紫外レーザーアブレーションによる光学素子表面形状の高精度調整法の開発
米田研究室 西尾茂晃
あり、パルス発振したレーザー光のエネルギーが 6.2eV と1. 序論高いのも特徴である。エキシマレーザーから出たパルスビームは加工対象に 45 度の角度で入射するよう調整し、さら顕微鏡などの光学システムを製作した場合に、一般にはにアイリスでエネルギー強度を変化させるようにした。ま光学素子の面精度を高めて組み合わせを行っていくが、こた、照射部での単位面積当たりのエネルギー密度を変えるの方法では、１つ１つの面のエラーが積算されることになる。これを解決するために、大型のレーザーシステムでは、デフォーマブルミラーで修正している場合がある。しかし、波面のエラーに対しては、時間的に変化するものだけではために集光に用いたレンズも可変とした。実験のセットア
ップは図 5 に示した。
また、本研究では紫外レーザーアブレーション加工をする光学素子としてミラーを使用した。1 つは HR（Highなく、固定されたものもあるので、必ずしも動かせる高価Reflection）ミラーと呼ばれる TiO2 などのコーティングがなデフォーマブルミラーを使用するのは適していないこと施されたコーティングミラーである。コーティングミラーがある。一方、光学系として組んだ後に面を加工することの材質自体は SiO2 であるが、これはレーザーアブレーショも考えられるが、非接触で行う必要があり、現実的には行ンを起こすためのエネルギーが約 9.6eV と高く加工が難しわれていない。そこで、本研究では、レーザーアブレーシいため、加工がしやすいコーティングミラーを採用した。

ョンによる非接触な加工技術を用い、光学素子表面形状のこの材質についてレーザーアブレーションを起こし、それ高精度調整法を開発することを目的とする。

ぞれの加工面特性について調べた。

2. 原理

2.2 加工面の評価

2.1 試料の加工に、He-Ne レーザーをシングルモードファイバーに通し、加工部がどれほど加工されているのかを判断するため

本研究では ArF エキシマレーザーで試料に対してビームその出力光を加工対象に当て、その反射波をシャックハルを当てることによりレーザーアブレーション起こし、加工トマン型波面センサーで読み取った。シングルモードファを行っていった。レーザーアブレーションとは、レーザーイバーに通す理由としては、単一モードのビームを取り出光の照射強度がある大きさ（閾値）以上になると、照射しすことができるというメリットが挙げられる。シングルモている固体表面の構成物質が原子、分子、プラズマ状態とードファイバーから出た光は拡散光となっているので、レなって爆発的に放出される現象のことである。レーザーアンズを入れて平面波となるように調整を行った。実験セッブレーションにより固体表面がどのように変化するかとい

トアップは図 5 に示した。

う問題については、物質やレーザー光の性質により変わってくるので、その特性は複雑である。レーザーアブレーシ
ョンによる加工ではレーザー照射部周囲に熱ダメージがほとんどなく、加工部の断面が極めてシャープに加工できることがメリットである。
従来の紫外線レーザー加工では、光学素子の透過率の問題や得られる出力の大きさなどから、一般に KrF エキシマレーザー（λ=248nm）あるいは YAG レーザーの 4 倍波（λ=266nm）が使用されてきた。しかし、この波長では光学プラスチックでさえ加工を進めるに従って表面の粗さが増加し、光学素子としての使用に適さなくなるという問題点
図 1：シャックハルトマン型波面センサーの構成が存在する。この現象は紫外線の場合でも波長が長くなると、物質内部での吸収長が長くなるため、レーザー光が表面から内部まで深く浸透することによると考えられる。母

シャックハルトマン型波面センサーとは、図 1 に示すよう材の分解が表面の薄い層だけではなく、深い深度でも生じに 1μm程度の小さなレンズを整列させたマイクロレンズアるため、物質が剥離するときに大きな固まりとレイと CCD センサーで構成されている波面センサーであなって除去されるのではないかと推定できる。ArF エキシる。

マレーザーは物質内部での吸収長を短くし、より母材の表面 での非熱 加工を実 現するこ とができ る。また、 波長193nm というのは空気中で加工できるほぼ限界の波長で13. 実験
3.1 実験セットアップ

図 2：シャックハルトマン型波面センサーの仕組み

この波面センサーでは、まずレンズアレイに対して光を垂直に入射する。この光が、空間的に波面のそろった理想的な平面波であるときは、レンズアレイを通った光は各レンズで同じように集光され、CCD 上には等間隔に並んだビームスポットが現れる。しかし、波面の歪んだ光が入射したときは、各レンズ位置における波面に応じた角度でばら
図 5：実験セットアップ

