JP2005152960A - 磁性体の加工方法及び磁性体加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁性体の磁性を変化させずに該磁性体を加工することができる磁性体の加工方法および磁性体加工装置を提供する。
【解決手段】 磁性体加工装置１は、パルス幅が１０フェムト秒から１００ピコ秒の超短パルスレーザー光を生成する超短パルスレーザー光生成装置２と、被加工物である磁性体Ｍを載置する精密移動用ステージ５と、超短パルスレーザー光を磁性体Ｍに照射する対物レンズ４と、精密移動用ステージ５に移動を制御する制御コントローラ６とを有する。超短パルスレーザー光を磁性体Ｍに照射し、当該超短パルスレーザー光を走査することで、磁性体Ｍに熱エネルギーを付与することなく磁性体Ｍを加工することができる。さらに、超短パルスレーザー光を切換手段８によりチャープ光学系７に照射してチャープパルス光として磁性体Ｍに照射することができる。これにより、磁性体Ｍの加工面に付着する分離物を消磁させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性体を加工する装置及び磁性体を加工する方法に関する。

磁性体や磁石は様々な技術分野で用いられている汎用性の高い材料である。特に近年では、マイクロマシーン開発のために、微小な磁性体や磁石の微細加工が必要となっている。このように、微小な磁性体や磁石の微細加工には、レーザーを用いるレーザー加工方法が採用されることが多い。

レーザーを用いた加工方法として、下記特許文献１に開示されている技術がある。該特許文献１においては、パルス幅がピコ秒からフェムト秒程度のレーザー光を被加工材料に照射した場合に、レーザー光による光誘起破壊により高品質の物質除去が行えることが知られている。この光誘起破壊では、被加工部位のイオン化及び、自由電子の増殖、誘導破壊、蒸発、プラズマ形成、等が起こるため、被加工部位の周囲に熱影響を与えることがほとんどない。
特開２００２−２０５１７９号公報

上記のように、特許文献１に開示されている技術においては、光誘起破壊により被加工材料を断熱的に加工することができる。しかしながら、一般的なレーザー加工方法により磁性体の微細加工を行うと、熱加工になるため、加工により磁性体のスピンの向きを変化させることになり、磁性体の特性が変化してしまうという大きな問題があった。そのため従来においては、磁性体に所望の磁性を付与する前に微細加工を終了してしまう必要があり、例えば、出荷前の磁性体製品に刻印を付与するようなことができなかった。

本発明は、上記のような実情を鑑みてなされたものであり、磁性体の特性を変化させずに、磁性体の微細加工を行うことができる磁性体の加工方法及び磁性体加工装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の磁性体の加工方法は、超短パルスレーザー光を磁性体に照射して、該磁性体の磁性を変化させずに該磁性体を加工することを特徴とする。この場合、超短パルスレーザー光のパルス幅は、該超短パルスレーザー光が磁性体に照射されたときに、磁性体にほとんど熱エネルギーを付与しない程度に小さくすることが必要である。なお、本明細書において「磁性体」とは、少なくとも一つの領域において、スピンが規則的に配列しているものを言うものとする。すなわち、本明細書における「磁性体」とは、具体的には強磁性体、反磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体等を含むものである。さらに、強磁性体として磁石を例示することができる。

さらに、本発明の磁性体の加工方法は、前記超短パルスレーザー光のパルス幅が１０フェムト秒から１００ピコ秒であるとすることができる。上記の磁性体にほとんど熱エネルギーを付与しない程度のパルス幅として、１０フェムト秒から１００ピコ秒を例示することができるということである。このように、パルス幅が１０フェムト秒から１００ピコ秒の超短パルスレーザー光は、Ｔｉ−サファイアレーザーや、ファイバーレーザー等により生成することができる。

さらに、前記超短パルスレーザー光の中心波長が１０μｍ〜１０ｎｍであるとすることができる。

さらに、前記超短パルスレーザー光による加工によって前記磁性体から分離した分離物に対して、該分離物に熱エネルギーを与える程度のパルス幅を有するチャープパルス光を照射し、前記分離物を消磁させるようにすることができる。分離物に熱エネルギーを与える程度のパルス幅とは、例えば１００ピコを超えるパルス幅を例示することができる。

さらに、前記チャープパルス光は、前記超短パルスレーザー光をチャープしたものであるとすることができる。

さらに、本発明の磁性体の加工方法においては、短パルス光を供給する短パルス光発振器と、前記短パルス光発振器から入射した短パルス光の時間幅を拡張するチャープ部と、前記チャープ部から入射した短パルス光を正常分散にある増幅ファイバーで増幅するファイバー増幅部と、を有し、前記ファイバー増幅部は、前記増幅ファイバーの複数が直列的に接続されており、各増幅ファイバーの一端からそれぞれポンプする複数のレーザーダイオードを備えた短パルス光増幅器により、前記超短パルスレーザー光を生成することとすることができる。このような構成の超短パルスレーザー光生成装置によれば、磁性体を断熱的に加工することができるのに十分な短いパルス幅を有する超短パルスレーザー光を生成することができる。具体的には、パルス幅が１０フェムト秒から１００ピコ秒の超短パルスレーザー光を生成することができる。

