JP2006110587A - Laser interference machining method and device - Google Patents
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Description
本発明は、超短パルスレーザーを用いて被加工材の加工や改質を行うレーザー干渉加工方法および装置に関するものである。 The present invention relates to a laser interference processing method and apparatus for processing and modifying a workpiece using an ultrashort pulse laser.
フェムト秒レーザーは、パルスが1〜999×10-15 秒と非常に短く、レーザーエネルギーの吸収によるアブレーション加工において、熱の拡散による影響を殆ど受けないことが知られている。この特徴を生かして、これまでに、フェムト秒レーザーを用いた100nmオーダーの加工が非特許文献1などで報告されている。また、パルスの強度は1TW(1012W)以上に達するため、集光して光強度を高めたフェムト秒レーザーを物質に照射すると、一つの電子が複数の光子を一度に吸収する多光子吸収と呼ばれる現象が起こることが知られている。この現象を用いれば、ガラスなどの透明物質の内部のみでレーザーの吸収を引き起こすことが可能であり、それら物質の内部にボイドを形成することができる。また、ボイドの形成に至らない比較的弱いフェムト秒レーザーを照射した場合でも多光子吸収は起こり、屈折率やエッチングレートの変化を引き起こすことが知られている。
It is known that the femtosecond laser has a very short pulse of 1 to 999 × 10 −15 seconds and is hardly affected by heat diffusion in the ablation processing by absorption of laser energy. Taking advantage of this feature,
これらの現象を用いた応用例として、ガラス内部にボイドを周期的に配列したフォトニック結晶の製作(非特許文献2参照)や、ガラスの屈折率変化を応用した光導波路の製作(非特許文献3参照)や、エッチングレート変化を応用した液体流路の製作(非特許文献4参照)などが知られている。また、これら二つの特徴を生かした、角膜などの生体の加工、多光子吸収による分析などへの応用も盛んに研究されている。 Examples of applications using these phenomena include the production of photonic crystals in which voids are periodically arranged inside the glass (see Non-Patent Document 2), and the production of optical waveguides that apply changes in the refractive index of glass (Non-Patent Documents). 3), and the production of a liquid flow channel using an etching rate change (see Non-Patent Document 4) is known. In addition, the application of these two features to the processing of living bodies such as the cornea and the analysis by multiphoton absorption has been actively studied.
さらに、フェムト秒レーザーは非常に干渉性の高いレーザーであり、適当な光学系により二つのフェムト秒レーザーを重ね合わせると、干渉による光強度の縞(干渉縞)が生ずる。このフェムト秒レーザーの干渉性を応用した例が、特許文献1や特許文献2に開示されている。
Furthermore, the femtosecond laser is a laser having a very high coherence, and when two femtosecond lasers are overlapped by an appropriate optical system, a light intensity fringe (interference fringe) is generated due to interference. Examples of applying the coherence of the femtosecond laser are disclosed in
特許文献1は、ビームスプリッターにより分割したフェムト秒レーザーパルスを、空間的かつ時間的に重ね合わせて干渉を引き起こし、それを基材の表面に照射し、アブレーションによる基材表面の形状変化または屈折率の変化として干渉縞を基材の表面に記録するものである。また、ガラス表面にアブレーションに至らないパルスエネルギーの干渉フェムト秒レーザーを照射したのち、1%−HFでのエッチング処理を行うことにより、干渉縞と同ピッチの溝をガラス表面に加工できることも述べられている。このように、フェムト秒レーザーの干渉を用いれば、フォトリソグラフィなどの複雑な工程を経なくても、数十〜数百オーダーの周期構造もしくは周期的な屈折率変化を、数十〜数百μmの領域に、容易に加工することが可能である。
また、特許文献2では、特許文献1と同様の装置によって干渉させたフェムト秒レーザーパルスを、ビームの入射方向を変えて二回基材に照射することにより、二方向の周期をもつ構造体を基材の表面に製作できることが述べられている。なお、特許文献1または特許文献2に開示された発明の内容は、学術論文として非特許文献5の中でも詳しく述べられている。
しかし、従来の方法によるフェムト秒レーザーの干渉装置を用いた場合、干渉により形成された構造物の深さ、幅、もしくは屈折率の変化率は、パルスの照射された領域内で大きく分布していた。 However, when a conventional femtosecond laser interferometer is used, the depth, width, or refractive index change rate of the structure formed by the interference is widely distributed in the region irradiated with the pulse. It was.
