JP2003340579A - 透明材料内部の処理方法およびその装置 - Google Patents

透明材料内部の処理方法およびその装置

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    • C03C4/00—Compositions for glass with special properties
    • C03C4/04—Compositions for glass with special properties for photosensitive glass

Abstract

(57)【要約】 【課題】数ｍｍ以上のワーキングディスタンスをとるこ
とのできる開口数の比較的小さい集光レンズを用いてフ
ェムト秒レーザー光を透明材料内部に集光するようにし
ても、集光点における改質形状や加工形状などの処理形
状として、フェムト秒レーザー光のビームの進行方向に
平行する方向の断面の形状が真円に近いものを得ること
ができるようにする。 【解決手段】フェムト秒レーザーから出射されるレーザ
ー光のビームの進行方向に直交する方向の断面のビーム
形状を所定の形状に成形し、上記進行方向に直交する方
向の断面のビーム形状を上記所定の形状に成形したレー
ザー光をレンズに入射して該レンズにより透明材料の内
部に集光し、上記透明材料の内部に集光したレーザー光
の作用により上記透明材料の内部を処理する。

Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は、透明材料内部の処
理方法およびその装置に関し、さらに詳細には、１０
−１３秒オーダーのパルス幅を有するフェムト秒レーザ
ーのレーザー光に対して透明な材料の内部の改質や加工
などの処理を行う際に用いて好適な透明材料内部の処理
方法およびその装置に関する。
【従来の技術】従来より、サブナノ秒以下のレーザー光
源として、１０−１３秒オーダーのパルス幅を有するフ
ェムト秒レーザーが知られている。こうしたフェムト秒
レーザー、例えば、パルス幅が１００〜１５０フェムト
秒ほどのフェムト秒レーザーから出射されたレーザー光
たるフェムト秒レーザー光（本明細書においては、「フ
ェムト秒レーザーから出射されたレーザー光」を「フェ
ムト秒レーザー光」と適宜に称することとする。）を、
レンズを用いて当該フェムト秒レーザー光に対して透明
な材料（本明細書においては、所定のレーザー光に対し
て透明な材料を称するにあたって、単に「透明材料」と
適宜に称することとする。）の内部に集光すると、当該
フェムト秒レーザー光を集光された集光位置たる集光点
のみに多光子吸収を生じさせ、透明材料内部における集
光点の改質や加工などの処理を行うことができるという
現象が知られている。近年においては、こうした現象を
利用して、フェムト秒レーザー光に対して透明なガラス
材料内部において屈折率を変化させたり、結晶析出を行
ったり、マイクロボイドを生成したりすることが可能で
あることが報告されており、さらには、光導波路や３次
元メモリーあるいはフォトニック結晶やマイクロチャネ
ルなどの作成が報告されている。ところで、上記した現
象を利用して作成された上記したマイクロチャネルなど
の構造について、フェムト秒レーザー光のビームの進行
方向に平行する方向の断面の形状を観察すると、その断
面形状は、フェムト秒レーザー光の集光点における当該
フェムト秒レーザー光の縦方向、即ち、当該フェムト秒
レーザー光のビームの進行方向に平行する方向の空間強
度分布に大きく依存していることが判明した。即ち、本
願発明者の計算結果によれば、例えば、開口数（Ｎｕｍ
ｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）が０．４６
（「開口数＝０．４６」は、倍率２０倍に相当する。）
の対物レンズを用いてフェムト秒レーザー光を集光した
場合には、当該集光点におけるフェムト秒レーザー光の
ビームの進行方向に平行する方向の空間強度分布（図２
におけるＹ−Ｚ平面の空間強度分布である。）は、図１
（ａ）に示すようにフェムト秒レーザー光のビームの進
行方向に延びた縦長の楕円形状の強度分布を持つことに
なる。その結果、透明材料内部における改質形状や加工
形状などの処理形状も、透明材料内部の集光点における
フェムト秒レーザー光のビームの進行方向に平行する方
向の空間強度分布の影響を受けて、フェムト秒レーザー
光のビームの進行方向に延びた縦長の楕円形状となって
しまうものであった。しかしながら、透明材料内部にお
ける改質形状や加工形状などの処理形状が、フェムト秒
