JP2004513355A

JP2004513355A - レーザアブレーション

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Publication number: JP2004513355A
Application number: JP2002540891A
Authority: JP
Inventors: バリン，ペテル
Original assignee: ミクマクモ　アンパーツゼルスカブ
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2004-04-30
Also published as: CN1478007A; CA2428111A1; WO2002038323A1; AU2002223490A1; US20040102764A1; EP1339522A1

Abstract

本発明は、超短レーザパルスでのレーザアブレーションにより除去される材料の量をその最中に測定する方法を提供する。この方法は、アブレーションするレーザからの後方散乱光により提供される幾何情報によっている。短いレーザパルスの往復時間は照明下の対象物までの時間を一義的に決定するため、後方散乱レーザ光の時間的な構造はアブレーションされる部分の深さを正確に測定するために使用される。フェムト秒のレーザパルスであれば、数マイクロメートルの深さ分解能が実現できる。本発明によれば、単一のアブレーションパルスからの後方散乱光の画像は、アブレーションされる領域を横切る断面プロフィールを導出するのに必要なすべての情報を提供する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、超短レーザパルスでのレーザアブレーション（除去）に関する。これは、金属、絶縁体、及び半導体における微小構造（マイクロマシーンニング）、及び生体組織における微小構造（レーザ治療）の両方のレーザアブレーションに適用可能である。
発明の背景
レーザによる材料の除去は、加工及び医療における各種の応用で重要になってきている。国際特許出願ＷＯ９９／６７０４８で述べられているように、表面に集束された超短レーザパルスは、非常に低いエネルギで材料を除去し且つ除去される範囲を囲む領域における熱の影響を非常に小さくできる能力がある。これは、アブレーションの応用においては重要な意味がある。例えば、これは微細構造、マイクロマシーンニング、及び非常に薄い対象物の加工を可能にする。
【０００２】
レーザアブレーションは、使用されるレーザ光の強度に対して非常な非線型依存性を有する。米国特許５６５６１８６では、この特徴がレーザのスポットサイズより小さな構造を作る方法を発明するのに使用されている。この特許からは、プラズマ・ターゲットからの発光を集めてこの発光強度を除去される材料の量に関係付けることが知られている。しかし、この方法では除去される領域の深さについては何の情報も得られない。
【０００３】
独国特許公開ＤＥ１９７３６１１０では、サンプルの前にレーザを集束することによる望ましくない影響がサンプル上への結像のための回折光学系を使用することにより除去可能であることが強調されている。
【０００４】
国際特許出願ＷＯ９９５５４８７では、カット方向に対するレーザの偏光方向の重要性が指摘されている。同様に、独国特許公開ＤＥ１９７４４３６８では、レーザ偏光の回転又は円偏光した光の印加が、レーザアブレーションにより線型に偏光した光領域で生じる望ましくない幾何的な影響を除去可能であることが述べられている。
【０００５】
超短パルスレーザアブレーションの適用される他の潜在的に重要な領域はレーザ治療にあり、そこでは低減された熱の供給が望ましくない生物的な影響を最小にすることが、米国特許５７２０８９４に記載されている。
【０００６】
超短レーザパルスによる加工における高い側方（横方向）の解像度は、低減された熱供給の結果であり、それは包囲する領域の溶融を最小にする。更に、すべての光がレーザパルス内での実際的な熱拡散無しに薄い表面層（皮膚厚）に吸収されるので、垂直方向（深さ方向）の解像度を高くすることも可能である。この高精度が各種の科学的な刊行物で示されており、３次元構造の製作が可能である。
【０００７】
レーザ加工構造の上記の研究は、例えば走査型電子顕微鏡のような高分解能顕微鏡を、製作した構造を画像化するのに適用した。これは構造を調べる非常に価値ある診断であるが、進行中の（すなわち加工中の）調査に適した方法ではない。しかし、アブレーションプロセス中の幾何的な情報が得られることは非常に望ましく、例えばフィードバックループに基づく各種の非常に詳細な制御方法を可能にする。
【０００８】
米国特許５７４４７８０では、レーザ加工されるサンプルから反射された長いレーザパルスが被加工物における材料の除去の進行を調べるのに使用される。
【０００９】
超短レーザパルスによるレーザの照準は、確立された技術であり、超短レーザパルスに関する教科書に説明されており、例えば、ＤｉｅｌｓとＲｕｄｏｌｐｈの共著のＵｌｔｒａｓｈｏｒｔｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｐｈｅｎｏｍｅｎａ（ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ１９９６）を参照のこと。必要な時間分解能は、各種の光ゲーティング技術により得られる。光学的なカー効果は特定のフライト時間及びそれによる所定の距離を選択するのに使用できる。２次高調波の発生に基づく距離の決定が米国特許５５８５９１３及び５４８９９８４に記載されている。適当な光学的配置を使用することにより、特定の距離に２次元画像を得ることが可能であり、例えばＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ３１，６８６９（１９９２）のＹａｎｅｔａｌ．を参照のこと。米国特許５７１０４２９及びこれらの参考文献では、この技術が高散乱媒体を通して画像化を行う手段として検討されている。
