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JP2012141515A - Fluid optical element, laser light source device and laser processing device - Google Patents

Fluid optical element, laser light source device and laser processing device Download PDF

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JP2012141515A
JP2012141515A JP2011000845A JP2011000845A JP2012141515A JP 2012141515 A JP2012141515 A JP 2012141515A JP 2011000845 A JP2011000845 A JP 2011000845A JP 2011000845 A JP2011000845 A JP 2011000845A JP 2012141515 A JP2012141515 A JP 2012141515A
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wavelength
laser light
laser
optical element
light source
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Application number
JP2011000845A
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Japanese (ja)
Inventor
Hon Doku Doan
ドアン・ホン・ドク
Kazuyoshi Fusenobu
一慶 伏信
Masaya Tokushige
雅哉 徳重
Kimiharu Yamazaki
公晴 山崎
Munehiro Chijiiwa
宗弘 千々岩
Masahiko Akamine
賢彦 赤嶺
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Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain desired optical property by using temperature dependency of a refractive index of a medium.SOLUTION: A fluid optical element 10 includes a container 11 having edge surfaces 11A and 11B which transmit incident light and are opposite each other to store fluid 12 which is a medium having temperature dependency of a refractive index and wavelength selectivity to absorb first laser light L1 of a first wave length λ1 and to transmit second laser light L2 of a second wave length λ2. An opening 14 for incoming light or outgoing light is provided at least on the edge surface at a side where densely converged light transmits. The fluid optical element 10 provides the incident second laser light L2 of the second wave length λ2 with a lens effect by generating: a temperature gradient in the fluid 12 through irradiating the same with the first laser light L1 of the first wave length λ1; and a lens effect due to a refractive index gradient in the fluid 12 associated with the temperature gradient or a thermal lens effect.

Description

本発明は、媒質の屈折率の温度依存性を利用して所望の光学特性を呈するようにした流体光学素子、上記流体光学素子を備えるレーザ光源装置及びレーザ加工装置に関する。   The present invention relates to a fluid optical element that exhibits a desired optical characteristic by utilizing temperature dependency of a refractive index of a medium, a laser light source device including the fluid optical element, and a laser processing apparatus.

レーザ加工装置では、レーザビームを熱源として用い、ビームの熱によって被処理物を局所的に加熱し、穴開け、溶接、熱処理などのレーザ加工を行う。   A laser processing apparatus uses a laser beam as a heat source, locally heats an object to be processed by the heat of the beam, and performs laser processing such as drilling, welding, and heat treatment.

炭酸ガスレーザ、YAGレーザなどは強いパワーをもつのでビームを被処理物にあてて、穴穿孔、溶接などを行うことができる。ビームパワーを減らすと熱処理のために用いることもできる。穴開けに関していえば機械的なドリルによる穿孔よりも多数の穴を短時間に穿孔できるから生産性が高いといえる。   Since a carbon dioxide laser, a YAG laser, and the like have strong power, a hole can be drilled or welded by applying a beam to an object to be processed. If the beam power is reduced, it can also be used for heat treatment. As far as drilling is concerned, it can be said that productivity is high because a large number of holes can be drilled in a shorter time than drilling with a mechanical drill.

レーザビームを対象へ導くにはミラーやレンズが必要である。炭酸ガスレーザは波長が9μm〜11μmであり赤外光であるから、それを透過できるZnSeレンズなどを用いて集光する。YAGレーザは1.06μmであるから通常のガラス材料のレンズを用いることもある。   A mirror or lens is required to guide the laser beam to the target. Since the carbon dioxide laser has a wavelength of 9 μm to 11 μm and is infrared light, it is condensed by using a ZnSe lens or the like that can transmit it. Since the YAG laser is 1.06 μm, a lens made of a normal glass material may be used.

レーザ発光についていえば連続的に発光させる場合とパルス的に発光させる場合がある。目的によって連続光とパルス光を使い分けることができる。Qスイッチによってエネルギーの大きいパルス光を発生させてレーザ加工をするということも多い。   Speaking of laser emission, there are a case where light is emitted continuously and a case where light is emitted in pulses. Depending on the purpose, continuous light and pulsed light can be used properly. In many cases, laser processing is performed by generating pulsed light having a large energy by the Q switch.

従来より、レーザビームを熱源として用いるレーザ加工装置では、レーザビームの空間的なパワー分布が加工精度などに影響するので、例えば、回折型光学素子と個体レンズからなる光学系により、入力ビームプロファイル強度分布を基本型(正規分布)からある範囲では一定のパワーをもつトップハット型変換し、トップハット型のレーザビームを被処理物に照射するようにしている(例えば、特許文献1参照) 。   Conventionally, in a laser processing apparatus that uses a laser beam as a heat source, the spatial power distribution of the laser beam affects the processing accuracy and so on. The distribution is converted into a top hat type having a constant power within a certain range from the basic type (normal distribution), and the workpiece is irradiated with a top hat type laser beam (see, for example, Patent Document 1).

特開2003−114400号公報JP 2003-114400 A

しかしながら、上述の如く、回折型光学素子と個体レンズからなる光学系により、入力ビームプロファイル強度分布を基本型(正規分布)からある範囲では一定のパワーをもつトップハット型トップハット型へ変換し、トップハット型のレーザビームを被処理物に照射するようにした従来のレーザ加工装置では、固体レンズが固定焦点であり、また、非常に強いレーザ光により損傷することがある。すなわち、レンズ等の光学素子は様々な場面で用いられるが、一般に焦点距離等のパラメータが固定であり、また非常に強い強度の光の入射により損傷するという問題がある。また、入力ビームプロファイル強度分布を基本型(正規分布)からトップハット型への変換が複雑であることから、入力ビーム強度の制限と、装置コスト上昇をもたらしている。   However, as described above, the input beam profile intensity distribution is converted from the basic type (normal distribution) to a top hat type top hat type having a constant power in a certain range by an optical system including a diffractive optical element and an individual lens. In a conventional laser processing apparatus in which a workpiece is irradiated with a top-hat type laser beam, the solid lens has a fixed focal point and may be damaged by a very strong laser beam. That is, an optical element such as a lens is used in various situations, but generally has a problem that a parameter such as a focal length is fixed and is damaged by incidence of light of very strong intensity. Further, since the conversion of the input beam profile intensity distribution from the basic type (normal distribution) to the top hat type is complicated, the input beam intensity is limited and the apparatus cost is increased.

そこで、本発明の目的は、媒質の屈折率の温度依存性を利用して所望の光学特性を呈することのでき、しかも、強い強度の光の入射により損傷する虞が少ない流体光学素子、また、上記流体光学素子を備えることにより所望のビームプロファイル強度分布のレーザ光を出射することができるようにしたレーザ光源装置及びレーザ加工装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a desired optical characteristic using the temperature dependence of the refractive index of the medium, and a fluid optical element that is less likely to be damaged by the incidence of intense light, It is an object of the present invention to provide a laser light source apparatus and a laser processing apparatus that are capable of emitting laser light having a desired beam profile intensity distribution by including the fluid optical element.

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。   Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of embodiments described below.

物質に光を当てると、ほとんどの光は熱に変換されて熱が放出される。その物質は熱によって屈折率変化が起きる。集光したレーザ光のような強度分布のある光を当てた場合、物質はレンズと同じ効果を示すことになる。これを熱レンズ効果と呼ぶ。   When light is applied to a substance, most of the light is converted into heat and heat is released. The material undergoes a refractive index change due to heat. When light having an intensity distribution such as condensed laser light is applied, the substance has the same effect as the lens. This is called the thermal lens effect.

一般に流体の屈折率は温度や照射レーザ光強度とともに変化するため、これらの分布のある流体中には屈折率分布が生じる。   In general, since the refractive index of a fluid changes with temperature and intensity of irradiated laser light, a refractive index distribution is generated in a fluid having these distributions.

