JP2008205486A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 通常の超短パルス光源を利用して加工効率を向上させたパルスレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 パルスレーザ加工装置は、超短パルス光を出射するレーザ光源と、互いの光路長差を変更可能な複数の光路と、レーザ光源から出射された超短パルス光を分岐して光路の各々に導く光分岐部と、被加工物の所定の加工対象位置に、複数の光路から出力されるパルス光を導くとともにその照射を制御する加工制御部とを備え、加工制御部は、所定の加工対象位置に対して複数の光路から出力されるパルス光を互いに異なる方向から照射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザを利用して被加工物を加工するレーザ加工装置に関し、特に超短パルス光を用いるレーザ加工装置に関する。

レーザを用いて被加工物を加工するレーザ加工装置は各種の分野で広く用いられている。

通常のレーザ加工装置では、物質の吸収波長のレーザを用いることにより熱的な加工が行われている。これに対して、高出力超短パルスレーザを用いれば、多光子過程によりアブレーションを起こすことができ、非熱的な加工を行うことが出来ることが知られている。これについては、岡本拓也らが「高出力超短パルスＴｉ：Ａｌ₂Ｏ₃レーザーによるポリテトラフルオロエチレンのアブレーション」（レーザー科学研究Ｎｏ．１５、１９９３年、５５〜５７頁）（非特許文献１）で開示している。
岡本拓也ら、「高出力超短パルスＴｉ：Ａｌ2Ｏ3レーザーによるポリテトラフルオロエチレンのアブレーション」、レーザー科学研究 Ｎｏ．１５、１９９３年、５５〜５７頁。

超短パルスレーザをレーザ加工装置に応用した場合、加工効率を向上させるため、光パルスあたりのエネルギーを高めることが行われているが、レーザ光源が複雑、大型化し、レーザ加工装置の光源としては限界に近づいており、加工装置として構成するのが困難になりつつある。

本発明は、こうした問題点に鑑みて、通常の超短パルス光源を利用して加工効率を向上させたパルスレーザ加工装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、超短パルス光を出射するレーザ光源と、互いの光路長差を変更可能な複数の光路と、レーザ光源から出射された超短パルス光を分岐して前記光路の各々に導く光分岐部と、被加工物の所定の加工対象位置に、複数の光路から出力されるパルス光を導くとともにその照射を制御する加工制御部とを備え、加工制御部は、前記所定の加工対象位置に対して複数の光路から出力されるパルス光を互いに異なる方向から照射することを特徴とする。

これによれば、単一の超短パルス光は、光分岐部により複数の光路に導かれ、これら複数の光路の光路長を制御することで、それぞれの光路からパルス光が出力される時期をずらす。この時期的にずらされた複数のパルス光は被加工物の所定の加工対象位置に異なる方向から照射される。これにより、複数のパルス光が照射された被加工物の表面では、多光子吸収等により、アブレーション等の非熱的な加工が行われる。

本発明のレーザ加工装置では、上記超短パルス光のパルス幅は１００ナノ秒以下であることが好ましい。パルス幅の短いパルス光照射により通常の１光子吸収過程と異なる物理現象により多光子反応が行われるからである。

また、本発明のレーザ加工装置は、分岐したパルス光の空間モードとビーム拡がり角の少なくとも一方を一致させるビーム補正部をさらに備えていることが好ましい。

また、本発明のレーザ加工装置は、光分岐部の前段に配置されており、超短パルス光の偏光状態を制御する偏光制御手段をさらに備えることが好ましい。

本発明のレーザ加工装置では、上記光分岐部は偏向ビームスプリッタであり、偏光制御手段は４分の１波長板であり、４分の１波長板の超短パルス光に対する傾きと回転を変えることによって超短パルス光の偏光状態を制御することが好ましい。この場合、上記４分の１波長板は、ソレイユ・バビネ補償板であることが好適である。