【００１０】
上記の画像化技術は２つのカテゴリィに入る。一方では、距離が単一スポット内で標本化され、サンプルを横切って走査される。又は、所定の距離における完全な２次元画像が１回の撮影で得られる。両方の場合とも、３次元情報を得るには距離座標が走査されなければならない。
【００１１】
従来技術の上記の説明によれば、レーザアブレーションを各種の状況で使用することが知られており、レーザ照射でサンプル上の深さの輪郭（プロフィール）を測定することも知られている。しかし、レーザアブレーションと深さのプロフィール測定の組合せは知られていない。
【００１２】
深さ情報がレーザアブレーション中に得られる方法が望まれている。更に、構造の深さ及び空間情報がレーザアブレーション中の同一の光パルスで得られ、特にこの情報がアブレーションを生じるのと同一のレーザパルスで提供されることが望まれている。これは、深さ及び／又は空間情報を得るのにいかなる時間も消費せず、それゆえにアブレーションレートに影響しないことが望ましい。このような方法及びシステムを提供することが本発明の目的である。
発明の概要
この目的は、請求項１の方法により達成される。
【００１３】
本発明は、結果としての幾何的な構造に関する情報を提供するため、レーザアブレーションプロセスからの後方散乱光の時間的な特性及び望ましくは空間的な特性も使用する。
【００１４】
深さ情報は、サンプルに入る超短レーザパルスのフライト時間の高分解能測定を実行することにより得られる。後方散乱光は、到来するレーザパルスよりはるかに長い期間を有するが、光のある断片はサンプルまでの及びそこまでの可能な限り短い軌道をとる。パルス期間に類似した時間分解能で検出をゲーティング（ゲートで制御）することにより、光のこの（弾道学の）部分を選択することが可能であり、これによりサンプルまでの正確な距離を現在の幾何学で導き出すことが可能である。距離測定における分解能は、レーザパルスの期間により決定され、超短レーザパルスに対して数マイクロメートル（μｍ）の深さ分解能が得られる。
【００１５】
レーザパルスにより表面から材料をアブレーションするのと同時に同じパルスにより幾何的な情報を得ることは、大きな利点である。その理由は、ただ１つのレーザ及び同一の光学的な設定が使用できるからである。更に、必要な幾何的な情報を得るのに他の時間を必要としない。
【００１６】
金属的なサンプルは高い反射率を有し、更に半導体も強いレーザパルスを適用する時には非常に高い一時的な反射率を示す傾向にある。もしサンプルの表面でプラズマが発生されるならば、サンプルから散乱及び反射する他の媒体（絶縁体又は生物的な組織）でも可能である。特にこれらの媒体については、アブレーションの間幾何的な情報を得ることが非常な利点である。元の表面の幾何構造は高精度で得られる。その理由は、放射反射プラズマは、レーザパルスの期間中にそれほどは広がらないからである。
【００１７】
本発明の実際的な適用においては、レーザ光は２つの部分に分割され、１つの部分はアブレーションを実行するためにサンプルの上に向けられ、他の部分はいわゆる遅延線（ライン）と呼ばれる可変距離を通って送られ、いわゆる光ゲートを時間的に区切るのに使用される。光ゲートは、機械的なシャッタのように動作する装置であるが、タイミングパルスの期間を非常に短くできる超短開放時間を有する。
【００１８】
望ましくは、後方散乱光はレーザ光をサンプル上に集束又は結像するのに使用されるのと同じ光学系により収集される。これは、大きな開口数の光学系を光を収集するのに使用できる簡単な設計を可能にする。後者（大きな開口数）は２つの利点を有する。まず、高い収集効率を可能にし、従って距離測定の最大感度を可能にする。次に、高開口数は以下に説明する結像幾何学における高側方分解能を提供するのに必要である。
【００１９】
光ゲートは、非線形周波数混合に基づいている。時間相関レーザパルス、タイミングレーザパルス、及び後方散乱光は、非線形媒体（例えば、非線形結晶）上に向けられ、媒体に入射するレーザパルスが後方散乱照射の最速の（弾道学の）部分と一緒になるように遅延が調整される。両方の光の場が存在する時、非線形混合は新しい光の場、例えば２倍の周波数の場を生成する。両方の衝突光の場が新しい光の場を生成するのに存在することが必要であり、タイミングパルスが非常に短いから、生成された場は後方散乱強度を非常に良好に規定できるフライト時間で反射する。これが良好に規定できる深さに直接関係しており、それにより高分解能を可能にする。
【００２０】
非線形混合に基づく光ゲートを使用する本発明の特別な実施例では、混合を非一直線の幾何構成で実行する。これは背景を低減して感度を増加させる。更に、適当な幾何構成を選択することにより、発生された光の場の空間的な分布は後方散乱光の一時的な分布を反映する。この技術は単一ショットの自動相関器に適用したものに類似している。
【００２１】
本発明の他の実施例では、後方散乱光は、サンプル上又は光ゲートを通って相互作用領域を（好ましくは拡大して）結像する光伝送ラインを通って送られる。ゲート（例えば、等別な実施例では２倍周波数の場）を通して送られた光が更に検出器上に結像されるならば、光は得られた深さ情報に加えてアブレーション部分の２次元断面幾何構成に関する情報を搬送する。これにより、光ゲートのゲーティング時間を走査することにより、アブレーション領域の３次元的な画像を得ることを可能にする。
【００２２】
本発明の更に別の実施例では、非一直線の幾何構成における非線形周波数混合は非線形結晶上へのアブレーション領域の結像と組み合わせて使用される。それにより、パターンが結晶内に生成され、そこでは一方向のパターンの画像はサンプルの表面高さに関係する後方散乱光に関する時間的な情報を提供し、垂直方向はサンプル上のある特別な軸に沿った断面幾何に関する情報を提供する。詳細な説明に挙げた各種の使用例から明確に分かるように、幾何的な情報のこの量は大部分の場合においてアブレーションプロセスを制御するのに必要なものである。
