JP2003181672A - レーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工方法

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JP2003181672A
JP2003181672A JP2001389861A JP2001389861A JP2003181672A JP 2003181672 A JP2003181672 A JP 2003181672A JP 2001389861 A JP2001389861 A JP 2001389861A JP 2001389861 A JP2001389861 A JP 2001389861A JP 2003181672 A JP2003181672 A JP 2003181672A
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laser
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JP2001389861A
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Shibun Ishikawa
紫文 石川
Takeshi Sakuma
健 佐久間
Tomoko Yomo
朋子 四方
Takeshi Fukuda
武司 福田
Hideyuki Hosoya
英行 細谷
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Fujikura Ltd
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Fujikura Ltd
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam

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  • Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】大きな作動距離が確保できて被加工物の深部で
の加工が行え、かつ高開口数でレーザ光を集光すること
ができて微細加工が可能なレーザ加工法を得ることにあ
る。 【解決手段】石英ガラスなどの透明材料からなる被加工
物3内部にレーザ光源1からのレーザ光を対物レンズ2
を介して集光して入射し加工する際に、被加工物3の上
に固体浸漬レンズ5を置き、対物レンズ2からのレーザ
光をこの固体浸漬レンズ5を通して被加工物2内部に集
光する。レーザ光にはフェムト秒レーザ光が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】この発明は、透明材料からな
る被加工物の内部にレーザ光を集光して加工する方法に
関し、レーザ光を集光する対物レンズの作動距離を確保
しつつ、高開口数での集光を可能にしたものである。
【0002】
【従来の技術】石英ガラスなどの透明材料からなる被加
工物の内部にフェムト秒レーザ光を集光して入射し、被
加工物内部のフェムト秒レーザ光が集光した部分を高屈
折率領域に変化せしめ、この高屈折率領域を光導波路と
して機能させることが行われている。
【0003】図4は、このレーザ加工法の一例を示すも
ので、図中符号1はレーザ光源を示す。このレーザ光源
1は、チタンサファイアレーザなどのフェムト秒領域
(〜10-13秒程度)の超短パルス幅のレーザ光を発振
するものである。このレーザ光源1からのフェムト秒レ
ーザ光は、対物レンズ2によって集光されて、石英ガラ
スなどの透明材料からなる被加工物3の内部に照射され
る。
【0004】この状態で、被加工物3を図示しない二次
元精密移動ステージまたは三次元精密移動ステージによ
って二次元または三次元に移動させることにより、被加
工物3内部のフェムト秒レーザ光の照射部分が高屈折率
領域4に変化し、光導波路が形成されることになる。勿
論、被加工物3を固定し、対物レンズ2を含む光学系を
移動させても同様の高屈折率領域4が形成される。
【0005】このレーザ加工法においては、対物レンズ
2の開口数(N.A.)を大きくすると、ガラス等の透
明媒質内部にレーザ光を集光させたときにできるドット
の形状を、レーザ光照射の反対側に伸びた縦長なドット
から球形ドットに変化させることが可能である。しか
し、対物レンズ2の開口数が大きくなるとその作動距離
(焦点距離)が小さくなり、被加工物3の深部での加工
が出来なくなる欠点が生じる。
【0006】例えば、開口数が0.95程度の対物レン
ズを用いた場合には、作動距離が0.35mm以下で加
工深さは最大でも0.5mm程度となる。この場合には
対物レンズ2と被加工物3表面とが平行でないときや被
加工物3表面に凹凸があるときには、対物レンズ2と被
加工物3とが接触する危険性がある。また、開口数が1
以上の油浸対物レンズを用いたときには作動距離が0.
