なぜ、レンズでレーザー光を集光するの?

 結論から言うと、エネルギーを一点(小さな面積)に集められるからです。そして、エネルギーを一点に集めることによって、その場所だけを選択的に加工することが可能になるからです。

 この集光の程度を表す言葉が、フルエンスです。これは、単位面積あたりのエネルギーで表され、単位は【 J / cm2 】です。

 例えば、集光スポット径がΦ1mmとΦ0.03mmでフルエンスを計算し、比較すると、Φ0.03mmの方が、1000倍以上もフルエンスを大きくできます。

 もしも、Φ0.02mmまでレーザー光を集光した場合は、Φ1mmの場合よりも、計算上はフルエンスを2500倍大きくすることができます。要するに、フルエンスは単位面積あたりのエネルギーだからだと言えば、それまでですが…。

 ただ、実は、このビームをきれいに集光することが、簡単な様で、実はかなり奥が深いです。光が小さく集光できたように見えれば、きれいに集光できているかというと、必ずしもそうではないからです。ただし、レーザー光を肉眼で見ることは危ないので禁止です。

 きれいに集光できているかを確認するには、ビームプロファイラなどの専用の機器で確認し、評価する必要があります。

 いずれにせよ、きれいに集光するためには、レンズの品質(面精度、偏心、他)、ビームのコリメーション、レーザー光源(安定性、ビーム品質、他)などの条件を整えることが必要です。

 それらのポイントを一つ一つを正しく理解し、光学系を構築した上で、所望の微細加工を実現するには、レーザー加工に関する各種パラメータを組み合わせる必要もあります。そのようなことを、わたしたちのような“レーザー微細加工屋さん”はさせていただいています。



 

【基本】全反射

スネルの法則 \( \sin \phi_1 = (n_2 / n_1) \sin \phi_1 \) において、媒質1の屈折率が媒質2のそれより大きい場合(n1 > n2)、φ2の方がφ1より大き。ここで、φ2は90°以下であるから、この式を満足する最大の角度Φcは\( \sin \phi_c = n_2 / n_1\)です。この角度を臨界角と呼びます。入射角が臨界角以上では、入射光が全て反射します。この状態を全反射と呼びます。

ここで、全反射の状態(φc < φ1 < 90°)での振幅反射率を求めてみます。この時、φ2の実数解はありませんが、虚数解として

\begin{gather}
\cos \phi_2 = \pm i \sqrt{\frac{\sin^2 \phi_1}{n^2} – 1}
\end{gather}

があります。ここで、n2/n1を相対屈折率としてnで表示してあります。 このうち、正の解を、こちらで示した振幅屈折率の式に代入すると

$$ r_p \equiv R_p / A_p = \tan( \phi_1 – \phi_2 ) / \tan( \phi_1 + \phi_2) = \frac{n^2 \cos \phi_1 – i \sqrt{\sin^2 \phi_1 – n^2}}{n^2 \cos \phi_1 + i \sqrt{\sin^2 \phi_1 – n^2}}$$
$$ r_s \equiv R_s / A_s = – \sin( \phi_1 – \phi_2 ) / \sin( \phi_1 + \phi_2) = \frac{ \cos \phi_1 – i \sqrt{\sin^2 \phi_1 – n^2}}{ \cos \phi_1 + i \sqrt{\sin^2 \phi_1 – n^2}}$$

が得られます。振幅反射率が複素数で得られることから\(r_p \equiv |r_p| e^{i \theta_p}\), \(r_p \equiv |r_s| e^{i \theta_s}\)を使って表すと

$$ |r_p| = 1, \tan \frac{\theta_p}{2} = – \frac{\sqrt{\sin^2 \phi_1 – n^2}}{n^2 \cos \phi_1}$$
$$ |r_s| = 1, \tan \frac{\theta_s}{2} = – \frac{\sqrt{\sin^2 \phi_1 – n^2}}{ \cos \phi_1}$$

となります。反射率は1ですが、位相はΘp, Θsだけ変化することになります。

この位相差は、

$$ \theta \equiv \theta_p – \theta_s = \tan \frac{\theta}{2} = \frac{\cos \phi_1 \sqrt{\sin^2 \phi_1 – n^2}}{ \sin \phi_1}$$

