JP5470629B2 - Fine spot forming method and fine spot forming apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、レーザー微細加工に有用な微小スポット形成方法および微小スポット形成装置に関する。 The present invention relates to a minute spot forming method and a minute spot forming apparatus useful for laser micromachining.
微小スポット形成のための有効な手段として超解像現象が利用される。この超解像現象は、光束の中心部分を不透明な遮蔽板により遮り、光強度の空間分布を変化させて回折限界より小さなスポットを得るものである。 A super-resolution phenomenon is used as an effective means for forming a minute spot. In this super-resolution phenomenon, the central portion of the light beam is shielded by an opaque shielding plate, and the spatial distribution of the light intensity is changed to obtain a spot smaller than the diffraction limit.
超解像現象を利用した微小スポット形成として、下記特許文献１の段落［００７６］〜［００７９］には、対物レンズの入射瞳の半径Ｒ０に対して中心を共有し、その半径ｒが０≦ｒ≦Ｒ０×α（α：０％，２０％，２５％，３０％）である円形領域Ｒ１の位相を、それ以外の領域よりもπだけ進ませる或いは遅らせるような位相シフトマスクを用いると、スポット径ｄを回折限界の８９％（ｒ＝Ｒ０×３０％のとき）にまで小さくすることが可能であることが開示されている。 As fine spot formation using the super-resolution phenomenon, paragraphs [0076] to [0079] of Patent Document 1 below share the center with respect to the radius R0 of the entrance pupil of the objective lens, and the radius r is 0 ≦ 0. When a phase shift mask that advances or delays the phase of the circular region R1 where r ≦ R0 × α (α: 0%, 20%, 25%, 30%) by π from other regions is used, It is disclosed that the spot diameter d can be reduced to 89% of the diffraction limit (when r = R0 × 30%).
しかし、特許文献１の段落［００７６］に記載されているように、サイドローブのピーク強度が５.０％以下となるときには、スポット径は回折限界のときの約９５％にしかならず、十分な超解像効果を得ることはできない。逆にいうと、超解像によりスポット径を縮小すると、中心のメインスポットのほかに、その周りにサイドローブと呼ばれる強度分布が顕著に現われるという問題がある（特許文献１ 段落００７８ 表２参照）。 However, as described in paragraph [0076] of Patent Document 1, when the side lobe peak intensity is 5.0% or less, the spot diameter is only about 95% at the diffraction limit, which is sufficiently high. The resolution effect cannot be obtained. In other words, when the spot diameter is reduced by super-resolution, there is a problem that in addition to the central main spot, an intensity distribution called a side lobe appears remarkably around it (see Patent Document 1, paragraph 0078, Table 2). .
本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、その目的は、
（１）回折限界を超える微小スポットを形成することができる微小スポット形成方法
（２）回折限界を超える微小スポットを形成することができる微小スポット形成装置
を提供することにある。
The present invention has been made to solve the above problems, and its purpose is to
(1) Microspot formation method capable of forming microspots exceeding diffraction limit (2) To provide a microspot formation apparatus capable of forming microspots exceeding diffraction limit.
本発明は、
「［１］パルス幅が１０ −９ 秒以下のパルスレーザービームを、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムを表示させた液晶空間変調器に通過させることにより、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換し、該レーザービームを対物レンズにより集光し、集光した該レーザービームを２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に照射して回折限界以下の微小スポットを形成することを特徴とする、回折限界以下の微小スポット形成方法。
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。
［２］２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することを特徴とする請求項１記載の、回折限界以下の微小スポット形成方法。
［３］パルス幅が１０ −９ 秒以下のパルスレーザービーム発振手段と、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、パルス幅が１０ −９ 秒以下のパルスレーザービームを、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換するために光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムを表示させた液晶空間変調器と、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームを集光する対物レンズとを備え、集光したレーザービームを２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に照射して回折限界以下の微小スポットを形成するものであることを特徴とする、回折限界以下の微小スポット形成装置。
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。
［４］２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することを特徴とする請求項３記載の、回折限界以下の微小スポット形成装置。」
に関する。
The present invention
“[1] A pulse laser beam with a pulse width of 10 −9 seconds or less is applied to a ring outside the circle of radius b centered on the optical axis and inside the circle of radius a (> b) centered on the optical axis. A far-field image is expressed by the following formula (1) by passing the band region through a liquid crystal spatial modulator displaying a computer generated hologram that gives a phase difference π to a region inside a circle of radius b centered on the optical axis. ) Is converted into a laser beam exhibiting the intensity distribution given in (3), the laser beam is condensed by an objective lens , and the focused laser beam is irradiated to a material having two-photon absorption characteristics or multi-photon absorption characteristics to limit diffraction. A method for forming a fine spot below the diffraction limit, wherein the following fine spot is formed.
