CN115210973A - 波长变换激光装置及波长变换激光加工机 - Google Patents

Abstract

消除现有的波长变换装置的问题、即如果使激光的脉冲频率变化，则波长变换后的平均输出会变化，从非线性介质射出的激光的角度会变化，具有：脉冲激光光源(1)，其产生激光(3)；脉冲频率控制单元(2)，其对脉冲频率进行控制；非线性介质(8)，其将激光(3)的一部分向激光(9)进行波长变换；聚光透镜(7)，其对激光(3)进行聚光；准直用透镜(10)，其对激光(9)的扩展角进行调整；平行平面板(13)，其供经过了准直用透镜(10)的激光(9)射入，并且使激光(9)透过而射出；以及角度调整机构(14)，其对向平行平面板(13)射入的激光(9)的入射角度进行控制。

Description

波长变换激光装置及波长变换激光加工机

技术领域

本发明涉及使用非线性介质将激光变换为不同波长的波长变换激光装置及波长变换激光加工机。

背景技术

已知一种波长变换激光装置，其通过使激光射入至非线性介质，从而将具有与射入的激光的波长不同波长的激光射出。该波长变换激光装置通过使作为基波的激光射入至第1非线性介质，从而产生具有基波的一半波长的第2谐波，并且使基波和第2谐波射入至第2非线性介质，从而产生具有基波的3分之1的波长的第3谐波。将用于进行波长变换的固体状的非线性介质称为波长变换晶体。在非线性介质的内部，在进行波长变换前的激光的波数矢量之和与波长变换后的激光的波数矢量一致时，会发生强的波长变换。在第3谐波的产生满足下式的情况下，得到最强的第3谐波。

【式1】

k_ω、k_2ω、k_3ω分别是基波、第2谐波、第3谐波的波数矢量。该条件被称为相位匹配条件。波数矢量的朝向是与激光的等相位面垂直的方向，通常是激光的行进方向。另外，波数矢量的大小通过下式表示。

【式2】

k为波数矢量的大小，n为非线性介质的折射率，λ为激光的波长。非线性介质的折射率n依赖于非线性介质的温度，因此通过非线性介质的温度而波数矢量变化。因此，为了满足相位匹配条件而需要对非线性介质的温度进行控制。

波长变换激光装置作为微细加工用的光源被使用。为了提高加工速度，有时在加工的中途对激光的脉冲频率进行变更，如果改变基波的脉冲频率，则第3谐波的脉冲频率也变化。波长变换的变换效率依赖于射入至非线性介质的激光的脉冲能量。在基波的平均输出恒定的情况下，如果提高脉冲频率，则1个脉冲所包含的脉冲能量降低，因此波长变换后的激光的平均输出降低。

在高输出的激光装置中，构成激光装置的光学部件、对光学部件进行固定的保持架吸收激光而发热，有时由于该发热而激光的光轴发生变化。为了抑制激光的光轴变化，公开了使用搭载有致动器的能够进行角度调整的保持架的激光装置。

专利文献1：日本特开2014―170839号公报(第12页，图2)

发明内容

在非线性介质存在激光的吸收的情况下，如果变更激光的脉冲频率，则波长变换后的平均输出会变化，由非线性介质吸收的热量变化，因此非线性介质的温度变化。如果非线性介质的温度变化，则与温度变化相伴的非线性介质的折射率变化，波数矢量变化。其结果，满足相位匹配条件的激光的行进方向变化，从非线性介质射出的激光的出射角度变化。从非线性介质射出的激光的出射角度的变化依赖于非线性介质的温度变化，因此不是瞬时的变化，需要几秒至几十秒左右的时间。因此，为了使用现有的激光装置中公开这种搭载有致动器的能够进行角度调整的保持架而进行激光的角度调整，无法通过1个能够角度调整的保持架进行应对，需要大于或等于2个能够角度调整的保持架，存在导致激光装置的大型化、高成本化这样的问题。

本发明就是为了解决上述这样的问题而提出的，其目的在于得到能够应对通过对激光的脉冲频率进行变更而波长变换后的激光的输出变化，能够仅通过1轴的光轴调整机构抑制激光的光轴变化的波长变换激光装置。

本发明所涉及的波长变换激光装置具有：脉冲激光光源，其产生第1激光；脉冲频率控制单元，其对由该脉冲激光光源进行脉冲振荡的第1激光的脉冲频率进行控制；非线性介质，其将第1激光的一部分向第2激光进行波长变换；聚光透镜，其对第1激光进行聚光；准直用透镜，其对第2激光的扩展角进行调整；平行平面板，其供经过该准直用透镜的第2激光射入，并且使第2激光透过而射出；以及角度调整机构，其对向该平行平面板射入的第2激光的入射角度进行控制。

发明的效果

本发明将与非线性介质的温度变化相伴而发生的从非线性介质射出的激光的出射角度的变化通过准直用透镜向光轴的平行移动变换。并且，通过由角度调整机构角度调整后的平行平面板的光轴移动对平行移动的激光的光轴进行校正。其结果，具有下述效果，即，即使由脉冲频率控制单元对脉冲激光光源的脉冲频率进行变更，也能够抑制从非线性介质射出的激光的光轴移动的量。