また、本発明の課題を解決するために、本発明の磁性体加工装置は、超短パルスレーザー光を発生し、該超短パルスレーザー光を磁性体に照射する超短パルスレーザー光生成装置と、前記磁性体あるいは前記超短パルスレーザー光の少なくとも一方を走査する走査手段とを有し、前記超短パルスレーザー光により、前記磁性体の磁性を変化させずに加工することを特徴とする。本発明の装置において、超短パルスレーザー光は、磁性体に照射されたときに、磁性体に熱エネルギーを付与しない程度に短いパルス幅を有するものである。前記超短パルスレーザー光生成装置としては、Ｔｉ−サファイアレーザー発振器、ファイバーレーザー発振器等を例示することができる。さらに走査手段は、被加工物としての磁性体を保持するとともに、該磁性体を３次元的に移動させることができるものを例示することができる。さらに具体的な例を挙げれば、磁性体を載置して、３次元的に移動することが可能なステージを例示することができる。また、超短パルスレーザー光をガルバノミラーに入射して、該ガルバノミラーを動かすことにより、超短パルスレーザー光を磁性体上で走査させるようにしてもよい。

さらに、本発明の磁性体加工装置は、前記超短パルスレーザー光のパルス幅が１０フェムト秒から１００ピコ秒であるものとすることができる。このような超短パルスレーザー光は、例えば、前述したようにＴｉ−サファイアレーザー発振器やファイバーレーザー装置等により生成することができる。

さらに、本発明の磁性体加工装置は、前記超短パルスレーザー光の中心波長が１０μｍ〜１０ｎｍであるものとすることができる。

さらに、本発明の磁性体加工装置は、前記超短パルスレーザー光のパルス幅よりも広いパルス幅を有するチャープパルス光を生成するチャープパルス光生成装置を有し、該チャープパルス光生成装置は、前記磁性体から分離した分離物に前記チャープパルス光を照射するように配置されているものとすることができる。チャープパルス光生成装置により生成されるチャープパルス光は、該チャープパルス光が磁性体に照射されたときに、前記磁性体に熱エネルギーを付与し、消磁させる程度に長いパルス幅を有するものとすることができる。具体的には、チャープパルス光のパルス幅は１００ピコ秒を超えるものとすることができる。また、該チャープパルス光生成装置は、磁性体上をチャープパルス光が走査できるように配置されており、前記磁性体上をチャープパルス光が走査することにより、磁性体上の分離物にチャープパルス光が照射されるものとすることができる。

さらに、本発明の磁性体加工装置は、前記チャープパルス光生成装置は、前記超短パルスレーザー光を前記チャープパルス光にチャープするものとすることができる。このような構成においては、チャープパルス光を生成する発振器を加工に用いられる超短パルスレーザー光の発振器と同一のものとすることができる。

さらに、前記チャープパルス光生成装置は、前記超短パルスレーザー光をチャープさせるチャープ光学系と、前記超短パルスレーザー光と前記磁性体との間に配置され、前記超短パルスレーザー光の光路を前記磁性体に向かう光路と前記チャープ光学系に向かう光路との間で切り換える切換手段とを有するものとすることができる。切換手段としては、超短パルスレーザー光をチャープ光学系に向かって反射させる反射手段と、当該反射手段が超短パルスレーザー光の光路に干渉しない第一位置と、当該反射手段が超短パルスレーザー光をチャープ光学系に向かって反射させる第二位置との間で移動可能とする移動手段とを有するものを採用することができる。ここで、反射手段としては、プリズムやフリッパーミラーを例示でき、移動手段としてはリニアステージを例示することができる。

さらに、本発明の磁性体加工装置においては、前記超短パルスレーザー光生成装置は、短パルス光を生成する短パルス光発振器と、前記短パルス光発振器から入射した短パルス光の時間幅を拡張するチャープ部と、前記チャープ部から入射した短パルス光を正常分散にある増幅ファイバーで増幅するファイバー増幅部と、を有し、前記ファイバー増幅部は、前記増幅ファイバーの複数が直列的に接続されており、各増幅ファイバーの一端からそれぞれポンプする複数のレーザーダイオードを備えているものとすることができる。このような構成の超短パルスレーザー光生成装置によれば、磁性体を断熱的に加工することができるのに十分な短いパルス幅を有する超短パルスレーザー光を生成することができる。具体的には、パルス幅が１０フェムト秒から１００ピコ秒の超短パルスレーザー光を生成することができる。

