JP5357790B2

JP5357790B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP5357790B2
Application number: JP2010016824A
Authority: JP
Inventors: 芳夫早崎; 充弘伊坂; 啓洋田北
Original assignee: Utsunomiya University
Current assignee: Utsunomiya University
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: JP2011152578A

Description

本発明は、複数のレーザ光を用いて加工対象物を加工するレーザ加工装置に関し、特に超短パルスを用いる技術に関する。

近年、レーザ加工装置においては、多光子吸収過程によりレーザ励起プラズマを発生させることによって非熱的な加工を行うことができる高出力超短パルスレーザに注目が集まっている。特に、時間単位を「フェムト」（千兆分の一）単位によって発光されたフェムトレーザ光を用いた加工装置（以下、「フェムトレーザ加工装置」という。）は、短時間にエネルギーを圧縮して発振する強力なレーザ光を極めて細かい範囲に照射することができるので、ナノメートルスケールの微細加工または高精度かつ高品質の加工を行うことができるものとして製品開発が行われている。

例えば、光パルスあたりのエネルギーを高め、加工効率を向上させるために、２つのレーザ光を用いてレーザ加工を行うダブルパルス法を適用したフェムトレーザ加工装置（以下、「ダブルパルスレーザ加工装置」という。）が知られている（例えば、特許文献１）。

具体的には、このダブルパルスレーザ加工装置は、一定のパルス間隔で被加工物の同一位置に２つのレーザ光を照射するとともに、この同一位置を所定の照射間隔で走査することによって被加工物に対して加工を行うようになっている。

また、面状加工を短時間で行うために、複数のレーザ光を加工対象物に並列に照射するフェムトレーザ加工装置（以下、「並列レーザ加工装置」という。）も知られている（例えば、特許文献２）。

具体的には、この並列レーザ加工装置は、空間光変調素子に計算機ホログラムを表示してフェムト秒レーザパルスを空間的に整形して加工対象に同時並列的に照射し、可変並列の加工を実現している。

特開２００６−２１２６４６号公報特開２００６−６８７６２号公報

しかしながら、上述のダブルパルスレーザ加工装置にあっては、一度の照射で加工対象物における単一の焦点位置のみが加工されるので、面状加工を行う場合には、レーザ光を複数回に渡り面状加工範囲に照射する必要があるため、加工時間を短縮することは難しい。また、上述の並列レーザ加工装置にあっては、ダブルパルスレーザ加工装置よりは加工時間を短縮させることができるが、複数のレーザパルス光がそれぞれ加工対象物に作用するので、加工効率を向上させるには限界がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、微細加工及び高精度かつ高品質の加工を行うことができるとともに、高い加工効率を有し、かつ、レーザ光の照射回数を少なくして任意の形状加工においても短時間に加工可能なレーザ加工装置を提供することにある。

（１）上記課題を解決するため、本発明は、極超短パルスレーザ光を加工対象物に照射し、当該極超短パルスレーザ光のエネルギーによって加工対象物に加工を行うレーザ加工装置であって、第１極超短パルスレーザ光及び第２極超短パルスレーザ光を出力するレーザ光出力手段と、前記第２極超短パルスレーザ光に前記第１極超短パルスレーザ光に対する所定の遅延時間を与える光遅延手段と、前記第１極超短パルスレーザ及び前記第２極超短パルスレーザ光を前記加工対象物における異なる位置に照射させる照射制御手段と、を備え、前記照射制御手段が、前記加工対象物の第１位置に多光子吸収過程によりレーザ励起プラズマを発生させるために前記第１極超短パルスレーザ光を照射させるとともに、前記発生したレーザ励起プラズマが前記第１位置から拡散して存在している領域内あって当該第１位置と異なる前記加工対象物上の第２位置に、前記第２極超短パルスレーザ光を照射させることを特徴とする。

この構成により、本発明は、第１極超短パルスレーザ光によって発生させ、かつ、第１位置から拡散しているレーザ励起プラズマに対して第２極超短パルスレーザ光によって増強吸収を引き起こさせることができる。すなわち、本発明は、２つの極超短パルスレーザによって加工効率を向上させることができるとともに、第１位置と第２位置の異なる位置に極超短パルスレーザ光を照射することによって広い加工範囲をも確保することができる。したがって、本発明は、高精度かつ高品質に微細加工を行うことができるという極超短パルスレーザ光を用いることによって得られる効果に加えて、加工効率を向上させること、及び、レーザ照射回数を少なくすることによって短時間で加工対象物の加工を実行可能にすること（スループットの向上）を両立させることができる。

（２）また、本発明は、前記照射制御手段が、前記第２極超短パルスレーザ光を、前記第１位置から離隔した第２位置に照射させる構成を有している。

この構成により、本発明は、第１極超短パルスレーザ光と第２極超短パルスレーザ光とを空間的に干渉させずに加工対象物にそれぞれ照射させることができるで、本発明は、第１極超短パルスレーザ光によって発生させ、かつ、第１位置から拡散しているレーザ励起プラズマに対して第２極超短パルスレーザ光によって増強吸収を引き起こさせることができる。

