(57)【要約】【課題】加工深さの精密な制御を実現し、微少な立体形状を有する構造体あるいは改質領域の深さを制御した構造体を製造するのに適したレーザ加工方法及び装置、並びに、レーザ加工方法を用いてかかる構造体を製造する構造体の製造方法を提供する。【解決手段】パルスレーザを有しパルスレーザ光を出射する光源１０が出射したパルスレーザ光の波長強度分布を波長強度分布制御手段２０が制御する。波長強度分布制御手段によって波長強度分布を制御されたパルスレーザ光を光伝播手段３０が波長に依存して空間的に異なる位置に伝播する。光伝播手段により伝播されたパルスレーザ光を被加工物の加工部位に照射してレーザ加工を行う。【選択図】図１
2005224841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザを有する光源が出射したパルスレーザ光の波長強度分布を制御し、
該波長強度分布を制御されたパルスレーザ光を波長に依存して空間的に異なる位置に伝播し、
該伝播したパルスレーザ光を被加工物の加工部位に照射してレーザ加工を行う
ことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記被加工物が透明体である
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記レーザ加工によって被加工物に微細穴を形成する
ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記レーザ加工によって被加工物に屈折率変化領域を形成する
ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
パルスレーザを有しパルスレーザ光を出射する光源と、
該光源が出射したパルスレーザ光の波長強度分布を制御する波長強度分布制御手段と、
該波長強度分布制御手段によって波長強度分布を制御されたパルスレーザ光を波長に依存して空間的に異なる位置に伝播する光伝播手段とを備え、
前記光伝播手段により伝播されたパルスレーザ光を被加工物の加工部位に照射してレーザ加工を行う
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
前記光伝播手段は、波長により焦点距離が異なり、パルスレーザ光を波長により異なる位置に集光する少なくとも一つのレンズあるいは回折素子を有し、
該レンズあるいは回折素子により異なる位置に集光したパルスレーザ光を前記被加工物の加工部位を照射してレーザ加工を行う
ことを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記光伝播手段は、波長により焦点距離が異なり、パルスレーザ光を波長により異なる位置に集光する少なくとも一つのレンズあるいは回折素子と、パルスレーザ光の少なくとも一部を投影する投影手段とを有し、
前記レンズあるいは回折素子により異なる位置に集光し前記投影手段により一部を投影したパルスレーザ光を前記被加工物の加工部位を照射してレーザ加工を行う
ことを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記光伝播手段は、パルスレーザ光の被加工物への照射位置を操作する操作手段を有する
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記波長強度分布制御手段は、少なくとも一つの波長フィルターで構成されている
ことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記波長強度分布制御手段は、少なくとも一組の波長を空間的に分散する波長分散素子と、該波長分散素子によって空間的に分散された波長を選択する空間的波長選択手段とを有する
ことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
前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１０記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
前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１０記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】
前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１０〜１２のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】
前記空間的波長選択手段が、前記フォトマスクを移動させ、時間的に選択波長を変化させる移動手段を有する
ことを特徴とする請求項１３記載のレーザ加工装置。
【請求項１５】
前記空間的波長選択手段が、空間的に波長強度を変調する空間波長強度変調器である
ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１６】
前記空間波長強度変調器は、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１５記載のレーザ加工装置。
【請求項１７】
前記空間波長強度変調器は、パルスレーザ光の強度あるいは波長ごとのレーザ光強度を調整する手段を有する
ことを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１８】
前記光源が有するパルスレーザは、広帯域で発振するレーザである
ことを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１９】
前記光源が有するパルスレーザは、極短パルスレーザである
ことを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項２０】
前記光源は、パルスレーザが発生するレーザ光の波長を変換し、波長帯域を広くしたパルスレーザ光を出射する波長変換手段を有する
ことを特徴とする請求項１０〜１９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項２１】
前記光伝播手段は、分散の大きい屈折材料による屈折により波長に依存する空間的に異なる位置にパルスレーザ光を伝播する
ことを特徴とする請求項１０〜２０のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項２２】
前記光伝播手段は、前記屈折材料の屈折光路長により波長に依存する空間的に異なる位置にパルスレーザ光を伝播する
ことを特徴とする請求項２１記載のレーザ加工装置。
【請求項２３】
前記光伝播手段は、波長による焦点位置を変化させる回折光学素子を有する
ことを特徴とする請求項１０〜２０のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項２４】
微細穴を有する構造体又は屈折率変化領域を有する構造体を製造する構造体の製造方法であって、
請求項３又は４記載のレーザ加工方法を使用して被加工物をレーザ加工し、前記微細穴又は屈折率変化領域を形成する
ことを特徴とする構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工方法及び装置に係り、特に、微細形状を必要とされる高精度部品を形成するために適用されるレーザ加工方法及び装置、並びに、レーザ加工方法を使用した構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微細形状を必要とされる高精度部品としては、特に、光ディスクの記録ピット形成のための原盤である光ディスク成形用スタンパ、表面レリーフ型回折格子や回折型ホログラムなどの光学素子形成のための原盤、表面に屈折率変調部を有する回折光学素子やホログラム素子形成のための原盤、マイクロマシン、マイクロセンサー等があり、これらの微細立体デバイスあるいは表面屈折率変調素子を作成するためにレーザ加工が使用されている。
【０００３】
レーザによる微細加工の利点としては、
１．リソグラフィー法で必要とされる、レジスト塗布や現像等の工程を必要としないシンプルな工程であり、コスト面、量産性が優れている
