JP2005084617A

JP2005084617A - 多光子吸収露光方法および装置

Info

Publication number: JP2005084617A
Application number: JP2003319735A
Authority: JP
Inventors: Takeharu Tani; 武晴谷
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31
Also published as: US20050057736A1; US7241550B2

Abstract

【課題】多光子吸収露光装置において、多光子吸収材料の深さ方向位置に拘わらず、良好な露光を可能とする。
【解決手段】多光子吸収材料14に対して、所定の収束位置Ｆで収束する状態に光10を照射して該多光子吸収材料14を露光させる装置において、露光条件を、収束位置Ｆの深さがより大であるほど、光反応がより起きやすくなる方向に変化させる制御手段（例えば通過光量を変化させる光変調器20、変調器駆動回路21および制御部22から構成される）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形光学効果の一つである２光子吸収等の多光子吸収を利用して、記録媒体等を露光させる多光子吸収露光方法および装置に関するものである。

物質における通常の光吸収は１光子が吸収される現象であるが、超短パルスレーザ光等の高パワーの光を照射すると、２光子あるいは３光子以上が同時に吸収される、いわゆる多光子吸収が起きる。２光子吸収を例に挙げると、その場合は物質が通常の２倍のエネルギーを受けるので、本来波長λの光を吸収する物質に対し波長２λ（つまりエネルギーが１／２）の高パワーの光を照射して２光子吸収させることにより、波長λの光を照射した場合と同等の反応を生じさせることができる。

この２光子吸収等の多光子吸収は、光吸収確率が光子密度に比例して上昇する現象であるので、多光子吸収材料に対して収束光を照射すれば、光子密度が最大になるその収束位置近傍のみで選択的に多光子吸収を起こすことができる。そこで、多光子吸収によって例えば相変化、屈折率変化、化学的変化等を引き起こす材料から記録材料を形成し、その記録材料を収束光で露光するようにすれば、記録材料の深さ方向（収束光の進行方向）位置が一定のある一面（一層）を走査露光して情報を記録した後、収束光の収束位置を変えて次々と同様の露光をすることにより、複数層に情報を記録可能となる。特許文献１には、このように多光子吸収材料を収束光で走査露光して情報記録を行う装置の例が記載されている。

一方、上述のように収束光の収束位置近傍のみで多光子吸収を起こすことができることを利用して、光重合反応等を呈する多光子吸収材料を収束光によって３次元露光することにより、該材料を３次元的に光造形する方法も提案されている。非特許文献１および２には、そのようにして多光子吸収材料を３次元的に光造形する装置の例が記載されている。そして、特に非特許文献２には、１本のレーザビームをマイクロレンズアレイによって複数本に分岐してそれぞれ収束させ、それらの分岐された各レーザビームによって３次元構造を複数並列的に造形する方法も記載されている。

また特許文献２には、２光子吸収断面積の大きい、好ましい多光子吸収材料の例が記載されている。このような多光子吸収材料を、上述の光造形に適用可能とするためには、例えば光硬化性樹脂を含有させればよい。
特開平１１−２２４４３３号公報特開２００３−２０４６９号公報 OPTICS LETTERS（オプティクス・レターズ） /Vol.22,No.3/January 15,1997 p132-134 第50回応用物理学関係連合講演会講演予稿集（2000年3月）27p-YN-4

従来、上述のように多光子吸収材料を露光して３次元的な情報記録や光造形等を行う場合、多光子吸収材料の深さ方向位置に応じて光反応の程度が変わってしまい、露光不足やあるいは露光過多が生じるという問題が認められている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、多光子吸収材料の深さ方向位置に拘わらず、良好な露光を行うことができる多光子吸収露光方法および装置を提供することを目的とする。

本発明による多光子吸収露光方法は、多光子吸収材料に対して、所定の収束位置で収束する状態に光を照射して該多光子吸収材料を露光させる方法において、露光条件を、前記収束位置の深さがより大であるほど、光反応がより起きやすくなる方向に変化させることを特徴とするものである。