1mm以下になり、上記危険性は一層深刻となる。ま
た、そのときの加工深さは最大でも0.15mm程度で
ある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】よって、本発明におけ
る課題は、大きな作動距離が確保できて被加工物の深部
での加工が行え、かつ高開口数でレーザ光を集光するこ
とができて微細加工が可能なレーザ加工法を得ることに
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、請求項1にかかる発明は、透明材料からなる被加工
物内部に対物レンズを介してレーザ光を集光して屈折率
上昇領域を作製する加工において、被加工物の上に固体
浸漬レンズを置き、対物レンズからのレーザ光をこの固
体浸漬レンズを通して被加工物内部に集光することを特
徴とするレーザ加工方法である。請求項2にかかる発明
は、レーザ光がフェムト秒レーザ光であることを特徴と
する請求項1に記載のレーザ加工方法である。
【0009】請求項3にかかる発明は、レーザ光源と、
このレーザ光源からのレーザ光を集光する対物レンズ
と、透明材料からなる被加工物上に置かれた固体浸漬レ
ンズとを有し、対物レンズと固体浸漬レンズとをその光
軸が一致するように保持した状態で、これらレンズを移
動させることで被加工物内部に屈折率上昇領域を作製す
る加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置である。
請求項4にかかる発明は、レーザ光源と、このレーザ光
源からのレーザ光を集光する対物レンズと、透明材料か
らなる被加工物上に置かれた固体浸漬レンズとを有し、
対物レンズと固体浸漬レンズとをその光軸が一致するよ
うに保持した状態で、被加工物を移動させることで被加
工物内部に屈折率上昇領域を作製する加工を行うことを
特徴とするレーザ加工装置である。
【0010】請求項5にかかる発明は、被加工物または
レンズを移動させる手段が二次元精密移動ステージまた
は三次元精密移動ステージであることを特徴とする請求
項3または4記載のレーザ加工装置である。請求項6に
かかる発明は、レーザ光源がフェムト秒レーザ光を発す
るものであることを特徴とする請求項3、4または5に
記載のレーザ加工装置である。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、実施の形態に基づいて本発
明を詳しく説明する。図1は、本発明のレーザ加工装置
の一例の要部を示すものである。図1において、符号1
は、レーザ光源、2は対物レンズ、3は被加工物、5は
固体浸漬レンズをそれぞれ示す。
【0012】レーザ光源1は、例えばチタンサファイア
レーザなどのフェムト秒レーザ光を発光するもので、こ
のレーザ光源1からのフェムト秒レーザ光は、光学系を
介して凸レンズからなる対物レンズ2に送られるように
なっている。この対物レンズ2は、この加工装置の光学
系をなす鏡胴6に固定されている。
【0013】この鏡胴6の先端には、対物レンズ2の光
軸方向に移動可能に取り付けられた可動鏡胴7が連結さ
れており、この可動鏡胴7の先端には、固体浸漬レンズ
(SIL、Solid Immersion Len
s)5が固定されている。この固体浸漬レンズ5は、図
2に示すように、球を切断した形状を有する一種の凸レ
ンズであり、一般的には半球状である。また、この固体
浸漬レンズ5は、石英を始めとしたガラスや透明材料か
らなるものである。
【0014】また、固体浸漬レンズ5は、その光軸が対
物レンズ2の光軸と一致するように位置決めされてお
り、この光軸が一致した状態を保って、可動鏡胴7の光
軸方向への移動に伴い、同様に光軸方向への移動が数ミ
リの範囲で自由になされるようになっている。また、固
体浸漬レンズ5は、その底面の平面部5aが被加工物3
を臨むように配されている。かかる構造により、固体浸
漬レンズ5は、その平面部5aが被加工物3の表面に接
して置かれた状態となっている。
【0015】また、固体浸漬レンズ5と被加工物3との
間の僅かな間隙には、図示しない油などの潤滑剤が注入
されており、固体浸漬レンズ5と被加工物3との間の移
動がスムースに行われるようになっている。この潤滑剤
には、透明でその屈折率が被加工物3の屈折率に近いも
のが好ましい。
【0016】次に、このレーザ加工装置を用いた加工方
法について説明する。まず、図1に示すように加工装置
の固体浸漬レンズ5が被加工物3の表面に接するように
両者の位置を定める。ついで、レーザ光源1を作動させ
て、フェムト秒レーザ光を発光させ、このレーザ光を対
物レンズ2に送り、ここからさらに固体浸漬レンズ5を
介して石英ガラスなどの被加工物3の内部にレーザ光を
入射する。この状態で、被加工物3あるいは対物レンズ
2と固体浸漬レンズ5が一体化した光学系のいずれか一
方または両方を二次元あるいは三次元に移動させること
で加工が行われる。この移動は、図示しない二次元精密
移動ステージまたは三次元精密移動ステージを用いて行
われる。
【0017】このような加工方法では、対物レンズ2で
集光されたレーザ光が固体浸漬レンズ5に入射されると
ここで再度集光されて、被加工物3の内部に入射され
る。この時、図1に示すように、被加工物3内部の集光
