JP2003279758A - フェムト秒レーザ伝送用ファイバ，フェムト秒レーザ伝送用ファイバを使用したレーザ加工装置及びレーザ加工方法。 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フェムト秒レーザのパルス幅を増大すること
なく，高効率かつ大出力に伝送し，かつ使用することが
可能な新規かつ改良されたフェムト秒レーザ伝送用ファ
イバ，フェムト秒レーザ伝送用ファイバを使用したレー
ザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。 【解決手段】 中空構造を有する非金属製チューブ１８
２と，前記チューブ１８２の内壁に形成された金属膜１
８４と，前記金属膜１８４上に形成された保護膜１８６
と，からなることを特徴とするフェムト秒レーザ伝送用
ファイバ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，フェムト秒レーザ
伝送用ファイバ，フェムト秒レーザ伝送用ファイバを使
用したレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来においては，レーザ光をパルス伝送
するファイバとして，石英系ガラスファイバやプラスチ
ックファイバなどが使用されている。かかるファイバ
は，グレーデッド型ファイバ，ステップインデックス型
ファイバの２種類に分類される。

【０００３】上記両ファイバは，中心部分にコア（芯）
が形成されており，その周辺部にクラッド（鞘）が配置
される構造を有する。上記コア部は，クラッド部よりも
光の屈折率が大きい材料で形成されており，ファイバ内
に照射されたレーザ光はコア部に閉じ込められるので長
距離伝送が可能となる。

【０００４】また，グレーデッド型ファイバは，コア部
からクラッド部にかけて，連続的になだらかに屈折率が
変化するように構成されており，例えば光通信などの分
野では広範囲な伝送帯域で使用できるという利点がある
が，所定大きさ以上のコア径でファイバを作製するのが
困難であるため，レーザ加工領域での使用にはあまり好
適ではない。

【０００５】一方，ステップインデックス型ファイバ
は，上記グレーデッド型ファイバと異なり，コア部とク
ラッド部の間で急峻に屈折率が変化するように構成され
る簡易な構造であることから，大口径のコア径でファイ
バを作製することが可能である。しかしながら，伝送帯
域が狭いため，近距離の光通信分野で使用することがで
きるが，長距離伝送にはあまり好適ではない。このよう
に，ステップインデックス型ファイバは，大きなコア径
のものを簡易かつ安価に製造できるので，レーザ加工用
伝送装置として多用されている。

【０００６】ところで，従来においては，ファイバを使
用しないレーザ光の伝送装置として，例えば反射鏡を利
用した多関節型伝送装置が，医療用レーザの部門で使用
されている。かかる従来の多関節型伝送装置は，関節の
回転角に限度があり，その自由度は限定されたものにな
る。

【０００７】一方，ファイバを利用したレーザ光伝送装
置の場合には，反射鏡や反射鏡を保持するジンバル式治
具などを伝送経路に配置する必要がなく，伝送装置の重
量や大きさを低減することができる，という利点を有す
る。また，多関節型伝送装置よりも大きな自由度を有す
るので，レーザ光の伝送装置の利便性がより増すことに
なる。

【０００８】また，近年においては，フェムト秒領域
（１０^−１２ｓｅｃ以下）の光パルスを発生するレーザ
装置（例えばチタンサファイヤ）が開発され，その応用
技術の開発が各方面で展開されている。かかるフェムト
秒領域のレーザは，従来のナノ秒パルスのレーザと比較
してレーザのパルス幅が短く，かつピークパワーが極め
て高いことから，レーザ加工に使用した場合には，加
工周辺部に熱影響がない，再凝固物や飛散が少ない，
高融点，高硬度，透明物質などの難加工性材料に対し
て加工が可能である，透明材料の内部において屈折率
を変化させることができる，などの効果が期待できる。

【０００９】かかるフェムト秒レーザの伝送装置とし
て，現在においては，上記説明した反射鏡を利用した伝
送装置しか存在しない。このようなフェムト秒レーザを
ファイバ伝送することが可能になれば，フェムト秒レー
ザを例えばレーザ加工装置に適用した場合に，フェムト
秒レーザを使用したレーザ加工装置を小型化，軽量化す
ることができる。さらに，大きい加工有効エリアのレー
ザ加工装置を構築する場合には，通常，レーザ伝送装置
も大型化することになるが，ファイバ伝送の場合には殆
ど大きさは変わることはない。

