(57)【要約】【課題】従来のホログラムや回折格子、マイクロ文字に替わるナノメートル３次元微細加工方法を提供する。【解決手段】光学的水準でナノメートルの平滑度で仕上げられた材料の表面近傍に  発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーを、干渉光学系を用いずにアブレーションしきい値近傍のパワーで可視光の波長程度の間隔で単一ビーム照射することによって  照射するレーザービームの波長以下の周期的な回折格子状の３次元パターンからなる２次元パターンを形成する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平滑な表面を有する固形材料の表面に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である単一のパルスレーザービームを、干渉光学系を用いずにアブレーションしきい値近傍のパワーでスポット状に照射することによって、照射するレーザービームの波長以下の大きさの３次元パターンを形成し、さらに前記パルスレーザーを繰返し照射することにより前記３次元パターンからなる２次元のドットパターンを形成することを特徴とするパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項２】
前記パルスレーザーを可視光の波長程度の間隔でスポット状に照射し、３次元パターンとして回折格子状のパターンを形成し、該回折格子状のパターンと隣接して照射するレーザービームを干渉させ、さらに微細な周期的構造が内在するドットパターンを形成することを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項３】
前記パルスレーザーを２次元的に均等な間隔でスポット状に照射することによって、可視光波長以下の寸法で、固形材料の表面状態に応じた大きさの窪みからなるドットパターンを形成することを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項４】
前記パルスレーザーを繰返し照射することによって形成される２次元のドットパターンを、所望の文字、画像の描画データに基づいたパターンとすることにより文字、画像を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項５】
固形材料の表面に発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーを所望の描画データに基づいたパターンで２次元的に照射することによって形成した、可視光波長以下の寸法の微細構造を内在させたドットからなる文字、画像に秘匿情報を重畳することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項６】
前記パルスレーザーを、該レーザー光の波長に対して透過性の高い材料表面近傍内部に照射することにより、照射するレーザービームの波長以下の、肉眼では観測されない凸状の３次元パターンを形成することを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項７】
前記パルスレーザーが、直線偏光したレーザービームであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項８】
前記パルスレーザーを繰返しスポット状に照射する際に、それぞれのレーザービームの偏光方向が異なるものを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項９】
前記パルスレーザーが光学的に5μｍ〜２０μｍのビームスポット径を有する円形ビームであることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のパルスレーザーによる材料の表面加工方法。
【請求項１０】
固形材料の表面に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である単一のパルスレーザーを干渉光学系を用いずにスポット状に照射し、そのスポットを２次元的に分布させることによって、可視光波長以下の寸法の凹凸を持つ微細構造が内在するドットパターンを形成し、該ドットパターンを原版として複製版を制作することを特徴とする複製版の製造方法。
【請求項１１】
