JP2006196638A - パルスレーザーのレーザー発振制御方法およびパルスレーザーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーや、ピコ秒レーザーやサブピコ秒レーザーなどの短パルスレーザーなどのような各種のパルスレーザーを光源に用いた光加工技術や光記録技術などにおいて、光加工や光記録などを行う際におけるパルスレーザー光の集光スポットの位置制御を高精度で行う。
【解決手段】パルスレーザーからの出射光を検出し、上記検出結果に基づいて、上記出射光がパルスレーザー光とともにＣＷレーザー光を含むように上記パルスレーザーのレーザー発振を制御し、上記パルスレーザーから上記出射光として上記パルスレーザー光と上記ＣＷレーザー光とを同時に出射するようにしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パルスレーザーのレーザー発振制御方法およびパルスレーザーシステムに関し、さらに詳細には、フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーや、ピコ秒レーザーやサブピコ秒レーザーなどの短パルスレーザーに用いて好適なパルスレーザーのレーザー発振制御方法およびパルスレーザーシステムに関する。

近年、フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーを、光メモリなどの光記録技術や光造形などの光加工技術における光源として用いる技術開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１として提示する特開２００３−１５９９号公報には、フェムト秒レーザーから出射されたフェムト秒レーザー光を光硬化樹脂中に集光して３次元微小構造物を製造する手法が開示されており、また、特許文献２として提示する特開２００３−２１１４００号公報には、超短パルスレーザーを用いてナノレベルの微細加工を行う手法が開示されており、また、特許文献３として提示する特開２００１−２１６６４９号公報には、超短パルスレーザーから出射された超短パルスレーザー光の集光スポットを３次元的に移動させて発光イオンを含有した固体材料中に３次元的に情報を記録する３次元光メモリ媒体およびその記録に関する手法が開示されている。

上記したような各種の手法は、非線形光学効果を利用して波長の制限を超えた微細構造を作成したり、３次元的な微小物体を直接作成したりする手法として注目されている。

しかしながら、こうした従来の手法においては、超短パルスレーザー光の集光スポットの位置制御に関する技術開発が全く考慮されておらず、実際に超短パルスレーザー光の集光スポットが照射対象のどの部分に位置しているかを高精度に検知する方法がないという問題点があった。

即ち、従来のフェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーを用いた光加工技術や光記録技術においては、そのビームの高精度な位置制御に関する手法については全く考慮されておらず、本願発明者が調査したところでは、超短パルスレーザー光のビームの高精度な位置制御に関する手法までを具体的に開示した論文などの報告書や特許出願を発見することはできなかった。

一方、光リソグラフィー技術などにおいては、レーザー干渉計などを用いて、極めて高い精度で転写像と記録材料との間の位置関係を制御していることが知られている。

また、光ディスクなどにおいても、非点収差法やナイフエッジ法などを用いて、レーザー光の集光スポットが所望のトラックを追従するように絶えずフィードバック制御されている。

しかしながら、これらの技術においては全て、常時光が出射されている、所謂、連続レーザー（ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザー）から出射されるＣＷレーザー光が集光スポットの位置制御に用いられており、時間的にほんのわずかの間しか発光していない超短パルスレーザーを用いて同様の位置制御を行うことは極めて困難であるという問題点があった。

即ち、光リソグラフィーや光ディスクなどの技術分野においては、レーザー干渉計や非点収差法などの各種光学的手法を用いて、レーザー光や光パターンと被加工物（光ディスクも含む。）との相対的な位置関係を制御する手法が提案されているが、これらの手法ではいずれも光源としてはＣＷレーザーが用いられており、超短パルスレーザーをそのまま位置制御用の光源として利用するものではなかった。

ここで、超短パルスレーザーをそのまま位置制御用の光源に利用することができないのは、上記したように超短パルスレーザーが時間軸上でほんのわずかの時間しか発光していない光源であり、そのような光源では連続的に位置情報を取得することができないからである。

なお、先行技術情報として、上記においても説明した以下の特許文献１乃至３を提示するが、本願発明者の調査によれば先行技術として本発明と直接関連するものは存在しておらず、これら特許文献１乃至３のいずれも本発明とは直接関連するものではなく、本発明を用いることにより特許文献１乃至３に開示された技術が大幅に改善されるものである。
特開２００３−１５９９号公報 特開２００３−２１１４００号公報 特開２００１−２１６６４９号公報