２．真空を必要とせず、大気中、各種ガス中、液体中等での加工が可能である
３．反応性ガスを必要としないクリーンなプロセスである
４．レーザの集光により微細化が容易である
５．光学系の調整により加工領域の空間的制御が容易である
６．レーザパルス数の制御により、加工量の制御が容易である
７．短パルスレーザを用いることで、高速な反応を利用することができる
８．高いエネルギー密度を生成することが容易であり、様々な材料の加工が可能である
９．透明体の変質を利用した材料の改質、屈折率変化の誘起加工が可能である
等があげられる。これら幅広い利点から、レーザ加工は広く産業利用が進められている。
【０００４】
従来、レーザによる加工には、ＣＯ２レーザやＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波などの高強度のレーザが用いられてきた。近年は微細化の実現と、より高精度な加工を行うために、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４レーザなどの第二、第三高調波、第四高調波あるいはエキシマレーザに代表される紫外、短パルスレーザが用いられる。
【０００５】
また、近年金属等の微細加工法としてフェムト秒レーザを用いた手法が知られている。これは代表値として数十フェムト秒から数百フェムト秒のパルス幅を有するレーザを用いた加工法であって、代表的な光源にチタンサファイア（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）レーザがあげられる。これらは金属やセラミクス等多くの材料に対して微細で高精度な加工が可能であることが知られている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照。）。
【０００６】
これら紫外あるいは極短パルスレーザを用いることで、透明体の屈折率の変化を誘起することが可能であることが知られ、特に極短パルスレーザで多光子吸収が容易であることからガラス、高分子等の材料に対して、広く屈折率変化誘起加工が実現されている（例えば、非特許文献３参照。） 。
【０００７】
通常のレーザ加工法においては、レーザ光はレンズ等の屈折材料により加工領域へ集光あるいは投影され、集光位置でのビーム強度を制御するか、あるいは、レーザ照射数を制御することにより加工深さの制御を行ってきた。
【０００８】
レーザを用いた微細加工法としては、リソグラフィー法に代表されるレーザによるレジスト露光（レーザステッパー）が広く知られているが、このレーザ露光方式では波長オーダの微細加工を行うため、加工用レーザ光源の狭帯域化と多数の組レンズによる光学系の色収差の修正が行われている。
【０００９】
レーザ直接加工法においても同様に、狭帯域レーザ光源を用いるか、あるいは、同時に分散の異なる複数のレンズを組にして用いることで色収差を除き、精密な加工用レーザ光の制御を行い、これにより加工深さの制御が行われている。
【００１０】
また色収差の補正のためには、実質的に収差の発生しない全反射型光学系を用いることで、高精度なレーザ照射位置の制御を行い、加工深さの制御を行う手法も用いられている。
【００１１】
しかし、上述した従来の集光あるいは投影型のレーザ加工法では、加工時にはレーザ強度を調整することのみが行われてきた。その場合、光学系の色収差のため精密なレーザの波長ごとでの精密な集光位置、加工領域の制御ができない。そのため加工深さの精密な制御も困難であった。
【００１２】
また、多数の組レンズを用い収差を補正した光学系では、多数の光学素子が必要であり、設計も複雑であることから、コストが高くなる問題があった。このとき波長により利用可能な材料に制限があり幅広い波長域で収差を補正することは困難であった。特にチタンサファイアレーザに代表される極短パルス光源のような広帯域レーザでは波長幅が数十ｎｍ以上の場合があり、これら全波長域で収差補正を行うことは非常に困難な問題であった。収差を補正した場合でも、加工点は深さ方向に一点となり、深さ制御のためには、レーザ光あるいは被加工材料を制御して、多数回のレーザ照射により制御する必要があった。
【００１３】
そして、レーザ光を狭帯域化することは、レーザ装置の開発に多大なコストがかかり、また波長が制限されることから高出力化が困難であった。これはレーザ加工には大きな問題であり、加工速度、加工領域、加工コストに対して問題となる。またこの場合でも、加工点は深さ方向に一点となり、深さ制御のためには、レーザ光あるいは被加工物を制御して、多数回のレーザ照射により制御する必要があった。なお、フェムト秒レーザは不確定性原理からパルス幅を狭くすることは原理的に不可能であり、レーザ加工にとって利点の大きいフェムト秒レーザを狭帯域光源とすることはできない。
【００１４】
反射型光学系では、特に光学系の作製が困難であり、コストが高くなる問題があった。また高強度でかつ広帯域に利用できるコーティングの製造が困難であり、加工用として用いる場合問題となっていた。これも同様に加工点は深さ方向に一点となり、深さ制御のためには、レーザ光あるいは被加工材料を制御して、多数回のレーザ照射により制御する必要があった。
【００１５】
特に、透明材料の加工の場合、レーザ光の加工位置での強度のもっとも強い点を中心に除去、改質が行われ、収差が発生する場合には、深さ方向に加工点が長くなる問題があった。微小な点を重ねて深さを制御するためには試料を光軸方向に移動しながら複数回レーザを照射する必要があった。この場合、深さはレーザ光全体の強度を調整して加工点での深さを制御する必要があり、多くの場合非常に低エネルギーにする必要があり、加工効率が低下する問題があった。またその条件に合わせて試料の移動を高精度に行う必要があり、装置の複雑化やコスト増加の問題があった。
【非特許文献１】アプライド  フィズィックス  エー、第６３巻、第２号、１９９６年７月、ｐｐ．１０９−１１５
【非特許文献２】応用物理、第６７巻、第９号、１９９８年、ｐｐ．１０５１−１０５５
【非特許文献３】アプライド  フィズィックス  レターズ、  第７１巻、第９号、１９９７年１２月８日、ｐｐ．３３２９−３３３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明はこれら従来のレーザ加工での課題を解決し、特に加工深さの精密な制御を実現し、微少な立体形状を有する構造体あるいは改質領域の深さを制御した構造体を製造するのに適したレーザ加工方法及び装置、並びに、レーザ加工方法を用いてかかる構造体を製造する構造体の製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するためなされた本発明は  材料の分散等により発生する色収差や回折素子での波長による光路変化を積極的に利用し、光源波長の波長ごとの強度を調整することにより加工位置の制御を行い、これにより加工深さの精密な制御を行うものである。
【００１８】
すなわち、請求項１記載の発明は、パルスレーザを有する光源が出射したパルスレーザ光の波長強度分布を制御し、該波長強度分布を制御されたパルスレーザ光を波長に依存して空間的に異なる位置に伝播し、該伝播したパルスレーザ光を被加工物の加工部位に照射してレーザ加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法に存する。
【００１９】
上述したレーザ加工方法では、光源として、パルス状に発振するレーザ光、あるいはレーザ光の波長変換素子により変換されたレーザ光、あるいはレーザ光を利用して発光する発光体などを利用できる。
【００２０】
波長強度分布の制御は、レーザ光の波長ごとの強度を調整するか、あるいは、一部の波長のみを選択的に取り出すことで行われる。波長強度分布は時間経過とともにあるいはパルスごとに変化させる。あるいは選択波長を変化させることも可能である。この波長強度分布を制御された光源からのレーザ光は、続いて光伝播手段に伝播させる。
【００２１】
光伝播手段は、波長により例えば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により、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な配置とする。この被加工物をレーザ光に同期して移動させることも可能である。このような光伝播手段により波長による加工位置の変化を実現できる。