固形材料の表面に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である単一のパルスレーザーを、干渉光学系を用いずにスポット状に照射し、そのスポットを２次元的に分布させることによって、可視光波長以下の寸法の凹凸を持つ微細構造が内在するドットパターンを形成し、該ドットパターンを画像データ化し該固体材料の個別情報として保存することを特徴とする材料の表面加工データの処理方法。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項９のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により表面に２次元のドットパターンが形成された情報担体。
【請求項１３】
請求項１または請求項２、または請求項４乃至請求項９のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により形成された光学素子。
【請求項１４】
請求項４または請求項５のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により形成された画像。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面が光学的水準で仕上げられた材料の表面加工とその近傍内部加工に係わり、詳しくはナノメートルオーダーで干渉光学系を用いずに回折格子状の３次元微細構造を製作する技術に係わるパルスレーザーによる材料加工方法に関する。またパルスレーザーにより加工された材料から複製版を作成する方法に関する。またパルスレーザーにより加工された材料の表面加工データの処理方法に関する。またパルスレーザーにより加工された情報担体に関する。またパルスレーザーにより加工された光学素子に関する。さらにパルスレーザーにより記録された画像に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ホログラムや回折格子の作成には、従来、干渉光学系を用いた２ビーム露光法や電子ビーム描画法が用いられてきた。ホログラムや回折格子、マイクロ文字などは識別情報として用いられてきたが、これらは目視可能であり、その存在が容易に確認できるため、その微細構造が比較的容易に偽造されてしまうので、逐次情報内容を更新しなければならなかった。そこで、従来のセキュリティーに替わる更なる情報記録方法が望まれていた。
【０００３】
近年になって、１ピコ秒以下のパルスレーザー、すなわちフェムト秒レーザーを有機化合物の深さの精密加工などに用いることが提唱されるようになった。特に、多光子吸収や熱緩和時間よりも短時間の現象であることなどにより非熱加工が可能であること（図１２参照）、また非線形応答のため加工分解能は光の回折限界以下であり、高い精度の加工が可能であることが知られている（非特許文献１参照）。
【０００４】
従来のナノ秒以上のレーザー穴開け加工では、特許文献３に示されているように、レーザーの照射パターンを精密に制御しないと深さばらつきが安定しなかった。またナノ秒以上のパルスレーザーでは、照射エネルギー（レーザーフルーエンス）と加工寸法はほぼ線形比例関係にある（図１０参照）。
【０００５】
一方、フェムト秒パルスレーザーでは、照射エネルギー（レーザーフルーエンス）と加工寸法は非線形関係にある。また、特に照射エネルギー（レーザーフルーエンス）が加工を行うのに十分である場合には、ビーム方向と垂直の方向、つまり幅方向にはサブミクロンの広がりを持つのみで、深さ方向への加工進行が主に進行することが知られている。
【０００６】
フェムト秒パルスレーザーを用いて加工を行った場合、材料の材質に関わらず、照射エネルギーと加工深さの関係が線形でないこと、つまりあるエネルギー範囲では加工深さがナノメートルの勾配でほとんど進行せずにほぼ一定となり、あるしきい値から桁違いに加工が進む。エネルギー０から徐々に照射エネルギーを上げていくと、あるエネルギーまでは加工がナノメートル単位でわずかしか進まない。その後、エネルギーがあるしきい値を越えると、サブミクロンオーダーで一気に加工が進行する。このときの最初のしきい値となる加工エネルギー値をアブレーションしきい値と呼ぶ。
【０００７】
照射エネルギーを更に上げて行くと、第２、第３のしきい値も現れる。つまり、フェムト秒パルスレーザーを用いることで、照射エネルギーに変動が有る場合でも、加工が停滞するエネルギー値の範囲内であれば安定した加工が可能である（図１１参照）。
【０００８】
このフェムト秒レーザーの非線形加工特性を利用すると、照射パターン設定を簡略化することも可能である。
【０００９】
フェムト秒レーザーを用いた微細構造の作成方法については幾つか提案されている。特許文献１には、上記の様な非線形の加工特性について示されている。同文献によれば、固体状低分子有機化合物の加工では、照射エネルギーを増大させて行った場合、加工結果が階段状となり、７００ｎｍ加工の間に３つのステップが存在すると報告されている。