（３）また、本発明は、前記光遅延手段が、前記第１極超短パルスレーザ光が非照射状態になったときに前記第２極超短パルスレーザ光が前記第２位置に照射されるように、前記第２極超短パルスレーザ光に所定の遅延時間を与える構成を有している。

（４）また、本発明は、前記レーザ光出力手段が、パルス幅が１００×１０^−１２秒以下の前記第１極超短パルスレーザ光及び前記第２極超短パルスレーザ光を出力する構成を有している。

この構成により、本発明は、パルス幅が１０×１０^−１２秒以下の第１極超短パルスレーザ光及び第２極超短パルスレーザ光によって加工対象物の加工を行うことができるので、微細加工及び高精度かつ高品質の加工を行うことができる。

本発明は、２つの極超短パルスレーザによって加工効率を向上させることができるとともに、第１位置と第２位置の異なる位置に極超短パルスレーザ光を照射することによって広い加工範囲をも確保することができる。

したがって、本発明は、高精度かつ高品質に微細加工を行うことができるという極超短パルスレーザ光を用いることによって得られる効果に加えて、加工効率を向上させること、及び、レーザ照射回数を少なくすることによって短時間で加工対象物の加工を実行可能にすること（スループットの向上）を両立させることができる。

本発明に係るレーザ加工システムの第１実施形態における構成を示すブロック図である。ダブルパルスレーザ加工装置の効果を説明するための図である。第１実施形態における時間差及び距離差を与えた場合の加工箇所の位相変化を示す表である。第１実施形態における時間差及び距離差を与えた場合の加工箇所の位相変化を示すグラフである。第１実施形態における本実施形態のレーザ加工システムにおける時間差の相違における加工箇所（集光スポット）の位相変化と加工痕を示す図である。第１実施形態における本実施形態のレーザ加工システムにおける距離差の相違における加工箇所（集光スポット）の加工痕を示す図である。第１実施形態における本実施形態のレーザ加工システムにおける距離差の相違における加工箇所（集光スポット）の位相変化を示すグラフである。第１実施形態の光遅延素子における変形例の構造を示す図である。第１実施形態の光遅延素子及び後適合光学調整部における変形例を示す図である。本発明に係るレーザ加工システムの第２実施形態における構成を示すブロック図である。第１実施形態のレーザ加工システムにおける変形例（Ｉ）のシステムブロック図である。第実施形態のレーザ加工システムにおけるその他変形例（ＩＩ）のシステムブロック図である。本発明に係るレーザ加工システムの第２実施形態における構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、パルス幅がフェムト秒単位のパルスレーザビーム（以下、「フェムトレーザビーム」という。）を用いて加工対象物の加工を行うレーザ加工システムについて本発明のレーザ加工装置を適用したものである。

＜第１実施形態＞
はじめに、図１〜図９の各図を用いて本発明に係るレーザ加工システムＳの第１実施形態について説明する。

[レーザ加工システムの概要と構成]
まず、図１を用いて本実施形態のレーザ加工システムＳの概要とその構成について説明する。なお、図１は、本実施形態におけるレーザ加工システムＳの構成を示すブロック図であり、図２は、ダブルパルスレーザ加工装置の効果を説明するための図である。

本実施形態のレーザ加工システムＳは、図１に示すように、フェムトレーザビームを生成して出力するレーザ光源１００と、出力されたフェムトレーザビームに対して所定の調整を行う前適合光学調整部２００と、前適合光学調整部２００によって調整されたフェムトレーザビームの一部に所定の遅延時間を与える光遅延素子３００と、を備えている。

また、このレーザ加工システムＳは、フェムトレーザビームを複数のビームに分割するビーム分割素子４００と、分割されたフェムトレーザビームを加工対象物Ｍに照射するために所定の調整を行う後適合光学調整部５００と、を備えている。

なお、例えば、本実施形態のレーザ光源１００は、本発明のレーザ光出力手段を構成し、光遅延素子３００は、本発明のレーザ出力手段及び光遅延手段を構成する。また、例えば、本実施形態のビーム分割素子４００及び後適合光学調整部５００は、本発明の照射制御手段を構成する。

本実施形態のレーザ加工システムＳは、レーザ光源１００から出力されたフェムトレーザビームの一部を遅延させ、加工対象物Ｍに時間差を与えてフェムトレーザビームを異なる集光スポットＳＰに集光（照射）することによって加工対象物Ｍを加工するようになっている。

特に、このレーザ加工システムＳは、加工対象物Ｍの加工を行う所定の集光スポット（以下、「第１位置」ともいう。）ＳＰに遅延を生じていないフェムトレーザビーム（以下、「第１フェムトレーザビーム」という。）を照射（集光）し、当該第１位置から処置の距離離隔されている集光スポット（以下、「第２位置」ともいう。）ＳＰに遅延を生じさせたフェムトレーザビーム（以下、「第２フェムトレーザビーム」という。）を照射（集光）して加工効率を向上させつつ、広い加工範囲を確保するようになっている。

