JP2006145584A - 波長が紫外域の複数のレーザの形成方法および形成装置並びにレーザ加工装置 - Google Patents

波長が紫外域の複数のレーザの形成方法および形成装置並びにレーザ加工装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 保守点検が容易で加工能率を向上させることができると共に、波長変換手段の劣化を防止してランニングコストを低減することができる波長が紫外域の複数のレーザの形成方法および形成装置並びにレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】
レーザ発振器１から出力される波長が近赤外域のレーザ２ａを、レーザ分配装置９により複数のレーザ２ａｄに分岐させ、波長偏光素子３により分岐されたレーザ２ａｄの一部を波長が１／２のレーザ２ｂｄに変換し、波長偏光素子３から出力されたレーザ２ａｄとレーザ２ｂｄとから波長偏光素子４により波長がレーザ２ａの１／３である紫外線レーザ２ｔｄを形成する。そして、波長分離素子５により紫外線レーザ２ｔｄを抽出して加工部に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長が紫外域の複数のレーザの形成方法および形成装置並びにレーザ加工装置に関する。
プリント基板を加工するレーザ加工機に使用されるレーザとしては、主にＣＯ２レーザと紫外線レーザが用いられており、一般に、直径が５０μｍ以上の穴を加工する場合はＣＯ２レーザが、直径が５０μｍ以下の穴を加工する場合は紫外線レーザが、それぞれ採用されている。
近年、電子部品の実装密度が高くなるに伴い、直径が５０μｍ以下の穴を高速で加工することが要求されており、高出力で高繰返し可能な紫外線レーザ（例えば、平均出力が１０Ｗ以上、かつパルス繰返し周波数が１００ｋＨｚ以上）の需要が増加している。
紫外線レーザを発生させる場合、波長変換素子としてＬＢＯ（リチウム・ボレート、化学式ＬｉＢ３Ｏ５）結晶やＣＬＢＯ結晶（セシウム・リチウム・ボレート、化学式ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）等の非線形光学結晶を用いて、波長が近赤外域のレーザを波長が紫外域のレーザに変換することが行われている。
図３は、レーザ穴明け加工機に使用されている従来の紫外線レーザ出力装置の構成図である。
紫外線レーザ出力装置１００は、レーザ発振器１と、レーザ形成装置５０とから構成されている。レーザ発振器１（例えば、Ｎｄ（ネオジウム）イオンを利得媒質とした固体レーザ）は、波長が０．７〜２μｍ（Ｎｄイオンを利得媒質とした固体レーザの場合、１．０６４μｍ）の近赤外域の平均出力の高いパルス状のレーザ２ａ（以下、「基本波」という。）を出力する。
レーザ形成装置５０の波長変換素子３は、入力するレーザ２ａの一部を波長がレーザ２ａの１／２である２倍波２ｂに変換する。波長変換素子４は、基本波２ａとレーザ２ｂとから波長がレーザ２ａの１／３である３倍波（以下、「紫外線レーザ」という。）２ｔに変換する。波長分離素子５は、入力するレーザを紫外線レーザ２ｔとその他のレーザ（基本波２ａおよび２倍波２ｂ）７に分離する。
次に、この紫外線レーザ出力装置１００の動作を説明する。
レーザ発振器１から出力された波長が近赤外域の基本波２ａは、波長変換素子３を通過することにより一部が２倍波２ｂに変換にされる。基本波２ａと２倍波２ｂが混合した混合波７は波長変換素子４を通過することにより一部が紫外線レーザ２ｔに変換にされ、波長変換素子４からは基本波２ａ、２倍波２ｂおよび紫外線レーザ２ｔが混合した混合波８が出力される。混合波８は、波長分離素子５により紫外線レーザ２ｔとその他のレーザ７とに分離される。そして、紫外線レーザ２ｔは加工部に照射され、その他のレーザ１２はレーザ減衰器６に入射して熱に変換される（特許文献１）。
なお、高いパルスエネルギを必要とする加工の場合は、波長分離素子５で分離された紫外線レーザ２ｔをそのまま使用するが、低いパルスエネルギで加工を行う場合は、同図に示すように、レーザ分配装置９（例えばビームスプリッタ）によってｎ本の分岐ビーム２ｔｄに分岐し、それぞれの分岐ビーム２ｔｄにより加工を行う。
