(57)【要約】【課題】  レーザ光の入射角を大きく設定できない場合でも過剰な加工が防止され良好な平滑化加工が可能なレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】  加工対象物Ｗの負曲面にレーザ光Ｌを照射して表面を平滑化するレーザ加工方法であって、ｓ偏光としたレーザ光Ｌを、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズ７で集光して照射すると共に、加工対象物Ｗに対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角にてレーザ光Ｌを照射する。特に、加工対象物Ｗが、基材の負曲面に形成されたダイヤモンド膜等の硬質炭素膜である場合に好適である。【選択図】図１
2013202657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の負曲面にレーザ光を照射して表面を平滑化するレーザ加工方法であって、
ｓ偏光とした前記レーザ光を、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズで集光して照射すると共に、前記加工対象物に対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角にて前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工方法において、
前記加工対象物が、基材の負曲面に形成された硬質炭素膜であることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
加工対象物の負曲面にレーザ光を照射して表面を平滑化するレーザ加工装置であって、
前記加工対象物に前記レーザ光を照射するレーザ光照射機構と、
前記加工対象物を保持して該加工対象物と前記レーザ光との相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構と、
これら機構を制御する制御部とを備え、
前記レーザ光照射機構が、直線偏光の前記レーザ光を出射可能なレーザ光源と、
直線偏光の前記レーザ光をｓ偏光化する偏光機構と、
ｓ偏光の前記レーザ光を集光して前記加工対象物に照射する焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズを有する光学系とを備え、
前記制御部が、前記光学系により前記加工対象物に対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角にて前記レーザ光を照射させることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ加工装置において、
前記光学系が、前記レーザ光の焦点深度を変更可能であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のレーザ加工装置において、
前記光学系又は前記位置調整機構が、前記加工対象物の表面の法線に対する前記レーザ光の入射角を変更可能であることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物の負曲面（凹曲面）を平滑化するためのレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を加工対象物に照射して表面を平滑に加工する取り組みが各所で行われている。例えば、特許文献１では、材料に成膜したダイヤモンド膜に対し、紫外線レーザを鋭利な角度で照射して、結晶粒に起因する凹凸を除去し、平滑な面を得る方法が提案されている。すなわち、この平滑化加工方法では、加工対象物の表面に対する法線に対して８０°以上９０°未満の角度でＹＡＧレーザの第５高調波を照射している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０７２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
レーザ光を用いて加工対象物を平滑化する場合、通常、特許文献１の技術のように８０°以上など大きな入射角でレーザ光を照射する必要がある。しかしながら、平滑化する部位が例えば半球の内側などの負曲面の場合、レーザ加工装置の構造上、８０°以上の鋭利な角度からのレーザ照射が困難であるという不都合があった。