本発明の磁性体の加工方法及び磁性体加工装置によれば、磁性体を超短パルスレーザー光により加工するようにしたので、磁性体への熱エネルギーの付与を抑えつつ加工することが可能となる。これは、超短パルスレーザー光を磁性体に照射したとき、短時間のうちに非常に大きなエネルギーが磁性体に付与される結果、磁性体に吸収される熱エネルギーの割合が減少するためであると推測される。このように、磁性体をレーザー加工する際に断熱的に加工することができるため、磁性体の磁性を熱により変化させることなく、磁性体をレーザー加工することができる。そのため、磁性体の微小加工を行う際に、磁性体を帯磁させた後であっても微小加工を行うことができ、特にマイクロマシーン等に使用される磁性体の加工を行う際に効果を発揮する。

磁性体を断熱的に加工するためには、超短パルスレーザー光のパルス幅を１０フェムト秒から１００ピコ秒の範囲に設定するのがよい。パルス幅が１００ピコ秒を超えるパルスレーザー光を磁性体に照射した場合、エネルギーが付与される時間が長くなるとともに、パルスのピーク値が減少することから、レーザー光のエネルギーが磁性体に熱エネルギーとして吸収されやすくなるため好ましくない。また、パルス幅が１０フェムト秒未満の超短パルスレーザー光は、生成が特に困難であるため実用的ではない。

さらに、超短パルスレーザー光の中心波長は、１０ｎｍから１０μｍの範囲に設定するのがよい。磁性体に超短パルスレーザー光を照射したとき、超短パルスレーザー光が吸収されるためには、超短パルスレーザー光の中心波長を上記のような範囲に設定する必要がある。磁性体として一般的に使用されるものは、上記範囲の中心波長を有する光を吸収するためである。特に、中心波長が３００ｎｍ〜２μｍの範囲の超短パルスレーザー光を使用するのがよい。このような中心波長を有する超短パルスレーザー光により、磁性体としてサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）やネオジウム鉄ボロン（ＮｄＦｅＢ）等の材質によりなる磁性体を加工することができる。上記のような範囲の中心波長を有する超短パルスレーザー光は、例えば利得媒質として希土類元素が添加されたファイバーを有するレーザー発振器により生成することができる。

さらに、本発明においては、超短パルスレーザー光を磁性体に照射することにより磁性体から分離されて、磁性体上に付着する分離物にチャープパルス光を照射するのがよい。ここで、チャープパルス光としては、パルス幅が１００ピコ秒を超えるもので、照射される被加工物（磁性体）を光誘起破壊しないものである。このようなチャープパルス光は、パルス幅が広い為にピーク値が低く、そのため照射される対象物を加工しにくい。一方、チャープパルス光は、被加工物に熱エネルギーは付与するので、チャープパルス光が照射された分離物はその磁性が変化することになる。したがって、磁性体として磁石を採用する場合、超短パルスレーザー光により磁性体から分離された分離物は、磁性体の表面に付着し除去しにくくなるが、チャープパルス光を照射することにより、分離物が消磁され分離物の除去が容易となる。このとき、磁性体から分離された分離物のみではなく、磁性体の表面自体にもチャープパルス光が一部照射されることも考えられが、磁性体表面も一時的に消磁されることになり、分離物の除去がさらに容易になるという効果もある。チャープパルス光が照射された磁性体表面は、一時的に消磁されるものの磁性体本体によりすぐに再帯磁されるので、磁性体本体の磁性に直接影響を与えない。

また、チャープパルス光は、磁性体の加工に用いられる超短パルスレーザー光を、該超短パルスレーザー光が磁性体に照射される前にチャープすることにより生成することができる。これにより、磁性体から分離された分離物に照射するためのチャープパルス光のために異なるレーザー発振器を使用することがなく、装置を簡略にすることができる。

超短パルスレーザー光をチャープしてチャープパルス光とするチャープパルス光生成装置として、チャープ光学系と、超短パルスレーザー光の光路を磁性体に向かう光路とチャープ光学系に向かう光路との間で切り換える切換手段を有するものとすることができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の磁性体加工装置の一例について示したものである。なお、図１に示す磁性体加工装置１により本発明の磁性体の加工方法を実現することができる。以下、磁性体加工装置１の説明とともに、本実施形態にかかる磁性体の加工方法についても合わせて説明する。

図１に示すように、本発明の磁性体加工装置１は、超短パルスレーザー光生成装置２と、超短パルスレーザー光位置調整部３と、超短パルスレーザー光を被加工物としての磁性体に向けて集光する対物レンズ４と、被加工物としての磁性体を載置する精密移動用ステージ５と、精密移動用ステージ５の移動を制御する制御コントローラ６により構成されている。超短パルスレーザー光位置調整部３あるいは精密移動用ステージ５が走査手段を構成している。

さらに、超短パルスレーザー光生成装置２からの超短パルスレーザー光をチャープするチャープ光学系７と、超短パルスレーザー光の光路をチャープ光学系に向かう光路Ｂと被加工物に向かう光路Ａとの間で切り換える切り替え手段８と、をさらに有する。

