JP5071868B2 - Laser processing method, laser processing apparatus, optical element manufacturing method, and optical element - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工方法、レーザ加工装置、光学素子の製造方法、および光学素子に関し、特に、パルス幅が10-15秒〜10-11秒の超短パルスレーザ光(以下、「フェムト秒レーザ」ともいう。)を加工対象材料の表面またはその内部に照射して当該材料を加工する技術に関する。 The present invention relates to a laser processing method, a laser processing apparatus, an optical element manufacturing method, and an optical element, and in particular, an ultrashort pulse laser beam (hereinafter referred to as a “femtosecond laser” having a pulse width of 10 −15 seconds to 10 −11 seconds. Is also applied to the surface of the material to be processed or the inside thereof to process the material.

近年、リソグラフィ等のプロセスにより光学素子を製造する方法とは別に、フェムト秒レーザ光をガラスまたは高分子構造体等の光学材料内部に照射して、照射部の屈折率変化などを誘起することにより、たとえば回折光学素子または光導波路といった光学素子を光学材料の内部に加工する方法が知られている。この加工方法によると、光学材料に光学素子を直接製造できるので製造工程を短縮できるというメリットがある。また、光学材料内部に光学素子を形成するので光学素子を集積化できるというメリットがある。   In recent years, apart from methods of manufacturing optical elements by processes such as lithography, femtosecond laser light is irradiated inside an optical material such as glass or a polymer structure to induce a change in the refractive index of the irradiated part. For example, a method of processing an optical element such as a diffractive optical element or an optical waveguide into an optical material is known. This processing method has an advantage that the manufacturing process can be shortened because the optical element can be directly manufactured on the optical material. Further, since the optical element is formed inside the optical material, there is an advantage that the optical element can be integrated.

この加工法を用いることにより、径に対して厚さあるいは深さが大きい、いわゆるアスペクト比が大きい改質や加工を行なうことがある。ここでは「厚さ」あるいは「深さ」とは、レーザ光の光軸方向(入射方向)に沿った改質領域(あるいは加工された領域)の長さであり、「径」とはその厚さ方向に直交する方向に沿った改質領域(あるいは加工された領域)の長さであると定義する。たとえばフェムト秒レーザ光により光学材料内部に屈折率変化を誘起させて回折光学素子を形成する加工法では、アスペクト比の大きい改質を行なうことによって屈折率が変化した改質部の厚さが大きくなる。これにより、回折光学素子の回折効率が高くなるという利点が得られる。   By using this processing method, modification or processing may be performed in which the thickness or depth is large with respect to the diameter, that is, the so-called aspect ratio is large. Here, “thickness” or “depth” is the length of the modified region (or processed region) along the optical axis direction (incident direction) of the laser beam, and “diameter” is the thickness thereof. It is defined as the length of the modified region (or processed region) along the direction perpendicular to the vertical direction. For example, in a processing method in which a refractive index change is induced inside an optical material by femtosecond laser light to form a diffractive optical element, the thickness of the modified portion where the refractive index has changed is increased by performing a modification with a large aspect ratio. Become. Thereby, the advantage that the diffraction efficiency of a diffractive optical element becomes high is acquired.

上記加工法においてアスペクト比を大きくするための方法として、特許文献1や特許文献2では、フェムト秒レーザの波長スペクトルと回折型レンズの波長分散とを利用することによって長焦点深度化を実現する方法が提案されている。これらの文献に提案される方法は、具体的にはフェムト秒レーザの波長に応じて回折型レンズの焦点位置が変わること、すなわち色収差を用いて長焦点深度化するものである。たとえば、特許文献2中に記載されている式(38)によれば、フェムト秒レーザの基準(中心)波長をΛ、パルス幅をΔt、波長Λに対する回折型レンズの焦点距離をF、光速をcとする場合に、焦点距離が変化する範囲ΔF(焦点深度)は、おおよそΔF=2×ln2×F×Λ/π/c/Δtと導かれる。   As a method for increasing the aspect ratio in the above processing method, in Patent Document 1 and Patent Document 2, a method of realizing a long focal depth by utilizing the wavelength spectrum of a femtosecond laser and the wavelength dispersion of a diffractive lens is disclosed. Has been proposed. The methods proposed in these documents specifically change the focal position of the diffractive lens according to the wavelength of the femtosecond laser, that is, increase the depth of focus using chromatic aberration. For example, according to Equation (38) described in Patent Document 2, the reference (center) wavelength of the femtosecond laser is Λ, the pulse width is Δt, the focal length of the diffractive lens with respect to the wavelength Λ is F, and the speed of light is In the case of c, a range ΔF (depth of focus) in which the focal length changes is derived as approximately ΔF = 2 × ln2 × F × Λ / π / c / Δt.

上記式から、焦点距離が変化する範囲ΔFを大きくするためには、フェムト秒レーザの基準(中心)波長Λを長くする、またはパルス幅Δtを短くする、または焦点距離Fを大きくする必要がある。前者2つの方法はレーザ発振器に関するものであるので、それらの方法を実現する際にレーザ装置の制約が生じる可能性が考えられる。後者の方法である焦点距離Fを大きくする方法は、特に改質径や加工径を微細にするために開口数を大きくする場合にはレンズ径を大きくしなければならないので、回折型レンズの製作が困難であるという問題および光学系が大型化するという問題がある。   From the above equation, in order to increase the range ΔF in which the focal length changes, it is necessary to increase the reference (center) wavelength Λ of the femtosecond laser, shorten the pulse width Δt, or increase the focal length F. . Since the former two methods relate to the laser oscillator, there is a possibility that the laser apparatus may be restricted when realizing these methods. The method of increasing the focal length F, which is the latter method, requires the lens diameter to be increased particularly when the numerical aperture is increased in order to make the modified diameter and the processed diameter fine. There is a problem that the optical system is difficult and an optical system is enlarged.

また、特許文献1,2のいずれに記載のレーザ加工装置においても、回折型レンズの設計波長、すなわち集光性が最も良くなるように回折型レンズの輪帯設計を行なうときの波長と、入射するフェムト秒レーザの波長とは同じものとして設計されており、分散による色収差以外の収差は生じないことを意図して設計されている。特許文献1では、波長ごとにレーザ光の強度を変化および調整することによって改質厚を制御することが述べられているが、レーザ光の強度を変化および調整するための装置をレーザ装置の外部に設ける必要があるので加工装置の構成が複雑化するという問題が発生する。   Further, in the laser processing apparatus described in any one of Patent Documents 1 and 2, the design wavelength of the diffractive lens, that is, the wavelength when the annular zone of the diffractive lens is designed so that the light condensing performance is the best, The wavelength of the femtosecond laser is designed to be the same as that of the femtosecond laser, and is designed with the intention that no aberration other than chromatic aberration due to dispersion occurs. Patent Document 1 describes that the modified thickness is controlled by changing and adjusting the intensity of laser light for each wavelength. However, an apparatus for changing and adjusting the intensity of laser light is provided outside the laser apparatus. Therefore, there is a problem that the configuration of the processing apparatus becomes complicated.

また、上記加工法においてアスペクト比を大きくするための別の方法として、非特許文献1では、高開口の対物レンズで材料内部深くにフェムト秒レーザを集光することで球面収差を大きくし、プラズマ発光領域(フィラメント長)をフェムト秒レーザの光軸方向に長くすることが述べられている。非特許文献1には、たとえば対物レンズの開口数が0.40、集光する深さ位置が材料表面から3.1mm内部である場合にはフィラメント長が145μm程度であることが説明されている。また、非特許文献2では、材料内部に集光する深さ位置に応じて形成される導波路のアスペクト比が変化すること、具体的には、集光位置が深くなるにつれてアスペクト比が大きくなることが球面収差の影響によるものであることが述べられている。非特許文献2には、たとえば、対物レンズの開口数が0.5、集光する深さ位置が材料表面から2.1mm内部である場合には、短軸が3μm、長軸が12μmの楕円形の屈折率変化領域が形成されることが説明されている。   As another method for increasing the aspect ratio in the above processing method, in Non-Patent Document 1, spherical aberration is increased by condensing a femtosecond laser deep inside the material with a high-aperture objective lens. It is described that the light emitting region (filament length) is elongated in the optical axis direction of the femtosecond laser. Non-Patent Document 1 describes that the filament length is about 145 μm when the numerical aperture of the objective lens is 0.40 and the depth position where light is collected is 3.1 mm from the material surface, for example. . In Non-Patent Document 2, the aspect ratio of the waveguide formed changes according to the depth position where light is condensed inside the material. Specifically, the aspect ratio increases as the light collection position becomes deeper. It is stated that this is due to the influence of spherical aberration. In Non-Patent Document 2, for example, when the numerical aperture of the objective lens is 0.5 and the depth position where light is collected is 2.1 mm from the material surface, an ellipse having a minor axis of 3 μm and a major axis of 12 μm. It is described that a refractive index changing region is formed.

しかしながら、非特許文献1あるいは非特許文献2に記載された方法によりアスペクト比を大きくするためには深さ位置をより大きくする必要がある。したがってアスペクト比の大きな改質層を任意の深さ位置に形成できないといった制約、あるいは、加工対象である光学材料自体の厚みが大きくなるといった制約が生じるという問題がある。また、非特許文献1および非特許文献2に示されている改質・加工厚は10数μm程度と短く、改質厚を長くしたいという要求に対して十分な長さを得るには至っていない。なお非特許文献1あるいは非特許文献2に記載の方法は、改質部を主として光導波路に活用するために、その改質部が略円形状化するよう、材料内部への深さ位置によって生じる球面収差を外部光学系によって補正するものである。
特開2005−262290号公報 特開2006−142342号公報 Q.Sun et al,“Effect of spherical aberration on the propagation of a tightly focused femtosecond laser pulse inside fused silica”, J.Opt.A:Pure Appl.Opt.7,pp655-659(2005) D.LIU et al,“Influence of focusing depth on the microfabrication of waveguides inside silica glass by femtosecond laser direct writing”,Appl.Phys.A84,pp257-260(2006)
However, in order to increase the aspect ratio by the method described in Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2, it is necessary to increase the depth position. Therefore, there is a problem that there is a restriction that a modified layer having a large aspect ratio cannot be formed at an arbitrary depth position, or that a thickness of an optical material itself to be processed becomes large. Further, the modified / processed thicknesses shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 are as short as about a few tens of μm, and have not yet obtained a sufficient length for the demand to increase the modified thickness. . Note that the method described in Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2 is caused by the depth position in the material so that the modified portion is formed into a substantially circular shape in order to utilize the modified portion mainly for an optical waveguide. Spherical aberration is corrected by an external optical system.
JP 2005-262290 A JP 2006-142342 A Q.Sun et al, “Effect of spherical aberration on the propagation of a tightly focused femtosecond laser pulse inside fused silica”, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 7, pp655-659 (2005) D.LIU et al, “Influence of focusing depth on the microfabrication of waveguides inside silica glass by femtosecond laser direct writing”, Appl. Phys. A84, pp257-260 (2006).

本発明は、このような従来の問題点を鑑み、フェムト秒レーザ装置の制約が発生したり光学系が大型化したりすることなく、また材料内部への深さ位置の制約なく、アスペクト比の大きな改質層や加工部を材料内部または表面に加工する技術を提供することを目的とする。   In view of the above-described conventional problems, the present invention has a large aspect ratio without any restrictions on the femtosecond laser device or an increase in the size of the optical system, and without restriction on the depth position inside the material. It is an object of the present invention to provide a technique for processing a modified layer or a processed part into a material inside or a surface.

本発明は要約すれば、レーザ加工方法であって、パルス幅が10-15秒〜10-11秒のフェムト秒レーザを回折型レンズによって加工対象材料の表面および内部のいずれかに集光させることにより、加工対象材料を加工する工程と、加工する工程に先立って、フェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズの設計波長λとを設定する工程とを備える。設定する工程は、回折型レンズの最内郭の輪帯に入射するフェムト秒レーザの焦点距離をf1とし、回折型レンズの最外郭の輪帯に入射したフェムト秒レーザの焦点距離をf2とすると、焦点距離f1およびf2のうちのいずれか長いほうが、フェムト秒レーザの中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、フェムト秒レーザの中心波長Λに従って定められる比較対象レンズの焦点深度よりも焦点距離f1と焦点距離f2との差の絶対値が大きくなるように、中心波長Λと設計波長λとの波長差の絶対値を設定する工程を含む。 In summary, the present invention is a laser processing method, in which a femtosecond laser having a pulse width of 10 −15 seconds to 10 −11 seconds is focused on either the surface or inside of a material to be processed by a diffractive lens. Thus, a process of processing the material to be processed and a process of setting the center wavelength Λ of the femtosecond laser and the design wavelength λ of the diffractive lens prior to the process of processing. In the setting step, the focal length of the femtosecond laser incident on the innermost ring of the diffractive lens is f 1, and the focal length of the femtosecond laser incident on the outermost ring of the diffractive lens is f 2. Then, the longer of the focal lengths f 1 and f 2 is equal to the focal length of the comparison target lens that is a diffractive lens having the center wavelength Λ of the femtosecond laser as a design wavelength, and the femtosecond laser The absolute value of the wavelength difference between the center wavelength Λ and the design wavelength λ is set so that the absolute value of the difference between the focal length f 1 and the focal length f 2 is larger than the focal depth of the comparison target lens determined according to the central wavelength Λ. Including a setting step.

好ましくは、波長差の絶対値を設定する工程は、中心波長Λを設計波長λよりも小さく設定する。   Preferably, in the step of setting the absolute value of the wavelength difference, the center wavelength Λ is set smaller than the design wavelength λ.

好ましくは、レーザ加工方法は、フェムト秒レーザの回折に寄与する回折型レンズの輪帯数を制御する工程をさらに備える。   Preferably, the laser processing method further includes a step of controlling the number of ring zones of the diffractive lens that contributes to the diffraction of the femtosecond laser.

好ましくは、輪帯数を制御する工程は、回折型レンズへのフェムト秒レーザの入射範囲を制御する。   Preferably, the step of controlling the number of annular zones controls the incidence range of the femtosecond laser to the diffractive lens.

好ましくは、輪帯数を制御する工程は、フェムト秒レーザが通過する開口部の径を可変に構成されたアパーチャを用いて輪帯数を所定数に制御する。   Preferably, in the step of controlling the number of annular zones, the number of annular zones is controlled to a predetermined number by using an aperture configured so that the diameter of the opening through which the femtosecond laser passes is variable.

好ましくは、輪帯数を制御する工程は、フェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させるビームエキスパンダを用いて輪帯数を所定数に制御する。   Preferably, in the step of controlling the number of annular zones, the number of annular zones is controlled to a predetermined number using a beam expander that spatially changes the beam diameter of the femtosecond laser.

好ましくは、加工する工程は、フェムト秒レーザを加工対象材料の内部に集光させることにより加工対象材料の内部に改質領域を形成する。レーザ加工方法は、フェムト秒レーザの光軸方向に沿う改質領域の長さを改質領域の厚さLと定義し、光軸方向に直交する方向に沿う改質領域の長さを改質領域の径φと定義し、L/φを改質領域のアスペクト比と定義すると、フェムト秒レーザのエネルギを制御することによりアスペクト比を制御する工程をさらに備える。   Preferably, in the step of processing, the modified region is formed inside the material to be processed by focusing the femtosecond laser inside the material to be processed. In the laser processing method, the length of the modified region along the optical axis direction of the femtosecond laser is defined as the thickness L of the modified region, and the length of the modified region along the direction orthogonal to the optical axis direction is modified. When the region diameter φ is defined and L / φ is defined as the aspect ratio of the modified region, the method further includes a step of controlling the aspect ratio by controlling the energy of the femtosecond laser.

好ましくは、アスペクト比を制御する工程は、アスペクト比が100以上となるようにフェムト秒レーザのエネルギを制御する。   Preferably, the step of controlling the aspect ratio controls the energy of the femtosecond laser so that the aspect ratio becomes 100 or more.

