JP6621614B2 - 間欠周期構造作成装置および間欠周期構造作成方法 - Google Patents
間欠周期構造作成装置および間欠周期構造作成方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、間欠周期構造作成装置および間欠周期構造作成方法に関するものである。
加工対象物に一軸のパルスレーザをオーラップさせながら照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法が知られており、その作成装置が提案されている(特許文献１、非特許文献1)。
潤滑剤下で相対的に摺動する片方の部材に間欠周期構造を形成すると、摩擦低減や流体潤滑領域の拡大など、機械的な摺動特性を改善できることが知られている(特許文献２)。また、摺動面周縁に連通して摺動面周縁から潤滑剤の摺動面内方への導入を可能にする周期構造と、周期構造との境界部において摺動方向に圧力勾配を生じさせるレーザ照射しない領域とが、摺動方向に沿って交互に形成されたものも提案されている（特許文献３）。この場合、周期構造の凸部の高さを未加工面の高さよりも低く設定するとともに、前記未加工面の形状を周期構造が連通する摺動面周縁全体からの潤滑剤の引き込みを可能とする鋸刃形状の間欠周期構造は、高負荷容量かつ相手攻撃性を緩和できるようにしている。
「フェムト秒レーザで形成する表面周期構造」（Laser Focus World，２００６年１０月）
図１０に従来の周期構造の作成装置を示す。この作成装置（レーザ表面加工装置）は、レーザ発生器（パルスレーザ光源）１１と光学系１０とを備えている。この作成装置では、レーザ発生器１１は、ミラー１２により加工材料Ｗに向けて折り返され、メカニカルシャッタ１３に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ１３を開放し、レーザ照射強度は１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１６によって調整可能とし、１／２波長板１５によって偏光方向を調整し、集光レンズ１７によって、ＸＹθステージ１９上の加工対象物Ｗ表面に集光照射することになる。
すなわち、レーザ発生器１１で発振した直線偏光レーザを１／２波長板１５に透過させ、１／２波長板１５の回転角度によってレーザの偏光方向を決定する。周期構造の凹凸溝はレーザの偏光方向に直交して形成されるため、例えば、摺動部品であれば、その相対的な動きの方向に対して、油膜などの流体力学的な作用が低摩擦特性に最適となる方向に凹凸溝が形成されるような偏光角度に固定する。集光レンズ１７は、レーザ照射スポットの大きさを定めてフルエンスを調整するものである。主走査であるθ軸方向にレーザ照射スポットが一定量でオーバーラップするように、主走査ステージを一定速度で回転することで、レーザビームの相対的な走査を行って周期構造を作成していた。周期構造の間欠化はレーザ照射しない領域をあらかじめプログラムで設定しておき、当該箇所はメカニカルシ
ャッタ１３を用いてレーザビームを遮光していた。
ャッタ１３を用いてレーザビームを遮光していた。
前記した主走査で作成した周期構造の帯幅(径方向の幅)はレーザ照射スポット径を超えることはない。レーザ照射スポット径よりも大きな形成幅の周期構造を作成したい場合は、レーザ照射スポットを、その１つ前のパルスによるレーザ照射スポット上に含まれるようにオーバーラップさせながら主走査を行って一周目の周期構造の帯を形成した後に、径方向にレーザ照射スポットを移動させて(副走査を行い)、周速度が同じになるように回転速度を制御しながら主走査を行うことで、必要な形成幅に周期構造を拡張していた。
前記定周速度により、ステージの回転速度は加工位置の径長に反比例する。外周にいけばいくほどゆっくり回せばよいのでモータの定格速度に対する余力は増すが、加工対象物が大きくなることで慣性モーメン卜も大きくなる。一般に、加工対象物を搭載した慣性モーメントの大きい回転ステージを、レーザの間欠照射に同期して高速かつ無振動で駆動制御することは極めて困難であるため、ワーク側を駆動方式では回転ステージを一定速度でしか動かせなかった。すなわち、レーザ照射しない箇所も周期構造形成と同じ速度で空送りする必要があるため加工時間の口スが大きな問題であった。
周期構造の作成技術は加工対象物に方向性を持たせた微細な凹凸溝を形成することで、表面機能を付与する改質技術であるが、レーザ集光スポットを一方向にオーバーラップ走査した軌跡をもって、パターニングを行うために、作成時間の短縮が重要な課題であった。
本発明は、上記の課題に鑑みて、パターニングの自由度を損なうことなく、周期構造の作成時間の短縮化を図ることができ、生産性に優れた間欠周期構造の作成方法および作成装置を提供する。
