(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒又はピコ秒領域のパルス幅を有する極短パルスレーザ光を照射する単一のレーザ光源と、
上記極短パルスレーザ光の単一のレーザパルス内の波長分布を制御する波長分布調整手段と、
波長に依存して空間的に異なる位置に上記極短パルスレーザ光を伝播させる伝播手段とから構成され、
上記波長分布調整手段により上記極短パルスレーザ光の波長分布を制御することにより、該極短パルスレーザ光に対して透過性のある被加工物の内部のレーザ光軸方向の複数の異なる箇所を同時に加工することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
上記伝播手段が、波長により焦点距離が異なる少なくとも一組以上のレンズ又は回折素子から成り、上記極短パルスレーザ光の集光点近傍において加工を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
上記伝播手段が、波長により焦点距離が異なる少なくとも一組以上のマイクロレンズアレイ又は回折光学素子から成り、複数箇所に上記極短パルスレーザ光を集光し、その近傍において加工を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
上記極短パルスレーザ光の走査手段を設けることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
上記波長分布調整手段が、一つ以上の波長フィルタで構成されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
上記波長分布調整手段が、少なくとも一組以上の波長分散素子と空間的波長選択手段により構成されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
上記波長分散素子が回折格子であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
上記波長分散素子がプリズムであることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
上記空間的波長選択手段が光の透過率を制限するフォトマスクであることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
上記フォトマスクを移動手段により移動させ、時間的に選択波長を変化させることを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
上記空間的波長選択手段が空間強度変調器であることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
上記空間強度変調器が、透過型液晶と偏光分離素子で構成されることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】
上記空間強度変調器が、複数の反射型素子で構成されることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】
少なくとも、上記極短パルスレーザ光の強度、又は波長ごとの該極短パルスレーザ光強度を調整する手段を設けることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１５】
上記レーザ光源が、広帯域で発振する白色レーザ又はチタンサファイアレーザであることを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１６】
上記極短パルスレーザ光の波長変換手段を有し、該波長変換手段により波長帯域を広げた光源を利用することを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１７】
上記極短パルスレーザ光の伝播手段に屈折材料を用い、該極短パルスレーザ光の屈折を利用して被加工物の加工位置及び加工形状を制御することを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１８】
上記極短パルスレーザ光の伝播手段に回折光学素子を利用し、該回折光学素子の波長による焦点位置変化を利用することを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１９】
フェムト秒又はピコ秒領域のパルス幅を有する極短パルスレーザ光を照射する単一のレーザ光源と、
上記極短パルスレーザ光の単一のレーザパルス内の波長分布を制御する波長分布調整手段と、
波長に依存して空間的に異なる位置に上記極短パルスレーザ光を伝播させる伝播手段と、
被加工物を移動する移動手段と、
上記レーザ光源と波長分布調整手段と移動手段を制御する制御手段とから構成され、
上記制御手段により、上記極短パルスレーザ光の照射、波長分布の制御、及び被加工物の移動のタイミングを制御して、該極短パルスレーザ光に対して透過性のある被加工物の内部のレーザ光軸方向の複数の異なる箇所を同時に加工することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２０】
フェムト秒又はピコ秒領域のパルス幅を有し、被加工物に照射する極短パルスレーザ光の単一のレーザパルス内の波長分布を制御し、
波長に依存して空間的に異なる位置に上記極短パルスレーザ光を伝播させ、
上記極短パルスレーザ光に対して透過性のある被加工物の内部のレーザ光軸方向の複数の異なる箇所を同時に加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２１】
フェムト秒又はピコ秒領域のパルス幅を有し、被加工物に照射する極短パルスレーザ光の単一のレーザパルス内の波長分布を制御し、
波長に依存して空間的に異なる位置に上記極短パルスレーザ光を伝播させ、
上記被加工物を移動、又は上記被加工物に照射する上記極短パルスレーザ光を走査させ、
上記極短パルスレーザ光の照射、波長分布の制御、及び被加工物の移動又は該極短パルスレーザ光走査のタイミングを制御して、該極短パルスレーザ光に対して透過性のある被加工物の内部のレーザ光軸方向の複数の異なる箇所を同時に加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２２】
請求項１９に記載のレーザ加工装置又は請求項２１に記載のレーザ加工方法により形成されたことを特徴とする、内部に空間的な微細欠陥構造を有する構造体。
【請求項２３】
請求項１９に記載のレーザ加工装置又は請求項２１に記載のレーザ加工方法により形成されたことを特徴とする、内部に屈折率変化領域を有する構造体。
【請求項２４】
請求項１９に記載のレーザ加工装置又は請求項２１に記載のレーザ加工方法により形成されることを特徴とする、少なくとも一部に上記極短パルスレーザ光により変質可能な領域を有し、該変質可能な領域の少なくとも一部に屈折率変化構造を形成した構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部変質点による微細形状を必要とする高精度部品の形成に関し、内部微細立体デバイス又は内部屈折率変調素子等を形成するレーザ加工装置、レーザ加工方法、及びこれらの加工装置又は加工方法により作製された構造体に関するものである。
このレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、光学記録装置の記録ピット形成、内部に屈折率変調部を有する光学素子の内部加工、内部に１層又は複数層の屈折率変調部を有する回折光学素子やホログラム素子の作製、マイクロマシンやマイクロセンサー等の内部加工、マイクロ流路等の内部構造を持つチップの加工等に利用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ内部加工に関する従来技術としては、次のようなものがある。
(１) 特開２００３−１９５０２３号公報
この公報には、「プラスチック透過型回折格子及びその製造方法」について、ピコ秒以下の短パルスレーザにより内部加工されたプラスチック透過型回折格子及びその製造方法が記載されおり、二光束干渉を利用した複数箇所の加工についても開示されている。
(２) 特開２００１−２１２７９６号公報
この公報には、「レーザ加工方法」について、１ピコ秒以下の短パルスレーザによる加工によって、レーザ波長の吸収率の異なる薄膜を積層させ、容易に３次元構造体を加工する方法が記載されている。
【０００３】
(３) 特開２００２−３１１４６６号公報