ばらに集光されるため、CCD 上のビームスポットは等間隔にならない。この位置ずれを CCD カメラの画像から計算することで、各レンズの位置での波面の傾きを測定し、波実験セットアップは図 5 のようになっている。ArF エキ面センサーに入射した全体的な波面情報が得られる。

シマレーザーから照射されるパルスビームをアイリスで絞ることでエネルギー強度を調節できるようにし、さらにレ2.3 加工面の後加工ンズによって集光させ対象となる試料（今回はコーティングミラーとモールドガラス）に照射してレーザーアブレー

本研究では COHERENT 社製の E-1000 シリーズを使用ションを起こした。この集光に用いたレンズも光路方向にし、レーザーアブレーションによって加工された光学素子可変となるようにすることで単位面積当たりのエネルギー表面の修正をおこなった。これは、レーザーアブレーショを調節できるようにした。ミラー表面の観測には He-Ne レンによって加工部の底部に突起物が生じることから、それーザーから照射されるビームをシングルモードファイバーを除去する目的で行った。に通し、レーザーアブレーションを起こす部分に当ててその反射波をシャックハルトマン型波面センサーで読み取ることで観測した。シングルモードファイバーから出たビー
ムは拡散光となっているので、途中にレンズをいれて平面波となるよう調節した。レーザーアブレーション加工をし

図 3：アブレーション加工面底部の形状たミラーはノマルスキー微分干渉顕微鏡や走査型電子顕微鏡で表面の観察を行った。

一般的にはレーザーアブレーション加工を行った部分の3.2

底部は図 3 のようになり、突起物が生じることとなる。そエキシマレーザーの照射強度とフルエンスエキシマレーザーから照射されるエネルギーについてでの長さは数μm ほどであり、この突起物によって光学素子あるが、エキシマレーザーの操作パネルにパルスのエネルの透過光や反射光が拡散していく現象が起こる。この拡散ギー量が表示されるので、そこから表示される値の平均値があまりに大きい場合、観測に大きな影響を与えてしまうを取った。また、ビームはアイリスで絞ることで照射するので、本研究では炭酸ガスレーザーを照射して熱的処理をエネルギー強度を変えているので、アイリスによって切り加えることで突起物のスムージングを行った。

取られたビームの面積を差し引いたものとの比をとり、照射されるエネルギーを算出した。

図 4：炭酸ガスレーザーによる加工面のスムージング
紫外レーザーアブレーション加工をしたミラーに炭酸ガスレーザーを入射角度 45 度で照射し、その変化を見た。使用した炭酸ガスレーザーの波長は 10.2～10.8μmであり、ビーム径は約 12mm、パルス幅は 120μs、パルス間隔は

図 6：アイリスによる照射される総エネルギーの調整10000μs、そしてパワーを 20W として 10 秒間照射した。

2

4. 結果と考察

実験では主にアイリスの直径が 10mm、15mm、20mm、35mm（解放）となるように設定して測定を行った。なお、 4.1 レーザーアブレーションによる加工実験ではエキシマレーザーのガスを 1 度入れ替えているた

エキシマレーザーによるレーザーアブレーションをシャめに照射されるエネルギーの強度が若干変化している。そックハルトマン型波面センサーで観測し、もっとも変化量のため、エキシマレーザーのガス交換前と後での 2 つのデの大きいところのデータを選択し、縦軸に変化量を、横軸ータを利用した。に照射したショット数をグラフ化した。

1

表 1：エキシマレーザーガス交換前
ビーム面積[mm2]照射エネルギー[mJ]1078.54

1.6915158.32

3.4220224.70

4.8535419.649.06

変化量[um]0.8

Iris 直径[mm]0.60.40.2
1ショット84.94[mJ/mm^2]

01ショット243.79[mJ/mm^2]-0.2
表 2：エキシマレーザーガス交換後
Iris 直径[mm]

ビーム面積[mm2]照射エネルギー[mJ]1078.544.2515158.328.5620224.70

12.1535419.64

22.71

1ショット455.41[mJ/mm^2]01020304050

ショット数[回]図 7：アブレーションによる波面形状の変化

1 ショット 84.94[mJ/mm2]の場合、20 ショットほどで約200nm 削れることが分かった。より精度良い加工には単位面積当たりのエネルギーをさらに小さくしなければならない。200[mJ/mm2]以上では急激なアブレーションによってまた、レンズによってエキシマレーザーからのパルスビ表面が一気に削れてしまい、光学素子表面形状を逆に損ねームを集光させてレーザーアブレーションを起こしていたてしまう危険がある。

