(57)【要約】　　　（修正有）【課題】音響強度信号を用いた溶液中レーザーアブレーションにおいて、スパイク信号に影響されない制御方法を提供する。【解決手段】セル１、溶液２，ターゲット３，レーザ４、レンズ５、音響センサ６、音響信号抽出部９，および最適制御部１０からなる装置において、レーザパルスの発振開始点を基準にして、時間軸上でスパイク信号の影響を受けない信号点を求めて、この信号点の音響出力が最大になるようにレーザ照射位置を制御する。【選択図】　図１
2004090081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中に設置したターゲット金属に高出力のレーザー光を照射した時に発生する音響信号を検出してレーザー光の最適照射位置を制御するレーザーアブレーションの制御方法において、検出した音響信号中でスパイク信号の影響を受けない信号部分の振幅が最大となるように、レーザー光の照射位置を制御することを特徴とする溶液中レーザーアブレーションの制御方法。
【請求項２】
スパイク信号は、溶液中レーザーアブレーションにより生成されたコロイドがレーザー光を再吸収するタイミングで生じるものであること
を特徴とする請求項１に記載の溶液中レーザーアブレーションの制御方法。
【請求項３】
検出した音響信号中でスパイク信号の影響を受けない信号部分の位置は、レーザーパルスの発振開始時間を基準にして決定されることを特徴とする請求項２に記載の溶液中レーザーアブレーションの制御方法。
【請求項４】
溶液中に設置したターゲット金属に高出力のレーザー光を照射した時に発生する音響信号を検出してレーザー光の最適照射位置を制御するレーザーアブレーションの制御装置において、検出した音響信号中でスパイク信号の影響を受けない信号部分の振幅が最大となるように、レーザー光の照射位置を最適に制御することを特徴とする溶液中レーザーアブレーションの制御装置。
【請求項５】
スパイク信号は、溶液中レーザーアブレーションにより生成されたコロイドがレーザー光を再吸収するタイミングで生じるものであること
を特徴とする請求項４に記載の溶液中レーザーアブレーションの制御装置。
【請求項６】
検出した音響信号中でスパイク信号の影響を受けない信号部分で音響信号のレベルを抽出する音響信号抽出部と、前記抽出された音響信号のレベルが最大となるようにレーザー光の照射位置を最適制御する最適制御部とを備えていることを特徴とする請求項５に記載の溶液中レーザーアブレーションの制御装置。
【請求項７】
検出した音響信号中でスパイク信号の影響を受けない信号部分のタイミング位置をレーザーパルスの発振開始時間を基準にして決定する前処理部を備えていることを特徴とする請求項６に記載の溶液中レーザーアブレーションの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒や塗料、薄膜の作製に関わる化学、半導体製造などの分野に利用される溶液中レーザーアブレーションの制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
溶液中に設置した金属に高出力のレーザー光を照射することにより、真空や気相中よりも効率のよいアブレーションが行えることが知られており（たとえば、非特許文献１参照）、溶液中レーザーアブレーションと呼ばれている。このような溶液中レーザーアブレーションは、アブレーションされるターゲットの物体から溶液中に飛び出す金属の凝集により、ナノサイズの金属微粒子が生成されることから、コロイド作製法としても有用な技術である。
【０００３】
図８に溶液中レーザーアブレーション装置の概略構造を示す。図中、１はセル、２は溶液、３はターゲット、４はレーザー、５はレンズである。レーザー４からパルスレーザー光を発生させ、溶液２中に浸漬されているターゲット３の表面にレンズ５により集束させて、金属などのターゲット物質のアブレーションを生じさせる。アブレーションによりターゲット３から剥離し、飛散したターゲット物質の微粒子は、溶液２中にコロイド状に分散する。
【０００４】
一方、真空中でのレーザー加工において、被加工物に取り付けた音響センサにより音響波を測定し、加工状態を検出することが行なわれている（特許文献１参照）。また溶液中レーザーアブレーションにおいて、レーザー照射時に音響が発生することが知られている（たとえば、非特許文献２参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
光化学、１９９９、　ＶＯＬ．３０、ＮＯ．３、　ｐ．２６０　−２６１
【非特許文献２】
精密工学会誌、１９９９、ＶＮＶＯＬ　６５　、ＮＯ．１２、ｐ．１７０９−１７１２
【特許文献１】
特開平０８−０９０２６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
溶液中レーザーアブレーションを用いて微粒子作製を効率的に行なう条件は、レーザーアブレーションの際に発生する音響の強度を最大に保つことである。しかしながら、この音響強度信号にはスパイク状の信号が混入しており、そのためレーザー光の焦点位置をターゲット表面に適正に合わせることを困難にする。
【０００７】