通常、上述したダブルパルスレーザ加工装置によって加工対象物Ｍの所定の集光スポットにフェムトレーザビームを集光させると、各原子に対して多光子吸収が起こり、プラズマ（すなわち、レーザ励起プラズマ）が励起される。そして、さらにダブルパルスレーザ加工装置によって同一の集光スポットＳＰに所定時間遅延させたフェムトレーザビームを集光させると、当該発生されたレーザ励起プラズマに増強吸引を引き起こさせることができるので、当該レーザ励起プラズマの発光強度が向上する。例えば、図２に示すように、単一のパルス（フェムトレーザビーム）のエネルギー（１００ｎＪ）と同一のエネルギー（５０ｎＪ×２）で２つのフェムトレーザビームを照射すると、加工痕の位相変化が大きくなる。したがって、ダブルパルスレーザ加工装置においては、加工効率を向上させることができるようになっている。

しかしながら、このダブルパルスレーザ加工装置においては、２つのフェムトレーザビームが単一の集光スポットに集光されるので、線上加工または面状加工など広い加工範囲を確保するためには、複数のレーザビームを並列に同時に照射するラインビームなどによって一度に多くのレーザビームを広い領域に照射させる必要がある。

一方、一度に加工対象物Ｍに対して広い領域にフェムトレーザビームを数多く照射する並列レーザ加工装置においては、隣接するレーザビームが干渉（パルス干渉）して空間分布（加工対象物Ｍの加工面上における光強度分布）を乱すことになるので、それぞれのフェムトレーザビームについてはパルス幅以上離して照射させることが必要である。このため、微細加工及び高精度かつ高品質の加工を行うことに限界がある。特に、ダブルパルスレーザ加工装置についても、並列レーザ加工装置に適用させることができるが、上述と同様に、隣接するレーザビームが干渉（パルス干渉）して空間分布（加工対象物Ｍの加工面上における光強度分布）を乱すことになるので、微細加工及び高精度かつ高品質の加工を行うことに限界がある。

そこで、本実施形態のレーザ加工システムＳは、上述のように、２つのフェムトレーザビームを時間的にかつ空間距離的に差異（すなわち、時間差及び距離差）を与えて加工対象物Ｍに照射することによって、第１フェムトレーザビームによって発生させたレーザ励起プラズマに対して第２フェムトレーザビームによって増強吸引を引き起こさせることができるので、レーザ励起プラズマを効率よく励起することができるとともに、一度に加工対象物Ｍにおける異なる位置に複数のフェムトレーザパルスを照射することができるので、広い加工範囲をも確保することができるようになっている。

すなわち、第１フェムトレーザビームによって励起したレーザ励起プラズマが第１位置から外側に向かって拡散し、当該拡散したレーザ励起プラズマに対してさらに第２フェムトレーザビームを集光させると、第１フェムトレーザビームにおける多光子吸収を利用して加工効率を図りつつ、２つのフェムトレーザビームを別々の場所に照射することによって加工範囲を拡大することができるようになっている。

したがって、本実施形態のレーザ加工システムＳは、高精度かつ高品質に微細加工を行うことができるという極超短パルスレーザ光を用いることによって得られる効果に加えて、加工効率を向上させること、及び、レーザ照射回数を少なくすることによって短時間で加工対象物Ｍの加工を実行可能にすること（スループットの向上）を両立させることができるようになっている。

[システム構成]
次に、上述の図１を用いて本実施形態のレーザ加工システムＳにおける各部の詳細について説明する。

レーザ光源１００は、パルス幅がフェムト秒単位のパルスレーザビームを生成し、出力する装置である。また、このレーザ光源１００は、例えば、１パルスのレーザビームエネルギーが１０ｎJ〜１００μＪ程度であって、５０ｆｓのパルス幅を有するフェムトレーザビームを単一パルス毎に出力するようになっている。

なお、フェムトレーザビームのパルス幅は、前適合光学調整部２００、光遅延素子３００及び後適合光学調整部５００を通過することによって広くなるので、その点を考慮してパルス幅を設定する必要がある。

前適合光学調整部２００は、レーザ光源１００と光遅延素子３００との間に形成されており、入力されたフェムトレーザビームに対してその断面におけるエネルギー分布を均一化するとともに、フェムトレーザビームのビーム径及びそのビーム強度を調整などビーム分割素子４００または後適合光学調整部５００に適切なレーザビームを入射させるための所定の処理を行うようになっている。そして、この前適合光学調整部２００は、所定の処理が為されたフェムトレーザビームの一部を光遅延素子３００に出力し、その他のフェムトレーザビームをビーム分割素子４００に出力するようになっている。

光遅延素子３００は、前適合光学調整部２００とビーム分割素子４００との間に配設されている。また、この光遅延素子３００は、前適合光学調整部２００から出力されたフェムトレーザビームの一部を分割して当該分割された位置のフェムトレーザに所定の遅延時間を与えるようになっている。

