CN101541468A - 聚光光学系统、激光加工方法和装置以及脆性材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚光光学系统，该聚光光学系统具有小尺寸的会聚光斑和大的焦深而不会引起会聚光斑的强度下降和在焦点位置的前后区域强度分布不连续的问题。该聚光光学系统以预定的焦距会聚由激光源生成的激光束并且设计成满足表达式(a)～(d)，由此产生第三阶和第五阶球面像差：(a)|Z₈|≥0.1λ或|Z₁₅|≥0.05λ，(b)Z₈/Z₁₅≥3或Z₈/Z₁₅＜1，(c)|Z₈|＜1.4λ，并且(d)|Z₁₅|＜0.5λ，其中，λ是波长，Z₈是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第三阶球面像差对应的第八项系数，Z₁₅是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第五阶球面像差对应的第十五项系数。

Description

聚光光学系统、激光加工方法和装置以及脆性材料的制造方法

技术领域

本发明涉及一种聚光光学系统、激光加工方法和装置以及脆性材料坯件的制造方法。更具体而言，本发明涉及以长焦深将激光束会聚成微小光斑的聚光光学系统；以会聚的激光束切割由诸如单晶金刚石等脆性材料制成的工件或在脆性材料的表面形成凹槽的激光加工方法和装置；以及制造由脆性材料制成的各种部件的制造方法。

背景技术

现在，激光束已应用于多种领域。例如，激光加工技术正迅速发展。期望激光加工技术可以以较高的精度对较小材料进行加工。必须将激光束会聚成较小的光斑。为此，可以想到这样一种方法：即，增大聚光光学系统的数值孔径或减小聚光光学系统的F数以提供具有高亮度的透镜。当使用具有短焦距和高亮度的透镜时，只要可抑制像差，光斑尺寸就与焦距成比例地减小；然而，焦深减小。因此，在聚焦到工件表面上时需要极高的精度。另外，难以加工厚度大的材料。为了解决此问题，提出了这样一种聚光光学系统：即，在不改变光斑尺寸的情况下增大焦深。

例如，日本专利No.2664625披露了一种聚光光学系统，其中将透镜表面同心地分割成多个子区域，从而透镜用作多焦透镜，该多焦透镜具有焦距略微不同的各子区域。各子区域会聚的光斑的位置相互偏移，并且焦深明显增大。此外，例如，日本未经审查的专利申请公开No.9-64444披露了一种采用贝塞耳光束的聚光光学系统。该光束会聚成微小的光斑，并且焦深显著增大。

然而，根据日本专利No.2664625中披露的聚光光学系统，激光束在透镜表面被分割，并且其焦点不连续地连接。在各子区域中光斑尺寸和强度分布会不同。因此，强度分布在焦点位置的前后区域会不连续。根据日本未经审查的专利申请公开No.9-64444中披露的聚光光学系统，尽管贝塞耳光束具有大的焦深，但会聚成某一光斑的激光束仅仅是整个入射光的一部分。因此，光斑的强度相当低，进而不适合于需要高强度的加工。

同时，诸如单晶金刚石、烧结聚晶金刚石、烧结立方氮化硼或硬质合金等脆性材料包括高共价物并且具有高熔点和高硬度。因此，难以对此类材料进行机械加工。因此，上述聚光光学系统通过利用激光束照射脆性材料从而用于切割脆性材料或在脆性材料上形成凹槽(例如，参见日本专利No.3449986、或日本未经审查的专利申请公开No.2003-62683、或日本专利No.3616872)。

例如，当要切割脆性材料时，聚光透镜会聚从激光振荡器发出的激光束，并且利用所会聚的激光束照射布置在聚光透镜的焦点位置处的脆性材料，从而切割该脆性材料。

关于获得激光束的聚光光学系统，由球面透镜形成的传统的聚光透镜具有这样的特性：即，当光强分布呈理想的高斯形状的激光束入射时，激光束的形状转换为如图40所示的缩小的高斯形状。

当利用通过具有上述特性的聚光透镜的激光束来切割脆性材料时，在激光出射侧的切割表面可能发生诸如崩裂、锥度(相对于预期加工表面的倾斜度)或钝化等缺陷。这可能是因为激光束表现出射束直径的变化或光功率密度的变化，该变化沿着光轴方向关于聚光斑对称(参见图41)。当对脆性材料进行激光加工以制造切削工具时，仅仅切割材料是不够的。“切削刃”的精加工精度对于切削工具来说至关重要。如果在切削刃部分发生缺陷，则修复该缺陷会需要相当长的工时和相当高的成本。

因此，在使用传统的聚光透镜进行切割时，为了抑制崩裂等缺陷的发生，需增加激光扫描操作的次数、或增加切割宽度、或采用这两种措施以允许激光束充分到达脆性材料的内部。

然而，当增加激光扫描操作的次数时，加工速度将降低。当增加切割宽度时，材料的损耗将增加。此外，根据传统的方法，尽管可以在一定程度上抑制锥度或钝化的发生，但难以完全防止此类缺陷。

