ６０に進む。
【０１３３】
なお、実施形態３に係るレーザー加工方法の工程Ｓ３は、図１２に示す工程Ｓ４０及び工程Ｓ５０を含むことができる。
【０１３４】
以上、格子振動の励起中に（例えば、コヒーレントフォノンＣＰの励起中に）パルスＰ２を照射することによって、電子へ光エネルギーが伝達され、電子が加熱される。そして、電子の振動エネルギーが格子振動の振動エネルギーに変換され、電子が冷却される。冷却された電子には光エネルギーが伝達され易い。従って、格子振動の励起中に、電子の加熱、電子から格子へのエネルギー移動、及び電子の冷却を繰り返すことによって、光波から格子への高速なエネルギー変換プロセスを実現できる。
【０１３５】
［コヒーレントフォノン励起面の特徴］
工程Ｓ１７では、被加工物ＴＡにコヒーレントフォノンＣＰが励起される。コヒーレントフォノンＣＰが励起される面（コヒーレントフォノン励起面）の第１特徴〜第３特徴を説明する。
【０１３６】
第１特徴は、コヒーレントフォノン励起面では、エネルギー準位が時間的にも空間的にも一様であることである。つまり、コヒーレントフォノン励起面は、被加工物ＴＡのうちレーザー集光点の一定範囲（光の照射点及び照射点近傍）に形成され、エネルギー準位が空間的に一様である。そして、コヒーレントフォノン励起面では、同一の位相を有する複数の格子（振動子）が互いに同期して振動するため、ある振動に同期した格子振動が存在し、エネルギー準位が時間的に一様である。第１特徴は、主に、加工精度の向上に寄与する。
【０１３７】
第２特徴は、コヒーレントフォノン励起面が、局所的な領域に制限され、拡張しないことである。つまり、コヒーレントフォノン励起面は、レーザー集光点の一定範囲に限定される。具体的には、同一の位相を有する複数の格子の互いに同期した振動（コヒーレント振動）は、被加工物ＴＡの表面に沿った方向（表面方向）に伝播せず、レーザー集光点の一定範囲に限定される。加えて、コヒーレント振動は、被加工物ＴＡの表面に交差する方向（深さ方向）にも伝搬しない。従って、コヒーレント振動を行うコヒーレントフォノン励起面は拡張しない。第２特徴は、主に、加工精度の向上に寄与する。
【０１３８】
コヒーレント振動が表面方向にも深さ方向にも伝搬しない理由は次の通りである。すなわち、コヒーレント振動は、調和振動であるため、周囲に拡散する性質を有しない。また、励起光は、被加工物ＴＡに入射すると瞬時に減衰するため、深さ方向に新たなコヒーレント振動を励起しない。
【０１３９】
第３特徴は、コヒーレントフォノン励起面が、光波のエネルギーを吸収し易いことである。第３特徴は、主に、加工レート及びエネルギー伝達効率の向上に寄与する。コヒーレントフォノン励起面では、格子の固有振動数（コヒーレントフォノンＣＰの周波数）の近傍で格子が振動しているため、光波を照射してコヒーレントフォノン励起面に格子の固有振動数に相当する周波数帯域の振動を印加すると、振動振幅が非常に大きく伝達される。つまり、コヒーレントフォノン励起面では、振幅伝達関数が大きい。従って、格子の固有振動数の近傍の振動数を有する電子（キャリア）（以下、「近傍電子」と記載する。）の振動は、格子の振動（運動エネルギー）に変換され易い。
【０１４０】
その結果、近傍電子の振動から格子の振動へのエネルギー移動によって、近傍電子、つまり、コヒーレント振動に反応するモードの電子は、格子の固有振動数の周囲の振動数を有する電子（以下、「周囲電子」と記載する。）に比べて早く冷却される。近傍電子の温度が、周囲電子の温度よりも低い場合、光波から近傍電子へのエネルギー勾配が大きくなるため、近傍電子には、周囲電子よりも光波のエネルギーが伝達され易い。そして、近傍電子に伝達されたエネルギーがコヒーレント振動を行っている格子に伝達される。
【０１４１】
光波から格子へのエネルギー移動は、光波から電子へのエネルギー移動、さらに、電子から格子へのエネルギー移動という２段階のプロセスを経るため、コヒーレントフォノン励起面への光波の照射による電子の高速な冷却と大きなエネルギー勾配が、光波から格子へのエネルギー移動を促進する。
【０１４２】
［エネルギー変換プロセス］
図１３〜図１５を参照して、コヒーレントフォノン励起加工におけるフォトンＰＯからフォノンＰＮへのエネルギー変換プロセスについて説明する。なお、エネルギー変換プロセスの説明において、フォノンＰＮを格子と読み替えることもできる。図１３は、エネルギー移動の周波数応答を説明する図である。図１４は、光絶縁破壊を説明する図である。
【０１４３】
図１３に示すように、電子ｅは、振動エネルギーを保持したまま、広い帯域ＷＢにわたって様々な振動数（周波数）をとり得る。電子ｅは、確率密度関数によって記述されるからである。通常、電子ｅは、帯域ＷＢのうち安定な状態の低い振動数の帯域で振動している。一方、フォトンＰＯの振動数（光の周波数）は、安定な状態の電子ｅの振動数よりも遥かに大きい。従って、図１４に示すように、通常、光絶縁が起こっている。光絶縁は、フォトンＰＯの振動が電子ｅに伝達されず、フォトンＰＯから電子ｅに振動エネルギーが伝達されない現象である。
【０１４４】
しかしながら、物質に強力な電界を有する光を照射すると、安定な状態の低い振動数の帯域で振動していた電子ｅが、高い振動数の帯域で振動するようになる。つまり、電子ｅは、光の周波数に近い周波数又は光の周波数に相当する振動数で振動する。その結果、光絶縁破壊が起こり、フォトンＰＯの振動が電子ｅに伝達され、フォトンＰＯから電子ｅに振動エネルギーが伝達される。そして、フォトンＰＯの振動エネルギーが伝達された電子ｅの振動はフォノンＰＮに伝達され、電子ｅの振動エネルギーはフォノンＰＮの振動エネルギーに変換される。
【０１４５】