ここで、超短パルスレーザー光生成装置２は、超短パルスレーザー光を生成するものであり、特に磁性体に照射したときに、該磁性体を断熱的に加工することができる超短パルスレーザー光を生成するものである。より具体的には、超短パルスレーザー光を発振するレーザー発振器と、当該レーザー発振器から発振された短パルス光を増幅する増幅部とを有するものである。

以下、超短パルスレーザー光生成装置２について、さらに詳細に説明する。図２は、本発明の磁性体加工装置に使用される超短パルスレーザー光生成装置２の概要を示したものである。図２に示すように、超短パルスレーザー光生成装置２は、フェムト秒レーザー発振器１１や、アイソレータ１２、４ポートサーキュレータ１３、ファイバーグレーティング１４、増幅部１８、回折格子対などのパルス圧縮機１７等から構成されている、さらに、増幅部１８は、図３に示すように、波長分割多重化カップラー（以下、「ＷＤＭ」という）２１ａ〜２１ｆ、アイソレータ２２ａ〜２２ｆ、発振波長が１．４８μｍのシングルモード用レーザーダイオード（以下、「シングルモードＬＤ」という）２３ａ〜２３ｆ、正常分散で高出力用のシングルモードのエルビウムドープ増幅ファイバー（以下、「ＥＤＦ」という）２４ａ〜２４ｅ、ファラデーローターミラー（以下、「ＦＲＭ」という）１５などから構成されており、フェムト秒レーザー発振器１１から供給された短パルス光を往復経路（ダブルパス）形態で増幅することができる。

ここで、フェムト秒レーザー発振器１１は、エルビウムファイバーレーザーであって、時間幅がフェムト秒台のレーザー光（短パルス光）を出力するものである。そして、図２に示すように、フェムト秒レーザー発振器１１から出力した短パルス光は、アイソレータ１２及び４ポートサーキュレータ１３を介してファイバーグレーティング１４に入射される。ファイバーグレーティング１４は、短パルス光の反射する位置が、短パルス光の波長に依存するものであり、波長の長いレーザー光ほどファイバーグレーティング１４のサーキュレーター１３側で反射するようになっている。そのため、ファイバーグレーティング１４に入射され、反射し出力される短パルス光はチャープされた状態となる。このとき、チャープされた短パルス光は、例えば、１００フェムト秒台から１００ピコ秒台にパルス時間幅が拡張しているので、フェムトレーザー発振器１１から出力されたときと比較して、パルスのピークパワーが低くなっている。

上記のように、ファイバーグレーティング１４により短パルス光をチャープすることにより、パルスのピークパワーが低くなった状態で、この短パルス光は増幅部１８に入射され、増幅部１８において増幅される。以下、増幅部１８の構成について詳しく説明する。まず、図３に示すように、増幅部１８に入射された短パルス光は、シングルモードＬＤ２３ａが接続されているＷＤＭ２１ａを介してＥＤＦ２４ａに入射され、増幅される。なお、ＷＤＭ２１ａには、１．４８μｍポートと、１．５５μｍポートと、コモンポートとの３つのポートがあり、１．４８μｍポートに対しては、シングルモードＬＤ２３ａがアイソレータ２２ａを介して接続され、１．５５μｍポートに対しては、チャープされた短パルス光が入射し、コモンポートに対しては、ＥＤＦ２４ａの一端が接続される。

また、ＷＤＭ２１ｂも、１．４８μｍポートと、１．５５μｍポートと、コモンポートとの３つのポートを有するものであって、１、４８μｍポートにはアイソレータ２２ｂを介してシングルモードＬＤ２３ｂが接続され、１．５５μｍポートにはＥＤＦ２４ａの他端が接続され、ＥＤＦ２４ａにより増幅される短パルス光が入射するようになっている。一方、コモンポートに対しては、ＥＤＦ２４ｂの一端が接続されている。このＥＤＦ２４ｂにおいても、短パルス光の増幅が行われる。

同様にして、ＷＤＭ２１ｃ、２１ｄ、２１ｅにも、１．４８μｍポートと、１．５５μｍポートと、コモンポートとの３つのポートがそれぞれ形成されており、１．４８μｍポートにはアイソレータ２２ｃ、２２ｄ、２２ｅを介してシングルモードＬＤ２３ｃ、２３ｄ、２３ｅがそれぞれ接続され、１．５５μｍポートにはＥＤＦ２４ｂ、２４ｃ、２４ｄの他端がそれぞれ接続され、ＥＤＦ２４ｂ、２４ｃ、２４ｄにより増幅された短パルス光が入射するようになっている。一方、コモンポートに対しては、ＥＤＦ２４ｃ、２４ｄ、２４ｅの一端がそれぞれ接続されている。これらＥＤＦ２４ｃ、２４ｄ、２４ｅにおいても短パルス光の増幅が行われる。

さらに、ＷＤＭ２１ｆにも、１．４８μｍポートと、１．５５μｍポートと、コモンポートとの３つのポートがそれぞれ形成されており、１．４８μｍポートにはアイソレータ２２ｆを介してシングルモードＬＤ２３ｆが接続され、１．５５μｍポートにはＦＲＭ１５が接続され、コモンポートに対しては、ＥＤＦ２４ｅの他端が接続されている。

