JP3775250B2

JP3775250B2 - Laser processing method and laser processing apparatus

Info

Publication number: JP3775250B2
Application number: JP2001212667A
Authority: JP
Inventors: 淳尼子
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: JP2003025085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１０^-12〜１０^-15ｓｅｃの範囲の超短パルスレーザーの干渉露光を利用した加工に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超短パルスレーザーを利用した加工として、（１）超短パルスをレンズで集光し、その集光光を被加工物の表面あるいは内部で移動させて、被加工物をアブレーション加工する方法がある。
又、（２）超短パルスレーザーをダイクロイックミラー等で複数本に分割し、分割したレーザービームをミラー等で反射して被加工物の表面あるいは内部で干渉させ、その干渉に基づく光強度分布を利用して被加工物を加工する方法も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記（１）の加工は、スポット加工であるため、加工範囲が広い場合には加工に多くの時間を要することになる。
又、上記（２）の加工における従来の方法や装置では、干渉に使用するレーザービームの選択や、干渉に使用するレーザービームの位相や振幅の制御が容易ではなく、干渉パターンを変えて様々な態様の加工をさせるには適さない。さらに、レーザービームの干渉を利用した加工では、干渉光強度分布の山と谷の間隔も所定の間隔にする必要上、干渉させるレーザービームの干渉角度及び個々のビーム強度を正確に設定する必要がある。しかし、従来の方法や装置では、３本以上のレーザービームを干渉させる際、干渉させるビーム間の干渉角度を正確に設定することはきわめて困難であった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、干渉露光を利用して加工効率を向上させることに加えて、加工態様の変更や干渉させるレーザービームの干渉角度の設定もより容易に行うことが可能な、超短パルスレーザーを利用した加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、超短パルスレーザーを回折型素子を利用して複数本のレーザービームに分岐するステップと、前記分岐した複数本のレーザービームの中から必要なレーザービームを複数本選択するステップと、前記分岐した複数本のレーザービームの位相を制御するステップと、前記位相が制御された複数本のレーザービームを干渉させ、その干渉による光強度分布を利用して前記被加工物を加工するステップと、を備えたことを特徴とする。
これによれば、使用する回折型素子の設計により、分岐レーザービームの方向や強度を正確に得ることができ、従ってレーザービームの干渉角度及び個々のビーム強度の設定も容易になる。又、干渉させようとするレーザービームに対して個々に位相の制御を行うことができるため、干渉による光強度分布のきめ細かな制御が可能となる。
【０００６】
上記方法において、干渉させるレーザービームの強度は、回折型素子の設計により定めることができるが、その回折型素子で分岐された後のレーザービームの振幅を制御することで、干渉による光強度分布パターンを自在に制御できることになる。又、前記レーザービームの選択は、それらビームの振幅制御を利用して行うことができ、その場合には、レーザービームの選択とその振幅変調とを同時に行うことができる。
【０００７】
上記方法において、前記選択した各レーザービームの位相は同位相とするのを基本とするが、選択した各レーザービームの位相を適宜に調整することで、レーザービームの干渉による光強度分布を移動あるいは変化させることができ、加工範囲及び加工態様の変更が可能となる。
【０００８】
上記方法において、前記干渉による光強度分布により、干渉させるレーザービーム波長に対して不透明な被加工物を加工すると、干渉による２次元光強度分布により被加工物の表面加工が可能となる。又、前記干渉による光強度分布により、干渉させるレーザービーム波長に対して透明な被加工物を加工すると、干渉による３次元光強度分布により、被加工物内部の３次元加工が可能となる。
【０００９】
上記方法において、前記超短パルスレーザーの干渉による一次加工に引き続いて、その一次加工とは異なる二次加工を行うようにしてもよい。例えば、一次加工で材料の屈折率変化を生じさせ、二次加工でその屈折率変化部分にウエットエッチングを施すことができる。
このように、超短パルスレーザーの干渉露光による加工の特徴を、他の加工に利用することで、さらに多様な加工が可能となる。
【００１０】
本発明の装置は、超短パルスレーザーを発振するレーザー発振器と、前記レーザー発振器で発振されたレーザービームを複数本のレーザービームに分岐する位相格子あるいは計算機ホログラム等の回折型素子と、前記回折型素子で分岐された複数本のレーザービームの中から所定のレーザービームを複数本選択する選択素子と、前記分岐されたレーザービームの振幅を制御する振幅変調手段と、前記分岐されたレーザービームの位相を制御する位相変調手段と、前記振幅及び位相が制御された複数本のレーザービームを干渉させる光路変更素子と、を備えたことを特徴とする。
この装置によれば、使用する回折型素子の設計により、分岐レーザービームの方向や強度を正確に設定することができ、さらに光路変更素子の調整により、各レーザービームの干渉角度も正確に設定可能となる。又、干渉させようとするレーザービームに対して個々に位相及び振幅の制御を行うことができるので、干渉による光強度分布のきめ細かな制御が可能となる。
【００１１】
上記装置において、前記選択素子として所定位置に開口を有したアパーチャを備えることができる。アパーチャは選択するレーザービームの組み合わせに応じて、所定のレーザービームをのみ通過させる開口が形成されたアパーチャをそれぞれ使用する。
【００１２】
上記装置において、前記位相変調手段として位相差板あるいは空間光変調器を備えることができる。位相差板は空間光変調器に比して安価であり、加工態様が固定されている場合に使用するのに適している。一方、空間光変調器によれば、位相をいつでも自由に制御できるので、加工態様をいろいろ変化させる場合に使用するのに適している。
【００１３】
上記装置において、前記振幅変調手段としてＮＤフィルタあるいは空間光変調器を備えることができる。ＮＤフィルタは空間光変調器に比して安価であり、加工態様が固定されている場合に使用するのに適している。一方、空間光変調器によれば、振幅をいつでも自由に制御できるので、加工態様をいろいろ変化させる場合に使用するのに適している。
【００１４】
上記装置において、前記選択素子の前段にコリメータレンズを配置すると、選択素子の入射面にほぼ直交するようにレーザービームを入射させることができるので、その後の位相変調等の精度を上げることができる。
【００１５】
上記装置において、前記選択素子、前記振幅変調手段及び前記位相変調手段として機能する空間光変調器を備えることができる。この場合、位相変調手段として機能する空間光変調器と振幅変調手段として機能する空間光変調器とを一体の空間光変調器として構成してもよく、又、位相変調と振幅変調をそれぞれ別体の空間光変調器で行うようにしてそれらを直列に配置した構成としてもよい。なお、前記空間光変調器としては、２次元マトリックス型液晶パネルが利用できる。これによれば、干渉させるレーザービームの選択、位相の調整、振幅の調整が空間光変調器を制御することでいつでも可能となる。
