(57)【要約】【課題】媒質の屈折率の温度依存性を利用して所望の光学特性を呈する。【解決手段】  流体光学素子１０は、入射された光が通過する互いに対向する端面１１Ａ，１１Ｂを有する容器１１に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は吸収し、第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は透過する波長選択性を有する液体１２を収容してなり、少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口１４が設けられている。この流体光学素子１０は、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の照射により上記液体１２に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体１２の屈折率勾配によるレンズ効果、すなわち、熱レンズ効果を呈し、入射される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に対して上記レンズ効果を付与する。【選択図】        図１
2012141515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長のレーザ光は吸収し、第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、
上記第１の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、
入射される第２の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することを特徴とする流体光学素子。
【請求項２】
上記液体は、上記第１の波長のレーザ光を吸収する色素を含有していることを特徴とする請求項１に記載の流体光学素子。
【請求項３】
上記第１の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた上記レンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与することを特徴とする請求項１に記載の流体光学素子。
【請求項４】
上記第１の波長のレーザ光は、ビームシェーパを介して強度分布が与えられた状態で照射されることを特徴とする請求項３記載の流体光学素子。
【請求項５】
上記ビームシェーパは、入射された第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして出射する上記レンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第１の波長のレーザ光に与えることを特徴とする請求項４記載の流体光学素子。
【請求項６】
第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長のレーザ光は吸収し、第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第１の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することを特徴とする流体光学素子とを備え、
上記レンズ効果を付与した第２の波長のレーザ光を出射することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項７】
上記液体は、上記第１の波長のレーザ光を吸収する色素を含有していることを特徴とする請求項６記載のレーザ光源装置。
【請求項８】
上記第１の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた上記レンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与することを特徴とする請求項６記載のレーザ光源装置。
【請求項９】
上記第１の波長のレーザ光に強度分布を与えるビームシェーパを備え、
上記流体光学素子は、上記第１の波長のレーザ光が上記ビームシェーパを介して強度分布が与えられた状態で上記液体に照射されることを特徴とする請求項８記載のレーザ光源装置。
【請求項１０】
上記ビームシェーパは、入射された第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記流体光学素子から出射するレンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第１の波長のレーザ光に与えることを特徴とする請求項９記載のレーザ光源装置。
【請求項１１】
第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長のレーザ光は吸収し、第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第１の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与する流体光学素子と、入射された第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記流体光学素子から出射するレンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第１の波長のレーザ光に与えるビームシェーパを備え、上記流体光学素子により上記レンズ効果を付与して上記第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記開口から出射するレーザ光源装置と、
被加工物を載置するテーブルと、
上記レーザ光源装置の上記開口から出射された上記第２の波長のレーザ光と該第２の波長のレーザ光が照射される上記テーブルに載置された被加工物を相対移動させる駆動手段と
を備えるレーザ加工装置。
【請求項１２】
上記液体は、上記第１の波長のレーザ光を吸収する色素を含有していることを特徴とする請求項１１記載のレーザ加工装置。
【請求項１３】
上記第２のレーザ光源は、上記第２の波長のレーザ光としてパルス状のレーザビームを出力することを特徴とする請求項１１記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒質の屈折率の温度依存性を利用して所望の光学特性を呈するようにした流体光学素子、上記流体光学素子を備えるレーザ光源装置及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置では、レーザビームを熱源として用い、ビームの熱によって被処理物を局所的に加熱し、穴開け、溶接、熱処理などのレーザ加工を行う。