好ましくは、アスペクト比を制御する工程は、径φが2μm以下かつアスペクト比が100以上となるようにフェムト秒レーザのエネルギを制御する。   Preferably, in the step of controlling the aspect ratio, the energy of the femtosecond laser is controlled so that the diameter φ is 2 μm or less and the aspect ratio is 100 or more.

好ましくは、加工対象材料は、高分子構造体およびガラスを含む光学材料である。
好ましくは、加工する工程は、光学材料の内部に回折光学素子を形成する。
Preferably, the material to be processed is an optical material including a polymer structure and glass.
Preferably, the processing step forms a diffractive optical element inside the optical material.

本発明の他の局面に従うと、レーザ加工装置であって、10-15秒〜10-11秒のパルス幅を有するフェムト秒レーザを発するレーザ装置と、フェムト秒レーザを加工対象材料の表面または内部に集光させるための回折面を含む回折型レンズとを備える。加工対象材料に入射するフェムト秒レーザの中心波長Λおよび回折型レンズの設計波長λの波長差の絶対値は、回折型レンズの最内郭の輪帯に入射するフェムト秒レーザの焦点距離をf1とし、回折型レンズの最外郭の輪帯に入射したフェムト秒レーザの焦点距離をf2とすると、焦点距離f1およびf2のうちのいずれか長いほうが、フェムト秒レーザの中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、フェムト秒レーザの中心波長Λに従って定められる比較対象レンズの焦点深度よりも焦点距離f1と焦点距離f2との差の絶対値が大きくなるように定められる。 According to another aspect of the present invention, a laser processing apparatus that emits a femtosecond laser having a pulse width of 10 −15 seconds to 10 −11 seconds, and a femtosecond laser on the surface or inside of a material to be processed And a diffractive lens including a diffractive surface for condensing the light. The absolute value of the wavelength difference between the center wavelength Λ of the femtosecond laser incident on the material to be processed and the design wavelength λ of the diffractive lens is the focal length of the femtosecond laser incident on the innermost ring of the diffractive lens. 1, and the focal length of the femtosecond laser that has entered the annular outermost diffractive lens is f 2, more long or any of the focal lengths f 1 and f 2 are the femtosecond laser center wavelength Λ The difference between the focal length f 1 and the focal length f 2 is equal to the focal length of the comparison target lens, which is a diffractive lens as a design wavelength, and is larger than the focal depth of the comparison target lens determined according to the center wavelength Λ of the femtosecond laser. The absolute value of is determined to be large.

好ましくは、フェムト秒レーザの中心波長Λは、回折レンズの設計波長λよりも小さい。   Preferably, the center wavelength Λ of the femtosecond laser is smaller than the design wavelength λ of the diffractive lens.

好ましくは、フェムト秒レーザの回折に寄与する回折型レンズの輪帯数を調整可能に構成された輪帯数制御装置をさらに備える。   Preferably, the apparatus further includes a ring number control device configured to be capable of adjusting the number of ring bands of the diffractive lens that contributes to the diffraction of the femtosecond laser.

好ましくは、輪帯数制御装置は、回折型レンズへのフェムト秒レーザの入射範囲を制御する。   Preferably, the ring number control device controls the incident range of the femtosecond laser to the diffractive lens.

好ましくは、輪帯数制御装置は、フェムト秒レーザが通過する開口部の径を可変に構成されたアパーチャである。   Preferably, the ring number control device is an aperture configured such that the diameter of the opening through which the femtosecond laser passes is variable.

好ましくは、輪帯数制御装置は、フェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させるビームエキスパンダである。   Preferably, the ring number control device is a beam expander that spatially changes the beam diameter of the femtosecond laser.

好ましくは、レーザ加工装置は、フェムト秒レーザを加工対象材料の内部に集光させることにより加工対象材料の内部に改質領域を形成する。レーザ装置は、フェムト秒レーザの光軸方向に沿う改質領域の長さを改質領域の厚さLと定義し、光軸方向に直交する方向に沿う改質領域の長さを改質領域の径φと定義し、L/φを改質領域のアスペクト比と定義すると、アスペクト比が所望の条件を満たすように調整されたエネルギを有するフェムト秒レーザを発する。   Preferably, the laser processing apparatus forms the modified region in the processing target material by condensing the femtosecond laser in the processing target material. The laser device defines the length of the modified region along the optical axis direction of the femtosecond laser as the thickness L of the modified region, and defines the length of the modified region along the direction orthogonal to the optical axis direction as the modified region. When the diameter φ is defined and L / φ is defined as the aspect ratio of the modified region, a femtosecond laser having energy adjusted so that the aspect ratio satisfies a desired condition is emitted.

好ましくは、フェムト秒レーザは、アスペクト比が100以上となるように調整されたエネルギを有する。   Preferably, the femtosecond laser has energy adjusted so that the aspect ratio is 100 or more.

好ましくは、フェムト秒レーザは、径φが2μm以下かつアスペクト比が100以上となるように調整されたエネルギを有する。   Preferably, the femtosecond laser has energy adjusted such that the diameter φ is 2 μm or less and the aspect ratio is 100 or more.

好ましくは、加工対象材料は、高分子構造体およびガラスを含む光学材料である。
好ましくは、レーザ加工装置は、光学材料の内部に光学素子を形成する。
Preferably, the material to be processed is an optical material including a polymer structure and glass.
Preferably, the laser processing apparatus forms an optical element inside the optical material.

本発明のさらに他の局面に従うと光学素子の製造方法であって、パルス幅が10-15秒〜10-11秒のフェムト秒レーザを回折型レンズによって光学材料の表面および内部のいずれかに集光させることにより、光学材料を加工する工程と、加工する工程に先立って、フェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズの設計波長λとを設定する工程とを備える。設定する工程は、回折型レンズの最内郭の輪帯に入射するフェムト秒レーザの焦点距離をf1とし、回折型レンズの最外郭の輪帯に入射したフェムト秒レーザの焦点距離をf2とすると、焦点距離f1およびf2のうちのいずれか長いほうが、フェムト秒レーザの中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、フェムト秒レーザの中心波長Λに従って定められる比較対象レンズの焦点深度よりも焦点距離f1と焦点距離f2との差の絶対値が大きくなるように、中心波長Λと設計波長λとの波長差の絶対値を設定する工程を含む。 According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an optical element, wherein a femtosecond laser having a pulse width of 10 −15 seconds to 10 −11 seconds is collected on either the surface or inside of an optical material by a diffractive lens. The optical material includes a step of processing the optical material, and a step of setting the center wavelength Λ of the femtosecond laser and the design wavelength λ of the diffractive lens prior to the processing step. In the setting step, the focal length of the femtosecond laser incident on the innermost ring of the diffractive lens is f 1, and the focal length of the femtosecond laser incident on the outermost ring of the diffractive lens is f 2. Then, the longer of the focal lengths f 1 and f 2 is equal to the focal length of the comparison target lens that is a diffractive lens having the center wavelength Λ of the femtosecond laser as a design wavelength, and the femtosecond laser The absolute value of the wavelength difference between the center wavelength Λ and the design wavelength λ is set so that the absolute value of the difference between the focal length f 1 and the focal length f 2 is larger than the focal depth of the comparison target lens determined according to the central wavelength Λ. Including a setting step.

本発明のさらに他の局面に従うと光学素子であって、上記の光学素子の製造方法により製造される。   According to still another aspect of the present invention, an optical element is manufactured by the method for manufacturing an optical element described above.

好ましくは、光学材料は、フェムト秒レーザが光学材料の内部に集光することにより形成された改質領域を含む。フェムト秒レーザの光軸方向に沿う改質領域の長さを改質領域の厚さLと定義し、光軸方向に直交する方向に沿う改質領域の長さを改質領域の径φと定義し、L/φを改質領域のアスペクト比と定義すると、アスペクト比は100以上である。   Preferably, the optical material includes a modified region formed by focusing a femtosecond laser inside the optical material. The length of the modified region along the optical axis direction of the femtosecond laser is defined as the thickness L of the modified region, and the length of the modified region along the direction orthogonal to the optical axis direction is defined as the diameter φ of the modified region. When L / φ is defined as the aspect ratio of the modified region, the aspect ratio is 100 or more.

好ましくは、径φは、2μm以下である。
好ましくは、光学素子は、光学材料の内部に形成された回折光学素子を含む。
Preferably, the diameter φ is 2 μm or less.
Preferably, the optical element includes a diffractive optical element formed inside the optical material.

本発明によれば、フェムト秒レーザ光を集光するためのレンズとして回折型レンズを用いるとともに、回折型レンズの設計波長と入射するフェムト秒レーザの波長とを異ならせる。回折型レンズの設計波長とフェムト秒レーザの入射波長との差を大きく設定することによって、簡易で小型の光学系により球面収差を大きくすることができる。この球面収差を積極的に活用することによって改質径が略一定のまま改質厚の大きな加工が可能になる。これにより、装置制約や材料内部への深さ制約を受けることなく改質層および加工部のアスペクト比を大きくすることが可能となる。   According to the present invention, a diffractive lens is used as a lens for condensing femtosecond laser light, and the design wavelength of the diffractive lens is different from the wavelength of the incident femtosecond laser. By setting a large difference between the design wavelength of the diffractive lens and the incident wavelength of the femtosecond laser, spherical aberration can be increased with a simple and small optical system. By actively utilizing this spherical aberration, processing with a large modified thickness can be performed while the modified diameter is substantially constant. This makes it possible to increase the aspect ratio of the modified layer and the processed part without being restricted by the apparatus or the depth of the material.

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則として繰返さないものとする。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係るレーザ加工装置50の構成を示した図である。図1を参照して、レーザ加工装置50は、レーザ装置1と、アパーチャ2と、回折型レンズ3と、ステージ4と、NDフィルタ(減光フィルタ)11と、アッテネータ12と、電磁シャッター13とを備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser processing apparatus 50 according to the first embodiment. Referring to FIG. 1, a laser processing device 50 includes a laser device 1, an aperture 2, a diffractive lens 3, a stage 4, an ND filter (attenuating filter) 11, an attenuator 12, and an electromagnetic shutter 13. Is provided.

レーザ装置1は、レーザ媒質としてたとえばチタン・サファイア結晶を含み、10ピコ秒以下(具体的には10-15〜10-11秒)のパルス幅を有するレーザ光5を発する。以下ではレーザ光5を「フェムト秒レーザ」とも呼ぶことにする。レーザ光5はパルス光であるが図1ではレーザ光5の軌跡を連続的に示す。 The laser device 1 includes, for example, a titanium / sapphire crystal as a laser medium, and emits laser light 5 having a pulse width of 10 picoseconds or less (specifically, 10 −15 to 10 −11 seconds). Hereinafter, the laser beam 5 is also referred to as a “femtosecond laser”. Although the laser beam 5 is pulsed light, the locus of the laser beam 5 is continuously shown in FIG.

NDフィルタ11およびアッテネータ12はフェムト秒レーザのエネルギ(パルスエネルギ)を調整するためのものである。電磁シャッター13は、加工対象材料8において所望の加工・改質パターンを得るためのものである。本実施の形態では、電磁シャッター13の開閉によってフェムト秒レーザの照射とステージ4の駆動とを同期させる。   The ND filter 11 and the attenuator 12 are for adjusting the energy (pulse energy) of the femtosecond laser. The electromagnetic shutter 13 is for obtaining a desired processing / modification pattern in the processing target material 8. In the present embodiment, the irradiation of the femtosecond laser and the driving of the stage 4 are synchronized by opening and closing the electromagnetic shutter 13.

アパーチャ2は、レーザ装置1から発せられたレーザ光5を通過させるための開口部を有する。レーザ光5が開口部を通過することにより、回折型レンズ3の入射するレーザ光5のビーム径が調整される。本実施の形態では、ビーム径としてレーザ光学の分野で一般的に使用される1/e(eは自然対数の底)ビーム径を用いることにする。1/eビーム径とは光強度が1/e(約0.135)倍まで低下する半径方向の距離である。 The aperture 2 has an opening for allowing the laser beam 5 emitted from the laser device 1 to pass therethrough. When the laser beam 5 passes through the opening, the beam diameter of the laser beam 5 incident on the diffractive lens 3 is adjusted. In this embodiment, the beam diameter is a 1 / e 2 (e is the base of natural logarithm) beam diameter generally used in the field of laser optics. The 1 / e 2 beam diameter is a radial distance at which the light intensity decreases to 1 / e 2 (about 0.135) times.

回折型レンズ3はアパーチャ2を通過したレーザ光5を集光する。回折型レンズ3の少なくとも1面には、レーザ光5を集光するための回折パターンが形成されている。すなわち回折パターンはレーザ光5の入射面6およびレーザ光5の出射面7のいずれか一方または両方に形成される。回折型レンズ3に形成される回折パターンについては後に詳細に説明する。   The diffractive lens 3 condenses the laser light 5 that has passed through the aperture 2. A diffraction pattern for condensing the laser beam 5 is formed on at least one surface of the diffractive lens 3. That is, the diffraction pattern is formed on one or both of the incident surface 6 of the laser beam 5 and the exit surface 7 of the laser beam 5. The diffraction pattern formed on the diffractive lens 3 will be described in detail later.

回折型レンズ3によって集光されたレーザ光5は加工対象材料8に照射される。本実施の形態では加工対象材料8の内部をレーザ光5により加工または改質する。照射部9は加工対象材料8の内部におけるレーザ光5の照射領域であり、加工または改質の対象となる領域である。   The laser beam 5 condensed by the diffractive lens 3 is applied to the material 8 to be processed. In the present embodiment, the inside of the material 8 to be processed is processed or modified by the laser beam 5. The irradiation unit 9 is an irradiation region of the laser beam 5 inside the processing target material 8, and is a region to be processed or modified.

加工対象材料8はステージ4上に載置される。ステージ4はたとえば可動ステージである。可動ステージの移動可能方向は特に限定されるものではないが、加工位置や加工領域の形状の自由度を高める観点からは、ステージ4が3次元方向に移動可能であることが好ましい。   The material 8 to be processed is placed on the stage 4. Stage 4 is, for example, a movable stage. Although the movable direction of the movable stage is not particularly limited, it is preferable that the stage 4 is movable in a three-dimensional direction from the viewpoint of increasing the degree of freedom of the processing position and the shape of the processing region.

レーザ加工装置50は、フェムト秒レーザを回折型レンズ3で加工対象材料8の表面および内部のいずれかに集光させることにより、加工対象材料8を加工する装置である。レーザ加工装置50の用途は特に限定されるものではなく、たとえば金型の微細加工、各種材料(たとえばポリマー、ガラス、金属等)の穴あけあるいは切断等の加工に用いることができる。   The laser processing device 50 is a device that processes the material 8 to be processed by condensing the femtosecond laser on the surface of the material 8 to be processed or the inside thereof with the diffraction lens 3. The application of the laser processing apparatus 50 is not particularly limited, and can be used, for example, for fine processing of molds, drilling or cutting of various materials (for example, polymer, glass, metal, etc.).

また加工対象材料8の種類も特に限定されるものではないが、たとえば加工対象材料8を光学材料とすることにより、レーザ加工装置50を光学素子の製造装置として用いることができる。たとえばガラスあるいは高分子構造体といった光学材料の内部にフェムト秒レーザを照射することにより、光学材料内部の照射部では、たとえば屈折率が変化するといった改質が生じる。フェムト秒レーザが照射された領域の屈折率が変化することで、たとえば回折光学素子または光導波路を有する光学素子を製造することができる。   Also, the type of the material to be processed 8 is not particularly limited. For example, when the material to be processed 8 is an optical material, the laser processing apparatus 50 can be used as an optical element manufacturing apparatus. For example, by irradiating the inside of an optical material such as glass or a polymer structure with a femtosecond laser, the irradiation portion inside the optical material is modified such that the refractive index changes, for example. By changing the refractive index of the region irradiated with the femtosecond laser, for example, an optical element having a diffractive optical element or an optical waveguide can be manufactured.

