(57)【要約】【課題】出力光の精度を極めて高くし、精密に制御できるレーザ加工装置等を提供する。【解決手段】極超短パルスレーザ光を加工対象物質に照射し、極超短パルスレーザ光のエネルギーで加工対象物質に加工を行うレーザ加工装置であって、極超短パルスレーザ光を出力するレーザ光源と、レーザ光源から放射される極超短パルスレーザ光を空間的な任意の形状に成形する空間光変調素子と、成形された極超短パルスレーザ光の各点で生じる多光子吸収により発せられる光エネルギーの波長に感度を有する多光子吸収検出器と、多光子吸収検出器での検出結果に基づき、空間光変調素子が極超短パルスレーザ光を変調可能としている。これにより、レーザ加工装置で現に得られる出力光を多光子吸収検出器で検出し、これに基づいて空間光変調素子を制御できるので、設計上の誤差を調整した極めて高精度な加工が可能となる。【選択図】図１
2008049393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極超短パルスレーザ光を加工対象物質に照射し、該極超短パルスレーザ光のエネルギーで前記加工対象物質に加工を行うレーザ加工装置であって、
極超短パルスレーザ光を出力するレーザ光源と、
該レーザ光源から出力される極超短パルスレーザ光を、前記加工対象物質の置かれる場所において空間的な任意の形状に成形する空間光変調素子と、
該成形された極超短パルスレーザ光の各点で生じる多光子吸収を検出する多光子吸収検出器と、
該多光子吸収検出器での検出結果に基づき、前記空間光変調素子を制御して、前記極超短パルスレーザ光を変調可能であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記多光子吸収検出器が、前記レーザ光源の波長には実質的に感度がなく、該レーザ光源の波長より短波長領域に感度を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置であって、
前記多光子吸収検出器が、
成形された極超短パルスレーザ光の各点において生じる多光子吸収により電子像を生成する光電面と、
該光電面から放出された電子像が結像される結像素子と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置であって、
前記多光子吸収検出器が、
成形された極超短パルスレーザ光の各点において生じる多光子吸収により電子像を生成する光電面と、
該光電面から放出された電子像が照射される蛍光体と、
該蛍光体が該電子像により励起されて発生した蛍光像を検出する蛍光像検出手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のレーザ加工装置であって、
該光電面が前記レーザ光源の波長に実質的に感度がなく、該レーザ光源の波長よりも短波長領域に高い感度を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
前記光電面がＧａＡｓＰで構成されることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置であって、
前記多光子吸収検出器が、前記レーザ光源の波長には実質的に感度がなく、該レーザ光源の波長の略１／２の波長を含む波長領域に高い感度を有する蛍光体と、
該レーザ光源の波長の光を遮断し、該蛍光体が多光子吸収により励起されて発生した蛍光像を透過するフィルタと、
該フィルタを透過した蛍光像を結像するレンズと、
該レンズにより結像された蛍光像を検出する蛍光像検出手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
前記多光子吸収検出器は光軸方向に移動可能な駆動系を有しており、
前記多光子吸収検出器での検出結果に応じて該多光子吸収検出器の光軸方向の位置を前記駆動系で制御可能に構成してなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
極超短パルスレーザ光を加工対象物質に照射し、該極超短パルスレーザ光のエネルギーで前記加工対象物質に加工を行うレーザ加工方法であって、
レーザ光源から出力される該極超短パルスレーザ光を、前記加工対象物質の置かれる場所において空間光変調素子により空間的な任意の形状に成形する工程と、
該成形された極超短パルスレーザ光の各点において生じる多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程と、
該多光子吸収検出器での検出結果により、前記空間光変調素子を制御して、前記極超短パルスレーザ光を変調する工程と、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１０】
極超短パルスレーザ光を加工対象物質に照射し、該極超短パルスレーザ光のエネルギーで前記加工対象物質に加工を行うレーザ加工方法であって、
レーザ光源から放射された該極超短パルスレーザ光を空間光変調素子により空間的な任意の形状に成形する工程と、
該成形された複数の極超短パルスレーザ光をビームスプリッタにより切り出す工程と、
該ビームスプリッタにより切り出された極超短パルスレーザ光の各点において生じる多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程と、
該多光子吸収検出器での検出結果により、前記空間光変調素子を制御して、前記極超短パルスレーザ光を変調する工程と、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のレーザ加工方法であって、