发明内容

鉴于传统技术的上述问题，本发明的目的是提供这样一种聚光光学系统，其具有小光斑尺寸和大焦深而不会引起诸如焦点位置前后区域的强度分布不连续或光斑强度下降等问题。

此外，本发明的目的是提供一种脆性材料的加工方法和脆性材料坯件的制造方法，所述方法能够提高加工速度并且提供高质量的加工而不会引起锥度或钝化。

根据本发明的聚光光学系统以预定的焦距会聚由激光源生成的激光束，并且产生球面像差(权利要求1)。由于本发明的聚光光学系统产生所述球面像差，因此所述球面像差影响焦深，由此在保持小尺寸的会聚光斑的同时提供大的焦深。另外，与传统的多焦透镜不同，激光束的焦点位置连续地连接，并且不必采用贝塞耳光束。在焦点位置的前后区域强度分布是连续的，并且光斑的强度不会降低。

在本发明中，具体地，为了产生增大焦深的球面像差，所述聚光光学系统可优选地满足如下表达式(a)和(b)：

(a)|Z₈|≥0.1λ或|Z₁₅|≥0.05λ，并且

(b)Z₈/Z₁₅≥3或Z₈/Z₁₅＜1，

其中，λ是波长，Z₈是波前像差的泽尼克条纹多项式(Zernikefringe polynomial)系数中与第三阶球面像差对应的第八项系数，Z₁₅是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第五阶球面像差对应的第十五项系数。

在本发明中，还可优选地满足如下表达式(c)和(d)：

(c)|Z₈|＜1.4λ，并且

(d)|Z₁₅|＜0.5λ。

从而，可以在保持大焦深和小光斑尺寸的同时提供高强度。

本发明的聚光光学系统例如可以是单个非球面透镜或单个衍射聚光透镜。作为另一种选择，所述聚光光学系统可以是包括至少两个光学器件的复合光学系统。

此外，所述复合光学系统例如可包括具有聚光功能的第一光学装置和具有球面像差产生功能的第二光学装置。所述第二光学装置例如可以是非球面相位板或衍射相位板。

此外，本发明的聚光光学系统还可包括作为多面镜或检流计反射镜的激光束偏转装置，其中所述第一光学装置是fθ透镜。从而，具有大焦深的小光斑可以在焦平面上高速地扫描。

根据本发明的激光加工方法包括通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射材料来加工所述材料的步骤。所述方法构造如下。

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm。

此外，所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称(权利要求9)。

根据本发明的激光加工方法，利用沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称的激光束来加工所述材料。也就是说，利用构造成这样的激光束来加工所述材料：即，当具有呈理想高斯形状的光强分布的激光束入射时，沿光轴方向的光束直径变化或功率密度变化关于激光束的焦点位置非对称，并且在传播过程中激光束的截面强度分布包含具有非高斯形状的部分。

例如，当峰值功率密度非对称以使得在激光束的焦点位置的后侧(透镜远侧)较频繁地出现具有高峰值功率密度的状态时，相对于焦点位置在接近所述材料内部的区域中保持具有高峰值功率密度的条件。因此，所述材料可以有效地吸收激光束的能量。结果，例如，当进行切割时，与利用传统的聚光透镜进行切割的速度相比，可以以更高的速度进行切割。此外，可以通过调节峰值功率密度的非对称性来调节能量到所述材料内部的进入长度。可以抑制不必要的能量进入到所述材料内部。从而，可以在激光出射侧可靠地防止诸如崩裂、锥度或钝化等问题。可以以高精度加工所述材料表面。

相反，当峰值功率密度非对称以使得在相对于所述材料的透镜侧较频繁地出现具有高峰值功率密度的状态时，可以获得功率密度的迅速增大。例如，可适当地进行诸如在透明材料中打孔或形成微观裂缝等使能量局部地吸收到所述材料的表面或内部的加工。

此外，通过调节峰值功率密度变化的非对称性，本构造可以应用于材料表面的改质或半导体的退火。在半导体的退火中，调节峰值功率密度变化的非对称性，因此可以调节掺杂剂的深度分布。

所述激光束的峰值功率密度可变化成使得X1/X2处在1＜X1/X2≤10的范围内，其中X1是当所述激光束的峰值功率密度关于作为中心轴的所述焦点位置而下降到半峰值时与所述焦点位置的距离中的较大者，X2是当所述激光束的峰值功率密度关于作为中心轴的所述焦点位置而下降到半峰值时与所述焦点位置的距离中的较小者。根据用于加工材料的强度来保持所述峰值功率密度，并且所述峰值功率密度关于所述焦点位置非对称。从而，可以进行对所述材料的高速和高质量加工。

可利用所述激光束切割所述材料，所述激光束的峰值功率密度变化为关于所述焦点位置非对称，以使得X2位于透镜侧并且X1位于透镜远侧。从而，由于相对于焦点位置在接近所述材料内部的区域中保持具有高峰值功率密度的状态，因此所述材料可以有效地吸收激光束的能量。结果，与利用传统的聚光透镜进行切割的速度相比，可以以更高的速度进行切割。此外，可以通过调节峰值功率密度的非对称性来调节能量到所述材料内部的进入长度。可以抑制不必要的能量进入到所述材料内部。从而，可以在激光出射侧可靠地防止诸如崩裂、锥度或钝化等问题。可以以高精度加工所述材料表面。

一种激光加工装置，其通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射材料来加工所述材料。所述装置构造如下。