また、レーザ光Ｌの入射角αが十分に大きくない場合、図６の（ａ）に示すように、例えば加工対象物Ｗとして基材Ｗ０の表面に成膜したダイヤモンド膜Ｗ１の凹凸を除去したレーザ光Ｌは後方の空間へと逃げず、加工対象物Ｗを過剰に除去してしまうなどの問題が発生しうる。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、レーザ光の入射角を大きく設定できない場合でも過剰な加工が防止され良好な平滑化加工が可能なレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るレーザ加工方法は、加工対象物の負曲面にレーザ光を照射して表面を平滑化するレーザ加工方法であって、ｓ偏光とした前記レーザ光を、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズで集光して照射すると共に、前記加工対象物に対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角にて前記レーザ光を照射することを特徴とする。ここで、本発明におけるｓ偏光とは、材料に照射するレーザ光の光軸と、レーザ光の照射点における材料表面の法線とを含む面に垂直な方向に電場が振動する光のことを、ｐ偏光とは材料に照射するレーザ光の光軸と、レーザ光の照射点における材料表面の法線とを含む面に平行な方向に電場が振動する光のことをそれぞれ指す。
【０００７】
このレーザ加工方法では、ｓ偏光としたレーザ光を、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズで集光して照射すると共に、前記加工対象物に対しｓ偏光の反射率が０．５（５０％）以上となる入射角にて前記レーザ光を照射するので、加工対象物の負曲面に対して８０°未満の入射角でレーザ光を照射しても高い反射率を得ることができ、加工対象物表面の過剰な加工を防止することができる。すなわち、短焦点の集光レンズで集光したｓ偏光のレーザ光を用いることで、加工対象物の表面の平滑化の進行と共にレーザ光の反射率が増加する効果が増すため、加工対象物のアブレーション反応を起こすことが可能なレーザ光のビームウエストからのｚの範囲（以下、加工焦点深度と称する）を小さくすることができる。なお、ｚはレーザ光の光軸に沿った位置を意味し、図４のビームウエストを原点としたグラフの横軸に相当する。したがって、ｓ偏光のレーザ光と上記短焦点の集光レンズとの組み合わせにより、平滑化されるとレーザ光が多く反射されると共に加工焦点深度が小さくなり、過剰な加工を防ぐことができる。
なお、上記集光レンズの焦点距離ｆを１００ｍｍ以下とした理由は、上述したように、レーザ光による平滑化加工において、加工対象物表面を過剰な深さまで加工してしまい表面を傷つけることや、成膜された膜を完全に除去してしまうなどの問題を防ぐためであり、十分に小さな加工焦点深度を得るためである。また、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下に小さくされた集光レンズは、レーザ光のビームウエストからの広がり角が大きくなるため、加工対象物表面で反射したレーザ光のエネルギー密度の減少率が距離に対して大きく、負曲面を有する加工対象物の他の部位を加工してしまうことを抑制可能である。特に、レーザ光の入射角が６０°以上９０°未満の範囲で面粗さの小さい良好な平滑化加工が可能である。
【０００８】
第２の発明に係るレーザ加工方法は、第１の発明において、前記加工対象物が、基材の負曲面に形成された硬質炭素膜であることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工方法では、加工対象物が、例えば基材の負曲面に形成されたダイヤモンド膜やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜等の硬質炭素膜であっても、ｓ偏光のレーザ光が円偏光に比べて高い反射率が得られ、従来、小さな入射角で照射した際のレーザ加工による平滑化が困難であった硬質炭素膜についても、良好な平滑化加工が可能である。したがって、本発明は、特にダイヤモンド膜等の硬質炭素膜に対して有効な加工方法である。
【０００９】