上記課題を解決するためのレーザ装置としては、超短パルス光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された超短パルス光の一パルスを基にして複数のパルス光からなる超短パルス光列を生成するパルス光列生成部と、生成された超短パルス光列を被加工物の所定の加工対象位置に導くとともにその照射を制御する加工制御部と、を備え、前記パルス光列生成部は、前記レーザ光源から出射された前記超短パルス光の偏光状態を変える４分の１波長板と、互いの光路長差を変更可能な複数の光路と、前記４分の１波長板により偏光状態が変えられた前記超短パルス光を分岐して前記光路の各々に導く光分岐部とを有し、前記光分岐部は偏向ビームスプリッタであり、前記４分の１波長板の前記超短パルス光に対する傾きと回転を変えることによって前記偏光状態を制御する、ものも考えられる。

これによれば、レーザ光源から出射されたパルス光の一パルスを基にして、パルス光列生成部は複数のパルス光からなる超短パルス光列を生成する。この超短パルス光列が被加工物の所定の加工対象位置に導かれて、照射される。パルス光列が照射された被加工物の表面では、多光子吸収等により、アブレーション等の非熱的な加工が行われる。

この超短パルス光のパルス幅は１００ナノ秒以下であることが好ましい。パルス幅の短いパルス光照射により通常の１光子吸収過程と異なる物理現象により多光子反応が行われるからである。

パルス光列生成部は、前記光路の各々から出射されるパルス光を合成して出力する合成出力部を備えていることが好ましい。

これによれば、光源から出射されたパルス光は、光分岐部でそれぞれの光路に分岐され、導かれる。各々の光路長を異ならせておくと、入射したパルス光は時間差をおいてそれぞれの光路から出力される。これらの光を合成出力部で合成して出力することにより複数のパルス光からなるパルス光列が出射される。

この超短パルス光列は、パルス間隔がパルス幅以上１ミリ秒以下である２個の超短パルス光からなるダブルパルスであってもよい。本願発明者は、パルス間隔の短いダブルパルス照射によりレーザ誘起プラズマが有効に生成されることを明らかにした。

光分岐部および前記合成出力部は、偏光ビームスプリッターであることが好ましい。これによれば、分岐、合成時の透過、反射等による光エネルギーの損失が少ない。

パルス光列生成部は、分岐したパルス光の空間モードとビーム拡がり角の少なくとも一方を一致させるビーム補正部をさらに備えていることが好ましい。分岐した光の光路長差が大きいと、それぞれの光路で導かれるパルス光の空間モードとビーム拡がり角が異なってくる。ビーム補正部で空間モードとビーム拡がり角のうち少なくとも一方を一致させることで、この光路長差に起因する影響を緩和する。また、上記４分の１波長板は、ソレイユ・バビネ補償板であることが好ましい。

パルス光列生成部は、入力パルス光の強度および位相の少なくとも一方を変調する光変調器を備えていることが好ましい。これにより所望の波形の光パルスを被加工物に照射することができ、加工効率を向上させることができる。

本発明によれば、レーザ光源から出射したパルスを基にして複数のパルスを生成して、これを被加工物に照射することでレーザ誘起プラズマを生成してレーザ加工を行うことができるので、単一パルスの場合よりもレーザ誘起プラズマの発生効率が向上し、加工効率を向上させることができる。

特に、パルス光を複数の光路に分岐してそれぞれの光路長差を異ならせれば、容易に時期的に異なる複数パルスを生成し、異なる方向から被加工物に照射することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明を省略する。なお、図面は説明のため簡略化したものであり、寸法、形状等は必ずしも実際のものと一致していない。

図１は、本発明のレーザ加工装置の基本構成を示すブロック図である。図１に示されるように本発明のレーザ加工装置１は、超短パルス光を出射するレーザ光源２と、出射された超短パルス光を基にして複数のパルス光からなるパルス光列を生成するパルス光列生成部３と、パルス光列を被加工物５の所定の加工対象位置に導くとともに、その照射を制御する加工制御部４により構成されている。