例えば、光絶縁破壊は、１０12ワット／ｃｍ2以上のエネルギーを有するレーザーを物質に照射したときに起こる。又は、例えば、光絶縁破壊は、パルス幅がフェムト秒のオーダーのレーザー（フェムト秒パルスレーザー）を物質に照射したときに起こる。なお、例えば、コヒーレントフォノンＣＰは、１０12ワット／ｃｍ2以上のエネルギーを有するレーザーを被加工物ＴＡに照射したときに励起される。又は、例えば、コヒーレントフォノンＣＰは、フェムト秒パルスレーザーを被加工物ＴＡに照射したときに励起される。フェムトパルストレインＰＴのパルスＰ１及びパルスＰ２（図４及び図５参照）は、光絶縁破壊を起こしてコヒーレントフォノンＣＰを励起できるエネルギー又はパルス幅を有する。
【０１４６】
図１５は、コヒーレントフォノン励起加工におけるエネルギー変換プロセスを説明する図である。１つのフェムトパルストレインＰＴはＪ（Ｊは２以上の整数）個のパルスＰを含む。ｊ（ｊ＝１〜Ｊ）番目のパルスＰをパルスＰｊと記載する場合がある。例えば、１番目のパルスＰをパルスＰ１と記載する。以下、Ｊ＝３である。
【０１４７】
時間Ｔ０より前では、つまり、パルスＰ１の照射前では、被加工物ＴＡの格子振動はインコヒーレントフォノンである。時間Ｔ０において、被加工物ＴＡにパルスＰ１を照射する。パルスＰ１を照射すると、強力な電界によって、被加工物ＴＡの電子ｅ及びフォノンＰＮは、非平衡状態になる。
【０１４８】
非平衡状態では、被加工物ＴＡの電子ｅは高い振動数の帯域で振動し、光絶縁破壊によってフォトンＰＯの振動エネルギーが電子ｅに伝達される。パルスＰ１の照射が終わると強力な電界がなくなるため、電子ｅは、フォトンＰＯから伝達された比較的大きな振動エネルギーを保持したまま、瞬時に安定した状態の振動数の帯域に戻っていき、位相の揃った状態で振動する。そして、電子ｅの振動エネルギーは、電子ｅとフォノンＰＮとのエネルギー交換過程を経て、フォノンＰＮの振動エネルギーに変換される。その結果、時間Ｔ１において、被加工物ＴＡにコヒーレントフォノンＣＰが励起される。例えば、数ピコ秒の間、コヒーレントフォノンＣＰが持続する。フォノンＰＮの振動エネルギーは被加工物ＴＡの加工に利用される。
【０１４９】
例えば、ゲルマニウム（結晶方位及びタイプは、それぞれ、［１  １  ０］及び「Ｎ−ｔｙｐｅ  ｄｏｐｅｄ」）にパルスＰ１を照射する。パルスＰ１（フォトンＰＯ）のエネルギー、周波数、及び波長は、それぞれ、１０15ワット／ｃｍ2、３７４ＴＨｚ、及び８００ｎｍである。非平衡状態の電子ｅは３７４ＴＨｚの振動数で振動する。そして、パルスＰ１の照射が終わると、位相の揃った電子ｅは、９ＴＨｚの振動数で振動し、９ＴＨｚの周波数（振動数）のコヒーレントフォノンＣＰを励起する。
【０１５０】
コヒーレントフォノンＣＰの励起中の時間Ｔ２において、パルスＰ２を被加工物ＴＡのコヒーレントフォノン励起面に照射する。パルスＰ２を照射すると、強力な電界によって、被加工物ＴＡの電子ｅは高い振動数の帯域で振動する。そして、光絶縁破壊によってフォトンＰＯの振動エネルギーが電子ｅに伝達される。
【０１５１】
パルスＰ２の照射が終わると強力な電界がなくなるため、電子ｅは、フォトンＰＯから伝達された比較的大きな振動エネルギーを保持したまま、瞬時に安定した状態の振動数の帯域に戻っていき、位相の揃った状態で振動する。つまり、電子ｅは、フォノンＰＮの固有振動数（コヒーレントフォノンＣＰの周波数）の近傍の振動数で振動する。
【０１５２】
コヒーレントフォノン励起面では、フォノンＰＮの固有振動数の近傍でフォノンＰＮが振動しているため、パルスＰ２を照射してコヒーレントフォノン励起面にフォノンＰＮの固有振動数に相当する周波数帯域の振動を印加すると、振動振幅が非常に大きく伝達される。つまり、コヒーレントフォノン励起面では、振幅伝達関数が大きい。従って、フォノンＰＮの固有振動数の近傍の振動数を有する電子ｅ（近傍電子ｅ）の振動は、フォノンＰＮの振動（運動エネルギー）に変換され易い。
【０１５３】
その結果、近傍電子ｅの振動からフォノンＰＮの振動へのエネルギー移動によって、近傍電子ｅ、つまり、コヒーレント振動に反応するモードの電子ｅは、フォノンＰＮの固有振動数の周囲の振動数を有する電子（周囲電子）に比べて早く冷却される。つまり、近傍電子ｅからフォノンＰＮへのエネルギー伝達は高速である。フォノンＰＮの振動エネルギーは被加工物ＴＡの加工に利用される。
【０１５４】
コヒーレントフォノンＣＰの励起中の時間Ｔ３において、さらにパルスＰ３を被加工物ＴＡのコヒーレントフォノン励起面に照射する。パルスＰ３を照射すると、強力な電界によって、近傍電子ｅは高い振動数の帯域で振動する。この時点で、近傍電子ｅはフォノンＰＮの固有振動数の近傍の振動数を有しないが、説明の便宜上、同じ名称を使用する。
【０１５５】
そして、光絶縁破壊によってフォトンＰＯの振動エネルギーが近傍電子ｅに伝達される。近傍電子ｅの温度は、周囲電子の温度よりも低いため、パルスＰ３から近傍電子ｅへのエネルギー勾配が大きく、近傍電子ｅには、周囲電子よりもフォトンＰＯのエネルギーが多く伝達される。つまり、エネルギー伝達効率が高い。
【０１５６】
パルスＰ３の照射が終わると強力な電界がなくなるため、近傍電子ｅは、フォトンＰＯから伝達された比較的大きな振動エネルギーを保持したまま、瞬時に安定した状態の振動数の帯域に戻っていき、位相の揃った状態で振動する。つまり、近傍電子ｅは、フォノンＰＮの固有振動数の近傍の振動数で振動する。
【０１５７】
さらに、コヒーレントフォノン励起面では振幅伝達関数が大きいため、近傍電子ｅの振動からフォノンＰＮの振動へのエネルギー移動が起こり易い。つまり、近傍電子ｅからフォノンＰＮへ高速にエネルギー伝達が行われる。フォノンＰＮの振動エネルギーは被加工物ＴＡの加工に利用される。
【０１５８】