【０００３】
炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザなどは強いパワーをもつのでビームを被処理物にあてて、穴穿孔、溶接などを行うことができる。ビームパワーを減らすと熱処理のために用いることもできる。穴開けに関していえば機械的なドリルによる穿孔よりも多数の穴を短時間に穿孔できるから生産性が高いといえる。
【０００４】
レーザビームを対象へ導くにはミラーやレンズが必要である。炭酸ガスレーザは波長が９μｍ〜１１μｍであり赤外光であるから、それを透過できるＺｎＳｅレンズなどを用いて集光する。ＹＡＧレーザは１．０６μｍであるから通常のガラス材料のレンズを用いることもある。
【０００５】
レーザ発光についていえば連続的に発光させる場合とパルス的に発光させる場合がある。目的によって連続光とパルス光を使い分けることができる。Ｑスイッチによってエネルギーの大きいパルス光を発生させてレーザ加工をするということも多い。
【０００６】
従来より、レーザビームを熱源として用いるレーザ加工装置では、レーザビームの空間的なパワー分布が加工精度などに影響するので、例えば、回折型光学素子と個体レンズからなる光学系により、入力ビームプロファイル強度分布を基本型(正規分布)からある範囲では一定のパワーをもつトップハット型変換し、トップハット型のレーザビームを被処理物に照射するようにしている（例えば、特許文献１参照） 。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１１４４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の如く、回折型光学素子と個体レンズからなる光学系により、入力ビームプロファイル強度分布を基本型(正規分布)からある範囲では一定のパワーをもつトップハット型トップハット型へ変換し、トップハット型のレーザビームを被処理物に照射するようにした従来のレーザ加工装置では、固体レンズが固定焦点であり、また、非常に強いレーザ光により損傷することがある。すなわち、レンズ等の光学素子は様々な場面で用いられるが、一般に焦点距離等のパラメータが固定であり、また非常に強い強度の光の入射により損傷するという問題がある。また、入力ビームプロファイル強度分布を基本型(正規分布)からトップハット型への変換が複雑であることから、入力ビーム強度の制限と、装置コスト上昇をもたらしている。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、媒質の屈折率の温度依存性を利用して所望の光学特性を呈することのでき、しかも、強い強度の光の入射により損傷する虞が少ない流体光学素子、また、上記流体光学素子を備えることにより所望のビームプロファイル強度分布のレーザ光を出射することができるようにしたレーザ光源装置及びレーザ加工装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
物質に光を当てると、ほとんどの光は熱に変換されて熱が放出される。その物質は熱によって屈折率変化が起きる。集光したレーザ光のような強度分布のある光を当てた場合、物質はレンズと同じ効果を示すことになる。これを熱レンズ効果と呼ぶ。
【００１２】
一般に流体の屈折率は温度や照射レーザ光強度とともに変化するため、これらの分布のある流体中には屈折率分布が生じる。
【００１３】
ここに別のレーザー光を照射すると、ビームプロファイル（レーザー光をスクリーンなどに映したときのビームの形、すなわちレーザー光進行方向をｚ軸としたときの、ｘ、ｙ方向の光強度［Ｗ／ｍ２］分布）は、当該流体を通過する前後で屈折率分布に特有の変化を示す。したがって、適切な屈折率分布の形成と組み合わせでトップハット型加工、凹レンズ等を形成することができる。
【００１４】
すなわち、本発明では、媒質の屈折率の温度依存性を利用して所望の光学特性を得る。
【００１５】
本発明は、流体光学素子であって、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長のレーザ光は吸収し、第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第１の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る流体光学素子において、上記液体は、上記第１の波長のレーザ光を吸収する色素を含有しているものとすることができる。
【００１７】
また、本発明に係る流体光学素子は、上記第１の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた上記レンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与するものとすることができる。
【００１８】
また、本発明に係る流体光学素子において、上記第１の波長のレーザ光は、ビームシェーパを介して強度分布が与えられた状態で照射されるものとすることができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る流体光学素子において、上記ビームシェーパは、入射された第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして出射する上記レンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第１の波長のレーザ光に与えるものとすることができる。
【００２０】
本発明は、レーザ光源装置であって、第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長のレーザ光は吸収し、第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第１の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することを特徴とする流体光学素子とを備え、上記レンズ効果を付与した第２の波長のレーザ光を出射することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係るレーザ光源装置において、上記液体は、上記第１の波長のレーザ光を吸収する色素を含有しているものとすることができる。