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーや、ピコ秒レーザーやサブピコ秒レーザーなどの短パルスレーザーなどのような各種のパルスレーザーを光源に用いた光加工技術や光記録技術などにおいて、光加工や光記録などを行う際におけるパルスレーザー光の集光スポットの位置制御を高精度で行うことを可能にしたパルスレーザーのレーザー発振制御方法およびパルスレーザーシステムを提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、通常のパルスレーザーの制御の手法とは逆に、パルスレーザーから出射される出射光として、強制的にパルスレーザー光とＣＷレーザー光とが同時に含まれるように当該パルスレーザーをレーザー発振させ、当該出射光のなかでパルスレーザー光の成分（以下、「パルス成分」と適宜に称する。）を光加工や光記録などの処理に用いることを可能にするとともに、当該出射光のなかでＣＷレーザー光の成分（以下、「ＣＷ成分」または「直流成分」と適宜に称する。）をそのパルス成分の集光スポットの位置制御に利用することを可能にしたものである。

即ち、本発明は、フェムト秒パルスレーザーなどの超短パルスレーザーや、ピコ秒レーザーやサブピコ秒レーザーなどの短パルスレーザーなどのような各種のパルスレーザーが、パルスレーザー光とＣＷレーザー光とを同時に出射するようにレーザー発振をフィードバック制御し、パルス成分によって光加工や光記録を行いながらも、ＣＷ成分を用いてパルス成分の集光スポットの位置制御を行えるようにしたものである。

なお、本願発明者が確認はしていないが、超短パルスレーザーとＣＷレーザーとの２つのレーザーを用い、これらを光学系で合波して光加工や光記録と位置制御とを行うという手法は、既に存在しているかも知れない。

しかしながら、この手法では、超短パルスレーザーとＣＷレーザーとの２つのレーザーの集光スポットをサブミクロンオーダーで合わせる必要があり、一般的にこれは極めて難しく高度な技術を要する作業であり、実用化が極めて困難であるという問題点がある。

一方、本願発明によれば、パルス成分とＣＷ成分とは単一のパルスレーザーから出射されるため、その光軸はあらかじめ完全に一致しており、外部の調整手段を用いて位置合わせする必要がないといった優れた作用効果が奏される。

また、本願発明によれば、位置制御は必ずしも常時行う必要がないため、例えば、ＴＶ画像のラスタスキャンに伴うブランキングなどを利用して、ある一定時間だけパルスレーザーからの出射光にＣＷ成分が含まれるようにしてもよい。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、パルスレーザーからの出射光を検出し、上記検出結果に基づいて、上記出射光がパルスレーザー光とともにＣＷレーザー光を含むように上記パルスレーザーのレーザー発振を制御し、上記パルスレーザーから上記出射光として上記パルスレーザー光と上記ＣＷレーザー光とを同時に出射するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記パルスレーザーを超短パルスレーザーまたは短パルスレーザーとしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、少なくとも一対のミラーを構成部材として有して構成されるレーザー共振器と上記レーザー共振器の上記一対のミラーの間に配置されたレーザー媒質とを有するパルスレーザーと、上記パルスレーザーからの出射光を検出する検出手段と、上記検出手段の検出結果に基づいて、上記出射光がパルスレーザー光とともにＣＷレーザー光を含むように上記パルスレーザーのレーザー発振を制御する制御手段とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記制御手段は、上記レーザー共振器の少なくともいずれか一つの構成部材の位置を制御するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記制御手段は、上記レーザー共振器の上記一対のミラーの少なくともいずれか一方の位置を制御するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記制御手段は、上記レーザー共振器の少なくともいずれか一つの構成部材の外形の形状を制御するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記制御手段は、上記レーザー共振器の上記一対のミラーの少なくともいずれか一方の反射面の形状を制御するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記レーザー共振器の外部に上記レーザー共振器からの出射光を増幅する増幅手段を有し、上記制御手段は、上記増幅手段を制御するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記レーザー共振器の外部に上記レーザー共振器内へ光を入射する入射手段を有し、上記制御手段は、上記入射手段を制御するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、上記制御手段は、上記パルスレーザーの環境を変化するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項１１に記載の発明は、本発明のうち請求項３、４、５、６、７、８、９または１０のいずれか１項に記載の発明において、上記パルスレーザーを超短パルスレーザーまたは短パルスレーザーとしたものである。

本発明によれば、フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーや、ピコ秒レーザーやサブピコ秒レーザーなどの短パルスレーザーなどのような各種のパルスレーザーを光源に用いた光加工技術や光記録技術などにおいて、光加工や光記録などを行う際におけるそのレーザーの集光スポットの位置制御を精度良く行うことができるようになるという優れた効果が奏される。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるパルスレーザーの発振制御方法およびパルスレーザーシステムの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

なお、以下においては、図面を参照しながら本発明によるパルスレーザーの発振制御方法およびパルスレーザーシステムの第１の実施の形態乃至第５の実施の形態についてそれぞれ説明するが、各実施の形態において同一あるいは相当する構成については、以下の説明ならびに図面においては同一の符号を付して示すことにより、その重複する説明は適宜に省略するものとする。

