CN102145436A

CN102145436A - 激光加工装置

Info

Publication number: CN102145436A
Application number: CN2010106222197A
Authority: CN
Inventors: 高桥正训; 日向野哲
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2011161483A; CN102145436B; JP5483084B2

Abstract

本发明提供一种能够以更高质量实现高速加工的激光加工装置，其为对加工对象物(W)照射激光而进行加工的装置，具备：激光光源(2)，射出基波的激光(L1)；波长转换元件(3)，将基波的激光(L1)波长转换为二次谐波的激光(L2)而射出，并在同轴上将未转换的基波的激光(L1)与二次谐波的激光(L2)一同射出；以及光学系统(4)，使所射出的二次谐波的激光(L2)向加工对象物(W)对焦来聚光，并将未转换的基波的激光(L1)不向加工对象物(W)对焦而是聚光为无法对加工对象物(W)进行加工的激光强度来照射至加工对象物(W)。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种适合于例如作为脆性材料或难加工材料的陶瓷的切断或者磨削等的激光加工装置。

背景技术

以力学的方法进行作为脆性材料或难加工材料的陶瓷的切断或者磨削等的加工时，由于需要在短周期内进行因工具的磨损引起的更换，或者也有裂纹或削片等风险，因此作为对确保工具更换的维护的烦杂度或加工质量有效的工艺，公知有以激光进行加工的方法。该激光工艺有如下情况，即利用单一波长的激光的情况、和进行激光的波长转换，并使用此时的转换光和未转换光双方的情况。

以往，作为上述后者的例子，例如专利文献1中提出如下光学装置，具备：激光产生部，产生单一波长的光；及波长转换部，将与激光产生部所产生的激光相同波长的光作为入射光进行波长转换，其中，波长转换部具有：第1非线性光学晶体，入射入射光及该入射光的高次谐波中的第1波长光和第2波长光，通过生成使用了非临界相位匹配或准相位匹配的一方的二次谐波，生成第1波长的1/2波长的第3波长光，在大致同轴上射出第2波长光和第3波长光。

而且，专利文献2中提出有由如下步骤构成的基于激光的加工方法：产生作为具有第1波长的超短脉冲的第1激光的步骤；将第1激光的能量的一部分转换为作为具有第1波长的高次谐波的第2波长的超短脉冲的第2激光的步骤；将第1激光相对第2激光赋予时间迟延的步骤；在同轴上聚光第1激光及第2激光的步骤；以及将所聚光的第1及第2激光照射至加工对象物的步骤。

专利文献1：国际公开第WO2002/071143号

专利文献2：日本专利公开2008-272794号公报

在上述以往的技术中留有以下课题。

即，在上述基于二波长激光的以往的加工技术中，由于沿同轴射出的双波长激光聚光于加工对象物的相同位置而照射，因此存在有时因长波长侧的激光的影响而残留有熔融痕迹等加工质量不良等的问题点。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够以更高质量实现高速加工的激光加工装置。

本发明为了解决所述课题采用了以下结构。即，本发明的激光加工装置为向加工对象物照射激光而进行加工的装置，其特征在于，具备：激光光源，射出基波的激光；波长转换元件，将所述基波的激光波长转换为设成1/2波长的二次谐波的激光而射出，并在同轴上将未转换的所述基波的激光与所述二次谐波的激光一同射出；以及光学系统，使所射出的所述二次谐波的激光向所述加工对象物对焦来聚光，并将未转换的所述基波的激光不向所述加工对象物对焦而是聚光为无法对所述加工对象物进行加工的激光强度来照射至所述加工对象物。

该激光加工装置中，将作为转换光的二次谐波的激光(以下，也称为二次谐波激光)向加工对象物对焦而聚光，并将未转换的基波的激光(以下，也称为基波激光)不向加工对象物对焦而是聚光为无法对加工对象物进行加工的激光强度来照射至加工对象物，因此缓和地聚光的基波激光不加工加工对象物而使之激发，并且二次谐波激光对加工对象物以最小束流直径聚光并进行加工。因此，不会残留因长波长侧的基波激光的影响引起的熔融痕迹，并且通过缓和地聚光的基波激光激发加热加工对象物，从而有效地进行在聚光为最小束流直径的二次谐波激光下的加工。

另外，本发明的激光加工装置，其特征在于，所述波长转换元件为通过非临界相位匹配或准相位匹配射出所述二次谐波的非线性光学晶体。

即，该激光加工装置中，波长转换元件为如下，即通过非临界相位匹配或准相位匹配，不会引起基波与二次谐波之间的抵消而使双方波长的激光在同轴传播射出的非线性光学晶体，因此不需要用于相位匹配的光路调整用光学零件等。

