JP2006088199A - レーザ誘起改質加工装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱衝撃によるクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりの発生を防止して、加工品質、改質品質を向上させたレーザ誘起改質加工装置及び方法を提供すること。
【解決手段】 パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器１と、該レーザ発生器１からの該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段１、２、５と、を有し、該超短光パルスレーザはペデスタル成分をもち、該ペデスタル成分が該超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にあることを特徴とするレーザ誘起改質加工装置。被加工材料にペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザを照射することにより、メインパルスによる断熱加工の前後にサブパルスによるプレ及び或いはポスト熱処理作用が加わり、メインパルスによる熱衝撃作用（クラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりなど）が緩和・修復され、加工品質、改質品質を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超短光パルスレーザを用いたレーザ誘起改質加工装置及び方法に関するものである。詳しくは、超短光パルスレーザを被加工材料にそれを改質する閾値以上のフルーエンスで照射することで不透明な被加工材料を断熱加工（穴あけ加工、溝ほり加工、切断・割断加工、など）したり、改質（溶融、屈折率変更、など）したり、或いは透明な被加工材料を多光子吸収を利用して断熱加工したり改質したりするレーザ誘起改質加工装置及び方法に関するものである。

これまで、主に計測や情報通信などへの応用を目指して開発されたピコ秒からフェムト秒の持続時間を有する超短光パルスレーザを被加工材料に照射することでレーザ誘起破壊（ＬＩＢ：Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）を起こし、被加工材料を断熱加工するレーザ誘起改質加工方法が知られていた（例えば、特許文献１参照）。パルス持続時間、すなわちパルス幅が約〜５０ｐｓ以下になると、レーザ照射領域から熱が周囲に伝導する前にパルスが終了するため、レーザ（フォトン）→電子雲、電子雲→格子といった二つのエネルギの流れが独立且つ高速に起こる。したがって、格子へのエネルギ注入が熱伝導による損失を上回るので、高温領域がレーザ照射領域に限定される。すなわち、パルス幅が〜５０ｐｓ以下になると、被加工材料のイオン化、自由電子の増殖、誘導破壊、プラズマ形成、及び蒸発が瞬時に起こるため周囲に熱影響を与えにくいという特徴を有している。また、パルス幅が〜５０ｐｓ以下になると、多光子吸収が起こり、透明材料が不透明材料になり透明材料を改質加工できる特徴を有している。
特開２００２−２０５１７９公報

しかしながら、これまでのレーザ誘起改質加工方法には上記のように、主に計測や情報通信などへの応用を目指して開発された超短光パルスレーザ、すなわちパルスの時間軸での形状がペデスタルフリーの（パルスの裾野引きがない）ｓｅｃｈ²関数形状であり、且つ固体レーザ（ガラスレーザ、アレキサンドライトレーザ、チタンサファイアレーザ）をモードロック発振させ、ＣＰＡ（チャープパルス増幅）することで発生される低繰り返し周波数（１〜３５０ＫＨｚ）のものが使用されている。そのため、１パルス毎に厳密な断熱加工が行われ、非加工周囲に熱的影響を与えない、又は与えても最小限であるというＬＩＢによる加工が可能になるが、加工部位と非加工部位の非連続性のために特に被加工物質を走査して加工する場合等ではかえって加工品質、改質品質が低下するという問題を有していた。

そこで、本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、クラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりの発生を防止して、加工品質、改質品質を向上させたレーザ誘起改質加工装置及び方法を提供することを課題とする。

課題を解決するためになされた請求項1に係る発明は、レーザ誘起改質加工装置であって、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器と、該レーザ発生器から発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段と、を有し、該超短光パルスレーザの光パルスはペデスタル成分をもち、該ペデスタル成分が該超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にあることを特徴としている。

ペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザは、ペデスタル成分であるサブの超短光パルスにペデスタル成分を除いたメインの超短光パルスが重畳したものであり、通常メインパルスの持続時間τ_mが１０ｆｓ〜５０ｐｓの場合、サブパルスの持続時間τ_sはτ_mの５倍前後の５０ｆｓ〜２５０ｐｓとなる。したがって、被加工材料に５％〜５０％のペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザを照射すると、メインパルスによる断熱加工の前後にサブパルスによるプレ及び或いはポスト熱処理作用が加わり、メインパルスによるクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりなどが緩和・修復され、加工品質、改質品質を向上することができる。後続の実施例１で示すように、ペデスタル成分が５％未満ではプレ及び或いはポスト熱処理作用が少なく加工品質、改質品質を向上することができない。また、ペデスタル成分が５０％を越えると加工速度が遅く、実用的でない。なお、レーザの分野、特に光通信や光計測の分野に使用されるレーザにおいては、ペデスタル成分はノイズとして扱われるため好ましくないものとされており、一つのパルスにおいて、その成分は通常５％未満に制限されている。しかしながら、本発明者らが実験したところ、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓとなるような超短光パルスレーザを用いてＬＩＢを行うと、ペデスタル成分があることで、かえって加工品質が向上することがわかった。つまり、本発明は、従来その存在が好ましくないものとされ、抑制されていたペデスタル成分を、レーザ加工の分野で積極的に活用するものである。したがって、当業者が容易に想到できるものではない。