【００１０】ところが，かかるフェムト秒パルスはスペ
クトル幅が極めて広いことから，通常の石英系ガラスフ
ァイバによる伝送では，高次分散によりパルス幅が増大
するという問題がある。即ち，一般的に，レーザ光がガ
ラス中を透過する際，高周波数の光（短波長の光）ほど
屈折率が大きくなり，光の群速度は遅くなる。逆に，低
周波数の光（長波長の光）ほど屈折率は小さくなり，光
の群速度は速くなる。上記フェムト秒レーザは発振波長
が広い（広いスペクトル幅を有する）ため，ガラスを透
過中のフェムト秒レーザの同一パルス内において，周波
数の高い成分が同一パルス内の時間的な後端部に移動
し，周波数の低い成分が同一パルス内の時間的な前端部
に異動する。このため，同一パルス内の周波数成分によ
って，伝搬速度が違うことになり，パルス幅が増大する
ことになる。

【００１１】このような問題を解決する方法として，分
散シフトファイバと逆分散ファイバとを組み合わせるこ
とにより，フェムト秒パルスをソリトンとして伝送する
方法が試みられている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上記分
散シフトファイバと逆分散ファイバとを組み合わせる方
法では，小さなパルスエネルギのレーザ光を伝送する通
信分野においては利用可能であるが，大きなパルスエネ
ルギを必要とする加工分野では利用することができない
という問題がある。さらに，フェムト秒レーザの光強度
が強い場合には，フェムト秒レーザの自己集束が発生し
て，ファイバが損傷するという問題もある。

【００１３】即ち，媒質中の屈折率が透過する光強度に
比例して変化する光Ｋｅｒｒ効果により，例えばレーザ
ビーム強度が中心部で最も大きいフェムト秒レーザのよ
うに媒質を透過中の光強度に空間的な分布がある場合に
は，光は光強度の高い方向に向かって屈折してしまう。
この結果，石英系ガラスファイバのような透明な材料中
で，フェムト秒レーザが徐々に高くなる分布となり，あ
たかもレーザビームがレンズを通過したかのように自己
的に焦点を結ぶことになる。このとき，ファイバの光強
度耐力を超えてしまうと，ファイバが損傷することにな
る。

【００１４】上記のように，従来のファイバを使用し
て，例えばパルス幅が数１０^−１２秒〜数百１０^−１２
秒の非常に短いフェムト秒レーザをパルス伝送すると，
ファイバの屈折率によって群速度分散の影響を受けるた
めファイバの出射側ではパルス幅が増大するという問題
がある。また，光ファイバを損傷せずにレーザ光が伝送
可能なレーザ光強度のパワーが制限されるという問題が
ある。

【００１５】したがって，本発明の目的は，フェムト秒
レーザのパルス幅を増大することなく，高効率かつ大出
力に伝送し，かつ使用することが可能な新規かつ改良さ
れたフェムト秒レーザ伝送用ファイバ，フェムト秒レー
ザ伝送用ファイバを使用したレーザ加工装置及びレーザ
加工方法を提供することにある。

【００１６】また，本発明の他の目的は，フェムト秒レ
ーザの特徴の１つであるガウシアンビームをトップハッ
ト形状にして加工形状の改善を図ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め，本出願の第１の観点によれば，中空構造を有する非
金属製チューブと，前記チューブの内壁に形成された金
属膜と，前記金属膜上に形成された保護膜と，からなる
ことを特徴とするフェムト秒レーザ伝送用ファイバが提
供される。

【００１８】上記記載の発明では，フェムト秒レーザの
パルス幅を増大することなく，高効率かつ大出力に伝送
することができる。また，フェムト秒レーザの特徴の１
つであるガウシアンビームを伝送後にトップハット形状
にすることができる。

【００１９】また，前記金属膜は，伝送されるフェムト
秒レーザの波長において高反射率を有する，如く構成す
れば，例えば入射角度が７０°以上で入射されたフェム
ト秒レーザを高反射率（例えば略１００％）で伝送する
ことができるので，エネルギ損失を低減することができ
る。また，例えば，前記金属膜は，金，銀，アルミの群
から選択されるいずれかである，如く構成すれば，より
高反射率の金属膜とすることができる。

【００２０】また，前記保護膜は，誘電体膜からなる，
如く構成すれば，例えば可視領域から赤外領域において
金属の反射率はあまり大きくない場合であっても，その
表面に形成された誘電体膜の干渉効果により目的波長に
おける反射率を高めることができる。例えば，誘電体膜
からなる保護膜として，耐熱性に優れるポリイミド，よ
り低損失なフッ素樹脂，成膜容易なＣＯＰ（環状オレフ
ィンポリマー）などを使用することができる

