CN102267010B - 偏振方位角调整装置以及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明得到一种偏振方位角调整装置，其可以容易地对被加工物进行稳定的激光加工。该装置具有光学单元，该光学单元具有：偏振元件(14)，其使入射来的激光的P波偏振成分透过，并且对激光的S波偏振成分进行反射；以及反射镜(15、15)，其对由偏振元件(14)反射后的激光的S波偏振成分进行反射并向光路的下游侧引导，并且，该光学单元吸收P波偏振成分且将S波偏振成分向光路的下游侧射出，在光学单元中，将偏振元件(14)和反射镜(15、15)配置为，使得激光向光学单元入射的入射光轴和激光从光学单元射出的出射光轴同轴，并且在使光学单元以入射光轴为中心旋转的情况下，维持入射光轴以及出射光轴的光轴方向不变。

Description

偏振方位角调整装置以及激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种对激光加工中使用的激光的偏振方位角进行调整的偏振方位角调整装置以及激光加工装置。

背景技术

作为对在印刷基板等被加工物上进行开孔加工的激光加工装置提高生产率的方法，存在下述方法，即，将由激光振荡器生成的1束激光分割为多束，对多个孔同时进行开孔加工。在该方法中，在分割后的各个激光的能量不均等的情况下，加工孔径等的加工品质产生波动。

因此，在专利文献1所记载的方法中，在分光用偏振元件的光路上游设置偏振方位角调整用偏振元件，其具有以光轴为中心的旋转调整机构。通过对透过的P波的偏振方位角进行调整，从而将能量均等地分割。在对能量进行分割时，通过向分光用偏振元件入射均等地具有偏振方向P波成分和偏振方向S波成分的激光，从而可以均等地分割为透过分光用偏振元件的光即P波成分、以及被分光用偏振元件反射的S波成分。

专利文献1：国际公开第2003/082510号

发明内容

但是，在上述现有技术中，透过偏振方位角调整用偏振元件的P波成分向光路下游传播。因此，如果向偏振元件入射的激光功率较高，则由于偏振元件的基板材料的热透镜效应，使激光的光束直径变化，与没有产生热透镜效应的情况相比，透过掩模的激光的能量强度产生波动。由此，产生被加工物的加工品质劣化或不稳定的问题。另外，在偏振方位角调整时对偏振元件进行了旋转调整的情况下，存在下述问题，即，有时因光的折射而使光轴中心略微产生偏移，被加工物的加工品质劣化。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到一种可以容易地对被加工物进行稳定的激光加工的偏振方位角调整装置以及激光加工装置。

为了解决上述课题，达到目的，本发明的特征在于，具有光学单元，该光学单元具有：偏振元件，其使入射来的激光的P波偏振成分透过，并且将所述激光的S波偏振成分进行反射；以及至少2个反射光学元件，其对由所述偏振元件反射后的所述激光的S波偏振成分进行反射并向光路的下游侧引导，并且，该光学单元吸收所述P波偏振成分且将所述S波偏振成分向光路的下游侧射出，在所述光学单元中，将所述偏振元件和所述反射光学元件配置为，使得所述激光向所述光学单元入射的入射光轴和所述激光从所述光学单元射出的出射光轴同轴，且在使所述光学单元以所述入射光轴为中心旋转的情况下，维持所述入射光轴以及所述出射光轴的光轴方向不变。

发明的效果

根据本发明，由于从使激光的入射光轴和出射光轴同轴的光学单元射出由偏振元件反射后的S波偏振成分，所以具有下述效果，即，可以容易地对被加工物进行稳定的激光加工。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的激光加工装置的概略结构的图。