該多光子吸収検出器は光電面と結像素子とから構成されており、
前記多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程において、
該光電面により、前記多光子吸収により電子像を生成する工程と、
該光電面から放出された電子像を該結像素子に結像する工程と、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１２】
請求項９又は１０に記載のレーザ加工方法であって、
該多光子吸収検出器は光電面と蛍光体と蛍光像検出手段とから構成されており、
前記多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程において、
該光電面において前記多光子吸収により電子像を生成する工程と、
該光電面から放出された電子像を該蛍光体に照射し、該蛍光体を励起させる工程と、
該励起され発光した蛍光像を該蛍光像検出手段により検出する工程と、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１３】
請求項９又は１０に記載のレーザ加工方法であって、
該多光子吸収検出器は、前記レーザ光源の波長には実質的に感度がなく、該レーザ光源の波長の１／２の波長を含む波長領域に感度を有する蛍光体と、
前記レーザ光源の波長の光を遮断し、励起された蛍光像のみを透過させるフィルタと、
該蛍光像を結像するレンズと、
該蛍光像を検出する蛍光像検出手段と、
を備えており、
前記多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程において、
前記成形された極超短パルスレーザ光を該蛍光体に照射させ、該蛍光体を励起させる工程と、
該フィルタによって、該蛍光体によって吸収されなかった前記レーザ光源の波長の光を遮断し、励起された蛍光像のみを透過させる工程と、
該励起された蛍光像を該レンズにより結像する工程と、
該蛍光像検出手段により該結像された蛍光像を検出する工程と、
を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３に記載のレーザ加工方法であって、
さらに、前記多光子吸収検出器での検出結果により、該多光子吸収検出器の位置を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、より詳しくは、極超短パルスレーザ光を使用し、加工対象物質を精密に加工可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
極超短パルスレーザであるフェムト秒パルスレーザは、多光子吸収過程によって透明物質内部にサブミクロンサイズの微細加工を可能にする。また、エネルギー注入時の熱拡散に要する時間に比べてレーザ光のパルス幅が非常に短いため、加工部周辺への熱損傷が少ない。したがってフェムト秒パルスレーザ加工は、３次元構造を有する新デバイスの作製に利用されている。しかしながら、一般的に３次元デバイスの作製は、膨大な数の加工点を必要とするため、全体の加工を行うのに時間を要する。そこで本発明者らは、該フェムト秒パルスレーザによる加工時間を短縮するため、ホログラム等の光学素子を用いてレーザ光を複数に分割し、同時並列に加工を行う並列加工方法を開発した（特許文献１）。具体的には、空間光変調素子に計算機ホログラムを表示し、フェムト秒レーザパルスを空間的に整形し、加工対象に照射することによる可変並列の加工を実現した。ここで空間光変調素子に表示される、光の強度分布の変換機能やビームを複数本に分岐する機能を有する光学素子は、コンピュータ等の計算機で事前に設計される。
【０００３】
ところで、ホログラムをはじめとする光学素子の計算機による設計において、光学素子の出力は計算機の中で再生され、その計算機の再生結果を基に、光学素子を再設計して、それを繰り返しながら、所望の出力像に対して誤差が小さくなるまで計算を繰り返し、光学素子を最適化する。したがって、最終的に得られた出力の多数のビームの出力分布は、計算機中では、高い性能が得られている。なぜなら、設計過程の中で、光源の特性や、空間変調素子の特性、光学系の特性を考慮に入れて設計されるからである。
【０００４】
しかしながら、なおも理想とする光学系に対し、実際の光学系の像から生まれる出力像の劣化は避けられなかった。なぜなら、ホログラムの不十分な設計に加えて、レーザのコヒーレンス、レーザ空間的な強度のばらつき、空間光変調素子の特性の空間的なばらつき、空間光変調素子の入力信号や位相変調特性の非線形性、空間光変調素子の階級数の特性、さらには、光学素子上の微少な傷やゴミ等光学系の理想状態からのずれをコンピュータの中で十分には表現しきれないからである。したがって、コンピュータ内で設計された高い性能を有する光学素子を空間光変調素子に表示した時、コンピュータ内で計算された出力に対して、実際の光学系で得られた出力には誤差が生じる。
【０００５】
具体的に、１光子吸収の少ない透明材料、例えば、ガラスやポリマーのような多光子吸収が発生する材料における誤差は顕著である。超短パルスレーザの引き起こす反応では、２光子以上を同時に吸収する多光子吸収が支配的になるため、その誤差は、さらに増大する。
【０００６】