また、請求項２に係る発明は、レーザ誘起改質加工装置であって、レーザ利得媒質をもち、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器と、該レーザ発生器から発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段と、を有し、該レーザ発生器は該超短光パルスレーザの光パルスにおいてペデスタル成分を制御するペデスタル成分制御手段を備えることを特徴としている。

ペデスタル成分制御手段を備えているので、これまで光通信や光計測・制御等の分野では好ましくなかったペデスタル成分を生成し、所定の割合に増加させることができる。なお、レーザ加工分野において、あえてペデスタル成分を制御することを想起したものはなく、ペデスタル成分制御手段を備えたレーザ加工装置を創出することは当業者にとって予期できるものではない。なお、ペデスタル成分制御手段は、所定の範囲に超短光パルスレーザのペデスタル成分を調整するものであればよい。つまり、ペデスタル成分を変えることができる手段と、ペデスタル成分を所定の範囲に固定することができる手段とを含むものであればよい。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記レーザ発生器は、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振器と、該超短光パルスレーザをチャープする伸張器と、該伸張器でチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅器と、該増幅器で増幅された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮する圧縮器と、を有し、前記ペデスタル成分制御手段が、前記レーザ発振器と、前記伸張器と、前記圧縮器とのうち少なくとも一つにより構成されていることを特徴としている。

レーザ発生器は、伸張器、増幅器、圧縮器を備える所謂ＣＰＡによる増幅機能を有するものであり、高出力のレーザを発生することができる。さらに、これらのうち少なくとも一つがペデスタル成分制御手段であるので、ＣＰＡを行うと共に所定量のペデスタル成分を超短光パルスレーザに付与することができる。

また、請求項４に係る発明は、請求項２又は３に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記ペデスタル成分制御手段は、前記超短光パルスレーザが通過する媒質の非線形効果あるいは高次の波長分散により前記ペデスタル成分を制御するものであることを特徴としている。

超短光パルスレーザの非線形効果と高次の波長分散によりペデスタル成分を制御することができる。

また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記超短光パルスレーザが通過する媒質は、光ファイバであることを特徴としている。

光ファイバは、非線形効果あるいは高次の波長分散が大きいので、ペデスタル成分を容易に生成・増加させることができる。また、光ファイバの材料や長さを変えることで、ペデスタル成分を制御することができる。

また、請求項６に係る発明は、請求項２又は３に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記ペデスタル成分制御手段は、前記レーザ利得媒質の利得帯域幅減少効果により、前記ペデスタル成分を制御するものであることを特徴としている。

スペクトル幅が広がることでペデスタル成分を制御しやすくなる。

また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記レーザ利得媒質は、光ファイバ利得媒質であることを特徴としている。

光ファイバ利得媒質は、利得帯域幅減少効果が大きいので、ペデスタル成分を容易に生成・増加することができる。

また、請求項８に係る発明は、請求項２に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記レーザ発生器は、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振器と、該超短光パルスレーザをチャープする伸張器と、該伸張器でチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅器と、該増幅された超短光パルスレーザの偏光を制御する偏光制御器と、該増幅器で増幅され該偏光制御器で偏光制御された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮するバルク回折素子を備えた圧縮器と、を有し、前記ペデスタル成分制御手段は、前記偏光制御器により偏光面が回転された超短光パルスレーザを、前記圧縮器に入射するものであることを特徴としている。

超短光パルスレーザのエネルギを一定にしてペデスタル成分を制御することができる。

また、請求項９に係る発明は、請求項２ないし８のいずれか１項に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記ペデスタル成分制御手段は、前記超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にペデスタル成分を制御するものであることを特徴としている。

課題を解決するためになされた請求項1０に係る発明は、レーザ誘起改質加工方法であって、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生する超短光パルスレーザ発生ステップと、該超短光パルスレーザ発生ステップで発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射する照射ステップと、を有し、該超短光パルスレーザはペデスタル成分をもち、該ペデスタル成分が該超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にあることを特徴としている。

また、請求項１１に係る発明は、レーザ誘起改質加工方法であって、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生する超短光パルスレーザ発生ステップと、該超短光パルスレーザ発生ステップで発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射する照射ステップと、を有し、前記超短光パルスレーザ発生ステップは、前記超短光パルスレーザのペデスタル成分を制御するペデスタル成分制御ステップを有することを特徴としている。

また、請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記レーザ発生ステップは、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振ステップと、該超短光パルスレーザをチャープする伸張ステップと、該伸張ステップでチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅ステップと、該増幅ステップで増幅された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮する圧縮ステップと、を有し、前記ペデスタル成分制御ステップが前記レーザ発振ステップと、前記伸張ステップと、前記増幅ステップと、前記圧縮ステップとのうち少なくとも一つにより成ることを特徴としている。

また、請求項１３に係る発明は、請求項１１又は１２に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記ペデスタル成分制御ステップは、非線形光学特性あるいは高次の波長分散を有する媒質に超短光パルスを通過させるものであることを特徴としている。

また、請求項１４に係る発明は、請求項１３に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記超短光パルスレーザを通過させる媒質は、光ファイバであることを特徴としている。

