(57)【要約】【課題】超短パルスビームアレイにおける空間強度分布の歪を解消し、パルスの不要な伸びを補償する手段を備え、超短パルスビームアレイを用いた並列加工が可能なレーザー加工装置。【解決手段】超短パルスレーザー発振器４００と、超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスに対して所要の伸びを与えることにより共役パルスを生成するパルス伸張器３０５と、パルス伸張器により生成された共役パルスを分岐して複数本の共役パルスビームを発生させる回折ビームスプリッタ３０１と、回折ビームスプリッタで発生させた複数本の共役パルスビームを集光して集光パルスビームアレイを出力する回折レンズ３０２とを備え、パルス伸張器で生成した共役パルスを用いて回折レンズで生じる超短パルスの伸びを補償する。【選択図】図２
2016107321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルスレーザー発振器と、
前記超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスビームに対して所要の伸びを与えることにより共役パルスビームを生成するパルス伸張器と、
前記パルス伸張器により生成された共役パルスビームを分岐して複数本の共役パルスビームを発生させる回折ビームスプリッタと、
前記回折ビームスプリッタで発生させた複数本の共役パルスビームを集光して集光パルスビームアレイを出力する回折レンズとを備え、
前記パルス伸張器は、前記回折レンズで生じる前記超短パルスの伸びを前記共役パルスにより打ち消すことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
前記パルス伸張器は、前記超短パルスが入射される第１回折格子と、前記第１回折格子と所定距離離れ且つ前記第１回折格子に対して所定角度だけ傾けて配置され、前記第１回折格子からの前記超短パルスが入射される第２回折格子とを備え、
各々の回折格子の周期、回折格子間の距離、回折格子へのビーム入射角度の少なくとも１つを調整することにより前記共役パルスの伸びを調整して、調整された共役パルスにより前記回折レンズで生じる前記超短パルスの伸びを打ち消すことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
前記パルス伸長器は、基材に高屈折率層と低屈折率層が交互に積層された多層膜ミラーから構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
超短パルスレーザー発振器と、
前記超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスに対して所要の伸びを与えることにより共役パルスを生成するパルス伸張器と、
前記パルス伸張器により生成された共役パルスに対して位相変調を与えて複数本の共役パルスビームを発生させる空間光変調器と、
前記空間光変調器で発生させた複数本の共役パルスビームを集光して集光パルスビームアレイを出力する回折レンズとを備え、
前記パルス伸張器は、前記回折レンズで生じる前記超短パルスの伸びを前記共役パルスにより打ち消すことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項５】
超短パルスレーザー発振器と、
前記超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスを分光する回折格子と、
前記回折格子からの超短パルスムビームを平行光にする放物面ミラーと、
前記放物面ミラーからの分光された波長成分毎に、所要の位相変調を与えることにより共役パルスを生成する空間光変調器と、
前記空間光変調器により生成された共役パルスを分岐して複数本の共役パルスビームを発生させる回折ビームスプリッタと、
前記回折ビームスプリッタで発生させた複数本の共役パルスビームを集光して集光パルスビームアレイを出力する回折レンズとを備え、
前記空間光変調器は、前記回折レンズで生じる前記超短パルスの伸びを前記共役パルスにより打ち消すことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項６】
超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスに対してパルス伸張器により所要の伸びを与えることにより共役パルスを生成するステップと、
前記パルス伸張器により生成された共役パルスを回折ビームスプリッタにより分岐して複数本の共役パルスビームを発生させるステップと、
前記回折ビームスプリッタで発生させた複数本の共役パルスビームを回折レンズにより集光して集光パルスビームアレイを出力するステップとを備え、