この公報には、「非線形光学素子及びその製造方法」について、石英ガラスにＧｅなどをドープした基板の一部に直流高電圧を印加し、そこに短パルスレーザ光を照射することにより、コア領域に光学的異方性を付与した非線形光学素子を製造する方法が記載されている。
(４) 特開２００２−１８２５４６号公報
この公報には、「光情報記録体、光情報記録体の情報記録方法、容器」について、超短パルスレーザを用いて透明基板内部に光の透過不透過のパターンを記録した振幅型計算機生成ホログラム（ＣＧＨ)であって、これを多層化した光情報記録体が記載されている。
【０００４】
(５) 特開２００１−３３２０９２号公報
この公報には、「超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法」について、超短光パルスレーザによりガラス内部に光誘起屈折率変化によるビットを三次元的に生成させ、この三次元に生成させたビットを加工用の該超短光パルスレーザよりも低エネルギーのレーザ光で照射し、この低エネルギーのレーザ光を該ビットより手前に集光することで該ビットを移動させ、ビットの書き換えを行うデータ書き換え方法が記載されている。
【０００５】
また、複数波長を用いたレーザ加工に関する従来技術としては、次のようなものがある。
(６) 特開平５−１０４２７６号公報
この公報には、「レーザ加工装置およびレーザによる加工方法」に関する発明が記載されており、これらの加工装置及び加工方法は次のように構成されている。
「レーザビームを発生するレーザ発振源と、レーザ発振源から発生するレーザビームを逓倍波とする逓倍波発生装置と、逓倍波とされたレーザビームと、レーザ発振源から発生するレーザビームとを被加工物に導くビーム光路とを有するレーザ加工装置。」及び
「レーザ発振源から発生するレーザビームを逓倍波とし、このレーザビームとレーザ発振源から発生するレーザビームとを被加工物に照射して被加工物を加工するレーザによる加工方法。」
【０００６】
(７) 特開平５−１９２７７９号公報
この公報には、「レーザ加工装置」に関する発明が記載されており、このレーザ加工装置は次のように構成されている。
「レーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を第１のレーザ光とこの第１のレーザ光よりも波長の短い第２のレーザ光に変調する変調手段と、該第１のレーザ光と第２のレーザ光とを集光して被加工物に照射する集光光学系と、この集光光学系と上記変調手段との間に設けられ上記第１のレーザ光を第２のレーザ光と異なる光路に導入して、この第１のレーザ光の上記集光光学系に至るまでの光路長を制御する光路補正手段と、上記第１のレーザ光の光路に設けられこの第１のレーザ光が上記集光光学系に到達する光量を制御する第１の光量制御手段と、上記第２のレーザ光の光路に設けられこの第２のレーザ光が上記集光光学系に到達する光量を制御する第２の光量制御手段とを具備したレーザ加工装置。」
【０００７】
(８) 特開２００２−２２４８７３号公報
この公報には、「レーザ加工方法およびその装置」に関する発明が記載されており、このレーザ加工方法は次のようなものである。
「異なる材質が積層されて形成された被加工体に固体レーザ発振器からのレーザ光を照射して所定個所に精密小孔を加工するレーザ加工方法において、該被加工体に同時に照射する複数のレーザ光の波長は、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍと波長４００ｎｍ以下の２波長以上を組み合わせたレーザ加工方法。」及び
「上記レーザ発振器の基本波から発生した２つ以上の高調波を同時に上記被加工体に照射する上述のレーザ加工方法。」
【０００８】
(９) 特開２０００−１９００８８号公報
この公報には、「レーザ加工装置および加工方法と被加工物」に関する発明が記載されており、このレーザ加工装置は次のようなものである。
「少なくとも異なる２つの波長のレーザ光を出力するレーザ手段と、これらの波長を選択するレーザ波長選択手段を設けたレーザ加工装置。」及び
「レーザ波長選択手段として、基本波長のレーザを発生するレーザ発振器と、基本波長のレーザ光から高調波波長を発生する高調波発生器を設けた上述のレーザ加工装置。」
【０００９】
前記従来のレーザ加工装置又はレーザ加工方法では、使用するレーザの波長領域において透明である物質内部を加工する際、被加工物表面からの深さ方向において同時に複数点でレーザを集光することが困難であった。また、加工パターンを自在に加工するためには、ステージを移動させるなど高精度な操作を必要とする困難な手法を用いていた。
【特許文献１】特開２００３−１９５０２３号公報
【特許文献２】特開２００１−２１２７９６号公報
【特許文献３】特開２００２−３１１４６６号公報
【特許文献４】特開２００２−１８２５４６号公報
【特許文献５】特開２００１−３３２０９２号公報
【特許文献６】特開平５−１０４２７６号公報
【特許文献７】特開平５−１９２７７９号公報
【特許文献８】特開２００２−２２４８７３号公報
【特許文献９】特開２０００−１９００８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、光学系又は被加工物を移動させるなどの高精度な操作をすることなく、被加工物表面から深さ方向において複数箇所で同時に加工し得るよう工夫することにより、従来技術の問題点を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題に対する解決手段は、レーザ光の波長分布を制御し、波長に依存して空間的に異なる位置にレーザ光を伝播させて、被加工物の表面から深さ方向において複数箇所を離散的にかつ同時に加工することが基本となる。
〔解決手段１〕（請求項１に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段１は、レーザ光を被加工物に照射して加工を行うレーザ加工装置を前提として、次の(イ)〜(ニ)によるものである。
(イ) フェムト秒又はピコ秒領域のパルス幅を有する極短パルスレーザ光を照射する単一のレーザ光源と、
(ロ) 上記極短パルスレーザ光の単一のレーザパルス内の波長分布を制御する波長分布調整手段と、
(ハ) 波長に依存して空間的に異なる位置に上記極短パルスレーザ光を伝播させる伝播手段とから構成され、
(ニ) 上記波長分布調整手段により上記極短パルスレーザ光の波長分布を制御することにより、該極短パルスレーザ光に対して透過性のある被加工物の内部のレーザ光軸方向の複数の異なる箇所を同時に加工することである。
【００１２】
〔作 用〕
レーザ光源としては、極短パルスレーザを利用することができる。この極短パルスレーザとしては、フェムト秒、ピコ秒領域のパルス幅を有するTi:Sapphireレーザ、又はファイバーレーザ等を利用することが可能である。特に、極短フェムト秒レーザでは、短パルス化のために原理的に発振パルス幅を広くする必要があり、数１０ｎｍ以上の広帯域で発振するレーザが開発されている。
このレーザ光源からの極短パルスレーザ光は、波長分布調整手段により波長ごとの強度を調整するか、又は一部の波長のみが選択的に取り出される。この波長分布調整手段は、時間経過と共にあるいはパルスごとに変化させることが可能であり、又は選択波長を変化させることも可能である。この波長分布が制御された光源からのレーザ光は、続いて配置される光学系に伝播される。
この光学系は、例えば波長により屈折率の異なるレンズや焦点の異なる回折素子を配置するなどして、空間的に光軸方向に照射位置の異なる点に集光されるようにする。この被加工物（被加工材料）は、レーザ光に同期して移動させることも可能である。このような光学系により波長に依存した加工位置変化を実現することができる。
【００１３】
この加工装置は極短パルスレーザ光を集光し、その近傍ではレーザ光照射強度が大きくなる。被加工物はレーザ光の集光点近傍で多光子吸収を起こし加工されるが、該レーザ光に対し透明である。
ここで、光源からの極短パルスレーザ光の波長ごとの強度調整、又は波長の選択を行うことにより、光軸方向のレーザ光照射分布を制御することができる。これを利用して加工を行うことにより、加工位置及び加工形状の制御が可能となる。このとき、波長分布を制御して照射するので、レーザ１パルス内で加工位置及び加工形状を調整することが可能となる。また、複数のレーザパルスを連続して照射することも可能である。この時、レーザパルスと波長選択手段に同期して、光軸方向に光学系又は被加工物を移動することにより広い範囲で深さの調整を行うことも可能である。また、被加工物を同期して他の方向へ移動することも可能である。
この加工に用いる極短パルスレーザ光は、単一波長領域においてブロードな分布を持つレーザ光に限らず、複数波長領域で発振するレーザ又は非線形効果による倍波を用いてもよい。