また、請求項１５に係る発明は、請求項１１又は１２に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記ペデスタル成分制御ステップは、超短光パルスレーザを発振・増幅するレーザ利得媒質の利得帯域幅減少効果により、前記ペデスタル成分を制御するものであることを特徴としている。

また、請求項１６に係る発明は、請求項１５に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記レーザ利得媒質は、光ファイバ利得媒質であることを特徴としている。

また、請求項１７に係る発明はレーザ誘起改質加工方法であって、前記レーザ発生ステップは、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振ステップと、該超短光パルスレーザをチャープする伸張ステップと、該伸張ステップでチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅ステップと、該増幅された超短光パルスレーザの偏光を制御する偏光制御ステップと、該増幅ステップで増幅され該偏光制御ステップで偏光制御された超短光パルスレーザのパルス幅をバルク回折素子により圧縮する圧縮ステップと、を有し、前記ペデスタル成分制御ステップは、前記偏光制御ステップにおいて偏光面が回転された超短光パルスレーザのパルス幅を前記圧縮ステップにおいて圧縮するものであることを特徴としている。

また、請求項１８に係る発明は、請求項１１ないし１７のいずれか１項に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記ペデスタル成分制御ステップは、前記超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にペデスタル成分を制御するものであることを特徴としている。

本発明に係るレーザ誘起改質加工方法によれば、５〜５０％のペデスタル成分をもつパルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するという方法で、メインパルスによる断熱加工の前後にサブパルスによるプレ及び或いはポスト熱処理作用が加わり、メインパルスによるクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりなどが緩和・修復され、加工品質、改質品質を向上することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明のレーザ誘起改質加工装置の構成図、図２はレーザ発生器の概略構成図である。レーザ誘起改質加工装置は、超短光レーザパルスＬを発生するレーザ発生器１と、レーザパルスＬを集光点ｐに集光する集光レンズ２と、集光レンズ２で集光されたレーザパルスＬが垂直（Ｚ軸）方向から入射される被加工材料３が載置される載置台７と、載置台７をＺ軸方向と直交するＸ軸方向に移動させるＸ軸ステージ４１及びＺ軸方向に移動させるＺ軸ステージ４２からなる移動ステージ４と、レーザ発生器１からの超短光パルスレーザＬの出力、パルス幅、繰返し周波数、ペデスタル成分割合及び移動ステージ４の移動を制御する制御部５と、を備えている。

Ｚ軸方向は被加工材料３の表面３１と直交する方向なので、被加工材料３にレーザＬを集光照射する集光レンズ２の焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ４２をＺ軸方向に移動させることにより被加工材料３の表面３１或いは内部にレーザＬの集光径（照射断面積）を任意に設定することができる。フルーエンスは１パルスのレーザエネルギを集光点ｐの面積で割ったものであるので、制御部５でレーザ発生器１からの超短光パルスレーザのパルスエネルギ及び或いはZ軸ステージ４２を制御することによる集光点ｐでの集光径の制御で、フルーエンスを被加工材料３の改質閾値以上にすることができる。集光径は集光レンズ２の焦点距離に比例するので、集光レンズ２の焦点距離を変えることでもフルーエンスを制御することができる。したがって、レーザ発生器１からの超短光パルスレーザを被加工材料３を改質する閾値以上のフルーエンスで被加工材料３に照射するレーザ照射手段は、レーザ発生器１と制御部５を組み合わせたものであっても、レーザ発生器１と集光レンズ２を組み合わせたものであってもよい。

被加工材料３を改質する閾値は、材質によって異なるし、改質の種類（断熱加工：穴あけ加工、溝ほり加工など、改質：溶融、屈折率変更など）によっても異なる。例えば、特開２００２−２０５１７９によれば、被加工材料が不透明な金で、改質の種類が断熱加工の場合、閾値は約０．５Ｊ／ｃｍ²である。また、被加工材料が透明なガラスで、断熱加工の場合は、閾値は約５Ｊ／ｃｍ²である。公開されたデータがない場合は事前に実験的に閾値を求めればよい。

レーザを集光（集光径２ａ）照射する場合の改質径は、改質閾値と集光領域のエネルギ密度曲線の交点になり、集光径より微細な改質ができる特徴を有している。図３は超短光パルスレーザを半径ａの円形に集光したときのエネルギ密度（フルーエンス）Eの分布曲線を模式的に示したものである。集光照射された被加工材料の改質閾値がＥ_thの場合、Ｅ＞Ｅ_thで被加工材料が改質されるので、Ｅ＝Ｅ_thとなる円２ａ’の領域が改質されることになる。ａ’＜ａなので、集光径２ａより小さい２ａ’領域が改質される。

レーザ発生器１は、所謂ＣＰＡすなわちチャープパルス増幅タイプで、レーザ発振器１１から発振されたパルスレーザを受光して伸張されたパルスレーザを出力する伸張器１２と、伸張されたパルスレーザを受光してパルスを間引くパルス間引き器１３と、伸張されて間引かれたパルスレーザを受光して増幅されたパルスレーザを出力する増幅器１４と、増幅されたパルスレーザをコリメートするレンズ１５と、増幅されたパルスレーザを受光して圧縮された超短光パルスレーザを出力する圧縮器１６と、を有している。パルス間引き器１３は後続の増幅器１４での１パルス当たりの増幅率を上げるためのものであり、場合によっては省略してもよい。