前記パルス伸張器は、前記回折レンズで生じる前記超短パルスの伸びを前記共役パルスにより打ち消すことを特徴とするレーザー加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーを用いた微細加工ならびに微細プロセスを行うことができるレーザー加工方法及びレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、回折ビームスプリッタを応用したレーザー微細加工技術が注目されている。回折ビームスプリッタを用いて１本の光ビームを分岐すると、多数本の光ビームからなる光ビームアレイを容易に発生させることができる。光ビームアレイで材料の複数部位を同時に加工すれば、スループット（単位時間当たりの処理能力）が大きく向上し、生産性の高い加工技術を実現できる。このビーム分岐技術は、ナノ秒パルスビームアレイを用いた孔開けや切断へ広く応用されている。
【０００３】
しかしながら、ナノ秒パルスで材料を加工すると、発熱のために加工部位の周縁にデブリと呼ばれる除去物が体積し、加工品質が大きく損なわれる。この問題を回避するために、例えば、レーザー加工後にウエットエッチング等のプロセスが併用されている（非特許文献１）。
【０００４】
加工部位への熱影響を回避する手段として、超短パルスビームを材料加工へ用いることが検討されている。超短パルスビームを製造ラインへ実用化するには、同パルスを用いた並列加工を可能にするビーム制御技術が必要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jun Amako 26th ICALEO (2007, Orland, USA),”MULTI-BEAM PARALLEL PROCESSING AND CHEMICAL FINISHING OF SILICON FOR MICROCAVITIES IN INKJET PRINTER HEADS”
【非特許文献２】Jun Amako et al. June 1,2002/Vol.27,No.11/ OPTICS LETTERS, ”Chromatic-distortion compensation in splitting and focusing of femtosecond pulses by use of a pair of diffractive optical elements”
【非特許文献３】Kuroiwa et al. OPTICS. EXPRESS 2004,”Arbitrary micropatterning method in femtosecond laser microprocessing using diffractive optical elements”
【非特許文献４】Li et al. Optical Society of America, 2005,”splitting of femtosecond laser pulses by using a Dammann grating and compensation gratings”
【非特許文献５】Vega et al. September 1,2006/Vol.31,No.17/ OPTICS LETTERS,”High spatiotemporal resolution in multifocal processing with femtosecond laser pulses
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、回折ビームスプリッタを用いて超短パルスビームアレイを発生させると、深刻な問題に直面する。すなわち、超短パルスビームは波長帯域が広いために、ビーム形状が時空間で歪んでしまう。これは光の回折角がその波長に依存するためである。
【０００７】
図１１に超短パルスビームを分岐集光するために用いられる従来のレーザー加工装置（ビーム分岐集光系部分のみ）の一例を示す。図１１において、回折ビームスプリッタ１０１は、超短パルスビーム１００を分岐する。屈折レンズ１０２は、回折ビームスプリッタ１０１からのビームを集光し、集光ビームアレイ１０３を集光面１０４に出力する。
【０００８】
図１２（ａ）に、図１１に示す光学系で発生させた４９本の超短パルスビームアレイを示す。図１２（ｂ）に光軸外２．２ｍｍの超短パルス集光ビームを示す。図１２（ｃ）に光軸上の超短パルス集光ビームを示す。分岐されたパルスビームの空間強度分布は、回折方向に扁平に歪み、そのパルス幅は入力ビームのパルス幅に対して大きく広がっている。どちらも回折に起因する角度分散が原因である。時空間歪のある超短パルスビームを加工に用いると、発熱量が大きく増えるために、加工の形状や均一性は著しく損なわれる。
【０００９】
