パルス幅制御装置およびレーザー照射装置
【課題】小型の構成で１０〜１０００フェムト秒の範囲でパルス幅を連続的に変化させること。
【解決手段】フェムト秒レーザー光（３）の光路上に配置されて内部を前記フェムト秒レーザー光（３）が透過するレーザー光透過素子（１８，１９，２３，２４）と、前記レーザー光透過素子（１８，１９，２３，２４）内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子（１８，１９，２３，２４）を移動可能に支持する素子移動装置（１３）と、前記素子移動装置（１３）の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子（１８，１９，２３，２４）内を通過するフェムト秒レーザー光（３）の光路長を制御し、出力されるフェムト秒レーザー光（３）のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段（ＰＣ）と、を備えたパルス幅制御装置（１）。
【解決手段】フェムト秒レーザー光（３）の光路上に配置されて内部を前記フェムト秒レーザー光（３）が透過するレーザー光透過素子（１８，１９，２３，２４）と、前記レーザー光透過素子（１８，１９，２３，２４）内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子（１８，１９，２３，２４）を移動可能に支持する素子移動装置（１３）と、前記素子移動装置（１３）の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子（１８，１９，２３，２４）内を通過するフェムト秒レーザー光（３）の光路長を制御し、出力されるフェムト秒レーザー光（３）のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段（ＰＣ）と、を備えたパルス幅制御装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光のパルス幅を制御するパルス幅制御装置およびレーザー照射装置に関し、特に、パルス幅をピコ秒（１０−１２秒）やそれより小さいフェムト秒、特に、１００フェムト秒オーダー（１０−１３秒）前後の範囲で制御するのに好適なパルス幅制御装置およびレーザー照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の小型化、高性能化に伴い、直径１００μｍの微細化されたマイクロモータや各種センサ、アクチュエータ、電気回路等が集積されたデバイス、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を作製する技術の進展が望まれている。前記ＭＥＭＳを作成する技術として、レーザー光を使用したレーザー加工技術が使用されており、さらなる微細な加工が要求されてきている。
前記レーザー加工技術であるレーザーアブレーション加工では、固体材料のターゲットにレーザー光が照射された時に、ターゲット表面の材料が放出されて、表面が削り取られることで、非接触で加工している。
【０００３】
レーザーアブレーション加工等において使用されるレーザー光において、レーザー光が発光する時間であるパルス幅は、ターゲットに照射される時間に関連し、パルス幅がナノ秒（ｎｓ）のナノ秒レーザー光や、パルス幅がピコ秒（ｐｓ）のピコ秒レーザー光を使用する場合に比べて、さらにパルス幅が短いレーザー光を使用した場合は、より短時間で大きなエネルギーが伝達できるため、高品質、高精度で、熱の影響が小さくなる利点がある。
前記レーザーアブレーション加工をはじめ、レーザー光を使用した加工や実験、測定等では、光学素子の劣化や要求されている加工精度等の観点から、パルス幅を変化させたい場合がある。
パルス幅を変化させる技術として、下記の特許文献１、２記載の技術が知られている。
【０００４】
特許文献１（特開２００５−１４８５５０号公報）には、一般のレーザー光について、ビームスプリッタ（１１）で分離された一部のレーザー光を、複数の反射鏡（１２ａ〜１２ｄ）や複数のプリズム（２２ａ〜２２ｄ）、複数の凸面レンズ（３２ａ〜３２ｄ）等を使用して、８の字状の遅延光路を通過させ、再びビームスプリッタ（１１）で合成することで、出力されるレーザー光のパルス幅を伸張する技術が記載されている。すなわち、通過する光路長を変化させることで、パルス幅を伸張する技術が記載されている。
【０００５】
特許文献２（特開２００４−５５６２６号公報）には、超短パルスレーザー（１）から出たパルス光を、ビームスプリッタ２で分離して、分離されたパルス光を一対の回折格子対（８、９）を有するパルス幅制御装置内（７）に導入し、回折格子（８、９）で回折された際に、パルス光に含まれる波長成分が分解され、短波長側と長波長側で異なる距離の光路を通過した後で合成されることで、パルス幅を広げる技術が記載されている。このとき、回折格子対（８、９）の距離を可変として、回折格子対（８、９）の距離を制御することで、パルス幅を任意の幅に制御している。
【０００６】
また、特許文献２には、回折格子対（１１、１２）の間隔を固定して、回折格子で回折されたパルス光が通過するスリット（１４）を設け、スリット（１４）の幅を可変にすることで、パルス幅を変化させる技術が記載されている。
さらに、特許文献２には、三角プリズム対（１５、１６）で分光されて光路の距離が変化したパルス光を、幅が可変のスリット（１４）を使用することでパルス幅を制御する技術が記載されている。
また、特許文献２には、光ファイバの波長分散特性を利用してパルス幅を広げる技術も記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４８５５０号公報（「００１１」〜「００１６」、図３〜図７）
【特許文献２】特開２００４−５５６２６号公報（「００１９」〜「００２５」、図２〜図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
（従来技術の問題点）
前記特許文献１記載の技術では、８の字の光路に応じて設定された特定のパルス幅に変化させることは可能であるが、パルス幅を連続的に変化させることはできない問題がある。
特許文献２記載の技術では、回折格子やプリズムを使用した場合、現実には光路差が小さいため、パルス幅の微調整は可能であるが、パルス幅を大きく変化させようとすると、装置が大型化する問題がある。例えば、プリズムを使用する場合において、最初のプリズム（１５）への入射角を４８．８５°、プリズム（１５、１６）の間の間隔を１０ｃｍとした場合、計算すると、変化可能なパルス幅は最大でも１．１２ｆｓ（フェムト秒）程度であり、スリットを制御すると、これよりもさらに小さくなるため、パルス幅の微調整しかできなかった。したがって、例えば、パルス幅を１０ｆｓ変化させようとすると、プリズム間の間隔が数ｍ程度必要となり、１００ｆｓ変化させようとすると、数十ｍ必要となる。
【０００９】
したがって、特許文献１、２記載の技術のように、レーザー光が通過する空気中の光路長を制御し、光路差によりパルス幅を制御する技術では、時間差が非常に小さくなってしまうため、パルス幅を１０ｆｓ〜１００ｆｓ〜１０００ｆｓ範囲で任意のパルス幅に制御するには、装置が大型化する問題がある。
【００１０】
本発明は、前述の事情に鑑み、小型の装置で、１０〜１０００フェムト秒オーダーの範囲でパルス幅を連続的に変化させることを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のパルス幅制御装置は、
レーザー光の光路に対して傾斜して配置され且つ前記レーザー光が入射される入射辺と、前記光路に対して傾斜し且つ前記入射辺に対して傾斜する出射辺とを有し、前記レーザー光の光路上に配置されて内部を前記レーザー光が透過するレーザー光透過素子と、
前記レーザー光透過素子内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子を移動可能に支持する素子移動装置と、
前記素子移動装置の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子内を通過するレーザー光の光路長を制御し、出力されるレーザー光のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のパルス幅制御装置において、
前記レーザー光透過素子は、直角二等辺三角柱状の第１プリズム、第２プリズム、第３プリズムおよび第４プリズムからなり、
