500 uJ , 800 fs 微細加工向けフェムト秒レーザシステム:Origami XXP

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微細加工

微細加工のイメージ

微細加工には、パルスエネルギー uJ 以上ののピコ秒レーザやサブピコ秒レーザが用いられています。ガラス内部の微細加工には1.5um帯のフェムト秒レーザが用いられますが(3Dリソグラフィは780nm)、一般的には300~10psの1um帯パルスファイバレーザや、1um帯の高調波パルスレーザが用いられています。ピコ秒レーザはフェムト秒レーザよりも本質的に安定ということがあり、微細加工用のレーザとしてピコ秒ファイバレーザが普及しています。一方で、一部の応用では 300 - 400 fs のフェムト秒レーザとピコ秒レーザでは有意な差がみられる加工もあります。

超短パルスレーザは環境に対する安定性の問題からファイバレーザが普及しています。超短パルスファイバレーザの基本的な構成は、発振器(種光源)、パルスピッカー、パルス拡張器、光ファイバ増幅器、パルス圧縮器となっています。このようになる理由は、ピコ秒・フェムト秒ファイバレーザ発振器の出力が原理的に制限されるためです。また種光源と光ファイバ増幅器の間にパルス拡張器があるのは、光ファイバ増幅器内で発生する非線形光学効果を抑制するためです。パルスピッカーは、加工に必要なパルスのパルスエネルギー効率よく得るために使われます(パルスピッカーにより、数十MHzの繰返し周波数を持つパルスが、数百kHzレベルの繰返し周波数となります)。

また、安定なピコ秒レーザとして、半導体レーザをゲインスイッチと呼ばれる方法でピコ秒で駆動させる方式と、狭線幅CWレーザ(DFBレーザ)を変調器(LN変調器)を用いてパルス化させる方式があります。

ゲインスイッチLDは複雑なファイバシステムを構築せずとも、ゲインスイッチに最適化された半導体レーザと適切な駆動ドライバを用いるだけでピコ秒レーザを実現できます。微細加工用のゲインスイッチLD方式のピコ秒レーザのパルス幅は 数十ピコ秒です。最小パルス幅は数十ピコ秒で、繰り返し周波数をシングルショットから数百kHzまで変えることができますが、パルス幅と繰返し周波数には相関があります。

DFBレーザを変調器を用いてパルス化させる方法は、パルス形状をある程度自由に制御できます(時間領域の変調)。変調器には、LN変調器が1台か2台、もしくはLN変調器とAO変調器の併用が有効です。最小パルス幅は数十ピコ秒、繰返し周波数はMHz~kHzオーダーで可変で、パルス幅と繰り返し周波数は独立に制御できます。

高出力超短パルスレーザでは、高ピークパワー、高エネルギーを実現する光ファイバ増幅器をどのように構成するかがしばしば問題となります。高出力超短パルスレーザでは、高機能な光ファイバ融着機が必要になることがありますが、最近ではHI1060の光融着と空間光学系のLD励起構成で、高出力パルス光ファイバ増幅器を構築できるモジュールも市販されています。OPOなど複雑な構成の固体アンプの替わりに、RODファイバを用いた超短パルスレーザも市販されています。