なお、この本発明による多光子吸収露光方法において、上記露光条件としては、露光強度、露光時間および光波長のうちの少なくとも一つを変化させることが望ましい。

また、本発明による多光子吸収露光装置は、多光子吸収材料に対して、所定の収束位置で収束する状態に光を照射して該多光子吸収材料を露光させる装置において、露光条件を、前記収束位置の深さがより大であるほど、光反応がより起きやすくなる方向に変化させる制御手段を備えたことを特徴とするものである。

なお上記制御手段は、露光条件として、露光強度、露光時間および光波長のうちの少なくとも一つを変化させるものとして構成されるのが望ましい。

またこの本発明による多光子吸収露光装置においては、前記収束位置の深さ毎に露光条件を定めてなるテーブルを記憶した記憶手段が設けられる一方、前記制御手段が、収束位置の深さに応じて前記テーブルから露光条件を定めるように構成されることが望ましい。

本発明者の研究によると、多光子吸収材料の深さ方向位置に応じて光反応の程度が変わってしまうという問題は、露光光が収束位置に到達するまでに多光子吸収材料による散乱や吸収を受け、さらには収差による収束スポットの広がりも生じることに起因していることが判明した。つまり、そのような現象の程度は収束位置がより深いほど大となるが、従来はこの収束位置の深さによらず露光条件を一定としていたので、収束位置が深いほど光反応が起き難くなってしまうのである。

上記の知見に鑑みて本発明の多光子吸収露光方法は、露光光の収束位置の深さがより大であるほど、光反応がより起きやすくなる方向に露光条件を変化させるようにしたので、上記散乱や吸収等の程度の差を補償して、多光子吸収材料の深さ方向に亘って光反応の程度をほぼ均一にすることができる。

また本発明による多光子吸収露光装置は、露光条件を、前記収束位置の深さがより大であるほど、光反応がより起きやすくなる方向に変化させる制御手段を備えたことにより、上記散乱や吸収等の程度の差を自動的に補償して、多光子吸収材料の深さ方向に亘って光反応の程度をほぼ均一にすることができる。

そして、この本発明による多光子吸収露光装置において、特に、前記収束位置の深さ毎に露光条件を定めてなるテーブルを記憶した記憶手段が設けられる一方、前記制御手段が、収束位置の深さに応じて前記テーブルから露光条件を定めるように構成された場合は、露光条件を常に適正なものとして、より安定した露光を行うことが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による多光子吸収露光装置の概略側面形状を示すものである。この多光子吸収露光装置は一例として３次元光造形装置として構成されたものであり、図示のように露光光としてのパルス光10を発するパルスレーザ11と、上記パルス光10の光路を９０°折り曲げるミラー12と、このミラー12で反射したパルス光10を収束させる集光レンズ13と、液状の光造形用樹脂14を貯えた樹脂槽15と、この樹脂槽15を保持してｘ、ｙ、ｚの３方向に微小量ずつ直線移動させる３軸移動テーブル16とを備えている。

またこの多光子吸収露光装置は、パルスレーザ11とミラー12との間においてパルス光10の光路に挿入された、例えばＡＯＭ（音響光学光変調器）等の光変調器20と、この光変調器20を駆動する変調器駆動回路21と、この変調器駆動回路21および前記３軸移動テーブル16の動作を制御する例えばコンピュータシステムからなる制御部22とを備えている。

上記パルスレーザ11は例えばＴｉ：サファイアレーザからなり、本実施形態においてその平均出力は１Ｗ、発振波長は780ｎｍ、パルス繰り返し周波数は82ＭＨｚ、パルス幅は100ｆｓ（フェムト・秒）である。また集光レンズ13としては、ＮＡ（開口数）0.7で倍率100倍のものが用いられている。一方光造形用樹脂14としては、２光子吸収を起こす例えばエポキシ樹脂等の紫外線硬化型樹脂が適用されている。そのような樹脂の具体例としては、前述の特許文献２に記載されているディーメック社製ＳＣＲ−７０１等が挙げられる。

以下、この多光子吸収露光装置による露光処理について説明する。３次元造形のための露光を行う際には、３軸移動テーブル16によりまず樹脂槽15が、つまり光造形用樹脂14が所定のｚ方向位置に保たれ、この状態でパルスレーザ11が駆動されてそこからパルス光10が射出される。そして制御部22が、造形する３次元形状を示す信号Ｓ１に基づいて変調器駆動回路21の動作を制御し、上記パルス光10が例えばON-OFF変調される。

