JP2006068762A - レーザー加工方法およびレーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて能率よく短時間に加工対象物質の内部に、平面形状や立体形状のレーザー加工する。レーザー加工の精度を極めて高くし、高精細な加工を実現する。
【解決手段】レーザー加工方法は、極超短パルスレーザーを集光して加工対象物質５に照射し、該極超短パルスレーザーのエネルギーで前記加工対象物質５に加工を行う。このレーザー加工方法は、該極超短パルスレーザーを空間光変調素子４に通すことにより、極超短パルスレーザーを加工対象物質５の内部に分布する複数の集光スポット６に分割して照射し、該集光スポット６に集光するレーザーのエネルギーで、該加工対象物質５の内部をレーザー加工する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー加工方法及び装置に関し、より詳しくは、極超短パルスレーザーを使用し、加工対象物質の内部を加工するレーザー加工方法および装置に関する。

ヘェムト秒レーザーは、透明なガラスやプラスチックの内部にレーザーを集光して照射し、レーザーのエネルギーでガラスやプラスチック内部に、ボイドを設けたり屈折率等の改質をさせて、三次元的な立体模様、図形、文字等を表示できる。ヘェムト秒レーザーが内部に立体模様を設けることができるのは、極めて短い時間幅を有するパルス光を集光することにより、非常にエネルギー密度の高い状態をガラスやプラスチックの内部に形成し、集光した点のみで多光子吸収により物質を励起状態にするからである。このように、ヘェムト秒レーザーを物質内部に集光させるレーザー加工は、表面を設ける平面模様とは違って、内部に三次元的に分布する立体模様とすることができる。この加工は、内部に設けられているので表面から消すことができない等優れた特徴がある。したがって、このレーザー加工は、内部三次元的な立体模様を設けている装飾品から、表示を消すことのできない種々の応用に有効である。

また、光硬化樹脂に集光してレーザーを照射して、レーザーを照射した部分の樹脂のみを硬化させて、光硬化樹脂を立体形状に硬化させるレーザー加工も開発されている。

これ等のレーザー加工は、加工対象物質にフェムト秒レーザーを特定のスポットに集光して照射するために、加工対象物質を三次元的に移動させて、レーザーの集光スポットを移動させ、あるいは、加工対象物質を停止して、レーザー光源を移動させて、スポットを移動させる必要がある。この方式で、レーザー加工する装置は開発されている（特許文献１及び２参照）。
特開２００２−２１０７３０号公報 特開２００３−２７５８７９号公報

以上の特許文献に記載されるレーザー加工方法は、加工対象物質とレーザーの照射位置との相対位置を変化させることで加工対象物質中の集光スポットの位置を移動させるので、一回の加工で一点の加工しか行うことができず、膨大な数の点の加工を必要とするレーザー加工では、全体の加工を行うのに非常に大きな時間を要するという問題点があった。さらに、加工に時間を要するため、位置が変化する加工対象物質や時間と共に変形する加工対象物質を高い精度で加工することは不可能であった。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、極めて能率よく短時間に加工対象物質の内部に、平面形状や立体形状のレーザー加工ができ、しかも、レーザー加工の精度を極めて高くし、高精細な加工が実現できるレーザー加工方法と装置を提供することにある。

本発明のレーザー加工方法は、極超短パルスレーザーを集光して加工対象物質５に照射し、該極超短パルスレーザーのエネルギーで前記加工対象物質５に加工を行う。このレーザー加工方法は、該極超短パルスレーザーを空間光変調素子４に通すことにより、極超短パルスレーザーを加工対象物質５の内部に分布する複数の集光スポット６に分割して照射し、該集光スポット６に集光するレーザーのエネルギーで、該加工対象物質５の内部をレーザー加工する。

本発明のレーザー加工方法は、極超短パルスレーザーのパルス幅が１００×１０^−１２ｓｅｃ以下であることが好ましい。

本発明のレーザー加工方法は、空間光変調素子４を、光の回折現象を利用したものとすることができる。本発明のレーザー加工方法は、空間光変調素子４を、光の屈折現象を利用したものとすることができる。さらに、本発明のレーザー加工方法は、空間光変調素子４を、光の回折現象と光の屈折現象を利用したものとすることができる。

