JP2003334683A - レーザ加工装置とレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】微細な周期構造を容易に加工することができ、
加工範囲が広く、簡単にエネルギ密度を上げることがで
き、光軸合わせが容易で安価なレーザ加工装置とレーザ
加工方法を提供する。 【解決手段】 本発明のレーザ加工装置とレーザ加工方
法は、フェムト秒レーザ光がレーザ駆動部から入射され
たとき、レーザ光を複数の光束に分離する回折格子３
と、回折格子３によって分離された光束を互いに干渉さ
せるための凸レンズ４，５と、光束が互いに交差し干渉
する干渉領域と凸レンズ５との間に配設された円柱レン
ズ６と、レーザ光によって加工するため、加工用基材７
を干渉領域に配設することができるＸＹＺステージ８を
備え、円柱レンズ６が、干渉領域を扁平な領域に整形す
るとともにエネルギ密度を集中し、加工用基材７と該干
渉領域の物質レーザ相互作用によって微細加工すること
を特徴とする。

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
光やピコ秒レーザ光のような超短パルスレーザ光を回折
光学素子により分離して多光束を形成し、この多光束を
干渉させて微細加工、とくに微細周期的構造の加工を行
うのに適したレーザ加工装置に関し、また超短パルスレ
ーザ光の多光束の干渉を用いた微細加工を行うレーザ加
工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、フェムト秒レーザ光やピコ秒レー
ザ光のような超短パルスレーザ光を１点に集光させ、こ
の超短パルスレーザ光と加工用基材との物質レーザ相互
作用によって、加工用基材の表面もしくは内部にアブレ
ーションや光学特性等の材質特性を変化させた領域を形
成することが行われている。ここで加工用基材として用
いられるのは、金属，セラミック，ガラス，プラスチッ
ク，結晶など多岐に渡っている。しかしながら、この１
点集中型の加工方法は、回折格子やホログラム，グレー
ティングを形成するには馴染まないものであった。すな
わち、これらの構造は微細な周期構造を有しており、こ
れを１点集中型の加工で形成するのは実用上問題の多い
ものであった。

【０００３】また、従来のナノ秒レーザ光等の多光束の
干渉を用いて感光させるレーザ装置も提案されている。
しかし、フェムト秒レーザ光やピコ秒レーザ光のような
超短パルスレーザ光は比較的可干渉性をもつか否かの実
証が遅れ、未解決の課題が残ったため最近になるまで実
用化が遅れている。例えば、マスク等で分割した複数の
光束を干渉させると、波面同士が互いに角度をもって交
差するため干渉領域が狭くなり（この理由については図
３（ａ）（ｂ）を使って後で説明する）、加工範囲が狭
くなって実質的に上述の１点集中型の加工と変わらなく
なってしまう。また、パルス幅がピコオーダもしくはミ
クロンオーダできわめて短いため、光学的遅延や光軸の
調整が難しいという問題も存在していた。

【０００４】このようなフェムト秒レーザ加工装置の１
つとして、最近フェムト秒レーザ光をビームスプリッタ
により２光束に分割し、光学遅延回路を用いた光学系を
用いて物質表面に集光、干渉させ、表面加工を行う技術
が提案されている（特開２００１−２３６００２）。図
８はビームスプリッタで２光束に分割した従来のレーザ
加工装置である。

【０００５】これは、微小面積にホログラムを作成した
り、埋め込み型のホログラムを多岐に渡った基材に記録
可能とすることを目的とするもので、 パルス幅が９０
０〜１０フェムト秒、ピーク出力が１ＧＷ以上で、フー
リエ限界またはそれと近似できるフェムト秒レーザを光
源とし、該レーザからのパルスをビームスプリッタ（ハ
ーフミラーＨＦ１）によって二つに分割し、二つのビー
ムを光学遅延回路（平面ミラーＭ４，Ｍ５）を介して時
間的に制御し、且つ微小回転する平面ミラーＭ１，Ｍ２
と凹面ミラーＭ３，Ｍ６を用いて空間的に制御し、ホロ
グラムを記録する基材Ｓ１表面または基材Ｓ１内部に、
偏光面を平行にして、エネルギー密度１００ＧＷ／ｃｍ
²以上で集光するものである。このように二つのビーム
の集光スポットを時間的且つ空間的に合致させることに
より、透明材料、半導体材料、または金属材料に不可逆
的にホログラムを作製するものである。なお、Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザと細い破線はモニタ用のものである。また、太
い破線の光路とミラーＭ７，Ｍ８は反射型のホログラム
を作成する場合のものである。

【０００６】しかし、この従来のレーザ加工装置は、フ
ェムト秒レーザに特有の問題であるフェムト秒レーザの
波面同士が傾きを有すために干渉領域が狭く、光学的遅
延の調整や軸合わせ等が必要になるものであった。従っ
てこのレーザ加工装置の１ショットの加工範囲は３０μ
ｍが限界であった。また、透明体の内部加工の場合、パ
ルス幅をピコ秒に伸ばし、干渉領域を広げ、化学的エッ
チングと組み合わせないと加工できないものであった。
そして、特開２００１−２３６００２で開示されたレー
ザ加工装置は理論的には３光束以上への拡張が可能であ
るが、ビームスプリッタを使用し光学遅延回路を設ける
ため光学系が非常に複雑となり、実用性の点で課題を残
すものであった。

【０００７】次に、フェムト秒レーザ光を回折格子によ
り複数の光束に分割し、２枚のレンズを用いることで感
光性樹脂内部に集光、干渉させる別のレーザ装置が提案
されている（Appl.Phys.Lett.,79(2001)725）。これは
装置を簡単化することを特徴とするものであるが、感光
性樹脂に対して適用するほかには用途が見当たらない。
すなわち、回折格子により多光束に分割して干渉させて
いるが、アブレーション等の加工を行うにはエネルギ不
足であって、さらにエネルギ密度を上げるための手段は
講じられていない。そしてアブレーションをどのように
行うかといったことが射程に入っていないものであっ
た。

【０００８】さらに、この従来のレーザ装置と同様に、
フェムト秒レーザを回折光学素子により分割してワーク
ピース上に平行なビームを形成するレーザ加工装置が提
案されている（特開２００１−３１４９８９）。図９は
回折光学素子を使った従来のレーザ加工装置である。こ
れは、ワークピースの表面上にマイクロキャビティのア
レイを形成することを課題とするものであり、図９に示
すように、レーザ光パルスのビームを生成するフェムト
秒レーザ１００と、レーザ光パルスのビームを複数のビ
ームに分割するビーム分割手段としての回折光学素子１
０３とを備え、レンズ１０４，１０５を用いて１未満の
倍率で複数のビームを拡大し、複数のビームをワークピ
ース１０６の表面上へ集光し、材料がマイクロキャビテ
ィアレイを形成するものである。１０１は可変ビーム減
衰器、１０２はレンズ、１０７はＸＹＺステージであ
る。

【０００９】しかし、この従来のレーザ加工装置は回折
光学素子１０３を使ってレーザ光パルスを分割するが、
この方式の詳細については開示されていない。そして複
数の光束に分割してワークピース１０６にそのまま照射
するだけのもので、光束間の干渉を利用するものではな
い。そして加工に必要なパワーピーク値を確保するため
にチャープパルス増幅器を必要とするが、他にはエネル
ギ密度を上げるための手段が講じられていないため、相
対的な意味でレーザ装置を大型化するものであった。ま
た、ワークピース上の１ショットの加工範囲の面積は小
さく、微細周期的構造を加工するために照射スポットを
どのように配列すればよいのか等に関しては開示がな
い。

【００１０】また従来の技術情報としてこのほかに、フ
ェムト秒レーザと回折格子、２つの球面レンズを使って
ビーム分割を行うと各光束の波面同士が平行に形成され
ることを指摘した分析（Opt.Lett.23(1998)1378）があ
る。しかし、ここでは第２高調波特性だけが検討されて
おり、物質加工をどのように行うかについての開示はま
ったくない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の超短パルスレーザ光を１点に集光させ、加工用基
材の表面もしくは内部を加工するレーザ加工装置は、１
点集中で加工するものであり、回折格子やホログラムと
いった微細周期構造を形成するには適していないもので
あった。敢えてこれを行うと制御が複雑となり、ある意
味で実用性に欠けるものであった。また、フェムト秒レ
ーザの場合、ナノ秒レーザ光の多光束の干渉を用いるレ
ーザ装置では問題にならなかったことであるが、フェム
ト秒レーザの波面同士に傾きが生じるため干渉する領域
が狭く、１点集中型の加工と変わらず、光学的遅延や光
軸の調整が難しくなるという欠点を有していた。とく
に、ビームスプリッタで２光束に分割した従来のレーザ
加工装置（特開２００１−２３６００２）は、波面同士
に傾きが生じるために干渉領域が狭く、光学的遅延の調
整や軸合わせ等が必要になるものであり、内部加工にお
いては、パルス幅をピコ秒に伸ばし、干渉領域を広げ、
化学的エッチングと組み合わせないと加工できないもの
であった。そして、光学系が非常に複雑で実用性の点で
課題を残すものであった。