附图说明

图1是本发明的实施例1所示的波长变换激光装置的结构图。

图2是本发明的实施例1所示的脉冲激光光源的结构图。

图3是本发明的实施例1所示的脉冲激光光源的其他方式的结构图。

图4是各激光在本发明的实施例1所示的第3谐波产生晶体的内部行进的光路图。

图5是表示与将本发明的实施例1所示的平行平面板透过相伴的第3谐波的光轴移动的说明图。

图6是表示通过本发明的实施例1所示的准直用透镜实现的经过第3谐波产生晶体后的第3谐波的光轴移动的说明图。

图7是将本发明的实施例1所示的脉冲频率进行变更时的第3谐波的光轴的时间变化的测定结果。

图8是表示通过本发明的实施例1所示的平行平面板的角度调整进行的第3谐波的光轴变化的校正的说明图。

图9是表示由将本发明的实施例1所示的脉冲频率变更后的平行平面板引起的光轴的角度的调整量的历时变化的图。

图10是通过平行平面板的角度调整对在经过本发明的实施例1所示的准直用透镜后发生的第3谐波的光轴移动进行校正的情况下的校正量的计算结果。

图11是本发明的实施例2所示的波长变换激光装置的结构图。

图12是通过本发明的实施例2所示的平行移动机构的平行移动进行的第3谐波的光轴变化的校正的说明图。

图13是本发明的实施例3所示的波长变换激光装置的结构图。

图14是表示通过本发明的实施例3所示的棱镜将光束直径扩大的情形的说明图。

图15是表示通过本发明的实施例3所示的平行移动机构的平行移动进行的第3谐波的光轴变化的校正的说明图。

图16是本发明的实施例4所示的波长变换激光加工机的结构图。

图17是即将经过本发明的实施例4所示的掩模前的激光的强度分布。

图18是对驱动本发明的实施例4所示的波长变换激光装置的脉冲频率进行变更前的经过掩模后的激光的强度分布。

图19是经过本发明的实施例4所示的掩模后的激光的光轴从掩模的中心位置偏移的情况下的激光的强度分布。

图20将驱动本发明的实施例4所示的波长变换激光装置的脉冲频率变更后的经过掩模后的激光502的激光的强度分布。

具体实施方式

实施例1.

图1是本发明的实施例1所示的波长变换激光装置的结构图。图1所示的波长变换激光装置50具有脉冲激光光源1、脉冲频率控制单元2、聚光透镜4、作为非线性介质的第2谐波产生晶体5、聚光透镜7、作为非线性介质的第3谐波产生晶体8、准直用透镜10、平行平面板13和平行平面板的角度调整机构14。脉冲激光光源1将成为第1激光即基波的激光3进行输出。进行脉冲振荡的脉冲激光光源1的脉冲频率能够通过脉冲频率控制单元2进行变更。从脉冲激光光源1输出的激光3为单模。

图2是本发明的实施例1所示的脉冲激光光源的结构图。图2所示的脉冲激光光源1为Q开关激光器。脉冲激光光源1具有对激光110进行全反射的高反射镜101和对激光110之中的一部分进行反射、使剩余激光透过的部分反射镜102。在高反射镜101和部分反射镜102之间配置有激光介质103、激励光耦合镜104、声响光学元件105。由半导体激光器即光源106产生、经过光纤107而输出的激励光108经过激励光学系统109和激励光耦合镜104而对激光介质103进行照射。

激光介质103吸收激励光108，使基波的波长即自然放射光产生。自然放射光在高反射镜101和部分反射镜102之间往复，在经过激光介质103时通过放大而振荡，在高反射镜101和部分反射镜102之间由基波的波长即激光110生成。激光110如果射入至部分反射镜102，则其一部分作为成为基波的激光3被取出。光源106的波长为808nm、879nm、888nm，激光3的波长为1064nm。

激光介质103是在晶体、玻璃或者陶瓷添加有稀土类元素、钛的固体状的激光介质。构成激光介质103的激光晶体为YAG(Yttrium Aluminum Garnet)、YVO4(YttriumVanadate)、GdVO4(Gadolinium Vanadate)、蓝宝石(Al2O3)、KGW(钾钆钨)或者KYW(钾钇钨)。稀土类元素为Nd(钕)、Yb(镱)、Er(铒)、Ho(钬)、Tm(铥)或者Pr(镨)。

声响光学元件105接收由RF驱动器112输出的RF信号，在被输入RF信号时和没有输入RF信号时使激光110的光轴变化。通过将向声响光学元件105输入的RF信号开启而光轴变化后的激光110无法在高反射镜101和部分反射镜102之间往复，因此振荡停止。在振荡停止的期间，激光介质103也吸收激励光108，通过吸收而积蓄能量。在激光介质103积蓄有激励光108的能量的状态下，将向声响光学元件105输入的RF信号关闭，在高反射镜101和部分反射镜102之间再次振荡，从而积蓄的能量一下子释放，高强度的激光3输出。

脉冲发生装置113通过对由RF驱动器112输出的RF信号的开启和关闭的定时进行控制，从而对激光3的脉冲频率进行控制。激光3的脉冲频率为几十kHz至几百kHz，脉冲的宽度为几ns至几百ns。在如上所述的Q开关激光器中，如果通过脉冲频率的倒数表示的脉冲间隔时间比激光介质103的上能级寿命短，则激光3的平均输出由激励光108的输出决定，因此在激励光108的输出大致恒定的情况下，即使激光3的脉冲频率变化，激光3的平均输出的变化仍小。即，作为Q开关激光器的脉冲激光光源1即使变更脉冲频率，也能够取出大致恒定的平均输出的激光3。

