JP2007253156A - レーザ加工方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 プラズマを全く生起しないようなレーザ強度でも、新たな損傷が生起されることに着目し、プラズマが生起するレーザ強度のしきい値よりも低い(例えば、1/1.5倍程度)レーザ強度を有するレーザ光1を、集光位置3において自己収束効果を生起させないように精密設計された照射光学系20を用いて加工対象物10に集光照射する。
【選択図】 図1
Description
実験例1では、加工対象物としてシリケートガラス(商標名:BK7)を用いた。加工を施すレーザとして、フェムト秒チタンサファイアレーザ(波長800nm、パルス幅150fs)を使用した。そして、図1の装置により、レーザ光1を回折限界値(800nm×0.6=480nm)にほぼ等しい直径550nmのスポットにまで集光できることを確認した。これは、表面集光の対照実験、原子間力顕微鏡観察、数値シミュレーションにより確認した値である。
実験例2では、実験例1と同様にして、ガラスのフェムト秒パルスレーザ誘起損傷のレーザ強度依存性を調べた。すなわち、加工対象物としてシリケートガラス(商標名:BK7)を用い、レーザとしてフェムト秒チタンサファイアレーザ(波長800nm、パルス幅150fs)を用いた。図4は、このときのレーザ照射位置における暗視野光散乱画像の代表的な例を示す図である。図4(A)は、フルエンスF=1.45J/cm2(イラディアンスI=6.6TW/cm2)で誘起した、本発明における損傷の光散乱像を示し、図4(B)は、フルエンスF=2.1J/cm2(イラディアンスI=9.4TW/cm2)で誘起した、プラズマ発光の画像を示している。
そこで、実験例3では、ガラス(例えば、BK7ガラス)を対象にして、本発明における損傷のレーザ強度(イラディアンス)のしきい値のパルス幅依存性を調べた。使用したパルスレーザは、フェムト秒チタンサファイアレーザ(波長800nm、パルス幅150fs)、ピコ秒Nd:YAGレーザ(波長1064nm、パルス幅30ps)、ナノ秒Nd:YAGレーザ(波長1064nm、パルス幅10ns)などである。その結果、図5(A)に示すように、パルス幅が100フェムト秒から30ナノ秒の広い範囲にわたって、損傷のイラディアンスしきい値Id thは、ほぼ6TW/cm2と一定値を保つことがわかった。すなわち、損傷のイラディアンスしきい値Id thは、使用するパルスレーザのパルス幅τには全く依存せず、ほぼ一定値をとることがわかった。これは、本発明における損傷を特徴付ける重要な実験事実である。
実験例4では、様々な加工対象物に対する本発明における損傷のレーザ強度しきい値を測定した。すなわち、上記ガラスで示した本発明における損傷は、もちろん、他の誘電体材料に対して生起可能である。そこで、開口数NA=1.07、波長800nm、パルス幅220fsのパルスレーザを用いて、損傷を生起するためのレーザ強度のしきい値(パルスエネルギ/フルエンス/イラディアンス)を、図1の装置を用いて測定した。いくつかの誘電体、例えば、フッ化カルシウム(CaF2)、フッ化ストロンチウム(SrF2)、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、およびBK7ガラス(SiO2)に対する結果を、図8に示す。したがって、本手法は各種固体材料に対して極めて汎用性の高い技術であることがわかる。
3 集光位置
5 散乱光
10加工対象物
12 三次元ステージ
20 照射光学系
22 テレスコープ光学系
24 ダイヤフラム
26、34 対物レンズ
30 レーザ光散乱画像計測光学系
32 スポットスクリーン
36 CCDカメラ
38 光学フィルタ
100 レーザ加工装置
Claims (14)
- 加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値よりも小さいレーザ強度を有するレーザ光を、光学系を介して前記加工対象物に集光照射し、前記加工対象物にプラズマを生起させることなく損傷を生起させることを特徴とするレーザ加工方法。
- 前記レーザ光は、前記加工対象物の損傷生起のイラディアンスのしきい値とレーザパルス幅との関係において、前記イラディアンスしきい値が、レーザパルス幅に依存することなく、前記加工対象物に固有の一定値をとる特性曲線を用いて決定されたレーザ強度を有することを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザ光は、前記加工対象物の損傷生起のフルエンスのしきい値とレーザパルス幅との関係において、前記フルエンスしきい値がレーザパルス幅に単調に比例する特性曲線を用いて決定されたレーザ強度を有することを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。
- 前記光学系を、前記レーザ光の集光位置において自己収束効果を生起させないように設定することを特徴とする請求項2または請求項3記載のレーザ加工方法。
- 前記光学系は、対物レンズを有し、
前記対物レンズは、前記レーザ光の集光位置において自己収束効果を生起させない開口数を有することを特徴とする請求項4記載のレーザ加工方法。 - 前記対物レンズは、開口数NA>1のレンズであることを特徴とする請求項5記載のレーザ加工方法。
- 前記光学系は、対物レンズを有し、
前記レーザ光は、ビーム径を拡大した後、前記対物レンズに導入することを特徴とする請求項4記載のレーザ加工方法。 - 前記レーザ光を、所定のビーム断面形状に整形した後、前記加工対象物に集光照射し、前記加工対象物からの散乱光を、所定の開口を介して確認することにより、前記損傷の生起を確認することを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザ光のパルス幅は、10フェムト秒から100ナノ秒の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。
- 加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値よりも小さいレーザ強度を有するレーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
前記レーザ光を前記加工対象物に集光照射する光学系と、を有し、
前記レーザ光のレーザ強度は、前記加工対象物の損傷生起のイラディアンスのしきい値とレーザパルス幅との関係において、前記イラディアンスしきい値が、レーザパルス幅に依存することなく、前記加工対象物に固有の一定値をとる特性曲線を用いて決定され、かつ、前記光学系は、前記レーザ光の集光位置において自己収束効果を生起させないように設定されていることを特徴とするレーザ加工装置。 - 加工対象物にプラズマを生起させるレーザ強度のしきい値よりも小さいレーザ強度を有するレーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
前記レーザ光を前記加工対象物に集光照射する光学系と、を有し、
前記レーザ光のレーザ強度は、前記加工対象物の損傷生起のフルエンスのしきい値とレーザパルス幅との関係において、前記フルエンスしきい値がレーザパルス幅に単調に比例する特性曲線を用いて決定され、かつ、前記光学系は、前記レーザ光の集光位置において自己収束効果を生起させないように設定されていることを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記光学系は、対物レンズを有し、
前記対物レンズは、開口数NA>1のレンズであることを特徴とする請求項10または請求項11記載のレーザ加工装置。 - 前記光学系は、対物レンズを有し、前記レーザ光発生手段と前記対物レンズとの間に前記レーザ光のビーム径を拡大するテレスコープ光学系を有することを特徴とする請求項10または請求項11記載のレーザ加工装置。
- 前記レーザ光のパルス幅は、10フェムト秒から100ナノ秒の範囲内にあることを特徴とする請求項10または請求項11記載のレーザ加工装置。
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