レーザー光のビームの進行方向に延びた縦長の楕円形状
となることは、工業的にマイクロチャネルや光導波路な
どを作成して利用することを考慮した場合には望ましい
ものではないという問題点があった。即ち、多くの場合
に、透明材料内部における改質形状や加工形状などの処
理形状としては、フェムト秒レーザー光のビームの進行
方向に平行する方向の断面の形状が真円に近いものであ
ることが要求されるものであった。ここで、透明材料内
部における改質形状や加工形状などの処理形状として、
フェムト秒レーザー光のビームの進行方向に平行する方
向の断面の形状が真円に近いものを得るためには、透明
材料内部の集光点におけるフェムト秒レーザー光のビー
ムの進行方向に平行する方向の空間強度分布を真円に近
いものとすればよいことになる。一般に、透明材料内部
の集光点において、フェムト秒レーザー光のビームの進
行方向に平行する方向における真円に近い空間強度分布
を得て、透明材料内部における改質形状や加工形状など
の処理形状として、フェムト秒レーザー光のビームの進
行方向に平行する方向の断面の形状が真円に近いものを
得るための手法としては、例えば、開口数の大きい対物
レンズを利用することが考えられる。確かに、開口数が
１以上の対物レンズを用いてフェムト秒レーザー光を透
明材料内部に集光して、当該透明材料内部における改質
や加工などの処理を行った場合には、当該集光点におけ
る改質形状や加工形状などの処理形状としては、フェム
ト秒レーザー光のビームの進行方向に平行する方向の断
面の形状に関して真円に近い形状を得られることが知ら
れている（Ｈｉｒｏａｋｉ ＭＩＳＡＷＡ ｅｔ ａ
ｌ．， Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．４０８８， ｐ
２９−３２）。しかしながら、開口数が１以上の対物レ
ンズを用いてフェムト秒レーザー光を透明材料内部に集
光する場合には、ワーキングディスタンス（ワーキング
ディスタンスとは、対物レンズと試料、即ち、改質や加
工などの処理対象の透明材料との間の距離である。）が
数百μｍ以下（開口数が１の対物レンズを用いてフェム
ト秒レーザー光を透明材料内部に集光する場合には、ワ
ーキングディスタンスは２００〜３００μｍとなる。）
となるため、透明材料内部の深い位置の領域に対して改
質や加工などの処理を行うことは不可能であるという問
題点が指摘されていた。
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、数ｍｍ以上のワーキン
グディスタンスをとることのできる開口数の比較的小さ
い集光レンズを用いてフェムト秒レーザー光を透明材料
内部に集光するようにしても、集光位置たる集光点にお
ける改質形状や加工形状などの処理形状として、フェム
ト秒レーザー光のビームの進行方向に平行する方向の断
面の形状が真円に近いものを得ることができるようにし
た透明材料内部の処理方法およびその装置を提供しよう
とするものである。
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうち請求項１に記載の発明は、フェムト秒
レーザーから出射されるレーザー光のビームの進行方向
に直交する方向の断面のビーム形状を所定の形状に成形
し、上記進行方向に直交する方向の断面のビーム形状を
上記所定の形状に成形したレーザー光をレンズに入射し
て該レンズにより透明材料の内部に集光し、上記透明材
料の内部に集光したレーザー光の作用により上記透明材
料の内部を処理するようにしたものである。また、本発
明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項
１に記載の発明において、上記所定の形状を略長方形状
としたものである。また、本発明のうち請求項３に記載
の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明におい
て、上記所定の形状を略十字型状としたものである。ま
た、本発明のうち請求項４に記載の発明は、レーザー光
を出射するフェムト秒レーザーと、上記フェムト秒レー
ザーから出射されたレーザー光のビームの進行方向に直
交する方向の断面のビーム形状を所定の形状に成形する
ビーム形状成形手段と、上記ビーム形状成形手段により
上記進行方向に直交する方向の断面のビーム形状を所定
の形状に成形されたレーザー光を入射して、該レーザー
光を透明材料の内部に集光するレンズとを有し、上記レ
ンズにより上記透明材料の内部に集光されたレーザー光
の作用により上記透明材料の内部を処理するようにした