【００１６】
上記装置において、前記空間光変調器の前段にコリメータレンズを配置すると、レーザービームを空間光変調器の入射面にほぼ直交するように入射させることができ、位相変調等の精度を上げることができる。
【００１７】
上記装置において、前記光路変更素子として、集光レンズを備えることができる。なお、この集光レンズを、光軸方向に移動可能に、あるいは交換可能に配置すると、各レーザービームの干渉領域や干渉角度の変更をすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施の形態に係るレーザー加工装置の構成図である。この装置は、超短パルスレーザーを発振する発振器１、１本のレーザービームを複数のレーザービームに分岐する位相格子２、レーザービームを光軸とほぼ平行にするコリメータレンズ３、レーザービームの位相や振幅を変調する液晶パネル４、液晶パネル４を駆動する液晶ドライバ５、及び光路変更素子としての集光レンズ６を備えてなる。本構成では、コリメータレンズ３は第１のフーリエ変換レンズとして、集光レンズ６は第２のフーリエ変換レンズとして作用する。さらに、コリメータレンズ３と集光レンズ６はアフォーカル系を構成し、同アフォーカル系は特定の縮小率を有する。
【００２０】
超短パルスレーザー発振器１は１０^-12〜１０^-15ｓｅｃの範囲のレーザーパルスを発振するものであり、そのパルス幅は例えば１００フェムト秒、パルスエネルギーは例えば１〜１０ｍＪとすることができる。又、利用できる波長は、例えば、８００ｎｍの基本波の他、その２倍波、３倍波も利用可能である。
【００２１】
回折格子の一種である位相格子２は、屈折率又は／及び厚さが格子面上で周期的な変化をする構造のもので、目的とする回折次数及び回折光強度の分岐レーザービームが得られるように、あらかじめ設計したものである。ただし、完全に目的のビームだけを取り出すようにすることは難しいため、位相格子２の後に目的とするビームのみを選択する手段が必要となる。又、分岐レーザービームの強度を、この位相格子２だけを利用して決定する構成としてもよいが、レーザービームの強度変更の自由度を持たせるために、位相格子２の後にビームの振幅を変調する手段を設けている。
【００２２】
コリメータレンズ３の後側焦平面（フーリエ変換面）において、分岐レーザービームの間隔は次式で与えられる。
Δｘ＝λｆ１／Ｐｘ・・・（１−１）
Δｙ＝λｆ１／Ｐｙ・・・（１−２）
ただし、Δｘ、Δｙは直交するｘ及びｙ方向の分岐ビーム間隔である。λはレーザービームの波長、ｆ１はコリメータレンズの焦点距離であり、ＰｘとＰｙは位相格子のｘ及びｙ方向の周期である。例えば、λ＝０．８０μｍ、ｆ１＝５００ｍｍ、Ｐｘ＝Ｐｙ＝４００μｍとすると、Δｘ＝Δｙ＝１．０ｍｍとなる。
【００２３】
位相格子の設計には反復的最適化手法を用いる必要があり、例えば、シミュレーテッドアニーリグ法を用いることができる。シミュレーテッドアニーリグ法の基本的な考えは、例えば、Journal of Optical Society of America A/Vol. 5，No.1/January 1998，pp30-38、に紹介されている。本実施の形態では、位相格子の位相分布は階段状に量子化されたものであるとする。設計パラメータは、位相が変化する位置の座標と位相値である。スカラー理論の範疇では、（ｍ、ｎ）次の回折光強度｜ａ（ｍ，ｎ）｜² は以下の式で計算できる。
｜ａ（ｍ，ｎ）｜² ＝（１／Ｐｘ）（１／Ｐｙ）∬ｅｘｐ（ｊ（φ（ｘ、ｙ）
＋２π（ｍｘ／Ｐｘ＋ｎｙ／Ｐｙ））ｄｘｄｙ・・・（２）
【００２４】
ここで、φ（ｘ、ｙ）は量子化された２次元の位相分布である。積分区間は、ｘ、ｙ方向ともに、１周期とする。設計においては、加工に用いる複数の回折次数にビームエネルギーが所定の割合で集中するように位相分布φ（ｘ、ｙ）を最適化する。
本実施の形態では、表面凹凸型の位相格子を用いてビーム分岐を行う。位相格子の深さｈ（ｘ、ｙ）は以下の式から決まる。
ｈ（ｘ、ｙ）＝（λ／（ｎ−１））・φ（ｘ、ｙ）／２π ・・・（３）
ただし、ｎは格子媒体の屈折率である。
【００２５】
なお、位相格子２の代わりに、計算機によって作成したホログラムである計算機ホログラムを用いてもよい。
【００２６】
空間光変調器である液晶パネル４には、例えば、ＴＦＴを用いて液晶を駆動する液晶パネルあるいは非線型素子を用いて液晶を駆動する液晶パネルを用いることができる。これらの場合、液晶材料にはネマチック液晶が使用されており、図２のように共通基板を境にネマチック液晶を両側に配置し、それらを駆動基板で挟んだ構造とし、一方の液晶の配行を利用して位相変調を、他方の液晶の配行を利用して振幅変調を行わせるものとする。
又、液晶パネル４は、例えば、図３に示すようなドットマトリックス型とする。液晶ドライバ５でマトリクッス状に配置された各画素４ａを駆動し、特定のビームのみを通過させ、かつ、そのビームに所要の位相変調を加える。なお、分岐レーザービームの中から特定のものを容易に選択できるようにするには、分岐レーザービーム間に一定の間隔が必要である。本実施の形態で用いた液晶パネル４の画素寸法は１．０ｍｍ×１．０ｍｍであり、本実施の形態ではこれに合わせて、分岐ビーム間隔を、ｘ、ｙ両方向に対して１．０ｍｍとした。
【００２７】
なお、液晶パネル４は、レーザービームによる損傷を防止するため、コリメータレンズ３の焦点面から前あるいは後ろに少しずらして配置する。
【００２８】
集光レンズ６は、光軸方向に移動可能にあるいは交換可能に配置し、集光レンズ６の操作によって、各レーザービームの干渉発生位置及び干渉角度を変更できるようにしている。なお、集光レンズ６は単体のレンズでもよいが、複数のレンズを組み合わせて構成してよい。
【００２９】
コリメータレンズ３と集光レンズ６から構成されるアフォーカル系の縮小率と焦点距離ならびにビーム径の間には、以下の式が成り立つ。
Ｆ１：Ｆ２＝Ｄ１：Ｄ２・・・（４）
ここで、ｆ１はコリメータレンズ３の焦点距離、ｆ２は集光レンズ６の焦点距離である。Ｄ１は入射ビーム径、Ｄ２は出射ビーム径である。例えば、縮小率を０．１とした場合、ｆ１＝５００ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍの条件では、Ｄ１＝５．０ｍｍに対してＤ２＝０．５０ｍｍとなる。
【００３０】
上記のレーザー加工装置は、目的の加工を行うためにあらかじめ設計された光強度分布を、被加工物に与えるために用いられるものであり、以下のように動作する。すなわち、超短パルスレーザー発振器１から発振された超短パルスレーザービームは、位相格子２による回折により、複数のレーザービームに分岐される。続いて、分岐されたレーザービームはコリメータレンズ３で光軸とほぼ平行にされた後、液晶パネル４のパネル面にほぼ直交するように入射する。液晶パネル４では、液晶ドライバ５を利用して、入射レーザービームに対して所要の位相変調及び振幅変調を加える。振幅変調は、液晶パネルの特定の画素の透過率を高くあるいは低く設定することにより行い、これによって分岐レーザービームの中から目的の回折次数のビームを必要な本数選択する。そして、この選択により、液晶パネル４を通過した複数のレーザービームは、集光レンズ６でその進行方向が変更されて、互いのレーザービームが被加工物１０の表面あるいは内部で干渉するように照射される。これにより、被加工物１０には干渉による光強度分布が生じ、それによって被加工物１０にアブレーション又は／及び屈折率変化よる加工が施される。
【００３１】
なお、干渉による光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は次式で与えられる。