前記第１プリズムは、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第１の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第１の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第２プリズムは、前記レーザー光の入射光路に対して直交し且つ前記第１の出射辺に沿って配置された第２の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第２の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第３プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第２プリズムに対して線対称に配置されると共に、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第３の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第３の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第４プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第１プリズムに対して線対称に配置されると共に、前記入射光路に対して直交し且つ前記第３の出射辺に沿って配置された第４の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第４の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記素子移動装置は、前記第１プリズムおよび第４プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第１のプリズム移動装置と、前記第２プリズムおよび第３プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第２のプリズム移動装置と、を有する
ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のパルス幅制御装置において、
パルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光により構成された前記レーザー光を使用することを特徴とする。
【００１４】
前記技術的課題を解決するために、請求項４に記載の発明のレーザー照射装置は、
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光源装置から出射されたレーザー光の光路上に配置され、レーザー光源装置からのレーザー光のパルス幅を制御する請求項１ないし３のいずれかに記載のパルス幅制御装置と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、４に記載の発明によれば、レーザー光透過素子内を透過する際のレーザー光に含まれる波長成分の速度差と、パルス幅制御手段により制御された光路長とに応じて、レーザー光の波長成分の間に発生する時間差を制御することができ、従来の構成に比べて、小型の構成で、レーザー光のパルス幅を広い範囲で制御することができる。
請求項２に記載の発明によれば、４つのプリズムを使用することで、光路長を制御することができると共に、レーザー光の４つのプリズムに対する入射光路と出射光路とを同軸上にすることができ、既設の装置の光路上に容易に組み込むことができる。
請求項３に記載の発明によれば、フェムト秒レーザー光のパルス幅を広い範囲で制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例としての実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以後の説明の理解を容易にするために、図面において、前後方向をＸ軸方向、左右方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とし、矢印Ｘ，−Ｘ，Ｙ，−Ｙ，Ｚ，−Ｚで示す方向または示す側をそれぞれ、前方、後方、右方、左方、上方、下方、または、前側、後側、右側、左側、上側、下側とする。
また、図中、「○」の中に「・」が記載されたものは紙面の裏から表に向かう矢印を意味し、「○」の中に「×」が記載されたものは紙面の表から裏に向かう矢印を意味するものとする。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１のパルス幅制御装置を含むレーザー照射装置の全体説明図である。
図１において、本発明の実施例１のレーザー照射装置１は、レーザー光の一例であってパルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光を出射するフェムト秒レーザー光源２を有する。フェムト秒レーザー光源２から出射されたフェムト秒レーザー光３は、パルス幅制御装置４に入射される。パルス幅制御装置４に入射されたフェムト秒レーザー光３は、パルス幅制御装置４でパルス幅が制御されて、被照射物の一例としての試料Ｓに照射される。
【００１８】
図２は実施例１のパルス幅制御装置の斜視説明図である。
図２において、パルス幅制御装置４は、上方に配置された第１のプリズム移動装置１１と、下方に配置された第２のプリズム移動装置１２とからなる素子移動装置１３を有する。
第１のプリズム移動装置１１は、上下方向に延びる第１のエアシリンダ１６と、第１のエアシリンダ１６により上下方向に移動可能に支持された第１のプリズム支持ステージ１７とを有する。前記第１のプリズム支持ステージ１７は、略Ｕ字形状に形成されており、Ｕ字状の第１のプリズム支持ステージ１７の２つの上端部には、第１の素子支持部の一例として、前方に折り曲げられた形状の第１のプリズム支持部１７ａ，１７ｂが形成されている。左側の第１のプリズム支持部１７ａには、レーザー光透過素子の一例としての第１プリズム１８が固定支持されている。
【００１９】
前記第１プリズム１８は、直角二等辺三角柱状に形成されており、フェムト秒レーザー光３の入射光路３ａに対して入射辺としての第１斜辺１８ａが４５°傾斜した状態で配置されている。すなわち、実施例１ではフェムト秒レーザー光３の第１プリズム１８への入射角は４５°となっている。
したがって、第１プリズム１８の残りの二辺は、出射辺としての第１垂直辺１８ｂが上下方向（入射光路３ａに対して垂直に傾斜した方向）に沿って配置されると共に、残りの第１水平辺１８ｃが水平方向（入射光路３ａに沿った）方向に配置されている。したがって、実施例１では、フェムト秒レーザー光３は、第１斜辺１８ａから入射し、第１プリズム１８内を透過して、第１垂直辺１８ｂから出射される。
【００２０】
右側の第１のプリズム支持部１７ｂには、レーザー光透過素子の一例としての第４プリズム１９が固定支持されている。第４プリズム１９は、前記第１プリズム１８と同様に直角二等辺三角柱状に形成されており、第１プリズム１８に対して左右対称、すなわち、入射光路３ａに垂直な線分を基準にして線対称に配置されており、第４斜辺１９ａ、第４垂直辺１９ｂ、第４水平辺１９ｃを有する。したがって、実施例１の第４プリズム１９は、入射辺としての第４垂直辺１９ｂからフェムト秒レーザー光３が入射され、出射辺としての第４斜辺１９ａから出射されるように配置されている。
【００２１】
第２のプリズム移動装置１２は、第１のエアシリンダ１６の側方に配置された上下方向に延びる第２のエアシリンダ２１と、前記第２のエアシリンダ２１により上下方向に移動可能に支持された側面から見た場合に略Ｌ字形に折り曲げられた板状の第２のプリズム支持ステージ２２と、を有する。前記第２のプリズム支持ステージ２２は、第２の素子支持部の一例としての第２のプリズム支持部２２ａを有し、第２のプリズム支持部２２ａの下面には、レーザー光透過素子の一例としての第２プリズム２３および第３プリズム２４とが固定支持されている。
【００２２】
前記第２プリズム２３は、前記第１プリズム１８、第４プリズム１９と同様に直角二等辺三角柱状に形成されており、第１プリズム１８に対して左右対称且つ上下対称に配置されている。第２プリズム２３は、第２斜辺２３ａ、第２垂直辺２３ｂ、第２水平辺２３ｃを有し、第２垂直辺２３ｂが第１プリズム１８の第１垂直辺１８ｂに対して近接し且つ平行な状態となるように、第２プリズム２３は配置されている。したがって、実施例１の第２プリズム２３では、入射辺としての第２垂直辺２３ｂからフェムト秒レーザー光３が入射され、出射辺としての第２斜辺２３ａから出射される。
【００２３】
前記第３プリズム２４は、各プリズム１８、１９、２３と同様に直角二等辺三角柱状に形成されており、第２プリズム２３に対して左右対称、すなわち、入射光路３ａに垂直な線分を基準にして線対称に配置されている。第３プリズム２４は、第３斜辺２４ａ、第３垂直辺２４ｂ、第３水平辺２４ｃを有し、第３垂直辺２３ｂが第４プリズム１９の第４垂直辺１９ｂに対して近接し且つ平行な状態となるように、第３プリズム２４は配置されている。したがって、実施例１の第２プリズム２３では、入射辺としての第３斜辺２４ａからフェムト秒レーザー光３が入射され、出射辺としての第３垂直辺２４ｂから出射される。
【００２４】
図１、図２において、前記パルス幅制御装置４には、情報処理装置であって、パルス幅制御手段の一例としてのパーソナルコンピュータＰＣが接続されている。したがって、パルス幅制御装置４のエアシリンダ１６，２１は、パーソナルコンピュータＰＣから入力される制御信号に基づいて移動量が制御され、各プリズム１８，１９，２３，２４の光路３ａに対する上下方向の位置が制御される。