本発明の第１の間欠周期構造の作成方法は、一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法であって、レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記追従制御は、前記パルスレーザの発振周期と同等以上の応答速度で行うものである。
本発明によれば、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、ガルバノスキャナによるレーザ走査位置の極座標上の偏角に応じて、パルスレーザの発振周期と同等以上の応答速度で追従制御を行うことで、加工に伴う加工対象物の機械的な動作を排除することができる。
本発明の第２の間欠周期構造の作成方法は、一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法であって、レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記周期構造は同心円状とし、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角と一致するように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させるである。
本発明の第３の間欠周期構造の作成方法は、一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法であって、
レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記周期構造は放射状とし、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角に対して、π/２（ｒａｄ）の傾きを保つように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させるものである。
レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記周期構造は放射状とし、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角に対して、π/２（ｒａｄ）の傾きを保つように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させるものである。
本発明の第４の間欠周期構造の作成方法は、一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法であって、レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記周期構造はスパイラル状とし、周期構造の斜度をａ（ｒａｄ）としたとき、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角に対して、（ａ+π/２）（ｒａｄ）の傾きを保つように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させるものである。
前記偏光回転素子を、液晶可変リターダ、ポッケルスセル、又はファラデーローテータのいずれかで構成することができる。液晶可変リターダは、電圧印加により複屈折を連続的に可変することができる素子である。ポッケルスセルは、結晶に電界を印加することにより結晶の屈折率や異方性が変化するというＥＯ効果（electro optic：電気光学効果）を利用した光学素子である。このポッケルスセルに印加される電界を制御することにより、それを透過する光の偏光面を所望の角度だけ回転させることができる。また、ファラデーローテータは、磁界の強さによって偏光面が回転するファラデー効果を利用した光学素子である。コイルに流す電流で磁界の強さを制御することにより、旋光角度を連続的に可変することができる。
本発明では、加工に伴う加工対象物の機械的な動作を排除できる。これにより、レーザ照射しない間欠周期構造領域の空送り箇所のポジショニングが従来方法より格段に速くなる。このため、従来の作成方法に比べて作成時間を短縮することができ生産性に優れたものとなる。しかも、テクスチャのパタ一ニング自由度を損なうことはない。
以下本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。図１は本発明に係る間欠周期構造の作成装置を示し、作成装置は、ワーク（加工材料）Ｗの摺動面に、流体導入溝付き鋸刃スパイラルパターンとなる間欠周期構造を作成することができる。この場合、摺動面４１ａにグレーティング状凹凸の周期構造が形成されている周期構造形成部４３と、周期構造が形成されない周期構造未形成部４８とが設けられる。すなわち、加工材料Ｗの摺動面４１ａに、複数の前記周期構造形成部４３を有するリング状の周期構造集合部４７と、内径側のリング部４９と周方向に沿って所定ピッチで配設される複数の周期構造未形成部４８とからなる周期構造未形成集合部４４とが形成される。この場合、周期構造未形成部４８は鋸刃形状としている。すなわち、周期構造未形成部４８は、直線状の底辺４８ａと円弧状の斜辺４８ｂとを備えた複数個の扇形状体からなる。
