CN1481289A - 光照射装置与光照射方法 - Google Patents

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Abstract

在使用强度变换元件(14)、相位匹配元件(15)将CO2激光束变换成均匀的强度分布，并以均匀的强度分布对被加工物进行加工的激光加工装置中，将光传输光学系统(13)配置成对于光传输光学系统，激光束坡印廷矢量的始点与强度变换元件的出射面相互成共轭关系。利用这一的结构，即使激光束的坡印廷矢量发生变化，激光束也经常能够射入强度变换元件的中心，进行稳定的加工。

Description

光照射装置与光照射方法
技术领域
本发明涉及使用相干光束进行光照射、光加工的光照射装置与光照射方法。
背景技术
下面就关于光加工装置的已有技术使用日本专利公开公报特公平8-2511号加以说明。图9是已有例中的激光加工装置的构造图。
由激光振荡器901发出的激光束902A藉非球面透镜903、904而持续保持激光束的平行性，且其截面形状由高斯分布变换成均匀分布。业经均匀化的激光束902B通过凸形圆筒透镜905，水平方向暂时聚光而后展开。然后利用较透镜905的焦点距离还长的凸形圆筒透镜906形成比激光束902B水平方向更扩大的平行激光束902C。激光束902C通过反射镜907入射到聚光光学装置908。然后通过聚光光学装置908内的各平凸透镜911聚光，作为多点光点照射于被加工物909。而且，被加工物909利用X-Y台910移动，施行预定的加工。使用非球面透镜903、904使激光束902A的强度分布作均匀分布，且以平凸透镜加以聚光，作为多点光点照射于被加工物909。藉此，使在加工点912的激光能量密度均等，且在中央部或外围部都能够均匀地进行加工。
但是，这样的激光加工装置具有如下所述的存在问题。
激光加工时，根据加工对象物体的大小或材料的种类改变激光的振荡条件以使加工条件为最合适的加工条件。又有对相同的加工对象物体也将脉冲振荡的激光束多个脉冲照射在相同位置上以进行加工的情形，在这种情形下则有一面在每次发射时改变激光振荡条件一面进行加工的情况。由激光振荡器901输出的激光束902A由于谐振器内部的光学系统的热透镜效应等，坡印廷矢量往往随着振荡条件的变化而发生变化。尤其在盘形激光器等不安定谐振器、谐振器内部或外部配置波长变换元件等多个光学元件的激光振荡器中，随着振荡条件的变化，坡印廷矢量实际上往往发生变化。一旦这样伴随振荡条件的变化发生坡印廷矢量的变化，则射入透镜903的激光束的位置发生变化。其结果是，由透镜904射出的激光束的强度分布的均匀性被破坏，结果是，加工状态因多光点加工的地点不同而不同。
发明内容
本发明的光照射装置，包含：用以输出相干光的光源、配置于该光源与被照射物体的光路上的第1光学部、以及配置于第1光学部与被照射物体的光路上的第2光学部；第一光学部被配置成，对第1光学部而言，第2光学部的入射位置与光源的光的坡印廷矢量的始点相互成共轭。
又，本发明的光照射装置，包含：用以输出相干光的光源、配置于该光源与被照射物体的光路上的第1光学部、配置于第1光学部与被照射物体的光路上的第2光学部、以及配置于第2光学部与被照射物体的光路上的第3光学部；第1光学部将相干光聚光于第1光学部与第2光学部之间，第2光学部被配置成，对第2光学部而言，上述聚光位置与第3光学部的入射位置相互成共轭。
又，本发明的光照射方法是这样的方法，即利用配置于光源与被照射物体的光路上的第1光学部和配置于所述第1光学部与被照射物体的光路上的第2光学部，对光源输出的相干光进行调整，使其对被照射物体进行照射时，将第1光学部配置成，对第1光学部而言，第2光学部的入射位置与光源的光的坡印廷矢量的始点相互成共轭的方法。
利用配置于光源与被照射物体的光路上的第1光学部、配置于所述第1光学部与被照射物体的光路上的第2光学部、以及配置于所述第2光学部与被照射物体的光路上的第3光学部，对光源输出的相干光进行调整，使其对被照射物体进行光照射时，利用第1光学系统将相干光聚光于第1光学部与第2光学部之间，将所述第2光学部配置成，所述聚光位置对于所述第2光学部而言，与所述第3光学部的入射位置相互成共轭。
附图说明
图1是本发明实施形态l的激光加工装置的概略结构图。
图2A、图2B是本发明实施形态1的激光束的强度分布的概念图。
图3表示本发明实施形态1的光传输光学系统的结构和功能。
图4表示在已有的结构中激光束的行为。
图5是已有的结构中相位匹配元件的位置上激光束的强度分布概念图。
图6是本发明实施形态2的激光加工装置的概略结构图。