また、光遅延素子３００は、遅延時間が与えられたレーザビーム（第２フェムトレーザビーム）をビーム分割素子４００に出力するようになっている。なお、その他のレーザビーム（第１フェムトレーザビーム）については光遅延素子３００を経由せずに、ビーム分割素子４００に入力されるようになっている。

具体的には、本実施形態の光遅延素子３００は、ガラスによって形成されており、その厚さを調整することによってフェムトレーザビームに与える遅延時間を変更することができるようになっている。例えば、レーザ光源１００から出力されているフェムトレーザビーム（パルス幅１００ｆｓ）に１０ｐｓの遅延時間を与える場合には、ガラスの厚さ「Ｌ」は、（式１）から６ｍｍとなる。ただし、（式１）において「Ｃ」が光速であり、空気の屈折率（ｎ０）＝１．０及びガラスの屈折率（ｎ１）＝１．５を用いる。

なお、第２フェムトレーザビームに与えられる遅延時間（以下、単に「時間差」ともいう。）の詳細については後述する。

ビーム分割素子４００は、光遅延素子３００と後適合光学調整部５００の間に配設されている。また、このビーム分割素子４００には、遅延時間が生じていない第１フェムトレーザビーム及び所定の遅延時間が生じている第２フェムトレーザビームが入光される。そして、このビーム分割素子４００は、計算機ホログラムを用いて、加工対象物Ｍの内部において二次元または三次元に分布する多数の集光スポットＳＰに集光可能に、それぞれの入光されたフェムトレーザビームを分割して出力するようになっている。

具体的には、このビーム分割素子４００は、透過型回析光学素子または反射型回析光学素子などの各種の光学素子によって形成されており、図示しないコンピュータなどの制御装置の制御に基づいて、入射された第１フェムトレーザビームの集光スポットＳＰの位置と数を特定し、入光された第１フェムトレーザビームを特定された数（例えば、合計で数十）に分割しつつ、各第１位置に集光するように出力する構成を有している。

また、このビーム分割素子４００は、入光された第２フェムトレーザビームを、第１フェムトレーザビームと同数に分割し、各第１フェムトレーザビームが集光している集光スポットＳＰ（第１位置）の近傍であって各フェムトレーザビームのパルスが重ならない程度に離隔した第１位置と異なる位置（第２位置）に各第２フェムトビームレーザを集光するように出力する構成を有している。特に、このビーム分割素子４００は、第１位置に第１フェムトレーザビームを集光することによって生ずる多光子吸収過程により発生したレーザ励起プラズマが拡散して存在している範囲（以下、単に「プラズマ拡散範囲」という。）内であって、第１位置と異なる第２位置に第２フェムトレーザビームを照射させるようになっている。

なお、第１フェムトレーザビーム及び第２フェムトレーザビームを照射する集光スポットＳＰの距離差（第１位置と第２位置との距離差）の詳細については時間差とともに後述する。

後適合光学調整部５００は、ビーム分割素子４００と加工対象物Ｍとの間に配設されている。この後適合光学調整部５００は、ビーム分割素子４００において出力された各フェムトレーザビームが集光する各集光スポットＳＰを加工対象物Ｍの内部でさらに小さく集光するための種々の処理を行うようになっている。特に、この後適合光学調整部５００は、高い開口率（例えば、１．２５）を有するレンズを用いて、空間分布を維持しながら各フェムトレーザビームを加工対象物Ｍの内部で小さく集光させるようになっている。また、この後適合光学調整部５００は、カルバルノスキャナなどの加工対象物Ｍの加工形状に基づいて各フェムトレーザビームを走査する走査手段を有している。

[集光スポットＳＰ間の距離差及びフェムトレーザビームの時間差（遅延時間）]
次に、図３〜図７の各図を用いて集光スポットＳＰ間の距離差及びフェムトレーザビームの時間差（遅延時間）について説明する。

なお、図３及び図４は、時間差及び距離差を与えた場合の加工箇所（集光スポットＳＰ）の位相変化を示す表及びグラフであり、図５は、本実施形態のレーザ加工システムＳにおける時間差の相違における加工箇所の位相変化と加工痕を示す図である。また、図６は、距離差を与えた場合の加工箇所の加工痕を示す図であり、図７は、距離差を与えた場合の加工箇所の位相変化を示す図である。

本実施形態のレーザ加工システムＳにおける第１位置と第２位置の距離差及び時間差としては、加工対象物Ｍに照射された際に（すなわち、加工対象物Ｍの所定の集光スポットＳＰに集光された際に）、レーザビーム同士の干渉をさけるために、第１フェムトレーザビームと遅延時間が生じている第２フェムトレーザビームのパルス全体が重ならない距離を確保する必要がある。すなわち、第１フェムトレーザビームと第２フェムトレーザビームが干渉すると、両レーザビームの光路差における波長以下の微少な相違によってそれぞれの光強度が変動して均一なビームを得ることができなくなる。このため、フェムトレーザビームのパルス幅以上の時間差を有するとともに、第１フェムトレーザビームと第２フェムトレーザビームのパルス全体が時間的に重ならないことが必要である。