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm。

此外，所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称(权利要求12)。

根据本发明的激光加工装置，与上述激光加工方法类似，例如，当进行切割时，与利用传统的聚光透镜进行切割的速度相比，可以以更高的速度进行切割。此外，可以通过调节峰值功率密度的非对称性来调节能量到所述材料内部的进入长度。可以抑制不必要的能量进入到所述材料内部。从而，可以在激光出射侧可靠地防止诸如崩裂、锥度或钝化等问题。可以以高精度加工所述材料表面。

根据本发明的脆性材料坯件的制造方法包括通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射脆性材料并且加工所述材料的步骤。所述方法构造如下。

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm。

此外，所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称(权利要求13)。

根据本发明的脆性材料的制造方法，与上述激光加工方法类似，例如，当进行切割时，与利用传统的聚光透镜进行切割的速度相比，可以以更高的速度进行切割。此外，可以通过调节峰值功率密度的非对称性来调节能量到所述脆性材料内部的进入长度。可以抑制不必要的能量进入到所述材料内部。从而，可以在激光出射侧可靠地防止诸如崩裂、锥度或钝化等问题。可以以高精度加工所述材料表面。

所述脆性材料可以是单晶金刚石、聚晶金刚石、烧结立方氮化硼、复合烧结体或硬质合金，所述复合烧结体包括立方氮化硼层和硬质合金层。

附图说明

图1是示出包括根据本发明实施例的聚光光学系统的激光加工光学装置的示意图。

图2是示出图1的主要部分的示意图。

图3示出了试样1在焦点位置附近区域的强度分布。

图4示出了试样2在焦点位置附近区域的强度分布。

图5示出了试样3在焦点位置附近区域的强度分布。

图6示出了试样4在焦点位置附近区域的强度分布。

图7示出了试样5在焦点位置附近区域的强度分布。

图8示出了试样6在焦点位置附近区域的强度分布。

图9示出了试样7在焦点位置附近区域的强度分布。

图10示出了试样8在焦点位置附近区域的强度分布。

图11示出了试样9在焦点位置附近区域的强度分布。

图12示出了试样10在焦点位置附近区域的强度分布。

图13示出了试样11在焦点位置附近区域的强度分布。

图14示出了试样12在焦点位置附近区域的强度分布。

图15示出了试样13在焦点位置附近区域的强度分布。

图16示出了试样14在焦点位置附近区域的强度分布。

图17示出了试样15在焦点位置附近区域的强度分布。

图18示出了试样16在焦点位置附近区域的强度分布。

图19示出了试样17在焦点位置附近区域的强度分布。

图20示出了试样18在焦点位置附近区域的强度分布。

图21示出了试样19在焦点位置附近区域的强度分布。

图22示出了试样20在焦点位置附近区域的强度分布。

图23示出了试样21在焦点位置附近区域的强度分布。

图24示出了试样22在焦点位置附近区域的强度分布。

图25示出了试样23在焦点位置附近区域的强度分布。

图26示出了试样24在焦点位置附近区域的强度分布。

图27示出了试样25在焦点位置附近区域的强度分布。

图28示出了试样26在焦点位置附近区域的强度分布。

图29示出了试样27在焦点位置附近区域的强度分布。

图30示出了试样28在焦点位置附近区域的强度分布。

图31示出了试样29在焦点位置附近区域的强度分布。

图32示出了试样30在焦点位置附近区域的强度分布。

图33示出了试样31在焦点位置附近区域的强度分布。

图34是涉及单个球面透镜的Z₈、Z₁₅以及Z₈/Z₁₅的曲线图。

图35是示出由非球面透镜施加于激光束的峰值功率密度变化的实例的图示。

图36是示出具有如图35所示的峰值功率密度变化的激光束的截面强度分布的图示。

图37是示出实例中所使用的光学系统的示意性说明图。

图38是示出在实例中切割的单晶金刚石的截面的说明图，其中(a)是从切割表面的前侧看去的说明图，(b)是从切割表面的横侧看去的说明图。

图39是示出在比较例中切割的单晶金刚石的截面的说明图，其中(a)是从切割表面的前侧看去的说明图，(b)是从切割表面的横侧看去的说明图。

图40是示出理想高斯分布的图示。

图41是示出通过传统的聚光透镜的激光束的峰值功率密度变化的图示。

具体实施方式

[聚光光学系统]

下面说明根据本发明实施例的聚光光学系统。图1和2是示出包括根据本发明实施例的聚光光学系统的激光加工装置的示意图。激光加工装置1包括生成激光束的激光振荡器2、设置在激光振荡器2与工件之间的聚光光学系统3、由两个曲面镜4组成的用于传输从激光振荡器2发出的激光束的传输光学系统以及控制激光振荡器2等的控制装置5。作为复合光学系统的聚光光学系统3包括具有聚光功能的第一光学装置6、具有球面像差产生功能的第二光学装置7、作为激光束偏转装置的一对检流计反射镜8以及驱动检流计反射镜8的检流计扫描仪9。

工件是印刷板10。通过激光照射在印刷板10的表面形成多个孔。由激光振荡器2生成的激光束例如是二氧化碳激光或YAG激光。该对检流计反射镜8和检流计扫描仪9以预定的偏转角度偏转从激光振荡器2发出的激光束，以使激光束在印刷板10上沿着X轴方向和Y轴方向偏转。