第３の発明に係るレーザ加工装置は、加工対象物の負曲面にレーザ光を照射して表面を平滑化するレーザ加工装置であって、前記加工対象物に前記レーザ光を照射するレーザ光照射機構と、前記加工対象物を保持して該加工対象物と前記レーザ光との相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構と、これら機構を制御する制御部とを備え、前記レーザ光照射機構が、直線偏光の前記レーザ光を出射可能なレーザ光源と、直線偏光の前記レーザ光をｓ偏光化する偏光機構と、ｓ偏光の前記レーザ光を集光して前記加工対象物に照射する焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズを有する光学系とを備え、前記制御部が、前記光学系により前記加工対象物に対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角にて前記レーザ光を照射させることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、直線偏光のレーザ光をｓ偏光化する偏光機構と、ｓ偏光のレーザ光を集光して加工対象物に照射する焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズを有する光学系を備え、制御部が、光学系により加工対象物に対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角にてレーザ光を照射させるので、偏光機構によりｓ偏光化したレーザ光を短焦点の集光レンズにより集光して加工対象物に照射することで、小さい加工焦点深度により良好な平滑化加工が可能になる。
【００１０】
第４の発明に係るレーザ加工装置は、第３の発明において、前記光学系が、前記レーザ光の加工焦点深度を変更可能であることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、光学系が、レーザ光の焦点深度を変更可能であるので、加工対象物の厚さや表面状態、又は加工状況に応じて加工焦点深度を調整することが可能である。
【００１１】
第５の発明に係るレーザ加工装置は、第３又は第４の発明において、前記光学系又は前記位置調整機構が、前記加工対象物の表面の法線に対する前記レーザ光の入射角を変更可能であることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、光学系又は位置調整機構が、加工対象物の表面の法線に対するレーザ光の入射角を変更可能であるので、加工対象物との位置関係、加工対象物の材料又は表面状態に応じてレーザ光の入射角を任意に調整することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置によれば、ｓ偏光としたレーザ光を、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズで集光して照射すると共に、加工対象物に対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角にてレーザ光を照射するので、加工対象物の負曲面に対して８０°未満の入射角でレーザ光を照射しても高い反射率を得ることができ、加工対象物表面の過剰な加工を防止することができる。
したがって、本発明のレーザ加工方法およびレーザ加工装置では、例えば、円筒形状の加工対象物の内周面等に対しても良好な平滑化加工が可能になり、より小さい面粗さとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置において、レーザ加工装置を示す概略的な全体構成図である。
【図２】円偏光、ｓ偏光及びｐ偏光のレーザ光における空気とダイヤモンドとの界面における入射角に対する反射率を示すグラフである。
【図３】各屈折率の材料における、入射角に対する反射率増加率を示すグラフである。
【図４】焦点距離ｆ＝１００ｍｍのレンズでレーザ光を集光した際の、ビームウエスト近傍の光強度のグラフである。
【図５】焦点距離ｆ＝１２０ｍｍのレンズでレーザ光を集光した際の、ビームウエスト近傍の光強度のグラフである。
【図６】レーザ光による負曲面の平滑化加工を行う際の従来技術の場合（ａ）と本実施形態の場合（ｂ）とを示す説明図である。
【図７】本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置において、回転ミラーの回転機構を示す概略的な全体構成図である。
【図８】本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置法の実施例において、加工対象物を示す断面図である。
【図９】本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置の実施例において、負曲面に平滑化加工を行った際のＳＥＭ写真である。