なお、実施例１では、プリズム１８，１９，２３，２４を移動させる装置として、エアシリンダ１６，２１を例示したが、この構成に限定されず、油圧シリンダや、モータとギアとの組み合わせ等、任意の移動機構を採用することが可能である。
【００２５】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１のレーザー照射装置１では、エアシリンダ１６、２１を作動させて、プリズム１８，１９，２３，２４を光路３ａに対して移動させることで、レーザー光３が透過する光路長を連続的に制御される。
前記パルス幅制御装置４に入力されたフェムト秒レーザー光３は、パルス幅制御装置４のプリズム１８，１９，２３，２４を透過する際に、波長毎にプリズム中を進む速度が異なる（スネルの法則、屈折の法則）。したがって、プリズム１８，１９，２３，２４を通過する各波長の光に速度差が発生し、通過する時間に差が発生し、通過時間の差に応じて、パルス幅が広がる。
【００２６】
図３は実施例１のプリズムをレーザー光が透過する状態の説明図であり、図３Ａはフェムト秒レーザー光がプリズムで屈折する状態の説明図、図３Ｂはフェムト秒レーザー光の一例としてのピークが７８０ｎｍのレーザー光が第１プリズムで屈折する説明図である。
図３において、例えば、ピークが７８０ｎｍの赤色のフェムト秒レーザー（チタン・サファイアレーザ）を使用し、等辺１８ｂ，１８ｃの長さＬが５ｃｍのプリズムを使用した場合を例として考える。
ピークが７８０ｎｍの赤色のレーザー光は、近傍の７６０ｎｍ〜８００ｎｍの波長成分も含まれており、波長７６０ｎｍの屈折率をｎ760とし、波長８００ｎｍの屈折率をｎ800とし、空気中の光速をｖ０とし、プリズム中の波長７６０ｎｍの光速をｖ７６０とし、プリズム中の波長８００ｎｍの光速をｖ８００とすると、スネルの法則から、以下の式（１）、（２）が成立する。
ｖ７６０＝ｖ０／ｎ７６０＝１．９８３３×１０８［ｍ／ｓ］ …式（１）
ｖ８００＝ｖ０／ｎ８００＝１．９８４４×１０８［ｍ／ｓ］ …式（２）
なお、式（１）、（２）における数値は、屈折率ｎ760，ｎ800として硼袿酸ガラスの屈折率を使用して計算をした。
【００２７】
実施例１の構成では、第１プリズム１８への入射角は共にθｉ＝４５°であり、波長７６０ｎｍの屈折角をθｒ760とし、波長８００ｎｍの屈折角をθｒ800とし、第１プリズム１８の入射光路３ａから上端までの距離をｘ１とした場合、波長７６０ｎｍの光の通過する光路Ｌ７６０および波長８００ｎｍの光の通過する光路Ｌ８００は、正弦定理から、式（３）、（４）で導出される。
Ｌ７６０＝ｘ１／ｓｉｎ（θｒ７６０＋４５°） …式（３）
Ｌ８００＝ｘ１／ｓｉｎ（θｒ８００＋４５°） …式（４）
なお、屈折角θｒは、スネルの法則から、以下の式（５）、（５′）で導出される。
ｓｉｎθｉ／ｓｉｎθｒ７６０＝ｖ０／ｖ７６０ …式（５）
ｓｉｎθｉ／ｓｉｎθｒ８００＝ｖ０／ｖ８００ …式（５′）
なお、他のプリズム１９，２３，２４についても、式（３）、（４）と同様にして光路を導出することが可能であるため、詳細な説明は省略する。
前記式（３）、（４）において、ｘ１が１［ｃｍ］の場合、Ｌ７６０＝１．０４６３ｃｍ、Ｌ８００＝１．０４６２ｃｍであり、光路差はほとんどない。また、θr760とθr800の角度差もほとんど無視できる。
【００２８】
図４はプリズムの移動範囲の説明図であり、図４Ａは光路長が最小になる最小光路長位置にプリズムが移動した状態の説明図、図４Ｂは光路長が最大になる最大光路長位置にプリズムが移動した状態の説明図である。
図５は実施例１の構成における時間差の計算結果の一覧表である。
式（１）、（２）で導出されたプリズム内の各波長の速度と、式（３）〜（５）等を使用して導出されたプリズム内の光路の合計（光路長）と、に基づいて、時間差を計算すると、図４Ａに示すように光路長が最小（ｘ１が１ｃｍ程度に設定）の場合、図５に示すように波長７６０ｎｍの通過時間が３０６．５７ｐｓ（ピコ秒）であり、波長８００ｎｍの通過時間が３０６．４４ｐｓであった。したがって、時間差は１３０ｆｓとなる。また、図４Ｂに示すように、光路長が最大（ｘ１が４ｃｍ程度に設定）の場合、波長７６０ｎｍの通過時間が８０６．７５ｐｓ、波長８００ｎｍの通過時間が８０６．４３ｐｓで、時間差は３２０ｆｓとなる。したがって、例示した構成の場合、１３０ｆｓ〜３２０ｆｓの範囲で、パルス幅を変化させることが可能であることがわかる。
【００２９】
したがって、実施例１のパルス幅制御装置４では、プリズム１８，１９，２３，２４を光路３ａに対して移動させることで、レーザー光３が透過する光路長が連続的に制御され、１００ｆｓオーダで、パルス幅を任意の値だけ変化させることができる。
したがって、従来のように、分光した各波長成分の光路長の差では、空気中を通過する速度に差がほとんど無いため、時間差がほとんどなく、パルス幅を数ｆｓしか変化させられず、微調整しかできなかったが、実施例１のように、速度差が発生するプリズム中を通過する光路長を利用することで、プリズムが５ｃｍ程度の小型のものでも、１００ｆｓオーダでパルス幅を制御することができる。
この結果、実施例１のパルス幅制御装置４は、従来の構成に比べて小型の構成で、１００ｆｓオーダでのパルス幅の制御を実現できる。
【００３０】
なお、実施例の構成では、第１プリズム１８と第４プリズム１９が線対称に配置され、第２プリズム２３と第３プリズム２４が線対称に配置され、且つ、第１プリズム１８、第２プリズム２３に対して、第３プリズム１９、第４プリズム１９が線対称に配置されているため、パルス幅制御装置４全体として、レーザー光３の入射光路３ａと、出射光路３ｂとを同軸上にすることができる。すなわち、既設の装置に組み込む場合に、レーザー光３の光路が変化せず、既設の装置の設定や位置の変更を行う必要がなく、光路上に追加して設置するだけで、容易にパルス幅を１００ｆｓのオーダで制御することができる。
【００３１】
また、小型で容易に設置が可能であるため、例えば、パルス幅制御装置４を２つ並べて配置することで、倍の範囲（２６０ｆｓ〜６４０ｆｓ）で制御でき、３つ並べることで１０００ｆｓ近くの範囲までパルス幅が制御できる。
なお、複数個並べなくても、パルス幅制御装置４から出射されたレーザー光３を、ミラー等で反射して、もう一度パルス幅制御装置４に入射することを何度か繰り返すことで、同様の効果を得ることが可能である。したがって、この場合は、パルス幅を１００ｆｓ程度変化させる場合は、ミラーで反射させず、１０００ｆｓ程度変化させる場合には、ミラーを使用することで、１００ｆｓ〜１０００ｆｓ程度の範囲でパルス幅を制御することができる。
【００３２】
（実験例）
図６は実験例１の装置の全体説明図である。
次に、本発明の効果を確認するための実験を行った。
実験は、実施例１の構成のパルス幅制御装置４を使用し、図６に示す実験装置を使用して行った。フェムト秒レーザ光として、パルス幅１６０ｆｓで、波長８８２ｎｍの基本波と波長４４１ｎｍの第２高調波とを含むダブルパルス光を使用した。パルス幅制御装置４から出力されたレーザー光は、第１反射鏡４１で反射され、第１ビームスプリッタ４２で、分岐される。
【００３３】
第１ビームスプリッタ４２で分岐された一方のレーザー光は、第２反射鏡４３で反射されて遅延光学素子４４に入射される。前記遅延光学素子４４は、レーザー光の光路長を制御する従来公知の素子であり、遅延用第１反射鏡４６および遅延用第２反射鏡４７を有し、第２反射鏡４３に接近、離間する方向に移動可能に構成されている。したがって、遅延光学素子４４と第２反射鏡４３との距離を制御することで、レーザー光の光路が変化し、レーザー光を遅延させることができる。遅延光学素子４４から出力されたレーザー光は、第３反射鏡４８で反射され、第２ビームスプリッタ４９に入射される。
第１ビームスプリッタ４２で分岐された他方のレーザー光は、第４反射鏡５１および第５反射鏡５２で反射されて、第２ビームスプリッタ４９に入射される。したがって、第２ビームスプリッタ４９で、レーザー光が合成され、遅延光学素子４４での遅延に応じて、一方のレーザー光と他方のレーザー光とが干渉する。
【００３４】
第２ビームスプリッタ４９から出力されたレーザー光は、非線形光学結晶の一例としてのＬＢＯ結晶５３に入力されて第２高調波の位相整合が行われ、プリズム５４で基本波と第２高調波とが分離される。分離された波長８８２ｎｍの基本波を遮光部材５６で遮光し、波長４４１ｎｍの第２高調波の強度を強度測定装置５７で測定した。
なお、実験は、パルス幅制御装置４において、光路長が最小の場合と、光路長が最大の場合で、遅延光学素子４４で遅延時間を変化させて、レーザー光の強度を測定した。測定結果を図７に示す。
【００３５】
図７は実験例の実験結果のグラフであり、図７Ａは光路長が最小の場合のグラフ、図７Ｂは光路長が最大の場合のグラフである。
図７において、横軸に遅延時間(Delay time)を取り、縦軸に強度を取ると、図７に示すような測定値が測定された。測定された測定値から、従来公知の自己相関法で自己相関波形を演算し、自己相関波形からパルス幅（半値全幅）を演算した。