また、レーザ励起プラズマは、第１フェムトレーザビームが照射された時刻から外側に向かって拡散するものの、一定の時間経過後に消滅するので、当該レーザ励起プラズマが消滅する前に当該レーザ励起プラズマが存在する位置に、第２フェムトレーザビームが照射される必要がある。ただし、この拡散時間及び拡散距離については、第１フェムトレーザビーム及び第２フェムトレーザビームの照射エネルギーに依存するとともに、照射エネルギーは、加工対象物Ｍの加工形状、加工範囲及び加工深度によって変化させる必要がある。

したがって、本実施形態のレーザ加工システムＳは、上記の各条件を考慮して第１フェムトレーザビームと第２フェムトレーザビームの距離及び時間差を設定する必要がある。

例えば、各フェムトレーザビームのパルスエネルギーがそれぞれ「３０ｎＪ〜８０ｎＪ」、距離差が０．１μｍ〜１．５μｍ、及び、時間差がレーザ光源１００から出力されたフェムトレーザビームのパルス幅の重なりが十分に小さい２倍程度（すなわち、半値全幅の２倍程度）で１００ｆｓ〜１００ｐｓ程度の範囲内において、単一のパルス照射（すなわち、第１フェムトレーザビームと第２フェムトレーザビーム）で加工する範囲、加工形状及び加工対象物Ｍの材質などに基づいて適宜選択されるようになっている。

ここで、距離差及び時間差における本実施形態のレーザ加工システムＳにおける実験結果を示す。

図３〜図５の各図に示すように、本実施形態のレーザ加工システムＳは、集光スポットＳＰ間の距離が１．０μｍであって、それぞれ５０ｎＪのフェムトレーザビームを２００ｆｓ〜１００ｐｓの時間差を与えて加工対象物Ｍ（カバーガラス）に対物レンズＮＡ１．２５及び倍率１００を用いて照射させた場合には、時間差が０．１ｐｓ〜１０ｐｓについてはほぼ一定の位相変化（−０．８４πｒａｄ〜−０．７８πｒａｄ）を有し、かつ、図４に示すような加工痕が形成されるので、適切に加工対象物Ｍに加工が実行されているといえる。

一方、１０ｐｓ以上の時間差においては加工箇所の位相変化が減少しているが、各フェムトレーザビームのパルスエネルギーを大きくすれば、プラズマ拡散範囲も変化するので、その場合には、１０ｐｓ以上の時間差があったとしても、十分な加工を行うことができるものと推定することができる。

また、図３、図４、図６及び図７に示すように、上述の実験結果において、時間差２００ｆｓと固定し、０．７μｍ〜１．５μｍの距離差を与えてそれぞれ５０ｎＪのフェムトレーザビームを照射させた場合には、距離差の増加に従って加工箇所の位相変化が悪化するものの、１．２μｍまでの距離差においては十分な位相変化（−１．２４πｒａｄ〜−０．７７πｒａｄ）があり、適切に加工を行うことができているといえる。

他方、１．５μｍにおける距離差においては、位相変化の値を悪く、加工痕については、ほぼ認識できないが、各フェムトレーザビームのパルスエネルギーや集光径を大きくすれば、プラズマ拡散範囲も変化するので、その場合には、１．５μｍの距離差があったとしても、十分な加工を行うことができるものと推定することができる。

[作用効果]
以上、本実施形態のレーザ加工システムＳは、２つのフェムトレーザビームによって加工効率を向上させることができるとともに、第１位置と第２位置の異なる位置に極超短パルスレーザ光を照射することによって広い加工範囲をも確保することができる。

したがって、本実施形態のレーザ加工システムＳは、高精度かつ高品質に微細加工を行うことができるというフェムトレーザビームを用いることによって得られる効果に加えて、加工効率を向上させること、及び、レーザ照射回数を少なくすることによって短時間で加工対象物Ｍの加工を実行可能にすること（スループットの向上）を両立させることができる。

[変形例]
次に、図８及び図９を用いて本実施形態のレーザ加工システムＳにおける変形例について説明する。なお、図８は、本実施形態の光遅延素子３００における変形例の構造を示す図であり、図９は、本実施形態の光遅延素子３００及び後適合光学調整部５００における変形例を示す図である。

本実施形態のレーザ加工システムＳは、前適合光学調整部２００から出力されたフェムトレーザビームの一部をガラスによって形成される光遅延素子３００に入光させているが、図８に示す形状を有するガラス基板から形成される光遅延素子３１０に前適合光学調整部２００から出力された全てのフェムトレーザビームを入力させ、その一部に遅延時間を与えるようにしてもよい。

具体的には、この光遅延素子３１０は、遅延時間に対応させた厚さを有する遅延用凸部３１２を有し、フェムトレーザビームの一部をこの遅延用凸部に入光するように形成されている。

また、本実施形態のレーザ加工システムＳにおいて、光遅延素子３００及びビーム分割素子４００によって加工対象物Ｍにおける集光スポットＳＰへの各フェムトレーザビームの集光制御（照射制御）を行っている点に変えて、図９に示すように、回折型または屈折型のマイクロレンズアレイからなり、各フェムトレーザビームを分岐集光する光遅延素子３２０と後適合光学調整部５１０とによって各フェムトレーザビームの集光制御を行ってもよい。