ものである。また、本発明のうち請求項５に記載の発明
は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、さら
に、上記透明材料の内部に集光されるレーザー光の集光
位置を上記透明材料に対して相対的に移動する移動手段
とを有するようにしたものである。また、本発明のうち
請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項４または
請求項５のいずれか１項に記載の発明において、上記ビ
ーム形状成形手段は、上記フェムト秒レーザーから出射
されたレーザー光が通過する略長方形状のスリットを備
え、上記フェムト秒レーザーから出射されたレーザー光
のビームの進行方向に直交する方向の断面のビーム形状
を略長方形状に成形するようにしたものである。また、
本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請
求項４または請求項５のいずれか１項に記載の発明にお
いて、上記ビーム形状成形手段は、上記フェムト秒レー
ザーから出射されたレーザー光が通過する略十字型状の
スリットを備え、上記フェムト秒レーザーから出射され
たレーザー光のビームの進行方向に直交する方向の断面
のビーム形状を略十字型状に成形するようにしたもので
ある。また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本
発明のうち請求項４または請求項５のいずれか１項に記
載の発明において、上記ビーム形状成形手段は、第１の
シリドリカルレンズと第２のシリンドリカルレンズとを
順次平行に配置し、上記フェムト秒レーザーから出射さ
れたレーザー光のビームの進行方向に直交する方向の断
面のビーム形状を略長方形状に成形するようにしたもの
である。従って、上記した本発明のうち請求項１乃至請
求項８に記載の発明によれば、透明材料内部の集光点に
おけるフェムト秒レーザー光のビームの進行方向に平行
する方向の空間強度分布が真円に近いものとなり、その
結果、透明材料内部における改質形状や加工形状などの
処理形状として、フェムト秒レーザー光のビームの進行
方向に平行する方向の断面の形状が真円に近いものを得
ることができるようになる。即ち、上記した本発明のう
ち請求項１乃至請求項８に記載の発明のように、フェム
ト秒レーザーから出射されるレーザー光のビームの進行
方向に直交する方向の断面のビーム形状を所定の形状、
例えば、略長方形状や略十字型状に成形してレンズに入
射すると、回折効果により、透明材料内部の集光点にお
けるフェムト秒レーザー光のビームの進行方向に平行す
る方向の空間強度分布が真円に近いものとなるので、透
明材料内部における改質形状や加工形状などの処理形状
として、フェムト秒レーザー光のビームの進行方向に平
行する方向の断面の形状が真円に近いものを得ることが
できる。
【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づいて、本
発明による透明材料内部の処理方法およびその装置の実
施の形態の一例について詳細に説明するものとする。図
２には、本発明による透明材料内部の処理装置の概念構
成説明図が示されている。なお、この図２においては、
本発明による透明材料内部の処理装置を用いて、透明材
料としての感光性ガラス製の試料１００の内部における
処理として、試料１００の内部にマイクロチャネル１０
２を形成するために、マイクロチャネル１０２となる領
域の改質の処理を行う場合が示されている。なお、感光
性ガラスとしては、例えば、フォーチュランガラス（Ｆ
ｏｒｔｕｒａｎ Ｇｌａｓｓ）を用いることができる。
この図２に示す透明材料内部の処理装置は、１０−１３
秒オーダーのパルス幅を有するフェムト秒レーザー光と
して、例えば、パルス幅が１００〜１５０フェムト秒ほ
どのフェムト秒レーザー光を照射するフェムト秒レーザ
ー１０と、フェムト秒レーザー１０から出射されたレー
ザー光のビームの進行方向に直交する方向の断面のビー
ム形状を所定の形状に成形するビーム形状成形手段とし
てフェムト秒レーザー１０から出射されたフェムト秒レ
ーザー光が通過する略長方形状のスリット１２ａが形成
されたスリット部材１２と、スリット部材１２のスリッ
ト１２ａを通過したフェムト秒レーザー光を試料１００
の内部に集光するレンズとしての対物レンズ１４とを有
して構成されている。また、この透明材料内部の処理装
置は、対物レンズ１４により試料１００の内部に集光さ
れるフェムト秒レーザー光の集光位置を、試料１００に