【００２３】
発明の詳細な説明
本発明は、アブレーションを対象にした対象物の実時間画像を生成するため、レーザアブレーションからの後方散乱光の時間ゲート化測定を採用する。
【００２４】
本発明の基本原理を図１に示す。第１の矢印１で示される超短光パルスは、第２の矢印２で示されるようにアブレーションを起こすためにレンズ５によりサンプル７の表面上に集束される。入射光の一部は、第３の矢印３により示されるように後方に散乱され、第４の矢印４により示されるようにレンズ５を通して伝播する。
【００２５】
深さ情報は、サンプル７上に入射する超短レーザパルスのフライト時間の高分解能測定を実行することにより得られる。本発明はアブレーション分野で使用することを意図しているので、レーザはサンプル７の表面６の上にプラズマを発生し、光の減衰はプラズマ放出により決定されるので後方散乱光は一般に入射するレーザパルスよりはるかに長い期間である。しかし、この発明の目的であれば、光の一部がサンプル７までの及びそこからの可能な限りのもっとも短い軌跡をとるということに着目すれば十分である。パルス期間に類似した時間分解能での検出のゲーティングにより、光のこの（弾道学の）部分を選択してそれにより現在の幾何学においてサンプル７までの正確な距離を導き出すことが可能である。距離測定における分解能は、レーザパルス期間Ｔにより決定される。もしｘがサンプルまでの距離を示し、ｃが光の速度を示すならば、サンプルまでの及びそこからのフライト時間は２ｘ／ｃである。これにより、Ｔの時間的な分解能は、ｃＴ／２の空間的分解能を与える。Ｔが１０^−１４秒の超速レーザパルスであれば、数マイクロメートルの深さ分解能が得られる。この原理は、ラジオ波で動作し、はるかに長いパルスを使用するレーダの原理に類似している。
【００２６】
最初に、表面は図１に示されるように平面であり、後方散乱光のすべては同一距離を横切り、レンズ５の後の（矢印４を配置した）平面を同じ時間に横切る。図１の（ｂ）において、光は表面から除去された材料を有する。アブレーションにより形成された構造の底まで伝播する照射はより長い距離を通るので、後方散乱光のこの部分は矢印３で示すように図１の（ａ）の状態に対して遅れを生じる。
【００２７】
実際、アブレーション中の後方散乱光のフライト時間の増加の正確な測定は、アブレーション深さの完全な測定を提供する。図１に示す状態において、レーザビームの外側部分は明らかにアブレーションを起こすのに十分な強さではない。従って、図１の（ｂ）におけるエッジからの後方散乱の光は矢印４’で示すようにまだ図１の（ａ）と同じ距離を横切る。ビームの中央及び外側部分の間の相対的な遅延の正確な測定は、表面に対する穴の深さを提供する。
【００２８】
図２は、本発明の実際の構成を示す。超短パルスレーザ１０からの出力ビーム１２は、部分的な反射ミラー又はビームスプリッタ１８により２つの部分１４，１６に分割される。アブレーションを行うビーム（アブレーティングビーム）である１つの部分１４は、レーザアブレーションを実行するためにサンプルに向かって伝播し、タイミングビームであるほかの部分１６は、可変距離遅延ライン２０を通って送られ、光を光ゲートに提供する。この光学設定は、タイミングパルスが後方散乱光２４の弾道学の部分が到着する正確な時間に光ゲート２２を開くように配置されなければならない。ゲート２２の応答時間が無視できるのであれば、これはアブレーティングビーム１４とタイミングビーム１６の光学経路長が正確に等しいことを意味する。詳しくは、ビームスプリッタ１８から集束レンズ５を通ってサンプル７の表面６に至り、レンズ５を通って戻りビームスプリッタ１８から反射され、結像レンズシステム２６を通って送られそして光ゲート２２に入るまでの光学経路長は、ビームスプリッタ１８から遅延ライン２０を通って光ゲート２２に入るまでの光学経路長と正確に同一である。光ゲート２２を通って送られた光は検出器２８で監視（モニタ）される。
【００２９】
上記の実施例を若干変形した実施例では、ビームスプリッタ１８はいわゆる偏光ビームスプリッタにより置き換えられ、偏光ビームスプリッタは１つの偏光の光に対しては高反射ミラーとして動作し、垂直な偏光の光は通過させる。サンプルまでの光路中（例えばポラライザー１８とレンズ５の間）に１／４波長板を使用することにより、後方散乱光は偏光ビームスプリッタ１８で線型に偏光され、すべての光は光ゲート２２に向かわされる。これはこの方法の感度を向上する。更に、この幾何構成では、アブレーティングビーム１４とタイミングビーム１６の間の相対的な強度は、入射するレーザビーム１２の偏光を、例えば半波長板により回転させることにより連続的に調整可能である。
【００３０】
特別な実施例では、光ゲート２２は非線形周波数混合構成に含まれる。後方散乱光パルス２４及びタイミング光パルス１６は、ＢＢＯ、ホウ酸バリウム、結晶のような例えば非線形液体又は結晶である非線形媒体で混合される。両方のパルスが媒体内に存在する時（すなわち、タイミングパルスの遅延が適当である時）、２つの光の場は、異なる周波数の、例えば２次高調波場に対応する２倍の周波数の新しい光の場を生成する。このような光ゲート２２は無視できる応答時間を有し、タイミング光パルスの期間に類似した期間だけ開放する。この期間は上記のように深さ分解能を決定する。
【００３１】
好適な実施例では、２つのビームは非線形結晶上で同一のスポットに非一直線状に集束され、それはいわゆる背景光の無い自動相関として知られている。これは２つの光ビームのそれぞれから２次高調波ビーム発生における背景光を独立に分離し、実質的に改善された感度にする。
【００３２】
