CN102348530A - 激光照射装置和激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供激光加工中使用的激光照射装置、以及使用该激光照射装置的激光加工方法。本发明的激光照射装置和激光加工方法中,激光照射装置包括:光源,射出激光光线;以及照射光学系统,具有一个或多个透镜,将光源射出的激光光线引导并聚光到对象物上,该照射光学系统的至少一个透镜使用双折射材料作为原料。该照射光学系统包括光束扩展器,该光束扩展器在激光光线的行进方向上依次具有作为凹透镜或凸透镜的第一透镜、以及作为凸透镜的第二透镜,并且该光束扩展器能改变该第一透镜和第二透镜的间隔,且使用双折射材料作为该第一透镜和/或第二透镜的原料。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷等的激光加工中使用的激光照射装置和使用该激光照射装置的激光加工方法。
背景技術
搭载有电子元件的电路基板等通常使用陶瓷材料、玻璃材料、硅材料等硬脆性材料。为了切断由上述硬脆性材料形成的基板,需要在基板的表面上形成槽,或者在基板的内部形成细微的孔。其形成方法广泛采用激光加工。激光加工是指使用透镜等照射光学系统对从光源射出的激光光线进行聚光,并对基板的表面或内部照射高能量密度的激光聚光光斑(光束腰),来进行加工。
近年来,为了实现电子元件的细微化、或减少加工部位以提高基板的成品率,需要在基板上形成细微且较深的槽或孔。此外,在加工孔时,要求形成的孔细小且锥度小。为达到上述要求,优选利用聚光的激光光线的光束腰的特性,在光轴方向上形成多个焦点。而所述光束腰的特性以激光光线的波长和光束品质为基础,并由其后的照射光学系统(特别是聚光透镜)的性质来决定。
在光轴方向上形成多个激光光线焦点的方法可以例举如下:(A)使用双焦点透镜将激光光线聚光在多个焦点上(专利文献1:日本专利公开公报特开2006-192503号);(B)使用分光器对激光光线进行空间分离,并在改变一方的光束发散角而进行再合成后,通过同一聚光透镜在加工面上聚光(专利文献2:国际申请说明书日文译本特表2006-525874号);(C)在以机械方式切换焦点距离不同的多个透镜的同时,重复多次加工等(专利文献3:日本专利公开公报特开2007-290932号)。
然而,上述(A)的方法需要特殊形状的透镜等聚光装置。此外,上述(B)的方法中,由于难以使合成的两个激光光线的光轴一致,而且必须准备大曲率半径的反射面,所以在制作和调整方面都存在问题。并且,在上述(C)的方法中,存在处理效率低和各加工间的位置精度低等问题。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的在于提供激光照射装置和使用该激光照射装置的激光加工方法,可以通过结构简单的照射光学系统形成多个光束腰,并能够在激光光线的光轴上容易地变更和调节多个光束腰的间隔。
为解决上述问题,本发明的激光照射装置包括:光源,射出激光光线;以及照射光学系统,具有一个或多个透镜,将光源射出的激光光线引导并聚光到对象物上,所述激光照射装置的特征在于,所述照射光学系统的至少一个透镜使用双折射材料作为原料。
照射光学系统的至少一个透镜使用双折射材料作为原料,所述激光照射装置采用上述简洁且简单的结构。这样,通过使照射光学系统的至少一个透镜使用双折射材料作为原料,从光源射出的激光光线的成分不会发生空间分离,而是分离为常光和非常光,利用所述常光和非常光之间的折射率差,可以在照射光学系统的光轴上形成略微分离的多个光束腰。该激光照射装置通过采用简洁且简单的结构,可以确保容易地形成多个光束腰。
优选的是,所述照射光学系统包括光束扩展器,所述光束扩展器在激光光线的行进方向上依次具有作为凹透镜或凸透镜的第一透镜、以及作为凸透镜的第二透镜,并且所述第一透镜和第二透镜的间隔能够改变,使用双折射材料作为所述第一透镜和/或第二透镜的原料。由此,通过采用改变透镜间隔这样的简单操作,就可以容易地调节多个光束腰之间的相对位置(间隔)。