【００１０】
特許文献２には、レーザー光の波長吸収率が異なる多層構造の被加工物に１ピコ秒以下のパルス放射時間で空間的時間的エネルギー密度の大きいパルスを連続放射するレーザー発振器からのレーザー光を所定パターン、所定エネルギー密度にて照射し、被加工物を加工する方法が示されている。
【００１１】
同文献によれば、低フルーエンスの加工では、照射レーザー波長より小さい微細な周期構造が得られる。固体材料表面に、低フルーエンスのパルスレーザー（フェムト秒レーザー）を偏光制御して照射することで、照射したレーザーの波長より小さいサイズの微細構造を形成する。そして、パルスレーザーを直線偏光させて固体材料表面に照射することで、偏光方向とは直交する方向に沿って細長い突起部からなる微細構造を形成でき、また、円偏光させて照射することで粒状の突起部からなる微細構造を形成できる。こうした微細構造のサイズは、照射するレーザーの波長と正の相関関係があり、波長を選択することで微細構造のサイズを制御することができる。
【００１２】
また特許文献４には、互いに干渉したフェムト秒レーザーパルスを、基材に照射することにより、最小平均寸法５〜２０ｎｍを有する周期的微細構造を基材中に作成するものであって、フェムト秒レーザーを用いた２ビームホログラム露光方法が示されている。
【００１３】
また特許文献５には、３次元的回折光学素子として、光学ガラスへの１ナノ秒から１フェムト秒のパルス幅を持つ波長２００ｎｍから２０００ｎｍのパルスレーザー光の多光子吸収による永続的屈折率変化または光学損傷を利用して、光学ガラス中に書き込まれる３次元的な屈折率分布として、３次元回折格子を生成させる提案がある。
【００１４】
これによれば、光学ガラス中に波長８００ｎｍ、０．１ピコ秒、１ミリジュールの増幅されたチタンサファイヤレーザーパルスを集光し、集光点を走査することにより、任意形状のブラッグ回折格子の作成が可能である。その実施例に拠れば、その寸法は縦横１ｍｍ、３μｍ周期、奥行き約３０μｍである。
【特許文献１】特開２００１−２３９３７９号公報
【特許文献２】特開２００１−２１２７９６号公報
【特許文献３】特開２０００−２６３２６３号公報
【特許文献４】特開２００３−５７４２２号公報
【特許文献５】特開２０００−５６１１２号公報
【非特許文献１】緑川克美、「フェムト秒レーザーと物質の相互作用」、                レーザー加工学会誌    Vol.8,No.3(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来のホログラムや回折格子の作成では、干渉光学系を用いる必要があったことと、単一ビームでナノメートルの微細構造を持つホログラムや回折格子、マイクロ文字などを作成する手段は実現されていなかった。
【００１６】
本発明は以上のような従来の技術が持つ問題点に着目してなされたものであって、干渉光学系を用いなくとも、単一ビームのパルスレーザーで数十ナノメートル寸法の加工を可能にする、安定した回折格子などの3次元構造を持つパターンの作成のための材料加工方法を提供することを目的とする。本発明の別の目的は前記の加工により得られたパターンの複製版の製造方法を提供することにある。本発明の別の目的はドットパターンを画像データ化する表面加工データの処理方法を提供することにある。本発明の別の目的は微細なドットパターンが形成された情報担体を提供することにある。本発明の別の目的は複雑な光学系がなくとも作製できる光学素子を提供することにある。本発明の別の目的は微細なドットで形成された画像を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
我々は、レーザーを用いた精密加工技術について鋭意研究を進めた結果本発明を完成したもので、前記課題を解決するために本発明が提供する手段とは、まず、請求項１に示すように、平滑な表面を有する固形材料の表面に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である単一のパルスレーザービームを、干渉光学系を用いずにアブレーションしきい値近傍のパワーで照射することによって、照射するレーザービームの波長以下の大きさの３次元パターンを形成し、さらに前記パルスレーザービーム繰返し照射することにより前記３次元パターンからなる2次元のドットパターンを形成することを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００１８】