光ゲート２２の特別な実施例によれば、レーザアブレーションされた領域の時間分解画像化を実行することが可能である。これは、後方散乱放射２４の経路内に適当な結像レンズシステム２６を挿入することを含み、相互作用領域を光ゲート上又はそれを通して画像化する。もしゲート２２を通して送られた光（例えば特別な実施例における２倍の周波数の場）が更に検出器２８上に結像されるならば、光は得られた深さ情報に加えてアブレーションされた部分の２次元断面幾何に関する情報を搬送する。
【００３３】
ゲート遅延が固定の光ゲート２２を通って送られた光は特別なフライト時間に対応するので、表面上のある高さ又は深さに関係する画像を提供する。真の３次元画像を得るためには、異なる時間遅延で標本化することが必要であり、それは、例えば遅延ライン２０の光学遅延を走査することによりタイミングビーム１６又はアブレーションビーム２４の光学経路長を変化させることにより実現できる。
【００３４】
しかし、これは、フィードバックシステムに必要な幾何的な情報が、数レーザショットを照射する走査を必要とし、これらのショットの間に不可避の変化が生じ、それが深さ測定の不確実性を生じてアブレーションプロセスの制御を複雑にするいくつかの例では好都合ではない。超短レーザパルスでのレーザ加工は増幅されたレーザが必要であるから、レーザシステムから利用可能なパルスエネルギは通常非常に高く、典型的には１０Ｈｚから数十ｋＨｚのレートでパルス当たり１マイクロジュールと１ミリジュールの間であり、以下に説明するように本発明で他の方策が予見されるほどである。
【００３５】
後方散乱光ビーム２４及びタイミング光ビーム１６は、非線形結晶上の数ミリメートルの大きさのスポットを有する平行ビームとして混合される。２次高調波信号だけが結晶のその部分から起こり、そこでは２つのビームはタイミングパルスの（短い）パルス期間中交差する。この方法で、時間的な情報は空間パターンに変換され、システムは単一測定に対して時間遅延の範囲で信号に関する情報を提供できる。この技術は単一ショット自動相関方法から知られており、そこではＪａｎｓｋｙｅｔａｌ．，ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ２３，２９３（１９７）により最初に示唆されたように、超短レーザパルスを単一ショットで測定するのに適用される。説明として、ＤｉｅｌｅｓａｎｄＲｕｄｏｌｐｈＵｌｔｒａｓｈｏｒｔｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｐｈｅｎｏｍｅｎａ（ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ１９９６）を参照のこと。
【００３６】
空間的な軸の１つは時間的な情報を反映するので、この実施例における画像化は１つの横方向にだけに限定される。図３に実施例の更なる詳細を示す。図３の（ａ）は、結像レンズシステム２６が後方散乱光２４を投影して非線形結晶３０上に相互作用領域の２次元画像を形成する。これは図３の（ｂ）にも示される。この画像は、結晶３０内でタイミングビーム１６と交差する。２次高調波信号が、結晶３０の２つのビーム１６，２４が重なる領域３４内で２つのビーム１６，２４の混合した効果から起きる。例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラのようなカメラ３３は、この光パターン３６を収集する。カメラ３３の前のアパーチャ３１は、２次高調波光を２つの個別のビーム１６，２４から（実際には強力なタイミングビーム１６から）ブロックするのに使用される。
【００３７】
更に、以下の理由でフィルタの組合せ（３２）が必要である。第１に、相対的に強力な入射タイミングビームから散乱光を除去するために、レーザから基本周波数をブロックするフィルタが典型的には適用される。第２に、アブレーションするサンプル７に依存して、カメラ３３の飽和を避けるために２次高調波の光パターン３６を減衰することが必要である。
【００３８】
上記のように、図３の（ｂ）に示したシステムにより発生される２次高調波の光は、結晶３０の内部で２つのビーム１６，２４の空間的／時間的重なりにより形成されるパターン３６を生成する。実際、２つのビーム１６，２４の間の典型的な交差角（すなわち数度）のために、タイミングビーム１６は重なり領域３４に対応する後方散乱光２４から形成される画像の狭い切片だけを選択する。この切片（又は仮想スリット）の幅は２つの寄与により決定される。第１の寄与は、横方向からの距離からのもので、重なり領域３４は結晶を通る伝播の間に画像を横切るように移動する。もし２つのビーム１６，２４が（結晶内で測定した時に）角度θで交差して結晶が厚さｄを有するならば、この独走（”ｗａｌｋｏｖｅｒ”）はｄ・ｓｉｎ（θ／２）で与えられる。第２の寄与は、ｃＴ／ｓｉｎ（θ）の実効的な横スリット幅を与える制限されたレーザパルス期間Ｔからのものである。時間長さが１００フェムト秒の典型的な幾何的構成とパルスに対して、この最後の項は数百マイクロメートル付近の切片（又はスリット）の実効幅を決定する。画像化システム２６は典型的に配置され、非線形結晶３０上に得られる画像はミリメートルサイズで、この方法はアブレーションされた構造の１次元断面であるものを提供する。
【００３９】
カメラにより記録されたパターン３６は、遅延ラインを既知の量移動させてＣＣＤカメラ上の対応する変化を観察することにより深さ情報でキャリブレーションできる。
【００４０】
図３の（ｂ）から演繹できるように、プローブビーム１６の遅延における変化は、後方散乱光２４から形成される画像を横切った重なり領域３４の変位になる。これはアブレーション領域６の画像を横切る仮想スリットの移動に対応し、これにより各種の位置での断面を地図化するのに使用できる。
【００４１】
上記の技術の特別な実施例では、非線形結晶ＢＢＯが適用される。２つのビームは互いに平行で結晶上の入射面に垂直な（Ｓ偏光）偏光を有する。結晶は、２つのビーム１６，２４がある角度で交差する既知のいわゆる位相一致型Ｉの２次高調波発生の向きに配置されている。位相一致のこの特別な選択により、上記の技術は２つのビーム１６，２４により形成された平面に垂直な方向にアブレーションされた領域６を横切る断面プロフィールを提供する。光学的な設定における波長板が無いと、この方向はサンプル７の表面６に入射する光１４の偏光に対して平行である。