Where a: radius of a circle centered on the optical axis (greater than b), b: radius of a circle centered on the optical axis, k: wave number, f: focal length of objective lens, r: distance from optical axis It is.
[2] The radius b is set larger within a range of 0.1 to 0.9 times the radius a as the gamma value of the material having the two-photon absorption characteristic or the multi-photon absorption characteristic is larger. A method for forming a micro spot below the diffraction limit .
[3] Pulse laser beam oscillating means having a pulse width of 10 −9 seconds or less and at least an outer side of a circle having a radius b centered on the optical axis and an inner side of a circle having a radius a (> b) centered on the optical axis In order to convert a pulse laser beam having a pulse width of 10 −9 seconds or less into a laser beam having an intensity distribution given by the following formula (1) with respect to the annular region, the optical axis is the center. a liquid crystal spatial modulator in the region inside the circle of radius b and displays a computer generated hologram for giving a phase difference [pi, Atsumarihikarisu Ru versus laser beam far field pattern exhibits an intensity distribution given by the following equation (1) An object lens and irradiating a focused laser beam onto a material having two-photon absorption characteristics or multi-photon absorption characteristics to form a microspot less than the diffraction limit. Micro spot Forming equipment.
Where a: radius of a circle centered on the optical axis (greater than b), b: radius of a circle centered on the optical axis, k: wave number, f: focal length of objective lens, r: distance from optical axis It is.
[4] The radius b is set larger within a range of 0.1 to 0.9 times the radius a as the gamma value of the material having the two-photon absorption characteristic or the multi-photon absorption characteristic is larger. , Microspot forming device below diffraction limit . "
About.
本発明の微小スポット形成方法によると、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に回折限界を超える微小スポットを形成することができる。具体的には回折限界のときのスポット径を100％としたときの60％−70％程度のスポット径の微小スポットを形成することができる。
本発明の微小スポット形成装置によると、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に回折限界を超える微小スポットを形成することができる。具体的には回折限界のときのスポット径を100％としたときの60％−70％程度のスポット径の微小スポットを形成することができる。
According to the method for forming a micro spot of the present invention, a micro spot exceeding the diffraction limit can be formed on a material having a two-photon absorption characteristic or a multi-photon absorption characteristic. Specifically, it is possible to form a fine spot having a spot diameter of about 60% -70% when the spot diameter at the diffraction limit is 100%.
According to the fine spot forming apparatus of the present invention, a fine spot exceeding the diffraction limit can be formed on a material having two-photon absorption characteristics or multiphoton absorption characteristics. Specifically, it is possible to form a fine spot having a spot diameter of about 60% -70% when the spot diameter at the diffraction limit is 100%.
本発明の微小スポット形成方法は、パルス幅が１０ −９ 秒以下のパルスレーザービームを、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムを表示させた液晶空間変調器に通過させることにより、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換し、該レーザービームを対物レンズにより２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に集光することを特徴とする。なお、「少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える」とは、「光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域の位相を、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域よりも、πだけ進ませる或いは遅らせる」という意味である。
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。なお、ａは、レーザービーム半径に相当する。
In the method for forming a micro spot according to the present invention, a pulse laser beam having a pulse width of 10 −9 seconds or less is at least outside a circle having a radius b centered on the optical axis and having a radius a (> b) centered on the optical axis. A far-field image is obtained by passing through a liquid crystal spatial modulator displaying a computer generated hologram that gives a phase difference π to a region inside a circle having a radius b centered on the optical axis with respect to the annular region inside the circle. Is converted into a laser beam exhibiting an intensity distribution given by the following formula (1), and the laser beam is condensed onto a material having a two-photon absorption characteristic or a multi-photon absorption characteristic by an objective lens. It should be noted that “at least an annular zone outside the circle of radius b centered on the optical axis and inside the circle of radius a (> b) centered on the optical axis has a radius b centered on the optical axis. “To give a phase difference π to the inner region of the circle” means that the phase of the inner region of the circle with the radius b centered on the optical axis is at least the outer side of the circle with the radius b centered on the optical axis and the optical axis. This means that it is advanced or delayed by π from the inner zone of the circle having the radius a (> b) centered at “.”