対して相対的に移動する移動手段としての移動テーブル
２００を備えており、この移動テーブル２００上に試料
１００が載置されている。なお、移動テーブル２００
は、図２においてＸ方向、Ｙ方向ならびにＺ方向に任意
に移動可能なようになされており、この移動はモータな
どの駆動手段（図示せず）により制御されるものとす
る。即ち、この透明材料内部の処理装置は試料１００に
対して位置決めされて固定されているが、試料１００を
移動テーブル２００上に載置してＸ方向、Ｙ方向ならび
にＺ方向に任意に移動することにより、試料１００の内
部に集光されるフェムト秒レーザー光の集光位置を試料
１００に対して相対的にＸ方向、Ｙ方向ならびにＺ方向
に任意に移動し、試料１００の内部でフェムト秒レーザ
ー光をＸ方向、Ｙ方向ならびにＺ方向に任意に走査する
ことができるように構成されている。ここで、スリット
部材１２に形成された略長方形状のスリット１２ａは、
試料１００に対してフェムト秒レーザー光が相対的に走
査されるＸ方向に延長するように形成されており、長手
方向の長さＬは、例えば、３ｍｍであり、幅方向の長さ
Ｗは、例えば、０．５ｍｍである。また、この透明材料
内部の処理装置においては、対物レンズ１４としては、
例えば、開口数が０．４６（倍率２０倍）のものを用い
ることができる。以上の構成において、フェムト秒レー
ザー１０から出射されたフェムト秒レーザー光は、スリ
ット部材１２のスリット１２ａを通過して、スリット１
２ａの形状と同じビーム形状をもって対物レンズ１４に
入射される。即ち、フェムト秒レーザー１０から出射さ
れたフェムト秒レーザー光のビームの進行方向に直交す
る方向の断面のビーム形状は、当該フェムト秒レーザー
光がスリット部材１２のスリット１２ａを通過すること
により略長方形状に成形され、ビームの進行方向に直交
する方向の断面のビーム形状が略長方形状に成形された
フェムト秒レーザー光が対物レンズ１４に入射される。
そして、対物レンズ１４に入射されたフェムト秒レーザ
ー光たる、ビームの進行方向に直交する方向の断面のビ
ーム形状がスリット１２ａの形状と同じ略長方形状に成
形されたビーム形状をもったフェムト秒レーザー光は、
対物レンズ１４により集光されて、試料１００の内部に
位置する集光位置たる集光点に集光される。上記のよう
にして、フェムト秒レーザー光をスリット１２ａを通過
させてから対物レンズ１４により集光することにより、
本願発明者の計算結果によれば、集光点におけるフェム
ト秒レーザー光のビームの進行方向に平行する方向の空
間強度分布（図２におけるＹ−Ｚ平面の空間強度分布で
ある。）は大幅に改善され、図１（ｂ）に示すように集
光点の中心部では真円に近い形状の空間強度分布が得ら
れる。ここで、本発明による透明材料内部の処理装置に
より空間強度分布が改善された理由は、フェムト秒レー
ザー光のビーム形状をスリット１２ａによりＸ方向に対
して細長いビーム形状に成形したため、この方向に対し
て回折効果が生じ、対物レンズ１４によって集光された
地点でビームがＹ方向に広がったためである（集光点に
おけるフェムト秒レーザー光のビーム形状は、対物レン
ズ１４に入射されたフェムト秒レーザー光のビーム形状
をフーリエ変換したものに一致する。）。従って、フェ
ムト秒レーザー光のビーム形状をＸ方向に対して細長く
成形したとき、Ｙ方向のビーム幅は増加することになる
が、集光位置における中心部分の空間強度が成形しなか
った場合に比べてかなり弱くなっているため、フェムト
秒レーザー光により処理される領域をより細く限定する
ことができるようになる。このため、Ｙ方向のビーム幅
が増加したにもかかわらず、図３乃至図４に示すよう
に、ビームを成形した方が形成されたマイクロチャネル
の幅は細くなっている。また、図５（ａ）に示すよう
に、スリット（図５（ａ）において符号１２ａ’により
示す。）が位置する方向を図２に示すスリット１２ａの
方向から９０度回転させて、Ｙ方向に細長いビーム形状
に成形すると、フェムト秒レーザー光の集光位置ではビ
ームを走査する方向たるＸ方向に細長いビーム形状とな
るので、さらに細いチャネルの作成が可能となる。次
に、図２に示す透明材料内部の処理装置を用いて行われ
た、本願発明者による実験結果について説明する。な
お、この実験において用いた透明材料内部の処理装置に
おいては、スリット部材１２に形成された略長方形状の
スリット１２ａの大きさを、長手方向の長さＬ（図２参
照）を３ｍｍとし、幅方向の長さＷ（図２参照）を０．
５ｍｍとした。また、対物レンズ１４は、開口数が０．
４６（倍率２０倍）のものを用いた。さらに、フェムト