【００４２】
図４の左側は、ステンレススティール板の加工中に得られる一連の画像を示す。上記の技術は、水平方向が時間（又は深さ）軸に関係し、垂直方向が偏光方向に沿った空間座標であり、その位置がタイミングパルスの特別な遅延により選択される画像を提供する。図４の画像において、アブレーションされる領域の中央を通る断面が得られるように遅延が選択される。水平軸は深さに対応するフライト時間を示し、フライト時間が短いほど幾何的なその時点の選択に対して画像の左になる。垂直方向は、アブレーションされる穴の中心を横切る空間座標に関係する。
【００４３】
アブレーションを開始した直後にとられた図４の（ａ）の画像においては、サンプルは平坦である。従って、すべての後方散乱放射は同一距離を横切り、画像上に単一の垂直なすじ４１を生じる。図４の（ｂ）と（ｃ）の次の画像においては、レーザビームの中心部分はスティール板から材料をアブレーションする。
【００４４】
これは、サンプルにおける穴を形成し、サンプルのこの部分から散乱された光はゲートにより長いフライト時間を与えて、最初のすじ４１の右側にある信号４２，４３を生じる。画像においては、細いライン４０は平静状態の表面の位置を示し、変位したすじ４２として示される後方散乱光はこの位置に対してそれまでより穴の底までのより長い距離遅延される。パネル（ｃ）では、変位していないすじ４１に対するすじ４３の変位はより明確になる。
【００４５】
図４の右側に示した断面カーブ４５，４６，４７は、左側の画像から導き出される。カーブ４５，４６，４７の寸法は、直接のキャリブレーションから得られる。深さのキャリブレーションは、遅延ライン２０をある特定の量だけ移動してすじ４１，４２，４３の水平のシフトを観察することにより得られる。同様に、既に形成された穴を偏光方向に沿って特定の量だけ（大まかには穴の直径の半分）移動して垂直なシフトを観察することにより、空間のキャリブレーション（すなわち結像システム２６の倍率）が提供される。
【００４６】
本発明の好適な実施例で使用される光学システムの最初の配置は、２つのステップに分割することで簡単になる。第１に、レーザビームの２つの部分１４，１６に対する設定の２つの経路は、同一の光経路長になるように配置される。これは、レンズ５とサンプル７を高反射のミラーで置き換えることにより行える。このような設定により、この分野の技術者が設定を配置するにも複雑にならずに、２つのビームの混合効果による２次高調波光の生成が最大になる。このようにして、２つの経路は同一の長さを有する。第２に、レンズ５とサンプル７が再び挿入され、必要であれば結像レンズシステム２６も挿入される。適用可能であれば、結像レンズシステム２６は、例えば光学非線形結晶３０上のような所望の画像面にサンプル表面の画像を生成する。これは、低い光レベルでなすことが可能であり、この分野の技術者には明らかなように、初期の配置は可視波長でもっとも容易に実行され、その後にレーザ波長を変化させる小さい補正だけが必要である。
【００４７】
画像化システムの配置と設計においては、良く知られている古典的な画像エラー及び既知の収差を避けるための注意が必要である。この場合には、直径８ｍｍのアパーチャをレンズ５の前に配置するように使用して、レンズ５の中心部分への後方散乱光の透過を制限するようにすることにより収差は最小化される。球面収差及びコマ収差の影響は図４の（ｄ）で示され、そこでは信号４４が図４の（ｃ）に類似して記録されるが、単純な平凸レンズであるレンズ５の前のアパーチャは無い。これにより生じる収差は後方散乱光２４により形成される画像上の偽の迷光４９になり、特に穴のエッジからの後方散乱光は、信号４９がアブレーションのすべてのステージの間ゼロの深さで残るという問題を生じる。
【００４８】
収差を避けるほかの解決方法は、標準の光顕微鏡で行われるアプローチに従ってレンズ５に非球面光学系を使用することである。これは、大きな開口数を提供し、それによりアブレーションする領域６の画像における高側方分解能を提供する。
【００４９】
上記のように、深さの分解能は、レーザパルス期間に関係する。この文脈で、サンプル上にほぼ一様な強度分布を得るためにしばしば使用される、アパーチャをサンプル上に結像するのにレンズ５を使用する構成では、サンプルの前に数ミリメートルのレーザの集束が行われる。この集束が大気の気体中で行われるならば、非常に顕著なパルスの広がり、特にいわゆる自己位相変調が非線形プロセスのために通常観察される。これは、レーザアブレーションプロセスにおいては一般に好ましくない影響を有するが、ここで説明する発明との関係では、深さの分解能が劣化するという結果をもたらす。この影響を避けるために、低非線形屈折率を有する不活性ガス（いわゆる窒素ガスｎ_２）が使用できる。例えば、図４の画像を得るにはヘリウムガスがレンズの焦点領域付近に用いられる。
【００５０】
パルスからパルスへのレーザアブレーションに従うために、画像を各レーザパルス毎に撮ることが必要である。これには、レーザの繰返しレートとビデオレートが等しくなければならないことを意味する。レーザ加工で使用される超短パルスレーザはｋＨｚ程度の繰返しレートを有するが、ビデオレートは典型的には数十Ｈｚの程度である。言い換えれば、ショットからショットへの加工に従うためには、レーザ繰返しレートを低下させるか及び／又は高速度カメラを使用しなければならない。他の可能性は、レーザ繰返しレートより低い画像獲得レートを受け入れることであるが、材料の除去が解決できるのに十分に高いことが依然必要である。実際、微細加工の分野では典型的な材料除去レートはレーザパルス当たり０．１マイクロメートルの程度である。従って、本発明の数マイクロメートルの深さ分解能であれば、数十パルスより少ない影響を観察することはできない。これは、１００Ｈｚより以下で動作するビデオカメラが情報の損失無しにしばしば適用できることを意味する。図に示した画像は、すべて標準のビデオカメラで商業的に利用可能なフレーム獲得器で撮影したものである。