なお、ここで使用している「加工」とは、被加工物に力学的作用又は電磁波などを作用させることにより、所定部分に穴を開けること又は改質（変質）させることを意味する。
【００１４】
〔実施態様１〕（請求項２に対応）
実施態様１は、上記解決手段１のレーザ加工装置において、伝播手段が、波長により焦点距離が異なる少なくとも一組以上のレンズ又は回折素子から成り、極短パルスレーザ光の集光点近傍において加工を行うことである。
〔作 用〕
この実施態様１では、波長により空間的に異なる位置に極短パルスレーザ光を伝播する手段として、単レンズ又は回折格子を用いている。該レンズ又は回折格子は、２つ以上の組レンズで構成されてもよい。回折素子としては、フレネルレンズやホログラム素子を用いることが可能であり、またこれらを組み合わせて利用することもできる。
これら光学素子によりレーザ光は集光され、波長によって光軸方向に異なる位置に少なくとも一部が集光される。
また、高ピークパワーのレーザ光を用いることにより、多光子吸収を容易に起こすことが可能であり、これにより波長ごとに異なる位置での加工が可能となる。
【００１５】
〔実施態様２〕（請求項３に対応）
実施態様２は、上記解決手段１のレーザ加工装置において、伝播手段が、波長により焦点距離が異なる少なくとも一組以上のマイクロレンズアレイ又は回折光学素子から成り、複数箇所に極短パルスレーザ光を集光し、その近傍において加工を行うことである。
〔作 用〕
この実施態様２は、波長により空間的に異なる位置に極短パルスレーザ光を伝播する手段として、マイクロレンズアレイ又は回折光学素子を用いる。該マイクロレンズアレイ又は回折光学素子は２組以上で構成されてもよく、該回折光学素子としては、アレイ状のフレネルレンズやビーム分割機能を有するホログラム素子を用いることができる。また、これらを組み合わせて利用することも可能である。
これらの光学素子によりレーザ光は複数点に集光され、波長によって光軸方向に異なる位置に少なくとも一部が集光される。
また、高ピークパワーのレーザ光を用いることで、多光子吸収を容易に起こすことが可能であり、これにより波長ごとに異なる位置での加工が可能となる。
【００１６】
〔実施態様３〕（請求項４に対応）
実施態様３は、上記解決手段１、実施態様１、又は実施態様２のレーザ加工装置において、極短パルスレーザ光の走査手段を設けることである。
〔作 用〕
この実施態様３では、レーザ加工装置における極短パルスレーザ光の伝播に該レーザ光の走査手段を配置するものである。この走査手段は、例えばガルバノミラーやポリゴンミラー等を利用することが可能である。該走査手段は、レーザ光の発振又はレーザ光のシャッターと同期して制御されることが望ましい。また、被加工物を移動させる手段を用いて、この移動手段とも同期させて制御されることが望ましい。このとき、レーザ光の波長分布調整手段による波長分布と同期して制御し、波長分布を変化させて加工することもできる。該走査手段はレーザ光の１照射ごとに移動させる必要はなく、多数回のレーザ光照射後に走査することも可能である。
【００１７】
〔実施態様４〕（請求項５に対応）
実施態様４は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様３のいずれかのレーザ加工装置におい、波長分布調整手段が一つ以上の波長フィルタで構成されることである。
〔作 用〕
この実施態様４では、波長分布調整手段として一組以上の波長フィルタを用いている。この波長フィルタは、例えば色ガラスフィルタや多層膜を利用した干渉フィルタ等を用いることができる。薄膜を利用することで、赤外から深紫外、Ｘ線領域のレーザまで利用することが可能となる。
このとき、フィルタを数枚連続して利用することにより、様々な波長分布を形成することができ、またフィルタを複数枚、交換しながら連続して加工することも可能である。この場合、極短パルスレーザ光はフィルタを通して直接光伝播手段に伝送され、光伝播手段の波長による焦点距離の違いにより複数箇所で加工がなされる。
【００１８】
〔実施態様５〕（請求項６に対応）
実施態様５は、上記解決手段１、実施態様１〜実施態様３のいずれかのレーザ加工装置において、波長分布調整手段が、少なくとも一組以上の波長分散素子と空間的波長選択手段により構成されることである。
〔作 用〕
実施態様５では、極短パルスレーザ光の波長分布調整手段に一組以上の波長分散素子と空間的な波長選択手段が用いられている。この波長分散素子としては、例えばホログラム素子又はレンズ等の、波長により空間伝播位置を変化せしめる様々な素子を利用することができる。空間的な波長選択手段としては、空間的位置により光の透過を制限する金属板やスリット、ピンホール等様々な素子を利用することが可能である。
【００１９】
〔実施態様６〕（請求項７に対応）
実施態様６は、実施態様５のレーザ加工装置において、波長分散素子が回折格子であることである。
〔作 用〕
この実施態様６では、波長分散素子に回折格子を用いており、この回折格子は反射型、透過型のいずれを用いることもできる。この回折格子は、＋１次光の回折効率の高いものが望ましく、波長により空間的に分布が変化する配置とする。該回折格子を対にして用いることにより、波長選択後に波長による空間位置変化がなく、同軸の装置とすることができる。
【００２０】
〔実施態様７〕（請求項８に対応）
実施態様７は、実施態様５のレーザ加工装置において、波長分散素子がプリズムであることである。
〔作 用〕
この実施態様７では、波長分散素子にプリズムを用いており、該プリズムの頂角を変えることにより、波長による屈折角を制御することができる。これにより、波長に依存して空間的に異なる位置に極短パルスレーザ光を制御することができる。このとき、複数枚のプリズムを利用することもできる。波長により異なる位置にレーザ光を配置し、その後、空間的な波長選択手段により波長分布を制御し、この制御されたレーザ光を伝播する。このように波長分布が制御されたレーザ光を用いることにより、加工位置及び加工形状の制御を行うことができる。また、上記プリズムを無反射コーティングすることもできる。
【００２１】
〔実施態様８〕（請求項９に対応）
実施態様８は、実施態様５〜実施態様７のいずれかのレーザ加工装置において、空間的波長選択手段が光の透過率を制限するフォトマスクであることである。
〔作 用〕
実施態様８では、空間的波長選択手段にフォトマスクを用いており、このフォトマスクは、例えば透明基板上にＣｒを蒸着する等により形成可能であって、金属膜での反射を利用して空間的に光の透過領域を制御するものである。このとき、反射膜の膜厚を制御することにより、透過率を連続的に変化させるグレーマスクを利用することも可能である。
【００２２】
〔実施態様９〕（請求項１０に対応）
実施態様９は、上記実施態様８のレーザ加工装置において、フォトマスクを移動手段により移動させ、時間的に選択波長を変化させることである。
〔作 用〕
実施態様９では、フォトマスクの移動手段を設けている。これはフォトマスクを移動ステージ上に保持し、移動することにより達成可能である。このとき、移動手段はレーザ光照射タイミングと同期して移動することが望ましく、被加工物の移動手段と同期して移動することも可能である。また、複数のマスクパタンを用意しておき、その照射位置を移動手段によって制御することにより、様々なマスクパタンを利用することも可能である。
【００２３】
〔実施態様１０〕（請求項１１に対応）
実施態様１０は、上記実施態様５〜実施態様７のいずれかのレーザ加工装置において、空間的波長選択手段が空間強度変調器であることである。
〔作 用〕
この実施態様１０では、波長選択手段に空間強度変調器を用いており、この空間強度変調器（素子）は、時間的に反射又は透過量を変化させることが可能である。時間ごとに制御する場合は、極短パルスレーザ光照射タイミングと同期させて制御されることが望ましく、被加工物の移動手段を利用する場合には、この移動手段と同期して制御されることが望ましい。
【００２４】
〔実施態様１１〕（請求項１２に対応）
実施態様１１は、上記実施態様１０のレーザ加工装置において、空間強度変調器が、透過型液晶と偏光分離素子で構成されることである。
〔作 用〕
この実施態様１１では、波長選択手段として透過型液晶と偏光分離素子を設けることにより、偏光による極短パルスレーザ光強度の制御を行っている。この偏光分離素子には、偏光分離プリズムや回折格子などを利用することが可能である。
液晶素子は、時間的に透過光の偏光方向を変化させることが可能であり、外部制御素子により液晶パターンを変化できるように構成されている。この液晶素子の制御は、レーザ光の照射タイミングと同期させて制御されることが望ましい。また、被加工物の移動手段を利用する場合には、この移動手段と同期して制御されることが望ましい。
【００２５】
〔実施態様１２〕（請求項１３に対応）