【００１２】次に、フェムト秒レーザ光を回折格子によ
り複数の光束に分割し、２枚のレンズを用いることで感
光性樹脂内部に集光、干渉させる別のレーザ装置は、装
置が簡単であるが、感光性樹脂以外に用途の開示はな
く、アブレーションを行うにはエネルギ不足であり、エ
ネルギ密度を上げるための手段を講じる必要があるもの
であった。

【００１３】同様に、フェムト秒レーザ光を回折光学素
子により分割してワークピース上に平行なビームを形成
するレーザ加工装置（特開２００１−３１４９８９）
は、基本的にはマスク、場合によって回折光学素子を使
って分割するものであって、光束間の干渉を利用するも
のではない。そして加工用基材上でのエネルギ密度を高
めるためにチャープパルス増幅器を使っているが、他に
エネルギ密度を高める手段がないものであった。従って
相対的な意味でレーザ装置が大型化し、レーザ加工装置
のコストが嵩み、ワークピース上の１ショットの加工範
囲の面積は小さいものであった。

【００１４】そこで本発明は、微細な周期構造を容易に
加工することができ、加工範囲が広く、コントロールが
容易で、簡単にエネルギ密度を上げることができ、光軸
合わせが容易で安価なレーザ加工装置を提供することを
目的とする。

【００１５】また、本発明は、微細な周期構造を容易に
加工することができ、加工範囲が広く、コントロールが
容易で、簡単にエネルギ密度を上げることができ、光軸
合わせが容易なレーザ加工方法を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】以上説明した従来の課題
を解決するために本発明のレーザ加工装置は、超短パル
スレーザ光がレーザ駆動部から入射されたとき、該超短
パルスレーザ光を複数の光束に分離する回折光学素子
と、回折光学素子によって分離された光束を互いに干渉
させるために集光する集光用光学素子と、光束が互いに
交差して干渉する干渉領域と集光用光学素子との間に設
けられた干渉域整形光学素子と、超短パルスレーザ光に
よって加工するため、加工用基材を干渉領域に配設する
ことができる基材装着台を備え、干渉域整形光学素子
が、干渉領域を扁平な領域に整形するとともにエネルギ
密度を集中し、加工用基材と該干渉領域の物質レーザ相
互作用によって微細加工することを特徴とする。

【００１７】これにより、微細な周期構造を容易に加工
することができ、加工範囲が広く、コントロールが容易
で、簡単にエネルギ密度を上げることができ、光軸合わ
せが容易で安価なレーザ加工装置にすることができる。

【００１８】また、本発明のレーザ加工方法は、超短パ
ルスレーザ光を生成して、該超短パルスレーザ光を回折
光学素子によって複数の光束に分離するとともに、該光
束を互いに干渉させ、該光束が干渉する干渉領域を帯状
断面の扁平な領域に整形するとともにエネルギ密度を集
中し、この整形された干渉領域と加工用基材の物質レー
ザ相互作用によって該加工用基材を微細加工することを
特徴とする。

【００１９】これにより、微細な周期構造を容易に加工
することができ、加工範囲が広く、コントロールが容易
で、簡単にエネルギ密度を上げることができ、光軸合わ
せが容易なレーザ加工方法を実現できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載された発
明は、超短パルスレーザ光を生成するレーザ駆動部と、
超短パルスレーザ光がレーザ駆動部から入射されたと
き、該超短パルスレーザ光を複数の光束に分離する回折
光学素子と、回折光学素子によって分離された光束を互
いに干渉させるために集光する集光用光学素子と、光束
が互いに交差して干渉する干渉領域と集光用光学素子と
の間に設けられた干渉域整形光学素子と、超短パルスレ
ーザ光によって加工するため、加工用基材を干渉領域に
配設することができる基材装着台を備え、干渉域整形光
学素子が、干渉領域を扁平な領域に整形するとともにエ
ネルギ密度を集中し、加工用基材と該干渉領域の物質レ
ーザ相互作用によって微細加工することを特徴とするレ
ーザ加工装置であって、回折光学素子を使用することに
よって複数の光束の波面同士の平行性を保ち、加工用基
材をこの波面に平行に配置することができ、ビームスプ
リッタを使ったために波面同士が傾斜している場合と比
較して干渉領域、言い換えれば加工範囲を実用的に１０
倍程度、理論上はそれ以上に拡大することができ、しか
も光軸合わせが容易になる。また、干渉域整形光学素子
によって空間的に干渉領域を一方向に圧縮するため、エ
ネルギ密度を簡単に集中するとともに加工範囲は広くと
ることができ、加工用基材表面または内部にライン状に
所定ピッチで並んだ微細で波長オーダの周期構造を容易
に加工することができる。周期構造を加工するためのコ
ントロールが光束の干渉を調整することにより行えるた
め容易であり、従来のように光学的遅延回路を設けたり
する大型且つ複雑な構成が必要でなく、従ってきわめて
安価なレーザ加工装置にすることができる。

【００２１】本発明の請求項２に記載された発明は、超
短パルスレーザ光がフェムト秒レーザ光またはピコ秒レ
ーザ光であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加
工装置であって、エネルギが同じでもパルス幅がきわめ
て小さいためにパワーピーク値をきわめて大きくするこ
とができ、アブレーション等の加工が可能になる。

【００２２】本発明の請求項３に記載された発明は、干
渉域整形光学素子が円柱レンズから構成されたことを特
徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置であっ
て、円柱レンズによって干渉領域を扁平化するのがきわ
めて容易であり、加工領域をライン上に並んだ波長オー
ダの微細周期構造にすることができる。１ショットで加
工する加工範囲は、扁平化しない長手方向の数ｍｍ以上
となり、広い範囲を加工できる。

【００２３】本発明の請求項４に記載された発明は、基
材装着台の移動を行う装着台駆動部を備え、加工用基材
を移送することにより移送方向に微細加工を行うことを
特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工
装置であって、基材装着台で移送しながら加工するた
め、一次元の周期的構造を加工し、これを平行移動する
ことにより二次元の微細周期構造を容易に形成できる。

【００２４】本発明の請求項５に記載された発明は、基
材装着台が三次元駆動ステージであり、装着台駆動部が
三次元ステージ駆動部であることを特徴とする請求項４
記載のレーザ加工装置であって、一次元の周期的構造を
加工したものを平行移動して二次元あるいは三次元の微
細周期構造を容易に形成でき、加工用基材を干渉領域の
所定の位置に配置し且つ加工のためのコントロールが容
易になる。

【００２５】本発明の請求項６に記載された発明は、レ
ーザ駆動部を制御して所定の超短パルスレーザ光を生成
するシステム制御部を備え、該システム制御部が装着台
を所定の移動速度で移動させ、加工用基材に微細構造を
形成することを特徴とする請求項４または５記載のレー
ザ加工装置であって、システム制御部によって一〜三次
元の微細周期構造を容易に形成でき、加工用基材を干渉
領域の所定の位置に配置して加工のコントロールが容易
になる。

【００２６】本発明の請求項７に記載された発明は、集
光用光学素子が２つの球面レンズから構成されたことを
特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ加工
装置であって、２つの球面レンズの焦点距離と位置を変
化させて、干渉領域の大きさ、エネルギ密度を変化させ
ることができる。レーザ側の球面レンズの方の焦点距離
を加工用基材側の球面レンズの焦点距離より大きくする
と、光路の角度が変化するために干渉縞の間隔が狭くな
り、逆にレーザ側の球面レンズの方の焦点距離を加工用
基材側の球面レンズの焦点距離より小さくすると、干渉
縞の間隔をひろくすることができる。

【００２７】本発明の請求項８に記載された発明は、集
光用光学素子が円柱レンズから構成されたことを特徴と
する請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ加工装置で
あって、焦点及び干渉領域におけるエネルギ密度が球面
レンズの場合と比較して小さくなるために、大気中で加
工してもエアブレークダウンが生じにくくなる。また、
フィルタを挿入するときにも影響が小さい。

【００２８】本発明の請求項９に記載された発明は、集
光用光学素子が１つの球面レンズから構成されたことを
特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ加工
装置であって、一方向に長い微細な周期的構造を簡単に
形成することができる。回折光学素子で分離する光束の
数を増やせば長さをさらに伸ばすことができる。

【００２９】本発明の請求項１０に記載された発明は、
集光用光学素子が２つのミラーから構成されたことを特
徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ加工装
置であって、球面レンズや円柱レンズとは異なりレンズ
媒質による分散がないためパルス幅が長くなることがな
い。

【００３０】本発明の請求項１１に記載された発明は、
集光用光学素子の焦点近傍に設けられ光束の所定の位置
の光成分を除去する周波数成分遮断部が設けられたこと
を特徴とする請求項７または１０記載のレーザ加工装置
であって、集光用光学素子には焦点近傍で光束内に周波
数分布（内周側が高周波成分、外周側が低周波成分）が
形成される特性があるため、周波数成分遮断部で物理的
に所定の位置の光成分を減衰または除去することによ
り、任意の周波数成分を減衰もしくは除去することがで
き、その組み合わせで干渉縞パターンとパルスの時間形
状を変化させることができる。また周波数成分遮断部に
液晶透過ユニットを用いることができる。