【００５１】
平均の深さはｋＨｚの繰返しレートのレーザ及び標準のビデオレートに関係するレーザショットの個数ではあまり変化しないが、数十レーザショットに渡る平均としての画像が得られる。低減されたレーザ繰返しレートでの調査では、単一のレーザパルスにより明らかにされる幾何的な情報は前のレーザパルスにより残る表面６上の特別な状態により影響される。特に、表面上に残る小さな粒子（デブリ）がレーザショットからレーザショットに渡って画像を変化させることが分かる。数十レーザパルスに渡って平均化する時（すなわち、レーザを標準のｋＨｚ繰返しレートで動作させる時）、これらのショットからショットへの変動の影響は深さプロフィールの付加的なにじみである。図４の画像における深さ軸における２０μｍまでのにじみ（全半値幅で）は、２つのほぼ等しい寄与により構成されている。１００ｆｓのパルス幅のレーザパルスは、ｃＴ／２＝１５μｍに対応し、更にショットからショットに渡る変動が同様の量寄与する。
【００５２】
上記の深さにじみは最大値の半分での全幅であることに注目することが重要である。深さ分解能は、この分布の位置が決定できる精度で決定される。この精度は測定の統計的な重要性に依存しているが、典型的には最大値の半分での全幅の小さな部分である。図５の（ａ）は、図４に示した一連の画像から決定されたステンレススティール板でのアブレーション時間に対する測定した深さを示す。図示のように、アブレーションレートはよい近似定数があり、時間に対する深さは直線により良好に近似される。図５の（ｂ）において、この線形項は測定された深さから除去され、測定精度の研究を可能にする。点は、上記の最大値の半値における全幅の５％だけである１μｍと同じように小さい標準の偏差で散乱している。
【００５３】
本発明で説明したシステムは、レーザアブレーションを適用する領域のプロフィールに関するオンライン情報を生成できる。この情報が加工プロセスを制御するのに使用できることは明らかである。もっとも明らかな使用例は、サンプルの加工を所定の深さで停止させるのに本発明を適用することである。これは、高精度３次元マイクロ加工及びレーザ手術のいくつかの応用にとって有効であることは明らかである。
【００５４】
第２の応用は、マスクをサンプル上に集束又は結像するのに使用される集束装置（たとえばレンズ）の位置を調整するためのフィードバックシステムとして深さプロフィールを使用する。ある深さまで加工することが要求される時、側方（横方向）の大きさを保つために、レンズとサンプル間の距離を調整して加工する部分（例えば穴の底）が常に正しい距離に維持されるようにすることが必要である。これは本発明を使用することにより実現できる。
【００５５】
レーザ加工のいくつかの応用では、レーザに対するサンプルの移動が採用される。この方法では、材料は延長した領域から除去できる。この方法はしばしばレーザミリングと呼ばれる。本発明はレーザミリングで良好な深さ制御を可能にする。深さのプロフィールはサンプル（又はレーザ）の速度を調整するために走査システムにフィードバックされ、特定の最終深さが得られる。この方法は移動軸に沿った幾何構成に大部分依存しているので、光ゲートは１次元画像化を可能にするためだけに必要である。
【００５６】
図６は、レーザミリング中に得られた２つの画像を示している。図６の両方の画像において、サンプルは画像に対して上方に移動される。深さプロフィールにおける傾斜は、レーザ焦点６１を離れレーザ焦点６２に入る領域から除去された材料の異なる量を示す。図６の（ａ）は（浅い深さ６１まで加工される）サンプルの早い変化を示し、図６の（ｂ）は（より深い深さ６１’まで加工される）よりゆっくりした変化に対応する。フィードバックシステムはこのような画像／プロフィール測定に基づいている。図６の画像において、パルスエネルギは一定に維持され、サンプルの変化速度のみが変化する。画像からのフィードバックに基づいて、アブレーションレートを低下させるように、パルスエネルギを徐々に低下させることが可能である。これは微細な細部の正確な製作に有用である。
【００５７】
上記の説明はレーザアブレーション領域を横切る特定の軸に沿った断面情報を生成する装置を発明した。この方向は非線形結晶に入る２つのビームにより形成される平面に垂直な軸により示されるので、この軸は容易には回転できない。しかし、システムを複製して他の光ゲートを適用するだけで他の軸を容易に付加できることが分かる。光学的な配置は、このゲートの信号及びタイミングビームが異なる平面を形成し、それによりレーザアブレーションされる領域を横切る異なる方向を選択するように配置する。
【００５８】
本発明の特別な適用は、一様でないサンプルのレーザ加工におけるものである。上記のように、生成された構造の品質はレンズとサンプル間の距離の正確な制御に非常に依存している。一様でないサンプルが加工の間に変化するならば、この距離を制御しなければならない。もし深さプロフィール方法が適用されるならば、加工中の変化する距離を決定することが可能であり、信号は（アブレーションされる表面の傾斜からフィードバックされる）走査速度と（入る側のエッジにおける表面のレベルからフィードバックされる）焦点幾何形状の両方を調整するのに十分である。この応用は、レーザが照射されるサンプルが複雑な地理的な形状をしているのが一般的であるレーザアブレ−ションの医学的な適用にも非常に有用である。
【００５９】
上記の説明において、断面プロフィールが得られることが強調される。貫通穴のドリル加工については、この情報はサンプルの貫通の前に穴の底の所望のプロフィールを確認するのに使用できるので依然有用である。
【００６０】