このうち、レーザ光源１は、パルス幅が１ミリ秒以下の超短パルス光を出射する光源であって、例えば、チタン・サファイアレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓレーザ等を用いることができ、これにレーザを増幅する光増幅器を組み合わせてもよい。

加工制御部４は、所定の加工位置にレーザ光を導く照射光学系４１と被加工物５とレーザ光照射位置の相対位置関係を制御する加工位置制御部４２とからなる。照射光学系４１は、レーザ光の照射、非照射を切り換えるシャッターや被測定位置へのレーザ光集光を行うレンズ、ミラー等を組み合わせて構成される。このうちシャッターには、機械式シャッター、音響光学変調器、電気光学変調器等を用いることができる。レーザ光の集光は、パルス波形を変形することなく集光することができる反射型対物レンズを用いることが好ましい。加工位置制御部４２は、照射光学系４１を制御して、被加工物５の所定の加工対象位置にパルス光を照射する形式でも、被加工物５を載置あるいは固定した台を駆動して被加工物５を移動させることにより固定した照射光学系４１に対する相対位置を変化させて所望の加工対象位置にパルス光を照射する形式のもののいずれを用いてもよく、両者を組み合わせてもよい。また、図示していないが加工対象位置を観察する観測系を別に備えていてもよい。

次に、パルス光列生成部３の具体的な実施形態のいくつかについて説明する。

図２は、第１の実施形態のパルス光列生成部３ａを示す概略構成図である。このパルス光列生成部３ａは、入力パルス光の偏光状態を変化させる４分の１波長板３１と、入力パルス光を分岐する偏光ビームスプリッター３２、一方の分岐光路Ａを形成するミラー群Ｍ１１、Ｍ１２と他方の分岐光路Ｂを形成するミラー群Ｍ２１〜Ｍ２４と、分岐光路Ａ上に配置されたビーム補正部３４と、分岐光路Ａ及びＢから出射される光を合成する偏光ビームスプリッター３３により構成されている。このうち、ビーム補正部３４は、凸レンズ、凹レンズあるいは反射鏡などを組み合わせて構成されている。そして、分岐光路ＢのミラーＭ２２、Ｍ２３をミラーＭ２１、Ｍ２４に対して移動させることにより分岐光路Ｂの長さ、すなわち光路長を変えることができる。一方、分岐光路Ａのミラー群Ｍ１１、Ｍ１２は固定されているのでその光路長は一定である。したがって、ミラーＭ２２、Ｍ２３の移動により分岐光路Ａと分岐光路Ｂの光路長の差が変化する。

続いて、図１、図２を参照してこのパルス光列生成部３ａを用いたレーザ加工装置１の動作を説明する。

図１に示されるレーザ光源から出射された超短パルス光は、パルス光列生成部３ａに導かれる。レーザ光源から射出される超短パルス光は、一般に直線偏光である。パルス光列生成部３ａ内では、この超短パルス光は、図２に示されるようにまず４分の１波長板３１に導かれて、ここで円偏光となる。そして、偏光ビームスプリッター３２でＰ偏光、Ｓ偏光のうち一方が反射され、他方が透過することにより２つの分岐光路ＡおよびＢに分岐される。

分岐された光のうち一方は、ミラーＭ１１とＭ１２で反射され、ビーム補正部３４を経る分岐光路Ａを通り、偏光ビームスプリッター３３に入射する。分岐された光のうち他方は、ミラーＭ２１〜Ｍ２４で反射されて同じく偏光ビームスプリッター３３に入射する。偏光ビームスプリッター３３では、分岐光路Ａからの光を反射させ、分岐光路Ｂからの光を透過させることで両方の光を合成する。