これによって、単一のフェムト秒レーザービームにより、特別な光学系なしに３次元の内部微細構造を持つパターンからなる２次元パターンを形成することが出来る。
【００１９】
また、請求項２に示すように、平滑な表面を有する固形材料の表面に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である単一のパルスレーザーを、干渉光学系を用いずにアブレーションしきい値近傍のパワーで可視光の波長程度の間隔で単一ビーム照射することによって、照射するレーザービームの波長以下の周期的な回折格子状の３次元パターンを形成し、さらに該回折格子状のパターンと隣接して照射するレーザービームを干渉させ、さらに微細な周期的構造が内在するドットパターンを形成することを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００２０】
これによって、１ドット毎にサブミクロンの微細な周期構造を持ち、かつ隣り合うドット同士の干渉によって更に１桁程度小さな構造を持つ回折格子を作成することが出来る。
【００２１】
また請求項３に示すように、パルスレーザーを２次元的に均等な間隔でスポット状に照射することによって、可視光波長以下の寸法で、固形材料の表面状態に応じた大きさの窪みからなるドットパターンを形成することを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００２２】
これによって、加工される固形材料の表面の凹凸に応じた寸法のドットが形成出来、加工された材料に特有のパターンが形成出来る。
【００２３】
また、請求項４に示すように、パルスレーザーを繰返し照射することによって形成される２次元のドットパターンを、所望の描画データに基づいたパターンとすることにより文字、画像を形成することを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００２４】
これによって、従来のホログラム露光法のような煩雑な工程を必要とせず、従来のマイクロ文字以下の寸法で目視困難な、したがって偽造等がし難い情報を付与することができる。また、ドットを多数記録することで、目視が可能なサイズの大きさの文字、画像の記録を行うことも可能である。その場合においても各ドットは非常に微細な内部構造を保持しているため、偽造が困難であることは変わりがない。
【００２５】
また、請求項５に示すように、材料表面発振パルス幅が１ピコ秒以下であるレーザーパルスを２次元的に照射することによって形成した、可視光波長以下の寸法の周期的構造を内在するドットからなる文字、画像に秘匿情報を重畳することを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００２６】
重畳する方法としては、重畳したい情報に基づき、レーザーパルスの強度、レーザーパルスのスポット位置、レーザーパルスの偏光方向などに変調をかけるなどの手法を適用できる。これにより、形成された文字、画像にいわゆる電子透かし、電子署名などの情報を秘匿することが出来、よりセキュリティの高い情報とすることが出来る。
【００２７】
また、請求項６に示すように、照射するレーザー波長に対して光透過性の高い材料、例えば硝子等の非晶質材料、あるいは水晶などの結晶質材料などの表面近傍内部に、発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーをアブレーションしきい値近傍で照射することにより、照射するレーザービームの波長以下の肉眼で観測されない凸状の３次元パターンを形成することを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００２８】
これによって、従来のレーザー加工では困難であった微細な周期的構造を内在するエンボス加工を提供することができる。
【００２９】
また、請求項７に示すように、パルスレーザーが、直線偏光したレーザービームであることを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００３０】
これにより、回折格子等の３次元構造を精度良く作成することが出来る。
【００３１】
また、請求項８に示すように、パルスレーザーを繰返しスポット状に照射する際に、それぞれのレーザービームの偏光方向が異なるものを含むことを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００３２】
これによって形成された３次元の構造がより複雑なものとなり、より偽造等がし難くなると同時に、形成されたパターンにより反射される光の方向が変えられるため、多方向から光が見える様に出来る。また、偏光方向を別のある情報に基づいて変えることにより、一種の秘匿情報とすることが出来る。