貫通穴のドリル加工中の断面情報の記録は、形成される穴の幾何形状に関する情報を実際に含んでいる。特に、深さに対するすじの幅は、深さに対する穴の幅、すなわちいわゆる穴の先端の形状を提供する。この特性は、例えば各種の応用においてノズルとして使用される穴特性において非常に重要である。
【００６１】
フライで得られる断面情報に対して、貫通穴の先端形状に関する上記の情報はつながる画像のすべてを累積することにより得られるだけである。より正確にいえば、ある深さまでのすべての画像の記録がその深さまでの穴の先端形状を提供する。言い換えれば、全先端形状は穴が完成した後に明らかになる。しかし、加工中に得られた情報は加工パラメータを調整して所望の先端形状を最適化するのに使用できる。実際、一連の画像のすべてから、穴の先端形状だけでなく、穴の側壁の形状も再構築できる。
【００６２】
貫通穴のドリル加工を最適化するように設計されたいくつかの方法では、穴の所望の直径より小さいレーザスポットサイズが適用され、レーザスポットは最適な幾何形状を得るためにサンプル上を移動される。（いわゆる心残し削り又はヘリカルドリル加工技術のような）方法の選択にかかわらず、幾何的な情報を得る方法は依然有用である。もちろん、加工中にレーザスポットを移動することは、フライで導出される幾何的な情報が異なる表面位置に関係することを意味するが、アブレーションが適用される部分の良く知られた座標系と一緒の幾何的情報の記録は、レーザアブレーションされる領域の全プロフィールを提供する。特に、レーザスポットサイズが形成される構造のサイズに比べて小さい限界状態では、本発明の画像化の実施例は必要でないかもしない。レーザが照射される点の深さは記録され、レーザスポットがサンプルの上を移動しながら、深さプロフィールが走査プローブ技術を使用して点毎に得られる。
【００６３】
興味深いことに、この貫通穴の先端形状又は側壁プロフィールを測定するという特定の応用は、レーザのパルス期間にほとんど依存しない。ピコ秒の期間を有するレーザでさえ、先端形状情報は有用であり、１００マイクロメートルまでの深さ分解能で穴の幅を提供し、そして先端形状はこれらの深さ寸法に渡っているので、多くの情報は失われない。
【００６４】
サンプルの反射率がダメージの閾値より十分に低いとすると、本発明で説明した距離測定は加工に先立つプロフィール測定として適用できる。例えば、選択された加工が適用でき、プロフィールが得られ、例えば突起などのある領域が所望のプロフィールが得られるまでレーザにより加工される。この加工前プロフィール測定のほかの適用は、次の工程においてレーザアブレーションされた領域に向けられる。最適な加工は繰返し加工により得られ、そこでは各工程では薄い層のみが除去される。本発明により、加工用レーザが前のレーザミリングによるスロットなどの表面に既に存在する構造に向けられるように固定することが可能である。
【００６５】
本発明の特別な応用は、非常に小さな反射率を有する対象物にレーザを向ける場合である。そのような対象物は従来のレーザ照準方法により観察するのが難しい。本発明によれば、プラズマ形成の閾値以上の数ショットを印加することができ、上記のように距離の決定を高精度で行うことを可能にする。多くの応用では、数レーザショットによる生じる構造的な変化（すなわち、１マイクロメートル程度の材料の除去）は重要でない。
【００６６】
本発明のほかの特別な適用は、透明材料の加工の場合である。いくつかの実験的な研究において示されているように、超短レーザパルスを適用することにより、透明媒体の内部だけにおいて加工する（又はより一般的に材料の特性を変化させる）ことが可能である。そのような配置では、媒体の表面までの距離を非常に正確に制御できることが有用である。これは、表面から反射された光を収集してその時間的な構造を高分解能で測定することにより行うことができる。この情報は、上記の方法を使用して距離に変換でき、それにより加工深さを制御するのに使用できる。１つの実施例では、表面からの光及び媒体内部の加工領域からの後方散乱光の両方を検出し、それにより加工領域の表面の下の深さの直接の測定が行える。光学材料の特性を変形する応用（例えば導波路の書込み）を別にすれば、この方法は、眼の手術に有用である。
【００６７】
上記の説明はチタニューム−サファイヤ技術に基づくフェムト秒レーザの特別な実施例として行われたが、本特許で説明された方法はこのような選択された適用にはまったく依存しない。同じことは光ゲーティング方法の特別の選択についてもいえる。この点を明確にするために、必要な光源とゲート特性を以下にまとめる。将来、光学及び電子工学における急速な技術的進歩は、これらの要求を満たす新しいレーザシステム、超高速ゲートを作ると予測される。
【００６８】
超短パルスでのレーザアブレーションのこれまでの研究は、波長、パルス期間及びパルスエネルギの大きな範囲をカバーしていた。ここで説明する方法は、一般にこれらの条件のすべてに適用可能である。レーザ光源における２つの束縛は、（ｉ）上記で詳細を説明した本技術の深さ分解能が光のパルス期間に依存しているということと、（ｉｉ）レーザは光の一部で光ゲーティングに使用できるだけのエネルギを供給するということである。実際には、これは、この方法が１００フェムト秒以下の期間で１０マイクロジュール以上のパルスエネルギを有するレーザパルスに最大の関心があることを意味する。これは将来のレーザ光源に対する非常に厳密な要求ではない。これとの関連で１つの非常に興味深い開発分野は、ファイバ増幅型の超短パルスレーザシステムである。米国特許６０１４２４９に説明されているように、この技術は非常に安定で高効率のレーザを実現する可能性が高い。
【００６９】
図４と図６に示された画像は、２次高調波発生に基づく光ゲートを使用する。これは説明のために使用したに過ぎない。この分野の技術者には明らかであるように、多くの他の周波数混合技術が適用可能である。一般に、所望のプロセスには適当な材料（非線形媒体）が存在するということだけが制限であり、これが現在研究されている分野である。更に、他の光ゲーティング機構（例えばＫｅｒｒゲート）が利用可能であり、技術の開発は他の光ゲートの性能の改善に向けられている。最終的に、超高速電子技術（例えばストリークカメラ）における技術の進歩は、光ゲートの替わり電子ゲートで本発明を実現するほど十分に速い非光ゲートの開発につながるといくつかの点で予測される。
