CN108475895B

CN108475895B - 用于激光的功率平衡装置、激光加工装置

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Publication number: CN108475895B
Application number: CN201780006760.5A
Authority: CN
Inventors: 船冈幸治; 中筋淑江; 泷川靖弘
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2037-01-10
Also published as: CN108475895A; TW201731187A; JPWO2017126363A1; JP6590382B2; KR20180089509A; KR102104782B1; TWI620384B; WO2017126363A1

Abstract

得到能够容易地进行向被加工物的稳定的激光加工的激光加工装置、及在该激光加工装置中使用的用于激光的功率平衡装置。用于激光的功率平衡装置具有：偏振相位差板，其在相对的一对主面的一个主面侧，形成有由与基板材料相同的材料构成的多个凸部以设定周期P分别平行地直线状延伸的衍射光栅，形成为能够利用所述衍射光栅的构造性双折射，被射入远红外光的激光，且所述衍射光栅的所述周期P满足P＜λ/n(λ是入射光的波长，n是所述基板材料的折射率)；以及旋转机构，其使所述偏振相位差板旋转。

Description

用于激光的功率平衡装置、激光加工装置

技术领域

本发明涉及针对印刷基板等被加工物进行开孔加工的激光加工装置，特别地涉及用于激光的功率平衡装置及使用该功率平衡装置的激光加工装置。

背景技术

作为使针对印刷基板等被加工物进行开孔加工的CO₂激光加工装置的生产率提高的方法，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，同时开孔加工出多个孔。在该方法中，在分割出的激光各自的能量不均等的情况下，加工孔径等的加工品质会产生波动。

因此，在下述专利文献1记载的方法中，在与分光用偏振片相比的光路上游，设置有以光轴为中心具有旋转调整机构的偏振方位角调整用偏振片。而且，通过对透过的P波的偏振方位角进行调整，从而对射入至分光用偏振片的偏振方向P波成分和偏振方向S波成分的平衡进行调整，将分割为透过分光用偏振片的P波成分和由分光用偏振片反射的S波成分的激光的能量调整为均等。

在下述专利文献2中，记载有对YAG激光的功率平衡进行调整的例子。在与分光用偏振片相比的光路上游，设置具有以光轴为中心进行旋转调整的旋转调整机构的透过型的1/4波长(π/2)相位差板，通过对射入至分光用偏振片的偏振方向P波成分和偏振方向S波成分进行调整，从而将加工的能量调整为均等。

在下述专利文献3中，设为不使用透过光，仅利用S偏振的偏振方位角调整机构，由此防止热透镜的产生。

近年来，在印刷基板等的开孔加工机中，通过贯通孔等的高能量加工、加工速度的提高，从而激光的输出提高。

专利文献1：国际公开第2003/082510号小册子

专利文献2：日本特开平9－108878号公报(图1)

专利文献3：日本特开2011－251306号公报

专利文献4：日本特开2014－29467号公报

发明内容

在上述现有技术中，例如在上述专利文献1记载的结构中，将透过偏振方位角调整用偏振片的P波成分向光路下游传导。因此，如果射入至偏振片的激光的功率高，则由于偏振片的基板材料的热透镜效应，激光的光束直径变化，与没有发生热透镜效应的情况相比，透过掩模的激光的能量强度波动。由此，存在被加工物的加工品质劣化或者变得不稳定的问题。

另外，在偏振方位角调整时对偏振片进行了旋转调整的情况下，存在下述问题，即，有时由于光的折射而在光轴中心产生微小的偏差，被加工物的加工品质劣化。

另外，在上述专利文献2记载的结构，用于波长1μm左右的YAG激光，无法使远红外光透过。使远红外光透过的双折射材料是硫化镉(CdS)，但有毒，使用困难。

另外，在上述专利文献3记载的结构中，不使用透过光，仅利用S偏振，效率差。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到能够容易地进行向被加工物的稳定的激光加工的激光加工装置、及在该激光加工装置中使用的用于激光的功率平衡装置。