実施態様１２は、上記実施態様１０のレーザ加工装置において、空間強度変調器が、複数の反射型素子で構成されることである。
〔作 用〕
この実施態様１２では、波長選択手段に複数の反射型素子を用いている。複数の反射型素子のパターンは外部制御素子により変化させ得るようにする。この複数の反射型素子としては、ＤＭＤ（ミラー型デバイス）を用いることができ、その制御は極短パルスレーザ光の照射タイミングと同期させて制御されることが望ましい。また、被加工物の移動手段を利用する場合には、この移動手段と同期して制御されることが望ましい。
【００２６】
〔実施態様１３〕（請求項１４に対応）
実施態様１３は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様１２のいずれかのレーザ加工装置において、少なくとも、極短パルスレーザ光の強度、又は波長ごとの極短パルスレーザ光強度を調整する手段を設けることである。
〔作 用〕
この実施態様１３では、極短パルスレーザ光の強度を調整する手段を設けており、この強度調整手段としては、ＮＤフィルター、偏光分離素子、グレーマスク等を用いることができる。空間的波長分布を形成する場合は、少なくとも一部の波長における極短パルスレーザ光強度を調整する手段を設けることも可能である。該強度調整手段は、レーザ発振又は被加工物の移動手段と同期させて制御することも可能である。
【００２７】
〔実施態様１４〕（請求項１５に対応）
実施態様１４は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様１３のいずれかのレーザ加工装置において、レーザ光源が広帯域で発振する白色レーザ又はチタンサファイアレーザであることである。
〔作 用〕
この実施態様１４では、光源に広帯域で発振する白色レーザ又はチタンサファイアレーザを用いており、また発振波長域の広い色素レーザなどを用いることが可能である。
【００２８】
（削  除）
【００２９】
〔実施態様１５〕（請求項１６に対応）
実施態様１５は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様１４のいずれかのレーザ加工装置において、極短パルスレーザ光の波長変換手段を有し、該波長変換手段により波長帯域を広げた光源を利用することである。
〔作 用〕
この実施態様１５では、波長変換手段により、入射レーザ光の波長変換した光源を用いる。この波長変換手段としては、例えば極短パルスレーザ光をガス導入した中空ファイバーに通過させ、波長を広帯域化した光源や、フォトニック結晶を利用して入射レーザ光の波長を広帯域化したものなどを利用することが可能である。
【００３０】
〔実施態様１６〕（請求項１７に対応）
実施態様１６は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様１５のいずれかのレーザ加工装置において、極短パルスレーザ光の伝播手段に屈折材料を用い、該極短パルスレーザ光の屈折を利用して被加工物の加工位置及び加工形状を制御することである。
〔作 用〕
この実施態様１６では、極短パルスレーザ光の伝播手段に屈折材料を用いる。この屈折材料としては、レンズやプリズム等を用いることが可能であり、これらを二つ以上同時に利用することもできる。この屈折材料は入射波長域に対して、分散の大きいものが望ましく、一部に分散のない素子と組み合わせて利用することも可能である。
このような屈折材料を用いることにより、波長よって屈折率が異なるので、例えば焦点位置を波長により変化させることが可能であり、これにより加工位置及び加工形状を制御することができる。
【００３１】
〔実施態様１７〕
実施態様１７は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様１５のいずれかのレーザ加工装置において、極短パルスレーザ光の伝播手段として、屈折した伝播レーザ光の光路長の長い光学素子を用いたことである。
〔作 用〕
この実施態様１７では、極短パルスレーザ光の伝播に分散を利用して空間的な伝播位置を制御する素子を配置し、その伝播距離を長くしている。伝播距離を長くすることにより、加工位置の調整を行うことが可能となり、その調整範囲を大きくすることができる。これは、例えばレンズを厚くするなどにより実現することができる。材料は入射波長域に対して、分散の大きいものが望ましく、一部に分散のない素子と組み合わせて利用することも可能であり、空間的に一部のみ加工位置を調整することができる。このとき、空間的に一部に素子を導入して、その加工位置を制御することも可能である。これは、例えばレーザの集光側の位置の少なくとも一部に平行透明基板を配置するなどして、実現することが可能である。
【００３２】
〔実施態様１８〕（請求項１８に対応）
実施態様１８は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様１５のいずれかのレーザ加工装置において、極短パルスレーザ光の伝播手段に回折光学素子を利用し、該回折光学素子の波長による焦点位置変化を利用することである。
〔作 用〕
この実施態様１８では、極短パルスレーザ光の伝播手段に回折光学素子を利用しており、この回折光学素子は基板上に透明パターンを形成したホログラム素子を利用することができる。この回折光学素子は、所望の波長域において所望の伝播位置へのレーザ光の導入を行うよう設計される。
一般に、回折光学素子は波長により伝播光路が変化するが、これを利用して波長分布を制御することにより、加工位置及び加工形状を制御することが可能である。また、回折光学素子ではレーザ光を複数のビームに分岐することも可能である。
【００３３】
〔実施態様１９〕（請求項１９に対応）
実施態様１９は、レーザ光を被加工物に照射して加工を行うレーザ加工装置を前提として、次の(ホ)〜(ヌ)によるものである。
(ホ) フェムト秒又はピコ秒領域のパルス幅を有する極短パルスレーザ光を照射する単一のレーザ光源と、
(ヘ) 上記極短パルスレーザ光の単一のレーザパルス内の波長分布を制御する波長分布調整手段と、
(ト) 波長に依存して空間的に異なる位置に上記極短パルスレーザ光を伝播させる伝播手段と、
(チ) 被加工物を移動する移動手段と、
(リ) 上記レーザ光源と波長分布調整手段と移動手段を制御する制御手段とから構成され、
(ヌ) 上記制御手段により、上記極短パルスレーザ光の照射、波長分布の制御、及び被加工物の移動のタイミングを制御して、該極短パルスレーザ光に対して透過性のある被加工物の内部のレーザ光軸方向の複数の異なる箇所を同時に加工すること。
〔作 用〕
この実施態様１９の作用は、大部分において前記解決手段１の作用と共通する。この実施態様１９では、被加工物はステージ等の移動手段に固定され移動可能であり、ＰＣ等の制御手段により、極短パルスレーザ光の照射、波長分布の制御、及び移動手段の移動を同期させて制御することによって、加工位置や加工形状を高精度に制御することができる。
【００３４】
〔解決手段２〕（請求項２０に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段２は、レーザ光を被加工物に照射して加工を行うレーザ加工方法であって、
フェムト秒又はピコ秒領域のパルス幅を有し、被加工物に照射する極短パルスレーザ光の単一のレーザパルス内の波長分布を制御し、波長に依存して空間的に異なる位置に該極短パルスレーザ光を伝播させ、該極短パルスレーザ光に対して透過性のある被加工物の内部のレーザ光軸方向の複数の異なる箇所を同時に加工することである。
〔作 用〕
この解決手段２の作用は、前記解決手段１の作用と共通するものである。
【００３５】
〔実施態様２０〕（請求項２１に対応）
実施態様２０は、レーザ光を被加工物に照射して加工を行うレーザ加工方法であって、  フェムト秒又はピコ秒領域のパルス幅を有し、被加工物に照射する極短パルスレーザ光の単一のレーザパルス内の波長分布を制御し、波長に依存して空間的に異なる位置に該極短パルスレーザ光を伝播させ、上記被加工物を移動又は上記被加工物に照射する該極短パルスレーザ光を走査させ、
上記極短パルスレーザ光の照射、波長分布の制御、及び被加工物の移動又は該極短パルスレーザ光走査のタイミングを制御して、該極短パルスレーザ光に対して透過性のある被加工物の内部のレーザ光軸方向の複数の異なる箇所を同時に加工することである。
〔作 用〕
この実施態様２０の作用は、前記実施態様１９の作用と共通するものである。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の効果を主な請求項毎に整理すると、次ぎのとおりである。
(１) 請求項１及び請求項１９〜請求項２１に係る発明