图2是表示实施方式所涉及的偏振方位角调整装置的概略结构的图。

图3是用于说明偏振元件和偏振方位角的关系的图。

图4是用于说明激光透过偏振元件的情况下的热透镜现象的图。

图5是表示射出P波偏振光成分的偏振方位角调整装置的概略结构的图。

具体实施方式

下面，基于附图，详细说明本发明的实施方式所涉及的偏振方位角调整装置以及激光加工装置。此外，本发明并不由本实施方式所限定。

实施方式

图1是表示本发明的实施方式所涉及的激光加工装置的概略结构的图。激光加工装置100通过利用偏振分束器7将1束激光2分光为2束激光8A、8B，使2束激光8A、8B分别独立地进行扫描，从而对2个被加工物13A、13B同时进行开孔加工。在本实施方式的激光加工装置100中，在偏振分束器7的光路上游配置有偏振方位角调整装置30(用于调整偏振方位角的单元)，其包含偏振元件和反射镜(反射光学元件)而构成。另外，通过将由偏振方位角调整装置30的偏振元件反射的S波偏振成分(后述的S波偏振成分S1)向光路下游引导，从而将激光2向偏振分束器7引导。

激光加工装置100具有：激光振荡器1；偏振方位角调整装置(光学单元)30；掩模(光束掩模)4；光束可变部5；反射镜6；偏振分束器(分光部)7；电扫描器10Ax、10Ay、10Bx、10By；fθ透镜11A、11B；以及XY工作台12A、12B。

激光振荡器1是将线性偏振的激光2作为脉冲波射出的装置。从激光振荡器1射出的激光2经由反射镜6向偏振方位角调整装置30引导。反射镜6是对激光2及激光8A、8B进行反射而将其向光路下游引导的反射镜。反射镜6配置在激光加工装置100内的光路上的各个位置上。

偏振方位角调整装置30是调整偏振方位角的装置。向偏振方位角调整装置30入射偏振方位角(偏振方向)2a的激光2，从偏振方位角调整装置30射出偏振方位角2b的激光2。偏振方位角调整装置30在与所入射的激光2同轴方向上射出激光2。

在本实施方式中，偏振方位角调整装置30将激光2的由偏振元件14反射的S波偏振成分S1射出，并且吸收透过偏振元件14的P波偏振成分P1。另外，将偏振方位角调整装置30内的偏振元件以及反射镜等构成为1个光学单元，将该光学单元以可以以激光2的光轴(入射光轴及出射光轴)为中心旋转的方式安装在激光加工装置100内。从偏振方位角调整装置30射出的激光2经由反射镜6向光束可变部5引导。

光束可变部5是使激光2变化为期望的光束直径的装置。将通过光束可变部5而使光束直径变化后的激光2向掩模4引导。掩模4从入射的激光2中截取所需部分的激光2，以用于将加工孔加工为期望的大小、形状。由掩模4整形后的激光2经由反射镜6向偏振分束器7引导。

偏振分束器(分光用偏振分束器)7是将束状的1束激光2分光为2束激光8A、8B的分束器等偏振元件。偏振分束器7具有使激光2的P波成分透过且反射S波成分的性质。

透过偏振分束器7的一束激光8A，是作为偏振方位角9A的激光8A被引导至XY工作台12A上的被加工物13A处的激光。另外，由偏振分束器7反射的另一束激光8B，是作为偏振方位角9B的激光8B被引导至XY工作台12B上的被加工物13B处的激光。由偏振分束器7分光而产生的激光8A，经由反射镜6向电扫描器10Ax、10Ay引导。另外，由偏振分束器7分光而产生的激光8B，经由反射镜6向电扫描器10Bx、10By引导。

电扫描器10Ax使激光8A在被加工物13A上的照射位置沿X方向移动，电扫描器10Ay使激光8A在被加工物13A上的照射位置沿Y方向移动。另外，电扫描器10Bx使激光8B在被加工物13B上的照射位置沿X方向移动，电扫描器10By使激光8B在被加工物13B上的照射位置沿Y方向移动。将利用电扫描器10Ax和电扫描器10Ay在2个轴向上进行扫描的激光8A向fθ透镜11A引导。另外，将利用电扫描器10Bx和电扫描器10By在2个轴向上进行扫描的激光8B向fθ透镜11B引导。

fθ透镜11A、11B是分别将激光8A、8B向设置在XY工作台12A、12B上的被加工物13A、13B聚光的透镜。XY工作台12A、12B载置加工工件等被加工物13A、13B，并且沿X方向和Y方向这2个轴向移动。