図１には、本発明の第１の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図が示されている。

このパルスレーザーシステム１００は、エンドミラー１１２と出射側ミラー１１４との一対のミラーを有して構成されるレーザー共振器と、このレーザー共振器のエンドミラー１１２と出射側ミラー１１４との間に配置されたレーザー媒質１１６とを有する、例えば、フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザー１１０を備えている。

また、パルスレーザーシステム１００は、出射側ミラー１１４の位置、例えば、光軸に沿った配置場所や傾きなどを変化させる、例えば、ピエゾ素子により構成されるアクチュエーター１１８を備えている。

さらに、パルスレーザーシステム１００は、超短パルスレーザー１１０からの出射光Ｌを２つの光路の光Ｌ１、Ｌ２に分岐するビームスプリッター（ＢＳ）１２０と、ビームスプリッター１２０により分岐された一方の光路の光Ｌ２のパルス成分とＣＷ成分との比を検出する光検出器１２２と、光検出器１２０の検出結果を示す検出信号に基づいてアクチュエーター１１８を制御する制御回路１２４とを備えている。

ここで、制御回路１２４は、アクチュエーター１１８が出射側ミラー１１４の位置を変化させることにより、光検出器１２０の検出結果を示す検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるように、光検出器１２０の検出結果に基づいてアクチュエーター１１８をフィードバック制御することにより、レーザー発振を制御するものである。

以上の構成において、パルスレーザーシステム１００においては、超短パルスレーザー１１０からの出射光Ｌが出射されると、出射光Ｌはビームスプリッター１２０により２つの光路の光Ｌ１、Ｌ２に分岐される。

こうして２つの光路に分岐された一方の光Ｌ１は、光加工技術や光記録技術などにおける光加工や光記録などに用いられる。

一方、２つの光路に分岐されたもう一方の光Ｌ２は光検出器１２０に入力され、光検出器１２０は光Ｌ２のパルス成分とＣＷ成分との比を検出し、その検出結果を示す検出信号を制御回路１２４へ出力する。

制御回路１２４は、光検出器１２０から出力された検出信号に基づいて、当該検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるように、アクチュエータ１１８が出射側ミラー１１４の位置を変化するための駆動信号をアクチュエータ１１８に出力するフィードバック制御を行い、レーザー発振を制御する。

そして、アクチュエータ１１８は、制御回路１２４から出力された駆動信号に基づいて出射側ミラー１１４の位置、例えば、光軸に沿った配置場所や傾きなどを変化させて、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにする。

従って、パルスレーザーシステム１００によれば、超短パルスレーザー１１０からの出射光Ｌを分岐した一方の光路の光Ｌ２には、パルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれているものであり、超短パルスレーザー１１０からの出射光Ｌを分岐したもう一方の光路の光Ｌ１にも、パルス成分の他にＣＷ成分が光Ｌ２と同じ所定の割合で含まれていることになる。

即ち、上記したレーザー発振の制御によって、超短パルスレーザー１１０から出射光Ｌとして超短パルスレーザー光とＣＷレーザー光とが同時に出射されることになる。

このため、出射光Ｌを分岐した光Ｌ１を光加工技術や光記録技術などにおける光加工や光記録などに用いる場合には、光Ｌ１に含まれているＣＷ成分を用いて、パルス成分を含む光Ｌ１の集光スポットの位置制御を高精度で行うことができるようになる。

なお、上記したパルスレーザーシステム１００においては、レーザー共振器の出射側ミラー１１４の位置を制御するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー共振器の出射側ミラー１１４の位置の制御に代えて、同様な構成によりレーザー共振器のエンドミラー１１２の位置を制御するようにして、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにしてもよい。また、レーザー共振器の出射側ミラー１１４とエンドミラー１１２とのいずれか一方の位置の制御ではなく、両者の位置を制御するようにして、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにしてもよく、要は、レーザー共振器の出射側ミラー１１４とエンドミラー１１２との少なくともいずれか一方の位置の制御をするようにして、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにすればよい。

また、超短パルスレーザー１１０が、そのレーザー共振器の構成部材として、エンドミラー１１２と出射側ミラー１１４とよりなる一対のミラーの他に、例えば、他のミラーやプリズムなどを備えている場合には、こうしたミラーやプリズムなどの少なくとも一つの構成部材に対して上記したエンドミラー１１２あるいは出射側ミラー１１４と同様な位置の制御を行うことにより、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにしてもよい。

以下、上記した超短パルスレーザー１１０のレーザー共振器を構成する構成部材の位置を制御する際における具体的な制御の手法の一例について説明するが、この説明の理解を容易にするために、上記した超短パルスレーザー１１０のレーザー共振器が図２に示すような構成を備えているものとする。

即ち、図２に示すレーザー共振器は、その構成部材としてミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤおよびプリズムを備えており、ミラーＢとミラーＣとの間にレーザー媒質（図１におけるレーザー媒質１１６に相当する。）が配置され、ミラーＡとミラーＢとの間に上記プリズムが配置されている。

