JP2010107777A - パルス幅制御装置およびレーザー照射装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フェムト秒レーザー光(3)の光路上に配置されて内部を前記フェムト秒レーザー光(3)が透過するレーザー光透過素子(18,19,23,24)と、前記レーザー光透過素子(18,19,23,24)内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子(18,19,23,24)を移動可能に支持する素子移動装置(13)と、前記素子移動装置(13)の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子(18,19,23,24)内を通過するフェムト秒レーザー光(3)の光路長を制御し、出力されるフェムト秒レーザー光(3)のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段(PC)と、を備えたパルス幅制御装置(1)。
【選択図】図1
Description
前記レーザー加工技術であるレーザーアブレーション加工では、固体材料のターゲットにレーザー光が照射された時に、ターゲット表面の材料が放出されて、表面が削り取られることで、非接触で加工している。
前記レーザーアブレーション加工をはじめ、レーザー光を使用した加工や実験、測定等では、光学素子の劣化や要求されている加工精度等の観点から、パルス幅を変化させたい場合がある。
パルス幅を変化させる技術として、下記の特許文献1、2記載の技術が知られている。
さらに、特許文献2には、三角プリズム対(15、16)で分光されて光路の距離が変化したパルス光を、幅が可変のスリット(14)を使用することでパルス幅を制御する技術が記載されている。
また、特許文献2には、光ファイバの波長分散特性を利用してパルス幅を広げる技術も記載されている。
前記特許文献1記載の技術では、8の字の光路に応じて設定された特定のパルス幅に変化させることは可能であるが、パルス幅を連続的に変化させることはできない問題がある。
特許文献2記載の技術では、回折格子やプリズムを使用した場合、現実には光路差が小さいため、パルス幅の微調整は可能であるが、パルス幅を大きく変化させようとすると、装置が大型化する問題がある。例えば、プリズムを使用する場合において、最初のプリズム(15)への入射角を48.85°、プリズム(15、16)の間の間隔を10cmとした場合、計算すると、変化可能なパルス幅は最大でも1.12fs(フェムト秒)程度であり、スリットを制御すると、これよりもさらに小さくなるため、パルス幅の微調整しかできなかった。したがって、例えば、パルス幅を10fs変化させようとすると、プリズム間の間隔が数m程度必要となり、100fs変化させようとすると、数十m必要となる。
レーザー光の光路に対して傾斜して配置され且つ前記レーザー光が入射される入射辺と、前記光路に対して傾斜し且つ前記入射辺に対して傾斜する出射辺とを有し、前記レーザー光の光路上に配置されて内部を前記レーザー光が透過するレーザー光透過素子と、
前記レーザー光透過素子内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子を移動可能に支持する素子移動装置と、
前記素子移動装置の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子内を通過するレーザー光の光路長を制御し、出力されるレーザー光のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
前記レーザー光透過素子は、直角二等辺三角柱状の第1プリズム、第2プリズム、第3プリズムおよび第4プリズムからなり、
前記第1プリズムは、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第1の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第1の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第2プリズムは、前記レーザー光の入射光路に対して直交し且つ前記第1の出射辺に沿って配置された第2の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第2の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第3プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第2プリズムに対して線対称に配置されると共に、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第3の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第3の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第4プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第1プリズムに対して線対称に配置されると共に、前記入射光路に対して直交し且つ前記第3の出射辺に沿って配置された第4の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第4の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記素子移動装置は、前記第1プリズムおよび第4プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第1のプリズム移動装置と、前記第2プリズムおよび第3プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第2のプリズム移動装置と、を有する