ただし、ａ（ｍ，ｎ）は（ｍ、ｎ）次の分岐ビームの振幅、φ（ｍ，ｎ）は（ｍ、ｎ）次の分岐ビームの位相、ｋ（ｍ，ｎ）は（ｍ、ｎ）次の分岐ビームの波数ベクトル、ｒは位置ベクトル、波数ベクトルｋと位置ベクトルｒの間のドット「・」は、ベクトル積を表す。干渉に関与する回折次数ｍ、ｎについて和をとる。式（５）からわかるように、干渉による光強度分布は３次元的な広がりを有している。
【００３２】
被加工物１０の加工態様は、レーザービームの干渉による光強度分布から決まる。言いかえれば、被加工物１０の加工態様は、分岐レーザービームの選択（回折次数及び本数の選択）、位相変調、振幅変調、及び各レーザービームの干渉角度の組み合わせにより異なるため、それらを適宜に組み合わせることで多様な干渉光強度分布が形成され、この干渉光強度分布を利用することにより様々な加工が可能となる。
【００３３】
２つの光束の干渉によって生じる干渉縞は正弦波の分布をしているが、光束の数がさらに増えてゆくと干渉縞は複雑な分布となる。そして、多数の光束がある点で位相が揃って重なると、その点の強度分布は鋭いピークを持つ。例えば、２本のレーザービームを干渉させるた場合には、図４の様な周期的な光強度分布（側面図）が得られ、又、３本のレーザービームを互いに１２０度の角度で干渉させると図５のような六角対称性を有する光強度分布（平面図）が得られ、それぞれの光強度分布に応じた加工が可能となる。
【００３４】
レーザービームの干渉を利用した加工の態様は、被加工物がレーザービーム波長に対して不透明か透明かという条件によっても異なってくる。レーザービーム波長に対して不透明な被加工物を加工する場合は、干渉による２次元の光強度分布を利用して、その干渉領域でアブレーションによる物質の除去が可能になる。このような表面加工の場合、被加工物に照射するレーザーパルスは、単発のパルスあるいは複数のパルスのいずれであってもよい。
【００３５】
これに対して、レーザービーム波長に対して透明な被加工物を加工する場合は、干渉による３次元の光強度分布を利用して、その干渉領域の屈折率変化又は／及びアブレーションによる物質の除去が行える。このような被加工物の内部を加工する際には、最初のレーザーパルスの照射で内部の物質変化が起こり、引き続くパルスの照射による加工態様を予測するのが困難となると予想されるので、１つのパルスのみを利用した加工とすることが望ましい。
【００３６】
又、上記の超短パルスレーザーを用いた加工を一次加工として、さらに一次加工とは別の加工を施すこともできる。例えば、一次加工において物質の屈折率変化を生じさせ、その部分をウェットエッチングすることにより、内部に空洞を形成することができる。
【００３７】
本発明のレーザービームによる干渉は、干渉させようとする各レーザービームの位相を同位相にすることで行うことを基本とするが、複数のレーザービームの間に位相差を与えることにより、干渉光強度分布を移動あるいは変化させて、加工範囲及び加工態様を変化させることも可能である。その場合、干渉光強度分布の移動量は、加えた位相変調量に比例する。例えば、図６に示すような２光束干渉の場合、干渉光強度分布は次式で与えられる。