そして、ミラーＣを介して励起光がレーザー共振器内に導入され、また、ミラーＢが図１におけるエンドミラー１１２に相当し、ミラーＤが図１における出射側ミラー１１４に相当するものであり、ミラーＤから出射光（図１における出射光Ｌに相当する。）が出射される。

この図２に示すレーザー共振器の構成部材たるミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤおよびプリズムの少なくともいずれか一つの位置、例えば、光軸に沿った配置場所や傾きなどを制御して変化させることで、レーザーの発振状態を変化させることができる。

即ち、ミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤおよびプリズムには、例えば、ミラーＡを例にとって示せば、図３に示すように、パラメータとしてｘ軸、ｙ軸、ｚ軸にそれぞれ沿った移動方向とそれぞれの軸周りの回転角度θｘ、θｙ、θｚとの計６つの自由度がある。

ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、図４に示すように、ｚ軸をミラーＡのミラー中心とミラー曲率中心とを結ぶ直線とし、また、ｘ軸、ｙ軸をｚ軸がミラー表面と交わる点を含むとともにｚ軸と垂直な面内で互いに直交しかつｘ−ｚ面がレーザー共振器内で共振しているレーザー光の伝播面と一致するように設定する。

パラメータとしてこれら６つの自由度をもつそれぞれのミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤおよびプリズムの１つもしくは複数について、１つもしくは複数のパラメータをを適時制御することにより、出射光にパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるような所望の制御を実現する。

こうした制御を行う場合には、制御する各パラータは完全に対等ではなく、以下のような特徴がある。

（ａ）ミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤのようなレーザー共振器に用いるミラーとしては、一般に、平面ミラーか、凹面または凸面の軸対称面ミラーが用いられることがほとんどであるため、ｚ軸周りの回転であるθｚの制御によるレーザ共振器への影響は、θｘ、θｙの回転によるレーザ共振器への影響に比べると少ない。

（ｂ）レーザー光の出射端、即ち、出射光を出射する位置にあるミラー（図２におけるミラーＤ）の配置位置や傾きを変えると、出射ビームの方向が大きく変わり、これは通常好ましくない。従って、出射端に位置するミラーの制御はできるだけ避けることが望ましい。

（ｃ）ミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤのようなレーザー共振器に用いるミラーが平面鏡である場合には、θｘの回転角がゼロであるならばｙ軸方向への平行移動Δｙは無効である。同様に、θｙ＝０であるならば、Ｘ軸方向の平行移動Δｘは無効である。

（ｄ）レーザー共振器内で発振状態にあるビームの伝播面が図３に示すようにｘ−ｚ面内にある場合、この伝播面外へビームを偏向させる向きへの制御、即ち、ｙ軸周りの回転であるθｙは、レーザー共振器の共振器状態を著しく乱し、出射光強度の大幅な低下をもたらす可能性がある。

（ｅ）平行移動量や回転角がわずかである場合、具体的には、Δｘ、Δｙ、Δｚが数μｍ以下、θｘ、θｙ、θｚが数１０ミリラジアン以下である場合には、以下の近似式が成り立つ。

Δｘ≒θｙ十Δｚ
Δｙ≒θｘ＋Δｚ

次に、ミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤおよびプリズムなどの、具体的なミラー、プリズムの駆動の手法について説明すると、
平行移動Δｘ、Δｙ、Δｚについては、例えば、
・ピエゾ素子による駆動
・電動モーター（例えば、リニアモーター、ステッピングモーター、ＤＣサーボモーター、ＡＣモーターなどである。）による駆動
・ボイスコイルによる駆動
・静電アクチュエータによる駆動
などを適宜に選択して用いることができる。

また、傾きθｘ、θｙ、θｚについても、平行移動Δｘ、Δｙ、Δｚの場合と同様に、例えば、
・ピエゾ素子による駆動
・電動モーター（例えば、リニアモーター、ステッピングモーター、ＤＣサーボモーター、ＡＣモーターなどである。）による駆動
・ボイスコイルによる駆動
・静電アクチュエータによる駆動
などを適宜に選択して用いることができる。

なお、本発明においては、アクチュエータ１１８の動作時にできるだけ余計な振動などを発生しないことが好ましく、また、具体的な駆動量も少なくて充分であるため、上記した各種の駆動手段のなかでも、ピエゾ素子による駆動の手法が有効である。

また、実際の制御手順としては、例えば、以下に示すように制御すればよい。即ち、例えば、超短パルスレーザーであるフェムト秒パルスレーザーには、広帯域で発振している複数のモードをロックする、所謂、モードロック状態を作り出すために、波長の分散を補正する光学素子が入っている。例えば、これは、図２におけるプリズムに相当するが（実際には、単一のプリズムではなく、２つ以上のプリズムペアである。）、それ以外にレーザー共振器を構成するミラー（図２におけるミラーＡ、ミラーＢ、ミラーＣ、ミラーＤに相当する。）に特殊なコーティングが施されていることもある。