ことを特徴とする。
パルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光により構成された前記レーザー光を使用することを特徴とする。
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光源装置から出射されたレーザー光の光路上に配置され、レーザー光源装置からのレーザー光のパルス幅を制御する請求項1ないし3のいずれかに記載のパルス幅制御装置と、
を備えたことを特徴とする。
請求項2に記載の発明によれば、4つのプリズムを使用することで、光路長を制御することができると共に、レーザー光の4つのプリズムに対する入射光路と出射光路とを同軸上にすることができ、既設の装置の光路上に容易に組み込むことができる。
請求項3に記載の発明によれば、フェムト秒レーザー光のパルス幅を広い範囲で制御することができる。
なお、以後の説明の理解を容易にするために、図面において、前後方向をX軸方向、左右方向をY軸方向、上下方向をZ軸方向とし、矢印X,−X,Y,−Y,Z,−Zで示す方向または示す側をそれぞれ、前方、後方、右方、左方、上方、下方、または、前側、後側、右側、左側、上側、下側とする。
また、図中、「○」の中に「・」が記載されたものは紙面の裏から表に向かう矢印を意味し、「○」の中に「×」が記載されたものは紙面の表から裏に向かう矢印を意味するものとする。
図1において、本発明の実施例1のレーザー照射装置1は、レーザー光の一例であってパルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光を出射するフェムト秒レーザー光源2を有する。フェムト秒レーザー光源2から出射されたフェムト秒レーザー光3は、パルス幅制御装置4に入射される。パルス幅制御装置4に入射されたフェムト秒レーザー光3は、パルス幅制御装置4でパルス幅が制御されて、被照射物の一例としての試料Sに照射される。
図2において、パルス幅制御装置4は、上方に配置された第1のプリズム移動装置11と、下方に配置された第2のプリズム移動装置12とからなる素子移動装置13を有する。
第1のプリズム移動装置11は、上下方向に延びる第1のエアシリンダ16と、第1のエアシリンダ16により上下方向に移動可能に支持された第1のプリズム支持ステージ17とを有する。前記第1のプリズム支持ステージ17は、略U字形状に形成されており、U字状の第1のプリズム支持ステージ17の2つの上端部には、第1の素子支持部の一例として、前方に折り曲げられた形状の第1のプリズム支持部17a,17bが形成されている。左側の第1のプリズム支持部17aには、レーザー光透過素子の一例としての第1プリズム18が固定支持されている。
したがって、第1プリズム18の残りの二辺は、出射辺としての第1垂直辺18bが上下方向(入射光路3aに対して垂直に傾斜した方向)に沿って配置されると共に、残りの第1水平辺18cが水平方向(入射光路3aに沿った)方向に配置されている。したがって、実施例1では、フェムト秒レーザー光3は、第1斜辺18aから入射し、第1プリズム18内を透過して、第1垂直辺18bから出射される。
なお、実施例1では、プリズム18,19,23,24を移動させる装置として、エアシリンダ16,21を例示したが、この構成に限定されず、油圧シリンダや、モータとギアとの組み合わせ等、任意の移動機構を採用することが可能である。
前記構成を備えた実施例1のレーザー照射装置1では、エアシリンダ16、21を作動させて、プリズム18,19,23,24を光路3aに対して移動させることで、レーザー光3が透過する光路長を連続的に制御される。
前記パルス幅制御装置4に入力されたフェムト秒レーザー光3は、パルス幅制御装置4のプリズム18,19,23,24を透過する際に、波長毎にプリズム中を進む速度が異なる(スネルの法則、屈折の法則)。したがって、プリズム18,19,23,24を通過する各波長の光に速度差が発生し、通過する時間に差が発生し、通過時間の差に応じて、パルス幅が広がる。
図3において、例えば、ピークが780nmの赤色のフェムト秒レーザー(チタン・サファイアレーザ)を使用し、等辺18b,18cの長さLが5cmのプリズムを使用した場合を例として考える。
ピークが780nmの赤色のレーザー光は、近傍の760nm〜800nmの波長成分も含まれており、波長760nmの屈折率をn760とし、波長800nmの屈折率をn800とし、空気中の光速をv0とし、プリズム中の波長760nmの光速をv760とし、プリズム中の波長800nmの光速をv800とすると、スネルの法則から、以下の式(1)、(2)が成立する。
v760=v0/n760=1.9833×108[m/s] …式(1)
v800=v0/n800=1.9844×108[m/s] …式(2)
なお、式(1)、(2)における数値は、屈折率n760,n800として硼袿酸ガラスの屈折率を使用して計算をした。
L760=x1/sin(θr760+45°) …式(3)
L800=x1/sin(θr800+45°) …式(4)
なお、屈折角θrは、スネルの法則から、以下の式(5)、(5′)で導出される。
sinθi/sinθr760=v0/v760 …式(5)
sinθi/sinθr800=v0/v800 …式(5′)