本発明のレーザー加工方法は、空間光変調素子４を反射型光学素子とすることができる。さらに、本発明のレーザー加工方法は、空間光変調素子４を透過型光学素子とすることができる。さらに、本発明のレーザー加工方法は、空間光変調素子４をコンピュータにより集光スポット６を制御する素子とすることができる。

本発明の請求項９のレーザー加工装置は、極超短パルスレーザーを集光して加工対象物質５に照射し、該極超短パルスレーザーのエネルギーで前記加工対象物質５に加工を行う。レーザー加工装置は、極超短パルスレーザーを出力するレーザー光源１と、このレーザー光源１から放射される極超短パルスレーザーを加工対象物質５の内部に分布する複数の集光スポット６に分割して照射する空間光変調素子４を備える。レーザー加工装置は、レーザー光源１から照射される極超短パルスレーザーを、空間光変調素子４でもって該加工対象物質５の内部に分布する集光スポット６に分割し、集光スポット６に照射されるレーザーのエネルギーで加工対象物質５の内部にレーザー加工を行う。

本発明のレーザー加工装置は、加工対象物質５の表面構造や内部構造を計測する観測用光学系１１を備えることができる。

本発明のレーザー加工装置は、加工対象物質５を三次元的に移動できる装置を備えて、該加工対象物質５を移動させながら三次元的に加工することができる。

本発明のレーザー加工装置は、レーザー光源１と空間光変調素子４との間に前適合光学系７を配置して、この前適合光学系７でもって、レーザー光の断面におけるエネルギー分布を均一化させることができる。

本発明のレーザー加工装置は、空間光変調素子４と加工対象物質５との間に後適合光学系８を配置して、この後適合光学系８で焦点位置を移動させることができる。さらに、本発明のレーザー加工装置は、後適合光学系８が、レンズ９とこのレンズ９をレーザーの照射方向に移動させる移動機構とを備えて、レンズ９をレーザーの照射方向に移動させてレーザーの焦点位置を移動させることができる。

本発明は、極めて能率よく短時間に加工対象物質の内部に、平面形状や立体形状のレーザー加工ができ、とくにレーザー加工の精度を極めて高くして、高精細な加工が実現できる特長がある。それは、本発明のレーザー加工方法とレーザー加工装置が、フェムト秒パルスレーザー等の極超短パルスレーザーを、空間光変調素子でもって、加工対象物質の内部に複数の集光スポットに分割して照射するからである。この状態で内部の特定位置にレーザーが照射される加工対象物質は、集光スポットにおいて多光子吸収が起こり、ボイドや屈折率が異なるように改質して文字や図形、あるいは三次元的の立体模様等を設けることができる。とくに、本発明は、極超短パルスレーザーを空間光変調素子で複数の集光スポットに分割して同時に加工対象物質の複数点に集光されたレーザーを照射する。この状態でレーザーが照射される加工対象物質は、全ての集光スポットにおいて同時に多光子吸収が起こり、極めて短い時間にレーザーを集光して照射する集光スポットが極めて狭い領域で外部から見えるように加工される。この状態でレーザー加工される加工対象物質は、集光スポットを移動させながら三次元的な立体模様や文字等を表示する従来の方法では到底に実現できない変形する加工対象物質や移動する加工対象物質に対しても、極めて高い精度と高い精細度のレーザー加工を実現する。それは、同時に集光された多数の集光スポットは、非常に短時間で同時にレーザーを照射できるからである。ひとつの集光スポットを走査する従来の方法や装置のように、最初の加工点と、最後の加工点とに時間差のある加工では、時間的に形状や性質が変化する物体を高精度に加工できない。これに対して、同時に複数の集光スポットにレーザーを照射する本発明のレーザー加工方法と装置は、集光スポットを正確にコントロールされた状態として、加工対象物質を均一にレーザー加工して、高精度にレーザー加工できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのレーザー加工方法と装置を例示するものであって、本発明はレーザー加工方法と装置を以下に特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