超短パルスの時空間歪を補償する方法として、屈折光学素子あるいは回折ビームスプリッタを組み合わせたビーム分岐集光系がいくつか提案されているが、パルスの時空間歪を十分に補償しきれていない（非特許文献２〜５）。
【００１０】
非特許文献２に開示されているレーザー加工装置（ビーム分岐集光系部分のみ）を図１３に示す。図１３において、回折ビームスプリッタ２０１は、超短パルスビーム２００を分岐する。回折レンズ２０２は、回折ビームスプリッタ２０１からのビームを集光して集光ビームアレイ２０３を集光面２０４に出力する。回折ビームスプリッタ２０１と回折レンズ２０２を図１３のように組み合わせると、集光点におけるパルスビームの空間強度分布の歪は解消される。
【００１１】
しかしながら、回折ビームスプリッタ２０１と回折レンズ２０２を用いるだけではパルス幅の広がりは補償されていない。
【００１２】
本発明は、超短パルスビームアレイにおける空間強度分布の歪を解消し、パルス幅の広がりを補償することができるレーザー加工方法及びレーザー加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明は、超短パルスレーザー発振器と、前記超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスビームに対して所要の伸びを与えることにより共役パルスビームを生成するパルス伸張器と、前記パルス伸張器により生成された共役パルスビームを複数本に分岐する回折ビームスプリッタと、前記回折ビームスプリッタで分岐した複数本の共役パルスビームを集光して集光パルスビームアレイを出力する回折レンズとを備え、前記パルス伸張器は、前記回折レンズで生じる前記超短パルスの伸びを前記共役パルスにより打ち消すことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、超短パルスレーザー発振器と、前記超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスビームに対して所要の伸びを与えることにより共役パルスビームを生成するパルス伸張器と、前記パルス伸張器により生成された共役パルスビームに対して位相変調を与えることにより複数本の共役パルスビームを発生させる空間光変調器と、前記空間光変調器で発生させた複数本の共役パルスビームを集光して集光パルスビームアレイを出力する回折レンズとを備え、前記パルス伸張器は、前記回折レンズで生じる超短パルスの伸びを前記共役パルスにより打ち消すことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、超短パルスレーザー発振器と、前記超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスを分光する回折格子と、前記回折格子からの超短パルスビームを平行光にする放物面ミラーと、前記放物面ミラーからの分光された波長成分毎に、所要の位相変調を与えることにより共役パルスを生成する空間光変調器と、前記空間光変調器により生成された共役パルスビームを分岐して複数本の共役パルスビームを発生させる回折ビームスプリッタと、前記回折ビームスプリッタで発生させた複数本の共役パルスビームを集光して集光パルスビームアレイを出力する回折レンズとを備え、前記空間光変調器は、前記回折レンズで生じる前記超短パルスの伸びを前記共役パルスにより打ち消すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、超短パルスレーザー発振器から出射された超短パルスに対して所要の伸びを与えることにより共役パルスを生成するパルス伸張器を設け、パルス伸張器は、回折レンズで生じる超短パルスの伸びを共役パルスにより打ち消すので、超短パルスビームの空間強度分布の歪を解消し、パルスに生じる不要な伸びを補償することができるレーザー加工方法及びレーザー加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係るレーザー加工装置の基本構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係るレーザー加工装置の具体的な構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係るレーザー加工装置のパルス伸長器の具体的な構成図である。
【図４】本発明の実施例１に係るレーザー加工装置の回折ビームスプリッタ及び回折レンズの構成図である。
【図５】本発明の実施例１に係るレーザー加工装置の回折レンズの作用を説明する図である。
【図６】本発明の実施例１に係るレーザー加工装置の回折レンズで生じるパルスの伸びとパルスビームの半径との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例１に係るレーザー加工装置のパルス伸長器の他の具体例を示す図である。
