三次元光デバイス高効率製造技術・研究最前線「液晶空間光変調器を利用した高効率レーザー加工システムの開発と応用」
京都大学産官学連携本部

坂 倉政 明，下 間靖 彦

“Development and application of high efficient laser processing systemwith a liquid−crystal spatial light modulator”
Masaaki Sakakura, Yasuhiko Shimotsuma
Kyoto University Office of Society−Academia Collaboration for Innovation

１．はじめにェムト秒レーザーを用いて光導波路や回折光学素子をガラス内部に作製する場合，必要な屈折精密で有用な加工が可能でも，時間がかかれ率差を得るために同じ場所での照射時間が必要ば産業で使われることはない。ガラス内部のフであるため，高速スキャンによって効率を上げ

ェムト秒レーザー加工は長い間このような評価ることができない。そのような照射時間が律速を受けてきたと筆者らは感じている。１９９５年になるような加工では，１つのレーザー光からに平尾・三浦らがガラス内部にフェムト秒レー複数の光スポットを作り，同時に異なる場所でザーを集光することによってひび割れを生じさ光励起を起こせば，光スポットの数だけ効率がせることなく集光点のみで構造変化を誘起でき向上する。筆者らは，NEDO「三次元光デバイ

１）
ガラス内部に三次元の光導ることを発見し，ス高効率製造技術プロジェクト」において，空波路を描画できることを示してから，フェムト４）
によって多数の集光点を間光変調器（SLM）

２）
しか秒レーザー加工が一躍脚光を浴びた。

作る技術をフェムト秒レーザー加工に応用するし，実現可能な三次元光回路の複雑さに対応でことで，高効率フェムト秒レーザー加工機を開きないスループットの低さが問題視された。通５）
この技術によって，フェムト秒発してきた。

常，レーザー加工のスループットを向上するた

レーザー加工の産業応用への道が開けると期待めに，加工対象やレーザースポットを高速でスされている。本稿では，その加工技術の基礎原キャンする。例えば，ガルバノスキャナを用い理，開発した加工システムの概要，応用例につてレーザースポットを高速でスキャンする技術

いて紹介する。

を用いると，１秒間に１０００個の穴を金属板に３）一方，フ開けられることが報告されている。

２．原理と方法
この加工システムにおける液晶空間光変調器〒６１５―８５１０ 京都府京都市西京区京都大学桂TEL ０７５―３９３―３８５１
FAX ０７５―３９３―３８６１
E―mail : msakakura@saci.kyoto-u.ac.jpの役割は，レーザー光の空間位相分布を制御することである。液晶 SLM では印加する電圧によって液晶の屈折率を制御することができる。
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４ ２０１０高屈折率の媒質中では光が遅れるため，各ピクセル毎に印加する電圧を変えると，レーザー光の波面，つまり空間位相分布を制御することができる。波面が均一な光を凸レンズに通すと波長程度の広がりを持った１点に集束されるが，波面が歪んだ光は干渉により複雑な強度パターンになる。そこで生じる強度パターンと波面との関係を知ることができれば，任意の光強度分布を空間内に形成することができる。その光強度分布として多数の集光点を選ぶことによっ

図１ 開発したレーザー加工システムて，多数の点で同時にレーザー加工を行える。
問題は，望みの強度分布を生じる位相分布を得ることであるが，強度分布は光の位相の情報をて試料ステージの駆動，LCOS­SLM へのデー失っているため，それから直接位相分布を計算

タ入力，レーザー光の ON/OFF を行った。

することができない。その問題を解決するために多くの計算アルゴリズムが開発されている。
詳しくは参考文献６）で丁寧にまとめられている

３．加工例①ガラス表面への大面積パターン形成９）が，ここでは，そのいくつかを簡単に紹介す

本加工システムでは，強度パターンを形成でる。１つはフーリエ反復法と呼ばれるものであきる領域が１mm×１mm 以下であるため，多７）
この計算法では，光伝播と逆伝播の計算る。

くのアプリケーションに対応するためには試料と望みの強度分布の代入を繰り返して行い，そステージの駆動と組み合わせて加工をする必要の計算を自己矛盾が起こらなくなるまで続けるがある。同時に，加工データ作成でも形成したというものである。他に，望みの集光点での光いパターンの処理が必要になる。例えば，図２