【００２１】また，前記ファイバの中空は，空気により
満たされている，如く構成すれば，レーザ光の吸収が極
めて小さいので，コア中の損失を略ゼロとすることがで
きる。また，コア部が大気で形成されると，屈折率によ
る群速度分散の影響を受けないので，従来の石英ファイ
バのようにフェムト秒レーザ伝搬の際にパルス幅の伸び
が発生することはない。なお，大気中で装置を構成する
と，ファイバ中空内に空気は自然に充填される。

【００２２】上記課題を解決するため，本出願の第２の
観点によれば，フェムト秒領域のレーザを出射するため
のレーザ発振器と，前記レーザ発振器から発振されたフ
ェムト秒レーザを中空ファイバに導入するために集光す
るファイバ導入用集光装置と，前記出射されたフェムト
秒レーザ光を入光して集光部に伝送するためのファイバ
と，前記中空ファイバから出光されたレーザ光を集光し
て被加工物に照射するための導光部とからなるレーザ加
工装置であって，前記ファイバは，中空構造を有する非
金属製チューブと，前記チューブの内壁に形成された金
属膜と，前記金属膜上に形成された保護膜と，からな
る，ことを特徴とするレーザ加工装置が提供される。

【００２３】上記記載の発明では，パルス幅を増大する
ことなく，高効率かつ大出力に伝送されたフェムト秒レ
ーザをレーザ加工用に使用することができる。このと
き，本発明のファイバ透過後のビーム形状は，フェムト
秒レーザが本来有するガウシアン分布のビーム形状から
トップハット形状に改善されている。このことにより，
多層構造を有する被加工物の上層剥離が可能となる。即
ち，従来におけるガウシアン形状のビームでは，所望の
加工幅を得るために，レーザビームの強度を上げるか，
レーザビームを長時間照射する必要があった。このため
に，本来上層のみを加工する目的に対して，その下層に
ある物質に対して加工しきい値以上のレーザ光が照射さ
れ，本来加工すべきでない下層構造までもが加工されて
しまっていた。この点において，トップハット形状のレ
ーザビームでは，レーザビームの先端が均一となり，所
望の幅で加工を行なっても下層構造のしきい値を越える
ことないので，上層構造のみを好適に加工することがで
きる。

【００２４】また，前記金属膜は，伝送されるフェムト
秒レーザの波長において高反射率を有する，如く構成す
れば，例えば入射角度が７０°以上で入射されたフェム
ト秒レーザを高反射率（例えば略１００％）で伝送する
ことができるので，エネルギ損失を低減することができ
る。また，例えば，前記金属膜は，金，銀，アルミの群
から選択されるいずれかである，如く構成すれば，より
高反射率の金属膜とすることができる。

【００２５】また，前記保護膜は，誘電体膜からなる，
如く構成すれば，例えば可視領域から赤外領域において
金属の反射率はあまり大きくない場合であっても，その
表面に形成された誘電体膜の干渉効果により目的波長に
おける反射率を高めることができる。例えば，誘電体膜
からなる保護膜として，耐熱性に優れるポリイミド，よ
り低損失なフッ素樹脂，成膜容易なＣＯＰ（環状オレフ
ィンポリマー）などを使用することができる。

【００２６】また，前記ファイバの中空は，空気により
満たされている，如く構成すれば，レーザ光の吸収が極
めて小さいので，コア中の損失を略ゼロとすることがで
きる。また，コア部が大気で形成されると，屈折率によ
る群速度分散の影響を受けないので，従来の石英ファイ
バのようにフェムト秒レーザ伝搬の際にパルス幅の伸び
が発生することはない。なお，大気中で装置を構成する
と，ファイバ中空内に空気は自然に充填される。

【００２７】また，上記課題を解決するため，本出願の
第３の観点によれば，レーザ発振器からフェムト秒レー
ザを出射する工程と，前記出射されたフェムト秒レーザ
を，中空構造を有する非金属製チューブと前記チューブ
の内壁に形成された金属膜と，前記金属膜上に形成され
た保護膜とからなるファイバを介して，集光部に伝送す
る工程と，前記伝送されたフェムト秒レーザを集光し
て，被加工物に照射する工程と，を有することを特徴と
するレーザ加工方法が提供される。