が、その照射するビームの単位面積当たりのエネルギー（フルエンス）を求めるために照射後のアブレーション痕の面積を測り、先ほど求めた照射エネルギーをその面積で割ることでフルエンスを求めた。
表 3：エキシマレーザーガス交換前
Iris 直径[mm]

ビーム面積[mm2]フルエンス[mJ/mm2]

1078.5484.94

15158.32

171.9120224.70243.79

35419.64455.41

表 4：エキシマレーザーガス交換後(a) 0 ショット(b) 10 ショット(c) 20 ショット(d) 30 ショット(e) 40 ショット(f) 50 ショット

図 8：1 ショット 85[mJ/mm2]

Iris 直径[mm]

ビーム面積[mm2]フルエンス[mJ/mm2]

1078.5423.71

15158.32

47.79

面の変化をシャックハルトマン型波面センサーで観測した20224.70

67.83

ものである。図 4.2(a)では滑らかな球面波となっているが、35419.64

126.79ビームショットを重ねていくことで波面が変化していくこ

図 4.2 は 1 ショット 84.94[mJ/mm2]で照射したときの波とがわかる。図 4.2(f)では波面にあるピークが立っており、
図 4.1 で示したグラフはこの変化部である。z 軸は[μm]単位であり、x、y 軸は[mm]単位であるので、縮尺は事実上1m2 の面にわずか約 2mm の変化が起きたことと等しい。
すなわち、先ほど球面波という表現を用いたが、ほぼ平面波となっていると考えられる。

3

4.2 加工部の観察

終的に一定量のエネルギーが加えられると同時に切られていった結合部分のところからまとめて剥がれ落ちていくという現象が起こったと考えられる。

4.3 炭酸ガスレーザーによる後加工(a) 75 倍(b) 500 倍(a) レーザー照射前(c) 1,500 倍(b) レーザー照射後

図 11：炭酸ガスレーザー照射前後の変化（コーティングミラー）(d) 5,000 倍

最後に、表面形状の調整を行うためにレーザーアブレーションが起こったコーティングミラーの表面に炭酸ガスレーザーを照射し、表面形状の変化を観察した。炭酸ガスレーザーは 120μsのパルス幅で、パルス間隔 10000μs、そし(e) 7,500 倍てパワーを 20W として入射角 45 度で 10 秒間照射した。

(f) 10,000 倍

表面には目立った変化が見られなかったことからパワーや

図 9：電子顕微鏡によるコーティングミラーの表面形状の観察

パルス間隔など様々な問題点が残されていると考えられ
図 9 はコーティングミラーの表面形状を電子顕微鏡で観る。炭酸ガスレーザーは波長が長いので光学素子内にまで察したものである。図 9(e)からレーザーアブレーションにエネルギーが伝わり、表面加工だけでなく光学素子そのもよって加工された面に規則正しい突起物が生じていることのに大きな影響を与えてしまう。それを防ぐためにパルスがわかる。

間隔やパルス幅をより細かく制御して調査を行う必要がある。

11ショット 23.71[mJ/mm^2]0.8

変化量[um]5. 結論

1ショット 47.79[mJ/mm^2]0.60.4

エキシマレーザーによるレーザーアブレーションは集光0.2する面積を小さくするとエネルギー強度が上がり、ミラー表面で爆発的なアブレーションを起こし、デブリスの発生0につながってしまうのでその調整を精度よく行うことが必-0.20500要であった。レーザーアブレーション自体、レーザー光の1000照射強度がある閾値まで達しないと起こらないことから、ショット数[回]

その値の測定が非常に重要なパラメーターとなった。また、レーザーアブレーション後の面を炭酸ガスレーザーで整え

図 10：アイリス調整後の表面形状の変化（コーティングミラー）る過程でも、炭酸ガスレーザーのエネルギーが強いと最悪加工自体をより細かく制御するために、表面の形状を損ミラー自体の破損につながりかねず、照射するエネルギーなわないエネルギー強度で、かつ緩やかな変化となるよう強度に細心の注意を払う必要があった。エキシマレーザー

アイリスで照射するエネルギー強度を調整し、かつレンズによる加工面をできる限り鏡面の数μm以下の精度で加工で単位面積当たりのエネルギー量を調整した。

し、炭酸ガスレーザーの照射強度を適切な値に調整するこ

1 ショット 23.71[mJ/mm2]では波面の形状に大きな変化とが求められる。今後さらに研究をすすめ、鏡面の加工にが見られなかったが、47.79[mJ/mm2]では 500 ショット付適した各パラメーターを導出していきたい。

近から変化が見え始めた。このことから、表面加工にはあるしきい値が存在し、それ以上になるとアブレーションが進んでいくことが確認できた。
このようになる原因としては、レーザーアブレーション
によって原子や分子の結合が徐々に切り離されていき、最4