本发明是一种用于激光的功率平衡装置，其具有：偏振相位差板，其在相对的一对主面的一个主面侧，形成有由与基板材料相同的材料构成的多个凸部以设定周期P分别平行地直线状延伸的衍射光栅，形成为能够利用所述衍射光栅的构造性双折射，被射入远红外光的激光，且所述衍射光栅的所述周期P满足P＜λ/n，λ表示入射光的波长，n表示所述基板材料的折射率；以及旋转机构，其使所述偏振相位差板旋转。

发明的效果

在本发明中，提供一种能够容易地进行向被加工物的稳定的激光加工的激光加工装置及在该激光加工装置中使用的用于激光的功率平衡装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的激光加工装置的结构的一个例子的图。

图2是表示图1的亚波长光栅构造的偏振相位差板的一个例子的结构的斜视图。

图3是表示本发明的实施方式2所涉及的激光加工装置的结构的一个例子的图。

图4是表示图3的激光用的功率平衡装置的一个例子的内部结构的透视侧视图。

图5是表示图3的激光用的功率平衡装置的其他例的内部结构的透视侧视图。

图6是用于对本发明所涉及的热透镜现象的影响进行说明的图。

图7是用于对本发明所涉及的热透镜现象的抑制的效果进行说明的图。

具体实施方式

在本发明中，能够通过亚波长光栅构造，使用对远红外光而言透过率高的材料而构成功率平衡装置，因此提供一种防止热透镜，即使是高输出光束仍得到高加工品质的激光加工装置及在该激光加工装置中使用的用于激光的功率平衡装置。

下面，按照各实施方式，使用附图对本发明所涉及的激光加工装置及在该激光加工装置中使用的用于激光的功率平衡装置进行说明。此外，在各实施方式中，基本上相同或者相当的部分以同一标号表示，省略重复的说明。

实施方式1.

＜激光加工装置的结构＞

激光加工装置100通过作为分光部的偏振光分光器7将1束激光2分光为2束色散激光8A、8B。概略地说，2束色散激光8A、8B各自独立地扫描，由此最终经由fθ透镜11A、11B，同时对XY工作台12A、12B上的2个被加工物13A、13B进行开孔加工。

关于色散激光8A针对被加工物13A的照射位置，使电扫描器10Ax在X方向移动，使电扫描器10Ay在Y方向移动。同样地，关于色散激光8B针对被加工物13B的照射位置，使电扫描器10Bx在X方向移动，使电扫描器10By在Y方向移动。此外，上述X方向、Y方向与XY工作台同样地，是被加工物13A、13B的平面内的彼此正交的坐标，与后面记述的偏振相位差板200中的xyz方向不同。

在本实施方式1的激光加工装置100中，在与偏振光分光器7相比的光路上游，配置有亚波长光栅构造的偏振相位差板200。偏振相位差板200构成为通过旋转机构220能够绕光轴旋转。

＜亚波长光栅构造的偏振相位差板＞

能够使远红外光透过的亚波长光栅构造的偏振相位差板200，具有如例如上述专利文献4所示的构造。图2是表示图1的亚波长光栅构造的偏振相位差板200的一个例子的结构的斜视图。激光射入的偏振相位差板200具有：基板202；以及衍射光栅201，其在基板202的一对的相对的主面的一个主面，由与基板202相同的材料形成。关于衍射光栅201，以x、y方向设为基板面，x、y、z方向表示彼此正交的方向，是将与x方向平行地直线状延伸的多个凸部203沿y方向以按照设定周期P的设定间隔排列形成而构成的。

在光朝向上述的衍射光栅201沿z方向射入的情况下，

与x方向的偏振成分(TE偏振)相关的有效折射率、和与y方向的偏振成分(TM偏振)相关的有效折射率彼此不同，不会产生所谓的构造性双折射。其结果，在TE偏振和TM偏振之间产生传输速度差，对应于与该传输速度差相对应的相位差(延迟)而发生椭圆偏振。

P＜λ/n (1)

P：衍射光栅的周期(间隔)