Where a: radius of a circle centered on the optical axis (greater than b), b: radius of a circle centered on the optical axis, k: wave number, f: focal length of objective lens, r: distance from optical axis It is. Here, a corresponds to the laser beam radius.
図１に、（ｐ）計算機ホログラムの概念図とその（ｑ）計算機ホログラムを示す。図１の（ｑ）計算機ホログラムの中心に存在する円領域は、（ｐ）計算機ホログラムの概念図における半径ｂの円に相当する。図１の（ｑ）計算機ホログラムは、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域の位相がπだけずれている。 FIG. 1 shows a conceptual diagram of (p) a computer generated hologram and (q) a computer generated hologram. The (q) circle region existing in the center of the computer generated hologram in FIG. In the (q) computer generated hologram of FIG. 1, the phase of the region inside the circle of radius b centered on the optical axis is shifted by π.
図１（ｑ）のように、パルス幅が１０ −９ 秒以下のパルスレーザービームの光軸を中心とする半径ｂの円の領域に位相差πを与えるよう空間変調器に計算機ホログラムを表示させれば、簡便に上記計算機ホログラムと実質的に同等な計算機ホログラムを作成することができるので好ましい。したがって、本発明において、光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラムは、パルス幅が１０ −９ 秒以下のパルスレーザービームから見て実質的に同等な計算機ホログラム、つまりパルス幅が１０ −９ 秒以下のパルスレーザービーム半径の円をオーバーラップできる大きさの計算機ホログラムであり、かつ光軸を中心とする半径ｂの円の領域に、他の領域に対して位相差πを与える計算機ホログラムを含むものである。 As shown in FIG. 1 (q), a computer generated hologram is displayed on the spatial modulator so as to give a phase difference π to a circular region having a radius b centered on the optical axis of a pulse laser beam having a pulse width of 10 −9 seconds or less. This is preferable because a computer generated hologram that is substantially equivalent to the computer generated hologram can be easily created. Therefore, in the present invention, the radius centered on the optical axis with respect to the annular region outside the circle of radius b centered on the optical axis and inside the circle of radius a (> b) centered on the optical axis. computer generated hologram in the region inside the b circle provides a phase difference π is substantially equivalent computer generated hologram pulse width when viewed from the pulsed laser beam 10 -9 seconds, i.e. the pulse width of less than 10 -9 seconds This is a computer generated hologram having a size capable of overlapping the circle of the pulse laser beam radius, and includes a computer hologram which gives a phase difference π to other regions in a region of a circle of radius b centered on the optical axis.
式（１）で与えられる強度分布を有する遠視野像（強度分布がベッセル関数となるため、以下、ベッセルモードと称する。）は、光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域と、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域のそれぞれから現れる遠視野像の振幅差で決まるため、メインローブはみかけ小さくなる。逆にサイドローブ（側波帯）は大きくなってしまうので、線形な系では所望の光学性能を得にくいが、非線形な光学系ではサイドローブの効果は大幅に軽減できる。したがって、本発明の微小スポット形成方法では、パルス幅が１０ −９ 秒以下のパルスレーザービームを上記計算機ホログラムが表示された液晶空間変調器に通過させることにより、遠視野像が式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービームに変換し、該レーザービームを対物レンズにより２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に集光するので、光吸収が光強度の２乗に比例して起こるためにピークパワーの弱いサイドローブは実効的に吸収に寄与せず、回折限界を超える微小スポットを形成することができる。なお、回折限界を超える微小スポットとは、回折限界以下の微小スポットとも言える。 A far-field image having an intensity distribution given by equation (1) (because the intensity distribution is a Bessel function, hereinafter referred to as a Bessel mode) is outside the circle of radius b centered on the optical axis and the optical axis is Since the main lobe is determined by the amplitude difference between the far-field image appearing from each of the annular zone region inside the circle with the radius a (> b) as the center and the inner region of the circle with the radius b around the optical axis. Apparently smaller. On the contrary, the side lobe (sideband) becomes large, so that it is difficult to obtain a desired optical performance in a linear system, but the effect of the side lobe can be greatly reduced in a nonlinear optical system. Therefore, in the method for forming a micro spot according to the present invention, a far-field image is expressed by Equation (1) by passing a pulse laser beam having a pulse width of 10 −9 seconds or less through a liquid crystal spatial modulator on which the above-mentioned computer generated hologram is displayed. The laser beam is converted into a laser beam having a given intensity distribution, and the laser beam is focused on a material having two-photon absorption characteristics or multi-photon absorption characteristics by an objective lens, so that light absorption occurs in proportion to the square of the light intensity. Therefore, the side lobe having a weak peak power does not contribute to the absorption effectively, and a minute spot exceeding the diffraction limit can be formed. A micro spot exceeding the diffraction limit can be said to be a micro spot below the diffraction limit.
