(57)【要約】【課題】  レーザビームの周期方向、光量、強度分布等を制御できるレーザ加工装置、該レーザ加工法によって生成された構造体及び光学素子、及びレーザ加工法を提供する。【解決手段】  レーザ光源から発射されたレーザ光１０１が複数の１／２波長板が配列された１／２波長板アレイ１０２を通過することにより偏光方向が制御されたレーザ光１０３となる。レーザ光によって形成される周期構造は、レーザ光の偏光方向に従うため、複数の偏光方向に変更されたレーザ光１０３は加工対象物１０５に複数の微細な周期構造を形成することができる。また、ＮＤフィルタ、グレイマスク、ガウシャンフィルタ等を用いることで、レーザ光の光量、及び、強度分布等を制御することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発射する手段と、前記レーザ光のエネルギを調整する手段と、前記レーザ光を加工対象物へ導く手段と、前記加工対象物の表面又は内部にレーザ光を結像する手段とを有するレーザ加工装置において、
前記レーザ光の少なくとも一部の偏光方向を変調する変調手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記変調手段を介して出力されたレーザ光は２以上の異なる偏光方向を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記レーザ光の光量を調整する光量調整手段を有すること特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記光量調整手段としてＮＤフィルタを用いたことを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記レーザ光が断続的に発光され、且つ、前記レーザ光の１回当たりの発光時間が１ｐｓ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記レーザ光の偏光方向を変更する手段として液晶素子を用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記レーザ光の偏光方向を変更する手段として電場を加えると屈折率が変わる物質によって構成された電気光学素子を用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記レーザ光の偏光方向を変更する手段として磁場を加えることで光学的性質が変わる物質によって構成された磁気光学素子を用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記レーザ光に強度分布を設ける手段を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記レーザ光の強度分布を一様にする手段を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
前記レーザ光の一部の強度を一様にする手段を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項１２】
前記加工対象物が金属であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】
前記加工対象物が透明材料であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項１４】
前記レーザ光の強度分布及び偏光方向の少なくとも一方を観察する手段を有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項記載のレーザ加工装置によって周期構造が形成された構造体。
【請求項１６】
請求項１から１４のいずれか１項記載のレーザ加工装置によって周期構造が形成された光学素子。
【請求項１７】
レーザ光を発射する工程と、前記レーザ光を加工対象物へ導く工程と、前記加工対象物の表面又は内部にレーザ光を結像する結像工程とを有するレーザ加工法において、
前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光の少なくとも一部の偏光方向を変調する変調工程を有することを特徴とするレーザ加工法。
【請求項１８】
前記変調工程を介して出力されたレーザ光は２以上の異なる偏光方向を有することを特徴とする請求項１７記載のレーザ加工法。
【請求項１９】
前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光の光量を調整する光量調整工程を有すること特徴とする請求項１７又は１８記載のレーザ加工法。
【請求項２０】
前記光量調整工程においてＮＤフィルタを用いることを特徴とする請求項１９記載のレーザ加工法。
【請求項２１】
前記レーザ光のパルス幅が１ｐｓ以下であることを特徴とする請求項１７から２０のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【請求項２２】