λ：入射光的波长

n：基板材料的折射率

已知如果满足上述式(1)，则即使是垂直入射光，也能够防止高阶衍射光的损耗。凸部203的剖面形状从其底部至顶部为止形成为角度α的锥形状206。

具体地说，

基板202的基板材料是硫化锌(ZnS)，

凸部203的高度H即槽的深度为4.01μm，

锥形状206的倾斜角度α为22.2度，

感度因子f为0.468，

延迟为λ/8(＝π/4)。

此外，感度因子f是凸部203的高度H的一半的位置(H/2)处的、凸部203的宽度W相对于周期P的比率，即，f＝W/P的值。

在基板202的没有衍射光栅201的另一个主面，实施有防反射膜207。防反射膜207的材料是锗。

＜振荡器的直线偏振＞

激光振荡器1是将由作为远红外光的例如直线偏振的CO₂激光构成的激光2(λ＝9.29μm)作为脉冲波而射出的激光装置。从激光振荡器1射出的激光2经由1个或者多个反射镜6而引导至亚波长光栅相位差板即偏振相位差板200。反射镜6是对激光2、色散激光8A、8B进行反射而向光路下游引导的镜子。反射镜6配置于激光加工装置100内的光路上的各种位置。

＜偏振光分光器＞

作为分光用偏振光分光器的偏振光分光器7，是将光束状的1束激光2分光为2束色散激光8A、8B的分光器等的偏振片。偏振光分光器7具有使激光2的P波成分透过，对S波成分进行反射的性质。

＜激光加工装置的动作＞

接下来，对激光加工装置100的动作处理顺序进行说明。从激光振荡器1引导来的偏振方位角θ的激光2在透过亚波长光栅构造的偏振相位差板200后，经由光束可变部5而引导至掩模4。

在掩模4中，仅使激光2的期望部分透过，由此将激光2整形为适于激光加工的光束模式形状。通过掩模4整形后的激光2由1个或者多个反射镜6反射而引导至偏振光分光器7。

在偏振光分光器7中，激光2的P波偏振成分透过偏振光分光器7而作为色散激光8A射出。另外，激光2的S波偏振成分由偏振光分光器7反射而作为色散激光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，需要色散激光8A的能量和色散激光8B的能量相等。

＜热透镜＞

热透镜效应是下述现象，即，在高功率的激光将作为偏振片的图1的亚波长光栅构造的偏振相位差板200的基板材料内透过的情况下，基板材料局部地温度上升而产生偏振片的折射率分布，由此，偏振片起到透镜的作用。

此外，在例如上述专利文献1的情况下，在偏振方位角调整用偏振片中派生出热透镜效应。

＜热透镜对加工的影响＞

图6是用于对将透过与本发明所涉及的偏振相位差板200相对应的现有的偏振片17的P波成分向偏振片17的光路下游引导的情况下的热透镜现象进行说明的图。在图6的(a)中，示出没有发生热透镜现象的情况下的激光束强度分布。另外，在图6的(b)中，示出发生了热透镜现象的情况下的激光束强度分布。

在图6的(a)的没有发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，在图6的(b)的发生了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具有与激光束强度分布A1相同的强度分布。

而且，来自激光振荡器1的激光2透过偏振片17。在这里的偏振片17配置于与例如现有的偏振方位角调整装置相同的位置。此时，如果没有发生热透镜现象，则激光束强度分布A1的激光透过偏振片17，由此成为激光束强度分布A2的激光。另外，如果发生了热透镜现象，则激光束强度分布B1的激光透过偏振片17，由此成为与激光束强度分布A2不同的激光束强度分布B2的激光。