またレーザ加工装置50が製造可能な光学素子は回折光学素子または光導波路に限定されずフォトニック結晶あるいは光メモリであってもよい。ただし以下ではレーザ加工装置50を回折光学素子の製造装置として用いた形態を説明する。   The optical element that can be manufactured by the laser processing apparatus 50 is not limited to the diffractive optical element or the optical waveguide, and may be a photonic crystal or an optical memory. However, below, the form which used the laser processing apparatus 50 as a manufacturing apparatus of a diffractive optical element is demonstrated.

図2は、図1に示したレーザ加工装置50による光学素子の製造をより具体的に説明する図である。図2を参照して、加工対象材料8としての光学材料の内部にレーザ光5が照射される。これにより照射部9では改質が生じる。ステージ4が静止し、かつレーザ光5も走査されていない状態では、照射部9(改質部分)はレーザ光の光軸Zの方向に沿って細長く(略1次元状に)形成される。ステージ駆動機構10がステージ4をY方向に移動させることで、改質部分を二次元方向(Y−Z方向)に広げることができる。二次元の領域を有する改質部分を以下では「改質層」と呼ぶことにする。ステージ駆動機構10がステージ4をX方向に移動させてレーザ光5の照射およびステージ4のY方向の移動を繰返すことにより、複数の改質層が形成される。これにより光学材料の内部に回折光学素子が製造される。   FIG. 2 is a diagram for more specifically explaining the production of the optical element by the laser processing apparatus 50 shown in FIG. Referring to FIG. 2, a laser beam 5 is irradiated inside the optical material as the processing target material 8. Thereby, the irradiation unit 9 is modified. When the stage 4 is stationary and the laser beam 5 is not scanned, the irradiation unit 9 (modified portion) is formed elongated (almost one-dimensionally) along the direction of the optical axis Z of the laser beam. The stage drive mechanism 10 moves the stage 4 in the Y direction, so that the modified portion can be expanded in a two-dimensional direction (YZ direction). Hereinafter, the modified portion having a two-dimensional region is referred to as a “modified layer”. The stage drive mechanism 10 moves the stage 4 in the X direction and repeats the irradiation of the laser beam 5 and the movement of the stage 4 in the Y direction, thereby forming a plurality of modified layers. Thereby, a diffractive optical element is manufactured inside the optical material.

回折光学素子を形成するためのレーザ光5の走査方法はステージ4を移動させる方法に限定されない。光学系を用いてレーザ光5をX方向およびY方向に走査してもよいし、ステージの移動4と光学系によるレーザ光5の走査とを組み合わせてもよい。   The scanning method of the laser beam 5 for forming the diffractive optical element is not limited to the method of moving the stage 4. The laser beam 5 may be scanned in the X direction and the Y direction using an optical system, or the stage movement 4 and the scanning of the laser beam 5 by the optical system may be combined.

本実施の形態では、レーザ光5の光軸Zの方向(レーザ光5の入射方向)に垂直な方向の改質層(改質領域)の長さを改質径φと定義し、レーザ光5の光軸Zの方向の改質層(改質領域)の長さを改質厚Lと定義し、L/φを改質層のアスペクト比と定義する。アスペクト比が大きい改質または加工を行なうことによって、屈折率が変化した改質部の厚さが大きくなる。これによって回折光学素子の回折効率を高くすることができる。   In the present embodiment, the length of the modified layer (modified region) in the direction perpendicular to the direction of the optical axis Z of the laser beam 5 (the incident direction of the laser beam 5) is defined as the modified diameter φ, and the laser beam 5, the length of the modified layer (modified region) in the direction of the optical axis Z is defined as a modified thickness L, and L / φ is defined as the aspect ratio of the modified layer. By performing the modification or processing with a large aspect ratio, the thickness of the modified portion where the refractive index has changed is increased. Thereby, the diffraction efficiency of the diffractive optical element can be increased.

本実施の形態では、レーザ光5を集光するために回折型レンズを用いる。回折型レンズは形状において通常の平凸レンズ(屈折型レンズ)と異なるが集光という意味においては屈折型レンズと同等の機能を有する。以下、図3および図4を参照しながら回折型レンズについて詳説する。図3は、屈折型レンズの形状および回折型レンズの形状の模式図である。図4は、フェムト秒レーザの波長スペクトルを示した図である。   In the present embodiment, a diffractive lens is used to focus the laser beam 5. Although the diffractive lens is different from a normal plano-convex lens (refractive lens) in shape, it has a function equivalent to that of a refractive lens in terms of condensing. The diffractive lens will be described in detail below with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic diagram of the shape of the refractive lens and the shape of the diffractive lens. FIG. 4 is a diagram showing a wavelength spectrum of a femtosecond laser.

図3を参照して、線aは屈折型レンズの厚みを示している。屈折型レンズの厚みはレンズの中央において最も大きく、レンズの中央から周辺に向かうにつれて小さくなる。レンズ半径方向の座標をrとし、屈折型レンズの中心からrだけ離れた部分のレンズの厚み(物理的長さ)をh(r)とし、レンズの屈折率をnとする。物理的長さがh(r)である場合、屈折率nの媒質を進む光の光路長は真空を進む光の光路長よりも(n−1)×h(r)だけ長くなり、屈折率nの媒質を通る光の位相は、α(r)だけ遅くなる。1波長分で2πだけ位相が増えるので、レンズ通過後に光に加わる位相α(r)は、式(1)のように表わされる。   Referring to FIG. 3, line a indicates the thickness of the refractive lens. The thickness of the refractive lens is the largest at the center of the lens and decreases as it goes from the center of the lens to the periphery. Let the coordinate in the lens radial direction be r, the thickness (physical length) of the lens at a portion away from the center of the refractive lens by h (r), and the refractive index of the lens be n. When the physical length is h (r), the optical path length of the light traveling through the medium having the refractive index n is longer than the optical path length of the light traveling through the vacuum by (n−1) × h (r), and the refractive index. The phase of light passing through the n medium is delayed by α (r). Since the phase is increased by 2π for one wavelength, the phase α (r) applied to the light after passing through the lens is expressed by the following equation (1).

ここで、λ0はフェムト秒レーザの基準(中心)波長である。図4に示すようにフェムト秒レーザはλ0を中心波長として波長スペクトル広がりΔλを有する。Δλは中心波長λ0が大きいほど大きくなるが、たとえば中心波長λ0が800nmである場合にはΔλは10nm程度である。 Here, λ 0 is the reference (center) wavelength of the femtosecond laser. As shown in FIG. 4, the femtosecond laser has a wavelength spectrum spread Δλ with λ 0 as the center wavelength. Δλ increases as the center wavelength λ 0 increases. For example, when the center wavelength λ 0 is 800 nm, Δλ is approximately 10 nm.

図3に戻り、式(1)に示した位相α(r)は2πm(mは自然数)だけずれても同じである。このことを利用して屈折型レンズの形状を元に位相2πmの段差を設けたものがフレネルレンズである。すなわちα(r)=−2πmとなる半径rmの円により、屈折型レンズ面を同心円状に区切り、その部分の厚みをλ/(n−1)だけ減らしたレンズがフレネルレンズである。 Returning to FIG. 3, the phase α (r) shown in the equation (1) is the same even if it is shifted by 2πm (m is a natural number). A Fresnel lens that utilizes this fact and has a step of 2πm based on the shape of the refractive lens. That α (r) = - a circle of radius r m of the 2.pi.m, separate the refractive lens surfaces concentrically, the thickness of the portion λ / (n-1) by reducing the lens is a Fresnel lens.

線bは、フレネルレンズの径方向の厚みを示している。フレネルレンズは同心鋸歯縞状のレンズである。同心縞の傾斜部分(線bにおける斜線部分に相当)を「輪帯」と呼ぶことにする。なお本実施の形態ではフレネルレンズの最内郭の輪帯b1を中央の凸部の次の傾斜面と定義する。線bを示す関数をhf(r)とすると、hf(r)は、たとえば式(2)のように表される。 A line b indicates the radial thickness of the Fresnel lens. The Fresnel lens is a concentric serrated lens. The inclined part of the concentric stripes (corresponding to the hatched part in the line b) will be referred to as “ring zone”. In the present embodiment, the innermost ring zone b1 of the Fresnel lens is defined as the inclined surface next to the central convex portion. Assuming that the function indicating the line b is h f (r), h f (r) is expressed as shown in, for example, Expression (2).

ここで、関数mod(a,b)は、aをbで割った場合の余りを表し、mはフレネルレンズの次数、h0はベースとなるレンズの厚みを表わす。フレネルレンズは位相2πmの段差を利用した回折型レンズの1つであり、波長λ0の単色光レーザでは屈折レンズと同じ振る舞いをする。 Here, the function mod (a, b) represents the remainder when a is divided by b, m represents the order of the Fresnel lens, and h 0 represents the thickness of the base lens. The Fresnel lens is one of diffractive lenses using a step of 2πm in phase, and a monochromatic laser with a wavelength λ 0 behaves the same as a refractive lens.

フレネルレンズだけではなく、光が通過する時の位相変化が0とπの2値のみをとるように設計されたレンズ(バイナリレンズ)も回折型レンズの一種である。線cは、バイナリレンズの厚みを示す。本実施の形態ではバイナリレンズの最内郭の輪帯c1を、中央の凸部の次の凸部と定義する。線cを示す関数をhb(r)とするとhb(r)はたとえば式(3)のように表される。 Not only a Fresnel lens but also a lens (binary lens) designed so that a phase change when light passes takes only binary values of 0 and π is a kind of diffractive lens. Line c indicates the thickness of the binary lens. In the present embodiment, the innermost ring zone c1 of the binary lens is defined as the convex part next to the central convex part. Assuming that the function indicating the line c is h b (r), h b (r) is expressed, for example, as in Expression (3).

ここで関数int(A)は、Aの小数値を切り捨てて整数値にするための関数である。 式(4)に示すように、これらの回折型レンズは波長λが変化すると波長λに反比例して焦点距離Fが変化する。   Here, the function int (A) is a function for rounding down the decimal value of A to an integer value. As shown in the equation (4), in these diffractive lenses, when the wavelength λ changes, the focal length F changes in inverse proportion to the wavelength λ.

ここでf0はフェムト秒レーザの中心波長λ0によって定まる焦点距離であり、式(4)は回折型レンズの波長分散を表している。一方、屈折型レンズの場合、材料分散による焦点距離の波長依存性が現れる。この時、屈折型レンズおよび回折型レンズの波長分散による焦点距離変動率Δr,ΔFは、それぞれ次の(5)式および(6)式に従う。 Here f 0 is the focal length determined by the central wavelength lambda 0 of the femtosecond laser, Equation (4) represents the wavelength dispersion of the diffraction lens. On the other hand, in the case of a refractive lens, the wavelength dependence of the focal length due to material dispersion appears. At this time, the focal length fluctuation rates Δ r and Δ F due to the wavelength dispersion of the refractive lens and the diffractive lens follow the following equations (5) and (6), respectively.

ここで、nは中心波長における屈折率、Δλは波長変動量、Δnは波長変動に伴う屈折率変動量である。すなわち、焦点距離変動率ΔFは、フェムト秒レーザの中心波長λ0および波長変動量Δλに依存する。 Here, n is the refractive index at the center wavelength, Δλ is the wavelength variation, and Δn is the refractive index variation associated with the wavelength variation. That is, the focal length variation rate delta F is dependent on the center wavelength of the femtosecond laser lambda 0 and the wavelength fluctuation amount [Delta] [lambda].

図4に示したように、フェムト秒レーザは波長スペクトル広がりを持つ。パルス幅(半値全幅)をΔtとすると、このパルスが取りうる最小の波長スペクトル幅(半値全幅)Δλは、おおよそ(7)式に従って表される。   As shown in FIG. 4, the femtosecond laser has a wavelength spectrum broadening. Assuming that the pulse width (full width at half maximum) is Δt, the minimum wavelength spectrum width (full width at half maximum) Δλ that can be taken by this pulse is approximately expressed by the equation (7).

ここでcは光速を表す。なお、以下では特に断らない限り、波長スペクトル幅は半値全幅のことを表す。(7)式より、パルス幅が短くなるほど波長スペクトルが広がることが分かる。よってフェムト秒レーザのパルス幅が短い程、回折型レンズが受ける波長分散の影響は大きくなる。   Here, c represents the speed of light. In the following, the wavelength spectrum width represents the full width at half maximum unless otherwise specified. From the equation (7), it can be seen that the wavelength spectrum becomes wider as the pulse width becomes shorter. Therefore, the shorter the pulse width of the femtosecond laser, the greater the influence of chromatic dispersion on the diffractive lens.

屈折型レンズでは波長分散の影響が小さいためフェムト秒レーザが入射しても焦点距離の変化は小さいが、回折型レンズでは焦点距離が波長による影響を受けるため波長スペクトル内の種々の波長が光軸上のある範囲で焦点を結ぶ。すなわち回折型レンズでは軸上色収差が発生する。したがって回折型レンズでは屈折型レンズに比べて焦点深度を大きくすることが可能となる。回折型レンズの焦点距離が変化する範囲ΔF(すなわち焦点深度)は、(4)式と(7)式とから以下の(8)式に従って表わされる。   Refractive lenses have little influence on chromatic dispersion, so the change in focal length is small even when a femtosecond laser is incident. However, with diffractive lenses, the focal length is affected by the wavelength, so various wavelengths in the wavelength spectrum are optical axes. Focus on a certain range above. That is, axial chromatic aberration occurs in the diffractive lens. Therefore, the diffractive lens can increase the depth of focus compared to the refractive lens. The range ΔF (that is, the depth of focus) in which the focal length of the diffractive lens changes is expressed according to the following equation (8) from equations (4) and (7).

(8)式は、回折型レンズの設計波長λすなわち集光性が最も良くなるように回折型レンズの輪帯設計を行なうときの波長と、回折型レンズに入射するフェムト秒レーザの中心波長λ0とが同じ場合における、焦点距離の変化の範囲を示している。 Expression (8) is the design wavelength λ of the diffractive lens, that is, the wavelength when the annular zone of the diffractive lens is designed so that the light condensing performance is the best, and the center wavelength λ of the femtosecond laser incident on the diffractive lens. The range of change in focal length when 0 is the same is shown.

フェムト秒レーザ光により光学材料内部に回折光学素子を形成する加工法においては改質層のアスペクト比ができるだけ大きいことが好ましい。このためには焦点距離および焦点距離の変化する範囲(焦点深度)をできるだけ長くすることが好ましい。   In a processing method in which a diffractive optical element is formed inside an optical material with femtosecond laser light, the aspect ratio of the modified layer is preferably as large as possible. For this purpose, it is preferable to make the focal length and the range in which the focal length changes (depth of focus) as long as possible.

図5は、フェムト秒レーザの波長スペクトルおよび回折型レンズの波長分散を利用することにより高アスペクト比を得る方法を示した図である。この方法はたとえば特開2006−142342号公報に開示された方法である。   FIG. 5 is a diagram showing a method for obtaining a high aspect ratio by utilizing the wavelength spectrum of a femtosecond laser and the wavelength dispersion of a diffractive lens. This method is, for example, a method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-142342.