ここに別のレーザー光を照射すると、ビームプロファイル(レーザー光をスクリーンなどに映したときのビームの形、すなわちレーザー光進行方向をz軸としたときの、x、y方向の光強度[W/m]分布)は、当該流体を通過する前後で屈折率分布に特有の変化を示す。したがって、適切な屈折率分布の形成と組み合わせでトップハット型加工、凹レンズ等を形成することができる。 When another laser beam is irradiated here, the beam profile (the shape of the beam when the laser beam is projected on a screen or the like, that is, the light intensity in the x and y directions when the laser beam traveling direction is the z axis [W / m 2 ] distribution) shows a characteristic change in the refractive index distribution before and after passing through the fluid. Accordingly, top hat processing, concave lenses, and the like can be formed in combination with the formation of an appropriate refractive index distribution.

すなわち、本発明では、媒質の屈折率の温度依存性を利用して所望の光学特性を得る。   That is, in the present invention, desired optical characteristics are obtained by utilizing the temperature dependence of the refractive index of the medium.

本発明は、流体光学素子であって、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長のレーザ光は吸収し、第2の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第1の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することを特徴とする。   The present invention is a fluid optical element, and is provided with an entrance or exit opening on an end face on the side where at least high-density converged light passes through mutually facing end faces through which incident light passes. The container is a medium having a temperature dependency on the refractive index, and contains a liquid having wavelength selectivity that absorbs the laser light of the first wavelength and transmits the laser light of the second wavelength, and A temperature gradient is given to the liquid by the irradiation of the laser beam of the first wavelength, and a lens effect due to the refractive index gradient of the liquid accompanying the temperature gradient is exhibited. A lens effect is imparted.

本発明に係る流体光学素子において、上記液体は、上記第1の波長のレーザ光を吸収する色素を含有しているものとすることができる。   In the fluid optical element according to the present invention, the liquid may contain a dye that absorbs the laser beam having the first wavelength.

また、本発明に係る流体光学素子は、上記第1の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた上記レンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与するものとすることができる。   In addition, the fluid optical element according to the present invention can impart the lens effect according to the light amount profile of the laser light having the first wavelength to the laser light having the second wavelength.

また、本発明に係る流体光学素子において、上記第1の波長のレーザ光は、ビームシェーパを介して強度分布が与えられた状態で照射されるものとすることができる。   In the fluid optical element according to the present invention, the laser light having the first wavelength may be irradiated in a state where an intensity distribution is given via a beam shaper.

さらに、本発明に係る流体光学素子において、上記ビームシェーパは、入射された第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして出射する上記レンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第1の波長のレーザ光に与えるものとすることができる。   Further, in the fluid optical element according to the present invention, the beam shaper provides an intensity distribution that imparts the lens effect of emitting the incident second wavelength laser beam as a top hat beam to the second wavelength laser beam. Can be provided to the laser light of the first wavelength.

本発明は、レーザ光源装置であって、第1の波長のレーザ光を出射する第1のレーザ光源と、第2の波長のレーザ光を出射する第2のレーザ光源と、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長のレーザ光は吸収し、第2の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第1の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することを特徴とする流体光学素子とを備え、上記レンズ効果を付与した第2の波長のレーザ光を出射することを特徴とする。   The present invention is a laser light source device, in which a first laser light source that emits laser light of a first wavelength, a second laser light source that emits laser light of a second wavelength, and incident light A medium having a temperature dependency on a refractive index in a container provided with an entrance or exit opening on an end face on a side through which at least high-density focused light passes through mutually facing end faces. The first wavelength laser light is absorbed and the second wavelength laser light is transmitted through a liquid having wavelength selectivity. The temperature gradient of the liquid is caused by the irradiation of the first wavelength laser light. A fluidic optical element, which exhibits a lens effect due to a refractive index gradient of the liquid with the temperature gradient and imparts the lens effect to the incident laser light of the second wavelength. , Given the above lens effect Characterized by emitting a laser beam having a second wavelength.

本発明に係るレーザ光源装置において、上記液体は、上記第1の波長のレーザ光を吸収する色素を含有しているものとすることができる。   In the laser light source device according to the present invention, the liquid may contain a dye that absorbs the laser light having the first wavelength.

また、本発明に係るレーザ光源装置は、上記第1の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた上記レンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与するものとすることができる。   The laser light source device according to the present invention may impart the lens effect according to the light amount profile of the laser light having the first wavelength to the laser light having the second wavelength.

また、本発明に係るレーザ光源装置は、上記第1の波長のレーザ光に強度分布を与えるビームシェーパを備え、上記流体光学素子は、上記第1の波長のレーザ光が上記ビームシェーパを介して強度分布が与えられた状態で上記液体に照射されるものとすることができる。   The laser light source device according to the present invention further includes a beam shaper that gives an intensity distribution to the laser beam having the first wavelength, and the fluid optical element is configured such that the laser beam having the first wavelength passes through the beam shaper. The liquid may be irradiated with an intensity distribution given.

さらに、本発明に係るレーザ光源装置において、上記ビームシェーパは、入射された第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記流体光学素子から出射するレンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第1の波長のレーザ光に与えるものとすることができる。   Furthermore, in the laser light source device according to the present invention, the beam shaper converts the incident laser light having the second wavelength into a top hat beam and emits the lens effect from the fluid optical element to the laser light having the second wavelength. The intensity distribution to be applied can be given to the laser beam having the first wavelength.

本発明は、レーザ加工装置であって、第1の波長のレーザ光を出射する第1のレーザ光源と、第2の波長のレーザ光を出射する第2のレーザ光源と、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長のレーザ光は吸収し、第2の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第1の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与する流体光学素子と、入射された第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記流体光学素子から出射するレンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第1の波長のレーザ光に与えるビームシェーパを備え、上記流体光学素子により上記レンズ効果を付与して上記第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記開口から出射するレーザ光源装置と、被加工物を載置するテーブルと、上記レーザ光源装置の上記開口から出射された上記第2の波長のレーザ光と該第2の波長のレーザ光が照射される上記テーブルに載置された被加工物を相対移動させる駆動手段とを備えることを特徴とする。   The present invention is a laser processing apparatus, wherein a first laser light source that emits laser light of a first wavelength, a second laser light source that emits laser light of a second wavelength, and incident light A medium having a temperature dependency on a refractive index in a container provided with an entrance or exit opening on an end face on a side through which at least high-density focused light passes through mutually facing end faces. The first wavelength laser light is absorbed and the second wavelength laser light is transmitted through a liquid having wavelength selectivity. The temperature gradient of the liquid is caused by the irradiation of the first wavelength laser light. A fluid optical element that exhibits a lens effect due to a refractive index gradient of the liquid with the temperature gradient and imparts the lens effect to the incident laser light having the second wavelength; and the incident second optical element Top hat laser with wavelength A beam shaper that gives the laser light of the first wavelength a distribution of intensity that gives the laser light of the second wavelength the lens effect emitted from the fluid optical element, and the lens effect is achieved by the fluid optical element. A laser light source device that emits laser light of the second wavelength as a top hat beam from the opening, a table on which a workpiece is placed, and the second light emitted from the opening of the laser light source device. Drive means for relatively moving the workpiece placed on the table irradiated with the laser beam with the second wavelength and the laser beam with the second wavelength.

本発明に係るレーザ光源装置において、上記液体は、上記第1の波長のレーザ光を吸収する色素を含有していることを特徴とするものとすることができる。   In the laser light source device according to the present invention, the liquid may include a dye that absorbs the laser light having the first wavelength.

さらに、本発明に係るレーザ光源装置において、上記第2のレーザ光源は、上記第2の波長のレーザ光としてパルス状のレーザビームを出力するものとすることができる。   Furthermore, in the laser light source device according to the present invention, the second laser light source may output a pulsed laser beam as the laser light having the second wavelength.

本発明では、流体光学素子の容器に収容した液体に第1の波長のレーザ光の照射により温度勾配が与えられることによって、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することができ、適正な屈折率分布の形成と組み合わせでトップハット型加工、凹レンズや凸レンズ等の所望の光学特性を形成することができる。   In the present invention, the liquid stored in the container of the fluid optical element is given a temperature gradient by irradiation with the laser beam of the first wavelength, thereby exhibiting a lens effect due to the refractive index gradient of the liquid accompanying the temperature gradient, and entering the liquid. The above-mentioned lens effect can be imparted to the laser light of the second wavelength, and desired optical characteristics such as top hat processing, concave lens and convex lens can be formed in combination with the formation of an appropriate refractive index distribution. Can do.