これにより、増幅部１８においては、シングルモードＬＤ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆを直列的に使用することができるので、シングルモードＬＤを使用したコアポンプでも励行光量を大きくすることができる。さらに、ＷＤＭ２１ｆにはＦＲＭ１５が接続されており、該ＦＲＭ１５により短パルス光の偏光面を９０°ずらした状態で反射させることができる。そのため、往復経路（ダブルパス）形態を実現することができ、ＥＤＦ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅを短パルス光が往復することで、該短パルス光をより一層増幅させることができる。このように増幅された短パルス光は偏光依存型の４ポートサーキュレータから出力され、パルス圧縮機１７でパルス幅を短くした後、外部に出力される。

すなわち、超短パルスレーザー光生成装置２では、図２に示すように、フェムト秒レーザー発振器１１からのレーザー光（短パルス光）がファイバーグレーティング１４に入射すると、チャープされパルスの時間幅が拡張されるので、そのピークパワーが低くなる。そのため、非線形光学現象の発生を抑制しつつ短パルス光の増幅を行うことができ、不必要な非線形光学効果により増幅効率が減少することを抑制することができる。さらに、シングルモードＬＤ、ＥＤＦを直列的に使用していることから、短パルス光の増幅量をより大きくすることができる。さらに、本実施形態においては、ＥＤＦとして正常分散にあるものを使用しているので、レーザー光（短パルス光）がそれぞれのＥＤＦを通過しても、その時間幅が短縮されず、短パルス光の増幅における非線形効果を抑制することができる。

さらに、ここでは、超短パルスレーザー光生成装置２に使用されるフェムト秒レーザー発振器１１について説明する。図４は、フェムト秒レーザー発振器１１の概要を示した図である。図４に示すように、フェムト秒レーザー発振器１１はフェムト秒パルス発振器１１０と光増幅器１３０とにより構成される。

フェムト秒パルス発振器１１０は、励起用光源としての励起用ＬＤ１１１と、エルビウムをドープしたものであってレーザー媒質としての光増幅ファイバー１１２、レンズ１１３、ファラデー回転子１１４、ミラー１１５、レンズ１１６、ファラデー回転子１１７、１／４波長板１１８、１／２波長板１１９、偏光ビームスプリッター（以下、「ＰＢＳ」という）１２０、レンズ１２１、可飽和吸収体１２２などを有している。この点、フェムト秒パルス発振器１１０では、リニアキャビティを構成する光増幅ファイバー１１２の両端に２個のファラデー回転子１１４、１１７を配置することで、振動・温度変化などに起因する光偏波面ドリフトを補償する構造となっており、環境変化に対して強い構成としている。なお、光偏波面ドリフトを補償するには、光増幅ファイバー１１２を偏波保存型ファイバーにより構成することでも実現することができる。

そして、フェムト秒パルス発振器１１０においては、可飽和吸収体１２２の端面に施された金ミラー（不図示）と、ミラー１１５との間を、種々の波長を含んだ光が何度も往復することで増幅される。さらに、位相が揃った状態（モードロック状態）の定常波が形成されると、両波長板１１８、１１９及びＰＢＳ１２０の作用により、レーザー光である光パルス列が光増幅器１３０に向けて出力される。

一方、光増幅器１３０は、ＰＢＳ１３２、１／２波長板１３３、１／４波長板１３４、ファラデー回転子１３５、レンズ１３６、エルビウムをドープした光増幅ファイバー１３７、レンズ１３８、２個のファラデー回転子１３５、１３９、ミラー１４０、励起光源としての光通信用ＬＤ１４１などを有している。この点、光増幅器１３０でも、光増幅ファイバー１３７の両端に２個のファラデー回転子１３５、１３９を配置するようにしており、振動・温度変化等に起因する光偏波面ドリフトを補償する構造となっている。そのため、環境変化に対して強い構成となっている。なお、光偏波面ドリフトを補償するには、光増幅ファイバー１３７を偏波保存型ファイバーにより構成することでも実現することができる。

また、光増幅器１３０では、フェムト秒パルス発振器１１０からの光パルス列をＰＢＳ１３２で反射させ、光増幅ファイバー１３７に向かわせて通過させた後に、ミラー１４０で反射させ、光増幅ファイバー１３７を再び通過させることでパルス圧縮を伴う増幅を行い、両波長板１３３、１３４及びＰＢＳ１３２の作用により、超短パルスレーザー光生成装置２で使用されるフェムト秒レーザー発振器１１の出力として（図２参照）、外部に出力している。このときの光パルス列は、中心波長が１５６０ｎｍで、繰り返し周波数が４８．５ＭＨｚ、パルス幅が１０５フェムト秒、平均出力が６２．５ｍＷである。