【図８】レーザー加工装置の超短パルスビームアレイの時空間強度分布を示す図である。
【図９】本発明の実施例２に係るレーザー加工装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施例３に係るレーザー加工装置の構成図である。
【図１１】従来のレーザー加工装置（ビーム分岐集光系部分のみ）の一例を示す構成図である。
【図１２】従来のレーザー加工装置で発生させた超短パルスビームアレイを示す図である。
【図１３】従来のレーザー加工装置（ビーム分岐集光系部分のみ）の他の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態のレーザー加工方法及びレーザー加工装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１に係るレーザー加工装置の基本構成図である。実施例１のレーザー加工装置は、回折レンズによるパルスの伸びを補償するために、回折ビームスプリッタのパルス入力側にパルス伸張器を配置したことを特徴とする。
【００２０】
実施例１のレーザー加工装置は、図１に示すように、パルス伸張器３０５、回折ビームスプリッタ３０１、回折レンズ３０２を備えている。回折ビームスプリッタ３０１及び回折レンズ３０２は、ビーム分岐集光系を構成する。入力パルス３００は、超短パルスである。
【００２１】
パルス伸張器３０５は、入力パルス３００に対して所要の伸びを与えて共役パルス３０６を発生させ、ビーム分岐集光系である回折ビームスプリッタ３０１及び回折レンズ３０２で生じるパルスの不要な伸びを共役パルス３０６により補償する。
【００２２】
回折ビームスプリッタ３０１は、パルス伸張器３０５からの共役パルスを分岐する。回折レンズ３０２は、回折ビームスプリッタ３０１で分岐された共役パルスを集光して集光ビームアレイ３０３を集光面３０４に出力する。
【００２３】
このように、パルス伸張器３０５は、入力パルス３００に対して所要の伸びを与えて共役パルス３０６を発生させ、ビーム分岐集光系を構成する回折ビームスプリッタ３０１及び回折レンズ３０２で生じるパルスの不要な伸びを共役パルス３０６により補償する。
【００２４】
従って、超短パルスビームの空間強度分布の歪を解消し、パルスの伸びを補償することができるので、時空間におけるパルス歪は解消する。また、パルス伸張器３０５におけるパルスエネルギーの損失はほとんどない。
【００２５】
また、大規模なビームアレイの全領域において超短パルスの性質を残せるため、多光子吸収を利用した非熱加工をビームアレイの規模に比例した高いスループットで実現できる。従って、超短パルス加工・プロセスの実用化が加速され、その応用範囲が大きく広がる。
【００２６】
次に、図２を参照しながら、実施例１に係るレーザー加工装置のより具体的な構成及び動作を説明する。
【００２７】
図２に示すレーザー加工装置は、超短パルスレーザー４００、λ/２波長板４０１、平面ミラー４０２、回折格子４０３，４０４、平面ミラー４０５，４０６、軸外し放物面ミラー４０７，４０８、平面ミラー４０９、λ/４波長板４１０、回折ビームスプリッタ３０１、回折レンズ３０２を備えている。
【００２８】
超短パルスレーザー４００は、波長帯域が７８０±３０ｎｍ、パルス幅が２０ｆｓ（フェムト秒）、パルスエネルギーが５ｍＪ、パルス発振周波数が５ＫＨｚ、平均出力が５Ｗと高出力であり、超短パルスビームをλ/２波長板４０１に出力する。
【００２９】
λ/２波長板４０１は、反射型の回折格子４０３，４０４の回折効率が最大となるように、超短パルスレーザー４００から出射される超短パルスビームの直線偏光方位を格子の溝に対して調整する。
【００３０】
回折格子４０３，４０４、平面ミラー４０５は、パルス伸張器３０５を構成している。回折格子４０３は、λ/２波長板４０１からの超短パルスビームを回折して回折格子４０４に出力する。
【００３１】
回折格子４０４は、回折格子４０３からの超短パルスビームを回折して平面ミラー４０５に出力する。平面ミラー４０５は、回折格子４０４からの超短パルスビームを反射して回折格子４０４に戻す。
【００３２】
回折格子４０４は、平面ミラー４０５からの超短パルスビームを回折して回折格子４０３に出力する。回折格子４０３は、回折格子４０４からの超短パルスビームを回折して平面ミラー４０２に出力する。平面ミラー４０２は、回折格子４０３からの超短パルスビームを反射して平面ミラー４０６に出力する。
【００３３】
一対の軸外し放物面ミラー４０７，４０８は、ビーム拡大器を構成し、平面ミラー４０６からの超短パルスビームを拡大して、平面ミラー４０９に出力する。平面ミラー４０９は、放物面ミラー４０８からの超短パルスビームを反射してλ/４波長板４１０に出力する。
【００３４】