一方、設計上の誤差を補正するため、実際の出力光のデータをフィードバックさせレーザ光の出力を修正する機構が組み込まれたレーザ集光装置等が開発されている（特許文献２）。このレーザ集光装置１０１は、図１２に示すように、複数のレーザ光源１０２と、各レーザ光源１０２から出力されたそれぞれのレーザ光Ｌの波面を補正するために各レーザ光Ｌを変調する反射型空間光変調器（ＳＬＭ）１１１と、反射型空間光変調器１１１から出力された各レーザ光Ｌを集光する集光レンズ１１２とを備える。シリンドリカルレンズアレイ１０３、１０４とＳＬＭ１１１との間には、レーザ光軸に対して４５°傾けられたビームスプリッタ１０５が配置されており、このビームスプリッタ１０５によって直角に曲げられた分岐レーザ光Ｌの光軸上に波面検出器であるシャックハルトマンセンサ１０６が配置されている。シャックハルトマンセンサ１０６は、図１２に示すように、マイクロレンズアレイ１０７と、ＣＣＤカメラ１０９とから構成されている。さらに、シャックハルトマンセンサ１０６は、ＳＬＭコントローラ１１０に接続されている。
【０００７】
また図１３（ａ）は、ＬＤアレイ１０２から出力されたレーザ光Ｌとマイクロレンズアレイ１０７との関係を説明する説明図、（ｂ）はマイクロレンズアレイ１０７の一部を拡大した拡大図である。図１３（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズアレイ１０３、１０４によってコリメートされた各レーザ光Ｌは、分離された状態でマイクロレンズアレイ１０７に到達し、図１３（ｂ）に示すようにマイクロレンズアレイ１０７の各レンズ素子１０８に入射されてそれぞれ集光される。なお、図１３（ｂ）からも分かるように、それぞれのレーザ光Ｌはマイクロレンズアレイ１０７のそれぞれのレンズ素子１０８に対応する。そして、各レンズ素子１０８によって集光された各レーザ光Ｌの焦点位置のずれが各レーザ光Ｌの波面の歪みに比例することを利用して、各レーザ光Ｌの波面の歪みを検出している。このように、反射型空間光変調器１１１によって波面を揃えたレーザ光を集光レンズで集光するので、集光スポットが小さく、かつエネルギー密度が高いレーザ光が得られる。
【特許文献１】特開２００６−６８７６２号公報
【特許文献２】特開２００１−２２８４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、この装置で用いられる光検出器は、１光子吸収で光強度の測定のみを行っており、この装置では多光子吸収に基づく正確な検出値を得ることは困難であった。なぜなら、１光子吸収を検知する光検出器では、レーザの波長の光に感度を有しており、その検出値はレーザ光の平均的な強度に比例する。そのため、レーザ加工では、照射エネルギーとパルス形状に依存する瞬間的な光強度が関係するが、１光子吸収を検知する光検出器では、瞬間的な光強度を検出できない。すなわち、１光子吸収では、その検出値は、レーザパルス幅にほとんど関係しないが、多光子吸収では、パルス幅に大きく変化する。このように、１光子吸収と多光子吸収の検出値には差があるため、特許文献２に記載の１光子吸収をメインに検知する光検出器では、多光子吸収を検知し難いという問題があった。
【０００９】
一般的に、２光子吸収は、１光子吸収よりも発生する確率が低いので、特許文献２の装置で用いられているような、レーザーの波長に感度を有する１光子吸収がメインの光検出器では、２光子吸収に基づく検出値を得ることは難しい。また、１光子吸収と比べて、多光子吸収におけるレーザ光のエネルギー量は、光軸方向の位置により大きく異なる。さらに極超短パルスレーザのような瞬間的に強いエネルギーを有していると、レーザパルスの集光する位置は、幾可光学的な光の集光する位置とは異なるようになる。したがって集光位置におけるエネルギーを測定するためには、カメラ等の光検出器の設置位置が極めて重要になる。
【００１０】
１光子吸収の少ない透明材料、例えば、ガラスやポリマー等で生じる多光子吸収の大きさを測定するためには、１光子吸収がメインとなる一般的なＣＣＤ（charge-coupled device）カメラやＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）カメラを使用できないという問題があった。このため、多光子吸収の生じるレーザ加工において、空間光変調素子上の位相や偏光、強度をどのように変調するか、誤差を考慮した上で正確に設計することは極めて困難であった。
【００１１】
本発明は、従来のこのような問題点を解消するためになされたものである。本発明の目的は、多光子吸収が発生するレーザ加工においても、現実に得られる出力光に応じた制御を行うことで出力光をより高精度とできるレーザ加工装置と加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の第１のレーザ加工装置は、極超短パルスレーザ光を加工対象物質に照射し、極超短パルスレーザ光のエネルギーで加工対象物質に加工を行うレーザ加工装置であって、極超短パルスレーザ光を出力するレーザ光源と、レーザ光源から放射される極超短パルスレーザ光を、前記加工対象物質の置かれる場所において空間的な任意の形状に成形する空間光変調素子と、成形された極超短パルスレーザ光の各点で生じる多光子吸収を検出する多光子吸収検出器と、多光子吸収検出器での検出結果に基づき、空間光変調素子を制御して、極超短パルスレーザ光を変調可能としている。これにより、レーザ加工装置で現に得られる出力光を多光子吸収検出器で検出し、これに基づいて空間光変調素子を制御できるので、設計上の誤差を調整した極めて高精度な加工が可能となる。
【００１３】