前記レーザ光の偏光方向を変更する工程において液晶素子を用いたことを特徴とする請求項１７から２１のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【請求項２３】
前記レーザ光の偏光方向を変更する工程において電気光学素子を用いたことを特徴とする請求項１７から２１のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【請求項２４】
前記レーザ光の偏光方向を変更する工程において磁気光学素子を用いたことを特徴とする請求項１７から２１のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【請求項２５】
前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光に強度分布を設ける工程を有することを特徴とする請求項１７から２４のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【請求項２６】
前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光の強度分布を一様にする工程を有することを特徴とする請求項１７から２５のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【請求項２７】
前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光の一部の強度を一様にする工程を有することを特徴とする請求項１７から２６のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【請求項２８】
前記加工対象物が金属であることを特徴とする請求項１７から２７のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【請求項２９】
前記加工対象物が透明材料であることを特徴とする請求項１７から２７のいずれか１項記載のレーザ加工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームの周期方向、光量、強度分布等を制御することで被加工材料に微細な周期構造又は直線構造を形成できるレーザ加工装置、該レーザ加工装置によって生成された構造体、光学素子、及びレーザ加工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、微細な周期構造を形成するために以下に述べる加工法が用いられていた。干渉性のあるレーザ光を対象物に入射し、干渉縞を発生させることで周期構造を形成する加工法、微細な周期構造が刻印されたマスクにレーザ光を通して直接加工又は露光を行う加工法、及び、照射エネルギを制御し、レーザ光を金属、半導体、誘電体等の様々な材料に照射した際に、加工対象物の表面にレーザ光の波長とほぼ等しい又はそれ以下の微細な周期構造を形成する加工法がある。
【０００３】
特許文献１では、微小面積へのホログラムの作成、埋め込み型のホログラムを多岐の基材に記録可能なフェムト秒レーザ光の干渉を利用した周期構造を形成する方法が提案されている。特許文献２では、マルチビームのビームを集光し、干渉させることによって、ビームの波長と同程度の周期構造を形成する加工法を提案している。特許文献３は、ナノレベルの微細加工を簡単かつ確実に実行可能な微細周期構造の加工法を提案している。
【０００４】
非特許文献１では、周期構造が形成される方向は照射するレーザの偏光方向に依存することを利用し、レーザ光の偏光方向（電場の振動方向）に対して垂直方向に周期的な構造が形成する加工法を提案している。非特許文献２及び３では、レーザ光の周波数、波長、パルス数、加工対象物の組成等によって周期構造の周期や深さを調整する加工法を提案している。非特許文献４では、フェムト秒レーザ光を石英ガラス内部に集光することで、集光点において約２００ｎｍ間隔の一次元周期状の構造を形成できることを提案している。
【０００５】
また、レーザ光を材料に照射し加工する際には、照射するレーザ光の偏光方向によって対象物の形状が変化する。したがって、レーザ光による加工法においては、偏光方向を制御することが重要である。偏光方向を制御する方法としては以下の提案がなされている。
【０００６】
特許文献４及び５では、任意の偏光方向でレーザ光を照射する制御手段が提案されている。特許文献６では、半導体デバイス中のヒューズやリンクなどをレーザ光の照射によって切断することで、照射レーザ光の偏光方向をリンクのアライメント方向と一致させる方法を提案している。
【特許文献１】特開２００１−２３６００２号公報
【特許文献２】特開平２−２６３５８９号公報
【特許文献３】特開２００３−２１１４００号公報
【特許文献４】特開平５−１８５２５４号公報
【特許文献５】特開平７−２６６０７１号公報
【特許文献６】特表２００２−５２０６４３号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３６，３６８８−３６８９（１９６５）
