JP2010042424A - レーザ加工方法、レーザ加工装置、光学素子の製造方法、および光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】フェムト秒レーザ装置の制約が発生したり光学系が大型化したりすることなく、また材料内部への深さ位置の制約なく、アスペクト比の大きな改質層や加工部を材料内部または表面に加工する技術を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置５０は、レーザ装置１と回折型レンズ３とを備える。レーザ加工装置５０は１０ピコ秒以下のパルス幅を有するレーザ光５（フェムト秒レーザ）を発する。回折型レンズ３はアパーチャ２を通過したレーザ光５を集光する。回折型レンズ３によって集光されたレーザ光５は加工対象材料８に照射される。回折型レンズ３の設計波長とフェムト秒レーザの中心波長とを異ならせて回折型レンズでの高収差性を積極的に活用することで、球面収差による長焦点深度化を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工方法、レーザ加工装置、光学素子の製造方法、および光学素子に関し、特に、パルス幅が１０^-15秒〜１０^-11秒の超短パルスレーザ光（以下、「フェムト秒レーザ」ともいう。）を加工対象材料の表面またはその内部に照射して当該材料を加工する技術に関する。

近年、リソグラフィ等のプロセスにより光学素子を製造する方法とは別に、フェムト秒レーザ光をガラスまたは高分子構造体等の光学材料内部に照射して、照射部の屈折率変化などを誘起することにより、たとえば回折光学素子または光導波路といった光学素子を光学材料の内部に加工する方法が知られている。この加工方法によると、光学材料に光学素子を直接製造できるので製造工程を短縮できるというメリットがある。また、光学材料内部に光学素子を形成するので光学素子を集積化できるというメリットがある。

この加工法を用いることにより、径に対して厚さあるいは深さが大きい、いわゆるアスペクト比が大きい改質や加工を行なうことがある。ここでは「厚さ」あるいは「深さ」とは、レーザ光の光軸方向（入射方向）に沿った改質領域（あるいは加工された領域）の長さであり、「径」とはその厚さ方向に直交する方向に沿った改質領域（あるいは加工された領域）の長さであると定義する。たとえばフェムト秒レーザ光により光学材料内部に屈折率変化を誘起させて回折光学素子を形成する加工法では、アスペクト比の大きい改質を行なうことによって屈折率が変化した改質部の厚さが大きくなる。これにより、回折光学素子の回折効率が高くなるという利点が得られる。

上記加工法においてアスペクト比を大きくするための方法として、特許文献１や特許文献２では、フェムト秒レーザの波長スペクトルと回折型レンズの波長分散とを利用することによって長焦点深度化を実現する方法が提案されている。これらの文献に提案される方法は、具体的にはフェムト秒レーザの波長に応じて回折型レンズの焦点位置が変わること、すなわち色収差を用いて長焦点深度化するものである。たとえば、特許文献２中に記載されている式（３８）によれば、フェムト秒レーザの基準（中心）波長をΛ、パルス幅をΔｔ、波長Λに対する回折型レンズの焦点距離をＦ、光速をｃとする場合に、焦点距離が変化する範囲ΔＦ（焦点深度）は、おおよそΔＦ＝２×ｌｎ２×Ｆ×Λ／π／ｃ／Δｔと導かれる。

上記式から、焦点距離が変化する範囲ΔＦを大きくするためには、フェムト秒レーザの基準（中心）波長Λを長くする、またはパルス幅Δｔを短くする、または焦点距離Ｆを大きくする必要がある。前者２つの方法はレーザ発振器に関するものであるので、それらの方法を実現する際にレーザ装置の制約が生じる可能性が考えられる。後者の方法である焦点距離Ｆを大きくする方法は、特に改質径や加工径を微細にするために開口数を大きくする場合にはレンズ径を大きくしなければならないので、回折型レンズの製作が困難であるという問題および光学系が大型化するという問題がある。

また、特許文献１，２のいずれに記載のレーザ加工装置においても、回折型レンズの設計波長、すなわち集光性が最も良くなるように回折型レンズの輪帯設計を行なうときの波長と、入射するフェムト秒レーザの波長とは同じものとして設計されており、分散による色収差以外の収差は生じないことを意図して設計されている。特許文献１では、波長ごとにレーザ光の強度を変化および調整することによって改質厚を制御することが述べられているが、レーザ光の強度を変化および調整するための装置をレーザ装置の外部に設ける必要があるので加工装置の構成が複雑化するという問題が発生する。

また、上記加工法においてアスペクト比を大きくするための別の方法として、非特許文献１では、高開口の対物レンズで材料内部深くにフェムト秒レーザを集光することで球面収差を大きくし、プラズマ発光領域（フィラメント長）をフェムト秒レーザの光軸方向に長くすることが述べられている。非特許文献１には、たとえば対物レンズの開口数が０．４０、集光する深さ位置が材料表面から３．１ｍｍ内部である場合にはフィラメント長が１４５μｍ程度であることが説明されている。また、非特許文献２では、材料内部に集光する深さ位置に応じて形成される導波路のアスペクト比が変化すること、具体的には、集光位置が深くなるにつれてアスペクト比が大きくなることが球面収差の影響によるものであることが述べられている。非特許文献２には、たとえば、対物レンズの開口数が０．５、集光する深さ位置が材料表面から２．１ｍｍ内部である場合には、短軸が３μｍ、長軸が１２μｍの楕円形の屈折率変化領域が形成されることが説明されている。

しかしながら、非特許文献１あるいは非特許文献２に記載された方法によりアスペクト比を大きくするためには深さ位置をより大きくする必要がある。したがってアスペクト比の大きな改質層を任意の深さ位置に形成できないといった制約、あるいは、加工対象である光学材料自体の厚みが大きくなるといった制約が生じるという問題がある。また、非特許文献１および非特許文献２に示されている改質・加工厚は１０数μｍ程度と短く、改質厚を長くしたいという要求に対して十分な長さを得るには至っていない。なお非特許文献１あるいは非特許文献２に記載の方法は、改質部を主として光導波路に活用するために、その改質部が略円形状化するよう、材料内部への深さ位置によって生じる球面収差を外部光学系によって補正するものである。
特開２００５−２６２２９０号公報 特開２００６−１４２３４２号公報 Q.Sun et al,"Effect of spherical aberration on the propagation of a tightly focused femtosecond laser pulse inside fused silica", J.Opt.A:Pure Appl.Opt.7,pp655-659（2005） D.LIU et al,"Influence of focusing depth on the microfabrication of waveguides inside silica glass by femtosecond laser direct writing",Appl.Phys.A84,pp257-260(2006)

本発明は、このような従来の問題点を鑑み、フェムト秒レーザ装置の制約が発生したり光学系が大型化したりすることなく、また材料内部への深さ位置の制約なく、アスペクト比の大きな改質層や加工部を材料内部または表面に加工する技術を提供することを目的とする。

本発明は要約すれば、レーザ加工方法であって、パルス幅が１０^-15秒〜１０^-11秒のフェムト秒レーザを回折型レンズによって加工対象材料の表面および内部のいずれかに集光させることにより、加工対象材料を加工する工程と、加工する工程に先立って、フェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズの設計波長λとを設定する工程とを備える。設定する工程は、回折型レンズの最内郭の輪帯に入射するフェムト秒レーザの焦点距離をｆ₁とし、回折型レンズの最外郭の輪帯に入射したフェムト秒レーザの焦点距離をｆ₂とすると、焦点距離ｆ₁およびｆ₂のうちのいずれか長いほうが、フェムト秒レーザの中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、フェムト秒レーザの中心波長Λに従って定められる比較対象レンズの焦点深度よりも焦点距離ｆ₁と焦点距離ｆ₂との差の絶対値が大きくなるように、中心波長Λと設計波長λとの波長差の絶対値を設定する工程を含む。

好ましくは、波長差の絶対値を設定する工程は、中心波長Λを設計波長λよりも小さく設定する。

好ましくは、レーザ加工方法は、フェムト秒レーザの回折に寄与する回折型レンズの輪帯数を制御する工程をさらに備える。

好ましくは、輪帯数を制御する工程は、回折型レンズへのフェムト秒レーザの入射範囲を制御する。

好ましくは、輪帯数を制御する工程は、フェムト秒レーザが通過する開口部の径を可変に構成されたアパーチャを用いて輪帯数を所定数に制御する。

好ましくは、輪帯数を制御する工程は、フェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させるビームエキスパンダを用いて輪帯数を所定数に制御する。