图3是本发明的实施例1所示的脉冲激光光源的其他方式的结构图。脉冲激光光源200具有半导体激光器201、光源205、光纤放大器206和固体放大器220。半导体激光器201是InGaAs的半导体激光器。半导体激光器201通过驱动电源202进行脉冲驱动，使微弱的激光即种子光La产生。驱动电源202在半导体激光器201流动电流，对流动的电流的脉冲频率进行变更，由此能够对种子光La的脉冲频率进行控制。种子光La的脉冲的宽度为10ps至100ns左右，平均输出与脉冲频率大致成正比，为100nW至10mW左右。

半导体激光器201与光纤203耦合，种子光La在光纤203的内部进行传输。耦合器204使从光源205产生的激励光Le和种子光La同轴地耦合，导入至光纤放大器206。光纤放大器206对从光源205产生的激励光Le进行吸收，将种子光La放大至10倍至1000倍，作为放大光Lb而从端面207射出。光纤放大器206是添加有Yb(镱)、Er(铒)、Ho(钬)、Tm(铥)或者Pr(镨)这样的稀土类的光纤。

放大光Lb的平均输出为1μW至10W左右。放大光Lb由具有固体状的激光介质的固体放大器220放大，作为放大光Lc而从固体放大器220射出。在本发明中，放大光Lc成为基波的激光3。固体放大器220具有激光介质803、激励光耦合镜804、光源806和光纤807，由光源806产生、经过光纤807而射出的激励光808将激励光学系统809和激励光耦合镜804透过而被激光介质803吸收。吸收了激励光808的激光介质803使放大光Lb饱和放大。饱和放大的放大光Lb由激励光耦合镜804反射，作为放大光Lc射出。固体放大器220使放大光Lb饱和放大，因此即使放大光Lb的平均输出变动，放大光Lc的平均输出仍大致恒定。放大光Lc的平均输出为1W至几百W左右，高于种子光La的平均输出。因此，通过驱动电源202对种子光La的脉冲频率进行变更，即使种子光La的平均输出变化，放大光Lc的平均输出实质上也不变化，因此能够取出大致恒定的平均输出的基波的放大光Lc。

如图1所示，从脉冲激光光源1射出的基波的激光3通过聚光透镜4而聚光于第2谐波产生晶体5。第2谐波产生晶体5将激光3的一部分变换为具有激光3的一半波长的第2谐波6。第2谐波6和没有变换为第2谐波6而剩余的激光3通过聚光透镜7而聚光于第3谐波产生晶体8的包含表面的内部。第3谐波产生晶体8通过第2谐波6和激光3，使具有第2激光即激光3的3分之1的波长的第3谐波9产生。第2谐波产生晶体5和第3谐波产生晶体8是LBO晶体(LiB3O5)、KTP晶体(KTiPO4)、BBO晶体(β－BaB2O4)、CBO晶体(CsB3O5)、CLBO晶体(CsLiB6O10)等非线性介质。如上所述，将使用非线性介质，产生与作为基波的激光3不同的波长的激光的方法称为波长变换，将此时使用的非线性介质称为波长变换晶体。如图1所示，使具有作为基波的激光3的3分之1的波长的激光产生的过程被称为第3谐波产生。

如果将向第3谐波产生晶体8射入的激光3、第2谐波6和由第3谐波产生晶体8产生的第3谐波9的波数矢量分别设为k_ω、k_2ω、k_3ω，则第3谐波产生中的相位不匹配Δk通过下式表示，在相位不匹配Δk变小时，得到强的第3谐波9。

【式3】

波数矢量k_ω、k_2ω、k_3ω的大小使用作为基波的激光3的波长λ，分别通过下式表示。

【式4】

【式5】

【式6】

n₁、n₂、n₃分别是激光3、第2谐波6、第3谐波9中的第3谐波产生晶体8的折射率。

第2谐波产生晶体5和第3谐波产生晶体8的折射率还依赖于晶体的温度。温度控制器16和温度控制器17通常以减小相位不匹配Δk而第3谐波9的平均输出变得最高的方式，对第2谐波产生晶体5和第3谐波产生晶体8的温度进行控制。

波长变换的变换效率依赖于被变换的激光的峰值强度，被变换的激光的峰值强度越高，则变换效率越提高。作为基波的激光3和第2谐波6通过聚光透镜4、聚光透镜7聚光，由此以高强度射入至第2谐波产生晶体5、第3谐波产生晶体8，其结果，能够进行高效率的波长变换。另外，激光3进行脉冲振荡，因此具有比具有相同的平均输出的连续波振荡的激光更高的峰值强度，因此能够进行高效率的波长变换。

为了得到强的第3谐波9，只要相位不匹配Δk变小即可，因此向第3谐波产生晶体8射入的激光3、第2谐波6和由第3谐波产生晶体8产生的第3谐波9的波数矢量k_ω、k_2ω、k_3ω无需一定是相同的朝向。图4是各激光在本发明的实施例1所示的第3谐波产生晶体的内部行进的光路图。激光3、第2谐波6和第3谐波9的行进方向分别是波数矢量k_ω、k_2ω、k_3ω的朝向。如图4所示，激光3和第2谐波6同轴地射入至第3谐波产生晶体8，但在激光3和第2谐波6中，波长、偏振状态不同，因此在第3谐波产生晶体8的内部以不同的折射率行进。其结果，在第3谐波产生晶体8的内部，波数矢量k_ω和k_2ω的朝向不同。