【００２２】
ここで光源波長の強度調整、あるいは光源波長の選択を行うことで、光軸方向のレーザ光照射分布を制御することが可能となる。これを利用して加工を行うことで、加工深さの制御が可能となる。この時波長強度分布を制御し照射することから、レーザ１パルス内で加工深さ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、光軸方向に光伝播手段あるいは被加工物を移動することで広い範囲で深さの調整を行うことも可能である。さらに被加工物を同期して、光軸方向以外の他の方向へ移動することも可能である。
【００２３】
請求項２記載の発明は、前記被加工物が透明体であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法に存する。
【００２４】
上述したレーザ加工方法では被加工物の材料に透明材料を用いる。レーザ加工には入射レーザ光の多光子吸収を用い、これにより透明体の穴加工あるいは改質、屈折率変調を誘起する。このときレーザは短パルスレーザを用いることが望ましい。透明材料はレーザ光に対して吸収の少ない材料をさし、可視域の波長を用いる場合にはガラスや透明ポリマーなどを用いることができる。赤外域のレーザを用いる場合には、例えばＳｉ基板等を利用することができる。レーザ光は複数回照射することも可能であり、被加工材料の移動と同期して照射することも可能である。
【００２５】
請求項３記載の発明は、前記レーザ加工によって被加工物に微細穴を形成することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法に存する。
【００２６】
上述したレーザ加工方法では、微細な穴形状は、高精度に加工深さを制御され、ドット状あるいは線状あるい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っていてもよい。
【００２７】
請求項４記載の発明は、前記レーザ加工によって被加工物の表面に屈折率変化領域を形成することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法に存する。
【００２８】
上述したレーザ加工方法では、屈折率変化領域は、表面からの深さを高精度に制御され、ドット状あるいは線状あるい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っていてもよい。
【００２９】
請求項５記載の発明は、パルスレーザを有しパルスレーザ光を出射する光源と、該光源が出射したパルスレーザ光の波長強度分布を制御する波長強度分布制御手段と、該波長強度分布制御手段によって波長強度分布を制御されたパルスレーザ光を波長に依存して空間的に異なる位置に伝播する光伝播手段とを備え、前記光伝播手段により伝播されたパルスレーザ光を被加工物の加工部位に照射してレーザ加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置に存する。
【００３０】
上述したレーザ加工装置では、請求項１記載のレーザ加工方法と同様に、光源として、パルス状に発振するレーザ光、あるいはレーザ光の波長変換素子により変換されたレーザ光、あるいはレーザ光を利用して発光する発光体などを利用できる。
【００３１】
波長強度分布の制御は、レーザ光の波長ごとの強度を調整するか、あるいは、一部の波長のみを選択的に取り出すことで行われる。波長強度分布は時間経過とともにあるいはパルスごとに変化させる、あるいは選択波長を変化させることも可能である。この波長強度分布を制御された光源からのレーザ光は、続いて光伝播手段に伝播させる。
【００３２】
光伝播手段は、波長により例えば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により、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な配置とする。この被加工物をレーザ光に同期して移動させることも可能である。このような光伝播手段により波長による加工位置変化を実現できる。
【００３３】
ここで光源波長の強度調整、あるいは光源波長の選択を行うことで、光軸方向のレーザ光照射分布を制御することが可能となる。これを利用して加工を行うことで、加工深さの制御が可能となる。この時波長強度分布を制御し照射することから、レーザ１パルス内で加工深さ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、光軸方向に光伝播手段あるいは被加工物を移動することで広い範囲で深さの調整を行うことも可能である。さらに被加工物を同期して、光軸方向以外の他の方向へ移動することも可能である。
【００３４】
請求項６記載の発明は、前記光伝播手段は、波長により焦点距離が異なり、パルスレーザ光を波長により異なる位置に集光する少なくとも一つのレンズあるいは回折素子を有し、該レンズあるいは回折素子により異なる位置に集光したパルスレーザ光を前記被加工物の加工部位を照射してレーザ加工を行うことを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置に存する。
【００３５】
上述したレーザ加工装置では、波長により空間的に異なる位置に光を伝播する光伝播手段として、レンズあるいは回折素子を用いる。レンズは２つ以上の組レンズで構成されていてもよく、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。これら光学素子によりレーザ光は集光され、波長により光軸方向に異なる位置に少なくとも一部が集光される構成とする。被加工物に透明体を用いた場合には、特に高ピークパワーのレーザ光を用いることで、多光子吸収を起こすことが可能であり、これにより穴形成加工や材料改質、屈折率変調に利用することが可能となる。
【００３６】
請求項７記載の発明は、前記光伝播手段は、波長により焦点距離が異なり、パルスレーザ光を波長により異なる位置に集光する少なくとも一つのレンズあるいは回折素子と、パルスレーザ光の少なくとも一部を投影する投影手段とを有し、前記レンズあるいは回折素子により異なる位置に集光し前記投影手段により一部を投影したパルスレーザ光を前記被加工物の加工部位を照射してレーザ加工を行うことを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置に存する。
【００３７】
上述したレーザ加工装置では、少なくとも一部に波長により焦点位置の異なるレンズ、回折レンズなどの光学系を配置し、レーザ光の投影加工を行う。この時例えば複数枚のレンズを組み合わせて利用することで、加工位置の内部に各波長にあわせた像面を形成することが可能である。これにより波長を選択するか、あるいは、波長強度を制御して波長強度分布を制御することで、任意形状で深さを制御することが可能となる。加工位置制御用マスクとしては、一部に穴形状を有する金属マスクや、透明基板上に形成したＣｒ等の不透明膜を利用したフォトマスク、その透過率分布を制御したグレースケールマスク、液晶等の空間位相変調器を用いたマスク等を利用することが可能である。
【００３８】
請求項８記載の発明は、前記光伝播手段は、パルスレーザ光の被加工物への照射位置を操作する操作手段を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００３９】
上述したレーザ加工装置では、レーザ光の伝播にレーザ操作手段を配置する。これ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。このレーザ光操作手段はレーザの発振あるい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く、また被加工物を移動させる手段を用い、本移動手段とも同期させて制御されることが望ましい。このときレーザ波長制御手段による波長強度分布を同期して制御し、波長強度分布を変化させて加工することも可能である。操作手段はレーザ光１照射ごとに移動させる必要はなく、多数回のレーザ照射後操作することも可能である。