点での集光角度θが大きくなり、屈折率とsinθとの
積で表される開口数が大きくなった状態で入射されるこ
とになる。
【0018】このため、開口数が0.5以下と小さく、
作動距離が数mm程度の比較的長い対物レンズ2を用い
ても、1を超える開口数での集光がなされることにな
る。例えば、対物レンズ2として、開口数が0.5のレ
ンズを用い、固体浸漬レンズ5を介して集光した場合、
被加工物3内部の集光点での集光角度を開口数1.4に
相当する程度に増大することが可能である。
【0019】図3に示したグラフは、対物レンズの開口
数0.5、被加工物の屈折率1.454、固体浸漬レン
ズの屈折率1.80、半球状の固体浸漬レンズ(元の球
の直径3.0mm)を用いて実際に加工を行ったときの
データである。対物レンズを被加工物側にちかづけた距
離(対物レンズ移動量)を横軸にとり、この対物レンズ
移動量に対応する被加工物内部での集光点の移動量(集
光点移動量)を縦軸にとり、両者の関係を表したもので
ある。
【0020】このグラフから、固体浸漬レンズを用い、
これを被加工物の表面に置くことで、対物レンズの移動
量に対して集光点の移動量が、非常に小さくなることを
示している。このことは、レーザ光による二次元加工を
行う際に、被加工物表面に凹凸等があっても、被加工物
内部の集光点の深さの変動がなく、安定した加工が出来
ることを示している。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ加
工法によれば、開口数が小さく作動距離が長い対物レン
ズを用いても、被加工物内でのレーザ光の集光角度は開
口数の大きな対物レンズを用いたものと同程度とするこ
とができる。このため、例えば数mmの作動距離を確保
した状態で、1以上の高開口数で被加工物の深部にまで
レーザ光を集光できることになる。
【0022】また、対物レンズの移動量に対して集光点
の移動量が小さいため、被加工物表面に凹凸等があって
も、これに影響されることがなく、安定した加工が行え
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレーザ光装置の一例の要部を示す概略
構成図である。
【図2】本発明で使用される固体浸漬レンズの一例を示
す斜視図である。
【図3】本発明における対物レンズ移動量と集光点移動
量との関係を示す図表である。
【図4】従来のレーザ光加工方法の例を示し概略構成図
である。
【符号の説明】
1…レーザ光源、2…対物レンズ、3…被加工物、5…
固体浸漬レンズ。
フロントページの続き (72)発明者 四方 朋子 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉事業所内 (72)発明者 福田 武司 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉事業所内 (72)発明者 細谷 英行 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉事業所内 Fターム(参考) 4E068 CA01 CA11 CD14 CE02 CE04 4G015 FA07 5F072 AB20 KK30 SS08 YY06

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透明材料からなる被加工物内部に対物レン
    ズを介してレーザ光を集光して屈折率上昇領域を作製す
    る加工において、被加工物の上に固体浸漬レンズを置
    き、対物レンズからのレーザ光をこの固体浸漬レンズを
    通して被加工物内部に集光することを特徴とするレーザ
    加工方法。
  2. 【請求項2】レーザ光がフェムト秒レーザ光であること
    を特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
  3. 【請求項3】レーザ光源と、このレーザ光源からのレー
    ザ光を集光する対物レンズと、透明材料からなる被加工
    物上に置かれた固体浸漬レンズとを有し、対物レンズと
    固体浸漬レンズとをその光軸が一致するように保持した
    状態で、これらレンズを移動させることで被加工物内部
    に屈折率上昇領域を作製する加工を行うことを特徴とす
    るレーザ加工装置。
  4. 【請求項4】レーザ光源と、このレーザ光源からのレー
    ザ光を集光する対物レンズと、透明材料からなる被加工
    物上に置かれた固体浸漬レンズとを有し、対物レンズと
    固体浸漬レンズとをその光軸が一致するように保持した
    状態で、被加工物を移動させることで被加工物内部に屈
    折率上昇領域を作製する加工を行うことを特徴とするレ
    ーザ加工装置。
  5. 【請求項5】被加工物またはレンズを移動させる手段が
    二次元精密移動ステージまたは三次元精密移動ステージ
    であることを特徴とする請求項3または4記載のレーザ
    加工装置。
  6. 【請求項6】レーザ光源がフェムト秒レーザ光を発する
    ものであることを特徴とする請求項3、4または5に記
    載のレーザ加工装置。
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