好ましくは、加工する工程は、フェムト秒レーザを加工対象材料の内部に集光させることにより加工対象材料の内部に改質領域を形成する。レーザ加工方法は、フェムト秒レーザの光軸方向に沿う改質領域の長さを改質領域の厚さＬと定義し、光軸方向に直交する方向に沿う改質領域の長さを改質領域の径φと定義し、Ｌ／φを改質領域のアスペクト比と定義すると、フェムト秒レーザのエネルギを制御することによりアスペクト比を制御する工程をさらに備える。

好ましくは、アスペクト比を制御する工程は、アスペクト比が１００以上となるようにフェムト秒レーザのエネルギを制御する。

好ましくは、アスペクト比を制御する工程は、径φが２μｍ以下かつアスペクト比が１００以上となるようにフェムト秒レーザのエネルギを制御する。

好ましくは、加工対象材料は、高分子構造体およびガラスを含む光学材料である。
好ましくは、加工する工程は、光学材料の内部に回折光学素子を形成する。

本発明の他の局面に従うと、レーザ加工装置であって、１０^-15秒〜１０^-11秒のパルス幅を有するフェムト秒レーザを発するレーザ装置と、フェムト秒レーザを加工対象材料の表面または内部に集光させるための回折面を含む回折型レンズとを備える。加工対象材料に入射するフェムト秒レーザの中心波長Λおよび回折型レンズの設計波長λの波長差の絶対値は、回折型レンズの最内郭の輪帯に入射するフェムト秒レーザの焦点距離をｆ₁とし、回折型レンズの最外郭の輪帯に入射したフェムト秒レーザの焦点距離をｆ₂とすると、焦点距離ｆ₁およびｆ₂のうちのいずれか長いほうが、フェムト秒レーザの中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、フェムト秒レーザの中心波長Λに従って定められる比較対象レンズの焦点深度よりも焦点距離ｆ₁と焦点距離ｆ₂との差の絶対値が大きくなるように定められる。

好ましくは、フェムト秒レーザの中心波長Λは、回折レンズの設計波長λよりも小さい。

好ましくは、フェムト秒レーザの回折に寄与する回折型レンズの輪帯数を調整可能に構成された輪帯数制御装置をさらに備える。

好ましくは、輪帯数制御装置は、回折型レンズへのフェムト秒レーザの入射範囲を制御する。

好ましくは、輪帯数制御装置は、フェムト秒レーザが通過する開口部の径を可変に構成されたアパーチャである。

好ましくは、輪帯数制御装置は、フェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させるビームエキスパンダである。

好ましくは、レーザ加工装置は、フェムト秒レーザを加工対象材料の内部に集光させることにより加工対象材料の内部に改質領域を形成する。レーザ装置は、フェムト秒レーザの光軸方向に沿う改質領域の長さを改質領域の厚さＬと定義し、光軸方向に直交する方向に沿う改質領域の長さを改質領域の径φと定義し、Ｌ／φを改質領域のアスペクト比と定義すると、アスペクト比が所望の条件を満たすように調整されたエネルギを有するフェムト秒レーザを発する。

好ましくは、フェムト秒レーザは、アスペクト比が１００以上となるように調整されたエネルギを有する。

好ましくは、フェムト秒レーザは、径φが２μｍ以下かつアスペクト比が１００以上となるように調整されたエネルギを有する。

好ましくは、加工対象材料は、高分子構造体およびガラスを含む光学材料である。
好ましくは、レーザ加工装置は、光学材料の内部に光学素子を形成する。

本発明のさらに他の局面に従うと光学素子の製造方法であって、パルス幅が１０^-15秒〜１０^-11秒のフェムト秒レーザを回折型レンズによって光学材料の表面および内部のいずれかに集光させることにより、光学材料を加工する工程と、加工する工程に先立って、フェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズの設計波長λとを設定する工程とを備える。設定する工程は、回折型レンズの最内郭の輪帯に入射するフェムト秒レーザの焦点距離をｆ₁とし、回折型レンズの最外郭の輪帯に入射したフェムト秒レーザの焦点距離をｆ₂とすると、焦点距離ｆ₁およびｆ₂のうちのいずれか長いほうが、フェムト秒レーザの中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、フェムト秒レーザの中心波長Λに従って定められる比較対象レンズの焦点深度よりも焦点距離ｆ₁と焦点距離ｆ₂との差の絶対値が大きくなるように、中心波長Λと設計波長λとの波長差の絶対値を設定する工程を含む。

本発明のさらに他の局面に従うと光学素子であって、上記の光学素子の製造方法により製造される。

好ましくは、光学材料は、フェムト秒レーザが光学材料の内部に集光することにより形成された改質領域を含む。フェムト秒レーザの光軸方向に沿う改質領域の長さを改質領域の厚さＬと定義し、光軸方向に直交する方向に沿う改質領域の長さを改質領域の径φと定義し、Ｌ／φを改質領域のアスペクト比と定義すると、アスペクト比は１００以上である。

好ましくは、径φは、２μｍ以下である。
好ましくは、光学素子は、光学材料の内部に形成された回折光学素子を含む。

本発明によれば、フェムト秒レーザ光を集光するためのレンズとして回折型レンズを用いるとともに、回折型レンズの設計波長と入射するフェムト秒レーザの波長とを異ならせる。回折型レンズの設計波長とフェムト秒レーザの入射波長との差を大きく設定することによって、簡易で小型の光学系により球面収差を大きくすることができる。この球面収差を積極的に活用することによって改質径が略一定のまま改質厚の大きな加工が可能になる。これにより、装置制約や材料内部への深さ制約を受けることなく改質層および加工部のアスペクト比を大きくすることが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則として繰返さないものとする。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るレーザ加工装置５０の構成を示した図である。図１を参照して、レーザ加工装置５０は、レーザ装置１と、アパーチャ２と、回折型レンズ３と、ステージ４と、ＮＤフィルタ（減光フィルタ）１１と、アッテネータ１２と、電磁シャッター１３とを備える。

レーザ装置１は、レーザ媒質としてたとえばチタン・サファイア結晶を含み、１０ピコ秒以下（具体的には１０^-15〜１０^-11秒）のパルス幅を有するレーザ光５を発する。以下ではレーザ光５を「フェムト秒レーザ」とも呼ぶことにする。レーザ光５はパルス光であるが図１ではレーザ光５の軌跡を連続的に示す。

ＮＤフィルタ１１およびアッテネータ１２はフェムト秒レーザのエネルギ（パルスエネルギ）を調整するためのものである。電磁シャッター１３は、加工対象材料８において所望の加工・改質パターンを得るためのものである。本実施の形態では、電磁シャッター１３の開閉によってフェムト秒レーザの照射とステージ４の駆動とを同期させる。

アパーチャ２は、レーザ装置１から発せられたレーザ光５を通過させるための開口部を有する。レーザ光５が開口部を通過することにより、回折型レンズ３の入射するレーザ光５のビーム径が調整される。本実施の形態では、ビーム径としてレーザ光学の分野で一般的に使用される１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）ビーム径を用いることにする。１／ｅ^２ビーム径とは光強度が１／ｅ^２（約０．１３５）倍まで低下する半径方向の距離である。

回折型レンズ３はアパーチャ２を通過したレーザ光５を集光する。回折型レンズ３の少なくとも１面には、レーザ光５を集光するための回折パターンが形成されている。すなわち回折パターンはレーザ光５の入射面６およびレーザ光５の出射面７のいずれか一方または両方に形成される。回折型レンズ３に形成される回折パターンについては後に詳細に説明する。

回折型レンズ３によって集光されたレーザ光５は加工対象材料８に照射される。本実施の形態では加工対象材料８の内部をレーザ光５により加工または改質する。照射部９は加工対象材料８の内部におけるレーザ光５の照射領域であり、加工または改質の対象となる領域である。

加工対象材料８はステージ４上に載置される。ステージ４はたとえば可動ステージである。可動ステージの移動可能方向は特に限定されるものではないが、加工位置や加工領域の形状の自由度を高める観点からは、ステージ４が３次元方向に移動可能であることが好ましい。

レーザ加工装置５０は、フェムト秒レーザを回折型レンズ３で加工対象材料８の表面および内部のいずれかに集光させることにより、加工対象材料８を加工する装置である。レーザ加工装置５０の用途は特に限定されるものではなく、たとえば金型の微細加工、各種材料（たとえばポリマー、ガラス、金属等）の穴あけあるいは切断等の加工に用いることができる。