下面，说明偏振方位角调整装置30。图2是表示实施方式所涉及的偏振方位角调整装置的概略结构的图。另外，图3是用于说明偏振元件和偏振方位角的关系的图。在图3中，示出偏振元件14的剖面图。偏振方位角调整装置30具有偏振元件14、多枚反射镜(在图2中图示出反射镜15为2枚的情况)以及挡板16，上述部件收容在框体35内。

偏振元件14具有使所入射的激光2中偏振方位角2c的成分(P波偏振成分)透过且将偏振方位角2b的成分(S波偏振成分)进行反射的性质。因此，如果向偏振元件14入射的激光2的偏振方位角与偏振方位角2b相等，则激光2被全部反射，如果向偏振元件14入射的激光的偏振方位角与偏振方位角2c相等，则激光2全部透过。

从激光振荡器1向偏振元件14入射具有偏振方位角2a的线性偏振的激光2。偏振元件14将激光2的S波偏振成分S1反射而将其向光路下游侧引导。另外，偏振元件14使激光2的P波偏振成分P1透过而向挡板16引导。偏振方位角调整装置30使由偏振元件14反射的S波偏振成分S1向激光加工装置100的光路下游传播。

反射镜15是对由偏振元件14所反射的激光2的S波偏振成分S1进行反射而向偏振方位角调整装置30的射出侧引导的反射镜。反射镜15配置为，使得入射至偏振方位角调整装置30的激光2的光轴与从偏振方位角调整装置30射出的激光2的光轴同轴。挡板16对透过偏振元件14的激光2的P波偏振成分P1进行阻挡。另外，作为光学单元，框体35相对于激光加工装置100可自由旋转地安装，使得可以以激光2的光轴(至激光加工装置100的入射轴以及出射轴)为中心旋转。

下面，说明激光加工装置100的动作处理流程。从激光振荡器1引导来的偏振方位角2a的激光2的S波偏振成分S1，被偏振元件14反射而将偏振方位角改变为与偏振方位角2a不同的偏振方位角2b，然后向掩模4引导。另外，激光2的P波偏振成分P1在透过偏振元件14后，被挡板16吸收。

在掩模4中，通过仅使激光2的期望部分透过，由此将激光2整形为适合激光加工的光束模式形状。由掩模4整形后的激光2被1～多枚反射镜6反射而向偏振分束器7引导。

在偏振分束器7中，激光2的P波偏振成分透过偏振分束器7而作为激光8A射出，激光2的S波偏振成分被偏振分束器7反射而作为激光8B射出。为了不使2个被加工物13A、13B的加工孔品质产生波动，需要使激光8A的能量和激光8B的能量相等。

因此，在本实施方式中，将偏振方位角调整装置30绕光轴方向旋转调整，以使得从偏振方位角调整装置30射出的激光2的偏振方位角2b，相对于偏振分束器7成为45°的偏振方位角。换言之，利用偏振方位角调整装置30对激光2的偏转角度2b进行调整，以使得向偏振分束器7入射的激光2的S波偏振成分和P波偏振成分成为相同大小。由此，可以使激光8A的能量和激光8B的能量相等。

另外，在本实施方式中，并不是将透过偏振元件14的P波偏振成分P1向光路下游引导，而是将由偏振元件14反射的S波偏振成分S1向光路下游引导。因此，可以提供稳定的加工品质而不会受到偏振元件14的基板材料产生的透射热量的热透镜效应的影响。热透镜效应是下述现象，即，在高功率的激光透过偏振元件14的基板材料(例如，ZnSe基板)内的情况下，由于基板材料局部温度上升而使偏振元件14产生折射率分布，由此使偏振元件14起到透镜的作用。