この結果、光路長が最小の場合は、第２高調波発生の遅延時間の半値幅から求めたパルス幅は、１９７ｆｓとなり、元々のパルス幅１６０ｆｓからの変化は小さかった。光路長が最大の場合は、パルス幅は３４９ｆｓであった。
したがって、１００ｆｓオーダでパルス幅が制御できることが確認された。
【実施例２】
【００３６】
図８は本発明の実施例２のパルス幅制御装置の要部説明図である。
次に、本発明の実施例２の説明をするが、この実施例２の説明において、前記実施例１の構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
この実施例２は、下記の点で前記実施例１と相違しているが、他の点では前記実施例１と同様に構成されている。
図８において、実施例２のパルス幅制御装置４′では、実施例１のパルス幅制御装置４とは異なり、レーザー光透過素子として、２つのプリズム１８′，１９′を有する。実施例２の第１プリズム１８′および第２プリズム１９′は、共に同一形状の直角三角柱上に構成されており、３つの角が、９０°、３０°、６０°となっている。
【００３７】
そして、第１プリズム１８′は、フェムト秒レーザー光３の入射光路３ａに対して、入射辺としての第１垂直辺１８ｂ′が直交する状態で配置されている。したがって、実施例２では、レーザー光透過素子への入射角は９０°に設定されている。第２プリズム１９′は、第１プリズム１８′の出射辺としての第１斜辺１８ａ′に平行して、入射辺としての第２斜辺１９ａ′が配置されている。そして、出射辺としての第２垂直辺１９ｂ′からフェムト秒レーザー光が出力される。
なお、実施例２では、第１プリズム１８′を支持して移動させる第１プリズム移動装置１１′は、入射光路３ａに対して、第１斜辺１８ａ′に沿った方向に第１プリズム１８′を移動可能に支持する。同様に、第２プリズム１９′を支持して移動させる第２プリズム移動装置１２′は、入射光路３ａに対して、第２斜辺１９ａ′に沿った方向に第１プリズム１９′を移動可能に支持する。
【００３８】
（実施例２の作用）
前記構成を備えた実施例２のパルス幅制御装置４′では、
フェムト秒レーザー光３がプリズム１８′，１９′を通過する際に、波長に応じて発生する速度差により、パルス幅が広がる。そして、素子移動装置１３′（１１′＋１２′）を制御して、フェムト秒レーザー光３がプリズム１８′，１９′を透過する光路長を制御することで、パルス幅を制御することができる。
なお、第１水平辺１８ｃ′および第２水平辺１９ｃ′の長さＬを３ｃｍとすると、フェムト秒レーザー光３がプリズム１８′，１９′を透過する光路長は、０ｃｍ（プリズム１８′，１９′が光路３ａから外れた状態）〜６ｃｍ（水平辺１８ｃ′，１９ｃ′の近傍を透過する状態）の範囲で制御することができる。例えば、通過する光路長が３ｃｍとして、その他の条件は実施例１と同様にして計算をすると、８４ｆｓの時間差を発生させることができ、パルス幅を８４ｆｓ広げることができる。したがって、数１０ｆｓ〜数１００ｆｓ程度の範囲でパルス幅を制御することができる。
その他、実施例２は実施例１と同様の作用、効果を有する。
【００３９】
(変更例)
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、前記実施例において、プリズムの数や大きさ、材質は、変化させたいパルス幅の設定や、設計、仕様等に応じて、任意に変更可能である。
また、前記実施例において、フェムト秒レーザー光の入射光路３ａと出射光路とが同一軸上であることが望ましいが、プリズムの数や配置角度、ミラー（反射鏡）等を使用して同一でないように設定することも可能である。
【００４０】
前記実施例において、パルス幅制御手段としてパーソナルコンピュータを例示したが、この構成に限定されず、制御回路（電子回路）と操作部とを有する入力制御装置を使用することも可能である。
本発明は、レーザー光としてパルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光に特に好適に使用可能であるが、フェムト秒レーザー光に限定されず、例えば、パルス幅がピコ秒（＝１０００フェムト秒）オーダのピコ秒レーザー光に対して使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は本発明の実施例１のパルス幅制御装置を含むレーザー照射装置の全体説明図である。
【図２】図２は実施例１のパルス幅制御装置の斜視説明図である。
【図３】図３は実施例１のプリズムをレーザー光が透過する状態の説明図であり、図３Ａはフェムト秒レーザー光がプリズムで屈折する状態の説明図、図３Ｂはフェムト秒レーザー光の一例としてのピークが７８０ｎｍのレーザー光が第１プリズムで屈折する説明図である。
【図４】図４はプリズムの移動範囲の説明図であり、図４Ａは光路長が最小になる最小光路長位置にプリズムが移動した状態の説明図、図４Ｂは光路長が最大になる最大光路長位置にプリズムが移動した状態の説明図である。
【図５】図５は実施例１の構成における時間差の計算結果の一覧表である。
【図６】図６は実験例１の装置の全体説明図である。
【図７】図７は実験例の実験結果のグラフであり、図７Ａは光路長が最小の場合のグラフ、図７Ｂは光路長が最大の場合のグラフである。
【図８】図８は本発明の実施例２のパルス幅制御装置の要部説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…レーザー照射装置、
２…フェムト秒レーザー光源、
３…フェムト秒レーザー光、
３ａ，３ｂ…光路、
４，４′…パルス幅制御装置、
１１…第１のプリズム移動装置、
１２…第２のプリズム移動装置、
１３，１３′…素子移動装置、
１８…第１プリズム、
１８，１９，２３，２４…レーザー光透過素子、
１８ａ，１９ｂ，２３ｂ，２４ａ…入射辺、
１８ｂ，１９ａ，２３ａ，２４ｂ…出射辺、
１９…第４プリズム、
２３…第２プリズム、
２４…第３プリズム、
ＰＣ…パルス幅制御手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光のパルス幅を制御するパルス幅制御装置およびレーザー照射装置に関し、特に、パルス幅をピコ秒（１０−１２秒）やそれより小さいフェムト秒、特に、１００フェムト秒オーダー（１０−１３秒）前後の範囲で制御するのに好適なパルス幅制御装置およびレーザー照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の小型化、高性能化に伴い、直径１００μｍの微細化されたマイクロモータや各種センサ、アクチュエータ、電気回路等が集積されたデバイス、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を作製する技術の進展が望まれている。前記ＭＥＭＳを作成する技術として、レーザー光を使用したレーザー加工技術が使用されており、さらなる微細な加工が要求されてきている。
前記レーザー加工技術であるレーザーアブレーション加工では、固体材料のターゲットにレーザー光が照射された時に、ターゲット表面の材料が放出されて、表面が削り取られることで、非接触で加工している。
【０００３】
レーザーアブレーション加工等において使用されるレーザー光において、レーザー光が発光する時間であるパルス幅は、ターゲットに照射される時間に関連し、パルス幅がナノ秒（ｎｓ）のナノ秒レーザー光や、パルス幅がピコ秒（ｐｓ）のピコ秒レーザー光を使用する場合に比べて、さらにパルス幅が短いレーザー光を使用した場合は、より短時間で大きなエネルギーが伝達できるため、高品質、高精度で、熱の影響が小さくなる利点がある。
前記レーザーアブレーション加工をはじめ、レーザー光を使用した加工や実験、測定等では、光学素子の劣化や要求されている加工精度等の観点から、パルス幅を変化させたい場合がある。
パルス幅を変化させる技術として、下記の特許文献１、２記載の技術が知られている。
【０００４】
特許文献１（特開２００５−１４８５５０号公報）には、一般のレーザー光について、ビームスプリッタ（１１）で分離された一部のレーザー光を、複数の反射鏡（１２ａ〜１２ｄ）や複数のプリズム（２２ａ〜２２ｄ）、複数の凸面レンズ（３２ａ〜３２ｄ）等を使用して、８の字状の遅延光路を通過させ、再びビームスプリッタ（１１）で合成することで、出力されるレーザー光のパルス幅を伸張する技術が記載されている。すなわち、通過する光路長を変化させることで、パルス幅を伸張する技術が記載されている。
【０００５】
特許文献２（特開２００４−５５６２６号公報）には、超短パルスレーザー（１）から出たパルス光を、ビームスプリッタ２で分離して、分離されたパルス光を一対の回折格子対（８、９）を有するパルス幅制御装置内（７）に導入し、回折格子（８、９）で回折された際に、パルス光に含まれる波長成分が分解され、短波長側と長波長側で異なる距離の光路を通過した後で合成されることで、パルス幅を広げる技術が記載されている。このとき、回折格子対（８、９）の距離を可変として、回折格子対（８、９）の距離を制御することで、パルス幅を任意の幅に制御している。
【０００６】
