(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーの基本波を透明試料内部に集光照射して内部マーキング加工を施し、前記レーザーの基本波の倍波である測定光の前記透明試料への時間差照射により、前記透明試料のレーザー加工時のレーザー誘起現象の時間変化を測定することを特徴とするレーザーによる透明試料の内部加工過程の測定方法。
【請求項２】
請求項１記載のレーザーによる透明試料の内部加工過程の測定方法において、前記測定光はナノ秒オーダーの時間分解能を有することを特徴とするレーザーによる透明試料の内部加工過程の測定方法。
【請求項３】
（ａ）レーザー加工のための基本波を生成する加工用レーザーと、
（ｂ）該加工用レーザーからの基本波の倍波を生成させ、該基本波の倍波を遅延させる光学的遅延装置と、
（ｃ）該光学的遅延装置から出力され、遅延した基本波の倍波からなる測定用レーザーと、
（ｄ）前記加工用レーザーの基本波と前記測定用レーザーの倍波を照射する透明試料と、
（ｅ）該透明試料から透過される前記測定用レーザーの倍波の測定光のみを透過させるフィルタと、
（ｆ）該フィルタを透過した測定光を撮像する撮像装置とを具備することを特徴とするレーザーによる透明試料の内部加工過程の測定装置。
【請求項４】
（ａ）レーザー加工のための基本波を生成する加工用レーザーと、
（ｂ）測定光としての前記基本波の倍波を生成する前記加工用レーザーとは別個の測定用レーザーと、
（ｃ）前記加工用レーザーと前記測定用レーザーとの間に配置される時間差発生装置と、
（ｄ）前記加工用レーザーの基本波と前記時間差発生装置によって前記加工用レーザーの基本波とは遅延された測定用レーザーの倍波を照射する透明試料と、
（ｅ）該透明試料から透過される前記測定用レーザーの倍波の測定光のみを透過させるフィルタと、
（ｆ）該フィルタを透過した測定光を撮像する撮像装置とを具備することを特徴とするレーザーによる透明試料の内部加工過程の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーによる透明試料の内部加工過程の測定方法及びそのための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーは、金属、セラミックス、高分子材料、生体等、多様な材料の切断、除去、溶接、穴あけ、マーキング、表面改質、薄膜作製等のプロセスに広範囲に用いられている。
【０００３】
最近では、パルス幅の非常に短いレーザー光を透明材料であるガラスやプラスチック等の内部にレンズで集光照射した場合、非線形吸収により、表面及び内部に損傷が発生、空間選択的に永続的または準安定なマーキングができることが報告されている。
【０００４】
詳細に述べると、高出力のレーザーパルスを、ガラスなど、その波長に対して透明な試料の内部に集光すると、その強い光電場による非線形効果によって吸収が起こり、損傷、屈折率の変化、密度の変化などが、焦点近傍でのみ生じる。これによって、試料表面には影響を与えずに、内部を加工することができ、光導波路の形成、マーキング、三次元情報記録、フォトニック材料の形成等の応用技術が発展しつつある。特に、フェムト秒レーザーを始め、各種の短パルスレーザーによる透明体内部の構造変換は、次世代ＩＴデバイスの担い手として注目されている。また、内部マーキングは、ＰＬ法やＩＳ０９００１などと関連して厳しくなっている製造工程管理、品質管理との関連で、ガラスなどの透明資材、部品の管理に有効であると認識されている。また、これを応用した、ガラス内部での３次元造形による装飾品等も生産されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の透明体内部加工におけるレーザーによる透光性材料等の表面及び内部マーキングの詳しい加工プロセスは報告されていない。
【０００６】
すなわち、従来は加工（マーキング）結果の評価のみが行われており、その詳細なプロセス、ダイナミックスについては未知の点が多い。従って、プロセスの最適化が十分に行われているとは言えず、健全性の評価などはいまだ検討されていない。特に、材料内部で加工に伴って発生するはずの応力とその大きさ、分布、それらの時間変化は、全く知られていないといって良い。