【００３３】
また、請求項９に示すように、パルスレーザの照射スポット径が５〜２０μｍの円形ビームであることを特徴とする材料の表面加工方法である。
【００３４】
これにより、干渉光学系等を用いずにレーザービーム照射が出来、ドット状の３次元構造が形成出来、さらにこれを任意の位置に分布させることで２次元的なパターンを形成出来る。
【００３５】
請求項１０に示す複製版の製造方法は、固形材料の表面に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である単一のパルスレーザーを、干渉光学系を用いずにスポット状に照射し、そのスポットを２次元的に分布させることによって、可視光波長以下の寸法の凹凸を持つ微細構造が内在するドットパターンを形成し、該ドットパターンを原版として複製版を制作することを特徴としている。
【００３６】
これにより、直接目視で視認できない微細な３次元構造を持ったパターンを多量に複製することが出来る。
【００３７】
請求項１１に示す材料の表面加工データの処理方法は、固形材料の表面に、発振パルス幅が１ピコ秒以下である単一のパルスレーザーを干渉光学系を用いずにスポット状に照射し、そのスポットを２次元的に分布させることによって、可視光波長以下の寸法の凹凸を持つ微細構造が内在するドットパターンを形成し、該ドットパターンを画像データ化し該固体材料の個別情報として保存することを特徴とする。
【００３８】
これにより、微細で直接視認できない３次元パターンを識別情報として利用することが出来、偽造等が行われた場合に、真偽の判定に用いることが出来る。
【００３９】
請求項１２に示す情報担体は、請求項１乃至請求項９のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により表面に２次元のドットパターンが形成されたことを特徴とする。これにより、例えばプラスチックカード等の表面に非常に微細で偽造の困難な２次元パターンを形成することが出来、高いセキュリティ性の得られる情報担体を提供出来る。ドットを多数記録して目視出来るサイズの大きさの文字やＩＤ番号を構成することも可能であり、またレーザー顕微鏡などによりドットの微細な内部構造を確認することにより、それが真正なものであるかの確認を行うことが可能である。
【００４０】
請求項１３に示す光学素子は、請求項１または請求項２、または請求項４乃至請求項９のいずれかのパルスレーザーによる材料の表面加工方法により形成されてなることを特徴とし、干渉光学系などのような複雑な装置構成を必要とせずに作成することが出来るもので、例えば分光光学素子、回折格子などである。
【００４１】
請求項１４に示す画像は、パルスレーザーを繰返し照射することによって形成される２次元のドットパターンを、所望の文字、画像などの描画データに基づいたパターンとすることによって形成されていることを特徴とする。また、それらの画像を形成するレーザーパルスの強度、レーザーパルスのスポット位置、レーザーパルスの偏光方向などを、重畳したい情報に基づき変調をかけるなどの手法で秘匿情報を重畳することも可能である。該画像はサブミクロンサイズの非常に微細なドットにより構成されてなり、偽造が極めて困難である。
【発明の効果】
【００４２】
以上の説明から明らかなように、本発明におけるパルスレーザーによる材料の表面加工方法、複製版の製造方法、表面加工データの処理方法、情報担体、分光光学素子、回折格子及び画像によれば、以下のような効果が得られる。
【００４３】
第１に、光学的水準でナノメートルの平滑度で仕上げられた材料の表面近傍に  発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーを干渉光学系を用いずにアブレーションしきい値近傍のパワーで可視光の波長程度の間隔で単一ビーム照射することにより、１ドット毎に通常の手段では認知困難なサブミクロンの微細な周期構造を持ち、且つ、隣り合うドット同士の干渉によって更に１桁小さな周期構造を持つ回折格子を作成することが出来る。
【００４４】
第２に、パルスレーザーパルスは、シリンドリカルレンズなどの非対称な集光特性ではなく、一般的な対物レンズであって光学的に５〜２０μｍ程度のビームスポットを有するのみで、干渉光学系その他特殊な光学素子を不要とするとともに、任意の形状の回折格子状３次元パターンを形成することができる。
【００４５】
第３に、熱緩和時間よりの短いレーザーパルスで加工をおこなうので、熱影響のない加工が可能であり、加工される材料の凹凸に応じた寸法のドットが形成されるので、加工された材料独自のパターンを形成できる。