秒レーザー１０から出射されるフェムト秒レーザー光と
しては、「エネルギー＝４９０ｎＪ」のものを用いた。
そして、試料１００の内部に集光したフェムト秒レーザ
ー光を当該試料１００の内部で走査させる際の速度は、
「速度＝２５０μｍ／ｓ」とした。この実験は、透明材
料内部の処理装置を用いて、感光性ガラス製の試料１０
０の内部にマイクロチャネル１０２を形成するものであ
り、まず、フェムト秒レーザー光を試料１００の内部で
集光し、移動テーブル２００をＸ方向に移動することに
より、移動テーブル２００上に載置された試料１００を
Ｘ方向に移動して、試料１００に対して相対的にフェム
ト秒レーザー光をＸ方向に走査することにより、マイク
ロチャネル１０２の流路１０２ａの改質を行う。続い
て、フェムト秒レーザー光をＸ方向に走査して改質した
流路１０２ａの一方の端部にフェムト秒レーザー光の集
光点を位置させてから、移動テーブル２００をＺ方向に
移動することにより、移動テーブル上に載置された試料
１００をＺ方向に移動して、試料１００に対して相対的
にフェムト秒レーザー光をＺ方向に走査することによ
り、マイクロチャネル１０２の流路１０２ｂの改質を行
う。なお、この際に、フェムト秒レーザー光の集光点が
試料１００の上面１００ａまで走査されるように、試料
１００をＺ方向に移動する。同様に、フェムト秒レーザ
ー光をＸ方向に走査して改質した流路１０２ａの他方の
端部にフェムト秒レーザー光の集光点を位置させてか
ら、移動テーブル２００をＺ方向に移動することによ
り、移動テーブル２００上に載置された試料１００をＺ
方向に移動して、試料１００に対して相対的にフェムト
秒レーザー光をＺ方向に走査することにより、マイクロ
チャネル１０２の流路１０２ｃの改質を行う。なお、こ
の際に、フェムト秒レーザー光の集光点が試料１００の
上面１００ａまで走査されるように、試料１００をＺ方
向に移動する。以上のようにして、試料１００に対して
フェムト秒レーザー光を照射した後に熱処理を行うと、
フェムト秒レーザー光を照射した領域は、フェムト秒レ
ーザー光を照射されていない領域に対して、フッ酸溶液
に関して数十倍のエッチング速度を持つ。このエッチン
グ速度の差を利用して、フェムト秒レーザー光を照射し
た領域のみを選択的にエッチングすることができ、試料
１００の内部にマイクロチャネル１０２を穿設して形成
した。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）には、上記のよう
にして試料１００に作成されたマイクロチャネル１０２
の顕微鏡写真が示されている。なお、図３（ａ）（ｂ）
は、スリット部材１２を用いずにフェムト秒レーザー光
を直接に対物レンズ１４で集光して試料１００の内部に
照射したという従来の場合を示し、図３（ｃ）（ｄ）
は、スリット部材１２を用いてフェムト秒レーザー光を
略長方形状のスリット１２ａを通過させた後に対物レン
ズ１４で集光して試料１００の内部に照射した本発明の
場合を示している。また、図３（ａ）（ｃ）は試料１０
０の側面、即ち、図２におけるＡ矢視から観察した結果
を示し、図３（ｂ）（ｄ）は試料１００を上面１００ａ
から下面１００ｂに向けて図２におけるＢ−Ｂ線に沿っ
て機械的に切断して当該切断した試料１００の内部に形
成されたマイクロチャネル１０２のフェムト秒レーザー
光のビームの進行方向に直交する方向の断面をＣ矢視か
ら観察した結果を示している。これら図３（ａ）（ｂ）
（ｃ）（ｄ）に示されているように、マイクロチャネル
１０２の断面形状の横方向（幅方向）の長さは、図３
（ｂ）に示すものが４０μｍであり、図３（ｄ）に示す
ものが３８μｍであって、スリット部材１２を用いた方
がわずかに細くなっている。さらに、マイクロチャネル
１０２の断面形状の縦方向（高さ方向）の長さは、図３
（ｂ）に示すものが１１９μｍであり、図３（ｄ）に示
すものが６０μｍであって、両者の間には大きな差異が
ある。従って、マイクロチャネル１０２の断面形状の縦
方向と横方向との長さの比である縦横比（アスペクト
比：Ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）は、図３（ｂ）に示す
ものが「３：１」となり、図３（ｄ）に示すものが
「１．６：１」となって、フェムト秒レーザー光がスリ
ット１２ａを通過することによって、縦横比が「３：
１」から「１．６：１」に大幅に改善された。図４
（ａ）（ｂ）には、スリット部材１２に形成された略長
方形状のスリット１２ａの大きさを、長手方向の長さＬ
を３ｍｍとし、幅方向の長さＷを０．２ｍｍとする点を