また加工対象材料８の種類も特に限定されるものではないが、たとえば加工対象材料８を光学材料とすることにより、レーザ加工装置５０を光学素子の製造装置として用いることができる。たとえばガラスあるいは高分子構造体といった光学材料の内部にフェムト秒レーザを照射することにより、光学材料内部の照射部では、たとえば屈折率が変化するといった改質が生じる。フェムト秒レーザが照射された領域の屈折率が変化することで、たとえば回折光学素子または光導波路を有する光学素子を製造することができる。

またレーザ加工装置５０が製造可能な光学素子は回折光学素子または光導波路に限定されずフォトニック結晶あるいは光メモリであってもよい。ただし以下ではレーザ加工装置５０を回折光学素子の製造装置として用いた形態を説明する。

図２は、図１に示したレーザ加工装置５０による光学素子の製造をより具体的に説明する図である。図２を参照して、加工対象材料８としての光学材料の内部にレーザ光５が照射される。これにより照射部９では改質が生じる。ステージ４が静止し、かつレーザ光５も走査されていない状態では、照射部９（改質部分）はレーザ光の光軸Ｚの方向に沿って細長く（略１次元状に）形成される。ステージ駆動機構１０がステージ４をＹ方向に移動させることで、改質部分を二次元方向（Ｙ−Ｚ方向）に広げることができる。二次元の領域を有する改質部分を以下では「改質層」と呼ぶことにする。ステージ駆動機構１０がステージ４をＸ方向に移動させてレーザ光５の照射およびステージ４のＹ方向の移動を繰返すことにより、複数の改質層が形成される。これにより光学材料の内部に回折光学素子が製造される。

回折光学素子を形成するためのレーザ光５の走査方法はステージ４を移動させる方法に限定されない。光学系を用いてレーザ光５をＸ方向およびＹ方向に走査してもよいし、ステージの移動４と光学系によるレーザ光５の走査とを組み合わせてもよい。

本実施の形態では、レーザ光５の光軸Ｚの方向（レーザ光５の入射方向）に垂直な方向の改質層（改質領域）の長さを改質径φと定義し、レーザ光５の光軸Ｚの方向の改質層（改質領域）の長さを改質厚Ｌと定義し、Ｌ／φを改質層のアスペクト比と定義する。アスペクト比が大きい改質または加工を行なうことによって、屈折率が変化した改質部の厚さが大きくなる。これによって回折光学素子の回折効率を高くすることができる。

本実施の形態では、レーザ光５を集光するために回折型レンズを用いる。回折型レンズは形状において通常の平凸レンズ（屈折型レンズ）と異なるが集光という意味においては屈折型レンズと同等の機能を有する。以下、図３および図４を参照しながら回折型レンズについて詳説する。図３は、屈折型レンズの形状および回折型レンズの形状の模式図である。図４は、フェムト秒レーザの波長スペクトルを示した図である。

図３を参照して、線ａは屈折型レンズの厚みを示している。屈折型レンズの厚みはレンズの中央において最も大きく、レンズの中央から周辺に向かうにつれて小さくなる。レンズ半径方向の座標をｒとし、屈折型レンズの中心からｒだけ離れた部分のレンズの厚み（物理的長さ）をｈ（ｒ）とし、レンズの屈折率をｎとする。物理的長さがｈ（ｒ）である場合、屈折率ｎの媒質を進む光の光路長は真空を進む光の光路長よりも（ｎ−１）×ｈ（ｒ）だけ長くなり、屈折率ｎの媒質を通る光の位相は、α（ｒ）だけ遅くなる。１波長分で２πだけ位相が増えるので、レンズ通過後に光に加わる位相α（ｒ）は、式（１）のように表わされる。

ここで、λ₀はフェムト秒レーザの基準（中心）波長である。図４に示すようにフェムト秒レーザはλ₀を中心波長として波長スペクトル広がりΔλを有する。Δλは中心波長λ₀が大きいほど大きくなるが、たとえば中心波長λ₀が８００ｎｍである場合にはΔλは１０ｎｍ程度である。

図３に戻り、式（１）に示した位相α（ｒ）は２πｍ（ｍは自然数）だけずれても同じである。このことを利用して屈折型レンズの形状を元に位相２πｍの段差を設けたものがフレネルレンズである。すなわちα（ｒ）＝−２πｍとなる半径ｒ_mの円により、屈折型レンズ面を同心円状に区切り、その部分の厚みをλ／（ｎ−１）だけ減らしたレンズがフレネルレンズである。

線ｂは、フレネルレンズの径方向の厚みを示している。フレネルレンズは同心鋸歯縞状のレンズである。同心縞の傾斜部分（線ｂにおける斜線部分に相当）を「輪帯」と呼ぶことにする。なお本実施の形態ではフレネルレンズの最内郭の輪帯ｂ１を中央の凸部の次の傾斜面と定義する。線ｂを示す関数をｈ_f（ｒ）とすると、ｈ_f（ｒ）は、たとえば式（２）のように表される。

ここで、関数ｍｏｄ（ａ，ｂ）は、ａをｂで割った場合の余りを表し、ｍはフレネルレンズの次数、ｈ₀はベースとなるレンズの厚みを表わす。フレネルレンズは位相２πｍの段差を利用した回折型レンズの１つであり、波長λ₀の単色光レーザでは屈折レンズと同じ振る舞いをする。

フレネルレンズだけではなく、光が通過する時の位相変化が０とπの２値のみをとるように設計されたレンズ（バイナリレンズ）も回折型レンズの一種である。線ｃは、バイナリレンズの厚みを示す。本実施の形態ではバイナリレンズの最内郭の輪帯ｃ１を、中央の凸部の次の凸部と定義する。線ｃを示す関数をｈ_b（ｒ）とするとｈ_b（ｒ）はたとえば式（３）のように表される。

ここで関数ｉｎｔ（Ａ）は、Ａの小数値を切り捨てて整数値にするための関数である。 式（４）に示すように、これらの回折型レンズは波長λが変化すると波長λに反比例して焦点距離Ｆが変化する。

ここでｆ₀はフェムト秒レーザの中心波長λ₀によって定まる焦点距離であり、式（４）は回折型レンズの波長分散を表している。一方、屈折型レンズの場合、材料分散による焦点距離の波長依存性が現れる。この時、屈折型レンズおよび回折型レンズの波長分散による焦点距離変動率Δ_r，Δ_Fは、それぞれ次の（５）式および（６）式に従う。

ここで、ｎは中心波長における屈折率、Δλは波長変動量、Δｎは波長変動に伴う屈折率変動量である。すなわち、焦点距離変動率Δ_Fは、フェムト秒レーザの中心波長λ₀および波長変動量Δλに依存する。

図４に示したように、フェムト秒レーザは波長スペクトル広がりを持つ。パルス幅（半値全幅）をΔｔとすると、このパルスが取りうる最小の波長スペクトル幅（半値全幅）Δλは、おおよそ（７）式に従って表される。

ここでｃは光速を表す。なお、以下では特に断らない限り、波長スペクトル幅は半値全幅のことを表す。（７）式より、パルス幅が短くなるほど波長スペクトルが広がることが分かる。よってフェムト秒レーザのパルス幅が短い程、回折型レンズが受ける波長分散の影響は大きくなる。

屈折型レンズでは波長分散の影響が小さいためフェムト秒レーザが入射しても焦点距離の変化は小さいが、回折型レンズでは焦点距離が波長による影響を受けるため波長スペクトル内の種々の波長が光軸上のある範囲で焦点を結ぶ。すなわち回折型レンズでは軸上色収差が発生する。したがって回折型レンズでは屈折型レンズに比べて焦点深度を大きくすることが可能となる。回折型レンズの焦点距離が変化する範囲ΔＦ（すなわち焦点深度）は、（４）式と（７）式とから以下の（８）式に従って表わされる。

（８）式は、回折型レンズの設計波長λすなわち集光性が最も良くなるように回折型レンズの輪帯設計を行なうときの波長と、回折型レンズに入射するフェムト秒レーザの中心波長λ₀とが同じ場合における、焦点距離の変化の範囲を示している。

フェムト秒レーザ光により光学材料内部に回折光学素子を形成する加工法においては改質層のアスペクト比ができるだけ大きいことが好ましい。このためには焦点距離および焦点距離の変化する範囲（焦点深度）をできるだけ長くすることが好ましい。

図５は、フェムト秒レーザの波長スペクトルおよび回折型レンズの波長分散を利用することにより高アスペクト比を得る方法を示した図である。この方法はたとえば特開２００６−１４２３４２号公報に開示された方法である。