【００４０】
請求項９記載の発明は、前記波長強度分布制御手段は、少なくとも一つの波長フィルターで構成されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００４１】
上述したレーザ加工装置では、波長制御手段として一組以上の波長フィルターを用いる。波長フィルターは例えば色ガラスフィルターや多層膜を利用した干渉フィルター等を用いることが可能である。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。このときフィルターを数枚連続して利用することで、さまざまな波長強度分布を形成することが可能である。ここのときフィルターを複数枚、交換しながら連続して加工することも可能である。このときレーザ光はフィルターを通して、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上述したレーザ加工がなされる。
【００４２】
請求項１０記載の発明は、前記波長強度分布制御手段は、少なくとも一組の波長を空間的に分散する波長分散素子と該波長分散素子によって空間的に分散された波長を選択する空間的波長選択手段で構成されることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００４３】
上述したレーザ加工装置では、レーザ光の波長強度分布制御に一組以上の波長分散素子と空間的な波長選択手段で構成される。波長分散素子としては、ホログラム素子、レンズ等波長により空間伝播位置を変化させるさまざまな素子を利用することが可能である。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、ピンホール等さまざまな素子を利用することが可能である。
【００４４】
請求項１１記載の発明は、前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１０記載のレーザ加工装置に存する。
【００４５】
上述したレーザ加工装置では、波長分散素子に回折格子を用いる。回折格子は反射型、透過型のいずれを用いることも可能である。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を形成する配置とする。
【００４６】
請求項１２記載の発明は、前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１０記載のレーザ加工装置に存する。
【００４７】
上述したレーザ加工装置では、波長分散素子にプリズムを用いる。プリズムの頂角を制御することで、波長による屈折角を制御する。これにより波長により、空間的に異なる位置レーザ光を制御する。このとき複数枚のプリズムを利用することも可能である。波長により異なる位置にレーザ光を配置し、その後空間的波長選択手段により波長強度分布を制御し、その制御された光を伝播する。この波長制御による光を用いることで上述した加工深さの制御を行うことができる。
【００４８】
請求項１３記載の発明は、前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１０〜１２のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００４９】
上述したレーザ加工装置では、空間的波長選択手段にフォトマスクを用いる。フォトマスクは例えば透明基板上にＣｒを蒸着する等により形成可能で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で、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可能である。
【００５０】
請求項１４記載の発明は、前記空間的波長選択手段が、前記フォトマスクを移動させ、時間的に選択波長を変化させる移動手段を有することを特徴とする請求項１３記載のレーザ加工装置に存する。
【００５１】
上述したレーザ加工装置では、フォトマスクの移動手段を設ける。これはフォトマスクを移動ステージ上に保持し、移動することで達成可能である。このとき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、その照射位置を移動手段によって制御することで、さまざまなマスクパタンを利用することも可能である。
【００５２】
請求項１５記載の発明は、前記空間的波長選択手段が空間的に波長強度を変調する空間波長強度変調器であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００５３】
上述したレーザ加工装置では、空間的波長選択手段に空間強度変調器を用いる。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。空間強度変調素子は、時間的に反射あるい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、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く、被加工物移動手段を利用する場合には、移動手段と同期して制御されることが望ましい。
【００５４】
請求項１６記載の発明は、前記空間強度変調器は、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１５記載のレーザ加工装置に存する。
【００５５】
上述したレーザ加工装置では、波長選択手段に透過型液晶を用いる。また伝播光の一部に偏光分離素子を設けることで、偏光による光強度の制御を行う。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ンを変化させられるようにする。この液晶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。また被加工物移動手段を利用する場合には、移動手段と同期して制御されることが望ましい。
【００５６】
請求項１７記載の発明は、前記空間波長強度変調器は、パルスレーザ光の強度あるいは波長ごとのレーザ光強度を調整する手段を有することを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００５７】
上述したレーザ加工装置では、レーザ光の強度を調整する手段を設ける。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可能である。
空間的波長強度分布を形成する場合は、少なくとも一部の波長におけるレーザ強度を調整する手段を設けることも可能である。強度調整手段はレーザ発振あるいは、被加工物移動手段と同期して制御することも可能である。
【００５８】
請求項１８記載の発明は、前記光源が有するパルスレーザは、広帯域で発振するレーザであることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００５９】
上述したレーザ加工装置では、光源に広帯域で発振するレーザを用いる。これは例えば白色レーザや、発振波長域の広い色素レーザ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザなどを用いることが可能である。
【００６０】
請求項１９記載の発明は、前記光源が有するパルスレーザは、極短パルスレーザであることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００６１】
上述したレーザ加工装置では、光源に極短パルスレーザを用いる。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レーザや、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、数十ｎｍ以上の広帯域で発振するレーザが開発されている。
【００６２】
請求項２０記載の発明は、前記光源は、パルスレーザが発生するレーザ光の波長を変換し、波長帯域を広くしたパルスレーザ光を出射する波長変換手段を有することを特徴とする請求項１０〜１９のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００６３】