【００３１】本発明の請求項１２に記載された発明は、
集光用光学素子が出射する光束から所定の周波数成分を
除去する波長フィルタが設けられたことを特徴とする請
求項７〜１０のいずれかに記載のレーザ加工装置であっ
て、波長フィルタで物理的に所定の周波成分を除去する
ことができ、干渉縞パターンとパルスの時間形状を変化
させることができる。波長フィルタは干渉領域前のどこ
にでも配置できる。

【００３２】本発明の請求項１３に記載された発明は、
互いに交差して干渉する光束のうち１以上の光束の光強
度を低減する強度フィルタが設けられたことを特徴とす
る請求項１〜１２のいずれかに記載のレーザ加工装置で
あって、強度フィルタによって光強度を変化させ、加工
用基材に対する加工度に変化をもたせることができる。

【００３３】本発明の請求項１４に記載された発明は、
レーザ駆動部から干渉領域までの光路の中に非線形波長
変換を行う非線形波長変換部が設けられたことを特徴と
する請求項１〜１３のいずれかに記載のレーザ加工装置
であって、干渉パターンを変化させることができる。

【００３４】本発明の請求項１５に記載された発明は、
２つの球面レンズのうち少なくとも一方の球面レンズが
周方向に部分的に変化した焦点距離を有していることを
特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置であって、複
数の光束ごとに焦点距離が異なるため、周期が変化する
加工を施すことができる。

【００３５】本発明の請求項１６に記載された発明は、
円柱レンズが軸心に対して傾斜可能なことを特徴とする
請求項３に記載のレーザ加工装置であって、加工用基材
上でのスポットのオーバーラップを調節することができ
る。

【００３６】本発明の請求項１７に記載された発明は、
超短パルスレーザ光を生成して、該超短パルスレーザ光
を回折光学素子によって複数の光束に分離するととも
に、該光束を互いに干渉させ、該光束が干渉する干渉領
域を扁平な領域に整形するとともにエネルギ密度を集中
し、この整形された干渉領域と加工用基材の物質レーザ
相互作用によって該加工用基材を微細加工することを特
徴とするレーザ加工方法であって、回折光学素子を使用
することによって複数の光束の波面同士の平行性を保
ち、加工用基材をこの波面に平行に配置することがで
き、ビームスプリッタを使ったために波面同士が傾斜し
ている場合と比較して干渉領域、言い換えれば加工範囲
を実用的に１０倍程度、理論上はそれ以上に拡大するこ
とができ、しかも光軸合わせが容易になる。また、空間
的に干渉領域を一方向に圧縮するため、エネルギ密度を
簡単に集中するとともに加工範囲は広くとることがで
き、ライン上に所定ピッチで並んだ微細で波長オーダの
周期構造を容易に加工することができる。周期構造を加
工するためのコントロールが光束の干渉を調整すること
により行えるため容易であり、従来のように光学的遅延
回路を設けたりする大型且つ複雑な構成が不要である。

【００３７】本発明の請求項１８に記載された発明は、
超短パルスレーザ光がフェムト秒レーザ光またはピコ秒
レーザ光であることを特徴とする請求項１７記載のレー
ザ加工方法であって、エネルギが同じでもパルス幅がき
わめて小さいためにパワーピーク値をきわめて大きくす
ることができ、アブレーション等の加工が可能になる。

【００３８】本発明の請求項１９に記載された発明は、
干渉域を一方向に整形するため円柱レンズを用いること
を特徴とする請求項１７または１８記載のレーザ加工方
法であって、円柱レンズによって干渉領域を扁平化する
のがきわめて容易であり、加工領域をライン上に並んだ
周期構造にすることができる。加工範囲は扁平化しない
長手方向であって、広い範囲を加工できる。

【００３９】本発明の請求項２０に記載された発明は、
互いに交差し干渉する光束のうち、１以上の光束の波長
または光強度を低減して干渉パターンを変化させたこと
を特徴とする請求項１７〜１８のいずれかに記載のレー
ザ加工方法であって、干渉縞パターンを変化させること
ができる。

【００４０】（実施の形態１）以下、本発明の実施の形
態１におけるレーザ加工装置とレーザ加工方法について
説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における
レーザ加工装置の構成図、図１（ｂ）は反射型回折格子
を使用した場合の要部拡大図である。

【００４１】図１（ａ）において、１はフェムト秒レー
ザ光またはピコ秒レーザ光を生成するレーザ駆動部、１
ａは増幅部である。実施の形態１のレーザ駆動部１は、
グリーン固体レーザ励起で自己モード同期発振を行うチ
タンサファイアレーザであり、増幅部１ａはチャープパ
ルス増幅器等であってここではＹＡＧレーザ励起チタン
サファイア再生増幅器で構成されている。従って実施の
形態１のレーザ加工装置は全固体高エネルギ超短パルス
レーザであり、波長は約８００ｎｍ、パルス幅は約９０
ｆｓ、１ショットのエネルギは大きく最大５ｍＪ、０次
光を遮断した場合２．３ｍＪ、レーザの繰り返し周波数
は１０Ｈｚを実現できるものである。超短パルスレーザ
光がフェムト秒レーザ光またはピコ秒レーザ光であるた
め、エネルギが同じでもパルス幅が小さくパワーピーク
値をきわめて大きくすることができ、アブレーション等
の加工が可能になる。

【００４２】２はレーザ駆動部１からのレーザ光の出射
開口を決めるアパーチャー、２ａはアパーチャー２に設
けられレーザ光を出射するときだけ開くシャッタ、２ｂ
はシャッタ２ａを動作させるシャッタ駆動部である。３
はレーザ光を受光して複数の光束に回折する回折格子
（本発明の回折光学素子）である。回折格子３を選択す
ることにより、分割する光束の数を任意に設定できる。
また光束が回折される角度、各光束のエネルギ分配率を
変化させることもできる。なお、実施の形態１において
は回折光学素子として回折格子３を用いているが、格子
間隔Λを電気的に制御することができる液晶透過ユニッ
トを使用することもできる。この場合、後述するシステ
ム制御部１０によって液晶に回折格子と同様の動作をさ
せ、ダイナミックに格子間隔Λを制御することができ
る。格子間隔Λを調整することにより、分割した光束を
干渉させたときの干渉縞の間隔を変化させることがで
き、加工ピッチを変更できる。なお、本発明の回折光学
素子にはホログラム等も含まれるし、単純に複数の光束
に回折する格子でなく回折光で画像等を描く非常に複雑
な回折を行う素子も含まれる。そしてこのような複雑な
回折光のすべてもしくは一部を以下説明する集光用光学
素子で集光し、加工用基材に直接書き込むこともでき
る。

【００４３】４，５は回折格子３によって分離された光
束を互いに干渉させるための凸レンズ（本発明の球面レ
ンズで集光用光学素子の１つ）である。凸レンズ４の焦
点距離はｆ１、凸レンズ５の焦点距離はｆ２である。凸
レンズ４，５は回折格子３によって回折された光束を再
度小さな角度θで交差させ、これを干渉させるために配
置される。干渉する２光束の交差する角度θは干渉縞の
周期に影響し、これが大きくなると周期構造のピッチが
狭くなり、小さくなるとピッチが広くなる。従って、所
望のピッチから逆に角度θを設定すればよい。このよう
にすることにより周期構造のピッチの変更が可能にな
る。また、凸レンズ４，５を配置しているため、この配
置関係で周期構造のピッチを変更することもできる。す
なわち、凸レンズ５から出射されるレーザ光がコリメー
トされた状態で干渉縞のピッチ間隔はΛ・（ｆ２／ｆ
１）／２となることから分かるように、凸レンズ４，５
の配置を調節することでピッチを変更することが可能で
ある。なおΛは上述した格子間隔である。但し、凸レン
ズ４，５の配置の変更に伴って角度θも同時に変化する
から、配置と角度θの一方でなく双方を同時に調節する
必要がある。例えば凸レンズ４の方の焦点距離ｆ１を凸
レンズ５の焦点距離ｆ２より大きくすると、光路の角度
θが変化するために干渉縞の間隔が狭くなり、逆に凸レ
ンズ４の方の焦点距離ｆ１を凸レンズ５の焦点距離ｆ２
より小さくすると、干渉縞の間隔をひろくすることがで
きる。