この方法では回折型レンズの設計波長すなわち集光性が最も良くなるように回折型レンズの輪帯設計を行なうときの波長と、フェムト秒レーザの基準(中心)波長とは略等しく設定される。図5を参照して、回折型レンズ3Aの設計波長はフェムト秒レーザの基準(中心)波長と等しい。レーザ光5は、(7)式に従う波長スペクトル幅を有しているので回折型レンズ3Aが受ける波長分散の影響により焦点距離が変化する。これにより長焦点深度化が実現される。図中の実線および破線等により示す光線の軌跡は、波長スペクトル幅に含まれる波長の違いにより焦点距離が変化することを示している。焦点距離の変化する範囲は上記の(8)式によって求められるΔFに等しい。なお以下では、図5の回折型レンズ3A(すなわち設計波長がフェムト秒レーザの入射波長Λに等しい回折型レンズ)と回折型レンズ3とを適宜比較することにより回折型レンズ3を説明する。   In this method, the design wavelength of the diffractive lens, that is, the wavelength when the annular zone of the diffractive lens is designed so as to have the best light collecting property, and the reference (center) wavelength of the femtosecond laser are set to be approximately equal. Referring to FIG. 5, the design wavelength of diffractive lens 3A is equal to the reference (center) wavelength of the femtosecond laser. Since the laser beam 5 has a wavelength spectrum width according to the equation (7), the focal length changes due to the influence of wavelength dispersion received by the diffractive lens 3A. This realizes a long focal depth. The trajectory of the light beam indicated by the solid line and the broken line in the figure indicates that the focal length changes due to the difference in wavelength included in the wavelength spectrum width. The range in which the focal length changes is equal to ΔF obtained by the above equation (8). Hereinafter, the diffractive lens 3 will be described by appropriately comparing the diffractive lens 3A of FIG. 5 (that is, a diffractive lens having a design wavelength equal to the incident wavelength Λ of the femtosecond laser) and the diffractive lens 3.

図6は、実施の形態1による高アスペクト比を得る方法を示した図である。図6を参照して、本実施の形態では、回折型レンズ3の設計波長と異なる基準(中心)波長を有するレーザ光5(フェムト秒レーザ)を回折型レンズ3によって集光させる。本実施の形態では、回折型レンズ3の設計波長とフェムト秒レーザの中心波長とを異ならせて回折型レンズでの高収差性を積極的に活用することで、球面収差(レンズの光の入射位置に応じた焦点距離の変動)による長焦点深度化を実現する。これにより焦点距離の変化する範囲Δfを上記の(8)式によって求められるΔFより大きくすることができる。   FIG. 6 is a diagram showing a method for obtaining a high aspect ratio according to the first embodiment. Referring to FIG. 6, in the present embodiment, laser light 5 (femtosecond laser) having a reference (center) wavelength different from the design wavelength of diffractive lens 3 is condensed by diffractive lens 3. In this embodiment, spherical aberration (incidence of light from the lens) is obtained by actively utilizing the high aberration property of the diffractive lens by making the design wavelength of the diffractive lens 3 different from the center wavelength of the femtosecond laser. Long focal depth is realized by changing the focal length according to the position). Thereby, the range Δf in which the focal length changes can be made larger than ΔF obtained by the above equation (8).

図7は、実施の形態1における回折型レンズ3の設計波長とフェムト秒レーザの中心波長との関係を示した図である。以後の説明においては回折型レンズの設計波長とフェムト秒レーザの中心波長との識別が容易になるよう、フェムト秒レーザの中心波長をΛと示すことにする。   FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the design wavelength of the diffractive lens 3 and the center wavelength of the femtosecond laser in the first embodiment. In the following description, the center wavelength of the femtosecond laser is denoted by Λ so that the design wavelength of the diffractive lens and the center wavelength of the femtosecond laser can be easily distinguished.

図7を参照して、本実施の形態では、フェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズ3の設計波長λとの差の絶対値|Λ−λ|が、Λ=λであるときのフェムト秒レーザの波長スペクトル広がりΔλ(半値全幅)より大きくなるように波長Λおよびλを選択する。波長差の絶対値|Λ−λ|がΔλ以下である場合には、回折型レンズの焦点距離の変化する範囲は色収差により定まる範囲に制限される。本実施の形態では波長差の絶対値|Λ−λ|をΔλより大きく設定することにより、焦点距離の変化範囲に対する色収差の影響を小さくするとともに、球面収差による長焦点深度化を実現する。   Referring to FIG. 7, in this embodiment, the absolute value | Λ−λ | of the difference between the center wavelength Λ of the femtosecond laser and the design wavelength λ of the diffractive lens 3 is Λ = λ. The wavelengths Λ and λ are selected so as to be larger than the wavelength spectrum spread Δλ (full width at half maximum) of the second laser. When the absolute value | Λ−λ | of the wavelength difference is equal to or less than Δλ, the range in which the focal length of the diffractive lens changes is limited to a range determined by chromatic aberration. In the present embodiment, by setting the absolute value | Λ−λ | of the wavelength difference to be larger than Δλ, the influence of chromatic aberration on the focal length change range is reduced, and a long focal depth by spherical aberration is realized.

図8は、図7に示したフェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズ3の設計波長λとの関係をより詳しく説明する図である。図8を参照して、回折型レンズ3に入射するレーザ光5は、回折型レンズ3の最内郭の輪帯31により焦点距離f1の位置で集光され、回折型レンズ3の最外郭の輪帯32により、焦点距離f2の位置で集光される。 FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the center wavelength Λ of the femtosecond laser shown in FIG. 7 and the design wavelength λ of the diffractive lens 3 in more detail. Referring to FIG. 8, the laser light 5 incident on the diffractive lens 3 is condensed at the focal length f 1 by the innermost ring 31 of the diffractive lens 3, and the outermost surface of the diffractive lens 3. Is condensed at the position of the focal length f 2 .

なお、回折型レンズ3の設計波長をλとし、設計波長λに対する回折型レンズ3の焦点距離をfとすると、回折型レンズ3の中心Oからm番目の輪帯の半径rmは、以下の(9)式に従って示される。 When the design wavelength of the diffractive lens 3 is λ and the focal length of the diffractive lens 3 with respect to the design wavelength λ is f, the radius rm of the m- th annular zone from the center O of the diffractive lens 3 is It is shown according to equation (9).

上記(9)式は、mが大きくなるほど輪帯の間隔(周期)が小さくなることを表わしている。   The above equation (9) represents that the interval (period) of the annular zone is reduced as m is increased.

図8に示すΔfは焦点距離f1,f2の差の絶対値(=|f1−f|)である。本実施の形態では、焦点距離f1,f2のうち長い方の値が、入射するフェムト秒レーザの中心波長Λと設計波長とが同じである回折型レンズ(図5の回折型レンズ3Aにおいて、その設計波長が回折型レンズ3Aに入射するフェムト秒レーザの中心波長Λに等しい場合に相当)の焦点距離Fに等しい場合に、Δfが(8)式で表されるΔF以上となる波長差|Λ−λ|を持つように回折型レンズの設計波長λと、フェムト秒レーザの中心波長Λとを選択する。これにより球面収差を利用した長焦点深度化が可能になる。 Δf shown in FIG. 8 is the absolute value (= | f 1 −f 2 |) of the difference between the focal lengths f 1 and f 2 . In the present embodiment, the longer value of the focal lengths f 1 and f 2 is a diffractive lens (in the diffractive lens 3A in FIG. 5) in which the center wavelength Λ of the incident femtosecond laser is the same as the design wavelength. When the design wavelength is equal to the focal length F of the femtosecond laser incident on the diffractive lens 3A (corresponding to the case where the design wavelength is equal to the center wavelength Λ), the wavelength difference is such that Δf is equal to or greater than ΔF expressed by the equation (8) The design wavelength λ of the diffractive lens and the center wavelength Λ of the femtosecond laser are selected so as to have | Λ−λ |. This makes it possible to increase the depth of focus using spherical aberration.

波長差|Λ−λ|が上記の条件を満たすのであれば、フェムト秒レーザの中心波長Λは図7に示すように回折型レンズ3の設計波長λに対して短くても長くてもよい。ただし(4)式に示すように波長が短くなるほど焦点距離が長くなる。したがってフェムト秒レーザの中心波長Λは回折型レンズ3の設計波長λより短いことが好ましい。これによって焦点距離をより長くすることができるので、焦点距離f1,f2の差の絶対値(=|f1−f|)も長くできる。したがって光学材料に形成される改質層の厚さを大きくできる。 If the wavelength difference | Λ−λ | satisfies the above condition, the center wavelength Λ of the femtosecond laser may be shorter or longer than the design wavelength λ of the diffractive lens 3 as shown in FIG. However, as shown in the equation (4), the focal length becomes longer as the wavelength becomes shorter. Therefore, the center wavelength Λ of the femtosecond laser is preferably shorter than the design wavelength λ of the diffractive lens 3. As a result, the focal length can be made longer, so that the absolute value (= | f 1 −f 2 |) of the difference between the focal lengths f 1 and f 2 can also be increased. Therefore, the thickness of the modified layer formed on the optical material can be increased.

図9は、フェムト秒レーザの中心波長Λが回折型レンズ3の設計波長λより短い場合における、球面収差によるフェムト秒レーザの光線挙動を示した図である。図9を参照して、破線は、設計波長λを有する回折型レンズ3に、中心波長がλであるレーザ光5Aが入射したときの光線挙動を示す。この場合の焦点距離はfとなる。実線は、設計波長λの回折型レンズ3に中心波長Λ(<λ)を有するレーザ光5が入射したときの光線挙動を示す。焦点距離f2は上記回折型レンズの最外郭の輪帯にレーザ光5が入射したときの焦点距離を示し、焦点距離f1は上記回折型レンズの最内郭の輪帯にレーザ光5が入射したときの焦点距離を示す。 FIG. 9 is a diagram showing the beam behavior of the femtosecond laser due to spherical aberration when the center wavelength Λ of the femtosecond laser is shorter than the design wavelength λ of the diffractive lens 3. Referring to FIG. 9, the broken line shows the light beam behavior when the laser beam 5A having the center wavelength λ is incident on the diffractive lens 3 having the design wavelength λ. In this case, the focal length is f. The solid line shows the light beam behavior when the laser beam 5 having the center wavelength Λ (<λ) is incident on the diffractive lens 3 having the design wavelength λ. The focal length f 2 indicates the focal length when the laser beam 5 is incident on the outermost ring of the diffractive lens, and the focal length f 1 indicates that the laser beam 5 is on the innermost ring of the diffractive lens. Indicates the focal length when incident.

回折型レンズ3に入射するレーザ光5,5Aの光軸Zと回折型レンズ3により曲げられた光線とのなす角度をθとする。輪帯の周期をdとすると、dsinθ=λの関係から輪帯の周期が小さくなるレンズ外側の光ほどθが小さくなるので、その光は光軸Zに対してより外側(回折型レンズ3に対してより遠く)で集光する。つまり焦点距離f2は焦点距離f1より大きくなる。最内郭(1番目)の輪帯に入射したレーザ光5の焦点距離f1は、回折型レンズ3の設計波長λと等しい中心波長を有するレーザ光5Aが回折型レンズ3に入射した場合の焦点距離fよりもやや大きくなる。dsinθ=λとの関係において周期dが変わらず、かつλ>Λであることから、最内郭の輪帯に入射したレーザ光5の回折角は最内郭の輪帯に入射したレーザ光5Aの回折角より小さくなる。このためf<f1となる。 An angle between the optical axis Z of the laser beams 5 and 5A incident on the diffractive lens 3 and the light beam bent by the diffractive lens 3 is defined as θ. Assuming that the period of the annular zone is d, the light on the outer side of the lens with the smaller period of the annular zone becomes smaller from the relationship of dsin θ = λ, so that the light becomes smaller outside the optical axis Z (to the diffractive lens 3). Concentrate farther away). That is, the focal length f 2 is larger than the focal length f 1 . The focal length f 1 of the laser beam 5 incident on the innermost (first) annular zone is the same as that when the laser beam 5 A having a center wavelength equal to the design wavelength λ of the diffractive lens 3 is incident on the diffractive lens 3. Slightly larger than the focal length f. Since the period d does not change in relation to dsin θ = λ and λ> Λ, the diffraction angle of the laser beam 5 incident on the innermost ring is the laser beam 5A incident on the innermost ring. Smaller than the diffraction angle. For this reason, f <f 1 .

図10は、図9に示した光学系により光学材料内部に集光されるレーザ光5の光線挙動を示した図である。図10を参照して、光学材料(加工対象材料8)に入射するレーザ光5は大気と光学材料との界面において屈折する。大気の屈折率と光学材料の屈折率との差により球面収差が生じるが、この球面収差は回折型レンズ3による球面収差をさらに拡大させる。したがって、大気中における焦点距離の変化範囲はΔfであるが、光学材料内部における焦点距離の変化範囲Δf'は、光学材料の屈折率nとΔfとの積と同等以上になる。   FIG. 10 is a diagram showing the light beam behavior of the laser beam 5 condensed inside the optical material by the optical system shown in FIG. Referring to FIG. 10, the laser beam 5 incident on the optical material (processing target material 8) is refracted at the interface between the atmosphere and the optical material. The spherical aberration is caused by the difference between the refractive index of the atmosphere and the refractive index of the optical material. This spherical aberration further enlarges the spherical aberration caused by the diffractive lens 3. Therefore, although the change range of the focal length in the atmosphere is Δf, the change range Δf ′ of the focal length inside the optical material is equal to or greater than the product of the refractive index n and Δf of the optical material.

図11は、フェムト秒レーザの中心波長Λが回折型レンズ3の設計波長λより長い場合における、球面収差によるフェムト秒レーザの光線挙動を示した図である。図11を参照して、破線は、設計波長λを有する回折型レンズ3に、中心波長がλであるレーザ光5Aが入射したときの光線挙動を示す。この場合の焦点距離はfとなる。実線は、設計波長λの回折型レンズ3に中心波長Λ(>λ)を有するレーザ光5が入射したときの光線挙動を示す。焦点距離f2は上記回折型レンズの最外郭の輪帯にレーザ光5が入射したときの焦点距離を示し、焦点距離f1は上記回折型レンズの最内郭の輪帯にレーザ光5が入射したときの焦点距離を示す。 FIG. 11 is a diagram showing the beam behavior of the femtosecond laser due to spherical aberration when the center wavelength Λ of the femtosecond laser is longer than the design wavelength λ of the diffractive lens 3. Referring to FIG. 11, the broken line indicates the light beam behavior when the laser beam 5 </ b> A having the center wavelength λ is incident on the diffractive lens 3 having the design wavelength λ. In this case, the focal length is f. The solid line shows the light beam behavior when the laser beam 5 having the center wavelength Λ (> λ) is incident on the diffractive lens 3 having the design wavelength λ. The focal length f 2 indicates the focal length when the laser beam 5 is incident on the outermost ring of the diffractive lens, and the focal length f 1 indicates that the laser beam 5 is on the innermost ring of the diffractive lens. Indicates the focal length when incident.

上記したdsinθ=λの関係から、輪帯の周期が小さくなるレンズ外側の光ほどθが大きくなるので、その光は光軸Zに対してより内側(回折型レンズ3に対してより近く)で集光する。つまり焦点距離f2は焦点距離f1より小さくなる。この場合、最内郭(1番目)の輪帯に入射したレーザ光5の焦点距離f1は、回折型レンズ3の設計波長λと等しい中心波長を有するレーザ光5Aが回折型レンズ3に入射した場合の焦点距離fよりもやや小さくなる。dsinθ=λとの関係において周期dが変わらず、かつλ<Λであることから、最内郭の輪帯に入射したレーザ光5の回折角は最内郭の輪帯に入射したレーザ光5Aの回折角より大きくなる。このためf>f1となる。 From the relationship of dsin θ = λ described above, θ increases as the light on the outer side of the lens with a smaller period of the annular zone becomes larger. Condensate. That is, the focal length f 2 is smaller than the focal length f 1 . In this case, the laser beam 5A having a center wavelength equal to the design wavelength λ of the diffractive lens 3 is incident on the diffractive lens 3 at the focal length f 1 of the laser beam 5 incident on the innermost (first) annular zone. This is slightly smaller than the focal length f. Since the period d does not change in relation to dsin θ = λ, and λ <Λ, the diffraction angle of the laser beam 5 incident on the innermost ring zone is the laser beam 5A incident on the innermost ring zone. It becomes larger than the diffraction angle. Therefore, f> f 1 is satisfied.