上述したレーザ加工装置では、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。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、フォトニッククリスタルを利用して、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。
【００６４】
請求項２１記載の発明は、前記光伝播手段は、分散の大きい屈折材料を用いて構成され、該屈折材料による屈折により波長に依存する空間的に異なる位置にパルスレーザ光を伝播することを特徴とする請求項１０〜２０のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００６５】
上述したレーザ加工装置では、レーザ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、これらを二つ以上同時に利用することも可能である。材料は入射波長域に対して、分散の大きい材料が望ましく、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。本材料を用いることで、波長より屈折率がことなることから、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、これにより加工深さを制御することができる。
【００６６】
請求項２２記載の発明は、前記光伝播手段は、前記屈折材料の屈折光路長により波長に依存する空間的に異なる位置にパルスレーザ光を伝播することを特徴とする請求項２１記載のレーザ加工装置に存する。
【００６７】
上述したレーザ加工装置では、レーザの伝播に分散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。これは例えばレンズの厚みを厚くするなどで実現可能である。材料は入射波長域に対して、分散の大きい材料が望ましく、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。このとき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。これは例えばレーザの集光側の位置に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。
【００６８】
請求項２３記載の発明は、前記光伝播手段は回折光学素子を有し、該回折光学素子により波長による焦点位置を変化させることを特徴とする請求項１０〜２０のいずれかに記載のレーザ加工装置に存する。
【００６９】
上述したレーザ加工装置では、レーザの伝播手段に回折素子を利用する。回折素子は基板上に透明パタンを形成した平面型フレネルレンズやホログラム素子を利用することが可能である。この回折素子は所望の波長域で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。回折素子は一般に波長により伝播光路が変化し、これを利用して波長強度分布を制御することで、加工深さを制御することが可能である。また回折素子では光を複数のビームに分岐することも可能である。
【００７０】
請求項２４記載の発明は、微細穴を有する構造体又は表面に屈折率変化領域を有する構造体を製造する構造体の製造方法であって、請求項３又は４記載のレーザ加工方法を使用して被加工物をレーザ加工し、前記微細穴又は屈折率変化領域を形成することを特徴とする構造体の製造方法に存する。
【００７１】
上述した構造体の製造方法では、レーザ加工によって、微細な穴形状は高精度に加工深さを制御され、屈折率変化領域は表面からの深さを高精度に制御され、結果として、高精度に加工深さを制御された微細な穴形状又は屈折率変化領域を有する構造体が得られる。
【発明の効果】
【００７２】
以上説明した請求項１記載の方法及び請求項５記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・波長による変化を制御することで、精密な深さ制御が可能となる。
・レーザ光１パルスで加工深さの制御が可能である。
・色収差や波長分散を利用することから単レンズなどの安価な光学系を利用できる。
・広帯域のレーザ、フェムト秒レーザでも精密な制御が可能となる。
・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。
・透明体では表面近傍の内部に加工点を設計できることから、微細穴でかつ深さ制御が可能となる。
・透明体では改質領域の深さ制御が、光学系の移動あるいは被加工物の移動なしに実現できる。
・波長強度分布制御と被加工物のあるいは光学系の移動を行うことで、深さ制御範囲を拡大することができる。
・加工位置をステージ移動等で操作することで深さの異なった領域を連続あるいは点状に形成することができる。
【００７３】
請求項２記載の方法では、加工用レーザ光に対して透明な材料を被加工物に用い、さらに加工焦点位置を透明体内部に設定することで透明体の内部側にも加工位置を設定することができる。加工はある敷居レーザフルエンス以上の点でおきることから、表面から内部まで同時に加工することが可能となる。このとき波長強度分布を制御することで、深さ方向の任意の位置に照射強度を調整することが可能で、深さの制御性を高くすることができる。このときレーザ光を複数回照射した場合でもある照射フルエンス以下の領域は加工されないことから、加工位置をある位置で止めることができる。内部改質の場合には、これにより改質量を増すことができる。これは改質を屈折率変調に利用する場合も同様であり、複数回照射することで、深さを変えることなく、屈折率変化量を大きくすることが可能となる。
【００７４】
請求項３記載の方法では、深さの精密な制御がなされた穴形状を有する素子の加工が可能であり、素子は光ディスクのスタンパとしての機能を果たすことも可能である他、回折素子としての機能を果たすこと、マイクロ流路等のＭＥＭＳ素子としての機能を果たすことがそれぞれ可能であり、かつこれら素子の複製用原版として用いることが可能である。
【００７５】
請求項４記載の方法では、加工された素子は、深さの精密な制御がなされた屈折率変調部を有し、屈折率変調型回折素子、光導波路、ホログラム素子としての機能をそれぞれ果たすことが可能である。
【００７６】
請求項６記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・単純な構成により、実現可能である。
・安価なシステムとすることができる。
・材料を選択することで、広い波長幅で利用することができる。
・レンズ系では、ＢＫ７、溶融石英等、様々な材料を利用することができる。
・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。
【００７７】
請求項７記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・任意の形状で深さを制御することが可能となる。
・材料を選択することで広い波長域で利用することが可能である。
・透明体では内部の任意の位置に焦点を設けることで、深さ方向の制御性が高い。
【００７８】
請求項８記載の装置では、 以下のような効果が得られる。
・複数の点の加工を高速に行うことが可能となる。
・大面積の処理を容易に行うことができる。
・２次元的な移動により、任意位置への加工が可能となる。
・連続した穴を形成することで、３次元形状加工あるいは３次元形状の材料改質が可能となる。
・さらに波長強度分布を同期制御することで、空間的に深さのことなる加工が可能となる。
・ステージと同期することでさらに大面積加工が可能となる。
【００７９】
請求項９記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・シンプルな装置構成で所望の深さ制御が可能となる。
・安価なシステムとすることができる。
・フィルターを組み合わせることで、さまざまな波長を選択できる。
・さらにフィルターを交換しながら利用することで、さまざまな深さの加工が可能となる。
【００８０】