本発明のレーザー加工方法は、極超短パルスレーザーを複数の集光スポットに集光して加工対象物質に照射し、該極超短パルスレーザーのエネルギーで加工対象物質の特定の部位を加工する。超短パルスレーザーは、空間光変調素子４で複数の集光スポットに分割し、集光スポットで加工対象物質を加工する。集光スポットは、加工対象物質の内部に三次元的に分布して、加工対象物質の内部を加工する。

極超短パルスレーザーとしてフェムト秒パルスレーザーが適している。フェムト秒パルスレーザーは、１パルスの時間幅が、１×１０^−１５〜１０００×１０^−１５秒と極めて短いパルス幅のレーザーである。ただし、本発明は、１パルスの時間幅が１００×１０^−１２ｓｅｃ以下であって、３０×１０^−１５秒以上とする極超短パルスレーザーも使用できる。このように、パルス幅の短い極超短パルスレーザーは、エネルギーを極小時間に集中して照射するので単位時間のエネルギーが極めて大きい。このレーザーは、集光スポットまでは加工対象物質の表面から内部まで透過する。この領域ではレーザーが多光子吸収を起こすほどのエネルギー密度にはなっていない。集光スポットにおいては、レーザーエネルギーの密度が極めて大きいので、多光子吸収によって加工対象物質に効率よく吸収される。

多光子吸収で加工対象物質にレーザーエネルギーを効率よく吸収させる極超短パルスレーザーは、レーザー光源１から出力されるレーザーを複数の集光スポットに分割して加工対象物質に照射して、同時に複数点のレーザー加工ができる。極超短パルスレーザーの多光子吸収を利用してガラスやプラスチック等の加工対象物質をレーザー加工する場合、０．１μＪのレーザーエネルギーでひとつの集光スポットをレーザー加工できる。したがって、１パルスのエネルギーを５００μＪ〜１０００μＪとするレーザーを出力する極超短パルスレーザー光源１は、出力されるレーザーを、１０００点以上の集光スポットに分散して、加工対象物質に照射してレーザー加工できる。

極超短パルスレーザーが加工対象物質の内部に三次元的に分布する多数の集光スポットに照射されると、多光子吸収によりレーザーエネルギーが効率よく吸収される。吸収されたレーザーエネルギーは、周囲に熱が拡散するよりも早く反応を完了させる。このため、周囲の材質に与える影響を最小限に抑制してレーザー加工できる。したがって、本発明のレーザー加工は、最も高い精度で、高精細な図形や模様、あるいは文字等を加工対象物質の内部に三次元的に設けることができる。

図１ないし図３は、極超短パルスレーザーで加工対象物質５の内部をレーザー加工するレーザー加工装置を示している。これ等の図に示すレーザー加工装置は、極超短パルスレーザーを加工対象物質５の内部の複数の集光スポット６に分割して照射する。照射された集光スポット６の極超短パルスレーザーは、多光子吸収により加工対象物質５に吸収されて、加工対象物質５にレーザー加工を行う。

これ等の図に示すレーザー加工装置は、極超短パルスレーザーを出力するレーザー光源１と、このレーザー光源１から放射される極超短パルスレーザーを加工対象物質５の内部に三次元的に分布する複数の集光スポット６に分割して照射する空間光変調素子４を備える。

レーザー光源１は、１パルスの時間幅を３０×１０^−１５〜３００×１０^−１５秒とするフェムト秒パルスレーザーを出力する装置である。このレーザー光源１は、１パルスのレーザーエネルギーを５００μＪ〜１０００μＪとし、出力するレーザーの波長を８００ｎｍとし、かつパルスの繰り返し周期を１ｋＨｚとするフェムト秒パルスレーザー装置である。このレーザー光源１は、１パルスのレーザー出力が大きいので、出力されるレーザーを極めて多数の集光スポット６に分離して、加工対象物質５の内部を同時にレーザー加工できる。