図12は、図11に示した光学系により光学材料内部に集光されるレーザ光5の光線挙動を示した図である。図12を参照して、大気の屈折率と光学材料の屈折率との差により球面収差は回折型レンズ3による球面収差を補正する。したがって大気中における焦点距離の変化範囲はΔfであるが、光学材料内部では焦点距離の変化範囲Δf'は光学材料の屈折率nとΔfとの積と同等以下になる。図10および図12から、フェムト秒レーザの中心波長Λを回折型レンズ3の設計波長λより短くすることによって、光学材料内における焦点距離をより長くすることができることが分かる。   FIG. 12 is a view showing the light beam behavior of the laser beam 5 condensed inside the optical material by the optical system shown in FIG. Referring to FIG. 12, the spherical aberration corrects the spherical aberration due to the diffractive lens 3 by the difference between the refractive index of the atmosphere and the refractive index of the optical material. Therefore, although the change range of the focal length in the atmosphere is Δf, the change range Δf ′ of the focal length is equal to or less than the product of the refractive index n and Δf of the optical material inside the optical material. 10 and 12 that the focal length in the optical material can be made longer by making the center wavelength Λ of the femtosecond laser shorter than the design wavelength λ of the diffractive lens 3.

図13は、実施の形態1によるレーザ加工方法を説明するフローチャートである。図9を参照して、まず、ステップS1では、フェムト秒レーザの中心波長Λおよび回折型レンズの設計波長λが決定される。このステップS1では、焦点距離f1,f2のうち長い方の値が、入射するフェムト秒レーザの中心波長Λと設計波長とが同じである回折型レンズ(図5の回折型レンズ3Aにおいて、その設計波長が回折型レンズ3Aに入射するフェムト秒レーザの中心波長Λに等しい場合に相当)の焦点距離Fに等しい場合に、Δf(=|f1−f|)が(8)式で表されるΔF以上となる波長差|Λ−λ|を持つように回折型レンズの設計波長λと、フェムト秒レーザの中心波長Λとが選択される。たとえば、フェムト秒レーザの中心波長Λが固定されている場合には、その波長Λに応じた設計波長λを有する回折型レンズが選択される。一方、回折型レンズを自由に選択できずかつフェムト秒レーザの中心波長Λが可変であれば、回折型レンズの設計波長に応じてフェムト秒レーザの中心波長Λが選択される。 FIG. 13 is a flowchart for explaining the laser processing method according to the first embodiment. Referring to FIG. 9, first, in step S1, the center wavelength Λ of the femtosecond laser and the design wavelength λ of the diffractive lens are determined. In this step S1, the longer value of the focal lengths f 1 and f 2 is a diffractive lens having the same design wavelength as the center wavelength Λ of the incident femtosecond laser (in the diffractive lens 3A in FIG. When the design wavelength is equal to the focal length F of the femtosecond laser incident on the diffractive lens 3A (corresponding to the center wavelength Λ of the femtosecond laser), Δf (= | f 1 −f 2 |) The design wavelength λ of the diffractive lens and the center wavelength Λ of the femtosecond laser are selected so as to have a wavelength difference | Λ−λ | For example, when the center wavelength Λ of the femtosecond laser is fixed, a diffractive lens having a design wavelength λ corresponding to the wavelength Λ is selected. On the other hand, if the diffractive lens cannot be freely selected and the center wavelength Λ of the femtosecond laser is variable, the center wavelength Λ of the femtosecond laser is selected according to the design wavelength of the diffractive lens.

ステップS2では、フェムト秒レーザの照射条件が設定される。照射条件とは、たとえばフェムト秒レーザのパルスエネルギ、繰返し周波数等を含むがこれらに限定されるものではない。パルスエネルギを制御することによって改質層のアスペクト比を制御することが可能になる。これにより、改質層の厚さを大きくしたり改質層の径を小さくしたりすることができる。   In step S2, femtosecond laser irradiation conditions are set. Irradiation conditions include, but are not limited to, femtosecond laser pulse energy, repetition frequency, and the like. By controlling the pulse energy, the aspect ratio of the modified layer can be controlled. Thereby, the thickness of the modified layer can be increased or the diameter of the modified layer can be decreased.

たとえば改質層のアスペクト比が100以上となるようにパルスエネルギが制御される。また、たとえば改質径は2μm以下でありかつ改質層のアスペクト比が100以上となるようにパルスエネルギが制御される。改質層のアスペクト比が100以上であることが好ましい理由としては、回折光学素子の回折効率が高くなるので、光利用効率が高くなるためである。また、改質径が2μm以下であることが好ましい理由としては、周期が微細化することにより回折角が大きくなり、波長分解能が高まることや高開口のレンズを形成できることなどの利点が得られるためである。   For example, the pulse energy is controlled so that the aspect ratio of the modified layer is 100 or more. Further, for example, the pulse energy is controlled so that the modified diameter is 2 μm or less and the aspect ratio of the modified layer is 100 or more. The reason why the aspect ratio of the modified layer is preferably 100 or more is that the diffraction efficiency of the diffractive optical element is increased, and thus the light utilization efficiency is increased. Further, the reason why the modified diameter is preferably 2 μm or less is that, as the period becomes finer, the diffraction angle becomes larger, the wavelength resolution is improved, and a lens with a high aperture can be formed. It is.

ステップS3では、フェムト秒レーザの照射による材料の加工が行なわれる。光学素子を製造する場合には、光学材料にフェムト秒レーザを照射して照射部を加工または改質することにより光学素子が製造される。   In step S3, the material is processed by irradiation with a femtosecond laser. In the case of manufacturing an optical element, the optical element is manufactured by irradiating an optical material with a femtosecond laser to process or modify the irradiated portion.

なお、ステップS1,S2の処理の順序は、図9に記載した通りに限定されるものではなく逆の順序でもよい。またステップS3の処理に先立って、さらに処理が追加されてもよい。また、コンピュータがプログラムを実行させることによって、図9に示した処理が実行されてもよい。この場合には、図9に示した処理をコンピュータに実行させるために、ユーザが必要に応じてコンピュータに情報を入力してもよい。   Note that the order of the processes in steps S1 and S2 is not limited as described in FIG. 9, and may be reversed. Further, further processing may be added prior to the processing in step S3. Further, the processing shown in FIG. 9 may be executed by causing a computer to execute a program. In this case, in order to cause the computer to execute the processing shown in FIG. 9, the user may input information to the computer as necessary.

このように本発明は改質厚を大きくするための方法として、球面収差を積極的に活用することに着眼したものである。本実施の形態では、その具体的実現手段として、回折型レンズの設計波長とフェムト秒レーザの基準(中心)波長とを異ならせる。これによって簡易かつ小型の光学系で大きな球面収差を生じさせることができる。通常では球面収差が発生すると集光性が悪くなるために均一な径での改質や加工を行なうことはできないと考えられる。本実施の形態によれば球面収差が生じていても略均一な微細径を保ったまま長改質厚の改質層を実際に加工できる。この点については以下の実施例により詳細に示す。   As described above, the present invention focuses on positively utilizing spherical aberration as a method for increasing the modified thickness. In the present embodiment, as a specific means for realizing this, the design wavelength of the diffractive lens and the reference (center) wavelength of the femtosecond laser are made different. Thereby, a large spherical aberration can be generated with a simple and small optical system. Normally, when spherical aberration occurs, the light condensing property is deteriorated, so that it is considered that modification or processing with a uniform diameter cannot be performed. According to the present embodiment, it is possible to actually process a modified layer having a long modified thickness while maintaining a substantially uniform fine diameter even when spherical aberration occurs. This point will be described in detail in the following examples.

本実施の形態に係るレーザ加工方法を回折光学素子の製造方法として用いた場合、改質厚を長くできるため高い回折効率の素子を得ることができる。また厚みの自在な回折光学素子を材料内部の任意の位置に製造することが可能となる。   When the laser processing method according to the present embodiment is used as a method for manufacturing a diffractive optical element, an element with high diffraction efficiency can be obtained because the modified thickness can be increased. Moreover, it becomes possible to manufacture a diffractive optical element having any thickness at any position inside the material.

(実施の形態2)
図14は、実施の形態2に係るレーザ加工装置50Aの構成を示した図である。図14を参照して、レーザ加工装置50Aは、アパーチャ2に代えてビーム径制御装置14を備える。この点においてレーザ加工装置50Aは、レーザ加工装置50と相違するがレーザ加工装置50Aの他の部分の構成は、レーザ加工装置50の対応する部分の構成と同様である。
(Embodiment 2)
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a laser processing apparatus 50A according to the second embodiment. Referring to FIG. 14, the laser processing apparatus 50 </ b> A includes a beam diameter control apparatus 14 instead of the aperture 2. In this respect, the laser processing apparatus 50A is different from the laser processing apparatus 50, but the configuration of other parts of the laser processing apparatus 50A is the same as the configuration of the corresponding part of the laser processing apparatus 50.

ビーム径制御装置14は、レーザ光5のビーム径を所望の大きさに制御する。たとえば、ビーム径制御装置14としては開口部の径を調整可能な光学絞り(アパーチャ)を用いることができる。またビーム径制御装置14として、ビームエキスパンダを用いてもよい。ビーム径制御装置14が回折型レンズ3に入射するフェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させることにより、回折型レンズ3のレーザ光の入射範囲が制御される。すなわちフェムト秒レーザの回折(集光)に寄与する回折型レンズ3の輪帯数が制御される。これにより、光学材料内部にフェムト秒レーザを照射して改質層を形成する場合において、改質径を変えることなく改質厚を変える(制御する)ことができる。   The beam diameter control device 14 controls the beam diameter of the laser light 5 to a desired size. For example, an optical aperture (aperture) that can adjust the diameter of the opening can be used as the beam diameter control device 14. Further, a beam expander may be used as the beam diameter control device 14. The beam diameter control device 14 spatially changes the beam diameter of the femtosecond laser incident on the diffractive lens 3 so that the incident range of the laser light of the diffractive lens 3 is controlled. That is, the number of ring zones of the diffractive lens 3 that contributes to the diffraction (condensation) of the femtosecond laser is controlled. As a result, when the modified layer is formed by irradiating the femtosecond laser inside the optical material, the modified thickness can be changed (controlled) without changing the modified diameter.

実施の形態2によるレーザ加工方法を説明するフローチャートは図13のフローチャートと同様である。回折型レンズ3の輪帯数を制御する処理はたとえば図13のステップS2の処理に含まれるが、ステップS2の処理とは別の処理としてステップS3の処理の前に実行されてもよい。また、上記のように、ステップS3以前の処理の順序は特に限定されるものではない。   The flowchart for explaining the laser processing method according to the second embodiment is the same as the flowchart of FIG. The process for controlling the number of ring zones of the diffractive lens 3 is included in the process of step S2 in FIG. 13, for example, but may be executed before the process of step S3 as a process different from the process of step S2. Further, as described above, the order of processing before step S3 is not particularly limited.

図14に示した構成では、回折型レンズ3に入射するフェムト秒レーザのビーム径を制御することにより回折型レンズにおいて回折に寄与する輪帯数を制御する。ただし、回折に寄与する輪帯数を制御する方法としては、上記の方法に限定されない。たとえばレンズ中央部に遮蔽板を設けたり、アキシコンレンズ(円錐レンズとも呼ばれる)を複数枚設けたりすることによって回折型レンズ3の表面におけるフェムト秒レーザの強度分布をリング状に形成してもよい。   In the configuration shown in FIG. 14, the number of annular zones contributing to diffraction in the diffractive lens is controlled by controlling the beam diameter of the femtosecond laser incident on the diffractive lens 3. However, the method for controlling the number of annular zones contributing to diffraction is not limited to the above method. For example, the intensity distribution of the femtosecond laser on the surface of the diffractive lens 3 may be formed in a ring shape by providing a shielding plate at the center of the lens or providing a plurality of axicon lenses (also called conical lenses). .

実施の形態2によれば、レーザ加工装置が複雑化することなく、また材料内部への深さによって改質厚を制御する必要なく、簡易な光学系でアスペクト比を容易に制御することが可能になる。   According to the second embodiment, it is possible to easily control the aspect ratio with a simple optical system without complicating the laser processing apparatus and without needing to control the modified thickness depending on the depth into the material. become.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。また、以下では、回折型レンズの設計波長、回折型レンズに入射するフェムト秒レーザの中心波長を、それぞれ「設計波長」および「入射波長」と呼ぶ場合もある。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited by a following example. In the following, the design wavelength of the diffractive lens and the center wavelength of the femtosecond laser incident on the diffractive lens may be referred to as “design wavelength” and “incident wavelength”, respectively.

実施例1〜5は、実施の形態1に係るレーザ加工装置50に以下の条件を適用したものである。実施例1〜5においては回折型レンズおよびフェムト秒レーザの条件を以下に示すように共通とした。   In Examples 1 to 5, the following conditions are applied to the laser processing apparatus 50 according to the first embodiment. In Examples 1 to 5, the conditions of the diffractive lens and the femtosecond laser were made common as shown below.

(1)回折型レンズには、設計波長635nm、直径4mm、焦点距離4mm、石英ガラス製のフレネルゾーンプレートを用いた。   (1) For the diffractive lens, a Fresnel zone plate made of quartz glass having a design wavelength of 635 nm, a diameter of 4 mm, a focal length of 4 mm was used.

(2)回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、レーザビーム径7mm(1/e値)とした。また回折型レンズの前に5.5mm径のアパーチャを設置し、このアパーチャを通過したフェムト秒レーザを回折型レンズで集光して材料に照射した。 (2) The femtosecond laser incident on the diffractive lens has a laser beam diameter of 7 mm (1 / e binary value). In addition, an aperture having a diameter of 5.5 mm was installed in front of the diffractive lens, and the femtosecond laser that passed through this aperture was condensed by the diffractive lens and irradiated onto the material.

(実施例1)
本実施例では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレート(三菱レイヨン社製、商品名アクリライト(登録商標)、型式#000)を用いた。光学材料の大きさは、一辺が10mm、厚さが5mmであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長400nm、パルス幅120fs(fs;フェムト秒を示す)、繰返し周波数1kHzとし、回折型レンズへの入射エネルギを10μJとした。材料内部の集光深さ位置を材料表面から1mmとし、フェムト秒レーザを1mm/sの速度で走査して、周期が2μm、かつ一辺が1mmの回折格子を作製した。
Example 1
In this example, polymethacrylate (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name Acrylite (registered trademark), model # 000) was used as the optical material to be processed. The size of the optical material was 10 mm on one side and 5 mm in thickness. The femtosecond laser incident on the diffractive lens has a center wavelength of 400 nm, a pulse width of 120 fs (fs; indicates femtosecond), a repetition frequency of 1 kHz, and an incident energy to the diffractive lens of 10 μJ. A condensing depth position inside the material was 1 mm from the material surface, and a femtosecond laser was scanned at a speed of 1 mm / s to produce a diffraction grating having a period of 2 μm and a side of 1 mm.

図15は、実施例1の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより光学材料内部に形成された改質層の透過光学顕微鏡による全体観察像を示した図である。図15を参照して、改質層の水平方向の長さ(図2におけるY方向の長さに相当)は1mm、改質層の改質厚(図2におけるZ方向に相当)は700μmであった。図16は、図15に示した改質層の一部分Aの拡大観察像を示す図である。図16を参照して、改質層の部分拡大像における一辺の長さは160μmであった。改質径は略1μmであった。この結果から、アスペクト比は700/1=700と求められた。   FIG. 15 is a diagram showing an entire observation image by a transmission optical microscope of the modified layer formed in the optical material by performing femtosecond laser irradiation according to the conditions of Example 1. FIG. Referring to FIG. 15, the horizontal length of the modified layer (corresponding to the length in the Y direction in FIG. 2) is 1 mm, and the modified thickness of the modified layer (corresponding to the Z direction in FIG. 2) is 700 μm. there were. FIG. 16 is an enlarged observation image of a part A of the modified layer shown in FIG. Referring to FIG. 16, the length of one side in the partially enlarged image of the modified layer was 160 μm. The modified diameter was approximately 1 μm. From this result, the aspect ratio was determined to be 700/1 = 700.