具有聚光功能的第一光学装置6是将经检流计反射镜8偏转的激光束会聚到工件的加工位置的fθ透镜6。具有像差产生功能的第二光学装置7是布置在曲面镜4与前检流计反射镜8之间的非球面相位板7。作为另一种选择，第二光学装置7可以是衍射相位板。作为第一光学装置的fθ透镜6布置在后检流计反射镜8与印刷板10之间，因此采用像侧远心系统。通过使用fθ透镜6，由检流计反射镜8沿各种方向偏转的轴上和轴外激光束变成与光轴大致平行。激光束垂直地入射在印刷板10的表面上并且聚焦在表面上。从而，在印刷板10的表面形成例如离散地排列的多个孔。

这里，研究产生球面像差以便在不降低光斑强度的情况下在保持小光斑尺寸的同时获得大焦深。具体地，着眼于波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第五阶球面像差对应的第十五项系数和波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第三阶球面像差对应的第八项系数，并且将非球面透镜设计为试样。然后，当激光束通过该试样时，利用焦点位置的前后区域的强度分布来测量所设计的每个试样的焦深和强度。激光束的照射条件包括50mm的焦深、Φ20mm的入瞳直径、1.064μm的入射激光束波长以及Φ10mm的激光束直径(与1/e^2的强度相对应的直径)。在截面强度测量装置沿着光轴方向移动的同时测量强度分布。表I是对应于每个试样(1～31)的试样条件、焦深、强度及其评价。图3～33分别通过灰度平面图像(上部)和高度(下部)来表示每个试样的焦点位置的前后区域的强度分布。附图标记λ表示波长，Z₈是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中的第八项系数，并且Z₁₅是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中的第十五项系数。除上述系数之外的泽尼克条纹多项式系数为0。

[表I]

在试样1中，Z₈和Z₁均为0以获得非常小的光斑尺寸。试样1设计成不产生像差，因此具有小的焦深。表I中的强度是关于用作参考值的试样1的相对值。当关于试样1的相对值小于0.5时，将各强度分别评价为一般(由白色三角表示)，或者当相对值为0.5或更大时将各强度分别评价为良好(用白色圆圈表示)。由在峰值强度的一半水平处沿光轴方向的距离(半峰全宽)求得焦深。当焦深超过80μm(即试样1的焦深数值)时，基本将焦深评价为良好(由白色圆圈表示)，或者当焦深是与试样1的值相同的值(即80μm)时，将焦深评价为差(由×表示)。关于试样2、12、13以及26，由于以下原因而根据与上述条件不同的判断因素来进行良好或差的评价。

(Z₈的效果：试样2～11)

将试样2～11固定成Z₁₅＝0、Z₈/Z₁₅＝∞。Z₈逐渐从0.05λ增大至1.20λ，然后逐渐从-0.05λ减小至-1.40λ。

对于焦深，当Z₈为0.05λ时焦深小至81μm(虽然该值超过80μm，但由于不存在显著差异，因此将试样2的焦深评价为差)，并且当Z₈为0.10λ时焦深大至87μm。应认识到，焦深随着Z₈的进一步增大而进一步增大。当Z₈为-0.05λ时焦深小至80μm，并且当Z₈为-0.10λ时焦深大至82μm。应认识到，焦深随着Z₈的进一步减小而进一步增大。

对于强度，应认识到，强度随着Z₈的增大而逐渐降低；然而，当Z₈为1.20λ时，保持0.48的强度。当Z₈变为负值时，应认识到，强度随着Z₈的减小而逐渐降低；然而，当Z₈为-1.4λ时，保持0.47的强度。

关于Z₈，满足关系式|Z₈|≥0.1λ是获得大焦深的条件，并且满足关系式|Z₈|＜1.4λ是保持强度的条件。

(Z₁₅的效果：试样12～20)

将试样12～20固定成Z₈＝0、Z₈/Z₁₅＝0。Z₁₅逐渐从0.05λ增大至0.50λ，然后逐渐从-0.05λ减小至-0.40λ。

对于焦深，当Z₁₅的值为0.05λ和0.10λ时焦深小至80μm，并且当Z₁₅为0.20λ时焦深大至115μm。应认识到，焦深随着Z₁₅的进一步增大而进一步增大。当Z₈为-0.05λ时焦深大至85μm。应认识到，焦深随着Z₁₅的进一步减小而进一步增大。当Z₁₅＝0.05λ(试样12)和Z₁₅＝0.10λ(试样13)时，半峰全宽为80μm。由于认识到焦深在低于半峰的强度水平增大，因此将焦深判定为良好。

对于强度，应认识到，强度随着Z₁₅的增大而逐渐降低；然而，当Z₁₅为0.05λ时，保持0.43的强度。当Z₁₅变为负值时，应认识到，强度随着Z₁₅的减小而逐渐降低；然而，当Z₁₅为-0.40λ时，保持0.48的强度。

关于Z₁₅，满足关系式|Z₁₅|≥0.05λ是获得大焦深的条件，并且满足关系式|Z₁₅|＜0.5λ是保持强度的条件。

(Z₈/Z₁₅的效果：试样21～31)