λ/４波長板４１０は、平面ミラー４０９からの超短パルスビームの偏光を円偏光に近い状態に調整して回折ビームスプリッタ３０１に出力する。回折ビームスプリッタ３０１と回折レンズ３０２でビーム分岐集光系を構成している。
【００３５】
ビーム分岐集光系の構成要素である回折ビームスプリッタ３０１と回折レンズ３０２の例を図４（ａ）（ｂ）にそれぞれ示す。回折ビームスプリッタ３０１と回折レンズ３０２の各々は石英ガラスからなり、石英ガラスは超短パルスの波長帯域７８０±３０ｎｍで透明である。
【００３６】
次に、パルス伸張器３０５の構成の詳細図を図３に示す。パルス伸張器３０５は、超短パルスが入射される反射型の回折格子４０３と、回折格子４０３と所定距離離れ且つ回折格子４０３に対して所定角度だけ傾けて配置され、回折格子４０３からの超短パルスが入射される反射型の第２回折格子４０４とを備える。
【００３７】
一対の回折格子４０３，４０４は、適当な条件、例えば、ビーム入射角度θ、回折格子間の距離Ｌにより配置される。図３に示すように、回折格子４０３は、反時計方向に０〜９０度の範囲で傾けて配置され、回折格子４０４は反時計方向に９０〜１８０度の範囲で傾けて配置されている。
【００３８】
ビーム分岐集光系の構成要素である回折ビームスプリッタ３０１と回折レンズ３０２の例を図４（ａ）（ｂ）にそれぞれ示す。回折ビームスプリッタ３０１と回折レンズ３０２の各々は、石英ガラスからなる。この石英ガラスは、超短パルスの波長帯域で透明である。
【００３９】
次に、このように構成された実施例１に係るレーザー加工装置の動作を説明する。
【００４０】
まず、超短パルスレーザー４００から出射された直径〜１ｍｍの超短パルスビームはλ/２波長板４０１を通り、パルス伸張器３０５へ入力される。パルス伸張器３０５では、図３に示すように、回折格子４０３に入射した超短パルスの短波長成分及び長波長成分は、回折格子４０３で回折される。
【００４１】
このとき、長波長成分は回折角度が大きく、短波長成分は回折角度が小さくなって回折格子４０４に入射される。すると、回折格子４０４が反時計方向に９０〜１８０度の範囲で傾けて配置されているので、入射した超短パルスにおける長波長成分は、時間的に進み、短波長成分は、時間的に遅れることになる。
【００４２】
即ち、パルス伸張器３０５により、所要のパルスの伸びが与えられて共役パルスとなる。その後、共役パルスは、平面ミラー４０２，４０６により放物面ミラー４０８，４０９へ導かれ、放物面ミラー４０８，４０９によりビーム径が〜１０ｍｍまで拡大される。
【００４３】
さらに、ビーム径が拡大された共役パルスは、平面ミラー４０９とλ/４波長板４１０を経て、回折ビームスプリッタ３０１、回折レンズ３０２へ入り、回折ビームスプリッタ３０１、回折レンズ３０２により分岐集光されて、所要の超短パルスビームアレイが集光面４１３に形成される。そして、集光パルスビームアレイを被加工部材へ照射して部材の表面あるいは内部を加工する。
【００４４】
本発明の光学系において、パルスの不要な伸びは主に回折レンズ３０２で生じる。回折レンズ３０２の作用を図５に示す。回折レンズ３０２の角度分散によりパルスの長波長成分は、同パルスの短波長成分よりも時間的に遅れるため（群遅延）、パルスが不要に伸びる。このパルスの伸びΔｔ１は、以下の式で見積もることができる。
【００４５】
Δｔ１＝φ１‘’・Δω  …（１）
ここで、φ１‘’は、回折レンズ３０２で生じる群遅延分散（パルスの位相φを周波数ωで二回微分した量）、ωは、超短パルスの周波数帯域幅である。回折レンズ３０２に関し、φ１‘’の符号は、常に負となる。
【００４６】
φ１‘’の大きさを決める回折レンズ固有のパラメータは、焦点距離と入射ビームの太さである。式（１）で求めたパルスの伸びΔｔ１を図６に示す。横軸は超短パルスビームの半径ｒであり、回折レンズ３０２の焦点距離をｆ＝１００ｍｍとした。
【００４７】
一方、共役パルスを発生させるために、パルス伸張器３０５が入力パルスへ加える伸びΔｔ２は以下の式で与えられる。
【００４８】
Δｔ２＝φ２‘’・Δω…（２）
ここで、φ２‘’は、パルス伸張器３０５が与える群遅延分散であり、その符号は正または負となりうる。φ２‘’の符号と大きさを決めるパルス伸張器固有のパラメータは、回折格子４０３，４０４の周期Ｐ、回折格子間の距離Ｌ、ビーム入射角度θである。ビーム入射角度θは、回折格子４０３に入射されたレーザーパルスと回折格子４０３に対する法線とでなす角度である。
【００４９】
これらのパラメータを選択することにより、φ２‘’を所望の値に調整できる。従って、以下の条件を満足するようにパラメータを選べば、共役パルスが有するパルスの伸びと回折レンズ３０２で生じるパルスの伸びが打ち消し合い、パルス伸張器３０５へ入る前に超短パルスが有していたパルス幅２０ｆｓないしそれに近いパルス幅が得られる。
【００５０】
φ１‘’＋φ２‘’＝０  …（３）