このとき、前述したように分岐光路ＢのミラーＭ２２、Ｍ２３の位置を変えることにより分岐光路Ｂの長さ（光路長）を分岐光路Ａより長く（あるいは短く）することができる。分岐光路Ｂの光路長が分岐光路Ａより長いときは、分岐光路Ａを伝わるパルス光のほうが、分岐光路Ｂを伝わるパルス光より早く偏光ビームスプリッター３３に到着し、偏光ビームスプリッター３３から出力される光はそれぞれの光路長の差に応じたパルス間隔を有する２つのパルス光からなるパルス光列となる。つまり光路長を制御することによりパルス間隔の異なるパルス光列を生成することができる。

このとき、ビーム補正部３４では、分岐光路Ａを伝送されてきた光の空間モードとビーム拡がり角を分岐光路Ｂを伝送されてきた光の空間モードとビーム拡がり角に一致させる。これにより出射されるパルス光列の空間的な特性を揃えることができる。

光の分岐・合成には偏光ビームスプリッター以外の各種のビームスプリッターを用いることができるが、偏光ビームスプリッターは分岐、合成時の透過や反射による損失が少ないので特に好ましい。

生成されたパルス光列は、図１に示される照射光学系４１を経て、被加工物５の加工対象位置に導かれ、照射される。この加工対象位置への照射は加工位置制御部４２が被加工物５とレーザ照射位置の両方あるいは一方を移動させることにより制御される。

超短パルス光を短い時間間隔で照射することにより、多光子吸収等により被加工物５を非熱的に加工することができる。この超短パルス光による加工にはレーザ誘起プラズマが関係しているものと考えられている。そこで本願発明者は、超短パルス光によるプラズマ発生過程を実験により調べた。

まず、水にミリジュールオーダー、パルス幅約３０ピコ秒のＮｄ：ＹＡＧレーザパルスの基本波（波長１．０６μｍ）のダブルパルスを照射した場合、図３に示されるように、後パルス照射時の発光の緩和時間がダブルパルスの間隔に依存して長くなることを見いだした。また、パルス光の全エネルギーが同一でも、単一パルスよりダブルパルスのほうが発光の全エネルギーは大きくなることがわかった。

空気や窒素ガスを用いた場合のレーザ誘起発光においても、ダブルパルスを用いたほうが単一パルスを用いた場合よりも長い緩和時間を有し、発光強度も増加する。図４は、ダブルパルスにより空気を発光させた場合のダブルパルスの時間間隔と発光強度の関係を示したものであるが、パルス時間間隔２００ピコ秒のダブルパルスを照射したときは、パルス時間間隔がゼロのときの約７０倍の発光強度が得られることがわかる。

図５は、空気や窒素ガスの超短パルスレーザ誘起によるブレークダウン発光の分光特性を空気封入放電管の発光の分光特性と比較して示している。ここで空気のブレークダウン発光のスペクトルが太実線、窒素のブレークダウン発光のスペクトルが細実線、放電管の発光スペクトルが破線で示されている。この図では、比較しやすいように、窒素のブレークダウンのデータを−０．２５、放電管のデータを−０．５それぞれ縦軸に対して移動させて示している。それぞれのスペクトル特性は良く一致している。放電管の発光はプラズマ発光によるものであり、ブレークダウン発光もプラズマ発光によると考えられる。

本発明のレーザ加工装置１もレーザ誘起プラズマを利用していると考えてよいから、加工効率を向上させるには、レーザ誘起プラズマの発生効率を向上させればよい。上述のように、単一パルス照射よりダブルパルス照射のほうがレーザ誘起プラズマの発光強度が大きくなり、発生効率が向上していると考えられる。したがって、本発明のようにダブルパルスを照射することで、レーザ誘起プラズマの発生効率を向上させ、加工効率を向上させることができる。

また、４分の１波長板３１の入力光に対する傾きと回転を変えることにより、入力パルス光を楕円偏光とすることができ、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の比率を変えることができる。これにより、偏光ビームスプリッター３２でそれぞれの分岐光路ＡおよびＢに分岐される光の割合が変わる。これを利用することにより、パルス光列の先行パルスと後続パルスの強度比を変更することができる。