図４に音響強度信号の発生例を示す。図の横軸は、ステージに対するレンズの相対位置（１０ｍｍ／　目盛）を表わし、縦軸は音響強度を表わす。ここで音響強度は、音響センサに用いた圧電センサのスケールで表わしている。図は、レンズ焦点位置がステージ内に入っている左方の状態からレンズをステージから次第に遠ざけたときの音響強度変化を示している。これまでの測定法では、レンズの焦点がターゲット表面よりも手前に位置する時に、スパイク信号が顕著に表われる。このランダムに現われるスパイク信号は、レーザーアブレーションで生成した溶媒中の微粒子とレーザー光との相互作用によるものである。すなわち、生成した微粒子が焦点付近の高い密度のレーザー光を吸収し、加熱および分解する際に生じた音響信号がスパイク信号として混入するものである。
【０００８】
本発明の課題は、音響強度信号を用いた溶液中レーザーアブレーションの制御において、スパイク信号に影響されない制御を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、溶液中レーザーアブレーションで発生する音響信号中に混入するスパイク信号は溶液中レーザーアブレーションで生成した微粒子とレーザー光との相互作用により発生するとの知見から、スパイク信号はレーザーアブレーションによる微粒子生成後の時間領域に限定されると考え、レーザーパルスの発振開始点を基準にして、時間軸上でスパイク信号の影響を受けない信号点を求めて、この信号点の出力が最大になるようにレーザーの焦点位置を制御する構成の溶液中レーザーアブレーションの制御方法および制御装置の発明を提案したものである。本発明により、スパイク信号に影響されずに音響強度が最大になる点を求め、最大効率でレーザーアブレーションを行うことが可能にされる。
【００１０】
図１に、本発明による溶液中レーザーアブレーションの制御装置の基本構成を示す。図中、１はセル、２は溶液、３はターゲット、４はレーザー、５はレンズ、６はセル１内の音響信号を検出する圧電素子などの音響センサ、７はレンズ５の上下動を制御するＺ軸ステージコントローラ、８はアナログ信号形式の音響信号をディジタル信号形式に変換するＡ／Ｄコンバータ、９はスパイク信号に影響されない時間領域のタイミングで音響信号のレベルを抽出する音響信号抽出部、１０はスパイク信号に影響されない時間領域のタイミングで抽出された音響信号のレベルが最大となるようにＺ軸ステージコントローラ７を最適制御する最適制御部である。これら１〜１０の各要素は、一つの制御ループを構成している。
【００１１】
図１において、レーザー４は連続的にパルス駆動され、一定間隔でパルスレーザー光を放射する。パルスレーザー光はレンズ５で集束され、ほぼその焦点位置で溶液２中のターゲット３の表面を照射する。セル１の側壁に取り付けられた音響センサ６は、アブレーションにより溶液２中に発生した音響波を検出し、音響信号を出力する。音響信号は、Ａ／Ｄコンバータ８でディジタル信号に変換されて、音響信号抽出部９に入力される。音響信号抽出部９には、パルスレーザーの発信開始時間を時間軸上の基点として、予めスパイク信号に影響されない時間領域の所定の時間値が設定されており、入力された音響信号のレベルをその時間値で抽出し、最適制御部１０へ送る。最適制御部１０は、パルスレーザー光の放射ごとに抽出されてくる音響信号のレベルの変化を監視し、常に音響信号のレベルが最大値をとる方向に誤差信号を演算し、Ｚ軸ステージコントローラ７に入力する。Ｚ軸ステージコントローラ７は、与えられた誤差信号に従ってＺ軸ステージを駆動し、レンズ５の焦点位置を制御する。これにより、制御系全体がスパイク信号に影響されることなく、常に最大のアブレーション効率が得られるように動作できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２ないし図７を用いて具体的な実施例を説明する。
図２は、実施例による溶液中レーザーアブレーション制御装置の構成図である。図中、１１は石英セル、１２は溶液、１３はターゲット、１４はレーザー、１５はレンズ、１６はピエゾ圧電マイクロフォン、１７は音響信号を増幅するプリアンプ、１８は音響信号の波形モニターとディジタル信号変換に用いられるオシロスコープ、１９はパソコンであり、音響信号の波形を解析して、スパイク信号発生領域の検出、音響信号の抽出タイミング位置の決定、抽出した音響信号のレベルを最大にする最適制御の演算などのデータ処理を行なう。２０はＺ軸ステージコントローラ、２１はレンズ１５の上下移動を行なう電動式のＺ軸ステージである。
【００１３】
アブレーション光にはＮｄ：ＹＡＧレーザーの三倍波（３５５ｎｍ　）を用い、強度を４ｍＪ／ｐｕｌｓｅ　に調節し、レンズ１５によりターゲット１３の表面に集光して照射した。ターゲット１３の表面と照射するレーザー光の焦点の位置を精密に制御するために、レンズ１５の位置を電動式のＺ軸ステージ２１により制御した。音響波の検出は、石英セル１１の側面に取り付けたピエゾ圧電マイクロフォン１６で行なった。ピエゾ圧電マイクロフォン１６の位置のズレによる再現性の低下を防ぐために、ピエゾ圧電マイクロフォン１６は接着剤で石英セル１１に固定した。なお、セル―ピエゾ間の接合面には、インピーダンスマッチングのためのグリースを塗布している。ピエゾ圧電マイクロフォン１６によって電流に変換された音響信号を、プリアンプ（入力インピーダンス５０Ω）１７で増幅後オシロスコープ１８に入力し、電気波形として計測した。ステージの位置の制御や信号の取り込みは、ＧＰＩＢ経由でパソコン１９上から行なった。