周期構造形成部４３の周期構造は図３の電子顕微鏡写真に示すように、微小の凹部４５と微小の凸部４６とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。パルスレーザ光源に中心波長８００ｎｍ，パルス幅１２０ｆｓ，繰返し周波数１ｋＨｚ，パルスエネルギー０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅのチタンサファイアフェムト秒レーザを使用したときの、炭化ケイ素に形成した周期構造のピッチは８００ｎｍ程度であり周期構造の深さは２５０ｎｍ程度である。また、図３における周期構造は矢印で示す直線偏光によるものである。周期構造は常に直線偏光に直交して形成される。
周期構造形成部４３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とし、凹部５の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。この場合、周期構造形成部４３の凹部４５は、ワークＷの外周縁（摺動面周縁）４１ｂに連通（開口）し、ワークＷの内周縁４１ｃには開口していない。また、周期構造未形成部４８の中心角αを例えば、１９ｄｅｇとし、隣合う周期構造未形成部４８間の間隔の中心角βを例えば、２６ｄｅｇとしている。また、周期構造未形成部４８の底辺４８ａと斜辺４８ｂとのコーナ部４８ｃは、ワークＷの外周縁よりも内径寄りに配置されている。周期構造形成部４３の凹部５はスパイラル状に湾曲し、その湾曲方向が未形成部４８の斜辺４８ｂの湾曲方向に合わされている。
また、この場合、周期構造形成部４３の摺動方向上流側に流体導入溝３０が設けられている。すなわち、流体導入溝３０は、未形成部４８の円弧状の斜辺４８ｂに沿って形成される円弧状の凹溝であって、加工対象物Ｗの外周縁４１ｂに開口し、加工対象物の内周縁１ｃには開口しない。
流体導入溝３０の深さ寸法ｄとしては、周期構造形成部４３の凹部深さＴ１の３倍以上１００倍以下としている。例えば、流体導入溝３０の幅寸法Ｗ１を０．６ｍｍ程度、流体導入溝３０の深さ寸法ｄを３μｍ程度としている。また、流体導入溝３０の深さ寸法ｄとしては、周期構造形成部４３の凸部高さ位置Ａと未形成部４８の高さ位置Ｂとの高低差Ｔの３倍以上１００倍以下であってもよい。この場合、凹部深さＴ１と高低差Ｔとは、同一であっても、Ｔ１＞Ｔであっても、Ｔ１＜Ｔであってもよい。
ところで、このように摺動面４１ａに周期構造形成部４３が形成された加工対象物Ｗに対して、他の部材７０の摺動面２ａが、潤滑剤を介して重ね合わせた状態で、相対的に摺動するものである。この流体導入溝３０を設けることによって、高速・低荷重時において流体導入溝３０による動圧が効率的に発生する。なお、流体導入溝３０がない場合、周期構造の摺動方向上流側に負圧領域が発生する場合があるが、流体導入溝３０を設けることで負圧領域が消滅し、負荷容量を大幅に増加することができる。このため、流体導入溝３０を設けることによって、優れた流体・混合潤滑特性を備えることになる。
すなわち、流体導入溝３０は高速時や低荷重時に動圧が効率的に発生する流体導入溝であり、周期構造部の摺動方向上流側に負圧領域が発生した場合のキャビテーション低減を目的としたものである。
前記流体導入溝３０の深さとしては、前記したように、周期構造形成部４３の凹部深さＴ１の３倍以上１００倍以下とするのが好ましい。溝深さが油膜厚さと同程度のとき負荷容量が最大となるため、周期構造形成部４３による負荷容量は油膜厚さがミクロンオーダになると急激に低下する。このときポンピング効果を有する流体導入溝３０の深さをこのように設定することによって、油膜厚さがミクロンオーダになった場合でも、油膜保持に十分な負荷容量を得ることができる。流体導入溝３０の深さが周期構造形成部４３の凹部深さの３倍未満では、高速・低荷重時の摩擦係数低減効果が小さくなり、負圧領域の解消にも支障がでる。また、流体導入溝３０の深さが周期構造形成部４３の凹部深さの１００
倍を越えると、ミクロンオーダの油膜厚さで負荷容量がほとんど得られなくなる。このため、流体導入溝３０の深さを前記した深さに設定すれば、高速・低荷重時の摩擦係数を低減でき、しかも、ミクロンオーダの油膜厚さで負荷容量を得ることができる。
倍を越えると、ミクロンオーダの油膜厚さで負荷容量がほとんど得られなくなる。このため、流体導入溝３０の深さを前記した深さに設定すれば、高速・低荷重時の摩擦係数を低減でき、しかも、ミクロンオーダの油膜厚さで負荷容量を得ることができる。