优选的是,所述照射光学系统还包括聚光透镜,所述聚光透镜设置在激光光线的行进方向最后方,使用双折射材料作为所述聚光透镜的原料。由此,照射光学系统中的聚光透镜具有了双折射性,不必另外准备或设置使用双折射材料作为原料的透镜,可以实现照射光学系统的简单化。
优选的是,以所述双折射材料为原料的透镜的晶轴方向与照射光学系统的光轴方向垂直相交。这样,通过使以双折射材料为原料的透镜的晶轴方向与照射光学系统的光轴方向垂直相交,可以将光源射出的激光光线的成分可靠且高效地分离为常光和非常光。
优选的是,所述双折射材料的原料为光学水晶。这样,通过以光学水晶作为双折射材料的原料,在形成上述多个光束腰的同时,可以对光源射出的激光光线具有高耐光强度,并且可以对较宽波长范围具有高透射率。
优选的是,所述激光照射装置还包括相对移动装置,所述相对移动装置使对象物相对于所述照射光学系统的位置,能在与照射光学系统的光轴垂直的平面内的两个垂直相交方向上相对移动,并且能在光轴方向上相对移动。由此,能够快速地对对象物进行连续的槽加工或孔加工,并且可以调节加工部位的焦深,可以提高陶瓷等的切断加工的精密性和成品率。
优选的是,所述照射光学系统还包括1/2波长板,所述1/2波长板能以光轴为中心进行转动,所述1/2波长板以激光光线的行进方向为基准,设置在以所述双折射材料为原料的透镜的前方。由此,可以连续且容易地改变多个光束腰的强度比。
此外,优选的是,所述照射光学系统还包括1/4波长板,所述1/4波长板以激光光线的行进方向为基准,设置在以所述双折射材料为原料的透镜的后方。由此,通过使激光光线的直线偏振光变换为圆偏振光,从多个光束腰中除去偏振光的影响,从而可以实现加工特性的稳定化。
优选的是,所述激光光线的波长在200nm以上、且在11μm以下。通过使所述激光光线的波长在上述范围内,能够实现适合陶瓷等为主的激光加工的激光输出,可以提高陶瓷等的激光加工的可靠性和高效性。
优选的是,所述激光光线的激发方式为连续激发或脉冲激发。由此,通过使激光光线的激发方式为连续激发或脉冲激发,可以对应加工材料的种类和性质调节加工内容,可以实现各种变化的加工。
此外,为解决上述问题,本发明还提供一种使用上述激光照射装置的激光加工方法。通过采用这种激光加工方法,可以在陶瓷等基板上形成细小且较深的槽或孔。
优选的是,所述激光加工方法将由所述激光照射装置形成的多个光束腰的间隔调节为瑞利长度的0.5倍至10倍。通过使所述光束腰的间隔在上述范围内,可以在维持小光束腰直径的状态下,实现大的焦深。
此处,“照射光学系统的光轴”是指作为所述光轴的对比对象的透镜或照射对象物部分的光轴。“光束腰”是指被聚光的激光光线的聚光光斑。
如上所述,本发明的激光照射装置和激光加工方法可以确保容易地形成多个光束腰,其结果,可以迅速实现针对对象物的细微且较大焦深的加工。此外,通过调节多个光束腰的位置,可以对应加工对象(例如陶瓷、玻璃、蓝宝石等)的种类进行最佳加工。另外,在印制电路基板等基板的开孔加工中,可以实现细微且小锥度的加工。
附图说明
图1是表示本发明一个实施方式的激光照射装置的简要结构图。
图2是说明图1的激光照射装置形成两个光束腰的机构的简要结构图。
图3是表示与图1的激光照射装置不同实施方式的激光照射装置的简要结构图。
图4是表示改变图3激光照射装置的光束扩展器的透镜间隔(双折射性凸透镜的相对移动距离)时,估算两个光束腰的间隔和光束腰的直径变化情况的结果的曲线图。
图5是表示与图1和图3的激光照射装置不同实施方式的激光照射装置的简要结构图。
图6是表示比较例1的通过一个光斑照射在硼硅酸盐玻璃上形成的加工槽的断面观察图像。
图7是表示实施例1的通过两个光斑照射在硼硅酸盐玻璃上形成的加工槽的断面观察图像。
图8是表示实施例2中减小两个光斑的间隔后在硼硅酸盐玻璃上形成的加工槽的断面观察图像。