【００２２】
また、本発明に係るレーザ光源装置は、上記第１の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた上記レンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与するものとすることができる。
【００２３】
また、本発明に係るレーザ光源装置は、上記第１の波長のレーザ光に強度分布を与えるビームシェーパを備え、上記流体光学素子は、上記第１の波長のレーザ光が上記ビームシェーパを介して強度分布が与えられた状態で上記液体に照射されるものとすることができる。
【００２４】
さらに、本発明に係るレーザ光源装置において、上記ビームシェーパは、入射された第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記流体光学素子から出射するレンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第１の波長のレーザ光に与えるものとすることができる。
【００２５】
本発明は、レーザ加工装置であって、第１の波長のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、第２の波長のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長のレーザ光は吸収し、第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第１の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与する流体光学素子と、入射された第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記流体光学素子から出射するレンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第１の波長のレーザ光に与えるビームシェーパを備え、上記流体光学素子により上記レンズ効果を付与して上記第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記開口から出射するレーザ光源装置と、被加工物を載置するテーブルと、上記レーザ光源装置の上記開口から出射された上記第２の波長のレーザ光と該第２の波長のレーザ光が照射される上記テーブルに載置された被加工物を相対移動させる駆動手段とを備えることを特徴とする。
【００２６】
本発明に係るレーザ光源装置において、上記液体は、上記第１の波長のレーザ光を吸収する色素を含有していることを特徴とするものとすることができる。
【００２７】
さらに、本発明に係るレーザ光源装置において、上記第２のレーザ光源は、上記第２の波長のレーザ光としてパルス状のレーザビームを出力するものとすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明では、流体光学素子の容器に収容した液体に第１の波長のレーザ光の照射により温度勾配が与えられることによって、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することができ、適正な屈折率分布の形成と組み合わせでトップハット型加工、凹レンズや凸レンズ等の所望の光学特性を形成することができる。
【００２９】
本発明において、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に収容した液体は、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長のレーザ光は吸収し、第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有するので、上記液体に第１の波長のレーザ光の照射により温度勾配が与えられることによって、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長のレーザ光に対して上記第１の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた任意のレンズ効果を付与することができ、本発明によれば、適正な屈折率分布の形成と組み合わせでトップハット型加工、凹レンズ等、所望の光学特性を形成することができる。
【００３０】
また、本発明において、上記液体は、上記第１の波長のレーザ光を吸収する色素を含有することにより、上記第１の波長のレーザ光は吸収し、上記第２の波長のレーザ光は透過する波長選択性を顕著に呈するものとすることができる。
【００３１】
また、本発明では、上記第１の波長のレーザ光の光量プロファイルをビームシェーパにより任意に設定することができ、例えば、上記ビームシェーパは、入射された第２の波長のレーザ光をトップハットビームとして出射する上記レンズ効果を上記第２の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第１の波長のレーザ光に与えるものとすることができる。
【００３２】
さらに、本発明では、上記液体を収容した上記容器の集束光が通過する端面に開口を設けることにより、強い強度の光の入射により流体光学素子が損傷する虞が少ない。
【００３３】
例えば、一対の光学レンズの組み合わせでレーザ光を集光、拡大させずにビーム系（レーザ光の進行方向と直角方向のレーザ光の直径）のみを変化させ平行光を作るコリメータでは、ビーム系縮小の場合、後段の光学レンズへは前段の光学レンズで集光されたビームが入射することから、これへのダメージを防ぐために元のレーザ光強度に大きな制約があったが、上記後段の光学レンズとして本発明に係る流体光学素子を用いることにより、アスペクト比の非常に大きな数百ｎｍ〜数百ｍｍ程度の微細孔の加工等を行うことのできるレーザ加工装置を実現できる。
【００３４】
すなわち、本発明によれば、媒質の屈折率の温度依存性を利用して熱レンズ効果により所望の光学特性を呈することができ、しかも、強い強度の光の入射により損傷する虞が少ない流体光学素子、上記流体光学素子を備えることにより所望のビームプロファイル強度分布のレーザ光を出射することができるようにしたレーザ光源装置及びレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明を適用した流体光学素子の構成例を模式的に示す要部縦断面図である。
【図２】上記流体光学素子の解析モデルを示す要部縦断面図である。