図１に示す間欠周期構造の作成装置は、パルスレーザ光源５１と、スキャナミラー５７を有するＹ軸ガルバノスキャナ５６と、スキャナミラー５９を有するＸ軸ガルバノスキャナ５８と、ｆθレンズ６０とを備える。パルスレーザ光源５１とＹ軸ガルバノスキャナ５６との間に、ビームエキスパンダ５２と、ミラー５３と、偏光回転素子５４と、１／４波長板５５とが介在されている。
また、偏光回転素子５４には、偏光回転素子駆動手段である偏光回転素子駆動回路６５が接続され、Ｙ軸ガルバノスキャナ５６及びＸ軸ガルバノスキャナ５８には、偏光制御手段である偏光制御回路６６及び間欠制御手段である間欠制御回路６７が接続されている。
ところで、微細な形状寸法の周期構造をシャープに形成するためには、加工時の熱影響が小さいことが望ましい。このため、レーザ光源５１のパルス幅は、ピコ秒又はフェムト秒オーダの超短パルスが好ましい。この実施形態のパルスレーザ光源５１には、フェムト秒レーザ光源（例えば、パルス幅：１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギー：０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅのレーザを発生することが可能な光源）を使用した。そして、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。
カルバノスキャナ５６、５８はモータ回転軸の先端に取り付けたスキャナミラー（軽量ミラー）５７、５９を用いて、レーザ光を高速かつ高精度に走査する偏向装置である。なお、カルバノスキャナ５６、５８にはアナログタイプとデジタルタイプのものがあるが、本発明においては、いずれのタイプも用いることができる。
カルバノスキャナ５６、５８を用いて、あらかじめ作成したベクトルデータに基づいてレーザ走査する位置を偏向制御するとともに、間欠制御回路６７により所定位置にだけレーザ照射するようにパルスレーザ光源５１に内蔵するポッケルスセルの切り出し信号を制御して間欠周期構造を作成した。ポッケルスセルはリン酸二重水素化カリウムＫＤＰなどの電気光学結品で構成した変調素子である。
カルバノスキャナ５６はＹ軸の位置を偏向し、カルバノスキャナ５８はＸ軸の位置を偏向する。図１は加工対象物Ｗの加工対象面が平坦な場合の２次元走査の形態である。なお、加工対象面が立体である場合はＺ軸用のスキャナを追加配置して３次元走査の形態をとることができる。このため、本願発明においては、カルバノスキャナ５６、５８として、２次元ないし３次元のものを用いることができる。
ｆθレンズ６０はスキャナの回転角とビームの偏向の関係が線形になるように設計した多群の組合せレンズである。焦点距離は４０ｍｍから４００ｍｍが望ましい。図１では焦点距離１６０ｍｍのレンズを用いた。このときのビームの集光径は３０μｍであった。また、加工対象物は外径５０ｍｍの円盤形状の炭化ケイ素からなる。ビームエキスパンダ５２は、スキャナ用ミラー５７、５８のアパーチャに適した大きさにレーザのビーム径を調整するために使用した。ミラー５３は偏光回転素子への入射レーザの光軸を調整するためのものである。
偏光回転素子５４は電圧印加により複屈折を連続的に可変することができる液晶可変リターダである。液晶素子はホモジニアス型である。ホモジニアス型液品素子はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：酸化インジウム錫）電極への印加電圧に応じて液品分
子の長軸が電極に対して垂直に立ち上がって配向するため、複屈折が減少してリターダンスが低下する。図４のように、偏光回転素子５４は入射するレーザの偏光に対してπ／４傾けて配置しておく。偏光回転素子５４のリターダンスによって通過後のレーザは一般に楕円偏光となる。また、あらかじめ１／４波長板５５は入射するレーザの偏光に対してＳＬＯＷ軸を一致させて配置しておく。これにより楕円偏光が１／４波長板５５を通過することで元の直線偏光に戻る。
子の長軸が電極に対して垂直に立ち上がって配向するため、複屈折が減少してリターダンスが低下する。図４のように、偏光回転素子５４は入射するレーザの偏光に対してπ／４傾けて配置しておく。偏光回転素子５４のリターダンスによって通過後のレーザは一般に楕円偏光となる。また、あらかじめ１／４波長板５５は入射するレーザの偏光に対してＳＬＯＷ軸を一致させて配置しておく。これにより楕円偏光が１／４波長板５５を通過することで元の直線偏光に戻る。