レーザ発振器１１としては、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄのうち少なくともいずれか一つをドープした光ファイバを利得媒質とする発振波長が１．０から１．６μｍのパルスレーザを発生する受動型モードロックファイバレーザを用いることが好ましい。被加工材料３を例えば１．０〜１．６μｍの波長において透明な半導体材料としてその内部のｐ点のみを多光子吸収によって改質することができる。また、後続の増幅器１４にもＥｒ、Ｙｂ、Ｎｄのうち少なくともいずれか一つをドープした光ファイバ利得媒質を用いることができる。これらの光ファイバ利得媒質により後述するように、ペデスタル成分を容易に制御することができる。

例えば、Ｅｒドープファイバを利得媒質とする受動型モードロックファイバレーザから、パルス幅が１〜５０ｐｓ、平均出力パワが０．１〜５０ｍＷ、発振波長が１．５５μｍ、繰返し周波数が１〜１００ＭＨｚの短光パルスレーザを発生することは容易である。

レーザ発振器１１として、発振波長が０．８μｍ帯のパルス発振するＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｈ Ｌａｓｅｒ）である半導体レーザを用いてもよい。レーザ発生器１を小型軽量化できると共に、受動型モードロックファイバレーザに比べ任意のタイミングでレーザ発振させることができる。また、０．８μｍ帯のレーザは可視光領域で透明なほとんどの材料を透過するので、そのような透明材料（例えば、ガラスなど）の内部に集光点ｐを設定することで、内部にマーキングしたりすることができる。なお、レーザ発振器としては、これらに限られるものではなく、たとえばＴｉサファイアをレーザ利得媒質として用いたフェムト秒レーザ発振器でもよい。

入射光パルスをチャープさせ、パルス幅を伸張させる伸張器１２としては、分散補償ファイバやチャープファイバブラッググレーティングを用いることができる。波長分散は材料分散に導波路分散を加えたもので、材料とカットオフ波長及びコアとクラッドの比屈折率差を適当に選ぶことで容易に制御される。パルス伸張率は、波長分散と長さ（光路長）で決まり、長さ１００ｍの分散補償ファイバで例えば１００〜１０００倍に伸張することは容易である。チャープファイバブラッググレーティングは、例えば、Ｇｅドープファイバに長さ１０ｃｍのチャープ位相マスクを使ってフォトリソ技術で形成することができる。長さ１０ｃｍのチャープブラッググレーティングで例えば１０，０００倍に伸張することができる。伸張器１２に光ファイバを用いることで、後述するように、ペデスタル成分を容易に制御することができる。

パルス間引き器１３としては、光強度変調器を用いることができる。前段の伸張器がファイバ伸張器で後段の増幅器がファイバ増幅器の場合は、導波路型光変調器が好ましい。接続によるロスを抑えることができる。

増幅器１４としては、レーザ発振器１１がＥｒドープファイバ利得媒質を用いたモードロックレーザの場合は、発振波長が１．５５μｍであるので、１．５５μｍの光に利得をもつＥｒドープファイバ１４１を光ファイバ利得媒質として用いるとよい。ポンピングは、例えば、波長分割多重ファイバカップラ１４３を介してレーザダイオード１４２からの波長１．４８μｍのレーザをコアに導波させることで行われる。

増幅器１４を前置増幅器と主増幅器の２段構成にするとよい。前置増幅器で、前段のパルス間引き１３で間引かれて低下する平均パワーを間引かれる前の平均パワーまで引き上げることができる。

圧縮器１６は、増幅器１４で増幅されたピークパワの高い短光パルスでも非線形現象が発現しないバルク回折素子１６１、１６２で構成される。バルク回折素子としては、回折格子、プリズム、或いはホログラフィックグレーティングなどを用いることができる。例えば、回折格子圧縮器では、１／１００〜１／１０００に圧縮することができる。

レーザ発生器１から発生される超短光パルスレーザのペデスタル成分は、レーザ発生器１の超短光パルスレーザが通過する媒質の非線形効果あるいは高次の波長分散により生成・増加される。媒質として、たとえば、レーザ発振器１１が受動型モードロックファイバレーザの場合は、その光ファイバ利得媒質であり、伸張器１２が光ファイバの場合は伸張器１２そのものであり、あるいは増幅器１４が光ファイバ増幅器である場合はそのファイバ利得媒質１４１である。ペデスタル成分を生成・増加させる非線形効果としては、自己位相変調、変調不安定性及び誘導ラマン散乱がある。前二者の非線形効果による影響は、媒質の屈折率の光強度依存性で起こる。これらの影響により媒質を伝播する光のスペクトル幅が広げられ、その結果として圧縮器１６で圧縮された超短光パルスレーザはペデスタル成分をもつようになる。誘導ラマン散乱は、伝播する光の強度が高くなるとその光を利得帯域外にシフトさせるので、その結果として圧縮器１６で圧縮できない部分がペデスタル成分になる。高次の波長分散によっても伝播する光のスペクトル幅が広げられ、その結果として圧縮器１６で圧縮された超短光パルスレーザはペデスタル成分をもつようになる。非線形効果および高次の波長分散は、光強度依存性があり、一般にその影響は長さと共に増大するので、ペデスタル成分の割合は、たとえば伸張器１２の光ファイバや増幅器１４のファイバ利得媒質１４１、レーザ発振器１１の光ファイバ利得媒質に入射する超短光パルスレーザのパワーを変えるか或いは伸張器１２の光ファイバやファイバ利得媒質１４１、レーザ発振器１１の光ファイバ利得媒質の長さを変えることで変えることができる。