本発明において、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に収容した液体は、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長のレーザ光は吸収し、第2の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有するので、上記液体に第1の波長のレーザ光の照射により温度勾配が与えられることによって、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長のレーザ光に対して上記第1の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた任意のレンズ効果を付与することができ、本発明によれば、適正な屈折率分布の形成と組み合わせでトップハット型加工、凹レンズ等、所望の光学特性を形成することができる。   In the present invention, the liquid contained in a container provided with an entrance or exit opening on an end surface on the side where light condensed at least with high density of end surfaces facing each other through which incident light passes is provided. This is a medium having a temperature dependency on the refractive index, and has a wavelength selectivity that absorbs the laser beam of the first wavelength and transmits the laser beam of the second wavelength. When a temperature gradient is given by irradiation of light, a lens effect due to the refractive index gradient of the liquid accompanying the temperature gradient is exhibited, and the laser beam having the first wavelength with respect to the incident second wavelength laser beam. According to the present invention, desired optical characteristics such as top-hat processing and concave lenses can be formed in combination with the formation of an appropriate refractive index distribution. It is possible.

また、本発明において、上記液体は、上記第1の波長のレーザ光を吸収する色素を含有することにより、上記第1の波長のレーザ光は吸収し、上記第2の波長のレーザ光は透過する波長選択性を顕著に呈するものとすることができる。   In the present invention, the liquid contains a dye that absorbs the laser beam having the first wavelength, thereby absorbing the laser beam having the first wavelength and transmitting the laser beam having the second wavelength. It is possible to significantly exhibit wavelength selectivity.

また、本発明では、上記第1の波長のレーザ光の光量プロファイルをビームシェーパにより任意に設定することができ、例えば、上記ビームシェーパは、入射された第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして出射する上記レンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第1の波長のレーザ光に与えるものとすることができる。   In the present invention, the light amount profile of the laser beam having the first wavelength can be arbitrarily set by a beam shaper. For example, the beam shaper can convert the incident laser beam having the second wavelength into a top hat beam. As described above, the intensity distribution that gives the lens effect emitted to the second wavelength laser beam can be given to the first wavelength laser beam.

さらに、本発明では、上記液体を収容した上記容器の集束光が通過する端面に開口を設けることにより、強い強度の光の入射により流体光学素子が損傷する虞が少ない。   Furthermore, in the present invention, by providing an opening at the end surface through which the focused light of the container containing the liquid passes, there is little possibility that the fluid optical element is damaged by the incidence of strong light.

例えば、一対の光学レンズの組み合わせでレーザ光を集光、拡大させずにビーム系(レーザ光の進行方向と直角方向のレーザ光の直径)のみを変化させ平行光を作るコリメータでは、ビーム系縮小の場合、後段の光学レンズへは前段の光学レンズで集光されたビームが入射することから、これへのダメージを防ぐために元のレーザ光強度に大きな制約があったが、上記後段の光学レンズとして本発明に係る流体光学素子を用いることにより、アスペクト比の非常に大きな数百nm〜数百mm程度の微細孔の加工等を行うことのできるレーザ加工装置を実現できる。   For example, a collimator that produces parallel light by changing only the beam system (the diameter of the laser light in a direction perpendicular to the traveling direction of the laser light) without condensing and expanding the laser light with a pair of optical lenses, reduces the beam system. In this case, since the beam collected by the preceding optical lens is incident on the latter optical lens, there was a great restriction on the intensity of the original laser beam in order to prevent damage to this, but the latter optical lens As described above, by using the fluid optical element according to the present invention, it is possible to realize a laser processing apparatus capable of processing micro holes with a very large aspect ratio of several hundred nm to several hundred mm.

すなわち、本発明によれば、媒質の屈折率の温度依存性を利用して熱レンズ効果により所望の光学特性を呈することができ、しかも、強い強度の光の入射により損傷する虞が少ない流体光学素子、上記流体光学素子を備えることにより所望のビームプロファイル強度分布のレーザ光を出射することができるようにしたレーザ光源装置及びレーザ加工装置を提供することができる。   That is, according to the present invention, fluid optics that can exhibit desired optical characteristics by the thermal lens effect utilizing the temperature dependence of the refractive index of the medium, and that is less likely to be damaged by the incidence of intense light. By providing the element and the fluid optical element, it is possible to provide a laser light source apparatus and a laser processing apparatus that can emit laser light having a desired beam profile intensity distribution.

本発明を適用した流体光学素子の構成例を模式的に示す要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view which shows typically the structural example of the fluid optical element to which this invention is applied. 上記流体光学素子の解析モデルを示す要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view which shows the analysis model of the said fluid optical element. 上記流体光学素子の解析モデルについて温度分布解析を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed temperature distribution analysis about the analysis model of the said fluid optical element. 上記流体光学素子に検出光を入射した場合の光線追跡法による検出光伝搬モデルを示す要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view which shows the detection light propagation model by the ray-tracing method when detection light injects into the said fluid optical element. 本発明を適用した流体光学素子を用いたレーザ光源装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the laser light source device using the fluid optical element to which this invention is applied. 上記レーザ光源装置における流体光学素子について、検出光の空間光強度分布の計算に用いた検出光の光強度変化モデルを示す図である。It is a figure which shows the light intensity change model of the detection light used for calculation of the spatial light intensity distribution of detection light about the fluid optical element in the said laser light source apparatus. 上記レーザ光源装置における流体光学素子から出射される検出光の空間光強度分布を上記検出光の光強度変化モデルで計算した結果と撮像装置により実測した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the spatial light intensity distribution of the detection light radiate | emitted from the fluid optical element in the said laser light source device with the light intensity change model of the said detection light, and the result measured by the imaging device. 上記レーザ光源装置において、第1の波長のレーザ光のパワーを変化させた場合と、上記流体光学素子からの撮像装置までの距離を変化させた場合の、流体光学素子を介して出射される第2の波長のレーザ光の光強度分布の変化を示す図である。In the laser light source device, the first light emitted through the fluid optical element when the power of the laser light having the first wavelength is changed and when the distance from the fluid optical element to the imaging device is changed. It is a figure which shows the change of the light intensity distribution of the laser beam of 2 wavelength. 上記レーザ光源装置において、流体光学素子から出射される第2の波長のレーザ光の光強度分布として得られたトップハットプロファイルを示す図である。In the said laser light source apparatus, it is a figure which shows the top hat profile obtained as light intensity distribution of the laser beam of the 2nd wavelength radiate | emitted from a fluid optical element. 上記レーザ光源装置において、トップハットプロファイルが得られる流体光学素子から撮像装置までの距離を計算して得られた予測結果を示す図である。In the said laser light source device, it is a figure which shows the prediction result obtained by calculating the distance from the fluid optical element from which a top hat profile is obtained to an imaging device. 上記レーザ光源装置において、流体光学素子から撮像装置まで距離を変化させた場合の検出光プロファイルとビーム径の変換の様子を示す図である。In the said laser light source device, it is a figure which shows the mode of a detection light profile at the time of changing a distance from a fluid optical element to an imaging device, and a beam diameter. 上記流体光学素子を用いてコリメータの構成例を模式的に示す要部縦断面図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional view which shows typically the structural example of a collimator using the said fluid optical element. 本発明を適用したレーザ光源装置を用いたレーザ加工装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the laser processing apparatus using the laser light source apparatus to which this invention is applied.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Needless to say, the present invention is not limited to the following examples, and can be arbitrarily changed without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る流体光学素子10は、媒質の屈折率の温度依存性を利用して熱レンズ効果により所望の光学特性を呈するものであって、例えば図1に示すように、入射された光が通過する互いに対向する端面11A,11Bを有する容器11に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長λ1のレーザ光L1は吸収し、第2の波長λ2のレーザ光L2は透過する波長選択性を有する液体12を収容してなり、少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口14が設けられている。   The fluid optical element 10 according to the present invention exhibits a desired optical characteristic by a thermal lens effect using the temperature dependence of the refractive index of a medium. For example, as shown in FIG. The container 11 having the end faces 11A and 11B that pass through each other is a medium having a temperature dependency on the refractive index, and the laser beam L1 having the first wavelength λ1 is absorbed, and the laser beam L2 having the second wavelength λ2 is absorbed. Contains a liquid 12 having a wavelength selectivity to transmit, and is provided with an entrance or exit opening 14 on an end face on the side where light condensed at a high density passes.