一方、前記変換されたレーザービームを２光子吸収特性または多光子吸収特性を有しない材料に集光しても、サイドローブによって微小スポットの周辺部に熱的、化学的な損傷（変形、変質）を与えてしまうため、回折限界を超える微小スポットを形成することは困難である。 On the other hand, even if the converted laser beam is focused on a material that does not have two-photon absorption characteristics or multi-photon absorption characteristics, thermal and chemical damage (deformation and alteration) is caused on the periphery of the micro spot by the side lobe. Therefore, it is difficult to form a fine spot exceeding the diffraction limit.
光軸を中心とする半径ｂを調整すればベッセルモードの微小スポットの半径を任意に変えることが出来る。この場合、振幅の減算は位相差で行うことになるため、光エネルギーの損失もほとんどない。光軸を中心とする半径ｂがリングの外径の1/√2となる場合は特に遠視野像に光の届かない空孔ができる。図２の（ｐ）は、本発明の微小スポット形成方法によって位相変調（但し、ｂ＝0.3ａである）を施したレーザービームの遠視野像強度分布、つまりベッセルモード強度分布と、位相変調を施していないレーザービームの遠視野像強度分布、つまりガウスモード強度分布を示す。また、図２の（ｑ）は、ベッセルモードとガウスモードにおける強度の２乗分布、つまり、二光子吸収を介して記録される微小スポットを示す。
半径ｂは、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値に応じて変えることが好ましく、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値0.5−2に対し、半径ｂは、半径ａの0.1倍−0.9倍であることが好ましい。ガンマ値の大きい材料の場合、半径ｂを大きくすることが、形成する微小スポットの径を小さくするという点で好ましい。よって、２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することが好ましい。
By adjusting the radius b around the optical axis, the radius of the minute spot in the Bessel mode can be arbitrarily changed. In this case, since the amplitude is subtracted by the phase difference, there is almost no loss of light energy. When the radius b centered on the optical axis is 1 / √2 of the outer diameter of the ring, holes that do not reach the far-field image are formed. FIG. 2 (p) shows a far-field image intensity distribution of a laser beam subjected to phase modulation (where b = 0.3a) by the method for forming a micro spot of the present invention, that is, Bessel mode intensity distribution, and phase modulation. The far-field image intensity distribution of a laser beam not applied, that is, a Gaussian mode intensity distribution is shown. Further, (q) in FIG. 2 shows the square distribution of intensity in the Bessel mode and the Gaussian mode, that is, a minute spot recorded through two-photon absorption.
The radius b is preferably changed according to the gamma value of the material having the two-photon absorption characteristic or the multi-photon absorption characteristic, and the radius b is smaller than the gamma value 0.5-2 of the material having the two-photon absorption characteristic or the multi-photon absorption characteristic. Is preferably 0.1 to 0.9 times the radius a. In the case of a material having a large gamma value, it is preferable to increase the radius b from the viewpoint of reducing the diameter of the minute spot to be formed. Therefore, it is preferable to set the radius b larger within a range of 0.1 times to 0.9 times the radius a as the gamma value of the material having the two-photon absorption characteristic or the multi-photon absorption characteristic is larger.