図14および図15は、従来のフェムト秒レーザー干渉を使用して基材201の表面をアブレーション加工した際の、加工形状(加工パターン)を示す図である。図14は、レーザーの照射領域を移動させずに一箇所のみ加工したもの、図15は、図1の加工パターンを並べて広域を加工したものである。図14のレーザー照射領域の中心部の充分に加工された領域αではアブレーションによる周期構造がはっきりと形成されている。しかし、レーザー照射領域の中心から外れた両側の領域βでは、周期構造のコントラストがはっきりしなくなり、加工された領域と加工されていない領域との境界は非常に曖昧となっていた。
FIG. 14 and FIG. 15 are diagrams showing the processing shape (processing pattern) when the surface of the
また、図15に示すように、図14の加工パターンを並べて広い領域を加工した場合でも、この加工領域α、βにおける加工幅、および加工深さの分布は解消されない。 As shown in FIG. 15, even when the processing patterns of FIG. 14 are arranged and a wide region is processed, the processing width and processing depth distributions in the processing regions α and β are not eliminated.
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、レーザー干渉加工における加工深さや加工幅の分布を解消し、フェムト秒レーザーの干渉光を用いてより高精度で信頼性の高いデバイス等の加工や改質を行うことのできるレーザー干渉加工方法および装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, eliminates the distribution of the processing depth and processing width in laser interference processing, and uses the interference light of a femtosecond laser for higher accuracy. It is an object of the present invention to provide a laser interference processing method and apparatus capable of processing and modifying a highly reliable device and the like.
上記の目的を達成するため、本発明のレーザー干渉加工方法は、可干渉性を持つパルスレーザー光を二つのパルスビームに分割し、それらを所定の角度で重ね合わせることにより干渉させて得られた干渉光を被加工材に照射して、前記被加工材を加工・改質させるレーザー干渉加工方法において、前記干渉光の干渉周期方向の断面が、前記二つのパルスビームと同じパルス長の理想平面波を前記所定の角度で重ね合わせて得られる干渉可能領域より小さいことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the laser interference processing method of the present invention was obtained by splitting a coherent pulse laser beam into two pulse beams and overlapping them by overlapping at a predetermined angle. In a laser interference processing method of irradiating a workpiece with interference light and processing / modifying the workpiece, an ideal plane wave having a cross-section in the interference period direction of the interference light having the same pulse length as the two pulse beams Is smaller than the interference possible region obtained by superimposing them at the predetermined angle.
干渉可能領域の中心部のみの干渉光を利用することで、照射時間の分布による加工深さや加工幅の不均一を低減し、形状精度の高い溝加工等を行うことができる。 By using the interference light only at the center of the region where interference is possible, unevenness in the processing depth and processing width due to the distribution of the irradiation time can be reduced, and groove processing with high shape accuracy can be performed.
図1に示すように、フェムト秒レーザー光を二つに分割して得られるパルスビームP1 、P2 を角度θで重ね合わせて限定された領域で干渉を生じさせる。その干渉光を、図2に示すように、被加工材である基材1に照射することにより基材1の加工もしくは改質を行うに当たり、干渉するパルスビームP1 、P2 の断面寸法を限定することで、同じパルス長の理想平面波S1 、S2 を同じ角度θで干渉させた干渉周期方向の干渉可能領域幅ABと比較して、パルスビームP1 、P2 による干渉光の断面である干渉領域幅DEの方を狭くすることで、照射時間の短い干渉光を排除し、加工幅や加工深さの分布を解消する。
As shown in FIG. 1, pulse beams P 1 and P 2 obtained by dividing femtosecond laser light into two are overlapped at an angle θ to cause interference in a limited region. As shown in FIG. 2, when processing or modifying the
本発明者らは、詳細な検討により、先に述べたレーザー干渉加工における加工幅等の分布は、干渉光の照射時間が基材の表面で分布することが原因であることを突き止めた。フェムト秒レーザーはそのパルス長も数10〜300μmと非常に短いため、図3に示すように、無限に広い理想平面波S1 、S2 を干渉させた場合でも、干渉に寄与する領域(干渉可能領域)は図中のひし形の領域に限られる。図4の(a)〜(c)に示すように、このひし形の領域は、その形を保ったまま基材1に入射するため、ひし形の端に位置する点A、Bと、ひし形の中央に位置する点0では、同図の(d)に示すように干渉光に晒される時間が著しく異なっている。加工深さや幅および改質の程度は、干渉光の照射時間に依存しており、照射時間の長い領域では充分に加工もしくは改質が進むが、加工時間の短い領域では不充分となる。したがって、照射領域A−B間で加工および改質の程度に分布が生じてしまう。