如图6的(b)所示，在偏振片17发生了热透镜现象的情况下，与如图6的(a)所示在偏振片17没有发生热透镜现象的情况相比，掩模4中的激光的光束直径改变。热透镜现象的程度依赖于射入至偏振片17的激光的功率，因此在发生了热透镜现象的情况下和没有发生的情况下，透过掩模4的激光的光束能量变化。因此，在发生了热透镜现象的情况下和没有发生的情况下，在到达至图1的被加工物13A、13B的激光的能量产生波动。具体地说，在没有发生热透镜现象的情况下，激光束强度分布A3的激光引导至光路下游。另外，在发生了热透镜现象的情况下，与激光束强度分布A3不同的激光束强度分布B3的激光引导至光路下游。其结果，在发生了热透镜现象的情况下和没有发生的情况下，被加工物的加工孔的品质产生差异。

＜发掘由TFP引起的吸收的课题。透过型也能够实施＞

在本实施方式1中，也与上述专利文献1同样地，相同点在于在偏振相位差板200中激光透过具有厚度的基板，因此考虑根据基板的径向的温度梯度，同样地发生热透镜现象。

与此相对，作为本发明所涉及的调查的结果，在上述专利文献1所涉及的偏振光分光器中使用的TFP(薄膜偏振片)，实际中使用的是厚度大于或等于1μm的ThF₄(氟化钍)层叠多层的构造。具体地说，ThF₄(氟化钍)的层被层叠大于或等于4层。对ThF₄的膜状态下的吸收系数进行了测定，其结果，为19[cm^-1]，是作为母材的ZnSe(硒化锌)(5e^-4[cm^-1])的38000倍。在设为ThF₄的膜厚的合计为5μm左右，ZnSe的基板厚度为5mm的情况下，ThF₄以38倍对激光进行吸收。由TFP吸收的热，由于是薄膜，所以向径向的导热性差，产生径向的温度差。即，可知由TFP中的热的吸收造成的影响是支配性的。

＜亚波长光栅构造的作用和效果＞

与此相对，在本实施方式1中，通过设为使用亚波长光栅构造的偏振相位差板200的功率平衡装置，从而能够仅以对远红外光而言透过率高的基板材料构成，能够排除TFP。其结果，能够不受热透镜现象的影响，将稳定的加工品质的加工孔形成于被加工物13A、13B。

并且，在本实施方式1中，在图2所示的偏振相位差板200的基板202的母材即材料使用ZnS(硫化锌)。在红外透过用材料中，将折射率小的ZnS用于基板，由此防止菲涅尔反射，即使不将YF₃(氟化钇)等吸收率高的材料的膜设置于光栅上，也能够以吸收少的ZnS单一材料构成波长板即偏振相位差板200，能够抑制热透镜的发生。

另外，ZnSe的导热率为18[W/(mK)]，与此相对，ZnS的导热率大，为27.2[W/(mK)]，因此不易产生温度分布，抑制热透镜的发生。

作为一个例子，在图7中示出对作为激光加工装置的功率平衡装置而设置有使用在专利文献1记载的现有的偏振方位角调整用偏振片的偏振方位角调整装置的情况下、和设置有使用亚波长光栅构造的偏振相位差板200的功率平衡装置的情况下的热透镜现象的影响进行评价得到的结果。激光加工装置的功率平衡装置配置于与实施方式1相同的位置。构成为来自激光振荡器1的激光透过功率平衡装置后，经由光束可变部5，在掩模4处仅使期望部分透过。

图7的(a)是作为激光加工装置的功率平衡装置而设置有在专利文献1记载的现有的偏振方位角调整装置的情况下的、与激光振荡器的脉冲发生的频率对应的到达至被加工物的激光的能量强度的变化率的测定结果。横轴表示激光振荡器的脉冲发生的频率(脉冲频率)，纵轴表示到达至被加工物的激光的能量强度的变化率(加工点能量变化率)。

脉冲频率越高，射入至功率平衡装置的激光的功率越高。加工点能量变化率是将脉冲频率为200Hz左右的低频率时的加工点能量作为分母，将各脉冲频率下的加工点能量作为分子，相除得到的值。在脉冲频率低时，加工点能量变化率小，随着脉冲频率变高，加工点能量变化率变大。这表示透过偏振方位角调整装置的激光的功率越高，热透镜效应变得越大，透过掩模的激光的能量强度的变化率变得越大。