【０００７】
例えば、ガラスなどは、わずかな残留応力によって、極めて長時間経った後に破壊に至る場合があることが知られている。従って、加工時の応力の発生とその緩和過程を観測することは、内部マーキングの長時間安定性、健全性、被加工材料に与える影響などを評価し、マーキング条件を各種の材料に合わせて最適化するために、極めて重要である。
【０００８】
本発明は、上記状況に鑑みて、レーザーによる透明体内部加工過程を詳細に観察することができるレーザーによる透明試料の内部加工過程の測定方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕レーザーによる透明試料の内部加工過程の測定方法において、レーザーの基本波を透明試料内部に集光照射して内部マーキング加工を施し、前記レーザーの基本波の倍波である測定光の前記透明試料への時間差照射により、前記透明試料のレーザー加工時のレーザー誘起現象の時間変化を測定することを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載のレーザーによる透明試料の内部加工過程の測定方法において、
前記測定光はナノ秒オーダーの時間分解能を有することを特徴とする。
【００１１】
〔３〕透明試料の内部加工過程の測定装置において、レーザー加工のための基本波を生成する加工用レーザーと、この加工用レーザーからの基本波の倍波を生成させ、該基本波の倍波を遅延させる光学的遅延装置と、この光学的遅延装置から出力され、遅延した基本波の倍波からなる測定用レーザーと、前記加工用レーザーの基本波と前記測定用レーザーの倍波を照射する透明試料と、この透明試料から透過される前記測定用レーザーの倍波の測定光のみを透過させるフィルタと、このフィルタを透過した測定光を撮像する撮像装置とを具備することを特徴とする。
【００１２】
〔４〕透明試料の内部加工過程の測定装置において、レーザー加工のための基本波を生成する加工用レーザーと、測定光としての前記基本波の倍波を生成する前記加工用レーザーとは別個の測定用レーザーと、前記加工用レーザーと前記測定用レーザーとの間に配置される時間差発生装置と、前記加工用レーザーの基本波と前記時間差発生装置によって前記加工用レーザーの基本波とは遅延された測定用レーザーの倍波を照射する透明試料と、この透明試料から透過される前記測定用レーザーの倍波の測定光のみを透過させるフィルタと、このフィルタを透過した測定光を撮像する撮像装置とを具備することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の実施例では、撮影を行う時間に応じて、２通りのイメージングシステムを用いた。
【００１５】
図１は本発明の実施例を示すイメージングシステムの構成図である。
【００１６】
この図において、１はＱスイッチを有するＮｄ：ＹＡＧレーザー、２は集光レンズ、３は光学的遅延装置、４は反射ミラー、５はＢＥ（ビームエキスパンダー）、６は透明試料、７，８はレンズ、９はＢＦ（バンドパスフィルタ）、１０は撮像装置（ＣＣＤカメラ）、１１はＰＣ（パーソナルコンピュータ）である。
【００１７】
そこで、Ｑスイッチを有するＮｄ：ＹＡＧレーザー１からの基本波（１０６４ｎｍ）を、集光レンズ２を介して透明試料６に照射する。
【００１８】
一方、Ｑスイッチを有するＮｄ：ＹＡＧレーザー１からの基本波（１０６４ｎｍ）を非線形結晶（図示なし）により、第２高調波（５３２ｎｍ）を生成させ、検出光として用いる。つまり、レーザーマーキングを行うポンプ（Ｐｕｍｐ）光（基本波：１０６４ｎｍ）と、検出光として用いるプローブ（Ｐｒｏｂｅ）光（第２高調波：５３２ｎｍ）に分けた。
【００１９】
ポンプ光は、集光レンズ２で集光し、透明試料６の表面に垂直に照射した。プローブ光は、光学的遅延装置３を通過させた後、ポンプ光より遅れて、透明試料６の側面より照射した。光学的遅延装置３は光路長を変えることで、ナノ秒以上の精度で、２つのパルスの時間差（Ｄｅｌａｙ  ｔｉｍｅ）を制御した。この装置では、光路長の制限から時間差は約５０ｎｓ以下であった。ＣＣＤカメラ１０の前には５３２ｎｍの光のみを透過するＢＦ（バンドパスフィルタ）９を設置し、プラズマの発光の影響を無くした。また、ＢＦ（バンドパスフィルタ）９に代えて、干渉フィルタ等を用いるようにしてもよい。