以上、コヒーレントフォノンＣＰの励起中にパルスＰを照射することによって、電子ｅへフォトンＰＯのエネルギーが伝達され、電子ｅが加熱される。そして、電子ｅの振動エネルギーがフォノンＰＮの振動エネルギーに変換され、電子ｅが冷却される。冷却された電子ｅにはフォトンＰＯのエネルギーが伝達され易い。従って、コヒーレントフォノンＣＰの励起中に、繰り返しパルスＰを照射して、電子ｅの加熱、電子ｅからフォノンＰＮへのエネルギー移動、及び電子ｅの冷却を繰り返すことによって、フォトンＰＯからフォノンＰＮへの高速なエネルギー変換プロセスを実現できる。
【０１５９】
時間Ｔ４において、コヒーレントフォノンＣＰが消滅して、被加工物ＴＡの格子振動はインコヒーレントフォノンになる。コヒーレントフォノンＣＰが消滅した後に、熱拡散が始まる。例えば、１０ナノ秒を超えて熱拡散が続く。従って、１つのフェムトパルストレインＰＴによる加工は、熱拡散の発生前に終了する。
【０１６０】
次に、最初のパルスＰより後のパルスＰからフォノンＰＮへのエネルギーの伝達効率について説明する。一般的には、フェムトシングルパルスを被加工物に照射した場合、フェムトシングルパルスの光エネルギーのうち約３％がコヒーレントフォノンの励起に利用される。従って、フェムトシングルパルスの光エネルギーの大部分は、反射及び熱拡散等の現象によって失われる。
【０１６１】
しかしながら、本実施形態４では、最初のパルスＰより後のパルスＰのフォトンＰＯからフォノンＰＮへのエネルギー伝達効率は、高く、３％を大きく超えると考えられる。その結果、同じエネルギーを有するフェムトパルストレインＰＴとフェムトシングルパルスとを比較すると、フェムトパルストレインＰＴによる加工では、フェムトシングルパルスによる加工よりも、エネルギー伝達効率は高くなり、加工レートが向上する。また、本実施形態４では、高いエネルギー伝達効率を実現できるため、低い電力のレーザー装置３を用いつつ、十分な加工レート及び加工量のレーザー加工が可能である。
【０１６２】
コヒーレントフォノンＣＰの励起中に照射するパルスＰからのエネルギー伝達効率が高いため、１つのフェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスＰの数を増やすことにより、つまり、最初のパルスＰに後続するパルスＰの数を増やすことにより、フェムトパルストレインＰＴ当たりのエネルギー伝達効率をより向上でき、より加工レートを向上できる。
【０１６３】
なお、実施形態１〜実施形態４において、１つのフェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスＰの数は２つに限定されず、３以上でもよい。例えば、１つのフェムトパルストレインＰＴは、２個〜１０個のパルスＰを含む。
【０１６４】
例えば、１つのフェムトパルストレインＰＴがＪ個のパルスＰを含む場合、図１２に示すフローチャートにおいて、工程Ｓ４０と工程Ｓ６０との間に、（Ｊ−１）段の工程Ｓ５０を直列に挿入する。つまり、工程Ｓ４０及び工程Ｓ６０を（Ｊ−１）回繰り返す。
【０１６５】
［被加工物ＴＡの特定結合の選択的処理］
図１２及び図１６を参照して、被加工物ＴＡの特定結合の選択的処理について説明する。図１６は、特定結合の選択的処理を説明する図である。被加工物ＴＡの各結合は、異なる振動数（例えば、振動数ω１〜振動数ω４）の調和振動を行うことが可能である。工程Ｓ４０では、各々が被加工物ＴＡの格子定数で規定される複数の異なる振動数から選択された振動数で調和振動を行うように格子振動（例えば、コヒーレントフォノンＣＰ）を励起する。従って、被加工物ＴＡの特定の結合を選択して処理できる。なお、調和振動の振動数を調和振動数と記載する場合もある。なお、振動数と周波数とは同義である。
【０１６６】
具体例を挙げながら説明する。被加工物ＴＡは、原子の結合Ｂ１、結合Ｂ２、結合Ｂ３、及び結合Ｂ４を有する。結合Ｂ１、結合Ｂ２、結合Ｂ３、及び結合Ｂ４は、それぞれ、振動数ω１、振動数ω２、振動数ω３、及び振動数ω４で調和振動を行うことが可能である。
【０１６７】
振動数ω３で調和振動するコヒーレントフォノンＣＰを励起すると、結合Ｂ３が振動数ω３で強く調和振動し、加熱される。その結果、結合Ｂ３は高い格子温度を有する。調和振動は、他の調和振動とエネルギーを交換しない。従って、結合Ｂ３の調和振動のエネルギーは、他の結合Ｂ１、結合Ｂ２、及び結合Ｂ４の調和振動に伝播されることはない。従って、結合Ｂ１、結合Ｂ２、及び結合Ｂ４は、振動されず、加熱されない。その結果、結合Ｂ１、結合Ｂ２、及び結合Ｂ４は、低い格子温度を維持する。
【０１６８】
従って、振動数ω３で調和振動するコヒーレントフォノンＣＰを励起して、特定の結合Ｂ３だけを強く振動させることができる。その結果、結合Ｂ３を選択して加工を行うことができる。つまり、結合Ｂ３に対応する結晶面を選択して加工できる。
【０１６９】
結晶面ごとに結合が異なるため、結晶面ごとに調和振動数が異なる。従って、励起するコヒーレントフォノンＣＰの調和振動数を選択することによって、選択した調和振動数に対応する結晶面だけを加工することができる。例えば、［１  ０  ０］面だけを加工したり、［０  １  １］面だけを加工できる。
【０１７０】
次に、所望の調和振動数のコヒーレントフォノンＣＰを励起する方法を説明する。フェムトパルストレインＰＴの振動数ωを制御することによって、所望の調和振動数のコヒーレントフォノンＣＰを励起できる。フェムトパルストレインＰＴの振動数ωは、１つのフェムトパルストレインＰＴに含まれる最初のパルスＰと次のパルスＰとの時間間隔Δｔの逆数によって表される（ω＝１／Δｔ）。フェムトパルストレインＰＴの振動数ωに一致する調和振動数のコヒーレントフォノンＣＰが励起される。また、パルスＰの光の波長を制御することによって、所望の調和振動数のコヒーレントフォノンＣＰを励起できる。
【０１７１】
例えば、フェムトパルストレインＰＴの振動数ωを振動数ω３に設定した場合、結合Ｂ３が振動数ω３で強く調和振動し、振動数ω３のコヒーレントフォノンＣＰが励起される。一方、結合Ｂ１、結合Ｂ２、及び結合Ｂ４は、振動されず、励起されない。