変調されたパルス光10はミラー12で反射し、集光レンズ13の作用により光造形用樹脂14の内部で収束する。そして光造形用樹脂14は、上記所定のｚ方向位置内において、３軸移動テーブル16により所定の手順でｘ、ｙ方向に微小量ずつ移動され、それにより該光造形用樹脂14は、パルス光10により全面的に２次元走査露光される。パルス光10は前述のように100ｆｓと極めて短いパルス幅のものであって、該パルス光10の収束位置Ｆおよびその近傍では光子密度が著しく高い状態となっている。そこで、上記収束位置Ｆおよびその近傍のみにおいて光造形用樹脂14が前述の２光子吸収を起こし、波長390ｎｍ（＝780ｎｍ／２）の紫外光を吸収した場合と同様に該光造形用樹脂14が光重合し、硬化する。

以上のパルス光10による２次元走査が終了すると、３軸移動テーブル16により樹脂槽15が、つまり光造形用樹脂14がｚ方向に所定の微小量だけ移動され、この状態で上記と同様に、変調されているパルス光10による２次元走査露光がなされる。以下同様に、パルス光10による２次元走査と光造形用樹脂14のｚ方向移動が繰り返され、最終的に光造形用樹脂14は、パルス光10によって３次元的に走査露光される。それにより光造形用樹脂14は、前記信号Ｓ１に対応した３次元形状に硬化し、所定の形に造形される。

ここで光変調器20は、前述したように信号Ｓ１に基づいてパルス光10を例えばON-OFF変調する他、そこにおける通過光量を一例として０〜100％の範囲で連続的に変化させることが可能となっている。そして制御部22は、３軸移動テーブル16のｚ方向位置に応じて変調器駆動回路21の動作を制御し、前記収束位置Ｆの深さ（光造形用樹脂14の表面からの深さ）がより大であるほど、光変調器20における上記通過光量を増大させる。

先に説明したように、露光光であるパルス光10は収束位置Ｆに到達するまでに多光子吸収材料による散乱や吸収を受け、さらには収差による収束スポットの広がりも生じる。そのような現象の程度は収束位置Ｆがより深いほど大となるので、収束位置Ｆの深さによらず露光条件を一定に設定しておくと、収束位置Ｆが深いほど光反応が起き難くなってしまう。

しかし本装置においては、収束位置Ｆが深いほど光変調器20における通過光量、つまり露光強度が大とされるので、上記散乱や吸収等の程度の差を補償して、光造形用樹脂14の深さ方向に亘って光反応の程度をほぼ均一にすることができる。そこで本装置においては、露光不足や露光過多を招くことなく、常に適正な露光が可能になる。以下、この点について、さらに具体的に説明する。

最初に、本発明外の比較例について説明する。まず比較例１として、例えば光造形用樹脂14の表面付近で最適な露光条件が得られるようにし、この条件を固定して光造形用樹脂14を３次元的に露光した。なおこの際の最適な露光条件とは、露光光の平均出力：10ｍＷ、１ポイントを硬化させるための光照射時間：１ｍｓ（ミリ・秒）である。この場合は、収束位置Ｆが深くなるにつれ、露光不足が生じた。典型的には、収束位置Ｆが300μｍを超えると、光造形用樹脂14を硬化させることが不可能となった。

次に比較例２として、光造形用樹脂14の深さ300μｍの位置で最適な露光条件が得られるようにし、この条件を固定して光造形用樹脂14を３次元的に露光した。この際の最適な露光条件とは、露光光の平均出力：20ｍＷ、１ポイントを硬化させるための光照射時間：１ｍｓ（ミリ・秒）である。この場合は、収束位置Ｆが光造形用樹脂14の表面付近に有るときに露光過多となり、分解能の低下や、局所的な吸熱による光造形用樹脂14の沸騰が生じることがある。