図15および図16に示されるように、上記した条件に従うフェムト秒レーザの照射により微細かつ長改質厚の屈折率変化改質加工ができた。本試料をフェムト秒レーザの照射後70℃で1日間加熱処理を行なうことにより、ブラッグ1次回折効率は82.5%となった。これにより周期2μmで高効率な回折格子の加工が可能であることが分かった。   As shown in FIG. 15 and FIG. 16, the refractive index change modification processing with a fine and long modified thickness was achieved by irradiation with the femtosecond laser in accordance with the above-described conditions. By subjecting this sample to heat treatment at 70 ° C. for 1 day after irradiation with a femtosecond laser, the Bragg first-order diffraction efficiency was 82.5%. As a result, it was found that a highly efficient diffraction grating can be processed with a period of 2 μm.

本実施例の条件によって得られる長改質厚について考察した結果を述べる。波長635nm、焦点距離4mm、レンズ径4mm(半径2mm)で回折型レンズの輪帯設計を行なった場合、(9)式から、最内郭の輪帯の半径は0.071mmであり、その周期は71.27μmと求められた。同様に(9)式から、最外郭の輪帯の半径は2.000mmであり、その周期は1.42μmと求められた。なお、最外郭の輪帯の半径はレンズの半径に等しいものとした。   The result of considering the long modified thickness obtained under the conditions of this example will be described. When the annular zone of the diffractive lens is designed with a wavelength of 635 nm, a focal length of 4 mm, and a lens diameter of 4 mm (radius 2 mm), the radius of the innermost annular zone is 0.071 mm from the equation (9), and the period Was determined to be 71.27 μm. Similarly, from equation (9), the radius of the outermost ring zone was 2.000 mm, and the period was determined to be 1.42 μm. The radius of the outermost ring zone was assumed to be equal to the radius of the lens.

この回折型レンズに中心波長400nmのフェムト秒レーザを入射した場合、最内郭の輪帯による焦点距離f1は6.350mm、最外郭の輪帯による焦点距離f2は6.812mm、その差Δfは|6.812−6.350|=462μmとなった。これは空気(屈折率1)中でのΔfであるため、材料内部(屈折率1.49)でのΔf’(図10参照)を考えた。最内郭の輪帯による集光位置(すなわち焦点距離)が材料表面から深さ1mmである場合には、最外郭の輪帯による集光位置は材料表面から深さ1.726mmの位置になるので、Δf’=1.726−1.000=726μmとなった。 When a femtosecond laser having a central wavelength of 400 nm is incident on this diffractive lens, the focal length f 1 due to the innermost annular zone is 6.350 mm, the focal length f 2 due to the outermost annular zone is 6.812 mm, and the difference Δf was | 6.812-6.350 | = 462 μm. Since this is Δf in the air (refractive index 1), Δf ′ (see FIG. 10) inside the material (refractive index 1.49) was considered. When the condensing position by the innermost ring zone (that is, the focal length) is 1 mm deep from the material surface, the light collecting position by the outermost ring zone is 1.726 mm deep from the material surface. Therefore, Δf ′ = 1.726-1.000 = 726 μm.

実際の改質厚は図15に示されるように700μm程度であったが、この値は、後述の比較例1での色収差による改質厚計算値との乖離が大きいことから、回折型レンズによって生成された球面収差による長焦点化距離の影響を受けたものと考察された。   The actual modified thickness was about 700 μm as shown in FIG. 15, but this value is greatly different from the calculated modified thickness due to chromatic aberration in Comparative Example 1 described later. It was considered that it was influenced by the long focal length due to the generated spherical aberration.

本実施例による球面収差は、特に、設計波長と入射波長との差を235nmとするとともに、設計波長635nmに対して入射波長を400nmと小さくしたことによる球面収差であるものと考察された。式(7)によれば中心波長が400nm、パルス幅が120fsであるフェムト秒レーザの波長スペクトル広がりは2nm程度であるが、本実施例における設計波長と入射波長との差はこれより大きいことが分かった。本実施例においては、設計波長に対して入射波長が短いが、この場合においては材料内部に集光することによる材料屈折率の影響が焦点距離を更に長くする方向に働く点で有効であることを確認できた。   The spherical aberration according to the present example was considered to be spherical aberration particularly when the difference between the design wavelength and the incident wavelength was 235 nm and the incident wavelength was reduced to 400 nm with respect to the design wavelength 635 nm. According to the equation (7), the wavelength spectrum spread of the femtosecond laser having the center wavelength of 400 nm and the pulse width of 120 fs is about 2 nm, but the difference between the design wavelength and the incident wavelength in this embodiment may be larger. I understood. In this embodiment, the incident wavelength is short with respect to the design wavelength, but in this case, it is effective in that the influence of the material refractive index by focusing the light inside the material works in the direction of further increasing the focal length. Was confirmed.

(比較例1)
実施例1における波長スペクトルと回折型レンズの分散、すなわち色収差による効果を算出するために、設計波長を入射波長と同じ400nmとし、パルス幅を120fsとし、焦点距離を実施例1での長い方の値である6.812mmとした。この場合の焦点距離の変化する範囲、すなわちΔFを(8)式に従い算出した。ΔFは以下に示すように33μmとなった。
(Comparative Example 1)
In order to calculate the wavelength spectrum and the dispersion of the diffractive lens in Example 1, that is, the effect of chromatic aberration, the design wavelength is 400 nm, which is the same as the incident wavelength, the pulse width is 120 fs, and the focal length is longer in Example 1. The value was 6.812 mm. In this case, the range in which the focal length changes, that is, ΔF was calculated according to equation (8). ΔF was 33 μm as shown below.

ΔF=2×ln2×(6.812×10-3)×(0.4×10-6)/π/(3×108)/(120×10-15)=33μm
材料内部にフェムト秒レーザが集光した場合、材料屈折率(1.49)によって集光位置が変化する(図10参照)。この点を考慮して材料内部でのΔFであるΔF’を算出した。ΔF’は33×1.49=49μmとなった。
ΔF = 2 × ln2 × (6.812 × 10 −3 ) × (0.4 × 10 −6 ) / π / (3 × 10 8 ) / (120 × 10 −15 ) = 33 μm
When the femtosecond laser is focused inside the material, the focused position changes depending on the material refractive index (1.49) (see FIG. 10). Considering this point, ΔF ′, which is ΔF inside the material, was calculated. ΔF ′ was 33 × 1.49 = 49 μm.

色収差の作用ではΔF’が50μm弱となることから、ΔF’は実施例1による実加工形状の改質厚(700μm)の説明ができない程度に乖離していることが分かった。実施例1および比較例1との比較結果から、実施例1に示される長改質厚は球面収差の影響によるものと考察された。さらに、実施例1および比較例1によれば、同じ焦点距離のレンズを用いても色収差では得られない長改質厚効果が得られることが分かった。   Since ΔF ′ is slightly less than 50 μm due to the action of chromatic aberration, it has been found that ΔF ′ has deviated to such an extent that the modified thickness (700 μm) of the actual machining shape according to Example 1 cannot be explained. From the comparison results with Example 1 and Comparative Example 1, it was considered that the long modified thickness shown in Example 1 was due to the influence of spherical aberration. Furthermore, according to Example 1 and Comparative Example 1, it was found that a long modified thickness effect that cannot be obtained by chromatic aberration can be obtained even when lenses having the same focal length are used.

なお、フェムト秒レーザの波長スペクトルと回折型レンズの波長分散とによって、実施例1と同程度の焦点距離の変化する範囲(すなわち700μm)を得るためには、上記のΔF’を14倍程度大きくする必要があるため、この場合の焦点距離が97.3mmにあることが分かった。また、開口数を同じ程度にしようとすると最外郭の輪帯周期が1.42μmとなるため、開口数が0.28程度になることが分かった。これらからレンズ径は57mm(半径28.5mm)であると求められた。以上の考察により、比較例1によれば実施例1に比べて回折型レンズが大型化する上にレンズ作製も困難になることが分かった。   In order to obtain a range in which the focal length changes in the same degree as in Example 1 (ie, 700 μm) from the wavelength spectrum of the femtosecond laser and the wavelength dispersion of the diffractive lens, ΔF ′ is increased by about 14 times. It was found that the focal length in this case is 97.3 mm. Further, it was found that when the numerical apertures were made the same, the outermost ring zone period was 1.42 μm, so the numerical aperture was about 0.28. From these, the lens diameter was determined to be 57 mm (radius 28.5 mm). From the above considerations, it was found that according to the comparative example 1, the diffractive lens becomes larger and the lens fabrication becomes difficult as compared with the first example.

(実施例2)
本実施例では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレート(三菱レイヨン社製、商品名アクリライト(登録商標)、型式#000)を用いた。光学材料の大きさは、一辺が10mm、厚さが5mmであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長400nm、パルス幅120fs、繰返し周波数1kHzとし、回折型レンズへの入射エネルギを25μJとした。材料内部の深さ位置を材料表面から1mmおよび3mmとし、フェムト秒レーザを1mm/s速度で走査して、周期が10μmかつ一辺が1mmの回折格子を作製した。
(Example 2)
In this example, polymethacrylate (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name Acrylite (registered trademark), model # 000) was used as the optical material to be processed. The size of the optical material was 10 mm on one side and 5 mm in thickness. The femtosecond laser incident on the diffractive lens has a center wavelength of 400 nm, a pulse width of 120 fs, a repetition frequency of 1 kHz, and an incident energy to the diffractive lens of 25 μJ. The depth position inside the material was set to 1 mm and 3 mm from the material surface, and a femtosecond laser was scanned at a speed of 1 mm / s to produce a diffraction grating having a period of 10 μm and a side of 1 mm.

この結果、深さ位置が1mmの場合も3mmの場合も改質厚は850μm程度であり、ほとんど違いは見られなかった。すなわち、本実施例の条件によれば、材料内部の深さ位置によらず大きな改質厚を得ることが可能であることが分かった。また、深さ位置が深くなるにつれて改質厚が長くなったりすることや改質厚が大きく変動することがないことも分かった。これらから、改質厚が長くなるという作用は、材料内部にフェムト秒レーザが集光することで生じる球面収差による影響・作用が主要因ではなく、回折型レンズの球面収差による影響・作用であるということを合わせて確認できた。   As a result, the modified thickness was about 850 μm regardless of whether the depth position was 1 mm or 3 mm, and almost no difference was observed. That is, according to the conditions of this example, it has been found that a large modified thickness can be obtained regardless of the depth position inside the material. It has also been found that the modified thickness does not increase as the depth position increases, and the modified thickness does not vary greatly. For these reasons, the action of increasing the modified thickness is not mainly due to the influence and action of spherical aberration caused by the focusing of the femtosecond laser inside the material, but to the influence and action of spherical aberration of the diffractive lens. I was able to confirm that.

(実施例3)
本実施例では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレート(三菱レイヨン社製、商品名アクリライト(登録商標)、型式#000)を用いた。光学材料の大きさは、一辺が10mm、厚さが5mmであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長800nm、パルス幅120fs、繰返し周波数1kHzとし、回折型レンズへの入射エネルギを1.2μJとした。材料内部の深さ位置を材料表面から1mmとし、フェムト秒レーザを1mm/sの速度で走査して、周期が2μm、かつ一辺が1mmの回折格子を作製した。
(Example 3)
In this example, polymethacrylate (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name Acrylite (registered trademark), model # 000) was used as the optical material to be processed. The size of the optical material was 10 mm on one side and 5 mm in thickness. The femtosecond laser incident on the diffractive lens has a center wavelength of 800 nm, a pulse width of 120 fs, a repetition frequency of 1 kHz, and an incident energy to the diffractive lens of 1.2 μJ. The depth position inside the material was set to 1 mm from the surface of the material, and a femtosecond laser was scanned at a speed of 1 mm / s to produce a diffraction grating having a period of 2 μm and a side of 1 mm.

図17は、実施例3の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより光学材料内部に形成された改質層の透過光学顕微鏡による全体観察像を示した図である。図17を参照して、改質径は略1μmであり、改質厚は120μmであった。この結果から、アスペクト比は120と求められた。図17に示すように、本実施例の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより微細かつ長改質厚の加工ができた。本試料を照射後70℃で1日間加熱処理を行なうことにより、ブラッグ1次回折効率は7.8%となり、周期2μmの回折格子の加工が可能であることが分かった。   FIG. 17 is a diagram showing an entire observation image by a transmission optical microscope of the modified layer formed in the optical material by performing femtosecond laser irradiation according to the conditions of Example 3. Referring to FIG. 17, the modified diameter was about 1 μm and the modified thickness was 120 μm. From this result, the aspect ratio was determined to be 120. As shown in FIG. 17, fine and long modified thickness processing was possible by performing femtosecond laser irradiation according to the conditions of this example. By performing heat treatment at 70 ° C. for 1 day after irradiation of this sample, the Bragg first-order diffraction efficiency was 7.8%, and it was found that a diffraction grating with a period of 2 μm could be processed.

次に本実施例の条件によって得られる改質厚を考察した結果について述べる。回折型レンズに中心波長800nmのフェムト秒レーザを入射した場合、最内郭の輪帯による焦点距離f1は3.174mm、最外郭の輪帯による焦点距離f2は2.933mm、その差Δfは|2.933−3.174|=241μmとなった。これは空気(屈折率1)中でのΔfであるため、材料内部(屈折率1.49)でのΔf’(図12参照)を考えた。最外郭の輪帯による集光位置が材料表面から深さ1mmである場合には、最内郭の輪帯による集光位置は材料表面から深さ1.252mmの位置になるので、Δf’=252μmとなった。 Next, the result of considering the modified thickness obtained according to the conditions of this example will be described. When a femtosecond laser with a central wavelength of 800 nm is incident on the diffractive lens, the focal length f 1 due to the innermost ring is 3.174 mm, the focal length f 2 due to the outermost ring is 2.933 mm, and the difference Δf | 2.933−3.174 | = 241 μm. Since this is Δf in air (refractive index 1), Δf ′ (see FIG. 12) inside the material (refractive index 1.49) was considered. When the light collection position by the outermost ring is 1 mm deep from the material surface, the light collection position by the innermost ring is 1.252 mm deep from the material surface. Therefore, Δf ′ = It was 252 μm.

実際の改質厚は図17に示すように120μm程度であったが、この値は、後述の比較例2での色収差による改質厚計算値では説明できない程度の改質厚となっていたことから、回折型レンズによって生成された球面収差による長焦点化距離の影響を受けたものと考察された。   As shown in FIG. 17, the actual modified thickness was about 120 μm, but this value was a modified thickness that could not be explained by the calculated modified thickness due to chromatic aberration in Comparative Example 2 described later. Therefore, it was considered that it was influenced by the long focal length due to the spherical aberration generated by the diffractive lens.

本実施例による球面収差は、特に、設計波長と入射波長との差を165nmとし、かつ設計波長635nmに対し、入射波長を800nmと大きくしたことによる球面収差であるものと考察された。式(7)によれば中心波長が800nm、パルス幅が120fsであるフェムト秒レーザの波長スペクトル広がりは8nm程度であるが、本実施例における設計波長と入射波長との差はこれより大きいことが分かった。本実施例においては、設計波長に対して入射波長が長いが、この場合においては、材料内部に集光することによる材料屈折率の影響が焦点距離を短くする方向に働くことが確認できた。   The spherical aberration according to this example was considered to be spherical aberration particularly when the difference between the design wavelength and the incident wavelength was 165 nm and the incident wavelength was increased to 800 nm with respect to the design wavelength of 635 nm. According to the equation (7), the wavelength spectrum spread of the femtosecond laser having the center wavelength of 800 nm and the pulse width of 120 fs is about 8 nm, but the difference between the design wavelength and the incident wavelength in this embodiment may be larger. I understood. In this example, although the incident wavelength is longer than the design wavelength, in this case, it was confirmed that the influence of the material refractive index by condensing inside the material works in the direction of shortening the focal length.