图7的(b)是作为激光加工装置的功率平衡装置而设置有使用亚波长光栅构造的偏振相位差板200的功率平衡装置的情况下的、与激光振荡器的脉冲发生的频率对应的到达至被加工物的激光的能量强度的变化率的测定结果。使脉冲频率从200Hz变化至2400Hz时的加工点能量变化率的变化范围，在设置有现有的偏振方位角调整装置的情况下为约7.5％，在设置有使用亚波长光栅构造的偏振相位差板200的功率平衡装置的情况下为约6％，通过将使用亚波长光栅构造的偏振相位差板200的功率平衡装置用于激光加工装置，从而示出抑制热透镜的发生。

图7示出在脉冲频率和加工点能量变化率存在比例关系，来自激光振荡器1的激光的脉冲频率越高，激光的功率越高，通过使用亚波长光栅构造的偏振相位差板200的功率平衡装置实现的热透镜的抑制的效果变得越大，即使是高输出光束也会得到高加工品质。

＜透过型相位差板方式的其他优点＞

上述专利文献1通过偏振方位角调整装置的绕光轴的旋转角，上述专利文献3通过反射面相对于光轴的角度，下游的光轴变化，但在本实施方式1的结构中，通过偏振相位差板200的芯偏差、倾斜度，透过的光的光轴不变化。因此，不是精度低的旋转机构，能够减少成本。

＜使延迟小于π/2(90度)的效果，应用亚波长光栅的课题＞

上述专利文献2的相位差板公开了π、π/2的例子。在亚波长光栅构造中，为了得到π、π/2的延迟，需要细且深的高长宽比的微细构造，因此存在加工困难的问题。

以下，对功率平衡调整所需的延迟进行计算。

如果将由图1所示的偏振光分光器(PBS)7的9A、9B表示的分离方向设为方向a、b，

将射入至偏振光分光器7的直线偏振的光的偏振方位角设为θ，

将偏振相位差板200的延迟设为φ，

将图2的TM偏振方向即进相轴角度设为ψ，

则入射光e0由

【式1】

表示。入射光e0经过偏振相位差板200后的光e1成为

【式2】

e1＝Rot(ψ)Re(Φ)Rot(-ψ)e0 (3)

。光e1在偏振光分光器7分离。分离后的各偏振成分e1a、e1b成为

【式3】

各偏振的功率相对于入射光的功率的差ΔP成为

【式4】

根据上述式(5)，关于通过改变ψ而得到的ΔP的调整幅度，第2项是固定值，第1项的cos(4ψ－2θ)取－1至1的值，因此成为

【式5】

作为激光加工装置的功率平衡调整，±10％左右的调整幅度足够，根据上述式(5)(6)，偏振相位差板200所需的延迟φ成为

φ＞0.64rad＝37度

如上所述，对于功率平衡装置，即使是远小于90度的延迟也在实用上没有问题，由此，能够将偏振相位差板200的凸部203的高度H即槽的深度变浅，能够进行制造。

另外，延迟φ越小，旋转时的调整幅度越窄，即，与旋转角位置偏差对应的平衡变动变得越小，因此也具有能够低价地制造旋转机构的优点。

此外在实施方式1中，亚波长光栅构造的偏振相位差板200和旋转机构220构成激光用的功率平衡装置。

实施方式2.

图3是表示本发明的实施方式2所涉及的激光加工装置的结构的一个例子的图。图4是表示图3的激光用的功率平衡装置300的一个例子的内部结构的透视侧视图。在图3的本实施方式2的激光加工装置中，设置有将图1的实施方式1的亚波长光栅构造的偏振相位差板200和旋转机构220的功能汇总而包含的激光用的功率平衡装置300。激光用的功率平衡装置300如图4所示，具有下述构造，即，在作为反射镜的铜镜210上以光栅构造朝向表的方式叠加亚波长光栅构造的偏振相位差板200，收容于镜保持架214内，并且将O型密封圈211插入并夹入至镜保持架214的按压板212和偏振相位差板200的表面之间而固定。