この方法では回折型レンズの設計波長すなわち集光性が最も良くなるように回折型レンズの輪帯設計を行なうときの波長と、フェムト秒レーザの基準（中心）波長とは略等しく設定される。図５を参照して、回折型レンズ３Ａの設計波長はフェムト秒レーザの基準（中心）波長と等しい。レーザ光５は、（７）式に従う波長スペクトル幅を有しているので回折型レンズ３Ａが受ける波長分散の影響により焦点距離が変化する。これにより長焦点深度化が実現される。図中の実線および破線等により示す光線の軌跡は、波長スペクトル幅に含まれる波長の違いにより焦点距離が変化することを示している。焦点距離の変化する範囲は上記の（８）式によって求められるΔＦに等しい。なお以下では、図５の回折型レンズ３Ａ（すなわち設計波長がフェムト秒レーザの入射波長Λに等しい回折型レンズ）と回折型レンズ３とを適宜比較することにより回折型レンズ３を説明する。

図６は、実施の形態１による高アスペクト比を得る方法を示した図である。図６を参照して、本実施の形態では、回折型レンズ３の設計波長と異なる基準（中心）波長を有するレーザ光５（フェムト秒レーザ）を回折型レンズ３によって集光させる。本実施の形態では、回折型レンズ３の設計波長とフェムト秒レーザの中心波長とを異ならせて回折型レンズでの高収差性を積極的に活用することで、球面収差（レンズの光の入射位置に応じた焦点距離の変動）による長焦点深度化を実現する。これにより焦点距離の変化する範囲Δｆを上記の（８）式によって求められるΔＦより大きくすることができる。

図７は、実施の形態１における回折型レンズ３の設計波長とフェムト秒レーザの中心波長との関係を示した図である。以後の説明においては回折型レンズの設計波長とフェムト秒レーザの中心波長との識別が容易になるよう、フェムト秒レーザの中心波長をΛと示すことにする。

図７を参照して、本実施の形態では、フェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズ３の設計波長λとの差の絶対値｜Λ−λ｜が、Λ＝λであるときのフェムト秒レーザの波長スペクトル広がりΔλ（半値全幅）より大きくなるように波長Λおよびλを選択する。波長差の絶対値｜Λ−λ｜がΔλ以下である場合には、回折型レンズの焦点距離の変化する範囲は色収差により定まる範囲に制限される。本実施の形態では波長差の絶対値｜Λ−λ｜をΔλより大きく設定することにより、焦点距離の変化範囲に対する色収差の影響を小さくするとともに、球面収差による長焦点深度化を実現する。

図８は、図７に示したフェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズ３の設計波長λとの関係をより詳しく説明する図である。図８を参照して、回折型レンズ３に入射するレーザ光５は、回折型レンズ３の最内郭の輪帯３１により焦点距離ｆ₁の位置で集光され、回折型レンズ３の最外郭の輪帯３２により、焦点距離ｆ₂の位置で集光される。

なお、回折型レンズ３の設計波長をλとし、設計波長λに対する回折型レンズ３の焦点距離をｆとすると、回折型レンズ３の中心Ｏからｍ番目の輪帯の半径ｒ_mは、以下の（９）式に従って示される。

上記（９）式は、ｍが大きくなるほど輪帯の間隔（周期）が小さくなることを表わしている。

図８に示すΔｆは焦点距離ｆ₁，ｆ₂の差の絶対値（＝｜ｆ₁−ｆ_２｜）である。本実施の形態では、焦点距離ｆ₁，ｆ₂のうち長い方の値が、入射するフェムト秒レーザの中心波長Λと設計波長とが同じである回折型レンズ（図５の回折型レンズ３Ａにおいて、その設計波長が回折型レンズ３Ａに入射するフェムト秒レーザの中心波長Λに等しい場合に相当）の焦点距離Ｆに等しい場合に、Δｆが（８）式で表されるΔＦ以上となる波長差｜Λ−λ｜を持つように回折型レンズの設計波長λと、フェムト秒レーザの中心波長Λとを選択する。これにより球面収差を利用した長焦点深度化が可能になる。

波長差｜Λ−λ｜が上記の条件を満たすのであれば、フェムト秒レーザの中心波長Λは図７に示すように回折型レンズ３の設計波長λに対して短くても長くてもよい。ただし（４）式に示すように波長が短くなるほど焦点距離が長くなる。したがってフェムト秒レーザの中心波長Λは回折型レンズ３の設計波長λより短いことが好ましい。これによって焦点距離をより長くすることができるので、焦点距離ｆ₁，ｆ₂の差の絶対値（＝｜ｆ₁−ｆ_２｜）も長くできる。したがって光学材料に形成される改質層の厚さを大きくできる。

図９は、フェムト秒レーザの中心波長Λが回折型レンズ３の設計波長λより短い場合における、球面収差によるフェムト秒レーザの光線挙動を示した図である。図９を参照して、破線は、設計波長λを有する回折型レンズ３に、中心波長がλであるレーザ光５Ａが入射したときの光線挙動を示す。この場合の焦点距離はｆとなる。実線は、設計波長λの回折型レンズ３に中心波長Λ（＜λ）を有するレーザ光５が入射したときの光線挙動を示す。焦点距離ｆ₂は上記回折型レンズの最外郭の輪帯にレーザ光５が入射したときの焦点距離を示し、焦点距離ｆ₁は上記回折型レンズの最内郭の輪帯にレーザ光５が入射したときの焦点距離を示す。

回折型レンズ３に入射するレーザ光５，５Ａの光軸Ｚと回折型レンズ３により曲げられた光線とのなす角度をθとする。輪帯の周期をｄとすると、ｄｓｉｎθ＝λの関係から輪帯の周期が小さくなるレンズ外側の光ほどθが小さくなるので、その光は光軸Ｚに対してより外側（回折型レンズ３に対してより遠く）で集光する。つまり焦点距離ｆ₂は焦点距離ｆ₁より大きくなる。最内郭（１番目）の輪帯に入射したレーザ光５の焦点距離ｆ₁は、回折型レンズ３の設計波長λと等しい中心波長を有するレーザ光５Ａが回折型レンズ３に入射した場合の焦点距離ｆよりもやや大きくなる。ｄｓｉｎθ＝λとの関係において周期ｄが変わらず、かつλ＞Λであることから、最内郭の輪帯に入射したレーザ光５の回折角は最内郭の輪帯に入射したレーザ光５Ａの回折角より小さくなる。このためｆ＜ｆ₁となる。

図１０は、図９に示した光学系により光学材料内部に集光されるレーザ光５の光線挙動を示した図である。図１０を参照して、光学材料（加工対象材料８）に入射するレーザ光５は大気と光学材料との界面において屈折する。大気の屈折率と光学材料の屈折率との差により球面収差が生じるが、この球面収差は回折型レンズ３による球面収差をさらに拡大させる。したがって、大気中における焦点距離の変化範囲はΔｆであるが、光学材料内部における焦点距離の変化範囲Δｆ'は、光学材料の屈折率ｎとΔｆとの積と同等以上になる。

図１１は、フェムト秒レーザの中心波長Λが回折型レンズ３の設計波長λより長い場合における、球面収差によるフェムト秒レーザの光線挙動を示した図である。図１１を参照して、破線は、設計波長λを有する回折型レンズ３に、中心波長がλであるレーザ光５Ａが入射したときの光線挙動を示す。この場合の焦点距離はｆとなる。実線は、設計波長λの回折型レンズ３に中心波長Λ（＞λ）を有するレーザ光５が入射したときの光線挙動を示す。焦点距離ｆ₂は上記回折型レンズの最外郭の輪帯にレーザ光５が入射したときの焦点距離を示し、焦点距離ｆ₁は上記回折型レンズの最内郭の輪帯にレーザ光５が入射したときの焦点距離を示す。

上記したｄｓｉｎθ＝λの関係から、輪帯の周期が小さくなるレンズ外側の光ほどθが大きくなるので、その光は光軸Ｚに対してより内側（回折型レンズ３に対してより近く）で集光する。つまり焦点距離ｆ₂は焦点距離ｆ₁より小さくなる。この場合、最内郭（１番目）の輪帯に入射したレーザ光５の焦点距離ｆ₁は、回折型レンズ３の設計波長λと等しい中心波長を有するレーザ光５Ａが回折型レンズ３に入射した場合の焦点距離ｆよりもやや小さくなる。ｄｓｉｎθ＝λとの関係において周期ｄが変わらず、かつλ＜Λであることから、最内郭の輪帯に入射したレーザ光５の回折角は最内郭の輪帯に入射したレーザ光５Ａの回折角より大きくなる。このためｆ＞ｆ₁となる。