また、本発明の第２のレーザ加工装置は、多光子吸収検出器が、レーザ光源の波長には実質的に感度がなく、レーザ光源の波長より短波長領域に感度を有することができる。これにより、レーザ光源の波長によらず、多光子吸収等で波長変換された光のみを多光子吸収検出器で効率よく検出できる。
【００１４】
また、本発明の第３のレーザ加工装置は、多光子吸収検出器が、成形された極超短パルスレーザ光の各点において生じる多光子吸収により電子像を生成する光電面と、光電面から放出された電子像が結像される結像素子とを備えることができる。これにより、光電面とＣＣＤの２層構造で精度良く多光子吸収を検出可能な多光子吸収検出器が実現できる。
【００１５】
また、本発明の第４のレーザ加工装置は、多光子吸収検出器が、成形された極超短パルスレーザ光の各点において生じる多光子吸収により電子像を生成する光電面と、光電面から放出された電子像が照射される蛍光体と、蛍光体が電子像により励起されて発生した蛍光像を検出する蛍光像検出手段と、を備えることができる。これにより、光電面と蛍光体と蛍光像検出手段の３層構造で、さらに高精度に多光子吸収を検出可能な多光子吸収検出器が実現できる。
【００１６】
また、本発明の第５のレーザ加工装置は、光電面がレーザ光源の波長に実質的に感度がなく、レーザ光源の波長よりも短波長領域に高い感度を有するものとできる。これにより、多光子吸収のみを検出する高精度な多光子吸収検出器が実現できる。
【００１７】
また、本発明の第６のレーザ加工装置は、光電面がＧａＡｓＰで構成できる。これにより、レーザ光を選択的に多光子吸収検出器に入射させることができる。
【００１８】
また、本発明の第７のレーザ加工装置は、多光子吸収検出器が、レーザ光源の波長には実質的に感度がなく、レーザ光源の波長の略１／２の波長を含む波長領域に高い感度を有する蛍光体と、レーザ光源の波長の光を遮断し、蛍光体が多光子吸収により励起されて発生した蛍光像を透過するフィルタと、フィルタを透過した蛍光像を結像するレンズと、レンズにより結像された蛍光像を検出する蛍光像検出手段とを備えることができる。これにより、蛍光体とフィルタ、蛍光像検出手段の組み合わせによって光信号を精度良く電気信号に変換できる。
【００１９】
また、本発明の第８のレーザ加工装置は、多光子吸収検出器は光軸方向に移動可能な駆動系を有しており、多光子吸収検出器での検出結果に応じて多光子吸収検出器の光軸方向の位置を駆動系で制御可能とできる。これにより、多光子吸収を最適な位置で検出できるよう駆動系で調整できる。
【００２０】
また、本発明の第９のレーザ加工方法は、極超短パルスレーザ光を加工対象物質に照射し、極超短パルスレーザ光のエネルギーで加工対象物質に加工を行うレーザ加工方法であって、レーザ光源から出力される極超短パルスレーザ光を、前記加工対象物質の置かれる場所において空間光変調素子により空間的な任意の形状に成形する工程と、成形された極超短パルスレーザ光の各点において生じる多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程と、多光子吸収検出器での検出結果により、空間光変調素子を制御して、極超短パルスレーザ光を変調する工程とを含むことができる。これにより、レーザ加工装置で現に得られる出力光を多光子吸収検出器で検出し、これに基づいて空間光変調素子を制御できるので、設計上の誤差を調整した極めて高精度な加工が可能となる。
【００２１】
また、本発明の第１０のレーザ加工方法は、極超短パルスレーザ光を加工対象物質に照射し、極超短パルスレーザ光のエネルギーで加工対象物質に加工を行うレーザ加工方法であって、レーザ光源から放射された極超短パルスレーザ光を空間光変調素子により空間的な任意の形状に成形する工程と、成形された複数の極超短パルスレーザ光をビームスプリッタにより切り出す工程と、該ビームスプリッタにより切り出された極超短パルスレーザ光の各点において生じる多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程と、多光子吸収検出器での検出結果により、空間光変調素子を制御して、極超短パルスレーザ光を変調する工程とを含むことができる。これにより、ビームスプリッタで途中の光を検出できるので、リアルタイムのフィードバック制御等に適した空間光変調素子の制御システムを構築できる。
【００２２】
また、本発明の第１１のレーザ加工方法は、多光子吸収検出器は光電面と蛍光像検出手段とから構成されており、多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程において、光電面により、多光子吸収により電子像を生成する工程と、光電面から放出された電子像を蛍光像検出手段に打ち込む工程とを含むことができる。これにより、光電面と蛍光像検出手段の２層構造で精度良く多光子吸収を検出可能な多光子吸収検出器が実現できる。
【００２３】
また、本発明の第１２のレーザ加工方法は、多光子吸収検出器は光電面と蛍光体と蛍光像検出手段とから構成されており、多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程において、光電面において多光子吸収により電子像を生成する工程と、光電面から放出された電子像を蛍光体に照射し、蛍光体を励起させる工程と、励起され発光した蛍光像を蛍光像検出手段により検出する工程を含むことができる。これにより、光電面と蛍光体と画像検出器の３層構造で、さらに高精度に多光子吸収を検出可能な多光子吸収検出器が実現できる。
【００２４】