在相位不匹配Δk变得最小，即，成为零时，式3通过下式表示，第3谐波9的波数矢量k_3ω成为激光3的波数矢量k_ω和第2谐波6的波数矢量k_2ω之间的朝向。

【式7】

激光3和第2谐波6通过聚光透镜7而聚光于第3谐波产生晶体8的内部，因此产生的第3谐波9在第3谐波产生晶体8上具有光束腰，在从第3谐波产生晶体8射出后，第3谐波9以扩展角发散的方式行进。准直用透镜10是用于将发散的第3谐波9的扩展角设为平行的透镜，配置为其焦点位置位于第3谐波产生晶体8的包含表面的内部。准直用透镜10是绕光轴具有旋转对称性的平凸形状的球面或者非球面的透镜。

或者准直用透镜10是曲率的朝向彼此正交的2块平凸形状的柱面透镜。2块柱面透镜的焦距彼此不同，可以配置为以在柱面透镜各自的曲率的朝向第3谐波9的扩展角变得平行的方式，使2块柱面透镜的焦点位置位于第3谐波产生晶体8的包含表面的内部。在该情况下，即使从第3谐波产生晶体8射出的第3谐波9的发散角在柱面透镜各自的曲率的朝向不同，通过对适当的焦距的柱面透镜进行选择，从而也能够将从2块的柱面透镜射出的第3谐波9设为平行且圆度高的光束形状。

第3谐波9和没有通过第3谐波产生晶体8进行波长变换而剩余的激光3和第2谐波6通过波长分离镜11分离。如图1所示，第3谐波9透过波长分离镜11，没有进行波长变换而剩余的激光3和第2谐波6由波长分离镜11反射。另外，虽然未图示，但第3谐波9由波长分离镜11反射，没有进行波长变换而剩余的激光3和第2谐波6可以透过波长分离镜11。

通过波长分离镜11从第3谐波9分离的没有进行波长变换而剩余的激光3和第2谐波6由阻尼器12接受而由阻尼器12吸收。在图1中，在没有进行波长变换而剩余的激光3和第2谐波6透过准直用透镜10之后配置有波长分离镜11，但也可以配置于第3谐波产生晶体8和准直用透镜10之间。波长分离镜11是以在第3谐波9的波长具有透过特性，在激光3和第2谐波6的波长具有反射特性的方式设计出的电介质多层膜镜。波长分离镜11并不限定于镜的光学元件，只要是能够通过波长将激光分离即可，可以如棱镜、衍射光栅等那样，通过波长使光轴变化。

第3谐波9透过平行平面板13从波长变换激光装置50射出。平行平面板13是第3谐波9射入的面和射出的面彼此变得平行，在第3谐波9的波长实质上透明。平行平面板13是实施了在第3谐波9的波长防止反射的防反射膜的合成石英、BK7等光学玻璃。平行平面板13能够通过角度调整机构14在旋转方向15的朝向对角度进行控制，能够对第3谐波9向平行平面板13的入射角度进行控制。

角度调整机构14由旋转工作台、伺服电动机构成。在第3谐波9通过除了垂直射入以外的倾斜射入的角度向平行平面板13射入的情况下，在第3谐波9透过平行平面板13时，第3谐波9在向平行平面板13射入的面和射出的面发生折射，因此在向平行平面板13射入前和射出后，第3谐波9的光轴进行平行移动。

图5是表示与将本发明的实施例1所示的平行平面板透过相伴的第3谐波的光轴移动的说明图。第3谐波9射入至以入射角度θ₁向平行平面板13射入的面S1，并且在向平行平面板13射入的面S1折射。如果将平行平面板13的折射率设为n、将折射角度设为θ₂，则折射角度θ₂满足下式。

【式8】

sinθ1＝nsinθ₂

平行平面板13是射入的面S1和射出的面S2彼此平行，因此在射入的面S1通过折射而变化后的第3谐波9的光轴，相对于射出的面S2以θ₂的角度射入。如果将从射出的面S2射出的第3谐波9的出射角度设为θ₃，则出射角度θ₃满足下式。

【式9】

n sinθ₂＝sinθ₃

其结果，成为θ₁＝θ₃，向平行平面板13射入的第3谐波9的光轴18和从平行平面板13射出的第3谐波9的光轴19变得平行，但光轴18和光轴19成为以第3谐波9在平行平面板13的内部折射的量偏移的状态。如果将第3谐波9的光轴18和光轴19平行移动的量设为d，将向平行平面板13射入的面S1和射出的面S2之间的距离设为t，则下式成立。

【式10】

d＝tcosθ₁(tanθ₁-tanθ₂)

即使通过脉冲频率控制单元2使脉冲激光光源1对脉冲频率进行变更，在以大致恒定的平均输出将激光3射出的情况下，如果对脉冲激光光源1的脉冲频率进行了变更，则1个脉冲所包含的脉冲能量也会变化。其结果，激光3的峰值强度变化，因此波长变换的变换效率变化。如果使脉冲频率增加，则波长变换的效率降低，因此第3谐波9的平均输出降低。另一方面，如果使脉冲频率减少，则波长变换的效率提高，因此第3谐波9的平均输出提高。

在第3谐波9的波长处在第3谐波产生晶体8存在吸收的情况下，如果第3谐波9的平均输出变化，则第3谐波产生晶体8所吸收的热量变化，其结果，第3谐波产生晶体8的温度变化。在波长变换中使用的非线性介质存在几ppm至几千ppm左右的吸收，如果波长变短，则吸收的比例大多提高。因此，处于比基波的激光3、第2谐波6的波长短的第3谐波9被非线性介质吸收的比例提高的倾向。

如果第3谐波产生晶体8的温度变化，则第3谐波产生晶体8的折射率变化，因此相位不匹配Δk变化。如图4所示，在激光3和第2谐波6相对于第3谐波产生晶体8以除了垂直射入以外的倾斜射入的角度射入的情况下，激光3和第2谐波6的折射角度也变化，因此波数矢量k_ω和k_2ω的朝向变化。在该情况下，第3谐波9的波数矢量k_3ω的朝向成为相位不匹配Δk变短最小的朝向。