图4是用于说明在将透过偏振元件的P波成分向光路下游引导的情况下的热透镜现象的图。在图4(a)中，示出没有产生热透镜现象的情况下的激光束强度分布。另外，在图4(b)中，示出产生热透镜现象的情况下的激光束强度分布。

在没有产生热透镜现象的情况下，从激光振荡器1射出的激光具有激光束强度分布A1。另外，在产生热透镜现象的情况下，从激光振荡器1射出的激光具有激光束强度分布B1。激光束强度分布B1是指具有与激光束强度分布A1相同的强度分布的激光。

另外，对于来自激光振荡器1的激光，激光的P波偏振成分P1透过偏振元件17。这里的偏振元件17例如配置在与偏振方位角调整装置30相同的位置。此时，如果没有产生热透镜现象，则激光束强度分布A1的激光通过透过偏振元件17而成为激光束强度分布A2的激光。另外，如果产生了热透镜现象，则激光束强度分布B1的激光通过透过偏振元件17而成为具有与激光束强度分布A2不同的激光束强度分布B2的激光。

在如图4(b)所示偏振元件17中产生热透镜现象的情况下，与如图4(a)所示偏振元件17中没有产生热透镜现象的情况相比，掩模4处的激光光束直径变化。由于热透镜现象的程度依赖于向偏振元件17入射的激光的功率，所以在产生热透镜现象的情况和没有产生热透镜现象的情况下，透过掩模4的激光的光束能量变化。因此，在产生热透镜现象的情况和没有产生热透镜现象的情况下，到达被加工物的激光的能量产生波动。具体地说，在没有产生热透镜现象的情况下，将激光束强度分布A3的激光向光路下游引导。另外，在产生了热透镜现象的情况下，将具有与激光束强度分布A3不同的激光束强度分布B3的激光向光路下游引导。其结果，在产生热透镜现象的情况和没有产生热透镜现象的情况下，被加工物的加工孔的品质产生差异。

另一方面，在本实施方式中，由于将由偏振元件14反射的S波偏振成分S1向光路下游引导，所以不会受到偏振元件14(基板材料)的热透镜现象的影响，可以在被加工物13A、13B上形成加工品质稳定的加工孔。

在偏振方位角调整装置30中，由于在所入射的激光2中，透过偏振元件14的P波偏振成分P1被挡板16吸收，所以P波偏振成分P1成为能量损耗。如果以使得从偏振分束器7射出的激光8A和激光8B的能量相等的方式对偏振方位角调整装置30进行旋转调整后的偏振方位角2b与向偏振方位角调整装置30入射的激光2的偏振方位角2a相同，则由于利用偏振元件14将激光2全部反射，没有被挡板吸收，因此，将激光2以没有能量损失的方式向光路下游引导。因此，如果在偏振方位角调整装置30的光路上游配置1～多枚反射镜6，以使得偏振方位角2a和偏振方位角2b大致相等，则可以抑制能量损耗。因此，将偏振方位角调整装置30旋转为以使得向偏振分束器7入射的激光2的S波偏振成分和P波偏振成分成为相同大小的偏振方位角2b射出激光2，并且，将偏振方位角调整装置30的光路上游的反射镜6配置为，使得偏振方位角2a接近偏振方位角2b。

另外，在本实施方式中，在偏振方位角调整装置30中，将偏振元件14以及反射镜15配置为，使得向偏振方位角调整装置30入射的激光2和从偏振方位角调整装置30射出的激光2同轴。换言之，将偏振元件14以及反射镜15配置为，使得在将偏振方位角调整装置30(光学单元)以入射光轴为中心进行了旋转的情况下，入射光轴以及出射光轴的光轴方向维持旋转前的状态。由此，即使在对偏振方位角调整装置30进行了旋转调整的情况下，也不会使光轴产生偏移，因此，加工品质不会劣化。