【図３】上記流体光学素子の解析モデルについて温度分布解析を行った結果を示す図である。
【図４】上記流体光学素子に検出光を入射した場合の光線追跡法による検出光伝搬モデルを示す要部縦断面図である。
【図５】本発明を適用した流体光学素子を用いたレーザ光源装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】上記レーザ光源装置における流体光学素子について、検出光の空間光強度分布の計算に用いた検出光の光強度変化モデルを示す図である。
【図７】上記レーザ光源装置における流体光学素子から出射される検出光の空間光強度分布を上記検出光の光強度変化モデルで計算した結果と撮像装置により実測した結果を示す図である。
【図８】上記レーザ光源装置において、第１の波長のレーザ光のパワーを変化させた場合と、上記流体光学素子からの撮像装置までの距離を変化させた場合の、流体光学素子を介して出射される第２の波長のレーザ光の光強度分布の変化を示す図である。
【図９】上記レーザ光源装置において、流体光学素子から出射される第２の波長のレーザ光の光強度分布として得られたトップハットプロファイルを示す図である。
【図１０】上記レーザ光源装置において、トップハットプロファイルが得られる流体光学素子から撮像装置までの距離を計算して得られた予測結果を示す図である。
【図１１】上記レーザ光源装置において、流体光学素子から撮像装置まで距離を変化させた場合の検出光プロファイルとビーム径の変換の様子を示す図である。
【図１２】上記流体光学素子を用いてコリメータの構成例を模式的に示す要部縦断面図である。
【図１３】本発明を適用したレーザ光源装置を用いたレーザ加工装置の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００３７】
本発明に係る流体光学素子１０は、媒質の屈折率の温度依存性を利用して熱レンズ効果により所望の光学特性を呈するものであって、例えば図１に示すように、入射された光が通過する互いに対向する端面１１Ａ，１１Ｂを有する容器１１に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は吸収し、第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は透過する波長選択性を有する液体１２を収容してなり、少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口１４が設けられている。
【００３８】
この流体光学素子１０は、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の照射により上記液体１２に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体１２の屈折率勾配によるレンズ効果、すなわち、熱レンズ効果を呈し、入射される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に対して上記レンズ効果を付与する。
【００３９】
ここで、上記容器１１として、例えば内径３０ｍｍ、肉厚１０ｍｍ、高さ１ｍｍの銅製リング１１Ｃの両端開口部を石英ガラスの端面１１Ａ，１１Ｂで閉じたキュベットを用い、上記液体１２として、例えば、サンセットイエロー染料（6-ヒドロキシ-5-[(4-スルホナトフェニル)ジアゼニル]ナフタレン-2-スルホン酸二ナトリウム（Ｃ１６Ｈ１０Ｎ２Ｎａ２Ｏ７Ｓ２））を０．０５ｇ／ｌ含有するエタノールを上記容器１１に収納した流体光学素子１０の試料について、その温度特性を解析するとともに実測したところ次のような結果が得られた。
【００４０】
すなわち、熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］を銅＝３８０、エタノール＝０．１５、石英＝１．４とし、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１（波長λ１＝４７３ｎｍ、パワーＰ＝１０ｍＷ、ビーム径Ｗ＝０．２５ｍｍ）を励起光として照射した図２に示す解析モデルについて、破線で囲んだ領域の温度分布解析を次の支配方正式により行った結果を図３の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す。
【００４１】
【数１】
2012141515.tif 000003
【００４２】
図３の（Ａ）は、試料内の温度分布の計算結果を示し、図３の（Ｂ）は、試料内のｒ軸方向すなわち半径方向の温度分布の計算結果を示し、図３の（Ｃ）は、上記図３の（Ｂ）で示されるｒ軸方向の温度分布で示される温度勾配ｄＴ／ｄｒに比例する屈折率αｒの変化による屈折の様子を模式的に示している。
【００４３】
そして、上記温度分布解析を行った試料に第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２を検出光として入射した場合、光線追跡法による検出光の伝搬モデルは、図４のようになる。
【００４４】
この伝搬モデルにおいて、光線軌道は、次の計算式にて示される温度Ｔにおける屈折率ｎ（Ｔ）から求められる。
【００４５】
【数２】
2012141515.tif 000004
【００４６】
また、位相φｉの変化は、次の計算式にて求められる。
【００４７】
【数３】
2012141515.tif 000005
【００４８】
上記流体光学素子１０は、液体１２の屈折率の温度依存性を利用して熱レンズ効果により所望の光学特性を呈することができ、例えば図５に示すように、出射する第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２の光量プロファイルを任意に設定可能なレーザ光源装置１を構成することができる。
【００４９】
このレーザ光源装置１は、第１の波長λ１のレーザ光（波長λ１＝４７３ｎｍ、パワーＰ＝１０ｍＷ、ビーム径φ＝０．７ｍｍ）Ｌ１を出射する第１のレーザ光源２と、ガウシャン分布の光強度分布を有する第２の波長λ２のレーザ光（波長λ２＝１０６４ｎｍ、ビーム径φ＝１．０ｍｍ）Ｌ２を出射する第２のレーザ光源３と、ビームシェーパ４と、反射鏡５と、半透鏡６と、流体光学素子１０を備える。
【００５０】
