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LASER BEAM MACHINING APPARATUS AND METHOD

Patent code P07P005505
File No. P2005-113
Posted date Oct 4, 2007
Application number P2006-061912
Publication number P2007-237221A
Patent number P5002808
Date of filing Mar 7, 2006
Date of publication of application Sep 20, 2007
Date of registration Jun 1, 2012
Inventor
  • (In Japanese)三澤 弘明
  • (In Japanese)サウリウス ヨードカシス
  • (In Japanese)坪井 泰之
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人北海道大学
Title LASER BEAM MACHINING APPARATUS AND METHOD
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To form, through a simple process, a hollow region which is a completely closed structure with a clear contour, inside a hard crystalline hard-to-work material such as a sapphire and a diamond.
SOLUTION: A laser light source 110 generates a femtosecond pulse laser for machining. A variable ND filter 120 controls pulse energy of the femtosecond pulse laser. An electromagnetic filter 130 chops a single pulse from the femtosecond pulse laser. An oil immersion objective lens 210 forms a focal image at a light converged position inside a workpiece material S by converging a single pulse laser. The pulse width of the femtosecond pulse laser is adjusted the pulse energy of the single pulse laser and the numerical aperture NA of the oil immersion objective lens 210 for converging the single pulse laser so as to be an optimum value. As a result, only through one process of convergently emitting the single pulse laser, there can be formed a nearly spherical, minute and properly shaped hollow region with a completely closed structure, inside the workpiece material S.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


レーザ微細加工技術の重要性は、ナノテクノロジの方法論として疑いようのないものとなっている。中でも、極めて高いピーク出力の光を短時間に集中して得ることができるフェムト秒パルスレーザは、加工分解能が優れており、熱的損傷が少ないことから大きな注目を集めている。



また、フェムト秒パルスレーザは、多光子吸収を効率よく生起することができるので、透明誘電体材料の加工や材料の内部加工への応用が盛んに検討されている。フェムト秒パルスレーザを用いれば、石英やアルカリハライドなどの透明誘電体材料、及びシリコンなどの半導体材料に対して自由度の高い微細加工が可能である。



また、近年、透明誘電体材料として、サファイア(Al2O3:酸化アルミニウム結晶)が大きく注目されている。サファイアには、代表的な透明誘電体材料(石英やガラス)と比較して以下のような性質がある。
(1)結晶性が極めて高い。
(2)硬質で難加工性である。
(3)耐薬品性に優れている(例えば、フッ酸でも浸食されない)。



上記の性質により、サファイアに対するフェムト秒レーザの微細加工の自由度には一定の限界があった。特に、加工形状及びサイズを精密に制御した微細加工は困難であった。



一方、3次元光メモリ素子の大容量化や光導波路、回折格子などのニーズから、サファイアの内部に微細な中空領域(ボイド)を形成する微細加工技術が要望されており、サファイアに対する微細加工が検討されている。



フェムト秒パルスレーザを用いてサファイアの内部に中空領域を形成するレーザ加工技術として、例えば、特許文献1に記載されたものがある。



特許文献1には、サファイアの内部にフェムト秒パルスレーザを集光照射して改質領域(アモルファス相)を形成し、改質領域をフッ酸で処理(化学エッチング)することにより、中空領域を形成する技術が開示されている。すなわち、サファイアの内部に形成された改質領域のみをフッ酸により選択的にエッチングすることにより、中空領域を形成している。
【特許文献1】
特開2005-293736号公報

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、3次元光メモリ素子の大容量化や光導波路、回折格子、材料の内部への切断・割断の起点となる損傷の形成に適用する中空領域を形成するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
フェムト秒パルスレーザを発生するパルスレーザ発生手段と、
前記フェムト秒パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射する光学系と、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、レーザ加工装置であって、
前記光学系は、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するパルスエネルギ制御手段と、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出す単一パルスレーザ切出手段と、
前記単一パルスレーザを集光して前記加工対象材料の内部の集光照射位置に焦点像を形成する対物レンズと、を有する、
ことを特徴とするレーザ加工装置。

【請求項2】
 
前記加工対象材料の内部の撮像情報を取得する撮像情報取得手段をさらに有し、
前記単一パルスレーザの集光照射位置は、前記撮像情報に基づいて決定される、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。

【請求項3】
 
前記パルスレーザ発生手段は、波長が500nm~1300nm、かつ、パルス幅が50fs~500fsのフェムト秒パルスレーザを発生し、
前記パルスエネルギ制御手段は、前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギが50nJ~500nJとなる制御を行う、
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。

【請求項4】
 
前記対物レンズの開口数は、1.0~1.4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。

【請求項5】
 
フェムト秒パルスレーザを発生するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するステップと、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出すステップと、
前記単一パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射するステップと、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、
ことを特徴とするレーザ加工方法。

【請求項6】
 
前記フェムト秒パルスレーザのパルス幅は、50fs~500fsであり、
前記単一パルスレーザのパルスエネルギは、50nJ~500nJである、
ことを特徴とする請求項5記載のレーザ加工方法。

【請求項7】
 
フェムト秒パルスレーザを発生するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するステップと、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出すステップと、
前記単一パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射するステップと、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、
ことを特徴とする光導波路の製造方法。

【請求項8】
 
フェムト秒パルスレーザを発生するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するステップと、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出すステップと、
前記単一パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射するステップと、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、
ことを特徴とする回折格子の製造方法。

【請求項9】
 
フェムト秒パルスレーザを発生するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザのパルスエネルギを制御するステップと、
パルスエネルギが制御された前記フェムト秒パルスレーザから単一パルスレーザを切出すステップと、
前記単一パルスレーザを加工対象材料の内部に集光照射するステップと、を有し、
前記フェムト秒パルスレーザの集光照射位置に中空領域を形成する、
ことを特徴とする光メモリ素子の記憶領域の製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2006061912thum.jpg
State of application right Registered
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