本発明の微小スポット形成方法において、パルスレーザービームは、パルス幅が10-9秒以下のパルスレーザービームであり、特にフェムト秒（ｆｓ）パルスレーザービームが好ましい。パルスレーザービームの波長は、700−1070nmであることが好ましい。液晶空間変調器に通過させる前のパルスレーザービームのエネルギー密度は、0.1ｍＷ／ｃｍ２−10Ｗ／ｃｍ２であることが好ましい。
また、対物レンズの焦点距離は、ＮＡ＞0.4であることが好ましい。
In the micro spot-forming method of the present invention, the pulse laser beam has a pulse width is 10 -9 seconds or less pulse laser beam, in particular a femtosecond (fs) pulse laser beam is preferable. Wavelength of pulse laser beam is preferably 700-1070Nm. The energy density of the previous pulse laser beam passing through a liquid crystal spatial light modulator is preferably 0.1mW / cm 2 -10W / cm 2 .
The focal length of the objective lens is preferably NA> 0.4.
２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料としては、紫外線硬化型樹脂が例示される。例えば、紫外線硬化型ＰＭＭＡ樹脂、紫外線硬化型エポキシ樹脂、紫外線硬化型ポリウレタン樹脂の中に見出すことができる。 Examples of the material having the two-photon absorption characteristic or the multi-photon absorption characteristic include an ultraviolet curable resin. For example, it can be found in ultraviolet curable PMMA resins, ultraviolet curable epoxy resins, and ultraviolet curable polyurethane resins.
本発明の微小スポット形成方法および微小スポット形成装置は、回折限界のときのスポット径を100％としたときの60％−70％程度のスポット径の微小スポットを形成することができる。 The minute spot forming method and minute spot forming apparatus of the present invention can form minute spots having a spot diameter of about 60% -70% when the spot diameter at the diffraction limit is 100%.
本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置の実施形態を、図３、図４、図５に基づいて説明する。図３は、本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置の光学系の模式図である。図４の（ｐ）はガウスモード、図４の（ｑ）はベッセルモードである。図５の（ｐ）はガウスモードにより形成した複数の微小スポットの顕微鏡写真（倍率：100倍）、図５の（ｑ）はベッセルモードにより形成した複数の微小スポットの顕微鏡写真（倍率：100倍）である。 Embodiments of a minute spot forming method and a minute spot forming apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 5. FIG. 3 is a schematic diagram of an optical system of the method for forming a micro spot and the apparatus for forming a micro spot according to the present invention. (P) in FIG. 4 is a Gaussian mode, and (q) in FIG. 4 is a Bessel mode. (P) in FIG. 5 is a micrograph of a plurality of microspots formed in the Gaussian mode (magnification: 100 times), and (q) in FIG. 5 is a micrograph of a plurality of microspots formed in the Bessel mode (magnification: 100 times). ).
本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置をより２光子吸収材料に微小スポットを記録した。使用した２光子吸収材料(ＪＳＲ製紫外線硬化型エポキシ系樹脂SCR701、ガンマ値は1から2の間である)の吸収波長のカットオフが400nm近辺にあるため、光源には再生増幅器付きのチタンサファイアフェムト秒レーザーを用いた。光源波長は780nm、繰返し周波数1kHz、パルス幅150fsである。レーザーのスペクトル線幅は〜6nmであり、計算機ホログラムによる波長分散は無視できる。
液晶空間変調器４に、少なくとも光軸を中心とする半径ｂの円の外側かつ光軸を中心とする半径ａ（＞ｂ）の円の内側の輪帯領域に対して、光軸を中心とする半径ｂの円の内側の領域に位相差πを与える計算機ホログラム３をコンピュータ２により表示させた。
上記光源から発振された超短パルスレーザービーム１を、前記液晶空間変調器４に通過させ、遠視野像が下記式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービーム５に変換し、該レーザービーム５を２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料に対物レンズ１０(ミツトヨ NA0.4)により集光した。
但し、ａ：レーザービーム半径〜2ｃｍ，ｂ：〜1.4ｃｍ（半径ａに対しての割合は0.7である），ｋ：波数2×3.14/800nm，ｆ：対物レンズの焦点距離（NA〜0.4）である。
液晶空間変調器４は、透過型液晶空間変調器 (Holoeye LC2002)を用いた。波面制御されたレーザービーム５は、集光レンズ６、空間フィルター７、コリメートレンズ８、ミラー９を通り、半波長板（図示せず）と偏光ビームスプリッター（図示せず）を用いてパルスエネルギーが1μJ（ピークパワーに換算して〜0.7MW）になるように減光されたのち、対物レンズ１０(ミツトヨ 開口数NA0.4)でスキャニングステージ（図示せず）に固定されている２光子吸収材料１１に集光されている。また、孤立した微小スポットを記録できるように、ステージを１次元走査した。このほか、液晶空間変調器４を使用しないで、ガウスモードを用いて微小スポットを記録した。