【００４４】６は光束が互いに交差し干渉する干渉領域
と回折光学素子との間に設けられた円柱レンズ（本発明
の干渉域整形光学素子）である。円柱レンズ６は円柱面
を要素（平面も一要素として含む）として構成され、特
定の方向の光束を収束する。ここでは円柱レンズ６は半
月状のレンズで、凸レンズ４，５によるレーザ光の干渉
領域Ａを断面帯状の扁平な領域に整形するとともにエネ
ルギ密度を集中し、加工用基材７（後述する）と干渉領
域Ａとの物質レーザ相互作用によって微細加工するもの
である。すなわち、円柱の長手方向にはレーザ光の整形
を行わないが、横幅方向に関しては焦点距離ｆ３の集光
作用を有し、一方向（横幅方向）だけの整形を行う。な
お、複数の光束の加工用基材７上でのスポットのオーバ
ーラップは、凸レンズ４，５の中央を通る軸心に対し
て、円柱レンズ６を回転させて傾斜することで調節でき
る。従って円柱レンズ６は軸心に対して傾斜可能に構成
するのがよい。エネルギ密度は、円柱レンズ６がないと
きの干渉領域Ａの仮想切断面の面積Ｓ０と、円柱レンズ
６を設けたときの干渉領域Ａの仮想切断面の面積Ｓ１の
比から定まるＳ０／Ｓ１倍だけ集中される。この方法に
よりエネルギ密度を１０倍以上にするのが容易に行え
る。なお、実施の形態１においては、干渉域整形光学素
子として円柱レンズ６（なお集光用光学素子は凸レンズ
４，５）を用いているが、ここで採用するレンズは波長
による分散の影響を抑えるため、アクロマティックレン
ズ（色消しレンズ）を用いるのが好ましい。さらに、干
渉域整形光学素子はこれに限らずフレネルレンズ、回折
レンズ、凹面鏡等によっても実現できるし、これらも波
長による分散の影響を抑えることができる。そしてま
た、光束がコリメートした状態では凸レンズ４は回折格
子３から焦点距離ｆ１だけ離れた位置に配置され、凸レ
ンズ５はこれから（ｆ１＋ｆ２）だけ離れた位置に置か
れ、加工用基材７は凸レンズ５から焦点距離ｆ２離れた
位置に配置される。円柱レンズ６はこの加工用基材７か
ら焦点距離ｆ３だけ離れた位置に設けられる。

【００４５】７は表面または内部に微細な構造を加工す
る加工用基材である。加工用基材７の材質としては金
属、セラミック、ガラス、プラスチック、結晶等とくに
制限がない。中でもとくに注目されるのは熱伝導率の大
きな金属材料であって、通常のレーザ加工では波長オー
ダの微細な周期構造を加工することは難しいが、本発明
の加工方法によれば周囲に大きな影響を与えることなく
微細加工が実現できる（図３参照）。なお、サファイ
ア、金属膜、合成石英、アクリル、ポリスチレン、スラ
イドグラス等においてそれぞれ波長オーダの加工が可能
なことを実測により確認している。８はＸＹＺステージ
（本発明の基材装着台）、８ａは駆動モータ（本発明の
装着台駆動部）である。ＸＹＺステージ８は、ステージ
（図示しない）の上に加工用基材７が装着され、駆動モ
ータ８ａによってＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向の３方向にそ
れぞれ独立に制御される。これによって加工用基材７の
任意の方向への移送が可能になる。なお、ＸＹＺステー
ジ８はＺ軸回りに回転可能なＸＹＺθステージとするの
でもよい。９は回折格子３で回折した光束のうち中央を
透過する０次の回折光を遮断するダンプ部である。ダン
プ部９はダンプしないでもよいし、他の次数光をダンプ
することで異なる形状を作製することもできる。

【００４６】次に、１０は実施の形態１のレーザ加工装
置の制御を行うシステム制御部、１０ａはシステム制御
部１０を構成する中央制御装置（ＣＰＵ）にロードする
制御プログラムや周期構造を加工するための設定デー
タ、例えばＸＹＺステージ８の移動速度等を格納するメ
モリ部、１０ｂはレーザの繰り返し周波数、ショット数
等を設定データを入力する入力部、１０ｃは入力部１０
ｂから入力するとき入力内容を表示したりレーザ加工時
の運転状態を表示する表示部、１０ｄは計時手段、１０
ｅはショット数をカウントするカウンタ、１０ｆは干渉
領域Ａの位置を検出し駆動モータ８ａを駆動させるため
のＣＣＤ等の位置検出センサである。なお、位置検出セ
ンサ１０ｆに代えて、干渉形状を検出するセンサ、ある
いは加工形状を検出するセンサ等を使用するのでもよ
い。これらは干渉形状や加工形状の特異的な形状を基に
位置を検出することができる。位置検センサ１０ｆもし
くはこれらのセンサからの検出データを画像処理してＸ
ＹＺステージ８の位置が干渉領域Ａの加工最適位置に制
御される。

【００４７】ところで、以上説明したレーザ加工装置
は、レーザ光がレーザ駆動部１，増幅部１ａから照射さ
れ、アパーチャー２を通って透過型の回折格子３で回折
されるものである。しかし、回折格子には透過型のほか
に反射型の回折格子も存在する。この反射型の回折格子
を使用することで、基本的にまったく同様のレーザ加工
装置を作ることができる。図１（ｂ）において、３ａは
反射型回折格子、２０はミラーである。図１（ｂ）には
図示しないが、レーザ駆動部１，増幅部１ａから照射さ
れ、アパーチャー２を通ったレーザ光がミラー２０に入
射される。ミラー２０において反射されたレーザ光は反
射型回折格子３ａで回折され、複数の光束に分かれて凸
レンズ４に導かれる。ミラー２０と反射型回折格子３ａ
を除いて他の構成は図１（ａ）の透過型の回折格子３の
場合とまったく同一である。従って詳細な説明は省略す
る。この反射型回折格子３ａとミラー２０を用いたレー
ザ加工装置は、レーザ駆動部１と増幅部１ａを直線状に
配置する必要がないため、横長の構成とならず、装置を
コンパクトにすることができる。

【００４８】続いて、このように構成された実施の形態
１のフェムト秒レーザ装置の動作について説明する。シ
ステム制御部１０の電源スイッチ（図示しない）をＯＮ
することにより、システム制御部１０はメモリ部１０ａ
から制御手順を実行する制御プログラムをロードし、表
示部１０ｃに入力画面を表示させ、制御のための設定値
を入力できるようにする。入力部１０ｂから加工用基材
７の材質や、内部加工か表面加工か、また表面加工のと
きには穴形状、深さ、繰り返し周波数、ショット回数等
の基本的な設定データを入力すると、システム制御部１
０はメモリ部１０ａからこの設定データと関係付けらて
いる関連データ、例えば繰り返し周波数から定まるＸＹ
Ｚステージ８の移動速度等のデータを読み出し、表示部
１０ｃに表示する。

【００４９】この表示内容を確認した後、システム制御
部１０のスタートボタン（図示しない）を押すことによ
り、レーザ駆動部１の励起用のグリーン固体レーザの動
作を開始する。チタンサファイアレーザが発振し、増幅
部１ａで増幅されたフェムト秒レーザ光は、システム制
御部１０から駆動部２ｂへの動作命令でシャッタ２ａが
開かれ、１ショット目が出射される。繰り返し周波数１
０Ｈｚで出射させるため、システム制御部１０はレーザ
光を出射する少なくとも１パルス（９０ｆｓ）前にシャ
ッタ２ａを開放する。これは、発振開始から計時手段１
０ｄによってタイミングを計って実行する。この後レー
ザ光は回折格子３で回折されて複数の光束に分割され
る。システム制御部１０は最初の１ショットを出射した
後、レーザ光の出射が終わった少なくとも１パルス（９
０ｆｓ）後にシャッタ２ａを閉止する。またシステム制
御部１０は最初の１ショットの加工が終わると、二度目
のショットを行うべく、レーザ駆動部１を発振させ増幅
部１ａで増幅させる。

【００５０】分割された光束は凸レンズ４を透過し、０
次の回折光はダンプ部９で遮断され、凸レンズ５で再び
集光される。このとき分離されている光束が凸レンズ５
の焦点近くで干渉を起こす。そして凸レンズ５とこの干
渉領域Ａとの間に円柱レンズ６が配置されているため、
干渉領域Ａは図１（ａ）に示す領域に扁平化され、エネ
ルギ密度が高く厚さが薄い領域の中に干渉縞の光強度の
強いスポットが点在した領域が形成される。このとき、
システム制御部１０は位置検出センサ１０ｆからの検出
信号に基づいてＺ方向の駆動モータ８ａを駆動して最適
位置に移送させている。従って加工用基材７は加工中最
適加工位置にあり、フェムト秒レーザによる最初の１シ
ョットの加工がこの干渉縞の光強度の強い複数のスポッ
トで同時に行われる。

【００５１】システム制御部１０は最初の１ショットの
加工が終わると、カウンタ１０ｅでカウントし、Ｘ方向
及び／またはＹ方向の駆動モータ８ａに起動をかけ、加
工用基材７の所定の方向への移送を開始する。計時手段
１０ｄの計時により、二度目のショットを行う９０ｆｓ
以上前にシャッタ２ａを開放し、増幅部１ａから二度目
のショットを出射する。このレーザ光は回折格子３で回
折され、凸レンズ４，５、円柱レンズ６を透過して干渉
領域Ａを形成する。この間、ＸＹＺステージ８は設定さ
れた移送速度で所定方向に移送されており、またＺ方向
には最適加工位置に制御されているため、最初のショッ
トから所定の間隔だけ離れた位置において、二度目のシ
ョットで二列目の穴等の加工（以下、穴等）が複数個並
んで同時に行われる。加工用基材７が透明体であって内
部加工の場合は、加工は屈折率等の光学特性の変化とな
る。

【００５２】以下、以上の繰り返しを続け、カウンタ１
０ｅのカウント数が入力された所定の回数に達したら、
システム制御部１０はレーザ駆動部１の励起用グリーン
固体を停止させ、ＸＹＺステージ８の移送動作を停止す
る。このとき、１ショットで加工された一列の穴等が、
所定ピッチで複数列並んで形成された加工物が完成す
る。各列は移送速度によって決まる所定ピッチだけ離
れ、設定カウント回数の列が並んだものとなる。内部加
工の場合は材質特性が変化した加工物となる。そして移
送速度を下げるとピッチが小さくなり、複数の穴等が移
送方向に連なって、長い溝を形成することできる。