なお、図４では、説明の便宜上、ＰＢＳ１３２からレンズ１３６（ひいては光増幅ファイバー１３７）に向かう光パルス列と、レンズ１３６（すなわち光増幅ファイバー１３７）からＰＢＳ１３２に向かう光パルス列とを分けて記載しているが、実際には、両光パルス列の光路は重畳している。

ここで、超短パルスレーザー光生成装置２の説明に戻ると、図２に示すように、超短パルスレーザー光生成装置２で使用されるフェムト秒レーザー発振器１１から出力されたレーザー光（短パルス光）は、不図示のパルスピッカーにより、繰り返し周波数が１ＫＨｚ〜１ＭＨｚにまで可変できるようにした後で、アイソレータ１２に入射される。以上の構成により、超短パルスレーザー光生成装置２からの超短パルスレーザー光は、波長が１５６０ｎｍ帯域で、平均出力が１６０ｍＷとすることができる。

また、上述した不図示のパルスピッカーにより繰り返し周波数を可変にしても、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚまでの範囲では、超短パルスレーザー光生成装置２からの超短パルスレーザー光の平均出力に殆ど変化がなかった。この際、超短パルスレーザー光生成装置２からの超短パルスレーザー光の１パルスあたりのエネルギーは、例えば、繰り返し周波数が１００ｋＨｚのときには１．６μＪであり、繰り返し周波数が５００ｋＨｚのときには０．３μＪであり、そのパルス時間幅は、いずれも４００〜６００フェムト秒である。

このように、磁性体加工装置１に使用される超短パルスレーザー光生成装置２においては、ピークパワーの大きな超短パルスレーザー光を生成することができるので、その結果、被加工物の加工を行うことができる。また、超短パルスレーザー光はフェムト秒レーザー発振器から発振されるパルス幅の短いレーザー光であるので、被加工物を断熱的に加工することができる。

上記本実施形態においては、超短パルスレーザー光生成装置２に使用される増幅器として、エルビウムドープ増幅ファイバーを使用しているが、本発明においては、これに限られるものではなく、エルビウム増幅ファイバーに代えて、イッテルビウムがドープされた増幅ファイバーを使用することも可能である。

また、本実施形態の磁性体加工装置１、及び該磁性体加工装置１により実現される本発明の磁性体の加工方法に使用される超短パルスレーザー光生成装置２としては、図２に示す超短パルスレーザー光生成装置２に代えて、図５に示すようなものを採用することもできる。図５に示す超短パルスレーザー光生成装置２’は、波長１５６０ｎｍ帯でのチャープトパルス増幅器を用いた高エネルギーフェムト秒ファイバーレーザーであって、上述したフェムト秒レーザー発振器１１に加えて、チャープファイバー４１と、レンズ４２と、アイソレータ４３と、第１ポンプレーザーダイオード４４、マルチモードエルビウムドープファイバ増幅器４５、第２ポンプレーザーダイオード４６と、パルス圧縮機４７と、ビームスプリッターＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６などから構成されており、パルス幅が５ピコ秒で平均出力が１３Ｗにまで増幅されたレーザー光（パルス光）を、パルス圧縮機４７によって、パルス幅が１００フェムト秒で平均出力が６．５Ｗに圧縮して出力している。なお、上記エルビウムドープファイバ増幅器４５に代えて、イッテルビウムドープファイバを用いた増幅を採用することも当然可能である。さらに、チタンサファイアレーザー等の超短パルス高出力レーザーを採用することも可能である。

図１に戻って、前述のような超短パルスレーザー光生成装置２により生成された超短パルスレーザー光は、超短パルスレーザー光位置調整部３に到達し、超短パルスレーザー光位置調整部３で超短パルスレーザー光の照射位置が調整され、そして、対物レンズ４を介して精密移動用ステージ５上の磁性体Ｍ表面上に照射される。ここで、精密移動用ステージ５は、３次元的に移動することが可能なものであり、該精密移動用ステージ５をＸ軸又はＹ軸の方向に移動させるとともに、＋Ｚ軸方向に移動させることにより超短パルスレーザー光の集光点Ｑが被加工物である磁性体Ｍの表面上に位置するようにする。この状態で、精密移動用ステージ５をＸ軸、Ｙ軸方向に移動させることにより、集光点Ｑを磁性体Ｍの表面上で走査することができる。また、超短パルスレーザー光位置調整部３は、ガルバノミラー等により構成することができる。

上記のような構成により、磁性体Ｍの表面上において、超短パルスレーザー光の集光点Ｑが位置する箇所で光誘起破壊によるレーザー加工が行われる。このとき、超短パルスレーザー光は、前述したようにパルス幅が１０フェムト秒から１００ピコ秒の超短パルス光であり、磁性体Ｍを断熱的に加工することができる。

さらに、本実施形態の磁性体加工装置１においては、超短パルスレーザー光をチャープさせ、得られるチャープパルス光を磁性体に照射することもできる。すなわち、超短パルスレーザー光生成装置２から出力される超短パルスレーザー光の光路を、切換手段８によりチャープ光学系７に向かう光路Ｂに切り換えて超短パルスレーザー光をチャープさせ、得られるチャープパルス光を超短パルスレーザー光位置調整部３及び対物レンズ４を介して磁性体Ｍの表面上に照射する。