このレーザ光源装置１において、上記半透鏡６は、上記第１のレーザ光源２から出射された第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は反射し、上記第２のレーザ光源３から出射された第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は透過する波長選択性を有する。そして、上記第１のレーザ光源２から出射された第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は、上記半透鏡６により反射されて、励起光として上記流体光学素子１０に入射される。また、上記第２のレーザ光源３から出射された第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は、上記反射鏡５により反射され、上記半透鏡６を通過して検出光として上記流体光学素子１０に入射される。
【００５１】
ここで、このような構成のレーザ光源装置１における上記試料の流体光学素子１０について、図６に示す検出光の光強度変化モデルにて検出光の空間光強度分布Ｉ’（ｒ）を計算した結果と、ＣＣＤイメージセンサを用いた撮像装置５０により検出光の空間光強度分布Ｉ’（ｒ）を実測した結果を図７の（Ａ），（Ｂ）に示す。
【００５２】
ここで、上記検出光の光強度変化モデルにおける検出光の空間光強度分布Ｉ’（ｒ）は、次の計算式にて求めた。
【００５３】
【数４】
2012141515.tif 000006
【００５４】
また、上記レーザ光源装置１において、上記試料の流体光学素子１０を介して出射される第２の波長のレーザ光Ｌ２の光強度分布は、第１の波長のレーザ光Ｌ１すなわち励起光のパワーＰを変化させることにより、例えば図８の（Ａ）ように変化し、また、上記試料の流体光学素子１０からの撮像装置５０までの距離ｄを変化させることにより、例えば図８の（Ｂ）ように変化する。
【００５５】
すなわち、上記流体光学素子１０は、上記第１の波長のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルに応じた温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果、すなわち、熱レンズ効果を呈するので、このレーザ光源装置１では、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルを変更することにより、入射される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に対して上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルに応じた任意のレンズ効果を付与することができる。
【００５６】
例えばレーザダイオードに流す駆動電流を調整することによりレーザパワーを可変することできる半導体レーザを上記第１のレーザ光源２に用いることにより、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルを変更することができる。
【００５７】
また、上記第１のレーザ光源２から出射された第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１にビームシェーパ４で所望の強度分布を与えることにより、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルを変更することもできる。上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルを上記ビームシェーパ４により任意に可変することができ、例えば、入射された第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２をトップハットビームとして出射するレンズ効果を上記第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に付与する強度分布を上記ビームシェーパ４により上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１に与えるようすることもできる。
【００５８】
また、上記レーザ光源装置１において、上記試料の流体光学素子１０を介して出射された検出光すなわち第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２の光強度分布をＣＣＤイメージセンサを用いた撮像装置５０により測定したところ、図９に示すように、上記試料の流体光学素子１０から撮像装置５０まで距離が１８０ｍｍの場合に、上記流体光学素子１０から出射される上記第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２の光強度分布としてトップハットプロファイルを得ることができた。
【００５９】
上記流体光学素子１０から上記撮像装置５０まで距離が１８０ｍｍは、吸収係数を１．２ｃｍ−１として計算により得られた予測結果を一致した。
【００６０】
ここで、第１の波長のレーザ光（波長λ１＝４７３ｎｍビーム径φ＝０．５ｍｍ）を励起光とし、励起光のパワーＰを変化させ１〜８ｍＷとした場合について、上記流体における第１の波長のレーザ光の吸収係数を２．０ｃｍ−１として、上記トップハットプロファイルが得られる上記流体光学素子１０から上記撮像装置５０までの距離を計算して得られた予測結果を図１０に示す。
【００６１】
また、上記レーザ光源装置１において、上記撮像装置５０により検出される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２すなわち検出光の光強度は、ビーム中心からの距離に応じて変化し、上記流体光学素子１０から上記撮像装置５０まで距離ｄを変化させると、検出光プロファイルは図１１の（Ａ）に示すように変化する。すなわち、第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は、入射時のガウシャンプロファイルを維持した状態で、図１１の（Ｂ）に示すようにビーム径を拡大しながら伝搬しており、上記流体光学素子１０は、凹レンズとして機能している。
【００６２】
このように凹レンズとして機能する上記流体光学素子１０は、例えば図１２示すように、凸レンズ１５により集光されたレーザ光を平行光に変換するコリメータ２０を構成することができる。
【００６３】
