Review

ホログラフィックフェムト秒レーザー加工
ホログラフィックフェムト秒レーザー加工

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早崎
*
早崎 芳夫
芳夫

Y. Hayasaki
１．まえがきレーザー加工のいくつかの例において，レーザーが近年の社会的な環境意識の高まりによって，製造工程に出射するパルスエネルギーと所望の加工を行うためおける環境に対するコストの評価が重要となっている．レの適切なパルスエネルギーとの間には差があり，減光ーザー加工は，高いレーザー利用コストから，高付加価値素子を用いてパルスエネルギーを低減して，加工対象製品の製造プロセス以外では実用化困難であるとされてに照射する．このエネルギーギャップは，パルスを並いた．しかし，半導体加工技術等，化学的な処理を含む多列化することで埋めることができ，エネルギーロスをくの加工法と比較して，ドライプロセスであるレーザー加減らせる．

工は，低エネルギーで低排出であり経済性に優れた技術で(3) 可変並列加工
SLM の使用は，変更可能なビーム整形を可能とし，あるという認識が確立しつつある．
フェムト秒レーザーは，半導体光検出器や太陽電池上へビームの並列化と走査から成る新しいビーム照射スのナノ構造の形成による検出感度の高帯域・高感度化や金キームへと発展する．可変並列ビームとビームスキャ

属に特殊な光沢感を与えるカラードメタルなどの表面修

ナや移動ステージとの協調動作は，産業利用における飾技術，フォトニック結晶や３次元光導波路などの３次元構造形成技術，多光子顕微鏡によるバイオサイエンス，レ高速加工において重要である[4,5]．
(4) 透明材料中への 3 次元加工[3,6,7]

ーザーパルスの時間的偏光制御による分子の量子制御な焦点距離の異なるレンズを同時に生成し，異なる深ど，新しい研究開発に用いられており，本研究で進められさや高低差のある表面に同時加工を実行できる．また，ているフェムト秒レーザーパルスの並列光制御技術を簡回折型アキシコンレンズにより生成された長焦点ビ便な方法で提供できれば，科学や産業を支える基盤的な技ームによる高アスペクト比のナノチャンネル加工が実行される[8]．その焦点の長さは，その修正型アキ術の一つになり得る．
フェムト秒レーザー加工は，材料の内部や表面に特徴的な加工を行う有効なツールである．加工分解能がサブミク

シコンレンズにより制御できる．
(5) 瞬時加工

ロンオーダであり，ミリメートル以上の実用的なデバイス

加工中にターゲットの動きや変形がある場合，適切サイズを実現するためには，膨大な数のパルス照射を必要な位置への加工を困難にする．その場合，レーザー加とする．そのため，加工スループットの向上は，産業利用

工システムは，物体計測システムを含むフィードバッの上で重要な課題である．その課題に対して，従来のビークビーム制御システムを必要とする．単一ショットのム走査によるレーザー加工と同様に，レーザーのハイパワ

並列加工は，瞬時に加工を終了できるため，計測シスー化と高繰り返し化，ステージやスキャナの高速化に加えテムの測定回数や要求される速度性能を低減する．さて，並列加工法が有効である．特に，空間光変調素子

らに，ビーム走査による加工の場合，その前の加工の（SLM：Spatial Light Modulator）に表示された計算機際に発生したプルームやデブリによって，適切なレーホログラム（CGH：Computer-Generated Hologram）は，ザー照射の妨げとなり精密な加工の障害となるが，単任意で可変な並列のフェムト秒レーザー加工を実現する[1]．これは，ホログラフィックフェムト秒レーザー加工と呼ばれ，集光ビームの整形による面加工[2]や 3 次元的一ショットの加工の場合，その問題は緩和される．
(6) 光学系の補正
加工光学系や加工対象を含め，光源から加工部位まな一括加工[3]を実行し，以下の様な特徴を有する．

での間には光学的な不完全性を有する．典型例として，(1) 加工スループットの向上

加工対象と周辺媒質の屈折率ミスマッチに由来する計算機ホログラムによるビーム分割や整形により，球面収差が，集光径を拡大させる．これは，CGH に単一パルスで同時多数の並列加工や大面積一括加工