【非特許文献２】南志昌、豊田浩一、「レーザー誘起表面電磁波による金属・半導体のリップル形成入射角度依存性」、レーザー研究、２０００年１２月、第２８巻、第１２号、ｐ．８２４−８２８
【非特許文献３】橋田昌樹、外２名、「フェムト秒レーザーによる物質プロセッシング」、光学、２００２年、第３１巻、第８号、ｐ．６２１−６２８
【非特許文献４】下間靖彦、外２名、「一枚の写真」、Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ、２００３年７月、ｐ．７１５−７１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した技術には以下に述べる問題がある。
【０００８】
レーザ光の干渉を用いた加工法は、対象物の部分によって異なる周期の方向を有する周期構造を形成するために、対象物の回転、レーザ光の入射方向の変更等を実行する必要がある。また、周期構造の周期は干渉するレーザ光同士の角度によって決定されるため、レーザ光の波長以下の凹凸を形成することはできない。
【０００９】
また、マスクを通してレーザ光を照射する加工法は、対象物の形状に対する柔軟性が低く、微細なパターンを刻んだマスクは高価である。また、対象物に刻まれる周期構造の密度がレーザ光の回折によって制限されるため、レーザ光の干渉を用いた加工法と同様に、光の波長以下の周期構造を形成することができない。
【００１０】
偏光方向を制御することによる加工法は、１回の加工で、ある一方向の周期構造しか対象物に形成することができない。
【００１１】
本発明は、複数の異なる周期構造を有する高精度な部品を作成することを目的としている。また、本発明は、数百ｎｍから数μｍの周期を持った構造体は、光の偏光方向や波長を高精度に制御できることから、偏光方向の制御素子、偏光分離素子、波長によって光を分岐するグレーティング素子、分波素子、又は、合波素子として用いることを目的としている。
【００１２】
さらに、周期構造体を対象物表面に形成することで、対象物表面の特性を制御し、対象物の保水性や多物質との摩擦係数を変化させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１記載の発明は、レーザ光を発射する手段と、前記レーザ光のエネルギを調整する手段と、前記レーザ光を加工対象物へ導く手段と、前記加工対象物の表面又は内部にレーザ光を結像する手段とを有するレーザ加工装置において、前記レーザ光の少なくとも一部の偏光方向を変調する変調手段を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザ加工装置において、前記変調手段を介して出力されたレーザ光は２以上の異なる偏光方向を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光の光量を調整する光量調整手段を有すること特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載のレーザ加工装置において、前記光量調整手段としてＮＤフィルタを用いたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光が断続的に発光され、且つ、前記レーザ光の１回当たりの発光時間が１ｐｓ以下であることを特徴とする。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光の偏光方向を変更する手段として液晶素子を用いたことを特徴とする。
【００１９】
請求項７記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光の偏光方向を変更する手段として電場を加えると屈折率が変わる物質によって構成された電気光学素子を用いたことを特徴とする。
【００２０】
請求項８記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光の偏光方向を変更する手段として磁場を加えることで光学的性質が変わる物質によって構成された磁気光学素子を用いたことを特徴とする。
【００２１】
請求項９記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光に強度分布を設ける手段を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項１０記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光の強度分布を一様にする手段を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光の一部の強度を一様にする手段を有することを特徴とする。
【００２４】