また、特許文献２には、回折格子対（１１、１２）の間隔を固定して、回折格子で回折されたパルス光が通過するスリット（１４）を設け、スリット（１４）の幅を可変にすることで、パルス幅を変化させる技術が記載されている。
さらに、特許文献２には、三角プリズム対（１５、１６）で分光されて光路の距離が変化したパルス光を、幅が可変のスリット（１４）を使用することでパルス幅を制御する技術が記載されている。
また、特許文献２には、光ファイバの波長分散特性を利用してパルス幅を広げる技術も記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４８５５０号公報（「００１１」〜「００１６」、図３〜図７）
【特許文献２】特開２００４−５５６２６号公報（「００１９」〜「００２５」、図２〜図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
（従来技術の問題点）
前記特許文献１記載の技術では、８の字の光路に応じて設定された特定のパルス幅に変化させることは可能であるが、パルス幅を連続的に変化させることはできない問題がある。
特許文献２記載の技術では、回折格子やプリズムを使用した場合、現実には光路差が小さいため、パルス幅の微調整は可能であるが、パルス幅を大きく変化させようとすると、装置が大型化する問題がある。例えば、プリズムを使用する場合において、最初のプリズム（１５）への入射角を４８．８５°、プリズム（１５、１６）の間の間隔を１０ｃｍとした場合、計算すると、変化可能なパルス幅は最大でも１．１２ｆｓ（フェムト秒）程度であり、スリットを制御すると、これよりもさらに小さくなるため、パルス幅の微調整しかできなかった。したがって、例えば、パルス幅を１０ｆｓ変化させようとすると、プリズム間の間隔が数ｍ程度必要となり、１００ｆｓ変化させようとすると、数十ｍ必要となる。
【０００９】
したがって、特許文献１、２記載の技術のように、レーザー光が通過する空気中の光路長を制御し、光路差によりパルス幅を制御する技術では、時間差が非常に小さくなってしまうため、パルス幅を１０ｆｓ〜１００ｆｓ〜１０００ｆｓ範囲で任意のパルス幅に制御するには、装置が大型化する問題がある。
【００１０】
本発明は、前述の事情に鑑み、小型の装置で、１０〜１０００フェムト秒オーダーの範囲でパルス幅を連続的に変化させることを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のパルス幅制御装置は、
レーザー光の光路に対して傾斜して配置され且つ前記レーザー光が入射される入射辺と、前記光路に対して傾斜し且つ前記入射辺に対して傾斜する出射辺とを有し、前記レーザー光の光路上に配置されて内部を前記レーザー光が透過するレーザー光透過素子と、
前記レーザー光透過素子内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子を移動可能に支持する素子移動装置と、
前記素子移動装置の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子内を通過するレーザー光の光路長を制御し、出力されるレーザー光のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のパルス幅制御装置において、
前記レーザー光透過素子は、直角二等辺三角柱状の第１プリズム、第２プリズム、第３プリズムおよび第４プリズムからなり、
前記第１プリズムは、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第１の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第１の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第２プリズムは、前記レーザー光の入射光路に対して直交し且つ前記第１の出射辺に沿って配置された第２の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第２の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第３プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第２プリズムに対して線対称に配置されると共に、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第３の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第３の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第４プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第１プリズムに対して線対称に配置されると共に、前記入射光路に対して直交し且つ前記第３の出射辺に沿って配置された第４の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第４の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記素子移動装置は、前記第１プリズムおよび第４プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第１のプリズム移動装置と、前記第２プリズムおよび第３プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第２のプリズム移動装置と、を有する
ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のパルス幅制御装置において、
パルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光により構成された前記レーザー光を使用することを特徴とする。
【００１４】
前記技術的課題を解決するために、請求項４に記載の発明のレーザー照射装置は、
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光源装置から出射されたレーザー光の光路上に配置され、レーザー光源装置からのレーザー光のパルス幅を制御する請求項１ないし３のいずれかに記載のパルス幅制御装置と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、４に記載の発明によれば、レーザー光透過素子内を透過する際のレーザー光に含まれる波長成分の速度差と、パルス幅制御手段により制御された光路長とに応じて、レーザー光の波長成分の間に発生する時間差を制御することができ、従来の構成に比べて、小型の構成で、レーザー光のパルス幅を広い範囲で制御することができる。
請求項２に記載の発明によれば、４つのプリズムを使用することで、光路長を制御することができると共に、レーザー光の４つのプリズムに対する入射光路と出射光路とを同軸上にすることができ、既設の装置の光路上に容易に組み込むことができる。
請求項３に記載の発明によれば、フェムト秒レーザー光のパルス幅を広い範囲で制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例としての実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以後の説明の理解を容易にするために、図面において、前後方向をＸ軸方向、左右方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とし、矢印Ｘ，−Ｘ，Ｙ，−Ｙ，Ｚ，−Ｚで示す方向または示す側をそれぞれ、前方、後方、右方、左方、上方、下方、または、前側、後側、右側、左側、上側、下側とする。
また、図中、「○」の中に「・」が記載されたものは紙面の裏から表に向かう矢印を意味し、「○」の中に「×」が記載されたものは紙面の表から裏に向かう矢印を意味するものとする。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１のパルス幅制御装置を含むレーザー照射装置の全体説明図である。
図１において、本発明の実施例１のレーザー照射装置１は、レーザー光の一例であってパルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光を出射するフェムト秒レーザー光源２を有する。フェムト秒レーザー光源２から出射されたフェムト秒レーザー光３は、パルス幅制御装置４に入射される。パルス幅制御装置４に入射されたフェムト秒レーザー光３は、パルス幅制御装置４でパルス幅が制御されて、被照射物の一例としての試料Ｓに照射される。
【００１８】
図２は実施例１のパルス幅制御装置の斜視説明図である。
図２において、パルス幅制御装置４は、上方に配置された第１のプリズム移動装置１１と、下方に配置された第２のプリズム移動装置１２とからなる素子移動装置１３を有する。