将试样21～31的Z₁₅固定为满足上述推导条件即|Z₁₅|≥0.05λ、|Z₁₅|＜0.5λ的-0.10λ。此外，假设满足Z₈的上述推导条件|Z₈|≥0.1λ、|Z₈|＜1.4λ，Z₈从-1.00λ变为0，然后从0变为1.00λ，从而Z₈/Z₁₅在10～0和0～-10的范围内变化。

对于焦深，当Z₈/Z₁₅为10时，焦深大至145μm。认识到焦深随着Z₈/Z₁₅的减小而减小。当Z₈/Z₁₅的值分别为2和1时，各焦深分别小至80μm和82μm(尽管后者数值超过80μm，但由于不存在显著差异，因此将试样26的焦深评价为差)。当Z₈/Z₁₅变为0时，焦深大至88μm。认识到，焦深随着Z₈/Z₁₅从该值进一步增大而逐渐增大。

对于强度，当Z₈/Z₁₅为10时，强度为0.62。认识到，强度随着Z₈/Z₁₅从10减小到1而逐渐升高，并且强度随着Z₈/Z₁₅从0减小到负值而逐渐降低。当Z₈/Z₁₅为-10时，保持0.46的强度。

关于Z₈/Z₁₅，满足关系式Z₈/Z₁₅≥3或Z₈/Z₁₅＜1是获得大焦深的条件。对于强度，可以满足上述表达式|Z₁₅|＜0.5λ或|Z₈|＜1.4λ。

(结论)

非球面透镜可以设计成满足表达式(a)和(b)以通过该非球面透镜在保持小光斑尺寸的同时提供大焦深，并且除了表达式(a)和(b)之外还满足表达式(c)和(d)以避免光斑强度降低，如下所示：

(a)|Z₈|≥0.1λ或|Z₁₅|≥0.05λ，

(b)Z₈/Z₁₅≥3或Z₈/Z₁₅＜1，

(c)|Z₈|＜1.4λ，并且

(d)|Z₁₅|＜0.5λ。

这里，将说明本聚光光学系统与传统的聚光光学系统之间的差异。由于传统的非球面透镜或复合透镜(透镜组)设计成不产生像差(Z₈＝0，Z₁₅＝0等)，因此其不同于满足上述表达式并且产生球面像差的非球面透镜。

同时，当使用单个球面透镜时，典型地残存球面像差。球面透镜由于各透镜的两个表面的不同形状而分为三种：平凸透镜、双凸透镜以及凹凸(弯月)透镜(对应于凸透镜)。例如，如图34的曲线所示标绘出球面透镜的Z₈、Z₁₅以及Z₈/Z₁₅。

利用透镜的第一表面的曲率半径r1和第二表面的曲率半径r2(当沿着光的行进方向为凹面时半径为负值，而当沿着光的行进方向为凸面时半径为正值)由(r1+r2)/(r1-r2)求得沿横轴的形状因子S。即使当使用具有最小球面像差的S＝0.5(r1＝-3r2)的双凸透镜时，也满足Z₈＞4λ。与满足上述表达式的非球面透镜的球面像差相比，单个球面透镜的球面像差明显大。从而，显然单个球面透镜不同于非球面透镜。

在进行满足表达式(a)～(d)的设计时，可制造具有本实施例的像差产生功能的非球面相位板7。从而，可以在不降低光斑强度的情况下在保持小光斑尺寸的同时获得大焦深。

当利用包括上述聚光光学系统的激光加工光学装置1进行印刷板10的打孔时，由激光振荡器2生成的激光束通过激光振荡器2的光闸而射出，并且通过设置在激光振荡器2附近的两个曲面镜4改变激光束的行进方向。激光束通过非球面相位板7并被两个检流计反射镜8偏转，进而被引导至fθ透镜6。fθ透镜6将从检流计反射镜8出射的激光束会聚，并且按照fθ透镜6的焦距将该激光束照射到印刷板7上。检流计反射镜8使激光束的行进方向偏转(或扫描激光束)。因此，印刷板10上的激光束入射位置改变，进而在印刷板10上形成多个孔。

根据上述激光加工光学装置1，由于聚光光学系统3中的具有球面像差产生功能的非球面相位板7设计成满足表达式(a)～(d)并且产生球面像差，因此该球面像差影响焦深。因此，可以在保持小光斑尺寸的同时获得大的焦深。与传统的多焦透镜不同，激光束的焦点位置不会不连续地连接，或者不必采用贝塞耳光束。因此，不会发生诸如光斑强度下降、在焦点位置的前后区域强度分布不连续等问题。该结构适合于需要高输出、提供容易的调焦并且能够加工厚度大的材料或能够进行深加工的加工。此外，激光加工装置1可应用于加工其加工表面由于翘曲等原因而沿光轴方向产生位移的工件。此外，由于具有聚光功能的第一光学装置是fθ透镜，因此具有大焦深的光斑可以在焦平面上高速地扫描。

本发明不限于上述实施例。例如，产生球面像差的聚光光学系统可以是单个非球面聚光透镜或单个衍射聚光透镜。作为另一种选择，该聚光光学系统可以是如同本实施例的复合光学系统，然后具有聚光功能的第一光学装置可以是诸如标准透镜或非球面镜等聚光光学器件。在激光加工装置中，可以使用多面镜来代替使激光束偏转的检流计反射镜。在上述实施例中，说明了对印刷板打孔的应用实例。另外，该结构可应用于诸如切割或焊接金属或非金属材料等各种激光加工用途。预期可以通过增大焦深的效果来获得良好的加工性能。