【０１７２】
以上、図１２〜図１６を参照して説明したように、本実施形態４では、光波による電子系の加熱、電子系と格子系とのエネルギー交換、及び電子系の冷却によって、光波から電子系、電子系から格子系へと効率良くエネルギー交換が実行され、高速なエネルギー変換プロセスを実現できる。その結果、高いエネルギー伝達効率及び高い加工レートでの加工を実現できる。
【０１７３】
また、本実施形態４では、加工周波数がコヒーレントフォノンＣＰの周波数（例えば、ゲルマニウムでは９．１ＴＨｚ、シリコンでは１５．６ＴＨｚ）の帯域に向上するため、高周波数加工、つまり、高速加工を実現でき、単位時間当たりの加工量を改善できる。コヒーレントフォノンＣＰの周波数はテラヘルツのオーダーであるため、例えば、波長８００ｎｍ及び振動周波数３７４ＴＨｚの光に対して、効率的かつ高速なエネルギー移動を実現できる。その結果、単位時間当たりの加工量を改善でき、また、テラヘルツのオーダーでの超高速加工を実現できる。
【０１７４】
さらに、本実施形態４では、コヒーレントフォノンＣＰが調和振動を行うという性質を利用しているため、次の効果を奏する。加工領域は、過剰なエネルギーを有するフェムトパルストレインＰＴを照射しない限り、局所的な領域、つまり、コヒーレントフォノンＣＰが励起された領域に限定される。従って、加工領域、つまり、コヒーレントフォノンＣＰが励起されている領域は、被加工物ＴＡの表面方向に拡張せず、被加工物ＴＡの深さ方向にも拡張しない。
【０１７５】
過剰なエネルギーについて説明する。コヒーレントフォノン励起面は、エネルギーの吸収率が局所的に高い面を形成している。従って、コヒーレントフォノン励起面が形成されると、コヒーレントフォノン励起面が加工の閾値を超えるエネルギーを瞬時に吸収し、加工が行われる。ただし、加工に利用されるエネルギーを超えて過剰なエネルギーを有するフェムトパルストレインＰＴが被加工物ＴＡに照射されると、余剰のエネルギーは、コヒーレントフォノンＣＰの励起されていない領域に熱として拡散する。従って、過剰なエネルギーにならないように、フェムトパルストレインＰＴを生成することが好ましい。
【０１７６】
加工領域が局所的な領域に限定されるため、加工精度が向上されると伴に、加工分解能が改善される。例えば、微小領域の加工が可能になる。また、コヒーレントフォノンＣＰを被加工物ＴＡの表面近傍に励起して、フェムトパルストレインＰＴを照射することによって、加工領域を表面近傍に限定した極めて浅い表面加工、又は高精度の表面研磨を実現できる。さらに、加工周波数がコヒーレントフォノンＣＰの調和振動の周波数（テラヘルツのオーダー）の帯域まで向上するため、局所的な領域の高速加工を実現できる。
【０１７７】
さらに、本実施形態４では、コヒーレントフォノンＣＰの持続時間が短いため（例えば、ピコ秒のオーダー）、フェムトパルストレインＰＴによる加工は熱拡散が開始される前に終了する。その結果、熱拡散の影響が除去されて、加工精度を向上できる。例えば、熱拡散は、パルスＰ１が照射されてから、１０-10秒以後に開始される。
【０１７８】
さらに、本実施形態４によれば、次の理由により、加工精度を向上できる。すなわち、位相の揃ったコヒーレントフォノンＣＰを励起して加工するため、統一された境界条件及び初期条件の下で加工が可能である。さらに、コヒーレントフォノンＣＰの振動は、コヒーレントフォノンＣＰの励起されている領域の周囲から分離されているため、加工量を最小限に維持でき、余剰加工を抑制できる。さらに、高効率であるため、レーザーのエネルギーを削減して、加工制御を安定化できる。
【０１７９】
さらに、本実施形態４によれば、フォトンＰＯの振動、電子ｅの振動、及びフォノンＰＮの振動を介して、フォトンＰＯからフォノンＰＮへ振動エネルギーが伝達される。従って、エネルギー移動が高速であり、加工速度を向上できる。
【０１８０】
さらに、本実施形態４では、局所的な領域でフォノンＰＮが高い振動数で振動すること（つまり、コヒーレントフォノンＣＰの励起）を局所的なフォノンＰＮの加熱と捉えることができる。そして、局所的なフォノンＰＮの加熱面（つまり、コヒーレントフォノン励起面）にパルスＰを照射して加工を行うことで、加工レートの高い加工を実現できる。
【０１８１】
次に、本発明が実施例に基づき具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例によって限定されない。
【実施例】
【０１８２】
（実施例１）
［概要］
図８、図１７〜図２５を参照して、本発明の実施例１について説明する。本実施例１では、図８に示した実施形態２に係るレーザー加工装置１を使用して、２種類のフェムトパルストレインＰＴ（フェムトパルストレインＰＴ１及びフェムトパルストレインＰＴ２）を生成した。そして、フェムトパルストレインＰＴ１及びフェムトパルストレインＰＴ２の各々を被加工物ＴＡであるゲルマニウムに照射し、ゲルマニウムに穴開け加工を実行した。また、比較例として、図８に示した実施形態２に係るレーザー部７を使用して、フェムトシングルパルスＣＳを生成した。そして、フェムトシングルパルスＣＳを被加工物ＴＡであるゲルマニウムに照射し、ゲルマニウムに穴開け加工を実行した。
【０１８３】
［フェムトシングルパルスＣＳ］
図１７を参照して、比較例に係るフェムトシングルパルスＣＳについて説明する。図１７は、フェムトシングルパルスＣＳの波形図である。図中、横軸は時間（ｐｓ）を示し、縦軸は強度（ａｒｂｉｔｒａｒｙ  ｕｎｉｔ）を示す。この点は、後述する図１８（ｂ）、図１９（ｂ）、図２１（ａ）、図２２（ａ）、図２３（ａ）、図２６（ｂ）、図２６（ｃ）、図２７（ｂ）、図２７（ｃ）、図２８（ｂ）、及び図２８（ｃ）でも同じである。フェムトシングルパルスＣＳのパルス幅は、半値幅で７２０ｆｓであった。
【０１８４】
［フェムトパルストレインＰＴ１］