The present inventors have found that the distribution of the processing width and the like in the laser interference processing described above is caused by the distribution of the interference light irradiation time on the surface of the base material through detailed examination. Since the femtosecond laser has a very short pulse length of several tens to 300 μm, even when infinitely wide ideal plane waves S 1 and S 2 interfere with each other as shown in FIG. (Region) is limited to the diamond-shaped region in the figure. As shown in FIGS. 4A to 4C, since the rhombus region is incident on the
なお、干渉可能領域幅ABは、各パルスビームP1 、P2 のパルス長をLとしたときに、以下の式、 The interference possible area width AB is expressed by the following equation when the pulse length of each of the pulse beams P 1 and P 2 is L:
そこで、図1および図2に示すように、xy断面において、パルスビームP1 、P2 の入射面で切り取られる干渉領域の干渉周期方向の幅DEを、干渉可能領域幅ABよりも狭くして、干渉可能領域の中心部のみの干渉を利用し、干渉光の照射時間が充分でない領域A−D間および領域E−B間では干渉の発生を抑制する。 Therefore, as shown in FIGS. 1 and 2, in the xy cross section, the width DE in the interference period direction of the interference region cut off at the incident surface of the pulse beams P 1 and P 2 is made smaller than the interference possible region width AB. In addition, by using interference only in the central part of the interference possible area, the occurrence of interference is suppressed between the areas A and D and the areas E and B where the irradiation time of the interference light is insufficient.
このような干渉光を基材1に照射すれば、照射時間の不均一に起因する加工および改質の分布を改善することができる。また、加工もしくは改質された領域とそうでない領域の境界も明確になり、それらのパターンを並べて広い領域を加工もしくは改質する場合に好都合である。なお、上記の干渉領域幅DEの制約は、パルスビームP1 、P2 の入射面に平行な方向に対するものであり、ビーム入射面に直角な方向(z方向)の干渉領域に対しては、何ら制約を加えるものではない。したがって、z方向に干渉領域が長くなるようにすれば、充分な加工面積および改質面積が確保できる。
By irradiating the
図5は、一実施例によるレーザー干渉加工装置を示す模式図である。フェムト秒レーザーの発振には、チタンサファイア結晶を用いた再生増幅システムを用いた。レーザーの波長、パルス幅、発振周期、パルスエネルギーおよび1/e2 強度ビーム径(φ(1/e2 ))は、それぞれ800nm、100fs、40kHz、3mJ、8mmである。図示しないフェムト秒レーザー発振器には、発振器と同期させた光学シャッターとNDフィルターが組み合わされており、適当なパルスエネルギーのパルスを適当な数だけ取り出せるようになっている。 FIG. 5 is a schematic diagram showing a laser interference processing apparatus according to an embodiment. A regenerative amplification system using a titanium sapphire crystal was used for femtosecond laser oscillation. The laser wavelength, pulse width, oscillation period, pulse energy, and 1 / e 2 intensity beam diameter (φ (1 / e 2 )) are 800 nm, 100 fs, 40 kHz, 3 mJ, and 8 mm, respectively. A femtosecond laser oscillator (not shown) is combined with an optical shutter synchronized with the oscillator and an ND filter so that an appropriate number of pulses having an appropriate pulse energy can be taken out.
このようにしてエネルギーとパルス数が制御されたパルスレーザ光であるフェムト秒レーザーパルス2は、ビームスプリッター3によって等しいエネルギーの二本のパルスビーム2a、2bに分割される。分割されたパルスビーム2a、2bは、ほぼφ(1/e2 )=8mmのガウシアンビームであり、中心での光強度は2mJ/cm2 であった。分割されたパルスビーム2a、2bはそれぞれ、ミラー5a、5bで向きを変えた後、ビーム整形手段であるマスク−レンズ系6a、6bを通過し、基材1の表面で重なり合い干渉するパルスビームP1 、P2 となる。二つのパルスビーム2a、2bの光軸はミラー5a、5bにより調整され、それらの光路は基材1の表面で重なり合う。
The
フェムト秒レーザーのパルス長は30μmしかないため、フェムト秒パルスを重なり合わせるには、ビームスプリッターから干渉領域までの光路長を、数μmのオーダーで一致させる必要がある。 Since the femtosecond laser has a pulse length of only 30 μm, in order to overlap the femtosecond pulses, it is necessary to match the optical path length from the beam splitter to the interference region on the order of several μm.