[激光加工方法和装置以及脆性材料坯件的制造方法]

接下来，说明根据本发明实施例的激光加工方法(在下文中也简称为加工方法)和装置以及脆性材料坯件的制造方法(在下文中也简称为制造方法)。

在本发明的加工方法或制造方法中，利用通过上述聚光光学系统的激光束来进行对脆性材料的加工或对由脆性材料制成的部件的制造。脆性材料的实例可以是单晶金刚石、烧结聚晶金刚石、烧结立方氮化硼、诸如碳化钨等硬质合金、诸如碳氮化钛等金属陶瓷、或诸如氮化硅等陶瓷。激光可以是具有满足M²＜2的M²值和满足100nm＜λ＜20000nm的波长λ的激光，该M²值是表示聚光性的指标。激光器的类型可以是YAG基波或谐波激光器、激基激光器、CO₂激光器、半导体激光器、或诸如飞秒激光器或皮秒激光器等短脉冲激光器。

本发明的特征在于使用构造为这样的传输光学器件：即，为了会聚从激光振荡器发出的激光束，当具有理想高斯形状的光强分布的激光束入射时，沿光轴方向的光束直径变化或峰值功率密度变化变成关于通过聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称，并且在传播过程中激光束的截面强度分布包含具有非高斯形状的部分。这样的传输光学器件可以是任何类型的传输光学器件，只要峰值功率的传播特性呈非对称即可。例如，该传输光学器件可以是具有非球面形状的非球面透镜、衍射透镜、折射率分布透镜或非球面镜。当使用非球面透镜时，改变作为透镜的各种规格之一的曲率半径，由此调节峰值功率的传播特性的非对称性。当使用衍射透镜时，改变相位分布，由此调节峰值功率的传播特性的非对称性。

图35是示出由非球面透镜施加于激光束的峰值功率密度变化的实例的图示。图36是示出具有如图35所示的峰值功率密度变化的激光束的截面强度分布的图示。在图35中，横轴标绘出距透镜的传播距离，纵轴标绘出峰值功率密度。在图35的实例中，透镜的焦距(激光束的焦距)为50.18mm。在此位置(焦点位置)处，峰值功率密度的最大值为27.2MW/cm²。图36的(a)示出了传播50.13mm之后的光强分布，(b)示出了传播50.18mm之后的光强分布，(c)示出了传播50.23mm之后的光强分布。

参照图35，在激光束通过非球面透镜之后激光束的峰值功率密度的变化关于焦点位置非对称。具体而言，峰值功率密度在相对于作为中心轴的焦点位置的透镜侧(图35中的左侧)变化急剧，并且从焦点位置朝向透镜侧迅速下降。相反，与透镜侧相比，峰值功率密度在相对于作为中心轴的焦点位置的透镜远侧(图35中的右侧)变化缓和，并且即使当与透镜的距离增大时，也保持高的峰值功率密度。

峰值功率密度的非对称性可以由指标X1/X2即X1与X2之比表示，其中X1是当峰值功率密度关于作为中心轴的焦点位置而下降到半峰值时与焦点位置的距离中的较大者，而X2是当峰值功率密度关于作为中心轴的焦点位置而下降到半峰值时与焦点位置的距离中的较小者。在图35所示的实例中，表示13.6MW/cm²(即峰值功率密度的最大值27.2MW/cm²的半峰值)的线与表示峰值功率密度变化的曲线的交点的X坐标为50.14和50.25。因此，X1为0.07，X2为0.04。X1/X2之比为1.75。

作为另一种选择，取代当峰值功率密度变为半峰值时与焦点位置的距离，可以使用当峰值功率密度变为

时与焦点位置的距离以获得非对称性的指标。在图35所示的实例中，表示3.7MW/cm²(即峰值功率密度的最大值27.2MW/cm²的0.135倍)的线与表示峰值功率密度变化的曲线的交点的X坐标为50.12和50.34。因此，X1为0.16，X2为0.06。X1/X2之比为2.67。

比率(X1/X2)可优选处在1＜X1/X2≤10的范围内。在此范围内，当根据用于加工脆性材料的强度保持峰值功率密度并且峰值功率密度关于焦点位置非对称时，可以进行对脆性材料的高速和高质量加工。

关于峰值功率的传播特性的非对称性，例如，当峰值功率密度非对称以使得在激光束的焦点位置的后侧(透镜的远侧)较频繁地出现具有高峰值功率密度的状态时，相对于焦点位置在接近脆性材料的内部的区域中保持具有高峰值功率密度的状态。因此，脆性材料可以有效地吸收激光束的能量。结果，例如，当进行切割时，与利用传统的聚光透镜进行切割的速度相比，可以以更高的速度进行切割。此外，可以通过调节峰值功率密度的非对称性来调节能量到脆性材料内部的进入长度。从而，可以抑制不必要的能量进入到材料内部。可以在激光出射侧可靠地防止诸如崩裂、锥度或钝化等问题。可以以高精度加工材料表面。结果，例如可以仅仅通过激光加工来制造具有预定形状的工具。即使在后续工艺中需要加工，也可以减少一定的加工量，由此提高生产率。