例えば、パルスビーム半径ｒが５ｍｍのとき、２０ｆｓのパルス幅は６４ｆｓまで広がる。この場合、短波長成分が長波長成分よりも６４ｆｓだけ遅れるような共役パルスをパルス伸張器３０５で発生させて、ビーム分岐集光系へ入力すれば、回折レンズ３０２で生じるパルスの伸びを補償できることになる。
【００５１】
次に、図７に、パルス伸張器３０５の他の２つの具体例を例示する。図７（ａ）に示すパルス伸張器３０５は、一対の透過型回折格子５０１，５０２から構成される。透過型回折格子５０１，５０２の基材は石英ガラスからなる。透過型回折格子５０１と透過型回折格子５０２とは、透過型回折格子５０１と透過型回折格子５０２とのなす角度が、９０度以内になるように配置されている。
【００５２】
透過型回折格子５０１に入射された入力パルスは、透過型回折格子５０１により回折されて透過する。このとき、長波長は回折角度が小さいので、透過型回折格子５０２の内の、透過型回折格子５０１に近い位置に入射される。短波長は回折角度が大きいので、透過型回折格子５０２の内の、透過型回折格子５０１からより遠い位置に入射される。その結果、入射した超短パルスにおける長波長成分は、時間的に進み、短波長成分は、時間的に遅れることになる。即ち、所要のパルスの伸びが与えられて共役パルスとなる。図７（ａ）に示す透過型回折格子５０１，５０２を用いることにより、パルスの伸びをパルスや光学系の条件に応じて可変することができる。なお、パルスの伸びは、角度θによって調整することができる。
【００５３】
図７（ｂ）に示す具体例では、パルス伸張器は、基材６０３に高屈折率層６０１と低屈折率層６０２が交互に積層された多層膜ミラーから構成されている。高屈折率層６０１の厚さ及び低屈折率層６０２の厚さは、基材６０３から離れるに従って大きくなっている。基材６０３は、石英ガラスからなる。高屈折率層６０１と低屈折率層６０２は、誘電体からなる。
【００５４】
図７（ｂ）に示すように、高屈折率層６０１に入射した長波長は、高屈折率層６０１の厚さが大きく且つ高屈折率層６０１から低屈折率層６０２へ移行する境界で反射する。高屈折率層６０１に入射した短波長は、高屈折率層６０１の厚さが小さく且つ低屈折率層６０２から高屈折率層６０１へ移行する境界で反射する。即ち、入射した超短パルスにおける長波長成分は、時間的に進み、短波長成分は、時間的に遅れるので、所要のパルスの伸びが与えられて共役パルスとなる。
【００５５】
図８に、集光面４１３（加工面）において得られる集光スポットアレイの空間強度分布と時間波形を示す。図８（ａ）は、図１１に示した従来のレーザー加工装置で得た集光スポットアレイである。回折ビームスプリッタの角度分散のためにパルスの空間強度分布は歪み、回折レンズの角度分散のためにパルスの時間波形も歪み、パルスが伸びている。
【００５６】
図８（ｂ）は、図１３に示した従来のレーザー加工装置で得た集光スポットアレイである。回折ビームスプリッタで生じる回折分散は補償されており、空間強度分布に歪はない。しかし、回折レンズの角度分散は補償されずに残っている。このため、パルスの時間波形は歪んだままであり、パルスは伸びたままである。
【００５７】
図８（ｃ）は、本発明のレーザー加工装置で得た集光スポットアレイである。回折ビームスプリッタの角度分散は補償されており、空間強度分布に歪はない。また、回折レンズの角度分散も十分に補償されており、パルスの時間波形歪みも取り除かれ、パルスの不要な伸びはない。
【００５８】
本発明のレーザー加工装置で発生させた時空間歪のない集光スポットアレイをレーザー加工へ用いる際には、被加工物を集光面４１３へ置く。そのとき、超短パルスビームの偏光は、加工に応じて調整することが望ましい。例えば、金属板へ微細な孔を開ける場合には、λ/４波長板４１０を用いて超短パルスビームの偏光を円偏光に近い状態に調整する。
【００５９】
また、微細な周期構造を材料表面へ形成する場合には、λ/２波長板４０１を用いて超短パルスビームの偏光を所要の方位の直線偏光に調整する。ビーム分岐集光系を構成する回折ビームスプリッタ３０１と回折レンズ３０２の光学特性は入射ビームの偏光状態には依存しないように設計できるため、加工内容に応じて超短パルスビームの偏光を調整しても支障はない。
【００６０】
なお、図２に示した実施例１の構成において、パルス伸張器３０５と放物面ミラー４０７，４０８の前後の配置を置き換えても、本発明は同様の効果が得られる。また、回折レンズ３０２で生じるパルスの伸びが比較的小さい場合には、回折格子４０３，４０４や多層膜ミラーの他に、一対のプリズムあるいは平行平板ガラスをパルス伸張器として用いることもできる。
【実施例２】
【００６１】
図９に本発明の実施例２に係るレーザー加工装置の構成図を示す。図９に示す実施例２に係るレーザー加工装置は、図２に示す実施例１に係るレーザー加工装置に対して、λ/４波長板４１０に代えてλ/２波長板７０１、回折ビームスプリッタ３０１に代えて空間光変調器７０２を配置したことを特徴とする。