偏光回転素子５４によるリターダンスをδとすると直線偏光の回転量θはθ=δ／２となる。印加電圧に対するリターダンスの変化を図５に示す。リターダンスの変化量は印加電圧１Ｖから４Ｖで使用レーザ波長の１波長分の２π(ｒａｄ)である。よって直線偏光の回転量θはπである。周期構造の方向性付与にはπの直線偏光の回転量があればよい。直線偏光の回転量θの分解能を１度として、図５を元に直線偏光の回転量がθ＝０からπまでの１８０点の印加電圧とリターダンスの校正テーブルを偏光回転素子駆動回路６５に記憶させた。
図６に間欠周期構造からなる流体導入溝付き鋸刃スパイラルパーンを有する摺動面を形成するための偏光角度と偏角θとリターダンスδの関係を示す。偏光回転素子５４に入射するレーザの偏光はπ／2とした。鋸刃スパイラルの斜度ａ=−π/4のとき、偏角θ＝０の出射偏光をπ／４に回転させるためのリターダンスはδ=(θ-ａ+π/2)×-2で求められる。直交座標系でティーチングするガルバノスキャナによるレーザ走査の現在位置(ｘ，ｙ)から偏角θ=ｔａｎ-1（ｙ／ｘ）を偏光制御回路６６で求めてリターダンスを追従制御させた。
図７にレーザ照射の１ｓｈｏｔ目と１００ｓｈｏｔ目と２００ｓｈｏｔ目とのそれぞれの偏角と偏光角度の関係を詳細に示す。ここで指定するパラメータは円弧の半径と開始点、終了点、及び周期構造の斜度である。ガルバノスキャナ５６、５７はレーザ走査の開始から終了位置までの円弧の軌跡を等速走査するように２軸のベクトルデータを計算して動作させる。同時にレーザ照射の開始位置が（ｘ，０）のとき偏角は０°で出射偏光は４５°なので、校正テーブルを元に１ｓｈｏｔ目のリターダンスを９０°に追従させる。
１００ｓｈｏｔ目でレーザ照射位置が偏角１°とすれば、出射偏光を４６°に回転するためにリターダンスを９２°に追従させる。同様に２００ｓｈｏｔ目でレーザ照射位置が偏角２°とすれば、出射偏光を４７°に回転するためにリターダンスを９４°に追従させる。
使用レーザ１波長分のリターダンスの１０％から９０％変化に要する時間を応答速度とすれば、ホモジニアス型液品素子の応答速度は数１００Ｈｚである。これは使用したパルスレーザ光源の繰返し周波数１ｋＨｚには及ばないものの、偏光ズレの影響は同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜という周期構造形成の構成要件により緩和される。すなわち、書き出しの数ショットが意図する偏光方向とズレていても形成された周期構造の方向性は追従後の偏光が支配的であった。
リターダの応答速度は、液晶可変リターダであれば強誘電液晶素子で１０ｋＨｚのものが市販されている。さらに、ポッケルスセルやファラデーローテータを偏光回転素子に用いれば数１００ｋＨｚの応答速度に対応できる。この場合、印加電圧に数ｋＶの高電圧が必要となる。ポッケルスセルは、結晶に電界を印加することにより結晶の屈折率や異方性が変化するというＥＯ効果（electro optic：電気光学効果）を利用した光学素子である。このポッケルスセルに印加される電界を制御することにより、それを透過する光の偏光面を所望の角度だけ回転させることができる。また、ファラデーローテータは、磁界の強さによって偏光面が回転するファラデー効果を利用した光学素子である。コイルに流す電
流で磁界の強さを制御することにより、旋光角度を連続的に可変することができる。
流で磁界の強さを制御することにより、旋光角度を連続的に可変することができる。
流体導入溝３０は周期構造の形成条件よりも４倍の累積照射エネルギーを与えて、深さを周期構造の３倍以上とした。このとき、流体導入溝の底面にはスパイラル状に周期構造が形成されていた。
図８に放射状の間欠周期構造を付与するための偏光角度と偏角とリターダンスの関係を示す。放射状の周期構造を付与するためには、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角と常にπ/2(ｒａｄ)の傾きを保つように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させる。
図９に同心円状の間欠周期構造を付与するための偏光角度と偏角とリターダンスの関係を示す。同心円状の周期構造を付与するためには、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角と常に一致するように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させる。
このように、本発明では、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御する追従制御手段とを備えたものである。この追従制御手段として、偏光回転素子制御回路６５と、偏光制御回路６６と、間欠制御回路６７とで構成できる。