相反，当峰值功率密度非对称以使得在相对于脆性材料的透镜侧较频繁地出现具有高峰值功率密度的状态时，可以获得功率密度的迅速增大。例如，可适当地进行诸如在透明材料中打孔或形成微观裂缝等使能量局部地吸收到脆性材料表面或内部的加工。

此外，通过调节峰值功率密度变化的非对称性，本构造可以应用于脆性材料表面的改质、半导体退火或分割。在半导体的退火中，调节峰值功率密度变化的非对称性，因此可以调节掺杂剂的深度分布。

鉴于设计，即使当设计成获得对称的峰值功率密度时，但由于制造误差或材料的不均匀性而使峰值功率密度从某种意义上来讲也可能表现出非对称性，而不是严格意义上的对称。注意到，上述情况与本发明完全不同。

通过如上所述的切割，并且必要时通过研磨，可以制造由脆性材料制成的各种部件。例如，当使用单晶金刚石时，将其切割成具有预定尺寸的预定形状。从而，可以制造吸热部件、模具部件、打磨部件、刀具部件等。

[实例]

图37所示的光学系统用于切割单晶金刚石。单晶金刚石11的厚度为0.8mm。单晶金刚石11是通过在高于或等于5GPa的超高压和高于或等于1300℃的高温下将原料碳熔融在金属溶剂中并且通过温差法使原料碳在金属溶剂中的种晶上生长而形成的合成单晶金刚石。将单晶金刚石11放置在厚度为3mm的玻璃基板12上。

使用输出为7W的YAG激光振荡器13作为激光振荡器。由YAG激光振荡器13生成的激光束17a是重复周期为3kHz的脉冲激光，其具有1064nm的基波波长。所生成的激光束17a的直径由光束扩展器14增大五倍，由此提供直径为10mm的激光束17b。折叠式反射镜15将激光束17b的方向改变90°，并且非球面透镜16会聚该激光束17b。然后，利用激光束17b照射单晶金刚石11的预定位置以进行切割(参照图37，激光束沿着垂直于图面的方向扫描并且切割工件)。

非球面透镜16由折射率为1.44963099@1064nm的合成石英制成。非球面透镜16的焦距为50.18mm，并且利用厚度为1064nm的AR(增透)膜对非球面透镜的表面进行处理。表II示出了非球面透镜16的其他规格。在表II中，附图标记D表示透镜直径(mm)，CA表示透镜有效直径(mm)，CT表示透镜中心厚度(mm)，ET表示透镜边缘厚度(mm)，A₂～A₂₀表示非球面系数。

[表II]

D	30
		CA	25
CT	10
		ET	6.87
A2	-1.94362778632000E-02
		A4	-4.23897523122300E-06
A6	9.35323567885700E-09
		A8	-5.64949597661100E-11
A10	-1.33458247423900E-13
		A12	5.54141910024600E-15
A14	-5.15461557614000E-17
		A16	2.63319077719600E-19
A18	-7.51740724741500E-22
		A20	9.40654471362200E-25

可以由如下式1来表示非球面透镜的曲面。

[式1]

$Z_{\left(r\right)}=\underset{n=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{2n}{r}^{2n}$

在式1中，附图标记r表示沿透镜径向的距离(透镜半径)。由于透镜具有中心对称性，因此第奇数阶的系数为0。因此，仅可得到第偶数阶的非球面系数。

[比较例]

比较例与实例的不同之处在于：使用焦距为50.18的平凸透镜(其表面用厚度为1064nm的AR膜进行处理)以取代非球面透镜16。其他结构与实例类似，进而切割单晶金刚石11。

图38和39示出了在实例和比较例中切割的单晶金刚石的截面。在图38和39中，(a)是从切割表面的前侧即当沿着图37中的箭头X所示方向看去时的说明图，且(b)是从切割表面的横侧即当从图37的图面近侧看去时的说明图。在图38和39中，从箭头Y所示的方向发出激光束。

通过图38中的(a)与图39中的(a)之间的比较发现，在利用非球面透镜16会聚激光束的实例中，在激光出射侧的截面11a处几乎未出现异常，而在利用传统的平凸透镜会聚激光束的比较例中，在激光出射侧出现明显的崩裂18。此外，通过图38中的(b)与图39中的(b)之间的比较发现，在实例中在切割表面11b未出现钝化或锥度，而在比较例中出现钝化19(在激光入射侧和出射侧)和锥度20(激光入射侧)。

此外，关于加工速度，在实例中用120秒完成对单晶金刚石11的切割，而在比较例中切割用时150秒。在实例中，以约为比较例的加工速度的1.4倍的加工速度进行切割。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种以预定的焦距会聚由激光源生成的激光束的聚光光学系统，其中，

所述聚光光学系统产生球面像差以增大焦深。

2.如权利要求1所述的聚光光学系统，其中，

满足如下表达式(a)和(b)：

(a)|Z₈|≥0.1λ或|Z₁₅|≥0.05λ，并且

(b)Z₈/Z₁₅≥3或Z₈/Z₁₅＜1，

其中，λ是波长，Z₈是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第三阶球面像差对应的第八项系数，Z₁₅是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第五阶球面像差对应的第十五项系数。