(ａ) 波長の強度分布を制御することにより精密な加工位置及び加工形状の制御が可能となり、また極短パルスレーザ光１パルスごとに加工位置及び加工形状の制御が可能である。
(ｂ) 色収差や波長分散を利用することにより、単レンズなどの安価な光学系を利用することができる。
(ｃ) 広帯域のレーザやフェムト秒レーザでも精密な制御が可能である。
(ｄ) 複数回照射しても加工領域の変化を制限することができる。
(ｅ) 透明体内部に加工点を設計することができるので、微細穴でかつ位置制御が可能である。
(ｆ) 回折限界以下の微細加工、高精度の位置決め、又は高精度の穴径制御が可能である。
(ｇ) 透明体において、その表面からの改質（変質）領域の位置制御が、光学系又は被加工物を移動することなく実現することができる。
(ｈ) 透明体内部の任意の位置に、任意個数の形状、又は３次元的に任意の形状を加工することができる。
(ｉ) 極短パルスレーザ光の波長分布の制御と、被加工物又は光学系の移動を行うことにより、被加工物表面からの位置制御範囲を拡大することができる。
(ｊ) 加工位置をステージ移動等により走査することにより、表面からの位置の異なった領域を点又は連続形状に加工することができる。
(ｋ) 多光子吸収を用いることにより微細な加工が可能となる。
(ｌ) フェムト秒レーザでは原理的に広帯域となり、特に改良することなく広帯域のレーザとして利用することができる。短パルス光源を利用することにより、熱伝播を抑制した高精度の加工が可能となり、熱伝播によるエネルギーロスが少なく、低エネルギー加工が可能となる。また、高ピークパワーのために、透明体の多光子吸収を起こすことが容易となり、低エネルギーで透明体の除去や改質加工が可能となる。
【００３７】
(２) 請求項２に係る発明
伝播手段がレンズ又は回折素子から成ることにより、単純で安価な加工装置とすることができる。また、レンズや回折素子の材料を選択することにより、広い波長幅において利用することができる。
レンズ系では、ＢＫ７、溶融石英等の様々な材料を利用することができる。また、回折素子では、設計の自由度が高く、所望の位置への集光が可能となる。
(３) 請求項３に係る発明
伝播手段がマイクロレンズアレイ又は回折光学素子から成ることにより、被加工物に入射する極短パルスレーザ光の進行方向に対して垂直である該被加工物の平面において、複数の箇所への同時加工ができ、高速のパタン形成が可能となる。また、周期的な形状を連続的に形成することが容易となる。
【００３８】
(４) 請求項４に係る発明
走査手段を設けたことにより、複数点の加工を高速に行うことが可能であり、大面積の処理（加工）を容易に行うことができる。２次元的な移動により任意の位置の加工が可能であり、ステージと同期することにより更に大面積の加工が可能となる。
(５) 請求項５に係る発明
波長フィルタを用いることにより、シンプルで安価な加工装置となり、所望の加工位置の制御が可能である。また、該フィルタを組み合わせることにより、様々な波長を選択することができる。さらに、フィルタを交換しながら利用することにより、様々な加工位置及び加工形状の制御が可能となる。
【００３９】
(６) 請求項６に係る発明
波長分布を空間的な位置制御によって行うことにより、波長分布制御が容易になる。
波長分布を位置に変換することにより、高精度な波長分布制御が可能となる。また、波長分布調整手段が安価になり、高速な制御が可能となるばかりでなく、複雑な波長分布形成も容易となる。
(７) 請求項７に係る発明
波長分散素子が回折格子であることにより、高効率で波長分布を空間強度分布に変換することができるので、波長の選択が容易となり、高精度な波長分布制御が可能となる。回折格子を対にして用いることにより、波長選択後に波長による空間位置変化がなく、同軸の配置とすることができる。特に、反射型では、広い入射波長域において利用することが可能である。
【００４０】
(８) 請求項８に係る発明
プリズムの頂角を制御することにより、波長による空間分布を有する平行光を利用することができる。また、反射ミラーを用いた光学配置が可能となるので、波長選択が容易となり、高精度の波長分布制御が可能となる。そして、プリズムは入手しやすく低コストの素子であり、調整も容易である。
(９) 請求項９に係る発明
フォトマスクは製造が容易であり、高精度な空間位置制御（波長分布制御）が可能であり、幅広い波長域において利用することができる。回折格子やプリズムによる空間波長分散を用いる場合には、スリット状のマスクでよく、長いスリットを設けることにより、波長分散方向（一方向）への調整のみで制御が可能である。また、グレーレベルマスクを用いることにより、精密な波長制御や強度の制御も同時に行うことができる。
【００４１】
(１０) 請求項１０に係る発明
極短パルスレーザ光の照射タイミングに合わせてマスクパタンを移動させることにより、時間的に波長分布を変化させながら加工を行うことができる。これにより、加工位置及び加工形状を時間ごとに制御することが可能となる。また、被加工物の移動と同期して制御することにより、さらに大面積の加工が可能となる。さらに、透過スリットの位置を連続的に移動することにより、加工位置を連続的に制御することができ、高精度の深さ制御が可能となる。
(１１) 請求項１１に係る発明
空間的波長選択手段が空間強度変調器であることにより、伝播光の強度分布を様々な形状に変化させることが容易にできる。また、時間ごとに強度変化をさせることが可能であって、制御性も高い。単一の素子により様々な透過形状に制御することが可能であり、入手することが容易であり、その制御も容易である。
【００４２】
(１２) 請求項１２に係る発明
空間的強度変調器が透過型液晶と偏光分離素子で構成されることにより、伝播光の強度分布を様々な形状に変化させることが容易にできる。また、グレーレベルの強度調整を行うことができ、さらに単一の素子で様々な透過形状に制御することが可能である。これらの素子は入手することが容易であり、その制御も容易である。
(１３) 請求項１３に係る発明
単一の素子により強度分布を様々な形状に制御することができ、時間ごとに強度変化をさせることが可能であって制御性も高い。また、透過型に比べて光の利用効率が高い。そして、これらの素子は入手が容易であり制御も容易である。
【００４３】
(１４) 請求項１４に係る発明
極短パルスレーザ光の強度を調整することにより、加工位置での強度分布を精密に制御することが可能となり、これにより加工位置及び加工形状を精密に制御することができる。また、波長による強度を調整することにより、波長ごとの照射強度を調整することが可能となり、さらに加工位置及び加工形状の精密な制御が可能となる。
(１５) 請求項１５に係る発明
レーザ光源の発振波長が広帯域であることにより、波長分散を利用した光伝播手段による加工位置の制御幅を広くすることができる。また、波長分散を利用した光伝播手段の選択幅を広げることができる。そして、容易に入手可能な波長分散素子を利用することが可能となる。
【００４４】
(１６) 請求項１６に係る発明
入射レーザ光を波長変換手段で広帯域化することにより、波長分散の効果を高めることができる。また、波長分布の制御性を高めることができるので、加工位置精度や制御性を高めることが可能であり、さらに加工位置及び加工形状の範囲を広げることができる。
【００４５】
(１７) 請求項１７に係る発明
伝播手段に波長分散の大きい屈折材料を用いることにより、加工位置及び加工形状の制御範囲を大きくすることができる。また、複数の素子を利用することにより、さらに深さ制御範囲を広げることができる。
通常レーザ加工において用いられるアクロマティックレンズや対物レンズ等の高価な素子を利用する必要がなく、単レンズのみのシンプルな構成とすることができる。このような安価な素子を利用することが可能であり、加工装置の製作コストを低減することができる。
【００４６】
(１８) 請求項１８に係る発明
伝播手段に回折光学素子を利用することにより、この回折光学素子の設計によって任意の加工位置への光の伝播が可能となり、深さの精密な制御ができるので、高精度な加工位置及び加工形状の制御が可能である。また、複数に分岐することで、同時に多点で被加工物の表面からの位置を制御して加工することが可能である。これは同時に複数ビームによる表面からの深さ位置の制御に利用することも可能である。
(１９) 請求項２２に係る発明
深さ方向加工位置の精密な制御がなされた穴形状を有する構造体（素子）であり、回折素子、ＭＥＭＳ素子、又はマイクロ流路等の機能を果たすものである。また、これら素子の複製用原版としても用いることができる。
【００４７】
(２０) 請求項２３に係る発明
深さ方向の位置が精密に制御された屈折率変調部を有しており、屈折率変調型回折素子、光導波路、ホログラム素子、又は多層型の記録媒体としての機能を果たすことが可能である。