なお、上記試料の流体光学素子１０では、上記液体１２として、サンセットイエロー染料を０．０５ｇ／ｌ含有するエタノールを用いたが、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１（波長λ１＝４７３ｎｍ）を吸収することにより、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルに応じた温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体１２の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に対して上記レンズ効果を付与する現象自体は、染料が無くても確認することができた。すなわち、長手方向の片面冷却片面加熱の長方形セル（直交座標系でほぼ１次元的な直線温度勾配）に入るレーザ光の屈折は完全に温度分布起因で説明できる。また、上記液体１２は、エタノールに限定されるものでなく、適当な吸収波長域を持ち透明の液体であれば良い。
【００６４】
また、上記試料の流体光学素子１０は、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１を切った直後の応答を確認したところ、ステップ的ではなしに時間経過とともに屈折率分布が元に戻るので、パルス状の第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１を上記励起光として用いることもできる。
【００６５】
そして、パルス状の第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１を上記励起光として用いる場合、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１のオフ期間の冷却過程において、中心に近づく従って温度が低下するような逆の温度勾配の状態を生じさせることができ、上記流体光学素子１０は、この逆の温度勾配にともなう上記液体１２の屈折率勾配により凸レンズの効果を呈し、入射される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に対して上記凸レンズの効果を付与することができる。
【００６６】
上記レーザ光源装置１に用いた流体光学素子１０において、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口１４が設けられている容器１１に収容した液体１２は、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は吸収し、第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は透過する波長選択性を有するので、上記液体１２に第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の照射により温度勾配が与えられることによって、上記温度勾配にともなう上記液体１２の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に対して上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルに応じた任意のレンズ効果を付与することができ、上記流体光学素子１０では、適正な屈折率分布の形成と組み合わせでトップハット型加工、凹レンズや凸レンズ等、所望の光学特性を形成することができる。
【００６７】
また、上記液体１２は、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１を吸収する色素を含有することにより、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は吸収し、上記第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は透過する波長選択性を顕著に呈するものとすることができる。
【００６８】
なお、上記流体光学素子１０において、容器１１に収容した液体１２は、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は吸収し、第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は透過する波長選択性を有する必要がある。
【００６９】
また、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の光量プロファイルをビームシェーパ４により任意に設定することができ、例えば、上記ビームシェーパ４は、入射された第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２をトップハットビームとして出射する上記レンズ効果を上記第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に付与する強度分布を上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１に与えるものとすることができる。
【００７０】
さらに、上記液体１２を収容した上記容器１１の集束光が通過する端面に開口１４を設けることにより、強い強度の光の入射により流体光学素子１０が損傷する虞が少ない。なお、上記開口１４は、集束光が通過するだけの小さな口径に形成しておくことによって、上記容器１１に収容した上記液体１２は、表面張力の働きにより、上記開口１４においてメニスカスを形成し、上記開口１４から流れ出てしまうことはない。
【００７１】
例えば、一対の光学レンズの組み合わせでレーザ光を集光、拡大させずにビーム系（レーザ光の進行方向と直角方向のレーザ光の直径）のみを変化させ平行光を作るコリメータでは、ビーム系縮小の場合、後段の光学レンズへは前段の光学レンズで集光されたビームが入射することから、これへのダメージを防ぐために元のレーザ光強度に大きな制約があったが、上記後段の光学レンズとして上記流体光学素子１０を用いることにより、アスペクト比の非常に大きな数百ｎｍ〜数百ｍｍ程度の微細孔の加工等を行うことのできるレーザ加工装置を実現できる。
【００７２】
例えば図１３に示すように、上記レーザ光源装置１を用いてレーザ加工装置１００を構成することができる。
【００７３】
このレーザ加工装置１００は、上記レーザ光源装置１と、被加工物を載置するテーブル１１０と、上記レーザ光源装置１の上記開口から出射された上記第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２と該第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２が照射される上記テーブル１１０に載置された被加工物２００をｘ，ｙ方向に相対移動させる駆動部１２０とを備える。