なお、波長変換素子４はレーザが入射することにより徐々に劣化して性能が低下するので、例えば、入射ビームスポットサイズに比べて表面積が十分大きい波長変換素子４を光軸と垂直な方向に移動自在の台に取付けておき、性能が低下した場合には新しい面を光軸上に配置するようにして、加工能率が低下することを防止している（特許文献２）。
特開２００４−２２００５１号公報 特開２００４−０２２９４６号公報
ところで、紫外線を発生させる結晶に必要とされる特性としては、結晶中で発生する紫外線の吸収に伴う自己発熱が少ないこと、結晶出射面が紫外線によって損傷を受けにくいことである。
波長変換素子に入射するレーザの平均出力が小さい場合、あるいは出力されるレーザの波長が可視光の場合、レーザ吸収による波長変換素子の温度上昇が問題になることはない。しかし、高出力（例えば、出力が数Ｗから数十Ｗかつ波長が紫外域に近い波長である場合）のレーザを高繰返しで入射させることにより温度上昇値が許容値を超えると、結晶の屈折率の温度依存性に起因して位相整合条件が崩れ、変換効率が低下するので加工品質が低下する。そして、この現象は生成する紫外線レーザの出力が増大するほど、顕著に現れる。
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、保守点検が容易で加工能率を向上させることができると共に、波長変換手段の劣化を防止してランニングコストを低減することができる波長が紫外域の複数のレーザの形成方法および形成装置並びにレーザ加工装置を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明の第１の手段は、波長が紫外域の複数のレーザの形成方法として、波長が近赤外域のレーザを波長変換して波長が紫外域のレーザを形成するようにした波長が紫外域のレーザの形成方法において、波長が近赤外域のレーザまたは波長が前記近赤外域のレーザの１／２のレーザを複数に分岐した後、分岐された複数のレーザのそれぞれを波長変換し、波長が紫外域の複数のレーザを形成することを特徴とする。
また、本発明の第２の手段は、波長が紫外域の複数のレーザの形成装置として、波長が近赤外域の第１のレーザを出力するレーザ発振器と、前記第１のレーザを複数に分岐する分岐手段と、前記第１のレーザの一部を波長が１／２の第２のレーザに変換する第１の波長変換手段と、前記第１の波長変換手段から出力された前記第２のレーザと前記第１の波長変換手段によって波長変換されなかった前記第１のレーザとから波長が前記第１のレーザの１／３の紫外域のレーザを形成する第２の波長変換手段と、を備え、前記分岐手段により前記第１のレーザを複数に分岐した後、前記第１および第２の波長変換手段により、分岐された複数の前記第１のレーザのそれぞれを波長が紫外域のレーザに形成することを特徴とする。
また、本発明の第３の手段は、波長が紫外域の複数のレーザの形成装置として、波長が近赤外域の第１のレーザを出力するレーザ発振器と、入射する前記レーザの波長を波長が１／２のレーザに変換する２個の波長変換手段と、入射するレーザを複数に分岐する分岐手段と、を備え、前記波長変換手段の一方により、波長が近赤外域の第１のレーザを波長が１／２の第２のレーザに変換した後、前記分岐手段により前記第２のレーザを複数のレーザに分岐し、前記波長変換手段の他方により、分岐された前記第２のレーザを波長が前記第２のレーザの１／２の紫外域のレーザに形成することを特徴とする。
また、本発明の第４の手段は、レーザ加工装置として、波長が近赤外域の第１のレーザを出力するレーザ発振器と、請求項３または請求項４に記載の波長が紫外域の複数のレーザの形成装置と、レーザの位置決め手段と、を備え、前記レーザ発振器から出力された前記近赤外域の第１のレーザを前記形成装置により波長が紫外域の複数のレーザに形成し、形成された前記波長が紫外域の複数のレーザを前記位置決め手段によりそれぞれ位置決めして加工をすることを特徴とする。
保守点検が容易であるので、加工能率を向上させることができると共に、波長変換手段の劣化を防止できるので、ランニングコストを低減することができる。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施例に係る波長変換装置を備えるレーザ加工装置の要部構成図であり、図３と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。