この流体光学素子10は、第1の波長λ1のレーザ光L1の照射により上記液体12に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体12の屈折率勾配によるレンズ効果、すなわち、熱レンズ効果を呈し、入射される第2の波長λ2のレーザ光L2に対して上記レンズ効果を付与する。   In the fluid optical element 10, a temperature gradient is given to the liquid 12 by irradiation with the laser light L1 having the first wavelength λ1, and a lens effect due to a refractive index gradient of the liquid 12 accompanying the temperature gradient, that is, a thermal lens effect. The lens effect is imparted to the incident laser beam L2 having the second wavelength λ2.

ここで、上記容器11として、例えば内径30mm、肉厚10mm、高さ1mmの銅製リング11Cの両端開口部を石英ガラスの端面11A,11Bで閉じたキュベットを用い、上記液体12として、例えば、サンセットイエロー染料(6-ヒドロキシ-5-[(4-スルホナトフェニル)ジアゼニル]ナフタレン-2-スルホン酸二ナトリウム(C1610Na))を0.05g/l含有するエタノールを上記容器11に収納した流体光学素子10の試料について、その温度特性を解析するとともに実測したところ次のような結果が得られた。 Here, as the container 11, for example, a cuvette in which both end openings of a copper ring 11C having an inner diameter of 30 mm, a wall thickness of 10 mm, and a height of 1 mm are closed by quartz glass end faces 11A and 11B is used. Contains 0.05 g / l of set yellow dye (6-hydroxy-5-[(4-sulfonatophenyl) diazenyl] naphthalene-2-sulfonic acid disodium (C 16 H 10 N 2 Na 2 O 7 S 2 )) As a result of analyzing the temperature characteristics of the sample of the fluid optical element 10 in which the ethanol to be stored in the container 11 was analyzed, the following results were obtained.

すなわち、熱伝導率[W/(m・K)]を銅=380、エタノール=0.15、石英=1.4とし、第1の波長λ1のレーザ光L1(波長λ1=473nm、パワーP=10mW、ビーム径W=0.25mm)を励起光として照射した図2に示す解析モデルについて、破線で囲んだ領域の温度分布解析を次の支配方正式により行った結果を図3の(A),(B),(C)に示す。   That is, the thermal conductivity [W / (m · K)] is copper = 380, ethanol = 0.15, quartz = 1.4, and the laser light L1 having the first wavelength λ1 (wavelength λ1 = 473 nm, power P = The analysis model shown in FIG. 2 irradiated with 10 mW and beam diameter W = 0.25 mm) as excitation light is the result of performing the temperature distribution analysis of the region surrounded by the broken line according to the following rule form (A) in FIG. , (B), (C).

Figure 2012141515
Figure 2012141515

図3の(A)は、試料内の温度分布の計算結果を示し、図3の(B)は、試料内のr軸方向すなわち半径方向の温度分布の計算結果を示し、図3の(C)は、上記図3の(B)で示されるr軸方向の温度分布で示される温度勾配dT/drに比例する屈折率αの変化による屈折の様子を模式的に示している。 3A shows the calculation result of the temperature distribution in the sample, and FIG. 3B shows the calculation result of the temperature distribution in the r-axis direction, that is, the radial direction in the sample. ) shows the state of refraction due to the change in refractive index alpha r, which is proportional to the temperature gradient dT / dr represented by the temperature distribution in the r-axis direction indicated by the FIG 3 (B) schematically.

そして、上記温度分布解析を行った試料に第2の波長λ2のレーザ光L2を検出光として入射した場合、光線追跡法による検出光の伝搬モデルは、図4のようになる。   When the laser light L2 having the second wavelength λ2 is incident as the detection light on the sample subjected to the temperature distribution analysis, a detection light propagation model by the ray tracing method is as shown in FIG.

この伝搬モデルにおいて、光線軌道は、次の計算式にて示される温度Tにおける屈折率n(T)から求められる。   In this propagation model, the ray trajectory is obtained from the refractive index n (T) at the temperature T expressed by the following calculation formula.

Figure 2012141515
Figure 2012141515

また、位相φの変化は、次の計算式にて求められる。 Further, the change of the phase φ i is obtained by the following calculation formula.

Figure 2012141515
Figure 2012141515

上記流体光学素子10は、液体12の屈折率の温度依存性を利用して熱レンズ効果により所望の光学特性を呈することができ、例えば図5に示すように、出射する第2の波長λ2のレーザ光L2の光量プロファイルを任意に設定可能なレーザ光源装置1を構成することができる。   The fluid optical element 10 can exhibit a desired optical characteristic by the thermal lens effect using the temperature dependence of the refractive index of the liquid 12, and for example, as shown in FIG. The laser light source device 1 that can arbitrarily set the light amount profile of the laser light L2 can be configured.

このレーザ光源装置1は、第1の波長λ1のレーザ光(波長λ1=473nm、パワーP=10mW、ビーム径φ=0.7mm)L1を出射する第1のレーザ光源2と、ガウシャン分布の光強度分布を有する第2の波長λ2のレーザ光(波長λ2=1064nm、ビーム径φ=1.0mm)L2を出射する第2のレーザ光源3と、ビームシェーパ4と、反射鏡5と、半透鏡6と、流体光学素子10を備える。   The laser light source device 1 includes a first laser light source 2 that emits laser light having a first wavelength λ1 (wavelength λ1 = 473 nm, power P = 10 mW, beam diameter φ = 0.7 mm) L1, and Gaussian distribution light. A second laser light source 3 that emits laser light having a second wavelength λ2 having an intensity distribution (wavelength λ2 = 1064 nm, beam diameter φ = 1.0 mm) L2, a beam shaper 4, a reflecting mirror 5, and a semi-transparent mirror 6 and a fluid optical element 10.

このレーザ光源装置1において、上記半透鏡6は、上記第1のレーザ光源2から出射された第1の波長λ1のレーザ光L1は反射し、上記第2のレーザ光源3から出射された第2の波長λ2のレーザ光L2は透過する波長選択性を有する。そして、上記第1のレーザ光源2から出射された第1の波長λ1のレーザ光L1は、上記半透鏡6により反射されて、励起光として上記流体光学素子10に入射される。また、上記第2のレーザ光源3から出射された第2の波長λ2のレーザ光L2は、上記反射鏡5により反射され、上記半透鏡6を通過して検出光として上記流体光学素子10に入射される。   In the laser light source device 1, the semi-transparent mirror 6 reflects the laser light L 1 having the first wavelength λ 1 emitted from the first laser light source 2 and reflects the second light emitted from the second laser light source 3. The laser light L2 having the wavelength λ2 has a wavelength selectivity for transmission. Then, the laser light L1 having the first wavelength λ1 emitted from the first laser light source 2 is reflected by the semi-transparent mirror 6 and enters the fluid optical element 10 as excitation light. The laser light L2 having the second wavelength λ2 emitted from the second laser light source 3 is reflected by the reflecting mirror 5, passes through the semi-transparent mirror 6, and enters the fluid optical element 10 as detection light. Is done.

ここで、このような構成のレーザ光源装置1における上記試料の流体光学素子10について、図6に示す検出光の光強度変化モデルにて検出光の空間光強度分布I’(r)を計算した結果と、CCDイメージセンサを用いた撮像装置50により検出光の空間光強度分布I’(r)を実測した結果を図7の(A),(B)に示す。   Here, the spatial light intensity distribution I ′ (r) of the detection light for the fluid optical element 10 of the sample in the laser light source device 1 having such a configuration was calculated using the light intensity change model of the detection light shown in FIG. FIGS. 7A and 7B show the results and results obtained by actually measuring the spatial light intensity distribution I ′ (r) of the detection light by the imaging device 50 using the CCD image sensor.

ここで、上記検出光の光強度変化モデルにおける検出光の空間光強度分布I’(r)は、次の計算式にて求めた。   Here, the spatial light intensity distribution I ′ (r) of the detection light in the light intensity change model of the detection light was obtained by the following calculation formula.