【図１０】本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置の従来例において、負曲面に平滑化加工を行った際の拡大写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るレーザ加工方法およびレーザ加工装置の一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している部分がある。
【００１５】
本実施形態のレーザ加工方法は、加工対象物の負曲面にレーザ光を照射して表面を平滑化するレーザ加工方法であって、ｓ偏光としたレーザ光を、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズで集光して照射する方法である。特に、本レーザ加工方法では、加工対象物として、基材の負曲面に形成されたコーティング膜、例えばダイヤモンド膜、ＤＬＣ膜の硬質炭素膜に対して平滑化加工を行う際に好適である。
【００１６】
このレーザ加工方法を行う本実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、加工対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射機構２と、加工対象物Ｗを保持して該加工対象物Ｗとレーザ光Ｌとの相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構３と、これら機構を制御する制御部４とを備えている。
【００１７】
上記加工対象物Ｗは、例えば図１及び図６の（ｂ）に示すように、略筒状の基材Ｗ０の内面にＣＶＤ法で成膜された厚さ１００μｍ以下の硬質炭素膜であるダイヤモンド膜Ｗ１である。なお、加工対象物Ｗの形態としては、上記筒状に近い形態の他に、完全に閉じた曲面や、その断面が真円でないもの（楕円等）でも構わない。
【００１８】
上記レーザ光照射機構２は、直線偏光のレーザ光Ｌを出射可能なレーザ光源５と、直線偏光のレーザ光Ｌをｓ偏光化する偏光機構６と、ｓ偏光のレーザ光Ｌを集光して加工対象物Ｗに照射する焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズ７を有する光学系８とを備えている。
上記制御部４は、光学系８により加工対象物Ｗに対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角αにてレーザ光Ｌを照射させる機能を有している。
【００１９】
上記レーザ光源５は、波長が１９０〜５５０ｎｍの範囲内の直線偏光であるレーザ光Ｌをパルス発振できるものが使用可能であり、例えば本実施形態では、波長２６６ｎｍ又は３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。また、レーザ光源５から出射されるレーザ光Ｌは、そのビーム断面の光強度分布がガウシアン分布となっているガウシアンビームである。
【００２０】
上記偏光機構６は、例えばλ／２波長板、λ／４波長板と直線偏光板との組み合わせ、ファラデー回転素子等の偏光回転素子などである。
上記光学系８は、偏光機構６でｓ偏光とされたレーザ光Ｌの光路を変更する第１ミラーＭ１，第２ミラーＭ２及び第３ミラーＭ３と、第１ミラーＭ１で反射されたレーザ光Ｌの径を絞るアパーチャー１２と、絞られたーザ光Ｌの径を拡大する一対のレンズであるビームエキスパンダー９と、上記集光レンズ７と、該集光レンズ７で集光されたレーザ光Ｌを任意の角度で加工対象物Ｗに向けて照射可能な回転ミラーＭ４と、第２ミラーＭ２，集光レンズ７，第３ミラーＭ３及び回転ミラーＭ４が設置された棒状アームであるガイド１０とを備えている。なお、一対のレンズであるビームエキスパンダー９は、特定方向のみを拡大するシリンドリカルレンズの対であってもよい。
【００２１】
上記光学系８は、回転ミラーＭ４によってレーザ光Ｌの照射方向を調整することができ、これにより加工対象物Ｗの表面の法線に対するレーザ光Ｌの入射角αを変更可能である。
また、光学系８は、集光レンズ７が変更可能に取り付けられており、セットされる集光レンズ７に応じてレーザ光Ｌの加工焦点深度を変更可能である。
【００２２】