【００２８】上記記載の発明では，パルス幅を増大する
ことなく，高効率かつ大出力に伝送されたフェムト秒レ
ーザをレーザ加工用に使用することができる。このと
き，本発明のファイバ透過後のビーム形状は，フェムト
秒レーザが本来有するガウシアン分布のビーム形状から
トップハット形状に改善されている。このことにより，
多層構造を有する被加工物の上層剥離が可能となる。即
ち，従来におけるガウシアン形状のビームでは，所望の
加工幅を得るために，レーザビームの強度を上げるか，
レーザビームを長時間照射する必要があった。このため
に，本来上層のみを加工する目的に対して，その下層に
ある物質に対して加工しきい値以上のレーザ光が照射さ
れ，本来加工すべきでない下層構造までもが加工されて
しまっていた。この点において，トップハット形状のレ
ーザビームでは，レーザビームの先端が均一となり，所
望の幅で加工を行なっても下層構造のしきい値を越える
ことないので，上層構造のみを好適に加工することがで
きる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下，本発明の好適な実施の形態
について，添付図面を参照しながら詳細に説明する。
尚，以下の説明及び添付図面において，同一の機能及び
構成を有する構成要素については，同一符号を付するこ
とにより，重複説明を省略する。

【００３０】（第１の実施の形態）まず，図１を参照し
ながら，第１の実施の形態にかかるレーザ加工装置につ
いて説明する。なお，図１は，本実施形態にかかるレー
ザ加工装置の構成を示すブロック図である。

【００３１】本実施形態にかかるレーザ加工装置１０
は，図１に示すように，加工装置本体とレーザ装置とが
中空ファイバを介して接続されている。

【００３２】レーザ発振器１００は，例えばチタンサフ
ァイヤなどを使用したフェムト秒レーザを発振する装置
である。折り曲げミラー１０２，１０２’は，フェムト
秒レーザの光路を曲げるためのミラーである。ファイバ
導入用集光装置１０４は，フェムト秒レーザを中空ファ
イバ１０８に導入するために集光する装置である。

【００３３】ファイバ用微小移動ステージ１０６は，中
空ファイバ１０８の直前で，集光装置１０４により集光
されたレーザビームを中空ファイバ１０８の中心に正し
く導入させるためのステージである。かかるファイバ用
微小移動ステージ１０６は，中空ファイバ１０６を保持
して，ＸＹ軸の平行移動及び２軸のあおり方向に微小移
動する。

【００３４】中空ファイバ１０８は，集光されたフェム
ト秒レーザを加工用集光装置１１２に伝送するための導
光路であり，中空構造を有する例えば石英ガラスキャピ
ラリチューブ内面に銀薄膜を形成し，さらにその表面に
誘電体膜がコーティングされている。このように，金属
膜と誘電体膜との２層構造とすることにより，可視から
赤外域において，金属の反射率があまり大きくない場合
であっても，その表面に誘電体の薄膜を形成することに
より，干渉効果により目的波長における反射率を高める
ことができる。なお，詳細は後述する。

【００３５】コリメート光学装置１１０は，中空ファイ
バ出射後の拡がり角を有するフェムト秒レーザ光を入射
前の平行光に戻す装置である。即ち，元のフェムト秒レ
ーザは，１μｒａｄ（マイクロラジアン）程度の拡がり
角を有する略平行光であるが，中空ファイバから出射し
たレーザ光は，広がり角が大きくなり，加工用集光装置
の有効径を超える可能性がある。この場合には，集光装
置のレンズの外側に入射したレーザ光が回折などを起こ
してレーザ加工に悪影響を与えるという欠点や，拡がり
角の大きなレーザ光は微小に集光できないという欠点が
あるため，元のフェムト秒レーザのような平行光に戻す
必要がある。このように，コリメート光学装置１１０
は，中空ファイバ出射後の拡がり角を有するフェムト秒
レーザ光を入射前の平行光に戻すために設置される。

【００３６】また，加工用集光装置１１２は，中空ファ
イバ１０８により伝送されたフェムト秒レーザを，被加
工物１２４に照射するために集光する装置である。

【００３７】照明装置１１４は，加工位置を照明するた
めの装置であり，例えばハロゲンランプとすることがで
きる。観察装置１１６は，加工状況を視覚的に認識する
ための装置であり，例えばＣＣＤカメラとすることがで
きる。

【００３８】加工機架台１１８は，高精度ステージを搭
載する装置であり，充分に除振された頑丈な光学定盤で
ある。ステージテーブル（Ｙ軸ステージ）１２０は，加
工対象（サンプル）１２４を搭載するステージテーブル
であり，本実施形態においては例えばＹ方向にのみ移動
可能としている。門型ステージ１２２は，大型のガント
リタイプのステージであり，ステージテーブル１２０を
跨ぐ形で構成されている。この門型ステージ１２２上に
加工用集光装置１１２を配置してユニットを構成し，ユ
ニットごとＸ軸方向に移動させる。本実施形態において
は，フェムト秒レーザ光は，中空ファイバ１０８を介し
て加工用集光装置１１２に導入されるので，高速で広範
囲の移動が可能となる。