(比較例2)
実施例3における波長スペクトルと回折型レンズの分散、すなわち色収差による効果を算出するために、設計波長を入射波長と同じ800nmとし、パルス幅を120fsとし、焦点距離を実施例3での長い方の値である3.174mmとした。この場合の焦点距離の変化する範囲、すなわちΔFを(8)式に従い算出した。ΔFは以下に示すように29μmとなった。
(Comparative Example 2)
In order to calculate the wavelength spectrum and the dispersion of the diffractive lens in Example 3, that is, the effect due to chromatic aberration, the design wavelength is set to 800 nm which is the same as the incident wavelength, the pulse width is set to 120 fs, and the focal length is set to the longer one in Example 3. The value was 3.174 mm. In this case, the range in which the focal length changes, that is, ΔF was calculated according to equation (8). ΔF was 29 μm as shown below.

ΔF=2×ln2×(3.174×10-3)×(0.8×10-6)/π/(3×108)/(120×10-15)=29μm
材料内部にフェムト秒レーザが集光した場合、材料屈折率(1.49)によって集光位置が変化する(図12参照)。この点を考慮して材料内部でのΔFであるΔF’を算出した。ΔF’は29×1.49=43μmとなった。
ΔF = 2 × ln2 × (3.174 × 10 −3 ) × (0.8 × 10 −6 ) / π / (3 × 10 8 ) / (120 × 10 −15 ) = 29 μm
When the femtosecond laser is focused inside the material, the focused position changes depending on the material refractive index (1.49) (see FIG. 12). Considering this point, ΔF ′, which is ΔF inside the material, was calculated. ΔF ′ was 29 × 1.49 = 43 μm.

色収差の作用では、ΔF’は40μm強となることから、ΔF’は、実施例3による実加工形状の改質厚(120μm)の説明ができない程度に乖離していることが分かった。実施例3および比較例2の比較結果から、実施例3に示される長改質厚は球面収差の影響によるものと考察された。さらに、実施例3および比較例2から、同じ焦点距離のレンズを用いても色収差では得られない長改質厚効果が得られることが確認できた。   Under the action of chromatic aberration, ΔF ′ is a little over 40 μm. Therefore, it has been found that ΔF ′ is deviated to the extent that the modified thickness (120 μm) of the actual machining shape according to Example 3 cannot be explained. From the comparison results of Example 3 and Comparative Example 2, it was considered that the long modified thickness shown in Example 3 was due to the influence of spherical aberration. Furthermore, it was confirmed from Example 3 and Comparative Example 2 that a long modified thickness effect that cannot be obtained by chromatic aberration can be obtained even when lenses having the same focal length are used.

(比較例3)
本比較例では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレート(三菱レイヨン社製、商品名アクリライト(登録商標)、型式#000)を用いた。光学材料の大きさは、一辺が10mm、厚さが5mmであった。レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長800nm、パルス幅120fs、繰返し周波数1kHzとした。
(Comparative Example 3)
In this comparative example, polymethacrylate (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name Acrylite (registered trademark), model # 000) was used as the optical material to be processed. The size of the optical material was 10 mm on one side and 5 mm in thickness. The femtosecond laser incident on the lens had a center wavelength of 800 nm, a pulse width of 120 fs, and a repetition frequency of 1 kHz.

本比較例では、上記の回折型レンズに代えて開口数0.4の対物レンズ(オリンパス社製、商品名LMPlanFL、倍率20倍)を用いた。対物レンズへのフェムト秒レーザの入射エネルギを0.32μJとし、材料内部の深さ位置を材料表面から4.5mmとし、フェムト秒レーザを1mm/sの速度で走査して、周期10μmの加工を複数回実施した。この結果、改質厚50μmの改質層を得ることができた。   In this comparative example, an objective lens having a numerical aperture of 0.4 (manufactured by Olympus, trade name LMPlanFL, magnification 20 times) was used instead of the diffractive lens. The incident energy of the femtosecond laser to the objective lens is set to 0.32 μJ, the depth position inside the material is set to 4.5 mm from the surface of the material, and the femtosecond laser is scanned at a speed of 1 mm / s to perform processing with a period of 10 μm. Conducted multiple times. As a result, a modified layer having a modified thickness of 50 μm could be obtained.

本比較例では集光する深さ位置を材料表面から4.5mmとしているため、材料内部に集光することによる球面収差で生じるΔfは230μmと計算された。しかし、実加工の改質厚は50μmしか得ることができなかった。実施例3ではΔf’の計算値252μmに対して実加工値が120μmであったのに対し、比較例3ではΔfの計算値230μmに対して実加工値が50μmであった。実施例3と比較例3との比較結果から、計算値では同じ程度の球面収差であっても、屈折型レンズで球面収差を付与するより回折型レンズで球面収差を付与したほうが、実加工の改質厚を計算値に近づけることができるとともに長改質厚化できるという効果を有することが分かった。   In this comparative example, the depth position at which light is condensed is set to 4.5 mm from the material surface. Therefore, Δf generated by spherical aberration due to light condensing inside the material was calculated to be 230 μm. However, the modified thickness of actual processing was only 50 μm. In Example 3, the actual machining value was 120 μm with respect to the calculated value of Δf ′ of 252 μm, whereas in Comparative Example 3, the actual machining value was 50 μm with respect to the calculated value of Δf of 230 μm. From the comparison result between Example 3 and Comparative Example 3, even if the calculated value is the same degree of spherical aberration, it is more practical to apply spherical aberration with a diffractive lens than to apply spherical aberration with a refractive lens. It was found that the modified thickness can be brought close to the calculated value and the modified thickness can be increased.

(実施例4)
実施例4では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレートに代えてシクロオレフィンポリマー(日本ゼオン社製、商品名ZEONEX(登録商標)、型式480)を用いた。光学材料の大きさは、一辺が10mmで、厚さが2mmであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長400nm、パルス幅120fs、繰返し周波数1kHzとし、回折型レンズへの入射エネルギを15μJとし、材料内部の深さ位置を材料表面から1mmとし、フェムト秒レーザを1mm/sの速度で走査して、周期が2μm、かつ一辺が1mmの回折格子を作製した。この結果、改質径が略1μmで改質厚が800μmの微細かつ長改質厚の加工ができた。この結果から、アスペクト比は800と求められた。また、本試料を照射後100℃で1日間加熱処理を行なうことにより、ブラッグ1次回折効率は84.7%となり、周期2μmで高効率な回折格子の加工が可能であることが分かった。
Example 4
In Example 4, a cycloolefin polymer (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd., trade name ZEONEX (registered trademark), model 480) was used as an optical material to be processed instead of polymethacrylate. The size of the optical material was 10 mm on one side and 2 mm in thickness. The femtosecond laser incident on the diffractive lens has a center wavelength of 400 nm, a pulse width of 120 fs, a repetition frequency of 1 kHz, an incident energy to the diffractive lens of 15 μJ, a depth position inside the material of 1 mm from the material surface, and a femtosecond. A laser was scanned at a speed of 1 mm / s to produce a diffraction grating having a period of 2 μm and a side of 1 mm. As a result, a fine and long modified thickness with a modified diameter of approximately 1 μm and a modified thickness of 800 μm was obtained. From this result, the aspect ratio was determined to be 800. In addition, it was found that the Bragg first-order diffraction efficiency was 84.7% by performing heat treatment at 100 ° C. for 1 day after irradiation of this sample, and it was possible to process a highly efficient diffraction grating with a period of 2 μm.

実施例4から、設計波長と入射波長とを異ならせて回折型レンズの球面収差を生じさせることで改質厚を長くすることができるという作用効果は高分子材料の種類によらないものであることが確認できた。   From Example 4, the effect that the modified thickness can be increased by causing the spherical aberration of the diffractive lens by changing the design wavelength and the incident wavelength is independent of the type of the polymer material. I was able to confirm.

(実施例5)
実施例5では、加工対象の光学材料として、光学ガラスの一種であるBK7(ホウケイ酸クラウン光学ガラス)を用いた。光学材料の大きさは、一辺が10mm、厚さが3mmであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長800nm、パルス幅120fs、繰返し周波数1kHzとし、回折型レンズへの入射エネルギを4.5μJとした。材料内部の深さ位置を材料表面から1mmとし、フェムト秒レーザを0.3mm/sの速度で走査して、周期が2μmかつ一辺が1mmの回折格子を作製した。この結果、改質径が略1μm、かつ改質厚が215μmの微細かつ長改質厚の加工ができた。この結果から、アスペクト比は215と求められた。この時のブラッグ1次回折効率は76.5%であり、周期2μmの回折格子の加工が可能であることが分かった。
(Example 5)
In Example 5, BK7 (borosilicate crown optical glass) which is a kind of optical glass was used as an optical material to be processed. The size of the optical material was 10 mm on one side and 3 mm in thickness. The femtosecond laser incident on the diffractive lens has a center wavelength of 800 nm, a pulse width of 120 fs, a repetition frequency of 1 kHz, and an incident energy to the diffractive lens of 4.5 μJ. The depth position inside the material was set to 1 mm from the material surface, and a femtosecond laser was scanned at a speed of 0.3 mm / s to produce a diffraction grating having a period of 2 μm and a side of 1 mm. As a result, a fine and long modified thickness with a modified diameter of approximately 1 μm and a modified thickness of 215 μm was achieved. From this result, the aspect ratio was determined to be 215. The Bragg first-order diffraction efficiency at this time was 76.5%, and it was found that a diffraction grating with a period of 2 μm could be processed.

実施例5から、設計波長と入射波長とを異ならせて回折型レンズの球面収差を生じさせることで改質厚を長くすることができるという作用効果はガラスに対しても有効であることが分かった。この結果、上記作用効果は材料種によるものではないことが分かった。   From Example 5, it can be seen that the effect that the modified thickness can be increased by causing the spherical aberration of the diffractive lens by changing the design wavelength and the incident wavelength is also effective for glass. It was. As a result, it turned out that the said effect is not based on a material kind.

(実施例6)
実施例6は、実施の形態2に係るレーザ加工装置50Aに以下の条件を適用したものである。実施例6では、回折型レンズとして、直径が8mm、輪帯設計波長が1000nm、設計波長に対する焦点距離4mm、石英ガラス製のフレネルゾーンプレートを用いた。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長800nm、レーザビーム径14mm(1/e2値)とした。フェムト秒レーザを回折型レンズで集光して材料に照射した。加工対象の光学材料としてポリメタクリレート(三菱レイヨン社、アクリライト(登録商標)、型式#000)を用いた。光学材料の大きさは、一辺が10mm、厚さが5mmであった。回折型レンズへの入射パルスエネルギを12μJとし、材料内部の深さ位置を材料表面から1mmとし、フェムト秒レーザを1mm/sの速度で走査した。回折型レンズの前にはフェムト秒レーザのビーム径を制御するビーム径制御装置としてアパーチャを配置した。アパーチャ径を8mm、4mm、2mm、1mmと変化させるとともに、アパーチャ径ごとに周期5μmの加工を複数回実施した。
(Example 6)
In Example 6, the following conditions were applied to the laser processing apparatus 50A according to Embodiment 2. In Example 6, a Fresnel zone plate made of quartz glass having a diameter of 8 mm, an annular zone design wavelength of 1000 nm, a focal length of 4 mm with respect to the design wavelength was used as the diffractive lens. The femtosecond laser incident on the diffractive lens has a center wavelength of 800 nm and a laser beam diameter of 14 mm (1 / e 2 value). A femtosecond laser was focused by a diffraction lens and irradiated onto the material. Polymethacrylate (Mitsubishi Rayon Co., Acrylite (registered trademark), model # 000) was used as the optical material to be processed. The size of the optical material was 10 mm on one side and 5 mm in thickness. The incident pulse energy to the diffractive lens was 12 μJ, the depth position inside the material was 1 mm from the material surface, and the femtosecond laser was scanned at a speed of 1 mm / s. In front of the diffractive lens, an aperture is arranged as a beam diameter control device for controlling the beam diameter of the femtosecond laser. The aperture diameter was changed to 8 mm, 4 mm, 2 mm, and 1 mm, and processing with a period of 5 μm was performed several times for each aperture diameter.

この結果、アパーチャ径が8mmのときには改質厚が330μmとなった。アパーチャ径が4mmのときには改質厚が260μmとなった。アパーチャ径2mmのときには改質厚が120μmとなった。アパーチャ径が1mmのときには改質厚が70μmとなった。このように、いずれのアパーチャ径でも改質径が一定(略1μm)となる加工ができた。   As a result, when the aperture diameter was 8 mm, the modified thickness was 330 μm. The modified thickness was 260 μm when the aperture diameter was 4 mm. When the aperture diameter was 2 mm, the modified thickness was 120 μm. When the aperture diameter was 1 mm, the modified thickness was 70 μm. In this way, it was possible to process the modified diameter to be constant (approximately 1 μm) at any aperture diameter.

実施例6から、設計波長と入射波長とを異ならせることにより球面収差を生成する回折型レンズは、回折型レンズに入射するフェムト秒レーザの入射範囲、言い換えれば、回折型レンズにおいて、フェムト秒レーザの回折(集光)に寄与する輪帯数を制御することにより、改質径を略一定に保ちつつ改質厚を制御することが可能であることが分かった。さらに、本実施例では、ビーム径制御装置としてアパーチャのような簡易な構成を有するものを用いても改質厚を制御できることが分かった。   From Example 6, the diffractive lens that generates spherical aberration by making the design wavelength and the incident wavelength different from each other is the incident range of the femtosecond laser incident on the diffractive lens, in other words, the femtosecond laser in the diffractive lens. It was found that the modified thickness can be controlled while the modified diameter is kept substantially constant by controlling the number of annular zones that contribute to the diffraction (condensation) of light. Furthermore, in this embodiment, it was found that the modified thickness can be controlled even when a beam diameter control device having a simple configuration such as an aperture is used.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

実施の形態1に係るレーザ加工装置50の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the laser processing apparatus 50 which concerns on Embodiment 1. FIG. 図1に示したレーザ加工装置50による光学素子の製造をより具体的に説明する図である。It is a figure explaining manufacture of the optical element by the laser processing apparatus 50 shown in FIG. 1 more concretely. 屈折型レンズの形状および回折型レンズの形状の模式図である。It is a schematic diagram of the shape of a refractive lens and the shape of a diffractive lens. フェムト秒レーザの波長スペクトルを示した図である。It is the figure which showed the wavelength spectrum of the femtosecond laser. フェムト秒レーザの波長スペクトルおよび回折型レンズの波長分散を利用することにより高アスペクト比を得る方法を示した図である。It is the figure which showed the method of obtaining a high aspect ratio by utilizing the wavelength spectrum of a femtosecond laser, and the wavelength dispersion of a diffraction type lens. 実施の形態1による高アスペクト比を得る方法を示した図である。3 is a diagram illustrating a method for obtaining a high aspect ratio according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1における回折型レンズ3の設計波長とフェムト秒レーザの中心波長との関係を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the design wavelength of the diffractive lens 3 and the center wavelength of the femtosecond laser in the first embodiment. 図7に示したフェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズ3の設計波長λとの関係をより詳しく説明する図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the center wavelength Λ of the femtosecond laser shown in FIG. 7 and the design wavelength λ of the diffractive lens 3 in more detail. フェムト秒レーザの中心波長Λが回折型レンズ3の設計波長λより短い場合における、球面収差によるフェムト秒レーザの光線挙動を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the beam behavior of the femtosecond laser due to spherical aberration when the center wavelength Λ of the femtosecond laser is shorter than the design wavelength λ of the diffractive lens 3. 図9に示した光学系により光学材料内部に集光されるレーザ光5の光線挙動を示した図である。It is the figure which showed the light beam behavior of the laser beam 5 condensed inside an optical material by the optical system shown in FIG. フェムト秒レーザの中心波長Λが回折型レンズ3の設計波長λより長い場合における、球面収差によるフェムト秒レーザの光線挙動を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the beam behavior of the femtosecond laser due to spherical aberration when the center wavelength Λ of the femtosecond laser is longer than the design wavelength λ of the diffractive lens 3. 図11に示した光学系により光学材料内部に集光されるレーザ光5の光線挙動を示した図である。It is the figure which showed the light beam behavior of the laser beam 5 condensed inside an optical material by the optical system shown in FIG. 実施の形態1によるレーザ加工方法を説明するフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a laser processing method according to Embodiment 1. 実施の形態2に係るレーザ加工装置50Aの構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of 50 A of laser processing apparatuses which concern on Embodiment 2. FIG. 実施例1の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより光学材料内部に形成された改質層の透過光学顕微鏡による全体観察像を示した図である。It is the figure which showed the whole observation image by the transmission optical microscope of the modified layer formed in the optical material by performing the femtosecond laser irradiation according to the conditions of Example 1. FIG. 図15に示した改質層の一部分Aの拡大観察像を示す図である。It is a figure which shows the enlarged observation image of the part A of the modified layer shown in FIG. 実施例3の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより光学材料内部に形成された改質層の透過光学顕微鏡による全体観察像を示した図である。It is the figure which showed the whole observation image with the transmission optical microscope of the modified layer formed in the optical material by performing the femtosecond laser irradiation according to the conditions of Example 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザ装置、2 アパーチャ、3,3A 回折型レンズ、4 ステージ、5,5A レーザ光、6 入射面、7 出射面、8 加工対象材料、9 照射部、10 ステージ駆動機構、11 NDフィルタ、12 アッテネータ、13 電磁シャッター、14 ビーム径制御装置、31,32,b1,c1 輪帯、50 レーザ加工装置、50A レーザ加工装置、a〜c 線、F,f1,f2 焦点距離、S1〜S3 ステップ、Z 光軸。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser apparatus, 2 Aperture, 3, 3A diffractive lens, 4 stage, 5, 5A laser beam, 6 entrance surface, 7 exit surface, 8 processing object material, 9 irradiation part, 10 stage drive mechanism, 11 ND filter, 12 attenuator, 13 an electromagnetic shutter, 14 beam diameter control device, 31 and 32, b1, c1 annular zone, 50 laser processing apparatus, 50A laser processing apparatus, a to c line, F, f 1, f 2 the focal length, S1 to S3 Step, Z optical axis.