除いては、図３に示す実験と全く同一の実験条件におい
て実験した結果を示している。なお、図４（ａ）は試料
１００の側面、即ち、図２におけるＡ矢視から観察した
結果を示し、図４（ｂ）は試料１００を上面１００ａか
ら下面１００ｂに向けて図２におけるＢ−Ｂ線に沿って
機械的に切断して当該切断した試料１００の内部に形成
されたマイクロチャネル１０２のフェムト秒レーザー光
のビームの進行方向に直交する方向の断面をＣ矢視から
観察した結果を示している。図４（ａ）（ｂ）に示す実
験結果によれば、略長方形状のスリット１２ａの幅方向
の長さを０．２ｍｍとすることにより、マイクロチャネ
ル１０２の断面形状の横方向の長さが２５μｍとなり、
マイクロチャネル１０２の断面形状の縦方向の長さが３
３μｍとなって、縦横比は「１．３：１」にさらに改善
された。従って、略長方形状のスリット１２ａの幅方向
Ｗの長さを短くすれば、縦横比が改善されて、マイクロ
チャネル１０２の断面形状は真円に近づく。なお、上記
した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に示すよう
に変形してもよい。 （１）上記した実施の形態においては、フェムト秒レー
ザーから出射されたレーザー光のビームの進行方向に直
交する方向の断面のビーム形状を所定の形状に成形する
ビーム形状成形手段として、フェムト秒レーザー１０か
ら出射されたフェムト秒レーザー光が通過する略長方形
状のスリット１２ａが、フェムト秒レーザー光の走査方
向のうちの図２におけるＸ方向に沿って形成されたスリ
ット部材１２を用いたが、これに限られるものではない
ことは勿論である。例えば、フェムト秒レーザー１０か
ら出射されたフェムト秒レーザー光が通過する略長方形
状のスリット１２ａ’が、フェムト秒レーザー光の走査
方向のうちの図２におけるＸ方向と直交するＹ方向に沿
って形成されたスリット部材１２’（図５（ａ）参照）
を用いてもよい。また、フェムト秒レーザー１０から出
射されたフェムト秒レーザー光が通過するスリットとし
て、十字型状のスリット１２ａ’’が形成されたスリッ
ト部材１２（図５（ｂ）参照）を用いてもよい。さらに
は、フェムト秒レーザー１０から出射されたフェムト秒
レーザー光が通過するスリットの形状は適宜の形状を選
択することができ、また、フェムト秒レーザー１０から
出射されたフェムト秒レーザー光に対してスリットを配
置する際の配置位置も適宜に選択することができる。こ
こで、図５（ａ）に示すようなスリットを用いた場合に
は、上記において説明したように、より細いマイクロチ
ャネルを形成することが可能になる。また、図５（ｂ）
に示すようなスリットを用いた場合には、真円（一方向
に対してのみ円形）状ではなくて真球（全ての方向に対
して円形）状の強度分布が得られる。従って、この図５
（ｂ）に示すようなスリットを用いることにより、マイ
クロチャネルや光導波路だけではなく、マイクロボイド
や屈折率変化による３次元メモリーやフォトニック結晶
の作成にも応用することができる。 （２）上記した実施の形態においては、フェムト秒レー
ザーから出射されたレーザー光のビームの進行方向に直
交する方向の断面のビーム形状を所定の形状に成形する
ビーム形状成形手段として、フェムト秒レーザー１０か
ら出射されたフェムト秒レーザー光が通過する略長方形
状のスリット１２ａが、フェムト秒レーザー光の走査方
向に沿って形成されたスリット部材１２を用いたが、こ
れに限られるものではないことは勿論である。即ち、ス
リット部材１２を用いてフェムト秒レーザー１０から出
射されたフェムト秒レーザー光のビームの進行方向に直
交する方向の断面のビーム形状を所定の形状に成形する
場合には、多くのエネルギーを損失する恐れがある。こ
うしたエネルギーの損失の恐れを排除するためには、図
６に示したように、焦点距離がｆ１の第１のシリンドリ
カルレンズ３００と、焦点距離がｆ２の第２のシリンド
リカルレンズ３０２とを、フェムト秒レーザー１０から
出射されたフェムト秒レーザー光のビームの進行方向に
対して直交するとともに、互いに平行かつ同一方向に延
長するようにして、フェムト秒レーザー１０と対物レン
ズ１４との間に順次配置すればよい。この際に、第１の
シリンドリカルレンズ３００と第２のシリンドリカルレ
ンズ３０２との間の距離は、「ｆ１＋ｆ２」とする。以
上のように構成すると、フェムト秒レーザー１０から出
射されて第１のシリンドリカルレンズ３００と第２のシ
リンドリカルレンズ３０２とに順次に入射されたフェム
ト秒レーザー光のビームの進行方向に直交する方向の断
面のビーム形状は、第２のシリンドリカルレンズ３０２