【００３９】次に，本実施形態にかかる中空光ファイバ
の構成について，図２に基づいて説明する。なお，図２
は，本実施形態にかかる中空ファイバの構成を示す断面
図である。

【００４０】本実施形態においては，平滑表面をもつ石
英ガラスキャピラリチューブ１８２を母材とし，その内
面には，目的波長において高反射率を有する金属膜１８
４及び高屈折率の誘電体膜１８６が形成されている。ま
た，屈折率の低い空気をコアとしている。また，本実施
形態おいては，例えばファイバ長さ１ｍ，内径０．７ｍ
ｍあるいは１．０ｍｍのチューブを使用し，膜厚０．１
ｍｍの環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）を誘電体膜と
して使用し，かつレーザ波長７７５ｎｍに対して最小の
損失になるように設計されている。

【００４１】かかる構成により，レーザ光に対して極め
て吸収が小さいガスをコアとしているので，コア中の損
失をほとんどゼロとすることができる。さらに，入出射
端面における反射損失も発生しないので，通常の光ファ
イバではコアを損傷してしまうようなエネルギの大きな
レーザ光も伝送することができる。このことにより，フ
ェムト秒レーザをエネルギ損失を低減して伝送すること
が可能な中空ファイバを提供することができる。

【００４２】上記理由をより詳細に説明する。即ち，従
来の中空ファイバのコア−クラッディング境界では，通
常，全反射が生じないため，光は損失を伴いながら，漏
れモードとしてファイバ内を伝搬する。このとき，内径
２Ｔの中空ファイバ内を伝搬する光の電力減衰定数２α
は，コアグラッディング境界における光の反射率をＲと
すれば， ２α＝ｕ（１−Ｒ）／２ｎ_０ｋ_０Ｔ^２ と表される。但し，ｎ０：空気の屈折率（≡１），ｋ
０：真空中の光の波数，ｕ：伝搬するモードのコア内に
おける正規化横方向移送定数。

【００４３】上式により，光の反射率Ｒを１に近づける
ことができれば，光の電力減衰定数２αが０に近づき，
低損失伝送が可能になる。

【００４４】本実施形態においては，例えば石英ガラス
チューブ内面に例えば銀薄膜を形成し，さらにその表面
に誘電体膜をコーティングすることにより，上記反射率
Ｒを１に近づけることができる。このことにより，フェ
ムト秒レーザの低損失伝送が実現される。なお，金属層
上に誘電体層を形成することにより，可視から赤外域に
おいて金属の反射率があまり大きくない場合であって
も，干渉効果により目的波長での反射率を高めることが
できる。

【００４５】次に，本実施形態にかかるレーザ加工装置
における被加工物の加工方法について，図３に基づいて
説明する。なお，図３は，本実施形態にかかるフェムト
秒レーザ伝送用ファイバを使用したレーザ加工装置の主
要構成部を示すブロック図である。

【００４６】まず，レーザ光源であるレーザ発振器１０
０から出力されたフェムト秒のレーザ光は，折り曲げミ
ラーで光路１０２，１０２’が曲げられる。その後，フ
ァイバ導入用集光装置１０４により集光されて，本実施
形態にかかる中空ファイバ１０８にフェムト秒レーザが
導入される。

【００４７】本実施形態においては，屈折率の低い空気
をコアとし，高屈折率の誘電体及び高反射率の金属でグ
ラッディングを構成した中空ファイバを使用しているの
で，入出射端面における反射損失が発生せず，コアを損
傷することもない。例えば入射角度が７０°以上で入射
されたフェムト秒レーザは高反射率（例えば略１００
％）で伝送されるので，エネルギ損失を低減することが
できる。

【００４８】次いで，中空ファイバ１０８から出射した
フェムト秒領域のレーザは，コリメート光学装置１１０
内において，コリメートレンズ１１０ａにより集光され
た後，折り曲げミラー１１０ｂで光路を曲げられる。そ
の後，加工用集光装置１１２により集光されて，ステー
ジ１２０上に載置された被加工物１２４に照射される。
被加工物１２４の被加工面上にはレーザ光により照射領
域が形成されて被加工物（例えばＬＣＤ基板，ＰＤＰ基
板など）１２４を加工することができる。