ただし、｜ａ１｜，｜ａ２｜は２本のビームの振幅、Λは干渉光強度分布の周期、Δφ＝φ１−φ２はビーム間の位相差である。式（６）からわかるように、位相差Δφに変化を与えると干渉光強度分布が移動する。この現象を利用して、被加工物に対する干渉光強度分布の照射位置を加工中に、あるいは加工に先立って変えることで、一定の範囲において物質を均一に除去する等の加工が可能になる。
【００３８】
上記のレーザー加工装置によれば、所望の設計をした位相格子２を用いることにより、分岐するレーザービームの次数、本数、及び強度をあらかじめ設定できるため、それによって他の構成を簡素化することができる。又、分岐レーザービームの選択、位相、及び振幅の変調を１つの液晶パネル４で行うため構成が簡素化され、しかもそれらを必要なときにいつでも自由に行うことができる。さらに、これらのことから、レーザービームの干渉角度の設定も従来に比してかなり容易となる。
【００３９】
図７は本発明のレーザー加工装置の他の実施の形態を示す構成図である。これは、図１の液晶パネル４が行っていた位相変調と振幅変調の作用を、別体の２つの液晶パネル７を用いて、それぞれの液晶パネルが一方の変調のみを行うようにしたものである。すなわち、超短パルスレーザー発振器１、位相格子２の後に、コリメータレンズ３、液晶パネル７及び集光レンズ６からなる２組の光学系（第１群光学系と第２群光学系）を直列に配置したものである。第１群の集光レンズ６と第２群のコリメータレンズ３とで、等倍率のアフォーカル系を構成し、２枚の液晶パネル７の対応する画素を合わせている。この場合、位相変調と振幅変調を行う順序は問わない。この装置は図１の装置より光学系が大きくなるが、汎用性の高い液晶パネルを利用できるという利点がある。
【００４０】
図８は本発明のレーザー加工装置のさらに他の実施の形態を示す構成図である。これは、図１の構成において、液晶パネル４の前段に配置していたコリメータレンズをなくしたもので、これにより、レーザー加工装置の構成をさらに簡素化させることができる。ただし、位相変調の精度を上げるにためには、位相格子２と液晶パネル４の間隔を十分にとって、液晶パネル４へ入射するビームができるだけ光軸と平行になるようにする必要がある。なお、図中の符号８は、図１の集光レンズ６に対応する集光レンズを示している。
【００４１】
図９は本発明のレーザー加工装置のさらに他の実施の形態を示す構成図である。この装置は、図１の装置における、液晶パネル４に対応する部分を、アパーチャ１１、位相差板１２、及びＮＤフィルタ１３で構成したもので、その他の構成は図１の装置と同様とする。
【００４２】
アパーチャ１１は、位相格子２で分岐されたレーザービームの内、必要なビームのみを通過させるように対応部分に開口が形成されたもので、不要な分岐ビームはこのアパーチャ１１で反射される。従って、アパーチャ１１は、位相格子２に対して一定の位置関係を維持するように配置される。
選択する分岐ビームを変更する時には、あらかじめ作成しておいた対応する別のアパーチャに交換するか、あるいは、あらかじめマトリックス状に開口が多数配置されたアパーチャを用いて、変更に応じて必要箇所以外の開口を遮蔽するようにしてもよい。
【００４３】
位相差板１２は、分岐された各レーザービーム間の位相を変更するもので、変更しようとする位相差に応じてそれぞれ異なる位相差板を用いる。
【００４４】
ＮＤフィルター１３は、分光選択吸収を示さない無彩色のフィルタで、レーザービームの振幅を変更するために用いられる。このＮＤフィルター１３も、変更しようとする振幅に応じてそれぞれ異なるものを用いる。なお、ここでは、位相差板１２、ＮＤフィルター１３の順に配置したが、それらの順序はいずれであってもかまわない。又、分岐レーザービームの強度を位相格子２にのみ依存させて、ＮＤフィルター１３を用いない構成とすることもできる。
【００４５】
このような図９のレーザー加工装置は、以下のように動作する。すなわち、超短パルスレーザー発振器１から発振された超短パルスレーザービームは、位相格子２による回折により、複数のレーザービームに分岐される。続いて、分岐されたレーザービームはコリメータレンズ３で光軸とほぼ平行にされた後、アパーチャ１１の入射面ににほぼ直交するように入射する。アパーチャ１１は、必要なレーザービームだけをその開口から通過させて、位相差板１２に入射させこれにより各レーザービームの位相を同位相とする。位相が揃った各レーザービームは、続いてＮＤフィルタ１３に入りその振幅が調整される。そして、ＮＤフィルタ１３を出た複数のレーザービームは、集光レンズ６でその進行方向が変更されて、互いのレーザービームが被加工物１０の表面あるいは内部で干渉するように照射される。これにより、被加工物１０には干渉による光強度分布が生じ、それによって被加工物１０にアブレーション又は／及び屈折率変化よる加工が施される。そして、この装置においても、図１の装置に準じたレーザービームの制御により、図１の装置の項で説明したと同様な、様々な態様の加工を行うことができる。
【００４６】
なお、アパーチャ１１、位相差板１２、ＮＤフィルタ１３の３つの要素の内、その１つ又は２つを空間光変調器に置き換えた、レーザー加工装置を構成することも可能である。
【００４７】
以上、各実施の形態で説明した超短パルスレーザーを用いた加工方法及び装置では、金属を含む各種材料の表面加工、すなわち、微細凹凸の形成や表面の改質等ができる。加えて、ガラス、石英、水晶、サファイア、ダイヤモンド等のレーザー透過物質の内部加工ができる。さらに、上記各実施の形態に示したレーザー加工方法及び装置により、微細３次元加工が可能となるので、これを利用してフォトニック結晶中に適当な欠陥や空洞を形成し、導波路、光変調器、光スイッチ等の光集積回路、光デバイスを製造することが可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のレーザー加工方法によれば、回折型素子の設計により、分岐レーザービームの方向や強度を正確に得ることができ、従ってレーザービームの干渉角度及び個々のビームの強度の正確な設定が容易になる。又、干渉させようとするレーザービームに対して個々に位相の制御を行うことができるため、干渉による光強度分布のきめ細かな制御が可能となる。
本発明のレーザー加工装置によれば、回折型素子の設計により、分岐レーザービームの方向や強度を正確に設定することができ、さらに光路変更素子の調整により、各レーザービームの干渉角度及び個々のビームの強度の正確な設定が容易となる。又、干渉させようとするレーザービームに対して個々に位相及び振幅の制御を行うことができるので、干渉による光強度分布のきめ細かな制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のレーザー加工装置の構成図。
【図２】図１の装置で使用する液晶パネルの一例を示す構造図。
【図３】図１の装置で使用する液晶パネルの一例を示す正面図。
【図４】２本のレーザービームの干渉パターンの一例を示す側面図。
【図５】３本のレーザービームの干渉パターンの一例を示す平面図。
【図６】２本のレーザービームの位相を相違させて干渉させる例を示す概念図。
【図７】本発明の他の実施の形態のレーザー加工装置の構成図。
【図８】本発明の他の実施の形態のレーザー加工装置の構成図。
【図９】本発明の他の実施の形態のレーザー加工装置の構成図。
【符号の説明】
１...超短パルスレーザー発振器
２...位相格子
３...コリメーターレンズ
４...空間光変調器（液晶パネル）
５...液晶ドライバ
６...集光レンズ
７...空間光変調器（液晶パネル）
８...集光レンズ
１０...被加工物
１１...アパーチャ
１２...位相差板
１３...ＮＤフィルタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides 10 ^-12 -10 ^-15 The present invention relates to processing using interference exposure of an ultrashort pulse laser in a range of sec.
[0002]
[Prior art]
As processing using an ultrashort pulse laser, there is (1) a method of condensing an ultrashort pulse with a lens and moving the condensed light on or inside the workpiece to ablate the workpiece. .
(2) The ultrashort pulse laser is divided into a plurality of parts by a dichroic mirror or the like, and the divided laser beam is reflected by a mirror or the like to cause interference on the surface or inside of the workpiece, and the light intensity distribution based on the interference is obtained. A method of processing a workpiece by using it is also known.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the processing (1) is spot processing, a long time is required for processing when the processing range is wide.
Further, in the conventional method and apparatus in the above processing (2), it is not easy to select a laser beam used for interference and to control the phase and amplitude of the laser beam used for interference. It is not suitable for processing the embodiment. Furthermore, in processing using laser beam interference, it is necessary to set the interval between the peaks and valleys of the interference light intensity distribution to a predetermined interval, and it is necessary to accurately set the interference angle and individual beam intensity of the interference laser beam. is there. However, in the conventional method or apparatus, when three or more laser beams are caused to interfere, it is extremely difficult to accurately set the interference angle between the beams to be interfered.
[0004]
The present invention has been made to solve the above-described problems. In addition to improving processing efficiency using interference exposure, the processing mode can be changed and the interference angle of the laser beam to be interfered can be set more easily. An object of the present invention is to provide a processing method and a processing apparatus using an ultrashort pulse laser.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The method of the present invention includes a step of branching an ultrashort pulse laser into a plurality of laser beams using a diffractive element, and a step of selecting a plurality of necessary laser beams from the plurality of branched laser beams. And controlling the phase of the plurality of branched laser beams, causing the plurality of laser beams whose phases are controlled to interfere with each other, and processing the workpiece using a light intensity distribution due to the interference. And a step.
According to this, the direction and intensity of the branched laser beam can be accurately obtained by the design of the diffractive element to be used, and therefore the interference angle of the laser beam and the individual beam intensity can be easily set. Further, since the phase can be individually controlled for the laser beam to be interfered, the light intensity distribution due to the interference can be finely controlled.
[0006]
In the above method, the intensity of the laser beam to be interfered can be determined by the design of the diffractive element, but by controlling the amplitude of the laser beam branched by the diffractive element, the light intensity distribution pattern due to interference Can be controlled freely. Further, the selection of the laser beam can be performed by utilizing the amplitude control of those beams. In this case, the selection of the laser beam and the amplitude modulation can be performed simultaneously.
[0007]
In the above method, the phase of each of the selected laser beams is basically the same, but by appropriately adjusting the phase of each of the selected laser beams, the light intensity distribution due to the interference of the laser beams is moved or changed. The machining range and the machining mode can be changed.
[0008]
In the above method, when a workpiece that is opaque with respect to the laser beam wavelength to be interfered is processed by the light intensity distribution due to the interference, the surface of the workpiece can be processed by the two-dimensional light intensity distribution due to the interference. Further, when a workpiece that is transparent to the laser beam wavelength to be interfered is processed by the light intensity distribution due to the interference, the three-dimensional processing inside the workpiece can be performed by the three-dimensional light intensity distribution due to the interference.
[0009]
In the above method, secondary processing different from the primary processing may be performed subsequent to the primary processing by the interference of the ultrashort pulse laser. For example, the refractive index change of the material can be caused by primary processing, and wet etching can be performed on the refractive index change portion by secondary processing.
In this way, by utilizing the characteristics of processing by interference exposure of an ultrashort pulse laser for other processing, further various processing becomes possible.
[0010]
The apparatus of the present invention includes a laser oscillator that oscillates an ultrashort pulse laser, a diffractive element such as a phase grating or a computer hologram that branches a laser beam oscillated by the laser oscillator into a plurality of laser beams, and the diffractive element A selection element for selecting a plurality of predetermined laser beams from a plurality of laser beams branched by the element; amplitude modulation means for controlling the amplitude of the branched laser beam; and a phase of the branched laser beam And a phase modulation means for controlling the light and an optical path changing element for interfering with the plurality of laser beams whose amplitude and phase are controlled.
According to this device, the direction and intensity of the branched laser beam can be set accurately by the design of the diffractive element used, and the interference angle of each laser beam can also be set accurately by adjusting the optical path changing element. It becomes. Further, since the phase and amplitude can be individually controlled for the laser beam to be interfered, fine control of the light intensity distribution due to the interference is possible.
[0011]
In the above apparatus, an aperture having an opening at a predetermined position may be provided as the selection element. Depending on the combination of laser beams to be selected, each aperture uses an aperture in which an opening through which only a predetermined laser beam passes is formed.
[0012]