また、本発明の第１３のレーザ加工方法は、多光子吸収検出器は、レーザ光源の波長には実質的に感度がなく、レーザ光源の波長の１／２の波長を含む波長領域に感度を有する蛍光体と、レーザ光源の波長の光を遮断し、励起された蛍光像のみを透過させるフィルタと、蛍光像を結像するレンズと、蛍光像を検出する蛍光像検出手段と、を備えており、多光子吸収を多光子吸収検出器で検知する工程において、成形された極超短パルスレーザ光を蛍光体に照射させ、蛍光体を励起させる工程と、フィルタによって、蛍光体によって吸収されなかったレーザ光源の波長の光を遮断し、励起された蛍光像のみを透過させる工程と、励起された蛍光像をレンズにより結像する工程と、蛍光像検出手段により結像された蛍光像を検出する工程を含むことができる。これにより、蛍光体とフィルタ、蛍光像検出手段の組み合わせによって光信号を精度良く電気信号に変換できる。
【００２５】
また、本発明の第１４のレーザ加工方法は、多光子吸収検出器での検出結果により、多光子吸収検出器の位置を制御することを特徴とする。これにより、多光子吸収を最適な位置で検出できるよう駆動系で調整できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための、レーザ加工装置及びレーザ加工方法を例示するものであって、本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法を以下のものに特定しない。さらに、本明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」、及び「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００２７】
また、実際のレーザ加工装置におけるレーザ光の入射ビーム角度は、図面上で表現されている角度と必ずしも同一とは限らない。即ち、入射ビームの角度は空間光変調素子の厚み等により生じる空間分解能や回折効率の低下を無視できるよう、ある特定の角度をもって入射されることもあるが、図面には便宜上その光学素子の構成位置を略して記しているのであって、入射ビームの角度を忠実に表現したものではない。
【００２８】
本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、極超短パルスレーザ光を複数の集光スポットに集光して加工対象物質に照射し、極超短パルスレーザ光のエネルギーで加工対象物質の特定の部位を加工することができる。なおレーザ加工装置及びレーザ加工方法とは、超短パルスレーザによる加工に用途を限定する趣旨でなく、レーザ照射による反応等も含めて、ここでは加工と呼ぶ。
【００２９】
極超短パルスレーザとして、典型的にはフェムト秒パルスレーザが利用できる。フェムト秒パルスレーザは、１パルスの時間幅が、１×１０-15〜１０００×１０-15秒と極めて短いパルス幅のレーザである。ただし、本発明は、１パルスの時間幅が１００×１０-12ｓｅｃ以下であって、３０×１０-15秒以上とする極超短パルスレーザも使用できる。このように、パルス幅の短い極超短パルスレーザは、エネルギーを極小時間に集中して照射するので単位時間のエネルギーが極めて大きい。このレーザは、集光スポットまでは加工対象物質の表面から内部まで透過する。この領域ではレーザが多光子吸収を起こすほどのエネルギー密度になっていない。集光スポットにおいては、レーザエネルギー密度が極めて大きいので、多光子吸収によって加工対象物質に効率よく吸収される。
【００３０】
ところで、光に対する物質の吸収率や屈折率は通常は定数であるが、光が強くなると光強度によって変化するようになる。具体的には弱い光に対しては透明な場合でも、強い光に対しては必ず吸収が起こるようになる。これは光を光子（フォトン）の集りと見た場合、複数個の光子が同時に吸収される多光子吸収として説明される。このとき、物質は高いエネルギー状態に励起されるだけでなく、イオン化や分子の解離等の物質変化も起こる。一方、屈折率は一般に光強度と共に増大する。この性質のため、強い光が物質中を伝搬するとき、自分自身の性質を変えていくという自己作用が起こる。例えば、光ビームが自然に細くなる自己集束、光パルスのスペクトルが広がる自己位相変調、偏光の回転を起こす現象等がある。
【００３１】
（波長）
具体的には、１光子吸収と多光子吸収により生じる各光エネルギーの波長域が異なるため、１光子吸収がメインの光検出器では、２光子吸収に基づく検出値を得ることは難しい。したがって、レーザ光源の波長には感度が非常に小さく、その半分以下の波長で感度を有する光検出器を使用すれば、多光子吸収の大きさを測定することができる。
【００３２】
（検出位置）
また、時間的にも、空間的にもフォトンの密度が高い方が、多光子吸収の起こる確率が高いので、多光子吸収は、光が集光されている時、焦点付近で起こる頻度が高くなる。そのため、光が集光されている時等、光軸方向の位置によって、フォトン密度が異なるような場合には、１光子吸収は、光検出器の光を検出する領域に到達するフォトンの数だけで決まるのに対し、多光子吸収は、光軸方向の位置により、起こる頻度が大きく異なる。例えば２光子吸収では、入射エネルギーの２乗に比例するため、２光子吸収カメラを設置する光軸方向の位置が、ビームの集光位置からミクロンオーダーの少しのずれに対しても、その出力は大きく変化する。さらに、フェムト秒レーザのような瞬間的に強いエネルギーを有していると、空気でも屈折率が変化し、ビーム中心の強度が高く、ビームの周辺の強度が弱いようなレーザパルスでは、空気そのものがレンズのような働きとなり、レーザパルスの集光する位置は、幾何光学的な光の集光する位置とは異なってくる。さらにパルスの強度によっても、その集光位置が変化する。