図１８を参照して、実施例１に係るフェムトパルストレインＰＴ１について説明する。図１８（ａ）は、実施例１に係る位相パターンＰＰ１の波形図である。図１８（ａ）において、横軸は周波数（１０14×Ｈｚ）を示し、縦軸は位相（ラジアン）を示す。この点は、後述する図１９（ａ）、図２６（ａ）、図２７（ａ）、及び図２８（ａ）でも同じである。図１８（ｂ）は、位相パターンＰＰ１に基づき生成されたフェムトパルストレインＰＴ１の波形図である。
【０１８５】
位相パターンＰＰ１が、ＳＬＭ１５に入力され、フェムトパルストレインＰＴ１が生成された。位相パターンＰＰ１は、適用Ｍ系列の要素ｋを１、モード数ＭＮを１５とし、さらにランプ（Ｒａｍｐ）関数を応用して、分散補償を実行するように作成された。
【０１８６】
その結果、位相パターンＰＰ１に基づいて生成されたフェムトパルストレインＰＴ１は、２つのパルスＰ（パルスＰ１及びパルスＰ２）を含んだ。パルスＰ１とパルスＰ２との間隔は、６００ｆｓであった。パルスＰ１及びパルスＰ２の各々の幅は、半値幅で５８０ｆｓであった。また、パルスＰ１及びパルスＰ２の各々のピーク値は、フェムトシングルパルスＣＳの１．２倍であった。
【０１８７】
パルスＰ１とパルスＰ２との間隔（６００ｆｓ）は、ゲルマニウムのコヒーレントフォノンの周期（１１０ｆｓ）の５．５倍（つまり、半周期の奇数倍）である。つまり、フェムトパルストレインＰＴ１は、ゲルマニウムのコヒーレントフォノンの振動を弱める間隔のパルスＰ１及びパルスＰ２を含む。
【０１８８】
［フェムトパルストレインＰＴ２］
図１９を参照して、実施例１に係るフェムトパルストレインＰＴ２について説明する。図１９（ａ）は、実施例１に係る位相パターンＰＰ２の波形図である。図１９（ｂ）は、位相パターンＰＰ２に基づき生成されたフェムトパルストレインＰＴ２の波形図である。
【０１８９】
位相パターンＰＰ２が、ＳＬＭ１５に入力され、フェムトパルストレインＰＴ２が生成された。位相パターンＰＰ２は、連結Ｍ系列の要素ｋを１、モード数ＭＮを２５とし、さらにランプ関数を応用して、分散補償を実行するように作成された。
【０１９０】
その結果、位相パターンＰＰ２に基づいて生成されたフェムトパルストレインＰＴ２は、２つのパルスＰ（パルスＰ１及びパルスＰ２）を含んだ。パルスＰ１とパルスＰ２との間隔は、３３４ｆｓであった。パルスＰ１及びパルスＰ２の幅は、それぞれ、半値幅で５８０ｆｓ及び４９２ｆｓであった。また、パルスＰ１及びパルスＰ２のピーク値は、それぞれ、フェムトシングルパルスＣＳの１．５倍及び１．８倍であった。
【０１９１】
パルスＰ１とパルスＰ２との間隔（３３４ｆｓ）は、ゲルマニウムのコヒーレントフォノンの周期（１１０ｆｓ）の３倍（つまり、周期の整数倍）である。つまり、フェムトパルストレインＰＴ２は、ゲルマニウムのコヒーレントフォノンの振動を強める間隔のパルスＰ１及びパルスＰ２を含む。
【０１９２】
［加工条件］
図２０を参照して、実施例１に係る加工条件について説明する。図２０は、加工条件を説明する図である。被加工物ＴＡであるゲルマニウムの結晶方位、タイプ、表面粗さ、平坦度、及び厚さは、それぞれ、［１  ０  ０］、Ｎ−ｔｙｐｅ  Ｕｎｄｏｐｅｄ、＜１０Å、＜２μ／ｃｍ、及び０．５ｍｍである。
【０１９３】
被加工物ＴＡの１００μｍ×１００μｍの範囲にビーム（フェムトシングルパルスＣＳ、フェムトパルストレインＰＴ１、フェムトパルストレインＰＴ２）を照射した。ビーム照射による加工の再現性の確認及びＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）での測定を容易にするため、同じ加工条件で、１００μｍ×１００μｍの範囲の複数点を加工した。加工結果はＡＦＭで測定した。１点当たり、６．４×１０6ショットで、ビームを照射した。フェムトシングルパルスＣＳについては、１パルスが１ショットである。フェムトパルストレインＰＴ１及びフェムトパルストレインＰＴ２については、２つのパルスＰ１及びパルスＰ２を含む１パルストレインが１ショットである。ビームのスポット径（面積）は、０．９８μｍ（０．７５μｍ2）である。
【０１９４】
加工エネルギーとしては、フェムトシングルパルスＣＳについては、２．５０ｎＪ／ｐｕｌｓｅ、１．８８ｎＪ／ｐｕｌｓｅ、１．２５ｎＪ／ｐｕｌｓｅの３パターンを採用した。フェムトパルストレインＰＴ１及びフェムトパルストレインＰＴ２については、加工エネルギーとして、２．５０ｎＪ／ｐｕｌｓｅ、２．１８ｎＪ／ｐｕｌｓｅ、１．８８ｎＪ／ｐｕｌｓｅ、１．５６ｎＪ／ｐｕｌｓｅ、１．２５ｎＪ／ｐｕｌｓｅの５パターンを採用した。フェムトシングルパルスＣＳについては、１パルスが単位パルスである。フェムトパルストレインＰＴ１及びフェムトパルストレインＰＴ２については、２つのパルスＰ１及びＰ２を含む１パルストレインが単位パルスである。この点は、後述するフェムトパルストレインＰＴ１及びフェムトパルストレインＰＴ２による加工レートについても同じである。
【０１９５】
［加工結果］
図２１〜図２３を参照して、比較例及び実施例１に係る加工結果を説明する。図２１（ａ）は、比較例に係るフェムトシングルパルスＣＳの波形図である。図２１（ｂ）〜図２１（ｄ）は、比較例に係る加工結果を示す図である。図２２（ａ）は、実施例１に係るフェムトパルストレインＰＴ１の波形図である。図２２（ｂ）〜図２２（ｄ）は、フェムトパルストレインＰＴ１による加工結果を示す図である。図２３（ａ）は、実施例１に係るフェムトパルストレインＰＴ２の波形図である。図２３（ｂ）〜図２３（ｄ）は、フェムトパルストレインＰＴ２による加工結果を示す図である。
【０１９６】
図２１（ｂ）〜図２１（ｄ）、図２２（ｂ）〜図２２（ｄ）、及び図２３（ｂ）〜図２３（ｄ）は、ＡＦＭで測定された加工結果の平面像を示している。図２１（ｂ）、図２２（ｂ）、及び図２３（ｂ）は、加工エネルギーが２．５０ｎＪ／ｐｕｌｓｅのときの加工結果を示す。図２１（ｃ）、図２２（ｃ）、及び図２３（ｃ）は、加工エネルギーが１．８８ｎＪ／ｐｕｌｓｅのときの加工結果を示す。図２１（ｄ）、図２２（ｄ）、及び図２３（ｄ）は、加工エネルギーが１．２５ｎＪ／ｐｕｌｓｅのときの加工結果を示す。
