2019 Fiscal Year Research-status Report
精密加工へ用いる時空間波形歪が補償された超短パルスビームアレイの生成法の研究
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19K04112
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| Research Institution | Toyo University |
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Principal Investigator |
尼子 淳 東洋大学, 理工学部, 教授 (20644628)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中野 秀俊 東洋大学, 理工学部, 教授 (90393793)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超短パルスレーザー / ビームアレイ / 波形整形 / 回折光学 / 色収差補正 / 分散補償 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究課題の目標は、われわれが提案する超短パルスビームアレイ生成光学系の完成である。開発を進めてきたプロトタイプにはビーム径の二乗に比例するパルス波形歪が残っていたため、光学系の空間分解能が制約されていた。このパルス波形歪を除くには屈折レンズと回折レンズから成るハイブリッドレンズの導入が不可欠である。当該年度の目標は、ハイブリッドレンズを設計・製作し、その効果を実験により検証することである。
光学系における色収差補正と分散補償のための定式化を行い、導出した諸式を用いてハイブリッドレンズの基本構造を設計した。屈折レンズと回折レンズの材料には石英ガラスを選び、色収差補正の条件と分散補償の条件を同時に満足するように、パルスの諸元も考慮して、各々のレンズのパラメータを最適化した。屈折作用と回折作用を組み合せることにより、光学系の全長はプロトタイプのほぼ半分になった。製作方法と組立方法を考慮して前述の基本構造を微修正し、修正の前後でハイブリッドレンズの光学特性に差がないことを光学シミュレーションで確認した。屈折レンズと回折レンズは別々に製作して、空気ギャップを介して筐体に組み込んだ。
製作した一対のハイブリッドレンズを配置して光学系を組み直した。超短パルスレーザー装置から取り出した、中心波長780nm、パルス幅20fs（波長帯域幅46nm）のパルスビームを光学系に通し、集光面近傍の光軸上と光軸外において、集光スポット径とパルス時間幅を測定した。集光スポット径の測定にはCCDカメラを用い、パルス時間幅の測定にはフリンジ分解自己相関干渉計を用いた。これらの測定から、1)ハイブリッドレンズが色収差補正と分散補償において期待される効果を有すること、2)同レンズのはたらきにより光軸から少なくとも1.5mmの高さまでは、回折限界の集光スポット径が得られそしてプロトタイプに残存したパルス波形歪が除去されることを検証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ハイブリッドレンズを設計・製作し、その効果を実証する、という当該年度の目標を達成したことから、「おおむね順調に進展している」と言える。ハイブリッドレンズの導入により、ビームアレイの長さに換算して少なくとも3mmまでは、均一な集光スポット形状と均一なパルス波形が得られることを検証している。以下に「研究実績の概要」を補足する。
ハイブリッドレンズの設計に用いた式は色収差と分散を結合した簡便な式であり、レンズ設計の見通しをよくする。この式は幾何光学の範疇で導出したものであり、パルスの諸元に加えてレンズ材料の諸元もパラメータとして包含している。波動光学を用いた数値シミュレーションを実行すれば、回折された超短パルスビームの時空間における挙動を予測できるが、計算に多大な時間を要するため実用性に欠け、レンズ設計の道具としては使いにくい。
ハイブリッドレンズの製作にあたり、当初はオプティカルコンタクトや接着剤で屈折レンズと回折レンズを接合することも考えた。しかし、両者の間に空気ギャップを介して組立てるほうが容易であり、そうしても光学特性に問題がないことから、空気ギャップを設けたハイブリッドレンズの構成とした。ギャップを設けることでガラスと空気の界面がふたつ増えるが、これらを含む全ての界面に反射防止コートを付けて反射迷光を防止し、光利用効率を高めた。
ハイブリッドレンズの評価に関して、集光スポット形状の計測では精密微動ステージ（3軸制御）の上にCCDカメラを固定して、十分な精度と再現性を確保した。パルス時間波形の計測には非線形光学効果を利用したフリンジ分解第二高調波発生自己相関法を使い、波形の微細構造を解像して小さな波形歪でも検出できるようにした。一対のハイブリッドレンズは各々精密微動ステージ（5軸制御）に載せて、レンズの配置誤差やレンズの姿勢誤差が光学特性に与える影響を評価できるようにもした。
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度の研究成果によれば、開発した光学系を用いてパルス波形歪のない均一な超短パルスビームアレイを少なくとも長さ3mmにわたり生成できる。これだけのビームアレイ長があれば加工の実用には足りるが、さらに光学系の能力を高めて加工用途を拡大するために、次年度以降、以下の課題に取り組む。
令和二年度は、回折角に比例して増大する角分散を低減する方法を検討する。光学系の集光面において角分散は不要なパルスの伸びをつくるため、アレイを構成する複数本のビームの間にパルス幅のばらつきが生じる。パルス幅にばらつきのあるビームアレイを加工へ用いた場合、加工の均一性が損なわれる可能性がある。そのため、長さ3mmを超えるビームアレイに対しては、加工の均一性を担保するために角分散を補償する必要がある。ひとつの方法として、光学系の中に位相差板を置くことを検討する。
令和三年度は、加工精度と加工スループットの観点から光学系の実用性を評価する。そのために、開発した光学系における入射ビーム径の上限値と回折角の上限値を明らかにする。加工精度を高めるには集光スポット径を小さくすなわち入射ビーム径を大きくする必要がある。一方、加工スループットを高めるにはビームアレイを長くすなわち回折角を大きくとる必要がある。入射ビーム径を拡げて回折角を大きくとると、その影響がハイブリッドレンズの色収差補正と分散補償に現れる可能性がある。
なお、当該年度の研究成果は令和二年度に発表を予定している。
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| Causes of Carryover |
製作したハイブリッドレンズの価格が当該年度の受け入れ金額2,900,000円よりも低かったため、次年度使用額として40,000円が残った。この次年度使用額40,000円は、位相差板の製作他の費用に充てたい。
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