【００２０】
上記のように、一台のレーザーからの発振パルスを、波長変換器を通して、その一部を波長変換し、１つの波長を加工用に、他の波長を観察用に用いることで、これにより、時間の原点が正確に一致した２色のパルスが得られる。
【００２１】
２つのパルスが試料に到達する時間差は、光路長の差だけによって決まり、したがって、ナノ秒以下の時間分解能が達成される上に、本発明では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波を加工用に、２倍波を観察用に用いた。しかし、これに限定されるものではない。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの２倍波とそれを光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）によって波長変換した別の波長のレーザーパルスといったような組み合わせでも可能である。
【００２２】
また、レーザーによる加工の際は、それによる明るいプラズマが発生しており、通常の撮影法ではプラズマしか観察できない。これに対して、本発明の方法では、観察用のレーザー光と、プラズマ発光とのレーザー波長における輝度の差を利用して、レーザー光のみによる像を観察することができる。
【００２３】
以下、もう一つのイメージングシステムについて説明する。
【００２４】
図２はかかる本発明の他の実施例を示すイメージングシステムの構成図である。
【００２５】
この実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１（基本波：１０６４ｎｍ）と別個のレーザー（第２高調波：５３２ｎｍ）２１と２台のレーザーを使い、一台のレーザー１からポンプ光を発振し、もう一方のレーザー２１からプローブ光を発振させてイメージングを行うシステムである。プローブ光の時間的遅れは、時間差発生装置〔Ｄｅｌａｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ：ＤＧ５３５）〕２２で調整した。これによりパルス後（５０ｎｓ〜）の現象の撮影を行った。ＣＣＤカメラ１０の前には５３２ｎｍの光のみを透過するＢＦ（バンドパスフィルタ）９を設置し、プラズマの発光の影響を無くした。
【００２６】
透明試料６には、表面を研磨したアクリル（ＰＭＭＡ）とソーダガラスのブロックを用いた。
【００２７】
測定の時間分解能は、測定用レーザーのパルス幅で決まり、撮像装置は、特に高速のものを必要としない。パルス幅と同程度の高い時間分解能で、試料内部でのレーザー誘起現象の時間変化が測定できる。
【００２８】
〔具体例〕
透明試料ＰＭＭＡの場合、パルスエネルギー４０ｍＪのポンプ光を、集光レンズ２（公称焦点距離５０ｍｍ）および試料の１ｍｍ内部（距離３８．８ｍｍ）に合わせたときの現象を観察した。図３と図４は、それぞれ焦点が試料表面の場合と焦点が試料内部の場合のイメージを示している。時間差（Ｄｅｌａｙ  ｔｉｍｅ）５０ｎｓにおける写真〔図３（ａ），図４（ａ）〕では、透明試料６内部で非線形吸収が、レーザー入射軸上の複数の点でほぼ同時に生じ、各吸収点から衝撃波が発生しているのが見られる。図３（ｂ），図４（ｂ）の写真は時間差５００ｎｓにおいてのものであり、レーザー照射後も試料内部で衝撃波が膨張し伝播していることが分かる。内部衝撃波の伝播速度は、２．８１×１０3 ｍ／ｓであり、音速に対応していた。
【００２９】
また、焦点が透明試料表面の場合は、レーザーアブレーションプルームが、空気中に噴出している様子が観察できるが、内部焦点の場合は、表面でのレーザーアブレーションは発生しなかった。
【００３０】
内部マーキングにおいて、レーザー照射後、どれくらいの時間まで現象が続くかを観察した写真を図５に示す。
【００３１】