【０１９７】
ビーム（フェムトシングルパルスＣＳ、フェムトパルストレインＰＴ１、フェムトパルストレインＰＴ２）の加工エネルギー及び波形によって、形成された穴の面積（加工面積）及び穴の深さ（加工深さ）が変化していることが確認できた。同じ加工エネルギーのフェムトパルストレインＰＴ１とフェムトパルストレインＰＴ２とフェムトシングルパルスＣＳとを比較する。
【０１９８】
次に、図２４を参照して、加工レートについて説明する。図２４は、比較例及び実施例１に係る加工レートを示す図である。図２４において、横軸は加工エネルギー（ｎＪ／ｐｕｌｓｅ）を示し、縦軸は、加工レート（ｐｍ／ｐｕｌｓｅ）を示す。加工レートは、単位パルス（ｐｕｌｓｅ）当たりの穴の深さ（ｐｍ（ピコメートル））である。
【０１９９】
同じ加工エネルギーでも、フェムトパルストレインＰＴ１及びフェムトパルストレインＰＴ２による加工レートは、フェムトシングルパルスＣＳによる加工レートより高くなった。図１３〜図１５を参照して説明したように、パルスＰ２のエネルギー伝達効率が高いためである。例えば、１．８８ｎＪ／ｐｕｌｓｅの加工エネルギーでは、フェムトパルストレインＰＴ２による加工レートは、フェムトシングルパルスＣＳによる加工レートの約５倍である。従って、フェムトパルストレインＰＴ２による加工では、フェムトシングルパルスＣＳによる加工と比較して、１／５のエネルギーで同じ量の加工が可能である。従って、一般的なフェムト秒レーザー加工と比較して、レーザー装置３の使用電力を大幅に削減可能であり、工業上有用である。
【０２００】
また、１．８８ｎＪ／ｐｕｌｓｅ以上で、フェムトパルストレインＰＴ２による加工レートが、フェムトパルストレインＰＴ１による加工レートより高くなった。フェムトパルストレインＰＴ２によってコヒーレントフォノンの振動が強められたことにより、エネルギーの伝達効率が向上したため、穴の深さが大きくなったと考えられる。穴の深さは加工レートを示す指標の一例である。
【０２０１】
次に、図２５を参照して、加工精度について説明する。図２５は、比較例及び実施例１に係る加工精度を示す図である。図２５において、横軸は加工エネルギー（ｎＪ／ｐｕｌｓｅ）を示し、縦軸は、加工面積（μｍ2）を示す。加工面積は形成された穴の面積である。同じ加工エネルギーでも、フェムトパルストレインＰＴ１による加工面積が、フェムトパルストレインＰＴ２による加工面積よりも小さい傾向が確認できた。フェムトパルストレインＰＴ１によってコヒーレントフォノンの振動が弱められたことにより、格子温度が下降し、コヒーレントフォノンＣＰの抑制された振動エネルギーが加工に利用されたため、穴の面積が小さくなったと考えられる。穴の面積が小さいほど、加工精度が高い。従って、フェムトパルストレインＰＴ１による加工精度は、フェムトパルストレインＰＴ２による加工精度より高い。加工面積は加工精度を示す指標の一例である。
【０２０２】
［光学系の仕様］
図８を参照して、本実施例１で使用した光学系の仕様を説明する。レーザー発振器ＬＡのレーザー媒質、中心波長、及び繰り返し周波数は、それぞれ、Ｔｉ（チタン）：ｓａｐｐｈｉｒｅ（サファイヤ）、８００ｎｍ、及び８０ＭＨｚである。
【０２０３】
波形整形部９の回折格子の溝、ブレーズ波長、及びブレーズ角は、それぞれ、１２００（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）、７５０ｎｍ、及び２６°４４分である。回折効率（８００ｎｍ）は、Ｓ偏光で約７９％、Ｐ偏光で約４５％、平均で約６３％である。レンズ１３ａは、近赤外域用アクロマティック複レンズである。直径及び焦点距離は、それぞれ、２５．４ｍｍ及び２００ｍｍである。ＳＬＭ１５の画面サイズ、回折効率、画素数、変調度、ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ、及びピクセル間隔は、それぞれ、１９．６６ｍｍ×１９．６６ｍｍ、８０％〜９５％、１×１２，２８８（１２，２８８ａｃｔｉｖｅ  ｐｉｘｅｌｓ）、２π、１００％、及び１．６μｍである。
【０２０４】
加工装置５のミラーＭ７は、フェムト低分散ミラーである。適応波長及び反射率は、それぞれ、７５０ｎｍ〜８５０ｎｍ及び９９．５％である。対物レンズ５２の倍率、開口数（ＮＡ）、及び作動距離は、それぞれ、１００、０．９５、及び０．３０ｍｍである。
【０２０５】
以上、図１８及び図１９を参照して説明したように、本実施例１によれば、自在にパルスＰの間隔を変化させることによって、ゲルマニウムのコヒーレントフォノンの振動周期に合わせて、コヒーレントフォノンの振動を弱める間隔のパルスＰを含むフェムトパルストレインＰＴ１と、コヒーレントフォノンの振動を強める間隔のパルスＰを含むフェムトパルストレインＰＴ２とを生成できた。
【０２０６】
また、図２４及び図２５を参照して説明したように、本実施例１によれば、振動を弱めるフェムトパルストレインＰＴ１をゲルマニウムに照射した結果、加工面積が小さくなる傾向を確認できた（加工精度の向上）。一方、振動を強めるフェムトパルストレインＰＴ２をゲルマニウムに照射した結果、加工深さが大きくなる傾向を確認できた（加工レートの向上）。これらの結果から、フェムトパルストレインに含まれるパルスの間隔を変化させることによって、加工特性（加工精度及び加工レート）を変化させることができる。
【０２０７】
（実施例２）
［概要］