如上述所示，由于在向偏振方位角调整装置30入射的激光2中，将由偏振元件14反射的S波偏振成分S1向光路下游传播，所以可以进行稳定的激光加工而不会受到偏振元件14的热透镜现象的影响。另外，由于将1个偏振元件14和至少2个光学元件(反射镜15)，以使得至偏振方位角调整装置30的入射光轴和出射光轴同轴的方式构成光学单元，所以即使为了调整偏振方位角而对光学单元绕光轴中心进行旋转调整，光轴也不会产生偏移。因此，可以进行稳定的激光加工。

此外，在本实施方式中，说明了在将激光2分光为2束而在2个XY工作台12A、12B上同时对2个被加工物13A、13B进行加工的激光加工装置100中，应用偏振方位角调整装置30的情况，但也可以将偏振方位角调整装置30应用于具有其他结构的激光加工装置中。

例如，针对将激光2分光为2束而在2个XY工作台12A、12B上同时对2个被加工物13A、13B进行加工的情况进行了说明，但本实施方式并不限定于该结构。

例如，也可以在将激光2分光为大于或等于3束而在大于或等于3个XY工作台上同时对大于或等于3个被加工物进行激光加工的激光加工装置中，应用偏振方位角调整装置30。

另外，也可以在1个XY工作台上载置多个被加工物且将激光2分光为多束而对各被加工物同时进行激光加工的激光加工装置中，应用偏振方位角调整装置30。

另外，也可以在相对于1个驱动系统安装多个XY工作台，并且将激光2分光为多束而对载置于各XY工作台上的被加工物同时进行激光加工的激光加工装置中，应用偏振方位角调整装置30。

另外，也可以在1个XY工作台上载置1个被加工物，并且将激光2分光为多束而利用多束激光束对被加工物的多个部位同时进行激光加工的激光加工装置中，应用偏振方位角调整装置30。

另外，在本实施方式中，针对将偏振方位角调整装置30的各结构要素(偏振元件14、反射镜15、挡板16)收容在框体35内的情况进行了说明，但并不必须将偏振方位角调整装置30的各结构要素收容在框体35内。即使在没有将偏振方位角调整装置30的各结构要素收容在框体35内的情况下，也可以通过将各结构要素连接而构成1个光学单元。并且，将光学单元以可以绕激光2的光轴为中心进行旋转的方式安装在激光加工装置100内。

另外，在本实施方式中，针对在偏振方位角调整装置30内配置有2枚反射镜15的情况进行了说明，但配置在偏振方位角调整装置30内的反射镜15的枚数也可以大于或等于3枚。在此情况下，也将反射镜15配置为，使得向偏振方位角调整装置30入射的激光2和从偏振方位角调整装置30射出的激光2同轴。另外，偏振方位角调整装置30并不限于配置在图1所示的位置的情况，只要是位于偏振分束器7的前段(光路上游侧)，则可以配置在任意位置。

另外，在本实施方式中，说明了以光学单元为单位使偏振元件14和反射镜15旋转的情况，但也可以使偏振元件14和反射镜15独立地旋转。在此情况下，也使偏振元件14和反射镜15以如下方式旋转，即，使得至偏振元件14以及反射镜15发生旋转的偏振方位角调整装置30的入射光轴和出射光轴同轴。

另外，在本实施方式中，从偏振方位角调整装置30射出被偏振元件14反射的S波偏振成分，但在不存在由偏振元件的透射热透镜产生的影响的情况下，也可以将透过偏振元件14的P波偏振成分射出。图5是表示将透过偏振元件的P波偏振成分射出的偏振方位角调整装置的概略结构的图。此外，对于图5的各结构要素中实现与图2所示的偏振方位角调整装置30相同功能的结构要素，标注相同的标号，省略重复的说明。