3.如权利要求2所述的聚光光学系统，其中，

还满足如下表达式(c)和(d)：

(c)|Z₈|＜1.4λ，并且

(d)|Z₁₅|＜0.5λ。

4.如权利要求1所述的聚光光学系统，其中，

所述聚光光学系统是单个非球面透镜或单个衍射聚光透镜。

5.如权利要求1所述的聚光光学系统，其中，

所述聚光光学系统是复合光学系统。

6.如权利要求5所述的聚光光学系统，其中，

所述复合光学系统包括具有聚光功能的第一光学装置和具有球面像差产生功能的第二光学装置。

7.如权利要求6所述的聚光光学系统，其中，

所述第二光学装置是非球面相位板或衍射相位板。

8.如权利要求6所述的聚光光学系统，还包括：

激光束偏转装置，其是多面镜或检流计反射镜，其中，所述第一光学装置是fθ透镜。

9.一种激光加工方法，其包括通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射材料来加工所述材料的步骤，其中，

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm，并且

所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称。

10.如权利要求9所述的激光加工方法，其中，

所述激光束的峰值功率密度变化成使得X1/X2处在1＜X1/X2≤10的范围内，其中X1是当所述激光束的峰值功率密度关于作为中心轴的所述焦点位置而下降到半峰值时与所述焦点位置的距离中的较大者，X2是当所述激光束的峰值功率密度关于作为中心轴的所述焦点位置而下降到半峰值时与所述焦点位置的距离中的较小者。

11.如权利要求10所述的激光加工方法，其中，

利用所述激光束切割所述材料，所述激光束的峰值功率密度变化为关于所述焦点位置非对称，以使得X2位于透镜侧并且X1位于透镜远侧。

12.一种激光加工装置，其通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射材料来加工所述材料，其中，

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm，并且

其中，所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称。

13.一种脆性材料坯件的制造方法，其包括通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射脆性材料并且加工所述材料的步骤，其中，

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm，并且

其中，所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称。

14.如权利要求13所述的脆性材料坯件的制造方法，其中，

所述脆性材料是单晶金刚石、聚晶金刚石、烧结立方氮化硼、复合烧结体或硬质合金，所述复合烧结体包括立方氮化硼层和硬质合金层。

Claims (14)

1.一种以预定的焦距会聚由激光源生成的激光束的聚光光学系统，其中，

所述聚光光学系统产生球面像差。

2.如权利要求1所述的聚光光学系统，其中，

满足如下表达式(a)和(b)：

(a)|Z₈|≥0.1λ或|Z₁₅|≥0.05λ，并且

(b)Z₈/Z₁₅≥3或Z₈/Z₁₅＜1，

其中，λ是波长，Z₈是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第三阶球面像差对应的第八项系数，Z₁₅是波前像差的泽尼克条纹多项式系数中与第五阶球面像差对应的第十五项系数。

3.如权利要求2所述的聚光光学系统，其中，

还满足如下表达式(c)和(d)：

(c)|Z₈|＜1.4λ，并且

(d)|Z₁₅|＜0.5λ。

4.如权利要求1所述的聚光光学系统，其中，

所述聚光光学系统是单个非球面透镜或单个衍射聚光透镜。

5.如权利要求1所述的聚光光学系统，其中，

所述聚光光学系统是复合光学系统。

6.如权利要求5所述的聚光光学系统，其中，

所述复合光学系统包括具有聚光功能的第一光学装置和具有球面像差产生功能的第二光学装置。

7.如权利要求6所述的聚光光学系统，其中，

所述第二光学装置是非球面相位板或衍射相位板。

8.如权利要求6所述的聚光光学系统，还包括：

激光束偏转装置，其是多面镜或检流计反射镜，其中，所述第一光学装置是fθ透镜。

9.一种激光加工方法，其包括通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射材料来加工所述材料的步骤，其中，

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm，并且

所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称。

10.如权利要求9所述的激光加工方法，其中，

所述激光束的峰值功率密度变化成使得X1/X2处在1＜X1/X2≤10的范围内，其中X1是当所述激光束的峰值功率密度关于作为中心轴的所述焦点位置而下降到半峰值时与所述焦点位置的距离中的较大者，X2是当所述激光束的峰值功率密度关于作为中心轴的所述焦点位置而下降到半峰值时与所述焦点位置的距离中的较小者。

11.如权利要求10所述的激光加工方法，其中，

利用所述激光束切割所述材料，所述激光束的峰值功率密度变化为关于所述焦点位置非对称，以使得X2位于透镜侧并且X1位于透镜远侧。

12.一种激光加工装置，其通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射材料来加工所述材料，其中，

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm，并且

其中，所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称。

13.一种脆性材料坯件的制造方法，其包括通过根据权利要求1所述的聚光光学系统利用激光束照射脆性材料并且加工所述材料的步骤，其中，

表示所述激光束的聚光性的M²值为M²＜2，并且所述激光束的波长λ为100nm＜λ＜20000nm，并且

其中，所述激光束沿光轴方向的峰值功率密度变化关于通过所述聚光光学系统的激光束的焦点位置非对称。

14.如权利要求13所述的脆性材料坯件的制造方法，其中，

所述脆性材料是单晶金刚石、聚晶金刚石、烧结立方氮化硼、复合烧结体或硬质合金，所述复合烧结体包括立方氮化硼层和硬质合金层。

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