In the above apparatus, a phase difference plate or a spatial light modulator can be provided as the phase modulation means. The phase difference plate is less expensive than the spatial light modulator and is suitable for use when the processing mode is fixed. On the other hand, according to the spatial light modulator, the phase can be freely controlled at any time, so that it is suitable for use when various processing modes are changed.
[0013]
In the above apparatus, an ND filter or a spatial light modulator can be provided as the amplitude modulation means. The ND filter is less expensive than the spatial light modulator and is suitable for use when the processing mode is fixed. On the other hand, according to the spatial light modulator, since the amplitude can be freely controlled at any time, it is suitable for use when various processing modes are changed.
[0014]
In the above apparatus, when a collimator lens is arranged in front of the selection element, the laser beam can be incident so as to be substantially orthogonal to the incident surface of the selection element, so that the accuracy of subsequent phase modulation and the like can be improved.
[0015]
The apparatus may include a spatial light modulator that functions as the selection element, the amplitude modulation unit, and the phase modulation unit. In this case, the spatial light modulator that functions as the phase modulation means and the spatial light modulator that functions as the amplitude modulation means may be configured as an integrated spatial light modulator, and phase modulation and amplitude modulation are separately provided. The spatial light modulator may be used to arrange them in series. As the spatial light modulator, a two-dimensional matrix type liquid crystal panel can be used. According to this, selection of a laser beam to be interfered, phase adjustment, and amplitude adjustment can be performed at any time by controlling the spatial light modulator.
[0016]
In the above apparatus, when a collimator lens is disposed in front of the spatial light modulator, the laser beam can be incident substantially orthogonal to the incident surface of the spatial light modulator, and the accuracy of phase modulation and the like can be improved. .
[0017]
The said apparatus WHEREIN: A condensing lens can be provided as said optical path changing element. If this condensing lens is arranged so as to be movable or replaceable in the optical axis direction, the interference area and interference angle of each laser beam can be changed.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. This apparatus includes an oscillator 1 that oscillates an ultrashort pulse laser, a phase grating 2 that splits one laser beam into a plurality of laser beams, a collimator lens 3 that makes the laser beam substantially parallel to the optical axis, the phase of the laser beam, A liquid crystal panel 4 that modulates the amplitude, a liquid crystal driver 5 that drives the liquid crystal panel 4, and a condenser lens 6 as an optical path changing element are provided. In this configuration, the collimator lens 3 acts as a first Fourier transform lens, and the condenser lens 6 acts as a second Fourier transform lens. Further, the collimator lens 3 and the condenser lens 6 constitute an afocal system, and the afocal system has a specific reduction ratio.
[0020]
Ultra short pulse laser oscillator 1 is 10 ^-12 -10 ^-15 A laser pulse in the range of sec is oscillated, and the pulse width can be set to, for example, 100 femtoseconds, and the pulse energy can be set to, for example, 1 to 10 mJ. Further, as the usable wavelength, for example, in addition to the fundamental wave of 800 nm, the second harmonic and the third harmonic can be used.
[0021]
The phase grating 2, which is a kind of diffraction grating, has a structure in which the refractive index or / and thickness changes periodically on the grating surface, and a branched laser beam having a target diffraction order and diffracted light intensity can be obtained. As such, it is designed in advance. However, since it is difficult to completely extract only the target beam, a means for selecting only the target beam after the phase grating 2 is required. Further, the intensity of the branched laser beam may be determined using only the phase grating 2, but the amplitude of the beam is modulated after the phase grating 2 in order to provide a degree of freedom in changing the intensity of the laser beam. Means are provided.
[0022]
On the rear focal plane (Fourier transform plane) of the collimator lens 3, the interval between the branched laser beams is given by the following equation.
Δx = λf1 / Px (1-1)
Δy = λf1 / Py (1-2)
However, Δx and Δy are branch beam intervals in the orthogonal x and y directions. λ is the wavelength of the laser beam, f1 is the focal length of the collimator lens, and Px and Py are the periods of the phase grating in the x and y directions. For example, if λ = 0.80 μm, f1 = 500 mm, and Px = Py = 400 μm, then Δx = Δy = 1.0 mm.
[0023]
It is necessary to use an iterative optimization method for designing the phase grating, and for example, a simulated annealing rig method can be used. The basic idea of the simulated annealing method is introduced in, for example, Journal of Optical Society of America A / Vol. 5, No.1 / January 1998, pp30-38. In the present embodiment, it is assumed that the phase distribution of the phase grating is quantized stepwise. The design parameters are the coordinates of the position where the phase changes and the phase value. In the category of scalar theory, the (m, n) -order diffracted light intensity | a (m, n) | ² Can be calculated by the following formula.
| A (m, n) | ² = (1 / Px) (1 / Py) ∬exp (j (φ (x, y)
+ 2π (mx / Px + ny / Py)) dxdy (2)
[0024]
Here, φ (x, y) is a quantized two-dimensional phase distribution. The integration interval is one period in both the x and y directions. In the design, the phase distribution φ (x, y) is optimized so that the beam energy is concentrated at a predetermined ratio on a plurality of diffraction orders used for processing.
In this embodiment, beam branching is performed using a surface uneven phase grating. The depth h (x, y) of the phase grating is determined from the following equation.
h (x, y) = (λ / (n−1)) · φ (x, y) / 2π (3)
Here, n is the refractive index of the lattice medium.
[0025]
Instead of the phase grating 2, a computer generated hologram that is a hologram created by a computer may be used.
[0026]
As the liquid crystal panel 4 that is a spatial light modulator, for example, a liquid crystal panel that drives liquid crystal using a TFT or a liquid crystal panel that drives liquid crystal using a non-linear element can be used. In these cases, nematic liquid crystal is used as the liquid crystal material, and nematic liquid crystal is arranged on both sides with a common substrate as shown in FIG. 2 and sandwiched between drive substrates. It is assumed that phase modulation is performed by using, and amplitude modulation is performed by using the arrangement of the other liquid crystal.
The liquid crystal panel 4 is, for example, a dot matrix type as shown in FIG. The liquid crystal driver 5 drives each pixel 4a arranged in a matrix, passes only a specific beam, and applies a required phase modulation to the beam. In order to easily select a specific one of the branched laser beams, a certain interval is required between the branched laser beams. The pixel size of the liquid crystal panel 4 used in this embodiment is 1.0 mm × 1.0 mm. In this embodiment, the branch beam interval is 1.0 mm in both the x and y directions. did.
[0027]
Note that the liquid crystal panel 4 is arranged slightly shifted forward or backward from the focal plane of the collimator lens 3 in order to prevent damage due to the laser beam.
[0028]
The condensing lens 6 is disposed so as to be movable or replaceable in the optical axis direction, and the position and angle of interference of each laser beam can be changed by operating the condensing lens 6. In addition, although the condensing lens 6 may be a single lens, it may be configured by combining a plurality of lenses.
[0029]
The following formula is established between the reduction ratio of the afocal system composed of the collimator lens 3 and the condenser lens 6, the focal length, and the beam diameter.
F1: F2 = D1: D2 (4)
Here, f1 is the focal length of the collimator lens 3, and f2 is the focal length of the condenser lens 6. D1 is the incident beam diameter, and D2 is the outgoing beam diameter. For example, when the reduction ratio is 0.1, D2 = 0.50 mm for D1 = 5.0 mm under the conditions of f1 = 500 mm and f2 = 50 mm.
[0030]
The above-described laser processing apparatus is used to give a workpiece a light intensity distribution designed in advance for performing desired processing, and operates as follows. That is, the ultrashort pulse laser beam oscillated from the ultrashort pulse laser oscillator 1 is branched into a plurality of laser beams by diffraction by the phase grating 2. Subsequently, the branched laser beam is made substantially parallel to the optical axis by the collimator lens 3 and then incident on the panel surface of the liquid crystal panel 4 so as to be substantially orthogonal. In the liquid crystal panel 4, necessary phase modulation and amplitude modulation are applied to the incident laser beam using the liquid crystal driver 5. Amplitude modulation is performed by setting the transmittance of a specific pixel of the liquid crystal panel to be high or low, thereby selecting the required number of beams of the desired diffraction order from among the branched laser beams. By this selection, the traveling directions of the plurality of laser beams that have passed through the liquid crystal panel 4 are changed by the condenser lens 6 so that the laser beams interfere with each other on the surface or inside the workpiece 10. Is done. As a result, a light intensity distribution due to interference is generated in the workpiece 10, whereby the workpiece 10 is processed by ablation or / and refractive index change.
[0031]
The light intensity distribution I (x, y, z) due to interference is given by the following equation.