上記位置調整機構３は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部３ｘと、該Ｘ軸ステージ部３ｘ上に設けられＸ方向に対して垂直なかつ水平面に平行なＹ方向に移動方向なＹ軸ステージ部３ｙと、該Ｙ軸ステージ部３ｙ上に設けられた水平面に対して垂直方向に移動可能なＺ軸ステージ部３ｚと、該Ｚ軸ステージ部３上に設けられ加工対象物Ｗを保持して回転可能な回転治具１１のＸ−Ｙ平面に対する傾きを任意に設定可能な傾斜ステージ部３θとを備えている。すなわち、この位置調整機構３は、傾斜ステージ部３θによって加工対象物Ｗの傾きを調整することができ、これにより加工対象物Ｗの表面の法線に対するレーザ光Ｌの入射角αを変更可能である。なお、この位置調整機構３は、レーザ光Ｌの入射角αを少なくとも６０〜９０°の範囲内に設定可能である。
【００２３】
上記ガイド１０は、制御部４により加工対象物Ｗに対して移動可能に設置しても構わない。
なお、加工対象物Ｗが断面楕円形状である場合、制御部４により、Ｚ軸ステージ部３ｚを回転に合わせて動的に制御するか、またはガイド１０を動的にＺ方向に上下させる制御を行う。
また、制御部４は、図７に示すように、上記回転ミラーＭ４のＺ軸に対する傾斜角β１、及びＺ軸周りの回転角β２をレーザ加工中に動的に変化させる制御を行う。それにより、加工対象物Ｗが複雑な立体形状である場合においても、レーザ光の入射角αを常に一定とすることができ、むらの無い平滑化加工が可能となる。
【００２４】
上記偏光機構６は、制御部４により、回転ミラーＭ４と連動し、加工対象物Ｗへのレーザ照射部においてレーザ光Ｌがｓ偏光になるように制御される。すなわち、回転ミラーＭ４の回転角β２を変えると、レーザ照射部における直線偏光の向きが変化するため、回転ミラーＭ４の回転角β２に合わせてｓ偏光に調整できるように偏光機構６を制御する。なお、加工対象物Ｗの形態が単純な円筒形状などである場合、必ずしも回転ミラーＭ４の回転角β２を加工中に動的に変化させる必要がないので、その場合は、偏光機構６の偏光回転素子はλ／２波長板などの簡易なものでも構わない。
上記制御部４は、例えばシーケンサなどのコンピュータである。
【００２５】
次に、本実施形態のレーザ加工装置１による加工対象物Ｗの負曲面に対する平滑化加工の方法について説明する。
【００２６】
まず、レーザ光源５から出射された円偏光のレーザ光Ｌを、偏光機構６がｓ偏光化する。次に、第１ミラーＭ１は、ｓ偏光されたレーザ光Ｌを反射し、ビームエキスパンダー９を介して集光径を小さくするためにビーム径を拡大してレーザ光照射幅を太くする。この後、ガイド１０内の第２ミラーＭ２が、レーザ光Ｌをガイド１０の延在方向に反射してガイド１０内の集光レンズ７へ導き、さらに集光レンズ７が、レーザ光Ｌを集光する。そして、集光されたレーザ光Ｌを、第３ミラーＭ３が回転ミラーＭ４へ向けて反射し、所定の入射角αで加工対象物Ｗに照射することで平滑化加工が行われる。集光レンズ７の焦点距離ｆは、１００ｍｍ以下に設定することで、例えばダイヤモンド膜の加工においては、加工部位が熱的影響で変質する領域を小さくすることができる。
【００２７】
このとき、例えば加工対象物Ｗが負曲面に形成されたダイヤモンド膜である場合、空気とダイヤモンド膜との界面におけるｓ偏光、ｐ偏光、円偏光を持つレーザ光のそれぞれの反射率Ｒｓ、Ｒｐ、Ｒｃが、図２に示すように、レーザ光Ｌの入射角αに応じて変化する。なお、円偏光の反射率Ｒｃは、（Ｒｓ＋Ｒｐ）／２として計算している。
【００２８】
この図２から、ｓ偏光のレーザ光は、ｐ偏光や円偏光の場合に比べてレーザ光Ｌの入射角αが８０°未満においても反射率が高く、小さな入射角で照射しても、平滑化された際に多く反射され、加工対象物Ｗ表面の過剰な加工を防止することができる。特に、ｓ偏光の反射率が０．５以上であれば、工業用品に利用されるダイヤモンド膜などの硬質炭素膜の平滑化において、加工深さをその膜厚以下に抑えることが可能となる。その際の入射角αは、ダイヤモンド膜の場合は６０°以上となる。
【００２９】
ダイヤモンド膜の加工においては、集光レンズの焦点距離ｆを１００ｍｍ以下に設定することで、加工部位が熱的影響で変質する領域を小さくすることができることと、照射するｓ偏光のレーザ光の反射率が０．５以上であれば、ダイヤモンド膜が除去される深さをその膜厚以下に抑えることとが可能となる点について、図４及び図５を参照して以下に説明する。
これらの図は、それぞれ焦点距離：ｆ＝１００ｍｍとｆ＝１２０ｍｍとのレンズでｓ偏光のレーザ光を入射角０°でダイヤモンド膜に集光した際の、ビームウエスト近傍で仮想の反射率を０，０．４，０．５としたときに、ダイヤモンド膜に照射される分の光強度を、その反射率毎に示したグラフである。反射率０．４及び０．５は、図２により、それぞれ入射角αを５０°及び６０°とした場合のｓ偏光の反射率に相当する。このときのレーザ光は、集光レンズに入る直径を２０ｍｍに拡大平行化した、波長３５５ｎｍのものである。