なお、他のプリズム19,23,24についても、式(3)、(4)と同様にして光路を導出することが可能であるため、詳細な説明は省略する。
前記式(3)、(4)において、x1が1[cm]の場合、L760=1.0463cm、L800=1.0462cmであり、光路差はほとんどない。また、θr760とθr800の角度差もほとんど無視できる。
図5は実施例1の構成における時間差の計算結果の一覧表である。
式(1)、(2)で導出されたプリズム内の各波長の速度と、式(3)〜(5)等を使用して導出されたプリズム内の光路の合計(光路長)と、に基づいて、時間差を計算すると、図4Aに示すように光路長が最小(x1が1cm程度に設定)の場合、図5に示すように波長760nmの通過時間が306.57ps(ピコ秒)であり、波長800nmの通過時間が306.44psであった。したがって、時間差は130fsとなる。また、図4Bに示すように、光路長が最大(x1が4cm程度に設定)の場合、波長760nmの通過時間が806.75ps、波長800nmの通過時間が806.43psで、時間差は320fsとなる。したがって、例示した構成の場合、130fs〜320fsの範囲で、パルス幅を変化させることが可能であることがわかる。
したがって、従来のように、分光した各波長成分の光路長の差では、空気中を通過する速度に差がほとんど無いため、時間差がほとんどなく、パルス幅を数fsしか変化させられず、微調整しかできなかったが、実施例1のように、速度差が発生するプリズム中を通過する光路長を利用することで、プリズムが5cm程度の小型のものでも、100fsオーダでパルス幅を制御することができる。
この結果、実施例1のパルス幅制御装置4は、従来の構成に比べて小型の構成で、100fsオーダでのパルス幅の制御を実現できる。
なお、複数個並べなくても、パルス幅制御装置4から出射されたレーザー光3を、ミラー等で反射して、もう一度パルス幅制御装置4に入射することを何度か繰り返すことで、同様の効果を得ることが可能である。したがって、この場合は、パルス幅を100fs程度変化させる場合は、ミラーで反射させず、1000fs程度変化させる場合には、ミラーを使用することで、100fs〜1000fs程度の範囲でパルス幅を制御することができる。
図6は実験例1の装置の全体説明図である。
次に、本発明の効果を確認するための実験を行った。
実験は、実施例1の構成のパルス幅制御装置4を使用し、図6に示す実験装置を使用して行った。フェムト秒レーザ光として、パルス幅160fsで、波長882nmの基本波と波長441nmの第2高調波とを含むダブルパルス光を使用した。パルス幅制御装置4から出力されたレーザー光は、第1反射鏡41で反射され、第1ビームスプリッタ42で、分岐される。
第1ビームスプリッタ42で分岐された他方のレーザー光は、第4反射鏡51および第5反射鏡52で反射されて、第2ビームスプリッタ49に入射される。したがって、第2ビームスプリッタ49で、レーザー光が合成され、遅延光学素子44での遅延に応じて、一方のレーザー光と他方のレーザー光とが干渉する。
なお、実験は、パルス幅制御装置4において、光路長が最小の場合と、光路長が最大の場合で、遅延光学素子44で遅延時間を変化させて、レーザー光の強度を測定した。測定結果を図7に示す。
図7において、横軸に遅延時間(Delay time)を取り、縦軸に強度を取ると、図7に示すような測定値が測定された。測定された測定値から、従来公知の自己相関法で自己相関波形を演算し、自己相関波形からパルス幅(半値全幅)を演算した。
この結果、光路長が最小の場合は、第2高調波発生の遅延時間の半値幅から求めたパルス幅は、197fsとなり、元々のパルス幅160fsからの変化は小さかった。光路長が最大の場合は、パルス幅は349fsであった。
したがって、100fsオーダでパルス幅が制御できることが確認された。
次に、本発明の実施例2の説明をするが、この実施例2の説明において、前記実施例1の構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
この実施例2は、下記の点で前記実施例1と相違しているが、他の点では前記実施例1と同様に構成されている。
図8において、実施例2のパルス幅制御装置4′では、実施例1のパルス幅制御装置4とは異なり、レーザー光透過素子として、2つのプリズム18′,19′を有する。実施例2の第1プリズム18′および第2プリズム19′は、共に同一形状の直角三角柱上に構成されており、3つの角が、90°、30°、60°となっている。
なお、実施例2では、第1プリズム18′を支持して移動させる第1プリズム移動装置11′は、入射光路3aに対して、第1斜辺18a′に沿った方向に第1プリズム18′を移動可能に支持する。同様に、第2プリズム19′を支持して移動させる第2プリズム移動装置12′は、入射光路3aに対して、第2斜辺19a′に沿った方向に第1プリズム19′を移動可能に支持する。
前記構成を備えた実施例2のパルス幅制御装置4′では、
フェムト秒レーザー光3がプリズム18′,19′を通過する際に、波長に応じて発生する速度差により、パルス幅が広がる。そして、素子移動装置13′(11′+12′)を制御して、フェムト秒レーザー光3がプリズム18′,19′を透過する光路長を制御することで、パルス幅を制御することができる。
なお、第1水平辺18c′および第2水平辺19c′の長さLを3cmとすると、フェムト秒レーザー光3がプリズム18′,19′を透過する光路長は、0cm(プリズム18′,19′が光路3aから外れた状態)〜6cm(水平辺18c′,19c′の近傍を透過する状態)の範囲で制御することができる。例えば、通過する光路長が3cmとして、その他の条件は実施例1と同様にして計算をすると、84fsの時間差を発生させることができ、パルス幅を84fs広げることができる。したがって、数10fs〜数100fs程度の範囲でパルス幅を制御することができる。