第１のプリズム移動装置１１は、上下方向に延びる第１のエアシリンダ１６と、第１のエアシリンダ１６により上下方向に移動可能に支持された第１のプリズム支持ステージ１７とを有する。前記第１のプリズム支持ステージ１７は、略Ｕ字形状に形成されており、Ｕ字状の第１のプリズム支持ステージ１７の２つの上端部には、第１の素子支持部の一例として、前方に折り曲げられた形状の第１のプリズム支持部１７ａ，１７ｂが形成されている。左側の第１のプリズム支持部１７ａには、レーザー光透過素子の一例としての第１プリズム１８が固定支持されている。
【００１９】
前記第１プリズム１８は、直角二等辺三角柱状に形成されており、フェムト秒レーザー光３の入射光路３ａに対して入射辺としての第１斜辺１８ａが４５°傾斜した状態で配置されている。すなわち、実施例１ではフェムト秒レーザー光３の第１プリズム１８への入射角は４５°となっている。
したがって、第１プリズム１８の残りの二辺は、出射辺としての第１垂直辺１８ｂが上下方向（入射光路３ａに対して垂直に傾斜した方向）に沿って配置されると共に、残りの第１水平辺１８ｃが水平方向（入射光路３ａに沿った）方向に配置されている。したがって、実施例１では、フェムト秒レーザー光３は、第１斜辺１８ａから入射し、第１プリズム１８内を透過して、第１垂直辺１８ｂから出射される。
【００２０】
右側の第１のプリズム支持部１７ｂには、レーザー光透過素子の一例としての第４プリズム１９が固定支持されている。第４プリズム１９は、前記第１プリズム１８と同様に直角二等辺三角柱状に形成されており、第１プリズム１８に対して左右対称、すなわち、入射光路３ａに垂直な線分を基準にして線対称に配置されており、第４斜辺１９ａ、第４垂直辺１９ｂ、第４水平辺１９ｃを有する。したがって、実施例１の第４プリズム１９は、入射辺としての第４垂直辺１９ｂからフェムト秒レーザー光３が入射され、出射辺としての第４斜辺１９ａから出射されるように配置されている。
【００２１】
第２のプリズム移動装置１２は、第１のエアシリンダ１６の側方に配置された上下方向に延びる第２のエアシリンダ２１と、前記第２のエアシリンダ２１により上下方向に移動可能に支持された側面から見た場合に略Ｌ字形に折り曲げられた板状の第２のプリズム支持ステージ２２と、を有する。前記第２のプリズム支持ステージ２２は、第２の素子支持部の一例としての第２のプリズム支持部２２ａを有し、第２のプリズム支持部２２ａの下面には、レーザー光透過素子の一例としての第２プリズム２３および第３プリズム２４とが固定支持されている。
【００２２】
前記第２プリズム２３は、前記第１プリズム１８、第４プリズム１９と同様に直角二等辺三角柱状に形成されており、第１プリズム１８に対して左右対称且つ上下対称に配置されている。第２プリズム２３は、第２斜辺２３ａ、第２垂直辺２３ｂ、第２水平辺２３ｃを有し、第２垂直辺２３ｂが第１プリズム１８の第１垂直辺１８ｂに対して近接し且つ平行な状態となるように、第２プリズム２３は配置されている。したがって、実施例１の第２プリズム２３では、入射辺としての第２垂直辺２３ｂからフェムト秒レーザー光３が入射され、出射辺としての第２斜辺２３ａから出射される。
【００２３】
前記第３プリズム２４は、各プリズム１８、１９、２３と同様に直角二等辺三角柱状に形成されており、第２プリズム２３に対して左右対称、すなわち、入射光路３ａに垂直な線分を基準にして線対称に配置されている。第３プリズム２４は、第３斜辺２４ａ、第３垂直辺２４ｂ、第３水平辺２４ｃを有し、第３垂直辺２３ｂが第４プリズム１９の第４垂直辺１９ｂに対して近接し且つ平行な状態となるように、第３プリズム２４は配置されている。したがって、実施例１の第２プリズム２３では、入射辺としての第３斜辺２４ａからフェムト秒レーザー光３が入射され、出射辺としての第３垂直辺２４ｂから出射される。
【００２４】
図１、図２において、前記パルス幅制御装置４には、情報処理装置であって、パルス幅制御手段の一例としてのパーソナルコンピュータＰＣが接続されている。したがって、パルス幅制御装置４のエアシリンダ１６，２１は、パーソナルコンピュータＰＣから入力される制御信号に基づいて移動量が制御され、各プリズム１８，１９，２３，２４の光路３ａに対する上下方向の位置が制御される。
なお、実施例１では、プリズム１８，１９，２３，２４を移動させる装置として、エアシリンダ１６，２１を例示したが、この構成に限定されず、油圧シリンダや、モータとギアとの組み合わせ等、任意の移動機構を採用することが可能である。
【００２５】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１のレーザー照射装置１では、エアシリンダ１６、２１を作動させて、プリズム１８，１９，２３，２４を光路３ａに対して移動させることで、レーザー光３が透過する光路長を連続的に制御される。
前記パルス幅制御装置４に入力されたフェムト秒レーザー光３は、パルス幅制御装置４のプリズム１８，１９，２３，２４を透過する際に、波長毎にプリズム中を進む速度が異なる（スネルの法則、屈折の法則）。したがって、プリズム１８，１９，２３，２４を通過する各波長の光に速度差が発生し、通過する時間に差が発生し、通過時間の差に応じて、パルス幅が広がる。
【００２６】
図３は実施例１のプリズムをレーザー光が透過する状態の説明図であり、図３Ａはフェムト秒レーザー光がプリズムで屈折する状態の説明図、図３Ｂはフェムト秒レーザー光の一例としてのピークが７８０ｎｍのレーザー光が第１プリズムで屈折する説明図である。
図３において、例えば、ピークが７８０ｎｍの赤色のフェムト秒レーザー（チタン・サファイアレーザ）を使用し、等辺１８ｂ，１８ｃの長さＬが５ｃｍのプリズムを使用した場合を例として考える。
ピークが７８０ｎｍの赤色のレーザー光は、近傍の７６０ｎｍ〜８００ｎｍの波長成分も含まれており、波長７６０ｎｍの屈折率をｎ760とし、波長８００ｎｍの屈折率をｎ800とし、空気中の光速をｖ０とし、プリズム中の波長７６０ｎｍの光速をｖ７６０とし、プリズム中の波長８００ｎｍの光速をｖ８００とすると、スネルの法則から、以下の式（１）、（２）が成立する。
ｖ７６０＝ｖ０／ｎ７６０＝１．９８３３×１０８［ｍ／ｓ］ …式（１）
ｖ８００＝ｖ０／ｎ８００＝１．９８４４×１０８［ｍ／ｓ］ …式（２）
なお、式（１）、（２）における数値は、屈折率ｎ760，ｎ800として硼袿酸ガラスの屈折率を使用して計算をした。
【００２７】
実施例１の構成では、第１プリズム１８への入射角は共にθｉ＝４５°であり、波長７６０ｎｍの屈折角をθｒ760とし、波長８００ｎｍの屈折角をθｒ800とし、第１プリズム１８の入射光路３ａから上端までの距離をｘ１とした場合、波長７６０ｎｍの光の通過する光路Ｌ７６０および波長８００ｎｍの光の通過する光路Ｌ８００は、正弦定理から、式（３）、（４）で導出される。
Ｌ７６０＝ｘ１／ｓｉｎ（θｒ７６０＋４５°） …式（３）
Ｌ８００＝ｘ１／ｓｉｎ（θｒ８００＋４５°） …式（４）
なお、屈折角θｒは、スネルの法則から、以下の式（５）、（５′）で導出される。
ｓｉｎθｉ／ｓｉｎθｒ７６０＝ｖ０／ｖ７６０ …式（５）
ｓｉｎθｉ／ｓｉｎθｒ８００＝ｖ０／ｖ８００ …式（５′）
なお、他のプリズム１９，２３，２４についても、式（３）、（４）と同様にして光路を導出することが可能であるため、詳細な説明は省略する。
前記式（３）、（４）において、ｘ１が１［ｃｍ］の場合、Ｌ７６０＝１．０４６３ｃｍ、Ｌ８００＝１．０４６２ｃｍであり、光路差はほとんどない。また、θr760とθr800の角度差もほとんど無視できる。
【００２８】
図４はプリズムの移動範囲の説明図であり、図４Ａは光路長が最小になる最小光路長位置にプリズムが移動した状態の説明図、図４Ｂは光路長が最大になる最大光路長位置にプリズムが移動した状態の説明図である。
図５は実施例１の構成における時間差の計算結果の一覧表である。
式（１）、（２）で導出されたプリズム内の各波長の速度と、式（３）〜（５）等を使用して導出されたプリズム内の光路の合計（光路長）と、に基づいて、時間差を計算すると、図４Ａに示すように光路長が最小（ｘ１が１ｃｍ程度に設定）の場合、図５に示すように波長７６０ｎｍの通過時間が３０６．５７ｐｓ（ピコ秒）であり、波長８００ｎｍの通過時間が３０６．４４ｐｓであった。したがって、時間差は１３０ｆｓとなる。また、図４Ｂに示すように、光路長が最大（ｘ１が４ｃｍ程度に設定）の場合、波長７６０ｎｍの通過時間が８０６．７５ｐｓ、波長８００ｎｍの通過時間が８０６．４３ｐｓで、時間差は３２０ｆｓとなる。したがって、例示した構成の場合、１３０ｆｓ〜３２０ｆｓの範囲で、パルス幅を変化させることが可能であることがわかる。
【００２９】
したがって、実施例１のパルス幅制御装置４では、プリズム１８，１９，２３，２４を光路３ａに対して移動させることで、レーザー光３が透過する光路長が連続的に制御され、１００ｆｓオーダで、パルス幅を任意の値だけ変化させることができる。
したがって、従来のように、分光した各波長成分の光路長の差では、空気中を通過する速度に差がほとんど無いため、時間差がほとんどなく、パルス幅を数ｆｓしか変化させられず、微調整しかできなかったが、実施例１のように、速度差が発生するプリズム中を通過する光路長を利用することで、プリズムが５ｃｍ程度の小型のものでも、１００ｆｓオーダでパルス幅を制御することができる。