図１２は、図１１に示した光学系により光学材料内部に集光されるレーザ光５の光線挙動を示した図である。図１２を参照して、大気の屈折率と光学材料の屈折率との差により球面収差は回折型レンズ３による球面収差を補正する。したがって大気中における焦点距離の変化範囲はΔｆであるが、光学材料内部では焦点距離の変化範囲Δｆ'は光学材料の屈折率ｎとΔｆとの積と同等以下になる。図１０および図１２から、フェムト秒レーザの中心波長Λを回折型レンズ３の設計波長λより短くすることによって、光学材料内における焦点距離をより長くすることができることが分かる。

図１３は、実施の形態１によるレーザ加工方法を説明するフローチャートである。図９を参照して、まず、ステップＳ１では、フェムト秒レーザの中心波長Λおよび回折型レンズの設計波長λが決定される。このステップＳ１では、焦点距離ｆ₁，ｆ₂のうち長い方の値が、入射するフェムト秒レーザの中心波長Λと設計波長とが同じである回折型レンズ（図５の回折型レンズ３Ａにおいて、その設計波長が回折型レンズ３Ａに入射するフェムト秒レーザの中心波長Λに等しい場合に相当）の焦点距離Ｆに等しい場合に、Δｆ（＝｜ｆ₁−ｆ_２｜）が（８）式で表されるΔＦ以上となる波長差｜Λ−λ｜を持つように回折型レンズの設計波長λと、フェムト秒レーザの中心波長Λとが選択される。たとえば、フェムト秒レーザの中心波長Λが固定されている場合には、その波長Λに応じた設計波長λを有する回折型レンズが選択される。一方、回折型レンズを自由に選択できずかつフェムト秒レーザの中心波長Λが可変であれば、回折型レンズの設計波長に応じてフェムト秒レーザの中心波長Λが選択される。

ステップＳ２では、フェムト秒レーザの照射条件が設定される。照射条件とは、たとえばフェムト秒レーザのパルスエネルギ、繰返し周波数等を含むがこれらに限定されるものではない。パルスエネルギを制御することによって改質層のアスペクト比を制御することが可能になる。これにより、改質層の厚さを大きくしたり改質層の径を小さくしたりすることができる。

たとえば改質層のアスペクト比が１００以上となるようにパルスエネルギが制御される。また、たとえば改質径は２μｍ以下でありかつ改質層のアスペクト比が１００以上となるようにパルスエネルギが制御される。改質層のアスペクト比が１００以上であることが好ましい理由としては、回折光学素子の回折効率が高くなるので、光利用効率が高くなるためである。また、改質径が２μｍ以下であることが好ましい理由としては、周期が微細化することにより回折角が大きくなり、波長分解能が高まることや高開口のレンズを形成できることなどの利点が得られるためである。

ステップＳ３では、フェムト秒レーザの照射による材料の加工が行なわれる。光学素子を製造する場合には、光学材料にフェムト秒レーザを照射して照射部を加工または改質することにより光学素子が製造される。

なお、ステップＳ１，Ｓ２の処理の順序は、図９に記載した通りに限定されるものではなく逆の順序でもよい。またステップＳ３の処理に先立って、さらに処理が追加されてもよい。また、コンピュータがプログラムを実行させることによって、図９に示した処理が実行されてもよい。この場合には、図９に示した処理をコンピュータに実行させるために、ユーザが必要に応じてコンピュータに情報を入力してもよい。

このように本発明は改質厚を大きくするための方法として、球面収差を積極的に活用することに着眼したものである。本実施の形態では、その具体的実現手段として、回折型レンズの設計波長とフェムト秒レーザの基準（中心）波長とを異ならせる。これによって簡易かつ小型の光学系で大きな球面収差を生じさせることができる。通常では球面収差が発生すると集光性が悪くなるために均一な径での改質や加工を行なうことはできないと考えられる。本実施の形態によれば球面収差が生じていても略均一な微細径を保ったまま長改質厚の改質層を実際に加工できる。この点については以下の実施例により詳細に示す。

本実施の形態に係るレーザ加工方法を回折光学素子の製造方法として用いた場合、改質厚を長くできるため高い回折効率の素子を得ることができる。また厚みの自在な回折光学素子を材料内部の任意の位置に製造することが可能となる。

（実施の形態２）
図１４は、実施の形態２に係るレーザ加工装置５０Ａの構成を示した図である。図１４を参照して、レーザ加工装置５０Ａは、アパーチャ２に代えてビーム径制御装置１４を備える。この点においてレーザ加工装置５０Ａは、レーザ加工装置５０と相違するがレーザ加工装置５０Ａの他の部分の構成は、レーザ加工装置５０の対応する部分の構成と同様である。

ビーム径制御装置１４は、レーザ光５のビーム径を所望の大きさに制御する。たとえば、ビーム径制御装置１４としては開口部の径を調整可能な光学絞り（アパーチャ）を用いることができる。またビーム径制御装置１４として、ビームエキスパンダを用いてもよい。ビーム径制御装置１４が回折型レンズ３に入射するフェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させることにより、回折型レンズ３のレーザ光の入射範囲が制御される。すなわちフェムト秒レーザの回折（集光）に寄与する回折型レンズ３の輪帯数が制御される。これにより、光学材料内部にフェムト秒レーザを照射して改質層を形成する場合において、改質径を変えることなく改質厚を変える（制御する）ことができる。

実施の形態２によるレーザ加工方法を説明するフローチャートは図１３のフローチャートと同様である。回折型レンズ３の輪帯数を制御する処理はたとえば図１３のステップＳ２の処理に含まれるが、ステップＳ２の処理とは別の処理としてステップＳ３の処理の前に実行されてもよい。また、上記のように、ステップＳ３以前の処理の順序は特に限定されるものではない。

図１４に示した構成では、回折型レンズ３に入射するフェムト秒レーザのビーム径を制御することにより回折型レンズにおいて回折に寄与する輪帯数を制御する。ただし、回折に寄与する輪帯数を制御する方法としては、上記の方法に限定されない。たとえばレンズ中央部に遮蔽板を設けたり、アキシコンレンズ（円錐レンズとも呼ばれる）を複数枚設けたりすることによって回折型レンズ３の表面におけるフェムト秒レーザの強度分布をリング状に形成してもよい。

実施の形態２によれば、レーザ加工装置が複雑化することなく、また材料内部への深さによって改質厚を制御する必要なく、簡易な光学系でアスペクト比を容易に制御することが可能になる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。また、以下では、回折型レンズの設計波長、回折型レンズに入射するフェムト秒レーザの中心波長を、それぞれ「設計波長」および「入射波長」と呼ぶ場合もある。

実施例１〜５は、実施の形態１に係るレーザ加工装置５０に以下の条件を適用したものである。実施例１〜５においては回折型レンズおよびフェムト秒レーザの条件を以下に示すように共通とした。

（１）回折型レンズには、設計波長６３５ｎｍ、直径４ｍｍ、焦点距離４ｍｍ、石英ガラス製のフレネルゾーンプレートを用いた。

（２）回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、レーザビーム径７ｍｍ（１／ｅ^２値）とした。また回折型レンズの前に５．５ｍｍ径のアパーチャを設置し、このアパーチャを通過したフェムト秒レーザを回折型レンズで集光して材料に照射した。

（実施例１）
本実施例では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレート（三菱レイヨン社製、商品名アクリライト（登録商標）、型式＃０００）を用いた。光学材料の大きさは、一辺が１０ｍｍ、厚さが５ｍｍであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長４００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓ（ｆｓ；フェムト秒を示す）、繰返し周波数１ｋＨｚとし、回折型レンズへの入射エネルギを１０μＪとした。材料内部の集光深さ位置を材料表面から１ｍｍとし、フェムト秒レーザを１ｍｍ／ｓの速度で走査して、周期が２μｍ、かつ一辺が１ｍｍの回折格子を作製した。

図１５は、実施例１の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより光学材料内部に形成された改質層の透過光学顕微鏡による全体観察像を示した図である。図１５を参照して、改質層の水平方向の長さ（図２におけるＹ方向の長さに相当）は１ｍｍ、改質層の改質厚（図２におけるＺ方向に相当）は７００μｍであった。図１６は、図１５に示した改質層の一部分Ａの拡大観察像を示す図である。図１６を参照して、改質層の部分拡大像における一辺の長さは１６０μｍであった。改質径は略１μｍであった。この結果から、アスペクト比は７００／１＝７００と求められた。