Where a (m, n) is the amplitude of the (m, n) -order branch beam, φ (m, n) is the phase of the (m, n) -order branch beam, and k (m, n) is (m, n) n) The wave vector of the next branched beam, r is the position vector, and the dot “·” between the wave vector k and the position vector r represents the vector product. Sum the diffraction orders m and n involved in the interference. As can be seen from Equation (5), the light intensity distribution due to interference has a three-dimensional spread.
[0032]
The processing mode of the workpiece 10 is determined from the light intensity distribution due to the interference of the laser beam. In other words, the processing mode of the workpiece 10 differs depending on the combination of the selection of the branched laser beam (selection of diffraction order and number), phase modulation, amplitude modulation, and interference angle of each laser beam. Various interference light intensity distributions are formed by combining them, and various processes can be performed by using the interference light intensity distribution.
[0033]
Interference fringes generated by the interference of two light beams have a sinusoidal distribution. However, as the number of light beams further increases, the interference fringes have a complicated distribution. When the phases are aligned and overlap at a point where a large number of light beams exist, the intensity distribution at that point has a sharp peak. For example, when two laser beams interfere with each other, a periodic light intensity distribution (side view) as shown in FIG. 4 is obtained, and the three laser beams interfere with each other at an angle of 120 degrees. And a light intensity distribution (plan view) having hexagonal symmetry as shown in FIG. 5 is obtained, and processing according to each light intensity distribution becomes possible.
[0034]
The mode of processing using laser beam interference also varies depending on whether the workpiece is opaque or transparent with respect to the laser beam wavelength. When processing a workpiece that is opaque with respect to the laser beam wavelength, it is possible to remove a substance by ablation in the interference region by using a two-dimensional light intensity distribution due to interference. In the case of such surface processing, the laser pulse applied to the workpiece may be either a single pulse or a plurality of pulses.
[0035]
On the other hand, when processing a workpiece that is transparent to the laser beam wavelength, a three-dimensional light intensity distribution due to interference is used to change the refractive index of the interference region and / or remove the material by ablation. Can be done. When machining the inside of such a workpiece, it is expected that internal substance changes will occur by the first laser pulse irradiation, and it will be difficult to predict the processing mode by the subsequent pulse irradiation. It is desirable to process using only one pulse.
[0036]
Further, the processing using the above ultrashort pulse laser can be used as primary processing, and further processing different from the primary processing can be performed. For example, it is possible to form a cavity in the interior by causing a change in the refractive index of the substance in the primary processing and performing wet etching on the portion.
[0037]
The interference by the laser beam of the present invention is basically performed by setting the phase of each laser beam to be interfered to the same phase. However, by providing a phase difference between a plurality of laser beams, the interference light It is also possible to change the processing range and processing mode by moving or changing the intensity distribution. In this case, the amount of movement of the interference light intensity distribution is proportional to the added phase modulation amount. For example, in the case of two-beam interference as shown in FIG. 6, the interference light intensity distribution is given by the following equation.

