偏光モード変換器による既設レーザー加工機の省エネルギー化
兵庫県立大学 工学研究科 機械系工学専攻助教

吉木啓介（平成２２年度 一般研究開発助成 AF-2010214）

キーワード：偏光モード変換器，ラジアル偏光，フェムト秒レーザー
１．研究の目的と背景
金属材料のレーザー溝加工，レーザー切断加工において，エネルギー効率は加工コストを決定する重要な性能である．さらに近年ナノ秒からフェムト秒のパルス幅を持つ超短パルスレーザーを用いたレー
ザーアブレーション加工が広まっており，熱の影響による材料劣化が懸念される部位に対して熱影響のない断熱的な加工を行うことが出来る．しかし，本加工方法に必要なレーザー本体はもちろん，ランニ(a) レーザー溝加工ングコストも嵩むため，従来のレーザー加工を代替するには至っておらず，両者を組み合わせた加工も採用されている．そのため，超短パルスレーザー加工の加工効率が上昇すれば，そのコスト面の欠点を補うことができ，CW レーザーによる加工はもちろん，超短パルスレーザー加工の普及を推進する事ができる．そこで我々はレーザー加工の効率にはレーザーの偏光が影響することを利用し，ラジアル偏光によるレーザー加工の高効率化を目指し，直線偏光(b) 送り方向断面(c) 溝拡張方向断面

図 1 レーザー溝加工における加工の進行からラジアル偏光への変換を行う偏光モード変換器

してはｐ偏光であるが，進行方向に垂直な方向に面の既設のレーザー加工機への導入の検証を行った．

した加工面に対してはｓ偏光となり効率が悪い．ま２．原理

た，送り方向の変化とともに，偏光方向も変化させ

図 1 にレーザーによる溝加工の進行過程を示す，なければならない．一方，図. 2 (b) のように円偏光レーザーが集光された点では光の吸収によって，アを用いた場合，どの方向にもｐ偏光とｓ偏光がほぼブレーションによる体積除去が起こっており，被加同じ強度含まれている．よって，送り方向を選ばな工物を送ることによって送り方向に沿って溝が形成い他，直線偏光より深い溝加工が可能である 1)．そされる．進行方向の加工面はすり鉢状になっており，のため，一般の加工機においては様々な方向に加工

体積除去は送り方向，および送り方向に垂直な方向する可能性があることから，円偏光が多く用いられにも進行する．この時，加工面に対して入射光の偏ているが，ｓ偏光が含まれているので加工効率には光がｐ偏光であれば光の吸収率は最大となり，ｓ偏まだ向上の余地がある．

光であれば最小となる．そのため，図. 2 (a) に示す

そのため，レーザー断面内に偏光分布を持つ特殊

通り，レーザーの進行方向に対して平行な直線偏光な偏光を生成することによって，この問題を解決すを入射した場合，加工の進行方向面した加工面に対る手法が提案されている 1, 2)．図. 2 (c) に示すラジー 202 ーアル偏光というレーザー断面内に放射状の光電場分では安定性に問題があり，また，共振器を改造する布を持つビームを生成し，試料に集光すれば，どの場合は，装置の大規模な改造が求められる．また，加工面に対してもｐ偏光で入射し，加工効率を向上

分割波長板は複数の偏光を切り替えることが出来なさせることが出来る．

い．
一方，我々は偏光モード変換器という液晶デバイスを開発し，ラジアル偏光を初め，円偏光，直線偏光等，加工に適用可能な多くの偏光を生成し，さらにそれらを切り替えることが出来る 5)．図 3 に示す
ように，偏光モード変換器は液晶は２枚の平行配向ネマチック液晶とλ／４板で構成されている．入射光は直線偏光とすると，まず，偏光方向に平行な配向をもつ液晶によって位相を調整する．次に２枚目の液晶を偏光方向に対して配向方向が４５°の傾き(a) 直線偏光 (偏光 // 送り方向)を持つように配置する．この液晶の複屈折位相量を変換することによって，直線偏光は楕円偏光へ変換され，その後方に配置されたλ／４板によって再び直線偏光に変換される．ただし，２枚目の液晶によって与えられた複屈折位相量に応じて直線偏光の偏光方向が変化する．この偏光方向の回転を放射状に８分割された液晶素子に与える電圧によって調整することにより，任意の偏光分布を作りだすことができる．この装置は単純な構造の液晶素子で構成されているため，小型，安価であり，既設のレーザー加(b) 円偏光工機に追加実装が可能である．この装置をさらに改良し，既設の装置に容易に着脱可能なパッケージにし，本装置が適用可能なレーザー加工光源の仕様を特定し，加工効率を評価した．