レーザーの発振状態を制御する上では、上記したプリズムや特殊なコーティングを施されたミラーを制御することが最も効果的であるが、発振状態を大幅に変化させると、出射光の出力強度が大幅に低下する恐れがある。そこで、上記したプリズムや特殊なコーティングを施されたミラーを制御する際には、この出力強度の低下分を補正するように、他のミラーも制御することが好ましい。

次に、図５には、本発明の第２の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図が示されている。

このパルスレーザーシステム２００は、反射面の曲率半径などの外形の形状を変化することのできる、例えば、デフォーマブルミラー（Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｍｉｒｒｏ）などがエンドミラー２１２として用いられているとともに、制御回路１２４から出力された駆動信号により制御されるアクチュエータ１１８が、エンドミラー２１２の反射面の曲率半径などの外形の形状を変化するためにエンドミラー２１２に配設されている点において、パルスレーザーシステム１００と異なる。

なお、デフォーマブルミラーとは、ミラー裏面にピエゾ素子や静電アクチュエーターのアレイを配置し、これらを適時制御してミラーの外形の形状を直接制御することができるものである。

以上の構成において、パルスレーザーシステム２００においては、パルスレーザーシステム１００と同様に、制御回路１２４は、光検出器１２０から出力された検出信号に基づいて、当該検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるように、アクチュエータ１１８がエンドミラー２１２の外形の形状を変化するための駆動信号をアクチュエータ１１８に出力するフィードバック制御を行い、レーザー発振を制御する。

そして、アクチュエータ１１８は、制御回路１２４から出力された駆動信号に基づいてエンドミラー２１２の外形の形状、例えば、曲率半径などを変化させて、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにする。

従って、パルスレーザーシステム２００によれば、超短パルスレーザー１１０からの出射光Ｌを分岐した一方の光路の光Ｌ２には、パルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれているものであり、超短パルスレーザー１１０からの出射光Ｌを分岐したもう一方の光路の光Ｌ１にも、パルス成分の他にＣＷ成分が光Ｌ２と同じ所定の割合で含まれていることになる。

即ち、上記したレーザー発振の制御によって、超短パルスレーザー１１０から出射光Ｌとして超短パルスレーザー光とＣＷレーザー光とが同時に出射されることになる。

このため、出射光Ｌを分岐した光Ｌ１を光加工技術や光記録技術などにおける光加工や光記録などに用いる場合には、光Ｌ１に含まれているＣＷ成分を用いて、パルス成分を含む光Ｌ１の集光スポットの位置制御を高精度で行うことができるようになる。

なお、上記したパルスレーザーシステム２００においては、レーザー共振器のエンドミラー２１２の外形の形状を制御するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー共振器のエンドミラー２１２の外形の形状の制御に代えて、同様な構成によりレーザー共振器の出射側ミラー１１４の外形の形状を制御するようにして、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにしてもよい。また、レーザー共振器のエンドミラー２１２と出射側ミラー１１４とのいずれか一方の外形の形状の制御ではなく、両者の外形の形状を制御するようにして、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにしてもよく、要は、レーザー共振器の出射側ミラー１１４とエンドミラー２１２との少なくともいずれか一方の外形の形状の制御をするようにして、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにすればよい。

また、超短パルスレーザー１１０が、そのレーザー共振器の構成部材として、エンドミラー２１２と出射側ミラー１１４とよりなる一対のミラーの他に、例えば、他のミラーやプリズムなどを備えている場合には、こうしたミラーやプリズムなどの少なくとも一つの構成部材に対して上記したエンドミラー２１２あるいは出射側ミラー１１４と同様な外形の形状の制御を行うことにより、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにしてもよい。

以下、上記した超短パルスレーザー１１０のレーザー共振器を構成する構成部材の外形の形状を制御する際における具体的な制御の手法の一例について説明する。

即ち、図６に示すように、レーザー共振器の構成部材として用いられているミラーなどの外形の形状を変化させることで、レーザー共振器内を伝搬するレーザー光のモードプロファイルを制御することができ、これによりレーザー発振の発振状態を制御することができる。

具体的な制御の手法としては、例えば、上記したデフォーマブルミラーを用いたり、あるいは、リニアモーターやピエゾ素子などを用いてレーザー共振器を構成する構成部材に対して力学的なひずみを生じさせることでも、制御することが可能である。