(２１) 請求項２４に係る発明
極短パルスレーザ光に対する屈折率変化の容易な材料を用いることができるので、低エネルギー、高速加工が可能である。照射位置がずれた場合でも加工位置の変化を抑えることができるので、高精度な加工位置制御が可能である。また、加工位置制御が容易であり、変質層のみの空間選択的な加工が可能であり、加工幅を変質層の厚みで制御することが可能である。
記録媒体として利用することが可能であり、エラーの少ない記録媒体を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
光学系又は被加工物を移動させるなどの高精度な操作をすることなく、被加工物の表面から深さ方向に複数箇所同時に加工するという目的を、波長分布調整手段と波長により異なる箇所に集光させる伝播手段を用いるという単純な構成により低コストで実現した。
【実施例１】
【００４９】
本発明の実施例１（請求項１,２０に対応）について、図１を参照しながら説明する。図１はレーザ加工装置の一例を示すものである。
Ti:Sahhireレーザ等の比較的波長分布の広いレーザ１０からのレーザ光１１は、波長分布調整手段（波長選択手段）１２により波長分布を調整する。図では回折格子等で波長分散され空間的に波長分布を生じさせ、その透過光を空間的に選択することにより波長分布を図中のグラフのように制御する。その後、例えばレンズ等の光学素子１３により集光される。レンズ等の光学素子材料には波長による分散があるため、波長による焦点距離が異なり、波長ごとに集光点が異なる。このときの加工位置でのレーザ光１５の振る舞いを図１(ｂ)に示す。この図に示されているように、例えば５つの波長であれば集光点がそれぞれ異なる。ここで、それぞれの波長での照射強度を独自に調整することにより、照射位置での全光照射分布を制御することが可能となる。一般に、レーザ加工では照射強度の足し合わせが加工分布に影響を与えるため、特に波長分布をコントロールすることにより、光軸方向における集光位置及び照射強度を制御し、その結果、加工位置でのレーザ照射強度分布を制御することが可能となる。これにより、被加工物１４に対する加工位置及び加工形状の制御が可能となる。
また、このとき時間的にある波長成分のみを遅延して照射することも可能であり、このようにすることにより、例えば被加工物の上面側から順次加工を進めるというような、波長分布を利用した加工も可能となる。
【実施例２】
【００５０】
本発明の実施例２（請求項２に対応）について、図２を参照しながら説明する。図２はレーザ加工装置における光を伝播させる手段の一例を示すものである。
この実施例２は、レーザ加工装置において、光を伝播させる手段としてレンズを用いたものである。波長分布が制御されたレーザ光２１は波長分散を有するレンズ２２により集光される。このとき、例えばある波長のレーザ光は破線の位置２３に、また別の波長のレーザ光は実線の位置２４にそれぞれ集光される。これによって、加工位置と加工形状を制御することが可能となる。この時、一般の高精度加工で用いられる色消しレンズ等の複雑な光学系を用いることなく、単一のレンズを用いても制御することが可能である。
【実施例３】
【００５１】
本発明の実施例３（請求項３に対応）について、図３を参照しながら説明する。図３はレーザ加工装置における光を伝播させる手段の一例を示すものである。
この実施例２は、レーザ加工装置において、光を伝播させる手段としてマイクロレンズアレイを用いたものであり、波長分布が制御されたレーザ光３１は、波長分散を有するマイクロレンズアレイ３２により集光される。このとき、例えばある波長のレーザ光は破線の位置３３に、また別の波長のレーザ光は実線の位置３４に集光される。これによって、前記実施例１と同じ原理により加工位置と加工形状を制御することが可能となる。このとき、一般の高精度加工で用いられる色消しレンズ等の複雑な光学系を用いることなく、単一のレンズアレイを用いて制御することが可能である。
【実施例４】
【００５２】
本発明の実施例４（請求項４に対応）について、図４を参照しながら説明する。図４はレーザ加工装置におけるレーザ光の走査手段を示すものである。
この実施例４は、前記実施例１〜実施例３において、レーザ光の伝播にガルバノミラーやポリゴンミラー等のレーザ光走査手段を配置したものである。前記実施例１（図１参照）のレーザ加工装置における波長分布調整手段によって波長分布が制御されたレーザ光４１は、例えばガルバノミラー４２を利用することにより、空間的にその照射位置が制御される。このレーザ光４１は、レンズ４３を通過し空間的に異なる位置４４ａ,４５ａ,４４ｂ,４５ｂに照射される。このとき、前記実施例１〜実施例３のものと同じ作用により、加工位置及び加工形状が制御される。
【実施例５】
【００５３】
本発明の実施例５（請求項５に対応）について説明する。
この実施例５は、前記実施例１（図１参照）のレーザ加工装置における波長分布調整手段として、一組以上の波長フィルタを用いるものである。この波長フィルタは、例えば色ガラスフィルタや多層膜を利用した干渉フィルタ等を用いることが可能である。薄膜を利用することにより、赤外から深紫外、Ｘ線領域のレーザまで利用することが可能となる。
このとき、フィルタを数枚連続して利用することにより、さまざまな波長分布を形成することが可能である。この場合は、フィルタを複数枚交換しながら連続して加工することもできる。
このように波長フィルタ用いるときは、レーザ光はフィルタを通して直接光伝播手段に伝送され、この光伝播手段の波長による焦点距離の違いにより、前記実施例１〜実施例４のものと同様な作用により加工がなされる。
【実施例６】
【００５４】
本発明の実施例６（請求項６に対応）について説明する。
この実施例６は、前記実施例１（図１参照）のレーザ加工装置における波長分布調整手段として、一組以上の波長分散素子と空間的な波長選択手段を用いるものである。該波長分散素子としては、ホログラム素子やレンズ等の波長により空間伝播位置を変化せしめるさまざまな素子を利用することが可能である。また該空間的な波長選択手段としては、空間的位置により光の透過を制限する金属板やスリット、ピンホール等の様々な素子を利用することが可能である。
【実施例７】
【００５５】
本発明の実施例７（請求項７に対応）について、図５を参照しながら説明する。図５はレーザ加工装置の波長分布調整手段の一例を示すものである。
この実施例７は、前記実施例６の波長分布調整手段における波長分散素子として、回折格子を用いるものである。レーザ光５１は第１の回折格子５２ａに入射される。このとき第１の回折格子５２ａは入射波長に対して、例えば＋１次の方向への回折効率が最大となる構成とする。この第１の回折格子５２ａにより波長ごとに異なった反射角で光が伝播され、第２の回折格子５２ｂに入射する。この第２の回折格子５２ｂは上記第１の回折格子と同一の素子が用いられ、角度を調整することで平行光として反射する。このとき波長により入射位置が異なるため、第２の回折格子５２ｂで反射されたレーザ光は空間的に波長分布が存在することになる。例えば、短波長側は図の下側を、長波長側は図の上側を通過するような構成とすることが可能である。ここで、空間波長選択手段５３により、空間的にレーザ光の透過を制限することにより、レーザ光の波長分布を制御することが可能となる。
この後、さらに上記第１及び第２の回折格子と同様の回折格子対５５ａ,５５ｂの反射を利用することにより、波長分布が制御されたレーザ光５４を形成することが可能となる。また、対の回折格子の代わりに全反射ミラーを用いることも可能である。
このように回折格子を利用する場合、この回折格子のピッチを調整することにより、空間的波長分布を制御することができる。
【実施例８】
【００５６】
本発明の実施例８（請求項８に対応）について、図６を参照しながら説明する。図６はレーザ加工装置の波長分布調整手段の一例を示すものである。
この実施例８は、前記実施例６の波長分布調整手段における波長分散素子として、プリズムを用いるものである。レーザ光６１は偏光ビームスプリッター６６を通過して１対のプリズム６２ａ,６２ｂに入射される。このとき、入射レーザの偏光を偏光ビームスプリッタ６６の透過率が最大となる方向とする。この一対のプリズム６２ａ,６２ｂの頂角と位置を設定することにより、プリズム通過後のレーザ光は波長により空間的に分布が生じた平行光となる。
ここで、空間波長選択手段６３によって空間的にレーザ光の透過を制限することにより、入射レーザ光の波長分布を制御することができる。
【００５７】
この後、さらに１／４波長板６５により円偏光とされたレーザ光は、反射ミラー６４で反射されて同一の光路に戻される。該１／４波長板６５を再度通過することにより、反射されたレーザ光の偏光方向は９０度変化され、上記空間波長選択手段６３とプリズム６２ａ,６２ｂを透過し、再度偏光ビームスプリッタ６６に入射したレーザ光は反射され、図の上方向にレーザ光７６として伝播される。