【００５３】続いて、本発明の実施の形態１の回折格子
３による干渉領域Ａが、フェムト秒レーザの波面同士に
傾きがある従来のビームスプリッタと比較して大きく拡
大されることを説明する。図２（ａ）は回折格子による
干渉領域を示す概念図、図２（ｂ）はビームスプリッタ
による干渉領域を示す概念図である。

【００５４】図２（ｂ）に示すように、従来技術のよう
にビームスプリッタで分離された光束は、各光束の光軸
に対してその波面が垂直であり、角度θで交差するとき
２つの波面同士は平行とはならない。このときの干渉領
域Ｂの幅Ｗは、各波面の波連長さａと光束の交差する角
度θにより、ｗ＝ａ／ｓｉｎ（θ／２）となる。この領
域以外の部分では干渉することなくそのまま通過する。
波連長さａはパルス幅τ、光速ｃを使うとａ＝τ・ｃで
あるから、非常に小さな値となり、従って干渉領域Ｂの
幅ｗも非常に小さな値となり、通常は数百μｍとなる。
例えばτ＝１００ｆｓ、θ＝１０°とした場合、ｗ＝３
４４μｍである。

【００５５】これに対し実施の形態１のように回折格子
で分離した場合、図２（ａ）に示すように実施の形態１
の回折格子３で回折された光束は２つの波面同士が平行
な関係を保って交差する。このため干渉領域Ａの幅ｗは
大きくなり、光束のビーム径ｂと光束の交差する角度θ
により、ｗ＝ａ／ｃｏｓ（θ／２）となる。そしてビー
ム径ｂは数ｍｍ程度にすることが可能であり、この結
果、干渉領域Ａの幅はビームスプリッタの干渉領域Ｂの
幅と比較し１０倍以上の値となる。例えば光束のビーム
径ｂを５ｍｍ、θ＝１０°とすると、ｗ＝５．０２ｍｍ
になる。言い換えれば実施の形態１のレーザ加工装置
は、分割しただけのレーザ光で加工する加工面積を１０
倍以上に拡大することがきわめて容易に行える。

【００５６】以上説明した実施の形態１のレーザ加工装
置によって、膜厚２００ｎｍの金属膜を加工した場合の
結果について説明する。図３（ａ）は本発明の実施の形
態１におけるレーザ加工装置で金属膜を加工した顕微鏡
写真図、図３（ｂ）は（ａ）の写真の拡大図である。縦
横の大きさが１０ｍｍ×１０ｍｍの基板を実施の形態１
のレーザ加工装置で加工を行った。実験条件はパルス幅
９０ｆｓ、波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１０Ｈｚ、
光束の交差角３．０°、１パルス当り１．３ｍＪ、基板
の移送速度１５０μｍ／ｓｅｃ、加工幅６ｍｍである。
図３（ａ）（ｂ）によれば、３μｍ〜５μｍの穴が６μ
ｍ程度の間隔をおいて整然と並んで周期的構造となって
いるのが分かる。各穴の深さは、エネルギ密度を上げる
ため、パワーピーク値，パルス幅，ショット数（同一位
置で複数回行うショット回数）、レンズ位置と絞り等を
操作することで調節できる。図３（ａ）（ｂ）の場合、
穴の深さは２００ｎｍ以上である。

【００５７】なお、図３（ａ）（ｂ）において図示はし
ないが、基板の移送速度を変化させると穴等間のピッチ
が変化し、穴等の分布状況が変わる。すなわち、移送速
度１５０μｍ／ｓｅｃの場合６μｍ程度の間隔をおいて
並んでいるが、移送速度５５μｍ／ｓｅｃにしたときに
は、ほぼ０μｍで穴等が密着した状態となる。さらに、
移送速度１２μｍ／ｓｅｃにしたときには、穴等同士が
完全に連なり、各列が溝を形成する。従って、溝が形成
されなかった部分はこのような溝によってランドとな
り、これによって金属膜が複数に分割される。１ピッチ
離れた２つの溝によって分割された金属膜は、いわば１
本の独立した線となって基板上に残る。すなわち、この
線を基板から剥離すれば、数μ以下の幅で厚さ数百ｎｍ
以下のナノワイヤを簡単に形成できることになる。

【００５８】このように実施の形態１のレーザ加工装置
とレーザ加工方法によれば、回折格子３を使用すること
によって複数の光束の波面を平行を保って交差させるこ
とができ、波面が傾斜している場合と比較して干渉領域
を１０倍以上に拡大することができる。分離した光束間
の光軸合わせが容易になる。また、円柱レンズ６によっ
て空間的に干渉領域を一方向に圧縮するため、エネルギ
密度を簡単に集中するとともに加工範囲を広くすること
ができる。ライン上に所定ピッチで並んだような微細な
波長オーダの周期構造を容易に加工することができる。
周期構造を加工するためのコントロールが光束の干渉で
行えるため容易であり、従来のように光学的遅延回路を
設けたりする大型で複雑な構成が必要でなく、安価なレ
ーザ加工装置にすることができる。加工用基材７が結晶
の場合、結晶表面に照射するエネルギを調節することに
より、結晶の格子常数レベルの大きさの微細加工を行う
ことができる。アブレーションのほか、感光、露光等
や、ケミカルなエッチングとを組み合わせて利用するこ
とができる。同様に内部加工することでフォトニック結
晶の一括作成が可能になる。

【００５９】（実施の形態２）本発明の実施の形態２に
おけるレーザ加工装置とレーザ加工方法について説明す
る。図４（ａ）は本発明の実施の形態２におけるレーザ
加工装置の正面図、図４（ｂ）は（ａ）のレーザ加工装
置の平面図、図４（ｃ）は（ａ）の円柱レンズのＸ１−
Ｘ１方向側面図、図４（ｄ）は（ａ）の加工用基材のＸ
２−Ｘ２方向側面図である。実施の形態２のレーザ加工
装置は、集光用光学素子を除き基本的に実施の形態１の
レーザ加工装置と同様の構成を有しているため、同一符
号は同一の構成を示している。従って、同一符号の説明
は実施の形態１に譲って、ここでは省略する。

【００６０】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すよう
に、実施の形態２のレーザ加工装置は、１はレーザ駆動
部、１ａは増幅部、２はアパーチャー、３は回折格子、
６は円柱レンズ、７は加工用基材、８はＸＹＺステー
ジ、９はダンプ部である。その他のシステム制御関連の
構成は、図示しないが実施の形態１と同様である。１１
は集光用光学素子である円柱レンズである。実施の形態
２の回折格子３は７つの光束に分割できる回折格子であ
る。なお当然のことであるが、この回折格子３の光束の
分割数を７つとするのは一例に過ぎないものである。

【００６１】図４（ａ）（ｂ）において、レーザ駆動部
１から出射された超短パルスレーザ光は回折格子３で回
折され、図４（ｃ）に示す通り７つの光束に分割されて
円柱レンズ１１に入射される。円柱レンズ１１では長手
方向は屈折されて集光することなくそのまま透過し、横
幅方向の光は集光される。この一方向へ集光されたレー
ザ光が円柱レンズ６に入射される。なお中央の光束はダ
ンパ部９によって遮断される。遮断しなくても基本的に
は変わりがない。円柱レンズ６は干渉域整形光学素子と
して作用するもので、円柱レンズ１１と平行するように
配置され、図４（ｂ）に示すように横幅方向の集光作用
により円柱レンズ１１からの光束を中央に集光する。そ
して円柱レンズ６の作用で、円柱レンズ６の焦点位置近
傍で対応関係にある左右２つの光束が交差し干渉する。
しかし、円柱レンズ１１，円柱レンズ６は長手方向に関
して集光作用がないので、図４（ａ）に示すように回折
で広がった光束は、屈折作用を受けることなくそのまま
円柱レンズ１１，円柱レンズ６内を透過し、直進する。
従って干渉領域は長手方向に離れた位置に形成されるこ
とになる。そしてこの干渉領域に加工用基材７が置か
れ、高エネルギの超短パルスレーザ光の光強度が強まっ
たところで加工される。なお、円柱レンズ１１，円柱レ
ンズ６の焦点位置の関係は実施の形態１と同様であり、
省略する。

【００６２】この加工用基材７上に照射された干渉領域
は、７つの光束に分割する回折格子３の場合は、図４
（ｄ）のように横幅方向に３つの円形もしくは楕円形の
スポットが並んで形成される。各スポット内には複数の
干渉縞が形成されるから、この干渉縞で光強度の強いと
ころでアブレーション等が可能になり加工することがで
きる。従って、実施の形態２の場合には多数の微細周期
構造をもつ領域が３つ並んで同時に形成される。

【００６３】このように本実施の形態２のレーザ加工装
置とレーザ加工方法は、実施の形態１の凸レンズ２枚の
場合と比較して焦点及び干渉領域のエネルギ密度が小さ
くなるために、大気中で加工してもエアブレークダウン
が起きにくくなる。すなわち、レーザ光を絞り込んで
も、焦点位置で空気がプラズマ状態となってビームの質
が低下することがない。また、フィルタを挿入するとき
にも影響が小さく、ビームの質が低下することがない。