そこで、数μmの光路長の調整を行うために、分割したパルスビーム2a、2bの片方の光路に光路長調整器7を設置した。具体的には、ビームスプリッター3を通過するか否かによって生じる光路長差を補正するため、適当な厚さの石英平板を挿入した。なお、本実施例では、分割されたパルスビーム2a、2bが重なり合う角度θは45°である。また、基材1にはガラス平板を用いた。
Therefore, in order to adjust the optical path length of several μm, the optical
図6は、マスク−レンズ系6a、6bの詳細を示すもので、互いに干渉するパルスビームP1 、P2 の光路における点cは干渉領域の中心であり、ガラス平板である基材1の表面と一致している。各マスク−レンズ系6a、6bは、光学マスクであるマスク8と、焦点距離が異なる二枚のシリンドリカルレンズ9、10で構成されている。シリンドリカルレンズ9、10の焦点距離は、それぞれf=48mm、f=10mmである。二枚のシリンドリカルレンズ9、10は、それぞれ、パルスビームP1 、P2 の入射面であるxy平面に対して、一方のシリンドリカルレンズ9の軸が平行、他方のシリンドリカルレンズ10の軸が垂直になるように配置されている。
FIG. 6 shows details of the mask-
マスク8の開口部は、3mm×3mmの正方形であり、光軸がその中心を通り、正方形の一辺がパルスビームP1 、P2 の入射面と平行になるように配置されている。 The opening of the mask 8 is a 3 mm × 3 mm square, and is arranged so that the optical axis passes through the center thereof and one side of the square is parallel to the incident surfaces of the pulse beams P 1 and P 2 .
マスク8、シリンドリカルレンズ9、10および基材1間の距離は、図6に記されている通りであり、各シリンドリカルレンズ9、10の位置は、基材1の表面の点cが、マスク8の裏面の点bの結像共役点となるようにそれぞれ微調整されている。点cにおけるマスク像の縮小倍率は、レーザーの入射面に平行なy方向と垂直なz方向とでは異なっており、それぞれ1/100倍、1/20倍となる。したがって、マスク8を通過した3mm×3mmのビームは、点cで30μm×150μmの矩形となる。
The distances between the mask 8, the
図7は、図6の点a、b、cにおけるy方向およびz方向のレーザーの空間強度分布(ビームプロファイル)を表している。点bでマスク8によってガウシアンビームの裾がカットされたパルスは、y方向とz方向で異なる比率で縮小され、点cにおいて矩形状に結像する。このときのパルスのピーク光強度は、4J/cm2 である。 FIG. 7 shows the spatial intensity distribution (beam profile) of the laser in the y direction and the z direction at points a, b, and c in FIG. The pulse in which the Gaussian beam skirt is cut by the mask 8 at the point b is reduced at different ratios in the y direction and the z direction, and forms a rectangular image at the point c. The peak light intensity of the pulse at this time is 4 J / cm 2 .
このように、ビームスプリッター3によって分割された2つのパルスビーム2a、2bはいずれも、点cにおいて、30μm×150μmの矩形断面を有する光ビームP1 、P2 として結像される。すなわち、図示しないシャッターが開いてパルスレーザ光が入射すると、矩形状のパルスビームP1 、P2 が重なり合い、点cにおいて干渉が生じる。
Thus, the two
ガラス平板である基材1は、その表面が点cと一致するように設置されており、干渉が起こるたびに表面がアブレーション加工される。図8は、点cにおいて二本のパルスビームP1 、P2 が重なり合って形成された干渉光の空間強度分布、および形成された周期構造を示すもので、干渉パターンである周期構造のピッチdは約1.0μmであった。
The
図8から分かるように、パルスビームP1 、P2 は干渉可能領域の中心部のみに入射するため、干渉可能領域A−Bの幅が約78μmであるのに対して、その中心部の領域D−E(幅約33μm)でしか干渉が起きない。このように、パルスビームP1 、P2 による干渉領域幅DEを干渉可能領域幅ABよりも狭くすることにより、干渉光の照射時間が短い領域(A−DおよびE−B)に干渉が生じることを防ぐ。また、y方向のビームプロファイルの幅は、上記のように制約を受けるが、z方向にはそのような制約がない。本実施例では、z方向のビームプロファイルの幅を150μmとすることにより、基材1の表面に33μm×150μmの加工エリアを確保している。
As can be seen from FIG. 8, since the pulse beams P 1 and P 2 are incident only on the central part of the interference possible area, the width of the interference possible area AB is about 78 μm, whereas the area in the central part thereof. Interference occurs only at DE (width of about 33 μm). As described above, by making the interference region width DE by the pulse beams P 1 and P 2 narrower than the interference possible region width AB, interference occurs in the regions (AD and EB) where the irradiation time of the interference light is short. To prevent that. Further, the width of the beam profile in the y direction is restricted as described above, but there is no such restriction in the z direction. In this embodiment, the processing area of 33 μm × 150 μm is secured on the surface of the
図9は、図8で示した加工形状を並べて、基材1のより広い領域に加工を施した例である。 FIG. 9 shows an example in which the processing shapes shown in FIG.