さらに、偏光ビームスプリッター３３から出力されるダブルパルスは互いに直交する直線偏光となるが、出力光路上に４分の１波長板を挿入することで、共に円偏光に変換することもできる。また、さらに偏光子を通過させることで、互いに等しい直線偏光とすることもできる。この場合は、出力部の４分の１波長板の傾きと回転を制御することにより４分の１波長板の出力光を楕円偏光に変換することで出力部で分岐比を可変制御することもできる。これらの４分の１波長板にはソレイユ・バビネ補償板を用いるとより精密な強度比の制御ができて好ましい。

次に、図６を参照してパルス光列生成部３の第２の実施形態を示す。ここでは、照射光学系４１として機能する集光部４１ａも合わせて示している。

この第２の実施形態のパルス光列生成部３ｂは、光パルスを分岐して、光路長の異なる分岐光路ＡおよびＢに導く部分までは第１の実施形態のパルス光列生成部３ａと同一である。しかし、各分岐光路ＡおよびＢを伝送されたパルス光を合成するのではなく、それぞれミラーＭ１２、Ｍ２５を介して別々の集光レンズＬ１、Ｌ２により集光し、被加工物５の加工対象位置に導く点が相違している。

ここでは、それぞれの光路から出力されるパルス光の集光を単一の集光レンズＬ１、Ｌ２により集光する例を示しているが、集光部４１ａの構成はこれに限られるものではなく、１個あるいは複数のレンズおよび／またはミラーを組み合わせて構成してもよい。

このような構成とすることにより、分岐光路Ａと分岐光路Ｂから時間差をおいて出力されるパルス光は、異なる方向から加工対象位置に照射される。このため、先行パルスでプラズマの種が作られ、後続パルスでプラズマが生成され、加工が行われる。このとき、被加工物５の２つのレーザ光が交差する領域だけの加工が可能となり、立体的な微細加工を行うことができる。

続いて、図７を参照して第３の実施形態のパルス光列生成部３ｃについて説明する。このパルス光列生成部３ｃは、入力パルス光を所定の偏光状態に変換する偏光子３１ａと、偏光子３１ａの出力光を空間的に波長分解する回折格子３２ａと、波長分解光を強度変調する強度変調部６と、強度変調光のうち所定の偏光部分のみを透過する検光子３１ｂと、この光を位相変調する位相変調部７と、空間的に波長分解されている光を合成する回折格子３３ａからなる。このうち、強度変調部６と位相変調部７とは、ほぼ同一の構成をしており、いずれも空間光変調器６１、７１とこの空間光変調器６１、７１に変調情報を書き込むＣＲＴ６３、７３と、投影レンズ６２、７２と空間光変調器６１、７１へのパルス光の入出力を行うミラー群Ｍ４１とＭ４２およびＭ４３とＭ４４により構成されている。

この構成によれば、入力パルス光は、回折格子３２ａで空間的にスペクトル分解された後、ミラーＭ４１により空間光変調器６１に導かれる。この空間光変調器６１には、ＣＲＴ６３によりレンズ６２を介して変調パターンが投影されており、この変調パターンに応じて、入力光パルスの各波長成分の光の偏光状態が独立に変更される。こうして偏光状態が変えられた光はミラーＭ４２により集光され、検光子３１ｂに導かれる。検光子３１ｂは所定の偏光状態の光のみを通過させるので、入力パルス光の波長成分毎の強度変調を行うことができる。この光は、さらに位相変調部７に導かれ、ミラーＭ４３を経て同様に空間光変調器７１で波長成分毎の位相変調が行われる。位相変調後の光はミラーＭ４４で集光されて回折格子３３ａで一本のビームに集光される。強度変調と位相変調によりスペクトル特性が変更されているため、出力光のパルス波形が変化する。この変調を制御することにより波長の異なるパルス光列等、所望の光パルスを生成することが可能である。