この場合、プリズム対６２ａ,６２ｂに同一の頂角のものを用いることにより、容易に本実施例の構成を実現することができる。さらに、該一対のプリズムに無反射コーティングを施すことにより、ロスなく高効率で波長分布を空間強度分布に変換することができる。
【実施例９】
【００５８】
本発明の実施例９（請求項９,１０に対応）について説明する。
この実施例９は、前記実施例６（図１参照）の波長分布調整手段における空間的な波長選択手段として、フォトマスクを用いるものである。フォトマスクは、例えば透明基板上にＣｒを蒸着する等によって形成可能であり、金属膜での反射を利用して空間的に光の透過領域を制御する。このとき、反射膜の膜厚を制御することにより、透過率を連続的に変化させたグレーマスクを利用することもできる。
そして、上記フォトマスクの移動手段を設けることもできる。これはフォトマスクを移動ステージ上に保持し、該ステージを移動することにより達成可能である。このとき、フォトマスクの移動手段はレーザ照射タイミングと同期して移動することが望ましく、被加工物の移動手段と同期して移動することも可能である。
また、複数のマスクパタンを用意しておき、その照射位置を上記移動手段によって制御することにより、様々なマスクパタンを利用することもできる。
【実施例１０】
【００５９】
本発明の実施例１０（請求項１１に対応）について、図７を参照しながら説明する。図７はレーザ加工装置の波長分布調整手段の一例を示すものである。
この実施例１０は、前記実施例６の波長分布調整手段における空間的な波長選択手段として、空間強度変調器を用いるものである。この空間強度変調器としては、透過型の液晶や反射型の液晶素子、反射型のＤＭＤ（デジタルマイクロミラー）、ＭＥＭＳ素子等を利用することが可能である。
【００６０】
レーザ光７１は、偏光分離素子７２と１／４波長板７３を通過して、回折格子対７４を利用して空間的に波長分布を形成する。このレーザ光は、空間強度変調器であるＤＭＤ素子７５によりレーザ光の一部が反射されて元の光路を戻る。他の一部は異なる方向に反射されて利用されないように調整される。元の光路を戻ってきたレーザ光は再度１／４波長板７３を通過することのより、偏光角度が９０度回転され、偏光分離素子７２により反射される。これにより、偏光分離素子７２を通過したレーザ光は波長分布が制御される。このとき、ＤＭＤデバイスのパタンを変化させることにより、任意の波長分布を形成することが可能となる。
このように、本実施例の波長分布調整手段を通過したレーザ光７６は、波長分布が制御されているため、このレーザ光７６を用いてレンズ等の光学素子を透過させ被加工物を照射することにより、前記実施例６のものと同様に加工位置や加工形状を制御することが可能となる。
【実施例１１】
【００６１】
本発明の実施例１１（請求項１２に対応）について、図８を参照しながら説明する。この図８は、レーザ加工装置の波長分布調整手段の一例を示すものであり、(ａ)は透過型として利用するもの、(ｂ)は反射型として利用するものである。
この実施例１１は、前記実施例１０の空間強度変調器として、透過型液晶を用いるものである。レーザ光８１は、回折格子対８２ａ,８２ｂを利用して空間的に波長分布が形成される。このレーザ光は透過型液晶８３により光の一部の偏光が回転され、このとき中間値を入力することで、任意の方向に偏光角を制御することが可能である。この液晶８３を透過したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ８４により偏光方向に依存し、ある偏光成分は反射し、残りの偏光成分は透過する。その結果、透過光の波長分布が制御される。その後、回折格子対８２ｃ,８２ｄにより空間分布を制御することにより、この実施例の光学系を通過した後のレーザ光８５は、波長分布及び波長ごとのレーザ強度が制御されている。このレーザ光８５を用いて、その後の光学素子により前記実施例７〜実施例９のものと同様な作用によって、被加工物の表面から深さ方向の加工位置を制御することが可能となる。（図８(ａ)）
【００６２】
このような波長分布調整手段では、図８(ｂ)に示すように反射型として利用することも可能である
レーザ光８６は偏光ビームスプリッタ９１を通過し、回折格子対８７ａ,８７ｂにより空間的に波長分散される。その後、液晶素子８８と反射ミラー８９（又は反射型液晶）を配置することにより、空間的に偏光方向の異なったレーザ光を往きと同じ光学系により、再度偏光ビームスプリッタ９１に戻す。このレーザ光の偏光方向により、該偏光ビームスプリッタ９１において一部が反射されて波長分布が制御されたレーザ光９０となる。このレーザ光９０を利用することにより、上記の透過型のものと同様の作用・効果を奏することができる。この実施例の波長分布調整手段は光学系が単純であり、素子の数を低減することができるというメリットを有する。
【実施例１２】
【００６３】
本発明の実施例１２（請求項１３に対応）について説明する。
この実施例１２は、前記実施例１０（図７参照）の空間強度変調器として、複数の反射型素子を用いるものである。
外部制御素子により複数の反射型素子のパターンを変化させ得るようにする。この複数の反射型素子としては、ＤＭＤ（ミラー型デバイス）を用いることができる。この反射型素子の制御はレーザ照射タイミングと同期させて制御されることが望ましい。 
また、被加工物の移動手段を利用する場合には、この移動手段と同期して制御されることが望ましい。
【実施例１３】
【００６４】
本発明の実施例１３（請求項１４に対応）について、図９を参照しながら説明する。図９はレーザ加工装置におけるレーザ光の強度調整手段の一例を示すものである。
この実施例１３は、前記実施例１（図１参照）のレーザ加工装置において、レーザ光の強度を調整する強度調整手段を設けたものである。例えば、入射レーザ光の初期の波長分布が図中左に示す分布であるとする。このとき、例えば図５（実施例７）に示す光学系において、空間的にレーザ光の透過を制限する手段の前面に、空間的に透過率の異なるグレーマスク９５を配置する。これによって透過波長の強度を制御することが可能となり、例えば図中右に示すように、透過光の波長ごとの強度分布を平滑にする等の操作が可能となる。このように波長ごとの強度が平滑化されると、その結果、精密な加工位置及び加工形状の制御が可能となる。
【実施例１４】
【００６５】
本発明の実施例１４（請求項１５,１６に対応）について説明する。
この実施例１４は、前記実施例１〜実施例１３のレーザ加工装置において、レーザ光源を選定して用いることにより、加工位置精度及びその制御性を高め、高精度加工や低エネルギー加工を可能にし、また波長分布の制御を容易にするものである。
レーザ光源として、広帯域で発振するレーザ、例えば、白色レーザ、発振波長域の広い色素レーザ、又はTi:Sapphireレーザ等を用いることができる。
また、レーザ光源として、極短パルスレーザ、例えば、フェムト秒、ピコ秒領域のパルス幅を有するTi:Sapphireレーザ、又はファイバーレーザ等を利用することができる。特に、極短フェムト秒レーザでは、短パルス化のために原理的に発振パルス幅を広くする必要があり、数１０ｎｍ以上の広帯域で発振するレーザが開発されている。
さらに、レーザ光源として、波長変換手段により入射レーザ光の波長変換したものを用いることができる。上記波長変換手段としては、例えば、極短パルスレーザ光をガス導入した中空ファイバーに通過させ、波長を広帯域化した光源や、フォトニック結晶を利用して、入射レーザ光の波長を広帯域化したもの等を利用することが可能である。
【実施例１５】
【００６６】
本発明の実施例１５（請求項１７に対応）について説明する。
この実施例１５は、前記実施例１〜実施例１４のレーザ加工装置におけるレーザ光の伝播手段について、それを構成する屈折材料や素子について特定することにより、加工位置や加工形状の制御範囲を大きくしたり、簡単な構成で製作コストを安価にするものである。
レーザ光の伝播手段に分散の大きい屈折材料を用いる。屈折材料としては、レンズやプリズム等を用いることが可能であり、これらを二つ以上同時に利用することもできる。屈折材料は入射波長域に対して分散の大きいものが望ましく、一部に分散のない素子と組み合わせて利用することも可能である。
このような屈折材料を用いることにより、波長よって屈折率が異なるので、例えば焦点位置を波長により変化させることが可能であり、これにより加工位置及び加工形状を制御することができる。
【００６７】
