JP7262124B2 - 内部材料のレーザ加工方法 - Google Patents
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Description
フェムト秒パルスレーザをダイヤモンド内で密に集光させると、非線形光学相互作用は、焦点におけるエネルギー密度に依存して、様々な方法で結晶格子の改質を引き起こす。低エネルギーでは、アニール後に色中心を生成するために使用できる結晶格子のわずかな破壊が生じる。より高いエネルギーでは、sp3相(ダイヤモンド結晶構造)からsp2相(グラファイト)への炭素の顕著な転換が起きる程度まで、顕著な格子破壊が生じる。典型的には、レーザ改質領域は、sp2相とsp3相との組み合わせであるアモルファスカーボンの形態をとる。
理想的な場合には、レーザの焦点のサイズは、回折限界、すなわち、対物レンズの所与の波長、屈折率、および開口数に対して可能な最小スポットサイズにあるべきである。しかしながら、この限界は、収差の影響のために達成されないことが多い。収差とは、光学系の理想的な集光性能からのずれのことである。光線光学に関しては、収差は、集光円錐内の光線をもはや同じ点で合流させない。波動光学に関しては、焦点に収束する波面は、もはや、回折限界スポットに焦点を合わせるのに必要な球面キャップの形式をとらない。この波動光学の場合、収差は、理想的な波面と歪んだ波面との間の光学的位相誤差に関して定量化されることが多く、異なる種類の歪みは、異なる位相誤差によって特徴付けられる。焦点に対する収差の影響は、そのピーク強度を減少させながら焦点を広げたりぼかしたりすることである。集光の性質により、広がりは主に光軸に沿って生じる。
試料内の異なる位置(特に深さ)間および異なる試料間で一貫した加工品質を維持するために、収差補正およびパルスエネルギーの適切な組み合わせを維持することができる適応制御システムを実施することが必要である。これは、集光領域から、波面およびエネルギーを制御するデバイスへのフィードバックの方法を使用することができる。
大きな縮尺の構造およびマーキングも可能である。これには、英数字、バーコード、QRコード(登録商標)、またはイメージを作成するための点状の特徴や連続した線が含まれる場合がある。そのような特徴は、回折素子、ホログラム、または回折格子を形成するために一緒にグループ化され得る。深さの範囲および面積は、使用される石のサイズまでとすることができる(典型的には横方向のxおよびy方向に3mm、伝播z方向に1mmの範囲)。特徴のサイズは、(x方向およびy方向に)横切って5μmまで、伝播z方向に20μmであってもよい。実際には、より大きなフィーチャが確実に生成される場合、より小さなスケールの改質の組み合わせをつなぎ合わせることによって達成することができる。周囲の試料(例えば、ダイヤモンド)にかかる応力負荷を管理して、大規模な不規則な裂け目が形成されるのを回避するために、大きな特徴を生成するときに注意を払わなければならない。これは、光学的に見ると大きく見えるが、ダイヤモンドからグラファイトへの体積変換が最小限である特徴を形成するように互いにリンクされた小さな(~1μmスケール)特徴のまばらなアレイによって達成することができる。
図4は、適応加工システムのための例示的な構成を示す。例えば、収差または位置の検出を補助するために、追加の収差補正を実行するために、または、システムを平行化して複数の集光を使用するために、追加の構成要素を追加することができる。
220 試料
230 歪んだ焦点
232 改善された焦点
240 波面
250 高開口数(NA)レンズ
400 レーザシステム
410 レーザ
420 偏光子
430 空間光変調器(SLM)
440 高NA対物レンズ
450 3次元並進ステージ
460 試料
Claims (15)
- ダイヤモンドまたは宝石用原石を含む試料(460)内の標的位置に改質領域(110、310)を形成するための試料(460)のレーザ改質方法であって、
レーザ(410)による改質のためにレーザシステム(400)における、ダイヤモンドまたは宝石用原石を含む試料(460)を位置決めすることを含み;かつ
レーザが集光する試料(460)の表面の傾きを測定すること;
少なくとも測定された傾きを使用して、レーザシステム(400)のアクティブ光学素子(430)に適用される補正を決定すること;
アクティブ光学素子(430)に前記補正を適用して、レーザの波面特性を修正し、レーザ集光に対するコマ収差の影響を打ち消すこと;および
修正された波面特性を有するレーザを使用して標的位置で試料(460)をレーザ改質して、改質領域(110、310)を生成することを特徴とする、レーザ改質方法。 - レーザシステム(400)内の試料(460)の位置を測定すること、
また、測定された位置を使用して、加工深さ、およびレーザシステム(400)のアクティブ光学素子(430)に適用される補正を決定することを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記補正をアクティブ光学素子(430)に適用して、レーザの波面特性を修正し、レーザ集光に対する球面収差の影響を打ち消すことを含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記改質領域(110、310)を形成した後に前記試料(460)を測定し、さらなる測定に基づいてアクティブ光学素子に適用される前記補正を修正することを含む、請求項1または2に記載の方法。
- レーザ集光が0.5より大きいストレール比を有する、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。
- 試料(460)内のレーザの焦点を測定すること、および、測定された焦点に基づいてアクティブ光学素子(430)に適用される補正を修正することを含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記補正を決定することが、少なくとも部分的にレーザ(410)のパルスエネルギーに基づいており、前記方法が、好ましくは、10nJから300nJの間のパルスエネルギーを有するパルスレーザ(410)を使用することを含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
- 単一のレーザパルスを用いて試料(460)をレーザ改質することを含む、および/または、複数のレーザビームを用いて試料(460)をレーザ改質することを含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記改質領域(110、310)を形成することが、非線形光学相互作用を利用して材料の改質を引き起こすことを含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記改質領域(110、310)を形成することが、試料(460)のバルク内の材料のみを改質することを含む、請求項1~9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記補正を決定することは、ゼルニケ展開の係数を計算することを含む、請求項1~10のいずれか1項に記載の方法。
- 伝播方向に1マイクロメートル未満の領域を改質することを含む、請求項1~11のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1~12のいずれか1項に記載の方法を実行して、ダイヤモンドまたは宝石用原石を含む試料(460)内の標的深さに改質領域(110、310)を形成するように配置されたレーザシステムであって、以下を含むレーザシステム:
ダイヤモンドまたは宝石用原石を含む試料(460)の傾きを測定するように配置された測定装置。 - 宝石用原石(460)内の標的位置に改質領域(110、310)を形成するための宝石用原石(460)のレーザ改質方法であって、
レーザ(410)による改質のためにレーザシステム(400)において宝石用原石(460)を位置決めすることを含み;かつ
宝石用原石(460)内のレーザの焦点を測定すること;
少なくとも焦点の測定結果を使用して、レーザシステム(400)のアクティブ光学素子(430)に適用される補正を決定すること;
アクティブ光学素子(430)に補正を適用して、レーザの波面特性を修正し、レーザ集光に対する収差の影響を打ち消すこと;および
修正された波面特性を有するレーザを使用して標的位置で宝石用原石(460)をレーザ改質して、改質領域(110、310)を生成することを特徴とする、レーザ改質方法。 - アクティブ光学素子(430)に前記補正を適用することにより、0.5より大きいストレール比を有するレーザ集光が得られる、および/または
前記補正が、レーザ集光に対するコマ収差の影響を打ち消す、および/または
前記補正が、レーザ集光に対する球面収差の影響を打ち消す、請求項14に記載の方法。
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