さらに、図に示すレーザー加工装置は、レーザー光源１と空間光変調素子４との間に前適合光学系７を配置している。前適合光学系７は、レーザー光源１から出力されるレーザーを断面におけるエネルギー分布を均一化して空間光変調素子４に入力する。すなわち、レーザー光源１から出力されるレーザーを空間光変調素子４の全面に均一に照射するように拡大する。図の前適合光学系７は、複数のレンズ２を備え、レンズ２でもってレーザー光源１から出力されるレーザーを拡大して空間光変調素子４に均一に入力させる。

さらに、前適合光学系７は、図に示すように、ビーム整形素子３を使用することもできる。ビーム整形素子３は、レーザー光源１から出力されるレーザービームを、通常はガウス分布のように中心が強く周辺に行くと徐々に弱くなるような空間分布を有する。ビーム整形素子３は、レーザー光源１から出力されるレーザービームを一様にする素子で、空間光変調素子４の有効径内で共同分布が一様になるようにする。

空間光変調素子４は、レーザー光源１から照射される極超短パルスレーザーを、加工対象物質５の内部において三次元的に分布する集光スポット６に分割する。ただし、空間光変調素子４は、加工対象物質５の内部において集光スポット６が二次元的に分布するように分割することもできる。

空間光変調素子４は、レーザー光源１から入力されるレーザーを、加工対象物質５の内部で多数の集光スポット６に分割できる全ての素子を使用できる。空間光変調素子４として、透過型回析光学素子、反射型回析光学素子、屈折光学素子、反射光学素子が使用できる。透過型回析光学素子や反射型回析光学素子の空間光変調素子４は、液晶を用いた空間光変調素子があり、制御装置１０から送られた信号に応じて各場所ごとに屈折率を変化させて回析光学素子を形成する。屈折光学素子は、多数のレンズ２が並んだレンズアレイを用いることで同時に多数の集光スポット６を形成する。各レンズ２の焦点距離を変えると三次元的に分布して加工も可能となる。変形可能な屈折光学素子を用いれば、加工形状を任意に変更できる。反射光学素子は、二次元的、三次元的分布な光強度分布を形成するために、反射光学素子上の各点で位相を変化させるために形状を変化できるデフォーマブルミラーのような素子を用いる。

空間光変調素子４には以上の光学素子を使用できるが、たとえば、浜松ホトニクス株式会社のＰＰＭ（Ｐｒｍｇｒａｍａｂｌｅ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を使用して、レーザー光源１から出力されるレーザーを、加工対象物質５の内部に複数の集光スポット６として分割できる。

空間光変調素子４は、制御装置１０を接続しており、制御装置１０に制御されて、入射されるレーザーを加工対象物質５の特定点に集光スポット６として集光する。制御装置１０は制御用コンピュータである。この制御装置１０は、空間光変調素子４の集光スポット６の位置を特定する信号を空間光変調素子４に入力する。いいかえると、空間光変調素子４は、制御装置１０に制御されて、入射するレーザーの集光スポット６の位置と数を特定する。

さらに、図２のレーザー加工装置は、空間光変調素子４と加工対象物質５との間に後適合光学系８を配置している。後適合光学系８は、空間光変調素子４で集光される集光スポット６を加工対象物質５の内部でさらに小さく集光する。図の後適合光学系８は、顕微鏡の対物レンズのような高い開口率を有するレンズ９を使用して、空間分布を維持しながらレーザーを加工対象物質５の内部で小さく集光する。

さらに、図３のレーザー加工装置は、加工対象物質５に対して、観測用光源１２および観測用検出器１３からなる観測用光学系１１を設けている。観測用光学系１１は、集光スポット６におけるレーザーの状態や加工の進捗状況を観測する。このレーザー加工装置は、観測用光学系１１の出力を、制御装置１０である制御用コンピュータにフィードバックして、空間光変調素子４の設定を調整することが可能となる。