レーザ発生器１から発生される超短光パルスレーザのペデスタル成分を、レーザ発振器１１のレーザ利得媒質（本実施例の場合、光ファイバ利得媒質）や増幅器１４のレーザ利得媒質１４１の利得帯域幅減少効果により、生成・増加することもできる。利得帯域幅減少効果は、ポンピングパワーが減少すると利得帯域幅が減少する現象で、逆に、ポンピングパワーが増大すると利得帯域幅が増大するとも言える。したがって、ポンピングパワーを増大させることでレーザ利得媒質で発振あるいは増幅される光のスペクトル幅が広がり、その結果として圧縮器１６で圧縮された超短光パルスレーザはペデスタル成分をもつようになる。

なお、ペデスタル成分を制御するために、たとえばファイバ利得媒質１４１、レーザ発振器１１の光ファイバ利得媒質に入射する超短光パルスレーザのパワーを変えるか、ファイバ利得媒質１４１、レーザ発振器１１の光ファイバ利得媒質の長さを変えるか、或いはファイバ利得媒質１４１へのポンピングパワーを変えると、レーザ発生器１から発生する超短光パルスレーザの平均出力パワー（１パルスのエネルギ）が変化してしまい、フルーエンスを一定にしてペデスタル成分を変えることができない場合がある。その場合は、たとえば、圧縮器１６の後にパワー調節器を配置すればよい。パワー調節器としては、たとえば、ＮＤフィルタや波長板が用いられる。あるいは、ポンピングパワーに応じてレーザ発振器１１から発生する超短光パルスレーザの平均出力パワーを制御すればよい。パワー調節器が不要になる。

バルク回折素子を用いて時間幅の圧縮を行う場合、１次の回折光を用いて伸張器１２で伸張された超短光パルスの分散補償を行うが、バルク回折素子の１次の回折光の反射効率には偏波依存性があり、ｐ偏光成分のみが分散補償され、ｓ偏光成分は０次の回折光になって分散補償に全く寄与しない。したがって、レーザ発生器１から発生される超短光パルスレーザのペデスタル成分は、圧縮器１６の前に偏光制御器１７を挿入し、圧縮器１６への入射光の偏光面を回転させることでも制御される。この場合は、レーザ発生器１から発生する超短光パルスレーザの平均出力パワー（１パルスのエネルギ）が変化しないので、パワー調節器などが不要である。

偏光制御器を挿入しなくても例えばレーザ利得媒質として光ファイバ利得媒質を使用する場合、ファイバ利得媒質１４１のファイバを偏光非保存型から偏光保存型に変更することでもペデスタル成分の割合を変えることができる。

本実施例は上記した図１に示すレーザ誘起改質加工装置のレーザ発生器１を図４に示すレーザ発生器にして、ガラスに溝ほり加工を行ったものである。

レーザ発生器１は、図４に示すように、レーザ発振器１１と、ファイバ伸張器１２と、パルス間引き器１３と、ファイバ増幅器１４と、圧縮器１６と、を有している。

レーザ発振器１１は、Ｅｒドープファイバを利得媒質とするパルス幅が３００〜５００ｆｓで、平均出力パワーが１〜１０ｍＷ、発振波長が１．５６μｍ、繰返し周波数が４０〜５０ＭＨｚの超短光パルスレーザを発生する受動型モードロックファイバレーザである。

ファイバ伸張器１２は、波長分散が２００ｐｓ／ｎｍ／Ｋｍ、長さが１００ｍの偏光保存型ファイバである。

パルス間引き器１３は、導波路型電気光学光変調器で、マッハツェンダ干渉計を構成したＺカットＬｉＮｂＯ₃結晶とパルスジェネレータを有している。パルスジェネレータはパルス幅１０〜２０ｎｓ、繰返し周波数１００〜３００ＫＨｚの変調信号電圧をＬｉＮｂＯ₃結晶に印加する機能・性能を有している。

ファイバ増幅器１４は、前置増幅器１４aと主増幅器１４bとからなる。前置増幅器１４aは、コアにＥｒをドープした長さが２．６ｍのシングルモード偏光保存型ファイバ１４１aと、ポンプ光源としてのレーザダイオード１４２a、及び波長分割多重偏光保存ファイバカップラー１４３aを有している。レーザダイオード１４２aは、ファイバピッグテール付で、波長１．４８μm、出力１〜４WのＣＷレーザを発生する。