請求項１０記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・波長制御を空間的な光位置に変換することで行い、さまざまな素子を波長強度分布に利用することが可能となって、波長強度分布の制御が容易となる。
・空間的な光位置に変換することで、高精度な制御が可能となる。
・安価なシステムとすることができる。
・高速な制御が可能となる。
・複雑な分布形成が容易となる。
【００８１】
請求項１１記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・高効率で波長強度分布を空間強度分布に変換することが可能となって、波長選択が容易となる。
・高精度な波長強度分布制御が可能となる。
・回折格子を対にして用いることで、波長選択後波長による空間位置変化なく、同軸の配置とすることができる。
・入手しやすい素子で低コスト化可能であり、特に反射型では、広い入射波長域で利用することが可能である。
【００８２】
請求項１２記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・特に無反射コーティングすることで、ロスなく高効率で波長強度分布を空間強度分布に変換することが可能となる。
・頂角を制御することで、波長による空間分布を有する平行光を利用することが可能となる。
・反射ミラーを用いた光学配置が可能となって、波長選択が容易となる。
・高精度な波長強度分布制御が可能となる。
・入手しやすい素子で低コスト化可能である。
・調整が容易である。
【００８３】
請求項１３記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・製造が容易で、高精度な空間位置制御（波長強度分布制御）が可能である。
・幅広い波長域で利用することが可能である。
・回折格子、プリズムでの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で、波長分散方向への調整のみで制御が可能である。
・グレーレベルマスクを用いることで、精密な波長制御が可能である。
・グレーレベルマスクを用いることで、強度も同時に制御することが可能である。
【００８４】
請求項１４記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・レーザ照射タイミングにあわせてマスクパタンを変化させることで、時間的に異なった波長強度分布での加工が可能となる。これにより加工深さを時間ごとに制御することが可能となる。
・被加工物の移動と同期して制御することで、さらに大面積の加工が可能となる。
・透過スリットの位置を連続的に移動することで、加工位置を連続的に制御することが可能となり、高精度な深さ制御が可能となる。
【００８５】
請求項１５記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・特に伝播光の強度分布をさまざまな形状に変化させることが容易である。
・時間ごと強度変化をさせることが可能で、制御性が高い。
・単一の素子でさまざまな透過形状に制御することが可能である。（マスクでは複数のパタンを用意する必要がある）
・入手が容易で、制御も容易である。
【００８６】
請求項１６記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・特に伝播光の強度分布をさまざまな形状に変化させることが容易である。
・さらにグレーレベルの強度調整を行うことが可能となる。
・単一の素子でさまざまな透過形状に制御することが可能である。
・入手が容易で、制御も容易である。
【００８７】
請求項１７記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・強度を調整することで、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って、加工深さを精密に制御することが可能となる。
・波長による強度を調整することで、波長ごとの照射強度を調整することが可能となり、さらに加工深さの精密な制御が可能となる。
【００８８】
請求項１８記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・光源発振波長が広帯域であることで、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。
・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。
・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。
【００８９】
請求項１９記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・フェムトレーザでは原理的に広帯域となり、特に装置の改良なく広帯域のレーザとして利用することが可能である。
・短パルス光源を利用することで、熱伝播を抑制した高精度加工が可能となる。
・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。
・ナノ秒レーザで問題となる、レーザ吸収で発生したプラズマをさらにレーザ光が吸収するプラズマ再吸収がなく、これによる表面損傷を抑制し高精度な加工が可能となる。
・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、改質加工が可能となる。
【００９０】
請求項２０記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・特に入力レーザ光を波長変換手段で広帯域化することで、波長分散の効果を高めることができる。
・波長強度分布の制御性を高めることができ、加工深さの加工精度を高くし、制御性を高めることができ、加工深さの深さ範囲を広げることができる。
【００９１】
請求項２１記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・波長分散の大きい材料を用いることで、加工深さの制御範囲を大きくすることができる。
・さらに複数の素子を利用することでさらに深さ制御範囲を広げることができる。
・通常レーザ加工で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。
・安価な素子を利用して本構成を実現できる。
【００９２】
請求項２２記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・伝播距離を大きくすることで、加工位置の調整を行うことが可能となる。
・加工位置の調整範囲を大きくすることが可能である。
・空間的に一部のみ加工位置を調整することが可能である。
・ガラス基板など安価な材料を用いることも可能である。
【００９３】
請求項２３記載の装置では、以下のような効果が得られる。
・素子の設計により、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可能となる。
・高精度な加工深さ制御が可能である。
・複数に分岐することで、同時に多点で深さ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深さ制御に利用することも可能である。
【００９４】
請求項２４記載の方法では、上述した構造体の製造方法では、レーザ加工によって、微細な穴形状は高精度に加工深さを制御され、屈折率変化領域は表面からの深さを高精度に制御され、結果として、高精度に加工深さを制御された微細な穴形状又は屈折率変化領域を有する構造体を得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９５】
以下、発明の実施の形態を順次に図面を参照して説明する。図１は、本発明のレーザ加工方法を実施する本発明のレーザ加工装置の一実施形態を示す。
【００９６】