【００３３】
したがって多光子吸収では、検出位置を正確に設定しなければならない。特に、上述の観点から、光軸方向の制御が重要になる。このため多光子吸収カメラの設置位置を高い信号強度が得られるように調整するため、新たな機構が必要となる。
【実施例１】
【００３４】
（多光子吸収検出器）
実施例１のレーザ加工装置を図１に基づいて説明する。図１に示すレーザ加工装置は、レーザ光源１と空間光変調素子４との間に前適合光学系７を配置している。実施例１ではレーザ光源１としてフェムト秒パルスレーザを使用した。前適合光学系７は、レーザ光源１から出力されるレーザを断面におけるエネルギー分布を均一化して空間光変調素子４に入力する。すなわち、レーザ光源１から出力されるレーザを空間光変調素子４の全面に均一に照射するように拡大する。図１の前適合光学系７は、複数のレンズ２を備え、レンズ２でもってレーザ光源１から出力されるレーザを拡大して空間光変調素子４に均一に入力させる。
【００３５】
さらに、前適合光学系７は、図１に示すように、ビーム整形素子３を使用することもできる。レーザ光源１から出力されるレーザビームは通常、ガウス分布のように中心が強く周辺にいくにつれて徐々に弱くなるような空間分布を有する。ビーム整形素子３は、レーザ光源１から出力されるレーザビームを一様にする素子で、空間光変調素子４の有効径内で強度分布が一様になるようにする。
【００３６】
空間光変調素子４は、光の位相や振幅を制御信号によって変化させるデバイスである。つまり、レーザ光を任意の形状に成形することができる。具体的に、空間光変調素子４は、レーザ光源１から照射される極超短パルスレーザ光を２次元的或いは３次元的に分割し、多光子吸収検出器２０の内部において多数の集光スポットを形成させる。集光スポットは、多光子吸収検出器２０の内部で２次元的或いは３次元的に分布できる。
【００３７】
空間光変調素子４として、透過型回折光学素子、反射型回折光学素子、屈折光学素子、反射光学素子等が使用できる。透過型回折光学素子や反射型回折光学素子の空間光変調素子４は、液晶を用いた空間光変調素子があり、制御装置１１から送られた信号に応じて各場所毎に屈折率を変化させて回折光学素子を形成する。屈折光学素子は、多数のレンズ２が並んだレンズアレイを用いることで同時に多数の集光スポットを形成する。各レンズ２の焦点距離を変えると３次元的に分布して加工も可能となる。変形可能な屈折光学素子を用いれば、加工形状を任意に変更できる。反射光学素子は、２次元的、３次元的分布な光強度分布を形成するために、反射光学素子上の各点で位相を変化させるために形状を変化できるデフォーマブルミラーのような素子を用いる。
【００３８】
実施例１の空間光変調素子４は浜松ホトニクス株式会社のＰＰＭ（Programmable Phase Modulator）を使用した。これによりレーザ光源１から出力されるレーザを、多光子吸収検出器２０の内部に複数の集光スポットとして分割できる。
【００３９】
一方、図１のレーザ加工装置は、空間光変調素子４と多光子吸収検出器２０との間に後適合光学系８を配置している。後適合光学系８は、空間光変調素子４で集光される集光スポットを多光子吸収検出器２０の内部でさらに小さく集光する。図１の後適合光学系８は、顕微鏡の対物レンズのような高い開口率を有するレンズ９を使用して、空間分布を維持しながらレーザを多光子吸収検出器２０の内部で小さく集光する。
【００４０】
実施例１では、図１に示す多光子吸収検出器として、２光子吸収を感知する２光子吸収カメラ２１を備えた。図２に２光子吸収カメラ２１の説明図を示す。実施例１の２分子吸収カメラｂはＧａＡｓＰ（ガリウムヒ素リン）で構成される光電面２４を備える。光電面２４は波長８００ｎｍの光にはほとんど感度がなく、約２８０〜７２０ｎｍの波長域で感度を有する。特に４５０〜５５０ｎｍ付近に感度のピークがあり、最大量子効率は約５０％である。光電面に入射された上記の特定の波長域のエネルギーに相当する光子が、電子に変換される。
【００４１】
また、実施例１では、２光子吸収カメラ２１に、結像素子２８としてＣＣＤカメラを使用した。光電面２４に対向する側にＣＣＤ（charge-coupled device）カメラ２８が設置される。ＣＣＤとは、光を電気信号に変換する半導体製の受光素子である。光電面２４から放出された電子像はＣＣＤカメラ２８に打ち込まれ結像される。
【００４２】
実施例１において、レーザ光源１から出力されるレーザ光の中心波長は８００ｎｍである。続いて、空間光変調素子４によって分割された極超短パルスレーザ光の集光スポットでは２光子吸収が生じ、即ち４００ｎｍの波長に相当するエネルギーが検出される。光電面２４は入射光である８００ｎｍのレーザ光には感度がほとんどないが、２光子吸収により生じる４００ｎｍ付近の波長に相当するエネルギーには感度を有する。これにより、２光子吸収に係る光子のみが光電面でもって電子像に変換される。さらに、光電面２４から放出した電子像を印加電圧により加速してＣＣＤカメラ２８に打ち込み増倍ゲインを得る。
【００４３】
（再設計方法）