图9是表示实施例3中通过将能量集中在一个光斑上而在硼硅酸盐玻璃上形成的加工槽的断面观察图像。
图10是表示实施例4中通过改变两个光斑的能量比而在硼硅酸盐玻璃上形成的加工槽的断面观察图像。
图11是表示实施例5和比较例2中焦点的相对位置与划线深度比率的相关关系的曲线图。
附图标记说明
1 光源
2 载物台
3 照射光学系统
4 1/2波长板
5 光束扩展器
6 镜子
7 双折射透镜
8 1/4波长板
9 聚光透镜
10 凹透镜
11 凸透镜
12 常光
13 非常光
14 照射光学系统
15 光束扩展器
16 凹透镜
17 双折射性凸透镜
18 照射光学系统
19 双折射性聚光透镜
P 激光光线
Q 对象物
R 光轴
S 晶轴
具体实施方式
以下,参照相应附图详细说明本发明的实施方式。
图1的激光照射装置主要包括光源1、载物台2和照射光学系统3。
光源1用于射出激光光线P。光源1的种类没有特别限定,可以例举CO2激光等气体激光、Nd:YAG(钇铝石榴石晶体)激光等固体激光、飞秒激光等超短脉冲激光等。特别是为了在使用陶瓷材料等硬脆性材料的电路基板等上进行细微且焦深较大的加工,优选Nd:YAG激光。另外,当使用超短脉冲激光时,由于在聚光部位同时发生自聚焦或成丝,所以抑制了对加工部位周边的热影响,可以实现更大的焦深。
光源1的激光光线的波长优选在200nm以上、且在11μm以下,更优选在240nm以上、且在1600nm以下。通过使所述激光光线的波长在上述范围内,可以实现最适于对使用陶瓷材料等硬脆性材料的电路基板等进行切断加工的激光输出,可以提高激光加工的高效性和可靠性。
光源1的激光光线的激发方式优选采用连续激发或脉冲激发。通过使所述激光光线的激发方式为连续激发,可以连续激发规定的激光输出。此外,通过采用脉冲激发,能够得到具有高峰值能量的激光脉冲,使热影响区减少,可以更有效地进行加工。其结果,可以实现对应加工材料的种类和性质的最佳加工。
载物台2用于设置对象物Q。所述载物台2的具体结构没有特别限定,例如采用使激光光线透射的透明板,或者在激光光线的照射位置上设置有狭缝等开口部的平台等。
载物台2具有相对移动装置,使对象物Q相对于上述照射光学系统3的位置,除了在与照射光学系统3的光轴R垂直的平面内的两个垂直相交方向(X轴方向、Y轴方向)相对移动以外,还能在光轴R方向(Z轴方向)上相对移动。利用所述相对移动装置,可以迅速地对对象物Q进行连续的槽加工或孔加工,并且可以调节加工部位的焦深。特别是在对细微的基板进行切断加工中,不仅可以提高加工的精密性,还可以提高成品率。另外,载物台2的相对移动装置的具体结构并没有特别限定,采用公知的装置即可。
照射光学系统3将从光源1出射的激光光线P引导并聚光到对象物Q上。所述照射光学系统3在激光光线P的行进方向上依次包括:1/2波长板4、光束扩展器5、镜子6、双折射透镜7、1/4波长板8和聚光透镜9。
1/2波长板4以激光光线P的行进方向为基准设置在双折射透镜7的前方,用于转动激光光线的电场矢量。利用图2详细说明其结构,在1/2波长板4的慢轴与入射激光光线的电场矢量(Ey)所呈角度为θ的情况下,当激光光线P透射1/2波长板4时,透射后的电场矢量转动角度2θ。
所述1/2波长板4能以照射光学系统3的光轴R为中心转动,对应其转动角度,可以改变垂直于慢轴的常光成分Ex、以及与常光成分Ex垂直相交的非常光成分Ey的强度比。这样,能够连续且容易地改变两个光束腰的强度比,其结果,能够对应加工材料的种类和性质容易地调节加工内容,提高了激光加工效率。另外,所述1/2波长板4的转动装置采用公知的装置,并没有特别的限定。
光束扩展器5在激光光线P的行进方向上依次具有作为第一透镜的凹透镜10和作为第二透镜的凸透镜11。所述凹透镜10具体为平凹透镜,设置成使激光光线P入射到凹面上,并且将从光源1出射的激光光线P放大。此外,凸透镜11具体为平凸透镜,设置成使激光光线P入射到凸面上,并且将通过凹透镜10放大的激光光线P变为平行光束。所述凹透镜10的种类除了平凹透镜以外,还可以例举双凹透镜、凹弯月透镜(Meniscus)等,凸透镜11的种类除了平凸透镜以外,还可以例举双凸透镜、凸弯月透镜等。