次に、図８を参照して第４の実施形態のパルス光列生成部３ｄについて説明する。このパルス光列生成部３ｄは、基本的に第１の実施形態のパルス光列生成部３ａの偏光ビームスプリッター３２、３３に代えてダイクロイックミラー３２ｂ、３２ｃ、３３ｂ、３３ｃを用いたものであり、さらに２度の分岐により分岐光路Ａ、Ｂ、Ｃの３つの光路に分岐するものである。そして、分岐光路Ｂと分岐光路Ｃの光路長をミラー群Ｍ２２とＭ２３、あるいはＭ３２とＭ３３を移動させることにより変更することで、各光路からパルス光が出力されるまでの時間を変化させて複数パルスからなるパルス光列を生成している。この実施形態では、波長の異なる３つのパルス光からなるパルス光列を生成することができる。

また、第１〜第４の実施形態のパルス光列生成部を単独に用いるだけでなく、そのうちのいくつかを直列あるいは並列に組み合わせて使用してもよい。これにより、低損失で複数のパルス光を生成することができる。

また、以上の実施形態では、分岐光路のうち光路長を可変する部分をミラー群Ｍ２２、Ｍ２３、Ｍ３２、Ｍ３３等で形成する例を示したが、直角プリズムやコーナーキューブリフレクターで構成することもできる。この場合、部品点数が減少しその調整が簡単になる。ただし、直角プリズムは分散媒質であるので、ピコ秒以下の超短パルスでは波形が変形するので使用は好ましくない。また、コーナーキューブリフレクターは、偏光の回転を伴うため、使用時には注意する必要がある。

本発明のレーザ加工装置の基本構成図である。 本発明のレーザ加工装置のパルス光列生成部の第１の実施形態の概略構成図である。 ダブルパルスによる水のブレークダウン発光のダブルパルス時間間隔と発光緩和時間の関係を示す図である。 ダブルパルスによる空気のブレークダウン発光のダブルパルス時間間隔と発光強度の関係を示す図である。 空気、窒素のブレークダウン発光と空気放電管発光の発光スペクトルを比較した図である。 本発明のレーザ加工装置のパルス光列生成部の第２の実施形態の概略構成図である。 本発明のレーザ加工装置のパルス光列生成部の第３の実施形態の概略構成図である。 本発明のレーザ加工装置のパルス光列生成部の第４の実施形態の概略構成図である。

符号の説明

１…レーザ加工装置、２…レーザ光源、３…パルス光列生成部、４…加工制御部、５…被加工物、４１…照射光学系、４２…加工位置制御部。

Claims (6)

1. 超短パルス光を出射するレーザ光源と、
   互いの光路長差を変更可能な複数の光路と、
   前記レーザ光源から出射された超短パルス光を分岐して前記光路の各々に導く光分岐部と、
   被加工物の所定の加工対象位置に、前記複数の光路から出力されるパルス光を導くとともにその照射を制御する加工制御部と
   を備え、
   前記加工制御部は、前記所定の加工対象位置に対して前記複数の光路から出力されるパルス光を互いに異なる方向から照射することを特徴とするパルスレーザ加工装置。
2. 前記超短パルス光のパルス幅は１００ナノ秒以下であることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ加工装置。
3. 分岐したパルス光の空間モードとビーム拡がり角の少なくとも一方を一致させるビーム補正部をさらに備えていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のパルスレーザ加工装置。
4. 前記光分岐部の前段に配置されており、前記超短パルス光の偏光状態を制御する偏光制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパルスレーザ加工装置。
5. 前記光分岐部は偏向ビームスプリッタであり、
   前記偏光制御手段は４分の１波長板であり、
   前記４分の１波長板の前記超短パルス光に対する傾きと回転を変えることによって前記超短パルス光の偏光状態を制御することを特徴とする請求項４記載のパルスレーザ加工装置。
6. 前記４分の１波長板は、ソレイユ・バビネ補償板であることを特徴とする請求項５に記載のパルスレーザ加工装置。

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