キーワード：レーザー穴あけ，フェムト秒レーザー，ベクトルビーム 図1 (a)円偏光ガウスビームおよび(b)高次径偏光LGビーム(LG5,1) をNA = 0.85の対物レンズで集光した場合の焦 ２．高次径偏光ビームの金属表面への集光 2・1 数値計算 図1で示した数値計算例は，ベクトルビームを高NAレンズによって空気中に強く集光した場合の焦点での強 持つ超短パルスレーザー光によるレーザー加工は，連続波・ナノ秒パルスレーザー光を用いた加工に比べて，熱影響を低減した高品質な微細加工が得られる利点を持つ．このため近年は，電子デバイス分野や自動車関連分野を始めとした多くの分野に対してレーザー微細加工プロセスの導入が進んでいる．本研究では，レーザー微細加工技術のさらなる進展へ向けて，レーザー光の振幅や偏光および位相の空間分布制御に立脚した新たなレーザー加工技術の開発を目的とした．具体的には，このような光の基本的なパラメータの空間分布制御によって得られる光ビーム（ベクトルビーム）の特異な集光特性がレーザー加工プロセスにどのように寄与するかについて実験的に検証する．これらの実験を通じて，既存の限界を超える加工分解能や加工精度を実現する新しいレーザー加工技術の開発につなげることを本研究の大きなねらいとする．以降では，その背景となる基本原理とベクトルビームの集光特性について述べ，本研究の実験結果の詳細について報告する． 光ビームの断面において，偏光方向が空間的に分布を持つビームはベクトルビームと呼ばれる．ベクトルビームの中でも，光軸に対して半径方向に沿って偏光した径偏光（ラジアル偏光）や方位角方向に偏光した方位偏光（アジマス偏光）は，その偏光の軸対称性に起因して，通常の直線偏光や円偏光ビームでは得られない集光特性を持つことが知られている1)．特に，径偏光ビームは，開口数（NA）の大きな対物レンズで強く集光すると，光軸方向に振動する軸方向電場が焦点に強く発生する．さらに，集光する径偏光ビームが多重リング状の強度分布を持つ高次横モードビーム（径偏光Laguerre-Gauss, LGp,1ビーム）である場合に，焦点における集光スポットサイズが，横モード次数pが大きくなるほど従来のガウスビームの集光よりも小さくなる極めて特異な性質を有している2)．例として，波長=1 mの円偏光ガウスビームおよび径偏光LG5,1ビームをNA = 0.85の対物レンズで集光した場合の焦点での強度および各偏光成分の1次元プロファイルを計算した結果を図1（a）および（b）にそれぞれ示している．本集光条件では，円偏光ガウスビームによる集光スポットサイズは約700 nmと計算されるのに対して，径偏光LG5,1ビームでの中心スポットサイズは590 nmとなる．このような微小集光スポット特性をレーザー微細加工に適用できれば，加工分解能や加工精度のさらなる向上が図れるも１．研究の目的と背景 ピコからサブピコ秒，あるいはフェムト秒のパルス幅を東北大学 多元物質科学研究所 （2018年度 一般研究開発助成 AF-2018208-B2） 准教授 小澤 祐市 のと期待される．しかしながら，図1（b）に示すような軸方向電場（|Ez|2）から構成される微小な集光スポット特性が，レーザー微細加工に対してどのように寄与するかについてはほとんど明らかになっていない．以上を背景に本研究では，金属材料に対するレーザー微細加工をターゲットとして，高NA条件においてベクトルビームを強く集光した場合の加工特性について実験的に明らかにすることを目指した3)． 点断面における強度プロファイルの計算結果． 度分布を計算したものである．一方で，レーザー加工においてはレーザー光の焦点位置に加工試料が配置されるため，実際の焦点近傍での光の強度分布は，加工試料表面での反射および試料への入射（吸収）を考慮する必要がある．この点を明らかにするため，空気中から金属試料に対して径偏光ビームを強く集光した場合の焦点近傍での強度分布をベクトル回折理論に基づいて計算を行った．図2に，径偏光ビームをNA=0.85の対物レンズで銅表面に集光した場合の半径方向電場（図2左）および軸方向電場（図２右）の強度分布をそれぞれ表示している．ただし，本計算では集光する径偏光ビームの波長は1040 nmとして，対物レンズ瞳面での振幅分布を平面波状とした．また，焦点位置を銅表面（z = 0）とし，真空中から銅（複素誘電率ˆ）に集光すると仮定した．銅を始めとして高い反射率を持つ金属材料への光照射では，金属表面での強い反射光と入射光の干渉により，入射側（真空側）では半径方向電場および軸方向電場の何れに対しても明瞭な定在波が形成する（図2のz<0の領域）．一方で，金51.565.29i− 150 −ベクトルビームを用いた超微細レーザー加工技術の開発
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