となります。φ1=π/2, φcの時0となります。

また、極大値をとるφ1は、\(d(\tan (\theta / 2))/d \phi_1 = 0\)から、\(\sin^2 \phi_1 = 2n^2 / (1 + n^2)\)となることがわかります。この時、最大値は、\(\tan(\theta_{max}) = (1-n^2)/2n\)となります。

全反射では、p,sの位相が変化することから、遅相子を構成することができます。この代表例がフレネルロムです。

【応用】ガラス内部マーキング

適切なレーザーを用いると、ガラスなど透明材料の表面にはダメージを与えずに内部だけにマーキング、描画を行うことができます。まるで、ガラスの中に絵などが浮いたように見えます。

YAGレーザーの基本波は、ガラスなどに対して透明で、通常は透過します。しかし、内部に焦点を当ててピーク強度の高い短パルスにて加工すると、焦点位置で微小クラックが発生します。この微小クラックは局所的な屈折率変化があるため人の目には白く見えます。

特殊な光学系を用いると、焦点スポット径はマイクロメートルオーダーとなります。このレーザースポットで加工されるサイズも同様にマイクロメートルオーダー以下となります。したがって、非常に微小なドットをガラスなど透明材料に形成できるわけです。

このスポットを少しずつずらしながら移動させていくと、線を描くことができます。この原理を使うと一つの平面内でマーキングができます。これを平面スライスデータとして上下3次元的に描画することで、ガラス内部に立体的な描画を実現できます。

ドット1つを形成する時間は、使用する加工機によりますが、1/1000秒よりずっと短い時間も可能です。

用途としては、装飾品としての利用が多いようです。これは視認性をよくするため、また、安価にするためドット径は比較的大きいです。一方で、ドットをより小さくすることで工業用途に使用する動きもあります。例えば、ドットの有無をデータの1/0と見立てることで、デジタルデータとみなすこともできます。ガラス内のドットの集まりを3次元的なメモリーが実現できるわけです。

レーザーによる透明材料への内部マーキングは、他の加工方法ではできない特殊な加工事例です。

【基本】レンズの製造

レーザー加工機では、多くの光学部品が使われています。その中でもレンズは集光のために非常に重要な部品です。ガラスレンズの製造工程を簡単に見ていきます。

ガラスレンズは、ガラス製造工場とレンズ加工工場で製造されます。その流れな次のようになっています。
①ガラスの溶解
②ガラス切断、丸め
③荒ずり
④砂かけ
⑤研磨
⑥芯取り
⑦コーティング
このうち、①と②はガラス製造工場で行われ、③以降がレンズ加工工場で行われます。

①ガラスの溶解

ガラスを1500℃ぐらいに加熱して溶解させ、成分を均一にします。その後600℃ぐらいに冷却されます。それから、週単位の時間をかけてゆっくりと冷やされ固化させます。

この工程は、昔はセラミックのるつぼで行われたようですが、ガラスによって浸食されることがあるため、るつぼ表面にコーティングをしたものが開発されました。現在では、効率よく製造するために連続溶解装置が使用されているようです。

②ガラス切断、丸め

ガラスを適当な大きさのブロックに切断されます。外形が丸いレンズは大まかに丸く削られます。表面はまだまだ荒い状態で、不透明で白く見えます。

③荒ずり

レンズの表面を球状に加工し、形状をレンズに近づけます。カップ状のダイヤモンド砥石を回転させながら、傾きを変化させ球面を作っていきます。砥石の軌道を変化させることで様々な曲率半径のレンズを作ることができます。この作業により最終形状に近いレンズ形状となります。

④砂かけ

鋳鉄製の皿にレンズを貼り付け、研削剤(砂やダイヤモンド)で削っていきます。通常は、効率よく製作するために複数のレンズを同時に研磨していきます。この作業により、レンズはほぼ仕上げ寸法と同じになりますが、表面はすりガラス状です。