如果通过脉冲频率控制单元2使脉冲激光光源1的脉冲频率变化，则与脉冲频率的变化相伴的第3谐波9的光轴的朝向变化。第3谐波9的光轴的朝向变化的面由激光3和第2谐波6相对于第3谐波产生晶体8的入射方向、第3谐波产生晶体8的特性等决定。第3谐波9的光轴的朝向的变化是以第3谐波产生晶体8为起点而发生的，因此通过将准直用透镜10的焦点位置配置为处于第3谐波产生晶体8的包含表面的内部，从而第3谐波9的光轴的朝向恢复为与对脉冲频率进行变更前相同的朝向。与对脉冲频率进行变更相伴而发生的经过第3谐波产生晶体8后的第3谐波9的光轴的朝向的变化，通过准直用透镜10而向第3谐波9的光轴的平行移动变换。在本发明的实施例1中，准直用透镜10由1个光学元件构成，与用于将发散的第3谐波9设为平行的透镜的作用并行地，将对脉冲频率进行变更时的第3谐波9的光轴的朝向的变化向平行移动变换。

图6是表示通过本发明的实施例1所示的准直用透镜实现的经过第3谐波产生晶体后的第3谐波的光轴的移动的说明图。光轴9a是对脉冲频率进行变更前的第3谐波9的光轴，光轴9b是对脉冲频率进行变更后的第3谐波9的光轴。第3谐波产生晶体经过后的光轴9a和光轴9b的朝向不同，但在经过准直用透镜10后，光轴9a和光轴9b成为平行移动。

图7是将本发明的实施例1所示的脉冲频率进行变更时的第3谐波的光轴的时间变化的测定结果。通过脉冲频率控制单元2得到的脉冲激光光源1的脉冲频率能够瞬时地切换，但第3谐波9的平行移动的量依赖于第3谐波产生晶体8的温度。第3谐波产生晶体8的温度变化依赖于第3谐波产生晶体8的导热率、热容等，温度变化的时间常数比脉冲频率的变更所需的时间长，因此直至第3谐波9的平行移动的量稳定为止，在将脉冲频率变更后需要一定的时间。如图7所示，在将脉冲频率变更后直至第3谐波9的平行移动的量稳定为止，需要大约30秒的时间。

角度调整机构14通过对平行平面板13的角度进行控制，从而在与基于脉冲频率的变更的经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴移动相反的朝向使光轴移动，对经过平行平面板13后的第3谐波9的光轴变化进行校正。角度调整机构14的角度调整的轴可以仅为1轴。

图8是表示通过本发明的实施例1所示的平行平面板的角度调整进行的第3谐波的光轴变化的校正的说明图。在对脉冲频率进行变更前，平行平面板13置于位置13a的位置，但在对脉冲频率变更后，通过角度调整机构14以使平行平面板13处于位置13b的位置的方式进行角度调整。如上所述，角度调整机构14以在脉冲频率的变更前后经过平行平面板13的第3谐波9的光轴没有变化的方式进行控制。

与相伴于脉冲频率的变更的经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴移动的时间变化联动地，通过角度调整机构14对平行平面板13的角度进行控制，由此也能够使得经过平行平面板13的第3谐波9的光轴不发生历时变化。可以预先对经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴移动的量进行测定，以与脉冲频率的变更后相同的光轴移动的量向相反的朝向光轴移动的方式决定平行平面板13的角度的调整量，对角度调整机构14进行控制。另外，设置在经过平行平面板13后对第3谐波9的位置进行测定的测定器，可以以即使变更脉冲频率，经过平行平面板13后的第3谐波9的位置也不变化的方式，通过角度调整机构14对平行平面板13的角度调整进行反馈控制。

图9是表示由将本发明的实施例1所示的脉冲频率变更后的平行平面板引起的光轴的角度的调整量的历时变化的图。另外，图10是通过平行平面板的角度调整对在经过本发明的实施例1所示的准直用透镜后发生的第3谐波的光轴移动进行校正的情况下的校正量的计算结果。如图9和图10所示，通过角度调整机构14进行平行平面板13的角度调整，由此能够抑制第3谐波9的光轴移动的量。

根据本发明的实施例1，即使通过脉冲频率控制单元2对脉冲激光光源1的脉冲频率进行变更，也能够仅通过1轴的角度调整机构14将第3谐波9的光轴保持恒定。在本发明的实施例1中，将第3谐波的发生作为一个例子而进行了说明，但并不限定于第3谐波的发生。另外，对本发明的实施例1所示的平行平面板13和角度调整机构14设置于波长变换激光装置50的封装的框体中的情况进行了说明，但也可以设置于波长变换激光装置50的外部。

如上所述，根据本发明的实施例1，由第3谐波产生晶体8的温度变化引起的第3谐波9的出射角度的变化，通过第3谐波9经过第3谐波产生晶体8后的准直用透镜10向光轴的平行移动进行变换。平行移动的第3谐波9的光轴通过由角度调整机构14角度调整后的平行平面板13的光轴移动进行校正，因此即使通过脉冲频率控制单元2对脉冲激光光源1的脉冲频率进行变更，也能够抑制第3谐波9的光轴移动的量。

实施例2.