また、時間差１μｓの傷〔図５（ａ）〕を、時間無限大∞のイメージ〔図５（ｂ）〕と比較して見ると変化しているが、時間差５００ｍｓの傷〔図５（ｃ）〕と時間無限大∞のイメージ〔図５（ｄ）〕と比較して見ると変化が見られなかった。これにより、パルスエネルギー４０ｍＪでの内部クラックの成長は、レーザーパルス後も５００ｍｓぐらいまでは、継続していることが分かった。
【００３２】
上記したＰＭＭＡと比較するため、図６に示すように、ソーダガラスにも同様の条件でレーザー照射を行った。なお、図６（ａ）は試料レンズ間距離３９．８ｍｍで時間差５０ｎｓ、図６（ｂ）は試料レンズ間距離３８．８ｍｍで時間差５０ｎｓの場合をそれぞれ示している。
【００３３】
透明試料内部での衝撃波がＰＭＭＡの場合では、ほぼ同時に多数の点で発生しているが、ソーダガラスでは、表面から深い位置ほど、衝撃波の発生は早くなっていた。衝撃波の見え方は、ＰＭＭＡほど鮮明ではなかった。
【００３４】
このように、本発明の開発したイメージングシステム法により、内部加工現象の動的な観察が可能になった。ダメージの進展は、レーザーパルス終了後５００ｍｓ以上に旦って生じていた。また、レーザー光の吸収の様子がＰＭＭＡとソーダガラスでは異なることを示唆する結果が得られた。
【００３５】
このように、透明固体試料内部でのレーザー誘起衝撃波伝播の時間分解撮影に成功した。
【００３６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３８】
（Ａ）レーザーによる透明体内部加工過程を詳細に測定（観察）することができる。つまり、レーザー加工中の透明試料内部の構造変換プロセスの時間分解観察を行うことができる。
【００３９】
（Ｂ）撮像装置（ＣＣＤカメラ）の前に、測定用レーザー波長のみを透過するようなフィルタ（バンドパスフィルタ、干渉フィルタ等）を置き、測定用レーザー波長でのみイメージを撮影することにより、加工用レーザー光の散乱の影響や、加工に伴うプラズマなどからの発光に妨害されずに、加工部とその周囲の透明試料の状態を測定することができる。
【００４０】
（Ｃ）ナノ秒時間分解を持つイメージングシステムにより観察することにより、ＮＡ（開口率）の低い光学系で照射すると、非線形吸収はレーザー入射軸上の複数の点でほぼ同時に生じ、各吸収点から衝撃波が発生し、伝播するのを観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示すイメージングシステムの構成図である。
【図２】  本発明の他の実施例を示すイメージングシステムの構成図である。
【図３】  本発明の実施例の透明試料ＰＭＭＡにパルスエネルギー４０ｍＪを照射し、その焦点を試料表面にした場合のイメージを示す図である。
【図４】  本発明の実施例の透明試料ＰＭＭＡにパルスエネルギー４０ｍＪを照射し、その焦点を試料内部にした場合のイメージを示す図である。
【図５】  本発明の実施例の透明試料ＰＭＭＡにパルスエネルギー４０ｍＪ、試料レンズ間距離３８．８ｍｍを照射した場合のレーザーパルス後の内部ダメージの成長を示す図である。
【図６】  本発明の実施例の透明試料ソーダガラスでの加工現象を示す図である。
【符号の説明】
１    Ｑスイッチを有するＮｄ：ＹＡＧレーザー
２    集光レンズ
３    光学的遅延装置
４    反射ミラー
５    ＢＥ（ビームエキスパンダー）
６    透明試料
７，８    レンズ
９    ＢＦ（バンドパスフィルタ）
１０    撮像装置（ＣＣＤカメラ）
１１    ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
２１    レーザー（第２高調波：５３２ｎｍ）
２２    時間差発生装置
【図１】
0003734718.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003734718.tif 000005
【図５】
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【図６】
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