主増幅器１４bは、コア径が２０μｍでＥｒとＹｂを共ドープした長さ５ｍのマルチモード偏光保存二重クラッドファイバ１４１bと、レーザダイオード１４２bを有している。レーザダイオード１４２bは、波長９７５ｎｍ、出力４ＷのＣＷレーザを発生する。レーザダイオード１４２bから発生されたレーザはレンズ１４４でコリメートされ、二重クラッドファイバ１４１bの第１クラッドに結合される。

圧縮器１６は、回折格子１６１、１６２の対で構成されている。

本実施例のレーザ発生器１の動作結果をケースに分けて以下に記す。

（ケース１）レーザ発振器１１から中心波長１．５５８μｍ、繰返し周波数４８．５ＭＨＺ、パルス幅３８０ｆｓ、平均出力パワー５．１ｍＷの超短光パルスレーザを発生させ、パルス間引き器１３で繰返し周波数を２５０ＫＨｚにし、前置増幅器１４aのポンピングパワーを１Ｗにしたとき、レーザ発生器１から中心波長１．５６０μｍ、平均出力パワー３２５ｍＷ、パルスエネルギ１．３μＪ／パルス、パルス幅９３０ｆｓの超短光パルスレーザが得られた。図５にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形（イ）を示すが、ペデスタルフリーのパルス波形が得られた。

（ケース２）レーザ発振器１１からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを３．４ｍＷにし、前置増幅器１４aのポンピングパワーを１．５Ｗにする以外は上記のケース１と同じにしたとき、レーザ発生器１から中心波長１．５６０μｍ、平均出力パワー３２０ｍＷ、パルスエネルギ１．３μＪ／パルス、パルス幅１１２７ｆｓの超短光パルスレーザが得られた。図６にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形（ロ）を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの５％である波形が得られた。なお、図６のパルス波形（イ）はケース１のときの波形である。

（ケース３）レーザ発振器１１からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを２．５５ｍＷにし、前置増幅器１４aのポンピングパワーを２Ｗにする以外は上記のケース１と同じにしたとき、レーザ発生器１から中心波長１．５６０μｍ、平均出力パワー３２０ｍＷ、パルスエネルギ１．３μＪ／パルス、パルス幅９３３ｆｓの超短光パルスレーザが得られた。図７にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形（ハ）を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの１６％である波形が得られた。

（ケース４）レーザ発振器１１からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを２ｍＷにし、前置増幅器１４aのポンピングパワーを２．５Ｗにする以外は上記のケース１と同じにしたとき、レーザ発生器１から中心波長１．５６０μｍ、平均出力パワー３２０ｍＷ、パルスエネルギ１．３μＪ／パルス、パルス幅８９４ｆｓの超短光パルスレーザが得られた。図８にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形（ニ）を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの３２％である波形が得られた。

（ケース５）レーザ発振器１１からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを１．７ｍＷにし、前置増幅器１４aのポンピングパワーを３Ｗにする以外は上記のケース１と同じにしたとき、レーザ発生器１から中心波長１．５６０μｍ、平均出力パワー３２０ｍＷ、パルスエネルギ１．３μＪ／パルス、パルス幅９３３ｆｓの超短光パルスレーザが得られた。図９にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形（ホ）を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの５０％である波形が得られた。

（ケース６）レーザ発振器１１からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを１．３ｍＷにし、前置増幅器１４aのポンピングパワーを４Ｗにする以外は上記のケース１と同じにしたとき、レーザ発生器１から中心波長１．５６０μｍ、平均出力パワー３２０ｍＷ、パルスエネルギ１．３μＪ／パルス、パルス幅９６５ｆｓの超短光パルスレーザが得られた。図１０にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形（ヘ）を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの５６％である波形が得られた。

図１の非加工材料３として厚さ２５０μｍの石英ガラス板を用い、集光レンズ２にオリンパスの顕微鏡対物レンズ×５０を用い、Z軸ステージ４２を制御部５で上下させ、集光点ｐを石英ガラス板３の表面３１に設定し、集光点ｐのスポット径を５μｍにした。そして、制御部５でレーザ発生器１を制御して順次上記ケース１〜６の超短光パルスレーザを発生させてフルーエンス６．６Ｊ／ｃｍ²にし、制御部５でＸ軸ステージを１０ｍｍ／ｓのスピードで移動させて溝ほり加工を行った。ケース１〜６での溝ほり加工後の拡大写真を図１１〜１６にそれぞれ示す。

図１１からペデスタルフリー（ケース１）の場合、溝の深さが２０μｍで、溝のとばくちにクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりが発生していることが確認された。

一方、図１２はペデスタル成分が５％（ケース２）の場合、図１３はペデスタル成分が１６％（ケース３）の場合、図１４はペデスタル成分が３２％（ケース４）の場合、図１５はペデスタル成分が５０％（ケース５）の場合、図１６はペデスタル成分が５６％（ケース６）の場合であるが、何れも、図８と異なり、とばくちのきれいな溝が形成された。なお、図１１〜１５は溝深さが２０μｍあったが、図１６は１０μｍしかなく、ペデスタル成分が約５０％以上になると、加工速度、加工効率の点で実用的でないと判断された。

少なくとも５％以上のペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザを照射すると、メインパルスによる断熱加工の前後にサブパルスによるプレ及びポスト熱処理作用が加わり、メインパルスによるクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりなどが緩和・修復され、加工品質、改質品質を向上することが確認された。