另外，本发明的激光加工装置，其特征在于，所述激光光源以具有高斯形状的强度分布的束流射出所述基波的激光，所述波长转换元件将未转换的所述基波的激光调整为具有顶帽形状的强度分布的束流来射出。

即，该激光加工装置中，波长转换元件将未转换的基波的激光调整为具有顶帽形状的强度分布的束流来射出，因此所谓顶帽型的中央部成为平坦的强度分布的基波激光的聚光变得更缓和，能够有效地激发加工对象物的加工点周围。

另外，本发明的激光加工装置，其特征在于，所述光学系统具备：偏振板，仅将直线偏振的所述二次谐波的激光设为圆偏振光；聚光透镜，聚光未转换的所述基波的激光和成为圆偏振光的所述二次谐波的激光。

即，该激光加工装置中，通过聚光透镜聚光由偏振板圆偏振光化的二次谐波的激光，因此能够消除偏光面的影响而进行加工。

根据本发明得到以下效果。

即，根据本发明所涉及的激光加工装置，将所射出的二次谐波的激光向加工对象物对焦而聚光，并且将未转换的基波的激光不向加工对象物对焦而是聚光为无法对加工对象物进行加工的激光强度来照射至加工对象物，因此不会残留因长波长侧的基波激光的影响引起的熔融痕迹，并且通过缓和地聚光的基波激光激发加工对象物，从而能够有效地进行二次谐波激光下的加工。由此，即使在作为脆性材料或难加工材料的陶瓷的切断或者磨削等中，也能够实现高质量且高速的加工。

附图说明

图1是表示在本发明所涉及的激光加工装置的一实施方式中，激光加工装置的简易的整体结构图。

图2是表示在本实施方式中，基波激光的束流截面处的高斯形状的强度分布(a)及顶帽形状的强度分布(b)的说明图。

符号说明

1-激光加工装置，2-激光光源，3-波长转换元件，4-光学系统，7-偏振板，8-聚光透镜，L1-基波的激光，L2-二次谐波的激光，W-加工对象物。

具体实施方式

以下，参照图1及图2说明本发明所涉及的激光加工装置的一实施方式。

如图1所示，本实施方式的激光加工装置1为向加工对象物W照射激光而进行加工的装置，具备：激光光源2，射出基波的激光L1；波长转换元件3，将基波的激光L1波长转换为二次谐波的激光L2而射出，并在同轴上将未转换的基波的激光L1与二次谐波的激光L2一同射出；以及光学系统4，使所射出的二次谐波的激光L2向加工对象物W对焦来聚光，并将未转换的基波的激光L1不向加工对象物W对焦而是聚光为无法对加工对象物W进行加工的激光强度来照射至加工对象物W。

另外，该激光加工装置1具备：支承加工对象物W并且可移动的载物台5；以及进行波长转换元件3的温度调整的珀耳帖元件等的温度调整部6。

上述波长转换元件3为通过非临界相位匹配或准相位匹配(QPM)射出二次谐波的非线性光学晶体。

对上述非临界相位匹配或准相位匹配而言，基波和二次谐波不会在非线性光学晶体内引起抵消现象而是在同轴上传播。

例如，作为可以进行非临界相位匹配的非线性光学晶体，可以采用通过在非临界相位匹配的方位切断的LiB₃O₅(LBO)或温度调整进行非临界相位匹配的非线性光学晶体等。而且，准相位匹配为如下：通过在按相干长度的每加倍周期性反转非线性光学常数的符号的晶体元件中传播束流而进行波长转换，但该元件中，若以通过沿c轴(光轴)或对单轴晶体而言沿与c轴垂直的方向传播束流而引起波长转换的方式构成元件，则可以使基波和经波长转换的二次谐波在同轴上传播。作为可以进行该准相位匹配的非线性光学晶体，可以采用周期性畴反转LN(LiNbO₃)晶体、周期性畴反转LT(LiTaO₃)晶体、周期性畴反转KTP(KTiOPO₄)晶体或水晶QPM元件等。

如图2的(a)所示，上述激光光源2成为可以以具有高斯形状的强度分布的束流射出基波激光L1。

另外，如图2的(b)所示，上述波长转换元件3成为可以对未转换的基波的激光L1调整功率密度而射出为具有所谓顶帽形状的强度分布的束流。该顶帽形状的强度分布为高斯形状的中央部平坦的形状，即一定强度的强度分布。

上述光学系统4具备：偏振板7，仅将直线偏振的二次谐波的激光L2设为圆偏振光；聚光透镜8，聚光未转换的基波的激光L1和成为圆偏振光的二次谐波的激光L2。

上述偏振板7为施有相对于基波和二次谐波的双波长的减反射涂层的λ/4板。

另外，上述聚光透镜8为如下透镜：施有相对于基波和二次谐波的双波长的减反射涂层，并且相对于二次谐波的波长，焦距设为：f＝80～300mm。另外，将焦距设定在上述范围的理由为，若焦距不到80mm，则基波激光L1和二次谐波激光L2的焦点位置之差过于靠近而存在因基波激光L1产生熔融痕迹的顾虑，若焦距超过300mm，则二次谐波激光L2不易聚光。