【００４６】
第４に、材料表面に発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーパルスを可視光の波長程度の間隔で２次元的に均等に照射することによって、可視光波長以下の寸法の凹凸を持つ周期的微細構造を内在するビットマップを形成することにより、分光光学素子を製造することができる。
第５に、形成されたドットパターンを加工品毎にデータベースに保存して、加工されたパターンと照合することによって、個別情報として扱うことで、加工したドットパターンを識別情報とすることができる。
【００４７】
第６に、可視光波長以下の寸法で形成されたドットパターンを原版として複製版を製作することで、ホログラムのような煩雑な工程を必要とせず、従来のホログラムやグレーティングに替わるセキュリティー性のある記録を多量に複製することができる。
【００４８】
第７に、照射するレーザー波長に対して光透過性の高い硝子等の非晶質、あるいは水晶などの結晶材料表面近傍内部に、発振パルス幅が１ピコ秒以下であるパルスレーザーをアブレーションしきい値近傍で照射することにより、照射するレーザービームの波長以下の肉眼で観測されない凸状の３次元パターンを形成することで、従来のレーザー加工では困難であった微細なエンボス加工を提供することができる。
【００４９】
第８に、形成されたドットパターンを所望の画像、文字などのパターンとすることにより、既存のマイクロ文字などよりも遥かに微細で偽造の困難な記録を得ることが出来る。
またそれらの記録を所望の情報担体に記録することで、高いセキュリティ性を持った情報担体が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
図１は、本発明にかかるパルスレーザーによる材料加工方法の実施の形態を示す概略図であり、フェムト秒パルスレーザーによる２次元ドットパターン形成を示す概略図である。
【００５１】
レーザービーム４は通常の光学系、例えば光学レンズ６によって集光され、加工対象である固形物１の表面近傍に焦点を結び、照射スポット３を形成する。
【００５２】
さらに、このスポットを固形材料表面で２次元的に移動させて加工を行った例が図２であり、加工により形成されたドット２が２次元的に分布している。それぞれのドットに回折格子状のパターンが形成されているため、適宜分布させることで回折格子または分光光学素子を形成できる。またこの２次元パターンを、所望の文字、画像などのパターンにすれば、同じ方法で文字、画像などのパターンを得ることが可能である。
【００５３】
ここで、レーザービームを発生するフェムト秒パルスレーザー照射装置は、各種市販されているものを用いることが可能である。２次元的にパターンを形成するためには、レーザー照射装置と加工する固形材料を相対的に移動させる必要があるが、そのための機構としては、市販の各種のＸＹステージが好適である。ただし、μｍ単位での位置決めが可能な精度の高い、高性能のものが望ましい。このＸＹステージの制御プログラムと、フェムト秒パルスレーザー照射装置の制御プログラムとを連携させ、所望のパターンに応じてステージを移動させながら照射を行えるようにすれば非常に効率のよい加工が行えるが、これは公知の制御プログラミング技術を適用すれば良い。
【００５４】
また、加工対象の固形材料表面又はその近傍にレーザースポットの焦点を合わせるためには、レーザー照射装置の焦点調整機構を利用出来るが、別途、固形材料を載置するステージに上下方向（ＸＹステージと対比させて言えばＺ軸方向）に移動可能な機構を設けても良い。
【００５５】
加工対象の固形材料としては、本発明の加工方法においては材質に特に制限はないが、本発明の加工方法の特徴である、非常に微細で直接目視で確認できないサイズのドットパターン記録をセキュリティ用途に用いるのが効果的である。すなわち、各種ＩＤカード、クレジットカード、ＩＣカード、ＩＣタグなどの表面に個人情報の記録を秘匿された状態で行うことが可能である。
【００５６】
他のセキュリティ用途としては、いわゆる偽ブランド商品との区別のために、真正の商品そのものあるいは商品タグなどに本発明の加工方法により、非常に微細で直接目視で確認できないサイズのドットパターン記録を付加することも有用である。
【００５７】
続いて、加工する固形材料の表面状態に応じたドットを形成する方法については、次のような知見を基に完成したものである。
【００５８】
すなわち、固形材料表面の広い領域に亘って一様なエネルギーで加工を施したところ、加工寸法に場所により変化があることが見出され、諸所に盛り上がりドットも確認された。
【００５９】