観測用光源１２は、加工対象物質５に向かって可視光線を照射する。観測用光学系１１は、加工対象物質５の内部に集光される集光スポット６を検出し、あるいは観測用光源１２から照射される可視光線で、加工対象物質５の内部にレーザー加工される図形、模様、文字等を検出する。このレーザー加工装置は、レーザー加工される形態を観測しながら加工できる。

本発明の一実施例にかかるレーザー加工装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかるレーザー加工装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかるレーザー加工装置の概略構成図である。

符号の説明

１…レーザー光源
２…レンズ
３…ビーム整形素子
４…空間光変調素子
５…加工対象物質
６…集光スポット
７…前適合光学系
８…後適合光学系
９…レンズ
１０…制御装置
１１…観測用光学系
１２…観測用光源
１３…観測用検出器

Claims (14)

1. 極超短パルスレーザーを集光して加工対象物質(5)に照射し、該極超短パルスレーザーのエネルギーで前記加工対象物質(5)に加工を行う方法であって、
   該極超短パルスレーザーを空間光変調素子(4)に通すことにより、極超短パルスレーザーを加工対象物質(5)の内部に分布する複数の集光スポット(6)に分割して照射し、該集光スポット(6)に集光するレーザーのエネルギーで、該加工対象物質(5)の内部をレーザー加工することを特徴とするレーザー加工方法。
2. 極超短パルスレーザーのパルス幅が１００×１０^−１２ｓｅｃ以下である請求項１に記載されるレーザー加工方法。
3. 空間光変調素子(4)が、光の回折現象を利用したものであることを特徴とする請求項１に記載されるレーザー加工方法。
4. 空間光変調素子(4)が、光の屈折現象を利用したものであることを特徴とする請求項１に記載されるレーザー加工方法。
5. 空間光変調素子(4)が、光の回折現象と光の屈折現象を利用したものであることを特徴とする請求項１に記載されるレーザー加工方法。
6. 空間光変調素子(4)が反射型光学素子であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載されるレーザー加工方法。
7. 空間光変調素子(4)が透過型光学素子であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載されるレーザー加工方法。
8. 空間光変調素子(4)がコンピュータにより集光スポット(6)を制御する素子である請求項１ないし５のいずれかに記載されるレーザー加工方法。
9. 極超短パルスレーザーを集光して加工対象物質(5)に照射し、該極超短パルスレーザーのエネルギーで前記加工対象物質(5)に加工を行うレーザー加工装置であって、
   極超短パルスレーザーを出力するレーザー光源(1)と、このレーザー光源(1)から放射される極超短パルスレーザーを加工対象物質(5)の内部に分布する複数の集光スポット(6)に分割して照射する空間光変調素子(4)を備え、
   レーザー光源(1)から照射される極超短パルスレーザーを、空間光変調素子(4)でもって該加工対象物質(5)の内部に分布する集光スポット(6)に分割し、集光スポット(6)に照射されるレーザーのエネルギーで加工対象物質(5)の内部にレーザー加工を行うことを特徴とするレーザー加工装置。
10. 加工対象物質(5)の表面構造や内部構造を計測する観測用光学系(11)を備えることを特徴とする請求項９に記載されるレーザー加工装置。
11. 加工対象物質(5)を三次元的に移動できる装置を備え、該加工対象物質(5)を移動させながら三次元的に加工することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載されるレーザー加工装置。
12. レーザー光源(1)と空間光変調素子(4)との間に前適合光学系(7)を配置しており、この前適合光学系(7)でもって、レーザー光の断面におけるエネルギー分布を均一化させることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載されるレーザー加工装置。
13. 空間光変調素子(4)と加工対象物質(5)との間に後適合光学系(8)を配置しており、この後適合光学系(8)が、焦点位置を移動させることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載されるレーザー加工装置。
14. 後適合光学系(8)が、レンズ(9)とこのレンズ(9)をレーザーの照射方向に移動させる移動機構とを含み、レンズ(9)をレーザーの照射方向に移動させてレーザーの焦点位置を移動させることを特徴とする請求項１３に記載されるレーザー加工装置。
    

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