镜子6将透射上述光束扩展器5的激光光线P引导到聚光透镜9上。通过使用所述镜子6改变激光光线P的反射角度,可以容易地调节激光光线P的行进方向。另外,对于使用所述镜子6的激光光线P的反射角度调节装置,并没有特别限定,可以采用公知的装置。
双折射透镜7具体为单透镜,并使用双折射材料作为原料。所述双折射透镜7将入射的激光光线P分离为两个电场成分,并形成两个光束腰。利用图2详细说明其结构,从光源1射出的激光光线P最初为电场方向上的直线偏振光,通过透射1/2波长板4产生了相位差。然后,入射到双折射透镜7的激光光线P被分离为垂直于晶轴S的成分Ex、以及与成分Ex垂直相交的成分Ey,成分Ex作为常光12透射,成分Ey作为非常光13透射。另外,所述双折射透镜7的种类可以例举双凸透镜、平凸透镜、凸弯月透镜、双凹透镜、平凹透镜以及凹弯月透镜等。
如上所述,双折射透镜7通过具有两个不同的折射率,并利用上述的折射率差,从而将入射的激光光线P分离为常光12和非常光13,并形成不同的焦点。按照上述特性,来确定两个光束腰的腰径和腰间隔。因此,在照射光学系统中,例如也可以通过适当采用特性不同的各种双折射透镜,来调节两个光束腰的腰径和腰间隔,从而可以通过更换透镜这种简单方式来实现对应加工材料的性质的最佳加工。
优选双折射透镜7的晶轴S的方向与照射光学系统的光轴R的方向垂直相交。如上所述,通过使双折射透镜7的晶轴S的方向与照射光学系统的光轴R的方向垂直相交,使所述晶轴S的方向和电场方向一致,其结果,可以确保将光源射出的激光光线的成分高效分离为常光和非常光。
双折射透镜7的原料没有特别限定,例如使用光学水晶、蓝宝石、方解石等,其中,优选采用光学水晶。通过用光学水晶作为所述双折射透镜7的原料,可以对激光光线具有高耐光强度,并且可以在较宽波长范围内具有高透射率。下述表1表示了以上述光学水晶为原料的双折射透镜7对于代表性激光波长所具有的折射率(no:常光的折射率、ne:非常光的折射率)。如表1所示,在以光学水晶为原料的双折射透镜7中,ne的值大于no的值,由此可知非常光相当于短焦点。
表1
代表性的激光波长(nm) | no | ne |
1064 | 1.53410 | 1.54282 |
532 | 1.54689 | 1.55610 |
355 | 1.56463 | 1.57446 |
此外,关于以上述光学水晶为原料的双折射透镜7所具有的双折射性,下述表2表示了对于曲率半径R=100mm的光学水晶制平凸透镜的情况下,近轴计算的焦点距离(fo:常光的焦点距离、fe:非常光的焦点距离)。如表2所示,在Nd:YAG激光的基本波(1064nm)中,fe的值小于fo的值,由此可知非常光相当于短焦点。
表2
代表性的激光波长(nm) | fo(mm) | fe(mm) |
1064 | 187.23 | 184.22 |
532 | 182.85 | 179.82 |
355 | 171.11 | 174.08 |
266 | 169.02 | 166.00 |
1/4波长板8以激光光线P的行进方向为基准,设置在上述双折射透镜7的后方。利用所述1/4波长板8,使透射双折射透镜7的激光光线P的直线偏振光变换为圆偏振光,通过除去偏振光的影响,并实现加工特性的稳定化,可以确保高效地实现较深的焦深。
聚光透镜9具体为单透镜或组合的透镜,对使用的激光波长修正光学像差,并把由上述镜子6引导的激光光线P聚光在对象物Q上。通过利用所述聚光透镜9,将透射1/4波长板8的激光光线P的常光12和非常光13分别聚光在照射光学系统的光轴R的不同位置上,可以形成两个光束腰。另外,构成所述聚光透镜9的透镜的种类可以例举双凸透镜、平凸透镜、凸弯月透镜、双凹透镜、平凹透镜以及凹弯月透镜等。