本発明の実施例２では、式（１）に基づいて、フェムトパルストレイン波形を生成するシミュレーションを行った。式（１）の右辺の各項は、フェムト秒パルスレーザーの縦モードｑの電界を示している。本実施例２では、各縦モードｑの位相相関関係を調整し、各縦モードに独立して初期位相を与えることで時間波形を整形する。そこで、式（１）の各縦モードｑの位相遅れδφSLMqに任意の値を代入して、フェムトパルストレイン波形を算出した。
【０２０８】
具体的には、各縦モードｑの位相遅れδφSLMqを示す値として、位相パターンを入力した。三種類の位相パターンを用意した。各位相パターンは、図６を参照して説明した実施形態１の適用Ｍ系列（連結Ｍ系列）の要素（項）ｋにπ（ラジアン）を乗じ、適用Ｍ系列（連結Ｍ系列）を繰り返すことによって作成された。
【０２０９】
［シミュレーション結果］
図２６〜図２８を参照して、本実施例２に係るシミュレーション結果について説明する。図２６（ａ）は、位相パターンＰＰ３を示す波形図である。図２６（ｂ）は、位相パターンＰＰ３に基づき計算されたフェムトパルストレイン波形ＳＴ３を示す図である。
【０２１０】
図２７（ａ）は、位相パターンＰＰ４を示す波形図である。図２７（ｂ）は、位相パターンＰＰ４に基づき計算されたフェムトパルストレイン波形ＳＴ４を示す図である。図２８（ａ）は、位相パターンＰＰ５を示す波形図である。図２８（ｂ）は、位相パターンＰＰ５に基づき計算されたフェムトパルストレイン波形ＳＴ５を示す図である。
【０２１１】
位相パターンＰＰ３は、適用Ｍ系列において、要素ｋ＝０．７８７、モード数ＭＮ＝１５と設定することによって作成された。位相パターンＰＰ４は、適用Ｍ系列において、要素ｋ＝０．５４３、モード数ＭＮ＝１５と設定することによって作成された。位相パターンＰＰ５は、適用Ｍ系列において、要素ｋ＝１、モード数ＭＮ＝３０と設定することによって作成された。
【０２１２】
図２６（ｂ）では、フェムトパルストレイン波形ＳＴ３の中央のパルスに対して半分の振幅のパルスが８５０ｆｓ間隔で前後に連なっている。ここで、中央のパルスの振幅に対する前後のパルスの振幅の割合を振幅比Ｒと定義する。図２６（ｂ）では、振幅比Ｒは０．５である。図２７（ｂ）では、フェムトパルストレイン波形ＳＴ４の中央のパルスに対して半分よりもさらに小さい振幅のパルスが８５０ｆｓ間隔で前後に連なっている。振幅比Ｒは０．１である。
【０２１３】
図２６（ｂ）の波形ＳＴ３と図２７（ｂ）の波形ＳＴ４とを比較すると、パルスの間隔は同じであるが、図２７（ｂ）の中央のパルスの前後のパルスの振幅は、図２６（ｂ）の中央のパルスの前後のパルスの振幅より小さい。つまり、要素ｋの値が変わってもパルスの間隔は変化しないが、要素ｋの値が小さいほど、振幅比Ｒが小さくなることが分かった。
【０２１４】
図２８（ｂ）では、フェムトパルストレイン波形ＳＴ５の中央のパルスは非常に小さいが、前後のパルスがガウス分布の包絡線を描くように４００ｆｓ間隔で連なっている。振幅比Ｒは１０である。
【０２１５】
図２８（ｂ）の波形ＳＴ５と図２６（ｂ）の波形ＳＴ３及び図２７（ｂ）の波形ＳＴ４とを比較すると、モード数ＭＮを２倍にすると、フェムトパルストレイン波形に含まれるパルスの間隔が１／２になることが分かった。
【０２１６】
次に、図８、図２６（ｃ）、図２７（ｃ）、及び図２８（ｃ）も参照して、実際にフェムトパルストレインＰＴ３〜フェムトパルストレインＰＴ５を生成した例を説明する。図２６（ｃ）は、位相パターンＰＰ３をＳＬＭ１５に入力して実際に生成されたフェムトパルストレインＰＴ３を示す波形図である。図２７（ｃ）は、位相パターンＰＰ４をＳＬＭ１５に入力して実際に生成されたフェムトパルストレインＰＴ４を示す波形図である。図２８（ｃ）は、位相パターンＰＰ５をＳＬＭ１５に入力して実際に生成されたフェムトパルストレインＰＴ５を示す波形図である。
【０２１７】
なお、図２６（ｃ）、図２７（ｃ）、及び図２８（ｃ）では、それぞれ、フェムトパルストレイン波形ＳＴ３、フェムトパルストレイン波形ＳＴ４、及びフェムトパルストレイン波形ＳＴ５を、スケールを調整して、破線で示している。
【０２１８】
図２６（ｃ）では、中央のパルスの振幅に対して左のパルスの振幅は小さく、フェムトパルストレインＰＴ３は、フェムトパルストレイン波形ＰＴ３と似ているが、左のパルスの大きさは１／４となっている。図２７（ｃ）では、フェムトパルストレインＰＴ４に、フェムトパルストレイン波形ＰＴ４と同じ振幅比Ｒの２つのパルスが確認できた。図２６（ｃ）と図２７（ｃ）とでは、パルスの間隔が共に１．５ｐｓとなったが、要素ｋの値を変えることによって振幅比Ｒだけが変わるフェムトパルストレインを発生させることができた。
【０２１９】
図２８（ｃ）では、フェムトパルストレインＰＴ５の振幅がフェムトパルストレイン波形ＳＴ５のようにガウス分布の包絡線を描く波形になった。また、パルスの間隔は２６６ｆｓであり、フェムトパルストレイン波形ＳＴ５よりパルスの間隔が短いフェムトパルストレインＰＴ５が発生した。この相互相関波形はフェムトパルストレインとフェムトシングルパルスとの干渉光を測定した結果であるため、フェムトシングルパルスの時間幅（２５０ｆｓ）が大きく影響する。図２８（ｃ）では、パルスの間隔が２６６ｆｓであることを考えると、パルスの強度が弱い箇所でも干渉光が検出されてしまい、ピークのコントラストが低下したと推測される。従って、実際にはシミュレーション結果と近い波形が得られたと考えられる。
【０２２０】
以上、図２６〜図２８を参照して説明したように、本実施例２によれば、ＳＬＭ１５に入力するための位相パターンＰＰを調整することにより、フェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスの間隔と振幅とを制御できることが確認できた。具体的には、要素ｋの値が小さいほど、フェムトパルストレインＰＴに含まれる最初のパルスの振幅は小さくなった。また、モード数ＭＮが大きいほど、フェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスの間隔は小さくなった。