图11是本发明的实施例2所示的波长变换激光装置的结构图。波长变换激光装置300取代图1所示的波长分离镜11、平行平面板13和角度调整机构14，具有反射镜即反射型波长分离镜301和第1平行移动机构即平行移动机构302。如图11所示，反射型波长分离镜301使第2激光即第3谐波9以将光轴的朝向改变90°的方式反射，并且使经过第3谐波产生晶体8而没有波长变换的剩余的第1激光即基波的激光3和第2谐波6透过。将反射型波长分离镜301透过的激光3和第2谐波6由阻尼器12接受而由阻尼器12吸收。反射型波长分离镜301配置为由反射型波长分离镜301反射的第3谐波9的光轴在脉冲频率变更的前后，存在于经过准直用透镜10后的包含第3谐波9的光轴的面内。

如果通过脉冲频率控制单元2对脉冲激光光源1的脉冲频率进行变更，则第3谐波9的光轴进行平行移动。与第3谐波9的光轴的平行移动相伴，平行移动机构302使反射型波长分离镜301在移动方向303的方向平行移动，以其平行移动的移动量和朝向成为与由于脉冲频率的变更而产生的经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴平行移动的移动量相同的移动量和朝向的方式，对第3谐波9的入射位置进行控制。经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴平行移动的朝向被决定，因此平行移动机构302只要是能够进行1轴的平行移动的移动机构即可。

图12是表示本发明的实施例2所示的平行移动机构的平行移动进行的第3谐波的光轴变化的校正的说明图。如图12所示，在对脉冲频率进行变更前，反射型波长分离镜301置于位置301a的位置。在将脉冲频率变更后，通过平行移动机构302使反射型波长分离镜301的位置移动至位置301b，在脉冲频率变更的前后，使得由反射型波长分离镜301反射出的第3谐波9的光轴不变。预先测定出与脉冲频率的变更相伴的经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴的移动量，只要以与脉冲频率的变更联动地以相同的移动量使反射型波长分离镜301移动的方式进行控制即可。或者，设置对由反射型波长分离镜301反射的第3谐波9的光轴的位置进行测定的测定器，以即使变更脉冲频率，由反射型波长分离镜301反射的第3谐波9的光轴的位置也不变的方式，经由平行移动机构302对反射型波长分离镜301的位置进行反馈控制。

如上所述，根据本发明的实施例2，即使变更脉冲频率，仅通过1轴的平行移动机构302也能够将射出的第3谐波9的光轴的位置保持恒定。并且，激光3、第2谐波6和第3谐波9的波长分离和射出的第3谐波9的光轴移动的校正能够通过1个反射型波长分离镜301进行。

实施例3.

图13是本发明的实施例3所示的波长变换激光装置的结构图。波长变换激光装置400取代图1所示的平行平面板13和角度调整机构14，具有第1棱镜即棱镜401、第2棱镜即棱镜402和第2平行移动机构即平行移动机构403。

即使第1激光即基波的激光3和第2谐波6在第3谐波产生晶体8为圆形状的激光，通过第3谐波产生晶体8进行波长变换时的激光3、第2谐波6和第3谐波9的波数矢量所成的容许角度根据方向而不同。其结果，从第3谐波产生晶体8产生的第2激光即第3谐波9根据行进方向而发散角不同，成为椭圆的形状的激光。激光3和第2谐波6通过聚光透镜7而聚光于第3谐波产生晶体8，因此在从第3谐波产生晶体8产生的第3谐波9的各行进方向，第3谐波9的光束腰的位置处于第3谐波产生晶体8的位置，准直用透镜10一边将第3谐波9保持为椭圆的形状，一边在各行进方向变得平行。

如图13所示，通过准直用透镜10设为平行的第3谐波9经过三棱柱形状即棱镜401和棱镜402。棱镜401和棱镜402仅使第3谐波9的一个方向的光束直径变化，以与第3谐波9的另一方向的光束直径变得相同的方式进行调整，通过棱镜401和棱镜402将以椭圆的形状射入的第3谐波9变换为圆形状。在通过棱镜401和棱镜402变化的方向的光束直径比另一方向的光束直径小的情况下，棱镜401和棱镜402使变化的方向的光束直径扩大。

图14是表示通过本发明的实施例3所示的棱镜将光束直径扩大的情形的说明图。向棱镜401射入的激光405在经过棱镜401和棱镜402时折射而光束直径扩大，作为扩大的激光406而射出。光束直径的扩大率依赖于棱镜401和棱镜402的折射率和入射角度，不依赖于配置有棱镜401和棱镜402的间隔的距离。

如图13所示，如果通过脉冲频率控制单元2对脉冲激光光源1的脉冲频率进行变更，则平行移动机构403使棱镜402在移动方向404的方向平行移动。移动方向404是与从棱镜402射出的第3谐波9的光轴平行的方向。以对经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴平行移动的移动量进行校正的方式，平行移动机构403对棱镜402的移动量进行控制而对第3谐波9的入射位置进行控制。经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴平行移动的朝向被决定，因此平行移动机构403只要是能够进行1个方向的平行移动的移动机构即可。

图15是表示通过本发明的实施例3所示的平行移动机构的平行移动进行的第3谐波的光轴变化的校正的说明图。在对脉冲频率进行变更前，棱镜402置于位置402a的位置。与脉冲频率的变更联动地通过平行移动机构403将棱镜402控制于位置402b的位置，由此在脉冲频率变更的前后，使得经过棱镜402后的第3谐波9的光轴不变。预先对与脉冲频率的变更相伴的经过准直用透镜10后的第3谐波9的光轴的移动量进行测定，只要对经过棱镜402后的第3谐波9的光轴的位置不变的棱镜402的位置进行计算即可。或者，设置有对经过棱镜402后的第3谐波9的光轴的位置进行测定的测定器，可以以即使变更脉冲频率，经过棱镜402后的第3谐波9的光轴的位置也不变的方式，经由平行移动机构403对棱镜402的位置进行反馈控制。

如上所述，根据本发明的实施例3，即使变更脉冲频率，也能够仅通过1个方向的平行移动机构403将射出的第3谐波9的光轴的位置保持恒定。并且，能够将激光3、第2谐波6和第3谐波9的波长分离和射出的第3谐波9的光束形状从椭圆形变换为圆形。

实施例4.