⑤研磨

研磨機にてレンズ表面を磨きます。研磨剤(酸化セリウムなど)を描けながら磨き皿にて表面がサブミクロンオーダーになるまで磨かれます。

最後に、設計通りの曲率半径となっているかを原器にて確認します。

⑥芯取り

レンズの光軸が表面曲率のちょうど中心を通るようにするために、外形を加工します。レンズ表裏をクランプして回転させながら外形を砥石で削っていきます。

⑦コーティング

必要に応じて、レンズ表面に反射防止の薄膜を蒸着します。真空蒸着層の中にレンズを入れ、コーティング材料を蒸発させます。

【基本】レンズの種類

レーザー加工機では、レーザーをその光路中で集光、発散させるためにレンズを用います。この役割は、レンズの表面形状によって決まります。

広く使われるレンズは、作りやすくコストが安いため表面が球面の球面レンズですが用途によって様々な形状があります。

レンズを表面形状によって分類すると以下のようになります。

①球面レンズ
②非球面レンズ
③シリンドリカルレンズ
④トロイダルレンズ
⑤フレネルレンズ
⑥屈折率分布レンズ
⑦回折レンズ

①球面レンズ

球面レンズは、表面が球状であり表面が球中心から同じ距離にある面で構成されています。製作が簡単で安いため、広く普及しています。これは、2つの物体をすり合わせることで精度よく加工ができるためです。表面の曲率半径を変えることで光の屈折が変わります。平面は、曲率半径無限大の曲面と言えます。

球面レンズには、
・両凸レンズ
・平凸レンズ
・凸メニスカスレンズ
・両凹レンズ
・平凹レンズ
・凹メニスカスレンズ
があります。

②非球面レンズ

表面が球面ではないレンズです。表面形状は、放物面、楕円面など多項式で表され1枚で収差の少ないレンズを実現できます。しかし、製作が難しく以前はあまり実用化されていませんでしたが、技術の進歩により現在では普及が進みレンズ性能が向上しました。

一般に表面形状は回転対称が多いですが、対称軸のない自由曲面のレンズもあります。最近では、眼鏡では境目のない遠近両用レンズとして、この自由曲面をもつレンズが使われているものもあるようです。

③シリンドリカルレンズ

シリンドリカルレンズは、円柱を母線に平行な面で切り取った形状のレンズのことです。かまぼこのように、一つの断面はレンズの作用をせず、それと垂直方向の断面がレンズの作用をします。ある平面で縦と横の比を変更したいときなどに使用します。レーザー加工では、ラインビームを作成するときに利用されます。

また、このシリンドリカルレンズが表面に多く配置されたレンチキュラーレンズというものもあります。光線の分割集光、散乱を効率よくできるため、立体映像等に利用されています。

④トロイダルレンズ

トロイダルレンズは、円環状のレンズでドーナツの表面のように、縦と横で曲率がことなる表面を持っています。シリンドリカルレンズは、トロイダルレンズの特殊形状ということになります。乱視用のレンズに、このレンズが用いられています。

⑤フレネルレンズ

フレネルレンズは、薄い板の表面に微細な複数のノコギリ状の突起を形成することでレンズの役割を果たすレンズです。通常は、同心円状の突起を形成します。分割数を多くするほど厚さを薄くすることができます。

径の大きなレンズを作るとどうしても重くなります。このデメリットをなくすために、このレンズが考案されました。フレネルレンズでは、レンズの厚さを薄く軽くできるメリットがあります。しかし、表面の段差のために、シャープな像を作ることができないという問題もあります。元々は、灯台のレンズとして発明されたようです。

用途としては、照明や大型テレビのスクリーン、一眼レフカメラのファインダーなどがあるようです。

⑥屈折率分布レンズ

屈折率分布レンズは、レンズ表面での屈折を利用するのではなく、レンズ内部の屈折率の購買を利用して光を曲げるレンズです。グリン(GRIN; Gradient Index)レンズとも呼ばれます。

代表的なものにセルフォック®レンズがあります。円筒形をしたレンズ内部に端面から母線と平行な方向に光を入れて使います。円筒内部は、中心軸から円筒表面に向かい放物線状に屈折率が変化しており、光を集光・発散させる機能をもたせています。

⑦回折レンズ

回折レンズは、レンズ表面に微細パターンを記録したレンズで、これにより光が回折されレンズと似た作用を持ちます。

回折レンズの製作は、ホログラムの原理を利用して2つの光を重ね合わせた干渉縞を記録する方法と、リソグラフィの原理で微細なパターンを作る方法があります。