図８には焦点位置を深さ方向に変化させた場合の１パルス照射によるドット記録の加工寸法の測定結果を示す。さらに図９には、図８の結果をグラフで示す。
【００６０】
試料台を深さ方向に移動することで、試料表面がレーザービームのスポット位置で加工寸法が最大となり、離れると非線形に加工寸法が減少する。当然の事ながら、ビームスポットが試料の方面より上と下とでは、加工寸法が非対称を示す。
【００６１】
この結果、深さ方向の焦点位置を固定し、材料表面に沿ってスキャンするように照射を行うことにより、材料表面のサブミクロンの凹凸に応じて加工寸法が変化するような加工を行うことが出来、この特性を用いて材料の表面状態に応じた寸法のドットパターンを得ることが出来る。
【００６２】
以上のように、本発明によれば、アブレーションしきい値近傍で照射したレーザー波長以下の凹凸のある微細な周期構造が作成可能であり、さらに単一パルス照射することによって形成された微細な周期構造のあるドットを重ね合わせることによって、すでに形成された微細構造による散乱光との干渉によって１桁低い微細構造を形成でき、数十ナノメートルの精度で３次元微細加工を実現する事が出来る。そしてそのドットを２次元的に配置することによって所望の文字、画像などのパターンを形成することが出来る。
【００６３】
また、深さ方向の焦点位置を固定し、材料表面に沿ってスキャンするように照射を行うことにより、材料表面のサブミクロンの凹凸に応じて加工寸法が変化するような加工を行うことが出来、この特性を用いて材料の表面状態に応じた寸法のドットパターンを得ることができる。
【００６４】
また本発明の表面加工データの処理方法の実施の形態としては、上記の様にして得られたドットパターンを画像データ化し、加工品毎にデータベースに保存して、加工されたパターンと照合することによって、個別の識別情報として扱うことができる。画像データ化する方法としては、非常に微細なパターンであるので通常のカメラや画像スキャナなどは用いることが出来ず、レーザー走査顕微鏡などのように高倍率、高精度で画像を撮影できる装置が必要である。撮影したデータはパソコン等に既存の手法で保存すれば良い。
【００６５】
また、本発明の複製版の製造方法の実施の形態としては、上記の様にして得られた可視光波長以下の寸法で形成されたドットパターンを原版として、複製版を製作することも可能である。本発明の加工方法は、加工対象物の材質についての制限がほとんど無いため、予め複製版として用いることが出来る金属板などの材料に所望のドットパターンを形成することが出来る。あるいはさらにこうして作成された版から型押し法などにより再度複製版を作成することも可である。この複製版を用いれば、非常に微細で偽造し難いパターンを容易に多量に複製が可能となる。
【実施例１】
【００６６】
本発明を実施のするため、まず基本的な加工特性を確認した。
【００６７】
加工には、フェムト秒レーザー装置としてホヤフォトニクス社製ＦＬＳ−５０００を用い、非晶質硝子に波長７７５μｍ、パルス幅１５０フェムト秒、パルス周期１ｋＨｚ、光学的ビームスポット径１０μｍのフェムト秒レーザーをアブレーションしきい値近傍で照射した結果を図６に示す。
【００６８】
走査速度１０００μｍ／秒で直線走査した場合の照射パワーに対する加工幅と加工深さの測定結果から、加工しきい値近傍で加工深さ０．０２μｍ程度の加工が可能であることが確認された。更に照射パワーを増加させると、加工しきい値を越えたところから急勾配で加工が進んだ後、加工が進みにくくなる、図１１で模式的に説明したイ、ロ、ハと同様な、いわゆるプラトーが現れた（図６、Ａ部参照）。
【００６９】
続いて実際に加工を行った。同じフェムト秒レーザー装置を用い、発振波長７７５ｎｍ、ピークパワー８００ｍＷ、パルスエネルギー８００μＪ／パルス、パルス幅１５０フェムト秒、パルス繰り返し周波数１ｋＨｚ、直線偏光されたビームスポットの径１０μｍの条件で加工を実施した。ここでビームの照射間隔は１μｍとして水晶基板の加工を行った。
【００７０】
直径１ｍｍのピンホールを通過したレーザービームを図示しない対物レンズでビームスポットの位置で直径１０μｍの円形に絞り込み、水晶基板の表面に焦点を合わせて照射パワー０．８５ｍＷにて一様にパルス照射したラスター走査を行った。
【００７１】
加工した水晶基板には図４に模式的に示す様に周期的な構造７が現れた。周期構造は、ランダムな方向を向いている。これは、既に、１パルス照射で形成された周期的構造に１μｍ程度の重なりで次のパルス照射をした結果、図４に示す様に、既に出来ていた周期的構造によって散乱された波長の位相が変化しているためである。本実施例では、１ｍｍ×３ｍｍの大きさで一様なパターンを形成したところ、十分な反射率で分光特性が現れ、良好な特性の分光光学素子が得られた。