図１において、レーザ加工装置は、パルスレーザを有しパルスレーザ光を出射する光源１０と、光源１０が出射するパルスレーザ光の波長強度分布を制御する波長強度分布制御手段２０と、波長強度分布制御手段２０によって波長強度分布を制御されたパルスレーザ光を波長に依存して空間的に異なる位置に伝播する光伝播手段３０とを備え、光伝播手段３０により伝播されたパルスレーザ光を被加工物４０の加工部位４０１に照射してレーザ加工を行う。この装置によれば、光源１０が出射したパルスレーザ光の波長強度分布を波長強度分布制御手段２０が制御し、この波長強度分布を制御されたパルスレーザ光を光伝播手段３０が波長に依存して空間的に異なる位置に伝播することにより、被加工物４０の加工部位に照射してレーザ加工を行うレーザ加工方法が実施される。
【００９７】
本実施形態では、光源１０はパルスレーザとしてＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ等の比較的波長強度分布の広いレーザを有する。光源１０が出射するレーザ光Ｌは、図中Ｇ１のグラフに示すように、特定波長をピークにその両側の波長の強度が徐々に減少する山形の波長強度分布を有している。
【００９８】
波長強度分布制御手段２０は、光源１０からのレーザ光を回折格子等で波長分散させて空間的に波長強度分布を生じさせ、その透過光を空間的に選択する波長選択手段によって選択した上で、空間的な波長強度分布を解消することによって、Ｇ１のグラフに示す波長強度分布を図中Ｇ２のグラフに示されるように、選択した波長Ｌ１及びＬ２のみからなる波長強度分布に制御する。
【００９９】
波長強度分布を制御されたレーザ光Ｌ′は、その後光伝播手段３０としての例えばレンズ等の光学素子により集光される。レンズ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。
【０１００】
このときの加工部位でのレーザ光の振る舞いを図２に示す。図のように例えば２つの波長Ｌ１及びＬ２で集光点が異なる場合、それぞれの波長での照射強度を独自に調整することで、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。すなわち、同図（ａ）に示すように、被加工物４０の照射位置での波長ごとの強度が点線と実線で示すものであるとき、これらを足し合わせた全照射強度（Ｌ１＋Ｌ２）は同図（ｂ）に示すようになる。一般にレーザ加工では照射強度の足しあわせが加工分布に影響を与えるため、特に波長強度分布を制御することで、光軸方向に集光位置およ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４０の加工深さの制御が可能となる。
【０１０１】
このとき加工点から大きくずれた領域では面積あたりのレーザ照射強度が低下するため、多数回のレーザ照射を繰り返した場合でも加工の深さをある点で終息させ、深さを一定にすることも可能である。このとき照射時間とともに波長強度分布を制御することで、レーザ照射強度を制御することも可能である。
【０１０２】
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、それにより例えば上面側から順次加工を進めるといった、波長強度分布を利用した加工も可能となる。
【０１０３】
なお、波長強度分布制御手段２０は、少なくとも一つの波長フィルターで構成することができる他、少なくとも一組の波長を空間的に分散する波長分散素子と該波長分散素子によって空間的に分散された波長を選択する空間的波長選択手段で構成することができる。波長分散素子として、回折格子やプリズムが適用される。
【０１０４】
図３は図１中の光伝播手段３０として、分散を有するレンズ３０１使用した場合を拡大して示す。同図において、波長強度分布を制御されたレーザ光Ｌ′は分散を有するレンズ３０１により集光される。このとき例えばある波長では点線の位置に、ある波長では実線の位置に集光されこれにより、本発明の原理により加工深さ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（色収差を押さえたレンズ）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。ここで分布を時系列に変化させることで、例えば波線から実線の方向に順次集光位置を変化させる形での利用も可能である。
【０１０５】
図４は光伝播手段３０の他の実施形態を示し、同図において、波長強度分布を制御されたレーザ光Ｌ′は、例えばフォトマスク３０２を利用して空間的にその一部が透過される。フォトマスク３０２を通過した光Ｌは、第一のレンズ対３０３を通過し、さらにレンズ３０４により被加工物４０に投影される。このときレンズ対３０３はレーザ光の波長範囲で色消しされた構成とし、その焦点距離の位置にフォトマスク３０２が配置される。レンズ３０４は波長により焦点距離が異なるものとすることで、波長による分布により、加工面に波長に応じた像面を形成することが可能となる。このとき例えばある波長Ｌ１では図中点線で示す光路により表面近傍に像面Ｐ１を形成し、また異なる波長Ｌ２により図中実線で示す光路により内部側に像面Ｐ２を形成することが可能となる。このような光学系を用いて、波長を制御することにより、異なる像面に結像加工を行うことが可能となり、これにより精密な加工深さを制御することが可能となる。このとき被加工物４０を透明体とすることでレーザにより内部の改質あるいは屈折率変調を起こすことが可能であり、深さを制御した改質あるいは屈折率変調加工を行うことができる。
【０１０６】
図５は光伝播手段３０の他の実施形態を示し、同図において、波長強度分布を制御されたレーザ光Ｌ′は、操作手段としての例えばガルバノミラー３０５を利用して空間的にその照射位置が制御される。このレーザ光Ｌ′は、レンズ３０４を通過し空間的に異なる位置に照射される。これにより異なる照射位置での加工深さが制御される。さらにレーザ操作と同期して波長強度分布を制御することで、深さの異なる立体形状加工が可能となる。
【０１０７】
図６は、少なくとも一組の波長を空間的に分散する波長分散素子と空間的に分散された波長を選択する空間的波長選択手段で構成される波長強度分布制御手段２０の実施形態を示す。
【０１０８】
同図において、レーザ光Ｌは回折格子２０１に入射される。このとき回折格子２０１は入射波長に対して例えば＋一次の方向への回折効率が最大となる構成とする。この回折格子２０１により波長ごとに異なった反射角で光が伝播され第二の回折格子２０２に伝播される。第二の回折格子２０２は第一の回折格子２０１と同一の素子を用い、角度を調整することで平行光として反射させる。このとき波長により入射位置が異なるため、第二の回折格子２０２で反射されたレーザ光は空間的に波長強度分布が存在することとなる。例えば、図中グラフＧ１３に示す短波長側は図の下側、図中グラフＧ１２に示す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。ここで光の透過率を制限するフォトマスクからなる空間波長選択手段２０３により、空間的にレーザ光の透過を制限することにより、入射光の波長強度分布を制御することが可能となる。
【０１０９】
この後さらに同様の回折格子対２０４及び２０５の反射を利用することで、波長強度分布を制御したレーザ光Ｌ′を形成することが可能となる。これは対の回折格子の代わりに全反射ミラーを用いることでも実現可能である。このとき回折格子のピッチを調整することで、空間的波長強度分布を制御することが可能である。以上によって、当初の光強度分布がグラフＧ１１に示すものであったものが、グラフＧ１４に示すように制御される。
【０１１０】
図７は波長強度分布制御手段２０の波長分散素子がプリズムである場合の実施形態を示す。
【０１１１】
同図において、レーザ光Ｌは偏光ビームスプリッター２０６を通過してプリズム対２０７、２０８に入射される。このとき入射レーザのい偏光を偏光ビームスプリッタの透過率が最大となる方向とする。プリズム対の各プリズムの頂角と位置を制御することで、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。ここでフォトマスクからなる空間波長選択手段２０３により、空間的にレーザ光の透過を制限することにより、入射光の波長強度分布を制御することが可能となる。この後さらに１／４波長板２０９で円偏光とされた光は反射ミラー２１０で反射され同一の光路で反射される。１／４波長板２０９を再度通過することで、反射側レーザの偏光方向は９０度変化し、再度偏光ビームスプリッタ２０６に入射した光は反射され、図の上方向に伝播される。このときプリズム対２０７、２０８に同一の頂角のものを用いることで、容易に本構成を実現することができる。なお、空間波長選択手段２０３としてのフォトマスクを、図示しない移動手段により移動させることによって、時間的に選択波長を変化させることもできる。