此处,详细说明上述激光照射装置的作用效果。
设聚光透镜的焦点距离为f、入射聚光透镜的光束直径为D、激光波长为λ,则通过下述公式1可以计算出上述激光照射装置形成的光束腰直径2ω0。根据下述公式1,当希望得到细微的光束腰直径时,需要缩短激光波长λ、减小焦点距离f、加大入射到聚光透镜的光束直径D。
公式1
接着,设光束腰的半径为ω0、激光波长为λ,则通过下述公式2可以计算出上述激光照射装置出射的激光光线的瑞利长度(Rayleigh range)df。通常,为了不受激光光线的散焦的影响,需要形成瑞利长度较长的光束。根据下述公式2,瑞利长度df与光束腰的半径ω0密切相关,为实现大焦深的(瑞利长度较长)光束腰,当波长λ一定时,需要加大光束腰的半径ω0。另一方面,如果加大光束腰的半径ω0,则难以进行细微的加工。
公式2
图3的激光照射装置主要包括光源1、载物台2和照射光学系统14。由于光源1和载物台2与图1的激光照射装置相同,所以采用相同的附图标记并省略了说明。
照射光学系统14将光源出射的激光光线P引导并聚光到对象物Q上。所述照射光学系统14在激光光线P的行进方向上依次具有1/2波长板4、光束扩展器15、1/4波长板8、镜子6和聚光透镜9。由于激光光线P、对象物Q、1/2波长板4、1/4波长板8、镜子6和聚光透镜9与图1的激光照射装置相同,所以采用相同的附图标记并省略了说明。
在激光光线P的行进方向上,光束扩展器15依次具有作为第一透镜的凹透镜16和作为第二透镜的凸透镜17,并且使用双折射材料作为所述凸透镜17的原料。所述光束扩展器15可以改变凹透镜16和凸透镜17的间隔。由此,不必大幅改变从照射光学系统14出射的两个光束腰的直径,就可以容易地调节腰间隔,可以通过简单的装置实现对应加工材料的最佳加工。另外,通过在照射光学系统14的光轴R的方向上移动凹透镜16和凸透镜17的任意一方或双方,可以调节凹透镜16和凸透镜17的间隔。所述透镜的移动装置没有特别限定,可以采用公知的装置。
图4是表示改变所述凹透镜16和凸透镜17的间隔时,估算两个光束腰的间隔和光束腰的直径(常光)变化情况结果的曲线图。在图4的横轴,以凸透镜17相对于凹透镜16移动的距离(相对移动距离)表示所述凹透镜16和凸透镜17的间隔。此外,选择光束扩展器15的倍率和聚光透镜9的焦点距离,以将最终的光束腰直径设定成约为5μm。由图4可知,当透镜间隔改变约9mm时,两光束腰的间隔在90μm到150μm之间变化,光束腰直径在5μm到6μm的范围内变化。因此,不必大幅改变光束腰直径,光束扩展器15就可以改变两光束腰的间隔,由此,能够适应加工材料的性质,以小直径实现大的焦深的激光加工。
图5的激光照射装置主要包括光源1、载物台2和照射光学系统18。由于光源1和载物台2与图1的激光照射装置情况相同,所以采用相同的附图标记并省略了说明。
照射光学系统18将从光源1出射的激光光线P引导并聚光到对象物Q上。在激光光线P的行进方向上,所述照射光学系统18依次包括光束扩展器5、镜子6和聚光透镜19。由于激光光线P、对象物Q、光束扩展器5和镜子6与图1的激光照射装置情况相同,所以采用相同的附图标记并省略了说明。
聚光透镜19将镜子6引导的激光光线P聚光在对象物上,并且使用双折射材料作为聚光透镜19的原料。所述聚光透镜19除了对激光光线P进行聚光以外,还将激光光线P分离为常光12和非常光13,并形成两个光束腰。所以,不必另外准备或设置使用双折射材料为原料的透镜,而是通过使用具备聚光性和双折射性的一个透镜就可以容易地形成两个光束腰,在简化照射光学系统的同时,可以实现低成本化。
此处,也可以利用上述图1的激光照射装置、图3的激光照射装置以及图5的激光照射装置构建激光加工方法。利用所述激光加工方法,例如能够以在对象物内诱发裂纹的间隔形成多个光束腰。此外,通过将一方的光束腰配置在对象物表面附近,并将另一方的光束腰配置在对象物内部,可以在对象物上从其表面至内部诱发加工裂纹。