強度の合計が大きくなるような位相変化を繰り（a）に示すようなパターンを形成したい場合，８）返す方法（Optimal Rotation Angle 法）， ラン

強度パターンが形成できる大きさの領域でパダムに位相を変えて望みの光強度分布に近づけターンを分割し，それぞれの領域の強度パター

６）ていく方法（直接探索法） などがある。

ンに対応する多数のホログラムを計算する。加そのようにして得た位相分布を入力した SLM

工したパターンの光学顕微鏡像を図２（b）ににレーザー光を通した後，集光すると望みの光示した。このようなパターンを描画するのに従強度分布を得ることができる。開発した加工システムの概要を図１に示した。フェムト秒レーザ ー パ ル ス（パ ル ス 幅１２０fs，中 心 波 長８００nm，Coherent，Mira­Legend）が液晶空間光変調器（浜松ホトニクス製，LCO­·S­SLM）で反射された後，縮小光学系を通り，対物レンズによって加工対象内部に集光照射した。多数の集光点を同時に形成できる空間範囲は集光レンズなどで制限されるため，試料を動かすステージが必要である。広範囲に様々なパターンを加工するために，１台のコンピュータを用い
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図２ ガラス表面へのパターン形成

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ため，そのようなホログラムを得ることは非常に困難である。ここでは集光スポットを空間的に分離することで干渉の効果を受けないようにして滑らかな分岐部分の描画に成功した［図３（b）左］。図３（c）にも示すように４分岐以外にも様々な導波路を描画することができる。現在，さらに多くの光分岐を実現するために研究を進めている。
図３ 同時描画によってガラス内部に作製した立体分
岐導波路

４．おわりに液晶空間光変調器を用いた高効率フェムト秒レーザー加工システムの原理と応用例を紹介し

来法では数十分の加工時間が必要であったが，た。このような加工方法の報告は国際学会誌に

本手法では，１分以内に描画することができおいても徐々に増え始めている。そのような状た。このようなパターン形成は表面のみならず況から，本加工システムが産業応用されるのも内部にも適用可能である。

間近であると思われる。これから多くの研究者・技術者に本加工システムに興味を持ってい②ガラス内部への三次元光導波路形成

５）

ただき，さらなる発展を期待したい。

筆者らは本加工システムを用いて曲げ導波路や立体分岐導波路などの作製を行った。光導波路描画では，集光点に対して試料を動かすことにより光励起によって生じた屈折率変化領域を線状にして光導波路を形成する。曲げ導波路や分岐導波路を描画する時には，導波路の描画中に集光パターンが変化するように位相パターンを切り替えて導波路形成位置を変化させればよい。作製した立体４分岐導波路を図３に示した。図３（a）が導波路の概念図，（b）が分岐部分と終端の光学顕微鏡像，（c）が伝播光のニアフィールドパターンである。分岐部分を描画するには単に１つの集光スポットを徐々に２つに分けていけばよいと思われるが，光の干渉性で二つの集光スポットが打ち消しあってしまう

参考文献
１）K．
M．Davis ら Opt．
Lett．
（１９９６）２１，１７２９；三浦清貴
ら Appl．
Phys．
Lett．
（１９９７）７１，３３２９．
２）平尾一之，邱建栄編：フェムト秒テクノロジー−基
礎と応用，化学同人（２００６）３）例えば，八木重典氏「レーザー加工の現状と将来」
レーザー誕生５０周年記念シンポジウム 平成２２年２月２日
４）伊藤晴康ら，オプトロニクス，（２００９）３２８，２１８５）筆 者 ら Jp．
J．Appl．
Phys．
（２００９）４８，１２６５０７．
；Opt．
Express（２０１０）１８，１２１３６−１２１４３．
６）R．
D．Leonardo ら Opt．
Express（２００７）１５，１９１３．
７）J．
R．Fienup，Appl．
Opt．
（１９８２）２１，２７５８８）J．
Bengtsson，Appl．
Opt．
（１９９４）３３，６８７９９）平尾一之監修「先端ガラスの産業応用と新しい加工」
第二編第二章（シーエムシー出版，２００９年）

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