請求項１２記載の発明は、請求項１から１１のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記加工対象物が金属であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１３記載の発明は、請求項１から１１のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記加工対象物が透明材料であることを特徴とする。
【００２６】
請求項１４記載の発明は、請求項１から１３のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、前記レーザ光の強度分布及び偏光方向の少なくとも一方を観察する手段を有することを特徴とする
【００２７】
請求項１５記載の発明は、請求項１から１４のいずれか１項記載のレーザ加工装置によって周期構造が形成された構造体。
【００２８】
請求項１６記載の発明は、請求項１から１４のいずれか１項記載のレーザ加工装置によって周期構造が形成された光学素子。
【００２９】
請求項１７記載の発明は、レーザ光を発射する工程と、前記レーザ光を加工対象物へ導く工程と、前記加工対象物の表面又は内部にレーザ光を結像する結像工程とを有するレーザ加工法において、前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光の少なくとも一部の偏光方向を変調する変調工程を有することを特徴とする。
【００３０】
請求項１８記載の発明は、請求項１７記載のレーザ加工法において、前記変調工程を介して出力されたレーザ光は２以上の異なる偏光方向を有することを特徴とする。
【００３１】
請求項１９記載の発明は、請求項１７又は１８記載のレーザ加工法において、前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光の光量を調整する光量調整工程を有すること特徴とする。
【００３２】
請求項２０記載の発明は、請求項１９記載のレーザ加工法において、前記光量調整工程においてＮＤフィルタを用いることを特徴とする。
【００３３】
請求項２１記載の発明は、請求項１７から２０のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記レーザ光のパルス幅が１ｐｓ以下であることを特徴とする。
【００３４】
請求項２２記載の発明は、請求項１７から２１のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記レーザ光の偏光方向を変更する工程において液晶素子を用いたことを特徴とする。
【００３５】
請求項２３記載の発明は、請求項１７から２１のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記レーザ光の偏光方向を変更する工程において電気光学素子を用いたことを特徴とする。
【００３６】
請求項２４記載の発明は、請求項１７から２１のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記レーザ光の偏光方向を変更する工程において磁気光学素子を用いたことを特徴とする。
【００３７】
請求項２５記載の発明は、請求項１７から２４のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光に強度分布を設ける工程を有することを特徴とする。
【００３８】
請求項２６記載の発明は、請求項１７から２５のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光の強度分布を一様にする工程を有することを特徴とする。
【００３９】
請求項２７記載の発明は、請求項１７から２６のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記レーザ光発射後、前記結像工程前に、前記レーザ光の一部の強度を一様にする工程を有することを特徴とする。
【００４０】
請求項２８記載の発明は、請求項１７から２７のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記加工対象物が金属であることを特徴とする。
【００４１】
請求項２９記載の発明は、請求項２７から２７のいずれか１項記載のレーザ加工法において、前記加工対象物が透明材料であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
本発明は、１／２波長板を配列した１／２波長板アレイ、ＮＤフィルタ、グレイマスク、及び、ガウシャンフィルタをレーザ加工装置に適用することで、レーザ光の偏光方向、レーザ光の強度分布、光量、周期を制御することできる。また、本発明を適用したレーザ加工装置は、対象物の表面又は内部に複数の異なる周期構造を一括形成することができる。また、本発明により作成された対象物は、光学素子として用いることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明は、対象物にレーザ光が照射されるまでの間にレーザ光の強度分布、光量、周期を制御し、対象物の表面又は内部に複数の異なる周期構造を一括形成する。また、光の波長以下の周期構造を形成することができるため、周期構造が形成された対象物を光学素子として用いることにより、精密に該光学素子を通過する光の偏光方向などを制御することができる。また、対象物の表面に周期構造を形成することで、対象物表面の特性を制御することも可能である。