图7表示本发明实施形态2的光传输光学系统的结构与功能。
图8表示已有的结构中的激光束的行为。
图9是已有的激光加工装置的概略结构图。
具体实施形态
实施形态1
图1是本发明实施形态1的激光加工装置的概略结构图。
由CO2激光振荡器(以下称为“振荡器”)11出射的TEMOO型的CO2激光束(以下称为“激光束”)12A通过光传输光学系统13将光束直径调整成对强度变换元件14最适合的直径，同时入射到强度变换元件14。透过强度变换元件14的激光束12A的强度分布在相位匹配元件15的位置上由高斯分布变成均匀分布。又，透过相位匹配元件15的激光束12A的波面成为没有畸变的平面或球面。
图2A表示作高斯分布的激光束12A在射入强度变换元件的入射面上的强度分布，图2B表示作均匀分布的激光束12A的在相位匹配元件的出射面的强度分布。
透过相位匹配元件15的激光束12A透过可变倍率投影光学系统16入射掩模17。而可变倍率投影光学系统16将相位匹配元件15的位置上的影像投影到掩模17的位置上。也就是对于可变倍率投影光学系统16，相位匹配元件15的位置与掩模17的位置有共轭关系。虽然在相位匹配元件15的位置具有均匀的强度分布与相同的相位分布的激光束12A在传播的同时失去强度分布的均一性，但在可变倍率投影光学系统16所投影的掩模17的位置，再度得到均匀的强度分布。在掩模17，相位分布也相同。又，可变倍率投影光学系统16的投影倍率是可改变的，且可将在掩模17的位置上的激光束的强度分布的区域的大小调整成对于掩模17大小最适合的大小。
其次，在掩模17的开口部的激光束12A利用投影透镜18投影于加工对象物体19上。由于掩模17的位置与加工对象物体19的位置从投影透镜18看来有共轭关系，因此在被加工物19上的激光束12A的强度分布也成均匀发布。再者，掩模17的大小是可改变的，且根据需要改变由掩模17与投影透镜18的尺寸的积给出的加工对象物体19上激光束12A的强度分布的大小。再者，光传输光学系统13、强度变换元件14、相位匹配元件15、可变倍率投影光学系统16、掩模17、及投影透镜18位置不偏离、且不倾斜地配置于激光束12A的光轴上。
以下就光传输光学系统13的功能进一步加以详细说明。由振荡器11振荡发生的激光束12A由于振荡器11内部的光学系统的热透镜效应等，坡印廷矢量往往随着振荡条件的变化等而发生变化。如本实施形态所述的激光加工的情况下，根据加工对象物体的种类改变激光振荡条件以实现最适合于加工的条件。又，有时对于相同的加工对象物体也利用多次照射进行加工，且根据照射次数改变脉冲宽度或重复频率等进行加工。
图3表示激光束的坡印廷矢量发生变化的情况。
坡印廷矢量发生变化，成为如激光束12B那样的分布形态。在此，相对于光传输光学系统13，激光束12A的坡印廷矢量的始点31与强度变换元件14的出射面相互有共轭关系。也就是光传输光学系统13配置成将激光束12A的坡印廷矢量的始点位置的影像投影于强度变换元件14的出射面的位置上。只要这样配置光传输光学系统13，即使激光束的坡印廷矢量像激光束12B那样变化，也总能够使激光束射入强度变换元件14的中心。
图4表示光传输光学系统113配置成使坡印廷矢量的始点131与强度变换元件114的出射面不成共轭关系的情况的已有例。该情况下激光束112B不会射入强度变换元件114的中心。激光束的入射位置偏离强度变换元件114的中心的情况下，若将这样的构造应用于图1的激光加工装置，则在相位匹配元件15出射面的强度分布如图5所示均匀性劣化。
因此本实施形态中将光传输光学系统13配置成使激光束12A的坡印廷矢量的始点位置31的影像投影于强度变换元件14上。这样，即使像激光束12B那样，激光束的坡印廷矢量产生变化，也总能够把激光束射入强度变换元件14的中心，总是使激光束的强度分布为均匀分布。
实施形态2
图6是本发明实施形态2的激光加工装置的概略结构图。
由CO2激光振荡器(以下称为“振荡器”)601出射的TEMOO型的CO2激光束(以下称为“激光束”)602A利用聚光光学系统603与光传输光学系统604调整光束直径，同时使其入射于强度变换元件605。透过强度变换元件605的激光束602A的强度分布在相位匹配元件606的位置上由高斯分布变成均匀分布。又，透过相位匹配元件606的激光束602A的波面成为平面或球面。
在作高斯分布的激光束602A的强度变换元件605的入射面的强度分布、呈均匀分布的激光束602A在相位匹配元件606的出射面上的强度分布分别与实施形态1的图2A、图2B相同。