ビーム整形のための位相分布に加え，収差補正のためを可能とし，加工スループットを向上する．の位相分布を加えることにより解消される[9,10]．ま(2) 光利用効率の向上* 宇都宮大学

オプティクス教育研究センター

た，SLM 自身の有する空間的不均一性や空間周波数
教授- 55 -応答特性が補正される[11,12]．光学系の有する収差の焦点面のビームストップで除去される．今回の実験では，や微小なミスアライメント等の前もって同定が困難最大並列数を知るために，全周波数面を使うので，そのビな静的な不完全性が，光学系内で補正される[13-15]．

ームストップは使用されていない．ビームサンプラ（BS：これは，CGH のシステム内最適化法と呼ばれる．

Beam Sampler）によって分割されたパルスが，冷却 CCD（Charge Coupled Device）イメージセンサ（BITRAN,(7) 適応的補正
加工システムの機械的動きや空気ゆらぎが，動的でBU-40）を用いて取得される．計算機は，計測された並列予想困難な波面の乱れを与える．補償光学を挿入してビームの強度分布の情報を用いて CGH を再計算する．並CGH を実時間で最適化し，加工システム内の動的な列パルスの強度計測と CGH の再計算は，並列パルスの十変化に追従する．

分な均一性が得られるまで繰り返される．
十分に最適化された並列パルスは，レンズと 60 倍対物(8) 能動的制御物体の状態を計測しながら，その状態にあわせて最レンズ(OL)(NA = 0.85)で構成される縮小光学系を介して適なビームを能動的に生成し，加工を行う．例えば，サンプル表面に照射される．なお，対物レンズは応用に合平面加工において，物体の面形状を計測しながら，適わせて選択されるが，LCOS-SLM の像を対物レンズの瞳に合わせる必要がある．入射エネルギーE は，サンプル面切な位置に焦点位置を補正しながら加工を行う．

での回折光の平均エネルギーとして表される．E =射法は，2 光子顕微鏡[16]，2 光子造形[17-21]，光導波路

EfrontTOSTOL/N ここで，Efront はレーザーの出射エネルギ
ー，TOS，TOL は，それぞれ，光学系と OL の透過率，N形成[22-24]，体積型回折格子[25,26]，遺伝子導入[27]には回折点数である．サンプルにはスーパーホワイトクラウ適用されている．また，材料表面のナノ構造[28-30]の高ンガラス（B270, Schott）を使用する．加工の様子を観察

速形成にも有望である[31]．これまでのほとんどの研究は，す る た め に ， ダ イ ク ロ イ ッ ク ミ ラ ー （ DM ： dichroic

原理確認的実証研究であったが，先にも述べたように，産mirror），ハロゲンランプ（HL：halogen lamp），IR業応用に向けて加工スループットの向上は必須である．そカットフィルタおよび CCD イメージセンサが用いられる．

これらの特徴を備えたホログラフィックなレーザー照の加工スループットを決める重要なファクタは，並列ビーム数であるが，その解析的・実験的限界の検証がなされてこなかった．それは，ホログラフィックレーザー加工システムにおける多くの同定困難な不完全性が，その限界を示す大規模並列加工の実現を妨げていたからである．
本報告では，ホログラフィックフェムト秒レーザー加工システムでの CGH の設計法，特に，CGH のシステム内最適化の有用性について述べる．次に，システム内最適化された CGH を用いた 1,000 ビーム以上の大規模並列加工

図 1 ホログラフィックフェムト秒レーザー加工システ
ム．BS：ビームサンプラー，PM：プリズム，DM：を示す．最後に，今後の展開を述べる．

ダイクロイックミラー，HL：ハロゲンランプ，OL：対物レンズ．

２．加工システム
図 1 は，ホログラフィックフェムト秒レーザー加工シス
テムを示す．このシステムは，フェムト秒レーザーシステ

３．CGH の最適化法

ム（Coherent, Micra and Legend Elite），LCOS-SLM（ Liquid-Crystalon

SiliconSLM;