【０２２１】
なお、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば、以下のような変形も可能である。
【０２２２】
（１）図８に示した実施形態２に係るレーザー加工装置１において、レーザー部７はビームエキスパンダーを備えることもできる。ビームエキスパンダーは、レーザー発振器ＬＡとミラーＭ１との間に配置される。この場合は、ビームエキスパンダーとレーザー発振器ＬＡとの間に、２次分散を補償するための光学部品を配置することが好ましい。また、波形整形部９には、３次分散を補償するための光学部品を配置することが好ましい。
【０２２３】
（２）図８に示した実施形態２に係るレーザー加工装置１において、被加工物ＴＡを加工する時には、光（フェムトパルストレインＰＴ）の利用効率を向上させるため、ハーフミラーＨＭ３を取り除き、フェムトパルストレインＰＴの全てを加工装置５に与えることが好ましい。
【０２２４】
（３）図１８、図１９、及び図２６〜図２８に示した位相パターンＰＰは、適用Ｍ系列（連結Ｍ系列）を繰り返すことによって作成された。ただし、各位相パターンＰＰの波形を観察すると、各位相パターンＰＰが、複数の周期的なパターンを含むことを確認できる。各位相パターンＰＰにおいて、複数の周期的なパターンは互いに異なっている。図２６〜図２８に示す各位相パターンＰＰを構成する複数の周期的なパターンの包絡線が示すレベル（位相）は一定である。包絡線が示すレベルが小さいほど（要素ｋの値が小さいほど）、フェムトパルストレインＰＴに含まれる最初のパルスＰの振幅を小さくできる。
【０２２５】
一方、図１８及び図１９に示す各位相パターンＰＰを構成する複数の周期的なパターンの包絡線が示すレベル（位相）は非一定である。非一定にすることによって、分散補償を行っている。なお、図１８及び図１９では、具体的には、包絡線は傾斜している。
【０２２６】
また、位相パターンＰＰは、図１８、図１９、及び図２６〜図２８に示した規則的な位相パターンＰＰに限定されない。位相パターンＰＰは、不規則なパターンを含んでもよい。
【０２２７】
（４）図６を参照して説明した適用Ｍ系列（連結Ｍ系列）は、基礎数列の一例である。基礎数列は、単数又は複数の一定要素（例えば、適用Ｍ系列の要素０）と、単数又は複数の変数要素（例えば、適用Ｍ系列の要素ｋ）とを含む。位相パターンＰＰは、基礎数列を繰り返し配列することによって作成することができる。なお、一定要素と変数要素とを区別して説明する必要がないときは、単に「要素」と記載する。変数要素を変えることによって、フェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスＰの振幅を調整できる。また、基礎数列を構成する要素の数を変えることによって、基礎数列の周期を変更できる。基礎数列の周期を変更することによって、フェムトパルストレインＰＴに含まれるパルスＰの間隔を調整できる。
【０２２８】
（５）図２０を参照して説明した実施例１では、被加工物ＴＡは、ゲルマニウムであった。ただし、被加工物ＴＡは、ゲルマニウムに限定されない。パルスを照射して特定の格子振動（例えば、コヒーレントフォノン）を励起できる物質であればよい。例えば、被加工物ＴＡは、他の半導体（例えば、シリコン）である。被加工物ＴＡは、化合物半導体（例えば、ガリウム砒素）でもよい。また、被加工物ＴＡは、金属（例えば、金属薄膜）でもよい。被加工物ＴＡは、透明材料（例えば、シリカガラス、ポリマー）でもよい。被加工物ＴＡは、誘電体でもよい。
【０２２９】
（６）実施形態１〜実施形態４において、１つのフェムトパルストレインＰＴに含まれる各パルスＰは、光絶縁破壊を起こすために必要なエネルギー又はパルス幅を有する。また、１つのフェムトパルストレインＰＴに含まれる少なくとも最初のパルスＰは、光絶縁破壊を起こしてコヒーレントフォノンＣＰを励起するために必要なエネルギー又はパルス幅を有する。なお、フェムトパルストレインＰＴの生成方法は、実施形態１及び実施形態２で説明した波形整形部９による生成方法に限定されず、例えば、フェムトシングルパルスをミラーで複数に分け、時間をずらして出力することによって生成できる。
【０２３０】
（７）実施形態１〜実施形態４では、パルスＰによって励起される格子振動として、コヒーレントフォノンＣＰを説明した。そして、コヒーレントフォノンＣＰは調和振動を行う。ただし、コヒーレントフォノンＣＰに限定されず、調和振動を行う他の格子振動を励起してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２３１】
本発明は、半導体基板のダイシング及びステルスダイシング、半導体及び金属の表面加工、金属薄膜の加工（例えば、表面加工）、誘電体の多層膜の加工、及び透明材料の加工など、様々な分野に利用可能である。
【符号の説明】
【０２３２】
１    レーザー加工装置
３    レーザー装置
５    加工装置
７    レーザー部
９    波形整形部
１１ａ    回折格子
１１ｂ    回折格子
１３ａ    レンズ
１３ｂ    レンズ
１５    空間光変調器（ＳＬＭ）
２０    波形測定装置
４０    コヒーレントフォノン検出装置
ＴＡ    被加工物
ＳＰ    フェムトシングルパルス
ＰＴ    フェムトパルストレイン
ＰＴ１〜ＰＴ５    フェムトパルストレイン
Ｐ    パルス
Ｐ１    パルス（第１パルス）
Ｐ２    パルス（第２パルス）
ＰＰ    位相パターン
ＰＰ１〜ＰＰ５    位相パターン
ＰＮ    フォノン
ＰＯ    フォトン
ｅ    電子
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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