なお、通常、マイクロレンズアレイの１つのレンズの大きさは、数十μｍ以上であるので、１μｍ以下に隣接させてフェムトレーザビームを集光スポットＳＰに集光するためには、縮小光学系を有する後適合光学調整部５１０が必要になる。

また、本実施形態の光遅延素子３００は、前適合光学調整部２００とビーム分割素子４００の間に形成されているが、ビーム分割素子４００と後適合光学調整部５００の間に形成されていてもよい。

また、本実施形態のレーザ加工システムＳは、加工対象物Ｍに対して、観測用光源及び観測用検出器からなる観測用光学装置を設け、集光スポットＳＰにおけるレーザの状態及び加工の進捗状況を観測するようにしてもよい。この場合に、レーザ加工システムＳは、観測用光学装置の出力を、図示しない制御装置である制御用コンピュータにフィードバックして、ビーム分割素子４００の設定を調整するようにしてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、図１０〜図１２の各図を用いて本発明に係るレーザ加工システムＳの第２実施形態について説明する。

本実施形態は、第１実施形態における光遅延素子３００内を通過させることによって第２フェムトレーザビームに遅延時間を与える点に変えて、第２フェムトレーザビームの経路を第１フェムトレーザビームの経路より長くすることによって第２フェムトレーザビームに遅延時間を与える点に特徴がある。

なお、本実施形態は、上述の点を除き、その他の構成は第１実施形態と同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

[システム構成]
まず、図１０を用いて本実施形態のレーザ加工システムＳの構成について説明する。なお、図１０は、本実施形態におけるレーザ加工システムＳの構成を示すブロック図である。

本実施形態のレーザ加工システムＳは、図１０に示すように、レーザ光源１００と、前適合光学調整部２００と、レーザ光源１００から出力されたフェムトレーザビームを分割するビームスプリッタ６００と、第１フェムトレーザビームの経路を形成する第１経路形成部７００と、第２フェムトレーザビームの経路を形成する第２経路形成部８００と、後適合光学調整部５００と、を備えている。

なお、例えば、本実施形態のレーザ光源１００は、本発明のレーザ光出力手段を構成し、ビームスプリッタ６００及び第１経路形成部７００は、本発明のレーザ出力手段を構成する。また、例えば、本実施形態の第２経路形成部８００は、本発明のレーザ出力手段及び光遅延手段を構成し、後適合光学調整部５００は、本発明の照射制御手段を構成する。

ビームスプリッタ６００は、レーザ光源１００から出力されたフェムトレーザビームの一部（第１フェムトレーザビーム）を透過して第１経路形成部７００に出力するとともに、当該フェムトレーザビームの残りのビーム（第２フェムトレーザビーム）を反射させて第２経路形成部８００に出力するようになっている。また、このビームスプリッタ６００は、第１経路形成部７００によって反射された第１フェムトレーザビームを反射させて後適合光学調整部５００に出力するとともに、第２経路形成部８００によって反射された第２フェムトレーザビームを透過させて後適合光学調整部５００に出力するようになっている。

第１経路形成部７００は、ビームスプリッタ６００を透過した第１フェムトビームをビームスプリッタ６００に向けて反射させる第１反射ミラー装置７１０と、第１反射ミラー装置７１０とビームスプリッタ６００との間に形成されつつ、第１反射ミラー装置７１０によって反射された第１フェムトレーザビームのみ分割する第１ビーム分割素子４１０と、を有している。

第２経路形成部８００は、ビームスプリッタ６００によって反射された第２フェムトビームをビームスプリッタ６００に向けて反射させる第２反射ミラー装置８１０と、第２反射ミラー装置８１０とビームスプリッタ６００との間に形成されつつ、第２反射ミラー装置８１０によって反射された第２フェムトレーザビームのみ分割する第２ビーム分割素子４２０と、を有している。

特に、この第２反射ミラー装置８１０は、第２フェムトレーザビームに遅延時間を与えるために、図示しない制御装置によって第２フェムトレーザビームの経路の長短を変化させるための機構を有している。

[変形例]
次に、図１１及び図１２を用いて本実施形態のレーザ加工システムＳにおける変形例について説明する。なお、図１１は、本実施形態のレーザ加工システムＳにおける変形例（Ｉ）のシステムブロック図であり、図１２は、本実施形態のレーザ加工システムＳにおけるその他変形例（ＩＩ）のシステムブロック図である。

本実施形態のレーザ加工システムＳの第１変形例及び第２変形例は、図１１及び図１２に示すように、第１経路形成部７００及び第２経路形成部８００にレーザビームを反射させる第１反射ミラー装置７１０及び第２反射ミラー装置８１０に第１ビーム分割素子４１０または第２ビーム分割素子４２０が組み込まれている点に特徴がある。