次に、図７には、本発明の第３の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図が示されている。

このパルスレーザーシステム３００は、超短パルスレーザー１１０が、エンドミラー１１２と出射側ミラー１１４との一対のミラーを有して構成されるレーザー共振器の外部に、当該レーザー共振器からの出射光を増幅する増幅手段として外部共振器３０２を備え、制御回路１２４から出力された駆動信号により制御されるアクチュエータ１１８が、外部共振器３０２の構成部材たるミラーやプリズムなどの位置や外形の形状を制御するために当該構成部材に配設されている点において、パルスレーザーシステム１００と異なる。

このパルスレーザーシステム３００においては、制御回路１２４から出力された駆動信号に基づき、増幅手段たる外部共振器３０２を制御する、即ち、アクチュエータ１１８により外部共振器３０２の構成部材たるミラーやプリズムなどの位置や外形の形状を制御することにより、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにすることができる。

なお、アクチュエータ１１８による外部共振器３０２の構成部材たるミラーやプリズムなどの位置や外形の形状の制御については、パルスレーザーシステム１００またはパルスレーザーシステム２００における制御と同様であるので、上記の記載を援用することによりその詳細な説明は省略する。

また、パルスレーザーシステム３００における増幅手段としては、上記したような外部共振器の他に、例えば、再生増幅器やＯＰＡ（光パラメトリックアンプ）あるいはＯＰＯ（光パラメトリックオシレーター）などがある。

こうした再生増幅器やＯＰＡあるいはＯＰＯを制御する場合には、これらの光学系を構成しているミラーやプリズムの位置や傾きをレーザー共振器の場合と同様に制御すればよい。

次に、図８には、本発明の第４の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図が示されている。

このパルスレーザーシステム４００は、超短パルスレーザー１１０の出射側ミラー１１４とビームスプリッター１２０との間に、出射側ミラー１１４と対向する面４０２ａに反射率が可変できるように反射膜が形成された反射率可変ミラー４０２を配設され、制御回路１２４から出力された駆動信号により制御されるアクチュエータ１１８が、反射率可変ミラー４０２の反射率を制御するために反射率可変ミラー４０２に配設されている点において、パルスレーザーシステム１００と異なる。

反射率可変ミラー４０２は、外部から超短パルスレーザー１１０のレーザー共振器内へ光を入射する入射手段として機能することになる。

このパルスレーザーシステム４００においては、制御回路１２４から出力された駆動信号に基づき反射率可変ミラー４０２の反射率を制御する、即ち、アクチュエータ１１８により反射率可変ミラー４０２の反射率を変化させて、出射光Ｌのうちで反射率可変ミラー４０２で反射されて超短パルスレーザー１１０のレーザー共振器内へ戻される光Ｌ３の強度を制御することにより、光Ｌ３がレーザー発振状態に及ぼす影響を利用して、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにすることができる。

次に、図９には、本発明の第５の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図が示されている。

このパルスレーザーシステム５００は、制御回路１２４から出力された駆動信号により出射光Ｌ４の出力を制御されるレーザー５０２を備えるとともに、超短パルスレーザー１１０からの出射光Ｌを透過するとともにレーザー５０２からの出射光Ｌ４を反射して超短パルスレーザー１１０のレーザー共振器内へ入射するビームスプリッター５０４とを備えている点において、パルスレーザーシステム１００と異なる。このレーザー５０２は、超短パルスレーザー１１０の発振帯域と同じ波長を持つレーザー光を出射光Ｌ４として出力する。

レーザー５０２およびビームスプリッター５０４は、外部からレーザー共振器内へ光を入射する入射手段として機能することになる。

このパルスレーザーシステム５００においては、制御回路１２４から出力された駆動信号に基づきレーザー５０２の出力を制御する、即ち、レーザー５０２からの出射光Ｌ４の出力強度や位相あるいは強度変調状態を変化させて、ビームスプリッター５０４を介して超短パルスレーザー１１０のレーザー共振器内へ入射される出射光Ｌ４を変調することにより、出射光Ｌ４がレーザー発振状態に及ぼす影響を利用して、光検出器１２２の検出信号が光Ｌ２のなかにパルス成分の他にＣＷ成分が必ず所定の割合で含まれたものとなるようにすることができる。

なお、上記したパルスレーザーシステム５００において、光の利用効率を上げるには、ビームスプリッター５０４を偏光ビームスプリッターにすることができる。

ところで、上記したパルスレーザーシステム１００、２００、３００、４００、５００に関する説明において、光Ｌ１のＣＷ成分を用いて光Ｌ１の集光スポットの位置制御を行うタイミングについて詳細な説明は省略したが、例えば、光ディスクのように記録対象物が高速に動いているような場合には常に位置制御をしつづける必要があるが、光リソグラフィーに用いるレジスト基板のように静止していることが多い対象物の場合は、常に位置制御することは必ずしも必要でなく、このような場合には、例えば、ＴＶ信号のブランキングタイミングのようなものを利用して、一定周期だけ位置制御をするようなことでも問題ない。