それに対して本実施の形態では、１ポイントを硬化させるための光照射時間（露光時間）は上記１ｍｓに固定したまま、収束位置Ｆの深さが例えば50μｍ変わる毎に光変調器20における通過光量を変化させ、露光光の出力を10ｍＷ〜50ｍＷの範囲内で上述のように変化させた。このときは、収束位置Ｆの深さによらず、常に適正な露光が可能になった。より具体的には、光造形用樹脂14の表面付近から深さ１ｍｍまでの領域で、露光不足も露光過多も無い適正露光が可能になった。

また上記と反対に、光変調器20における通過光量は一定として露光光の平均出力を10ｍＷに固定したまま、収束位置Ｆの深さが例えば50μｍ変わる毎に、１ポイントを硬化させるための光照射時間（露光時間）を１ｍｓ〜100ｍｓの範囲で変化させた場合も、収束位置Ｆの深さによらず、常に適正な露光がなされた。

以上の説明から明らかな通り本実施の形態では、収束位置Ｆの深さがより大であるほど光反応がより起きやすくなる方向に露光条件を変化させる制御手段が、光変調器20、変調器駆動回路21および制御部22から構成されている。

なお、上述のように変化させる露光時間あるいは露光光出力（露光強度）の収束位置Ｆ毎の適正値は、実験あるいは経験に基づいて求めることができる。そしてそのような露光時間あるいは露光光出力の適正値は、収束位置Ｆに対応させたテーブルの形で記憶手段に記憶させておき、実際に露光する際にそのテーブルから収束位置Ｆ毎の適正な露光時間あるいは露光光出力を読み出して設定するようにすれば便利である上、露光条件を常に適正なものとして、より安定した露光を行うことが可能になる。また、露光時間あるいは露光光出力の収束位置Ｆ毎の適正値を、実験あるいは経験に基づいて求めた後、それらの値を補間する形で計算によりさらに細かい適正値を求めることも可能である。

さらに本発明では、上記露光時間や露光光出力（露光強度）の他、露光光波長を収束位置に応じて変化させるようにしてもよい。すなわち、多光子吸収の反応効率は、露光光の波長によって異なるので、多光子吸収材料における露光光の収束位置Ｆがより深いほど、上記反応効率が増大する方向に露光光の波長を変化させれば、多光子吸収材料の深さ方向に亘って光反応の程度をほぼ均一にすることができる。前述のＴｉ：サファイアレーザは、おおよそ700ｎｍ〜1000ｎｍの範囲で発振波長を変化させることができるので、そのような場合に好適に用いられ得るものとなる。

また以上は、３次元光造形装置として構成された多光子吸収露光装置の実施形態について説明したが、本発明はその他、光ディスク等に多層記録を行う情報記録装置を構成する多光子吸収露光装置等に対しても適用可能であり、その場合にも、同様の効果を奏することができる。

本発明の１つの実施形態による多光子吸収露光装置を示す概略側面図

符号の説明

10 パルス光
11 パルスレーザ
12 ミラー
13 集光レンズ
14 光造形用樹脂
15 樹脂槽
16 ３軸移動テーブル
20 光変調器
21 変調器駆動回路
22 制御部

Claims

多光子吸収材料に対して、所定の収束位置で収束する状態に光を照射して該多光子吸収材料を露光させる方法において、
露光条件を、前記収束位置の深さがより大であるほど、光反応がより起きやすくなる方向に変化させることを特徴とする多光子吸収露光方法。
前記露光条件が、露光強度、露光時間および光波長のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の多光子吸収露光方法。
多光子吸収材料に対して、所定の収束位置で収束する状態に光を照射して該多光子吸収材料を露光させる装置において、
露光条件を、前記収束位置の深さがより大であるほど、光反応がより起きやすくなる方向に変化させる制御手段を備えたことを特徴とする多光子吸収露光装置。
前記露光条件が、露光強度、露光時間および光波長のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項３記載の多光子吸収露光装置。
前記収束位置の深さ毎に前記露光条件を定めてなるテーブルを記憶した記憶手段を備え、
前記制御手段が、前記収束位置の深さに応じて前記テーブルから露光条件を定めるように構成されていることを特徴とする請求項３または４記載の多光子吸収露光装置。