Figure 2012141515
Figure 2012141515

また、上記レーザ光源装置1において、上記試料の流体光学素子10を介して出射される第2の波長のレーザ光L2の光強度分布は、第1の波長のレーザ光L1すなわち励起光のパワーPを変化させることにより、例えば図8の(A)ように変化し、また、上記試料の流体光学素子10からの撮像装置50までの距離dを変化させることにより、例えば図8の(B)ように変化する。   In the laser light source device 1, the light intensity distribution of the laser light L2 having the second wavelength emitted through the fluid optical element 10 of the sample is the laser light L1 having the first wavelength, that is, the power P of the excitation light. For example, as shown in FIG. 8A, the distance d from the fluid optical element 10 of the sample to the imaging device 50 is changed, for example, as shown in FIG. To change.

すなわち、上記流体光学素子10は、上記第1の波長のレーザ光L1の光量プロファイルに応じた温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果、すなわち、熱レンズ効果を呈するので、このレーザ光源装置1では、上記第1の波長λ1のレーザ光L1の光量プロファイルを変更することにより、入射される第2の波長λ2のレーザ光L2に対して上記第1の波長λ1のレーザ光L1の光量プロファイルに応じた任意のレンズ効果を付与することができる。   That is, the fluid optical element 10 is given a temperature gradient according to the light amount profile of the laser light L1 having the first wavelength, and a lens effect by the refractive index gradient of the liquid accompanying the temperature gradient, that is, a thermal lens effect. Therefore, in the laser light source device 1, by changing the light amount profile of the laser beam L1 having the first wavelength λ1, the first wavelength is changed with respect to the incident laser beam L2 having the second wavelength λ2. An arbitrary lens effect according to the light amount profile of the laser light L1 of λ1 can be given.

例えばレーザダイオードに流す駆動電流を調整することによりレーザパワーを可変することできる半導体レーザを上記第1のレーザ光源2に用いることにより、上記第1の波長λ1のレーザ光L1の光量プロファイルを変更することができる。   For example, the light intensity profile of the laser light L1 having the first wavelength λ1 is changed by using, as the first laser light source 2, a semiconductor laser capable of changing the laser power by adjusting the drive current flowing through the laser diode. be able to.

また、上記第1のレーザ光源2から出射された第1の波長λ1のレーザ光L1にビームシェーパ4で所望の強度分布を与えることにより、上記第1の波長λ1のレーザ光L1の光量プロファイルを変更することもできる。上記第1の波長λ1のレーザ光L1の光量プロファイルを上記ビームシェーパ4により任意に可変することができ、例えば、入射された第2の波長λ2のレーザ光L2をトップハットビームとして出射するレンズ効果を上記第2の波長λ2のレーザ光L2に付与する強度分布を上記ビームシェーパ4により上記第1の波長λ1のレーザ光L1に与えるようすることもできる。   Further, by giving a desired intensity distribution to the laser light L1 having the first wavelength λ1 emitted from the first laser light source 2 by the beam shaper 4, the light intensity profile of the laser light L1 having the first wavelength λ1 can be obtained. It can also be changed. The light amount profile of the laser beam L1 having the first wavelength λ1 can be arbitrarily changed by the beam shaper 4. For example, the lens effect of emitting the incident laser beam L2 having the second wavelength λ2 as a top hat beam. Can be applied to the laser beam L1 having the first wavelength λ1 by the beam shaper 4.

また、上記レーザ光源装置1において、上記試料の流体光学素子10を介して出射された検出光すなわち第2の波長λ2のレーザ光L2の光強度分布をCCDイメージセンサを用いた撮像装置50により測定したところ、図9に示すように、上記試料の流体光学素子10から撮像装置50まで距離が180mmの場合に、上記流体光学素子10から出射される上記第2の波長λ2のレーザ光L2の光強度分布としてトップハットプロファイルを得ることができた。   In the laser light source device 1, the light intensity distribution of the detection light emitted through the fluid optical element 10 of the sample, that is, the laser light L2 having the second wavelength λ2, is measured by the imaging device 50 using a CCD image sensor. Then, as shown in FIG. 9, when the distance from the fluid optical element 10 of the sample to the imaging device 50 is 180 mm, the light of the laser light L2 having the second wavelength λ2 emitted from the fluid optical element 10 is obtained. A top hat profile was obtained as the intensity distribution.

上記流体光学素子10から上記撮像装置50まで距離が180mmは、吸収係数を1.2cm−1として計算により得られた予測結果を一致した。 When the distance from the fluid optical element 10 to the imaging device 50 is 180 mm, the prediction results obtained by calculation with the absorption coefficient of 1.2 cm −1 coincided.

ここで、第1の波長のレーザ光(波長λ1=473nmビーム径φ=0.5mm)を励起光とし、励起光のパワーPを変化させ1〜8mWとした場合について、上記流体における第1の波長のレーザ光の吸収係数を2.0cm−1として、上記トップハットプロファイルが得られる上記流体光学素子10から上記撮像装置50までの距離を計算して得られた予測結果を図10に示す。 Here, in the case where the laser light of the first wavelength (wavelength λ1 = 473 nm beam diameter φ = 0.5 mm) is used as the excitation light and the power P of the excitation light is changed to 1 to 8 mW, the first in the fluid FIG. 10 shows a prediction result obtained by calculating the distance from the fluid optical element 10 at which the top hat profile is obtained to the imaging device 50, assuming that the absorption coefficient of the laser beam having the wavelength is 2.0 cm −1 .

また、上記レーザ光源装置1において、上記撮像装置50により検出される第2の波長λ2のレーザ光L2すなわち検出光の光強度は、ビーム中心からの距離に応じて変化し、上記流体光学素子10から上記撮像装置50まで距離dを変化させると、検出光プロファイルは図11の(A)に示すように変化する。すなわち、第2の波長λ2のレーザ光L2は、入射時のガウシャンプロファイルを維持した状態で、図11の(B)に示すようにビーム径を拡大しながら伝搬しており、上記流体光学素子10は、凹レンズとして機能している。   Further, in the laser light source device 1, the laser light L2 of the second wavelength λ2, that is, the light intensity of the detection light detected by the imaging device 50 changes according to the distance from the beam center, and the fluid optical element 10 When the distance d is changed from the imaging device 50 to the imaging device 50, the detected light profile changes as shown in FIG. That is, the laser light L2 having the second wavelength λ2 propagates while expanding the beam diameter as shown in FIG. 11B while maintaining the Gaussian profile at the time of incidence. 10 functions as a concave lens.

このように凹レンズとして機能する上記流体光学素子10は、例えば図12示すように、凸レンズ15により集光されたレーザ光を平行光に変換するコリメータ20を構成することができる。   Thus, the fluid optical element 10 functioning as a concave lens can constitute a collimator 20 that converts the laser light collected by the convex lens 15 into parallel light, as shown in FIG. 12, for example.

なお、上記試料の流体光学素子10では、上記液体12として、サンセットイエロー染料を0.05g/l含有するエタノールを用いたが、上記第1の波長λ1のレーザ光L1(波長λ1=473nm)を吸収することにより、上記第1の波長λ1のレーザ光L1の光量プロファイルに応じた温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体12の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長λ2のレーザ光L2に対して上記レンズ効果を付与する現象自体は、染料が無くても確認することができた。すなわち、長手方向の片面冷却片面加熱の長方形セル(直交座標系でほぼ1次元的な直線温度勾配)に入るレーザ光の屈折は完全に温度分布起因で説明できる。また、上記液体12は、エタノールに限定されるものでなく、適当な吸収波長域を持ち透明の液体であれば良い。   In the sample fluid optical element 10, ethanol containing 0.05 g / l of sunset yellow dye was used as the liquid 12. However, the laser light L 1 having the first wavelength λ 1 (wavelength λ 1 = 473 nm). Is absorbed to give a temperature gradient according to the light intensity profile of the laser beam L1 having the first wavelength λ1, exhibiting a lens effect due to the refractive index gradient of the liquid 12 accompanying the temperature gradient, and entering the first The phenomenon itself that imparts the lens effect to the laser light L2 having the wavelength λ2 of 2 could be confirmed even without the dye. That is, the refraction of the laser light entering the rectangular cell (one-dimensional linear temperature gradient in the orthogonal coordinate system) of the single-side cooling and single-side heating in the longitudinal direction can be completely explained due to the temperature distribution. The liquid 12 is not limited to ethanol, and may be a transparent liquid having an appropriate absorption wavelength range.