ここで、切換手段８は、プリズムやフリッパーミラー等の反射手段８０と、当該反射手段８０を、超短パルスレーザー光の光路に干渉しない第一位置８１と、当該超短パルスレーザー光をチャープ光学系に向けて反射させる第二位置８２との間で移動させる図示しないリニアステージを有する。切換手段８が第一位置８１に位置している状態では、超短パルスレーザー光は図１において実線で示すように、切換手段８により遮断されずに、超短パルスレーザー光生成装置１からそのまま超短パルスレーザー光位置調整部３に向かい、チャープされない状態で磁性体Ｍに照射される。一方、切換手段８が第二位置８２に位置している状態では、超短パルスレーザー光は反射手段８０により反射され、図１の点線で示すようにチャープ光学系７に向かって照射される。チャープ光学系７によりチャープされた超短パルスレーザー光は光路Ｃを通って再度反射手段８０に照射され、当該反射手段８０により超短パルスレーザー光位置調整部３に向かって反射される。超短パルスレーザー光位置調整部３により照射位置が調整されたチャープパルス光は、対物レンズ４を介して精密移動用ステージ５上の磁性体Ｍに照射される。

ここで、チャープ光学系は、グレーティング、プリズム、チャープミラー等で構成され、超短パルスレーザー光を伸延する光学系である。

次に、本実施形態の磁性体加工装置１の具体的な動作について説明する。まず、超短パルスレーザー光２を作動させて超短パルスレーザー光を出力する。このとき、超短パルスレーザー光の集光点Ｑは、超短パルスレーザー光位置調整部３あるいは精密移動用ステージ５により磁性体Ｍの表面から離れるようにしておく。そして、超短パルスレーザー光位置調整部３あるいは精密移動用ステージ５により集光点Ｑが磁性体Ｍの表面上に位置するようにするとともに、精密移動用ステージ５をＸ軸及びＹ軸に移動させて、磁性体Ｍの表面を加工する。超短パルスレーザー光により磁性体Ｍの磁性が熱により変化するのを抑制しつつ、磁性体Ｍを微細加工することができる。

超短パルスレーザー光を磁性体Ｍに照射すると、レーザーエネルギーにより磁性体Ｍから分離された分離物が生じる。例えば、磁性体Ｍとして磁石を採用すると、この分離物の磁性は変化しないので、該分離物が磁性体の加工面に付着してしまう。ここで、前述した切換手段８により、超短パルスレーザー光の光路を光路Ｂに切り換え超短パルスレーザー光をチャープさせる。このようにチャープされたチャープパルス光を磁性体Ｍの加工面に付着する分離物に照射する。なお、分離物に向かってチャープパルス光を照射する場合、分離物のみを直接狙って照射することは困難であるので、磁性体Ｍの加工面全体に対し、チャープパルス光を走査させて、分離物にチャープパルス光を照射することができる。

上記のように、分離物にチャープパルス光を照射すると、チャープパルス光はパルス幅が大きく、かつパルスのピークパワーが低くなっているので、分離物に対し光誘起破壊を生じさせることなく、熱エネルギーのみを付与することができる。そのため、分離物の磁性を変化させ、例えば非磁性にすることができる。そのため、磁性体Ｍの加工面に付着する分離物を除去するのが容易となる。さらに、チャープパルス光を分離物に照射する際に、磁性体Ｍの加工面にも一部チャープパルス光が照射されるようにすれば、磁性体Ｍ表面の磁性を一時的に変化させることができる。これにより、磁性体Ｍの表面から分離物をさらに容易に除去することができる。一方、磁性体Ｍの加工面は一旦磁性が変化するが、磁性体Ｍ内部の磁区によりすぐに再帯磁して、磁性体Ｍ本体の磁性には大きな影響を与えない。

上記のようなチャープパルス光は、磁性体への超短パルスレーザー光における加工がすべて行われてから、磁性体の加工面を走査するようにしてもよいし、磁性体に超短パルスレーザー光を照射した直後に、形成される加工面に照射するようにしてもよい。

上記のように、本実施形態の磁性体加工装置によれば、超短パルスレーザー光により磁性体を加工するようにしているので、被加工物である磁性体の内部の磁性を変化させることなく、磁性体を微細加工することができる。そのため、マイクロマシーンなど、磁性体の微小な領域での磁性の変化が特に懸念されるものであっても、精度の良い加工を行うことができる。また、従来微細加工が必要な形状に、磁性体を加工するためには、被加工物に磁性を付与する前に加工を行う必要があったが、被加工物に磁性を付与した後でも、この磁性が付与された磁性体を微細加工することができるので、加工の自由度が高まる。そのため、最終製品形状に形成された磁性体への刻印や、仕上げ加工等を行うことができ、産業上大きな効果を有する。