【００７０】
ファイバ技術の急激な進歩に基づいて、本方法に必要な基本要素のすべてがファイバ光学要素（ビームスプリッタ、偏光器、波長板、遅延ライン、及び非線形媒体）として原理的には利用可能であることも注目するに値する。従って、そのような（少なくとも非画像化についての）技術をすべてファイバで設定することも可能である。このような実現はファイバ型のレーザ光源と組み合わせる場合に特に注目される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、サンプルからのレーザ光の後方散乱を示す。
【図２】
図２は、本発明の光学設定の概略図を示す。
【図３】
図３は、非線形混合が適用される特別な実施例における光ゲートと画像化システムの詳細図を示す。
【図４】
図４は、図３による光ゲートを通って送られた光の画像及び関係する断面プロフィールを示す。
【図５】
図５は、測定のアブレーション時間及び散乱に対するアブレーション深さを示す。
【図６】
図６は、加工中（レーザミリング）のサンプルの変化状態において得られた２つの画像と関係する断面プロフィールを示す。

Claims

レーザ照射中に材料除去を測定する方法であって、
超短レーザパルスがサンプルの材料を除去する領域に集束され、前記領域からの照射が収集される方法において、
前記収集された照射は前記超短レーザパルスからの散乱した照射であり、
当該方法は、更に前記散乱した照射からの前記サンプル領域の幾何的情報の決定を備えることを特徴とする方法。
前記レーザパルスのフライト時間情報が得られ、このフライト時間情報が距離に変換されて前記領域の深さ情報を得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記レーザ照射を少なくとも第１部分と第２部分に分割し、前記第１部分は前記材料の除去を行う前記超短レーザパルスを構成し、前記第２部分は前記フライト時間を決定するためのタイミング信号を提供することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
前記タイミング信号は特別なフライト時間を有する後方散乱光を選択するための光ゲートを制御することを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記光ゲートは非線形周波数混合に基づくことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記非線形周波数混合は非同一線上幾何配置で実行されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記散乱放射は前記領域の断面情報を得るために記録されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
前記断面情報は検出器上への前記後方散乱照射の時間分解画像化により得られ、前記断面は前記超短レーザパルスの進行方向に垂直な平面内にあることを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記断面情報の獲得は、非線形媒体上での空間的及び時間的な前記第２部分との重なり状態における前記後方散乱光の画像化を備え、
非線形周波数混合により前記媒体内にパターンが生成され、
前記パターンは前記断面情報を示し、前記断面は前記超短レーザパルスの進行方向に平行な平面内にあることを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記幾何情報の分解能を最適化するために、低非線形屈折率を有する不活性ガスが前記レーザパルスの焦点の周りに用いられることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
前記散乱放射は、
反射表面、
前記レーザにより生じる一時的な高反射率により散乱が増加する大部分吸収表面、
サンプルの表面上の拡散する散乱、
形成中又は形成後の表面で起きたプラズマ上の散乱、及び
形成中又は形成後の透明なサンプル内で起きたプラズマ上の散乱、
で構成されるグループの少なくとも１つから起きたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
前記断面情報は、
レーザ加工中の走査レートの調整、及び
加工されるサンプル領域上に最適な集束状態を並進中に維持するように照射されるサンプルの位置の調整、
で構成されるグループの少なくとも１つを使用することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
前記散乱照射は、透明なサンプルの内部のプラズマにおける散乱から起き、
前記透明なサンプルの外側表面から反射された照射も、前記サンプルの外側表面までの距離を決定するために収集されて、前記サンプルの内部の前記プラズマの正確な位置を測定することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
材料の除去中に加工する部分における最適な集束状態を維持するように、前記照射されるサンプルの位置を調整するための請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法の使用。
レーザ手術又は眼の手術のための請求項１２に記載の方法の使用。
眼の手術のための請求項１３に記載の方法の使用。
繰返しのレーザ放射の後でのレーザ加工穴の側壁プロフィールの再構築のための請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法の使用。