また、２光子吸収カメラ２１による検出結果に基づき空間光変調素子４を制御し、ひいては極超短パルスレーザ光を変調可能にする方法を図３を用いて説明する。ここは、極超短パルスレーザ光の焦点位置を、意図した加工位置に調整することで極超短パルスレーザ光を変調している。図３は、実施例１に係る２光子吸収カメラ２１を含む多光子吸収検出器２０の構成図である。２光子吸収カメラ２１は、光軸方向に移動できる駆動系３４を有する。この駆動系３４でもって、２光子吸収カメラ２１は、光軸方向に移動しながら２光子吸収を検出し、適切な位置に設定できる機構を有する。具体的には２光子吸収カメラ２１により得られた画像信号は、コントローラ３５に送信される。この画像信号を基に、２光子吸収カメラ２１に備えられた駆動系３４に制御信号が送信される。これにより２光子吸収カメラ２１は適切な位置に移動する。同時に２光子吸収カメラ２１により得られた画像信号は、図１及び図３に示すように、多光子吸収検出器２０に接続されたホログラム計算用コンピュータ１０に送信され、さらに制御装置１１にデータが出力される。
【００４４】
このデータは、空間光変調素子４に表示された光学素子を実際に加工光学系内で再生し、多光子吸収検出器２０により得られた出力結果である。この出力結果と、所望の出力結果とを比較することにより、空間光変調素子４上に表示される光学素子の位相変調や偏光変調、強度変調の空間的分布を更新する。これを繰り返すことにより、光学系から出力される光が所望の強度分布に近づき、光学素子が最適化される。出力結果には、ビームの特性や光学系の特性が作用した結果であるので、このプロセスによって得られた光学素子の設計結果をそのまま使うことができる。
また、その光軸方向の移動の機構は、ホログラムにより生成された３次元的な強度分布を検出するためにも用いられる。
【００４５】
図４及び５は、光学素子を最適化する方法を示すプロセス図である。図４は、従来法であり、光学素子の再生を計算機内で行う。一方、図５は、実施例１において、光学素子を最適化する計算のプロセスを示しており、光学素子の再生を加工光学系で行う。一般に図４で示す計算機内再生を用いたプロセスは、図５に示す光学再生を用いたプロセスに比べて、短い計算時間で実行される。しかしながら、上述したように、図５の光学素子の再生を加工光学系で行った場合、実際の出力結果に準じた光学素子の設計結果を使用できる。したがって、両者の利点を考慮し、図４の計算機再生を用いたプロセスを実行して光学素子を最適値に近い状態まで最適化した後、この計算機再生による設計値を初期値として、図５の光学再生を用いたプロセスにより、光学素子の最適化の仕上げを行う方法も有効である。
【００４６】
（パルス幅のばらつきを補正）
また、多光子吸収では、多光子吸収検出器における多光子吸収の検出値が、レーザのパルス幅に大きく依存する。換言すれば、多光子吸収検出器で得られた多光子吸収の検出値により、光学系内でのパルス幅の変化による出力像の変化を、光学素子の設計に反映することができる。
【００４７】
また、多光子吸収検出器にダメージを与えないように、実際加工を行うビームエネルギーに比べて弱いエネルギーで光検出を行うこともできる。この場合、更なる光学素子の最適化が必要になる。光学系設計時のエネルギーで得られた光学素子を用いて、エネルギーを変化させた時の出力値を計算し、その出力値が所望の出力値になるように設計時の段階で出力値を調節するように設計する。これにより加工時のエネルギーにおいて所望の光強度分布になるようにする。
【実施例２】
【００４８】
また、多光子吸収検出器２０として、別の２光子吸収カメラ２２を使用することもできる。図６に示す、２光子吸収カメラ２２を備えるレーザ加工装置は、２光子吸収カメラ２２以外は実施例１のレーザ加工装置と同じ機構を有する。
【００４９】
実施例２における２光子吸収カメラ２２は、実施例１の２光子吸収カメラ２１と同様の光電面２４を備える。即ち、波長８００ｎｍである極超短パルスレーザ光の分割光が集光することで、４００ｎｍの波長のエネルギーに相当する２光子吸収が生じる。この２光子吸収に係る光子のみが光電面２４に入射するとで、光子が電子像に変換される。
【００５０】
光電面２４により変換された光電子像は、光電子増倍管２９内に放出され、２次電子放出効果によって増倍される。これにより高い感度を有し、高速時間応答が可能になる。また、光電子増倍管２９による光電子を増倍させる機構は真空管内で行われるため、ノイズが少なく微弱光の測定も実現可能である。
【００５１】
光電子増倍管２９により増倍された光電子像は、蛍光体３０に照射される。該光電子像により蛍光体３０が励起され、この蛍光発光パターンを蛍光像検出手段３９で検出する。この際、蛍光像を蛍光像検出手段３９に結像するためのレンズ３１を使用するのが好適である。２光子吸収カメラ２２により得られた検出値を使用して、光学素子を最適化する方法は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００５２】
さらに別の多光子吸収検出器２０として、別の２光子吸収カメラ２３を使用することもできる。図７に示す、２光子吸収カメラ２３を備えるレーザ加工装置は、２光子吸収カメラ２３以外は実施例１のレーザ加工装置と同じ機構を有する。
【００５３】
実施例３における２光子吸収カメラ２３は、レーザの波長には感度が非常に小さく、その半分の波長で感度を有する蛍光体３２を使用する。波長８００ｎｍの極超短パルスレーザ光の分割光が集光することで生じた２光子吸収反応のエネルギーでもって、直接、蛍光体３２を励起させる。この２光子吸収により生じる約４００ｎｍの波長に相当するエネルギーにより励起された蛍光体３２の蛍光像を、蛍光像検出手段３９で検出する。この際、実施例２と同様に、蛍光像を蛍光像検出手段３９に結像するためのレンズ３１を使用するのが好適である。さらに、蛍光体３２へ入射するレーザ光源の光をカットし、蛍光体３２により励起された蛍光像のみを透過させる入射光カットフィルタ３３を使用するのが好適である。これらのレンズ３１及び入射光カットフィルタ３３を使用することで、所望の蛍光像のみのデータを正確に検出することができ、より精密に光学素子を最適化することが可能となる。この２光子吸収カメラ２３には光電子を増倍させる機能はない。したがって、入射パルスが弱い場合は、感度が小さくなり蛍光像を検出できない可能性もあるが、構造がシンプルであるためコストを低減することができる。また、必要に応じて光電子増倍管等の光電子を増倍させる機能を付加できることはもちろんのことである。