この結果、実施例１のパルス幅制御装置４は、従来の構成に比べて小型の構成で、１００ｆｓオーダでのパルス幅の制御を実現できる。
【００３０】
なお、実施例の構成では、第１プリズム１８と第４プリズム１９が線対称に配置され、第２プリズム２３と第３プリズム２４が線対称に配置され、且つ、第１プリズム１８、第２プリズム２３に対して、第３プリズム１９、第４プリズム１９が線対称に配置されているため、パルス幅制御装置４全体として、レーザー光３の入射光路３ａと、出射光路３ｂとを同軸上にすることができる。すなわち、既設の装置に組み込む場合に、レーザー光３の光路が変化せず、既設の装置の設定や位置の変更を行う必要がなく、光路上に追加して設置するだけで、容易にパルス幅を１００ｆｓのオーダで制御することができる。
【００３１】
また、小型で容易に設置が可能であるため、例えば、パルス幅制御装置４を２つ並べて配置することで、倍の範囲（２６０ｆｓ〜６４０ｆｓ）で制御でき、３つ並べることで１０００ｆｓ近くの範囲までパルス幅が制御できる。
なお、複数個並べなくても、パルス幅制御装置４から出射されたレーザー光３を、ミラー等で反射して、もう一度パルス幅制御装置４に入射することを何度か繰り返すことで、同様の効果を得ることが可能である。したがって、この場合は、パルス幅を１００ｆｓ程度変化させる場合は、ミラーで反射させず、１０００ｆｓ程度変化させる場合には、ミラーを使用することで、１００ｆｓ〜１０００ｆｓ程度の範囲でパルス幅を制御することができる。
【００３２】
（実験例）
図６は実験例１の装置の全体説明図である。
次に、本発明の効果を確認するための実験を行った。
実験は、実施例１の構成のパルス幅制御装置４を使用し、図６に示す実験装置を使用して行った。フェムト秒レーザ光として、パルス幅１６０ｆｓで、波長８８２ｎｍの基本波と波長４４１ｎｍの第２高調波とを含むダブルパルス光を使用した。パルス幅制御装置４から出力されたレーザー光は、第１反射鏡４１で反射され、第１ビームスプリッタ４２で、分岐される。
【００３３】
第１ビームスプリッタ４２で分岐された一方のレーザー光は、第２反射鏡４３で反射されて遅延光学素子４４に入射される。前記遅延光学素子４４は、レーザー光の光路長を制御する従来公知の素子であり、遅延用第１反射鏡４６および遅延用第２反射鏡４７を有し、第２反射鏡４３に接近、離間する方向に移動可能に構成されている。したがって、遅延光学素子４４と第２反射鏡４３との距離を制御することで、レーザー光の光路が変化し、レーザー光を遅延させることができる。遅延光学素子４４から出力されたレーザー光は、第３反射鏡４８で反射され、第２ビームスプリッタ４９に入射される。
第１ビームスプリッタ４２で分岐された他方のレーザー光は、第４反射鏡５１および第５反射鏡５２で反射されて、第２ビームスプリッタ４９に入射される。したがって、第２ビームスプリッタ４９で、レーザー光が合成され、遅延光学素子４４での遅延に応じて、一方のレーザー光と他方のレーザー光とが干渉する。
【００３４】
第２ビームスプリッタ４９から出力されたレーザー光は、非線形光学結晶の一例としてのＬＢＯ結晶５３に入力されて第２高調波の位相整合が行われ、プリズム５４で基本波と第２高調波とが分離される。分離された波長８８２ｎｍの基本波を遮光部材５６で遮光し、波長４４１ｎｍの第２高調波の強度を強度測定装置５７で測定した。
なお、実験は、パルス幅制御装置４において、光路長が最小の場合と、光路長が最大の場合で、遅延光学素子４４で遅延時間を変化させて、レーザー光の強度を測定した。測定結果を図７に示す。
【００３５】
図７は実験例の実験結果のグラフであり、図７Ａは光路長が最小の場合のグラフ、図７Ｂは光路長が最大の場合のグラフである。
図７において、横軸に遅延時間(Delay time)を取り、縦軸に強度を取ると、図７に示すような測定値が測定された。測定された測定値から、従来公知の自己相関法で自己相関波形を演算し、自己相関波形からパルス幅（半値全幅）を演算した。
この結果、光路長が最小の場合は、第２高調波発生の遅延時間の半値幅から求めたパルス幅は、１９７ｆｓとなり、元々のパルス幅１６０ｆｓからの変化は小さかった。光路長が最大の場合は、パルス幅は３４９ｆｓであった。
したがって、１００ｆｓオーダでパルス幅が制御できることが確認された。
【実施例２】
【００３６】
図８は本発明の実施例２のパルス幅制御装置の要部説明図である。
次に、本発明の実施例２の説明をするが、この実施例２の説明において、前記実施例１の構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
この実施例２は、下記の点で前記実施例１と相違しているが、他の点では前記実施例１と同様に構成されている。
図８において、実施例２のパルス幅制御装置４′では、実施例１のパルス幅制御装置４とは異なり、レーザー光透過素子として、２つのプリズム１８′，１９′を有する。実施例２の第１プリズム１８′および第２プリズム１９′は、共に同一形状の直角三角柱上に構成されており、３つの角が、９０°、３０°、６０°となっている。
【００３７】
そして、第１プリズム１８′は、フェムト秒レーザー光３の入射光路３ａに対して、入射辺としての第１垂直辺１８ｂ′が直交する状態で配置されている。したがって、実施例２では、レーザー光透過素子への入射角は９０°に設定されている。第２プリズム１９′は、第１プリズム１８′の出射辺としての第１斜辺１８ａ′に平行して、入射辺としての第２斜辺１９ａ′が配置されている。そして、出射辺としての第２垂直辺１９ｂ′からフェムト秒レーザー光が出力される。
なお、実施例２では、第１プリズム１８′を支持して移動させる第１プリズム移動装置１１′は、入射光路３ａに対して、第１斜辺１８ａ′に沿った方向に第１プリズム１８′を移動可能に支持する。同様に、第２プリズム１９′を支持して移動させる第２プリズム移動装置１２′は、入射光路３ａに対して、第２斜辺１９ａ′に沿った方向に第１プリズム１９′を移動可能に支持する。
【００３８】
（実施例２の作用）
前記構成を備えた実施例２のパルス幅制御装置４′では、
フェムト秒レーザー光３がプリズム１８′，１９′を通過する際に、波長に応じて発生する速度差により、パルス幅が広がる。そして、素子移動装置１３′（１１′＋１２′）を制御して、フェムト秒レーザー光３がプリズム１８′，１９′を透過する光路長を制御することで、パルス幅を制御することができる。
なお、第１水平辺１８ｃ′および第２水平辺１９ｃ′の長さＬを３ｃｍとすると、フェムト秒レーザー光３がプリズム１８′，１９′を透過する光路長は、０ｃｍ（プリズム１８′，１９′が光路３ａから外れた状態）〜６ｃｍ（水平辺１８ｃ′，１９ｃ′の近傍を透過する状態）の範囲で制御することができる。例えば、通過する光路長が３ｃｍとして、その他の条件は実施例１と同様にして計算をすると、８４ｆｓの時間差を発生させることができ、パルス幅を８４ｆｓ広げることができる。したがって、数１０ｆｓ〜数１００ｆｓ程度の範囲でパルス幅を制御することができる。
その他、実施例２は実施例１と同様の作用、効果を有する。
【００３９】
(変更例)
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、前記実施例において、プリズムの数や大きさ、材質は、変化させたいパルス幅の設定や、設計、仕様等に応じて、任意に変更可能である。
また、前記実施例において、フェムト秒レーザー光の入射光路３ａと出射光路とが同一軸上であることが望ましいが、プリズムの数や配置角度、ミラー（反射鏡）等を使用して同一でないように設定することも可能である。
【００４０】
前記実施例において、パルス幅制御手段としてパーソナルコンピュータを例示したが、この構成に限定されず、制御回路（電子回路）と操作部とを有する入力制御装置を使用することも可能である。
本発明は、レーザー光としてパルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光に特に好適に使用可能であるが、フェムト秒レーザー光に限定されず、例えば、パルス幅がピコ秒（＝１０００フェムト秒）オーダのピコ秒レーザー光に対して使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は本発明の実施例１のパルス幅制御装置を含むレーザー照射装置の全体説明図である。
【図２】図２は実施例１のパルス幅制御装置の斜視説明図である。
【図３】図３は実施例１のプリズムをレーザー光が透過する状態の説明図であり、図３Ａはフェムト秒レーザー光がプリズムで屈折する状態の説明図、図３Ｂはフェムト秒レーザー光の一例としてのピークが７８０ｎｍのレーザー光が第１プリズムで屈折する説明図である。
【図４】図４はプリズムの移動範囲の説明図であり、図４Ａは光路長が最小になる最小光路長位置にプリズムが移動した状態の説明図、図４Ｂは光路長が最大になる最大光路長位置にプリズムが移動した状態の説明図である。
【図５】図５は実施例１の構成における時間差の計算結果の一覧表である。