【実施例１】
【００４４】
本実施例では異なる方向にレーザ光が偏光するように１／２波長板を配列した波長板アレイを用いて対象物に複数の向きが異なる周期構造を形成するレーザ加工法について説明する。形成される周期構造は、照射されるレーザ光の偏光方向によって変化するため、異なる方向にレーザ光が偏光するように偏光フィルタを配列した波長板を用いることで向きが異なる複数の微細周期構造を対象物に形成することができる。
【００４５】
対象物に複数の微細周期構造を形成する方法としては、光学軸を任意に調整した複数の１／２波長板を配列して異なる方向に偏光したレーザ光を作り出し、対象物に入射する方法がある。図１（ａ）は、１／２波長板を用いたレーザ加工法の構成を示す図である。図１（ｂ）は、１／２波長板を通過したレーザ光の断面図である。図１（ａ）に示すレーザ加工法は、１／２波長板アレイ１０２、及び、加工対象物１０５から構成される。図１（ｂ）に示すレーザ光１０３の断面プロファイル１０４の矢印は偏光方向をあらわしている。本実施例における１／２波長板アレイ１０２とは、四つの１／２波長板をそれぞれの光学軸を任意に調整し図１に示すように配列したものを言う。なお、レーザ光を発光するレーザ光源（発光素子）は図示しない。
【００４６】
レーザ光１０１は、１／２波長板アレイ１０２を通過することで、各１／２波長板によって偏光されたレーザ光１０３となる。１／２波長板アレイ１０２を構成する各１／２波長板の光学軸は、任意に調整されているため、１／２波長板アレイ１０２を通過したレーザ光１０３は、レーザ光１０３の断面プロファイル１０４のように偏光さている（レーザ光１０３の断面プロファイル１０４の矢印は、偏光方向を表している）。偏光されたレーザ光１０３が、加工対象物１０５に照射されることで、加工対象物１０５にレーザ光１０３の偏光方向に従った周期構造が形成される。
【００４７】
複数の１／２波長板を用い、レーザ光を通過した１／２波長板ごとに偏光することで、レーザ光が照射される加工対象物の表面に１／２波長板アレイによる偏光方向に従った周期構造を形成することができる。
【００４８】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すレーザ加工法では、それぞれの光学軸が任意に調整された複数の１／２波長板を配列することで、各１／２波長板を通過するレーザ光（周期が数百ｎｍ）の偏光方向を制御できる。また、偏光方向が制御されたレーザ光を加工対象物に照射することで、加工対象物に微細な周期構造を形成することができる。
【００４９】
ここで、照射されるレーザ光は、加工対象物の加工閾値近傍のエネルギに遷移していることが望ましい。
【００５０】
図２（ａ）に示すレーザ加工法では、図１（ａ）に示したレーザ加工法の構成に、レーザ光の光量を調整可能なＮＤフィルタを加えた構成となっており、ＮＤフィルタ２０２、１／２波長板アレイ２０３、及び、加工対象物２０５から構成される。図２（ｂ）は、１／２波長板アレイ２０３及びＮＤフィルタ２０２を通過したレーザ光の断面図である。レーザ光２０１は、ＮＤフィルタ２０２を通過することで光量が調整され、加工対象物の加工閾値近傍のエネルギに遷移する。光量が調整されたレーザ光２０１は、１／２波長板アレイ２０３を通過することで、任意に光学軸が調整された各１／２波長板により偏光されたレーザ光２０４となる。レーザ光２０４は、加工対象物２０５に照射され、レーザ光２０４の偏光方向に従った微細な周期構造を加工対象物に形成する。
【００５１】
以上により、直線偏光したレーザ光の光量がＮＤフィルタにより調整されることで波長の数分の一の周期構造を形成することができる。したがって、通常のマスク露光や干渉露光では形成できないレーザ光の波長以下の微細な周期構造を加工対象物に形成することができる。
【００５２】
また、図１（ａ）や図２（ａ）に示すレーザ加工法の構成においてレーザ光の光源としてパルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザを用いることで、透明体やバンドギャップの大きい半導体などの加工が困難な材料に周期構造を形成することができる。さらに、１ｐｓ以下のパルスレーザを用いることで、金属のような熱伝導率の高い物質であっても、加工時に加工部周辺に及ぼす熱の影響を抑制し、微小なリップルを形成することができる。
【００５３】
なお、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すレーザ加工法の構成においては、直線偏光されたレーザ光の偏光方向を制御する手段として、光学軸が任意に調整された複数の１／２波長板を用いている。しかし、偏光フィルタに液晶素子を用いることにより、レーザ光の偏光方向を動的に変化させ、対象物に微細な周期構造を形成することも可能である。また、液晶素子よりも応答速度が速い電気光学素子又は磁気光学素子を偏光フィルタとして用いることで、偏光フィルタを通過するレーザ光の偏光方向を高速に変化させることもできる。