图16是本发明的实施例4所示的波长变换激光加工机的结构图。波长变换激光加工机500如图16所示，具有本发明的实施例1至实施例3所涉及的波长变换激光装置的任意者即波长变换激光装置501、和对被加工对象物509进行支撑的被加工对象物支撑部508。波长变换激光加工机500具有掩模504、将从波长变换激光装置501射出的第2激光即激光502照射至被加工对象物509的加工头505、使加工头505和被加工对象物支撑部508相对地移动的相对移动部512以及对相对移动部512和波长变换激光装置501的动作进行控制的控制装置513。

被加工对象物支撑部508载置被加工对象物509，对被加工对象物509进行支撑。在本发明的实施例4中，被加工对象物509是将柔性印刷基板(FPC：Flexible PrintedCircuits)、印刷配线板(PCB：Printed Circuit Board)多层化的多层基板。柔性印刷基板、印刷配线板由树脂和铜构成。因此，从本发明的实施例4所示的波长变换激光装置501射出的激光502的波长优选是被树脂和铜这两者吸收的紫外区域。

加工头505具有导光镜506和聚光透镜507。从波长变换激光装置501射出的激光502通过光束调整光学系统503对光束直径、发散角进行调整，射入至掩模504。掩模504具有圆形、矩形的开口，经过掩模504后的激光502的形状成为与掩模504的开口的形状相同的形状。经过掩模504后的激光502经过导光镜506和聚光透镜507，照射至被加工对象物509。聚光透镜507将经过掩模504后的位置处的激光502的形状转印至被加工对象物509。

相对移动部512使从加工头505照射的激光502和被加工对象物支撑部508沿图16所示的X方向和Y方向的至少一方相对地移动。在本发明的实施例4中，相对移动部512使被加工对象物支撑部508沿X方向和Y方向的至少一方移动，但也可以使加工头505沿X方向和Y方向两者移动，也可以使加工头505和被加工对象物支撑部508两者沿X方向和Y方向的至少一方移动。

相对移动部512由电动机、通过电动机的旋转驱动力使被加工对象物支撑部508移动的丝杠、和对被加工对象物支撑部508的移动方向进行引导的线性引导部构成。相对移动部512的结构并不限定于电动机、丝杠和线性引导部所涉及的结构。相对移动部512由控制装置513控制。另外，相对移动部512具有电控反射镜、多棱镜，可以通过电控反射镜、多棱镜使激光502扫描。在该情况下，聚光透镜507优选由Fθ透镜构成。

本发明的实施例4所示的波长变换激光加工机500，一边通过相对移动部512使被加工对象物支撑部508移动，一边照射出经过了加工头505的激光502，使激光502在被加工对象物509的表面扫描。波长变换激光加工机500在预先设定于被加工对象物509的期望的位置形成微细的加工孔510。加工孔510是盲孔、贯通孔。加工孔510的直径能够通过掩模504的开口的直径而适当设定。在波长变换激光装置501通过特定的脉冲频率进行驱动时，掩模504的开口的中心位置以与激光502的光轴一致的方式进行调整。

加工所需的激光502的脉冲能量由于在被加工对象物509形成的加工孔510的深度、形状而且被加工对象物509的结构材料的差异而成为不同的值。如果波长变换激光装置501通过高的脉冲频率进行驱动，则激光502的脉冲能量降低，如果通过低的脉冲频率进行驱动，则脉冲能量提高。另一方面，如果是具有加工所需的脉冲能量的激光502，则脉冲频率越高，能够进行越高速的加工。因此，在确保加工所需的脉冲能量后进行高速的加工的情况下，优选针对加工的每个种类对脉冲频率进行调整。

本发明的实施例4所示的波长变换激光加工机500具有本发明的实施例1至实施例3所涉及的波长变换激光装置的任意者，因此即使与加工的种类相匹配地对驱动波长变换激光装置501的脉冲频率进行变更，激光502的光轴也不变化。因此，即使波长变换激光装置501的脉冲频率变化，经过掩模504后的激光502的形状也不变化，被加工对象物509的位置处的激光502的形状也不变化。

图17是即将经过本发明的实施例4所示的掩模前的激光的强度分布。图18是对驱动本发明的实施例4所示的波长变换激光装置的脉冲频率进行变更前的经过掩模后的激光的强度分布。在对驱动波长变换激光装置501的脉冲频率进行变更前，以掩模504的开口的中心位置和激光502的光轴一致的方式对掩模504的中心位置进行了调整。图19是经过本发明的实施例4所示的掩模后的激光的光轴从掩模的中心位置偏移的情况下的激光的强度分布。在现有的波长变换激光加工机中，通过对驱动波长变换激光装置501的脉冲频率进行变更，从而如图19所示，激光502的光轴偏移，因此经过掩模504后的激光502的强度分布以光轴偏移的量发生变化。该变化后的强度分布转印至被加工对象物509，因此无进行所设想的加工，发生加工不良。