図１５および図１６に示されるように、上記した条件に従うフェムト秒レーザの照射により微細かつ長改質厚の屈折率変化改質加工ができた。本試料をフェムト秒レーザの照射後７０℃で１日間加熱処理を行なうことにより、ブラッグ１次回折効率は８２．５％となった。これにより周期２μｍで高効率な回折格子の加工が可能であることが分かった。

本実施例の条件によって得られる長改質厚について考察した結果を述べる。波長６３５ｎｍ、焦点距離４ｍｍ、レンズ径４ｍｍ（半径２ｍｍ）で回折型レンズの輪帯設計を行なった場合、（９）式から、最内郭の輪帯の半径は０．０７１ｍｍであり、その周期は７１．２７μｍと求められた。同様に（９）式から、最外郭の輪帯の半径は２．０００ｍｍであり、その周期は１．４２μｍと求められた。なお、最外郭の輪帯の半径はレンズの半径に等しいものとした。

この回折型レンズに中心波長４００ｎｍのフェムト秒レーザを入射した場合、最内郭の輪帯による焦点距離ｆ₁は６．３５０ｍｍ、最外郭の輪帯による焦点距離ｆ₂は６．８１２ｍｍ、その差Δｆは｜６．８１２−６．３５０｜＝４６２μｍとなった。これは空気（屈折率１）中でのΔｆであるため、材料内部（屈折率１．４９）でのΔｆ’（図１０参照）を考えた。最内郭の輪帯による集光位置（すなわち焦点距離）が材料表面から深さ１ｍｍである場合には、最外郭の輪帯による集光位置は材料表面から深さ１．７２６ｍｍの位置になるので、Δｆ’＝１．７２６−１．０００＝７２６μｍとなった。

実際の改質厚は図１５に示されるように７００μｍ程度であったが、この値は、後述の比較例１での色収差による改質厚計算値との乖離が大きいことから、回折型レンズによって生成された球面収差による長焦点化距離の影響を受けたものと考察された。

本実施例による球面収差は、特に、設計波長と入射波長との差を２３５ｎｍとするとともに、設計波長６３５ｎｍに対して入射波長を４００ｎｍと小さくしたことによる球面収差であるものと考察された。式（７）によれば中心波長が４００ｎｍ、パルス幅が１２０ｆｓであるフェムト秒レーザの波長スペクトル広がりは２ｎｍ程度であるが、本実施例における設計波長と入射波長との差はこれより大きいことが分かった。本実施例においては、設計波長に対して入射波長が短いが、この場合においては材料内部に集光することによる材料屈折率の影響が焦点距離を更に長くする方向に働く点で有効であることを確認できた。

（比較例１）
実施例１における波長スペクトルと回折型レンズの分散、すなわち色収差による効果を算出するために、設計波長を入射波長と同じ４００ｎｍとし、パルス幅を１２０ｆｓとし、焦点距離を実施例１での長い方の値である６．８１２ｍｍとした。この場合の焦点距離の変化する範囲、すなわちΔＦを（８）式に従い算出した。ΔＦは以下に示すように３３μｍとなった。

ΔＦ＝２×ｌｎ２×（６．８１２×１０^-3）×（０．４×１０^-6）／π／（３×１０⁸）／（１２０×１０^-15）＝３３μｍ
材料内部にフェムト秒レーザが集光した場合、材料屈折率（１．４９）によって集光位置が変化する（図１０参照）。この点を考慮して材料内部でのΔＦであるΔＦ’を算出した。ΔＦ’は３３×１．４９＝４９μｍとなった。

色収差の作用ではΔＦ’が５０μｍ弱となることから、ΔＦ’は実施例１による実加工形状の改質厚（７００μｍ）の説明ができない程度に乖離していることが分かった。実施例１および比較例１との比較結果から、実施例１に示される長改質厚は球面収差の影響によるものと考察された。さらに、実施例１および比較例１によれば、同じ焦点距離のレンズを用いても色収差では得られない長改質厚効果が得られることが分かった。

なお、フェムト秒レーザの波長スペクトルと回折型レンズの波長分散とによって、実施例１と同程度の焦点距離の変化する範囲（すなわち７００μｍ）を得るためには、上記のΔＦ’を１４倍程度大きくする必要があるため、この場合の焦点距離が９７．３ｍｍにあることが分かった。また、開口数を同じ程度にしようとすると最外郭の輪帯周期が１．４２μｍとなるため、開口数が０．２８程度になることが分かった。これらからレンズ径は５７ｍｍ（半径２８．５ｍｍ）であると求められた。以上の考察により、比較例１によれば実施例１に比べて回折型レンズが大型化する上にレンズ作製も困難になることが分かった。

（実施例２）
本実施例では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレート（三菱レイヨン社製、商品名アクリライト（登録商標）、型式＃０００）を用いた。光学材料の大きさは、一辺が１０ｍｍ、厚さが５ｍｍであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長４００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓ、繰返し周波数１ｋＨｚとし、回折型レンズへの入射エネルギを２５μＪとした。材料内部の深さ位置を材料表面から１ｍｍおよび３ｍｍとし、フェムト秒レーザを１ｍｍ／ｓ速度で走査して、周期が１０μｍかつ一辺が１ｍｍの回折格子を作製した。

この結果、深さ位置が１ｍｍの場合も３ｍｍの場合も改質厚は８５０μｍ程度であり、ほとんど違いは見られなかった。すなわち、本実施例の条件によれば、材料内部の深さ位置によらず大きな改質厚を得ることが可能であることが分かった。また、深さ位置が深くなるにつれて改質厚が長くなったりすることや改質厚が大きく変動することがないことも分かった。これらから、改質厚が長くなるという作用は、材料内部にフェムト秒レーザが集光することで生じる球面収差による影響・作用が主要因ではなく、回折型レンズの球面収差による影響・作用であるということを合わせて確認できた。

（実施例３）
本実施例では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレート（三菱レイヨン社製、商品名アクリライト（登録商標）、型式＃０００）を用いた。光学材料の大きさは、一辺が１０ｍｍ、厚さが５ｍｍであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓ、繰返し周波数１ｋＨｚとし、回折型レンズへの入射エネルギを１．２μＪとした。材料内部の深さ位置を材料表面から１ｍｍとし、フェムト秒レーザを１ｍｍ／ｓの速度で走査して、周期が２μｍ、かつ一辺が１ｍｍの回折格子を作製した。

図１７は、実施例３の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより光学材料内部に形成された改質層の透過光学顕微鏡による全体観察像を示した図である。図１７を参照して、改質径は略１μｍであり、改質厚は１２０μｍであった。この結果から、アスペクト比は１２０と求められた。図１７に示すように、本実施例の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより微細かつ長改質厚の加工ができた。本試料を照射後７０℃で１日間加熱処理を行なうことにより、ブラッグ１次回折効率は７．８％となり、周期２μｍの回折格子の加工が可能であることが分かった。

次に本実施例の条件によって得られる改質厚を考察した結果について述べる。回折型レンズに中心波長８００ｎｍのフェムト秒レーザを入射した場合、最内郭の輪帯による焦点距離ｆ₁は３．１７４ｍｍ、最外郭の輪帯による焦点距離ｆ₂は２．９３３ｍｍ、その差Δｆは｜２．９３３−３．１７４｜＝２４１μｍとなった。これは空気（屈折率１）中でのΔｆであるため、材料内部（屈折率１．４９）でのΔｆ’（図１２参照）を考えた。最外郭の輪帯による集光位置が材料表面から深さ１ｍｍである場合には、最内郭の輪帯による集光位置は材料表面から深さ１．２５２ｍｍの位置になるので、Δｆ’＝２５２μｍとなった。

実際の改質厚は図１７に示すように１２０μｍ程度であったが、この値は、後述の比較例２での色収差による改質厚計算値では説明できない程度の改質厚となっていたことから、回折型レンズによって生成された球面収差による長焦点化距離の影響を受けたものと考察された。

本実施例による球面収差は、特に、設計波長と入射波長との差を１６５ｎｍとし、かつ設計波長６３５ｎｍに対し、入射波長を８００ｎｍと大きくしたことによる球面収差であるものと考察された。式（７）によれば中心波長が８００ｎｍ、パルス幅が１２０ｆｓであるフェムト秒レーザの波長スペクトル広がりは８ｎｍ程度であるが、本実施例における設計波長と入射波長との差はこれより大きいことが分かった。本実施例においては、設計波長に対して入射波長が長いが、この場合においては、材料内部に集光することによる材料屈折率の影響が焦点距離を短くする方向に働くことが確認できた。