また、上記試料の流体光学素子10は、上記第1の波長λ1のレーザ光L1を切った直後の応答を確認したところ、ステップ的ではなしに時間経過とともに屈折率分布が元に戻るので、パルス状の第1の波長λ1のレーザ光L1を上記励起光として用いることもできる。   Further, when the fluid optical element 10 of the sample confirmed the response immediately after the laser light L1 having the first wavelength λ1 was cut off, the refractive index distribution returned to its original state with the passage of time instead of stepwise. A laser beam L1 having a first wavelength λ1 may be used as the excitation light.

そして、パルス状の第1の波長λ1のレーザ光L1を上記励起光として用いる場合、上記第1の波長λ1のレーザ光L1のオフ期間の冷却過程において、中心に近づく従って温度が低下するような逆の温度勾配の状態を生じさせることができ、上記流体光学素子10は、この逆の温度勾配にともなう上記液体12の屈折率勾配により凸レンズの効果を呈し、入射される第2の波長λ2のレーザ光L2に対して上記凸レンズの効果を付与することができる。   When the pulsed laser beam L1 having the first wavelength λ1 is used as the excitation light, the temperature decreases as it approaches the center in the cooling process of the laser beam L1 having the first wavelength λ1 during the off period. The state of the reverse temperature gradient can be generated, and the fluid optical element 10 exhibits the effect of a convex lens due to the refractive index gradient of the liquid 12 accompanying the reverse temperature gradient, and has the incident second wavelength λ2. The convex lens effect can be imparted to the laser light L2.

上記レーザ光源装置1に用いた流体光学素子10において、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口14が設けられている容器11に収容した液体12は、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長λ1のレーザ光L1は吸収し、第2の波長λ2のレーザ光L2は透過する波長選択性を有するので、上記液体12に第1の波長λ1のレーザ光L1の照射により温度勾配が与えられることによって、上記温度勾配にともなう上記液体12の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長λ2のレーザ光L2に対して上記第1の波長λ1のレーザ光L1の光量プロファイルに応じた任意のレンズ効果を付与することができ、上記流体光学素子10では、適正な屈折率分布の形成と組み合わせでトップハット型加工、凹レンズや凸レンズ等、所望の光学特性を形成することができる。   In the fluid optical element 10 used in the laser light source device 1, an entrance or exit opening 14 is formed on an end surface of the opposite end surface through which the incident light passes and at the end surface on the side where the light focused at a high density passes. The liquid 12 contained in the provided container 11 is a medium having a temperature dependency on the refractive index, and absorbs the laser light L1 having the first wavelength λ1 and transmits the laser light L2 having the second wavelength λ2. Therefore, when the liquid 12 is given a temperature gradient by irradiation with the laser light L1 having the first wavelength λ1, the lens effect due to the refractive index gradient of the liquid 12 accompanying the temperature gradient is exhibited. An arbitrary lens effect according to the light amount profile of the laser beam L1 having the first wavelength λ1 can be given to the incident laser beam L2 having the second wavelength λ2, and the fluid optical In the element 10, desired optical characteristics such as top hat type processing, concave lens and convex lens can be formed in combination with the formation of an appropriate refractive index distribution.

また、上記液体12は、上記第1の波長λ1のレーザ光L1を吸収する色素を含有することにより、上記第1の波長λ1のレーザ光L1は吸収し、上記第2の波長λ2のレーザ光L2は透過する波長選択性を顕著に呈するものとすることができる。   The liquid 12 contains a dye that absorbs the laser light L1 having the first wavelength λ1, thereby absorbing the laser light L1 having the first wavelength λ1 and laser light having the second wavelength λ2. L2 can exhibit remarkable wavelength selectivity.

なお、上記流体光学素子10において、容器11に収容した液体12は、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長λ1のレーザ光L1は吸収し、第2の波長λ2のレーザ光L2は透過する波長選択性を有する必要がある。   In the fluid optical element 10, the liquid 12 contained in the container 11 is a medium having a temperature dependency on the refractive index, and absorbs the laser light L1 having the first wavelength λ1, and has the second wavelength λ2. The laser beam L2 needs to have wavelength selectivity to transmit.

また、上記第1の波長λ1のレーザ光L1の光量プロファイルをビームシェーパ4により任意に設定することができ、例えば、上記ビームシェーパ4は、入射された第2の波長λ2のレーザ光L2をトップハットビームとして出射する上記レンズ効果を上記第2の波長λ2のレーザ光L2に付与する強度分布を上記第1の波長λ1のレーザ光L1に与えるものとすることができる。   Further, the light amount profile of the laser beam L1 having the first wavelength λ1 can be arbitrarily set by the beam shaper 4. For example, the beam shaper 4 has the top of the incident laser beam L2 having the second wavelength λ2. An intensity distribution that imparts the lens effect emitted as a hat beam to the laser light L2 having the second wavelength λ2 may be given to the laser light L1 having the first wavelength λ1.

さらに、上記液体12を収容した上記容器11の集束光が通過する端面に開口14を設けることにより、強い強度の光の入射により流体光学素子10が損傷する虞が少ない。なお、上記開口14は、集束光が通過するだけの小さな口径に形成しておくことによって、上記容器11に収容した上記液体12は、表面張力の働きにより、上記開口14においてメニスカスを形成し、上記開口14から流れ出てしまうことはない。   Furthermore, by providing the opening 14 on the end surface through which the focused light of the container 11 containing the liquid 12 passes, there is little possibility that the fluid optical element 10 is damaged by the incidence of strong light. The opening 14 is formed to have a small diameter that allows the focused light to pass through, so that the liquid 12 contained in the container 11 forms a meniscus in the opening 14 due to the action of surface tension. It does not flow out of the opening 14.

例えば、一対の光学レンズの組み合わせでレーザ光を集光、拡大させずにビーム系(レーザ光の進行方向と直角方向のレーザ光の直径)のみを変化させ平行光を作るコリメータでは、ビーム系縮小の場合、後段の光学レンズへは前段の光学レンズで集光されたビームが入射することから、これへのダメージを防ぐために元のレーザ光強度に大きな制約があったが、上記後段の光学レンズとして上記流体光学素子10を用いることにより、アスペクト比の非常に大きな数百nm〜数百mm程度の微細孔の加工等を行うことのできるレーザ加工装置を実現できる。   For example, a collimator that produces parallel light by changing only the beam system (the diameter of the laser light in a direction perpendicular to the traveling direction of the laser light) without condensing and expanding the laser light with a pair of optical lenses, reduces the beam system. In this case, since the beam collected by the preceding optical lens is incident on the latter optical lens, there was a great restriction on the intensity of the original laser beam in order to prevent damage to this, but the latter optical lens By using the fluid optical element 10 as described above, it is possible to realize a laser processing apparatus capable of processing micro holes with a very large aspect ratio of several hundred nm to several hundred mm.

例えば図13に示すように、上記レーザ光源装置1を用いてレーザ加工装置100を構成することができる。   For example, as shown in FIG. 13, a laser processing apparatus 100 can be configured using the laser light source apparatus 1.

このレーザ加工装置100は、上記レーザ光源装置1と、被加工物を載置するテーブル110と、上記レーザ光源装置1の上記開口から出射された上記第2の波長λ2のレーザ光L2と該第2の波長λ2のレーザ光L2が照射される上記テーブル110に載置された被加工物200をx,y方向に相対移動させる駆動部120とを備える。   The laser processing apparatus 100 includes the laser light source apparatus 1, a table 110 on which a workpiece is placed, the laser light L2 having the second wavelength λ2 emitted from the opening of the laser light source apparatus 1, and the first laser beam L2. And a driving unit 120 that relatively moves the workpiece 200 placed on the table 110 irradiated with the laser beam L2 having the wavelength λ2 of 2 in the x and y directions.