から出射された際には略長方形状となり、ビームの進行
方向に直交する方向の断面のビーム形状が略長方形状に
成形されたフェムト秒レーザー光が対物レンズ１４へ入
射されて集光される。従って、上記したように、例え
ば、２枚のシリンドリカルレンズを用いてフェムト秒レ
ーザー光のビームの進行方向に直交する方向の断面のビ
ーム形状を成形するようにすれば、損失をほとんどなく
してスリット１２ａを形成されたスリット部材１２を用
いた場合と同じ略長方形状のビーム形状を得ることがで
きる。 （３）上記した実施の形態においては、移動テーブル２
００により試料１００を移動することにより、試料１０
０に対して相対的にフェムト秒レーザー光の集光点を移
動したが、これに限られるものではないことは勿論であ
る。即ち、上記した実施の形態とは逆に、試料１００に
対して透明材料内部の処理装置を移動するように構成
し、透明材料内部の処理装置が移動することにより試料
１００内部におけるフェムト秒レーザー光の集光点を走
査するように構成してもよい。 （４）上記した実施の形態においては、マイクロチャネ
ルを作成する場合について説明したが、これに限られる
ものではないことは勿論であり、本発明は光導波路や３
次元メモリなどのその他の構造の作成にも応用すること
ができる。 （５）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至
（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるよう
にしてもよい。
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、数ｍｍ以上のワーキングディスタンスをと
ることのできる開口数の比較的小さい集光レンズを用い
てフェムト秒レーザー光を透明材料内部に集光するよう
にしても、集光点における改質形状や加工形状などの処
理形状として、フェムト秒レーザー光のビームの進行方
向に平行する方向の断面の形状が真円に近いものを得る
ことができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、開口数が０．４６の対物レンズを用
いてフェムト秒レーザー光を集光した場合における、当
該集光点におけるフェムト秒レーザー光のビームの進行
方向に平行する方向の空間強度分布の計算結果を示すシ
ミュレーション図である。（ｂ）は、本発明による透明
材料内部の処理装置（対物レンズとしては、開口数が
０．４６の対物レンズを用いている。また、対物レンズ
に入射されるビームの形状は「０．５ｍｍ×３ｍｍ」で
ある。）を用いてフェムト秒レーザー光を集光した場合
における、当該集光点におけるフェムト秒レーザー光の
ビームの進行方向に平行する方向の空間強度分布の計算
結果を示すシミュレーション図である。なお、（ａ）な
らびに（ｂ）においては、シミュレーション図の中心ほ
ど強度が高い状態を示している。
【図２】本発明による透明材料内部の処理装置の概念構
成説明図である。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本願発明者によ
る実験により作成されたマイクロチャネルの顕微鏡写真
である。なお、（ａ）（ｂ）は、スリット部材を用いず
にフェムト秒レーザー光を直接に対物レンズで集光して
試料の内部に照射したという従来の場合を示し、（ｃ）
（ｄ）は、スリット部材を用いてフェムト秒レーザー光
を略長方形状のスリットを通過させた後に対物レンズで
集光して試料の内部に照射した本発明の場合を示してい
る。また、（ａ）（ｃ）は試料の側面、即ち、図２にお
けるＡ矢視から観察した結果を示し、（ｂ）（ｄ）は試
料を上面から下面に向けて図２におけるＢ−Ｂ線に沿っ
て機械的に切断して当該切断した試料の内部に形成され
たマイクロチャネルのフェムト秒レーザー光のビームの
進行方向に直交する方向の断面をＣ矢視から観察した結
果を示している。
【図４】（ａ）（ｂ）は、本願発明者による実験により
作成されたマイクロチャネルの顕微鏡写真である。な
お、（ａ）は試料の側面、即ち、図２におけるＡ矢視か
ら観察した結果を示し、（ｂ）は試料を上面から下面に
向けて図２におけるＢ−Ｂ線に沿って機械的に切断して
当該切断した試料の内部に形成されたマイクロチャネル
のフェムト秒レーザー光のビームの進行方向に直交する
方向の断面をＣ矢視から観察した結果を示している。
【図５】（ａ）（ｂ）は、スリット部材の他の構成例を
示す説明図である。
【図６】スリット部材とは異なるビーム形状成形手段の