【００４９】即ち，パルス幅がフェムト秒（１０^−１２
秒）のパルスレーザ光を物質に照射すると，その対象物
は照射されたレーザのパルス幅とほぼ同じ時間で加熱さ
れる。これは，極短時間ではあるが，そのエネルギ密度
は，極めて高密度となるため，レーザが照射される被加
工物は，加熱と同時に爆発的な勢いで蒸発する。また，
加熱時間が短時間であるため，レーザ照射領域以外に広
がることはない。

【００５０】このように，本実施形態においては，フェ
ムト秒領域（１０^−１２ｓｅｃ以下）の光パルスレーザ
を中空ファイバを介して伝送することができるので，従
来のナノ秒パルスを用いたものと比較して，ピークパワ
ーが極めて高いレーザを使用して被加工物を加工するこ
とができる。この結果，以下のような利点を有する。

【００５１】（加工周辺部に熱影響がない）フェムト秒
レーザは，レーザパルス幅が極端に短いために，時間的
に高速なエネルギ注入を行なうことができる。これは，
フェムト秒レーザパルスの照射時間が物質中の全般的な
熱拡散時間よりはるかに短いためである。レーザ照射時
の熱拡散長は，照射したレーザのパルス幅の１／２乗に
比例し，熱拡散係数の大きな金属の場合でも，１ｐｓで
１０ｎｍ程度である。一方，金属表面でのレーザ光の吸
収長は，スキンデプス程度（１０ｎｍ程度）である。こ
のように，熱拡散及び熱吸収の面から考慮すると，フェ
ムト秒レーザ光を照射した場合，照射領域の極表層のみ
にエネルギが蓄積され，照射領域以外に熱の拡がりが全
く無い局所加熱を行うことができ，従来のレーザ加工で
は実現困難であった高温高密度状態が達成される。その
後，高温高密度状態の被加工領域は，瞬時に蒸散して爆
発的な勢いで膨張するプラズマを生成する（いわゆるア
ブレーション加工）。このようにして，フェムト秒レー
ザ加工では，加工領域の周辺には，熱の影響は殆どな
い。

【００５２】（再凝固物や飛散が少ない）また，フェム
ト秒レーザにより加工された物質は，加工面から垂直方
向に膨張し，高エネルギのプルームとして噴出する。こ
の高温のプルームの中では，物質が最凝集する力が極め
て弱くなり，ドロスのような飛散は発生しない。このこ
とにより，フェムト秒レーザ加工では，再凝固物や飛散
が少ないという特徴がある。

【００５３】（高融点，高硬度，透明物質などの難加工
性材料に対して加工が可能である）フェムト秒レーザを
物質に照射したときのパワー密度は，平方センチメート
ル当たり数十から数百テラワット（１０^１２Ｗ／ｃ
ｍ^２）となる。このような高いパワー密度に対して耐性
を有する物質は存在しないことから，フェムト秒レーザ
を使用することにより，高融点，高硬度，透明物質など
の難加工性材料に対しても容易に加工を行うことができ
る。

【００５４】（透明材料の内部において屈折率を変化さ
せることができる）フェムト秒レーザをガラスなどの透
明材料の内部に照射した場合には，エネルギ蓄積によ
り，加熱，イオン化，圧力上昇などの様々な物理現象が
関与して，レーザ光の屈折率が変化する。このことによ
り，透明材料の内部において選択的に屈折率を変化さ
せ，フェムト秒レーザを直接描画して例えば光導波路を
作成することも可能である。

【００５５】次に，被加工物に照射されるフェムト秒レ
ーザの形状を，図４に基づいて説明する。なお，図４
（ａ）は，レーザ発振器から出射されたフェムト秒レー
ザの分布を示す説明図である。図４（ｂ）は，出射され
たフェムト秒レーザが本実施形態にかかる中空ファイバ
を介して伝送された後，被加工物に照射されるフェムト
秒レーザの形状を示す説明図である。

【００５６】まず，図４に示すように，レーザ発振器か
ら出射されるフェムト秒レーザの分布は，一般にフェム
ト秒レーザの特徴とされているガウシアン分布を示して
いる。しかしながら，本実施形態にかかる中空ファイバ
を介してフェムト秒レーザが伝送されると，図４（ｂ）
に示すように，フラットな形状に変化することが認識さ
れる。

【００５７】このように，本実施形態にかかる中空ファ
イバによりフェムト秒レーザを伝送すると，その形状は
ガウシアンビーム形状からトップハット形状に変化する
ので，フェムト秒レーザの加工形状が改善される。以下
に，ガウシアンビーム形状とトップハット形状の特徴を
説明する。