Where | a1 | and | a2 | are the amplitudes of the two beams, Λ is the period of the interference light intensity distribution, and Δφ = φ1-φ2 is the phase difference between the beams. As can be seen from the equation (6), when the phase difference Δφ is changed, the interference light intensity distribution moves. By utilizing this phenomenon and changing the irradiation position of the interference light intensity distribution on the workpiece during processing or prior to processing, it is possible to perform processing such as uniformly removing a substance within a certain range.
[0038]
According to the above laser processing apparatus, by using the phase grating 2 having a desired design, the order, number, and intensity of the branched laser beam can be set in advance, thereby simplifying other configurations. it can. Further, since the selection, phase, and amplitude modulation of the branched laser beam are performed by one liquid crystal panel 4, the configuration is simplified, and these can be freely performed whenever necessary. Furthermore, from these facts, the setting of the interference angle of the laser beam is considerably facilitated as compared with the prior art.
[0039]
FIG. 7 is a block diagram showing another embodiment of the laser processing apparatus of the present invention. This is because the phase modulation and amplitude modulation performed by the liquid crystal panel 4 of FIG. 1 are performed by using two separate liquid crystal panels 7 so that each liquid crystal panel performs only one modulation. is there. That is, two sets of optical systems (a first group optical system and a second group optical system) including a collimator lens 3, a liquid crystal panel 7, and a condenser lens 6 are connected in series after the ultrashort pulse laser oscillator 1 and the phase grating 2. It is arranged. The first group of condensing lenses 6 and the second group of collimator lenses 3 constitute an afocal system of equal magnification, and corresponding pixels of the two liquid crystal panels 7 are combined. In this case, the order of performing phase modulation and amplitude modulation is not limited. Although this apparatus has a larger optical system than the apparatus of FIG. 1, there is an advantage that a highly versatile liquid crystal panel can be used.
[0040]
FIG. 8 is a block diagram showing still another embodiment of the laser processing apparatus of the present invention. In this configuration, the collimator lens disposed in the front stage of the liquid crystal panel 4 in the configuration of FIG. 1 is eliminated, whereby the configuration of the laser processing apparatus can be further simplified. However, in order to increase the accuracy of the phase modulation, it is necessary to make the interval between the phase grating 2 and the liquid crystal panel 4 sufficiently large so that the beam incident on the liquid crystal panel 4 is as parallel as possible to the optical axis. In addition, the code | symbol 8 in a figure has shown the condensing lens corresponding to the condensing lens 6 of FIG.
[0041]
FIG. 9 is a block diagram showing still another embodiment of the laser processing apparatus of the present invention. In this apparatus, the part corresponding to the liquid crystal panel 4 in the apparatus of FIG. 1 is configured by an aperture 11, a phase difference plate 12, and an ND filter 13, and the other configurations are the same as those of the apparatus of FIG.
[0042]
The aperture 11 has an opening formed in a corresponding portion so that only a necessary beam among the laser beams branched by the phase grating 2 is allowed to pass through. The unnecessary branched beam is reflected by the aperture 11. Accordingly, the aperture 11 is arranged so as to maintain a certain positional relationship with respect to the phase grating 2.
When changing the branch beam to be selected, replace it with another corresponding aperture prepared in advance, or use an aperture with a large number of apertures arranged in advance in a matrix, and change the branch beam to a location other than necessary The opening may be shielded.
[0043]
The phase difference plate 12 changes the phase between the branched laser beams, and different phase difference plates are used according to the phase difference to be changed.
[0044]
The ND filter 13 is an achromatic filter that does not exhibit spectral selective absorption, and is used to change the amplitude of the laser beam. Different ND filters 13 are used depending on the amplitude to be changed. Here, the phase difference plate 12 and the ND filter 13 are arranged in this order, but their order may be any. Further, the intensity of the branched laser beam can be made to depend only on the phase grating 2 so that the ND filter 13 is not used.
[0045]
Such a laser processing apparatus of FIG. 9 operates as follows. That is, the ultrashort pulse laser beam oscillated from the ultrashort pulse laser oscillator 1 is branched into a plurality of laser beams by diffraction by the phase grating 2. Subsequently, the branched laser beam is made substantially parallel to the optical axis by the collimator lens 3 and then incident on the incident surface of the aperture 11 so as to be substantially orthogonal. The aperture 11 allows only the necessary laser beam to pass through the opening and enter the phase difference plate 12, thereby bringing the phases of the laser beams into the same phase. The laser beams having the same phase subsequently enter the ND filter 13 and the amplitude thereof is adjusted. The traveling directions of the plurality of laser beams that have exited the ND filter 13 are changed by the condenser lens 6, and the laser beams are irradiated such that the laser beams interfere with each other on or inside the workpiece 10. As a result, a light intensity distribution due to interference is generated in the workpiece 10, whereby the workpiece 10 is processed by ablation or / and refractive index change. Also in this apparatus, various modes of processing similar to those described in the section of the apparatus of FIG. 1 can be performed by controlling the laser beam according to the apparatus of FIG.
[0046]
It is also possible to configure a laser processing apparatus in which one or two of the three elements of the aperture 11, the phase difference plate 12, and the ND filter 13 are replaced with a spatial light modulator.
[0047]
As described above, in the processing method and apparatus using the ultrashort pulse laser described in each embodiment, surface processing of various materials including metal, that is, formation of fine unevenness, surface modification, and the like can be performed. In addition, internal processing of laser transmitting materials such as glass, quartz, quartz, sapphire and diamond can be performed. Furthermore, since the laser processing method and apparatus described in each of the above embodiments enable fine three-dimensional processing, appropriate defects and cavities are formed in the photonic crystal using this, and the waveguide, optical Optical integrated circuits such as modulators and optical switches, and optical devices can be manufactured.
[0048]
【The invention's effect】
According to the laser processing method of the present invention, the direction and intensity of the branched laser beam can be accurately obtained by the design of the diffractive element, and therefore, it is easy to accurately set the interference angle of the laser beam and the intensity of each beam. become. Further, since the phase can be individually controlled for the laser beam to be interfered, the light intensity distribution due to the interference can be finely controlled.
According to the laser processing apparatus of the present invention, the direction and intensity of the branched laser beam can be accurately set by the design of the diffractive element, and further, by adjusting the optical path changing element, the interference angle of each laser beam and the individual Accurate setting of the beam intensity is facilitated. Further, since the phase and amplitude can be individually controlled for the laser beam to be interfered, fine control of the light intensity distribution due to the interference is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a structural diagram showing an example of a liquid crystal panel used in the apparatus of FIG.
3 is a front view showing an example of a liquid crystal panel used in the apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a side view showing an example of an interference pattern of two laser beams.
FIG. 5 is a plan view showing an example of an interference pattern of three laser beams.
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an example in which two laser beams are caused to interfere with different phases.
FIG. 7 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Ultra-short pulse laser oscillator
2 ... Phase grating
3. Collimator lens
4. Spatial light modulator (liquid crystal panel)
5 ... LCD driver
6 ... Condensing lens
7. Spatial light modulator (liquid crystal panel)
8 ... Condensing lens
10 ... Workpiece
11 ... Aperture
12 ... retardation plate
13 ... ND filter