【００６４】（実施の形態３）本発明の実施の形態３に
おけるレーザ加工装置とレーザ加工方法について説明す
る。図５（ａ）は本発明の実施の形態３におけるレーザ
加工装置の正面図、図５（ｂ）は（ａ）のレーザ加工装
置の平面図、図５（ｃ）は（ａ）の球面レンズのＹ１−
Ｙ１方向側面図、図５（ｄ）は（ａ）の加工用基材のＹ
２−Ｙ２方向側面図である。実施の形態３のレーザ加工
装置は、集光用光学素子を除き基本的に実施の形態１の
レーザ加工装置と同様の構成を有しているため、同一符
号は同一の構成を示している。従って、同一符号の説明
は実施の形態１に譲って、ここでは省略する。

【００６５】図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すよう
に、実施の形態２のレーザ加工装置は、１はレーザ駆動
部、１ａは増幅部、２はアパーチャー、３は回折格子、
６は円柱レンズ、７は加工用基材、８はＸＹＺステー
ジ、９はダンプ部である。その他のシステム制御関連の
構成は、図示しないが実施の形態１と同様である。１２
は集光用光学素子である凸レンズである。実施の形態２
の回折格子３は７つの光束に分割できる回折格子であ
る。

【００６６】図５（ａ）（ｂ）において、レーザ駆動部
１から出射された超短パルスレーザ光は回折格子３で回
折され、図５（ｃ）に示す通り７つの光束に分割されて
凸レンズ１２に入射される。凸レンズ１２で各光束は集
光され、図５（ｂ）に示すように焦点を結んだ後、円柱
レンズ６に入射される。なお中央の光束はダンパ部９に
よって遮断される。遮断しなくても結果は同様である。
円柱レンズ６は干渉域整形光学素子として作用するもの
で、横幅方向には集光作用があり、円柱レンズ６の焦点
位置近傍で対応関係にある左右２つの光束が交差し干渉
する。しかし、円柱レンズ６は長手方向に関して集光作
用がないので、図５（ａ）に示すように凸レンズ１２か
らの各光束は、屈折作用を受けることなくそのまま円柱
レンズ６内を透過し、直進する。従って干渉領域はこの
長手方向に分散して形成されることになる。

【００６７】この干渉領域に加工用基材７が置かれてお
り、高エネルギの超短パルスレーザ光によって加工され
る。この加工用基材７上での干渉領域は図５（ｄ）のよ
うにそれぞれ帯状に長く、横幅方向に３つ並んで形成さ
れる。凸レンズ１２と円柱レンズ６の配置関係等を調節
することにより、３つの帯状の干渉領域を重ねることが
できる。各干渉領域内には複数の干渉縞が形成されるか
ら、この干渉縞で光強度の強いところがアブレーション
等を起こして加工される。従って、多数の周期構造を形
成された領域が長く連続して同時に形成される。例えば
各干渉領域の加工範囲が６ｍｍとすれば、１５〜１８ｍ
ｍの長い範囲でレーザ加工が可能になる。もっと加工範
囲を長くしようと思えば、回折格子３の分割する光束の
数を増やせばよい。

【００６８】このように本実施の形態３のレーザ加工装
置とレーザ加工方法は、一方向に長い微細な周期的構造
を簡単に形成することができる。回折格子３で分離する
光束の数を増やせば長さをさらに伸ばすことができる。

【００６９】（実施の形態４）本発明の実施の形態４に
おけるレーザ加工装置とレーザ加工方法について説明す
る。図６（ａ）は本発明の実施の形態４における凹面鏡
を使用したレーザ加工装置の構成図、図６（ｂ）は本発
明の実施の形態４における平面鏡を使用したレーザ加工
装置の構成図である。実施の形態４のレーザ加工装置
は、集光用光学素子を除き基本的に実施の形態１のレー
ザ加工装置と同様の構成を有しているため、同一符号は
同一の構成を示している。従って、同一符号の説明は実
施の形態１に譲って、ここでは省略する。

【００７０】図６（ａ）（ｂ）に示すように、実施の形
態４のレーザ加工装置は、１はレーザ駆動部、１ａは増
幅部、２はアパーチャー、３は回折格子、６は円柱レン
ズ、７は加工用基材、８はＸＹＺステージ、９はダンプ
部である。その他のシステム制御関連の構成は、図示し
ないが実施の形態１と同様である。図６（ａ）において
１３ａ，１３ｂは本発明の集光用光学素子である凹面鏡
である。同じく、図６（ｂ）において１４ａ，１４ｂは
本発明の集光用光学素子である平面鏡である。

【００７１】凹面鏡１３ａ，１３ｂを使って集光する場
合は、レーザ駆動部１，回折格子３，集光用光学素子，
干渉域整形光学素子をライン上に配置する場合と比較し
てかなり自由度のある配置を採ることができる。また、
平面鏡１４ａ，１４ｂを用いる場合は、集光用光学素子
の作製がきわめて容易であり、光束の交差角度θを大き
くするのが容易である。図６（ｂ）の平面鏡１４ａ，１
４ｂを凹面鏡に変えて、エネルギ分布、波長成分を調節
することもできる。

【００７２】そして、凹面鏡１３ａ，１３ｂ、平面鏡１
４ａ，１４ｂを用いた場合、レンズを用いた場合のよう
なレンズ媒質による分散（波長による屈折率の相違）が
無いため、パルス幅が長くなることがない。すなわち、
フェムト秒レーザー光にはある程度のスペクトル幅があ
り、波長によって媒質を通過するときの速度が異なる。
従ってレンズを用いる場合は通常若干のパルス幅の伸張
が発生するが、凹面鏡１３ａ，１３ｂ、平面鏡１４ａ，
１４ｂを用いる場合は媒質内を透過することがなくパル
ス幅が伸びることがない。このためパルスのパワーピー
ク値が低下することもない。

【００７３】このように実施の形態４のレーザ加工装置
とレーザ加工方法は、レンズ媒質による分散がないため
パルス幅が伸びることがなく、パルスのパワーピーク値
が低下することもない。

【００７４】（実施の形態５）続いて、本発明の実施の
形態５におけるレーザ加工装置とレーザ加工方法につい
て説明する。実施の形態５は、分離された複数の光束が
形成する干渉領域の干渉パターンを変化させるために、
様々の手段を講じたものである。図７（ａ）は本発明の
実施の形態５における干渉パターン変化手段として周方
向に焦点距離が変化する凸レンズを備えたレーザ加工装
置の構成図、図７（ｂ）は本発明の実施の形態５におけ
る干渉パターン変化手段として周波数成分遮断部を備え
たレーザ加工装置の構成図、図７（ｃ）は本発明の実施
の形態５における干渉パターン変化手段としてフィルタ
を備えたレーザ加工装置の構成図、図７（ｄ）は本発明
の実施の形態５における干渉パターン変化手段として非
線形波長変換部を備えたレーザ加工装置の構成図であ
る。実施の形態５のレーザ加工装置は、複数の光束が形
成する干渉領域の干渉パターンを変化させる干渉パター
ン変化手段を除き、基本的に実施の形態１のレーザ加工
装置と同様の構成を有しているため、同一符号は同一の
構成を示している。従って、同一符号の説明は実施の形
態１に譲って、ここでは省略する。

【００７５】図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）において、
１はレーザ駆動部、１ａは増幅部、２はアパーチャー、
３は回折格子、４，５は凸レンズ、６は円柱レンズ、７
は加工用基材、８はＸＹＺステージ、９はダンプ部であ
る。その他のシステム制御関連の構成は、図示しないが
実施の形態１と同様である。

【００７６】図７（ａ）に示すレーザ加工装置は、光束
の干渉パターンを変化させるために、周方向で部分的に
焦点距離が変化する凸レンズを使用するものである。図
７（ａ）において、１５ａは焦点距離が相対的に長い上
半分の凸レンズ、１５ｂは焦点距離が相対的に短い下半
分の凸レンズである。この形態の場合、凸レンズ１５
ａ，１５ｂはレンズ半分で焦点距離が変わっているが、
一枚の凸レンズで周方向に部分的に異なった焦点距離を
複数個もつ凸レンズを使用することもできる。また、同
じ焦点距離のレンズを複数個異なる場所に置くことでも
同様の効果が得られる。

【００７７】このように凸レンズ１５ａ，１５ｂは光束
ごとに異なった焦点距離を有しているから、上下の干渉
する光束の干渉縞が、実施の形態１のように一様な強弱
で繰り返す単調なパターンを示すのではなく、単調でな
い様々の波形を示す光強度のパターンを要素として繰り
返すものとなる。そして円柱レンズ６を使ってエネルギ
密度を上げたとき、アブレーションの閾値を越えたとこ
ろではアブレーションを起こして穴等が形成され、閾値
を越えないところでは加工されない。また、加工用基材
７の屈折率等の材質特性を変化させる場合は、特性を変
化させるだけの光強度を加工部位にもつ干渉パターンを
作成するようにレンズを調整すればよい。