【００３０】
それぞれのグラフにおいて、横軸を、レーザ光の光軸中心上におけるビームウエストからの距離（単位：μｍ）とし、縦軸を、ｆ＝１００ｍｍのレンズにおいて反射率がゼロであるときのビームウエストかつ光軸中心における光強度をＩ０とした際の、光強度の相対値Ｉ／Ｉ０としている。なお、横軸は、ビームウエストよりレーザ光の進行方向を正とし、その反対方向を負としている。
ここで、ダイヤモンド膜の加工閾値の光強度をＩＡとし、また、加工はされないが、熱影響によりグラファイト質層などに変質させる光強度をＩＢとした。ＩＡ及びＩＢは、照射レーザ光のパワー密度を変えることで、調整することが可能である。
【００３１】
それぞれの曲線とＩＡとの交点のｚ座標を加工深さＤＡ（加工焦点深度の半分。ｚ＝０を加工対象物の表面に設定したときに加工する深さ）とする。加工深さＤＡは、加工対象物が決まっていれば、ビームウエストの設定位置、入力する光強度と加工対象物の加工閾値との関係で決まり、所定の深さ以上に加工は進行しない。したがって、加工深さＤＡを制御するためにはレーザ光の光強度を調整すれば良いことになるが、レーザ光の光強度の最大値（ビームウエストにおける光強度）をダイヤモンド膜の加工閾値の光強度ＩＡ近傍に設定すると、レーザ光の光強度の時間変動から加工むらが生じやすい。よって、加工深さＤＡを安定するためには、レーザ光の光強度のｚ座標に対する変化率（例えば図４のグラフの傾き）が最大となる付近の光強度へ、ダイヤモンド膜の加工閾値の光強度ＩＡを設定することが望ましい。
【００３２】
また、それぞれの曲線とＩＡ及びＩＢとの交わる領域のｚ座標の範囲を熱影響深度ＤＢとする。この熱影響深度ＤＢは、レンズの焦点距離が長いものほど大きくなるため、レンズの焦点距離が短い方が好ましい。
【００３３】
ｆ＝１００ｍｍのレンズを用い反射率Ｒ＝０．５の場合の加工深さをＤＡ１、その熱影響深度をＤＢ１、ｆ＝１００ｍｍのレンズを用い反射率Ｒ＝０．４の場合の加工深さをＤＡ２、その熱影響深度をＤＢ２、ｆ＝１２０ｍｍのレンズを用い反射率Ｒ＝０．５の場合の加工深さをＤＡ３、その熱影響深度をＤＢ３、ｆ＝１２０ｍｍのレンズを用い反射率Ｒ＝０．４の場合の加工深さをＤＡ４、その熱影響深度をＤＢ４とする。
反射率Ｒ＝０．５の場合はレーザ光の入射角αが６０°、反射率Ｒ＝０．４の場合はレーザ光の入射角αが５０°であることを考え、ダイヤモンド膜が表層から除去される深さＤＡＲは、図４及び図５のグラフから読み取れる上記加工深さＤＡにそれぞれｃｏｓ６０°、ｃｏｓ５０°を乗じたものである。結果、ダイヤモンド膜が表層から除去される深さＤＡＲ及び変質層の厚さＤＢＲは、
入射角６０°かつｆ＝１００ｍｍ・・・ＤＡＲ＝１５μｍ  ＤＢＲ＝１μｍ
入射角５０°かつｆ＝１００ｍｍ・・・ＤＡＲ＝２８μｍ  ＤＢＲ＝２μｍ
入射角６０°かつｆ＝１２０ｍｍ・・・ＤＡＲ＝２５μｍ  ＤＢＲ＝２μｍ
入射角５０°かつｆ＝１２０ｍｍ・・・ＤＡＲ＝３８μｍ  ＤＢＲ＝３μｍ
となる。なお、図４及び図５のＤＢの大きさは見易さのために、実際の値よりも拡大している（ダイヤモンド膜の場合はＩＢ／ＩＡ＝０．９８程度）。
【００３４】
工業的に利用されるダイヤモンド膜は２０〜数１００μｍのものが多く、加工深さは２０μｍ以下であることが必要なことと、変質層の厚さも１μｍ以下に抑えたいという理由からも、上記結果より、集光レンズの焦点距離をｆ＝１００ｍｍ以下、レーザ光の入射角αを６０°以上に設定することが望ましい。
【００３５】
また、空気（屈折率１）から屈折率ｎの材料表面へレーザ光Ｌを照射した場合において、入射角αに対する反射率増加率ΔＲの変化を、各屈折率ｎの大きさごとにグラフ化したものを図３に示す。ここで、反射率増加率ΔＲは、円偏光の反射率Ｒｃに対するｓ偏光の反射率Ｒｓ（ΔＲ＝Ｒｓ／Ｒｃ）として定義する。この図からわかるように、いずれの屈折率ｎにおいても、レーザ光Ｌの入射角が５０°から７０°の範囲において大きな反射率増加率ΔＲが得られており、ｓ偏光を用いることで反射率を高める効果が大きいことが分かる。
【００３６】
このように、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の焦点距離の短い集光レンズ７とｓ偏光のレーザ光Ｌとの組み合わせにより、加工焦点深度を小さくすることで、過剰な深さに加工される問題を防止可能である。