Claims (27)

パルス幅が10-15秒〜10-11秒のフェムト秒レーザを回折型レンズによって加工対象材料の表面および内部のいずれかに集光させることにより、前記加工対象材料を加工する工程と、
前記加工する工程に先立って、前記フェムト秒レーザの中心波長Λと前記回折型レンズの設計波長λとを設定する工程とを備え、
前記設定する工程は、
前記回折型レンズの最内郭の輪帯に入射する前記フェムト秒レーザの焦点距離をf1とし、前記回折型レンズの最外郭の輪帯に入射した前記フェムト秒レーザの焦点距離をf2とすると、前記焦点距離f1およびf2のうちのいずれか長いほうが、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λに従って定められる前記比較対象レンズの焦点深度よりも前記焦点距離f1と前記焦点距離f2との差の絶対値が大きくなるように、前記中心波長Λと前記設計波長λとの波長差の絶対値を設定する工程を含む、レーザ加工方法。
A step of processing the material to be processed by condensing a femtosecond laser having a pulse width of 10 −15 seconds to 10 −11 seconds on either the surface or inside of the material to be processed with a diffraction lens;
Prior to the processing step, comprising setting a center wavelength Λ of the femtosecond laser and a design wavelength λ of the diffractive lens,
The step of setting includes
The focal length of the femtosecond laser is incident on the annular zone top inner contour of the diffractive lens is f 1, a focal length of the femtosecond laser that has entered the annular outermost of the diffraction lens and f 2 Then, the longer one of the focal lengths f 1 and f 2 is equal to the focal length of the comparison target lens which is a diffractive lens having the central wavelength Λ of the femtosecond laser as a design wavelength, and the femto The central wavelength Λ and the design wavelength are set such that the absolute value of the difference between the focal length f 1 and the focal length f 2 is larger than the focal depth of the comparison target lens determined according to the central wavelength Λ of the second laser. A laser processing method including a step of setting an absolute value of a wavelength difference from λ.
前記波長差の絶対値を設定する工程は、前記中心波長Λを前記設計波長λよりも小さく設定する、請求項1に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 1, wherein the step of setting the absolute value of the wavelength difference sets the center wavelength Λ smaller than the design wavelength λ. 前記レーザ加工方法は、
前記フェムト秒レーザの回折に寄与する前記回折型レンズの輪帯数を制御する工程をさらに備える、請求項1または2に記載のレーザ加工方法。
The laser processing method includes:
The laser processing method according to claim 1, further comprising a step of controlling the number of annular zones of the diffractive lens that contributes to diffraction of the femtosecond laser.
前記輪帯数を制御する工程は、前記回折型レンズへの前記フェムト秒レーザの入射範囲を制御する、請求項3に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 3, wherein the step of controlling the number of ring zones controls an incident range of the femtosecond laser to the diffractive lens. 前記輪帯数を制御する工程は、前記フェムト秒レーザが通過する開口部の径を可変に構成されたアパーチャを用いて前記輪帯数を所定数に制御する、請求項3または4に記載のレーザ加工方法。   5. The step of controlling the number of ring zones is a method of controlling the number of ring zones to a predetermined number using an aperture configured to vary the diameter of an opening through which the femtosecond laser passes. Laser processing method. 前記輪帯数を制御する工程は、前記フェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させるビームエキスパンダを用いて前記輪帯数を所定数に制御する、請求項3または4に記載のレーザ加工方法。   The laser processing according to claim 3 or 4, wherein the step of controlling the number of annular zones controls the number of annular zones to a predetermined number using a beam expander that spatially changes a beam diameter of the femtosecond laser. Method. 前記加工する工程は、前記フェムト秒レーザを前記加工対象材料の内部に集光させることにより前記加工対象材料の内部に改質領域を形成し、
前記レーザ加工方法は、
前記フェムト秒レーザの光軸方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の厚さLと定義し、前記光軸方向に直交する方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の径φと定義し、L/φを前記改質領域のアスペクト比と定義すると、前記フェムト秒レーザのエネルギを制御することにより前記アスペクト比を制御する工程をさらに備える、請求項1に記載のレーザ加工方法。
The processing step forms a modified region in the processing target material by focusing the femtosecond laser inside the processing target material,
The laser processing method includes:
The length of the modified region along the optical axis direction of the femtosecond laser is defined as the thickness L of the modified region, and the length of the modified region along the direction perpendicular to the optical axis direction is the modified region. The method further comprises the step of controlling the aspect ratio by controlling the energy of the femtosecond laser, where L is defined as the diameter φ of the mass region and L / φ is defined as the aspect ratio of the modified region. The laser processing method as described.
前記アスペクト比を制御する工程は、前記アスペクト比が100以上となるように前記フェムト秒レーザのエネルギを制御する、請求項7に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 7, wherein in the step of controlling the aspect ratio, energy of the femtosecond laser is controlled so that the aspect ratio becomes 100 or more. 前記アスペクト比を制御する工程は、前記径φが2μm以下かつ前記アスペクト比が100以上となるように前記フェムト秒レーザのエネルギを制御する、請求項8に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 8, wherein the step of controlling the aspect ratio controls the energy of the femtosecond laser so that the diameter φ is 2 μm or less and the aspect ratio is 100 or more. 前記加工対象材料は、高分子構造体およびガラスを含む光学材料である、請求項1〜9のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。   The laser processing method according to claim 1, wherein the material to be processed is an optical material including a polymer structure and glass. 前記加工する工程は、前記加工対象材料としての光学材料の内部に回折光学素子を形成する、請求項1〜10のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 1, wherein in the processing step, a diffractive optical element is formed inside an optical material as the processing target material . 10-15秒〜10-11秒のパルス幅を有するフェムト秒レーザを発するレーザ装置と、
前記フェムト秒レーザを加工対象材料の表面または内部に集光させるための回折面を含む回折型レンズとを備え、
前記加工対象材料に入射する前記フェムト秒レーザの中心波長Λおよび前記回折型レンズの設計波長λの波長差の絶対値は、前記回折型レンズの最内郭の輪帯に入射する前記フェムト秒レーザの焦点距離をf1とし、前記回折型レンズの最外郭の輪帯に入射した前記フェムト秒レーザの焦点距離をf2とすると、前記焦点距離f1およびf2のうちのいずれか長いほうが、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λに従って定められる前記比較対象レンズの焦点深度よりも前記焦点距離f1と前記焦点距離f2との差の絶対値が大きくなるように定められる、レーザ加工装置。
A laser device for emitting a femtosecond laser having a pulse width of 10 −15 seconds to 10 −11 seconds;
A diffractive lens including a diffractive surface for condensing the femtosecond laser on the surface or inside of the material to be processed;
The femto the absolute value of the wavelength difference between the design wavelength λ heart wavelength Λ and the diffractive lens in the femtosecond laser is incident on the processing target material, which enters the annular zone top inner contour of the diffraction lens When the focal length of the second laser is f 1 and the focal length of the femtosecond laser incident on the outermost ring of the diffractive lens is f 2 , the longer one of the focal lengths f 1 and f 2. Is equal to the focal length of the comparison target lens, which is a diffractive lens having the center wavelength Λ of the femtosecond laser as a design wavelength, and the focal point of the comparison target lens is determined according to the center wavelength Λ of the femtosecond laser. A laser processing apparatus, wherein an absolute value of a difference between the focal distance f 1 and the focal distance f 2 is determined to be larger than a depth.
前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λは、前記回折レンズの設計波長λよりも小さい、請求項12に記載のレーザ加工装置。 Wherein the said central wavelength Λ of the femtosecond laser, is smaller than the design wavelength λ of the diffraction lens, the laser processing apparatus according to claim 12. 前記フェムト秒レーザの回折に寄与する前記回折型レンズの輪帯数を調整可能に構成された輪帯数制御装置をさらに備える、請求項12または13に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 12, further comprising an annular number control device configured to be capable of adjusting an annular number of the diffractive lens that contributes to diffraction of the femtosecond laser. 前記輪帯数制御装置は、前記回折型レンズへの前記フェムト秒レーザの入射範囲を制御する、請求項14に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 14, wherein the ring number control device controls an incident range of the femtosecond laser to the diffractive lens. 前記輪帯数制御装置は、前記フェムト秒レーザが通過する開口部の径を可変に構成されたアパーチャである、請求項14または15に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 14 or 15, wherein the ring number control device is an aperture configured to have a variable diameter of an opening through which the femtosecond laser passes. 前記輪帯数制御装置は、前記フェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させるビームエキスパンダである、請求項14または15に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 14 or 15, wherein the ring number control device is a beam expander that spatially changes a beam diameter of the femtosecond laser. 前記レーザ加工装置は、前記フェムト秒レーザを前記加工対象材料の内部に集光させることにより前記加工対象材料の内部に改質領域を形成し、
前記レーザ装置は、
前記フェムト秒レーザの光軸方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の厚さLと定義し、前記光軸方向に直交する方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の径φと定義し、L/φを前記改質領域のアスペクト比と定義すると、前記アスペクト比が所望の条件を満たすように調整されたエネルギを有する前記フェムト秒レーザを発する、請求項12に記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus forms a modified region in the processing target material by condensing the femtosecond laser in the processing target material,
The laser device is
The length of the modified region along the optical axis direction of the femtosecond laser is defined as the thickness L of the modified region, and the length of the modified region along the direction perpendicular to the optical axis direction is the modified region. The femtosecond laser having an energy adjusted so that the aspect ratio satisfies a desired condition is defined by defining a diameter φ of a mass region and defining L / φ as an aspect ratio of the modified region. 12. The laser processing apparatus according to 12.
前記フェムト秒レーザは、前記アスペクト比が100以上となるように調整されたエネルギを有する、請求項18に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 18, wherein the femtosecond laser has energy adjusted so that the aspect ratio is 100 or more. 前記フェムト秒レーザは、前記径φが2μm以下かつ前記アスペクト比が100以上となるように調整されたエネルギを有する、請求項18に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 18, wherein the femtosecond laser has energy adjusted such that the diameter φ is 2 μm or less and the aspect ratio is 100 or more. 前記加工対象材料は、高分子構造体およびガラスを含む光学材料である、請求項12〜20のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 12, wherein the material to be processed is an optical material including a polymer structure and glass. 前記レーザ加工装置は、前記加工対象材料としての光学材料の内部に回折光学素子を形成する、請求項12〜21のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。 The said laser processing apparatus is a laser processing apparatus of any one of Claims 12-21 which forms a diffractive optical element inside the optical material as the said process target material . パルス幅が10-15秒〜10-11秒のフェムト秒レーザを回折型レンズによって光学材料の表面および内部のいずれかに集光させることにより、前記光学材料を加工する工程と、
前記加工する工程に先立って、前記フェムト秒レーザの中心波長Λと前記回折型レンズの設計波長λとを設定する工程とを備え、
前記設定する工程は、
前記回折型レンズの最内郭の輪帯に入射する前記フェムト秒レーザの焦点距離をf1とし、前記回折型レンズの最外郭の輪帯に入射した前記フェムト秒レーザの焦点距離をf2とすると、前記焦点距離f1およびf2のうちのいずれか長いほうが、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λに従って定められる前記比較対象レンズの焦点深度よりも前記焦点距離f1と前記焦点距離f2との差の絶対値が大きくなるように、前記中心波長Λと前記設計波長λとの波長差の絶対値を設定する工程を含む、光学素子の製造方法。
Processing the optical material by condensing a femtosecond laser having a pulse width of 10 −15 seconds to 10 −11 seconds on either the surface or inside of the optical material with a diffractive lens;
Prior to the processing step, comprising setting a center wavelength Λ of the femtosecond laser and a design wavelength λ of the diffractive lens,
The step of setting includes
The focal length of the femtosecond laser is incident on the annular zone top inner contour of the diffractive lens is f 1, a focal length of the femtosecond laser that has entered the annular outermost of the diffraction lens and f 2 Then, the longer one of the focal lengths f 1 and f 2 is equal to the focal length of the comparison target lens which is a diffractive lens having the central wavelength Λ of the femtosecond laser as a design wavelength, and the femto The central wavelength Λ and the design wavelength are set such that the absolute value of the difference between the focal length f 1 and the focal length f 2 is larger than the focal depth of the comparison target lens determined according to the central wavelength Λ of the second laser. A method for manufacturing an optical element, comprising a step of setting an absolute value of a wavelength difference from λ.
請求項23に記載の光学素子の製造方法により製造された、光学素子。   An optical element manufactured by the method for manufacturing an optical element according to claim 23. 前記光学材料は、前記フェムト秒レーザが前記光学材料の内部に集光することにより形成された改質領域を含み、
前記フェムト秒レーザの光軸方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の厚さLと定義し、前記光軸方向に直交する方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の径φと定義し、L/φを前記改質領域のアスペクト比と定義すると、前記アスペクト比は100以上である、請求項24に記載の光学素子。
The optical material includes a modified region formed by focusing the femtosecond laser inside the optical material;
The length of the modified region along the optical axis direction of the femtosecond laser is defined as the thickness L of the modified region, and the length of the modified region along the direction perpendicular to the optical axis direction is the modified region. 25. The optical element according to claim 24, wherein the aspect ratio is 100 or more when the diameter φ is defined as a quality region and L / φ is defined as an aspect ratio of the modified region.
前記径φは、2μm以下である、請求項25に記載の光学素子。   The optical element according to claim 25, wherein the diameter φ is 2 μm or less. 前記光学素子は、前記光学材料の内部に形成された回折光学素子を含む、請求項24〜26のいずれか1項に記載の光学素子。   The optical element according to any one of claims 24 to 26, wherein the optical element includes a diffractive optical element formed inside the optical material.
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