上記レーザ光源装置1は、第1の波長λ1のレーザ光L1を出射する第1のレーザ光源2と、第2の波長λ2のレーザ光を出射する第2のレーザ光源3と、ビームシェーパ4と、反射鏡5と、半透鏡6と、流体光学素子10を備える。   The laser light source device 1 includes a first laser light source 2 that emits laser light L1 having a first wavelength λ1, a second laser light source 3 that emits laser light having a second wavelength λ2, and a beam shaper 4. The reflecting mirror 5, the semi-transparent mirror 6, and the fluid optical element 10 are provided.

このレーザ加工装置100において、上記レーザ光源装置1の上記第1のレーザ光源2は、例えば第1の波長λ1(λ1=1064nm)のレーザ光L1を出射する例えば半導体レーザからなり、また、上記第2のレーザ光源3は、例えば第2の波長λ2(λ2=1064nm)、パルス幅Δt(Δt=4〜7ns)のレーザ光L2を出射するYAGレーザからなる。   In the laser processing apparatus 100, the first laser light source 2 of the laser light source apparatus 1 is made of, for example, a semiconductor laser that emits laser light L1 having a first wavelength λ1 (λ1 = 1064 nm). The second laser light source 3 is composed of, for example, a YAG laser that emits laser light L2 having a second wavelength λ2 (λ2 = 1064 nm) and a pulse width Δt (Δt = 4 to 7 ns).

すなわち、このレーザ加工装置100において、上記第2のレーザ光源2は、上記第2の波長λ2のレーザ光L2として超短パルスレーザを出力するようになっている。   That is, in the laser processing apparatus 100, the second laser light source 2 outputs an ultrashort pulse laser as the laser light L2 having the second wavelength λ2.

また、上記流体光学素子10は、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口14が設けられている容器11に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長λ1のレーザ光L1は吸収し、第2の波長λ2のレーザ光L2は透過する波長選択性を有する液体12を収容してなり、上記第1の波長λ1のレーザ光L1の照射により上記液体12に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体12の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長λ2のレーザ光L2に対して上記レンズ効果を付与する。   Further, the fluid optical element 10 is a container in which an entrance or exit opening 14 is provided on an end face on the side through which at least high-density focused light passes through mutually facing end faces through which incident light passes. 11 is a medium having a temperature dependency on the refractive index, and contains a liquid 12 having wavelength selectivity that absorbs the laser light L1 having the first wavelength λ1 and transmits the laser light L2 having the second wavelength λ2. Thus, a temperature gradient is given to the liquid 12 by the irradiation of the laser beam L1 having the first wavelength λ1, and a lens effect due to the refractive index gradient of the liquid 12 accompanying the temperature gradient is exhibited and incident second. The lens effect is given to the laser light L2 having the wavelength λ2.

また、上記ビームシェーパ4は、入射された第2の波長λ2のレーザ光L2をトップハットビームとして上記流体光学素子10から出射するレンズ効果を上記第2の波長λ2のレーザ光L2に付与する強度分布を上記第1の波長λ1のレーザ光L1に与える。   Further, the beam shaper 4 gives an intensity to the laser light L2 having the second wavelength λ2 to give the lens effect emitted from the fluid optical element 10 by using the incident laser light L2 having the second wavelength λ2 as a top hat beam. The distribution is given to the laser beam L1 having the first wavelength λ1.

このレーザ光源装置1において、上記半透鏡6は、上記第1のレーザ光源2から出射された第1の波長λ1のレーザ光L1は反射し、上記第2のレーザ光源3から出射された第2の波長λ2のレーザ光L2は透過する波長選択性を有する。そして、上記第1のレーザ光源2から出射された第1の波長λ1のレーザ光L1は、上記半透鏡6により反射されて、励起光として上記流体光学素子10に入射される。また、上記第2のレーザ光源3から出射された第2の波長λ2のレーザ光L2は、上記反射鏡5により反射され、上記半透鏡6を通過して上記流体光学素子10に入射される。上記流体光学素子10は、上記流体12によりレンズ効果を付与して上記第2の波長λ2のレーザ光L2をトップハットビームとして上記開口14から出射する。また、上記流体光学素子10は、凹レンズとして機能し、凸レンズ15により集光されたレーザ光を平行光に変換するコリメータ20を構成している。   In the laser light source device 1, the semi-transparent mirror 6 reflects the laser light L 1 having the first wavelength λ 1 emitted from the first laser light source 2 and reflects the second light emitted from the second laser light source 3. The laser light L2 having the wavelength λ2 has a wavelength selectivity for transmission. Then, the laser light L1 having the first wavelength λ1 emitted from the first laser light source 2 is reflected by the semi-transparent mirror 6 and enters the fluid optical element 10 as excitation light. The laser beam L2 having the second wavelength λ2 emitted from the second laser light source 3 is reflected by the reflecting mirror 5, passes through the semi-transparent mirror 6, and enters the fluid optical element 10. The fluid optical element 10 gives a lens effect by the fluid 12 and emits the laser light L2 having the second wavelength λ2 from the opening 14 as a top hat beam. The fluid optical element 10 functions as a concave lens and constitutes a collimator 20 that converts the laser light condensed by the convex lens 15 into parallel light.

このような構成のレーザ加工装置100では、レーザ光源装置1において、第2のレーザ光源2から第2の波長λ2のレーザ光L2として出射された超短パルスレーザを、凸レンズ15と流体光学素子10とにより構成されたコリメータ20を介して平行光に変換する際に上記流体光学素子10によりレンズ効果が付与されることにより、トップハットビームとして開口14から出射することができ、超短パルスレーザのトップハットビームにより高精度なレーザ加工を行うことができる。   In the laser processing apparatus 100 having such a configuration, in the laser light source apparatus 1, the ultrashort pulse laser emitted from the second laser light source 2 as the laser light L 2 having the second wavelength λ 2 is converted into the convex lens 15 and the fluid optical element 10. The lens effect is imparted by the fluid optical element 10 when the light is converted into parallel light through the collimator 20 constituted by the above-mentioned, so that it can be emitted from the aperture 14 as a top hat beam, High-precision laser processing can be performed by the top hat beam.

また、上記レーザ光源装置1は、上記超短パルスレーザをトップハットビームとして上記開口14から出射するので、第2のレーザ光源2から第2の波長λ2のレーザ光L2としてハイパワーの超短パルスレーザが入射されても上記流体光学素子10が損傷する虞が少なく、信頼性の高いレーザ加工装置100を実現することができる。   Further, since the laser light source device 1 emits the ultrashort pulse laser as the top hat beam from the opening 14, the high power ultrashort pulse is emitted from the second laser light source 2 as the laser light L2 having the second wavelength λ2. Even if a laser is incident, there is little possibility that the fluid optical element 10 is damaged, and a highly reliable laser processing apparatus 100 can be realized.

なお、上記レーザ加工装置100において、上記流体12により吸収される励起光すなわち、上記第1のレーザ光源2から出射される第2の波長λ1のレーザ光L1と、上記流体12を通過する加工用レーザ光、すなわち、第2のレーザ光源2から出射される第2の波長λ2のレーザ光L2は、互いに波長をずらす必要があるが、被加工物200の材質や加工内容に応じて加工用レーザ光及び励起光の波長やパワーを変更し、上記加工用レーザ光及び励起光の波長の組み合わせに応じて、上記流体12として用いる媒質の種類や含有される色素の種類を選択することも可能である。   In the laser processing apparatus 100, excitation light absorbed by the fluid 12, that is, laser light L 1 having the second wavelength λ 1 emitted from the first laser light source 2 and processing for passing through the fluid 12. The laser light, that is, the laser light L2 having the second wavelength λ2 emitted from the second laser light source 2 needs to be shifted in wavelength, but the processing laser depends on the material of the workpiece 200 and the processing content. It is also possible to change the wavelength and power of the light and the excitation light, and select the type of medium used as the fluid 12 and the type of dye contained in accordance with the combination of the wavelength of the processing laser light and the excitation light. is there.