【実施例２】
【００５４】
本実施例においては、グレイマスク、液晶素子、及び、１／２波長板を組み合わせた構成のレーザ加工法により、レーザ光に強度分布を発生させた場合について説明する。なお、本実施例においても、レーザ光の偏光方向に従った周期構造が対象物に形成される。
【００５５】
図３（ａ）に示すレーザ加工法は、図２（ａ）に示したレーザ加工法にグレイマスクを加えた構成となっており、ＮＤフィルタ３０２、１／２波長板アレイ３０３、グレイマスク３０４、加工対象物３０６から構成される。図３（ｂ）は、グレイマスク３０４によって強度分布が加えられたレーザ光の断面図である。レーザ光源から発射されたレーザ光３０１は、ＮＤフィルタ３０２によって光量が調整された後、１／２波長板アレイ（光学軸が任意に調整された複数の１／２波長板が配列されたもの）３０３及びグレイマスク３０４を通過することで、偏光方向の変更及び強度分布が加えられたレーザ光３０５となる。このレーザ光３０５が対象物３０６に照射されることによって、加工面３０７には、周期、周期方向、及び、深さが異なる微細な周期構造３０８を形成することができる。
【００５６】
また、グレイマスク、液晶素子、及び、１／２波長板等を組み合わせたレーザ加工法を用いることによって、対象物に照射されるレーザ光の強度分布を一様にすることも可能である。通常、レーザ光はガウス型の強度分布を有しているため、強度分布を有したままレーザ光を照射すると、形成されるリップルの周期や深さに分布が生じる。
【００５７】
そこで、レーザ光の強度が低いところから強いところに向け、レーザ光の強度分布が一様になるように徐々に透過率が低くなるガウシャンフィルタ（ガウス型とは逆の透過率を持つフィルタ）を用いることで強度分布を緩和し、高精度な周期構造を形成する。なお、レーザ光の強度分布を一様にする範囲は、加工物に照射するレーザ光の一部であってもよい。また、レーザ光の強度が一様な範囲を対象物に複数設けることや、範囲ごとに照射するレーザ光の強度を変えることも可能である。
【実施例３】
【００５８】
レーザ加工法の加工対象物として金属を用いたときは、加工後の金属表面には、酸化防止のためのアルミナなどの透明な保護薄膜を付加することが望ましい。なお、金属表面に周期構造を設けることで、反射型の光学素子として対象物を利用することができる。
【００５９】
一方、透明材料にレーザ加工法による微細な周期構造を設けることも可能である。また、加工対象物として透明材料を用いた場合、透明材料内部に周期構造を形成することも可能である。なお、透明材料にレーザ光を照射すると照射部分に変質部が生じる。したがって、レーザ光照射後、該部分にエッチング処理を施し、変質部を取り除く必要がある。周期構造は、このエッチング処理により表面に現れる。
【００６０】
加工対象物として透明材料を用いた例を図４（ａ）に示す。図４（ｂ）はレーザ光が照射された面の断面図である。透明材料４０１の内部にレーザ光の強度分布及び偏光方向が調整されたレーザ光４０２を集光照射することで、透明材料の内部に変質部４０４が形成され、該変質部をエッチングすることで周期構造が現れる。
【００６１】
レーザ加工法によって周期構造が形成された透明材料は、透過型の偏光素子、導波路、又は、導光路として用いられる。特に、透明材料の導波路に周期構造を設けることで、分波器、合波器、又は、ブラック反射によってある特定の周波数の光しか透過させない分離機として用いることも可能である。
【実施例４】
【００６２】
実施例１から３において述べたレーザ加工法を適用したレーザ加工装置の構成例を図５に示す。図５に示すレーザ加工装置は、加工用レーザ光、１／２波長板、偏光ビームスプリッタ、ＮＤフィルタ等のレーザ光の強度調整手段、液晶素子や電気光学素子等の偏光方向の制御手段、レンズ、ミラー等から構成される。具体的には、レーザ光源５０１、１／２波長板５０２、偏光フィルタ（グラントムソンプリズム）５０３、ビームエキスパンダ５０４、液晶・偏光フィルタの一体素子、液晶素子５０６、リレーレンズ５０７、対物レンズ５０８、加工対象物５０９、照明５１０、及び、ＣＣＤ５１１から構成される。
【００６３】
本実施例においては、レーザ光源５０１としてパルス幅１２０ｆｓのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いた。レーザ光源５０１から出射されたビームは１／２波長板５０２及びグラントムソンプリズム５０３を通過することで偏光方向が調整される。そして、ビームエキスパンダ５０４によってビーム径が広げられた後、液晶と偏光フィルタの一体素子５０５によって強度分布が調整され、更に、もう一つの液晶素子５０６を通過することで偏光方向が変更される。その後、レーザ光はリレーレンズ５０７及び対物レンズ５０８を通過して加工対象物５０９の表面又は内部に照射される。なお、リレーレンズ５０７及び対物レンズ５０８の位置は、加工対象物５０９の表面にレーザ光が集光するように調整されている。また、加工対象面は、照明５１０によって照らされており、ＣＣＤ５１１で加工中に加工形状を観察することも可能である。