Claims

Branching an ultrashort pulse laser into a plurality of laser beams using a diffractive element;
Selecting a plurality of necessary laser beams from the plurality of branched laser beams;
Controlling the phase of the plurality of branched laser beams;
Interfering a plurality of laser beams whose phases are controlled, and processing the workpiece using a light intensity distribution due to the interference; and
A laser processing method comprising:

The laser processing method according to claim 1, further comprising a step of controlling an amplitude of each branched laser beam.

3. The laser processing method according to claim 2, wherein the selection of the laser beam is performed using amplitude control of the beams.

4. The laser processing method according to claim 1, wherein the phases of the selected laser beams are the same.

4. The laser processing method according to claim 1, wherein the phase of each selected laser beam is arbitrarily adjusted to move or change the interference light intensity distribution of the laser beam.

6. The laser processing method according to claim 1, wherein a surface of the workpiece is processed using a light intensity distribution due to the interference.

The laser processing method according to claim 1, wherein the inside of the workpiece is processed using a light intensity distribution due to the interference.

8. The laser processing method according to claim 1, wherein secondary processing different from the primary processing is performed subsequent to the primary processing by the interference of the ultrashort pulse laser.

9. The laser processing method according to claim 8, wherein a refractive index change of the material is caused by the primary processing, and wet etching is performed on the refractive index change portion by the secondary processing.

A laser oscillator that oscillates an ultra-short pulse laser;
A diffractive element for branching a laser beam oscillated by the laser oscillator into a plurality of laser beams;
A selection element for selecting a plurality of predetermined laser beams from a plurality of laser beams branched by the diffractive element;
Amplitude modulation means for controlling the amplitude of the branched laser beam;
Phase modulation means for controlling the phase of the branched laser beam;
An optical path changing element for interfering with the plurality of laser beams whose amplitude and phase are controlled;
A laser processing apparatus comprising:

The laser processing apparatus according to claim 10, further comprising a phase grating or a computer generated hologram as the diffractive element.

The laser processing apparatus according to claim 10, further comprising an aperture having an opening at a predetermined position as the selection element.

The laser processing apparatus according to claim 10, further comprising a retardation plate as the phase modulation unit.

The laser processing apparatus according to claim 10, further comprising a spatial light modulator as the phase modulation unit.

15. The laser processing apparatus according to claim 10, further comprising an ND filter as the amplitude modulation unit.

15. The laser processing apparatus according to claim 10, further comprising a spatial light modulator as the amplitude modulation means.

The laser processing apparatus according to claim 10, wherein a collimator lens is disposed in front of the selection element.

12. The laser processing apparatus according to claim 10, further comprising a spatial light modulator that functions as the selection element, the amplitude modulation unit, and the phase modulation unit.

19. The laser processing apparatus according to claim 18, wherein a spatial light modulator that performs amplitude modulation and a spatial light modulator that performs phase modulation are individually provided, and these spatial light modulators are arranged in series.

20. The laser processing apparatus according to claim 18, further comprising a two-dimensional matrix liquid crystal panel as the spatial light modulator.

21. The laser processing apparatus according to claim 18, wherein a collimator lens is disposed in front of the spatial light modulator.

The laser processing apparatus according to claim 10, further comprising a condensing lens as the optical path changing element.