レーザ加工機２００は、紫外線レーザ出力装置３００と、レーザ位置決め装置２０と、レーザ位置決め装置２０と対向する位置に配置される図示を省略するワークの移動装置とから構成されている。
紫外線レーザ出力装置３００は、レーザ発振器１と、レーザ形成装置４００とから構成されている。レーザ発振器１はＮｄイオンを利得媒質とした固体レーザであり、波長が１．０６４μｍの高出力の近赤外域のパルス状の基本波２ａを出力する。
レーザ形成装置４００は、レーザ分配装置９、波長変換素子３、４、波長分離素子５およびレーザ減衰器６とから構成されており、後述するように、波長変換素子３、４は出力される紫外域のレーザ毎に設けられている。
レーザ位置決め装置２０は、例えば、１対のガルバノスキャナとｆθレンズとから構成されている。
次に、この実施例の動作を説明する。
レーザ発振器１から出力された基本波２ａは、レーザ分配装置９によってｎ本（ただし、ｎ≧２、図では３本）のビーム２ａｄに分岐され、波長変換素子３を通過することにより一部が２倍波２ｂに変換にされる。基本波２ａと２倍波２ｂが混合した混合波７は、波長変換素子４を通過することにより一部が波長が基本波２ａの１／３である紫外線レーザ２ｔｄに変換され、基本波２ａと２倍波２ｂ（すなわち混合波７）および紫外線レーザ２ｔｄが混合した混合波８は、波長分離素子５により紫外線レーザ２ｔｄと混合波７とに分離される。そして、紫外線レーザ２ｔｄは加工部に照射され、混合波７はレーザ減衰器６に入射して熱に変換される。
紫外線レーザ２ｔｄはレーザ位置決め装置２０により所望の位置に位置決めされてワークを加工する。
次に、具体的な数値を用いて本発明を説明する。
現在、波長が０．７〜２μｍの基本波２ａを出力する固体レーザのレーザ発振器１としては、平均出力２０W程度のものが実用化されている。また、プリント基板の樹脂部に直径が５０μｍの穴を加工する場合、加工部でのパルスエネルギ密度として１Ｊ／ｃｍ２程度が必要である。
例えば、波長３５５ｎｍの紫外線レーザを、パルス幅数十ｎｓ、またパルス繰返し周波数５０ｋＨｚで加工部に照射する場合、エネルギ密度を１Ｊ／ｃｍ２とするためには平均出力を１．５Ｗとすればよい。
いま、基本波２ａから紫外線レーザ２ｔへの変換効率を３０％とすると、平均出力１．５Ｗの紫外線レーザを形成するためには、波長変換素子３に対して平均出力５Ｗの基本波２ａ（波長１０６４ｎｍ）を入力すればよい。したがって、例えば、平均出力２０Wのレーザ発振器をレーザ発振器１として採用すると、１度に３〜４本の紫外線レーザ２ｔを形成することができる。
入射する基本波２ａの平均出力が５ｗ程度の場合、波長変換素子３、４の温度上昇はごく僅かであり、変換性能が低下することはほとんど無い。したがって、本発明を適用すると、波長変換素子３、４の寿命が長くなり、加工能率を向上させることができると共に、ランニングコストを低減することができる。
一方、同一の加工を従来技術によって行う場合、経験上、波長変換素子３の寿命が問題になることはないが、波長変換素子４は短時間で寿命になる。このため、波長変換素子４を頻繁に変更する必要があり、加工能率が低下する。また、使い方によっては波長変換素子４を損傷させてしまう場合がある。
図２は本発明の第２の実施例に係る波長変換装置を備えるレーザ加工装置の要部構成図であり、図１，３と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。
この実施例では、出力される紫外線レーザの数プラス１個の波長変換器が設けられられている。
次に、この実施例の動作を説明する。
レーザ発振器１から出力された基本波２ａは、波長変換素子３により一部が２倍波２ｂに変換され、基本波２ａと２倍波２ｂが混合した混合波７は波長分離素子５により２倍波２ｂと基本波２ａに分離され、２倍波２ｂはレーザ分配装置９に入射してｎ本（ただし、ｎ≧２、図では３本）の２倍波２ｂｄに分岐され、基本波２ａはレーザ減衰器６に入射して熱に変換される。
分岐された２倍波２ｂｄはそれぞれ波長変換素子４により一部が波長が基本波２ａの１／４である４倍波２ｆｄ（基本波２ａの波長が１０６４ｎｍの場合は波長２６６ｎｍ）に変換される。波長変換素子４から出力された２倍波２ｂｄと４倍波２ｆｄが混合したレーザは波長分離素子５により４倍波２ｆｄと２倍波２ｂｄに分離され、４倍波２ｆｄは加工部に照射され、２倍波２ｂｄはレーザ減衰器６に入射して熱に変換される。