The micro spot formation method and the micro spot formation apparatus of the present invention recorded a micro spot on the two-photon absorption material. The two-photon absorption material used (JSR UV curable epoxy resin SCR701, gamma value is between 1 and 2) has an absorption wavelength cutoff around 400 nm, so the light source is titanium sapphire with a regenerative amplifier. A femtosecond laser was used. The light source wavelength is 780 nm, the repetition frequency is 1 kHz, and the pulse width is 150 fs. The spectral line width of the laser is ˜6 nm, and the wavelength dispersion due to the computer generated hologram can be ignored.
The liquid crystal spatial modulator 4 is centered on the optical axis with respect to the annular region at least outside the circle of radius b centered on the optical axis and inside the circle of radius a (> b) centered on the optical axis. The computer generated hologram 3 that gives the phase difference π to the inner region of the circle with the radius b is displayed by the computer 2.
The ultrashort pulse laser beam 1 oscillated from the light source is passed through the liquid crystal spatial modulator 4 to convert the far-field image into a laser beam 5 exhibiting an intensity distribution given by the following formula (1). 5 was condensed by a objective lens 10 (Mitutoyo NA0.4) on a material having a two-photon absorption characteristic or a multiphoton absorption characteristic.
Where a: laser beam radius ~ 2 cm, b: ~ 1.4 cm (ratio to radius a is 0.7), k: wave number 2 × 3.14 / 800 nm, f: focal length of objective lens (NA ~ 0.4) It is.
As the liquid crystal spatial modulator 4, a transmissive liquid crystal spatial modulator (Holoeye LC2002) was used. The wavefront-controlled laser beam 5 passes through a condenser lens 6, a spatial filter 7, a collimating lens 8, and a mirror 9, and has a pulse energy using a half-wave plate (not shown) and a polarization beam splitter (not shown). A two-photon absorption material that is fixed to a scanning stage (not shown) with an objective lens 10 (Mitutoyo numerical aperture NA0.4) after being attenuated to 1μJ (~ 0.7MW in terms of peak power) 11 is condensed. In addition, the stage was scanned one-dimensionally so that an isolated minute spot could be recorded. In addition, a fine spot was recorded using the Gaussian mode without using the liquid crystal spatial modulator 4.
微小スポットの径は、回折限界のときのスポット径を100％としたときの70％程度であり、２μｍであった。
発生させたガウスモードとベッセルモードを、図４の（ｐ）、（ｑ）にそれぞれ示す。
記録した微小スポット１２を、対物レンズ１３、レンズ１４、CCDカメラ１５、モニター１６からなる顕微鏡(対物×100倍)で観測した。その観測写真を図５に示す。ベッセルモードを用いた場合の微小スポットは、ガウスビームを用いた場合の微小スポットに比べ、小さいことが確認できる。また、サイドローブによる２光子吸収材料の損傷は、確認されなかった。
また、数値シミュレーションを実施した結果、面積比で回折限界の〜0.6倍の点像が記録可能になることがわかった。なお、「〜」は二アリーイコールの意である。
The diameter of the minute spot was about 70% when the spot diameter at the diffraction limit was 100%, and was 2 μm.
The generated Gaussian mode and Bessel mode are shown in FIG. 4 (p) and (q), respectively.
The recorded minute spot 12 was observed with a microscope (object × 100 magnification) comprising an objective lens 13, a lens 14, a CCD camera 15, and a monitor 16. The observation photograph is shown in FIG. It can be confirmed that the minute spot when the Bessel mode is used is smaller than the minute spot when the Gaussian beam is used. Moreover, the damage of the two-photon absorption material by a side lobe was not confirmed.