(比較例)
比較のために、図3および図4に示した従来と同様の方法で加工した比較例を説明する。従来は、加工および改質の分布を改善するために、干渉させる2つのパルスビームのビームプロファイル(断面形状)を制御するといった考え方は無かったため、図10に示すように、ガラス等の基材101の加工に十分なエネルギーを得るために、凸レンズや対物レンズ等のレンズ106a、106bによってパルスビーム102a、102bを集光するのみである。レンズ106a、106bは、f=1000mmの凸レンズを使用しており、ガラス平板の基材101は、凸レンズの焦点位置に配置されている。図11に示すように、図10のa点でφ(1/e2 )=8mmのガウシアンビームは、焦点位置であるc点においてφ(1/e2 )=127μmのガウシアンビームに集光される。
(Comparative example)
For comparison, a comparative example processed by the same method as shown in FIGS. 3 and 4 will be described. Conventionally, there was no idea of controlling the beam profile (cross-sectional shape) of two interfering pulse beams in order to improve the distribution of processing and modification, so that a
図12の(a)に示すように、ガウシアンビームの干渉は、干渉可能領域幅ABの全域で起こるため、干渉光の照射時間が短い点A、点Bに近い領域でも干渉が生じて、同図の(b)、(c)に示すように加工の深さおよび幅に大きな分布が生じる。図13は、図12の加工パターンを並べて、基材101の広い領域に加工を施したものである。 As shown in FIG. 12 (a), Gaussian beam interference occurs in the entire interference area width AB. Therefore, interference occurs even in areas close to point A and point B where the interference light irradiation time is short. As shown in (b) and (c) of the figure, a large distribution occurs in the processing depth and width. FIG. 13 shows a pattern in which the processing patterns of FIG.
図8と図12、もしくは図9と図13を比較すると、上記実施例のほうが、比較例よりも加工深さの分布が小さいことが分かる。比較例でガラス平板に周期構造を製作した場合、その深さの分布は0.15〜2μmであったが、上記実施例によって加工を行った場合、深さの分布は1.2〜2μmであり、加工深さの均一性に大幅な改善が見られた。 Comparing FIG. 8 and FIG. 12 or FIG. 9 and FIG. 13, it can be seen that the working example has a smaller processing depth distribution than the comparative example. In the comparative example, when the periodic structure was manufactured on the glass flat plate, the depth distribution was 0.15 to 2 μm, but when processed according to the above example, the depth distribution was 1.2 to 2 μm. There was a significant improvement in the uniformity of the processing depth.
上記実施例では、ガラス表面のアブレーション加工を例に挙げたが、本発明は、アブレーション加工に限定されたものではなく、パルスのピーク光強度を800mJ/cm2 以下まで下げれば、屈折率の変化を周期的に生じさせる方法として応用できる。また、加工する基材材料もガラスに限定されるものではなく、金属、プラスティック、有機体、あるいはそれ以外の物質であってもよい。 In the above embodiment, the ablation processing of the glass surface was taken as an example, but the present invention is not limited to the ablation processing. If the peak light intensity of the pulse is lowered to 800 mJ / cm 2 or less, the change in the refractive index will be described. It can be applied as a method for periodically generating. Further, the base material to be processed is not limited to glass, and may be metal, plastic, organic substance, or other substance.
1 基材
3 ビームスプリッター
5a、5b ミラー
6a、6b マスク−レンズ系
7 光路長調整器
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