構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ フェムト秒レーザー １２、１２’、１２’’ スリット部材 １２ａ、１２ａ’、１２ａ’’ スリット １４ 対物レンズ １００ 試料 １００ａ 上面 １００ｂ 下面 １０２ マイクロチャネル １０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ 流路 ２００ 移動テーブル ３００ 第１のシリンドリカルレンズ ３０２ 第２のシリンドリカルレンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 緑川 克美 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究所 内 Ｆターム(参考） 4E068 CA03 CD01 CD10 CD14 DB00

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フェムト秒レーザーから出射されるレー
    ザー光のビームの進行方向に直交する方向の断面のビー
    ム形状を所定の形状に成形し、 前記進行方向に直交する方向の断面のビーム形状を前記
    所定の形状に成形したレーザー光をレンズに入射して該
    レンズにより透明材料の内部に集光し、 前記透明材料の内部に集光したレーザー光の作用により
    前記透明材料の内部を処理する透明材料内部の処理方
    法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の透明材料内部の処理方
    法において、 前記所定の形状は、略長方形状である透明材料内部の処
    理方法。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の透明材料内部の処理方
    法において、 前記所定の形状は、略十字型状である透明材料内部の処
    理方法。
  4. 【請求項４】 レーザー光を出射するフェムト秒レーザ
    ーと、 前記フェムト秒レーザーから出射されたレーザー光のビ
    ームの進行方向に直交する方向の断面のビーム形状を所
    定の形状に成形するビーム形状成形手段と、 前記ビーム形状成形手段により前記進行方向に直交する
    方向の断面のビーム形状を所定の形状に成形されたレー
    ザー光を入射して、該レーザー光を透明材料の内部に集
    光するレンズとを有し、 前記レンズにより前記透明材料の内部に集光されたレー
    ザー光の作用により前記透明材料の内部を処理する透明
    材料内部の処理装置。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の透明材料内部の処理装
    置において、さらに、 前記透明材料の内部に集光されるレーザー光の集光位置
    を前記透明材料に対して相対的に移動する移動手段とを
    有する透明材料内部の処理装置。
  6. 【請求項６】 請求項４または請求項５のいずれか１項
    に記載の透明材料内部の処理装置において、 前記ビーム形状成形手段は、前記フェムト秒レーザーか
    ら出射されたレーザー光が通過する略長方形状のスリッ
    トを備え、前記フェムト秒レーザーから出射されたレー
    ザー光のビームの進行方向に直交する方向の断面のビー
    ム形状を略長方形状に成形するものである透明材料内部
    の処理装置。
  7. 【請求項７】 請求項４または請求項５のいずれか１項
    に記載の透明材料内部の処理装置において、 前記ビーム形状成形手段は、前記フェムト秒レーザーか
    ら出射されたレーザー光が通過する略十字型状のスリッ
    トを備え、前記フェムト秒レーザーから出射されたレー
    ザー光のビームの進行方向に直交する方向の断面のビー
    ム形状を略十字型状に成形するものである透明材料内部
    の処理装置。
  8. 【請求項８】 請求項４または請求項５のいずれか１項
    に記載の透明材料内部の処理装置において、 前記ビーム形状成形手段は、第１のシリドリカルレンズ
    と第２のシリンドリカルレンズとを順次平行に配置し、
    前記フェムト秒レーザーから出射されたレーザー光のビ
    ームの進行方向に直交する方向の断面のビーム形状を略
    長方形状に成形するものである透明材料内部の処理装
    置。
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