【００６２】
なお、その他の構成は、図２に示す実施例１に係るレーザー加工装置の構成と同一であるので、それらの説明は、省略する。
【００６３】
空間光変調器７０２は、光波の位相に対して所望の位相変調を加える手段であり、位相変調媒体として平行配向された複屈折性液晶を有し、複屈折性液晶を２枚の電極間に挟んで構成される。２枚の電極の一方は画素電極であり、この画素電極は、縦横に周期的に並んでいる。空間光変調器７０２へ駆動回路７０２を介して電極アドレス信号を入力し、液晶中に周期的な屈折率分布を形成する。前記電極アドレス信号は信号発生回路７０４にて生成される。
【００６４】
λ/２波長板７０１は、共役パルスビームの偏光方位を液晶の配向方位に合わる。偏光方位が調整された共役パルスビームを空間光変調器７０２に入射すると、共役パルスビームは空間光変調器７０２により分岐され、回折レンズ３０２を経て集光ビームアレイが集光面４１３に形成される。
【００６５】
パルスビームを分岐する手段として空間光変調器７０２を用いると、空間光変調器７０２へ入力する電気信号の制御のみで、ビームアレイの規模や形状を自在に変更できる。実施例２の超短パルスビームアレイ発生装置を搭載したレーザー加工装置は、きわめて汎用性が高く、１台の装置で様々なレーザー加工へ対応でき、多機種の実装工程へ応用が可能である。
【００６６】
また、ビームアレイを用いる多点同時加工にはエネルギーの大きな超短パルスが必要であるが、超短パルス光源の高出力化が近年活発に進んでおり、１００Ｗを超える光源も実用化されつつある。
【００６７】
なお、実施例２では、透過型空間光変調を用いているが、反射型空間光変調器を用いても同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００６８】
図１０は、本発明の実施例３に係るレーザー加工装置の構成図である。図１０に示す実施例３に係るレーザー加工装置は、図２に示す実施例１に係るレーザー加工装置に対して、パルス伸長器３０５に代えてパルス整形器８００を配置したことを特徴とする。
【００６９】
パルス整形器８００は、超短パルスレーザー４００からの超短パルスを整形するものであり、回折格子８０１、軸外し放物面ミラー８０２、空間光変調器８０３を備えている。
【００７０】
なお、その他の構成は、図２に示す実施例１に係るレーザー加工装置の構成と同一であるので、それらの説明は、省略する。
【００７１】
回折格子８０１は、超短パルスビームを分光し、放物面ミラー８０２は、回折格子８０１からの超短パルスビームを平行光にして空間光変調器８０３へ入射させる。空間光変調器８０３は、分光された波長成分毎に（すなわち、周波数成分毎に）、所要の位相変調を与える。空間光変調器８０３へ駆動回路８０４を介して電極アドレス信号を入力し、液晶中に周期的な屈折率分布を形成する。前記電極アドレス信号は信号発生回路８０５にて生成される。
【００７２】
即ち、式（２）に示した群遅延分φ２‘’の調整が行われる。位相変調されたビームは、空間光変調器８０３の内部で反射され、軸外し放物面ミラー８０２で集光された後に回折格子８０１により再び合成されて共役パルスビームとなる。
【００７３】
パルス整形器８を用いることにより、パルス伸張器３０５を用いた場合よりも、さらに高い精度で不要なパルスの伸びを補償できる。
【００７４】
なお、実施例３では、反射型空間光変調８０３を用いているが、透過型空間光変調器を用いても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、レーザーを用いた微細加工ならびに微細プロセスを行うことができるレーザー加工装置等に利用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
３００  入力パルス
３０１  回折ビームスプリッタ
３０２  回折レンズ
３０３  集光ビームアレイ
３０４，４１３  集光面
３０５  パルス伸長器
４００  超短パルスレーザー
４０１，７０１  λ／２波長板
４０２，４０３，４０６，４０９  平面ミラー
４０３，４０４，４１４，４１５，８０１  回折格子
４０７，４０８，８０２  放物面ミラー
４１０  λ／４波長板
５０１，５０２  透過型回折格子
６０１  高屈折率層
６０２  低屈折率層
６０３  基材
７０２，８０３  空間光変調器
７０３，８０４  駆動回路
７０４，８０５  信号発生回路
８００  パルス整形器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図１２】
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