此外,优选在上述激光加工方法中,可以将通过激光照射装置形成的多个光束腰的间隔从瑞利长度的0.5倍调节至10倍。通过上述调节,不仅可以避免激光光线的散焦的影响,还可以在维持小光束腰直径的情况下实现大的焦深。例如可以使双折射透镜在照射光学系统的光轴R的方向相对移动,来调节所述瑞利长度的长度,对于具体的调节装置没有特别限定,可以采用公知的装置。
另外,本发明的激光照射装置和使用所述激光照射装置的激光加工方法并不限定于上述实施方式。例如,通过使图5的激光照射装置的聚光透镜19具备使其可以在照射光学系统18的光轴R的方向上相对移动的装置,能够容易地调节两个光束腰的位置,可以实现更简洁且简单的照射光学系统。
此外,在假设根据加工材料的性质能够区分两个光束腰的偏振光方向的情况下,通过不在照射光学系统中设置1/4波长板,使光束腰上侧及下侧的偏振光方向相互垂直相交,可以加大加工槽宽度,并减小焦深。
实施例
以下,基于实施例详细说明本发明,所述实施例的记载并非用于限定本发明。
(实验1)
[实施例1和实施例2]
<实验系统的说明>
使用至少具有光源、光束扩展器、1/2波长板和聚光透镜的照射光学系统,在加工痕迹容易观察的硼硅酸盐玻璃的内部设置一或两个光束腰,形成了加工槽。随后,拍摄了与所述加工槽垂直相交的断面观察图像。
实施例1和实施例2使用的光束扩展器包括凹透镜和具备双折射性的凸透镜,并且两透镜的间隔可以改变。通过改变所述两透镜的间隔(Lm),可以改变在光轴上形成的两个光束腰的间隔。此外,当使实施例1和实施例2使用的1/2波长板围绕照射光学系统的光轴转动时,可以改变两个聚光光斑中激光能量的分配。
[比较例1]
比较例1中使用的照射光学系统是至少包括光源、光束扩展器和聚光透镜的标准结构,光束扩展器的凸透镜不具备双折射性,并且也不包含1/2波长板。
<特性的评价>
加工条件和实验结果如下述表3、图6~图8所示。
表3
比较例1中,在照射光学系统的光轴方向(硼硅酸盐玻璃的厚度方向)上,形成了长度约为100μm的加工槽(图6)。另一方面,在实施例1中,两个腰的间隔(中心间隔)约为190μm,由各个腰形成的加工槽的长度约为60μm和70μm(图7)。由于实施例1中两个加工槽的长度(约为60μm和70μm),与比较例1中由一个光斑加工时的长度(约为100μm)相比较短,因而可以认为实施例1是将一个光斑上集中的激光能量分离为两份。
实施例2中,为了在硼硅酸盐玻璃的厚度方向上形成长加工槽而需要减小两个腰的间隔,所以将凹透镜和具备双折射性的凸透镜之间的间隔设定为较小间隔。具体而言,将扩展器透镜间隔Lm从实施例1加工时的间隔缩小10mm,其结果,两腰形成的加工槽相连,形成了整体长度为最大180μm的加工槽(图8)。如上所述,实施例2的加工槽的长度(约为180μm)长于比较例1的加工槽的长度(约为100μm)。一般来说,用一个光斑形成较长的加工槽时需要较高的激光能量,假设形成了与实施例2同样的深加工槽,但是会在加工槽宽度增大的同时,形成非常宽的加工变质部位。所以,实施例2以少量的激光能量将槽宽度方向的加工变质范围抑制为最小限度,并且实现了大焦深的槽加工。
(实验2)
[实施例3和实施例4]
<实验系统的说明>
实验系统与上述实验1的实施例1和实施例2的情况相同。实验2中,将扩展器透镜间隔Lm固定,使1/2波长板围绕照射光学系统的光轴转动,以改变两个腰的能量分配。
<特性的评价>
加工条件和实验结果如下述表4、图9、图10所示。
表4
实施例3中,激光能量全部集中在下侧的腰上,作为一个光斑进行加工(图9)。另一方面,实施例4中,转动1/2波长板,将激光能量的成分分配为上侧腰最大30%、下侧腰最大70%,来进行加工(图10)。实施例3中仅在硼硅酸盐玻璃内部形成一个加工部位,实施例4中将激光能量分割形成两个腰时,在表面附近也形成了加工部位。即,实施例3和实施例4中,以任意的间隔在光轴方向上形成两个腰,在各个腰形成的加工部位原来的槽长度的基础上,利用各个加工部位间发生的应变应力产生裂纹,可以形成更大焦深的加工槽。