图20是将驱动本发明的实施例4所示的波长变换激光装置的脉冲频率变更后的经过掩模后的激光502的激光的强度分布。如图18和图20所示，即使将驱动波长变换激光装置501的脉冲频率变更，激光502的光轴也不偏移，因此经过掩模504后的激光502的强度分布是与将驱动波长变换激光装置501的脉冲频率进行变更前的经过掩模504后的激光502的强度分布相同形状，能够进行所设想那样的加工。因此，本发明的实施例4所示的波长变换激光加工机500能够高速地进行高品质的被加工对象物509的加工。

标号的说明

1、200脉冲激光光源，2脉冲频率控制单元，3、110、405、406、502激光，4、7、507聚光透镜，5第2谐波产生晶体，6第2谐波，8第3谐波产生晶体，9第3谐波，10准直用透镜，11波长分离镜，12阻尼器，13平行平面板，13a、13b、301a、301b、402a、402b位置，14角度调整机构，15旋转方向，16、17温度控制器，9a、9b、18、19光轴，50、300、400、501波长变换激光装置，101高反射镜，102部分反射镜，103、803激光介质，104、804激励光耦合镜，105声响光学元件，106、205、806光源，107、203、807光纤，108、808激励光，109、809激励光学系统，112RF驱动器，113脉冲发生装置，201半导体激光器，202驱动电源，204耦合器，206光纤放大器，207端面，220固体放大器，301反射型波长分离镜，302、403平行移动机构，303、404移动方向，401、402棱镜，500波长变换激光加工机，503光束调整光学系统，504掩模，505加工头，506导光镜，508被加工对象物支撑部，509被加工对象物，510加工孔，511工作台扫描方向，512相对移动部，513控制装置。

Claims (13)

1.一种波长变换激光装置，其具有：

脉冲激光光源，其产生第1激光；

脉冲频率控制单元，其对由该脉冲激光光源进行脉冲振荡的所述第1激光的脉冲频率进行控制；

非线性介质，其将所述第1激光的一部分向第2激光进行波长变换；

聚光透镜，其对所述第1激光进行聚光；

准直用透镜，其对所述第2激光的扩展角进行调整；

平行平面板，其供经过了该准直用透镜的所述第2激光射入，并且使所述第2激光透过而射出；以及

角度调整机构，其对向该平行平面板射入的所述第2激光的入射角度进行控制。

2.根据权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述角度调整机构以将从所述平行平面板射出的所述第2激光的光轴保持恒定的方式，对向所述平行平面板射入的所述第2激光的入射角度进行控制。

3.根据权利要求2所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述角度调整机构与通过所述脉冲频率控制单元进行的所述脉冲频率的变更联动地进行控制。

4.根据权利要求3所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述第1激光相对于所述非线性介质以倾斜射入的角度射入。

5.一种波长变换激光装置，其具有：

脉冲激光光源，其产生第1激光；

脉冲频率控制单元，其对由该脉冲激光光源进行脉冲振荡的所述第1激光的脉冲频率进行控制；

非线性介质，其将所述第1激光的一部分向第2激光进行波长变换；

聚光透镜，其对所述第1激光进行聚光；

准直用透镜，其对所述第2激光的扩展角进行调整；

反射镜，其供经过了该准直用透镜的所述第2激光射入，并且对所述第2激光进行反射而射出；以及

第1平行移动机构，其对向该反射镜射入的所述第2激光的入射位置进行控制。

6.根据权利要求5所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述第1平行移动机构以将由所述反射镜反射的所述第2激光的光轴保持恒定的方式，对向所述反射镜射入的所述第2激光的入射位置进行控制。

7.根据权利要求6所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述第1平行移动机构与通过所述脉冲频率控制单元进行的所述脉冲频率的变更联动地进行控制。

8.根据权利要求7所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述第1激光相对于所述非线性介质以倾斜射入的角度射入。

9.一种波长变换激光装置，其具有：

脉冲激光光源，其产生第1激光；

脉冲频率控制单元，其对由该脉冲激光光源进行脉冲振荡的所述第1激光的脉冲频率进行控制；

非线性介质，其将所述第1激光的一部分向第2激光进行波长变换；

聚光透镜，其对所述第1激光进行聚光；

准直用透镜，其对所述第2激光的扩展角进行调整；

第1棱镜，其供经过该准直用透镜的所述第2激光射入，并且使所述第2激光透过而射出；

第2棱镜，其供经过了该第1棱镜的所述第2激光射入，并且使所述第2激光透过而射出；以及

第2平行移动机构，其对向该第2棱镜射入的所述第2激光的入射位置进行控制。

10.根据权利要求9所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述第2平行移动机构以将从所述第2棱镜射出的所述第2激光的光轴保持恒定的方式，对向所述第2棱镜射入的所述第2激光的入射位置进行控制。

11.根据权利要求10所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述第2平行移动机构与通过所述脉冲频率控制单元进行的所述脉冲频率的变更联动地进行控制。

12.根据权利要求11所述的波长变换激光装置，其特征在于，

所述第1激光相对于所述非线性介质以倾斜射入的角度射入。

13.一种波长变换激光加工机，其具有：

权利要求1至12中任一项所述的波长变换激光装置；

被加工对象物支撑部，其对被加工对象物进行支撑；

掩模，其具有开口，使从所述波长变换激光装置射出的所述第2激光之中的一部分从所述开口经过；

加工头，其将经过了所述掩模的所述第2激光照射至所述被加工对象物；以及

相对移动部，其使从该加工头照射的所述第2激光和所述被加工对象物支撑部相对地移动。

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