【０１１２】
図８は、空間的波長選択手段が空間的に波長強度を変調する空間波長強度変調器である場合の一実施形態を示す。
【０１１３】
同図において、レーザ光Ｌは偏光ビームスプリッタ２０６、１／４波長板２０９を通過して、回折格子対２０１、２０２を利用して空間的に波長強度分布を形成する。そのレーザ光はＤＭＤ（反射型デジタル）素子２１１により光の一部が反射されて、もとの光路を戻される。ＤＭＤ素子は、一部が異なる方向に反射されて、利用されないように調整する。戻ってきた光は再度１／４波長板２０９を通過することで、偏光角度が９０度回転し、偏光ビームスプリッタ２０６により反射される。これにより偏光ビームスプリッタ２０６を通過した後の光Ｌ′は波長強度分布を制御されている。このときＤＭＤ素子２１１のパターンを変化させることで、任意の波長強度分布を形成することが可能となる。これにより本光学系通過後のレーザ光Ｌ′は、波長強度分布が制御され、これを用いて、上述したと同様に深さを制御した加工が可能となる。
【０１１４】
図９は、波長強度分布制御手段２０の他の実施形態を示す。同図において、レーザ光Ｌは、回折格子対２０１、２０２を利用して空間的に波長強度分布を形成する。そのレーザ光は透過型液晶２１２により光の一部の偏光が回転される。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。マスクを構成する液晶素子２１２を透過したレーザ光は、その後の偏光ビームスプリッタ２０６により、偏光方向に依存し、ある偏光成分は反射され、残りは透過される。その結果、透過光の波長強度分布が制御される。その後回折格子対２０４、２０５で空間分布を制御することで、本光学系通過後のレーザ光Ｌ′は、波長強度分布および波長ごとのレーザ強度が制御され、これを用いて、上述したと同様に深さを制御した加工が可能となる。
【０１１５】
図１０においては、反射を利用して構成されている波長強度分布制御手段の実施形態を示す。同図において、レーザ光Ｌは偏光ビームスプリッタ２０６を通過し、回折格子対２０１、２０２或いはプリズム対により空間的に波長分散される。その後フォトマスクを構成する液晶素子２１２および反射ミラー２１０（あるいは反射型液晶）を配置することで空間的に偏光の異なった光を同一の光学系により再度偏光ビームスプリッタ２０６に戻す。偏光方向により一部反射された光を利用することで、上記同様の効果を期待できる。本構成では光学系が単純で素子の数を低減できるメリットがある。
【０１１６】
図１１は、パルスレーザ光の強度あるいは波長ごとのレーザ光強度を調整する手段の実施形態を示す。例えば、入射レーザ光の初期の波長強度分布が図中グラフＧ１１に示すような分布であるとする。このとき例えば図６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２０３の前面に空間的に透過率の異なるグレーマスクを配置することにより、透過波長の強度を制御することが可能となる。この結果、例えば図中グラフＧ１３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などの操作が可能となる。これにより波長ごとの強度が平滑化され、結果精密な加工深さ制御が可能となる。
【０１１７】
図１２は、発明のレーザ加工装置における光伝播手段の実施の形態を示す。同図においては、分散の大きい屈折材料を用いて構成されたレンズからなる光伝播手段３０が、屈折材料による屈折により波長に依存する空間的に異なる位置にパルスレーザ光を伝播し、レンズの厚さによって変化するレーザ光の伝播光路が相違することを示している。同図中左側には薄いレンズ、右側には厚いレンズを用いた場合の伝播光路の模式図を示す。ここで実線と点線が異なる波長での光路を表している。図示から分かるように、厚いレンズを使用した場合、伝播距離を薄いレンズに比べて大きくなるが、このことによって加工深さの制御幅を大きくすることが可能である。さらにこの光路を調整することで、所望の加工深さを実現することができる。
【０１１８】
図１３は、光伝播手段の他の実施の形態を示す。図示のように、例えば、入射レーザ光Ｌを入射光を図中実線と点線で示すように２点に分岐して集光するホログラフィック素子３０１に入射し、空間的に同時に２点集光加工を行う。このとき波長強度分布制御を行うことで、同時に２点の深さを制御した加工が可能となる。このときレーザ走査あるいは、被加工物移動を行うことで、大面積加工が実現できる。
【０１１９】
図１４は制御系も含めて示すレーザ加工装置の実施形態を示し、同図において、光源１０としての極短パルスレーザから出射された広帯域のレーザ光は、レーザ強度調整部２０ａにより強度を調整され、空間波長分散、波長強度分布制御部２０ｂにより波長強度分布を制御される。波長強度分布を制御されたレーザ光Ｌ′は、ミラー３０ａ等で伝播され、波長により焦点位置の異なるレンズ３０ｂなどによって集光する光伝播手段３０を介して被加工物４０の表面近傍に照射される。被加工物４０はステージ５０上に固定され、コントローラ６０等により移動される。レーザの発振タイミング、レーザ強度調整部２０ａ、波長強度分布制御部２０ｂ、ステージ５０はＰＣ等の制御手段７０により、同期して制御される。これら各部の制御により、深さや位置を精密に制御できるレーザ加工装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明のレーザ加工方法を実施する本発明のレーザ加工装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】加工部位でのレーザ光の振る舞いを説明するための説明図である。
【図３】光伝播手段として分散を有するレンズ使用した実施形態を示す構成図である。
【図４】光伝播手段の他の実施形態を示す構成図である。
【図５】光伝播手段のさらに他の実施形態を示す構成図である。
【図６】空間的波長選択手段で構成される波長強度分布制御手段の実施形態を示す構成図である。
【図７】波長強度分布制御手段の波長分散素子がプリズムである場合の実施形態を示す構成図である。
【図８】空間的波長選択手段が空間的に波長強度を変調する空間波長強度変調器である場合の一実施形態を示す構成図である。
【図９】波長強度分布制御手段の他の実施形態を示す構成図である。
【図１０】反射を利用して構成されている波長強度分布制御手段の実施形態を示す構成図である。
【図１１】パルスレーザ光の強度あるいは波長ごとのレーザ光強度を調整する手段の実施形態を説明するための説明図である。
【図１２】光伝播手段の実施の形態を示す構成図である。
【図１３】光伝播手段の他の実施の形態を示す構成図である。
【図１４】制御系も含めて示すレーザ加工装置の実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１０            光源
２０            波長強度分布制御手段
３０            光伝播手段
４０            被加工物
Ｌ              レーザ光
Ｌ′            波長強度分布を制御されたレーザ光
【図１】
2005224841.tif 000003
【図２】
2005224841.tif 000004
【図３】
2005224841.tif 000005
【図４】
2005224841.tif 000006
【図５】
2005224841.tif 000007
【図６】
2005224841.tif 000008
【図７】
2005224841.tif 000009
【図８】
2005224841.tif 000010
【図９】
2005224841.tif 000011
【図１０】
2005224841.tif 000012
【図１１】
2005224841.tif 000013
【図１２】
2005224841.tif 000014
【図１３】
2005224841.tif 000015
【図１４】
2005224841.tif 000016