3.1 コンピュータ内最適化

Hamamatsu,

通常，CGH は，計算機の中で所望の出力を得られるよX10468），計算機（PC; Intel Core i5 3.20 GHz, 2 GB

うに十分に最適化された後，SLM に表示して，その所望RAM）から構成される．フェムト秒レーザーシステムかの出力を再生する．コンピュータ内では，回折効率 99％ら出射されたレーザーパルス（中心波長λc = 800 nm）は，以上，目標値に対する再生の精度 99％以上の CGH が得

ビームエキスパンダによりビーム径を拡大され，られる．しかし，光学系には理想的な状態からの多様なズLCOS-SLM を照明する．レーザーパルスは，出射面におレがあるので，コンピュータ内で最適化された CGH を何いて 45 fs であるが，CGH における波長分散の影響を低も考慮せずに SLM に表示すると，高い再生精度は得られ減するために，波長フィルタにより半値全幅Δλ = 8 nm のない．原理確認の研究では問題ないが，実用デバイスの作スペクトル幅（パルス幅 τ = 110 fs）に制限された．

製には使えない．そのため，ホログラフィックな方法は良LCOS-SLM 上の CGH により回折されたパルスは，フーくないと判断されることがあるが，それは間違いである．

リエ変換レンズの焦点で所望のパターンを形成する．
SLM の多くは，回折角を大きくすると，回折効率が低下する特性を有する．その低下分は非回折光となり，レンズ- 56 -

3.2

SLM の空間応答特性を考慮したコンピュータ内最適化
SLM は，空間的なローパスフィルタの特性を有する．
すなわち，与える縞が細かくなると，縞のコントラストは低下する．言い換えれば，CGH によって曲げる光の角度を大きくすると，その回折効率は減少する．これを解決する方法として，2 つの方法がある．1 つは，この空間応答特性を CGH の最適化プログラムの中に組み込むことである[11]．まず，SLM の空間応答特性を計測する．そして，CGH の高速フーリエ変換像に対して，計測した SLMの空間応答特性を掛け合わせて逆フーリエ変換を行えば，実際の SLM 内の位相分布状態を表現できる．ホログラム
最適化法の多くは，高速フーリエ変換を使うので，複素画像の乗算が 1 回増えるだけで，計算負荷は少ない．もう 1つの方法は，CGH を通常の方法で最適化して，計測した

図2

18点並列ビームの第2高調波最適化法による最適化．

空間応答特性の逆特性を乗じ，SLM に表示する方法であ均一性の変化(黒丸)と第2高調波強度の総和(白丸).

る[12]．経験的には，前者の方法が良いが，後者の方法は，内部に示された図は，i回目の繰り返しにおける第2表示の際に特性の微調整を行いながら，良好な再生像を探

高調波並列ビームの空間プロファイル．

索できる．
3.4 システム内最適化を適用した最適回転角法
3.3

システム内最適化のコンセプトは，あらゆる CGH の最システム内最適化

SLM の空間応答特性の空間的不均一，レーザー光の空適化法に適用できる．ここでは，最適回転角法(ORA:間分布，屈折率ミスマッチによる球面収差などの前もってoptimal rotation angle) (32)を光強度最適化法に基づくシ知ることのできる加工システムの不完全性を考慮しても，ステム内最適化のために改良した方法を示す．
ホログラム面上の位置 h での振幅 ah と位相φh(i)を有す光学系には，微小なミスアライメントや収差等の事前の同定が困難な未知の不完全性があるため，十分な精度を得らる複素振幅と，再生面上の位置 r での複素振幅 Ur(i)との関れない場合がある．そこで，CGH を光学系の中で最適化係は，U r(i)  wr(i)  ah exp[i(hr  h(i) )],するシステム内最適化法が考案された[13]．システム内最適化法には，光強度最適化法[13]と第 2 高調波最適化法[15]が実証された．光強度最適化法は，CGH の再生像を観測して，その再生像が所望の画像になるように最適化をする方法である．第 2 高調波最適化法は，CGH の再生像で第 2 高調波を発生し，その第 2 高調波画像を所望の画

h

ここで，i は繰返し回数，φhr は，h から r への光伝搬による位相，wr(i)は回折光強度を制御する重み係数である．回

折光強度の総和 Σr|Ur(i)|2 を最大化するために，位相φh(i)に加える位相変化Δφh(i)は
 h(i)  tan 1 (S2 / S1 )像にするように最適化をする方法である．第 2 調波最適化法では，第 2 高調波の強度に依存するピーク強度を最適化