1 レーザ光源装置、2 第1のレーザ光源、3 第2のレーザ光源、4 ビームシェーパ、5 反射鏡、6 半透鏡、10 流体光学素子、11 容器、11A,11B 端面、11C 銅製リング、12 液体、14 開口、15 凸レンズ15、20 コリメータ、100 レーザ加工装置、110 テーブル、120 駆動部、200 被加工物、L1 第1の波長のレーザ光、L2 第2の波長のレーザ光、   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source device, 2 1st laser light source, 3 2nd laser light source, 4 Beam shaper, 5 Reflecting mirror, 6 Semi-transparent mirror, 10 Fluid optical element, 11 Container, 11A, 11B End surface, 11C Copper ring, 12 Liquid , 14 aperture, 15 convex lens 15, 20 collimator, 100 laser processing device, 110 table, 120 drive unit, 200 workpiece, L1 first wavelength laser light, L2 second wavelength laser light,

Claims (13)

入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長のレーザ光は吸収し、第2の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、
上記第1の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、
入射される第2の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することを特徴とする流体光学素子。
A container having an entrance or exit opening provided on an end face on the side where light that has been focused at a high density passes through opposite end faces through which incident light passes, and the refractive index has temperature dependence. A medium containing a liquid having wavelength selectivity that absorbs laser light of the first wavelength and transmits laser light of the second wavelength;
A temperature gradient is given to the liquid by irradiation with the laser light of the first wavelength, and exhibits a lens effect due to a refractive index gradient of the liquid accompanying the temperature gradient,
A fluid optical element characterized by imparting the lens effect to incident laser light having a second wavelength.
上記液体は、上記第1の波長のレーザ光を吸収する色素を含有していることを特徴とする請求項1に記載の流体光学素子。   The fluid optical element according to claim 1, wherein the liquid contains a dye that absorbs the laser beam having the first wavelength. 上記第1の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた上記レンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与することを特徴とする請求項1に記載の流体光学素子。   2. The fluid optical element according to claim 1, wherein the lens effect corresponding to the light amount profile of the laser light having the first wavelength is imparted to the laser light having the second wavelength. 上記第1の波長のレーザ光は、ビームシェーパを介して強度分布が与えられた状態で照射されることを特徴とする請求項3記載の流体光学素子。   4. The fluid optical element according to claim 3, wherein the laser light having the first wavelength is irradiated in a state where an intensity distribution is given through a beam shaper. 上記ビームシェーパは、入射された第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして出射する上記レンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第1の波長のレーザ光に与えることを特徴とする請求項4記載の流体光学素子。   The beam shaper gives the laser light of the first wavelength an intensity distribution that gives the laser light of the second wavelength the lens effect of emitting the incident laser light of the second wavelength as a top hat beam. The fluid optical element according to claim 4. 第1の波長のレーザ光を出射する第1のレーザ光源と、
第2の波長のレーザ光を出射する第2のレーザ光源と、
入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長のレーザ光は吸収し、第2の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第1の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与することを特徴とする流体光学素子とを備え、
上記レンズ効果を付与した第2の波長のレーザ光を出射することを特徴とするレーザ光源装置。
A first laser light source that emits laser light of a first wavelength;
A second laser light source that emits laser light of a second wavelength;
A container having an entrance or exit opening provided on an end face on the side where light that has been focused at a high density passes through opposite end faces through which incident light passes, and the refractive index has temperature dependence. It is a medium and contains a liquid having a wavelength selectivity that absorbs laser light of the first wavelength and transmits laser light of the second wavelength, and is irradiated with the laser light of the first wavelength. A fluid having a temperature gradient applied to the liquid, exhibiting a lens effect due to a refractive index gradient of the liquid accompanying the temperature gradient, and imparting the lens effect to incident laser light having a second wavelength An optical element,
A laser light source device that emits laser light having a second wavelength to which the lens effect is imparted.
上記液体は、上記第1の波長のレーザ光を吸収する色素を含有していることを特徴とする請求項6記載のレーザ光源装置。   7. The laser light source device according to claim 6, wherein the liquid contains a dye that absorbs the laser light having the first wavelength. 上記第1の波長のレーザ光の光量プロファイルに応じた上記レンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与することを特徴とする請求項6記載のレーザ光源装置。   7. The laser light source device according to claim 6, wherein the lens effect corresponding to the light amount profile of the laser light having the first wavelength is imparted to the laser light having the second wavelength. 上記第1の波長のレーザ光に強度分布を与えるビームシェーパを備え、
上記流体光学素子は、上記第1の波長のレーザ光が上記ビームシェーパを介して強度分布が与えられた状態で上記液体に照射されることを特徴とする請求項8記載のレーザ光源装置。
A beam shaper that gives an intensity distribution to the laser light of the first wavelength;
9. The laser light source device according to claim 8, wherein the fluid optical element irradiates the liquid with the laser light having the first wavelength through the beam shaper with an intensity distribution given thereto.
上記ビームシェーパは、入射された第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記流体光学素子から出射するレンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第1の波長のレーザ光に与えることを特徴とする請求項9記載のレーザ光源装置。   The beam shaper has an intensity distribution for giving the lens effect emitted from the fluid optical element as a top hat beam to the incident laser beam having the second wavelength to the laser beam having the first wavelength. The laser light source device according to claim 9, wherein the laser light source device is applied to laser light. 第1の波長のレーザ光を出射する第1のレーザ光源と、第2の波長のレーザ光を出射する第2のレーザ光源と、入射された光が通過する互いに対向する端面の少なくとも高密度に集束された光が通過する側の端面に入射用又は出射用の開口が設けられている容器に、屈折率に温度依存性を有する媒質であって、第1の波長のレーザ光は吸収し、第2の波長のレーザ光は透過する波長選択性を有する液体を収容してなり、上記第1の波長のレーザ光の照射により上記液体に温度勾配が与えられ、上記温度勾配にともなう上記液体の屈折率勾配によるレンズ効果を呈し、入射される第2の波長のレーザ光に対して上記レンズ効果を付与する流体光学素子と、入射された第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記流体光学素子から出射するレンズ効果を上記第2の波長のレーザ光に付与する強度分布を上記第1の波長のレーザ光に与えるビームシェーパを備え、上記流体光学素子により上記レンズ効果を付与して上記第2の波長のレーザ光をトップハットビームとして上記開口から出射するレーザ光源装置と、
被加工物を載置するテーブルと、
上記レーザ光源装置の上記開口から出射された上記第2の波長のレーザ光と該第2の波長のレーザ光が照射される上記テーブルに載置された被加工物を相対移動させる駆動手段と
を備えるレーザ加工装置。
A first laser light source that emits a laser beam having a first wavelength, a second laser light source that emits a laser beam having a second wavelength, and at least high density of end faces facing each other through which incident light passes. A container having a temperature-dependent refractive index in a container provided with an entrance or exit opening on the end face on the side through which the focused light passes, and absorbs laser light of the first wavelength, The laser light of the second wavelength contains a liquid having wavelength selectivity to transmit, and a temperature gradient is given to the liquid by irradiation of the laser light of the first wavelength, and the liquid of the liquid accompanying the temperature gradient is supplied. A fluid optical element that exhibits a lens effect due to a refractive index gradient and imparts the lens effect to the incident second wavelength laser beam, and the fluid using the incident second wavelength laser beam as a top hat beam Out of optical element A beam shaper that imparts an intensity distribution to the laser light of the first wavelength that imparts a lens effect to the laser light of the second wavelength, and the lens effect is imparted by the fluid optical element to the second wavelength. A laser light source device that emits the laser beam as a top hat beam from the opening;
A table on which a workpiece is placed;
Drive means for relatively moving the laser light of the second wavelength emitted from the opening of the laser light source device and the workpiece placed on the table irradiated with the laser light of the second wavelength. Laser processing apparatus provided.
上記液体は、上記第1の波長のレーザ光を吸収する色素を含有していることを特徴とする請求項11記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 11, wherein the liquid contains a dye that absorbs the laser light having the first wavelength. 上記第2のレーザ光源は、上記第2の波長のレーザ光としてパルス状のレーザビームを出力することを特徴とする請求項11記載のレーザ加工装置。   12. The laser processing apparatus according to claim 11, wherein the second laser light source outputs a pulsed laser beam as the laser light having the second wavelength.
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