また、このように常に位置制御することが必ずしも必要でない場合には、位置制御することが必要なタイミングと同期して出射光ＬがＣＷ成分を含むように、制御回路１２４による制御を行ってもよい。

なお、上記したように、本願発明者が確認はしていないが、パルスレーザーとＣＷレーザーとの２つのレーザーを用い、これらを光学系で合波して光加工や光記録と位置制御とを行うという手法は、既に存在しているかも知れない。

しかしながら、以下の（１）乃至（３）に示すように、この手法と本発明によるパルスレーザーシステムとを比較すると、本発明によるパルスレーザーシステムには、当該手法では達成し得ない優れた効果がある。

（１）パルスレーザーとＣＷレーザーとの２つのレーザーを使用することは、コスト的にもまた装置の小型化においても不利である。本発明によるパルスレーザーシステムは、パルス光とＣＷ光とを１つのレーザーから発振させることができるため、この点で極めて有利である。

（２）パルスレーザーとＣＷレーザーとの２つのレーザーを光源に使用する場合は、パルスレーザーとＣＷレーザーとの２つのレーザーから出射される２つのレーザー光の集光スポット位置がサブミクロンの精度で一致するように、当該２つのレーザー光を同軸に合わせる必要がある。しかしながら、サブミクロンの精度で一致するように２つのレーザー光を同軸に合わせることは、極めて困難であって高度な技術を要する作業であり、また、２つのレーザー光を同軸に合わせ得たとしても、時間経過とともに軸がズレる恐れがあるという問題も無視できないものである。さらに、一般的には、パルスレーザーのレーザー光の出射方向は常に一定しているわけではなく、わずかではあるが時間的にランダムに揺らいでいることが多く、このような状態では２つのレーザー光を同軸上に揃えることは事実上極めて困難であるかもしくは不可能である。本発明によるパルスレーザーシステムは、パルスレーザー光とＣＷレーザー光とを１つのレーザーから発振させることができるため、パルスレーザー光とＣＷレーザー光とは同軸上に位置することになる。

（３）一般的には、パルスレーザーとＣＷレーザーとでは共振器の構成が異なることが多く、共振器の構成が異なる場合には、共振器から出射されたレーザー光の広がり角度も異なる。このような状況では、仮に上記した（１）および（２）の問題を解決してレーザー光を同軸上に調整したとしても、２つのレーザー光のスポット位置は光軸方向にずれてしまう。この位置ずれを調整することは、レーザービームを同軸に合わせるよりもさらに難しく、広がり角補正用の複雑な光学素子を別途用意しなければならない。一方、本発明によるパルスレーザーシステムにおいては、そもそもパルスレーザー光とＣＷレーザー光との２つのレーザー光成分は、１つの共振器から出射されているので、そのレーザービームの光軸ならびに広がり角はあらかじめ完全に一致しており、外部の調整手段を用いて位置合わせする必要がない。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（３）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、パルスレーザーとして、超短パルスレーザーと称されるフェムト秒レーザーについて説明したが、本発明が適用可能なパルスレーザーは超短パルスレーザーに限られるものではないことは勿論であり、ピコ秒レーザーやサブピコ秒レーザーなどの、所謂、短パルスレーザーと称されるパルスレーザーのような各種のパルスレーザーに本発明は適用することができる。

（２）上記した実施の形態においては、レーザー発振を制御するにあたって、レーザー共振器の構成部材を制御したり、外部からレーザー共振器内へ光を入射したりしたが、レーザー発振を制御する手法はこれに限られるものではないことは勿論であり、例えば、レーザ共振器もしくは共振器内のレーザー媒質の環境を制御することにより、レーザー発振を制御するようにしてもよい。

即ち、レーザ共振器や共振器内のレーザー媒質の環境を変えることにより、レーザー共振器の共振状態を変化させることができるものであり、これによりレーザー発振を制御することができる。

ここで、環境とは温度や空気圧などであり、具体的には、レーザー共振器内の温度や空気圧を制御したり、レーザー媒質やミラーやプリズムなどのレーザー共振器の構成部材の温度を局所的に制御したりする。

こうした温度は、ペルチェ素子での冷却や加熱、あるいはヒーターによる加熱によって直接制御することができる。

また、通常、レーザー媒質は冷却水やファンで強制冷却されているが、この冷却水の水温やファンの回転数を制御することでも同様の効果が得られる。

（３）上記した実施の形態においては、ビームスプリッター１２０、５０４における光の分岐率の詳細については説明を省略したが、ビームスプリッター１２０、５０４は光を「１：１」、即ち、「５０％：５０％」に分離するものに限られるものではないことは勿論であり、ビームスプリッター１２０、５０４における光の分岐率は適宜に設定可能である。即ち、パルスレーザーシステム５００におけるビームスプリッター１２０は、光Ｌ２として光検出器１２２で検出可能となる量の光を取り出せばよいので、例えば、「透過：反射＝９９％：１％」のような分岐率のものでもよい。また、パルスレーザーシステム５００におけるビームスプリッター５０４についても、上記したビームスプリッター１２０の場合と同様であり、超短パルスレーザー１１０に入射させる出射光Ｌ４はわずかな強度でよいので、超短パルスレーザー１１０からの出射光Ｌのロスを防ぐには、ビームスプリッター５０４は、例えば、「透過：反射＝９０％：１０％」のような分岐率のものでもよい。