如此本实施方式的激光加工装置1中，将所射出的二次谐波的激光L2向加工对象物对焦而聚光，并且将未转换的基波的激光L1不向加工对象物W对焦而聚光为无法对加工对象物W进行加工的激光强度来照射至加工对象物W，因此缓和地聚光的作为未转换波的基波激光L1不加工加工对象物W而使之激发，并且作为转换波的二次谐波激光L2对加工对象物W聚光为最小束流直径来进行加工。

因此，不残留因长波长侧的基波激光L1的影响引起的熔融痕迹，并且通过缓和地聚光的基波激光L1激发加热加工对象物，从而有效地进行在聚光为最小束流直径的二次谐波激光L2下的加工。

另外，波长转换元件3为如下，即通过非临界相位匹配或准相位匹配，不会引起基波与二次谐波之间的抵消而使双方波长的激光在同轴传播射出的非线性光学晶体，因此不需要用于相位匹配的光路调整用光学零件等。

波长转换元件3，将未转换的基波的激光L1调整为具有顶帽形状的强度分布的束流来射出，因此顶帽型的中央部成为平坦的强度分布的基波激光L1的聚光变得更缓和，能够有效地激发加工对象物W的加工点周围。

另外，通过聚光透镜8聚光由偏振板7圆偏振光化的二次谐波的激光L2，因此能够消除偏光面的影响而进行加工。

[实施例1]

通过上述实施方式的激光加工装置实际对加工对象物进行加工，在以下示出评价的结果。

从激光光源以10kHz射出波长1064nm的基波激光，并且波长转换元件，使用在非临界相位匹配的方位切断的LiB₃O₅，以转换效率50％产生作为二次谐波的波长532nm的高次谐波激光。这些基波激光和二次谐波激光在同轴上传播，而且，入射于波长转换元件的基波激光的束流截面的强度分布通过调整功率密度成为顶帽形状。另外，波长转换元件通过温度调整部温度调整至170℃。

另外，对偏振板及聚光透镜施有相对1064nm和532nm的双波长的减反射涂层。而且，聚光透镜的焦距设定为如下：设为相对波长532nm为f＝80～300mm，在离聚光透镜近的距离聚光波长532nm的二次谐波激光的焦点而位于加工对象物的表面，波长1064nm的基波激光的焦点远于波长532nm的高次谐波激光的焦点而设定在加工对象物的下方。因此，基波激光以未成为由聚光透镜成像的最小束流直径的状态，照射至加工对象物。

在该状态下，将碳化钨(WC)作为加工对象物以宽度20μm、深度500μm进行加工。另外，为了比较，也仅以单一的二次谐波激光(波长532nm)，也同样对碳化钨进行加工。

这些结果，以单一的二次谐波激光进行加工时，进给速度为40mm/min，相反通过本实施例的激光加工装置以基波激光使加工对象物为激发状态并且以二次谐波激光进行加工时，能够以55mm/min进给速度进行加工。如此，本实施例中，能够以更高速进行加工。

[工业实用性]

本发明的激光加工装置，尤其适合于作为脆性材料、难加工材料的陶瓷的切断、磨削等加工。

Claims

1.一种激光加工装置，向加工对象物照射激光而进行加工，其特征在于，具备：

激光光源，射出基波的激光；

波长转换元件，将所述基波的激光波长转换为设成1/2波长的二次谐波的激光而进行射出，并在同轴上将未转换的所述基波的激光与所述二次谐波的激光一同射出；以及

光学系统，使所射出的所述二次谐波的激光向所述加工对象物对焦来聚光，并将未转换的所述基波的激光不向所述加工对象物对焦而是聚光为无法对所述加工对象物进行加工的激光强度来照射至所述加工对象物。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述波长转换元件为通过非临界相位匹配或准相位匹配射出所述二次谐波的非线性光学晶体。

3.如权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，

所述激光光源以具有高斯形状的强度分布的束流射出所述基波的激光，

所述波长转换元件将未转换的所述基波的激光调整为具有顶帽形状的强度分布的束流来射出。

4.如权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，

所述光学系统具备：偏振板，仅降直线偏振的所述二次谐波的激光设为圆偏振光；聚光透镜，聚光未转换的所述基波的激光和设为圆偏振光的所述二次谐波的激光。

5.如权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，

所述光学系统具备：偏振板，仅将直线偏振的所述二次谐波的激光设为圆偏振光；聚光透镜，聚光未转换的所述基波的激光和设为圆偏振光的所述二次谐波的激光。