【図６】図６は実験例１の装置の全体説明図である。
【図７】図７は実験例の実験結果のグラフであり、図７Ａは光路長が最小の場合のグラフ、図７Ｂは光路長が最大の場合のグラフである。
【図８】図８は本発明の実施例２のパルス幅制御装置の要部説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…レーザー照射装置、
２…フェムト秒レーザー光源、
３…フェムト秒レーザー光、
３ａ，３ｂ…光路、
４，４′…パルス幅制御装置、
１１…第１のプリズム移動装置、
１２…第２のプリズム移動装置、
１３，１３′…素子移動装置、
１８…第１プリズム、
１８，１９，２３，２４…レーザー光透過素子、
１８ａ，１９ｂ，２３ｂ，２４ａ…入射辺、
１８ｂ，１９ａ，２３ａ，２４ｂ…出射辺、
１９…第４プリズム、
２３…第２プリズム、
２４…第３プリズム、
ＰＣ…パルス幅制御手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光の光路に対して傾斜して配置され且つ前記レーザー光が入射される入射辺と、前記光路に対して傾斜し且つ前記入射辺に対して傾斜する出射辺とを有し、前記レーザー光の光路上に配置されて内部を前記レーザー光が透過するレーザー光透過素子と、
前記レーザー光透過素子内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子を移動可能に支持する素子移動装置と、
前記素子移動装置の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子内を通過するレーザー光の光路長を制御し、出力されるレーザー光のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段と、
を備えたことを特徴とするパルス幅制御装置。
【請求項２】
前記レーザー光透過素子は、直角二等辺三角柱状の第１プリズム、第２プリズム、第３プリズムおよび第４プリズムからなり、
前記第１プリズムは、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第１の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第１の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第２プリズムは、前記レーザー光の入射光路に対して直交し且つ前記第１の出射辺に沿って配置された第２の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第２の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第３プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第２プリズムに対して線対称に配置されると共に、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第３の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第３の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第４プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第１プリズムに対して線対称に配置されると共に、前記入射光路に対して直交し且つ前記第３の出射辺に沿って配置された第４の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第４の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記素子移動装置は、前記第１プリズムおよび第４プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第１のプリズム移動装置と、前記第２プリズムおよび第３プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第２のプリズム移動装置と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス幅制御装置。
【請求項３】
パルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光により構成された前記レーザー光を使用することを特徴とする請求項１または２に記載のパルス幅制御装置。
【請求項４】
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光源装置から出射されたレーザー光の光路上に配置され、レーザー光源装置からのレーザー光のパルス幅を制御する請求項１ないし３のいずれかに記載のパルス幅制御装置と、
を備えたことを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項１】
レーザー光の光路に対して傾斜して配置され且つ前記レーザー光が入射される入射辺と、前記光路に対して傾斜し且つ前記入射辺に対して傾斜する出射辺とを有し、前記レーザー光の光路上に配置されて内部を前記レーザー光が透過するレーザー光透過素子と、
前記レーザー光透過素子内を通過する光路に対して傾斜する素子移動方向に前記レーザー光透過素子を移動可能に支持する素子移動装置と、
前記素子移動装置の移動量を制御して、前記レーザー光透過素子内を通過するレーザー光の光路長を制御し、出力されるレーザー光のパルス幅を変化させるパルス幅制御手段と、
を備えたことを特徴とするパルス幅制御装置。
【請求項２】
前記レーザー光透過素子は、直角二等辺三角柱状の第１プリズム、第２プリズム、第３プリズムおよび第４プリズムからなり、
前記第１プリズムは、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第１の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第１の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第２プリズムは、前記レーザー光の入射光路に対して直交し且つ前記第１の出射辺に沿って配置された第２の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第２の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第３プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第２プリズムに対して線対称に配置されると共に、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第３の前記入射辺に前記レーザー光が入射されると共に、前記レーザー光の入射光路に対して直交して配置された第３の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記第４プリズムは、前記入射光路に対して直交する線分を基準として前記第１プリズムに対して線対称に配置されると共に、前記入射光路に対して直交し且つ前記第３の出射辺に沿って配置された第４の前記入射辺から前記レーザー光が入射され、直角二等辺三角形の斜辺により構成された第４の前記出射辺から前記レーザー光が出射され、
前記素子移動装置は、前記第１プリズムおよび第４プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第１のプリズム移動装置と、前記第２プリズムおよび第３プリズムを前記入射光路に対して直交する方向に移動させる第２のプリズム移動装置と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス幅制御装置。
【請求項３】
パルス幅がフェムト秒のフェムト秒レーザー光により構成された前記レーザー光を使用することを特徴とする請求項１または２に記載のパルス幅制御装置。
【請求項４】
レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光源装置から出射されたレーザー光の光路上に配置され、レーザー光源装置からのレーザー光のパルス幅を制御する請求項１ないし３のいずれかに記載のパルス幅制御装置と、
を備えたことを特徴とするレーザー照射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１０７７７７（Ｐ２０１０−１０７７７７Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８０３６０（Ｐ２００８−２８０３６０）
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【Ｆターム（参考）】
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