第１変形例は、図１１に示すように、第１反射ミラー装置７１０及び第２反射ミラー装置８１０の一部に第１ビーム分割素子４１０または第２ビーム分割素子４２０がそれぞれ用いられており、各反射ミラー装置は、ビームスプリッタ６００から出力されたそれぞれのフェムトレーザビームをビーム分割素子４００に向けて反射させるミラーを備えている。

第２変形例は、図１２に示すように、第１反射ミラー装置７１０及び第２反射ミラー装置８１０が第１ビーム分割素子４１０または第２ビーム分割素子４２０から構成され、ビームスプリッタ６００から出力されたフェムトレーザビームをそれぞれ当該ビームスプリッタ６００に直接反射させるようになっている。

また、本実施形態のレーザ加工システムＳは、加工対象物Ｍに対して、観測用光源及び観測用検出器からなる観測用光学装置を設け、集光スポットＳＰにおけるレーザの状態及び加工の進捗状況を観測するようにしてもよい。この場合に、レーザ加工システムＳは、観測用光学装置の出力を、図示しない制御装置である制御用コンピュータにフィードバックして、第１ビーム分割素子４１０及び第２ビーム分割素子４２０または後適合光学調整部５００の設定を調整するようにしてもよい。

＜第３実施形態＞
次に、図１３を用いて本発明に係るレーザ加工システムＳの第２実施形態について説明する。

本実施形態は、第２実施形態において、第１フェムトレーザビーム及び第２フェムトレーザビームに時間差及び距離差を与えて加工対象物Ｍに照射する時空間ダブルパルス加工を実行する点に加えて、経路を切り換えることによって、レーザ光源１００から出力されたフェムトレーザビームによってのみ加工対象物Ｍに照射する通常加工を実行する構成を有する点に特徴がある。

なお、本実施形態は、上述の点を除き、その他の構成は第２実施形態（第１実施形態も含む）と同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

[システム構成]
まず、図１３を用いて本実施形態のレーザ加工システムＳの構成について説明する。なお、図１３は、本実施形態におけるレーザ加工システムＳの構成を示すブロック図である。

本実施形態のレーザ加工システムＳは、図１２に示すように、レーザ光源１００と、前適合光学調整部２００と、通常加工時にレーザ光源１００から出力されたフェムトレーザビームを分割し、かつ、時空間ダブルパルス加工時に第２フェムトレーザビームの分割を行う兼用ビーム分割素子４３０と、時空間ダブルパルス加工時に第１フェムトレーザビームの分割を行う専用ビーム分割素子４４０と、を備えている。

また、このレーザ加工システムＳは、通常加工時と時空間ダブルパルス加工時にフェムトレーザビームの経路を変更する複数の可倒式ビームスプリッタ９１０、９２０及び可倒式ミラー９３０、９４０と、第１フェムトレーザビーム専用の第１専用経路形成部７２０と、第２フェムトレーザビーム専用の第２専用経路形成部８２０と、を備えている。

なお、例えば、本実施形態のレーザ光源１００は、本発明のレーザ光出力手段を構成し、可倒式ビームスプリッタ９１０及び第１専用経路形成部７２０は、本発明のレーザ出力手段を構成する。また、例えば、本実施形態の第２専用経路形成部８２０は、本発明のレーザ出力手段及び光遅延手段を構成し、後適合光学調整部５００は、本発明の照射制御手段を構成する。

兼用ビーム分割素子４３０は、通常加工時に前適合光学調整部２００と後適合光学調整部５００との間に形成されつつ、時空間ダブルパルス加工時に第２専用経路形成部８２０から出力された第２フェムトレーザビームの経路上に形成される。そして、専用ビーム分割素子４４０は、何れの加工時であっても、分割したフェムトレーザビームを後適合光学調整部５００に出力するようになっている。

各可倒式ビームスプリッタ９１０、９２０及び各可倒式ミラー９３０、９４０は、通常加工時におけるフェムトレーザビームの経路に形成されており、前適合光学調整部２００と兼用ビーム分割素子４３０との間に当該前適合光学調整部２００から第１可倒式ビームスプリッタ９１０、第１可倒式ミラー９３０及び第２可倒式ミラー９４０の順でそれぞれ形成されている。また、第２可倒式ビームスプリッタ９２０は、兼用ビーム分割素子４３０と後適合光学調整部５００との間に形成されている。そして、各可倒式ビームスプリッタ９１０、９２０及び可倒式ミラー９３０、９４０は、通常加工時にレーザ光源１００から出力されたフェムトレーザビームに対して作用しないように可倒され、ダブルパルス加工時には、適宜フェムトレーザビームに対して透過または反射などの各種の作用を施すようになっている。

具体的には、第１可倒式ビームスプリッタ９１０は、ダブルパルス加工時にレーザ光源１００から出力されたフェムトレーザビームを第１フェムトレーザビームと第２フェムトレーザビームに分割し、第１フェムトレーザビームを反射させて第１専用経路形成部７２０に出力するとともに、第２フェムトレーザビーム透過して第１可倒式ミラー９３０に出力するようになっている。