【００７８】次に、図７（ｂ）に示すレーザ加工装置
は、光束の干渉パターンを変化させるために、周波数成
分遮断部を使用するものである。図７（ｂ）において、
１６は回折格子３から受光した凸レンズ４が集光する焦
点近傍に設けられ、光束の所定の位置の光成分を除去す
る周波数成分遮断部である。この周波数成分遮断部１６
は、遮断したい所定の位置には光を不透過もしくは減衰
する材料（光吸収材料）を配置するとともに、残りの部
分には光を透過する透明媒質（透明ガラス等）を配置し
て構成するのが簡単である。そして光束の外周側を遮断
する場合は、外周側から不透過もしくは減衰させる素材
を挿入するだけでよい。また、周波数成分遮断部１６に
は上述の液晶透過ユニットを用いることができる。

【００７９】回折格子３を用いる場合には波長によって
回折角が異なるため、焦点においてレンズ内周側に高周
波数成分（短波長成分）が集まり、外周側に低周波成分
（長波長成分）が集まる。従って、周波数成分遮断部１
６によって光束の所定の位置の周波数成分を遮断すれ
ば、上下の干渉する光束の干渉縞は、強弱の一様な単調
なパターンを示すのではなく、不均一な光強度分布から
構成される単調でないパターンを繰り返すものとなる。
この光強度の強い部分で加工すればよい。なお、周波数
成分遮断部１６は、光を完全にまたは一部だけしか透さ
ない、不透光の部材であればどのようなものでもよい。

【００８０】この形態においては、周波数成分遮断部１
６で物理的に所定の周波数成分を減衰もしくは除去する
ため、干渉縞パターン及びパルスの時間形状をきわめて
容易に変化させることができる。

【００８１】続いて、図７（ｃ）に示すレーザ加工装置
は、光束の干渉パターンを変化させるために、フィルタ
を使用するものである。図７（ｃ）において、１７は凸
レンズ４が出射する光束の一部を除去するフィルタであ
る。フィルタ１７は、光束から所定の周波数成分を除去
する波長フィルタであっても、光強度を低減する強度フ
ィルタであってもよい。フィルタ１７が波長フィルタの
場合、物理的に所定の周波成分を除去することができ、
干渉縞パターンを変化させることができる。波長フィル
タは干渉領域前のどこにでも配置できる。また、フィル
タ１７が強度フィルタの場合、これを介すことで光強度
が変化するから加工用基材に加える加工度に変化を与え
ることができる。なお、一方の光束の光路に強度フィル
タを設けた場合には、２つの光束を干渉させたときの光
強度分布が変動部分と基礎的強度部分との和から構成さ
れるようになる。基礎的強度が材質特性変更の閾値を越
えれば、加工用基材７の特性変更を全面的に行い、部分
的にアブレーションをするといった加工が可能になる。

【００８２】そして、図７（ｄ）に示すレーザ加工装置
は、光束の干渉パターンを変化させるために、非線形波
長変換部を使用するものである。図７（ｄ）において、
１８，１８ａ，１８ｂは非線形波長変換部である。非線
形波長変換部１８，１８ａ，１８ｂはこれらのうちどれ
が設けられるのでもよい。波長変換には高調波発生、パ
ラメトリック変換、ラマン散乱などがある。光遅延調整
を行うため非線形波長変換部１８ａ，１８ｂ等でそれぞ
れ線形媒質との組み合わせて作製することができる。な
お、非線形波長変換部１８，１８ａ，１８ｂの設置個所
はこの３個所に限られない。このように非線形の波長変
換を行うことにより干渉パターンを変化させることがで
きる。

【００８３】このように実施の形態５のレーザ加工装置
は、干渉領域の干渉パターンを変化させるための様々の
干渉パターン変化手段を講じているので、実施の形態１
〜４は光強度が強くなる位置が等ピッチで形成されたの
に対し、光強度が強くなる位置を不等ピッチで形成する
ことができる。なお、干渉パターン変化手段を各光束に
配置するため、光学的遅延が各光束間で無視できなくな
ることも生じるが、この場合透明媒質を挿入して光学的
遅延の調整をするのが好適である。

【００８４】以上説明したように実施の形態５のレーザ
加工装置は非単調な干渉パターンを形成できる。従っ
て、実施の形態５のレーザ加工装置は、実施の形態１〜
４と同様にＸＹＺステージ８を駆動することにより、Ｘ
Ｙ平面上に等ピッチで周期的に並んだ模様や文字，記
号，ラインを穴列で描くことができるだけでなく、移送
速度と干渉パターンと組み合わせることにより、周期的
模様やラインのほかに、単調でない周期的模様やライ
ン、さらには自在な模様やラインを描くことができる。
すなわち、多数の穴等から構成されるドット列を、それ
ぞれ任意の位置で、且つ任意の形状に形成することがで
きる。干渉パターン変化手段を使って干渉パターンを次
々と変化させながらＸＹ方向の移送速度を制御すると、
多様なラインのドット列を同時に形成することが可能に
なる。そして、移送速度を小さくしてドット列を連続し
た溝にすれば、数μ以下の幅で厚さ数百ｎｍ以下のナノ
ワイヤを形成することができるから、これによってナノ
レベルの回路基板を作成することもできる。

【００８５】

【発明の効果】本発明のレーザ加工装置によれば、回折
光学素子を使用することによって複数の光束の波面の平
行性を保ち、加工用基材をこの波面に平行に配置するこ
とができ、ビームスプリッタを使ったために波面同士が
傾斜している場合と比較して干渉領域、言い換えれば加
工範囲を実用的に１０倍程度、理論上はそれ以上に拡大
することができ、しかも光軸合わせが容易になる。ま
た、干渉域整形光学素子によって空間的に干渉領域を一
方向に圧縮するため、エネルギ密度を簡単に集中すると
ともに加工範囲は広くとることができ、加工用基材表面
または内部にライン状に所定ピッチで並んだ微細で波長
オーダの周期構造を容易に加工することができる。内部
加工することでフォトニック結晶の一括作成が可能にな
る。周期構造を加工するためのコントロールが光束の干
渉を調整することにより行えるため容易であり、従来の
ように光学的遅延回路を設けたりする大型且つ複雑な構
成が必要でなく、従ってきわめて安価なレーザ加工装置
にすることができる。

【００８６】また、干渉域整形光学素子が円柱レンズで
あるから、円柱レンズによって干渉領域を扁平化するの
がきわめて容易であり、加工領域をライン上に並んだ波
長オーダの微細周期構造にすることができる。１ショッ
トで加工する加工範囲は、扁平化しない長手方向の数ｍ
ｍ以上となり、広い範囲を加工できる。

【００８７】基材装着台で移送しながら加工するため、
一次元の周期的構造を加工し、これを平行移動すること
により二次元の微細周期構造を容易に形成できる。基材
装着台が三次元駆動ステージであり、一次元の周期的構
造を加工したものを平行移動して二次元あるいは三次元
の微細周期構造を容易に形成でき、加工用基材を干渉領
域の所定の位置に配置し且つ加工のためのコントロール
が容易になる。

【００８８】システム制御部によって一〜三次元の微細
周期構造を容易に形成でき、加工用基材を干渉領域の所
定の位置に配置して加工のコントロールが容易になる。

【００８９】そして、集光用光学素子が２つの球面レン
ズから構成されたため、２つの球面レンズの焦点距離と
位置を変化させて、干渉領域の大きさ、エネルギ密度を
変化させることができる。レーザ側の球面レンズの方の
焦点距離を加工用基材側の球面レンズの焦点距離より大
きくすると、光路の角度が変化するために干渉縞の間隔
が狭くなり、逆にレーザ側の球面レンズの方の焦点距離
を加工用基材側の球面レンズの焦点距離より小さくする
と、干渉縞の間隔をひろくすることができる。

【００９０】また、集光用光学素子が円柱レンズから構
成されたから、焦点及び干渉領域におけるエネルギ密度
が球面レンズの場合と比較して小さくなるために、大気
中で加工してもエアブレークダウンが生じにくくなる。
また、フィルタを挿入するときにも影響が小さい。集光
用光学素子が１つの球面レンズから構成されたため、一
方向に長い微細な周期的構造を簡単に形成することがで
きる。回折光学素子で分離する光束の数を増やせば長さ
をさらに伸ばすことができる。集光用光学素子が２つの
ミラーから構成されたから、球面レンズとは異なりレン
ズ媒質による分散がないためパルス幅が長くなることが
ない。

【００９１】さらに、光束の所定の位置の光成分を除去
する周波数成分遮断部が設けられたため、周波数成分遮
断部で物理的に所定の位置の光成分を減衰または除去す
ることにより、任意の周波数成分を減衰もしくは除去す
ることができ、その組み合わせで干渉縞パターンとパル
スの時間形状を変化させることができる。また、波長フ
ィルタが設けられたため、波長フィルタで物理的に所定
の周波成分を除去することができ、干渉縞パターンとパ
ルスの時間形状を変化させることができる。波長フィル
タは干渉領域前のどこにでも配置できる。強度フィルタ
が設けられたから、強度フィルタによって光強度を変化
させ、加工用基材に対する加工度に変化をもたせること
ができる。そして、光路の中に非線形波長変換を行う非
線形波長変換部を設けたことにより干渉パターンを変化
させることができる。２つの球面レンズのうち少なくと
も一方の球面レンズが周方向に変化した焦点距離を有し
ているため、複数の光束ごとに焦点距離が異なるため、
周期が変化する加工を施すことができる。さらに加工用
基材上でのスポットのオーバーラップを調節することが
できる。