(实验3)
[实施例5和比较例2]
<实验系统的说明>
实验3中,探讨了在维持小光束腰直径的同时,实现深的焦深的加工。实验3的实验系统结构如图1所示,光束扩展器是设置有凹透镜和凸透镜的标准透镜结构,并且具有双折射性的凸透镜与1/4波长板一起被配置在聚光透镜的正前方。另外,光束腰间隔按照使两个腰的瑞利长度重叠来进行设定,所述间隔并不一定是最佳间隔。
在上述结构的情况下,比较例2实施了将激光能量全部集中在下侧腰上而由一个光斑进行的槽加工。此外,在实施例5中,将激光能量等分到上下光斑后以两个光斑进行了槽加工。并且,在实施例5和比较例2中,探讨了各个散焦量(焦点的相对位置)与槽深度(划线深度比率)的关系(图11)。
<特性的评价>
加工条件和实验结果如下述表5、图11所示。实施例5中腰径、瑞利长度和能量密度在两个光束腰之间显示了大致相同的数值。
表5
加工条件 | 单位 | 实施例5 | 比较例2 |
加工对象材料 | 氧化铝陶瓷 | 氧化铝陶瓷 | |
激光波长 | nm | 1064 | 1064 |
激光平均能量 | W(kHz) | 8(50) | 8(50) |
聚光腰数(光斑数) | 个 | 2 | 1 |
能量成分:上/下腰 | % | 50/50 | 0/100 |
腰间隔 | μm | 98 | - |
光束腰直径 | μmφ | 9.3 | 9.1 |
瑞利长度 | μm | 55.5 | 50.5 |
能量密度 | W/cm2 | 7.9×108 | 8.3×108 |
由图11可知,相对于离开实现了最大划线深度的焦点位置的散焦,实施例5与比较例2相比,划线深度的变动较少。所以,实施例5确认了相对于散焦的耐受性。
工业实用性
如上所述,本发明的激光照射装置和使用所述激光照射装置的激光加工方法使用简洁且简单的照射光学系统,能够针对加工对象物的加工特性和加工品质,容易地形成细微且大焦深的加工槽或加工孔。因此,可以实现容易作业和装置的简单化、低成本化,能够在激光加工的领域中广泛使用。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种激光照射装置,其包括:
光源,射出激光光线;以及
照射光学系统,具有一个或多个透镜,将光源射出的激光光线引导并聚光到对象物上,所述激光照射装置的特征在于,
所述照射光学系统包括光束扩展器,所述光束扩展器在激光光线的行进方向上依次具有作为凹透镜或凸透镜的第一透镜、以及作为凸透镜的第二透镜,并且所述第一透镜和第二透镜的间隔能够改变,
使用双折射材料作为所述第一透镜和/或第二透镜的原料。
2.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,
所述照射光学系统还包括聚光透镜,所述聚光透镜设置在激光光线的行进方向最后方,
使用双折射材料作为所述聚光透镜的原料。
3.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,以所述双折射材料为原料的透镜的晶轴方向与照射光学系统的光轴方向垂直相交。
4.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,所述双折射材料为水晶。
5.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,所述激光照射装置还包括相对移动装置,所述相对移动装置使对象物相对于所述照射光学系统的位置,能在与照射光学系统的光轴垂直的平面内的两个垂直相交方向上相对移动,并且能在光轴方向上相对移动。
6.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,
所述照射光学系统还包括1/2波长板,所述1/2波长板能以光轴为中心进行转动,
所述1/2波长板以激光光线的行进方向为基准,设置在以所述双折射材料为原料的透镜的前方。