Further, as a result of the numerical simulation, it was found that a point image having an area ratio of ˜0.6 times the diffraction limit can be recorded. “˜” means two equals.
本発明の微小スポット形成方法、微小スポット形成装置は、情報記録媒体、三次元光造形、光リソグラフィーやレーザー走査型非線形顕微鏡に有用である。 The fine spot forming method and fine spot forming apparatus of the present invention are useful for information recording media, three-dimensional stereolithography, optical lithography, and laser scanning nonlinear microscopes.
１ 超短パルスレーザービーム
２ コンピュータ
３ 計算機ホログラム
４ 液晶空間変調器
５ 遠視野像が式（１）で与えられる強度分布を呈するレーザービーム
６ 集光レンズ
７ 空間フィルター
８ コリメートレンズ
９ ミラー
１０ 対物レンズ
１１ ２光子吸収材料
１２ 微小スポット
１３ 対物レンズ
１４ レンズ
１５ CCDカメラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrashort pulse laser beam 2 Computer 3 Computer generated hologram 4 Liquid crystal spatial modulator 5 Laser beam 6 whose far-field image exhibits intensity distribution given by Formula (1) 6 Condensing lens 7 Spatial filter 8 Collimating lens 9 Mirror 10 Objective lens 11 Two-photon absorption material 12 Small spot 13 Objective lens 14 Lens 15 CCD camera
Claims (2)
２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することを特徴とする、回折限界以下の微小スポット形成方法。
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。 A pulse laser beam having a pulse width of 10 −9 seconds or less is applied to at least an annular region outside the circle of radius b centered on the optical axis and inside the circle of radius a (> b) centered on the optical axis. The far field image is given by the following formula (1) by passing it through a liquid crystal spatial modulator displaying a computer generated hologram that gives a phase difference π to a region inside a circle of radius b centered on the optical axis. Converted into a laser beam exhibiting an intensity distribution, condensing the laser beam with an objective lens, irradiating the condensed laser beam to a material having two-photon absorption characteristics or multi-photon absorption characteristics, and a fine spot below the diffraction limit characterized by forming a
Formation of minute spots below the diffraction limit, characterized in that the larger the gamma value of a material having two-photon absorption characteristics or multi-photon absorption characteristics, the larger the radius b is set within a range of 0.1 to 0.9 times the radius a. Way .
Where a: radius of a circle centered on the optical axis (greater than b), b: radius of a circle centered on the optical axis, k: wave number, f: focal length of objective lens, r: distance from optical axis It is.
２光子吸収特性または多光子吸収特性を有する材料のガンマ値が大きいほど、半径ｂを半径ａの0.1倍−0.9倍の範囲内で大きく設定することを特徴とする、回折限界以下の微小スポット形成装置。
但し、ａ：光軸を中心とする円の半径（ｂより大），ｂ：光軸を中心とする円の半径，ｋ：波数，ｆ：対物レンズの焦点距離，ｒ：光軸からの距離である。 A pulse laser beam oscillation means having a pulse width of 10 −9 seconds or less, and at least an annular region outside the circle of radius b centered on the optical axis and inside the circle of radius a (> b) centered on the optical axis On the other hand, in order to convert a pulse laser beam having a pulse width of 10 −9 seconds or less into a laser beam whose far-field image exhibits an intensity distribution given by the following formula (1), A liquid crystal spatial modulator that displays a computer generated hologram that gives a phase difference π to a region inside the circle, and an objective lens that focuses a laser beam whose far-field image exhibits an intensity distribution given by the following equation (1) , Characterized by irradiating a focused laser beam onto a material having two-photon absorption characteristics or multi-photon absorption characteristics to form a minute spot below the diffraction limit ,
Formation of minute spots below the diffraction limit, characterized in that the larger the gamma value of a material having two-photon absorption characteristics or multi-photon absorption characteristics, the larger the radius b is set within a range of 0.1 to 0.9 times the radius a. Equipment .
Where a: radius of a circle centered on the optical axis (greater than b), b: radius of a circle centered on the optical axis, k: wave number, f: focal length of objective lens, r: distance from optical axis It is.
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