【００５８】（ガウシアンビーム形状）ガウシアンビー
ム形状は，レーザビームが単一モードであるために，レ
ーザ光をレンズにより集光した場合に，その集光径が理
論的な最小値である回折限界値付近まで集光することが
できる。従って，トップハット形状よりも微小な加工径
を実現することができる。しかしながら，図４（ａ）に
示すように，中心付近のビーム強度分布が強いので，
薄膜加工する際に中心のみ加工されてしまう，多層構
造の材質の上層部のみを加工する場合に，本来加工した
くない下層構造をも加工される，という問題がある。

【００５９】（トップハット形状）トップハット形状
は，レーザビームが多モードであるために，集光径が大
きく微細な加工には好適でないが，図４（ｂ）に示すよ
うに，ガウシアンビーム形状と異なり，薄膜加工に有利
である。即ち，従来におけるガウシアン形状のビームで
は，所望の加工幅を得るために，レーザビームの強度を
上げるか，レーザビームを長時間照射する必要があっ
た。このために，本来上層のみを加工する目的に対し
て，その下層にある物質に対して加工しきい値以上のレ
ーザ光が照射され，本来加工すべきでない下層構造まで
もが加工されてしまっていた。この点において，トップ
ハット形状のレーザビームでは，レーザビームの先端が
均一となり，所望の幅で加工を行なっても下層構造のし
きい値を越えることないので，上層構造のみを好適に加
工することができる。

【００６０】このように，トップハット形状のフェムト
秒レーザにより，多層構造を有する被加工物の上層剥離
が可能となる。なお，従来においては，ガウシアンビー
ム形状をトップハット形状に変換する技術がなかったこ
とから，特に薄膜加工に利用するのが好適である。

【００６１】

【実施例】以下，本実施形態にかかる中空ファイバを使
用して，フェムト秒レーザの伝送損失，パルス幅の伸び
を評価したので，以下にその実施例を説明する。

【００６２】まず，内径７００μｍφのファイバにＡｇ
薄膜を形成し，ＣＯＰをコーティングした長さ１ｍの中
空ファイバを作成した。次いで，波長７７５ｎｍ，平均
出力７００ｍＷ，パルス幅１９６ｆｓｅｃのフェムト秒
レーザを使用して，上記中空ファイバを介して伝送し
た。

【００６３】この結果，フェムト秒レーザのパルス幅の
伸びは，８０ｆｓｅｃ程度であった。これは，以下の表
に示すように，従来の方法によるフェムト秒レーザのパ
ルス幅の伸び幅（１００ｆｓｅｃ，５９０ｆｓｅｃ）と
比較して，非常に低減されていることが理解される。な
お，以下の表に示す数値は，従来の一般的なガラス透過
時にパルス幅を理論的な計算式から導出したものであ
る。

【００６４】

【表１】

【００６５】なお，本実施形態にかかるフェムト秒レー
ザの伝送損失は，最大で１．６ｄＢであった。一方，Ａ
ｒＦレーザを使用した場合の中空ファイバ（長さ５０ｃ
ｍ）の伝送損失３．５／ｄＢと比較して，ほぼ同様の結
果が得られた。

【００６６】以上，本発明に係る好適な実施の形態につ
いて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。
当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術思想
の範囲内において，各種の修正例および変更例を想定し
得るものであり，それらの修正例および変更例について
も本発明の技術範囲に包含されるものと了解される。

【００６７】例えば，上記実施形態においては，中空構
造を有するチューブとして，石英チューブを使用した構
成を例を挙げて説明したが，例えばプラスチックチュー
ブなど他のあらゆるチューブを使用することもできる。

【００６８】また，上記実施形態においては，金属膜と
して，銀薄膜を形成した構成を例に挙げて説明したが，
高反射率を有する金属膜であればあらゆる金属膜を使用
することができる。なお，他の金属膜として，金，アル
ミを使用すれば，より高反射率の膜を形成できるので，
好適である。

【００６９】また，上記実施形態におけるレーザ加工装
置として，例えばレーザリペア装置，レーザマーキング
装置など，フェムト秒レーザを使用することが可能なあ
らゆるレーザ加工装置とすることができる。

【００７０】また，上記実施形態においては，フェムト
秒レーザを伝送するファイバをレーザ加工装置に使用し
た構成を例に挙げて説明したが，かかる例には限定され
ない。本実施形態にかかるフェムト秒レーザ伝送用ファ
イバは，例えば通信装置，医療用機械などフェムト秒レ
ーザを伝送するあらゆる装置において使用することがで
きる。