（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーや、ピコ秒レーザーやサブピコ秒レーザーなどの短パルスレーザーなどのような各種のパルスレーザーを光源に用いた光加工技術や光記録技術などに利用されるものである。

図１は、本発明の第１の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図である。 図２は、超短パルスレーザーのレーザー共振器の詳細な構成の一例を示す概念構成説明図である。 図３は、超短パルスレーザーのレーザー共振器の構成部材の自由度を説明するための概念説明図である。 図４は、超短パルスレーザーのレーザー共振器の構成部材の自由度を説明するための概念説明図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図である。 図６は、レーザー共振器の構成部材として用いられているミラーなどの外形の形状を変化させる場合を示す概念説明図である。 図７は、本発明の第３の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図である。 図８は、本発明の第４の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図である。 図９は、本発明の第５の実施の形態によるパルスレーザーシステムの概念構成説明図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００ パルスレーザーシステム
１１０ 超短パルスレーザー
１１２、２１２ エンドミラー
１１４ 出射側ミラー
１１６ レーザー媒質
１１８ アクチュエーター
１２０ ビームスプリッター
１２２ 光検出器
１２４ 制御回路
３０２ 外部共振器
４０２ 反射率可変ミラー
４０２ａ 面
５０２ レーザー
５０４ ビームスプリッター

Claims (11)

1. パルスレーザーからの出射光を検出し、
   前記検出結果に基づいて、前記出射光がパルスレーザー光とともにＣＷレーザー光を含むように前記パルスレーザーのレーザー発振を制御し、
   前記パルスレーザーから前記出射光として前記パルスレーザー光と前記ＣＷレーザー光とを同時に出射する
   ことを特徴とするパルスレーザーのレーザー発振制御方法。
2. 請求項１に記載のパルスレーザーのレーザー発振制御方法において、
   前記パルスレーザーは、超短パルスレーザーまたは短パルスレーザーである
   ことを特徴とするパルスレーザーのレーザー発振制御方法。
3. 少なくとも一対のミラーを構成部材として有して構成されるレーザー共振器と前記レーザー共振器の前記一対のミラーの間に配置されたレーザー媒質とを有するパルスレーザーと、
   前記パルスレーザーからの出射光を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づいて、前記出射光がパルスレーザー光とともにＣＷレーザー光を含むように前記パルスレーザーのレーザー発振を制御する制御手段と
   を有することを特徴とするパルスレーザーシステム。
4. 請求項３に記載のパルスレーザーシステムにおいて、
   前記制御手段は、前記レーザー共振器の少なくともいずれか一つの構成部材の位置を制御する
   ことを特徴とするパルスレーザーシステム。
5. 請求項３に記載のパルスレーザーシステムにおいて、
   前記制御手段は、前記レーザー共振器の前記一対のミラーの少なくともいずれか一方の位置を制御する
   ことを特徴とするパルスレーザーシステム。
6. 請求項３に記載のパルスレーザーシステムにおいて、
   前記制御手段は、前記レーザー共振器の少なくともいずれか一つの構成部材の外形の形状を制御する
   ことを特徴とするパルスレーザーシステム。
7. 請求項３に記載のパルスレーザーシステムにおいて、
   前記制御手段は、前記レーザー共振器の前記一対のミラーの少なくともいずれか一方の反射面の形状を制御する
   ことを特徴とするパルスレーザーシステム。
8. 請求項３に記載のパルスレーザーシステムにおいて、
   前記レーザー共振器の外部に前記レーザー共振器からの出射光を増幅する増幅手段を有し、
   前記制御手段は、前記増幅手段を制御する
   ことを特徴とするパルスレーザーシステム。
9. 請求項３に記載のパルスレーザーシステムにおいて、
   前記レーザー共振器の外部に前記レーザー共振器内へ光を入射する入射手段を有し、
   前記制御手段は、前記入射手段を制御する
   ことを特徴とするパルスレーザーシステム。
10. 請求項３に記載のパルスレーザーシステムにおいて、
    前記制御手段は、前記パルスレーザーの環境を変化する
    ことを特徴とするパルスレーザーシステム。
11. 請求項３、４、５、６、７、８、９または１０のいずれか１項に記載のパルスレーザーシステムにおいて、
    前記パルスレーザーは、超短パルスレーザーまたは短パルスレーザーである
    ことを特徴とするパルスレーザーシステム。

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