本実施例は、実施例１のレーザ誘起改質加工装置で被加工材料３を厚さ２００μｍ、長さ３０ｍｍのＢＫ７ガラス基板にし、表面３１から５μｍ中に入ったところに集光点ｐを設定して集光点ｐの屈折率を変化させ光導波路を形成したものである。

予備テストで屈折率が変化するフルーエンス閾値が３Ｊ／ｃｍ²であったので、フルーエンスが３．３Ｊ／ｃｍ²になるように条件を設定した。すなわち、レーザ発生器１を制御部５で制御して中心波長１．５６０μｍ、平均出力パワー１６３ｍＷ、パルスエネルギ０．６５μＪ／パルス、パルス幅９６０ｆｓ、ペデスタル成分４．５％の超短光パルスレーザを発生させ、ＢＫ７ガラス基板３に集光照射（集光スポット径５μｍ）しながらガラス基板３をX軸ステージ４１で５ｍｍ／ｓのスピードで移動させ、長さ３０ｍｍの光導波路１を作製した。

次に、ペデスタル成分が５％以外は上記光導波路１と同じ条件で光導波路２を作製した
また、ペデスタル成分が１８％以外は上記光導波路１と同じ条件で光導波路３を作製した。

さらに、ペデスタル成分が３６％以外は上記光導波路１と同じ条件で光導波路４を作製した。

光導波路作製後、ガラス基板３の両端を光学研磨し、そこから作製した導波路に波長６３２ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザをカップリングし、カットバック法で光導波路損失を測定した。その結果、光導波路１の光導波路伝播損失が２．４ｄＢ／ｃｍであるのに対し、光導波路２の伝播損失が１．９ｄＢ／ｃｍ、光導波路３の伝播損失が１．８ｄＢ／ｃｍ、光導波路４の伝播損失が１．９ｄB／ｃｍであった。

少なくとも５％以上のペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザを照射すると、伝播損失が大幅に減少した。これは、ペデスタル成分が５％以上になると光導波路がスムーズに形成され、光導波路内の屈折率変化が連続しており、コアとクラッドの界面がスムーズであり、それらによる散乱損失が低減されるためと考えられる。

本実施例は、実施例１のレーザ誘起改質加工装置で被加工材料３を厚さ２００μｍ、長さ３０ｍｍの光学用樹脂材料であるポリイミド基板にし、表面３１から５μｍ中に入ったところに集光点ｐを設定して集光点ｐの屈折率を変化させ光導波路を形成したものである。

予備テストで屈折率が変化するフルーエンス閾値が５Ｊ／ｃｍ²であったので、フルーエンスが６．６Ｊ／ｃｍ²になるように条件を設定した。すなわち、レーザ発生器１を制御部５で制御して、中心波長１．５６０μｍ、平均出力パワー３２５ｍＷ、パルスエネルギ１．３μＪ／パルス、パルス幅９６０ｆｓ、ペデスタル成分４．５％の超短光パルスレーザを発生させ、ポリイミド基板３に集光照射（集光スポット径５μｍ）しながらポリイミド基板３をX軸ステージ４１で３０ｍｍ／ｓのスピードで移動させ、長さ３０ｍｍの光導波路５を作製した。

次に、ペデスタル成分が５％以外は上記光導波路５と同じ条件で光導波路６を作製した。

また、ペデスタル成分が１８％以外は上記光導波路５と同じ条件で光導波路７を作製した。

さらに、ペデスタル成分が３６％以外は上記光導波路５と同じ条件で光導波路８を作製した。

光導波路作製後、ポリイミド基板３の両端を光学研磨し、そこから作製した導波路に波長８５５ｎｍの半導体レーザをカップリングし、カットバック法で光導波路損失を測定した。その結果、光導波路５〜８の伝播損失がそれぞれ３．４ｄB／ｃｍ、２．６ｄＢ／ｃｍ、２．５ｄB／ｃｍ、２．７ｄB／ｃｍであった。すなわち、ペデスタル成分が４．５％の場合より５％、１８％、３６％の場合の方が低損失であった。

本発明のレーザ誘起改質加工装置の構成図である。 レーザ発生器の概略構成図である。 超短光パルスレーザを半径ａの円形に集光したときのエネルギ密度（フルーエンス）Ｅの分布曲線である。 実施例１のレーザ発生器の概略構成図である。 ポンピングパワーが１Ｗのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。 ポンピングパワーが１．５Ｗのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。 ポンピングパワーが２Ｗのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。 ポンピングパワーが２．５Ｗのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。 ポンピングパワーが３Ｗのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。 ポンピングパワーが４Ｗのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。 ペデスタルフリーパルスレーザでの溝ほり加工結果である。 ペデスタル成分が５％のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。 ペデスタル成分が１６％のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。 ペデスタル成分が３２％のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。 ペデスタル成分が５０％のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。 ペデスタル成分が５６％のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・・・レーザ発生器
１、２、５・・・・・・・・・・レーザ照射手段
１４・・・・・・・・・・・・・ペデスタル成分制御手段
１４１、１４１ａ、１４１ｂ・・光ファイバ利得媒質
１６・・・・・・・・・・・・・圧縮器
１７・・・・・・・・・・・・・偏光制御器