第１可倒式ミラー９３０は、入光した第２フェムトレーザビームを反射させて第２専用経路形成部８２０に出力するようになっている。

第２可倒式ミラー９４０は、第２専用経路形成部８２０から出力された第２フェムトレーザビームが入光され、当該第２フェムトレーザビームを反射させて兼用ビーム分割素子４３０に出力するようになっている。

第２可倒式ビームスプリッタ９２０は、兼用ビーム分割素子４３０から出力された第２フェムトレーザビームを透過しつつ、第１専用経路形成部７２０から出力された第１フェムトレーザビームを反射させて後適合光学調整部５００に出力するようになっている。

第１専用経路形成部７２０は、入光された第１フェムトレーザビームを反射させつつ、第２可倒式ビームスプリッタ９２０に出力する第１反射ミラー装置７１０と、第１反射ミラー装置７１０と第２可倒式ビームスプリッタ９２０との間に形成されつつ、第１反射ミラー装置７１０によって反射された第１フェムトレーザビームのみ分割する専用ビーム分割素子４４０と、を有している。

第２専用経路形成部８２０は、ビームスプリッタ６００によって反射された第２フェムトビームをビームスプリッタ６００に向けて反射させる第２反射ミラー装置８１０を有している。特に、この第２専用経路反射ミラー装置は、第２フェムトレーザビームに遅延時間を与えるために、図示しない制御装置によって第２フェムトレーザビームの経路の長短を変化させるための機構を有している。

[変形例]
次に、本実施形態のレーザ加工システムＳにおける変形例について説明する。

本実施形態のレーザ加工システムＳは、加工対象物Ｍに対して、観測用光源及び観測用検出器からなる観測用光学装置を設け、集光スポットＳＰにおけるレーザの状態及び加工の進捗状況を観測するようにしてもよい。この場合に、レーザ加工システムＳは、観測用光学装置の出力を、図示しない制御装置である制御用コンピュータにフィードバックして、兼用ビーム分割素子４３０及び専用ビーム分割素子４４０または後適合光学調整部５００の設定を調整するようにしてもよい。

Ｓ … レーザ加工システム
Ｍ … 加工対象物
ＳＰ … 集光スポット
１００ … レーザ光源
２００ … 前適合光学調整部
３００、３１０、３２０ … 光遅延素子
４００ … ビーム分割素子
４１０ … 第１ビーム分割素子
４２０ … 第２ビーム分割素子
４３０ … 兼用ビーム分割素子
４４０ … 専用ビーム分割素子
５００ … 後適合光学調整部
６００ … ビームスプリッタ
７００ … 第１経路形成部
７１０ … 第１反射ミラー装置
８００ … 第２経路形成部
８１０ … 第２反射ミラー装置
９１０ … 第１可倒式ビームスプリッタ
９２０ … 第２可倒式ビームスプリッタ
９３０ … 第１可倒式ミラー
９４０ … 第２可倒式ミラー

Claims

極超短パルスレーザ光を加工対象物に照射し、当該極超短パルスレーザ光のエネルギーによって加工対象物に加工を行うレーザ加工装置であって、
所定のパルスを有する第１極超短パルスレーザ光及び第２極超短パルスレーザ光を出力するレーザ光出力手段と、
前記第２極超短パルスレーザ光に前記第１極超短パルスレーザ光に対する前記パルス幅以上の遅延時間を与える光遅延手段と、
前記第１極超短パルスレーザ及び前記第２極超短パルスレーザ光を前記加工対象物における異なる位置に照射させる照射制御手段と、
を備え、
前記照射制御手段が、
前記加工対象物の第１位置に多光子吸収過程によりレーザ励起プラズマを発生させるために前記第１極超短パルスレーザ光を照射させるとともに、前記発生したレーザ励起プラズマが前記第１位置から拡散して存在している領域内であって当該第１位置と異なる前記加工対象物上の第２位置に、前記第２極超短パルスレーザ光を照射させ、
前記第２位置が、前記第１位置から離隔した前記加工対象物上の位置であって、前記第１位置に照射された第１極超短パルスレーザと前記第２極超短パルスレーザが干渉しない位置であることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記照射制御手段が、同一の光学レンズによって、前記第１極超短パルスレーザ光及び前記第２極超短パルスレーザ光を前記加工対象物上の第１位置及び第２位置のそれぞれに照射させる、レーザ加工装置。
請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
前記光遅延手段が、前記第１極超短パルスレーザ光が非照射状態になったときに前記第２極超短パルスレーザ光が前記第２位置に照射されるように、前記第２極超短パルスレーザ光に所定の遅延時間を与えるレーザ加工装置。
請求項１乃至３の何れか一項に記載のレーザ加工装置において、
前記第１極超短パルスレーザ光を複数に分割するとともに、前記第２極超短パルスレーザ光を前記第１極超短パルスレーザ光の分割数と同じ数に分割する分割手段を更に備え、
前記照射制御手段が、前記分割された各第１極超短パルスレーザ光をそれぞれ該当する前記第１位置に照射させるとともに、前記分割された各第２極超短パルスレーザ光を当該第１位置に対応する第２位置にそれぞれ照射させる、レーザ加工装置。