本発明によれば、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、ガルバノスキャナによるレーザ走査位置の極座標上の偏角に応じて、パルスレーザの発振周期と同等以上の応答速度で追従制御を行うことで、加工に伴う加工対象物の機械的な動作を排除することができる。これにより、レーザ照射しない間欠周期構造領域の空送り箇所のポジショニングが従来方法より格段に速くなる。このため、従来の作成方法に比べて作成時間を短縮することができ生産性に優れたものとなる。しかも、テクスチャのパタ一ニング自由度を損なうことはない。
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々のパターニングの変形が可能である。また、加工対象物としては、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金等の各種金属や、シリコンウエハや炭化ケイ素などの半導体やセラミックスなどであってもよい。
５４ 偏光回転素子
５６、５８ カルバノスキャナ
Ｗ 加工対象物
５６、５８ カルバノスキャナ
Ｗ 加工対象物
Claims (6)
- 一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法であって、
レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記追従制御は、前記パルスレーザの発振周期と同等以上の応答速度で行うことを特徴とする間欠周期構造の作成方法。 - 一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法であって、
レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記周期構造は同心円状とし、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角と一致するように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させることを特徴とする間欠周期構造の作成方法。 - 一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法であって、
レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記周期構造は放射状とし、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角に対して、π/２（ｒａｄ）の傾きを保つように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させることを特徴とする間欠周期構造の作成方法。 - 一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を作成する方法であって、
レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、２次元ないしは３次元のガルバノスキャナでレーザ走査する位置を偏向制御すると同時に、周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御して、自己組織的な周期構造の成長を行うものであり、前記周期構造はスパイラル状とし、周期構造の斜度をａ（ｒａｄ）としたとき、偏光角度が走査位置の極座標上の偏角に対して、（ａ+π/２）（ｒａｄ）の傾きを保つように、レーザの直線偏光を偏光回転素子を用いて追従制御させることを特徴とする間欠周期構造の作成方法。 - 前記偏光回転素子が、液晶可変リターダ、ポッケルスセル、ファラデーローラのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の間欠周期構造の作成方法。
- 一軸でかつ加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のパルスレーザをオーバーラップさせながら集光照射して、入射光のＰ偏光成分と加工対象物の表面に沿ったＰ偏光成分の散乱光の干渉部分のアブレーションによって、入射光の偏光に直交した、レーザ波長程度に微細な凹凸溝を有する自己組織的な周期構造の成長を行う間欠周期構造の作成装置であって、
レーザの集光径、繰り返し周波数、及び加工対象物の加工閾値に応じて、同一部分におけるオーバーラップの回数が１０〜３００ショッ卜の間で一定値になるように、レーザ走査する位置を偏向制御するための２次元ないしは３次元のガルバノスキャナと、
周期構造に方向性を付与するための直線偏光レーザの偏光角度を、走査位置の極座標上の偏角に応じて、偏光回転素子を用いて電気的に追従制御する追従制御手段とを備え、前記偏光回転素子は前記パルスレーザの発振周期と同等以上の応答速度で追従制御を行うことを特徴とする間欠周期構造の作成装置。
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