Claims (18)

1. パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器と、
   該レーザ発生器から発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段と、
   を有し、該超短光パルスレーザの光パルスはペデスタル成分をもち、該ペデスタル成分が該超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にあることを特徴とするレーザ誘起改質加工装置。
2. レーザ利得媒質をもち、パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生するレーザ発生器と、
   該レーザ発生器から発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段と、
   を有し、該レーザ発生器は該超短光パルスレーザのペデスタル成分を制御するペデスタル成分制御手段を備えることを特徴とするレーザ誘起改質加工装置。
3. 前記レーザ発生器は、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振器と、
   該超短光パルスレーザをチャープする伸張器と、
   該伸張器でチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅器と、
   該増幅器で増幅された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮する圧縮器と、
   を有し、前記ペデスタル成分制御手段が、前記レーザ発振器と、前記伸張器と、前記圧縮器とのうち少なくとも一つにより構成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ誘起改質加工装置。
4. 前記ペデスタル成分制御手段は、前記超短光パルスレーザが通過する媒質の非線形効果あるいは高次の波長分散により前記ペデスタル成分を制御するものであることを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ誘起改質加工装置。
5. 前記超短光パルスレーザが通過する媒質は、光ファイバであることを特徴とする請求項４に記載のレーザ誘起改質加工装置。
6. 前記ペデスタル成分制御手段は、前記レーザ利得媒質の利得帯域幅減少効果により、前記ペデスタル成分を制御するものであることを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ誘起改質加工装置。
7. 前記レーザ利得媒質は、光ファイバ利得媒質であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ誘起改質加工装置。
8. 前記レーザ発生器は、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振器と、
   該超短光パルスレーザをチャープする伸張器と、
   該伸張器でチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅器と、
   該増幅された超短光パルスレーザの偏光を制御する偏光制御器と、
   該増幅器で増幅され該偏光制御器で偏光制御された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮するバルク回折素子を備えた圧縮器と、
   を有し、前記ペデスタル成分制御手段は、前記偏光制御器により偏光面が回転された超短光パルスレーザを、前記圧縮器に入射するものであることを特徴とする請求項２に記載のレーザ誘起改質加工装置。
9. 前記ペデスタル成分制御手段は、前記超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にペデスタル成分を制御するものであることを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１項に記載のレーザ誘起改質加工装置。
10. パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生する超短光パルスレーザ発生ステップと、
    該超短光パルスレーザ発生ステップで発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射する照射ステップと、
    を有し、該超短光パルスレーザはペデスタル成分をもち、該ペデスタル成分が該超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にあることを特徴とするレーザ誘起改質加工方法。
11. パルス幅が１０ｆｓ〜５０ｐｓの超短光パルスレーザを発生する超短光パルスレーザ発生ステップと、
    該超短光パルスレーザ発生ステップで発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射する照射ステップと、
    を有し、前記超短光パルスレーザ発生ステップは、前記超短光パルスレーザのペデスタル成分を制御するペデスタル成分制御ステップを有することを特徴とするレーザ誘起改質加工方法。
12. 前記レーザ発生ステップは、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振ステップと、
    該超短光パルスレーザをチャープする伸張ステップと、
    該伸張ステップでチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅ステップと、
    該増幅ステップで増幅された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮する圧縮ステップと、
    を有し、前記ペデスタル成分制御ステップが前記レーザ発振ステップと、前記伸張ステップと、前記増幅ステップと、前記圧縮ステップとのうち少なくとも一つにより成ることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ誘起改質加工方法。
13. 前記ペデスタル成分制御ステップは、非線形光学特性あるいは高次の波長分散を有する媒質に超短光パルスを通過させるものであることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のレーザ誘起改質加工方法。
14. 前記超短光パルスレーザを通過させる媒質は、光ファイバであることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ誘起改質加工方法。
15. 前記ペデスタル成分制御ステップは、超短光パルスレーザを発振・増幅するレーザ利得媒質の利得帯域幅減少効果により、前記ペデスタル成分を制御するものであることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のレーザ誘起改質加工方法。
16. 前記レーザ利得媒質は、光ファイバ利得媒質であることを特徴とする請求項１５に記載のレーザ誘起改質加工方法。
17. 前記レーザ発生ステップは、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振ステップと、
    該超短光パルスレーザをチャープする伸張ステップと、
    該伸張ステップでチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅ステップと、
    該増幅された超短光パルスレーザの偏光を制御する偏光制御ステップと、
    該増幅ステップで増幅され該偏光制御ステップで偏光制御された超短光パルスレーザのパルス幅をバルク回折素子により圧縮する圧縮ステップと、
    を有し、前記ペデスタル成分制御ステップは、前記偏光制御ステップにおいて偏光面が回転された超短光パルスレーザのパルス幅を前記圧縮ステップにおいて圧縮するものであることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ誘起改質加工方法。
18. 前記ペデスタル成分制御ステップは、前記超短光パルスレーザのエネルギの５％〜５０％の範囲にペデスタル成分を制御するものであることを特徴とする請求項１１ないし１７のいずれか１項に記載のレーザ誘起改質加工方法。

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