すなわち、本実施形態のレーザ加工方法では、図６の（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌのダイヤモンド膜Ｗ１の膜界面における反射率が高く、一定以上の平滑化が達成された後は大部分が界面で反射され、過剰な加工が抑制される。
【００３７】
このように本実施形態のレーザ加工方法及びレーザ加工装置１では、ｓ偏光としたレーザ光Ｌを、焦点距離ｆが１００ｍｍ以下の集光レンズ７で集光して照射すると共に、加工対象物Ｗに対しｓ偏光の反射率が０．５以上となる入射角αにてレーザ光Ｌを照射するので、加工対象物Ｗの負曲面に対して８０°未満の入射角αでレーザ光Ｌを照射しても高い反射率を得ることができ、加工対象物Ｗ表面の過剰な加工を防止することができる。すなわち、短焦点の集光レンズで集光したｓ偏光のレーザ光を用いることで、加工対象物Ｗの表面の平滑化の進行と共にレーザ光の反射率が増加するため、加工焦点深度を小さくすることができる。したがって、ｓ偏光のレーザ光Ｌと上記短焦点の集光レンズ７との組み合わせにより、平滑化されるとレーザ光Ｌが多く反射されると共に加工焦点深度が小さくなり、過剰な加工を防ぐことができる。
【００３８】
特に、加工対象物Ｗが、基材Ｗ０の負曲面に形成されたダイヤモンド膜Ｗ１であっても、ｓ偏光のレーザ光Ｌが円偏光に比べて高い反射率が得られ、従来、小さな入射角αで照射した際のレーザ加工による平滑化が困難であったダイヤモンド膜Ｗ１についても、良好な平滑化加工が可能になる。
【００３９】
また、このレーザ加工装置１では、光学系８が、レーザ光Ｌの焦点深度を変更可能であるので、加工対象物Ｗの厚さや表面状態、又は加工状況に応じて加工焦点深度を調整することが可能である。
さらに、光学系８又は位置調整機構３が、加工対象物Ｗの表面の法線に対するレーザ光Ｌの入射角αを変更可能であるので、加工対象物Ｗとの位置関係、加工対象物Ｗの材料又は表面状態に応じてレーザ光Ｌの入射角αを任意に調整することができる。
【実施例】
【００４０】
次に、本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法により、ダイヤモンド膜の表面を平滑化加工した実施例について、図８から図１０を参照して説明する。
この実施例では、図８に示すように、加工対象物Ｗとして超硬基板の基材Ｗ０上の負曲面にＣＶＤ法で成膜したダイヤモンド膜Ｗ１の表面を平滑化加工した。なお、図８中の矢印は、加工時における加工対象物Ｗの回転方向を示したものである。
【００４１】
また、以下の条件によりレーザ加工を行った。
・レーザ光波長：２６６ｎｍ（ＹＡＧレーザ光の４倍高調波）
・レーザ光の繰り返し周波数：１６６ｋＨｚ
・レーザ光出力：０．４Ｗ
・集光レンズの焦点距離ｆ＝６０ｍｍ
・レーザ光の入射角α：７５°
・レーザ光：ガウシアンビーム
・レーザ光の走査速度：５０ｍｍ／ｓ
・加工対象物：ダイヤモンド膜（膜厚２０μｍ）
【００４２】
上記条件に設定したｓ偏光のレーザ光を用いた本発明のレーザ加工方法により、ダイヤモンド膜の平滑化加工を行った際のレーザ加工面のＳＥＭ写真を図９に示す。なお、このＳＥＭ写真は、図８における加工対象物Ｗの角部付近の拡大画像である。また、比較例として円偏光のレーザ光を用いて同様に平滑化加工を行った際の拡大写真を図１０に示す。
【００４３】
これらの写真からわかるように、円偏光のレーザ光で加工した比較例では、過剰に加工されて基材が露出してしまっている部分があると共に、加工面表面が波打ち状態又は不均一な膜厚となっているのに対し、ｓ偏光のレーザ光を用いて加工した本発明の実施例では、基材が露出してしまった部分がなく、加工面全体が均一に平滑化されている。このように、本発明の実施例では、ダイヤモンド膜の表面において面粗さＲｚが１μｍ以下の良好な平滑面が得られた。
【００４４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…レーザ加工装置、２…レーザ光照射機構、３…位置調整機構、４…制御部、５…レーザ光源、６…偏光機構、８…光学系、Ｌ…レーザ光、Ｗ…加工対象物
【図１】
2013202657.tif 000003
【図６】
2013202657.tif 000004
【図７】
2013202657.tif 000005
【図８】
2013202657.tif 000006
【図２】
2013202657.tif 000007
【図３】
2013202657.tif 000008
【図４】
2013202657.tif 000009
【図５】
2013202657.tif 000010
【図９】
2013202657.tif 000011
【図１０】
2013202657.tif 000012