【００６４】
上述したレーザ加工装置には、レーザ光の強度分布及び偏光方向を観察するシステムを付加することができる。形成される周期構造の周期や方向をより精密に制御するため、加工対象物へ入射される直前のレーザ光の強度分布及び偏光方向を観察しておくことが望ましい。
【００６５】
本実施例のレーザ加工装置により、偏光方向の制御素子、偏光分離素子、光の分波器・合成器等の光学素子として用いられる微細構造を有する高精度な構造体の形成、及び、材料表面の特性を制御することができる。図６は、レーザ加工装置により対象物に形成された微細構造を示している。円筒形の材料６０１の上部に、円法線方向に周期的なリップル６０２が形成されている。周期的なリップル６０２が形成された円筒形の材料６０１に回転する円筒形部材６０３を押し付け場合、周期的なリップル６０２が形成されていないときに比べ、摩擦係数を低くすることができる。
【００６６】
また、本発明を適用したレーザ加工装置によって作成された数百ｎｍから数μｍの周期を持った構造体は、光を制御する反射型又は透過型の素子として偏光方向の制御素子、偏光分離素子、グレーティング素子、分波素子、合波素子などに用いることができる。さらに、本発明によって生成された構造体は、構造体の場所によって周期や周期方向などを調整することができるため、機能複合型の光学素子として用いることもできる。
【００６７】
図７は、本発明を適用したレーザ加工装置によって生成された光学素子にビームを入射した様子を示す図である。レーザ加工装置によって中空導波路７０２を有した透明材料７０１に周期構造７０３及び７０４を一括加工する（周期構造７０３と周期構造７０４の周期は異なっているものとする）。この透明材料７０１に波長λ１、λ２、及び、λ３を含むビーム７０５を入射すると、周期構造７０３において、波長λ１を持った光が漏れ光として、図６に示すように出射される。また、周期構造７０４においては、波長λ２を持った光が漏れ光として出射される。したがって、波長λ３を有した光のみが導波路７０２を通過する。以上に述べたように、本発明を適用したレーザ加工装置によって作成された加工対象物は、周期構造が導波路上に設けられているため分波器として役割を果たすことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）は１／２波長板アレイを用いたレーザ加工法を示す図である。（ｂ）は１／２波長板アレイを通過したレーザ光の断面図である。
【図２】（ａ）はＮＤフィルタを用いたレーザ加工法を示す図である。（ｂ）はＮＤフィルタを通過したレーザ光の断面図である。
【図３】（ａ）はグレイマスクを用いたレーザ加工法を示す図である。（ｂ）はグレイマスクを通過したレーザ光の断面図である。
【図４】（ａ）は透明材料にレーザ光を入射した様子を示す図である。（ｂ）はレーザ光照射面に形成された変質部を示す図である。
【図５】本発明を適用したレーザ加工装置の概略を示す図である。
【図６】本発明を適用したレーザ加工装置によって周期構造を施した円筒形の部材上で円筒部材を回転させた様子を示す図である。
【図７】本発明を適用したレーザ加工装置によって作成した分波器を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０１、２０１、３０１、４０２    レーザ光
１０２、２０３、３０３    １／２波長板アレイ
１０３、２０４、３０５    偏光方向が変更されたレーザ光
１０４    レーザ光１０３の断面
１０５、２０５、３０６、５０９    加工対象物
２０２、３０２    ＮＤフィルタ
２０６、３０７    加工対象物の断面
２０７、３０８    加工部表面に形成された周期構造
３０４    グレイマスク
４０１    透明材料
４０３    透明材料内部の加工面
４０４    レーザ光照射によって形成された変質部
５０１    レーザ光源
５０２    １／２波長板
５０３    グラントムソンプリズム
５０４    ビームエキスパンダ
５０５    液晶と偏光フィルタの一体素子
５０６    液晶素子
５０７    リレーレンズ
５０８    対物レンズ
５１０    照明
５１１    ＣＣＤ
６０１    円筒形の部材
６０２    円筒形部材の円法線方向に形成された周期構造
６０３    回転する円筒形部材
７０１    透明材料
７０２    中空導波路
７０３    周期構造１
７０４    周期構造２
７０５    入射ビーム
７０６    周期構造１より出射されるビーム
７０７    周期構造２より出射されるビーム
７０８    中空導波路を通過したビーム
【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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