(c) ラジアル偏光
図２ レーザー溝加工における加工の進行

ラジアル偏光の発生には，干渉計を用いる方法 3)，
コーン型共振器を用いる方法 4)，分割波長板を持ちる方法等が提案されてきたが，干渉計を用いる方法

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図３ 偏光モード変換器の構造

３．研究方法
始めに偏光モード変換器に適用可能なレーザーの選定を行った．加工用高出力レーザーには CO2 レーザーなどがあるが，この波長は液晶を透過しないため，偏光モード変換器は使用できない．また，ナノ秒パルスレーザーを用いた場合，１パルス当たりのエネルギーが高すぎ，液晶が破損した．そのため，小さいパルスエネルギーでも瞬間的に高い光強度を(a) 改良前の偏光モード変換器もつフェムト秒パルスレーザーによる加工を試みた．
使用したフェムト秒パルスレーザーは，800nm,120fs のモードロック Ti:S レーザーを用いた．集光用の対物レンズは NA1.45 の油浸対物レンズ，および NA0.7 の対物レンズとした．また，偏光モード変換器によって生成した偏光は直線偏光，円偏光，ラジアル偏光とした．既設装置用に新規開発した偏光(b)改良後の偏光モード変換器，ドライバの外観モード変換器を図４に示す．改良前は液晶素子からの配線がそのまま外部へ露出しており，故障も多く，液晶素子の光学配置の微調整もできなかった．改良
後の装置はオリンパス製の顕微鏡のレボルバ直下に装着可能な形状になっており，適当な治具を作成することによって加工機一般に着脱可能な装置となった．また，本体内部に十字直動ステージ，回転ステージを備え，装着後でも微細な位置調整が可能となった．また，駆動は AD コンバーターが必要なアナ(c) CAD 図面

ログ信号による駆動ではなく，デジタル信号による

図４ 偏光モード変換器の構造駆動信号の周波数制御を用いた制御とすることで，駆動回路を小型化することに成功した．加工効率評４．研究成果

価実験に用いた被加工物は 50nm 厚のアルミニウム

図５に NA0.7 の対物レンズで 0.22 J/cm2 のパル薄膜で，薄膜表面にレーザーで穿孔加工を行った．

スをアルミ薄膜上に 20 秒間集光した時の加工痕の加工後，それぞれの穴の有無を SEM で確認した．

SEM 写真を示す．直線偏光を集光した時，図５(a)

加工は入射レーザーのパワーを変えながら行い，レに示すような楕円状の加工痕が観察された．これは，ーザーの強度と加工痕の有無の関係を調査した．こ高い NA の対物レンズで直線偏光をした時にはレーの実験から，アブレーションを起こすための入射レザースポットの形状が光軸に対して軸対称にならず，ーザーパワーの閾値が分かり，閾値が低い方が加工偏光方向へ長い楕円状になることに起因する．また，効率のが高いといえる．

円偏光を集光したときは図５(b)に示すような若干大きな円形の加工痕が観察された．また，図５(c)に示すラジアル偏光の加工痕は最も小さい大きさを持つことが分かった．これは，集光点においては光軸方向の電場が発生し，そのサイズが直線偏光や円ー 204 ー

偏光に比べて小さくなるためであると考えられる．

ラジアル偏光の効果が十分に発揮されなかったためであると考えられる．そのため，より高強度のレー(a)ザーによる加工によって，十分に厚みのある材料を加工する場合には効果が期待される．
一方で，本研究に用いた偏光モード変換器は CO2 レーザー，ナノ秒パルスレーザーには適用できなかった．CO2 レーザーに関しては従来法通りの共振器の改造による方法が必要であるが，ナノ秒パルスレー
ザーに関しては，液晶の動作温度を高温側に調整したり，液晶セルの素材や構造を放熱性を高めたもの(b)にすることで使用できるようになると考えられる．
今後，加工用に特化した液晶素子の製造を行うことで，加工に使用できる偏光モード変換器の作成を行っていく．

謝辞
本研究を遂行するにあたり，公益財団法人天田財団助成を頂きました(一般研究開発助成 AF-2010214）．

(c)ここに心より感謝の意を表します．

参考文献
1) V. Niziev,・A. Nesterov: Journal of Physics D:
Applied Physics, 32, (1999), 1455-1461.
2) K. Venkatakrishnan ・ B. Tan: Journal of
Micromechanics and Microengineering, 16, (2006),
2623-2607.

図５「偏光による加工痕の変化：

3) S. C. Tidwell・G. H. Kim・W. D. Kimura:(a)直線偏光, (b)円偏光, (c)ラジアル偏光」

Applied optics, 32, (1993), 5222-5229.
加工閾値は直線偏光，円偏光共に 0.17 J/cm2，とな

4) A. V. Nesterov・V. G. Niziev,・V. P. Yakunin:り，ラジアル偏光は 0.43 J/cm2 と高くなったため，Journal of Physics D: Applied Physics, 32, (1999),

ラジアル偏光の加工効率は低くなった．

2871-2875.

５．結論5) K. Yoshiki・K. Ryosuke・M. Hashimoto・N.

既設のレーザー加工装置に着脱可能な偏光モード変換器を新たに開発し，偏光モード変換器によって，Hashimoto・T. Araki: Optics Letters, 32, (2007),
1680-1682.

フェムト秒パルスレーザーによる加工を行った．本研究で用いたレーザーでは，ラジアル偏光による加工効率の向上は観察できなかったが．その理由は，レーザーの強度が足りず，薄膜しか加工できなかったため，すり鉢状の加工面が形成されなかったため，

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