【００７４】
上記レーザ光源装置１は、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１を出射する第１のレーザ光源２と、第２の波長λ２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源３と、ビームシェーパ４と、反射鏡５と、半透鏡６と、流体光学素子１０を備える。
【００７５】
このレーザ加工装置１００において、上記レーザ光源装置１の上記第１のレーザ光源２は、例えば第１の波長λ１（λ１＝１０６４ｎｍ）のレーザ光Ｌ１を出射する例えば半導体レーザからなり、また、上記第２のレーザ光源３は、例えば第２の波長λ２（λ２＝１０６４ｎｍ）、パルス幅Δｔ（Δｔ＝４〜７ｎｓ）のレーザ光Ｌ２を出射するＹＡＧレーザからなる。
【００７６】
すなわち、このレーザ加工装置１００において、上記第２のレーザ光源２は、上記第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２として超短パルスレーザを出力するようになっている。
【００７７】
また、上記流体光学素子１０は、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口１４が設けられている容器１１に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は吸収し、第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は透過する波長選択性を有する液体１２を収容してなり、上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１の照射により上記液体１２に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体１２の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に対して上記レンズ効果を付与する。
【００７８】
また、上記ビームシェーパ４は、入射された第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２をトップハットビームとして上記流体光学素子１０から出射するレンズ効果を上記第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２に付与する強度分布を上記第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１に与える。
【００７９】
このレーザ光源装置１において、上記半透鏡６は、上記第１のレーザ光源２から出射された第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は反射し、上記第２のレーザ光源３から出射された第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は透過する波長選択性を有する。そして、上記第１のレーザ光源２から出射された第１の波長λ１のレーザ光Ｌ１は、上記半透鏡６により反射されて、励起光として上記流体光学素子１０に入射される。また、上記第２のレーザ光源３から出射された第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は、上記反射鏡５により反射され、上記半透鏡６を通過して上記流体光学素子１０に入射される。上記流体光学素子１０は、上記流体１２によりレンズ効果を付与して上記第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２をトップハットビームとして上記開口１４から出射する。また、上記流体光学素子１０は、凹レンズとして機能し、凸レンズ１５により集光されたレーザ光を平行光に変換するコリメータ２０を構成している。
【００８０】
このような構成のレーザ加工装置１００では、レーザ光源装置１において、第２のレーザ光源２から第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２として出射された超短パルスレーザを、凸レンズ１５と流体光学素子１０とにより構成されたコリメータ２０を介して平行光に変換する際に上記流体光学素子１０によりレンズ効果が付与されることにより、トップハットビームとして開口１４から出射することができ、超短パルスレーザのトップハットビームにより高精度なレーザ加工を行うことができる。
【００８１】
また、上記レーザ光源装置１は、上記超短パルスレーザをトップハットビームとして上記開口１４から出射するので、第２のレーザ光源２から第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２としてハイパワーの超短パルスレーザが入射されても上記流体光学素子１０が損傷する虞が少なく、信頼性の高いレーザ加工装置１００を実現することができる。
【００８２】
なお、上記レーザ加工装置１００において、上記流体１２により吸収される励起光すなわち、上記第１のレーザ光源２から出射される第２の波長λ１のレーザ光Ｌ１と、上記流体１２を通過する加工用レーザ光、すなわち、第２のレーザ光源２から出射される第２の波長λ２のレーザ光Ｌ２は、互いに波長をずらす必要があるが、被加工物２００の材質や加工内容に応じて加工用レーザ光及び励起光の波長やパワーを変更し、上記加工用レーザ光及び励起光の波長の組み合わせに応じて、上記流体１２として用いる媒質の種類や含有される色素の種類を選択することも可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１  レーザ光源装置、２  第１のレーザ光源、３  第２のレーザ光源、４  ビームシェーパ、５  反射鏡、６  半透鏡、１０  流体光学素子、１１  容器、１１Ａ，１１Ｂ  端面、１１Ｃ  銅製リング、１２  液体、１４  開口、１５  凸レンズ１５、２０  コリメータ、１００  レーザ加工装置、１１０  テーブル、１２０  駆動部、２００  被加工物、Ｌ１  第１の波長のレーザ光、Ｌ２  第２の波長のレーザ光、
【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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【図１３】
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