４倍波２ｆｄは３倍波２ｔｄと同等以上の加工性能を有しているので、加工能率を向上させることができる。
なお、波長変換素子３にはレーザ発振器１から出力された基本波２ａが総て入射されるが、出力されるレーザが２倍波２ｂであるので、平均出力が大きい基本波２ａが入射される場合であっても、熱的な損傷を受けることはない。
なお、上記２つの実施例では、加工部に供給する紫外線レーザを３本にする場合について説明したが、レーザ発振器１の平均出力を大きくすることが可能な限り、加工部に供給する紫外線レーザの数を増加することができる。
また、第２の実施例においてレーザ発振器１の平均出力が波長変換素子３の能力に対して大きい場合は、レーザ発振器１と波長変換素子３との間にレーザ分配装置９を配置するようにすればよい。
なお、レーザによりプリント基板を加工する場合、実用的な波長は０．１９〜０．４μｍである。したがって、近赤外域のレーザとして波長が０．７６〜１．６μｍのレーザを出力するレーザ発振器を採用することが実用的である。
本発明に係る波長変換装置を備えるレーザ加工装置の要部構成図である。 本発明に係る波長変換装置を備える他のレーザ加工装置の要部構成図である。 従来の紫外線レーザ出力装置の構成図である。
符号の説明
１ レーザ発振器
２ａ 波長が近赤外域のレーザ
２ａｄ 分岐された波長が近赤外域のレーザ
２ｂｄ 波長がレーザ２ａの１／２のレーザ
２ｔｄ 波長がレーザ２ａの１／３である紫外線レーザ
３ 波長偏光素子
４ 波長偏光素子
５ 波長分離素子
９ レーザ分配装置

Claims (5)

  1. 波長が近赤外域のレーザを波長変換して波長が紫外域のレーザを形成するようにした波長が紫外域のレーザの形成方法において、
    波長が近赤外域のレーザまたは波長が前記近赤外域のレーザの１／２のレーザを複数に分岐した後、
    分岐された複数のレーザのそれぞれを波長変換し、波長が紫外域の複数のレーザを形成することを特徴とする波長が紫外域の複数のレーザの形成方法。
  2. 形成された前記紫外域のレーザの波長は、前記近赤外域のレーザの波長の１／３または１／４であることを特徴とする請求項１に記載の波長が紫外域の複数のレーザの形成方法。
  3. 波長が近赤外域の第１のレーザを出力するレーザ発振器と、
    前記第１のレーザを複数に分岐する分岐手段と、
    前記第１のレーザの一部を波長が１／２の第２のレーザに変換する第１の波長変換手段と、
    前記第１の波長変換手段から出力された前記第２のレーザと前記第１の波長変換手段によって波長変換されなかった前記第１のレーザとから波長が前記第１のレーザの１／３の紫外域のレーザを形成する第２の波長変換手段と、を備え、
    前記分岐手段により前記第１のレーザを複数に分岐した後、前記第１および第２の波長変換手段により、分岐された複数の前記第１のレーザのそれぞれを波長が紫外域のレーザに形成することを特徴とする波長が紫外域の複数のレーザの形成装置。
  4. 波長が近赤外域の第１のレーザを出力するレーザ発振器と、
    入射する前記レーザの波長を波長が１／２のレーザに変換する２個の波長変換手段と、
    入射するレーザを複数に分岐する分岐手段と、
    を備え、
    前記波長変換手段の一方により、波長が近赤外域の第１のレーザを波長が１／２の第２のレーザに変換した後、
    前記分岐手段により前記第２のレーザを複数のレーザに分岐し、
    前記波長変換手段の他方により、分岐された前記第２のレーザを波長が前記第２のレーザの１／２の紫外域のレーザに形成することを特徴とする波長が紫外域の複数のレーザの形成装置。
  5. 波長が近赤外域の第１のレーザを出力するレーザ発振器と、請求項３または請求項４に記載の波長が紫外域の複数のレーザの形成装置と、レーザの位置決め手段と、を備え、
    前記レーザ発振器から出力された前記近赤外域の第１のレーザを前記形成装置により波長が紫外域の複数のレーザに形成し、形成された前記波長が紫外域の複数のレーザを前記位置決め手段によりそれぞれ位置決めして加工をすることを特徴とするレーザ加工装置。
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