（比較例２）
実施例３における波長スペクトルと回折型レンズの分散、すなわち色収差による効果を算出するために、設計波長を入射波長と同じ８００ｎｍとし、パルス幅を１２０ｆｓとし、焦点距離を実施例３での長い方の値である３．１７４ｍｍとした。この場合の焦点距離の変化する範囲、すなわちΔＦを（８）式に従い算出した。ΔＦは以下に示すように２９μｍとなった。

ΔＦ＝２×ｌｎ２×（３．１７４×１０^-3）×（０．８×１０^-6）／π／（３×１０⁸）／（１２０×１０^-15）＝２９μｍ
材料内部にフェムト秒レーザが集光した場合、材料屈折率（１．４９）によって集光位置が変化する（図１２参照）。この点を考慮して材料内部でのΔＦであるΔＦ’を算出した。ΔＦ’は２９×１．４９＝４３μｍとなった。

色収差の作用では、ΔＦ’は４０μｍ強となることから、ΔＦ’は、実施例３による実加工形状の改質厚（１２０μｍ）の説明ができない程度に乖離していることが分かった。実施例３および比較例２の比較結果から、実施例３に示される長改質厚は球面収差の影響によるものと考察された。さらに、実施例３および比較例２から、同じ焦点距離のレンズを用いても色収差では得られない長改質厚効果が得られることが確認できた。

（比較例３）
本比較例では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレート（三菱レイヨン社製、商品名アクリライト（登録商標）、型式＃０００）を用いた。光学材料の大きさは、一辺が１０ｍｍ、厚さが５ｍｍであった。レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓ、繰返し周波数１ｋＨｚとした。

本比較例では、上記の回折型レンズに代えて開口数０．４の対物レンズ（オリンパス社製、商品名ＬＭＰｌａｎＦＬ、倍率２０倍）を用いた。対物レンズへのフェムト秒レーザの入射エネルギを０．３２μＪとし、材料内部の深さ位置を材料表面から４．５ｍｍとし、フェムト秒レーザを１ｍｍ／ｓの速度で走査して、周期１０μｍの加工を複数回実施した。この結果、改質厚５０μｍの改質層を得ることができた。

本比較例では集光する深さ位置を材料表面から４．５ｍｍとしているため、材料内部に集光することによる球面収差で生じるΔｆは２３０μｍと計算された。しかし、実加工の改質厚は５０μｍしか得ることができなかった。実施例３ではΔｆ’の計算値２５２μｍに対して実加工値が１２０μｍであったのに対し、比較例３ではΔｆの計算値２３０μｍに対して実加工値が５０μｍであった。実施例３と比較例３との比較結果から、計算値では同じ程度の球面収差であっても、屈折型レンズで球面収差を付与するより回折型レンズで球面収差を付与したほうが、実加工の改質厚を計算値に近づけることができるとともに長改質厚化できるという効果を有することが分かった。

（実施例４）
実施例４では、加工対象の光学材料として、ポリメタクリレートに代えてシクロオレフィンポリマー（日本ゼオン社製、商品名ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）、型式４８０）を用いた。光学材料の大きさは、一辺が１０ｍｍで、厚さが２ｍｍであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長４００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓ、繰返し周波数１ｋＨｚとし、回折型レンズへの入射エネルギを１５μＪとし、材料内部の深さ位置を材料表面から１ｍｍとし、フェムト秒レーザを１ｍｍ／ｓの速度で走査して、周期が２μｍ、かつ一辺が１ｍｍの回折格子を作製した。この結果、改質径が略１μｍで改質厚が８００μｍの微細かつ長改質厚の加工ができた。この結果から、アスペクト比は８００と求められた。また、本試料を照射後１００℃で１日間加熱処理を行なうことにより、ブラッグ１次回折効率は８４．７％となり、周期２μｍで高効率な回折格子の加工が可能であることが分かった。

実施例４から、設計波長と入射波長とを異ならせて回折型レンズの球面収差を生じさせることで改質厚を長くすることができるという作用効果は高分子材料の種類によらないものであることが確認できた。

（実施例５）
実施例５では、加工対象の光学材料として、光学ガラスの一種であるＢＫ７（ホウケイ酸クラウン光学ガラス）を用いた。光学材料の大きさは、一辺が１０ｍｍ、厚さが３ｍｍであった。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓ、繰返し周波数１ｋＨｚとし、回折型レンズへの入射エネルギを４．５μＪとした。材料内部の深さ位置を材料表面から１ｍｍとし、フェムト秒レーザを０．３ｍｍ／ｓの速度で走査して、周期が２μｍかつ一辺が１ｍｍの回折格子を作製した。この結果、改質径が略１μｍ、かつ改質厚が２１５μｍの微細かつ長改質厚の加工ができた。この結果から、アスペクト比は２１５と求められた。この時のブラッグ１次回折効率は７６．５％であり、周期２μｍの回折格子の加工が可能であることが分かった。

実施例５から、設計波長と入射波長とを異ならせて回折型レンズの球面収差を生じさせることで改質厚を長くすることができるという作用効果はガラスに対しても有効であることが分かった。この結果、上記作用効果は材料種によるものではないことが分かった。

（実施例６）
実施例６は、実施の形態２に係るレーザ加工装置５０Ａに以下の条件を適用したものである。実施例６では、回折型レンズとして、直径が８ｍｍ、輪帯設計波長が１０００ｎｍ、設計波長に対する焦点距離４ｍｍ、石英ガラス製のフレネルゾーンプレートを用いた。回折型レンズに入射するフェムト秒レーザは、中心波長８００ｎｍ、レーザビーム径１４ｍｍ（１／ｅ²値）とした。フェムト秒レーザを回折型レンズで集光して材料に照射した。加工対象の光学材料としてポリメタクリレート（三菱レイヨン社、アクリライト（登録商標）、型式＃０００）を用いた。光学材料の大きさは、一辺が１０ｍｍ、厚さが５ｍｍであった。回折型レンズへの入射パルスエネルギを１２μＪとし、材料内部の深さ位置を材料表面から１ｍｍとし、フェムト秒レーザを１ｍｍ／ｓの速度で走査した。回折型レンズの前にはフェムト秒レーザのビーム径を制御するビーム径制御装置としてアパーチャを配置した。アパーチャ径を８ｍｍ、４ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍと変化させるとともに、アパーチャ径ごとに周期５μｍの加工を複数回実施した。

この結果、アパーチャ径が８ｍｍのときには改質厚が３３０μｍとなった。アパーチャ径が４ｍｍのときには改質厚が２６０μｍとなった。アパーチャ径２ｍｍのときには改質厚が１２０μｍとなった。アパーチャ径が１ｍｍのときには改質厚が７０μｍとなった。このように、いずれのアパーチャ径でも改質径が一定（略１μｍ）となる加工ができた。

実施例６から、設計波長と入射波長とを異ならせることにより球面収差を生成する回折型レンズは、回折型レンズに入射するフェムト秒レーザの入射範囲、言い換えれば、回折型レンズにおいて、フェムト秒レーザの回折（集光）に寄与する輪帯数を制御することにより、改質径を略一定に保ちつつ改質厚を制御することが可能であることが分かった。さらに、本実施例では、ビーム径制御装置としてアパーチャのような簡易な構成を有するものを用いても改質厚を制御できることが分かった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１に係るレーザ加工装置５０の構成を示した図である。 図１に示したレーザ加工装置５０による光学素子の製造をより具体的に説明する図である。 屈折型レンズの形状および回折型レンズの形状の模式図である。 フェムト秒レーザの波長スペクトルを示した図である。 フェムト秒レーザの波長スペクトルおよび回折型レンズの波長分散を利用することにより高アスペクト比を得る方法を示した図である。 実施の形態１による高アスペクト比を得る方法を示した図である。 実施の形態１における回折型レンズ３の設計波長とフェムト秒レーザの中心波長との関係を示した図である。 図７に示したフェムト秒レーザの中心波長Λと回折型レンズ３の設計波長λとの関係をより詳しく説明する図である。 フェムト秒レーザの中心波長Λが回折型レンズ３の設計波長λより短い場合における、球面収差によるフェムト秒レーザの光線挙動を示した図である。 図９に示した光学系により光学材料内部に集光されるレーザ光５の光線挙動を示した図である。 フェムト秒レーザの中心波長Λが回折型レンズ３の設計波長λより長い場合における、球面収差によるフェムト秒レーザの光線挙動を示した図である。 図１１に示した光学系により光学材料内部に集光されるレーザ光５の光線挙動を示した図である。 実施の形態１によるレーザ加工方法を説明するフローチャートである。 実施の形態２に係るレーザ加工装置５０Ａの構成を示した図である。 実施例１の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより光学材料内部に形成された改質層の透過光学顕微鏡による全体観察像を示した図である。 図１５に示した改質層の一部分Ａの拡大観察像を示す図である。 実施例３の条件に従うフェムト秒レーザ照射を行なうことにより光学材料内部に形成された改質層の透過光学顕微鏡による全体観察像を示した図である。