7.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,
所述照射光学系统还包括1/4波长板,
所述1/4波长板以激光光线的行进方向为基准,设置在以所述双折射材料为原料的透镜的后方。
8.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,所述激光光线的波长在200nm以上、且在11μm以下。
9.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,所述激光光线的激发方式为连续激发或脉冲激发。
10.一种激光加工方法,其特征在于,使用权利要求1所述的激光照射装置。
11.根据权利要求10所述的激光加工方法,其特征在于,将由权利要求1所述的激光照射装置形成的多个光束腰的间隔调节为瑞利长度的0.5倍至10倍。
Claims (12)
1.一种激光照射装置,其包括:
光源,射出激光光线;以及
照射光学系统,具有一个或多个透镜,将光源射出的激光光线引导并聚光到对象物上,所述激光照射装置的特征在于,
所述照射光学系统的至少一个透镜使用双折射材料作为原料。
2.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,
所述照射光学系统包括光束扩展器,所述光束扩展器在激光光线的行进方向上依次具有作为凹透镜或凸透镜的第一透镜、以及作为凸透镜的第二透镜,并且所述第一透镜和第二透镜的间隔能够改变,
使用双折射材料作为所述第一透镜和/或第二透镜的原料。
3.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,
所述照射光学系统还包括聚光透镜,所述聚光透镜设置在激光光线的行进方向最后方,
使用双折射材料作为所述聚光透镜的原料。
4.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,以所述双折射材料为原料的透镜的晶轴方向与照射光学系统的光轴方向垂直相交。
5.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,所述双折射材料为光学水晶。
6.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,所述激光照射装置还包括相对移动装置,所述相对移动装置使对象物相对于所述照射光学系统的位置,能在与照射光学系统的光轴垂直的平面内的两个垂直相交方向上相对移动,并且能在光轴方向上相对移动。
7.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,
所述照射光学系统还包括1/2波长板,所述1/2波长板能以光轴为中心进行转动,
所述1/2波长板以激光光线的行进方向为基准,设置在以所述双折射材料为原料的透镜的前方。
8.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,
所述照射光学系统还包括1/4波长板,
所述1/4波长板以激光光线的行进方向为基准,设置在以所述双折射材料为原料的透镜的后方。
9.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,所述激光光线的波长在200nm以上、且在11μm以下。
10.根据权利要求1所述的激光照射装置,其特征在于,所述激光光线的激发方式为连续激发或脉冲激发。
11.一种激光加工方法,其特征在于,使用权利要求1所述的激光照射装置。
12.根据权利要求11所述的激光加工方法,其特征在于,将由所述激光照射装置形成的多个光束腰的间隔调节为瑞利长度的0.5倍至10倍。
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