また、レーザ光の伝播に分散を利用して空間的な伝播位置を制御する素子を配置し、その伝播距離を長くすることである。このような構成は、例えばレンズを厚くするなどして実現可能である。材料は入射波長域に対して分散の大きいものが望ましく、一部に分散のない素子と組み合わせて利用することも可能である。この場合、空間的に一部に素子を導入し、その加工位置を制御することも可能である。このような構成は、例えばレーザ光の集光側の位置の少なくとも一部に平行透明基板を配置するなどして、実現することが可能である。
【実施例１６】
【００６８】
本発明の実施例１６（請求項１８に対応）について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、レーザ加工装置におけるレーザ光の伝播手段の一例を示すものである。
この実施例１６は、前記実施例１（図１参照）、実施例５〜実施例１４（図５〜図９参照）のレーザ加工装置におけるレーザ光の伝播手段として、回折格子を利用したものである。例えば、入射レーザ光１０１を、２点に分岐して集光するホログラフィック素子１０２に入射し、空間的に同時に２点集光加工を行う。このとき、波長分布制御を行うことにより、同時に２個所１０３,１０４において内部加工が可能である。また、この場合にレーザ走査又は被加工物を移動することにより、大面積の加工が実現できる。
【実施例１７】
【００６９】
本発明の実施例１７（請求項１９,２１に対応）についてレーザ加工装置およびレーザによる加工方法、図１１を参照しながら説明する。図１１は、レーザ加工装置の一例を示すものである。
この実施例１７は、前記実施例１〜実施例１６のレーザ加工装置において、それぞれの構成手段を制御手段により同期して制御することにより、加工深さや位置を制御するものである。
極短パルスレーザ１１１から出射された広帯域のレーザ光は、レーザ強度調整手段１１２により強度を調整され、空間波長分散・波長分布調整手段１１３に伝播される。この空間波長分散・波長分布調整手段１１３により波長分布が制御されたレーザ光は、ミラー１１４等で伝播され、波長により焦点位置のことなるレンズなどの光伝播手段１１５により被加工物１１６表面近傍に照射される。この被加工物（被加工材料）１１６はステージ１１７上に固定され、コントローラ１１８等により移動される。極短パルスレーザ１１１の発振タイミング、レーザ強度調整手段１１２、波長分布調整手段１１３、及びステージ１１７は、ＰＣ等の制御手段により同期して制御される。これらの各手段を制御することにより、加工する深さや位置を精密に制御し得る加工装置とすることができる。
【００７０】
以上において説明した実施例１〜実施例１７は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものであるが、ここでは、上記実施例１７（図１１参照）のレーザ加工装置やレーザ加工方法により作製した構造体（素子）について説明する。
第１の構造体は、特に、高精度に加工位置や加工形状が制御され、微細な穴又は屈折率変化領域を透明体内部に有するものである。加工形状は、ドット状、線状、又は線を重ねた面状とすることができ、深さは均一である必要はなく、部分的に深さが異なる構造であってもよい。
例えば、図１２に示されているように、被加工物１２１に連続孔１２２を形成することができる。このように加工された素子は、深さ方向の加工位置が精密に制御された穴形状を有するものであり、回折素子等の光学素子、ＭＥＭＳ素子、マイクロ流路、又はこれらの素子の複製用原版として利用することが可能である。
【００７１】
また、第２の構造体は、特に、表面からの深さ方向の位置を高精度に制御された屈折率変調部を有するものである。加工形状は、ドット状、線状、又は線を重ねた面状とすることができ、深さは均一である必要はなく、部分的に深さが異なる構造であってもよい。
例えば、図１３に示されているように、被加工物１３１にパタン状の変質点１３２を形成することができる。このように変質点を自在に配置することが容易であるため、フォトニッククリスタルや導波路などの光学素子、ホログラム素子、屈折率変調型回折素子、又は多層型の記録媒体として利用することが可能である。また、レーザ光に対する吸収変化の大きい材料を用いることができ、低エネルギーで高速加工が可能である。
【００７２】
また、第３の構造体は、特に、表面からの深さ方向の位置を高精度に制御された屈折率変調部を有するものである。
この構造体では、構造体内部にレーザ光により容易に変質する透明領域を設けて、この領域に対して選択的に加工を行う。変質領域は層状又はライン状に配置することができる。例えば、変質が容易な層と非変質層を多層に配置することにより、変質領域を空間選択的に加工することができる。このとき、層の厚みを制御することにより変質領域の大きさを制御することが可能である。加工形状はドット状、線状、又は線を重ねた面状とすることができる。深さは均一である必要はなく、部分的に深さが異なる構造であってもよい。
【００７３】
例えば、図１４に示されているように、被加工物１４０にパタン状の変質点１４３を形成することが可能である。この被加工物１４０には、加工用のレーザ光波長で変質しない透明部１４１及び該レーザ光波長で変質する透明部１４２が層状に設けてあり、上記実施例１７（図１１参照）のレーザ加工装置により、変質部周辺においてそれぞれ複数点で集光が可能であるため、波長パタンを時間的に変化させることにより、変質点１４３を自在に配置することができ、記録媒体に利用することが可能である。また、集光部を長く設計しても、上記変質する透明部（変質層）１４２のみが確実に変質するため、エラーの少ない記録媒体が実現可能である。
そして、加工レーザ光に対して屈折率変化の容易な材料を用いることができ、低エネルギーで高速加工が可能である。照射位置がずれた場合でも加工位置の変化を抑えることができ、加工位置制御が容易であり高精度の加工位置制御が可能である。また、変質層のみの空間選択的な加工をすることができ、加工幅を変質層の厚みにより制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】は、本発明の実施例１のレーザ加工装置を説明する図である。(ａ)は基本的なレーザ加工装置の模式図であり、(ｂ)は加工位置におけるレーザ光の振る舞いを示す模式図である。
【図２】は、実施例２において、レンズにより集光したレーザ光の振る舞いを示す模式図である。
【図３】は、実施例３において、マイクロレンズアレイにより集光したレーザ光の振る舞いを示す模式図である。
【図４】は、実施例４において、ガルバノミラーによるレーザ光の振る舞いを示す模式図である。
【図５】は、実施例７における波長分布調整手段を説明する模式図である。
【図６】は、実施例８における波長分布調整手段を説明する模式図である。
【図７】は、実施例１０における波長分布調整手段を説明する模式図である。
【図８】は、実施例１１における波長分布調整手段を説明する模式図である。
【図９】は、実施例１３における強度調整手段を説明する模式図である。
【図１０】は、実施例１６において、レーザ光の伝播手段である回折素子によるレーザ光の振る舞いを示す模式図である。
【図１１】は、実施例１７のレーザ加工装置を説明する模式図である。
【図１２】は、本発明のレーザ加工装置により作製された構造体の模式図である。
【図１３】は、本発明のレーザ加工装置により作製された別の構造体の模式図である。
【図１４】は、本発明のレーザ加工装置により作製された更に別の構造体の模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０,１１１‥‥レーザ、レーザ光源（極短パルスレーザ）
１１,２１,３１,４１‥‥レーザ光          １２,１１３‥‥波長分布調整手段
１３‥‥光学素子（レンズ等）
１４,１１６,１２１,１３１,１４０‥‥被加工物（被加工材料）
２２,４３‥‥レンズ                      ３２‥‥マイクロレンズアレイ
４２‥‥ガルバノミラー
５１,６１,７１,８１,８６,１０１‥‥レーザ光
５２,５５,７４,８２,８７‥‥回折格子
５３,６３‥‥空間波長選択手段            ６２‥‥プリズム
６４,８９,１１４‥‥反射ミラー           ６５,７３‥‥１／４波長板
６６,８４,９１‥‥偏光ビームスプリッタ
７２‥‥偏光分離素子                     ７５‥‥ＤＭＤ素子
８３,８８‥‥液晶素子                    ９５‥‥グレーマスク
１０２‥‥ホログラフィック素子           １１２‥‥レーザ強度調整手段
１１５‥‥光伝播手段（レンズ、）         １１７‥‥ステージ
１１８‥‥制御手段（コントローラ）
【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９】
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