符号の説明

１ レーザ装置、２ アパーチャ、３，３Ａ 回折型レンズ、４ ステージ、５，５Ａ レーザ光、６ 入射面、７ 出射面、８ 加工対象材料、９ 照射部、１０ ステージ駆動機構、１１ ＮＤフィルタ、１２ アッテネータ、１３ 電磁シャッター、１４ ビーム径制御装置、３１，３２，ｂ１，ｃ１ 輪帯、５０ レーザ加工装置、５０Ａ レーザ加工装置、ａ〜ｃ 線、Ｆ，ｆ₁，ｆ₂ 焦点距離、Ｓ１〜Ｓ３ ステップ、Ｚ 光軸。

Claims (27)

1. パルス幅が１０^-15秒〜１０^-11秒のフェムト秒レーザを回折型レンズによって加工対象材料の表面および内部のいずれかに集光させることにより、前記加工対象材料を加工する工程と、
   前記加工する工程に先立って、前記フェムト秒レーザの中心波長Λと前記回折型レンズの設計波長λとを設定する工程とを備え、
   前記設定する工程は、
   前記回折型レンズの最内郭の輪帯に入射する前記フェムト秒レーザの焦点距離をｆ₁とし、前記回折型レンズの最外郭の輪帯に入射した前記フェムト秒レーザの焦点距離をｆ₂とすると、前記焦点距離ｆ₁およびｆ₂のうちのいずれか長いほうが、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λに従って定められる前記比較対象レンズの焦点深度よりも前記焦点距離ｆ₁と前記焦点距離ｆ₂との差の絶対値が大きくなるように、前記中心波長Λと前記設計波長λとの波長差の絶対値を設定する工程を含む、レーザ加工方法。
2. 前記波長差の絶対値を設定する工程は、前記中心波長Λを前記設計波長λよりも小さく設定する、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記レーザ加工方法は、
   前記フェムト秒レーザの回折に寄与する前記回折型レンズの輪帯数を制御する工程をさらに備える、請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記輪帯数を制御する工程は、前記回折型レンズへの前記フェムト秒レーザの入射範囲を制御する、請求項３に記載のレーザ加工方法。
5. 前記輪帯数を制御する工程は、前記フェムト秒レーザが通過する開口部の径を可変に構成されたアパーチャを用いて前記輪帯数を所定数に制御する、請求項３または４に記載のレーザ加工方法。
6. 前記輪帯数を制御する工程は、前記フェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させるビームエキスパンダを用いて前記輪帯数を所定数に制御する、請求項３または４に記載のレーザ加工方法。
7. 前記加工する工程は、前記フェムト秒レーザを前記加工対象材料の内部に集光させることにより前記加工対象材料の内部に改質領域を形成し、
   前記レーザ加工方法は、
   前記フェムト秒レーザの光軸方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の厚さＬと定義し、前記光軸方向に直交する方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の径φと定義し、Ｌ／φを前記改質領域のアスペクト比と定義すると、前記フェムト秒レーザのエネルギを制御することにより前記アスペクト比を制御する工程をさらに備える、請求項１に記載のレーザ加工方法。
8. 前記アスペクト比を制御する工程は、前記アスペクト比が１００以上となるように前記フェムト秒レーザのエネルギを制御する、請求項７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記アスペクト比を制御する工程は、前記径φが２μｍ以下かつ前記アスペクト比が１００以上となるように前記フェムト秒レーザのエネルギを制御する、請求項８に記載のレーザ加工方法。
10. 前記加工対象材料は、高分子構造体およびガラスを含む光学材料である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
11. 前記加工する工程は、前記光学材料の内部に回折光学素子を形成する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
12. １０^-15秒〜１０^-11秒のパルス幅を有するフェムト秒レーザを発するレーザ装置と、
    前記フェムト秒レーザを加工対象材料の表面または内部に集光させるための回折面を含む回折型レンズとを備え、
    前記加工対象材料に入射する前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λおよび前記回折型レンズの前記設計波長λの波長差の絶対値は、前記回折型レンズの最内郭の輪帯に入射する前記フェムト秒レーザの焦点距離をｆ₁とし、前記回折型レンズの最外郭の輪帯に入射した前記フェムト秒レーザの焦点距離をｆ₂とすると、前記焦点距離ｆ₁およびｆ₂のうちのいずれか長いほうが、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λに従って定められる前記比較対象レンズの焦点深度よりも前記焦点距離ｆ₁と前記焦点距離ｆ₂との差の絶対値が大きくなるように定められる、レーザ加工装置。
13. 前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λは、前記回折レンズの設計波長λよりも小さい、請求項１２に記載のレーザ加工装置。
14. 前記フェムト秒レーザの回折に寄与する前記回折型レンズの輪帯数を調整可能に構成された輪帯数制御装置をさらに備える、請求項１２または１３に記載のレーザ加工装置。
15. 前記輪帯数制御装置は、前記回折型レンズへの前記フェムト秒レーザの入射範囲を制御する、請求項１４に記載のレーザ加工装置。
16. 前記輪帯数制御装置は、前記フェムト秒レーザが通過する開口部の径を可変に構成されたアパーチャである、請求項１４または１５に記載のレーザ加工装置。
17. 前記輪帯数制御装置は、前記フェムト秒レーザのビーム径を空間的に変化させるビームエキスパンダである、請求項１４または１５に記載のレーザ加工装置。
18. 前記レーザ加工装置は、前記フェムト秒レーザを前記加工対象材料の内部に集光させることにより前記加工対象材料の内部に改質領域を形成し、
    前記レーザ装置は、
    前記フェムト秒レーザの光軸方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の厚さＬと定義し、前記光軸方向に直交する方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の径φと定義し、Ｌ／φを前記改質領域のアスペクト比と定義すると、前記アスペクト比が所望の条件を満たすように調整されたエネルギを有する前記フェムト秒レーザを発する、請求項１２に記載のレーザ加工装置。
19. 前記フェムト秒レーザは、前記アスペクト比が１００以上となるように調整されたエネルギを有する、請求項１８に記載のレーザ加工装置。
20. 前記フェムト秒レーザは、前記径φが２μｍ以下かつ前記アスペクト比が１００以上となるように調整されたエネルギを有する、請求項１８に記載のレーザ加工装置。
21. 前記加工対象材料は、高分子構造体およびガラスを含む光学材料である、請求項１２〜２０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
22. 前記レーザ加工装置は、前記光学材料の内部に回折光学素子を形成する、請求項１２〜２１のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
23. パルス幅が１０^-15秒〜１０^-11秒のフェムト秒レーザを回折型レンズによって光学材料の表面および内部のいずれかに集光させることにより、前記光学材料を加工する工程と、
    前記加工する工程に先立って、前記フェムト秒レーザの中心波長Λと前記回折型レンズの設計波長λとを設定する工程とを備え、
    前記設定する工程は、
    前記回折型レンズの最内郭の輪帯に入射する前記フェムト秒レーザの焦点距離をｆ₁とし、前記回折型レンズの最外郭の輪帯に入射した前記フェムト秒レーザの焦点距離をｆ₂とすると、前記焦点距離ｆ₁およびｆ₂のうちのいずれか長いほうが、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λを設計波長として有する回折型レンズである比較対象レンズの焦点距離に等しく、かつ、前記フェムト秒レーザの前記中心波長Λに従って定められる前記比較対象レンズの焦点深度よりも前記焦点距離ｆ₁と前記焦点距離ｆ₂との差の絶対値が大きくなるように、前記中心波長Λと前記設計波長λとの波長差の絶対値を設定する工程を含む、光学素子の製造方法。
24. 請求項２３に記載の光学素子の製造方法により製造された、光学素子。
25. 前記光学材料は、前記フェムト秒レーザが前記光学材料の内部に集光することにより形成された改質領域を含み、
    前記フェムト秒レーザの光軸方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の厚さＬと定義し、前記光軸方向に直交する方向に沿う前記改質領域の長さを前記改質領域の径φと定義し、Ｌ／φを前記改質領域のアスペクト比と定義すると、前記アスペクト比は１００以上である、請求項２４に記載の光学素子。
26. 前記径φは、２μｍ以下である、請求項２５に記載の光学素子。
27. 前記光学素子は、前記光学材料の内部に形成された回折光学素子を含む、請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の光学素子。