【００５４】
２光子吸収カメラ２３により得られた検出値を使用して、光学素子を最適化する方法は実施例１と同様である。
【００５５】
以上の多光子吸収検出器は、２次元の出力像を同時に取得できるよう、検出器を２次元状に配置した２次元イメージセンサが好適に利用できる。ただ、一の多光子吸収検出器２０を、図８に示すように２次元的に走査させることにより時分割で出力像を得る方法としてもよい。この場合、レーザパルスにはパルスごとにエネルギーのばらつきがあるので、多数回計測して平均をとる方法も考えられる。
【００５６】
また、図９のように、多数の分割されたビームの集光点が３次元的に分布する場合、多光子吸収検出器２０を単一の検出器を３次元的に操作するか、２光子吸収カメラを移動して３次元的な光強度が測定される。
【００５７】
また、図１０は、空間光変調素子４により成形された極超短パルスレーザ光をビームスプリッタ３６により切り出して、切り出された極超短パルスレーザ光の各焦点において生じる多光子吸収を多光子吸収検出器２０で検知する方法である。これは、時間的な温度等の変化によってレーザーや空間光変調素子、光学系の特性変化がある場合やサンプル３７の位置に多光子吸収検出器を置くことができない場合に有効である。
【００５８】
さらに、図１１は、実施例１の光学系において、反射型空間光変調素子３８を使用した場合の光学系の配置である。反射型空間光変調素子３８と入射ビームの角度は、４５度から９０度であり、多くの場合、反射型空間光変調素子３８の厚みにより空間分解能や回折効率の低下を無視できるようにするために、入射ビームは、反射型空間光変調素子に垂直に近い角度で入射される。図１０と同様に、成形された極超短パルスレーザ光をビームスプリッタにより切り出して、これを多光子吸収検出器を用いて光検出する方法も行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のレーザ加工装置と加工方法は、透明体の内部にボイドを設けたり屈折率等の改質をさせて、三次元的な立体模様、図形、文字等を表示する等の用途に好適に利用できる。さらには、光情報処理における光メモリや光回路、光学部材の作製、マイクロチップ反応容器の作製等の用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施例１のレーザ加工装置を説明する説明図である。
【図２】実施例１の２光子吸収カメラを説明する説明図である。
【図３】実施例１の多光子吸収検出器を説明する構成図である。
【図４】光学素子を最適化する従来の方法を示すプロセス図である。
【図５】実施例１の光学素子を最適化する方法を示すプロセス図である。
【図６】実施例２の２光子吸収カメラを説明する説明図である。
【図７】実施例３の２光子吸収カメラを説明する説明図である。
【図８】多光子吸収検出器の操作方法を説明する説明図である。
【図９】多光子吸収検出器の別の操作方法を説明する説明図である。
【図１０】別のレーザ加工装置を説明する説明図である。
【図１１】さらに別のレーザ加工装置を説明する説明図である。
【図１２】従来のレーザ加工装置を説明する説明図である。
【図１３】従来のレーザ加工装置の一部拡大図であって、図１３（ａ）は、レーザ光とマイクロレンズアレイとの関係を説明する説明図であり、図１３（ｂ）は、マイクロレンズアレイの一部を拡大した拡大図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…レーザ光源
２…レンズ
３…ビーム整形素子
４…空間光変調素子
７…前適合光学系
８…後適合光学系
９…レンズ
１０…ホログラム計算用コンピュータ
１１…制御装置
２０…多光子吸収検出器
２１…２光子吸収カメラ
２２…２光子吸収カメラ
２３…２光子吸収カメラ
２４…光電面
２８…結像素子（ＣＣＤカメラ）
２９…光電子増倍管
３０…蛍光体
３１…レンズ
３２…蛍光体
３３…入射光カットフィルタ
３４…駆動系
３５…コントローラ
３６…ビームスプリッタ
３７…サンプル
３８…反射型空間光変調素子
３９…蛍光像検出手段
１０１…レーザ集光装置
１０２…レーザ光源（レーザダイオードアレイ）
１０３…シリンドリカルレンズアレイ
１０４…シリンドリカルレンズアレイ
１０５…ビームスプリッタ
１０６…シャックハルトマンセンサ
１０７…マイクロレンズアレイ
１０８…レンズ素子
１０９…ＣＣＤカメラ
１１０…ＳＬＭコントローラ
１１１…反射型空間光変調器（ＳＬＭ）
１１２…集光レンズ
Ｌ…レーザ光
【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】
2008049393.tif 000010
【図９】
2008049393.tif 000011
【図１０】
2008049393.tif 000012
【図１１】
2008049393.tif 000013
【図１２】
2008049393.tif 000014
【図１３】
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