【００７１】

【発明の効果】フェムト秒レーザのパルス幅を増大する
ことなく，高効率かつ大出力に伝送することができる。
また，フェムト秒レーザの特徴の１つであるガウシアン
ビーム形状が伝送後にトップハット形状となるので加工
形状が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態にかかるフェムト秒レーザ伝送用フ
ァイバを使用したレーザ加工装置の構成を示すブロック
図である。

【図２】本実施形態にかかるフェムト秒レーザ伝送用フ
ァイバの構成を示す断面図である。

【図３】本実施形態にかかるフェムト秒レーザ伝送用フ
ァイバを使用したレーザ加工装置の主要構成部を示すブ
ロック図である。

【図４】本実施形態にかかるフェムト秒レーザ伝送用フ
ァイバで伝送されるフェムト秒レーザの形状を示す説明
図である。

【符号の説明】

１００ レーザ発振器 １０２ 折り曲げミラー １０４ ファイバ導入用集光装置 １０６ ファイバ用微小移動ステージ １０８ 中空ファイバ １１０ コリメート光学装置 １１２ 加工用集光装置 １１４ 照明装置 １１６ 観察装置 １１８ 加工機架台 １２０ ステージテーブル １２２ 門型ステージ １２４ 被加工物 １８２ ガラスチューブ １８４ 金属膜 １８６ 誘電体膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 四方山 和彦 東京都港区芝４丁目３番５号 ホーヤ・コ ンテニュアム株式会社内 (72)発明者 河内 雅子 東京都港区芝４丁目３番５号 ホーヤ・コ ンテニュアム株式会社内 Ｆターム(参考） 2H050 AB67Y AC64 AD11 4E068 CE08

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空構造を有する非金属製チューブと，
   前記チューブの内壁に形成された金属膜と，前記金属膜
   上に形成された保護膜と，からなることを特徴とするフ
   ェムト秒レーザ伝送用ファイバ。
2. 【請求項２】 前記金属膜は，伝送されるフェムト秒レ
   ーザの波長において高反射率を有する，ことを特徴とす
   る請求項１に記載のフェムト秒レーザ伝送用ファイバ。
3. 【請求項３】 前記金属膜は，金，銀，アルミの群から
   選択されるいずれかである，ことを特徴とする請求項１
   又は２に記載のフェムト秒レーザ伝送用ファイバ。
4. 【請求項４】 前記保護膜は，誘電体膜からなる，こと
   を特徴とする請求項１，２あるいは３項のうちいずれか
   １項に記載のフェムト秒レーザ伝送用ファイバ。
5. 【請求項５】 前記ファイバの中空は，空気により満た
   されている，ことを特徴とする請求項１，２，３あるい
   は４項のうちいずれか１項に記載のフェムト秒レーザ伝
   送用ファイバ。
6. 【請求項６】 フェムト秒領域のレーザを出射するため
   のレーザ発振器と，前記レーザ発振器から発振されたフ
   ェムト秒レーザを中空ファイバに導入するために集光す
   るファイバ導入用集光装置と，前記出射されたフェムト
   秒レーザ光を入光して集光部に伝送するためのファイバ
   と，前記中空ファイバから出光されたレーザ光を集光し
   て被加工物に照射するための導光部とからなるレーザ加
   工装置であって，前記ファイバは，中空構造を有する非
   金属製チューブと，前記チューブの内壁に形成された金
   属膜と，前記金属膜上に形成された保護膜と，からな
   る，ことを特徴とするレーザ加工装置。
7. 【請求項７】 前記金属膜は，伝送されるフェムト秒レ
   ーザの波長において高反射率を有する膜である，ことを
   特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 【請求項８】 前記金属膜は，金，銀，アルミの群から
   選択されるいずれかである，ことを特徴とする請求項６
   または７に記載のレーザ加工装置。
9. 【請求項９】 前記保護膜は，誘電体膜からなる，こと
   を特徴とする請求項６，７あるいは８項のうちいずれか
   １項に記載のレーザ加工装置。
10. 【請求項１０】 前記ファイバの中空は，空気により満
    たされている，ことを特徴とする請求項６，７，８ある
    いは９項のうちいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
11. 【請求項１１】 レーザ発振器からフェムト秒レーザを
    出射する工程と，前記出射されたフェムト秒レーザを，
    中空構造を有する非金属製チューブと前記チューブの内
    壁に形成された金属膜と前記金属膜上に形成された保護
    膜とからなるファイバを介して，集光部に伝送する工程
    と，前記伝送されたフェムト秒レーザを集光して，被加
    工物に照射する工程と，を有することを特徴とするレー
    ザ加工方法。