偏振方位角调整装置31具有偏振元件14、多枚反射镜(在图5中图示出2枚反射镜15)和挡板16，上述部件收容在框体35内。

偏振元件14对激光2的S波偏振成分S2进行反射并向挡板16引导。另外，偏振元件14使激光2的P波偏振成分P2透过并向光路下游侧引导。反射镜15对透过偏振元件14后的激光2的P波偏振成分P2进行反射，向偏振方位角调整装置31的射出侧引导。反射镜15配置为，使得入射至偏振方位角调整装置31的激光2的光轴与从偏振方位角调整装置31射出的激光2的光轴同轴。挡板16对由偏振元件14反射的激光2的S波偏振成分S2进行阻挡。利用该结构，偏振方位角调整装置31与偏振方位角调整装置30相同地，以使激光8A的能量和激光8B的能量相等的方式射出激光2。由此，在从偏振方位角调整装置31射出P波偏振成分P2的情况下，即使为了调整偏振方位角而对光学单元绕光轴中心进行旋转调整，光轴也不会产生偏移。

这样，根据实施方式，由于利用偏振方位角调整装置30将激光2的S波偏振成分S1向光路下游引导，所以可以不受偏振元件14的热透镜现象影响而进行激光加工。另外，由于将偏振方位角调整装置30构成为1个光学单元，并可绕激光的光轴方向自由旋转地安装，所以无需改变激光2的光轴方向就可以调整偏振方位角。因此，可以容易地对被加工物13A、13B进行稳定的激光加工。

工业实用性

如上述所示，本发明所涉及的偏振方位角调整装置以及激光加工装置适用于对激光加工所使用的激光的偏振方位角的调整。

Claims (4)

1.一种偏振方位角调整装置，其特征在于，

具有光学单元，该光学单元具有：

偏振元件，其使入射来的激光的P波偏振成分透过，并且将所述激光的S波偏振成分进行反射；以及

至少2个反射光学元件，其对由所述偏振元件反射后的所述激光的S波偏振成分进行反射并向光路的下游侧引导，

并且，该光学单元吸收所述P波偏振成分且将所述S波偏振成分向光路的下游侧射出，

在所述光学单元中，将所述偏振元件和所述反射光学元件配置为，使得所述激光向所述光学单元入射的入射光轴和所述激光从所述光学单元射出的出射光轴同轴，且在使所述光学单元以所述入射光轴为中心旋转的情况下，维持所述入射光轴以及所述出射光轴的光轴方向不变。

2.一种激光加工装置，其射出激光而对被加工物进行激光加工，

其特征在于，

在从射出所述激光的光源至所述被加工物为止的光路上具有光学单元，该光学单元调整所述激光的偏振方位角，并且吸收所述激光的P波偏振成分，将所述激光的S波偏振成分向光路的下游侧射出，

所述光学单元具有：

偏振元件，其使入射来的激光的P波偏振成分透过，并且将所述激光的S波偏振成分进行反射；以及

至少2个反射光学元件，其对由所述偏振元件反射后的所述激光的S波偏振成分进行反射并向光路的下游侧引导，

并且，将所述偏振元件和所述反射光学元件配置为，使得所述激光向所述光学单元入射的入射光轴和所述激光从所述光学单元射出的出射光轴同轴，且在使所述光学单元以所述入射光轴为中心旋转的情况下，维持所述入射光轴以及所述出射光轴的光轴方向不变。

3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，

在从所述光学单元至所述被加工物为止的光路上，还具有将所述激光分光为2束激光的分光部，

将所述光学单元以所述入射光轴为中心进行旋转，以使得从所述光学单元射出的激光的偏转角度相对于所述分光部成为45°的偏振方位角。

4.一种偏振方位角调整装置，其特征在于，

具有光学单元，该光学单元具有：

偏振元件，其使入射来的激光的P波偏振成分透过，并且将所述激光的S波偏振成分进行反射；以及

至少2个反射光学元件，其对透过所述偏振元件后的所述激光的P波偏振成分进行反射并向光路的下游侧引导，

并且，该光学单元吸收所述S波偏振成分且将所述P波偏振成分向光路的下游侧射出，

在所述光学单元中，将所述偏振元件和所述反射光学元件配置为，使得所述激光向所述光学单元入射的入射光轴和所述激光从所述光学单元射出的出射光轴同轴，且在使所述光学单元以所述入射光轴为中心旋转的情况下，维持所述入射光轴以及所述出射光轴的光轴方向不变。

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