また、本実施形態の磁性体加工装置においては、磁性体が磁石の場合に、超短パルスレーザー光により磁性体より分離された分離物を、チャープパルス光により消磁することができるので、分離物を除去する際に有利である。また、磁性体に照射されるパルス光を超短パルスレーザー光とチャープパルス光との間で切り換える切換手段を有するので、一つのパルス光源により超短パルスレーザー光とチャープパルス光を生成することができるとともに、超短パルスレーザー光の一部の光路とチャープパルス光の一部の光路とを同一の光路とすることができる。そのため、装置の小型化に寄与する。

また、本実施形態の磁性体加工装置により実施される本発明の磁性体の加工方法においても同様の効果を有するものである。

本実施形態の磁性体加工装置の概略を説明する図。 超短パルスレーザー光生成装置の概略を説明する図。 増幅部の概略を説明する図。 フェムト秒レーザー発振器の概略を説明する図。 図２とは異なる超短パルスレーザー光生成装置の概略を説明する図。

符号の説明

１ 磁性体加工装置
２ 超短パルスレーザー光生成装置
３ 超短パルスレーザー光位置調整部（走査手段）
５ 精密移動用ステージ（走査手段）
７ チャープ光学系
８ 切換手段
１１ フェムト秒レーザー発振器（短パルス光発振器）
１４ ファイバーグレーティング（チャープ部）
１８ 増幅部（ファイバー増幅部）
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ 増幅ファイバー
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ レーザーダイオード

Claims (13)

1. 超短パルスレーザー光を磁性体に照射して、該磁性体の磁性を変化させずに該磁性体を加工することを特徴とする磁性体の加工方法。
2. 前記超短パルスレーザー光のパルス幅が１０フェムト秒〜１００ピコ秒であることを特徴とする請求項１に記載の磁性体の加工方法。
3. 前記超短パルスレーザー光の中心波長が１０μｍ〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性体の加工方法。
4. 前記超短パルスレーザー光による加工によって前記磁性体から分離した分離物に対して、該分離物に熱エネルギーを与える程度のパルス幅を有するチャープパルス光を照射し、前記分離物を消磁させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁性体の加工方法。
5. 前記チャープパルス光は、前記超短パルスレーザー光をチャープしたものであることを特徴とする請求項４に記載の磁性体の加工方法。
6. 短パルス光を生成する短パルス光発振器と、前記短パルス光発振器から入射した短パルス光の時間幅を拡張するチャープ部と、前記チャープ部から入射した短パルス光を正常分散にある増幅ファイバーで増幅するファイバー増幅部と、を有し、前記ファイバー増幅部は、前記増幅ファイバーの複数が直列的に接続されており、各増幅ファイバーの一端からそれぞれポンプする複数のレーザーダイオードを備えた超短パルスレーザー光生成装置により、前記超短パルスレーザー光を生成することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の磁性体の加工方法。
7. 超短パルスレーザー光を発生し、該超短パルスレーザー光を磁性体に照射する超短パルスレーザー光生成装置と、前記磁性体あるいは前記超短パルスレーザー光の少なくとも一方を走査する走査手段とを有し、前記超短パルスレーザー光により、前記磁性体の磁性を変化させずに加工することを特徴とする磁性体加工装置。
8. 前記超短パルスレーザー光のパルス幅が１０フェムト秒から１００ピコ秒であることを特徴とする請求項７に記載の磁性体加工装置。
9. 前記超短パルスレーザー光の中心波長が１０μｍ〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項７又は８に記載の磁性体加工装置。
10. 前記超短パルスレーザー光のパルス幅よりも広いパルス幅を有するチャープパルス光を生成するチャープパルス光生成装置を有し、該チャープパルス光生成装置は、前記磁性体から分離した分離物に前記チャープパルス光を照射するように配置されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の磁性体加工装置。
11. 前記チャープパルス光生成装置は、前記超短パルスレーザー光を前記チャープパルス光にチャープするものであることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の磁性体加工装置。
12. 前記チャープパルス光生成装置は、前記超短パルスレーザー光をチャープさせるチャープ光学系と、前記超短パルスレーザー光と前記磁性体との間に配置され、前記超短パルスレーザー光の光路を前記磁性体に向かう光路と前記チャープ光学系に向かう光路との間で切り換える切換手段とを有するものであることを特徴とする請求項１１に記載の磁性体加工装置。
13. 前記超短パルスレーザー光生成装置は、短パルス光を生成する短パルス光発振器と、前記短パルス光発振器から入射した短パルス光の時間幅を拡張するチャープ部と、前記チャープ部から入射した短パルス光を正常分散にある増幅ファイバーで増幅するファイバー増幅部と、を有し、前記ファイバー増幅部は、前記増幅ファイバーの複数が直列的に接続されており、各増幅ファイバーの一端からそれぞれポンプする複数のレーザーダイオードを備えていることを特徴とする請求項７ないし１２のいずれか１項に記載の磁性体加工装置。

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