射入的激光2透过亚波长光栅构造的偏振相位差板200，在铜镜210的表面反射，再一次透过亚波长光栅构造的偏振相位差板200。如上所述，将偏振相位差板200透过2次，因此偏振相位差板200的延迟可以是一半。

另外，在镜保持架214具有旋转机构213，该旋转机构213能够使镜保持架214整体绕铜镜210的反射面的法线旋转。

其他基本的结构与图1的上述实施方式1相同。

＜将反射镜和波长板叠加的效果＞

根据如图4所示的结构，亚波长光栅构造的偏振相位差板200的背面和铜镜210的反射面接触，因此由偏振相位差板200吸收的热在铜镜210方向上流动，偏振相位差板200被冷却。热的流动方向不是径向，如箭头HE所示是光轴方向，因此能够抑制径向的温度梯度的产生。其结果，能够防止热透镜的发生，并且能够进行高功率的激光加工。

图5是表示图3的激光用的功率平衡装置300的其他例的透视侧视图。在图5中，亚波长光栅构造的偏振相位差板200的凸部侧朝向铜镜210的面侧，在铜镜210上以与光栅构造相反的主面朝向表面的方式叠加亚波长光栅构造的偏振相位差板200而收容于镜保持架214。在该情况下，光栅不与空气接触，因此能够防止污物等异物的附着。

以上，根据本发明，通过亚波长光栅构造，能够使用对远红外光而言透过率高的材料而构成功率平衡装置、激光加工装置，因此防止热透镜，即使高输出光束也会得到高加工品质。

另外，通过将偏振相位差板的延迟设为小于π/2，从而偏振相位差板的光栅的长宽比变小，制造变得容易。

另外，将偏振相位差板的材料设为ZnS，因此能够防止热透镜的发生。

另外，通过在偏振相位差板叠加反射镜，从而使偏振相位差板背面与反射镜接触，能够冷却，因此能够防止热透镜的发生，另外，偏振相位差板200的延迟可以是一半。

此外，本发明所涉及的用于激光的功率平衡装置、激光加工装置，并不限定于上述各实施方式。

工业实用性

本发明所涉及的功率平衡装置、激光加工装置能够应用于众多领域的激光加工。

标号的说明

1激光振荡器，2激光，4掩模，5光束可变部，6反射镜，7偏振光分光器，8A、8B色散激光，10Ax、10Ay、10Bx、10By电扫描器，11A、11B fθ透镜，12A、12B XY工作台，13A、13B被加工物，17偏振片，100激光加工装置，200偏振相位差板，201衍射光栅，202基板，203凸部，206锥形状，207防反射膜，210铜镜，211O型环，212按压板，213旋转机构，214镜保持架，220旋转机构，300功率平衡装置。

Claims

1.一种用于激光的功率平衡装置，其具有：

偏振相位差板，其在相对的一对主面的一个主面侧，形成有由与基板材料相同的材料构成的多个凸部以设定周期P分别平行地直线状延伸的衍射光栅，形成为能够利用所述衍射光栅的构造性双折射，被射入远红外光的激光，且所述衍射光栅的所述周期P满足P＜λ/n，λ表示入射光的波长，n表示所述基板材料的折射率；以及

旋转机构，其使所述偏振相位差板旋转，

所述偏振相位差板的延迟小于π/2，

具有与所述偏振相位差板的主面的背面侧接触而叠加的铜反射镜，该铜反射镜的沿所述激光的传输方向的厚度比所述偏振相位差板的厚度更厚。

2.根据权利要求1所述的用于激光的功率平衡装置，其中，

所述偏振相位差板的材料由ZnS构成。

3.一种激光加工装置，其具有：

权利要求1或2记载的用于激光的功率平衡装置；

激光振荡器，其针对所述功率平衡装置的偏振相位差板而产生所述激光；以及

分光部，其在从所述偏振相位差板至被加工物为止的光路上，将所述激光分光为2束激光。