【実施例２】
【００７２】
実施例１と同様の装置条件にて、ビームの照射間隔を２μｍとした場合の水晶基板のドット単位の微細な周期構造を測定した結果を図３に模式的に示す。
【００７３】
水晶基板の加工しきい値近傍で確認された微細構造の広がりは２μｍ程度であるので、加工しきい値近傍の様子を捉えられるように、ドット間の干渉を抑えるためドット間隔を２μｍに設定し加工を行った。
【００７４】
材料の表面状態に応じて直径０．１５μｍから０．５μｍ程度の大小様々な微細構造を有する、且つ、諸所に凸状ドットを有するドットパターン５が得られた。しかも、これらのドットは目視にては、簡単には確認されないものであったが、照射する参照光の強度を高めたところ１μｍピッチの場合と同様に、分光特性を確認できた。
【００７５】
加えて、パルス照射したドットの中央部が最大で約５０ｎｍ盛り上がり、ドット同士の中間では逆に最大で約４０ｎｍ彫られた構造で約５００ｎｍの微細な周期構造が形成された。１μｍ間隔の場合には、それぞれ３０ｎｍ、１０ｎｍ程度であった。
【実施例３】
【００７６】
実施例１と同様のフェムト秒レーザー装置を用いて、光学的にナノメートルの平滑度で研磨された水晶基板表面に波長７７５μｍ、パルス幅１５０フェムト秒、光学的ビームスポット径１０μｍの直線偏光されたフェムト秒レーザーパルスをアブレーションしきい値近傍で単一パルス照射した結果、加工範囲が直径約２μｍでその内部に約０．５μｍ周期の微細構造を持つ３次元パターンを得ることができた。
【００７７】
更に、パルスの照射間隔を１μｍ、送り間隔を１μｍでラスター走査して２次元ドットパターン加工を試みたところ、全面に渡って数十ナノメートルの微細構造を持つパターンを形成できた。このパターンに白色光を照射したところ十分な反射率を有する分光特性が得られていることが確認された。
【００７８】
加えて、照射パワーを０．８６ｍＷとした時、すなわち加工しきい値近傍の数十ナノメートルの加工エネルギーから数百ナノメートル加工エネルギーへ移行するエネルギー帯とした時、図７のＢ部に示す様に、材料内部への加工でなく盛り上がりの発生する領域が確認された。しかも、盛り上がったドットが形成される場合、加工幅が大きくなることも同時に確認された。これは、反応部分の周囲に圧力が伝播したことによると想定される。
【実施例４】
【００７９】
実施例１と同じ装置条件にて、直径１ｍｍのピンホールを通過したレーザービームを対物レンズでビームスポットの位置で直径１０μｍの円形に絞り込み、非晶質ガラスの表面に焦点を合わせて一様にパルス照射した。
【００８０】
加工しきい値近傍では、加工幅は０．５μｍ程度であるので、加工ドット同士の影響が生じないように、ドット間隔を１μｍから５μｍに設定して照射パワー０．８７５ｍＷにてラスター走査を行った。
【００８１】
加工結果を図５に模式的に示す。この例では、パルス間隔は１μｍである。
【００８２】
詳細に測定した結果、材料の表面状態に応じて直径０．１５μｍから０．５μｍ程度の大小様々且つ、諸所に凸状ドットを有するビットマップであることが確認された。しかも、これらのドットは目視にては、確認されないものであった。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明のパルスレーザーによる２次元ドットパターン形成を示す概略図。
【図２】本発明に係るパルスレーザーによる加工でのビームの走査方法の概略図。
【図３】実施例２に示す加工結果の模式図。
【図４】実施例１に示す加工結果の模式図。
【図５】実施例４に示す加工結果の模式図。
【図６】本発明に係るパルスレーザーによる照射パワーと加工幅と加工深さの関係図。
【図７】図６の加工しきい値近傍を拡大した概略図。
【図８】本発明に係るパルスレーザーの焦点位置と加工寸法の関係図。
【図９】図８の内容をグラフで示した図。
【図１０】ピコ秒以上のパルスレーザーによる照射エネルギーと加工寸法の関係図。
【図１１】フェムト秒パルスレーザーによる照射エネルギーと加工深さの関係図。
【図１２】本発明にかかるレーザーパルス幅と熱拡散長の関係の説明図。
【符号の説明】
【００８４】
１・・・・水晶基板
２・・・・ラスター走査パターン
３・・・・ビームスポット
４・・・・レーザービーム
５・・・・ドットパターン
６・・・・光学レンズ
７・・・・周期構造
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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