S1   wr(i) ah cos[ r  ( hr   h(i) )]できる．すなわち，パルスの空間的・時間的なプロファイ

S2   wr(i) ah sin[ r  ( hr   h(i) )]rr

ルを考慮して，ホログラムを最適化できる．第 2 高調波最適化法の方が，フェムト秒レーザー加工では高い精度を得で計算される．ここで，φrは再生面の位置rでの位相である．CGHの位相 φh(i) は，Δφh(i) により次式，られるが，実験系が煩雑になるので要求に応じて選択されh(i+1)  h(i)  h(i).

る．
図 2 は，CGH の第２高調波最適化法の最適化過程を示す．黒丸が並列第 2 高調波の均一性，白丸が第 2 高調波で更新される．
さらに，各回折点での光強度を調整するために，Ir(i) も，の総和を示しており，並列パルスが，光強度の低下なく，また，再生光強度 Ir(i ) = |Ur(i )|2 を用いて，以下の式で徐々に均一化される．

更新される


( i 1)rw

 Id 
 w  (ri ) 
 Ir (i )r

ここで，Ird は所望の光強度，α は定数である．位相の更新量Δφh(i ) と重みwr(i ) は Ir(i ) がIrd に十分に近づくまで，繰り返し更新される．

- 57 -

４．大規模並列加工の実験

答特性を与えた計算機内再生による最適化過程である．黒図 3(a) は，コンピュータ内でのみ最適化された CGH丸は，図 3(c)に示す，システム内最適化の過程を示す．白の光学再生像とその光強度プロファイルを示す．並列ビー

丸は全光量を示す．最適化プロセスの 100 回の繰り返しム数は 1,005 である．再生像中の中央の輝点は，非回折ので，124 分を要した．両者ともほぼ同じ性能を示しており，0 次光である．再生中のピーク強度の最大値に対する最小システム内最適化が，光学系の性能限界で CGH を最適化値である均一性 U は，0.32 であった．コンピュータ内でしていることを示す．

は，U > 0.99 となるような高い品質の再生であったが，光学系での再生品質は低下した．ことに，高空間周波数領域におけるピーク強度が，SLM の空間周波数特性に依存して低下した．

５．今後の展開
研究開発の方向としては，学術的には，時空間的に制御されたフェムト秒レーザーパルスと物質との相互作用の図 3(b) は，SLM の空間応答特性を与えた再生を含む計研究，工学的には，0.99以上の均一性を得られる空間光変算機内最適化された CGH の再生像とそのプロファイルを調素子の開発，高スループット化のための手法，ホログラ示す．その光学再生の高周波成分は改善したが，光学シスフィックピコ秒レーザー加工とホログラフィックナノ秒テムの未同定の不完全性によって，U = 0.46 に性能低下

レーザー加工，ハイパワーレーザーに対応可能な高ダメーした．その時，コンピュータ内の再生も，回折光のサイドジしきい値を有する空間光変調素子等の開発，商用的には，ローブや高次回折光の相互干渉により U = 0.8 に低下し穴あけ加工，切断加工，剥離加工，表面修飾等の応用分野た．

への開発である．

図 3(c) は，システム内最適化により生成された CGH

謝の再生像とプロファイルである．その高空間周波数領域の辞回折光領域が増強され，U は 0.84 に向上した．この値は，本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究助成に空間応答特性を与えた再生を含む計算機内最適化の再生より実施した研究に基づいていることを付記するとともと同じであった．に，同財団に感謝いたします．

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程である．黒丸は，システム内最適化の過程，白丸“Three-dimensional micromachining inside a transparent

は全光量を示す．

material by single pulse femtosecond laser through a

図 3(d) は CGH 最適化過程における繰り返しに対するU の変化である．鎖線は，図 3(b)に示す，SLM の空間応- 58 -hologram,” Appl. Phys. Lett. 93, 041116 (2008).
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