【００１４】
まず、従来行われている測定方法によって焦点位置の最適化を試みた場合の実施例を説明する。図３に、取り込みの時間スケールを５００　マイクロ秒にして、音響信号波形の主要部全域を観測した例を示す。ここで、矢印で示した振幅を信号強度モニターのための測定値として選択した。次にこの測定値をモニターしながらレンズの位置を移動して得られた音響信号強度の変化を図４に示す。レンズ位置は右側ほどターゲットから遠ざかることを示している。信号後半部にはコロイド由来の信号がスパイク状に現れている。
【００１５】
次に本発明による解決法を示す。図５は図３よりも取り込みの時間スケールを縮小して高分解で測定したものである。図５（ａ）　は、レーザー光の焦点がターゲットの手前にある場合の信号を示しており、コロイド由来のスパイク信号が多く含まれる波形である。図５（ｂ）　はレーザー光の焦点がターゲットの奥（あるいは表面）にある場合の信号を示している。両者の信号を比較し、スパイク信号の影響を受けていない点を図５（ｂ）　の信号波形の中から求める。この手順は図７に以下のように具体的に示されている。
【００１６】
▲１▼全音響信号強度をモニターしながらレンズを移動。このときレンズはターゲットに近い側から遠ざかる方に移動する。
▲２▼アブレーションによる音響信号、及びスパイク信号発生位置の測定。スパイク信号が発生しない場合は信号強度が最大となるレンズ位置を焦点と決定。
▲３▼アブレーション信号開始位置　（例；図４中にａで示した点）　における波形を測定。
▲４▼▲３▼の位置とスパイク信号の発生開始位置（　例として図４中にｂで示した点）　との距離よりも、スパイク信号発生開始位置から離れたレンズ位置（　例として図４中にｃで示した点）　における波形を測定。前者を波形Ａ、後者を波形Ｂとする。
▲５▼波形Ｂにおける振幅零の位相点をいくつか選択。
▲６▼▲５▼で選択した位相点の内、波形Ａにおいて最大振幅を有する位相点を選択。
▲７▼選択した位相点の振幅をモニターしながらレンズを移動。信号強度最大のレンズ位置を焦点と決定。
【００１７】
まず、焦点がターゲットより十分手前にあり、音響信号中のターゲットのアブレーションによって生じる音響信号成分の割合が十分小さくなるレンズ位置を選び信号を測定する（例えば図５（ａ）　。なお、そのようなレンズ位置はコロイド由来のスパイク信号の発生が始まる位置を中心とし、焦点がターゲット奥にある場合の音響信号発生開始位置とほぼ対照である位置よりも離れた箇所として見当をつけることができる。）。次にこの信号波形において振幅が零となる点をいくつか選ぶ。次に、スパイク信号が発生していないレンズ位置における音響信号を測定し、上で選んだ点と同じ位相（横軸の位置）において十分な振幅の信号を有する点を一つ選ぶ。このようにして選んだ測定点の一つが図５中に点線で示した点である。この点を測定点としてレンズ位置を動かして得られた信号強度を図６に示す。この信号強度を用いて図２のＺ軸ステージ２１を制御することにより効率の良いレーザーアブレーションを行うことができる。図３では信号強度最大点の特定が難しいが、本発明による図６　の信号強度を用いると、信号強度最大点の特定が容易になり、効率の良いレーザーアブレーションを行うことができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザー光の焦点をターゲット表面に照射する制御を精度良くかつ安定に行なうことができ、レーザーアブレーションの効率化を図ることができる。また、焦点位置の精度が上がることによって、レーザー光の照射スポットの最小化が可能になるため、微細加工性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による溶液中レーザーアブレーション制御装置の基本構成図である。
【図２】本発明実施例による溶液中レーザーアブレーション制御装置の構成図である。
【図３】音響信号主要部全域観測例の波形を示す図である。
【図４】レンズの位置を移動して得た音響信号強度変化の波形を示す図である。
【図５】高時間分解能で測定した音響信号観測例の波形を示す図である。
【図６】スパイク信号のない時間位置で測定した音響信号強度変化の波形を示す図である。
【図７】本発明によりスパイク信号を回避して音響信号によるレンズ位置最適制御を行なう実施例手順の流れ図である。
【図８】従来例の溶液中レーザーアブレーション装置の概略構造を示す図である。
【符号の説明】
１：セル
２：溶液
３：ターゲット
４：レーザー
５：レンズ
６：音響センサ
７：Ｚ軸ステージコントローラ
８：Ａ／Ｄ
９：音響信号抽出部
１０：最適制御部
【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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