その他、実施例2は実施例1と同様の作用、効果を有する。
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、前記実施例において、プリズムの数や大きさ、材質は、変化させたいパルス幅の設定や、設計、仕様等に応じて、任意に変更可能である。
また、前記実施例において、フェムト秒レーザー光の入射光路3aと出射光路とが同一軸上であることが望ましいが、プリズムの数や配置角度、ミラー(反射鏡)等を使用して同一でないように設定することも可能である。
本発明は、レーザー光としてパルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光に特に好適に使用可能であるが、フェムト秒レーザー光に限定されず、例えば、パルス幅がピコ秒(=1000フェムト秒)オーダのピコ秒レーザー光に対して使用することも可能である。
2…フェムト秒レーザー光源、
3…フェムト秒レーザー光、
3a,3b…光路、
4,4′…パルス幅制御装置、
11…第1のプリズム移動装置、
12…第2のプリズム移動装置、
13,13′…素子移動装置、
18…第1プリズム、
18,19,23,24…レーザー光透過素子、
18a,19b,23b,24a…入射辺、
18b,19a,23a,24b…出射辺、
19…第4プリズム、
23…第2プリズム、
24…第3プリズム、
PC…パルス幅制御手段。
Claims (4)
- レーザー光の光路に対して傾斜して配置され且つ前記レーザー光が入射される入射辺と、前記光路に対して傾斜し且つ前記入射辺に対して傾斜する出射辺とを有し、前記レーザー光の光路上に配置されて内部を前記レーザー光が透過するレーザー光透過素子と、
前記レーザー光透過素子内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子を移動可能に支持する素子移動装置と、
前記素子移動装置の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子内を通過するレーザー光の光路長を制御し、出力されるレーザー光のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段と、
を備えたことを特徴とするパルス幅制御装置。 - 前記レーザー光透過素子は、直角二等辺三角柱状の第1プリズム、第2プリズム、第3プリズムおよび第4プリズムからなり、
前記第1プリズムは、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第1の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第1の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第2プリズムは、前記レーザー光の入射光路に対して直交し且つ前記第1の出射辺に沿って配置された第2の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第2の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第3プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第2プリズムに対して線対称に配置されると共に、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第3の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第3の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第4プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第1プリズムに対して線対称に配置されると共に、前記入射光路に対して直交し且つ前記第3の出射辺に沿って配置された第4の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第4の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記素子移動装置は、前記第1プリズムおよび第4プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第1のプリズム移動装置と、前記第2プリズムおよび第3プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第2のプリズム移動装置と、を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のパルス幅制御装置。 - パルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光により構成された前記レーザー光を使用することを特徴とする請求項1または2に記載のパルス幅制御装置。
- レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光源装置から出射されたレーザー光の光路上に配置され、レーザー光源装置からのレーザー光のパルス幅を制御する請求項1ないし3のいずれかに記載のパルス幅制御装置と、
を備えたことを特徴とするレーザー照射装置。
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