【００９２】本発明のレーザ加工方法によれば、超短パ
ルスレーザ光を回折光学素子によって複数の光束に分離
するとともに、該光束を互いに干渉させ、干渉領域を扁
平な領域に整形するとともにエネルギ密度を集中するか
ら、回折光学素子を使用することによって複数の光束の
波面の平行性を保ち、加工用基材をこの波面に平行に配
置することができ、ビームスプリッタを使ったために波
面同士が傾斜している場合と比較して干渉領域、言い換
えれば加工範囲を実用的に１０倍程度、理論上はそれ以
上に拡大することができ、しかも光軸合わせが容易にな
る。また、干渉域整形光学素子によって空間的に干渉領
域を一方向に圧縮するため、エネルギ密度を簡単に集中
するとともに加工範囲は広くとることができ、ライン上
に所定ピッチで並んだ微細で波長オーダの周期構造を容
易に加工することができる。内部加工することでフォト
ニック結晶の一括作成が可能になる。周期構造を加工す
るためのコントロールが光束の干渉を調整することによ
り行えるため容易であり、従来のように光学的遅延回路
を設けたりする大型且つ複雑な構成が必要でなく、従っ
てきわめて安価なレーザ加工装置にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるレーザ加
工装置の構成図 （ｂ）反射型回折格子を使用した場合の要部拡大図 本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置の構成図

【図２】（ａ）回折格子による干渉領域を示す概念図 （ｂ）ビームスプリッタによる干渉領域を示す概念図

【図３】（ａ）本発明の実施の形態１におけるレーザ加
工装置で金属膜を加工した顕微鏡写真図 （ｂ）（ａ）の写真の拡大図

【図４】（ａ）本発明の実施の形態２におけるレーザ加
工装置の正面図 （ｂ）（ａ）のレーザ加工装置の平面図 （ｃ）（ａ）の円柱レンズのＸ１−Ｘ１方向側面図 （ｄ）（ａ）の加工用基材のＸ２−Ｘ２方向側面図

【図５】（ａ）本発明の実施の形態３におけるレーザ加
工装置の正面図 （ｂ）（ａ）のレーザ加工装置の平面図 （ｃ）（ａ）の球面レンズのＹ１−Ｙ１方向側面図 （ｄ）（ａ）の加工用基材のＹ２−Ｙ２方向側面図

【図６】（ａ）本発明の実施の形態４における凹面鏡を
使用したレーザ加工装置の構成図 （ｂ）本発明の実施の形態４における平面鏡を使用した
レーザ加工装置の構成図

【図７】（ａ）本発明の実施の形態５における干渉パタ
ーン変化手段として周方向に焦点距離が変化する凸レン
ズを備えたレーザ加工装置の構成図 （ｂ）本発明の実施の形態５における干渉パターン変化
手段として周波数成分遮断部を備えたレーザ加工装置の
構成図 （ｃ）本発明の実施の形態５における干渉パターン変化
手段としてフィルタを備えたレーザ加工装置の構成図 （ｄ）本発明の実施の形態５における干渉パターン変化
手段として非線形波長変換部を備えたレーザ加工装置の
構成図

【図８】ビームスプリッタで２光束に分割した従来のレ
ーザ加工装置

【図９】回折光学素子を使った従来のレーザ加工装置

【符号の説明】

１ レーザ駆動部 １ａ 増幅部 ２ アパーチャー ２ａ シャッタ ２ｂ シャッタ駆動部 ３ 回折格子 ３ａ 反射型回折素子 ４，５，１２，１５ａ，１５ｂ 凸レンズ ６，１１ 円柱レンズ ７ 加工用基材 ８，１０７ ＸＹＺステージ ８ａ 駆動モータ ９ ダンプ部 １０ システム制御部 １０ａ メモリ部 １０ｂ 入力部 １０ｃ 表示部 １０ｄ 計時手段 １０ｅ カウンタ １０ｆ 位置検出センサ １３ａ，１３ｂ 凹面鏡 １４ａ，１４ｂ 平面鏡 １６ 周波数成分遮断部 １７ フィルタ １８，１８ａ，１８ｂ 非線形波長変換部 ２０ ミラー １００ フェムト秒レーザ １０１ 可変ビーム減衰器 １０２，１０４，１０５ レンズ １０３ 回折光学素子 １０６ ワークピース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 3/08 Ｇ０２Ｂ 3/08 5/18 5/18 Ｇ０２Ｆ 1/21 Ｇ０２Ｆ 1/21 Ｆターム(参考） 2H049 AA02 AA06 AA12 AA55 4E068 CA01 CA03 CA04 CA06 CA09 CD04 CD10 CD11 CD14 CE05

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超短パルスレーザ光を生成するレーザ駆
   動部と、 前記超短パルスレーザ光が前記レーザ駆動部から入射さ
   れたとき、該超短パルスレーザ光を複数の光束に分離す
   る回折光学素子と、 前記回折光学素子によって分離された光束を互いに干渉
   させるために集光する集光用光学素子と、 前記光束が互いに交差して干渉する干渉領域と前記集光
   用光学素子との間に設けられた干渉域整形光学素子と、 前記超短パルスレーザ光によって加工するため、加工用
   基材を前記干渉領域に配設することができる基材装着台
   を備え、 前記干渉域整形光学素子が、前記干渉領域を扁平な領域
   に整形するとともにエネルギ密度を集中し、前記加工用
   基材と該干渉領域の物質レーザ相互作用によって微細加
   工することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 超短パルスレーザ光がフェムト秒レーザ
   光またはピコ秒レーザ光であることを特徴とする請求項
   １記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 干渉域整形光学素子が円柱レンズから構
   成されたことを特徴とする請求項１または２記載のレー
   ザ加工装置。
4. 【請求項４】 基材装着台の移動を行う装着台駆動部を
   備え、加工用基材を移送することにより移送方向に微細
   加工を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
   記載のレーザ加工装置。
5. 【請求項５】 基材装着台が三次元駆動ステージであ
   り、装着台駆動部が三次元ステージ駆動部であることを
   特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
6. 【請求項６】 レーザ駆動部を制御して所定の超短パル
   スレーザ光を生成するシステム制御部を備え、該システ
   ム制御部が前記装着台を所定の移動速度で移動させ、前
   記加工用基材に微細構造を形成することを特徴とする請
   求項４または５記載のレーザ加工装置。
7. 【請求項７】 集光用光学素子が２つの球面レンズから
   構成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに
   記載のレーザ加工装置。
8. 【請求項８】 集光用光学素子が円柱レンズから構成さ
   れたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の
   レーザ加工装置。
9. 【請求項９】 集光用光学素子が１つの球面レンズから
   構成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに
   記載のレーザ加工装置。
10. 【請求項１０】 集光用光学素子が２つのミラーから構
    成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記
    載のレーザ加工装置。
11. 【請求項１１】 前記集光用光学素子の焦点近傍に設け
    られ光束の所定の位置の光成分を除去する周波数成分遮
    断部が設けられたことを特徴とする請求項７または１０
    記載のレーザ加工装置。
12. 【請求項１２】 前記集光用光学素子が出射する光束か
    ら所定の周波数成分を除去する波長フィルタが設けられ
    たことを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の
    レーザ加工装置。
13. 【請求項１３】 互いに交差して干渉する光束のうち１
    以上の光束の光強度を低減する強度フィルタが設けられ
    たことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の
    レーザ加工装置。
14. 【請求項１４】 前記レーザ駆動部から前記干渉領域ま
    での光路の中に非線形波長変換を行う非線形波長変換部
    が設けられたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれ
    かに記載のレーザ加工装置。
15. 【請求項１５】 ２つの球面レンズのうち少なくとも一
    方の球面レンズが周方向に部分的に変化した焦点距離を
    有していることを特徴とする請求項７記載のレーザ加工
    装置。
16. 【請求項１６】 前記円柱レンズが軸心に対して傾斜可
    能なことを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
17. 【請求項１７】 超短パルスレーザ光を生成して、該超
    短パルスレーザ光を回折光学素子によって複数の光束に
    分離するとともに、該光束を互いに干渉させ、該光束が
    干渉する干渉領域を扁平な領域に整形するとともにエネ
    ルギ密度を集中し、この整形された干渉領域と加工用基
    材の物質レーザ相互作用によって該加工用基材を微細加
    工することを特徴とするレーザ加工方法。
18. 【請求項１８】 超短パルスレーザ光がフェムト秒レー
    ザ光またはピコ秒レーザ光であることを特徴とする請求
    項１７記載のレーザ加工方法。
19. 【請求項１９】 干渉域を一方向に整形するため円柱レ
    ンズを用いることを特徴とする請求項１７または１８記
    載のレーザ加工方法。
20. 【請求項２０】 互いに交差し干渉する光束のうち、１
    以上の光束の波長または光強度を低減して干渉パターン
    を変化させたことを特徴とする請求項１７〜１９のいず
    れかに記載のレーザ加工方法。