透过相位匹配元件606的激光束602A通过可变倍率投影光学系统607，射入掩模608。而可变倍率投影光学系统607将相位匹配元件606的位置上的影像投影到掩模608的位置上。也就是相对于可变倍率投影光学系统607，相位匹配元件606的位置与掩模608的位置有共轭关系。虽然在相位匹配元件606的位置具有均匀的强度分布与相同的相位分布的激光束602A在传播的同时失去强度分布的均匀性，但在由可变倍率投影光学系统607投影的掩模608的位置上，再度形成均匀的强度分布。再者，在掩模608中，相位分布亦相同。又，可变倍率投影光学系统606的投影倍率是可变的，且可将在掩模608的位置上的激光束的强度分布的区域的大小调整成对掩模的大小最适合的大小。
其次，在掩模608的开口部的激光束利用投影透镜609投影于加工对象物体610上。由于掩模608的位置与加工对象物体610的位置从投影透镜609看来有共轭关系，因此在被加工物610上的激光束602A的强度分布也均匀。再者，掩模608的大小是可变的，且根据需要改变由掩模608与投影透镜609的尺寸的积给出的加工对象物体610上激光束602A的强度分布的大小。再者，聚光光学系统603、光传输光学系统604、强度变换元件605、相位匹配元件606、可变倍率投影光学系统607、掩模608、投影透镜609位置不偏离、且不倾斜地配置于激光束602A的光轴上。
以下就聚光光学系统603、光传输光学系统604的功能进一步加以详细说明。
由振荡器601振荡产生的激光束602A由于振荡器内部的光学系统的热透镜效应等，坡印廷矢量往往随着振荡条件等的变化而变化。本实施形态的激光加工装置根据加工对象物体的种类改变激光振荡条件使其为最适于进行加工的条件。又，有时对于相同的加工对象物体也利用多次照射进行加工，根据照射次数改变脉冲宽度或重复频率等进行加工。
图7表示激光束602A的坡印廷矢量发生变化的情况。
坡印廷矢量发生变化，成为像激光束602B那样的状态。聚光光学系统603使激光束602A或激光束602B聚光于聚光光学系统603与光传输光学系统604之间。然后，光传输光学系统604将该聚光点611上的激光束投影于强度变换元件605的出射面上。也就是对于光传输光学系统604，聚光点611与强度变换元件605的出射面有共轭关系。又，由聚光光学系统603构成的光学系统的投影倍率决定得使入射到强度变换元件605的激光束的光束直径为规定值。
如图7所示，激光束的坡印廷矢量的始点处于激光振荡器侧的无限远点的情况下，坡印廷矢量平行地移动。在这种情形下，使用本实施形态所示的聚光光学系统603与光传输光学系统604，即使激光束的坡印廷矢量平行地移动，也能够使激光束射入强度变换元件605的中心。
图8表示将光传输光学系统704配置成相对于光传输光学系统704，聚光点711与强度变换元件705的出射面不成共轭关系的已有例。该情况下激光束702B不会射入强度变换元件705的中心。入射到强度变换元件705的激光束的入射位置偏离强度变换元件的中心的情况下，若将这样的结构应用于图6的激光加工装置，则在相位匹配元件606出射面上的强度分布与实施形态1的图5一样均匀性劣化。因此本实施形态中，使用聚光光学系统603与光传输光学系统604将激光束602A聚光于聚光光学系统603与光传输光学系统604之间，并利用光传输光学系统604将位于该聚光点611的激光束投影于强度变换元件605的出射面上。这样，即使像激光束602B那样，激光束的坡印廷矢量发生变化，也可经常将激光束射入强度变换元件605的中心，并使激光束的强度分布变换成均匀发布。
再者，迄今为止所述的实施形态中，激光束采用CO2激光束，但亦可使用YAG激光或He-Ne激光等适于进行加工的光。
工业应用性
采用本发明，将激光束变换为强度分布均匀的激光束，进行加工照射的装置中，采用下述任一种结构，即使是激光束的坡印廷矢量发生变化也总能够进行质量稳定的加工。
A)强度变换元件的入射位置与光源的光的坡印廷矢量的始点位置相对于光传输光学系统互成共轭配置。
B)由聚光光学系统将相干光聚光于聚光光学系统与光传输光学系统之间，配置光传输光学系统，使得所述聚光位置与强度变换元件的入射位置相对于光传输光学系统成共轭关系。

Claims (28)

1.一种光照射装置，其特征在于，包含
用以输出相干光的光源；
配置于所述光源与被照射物体的光路上的第1光学部；以及
配置于所述第1光学部与被照射物体的光路上的第2光学部，
将所述第一光学部配置成对于所述第1光学部而言，所述第2光学部的入射位置与所述光源的光线的坡印廷矢量的始点相互成共轭。
2.如权利要求1所述的光照射装置，其特征在于，所述第2光学部是光束整形光学部。
3.如权利要求2所述的光照射装置，其特征在于，所述光束整形光学部是使光束的强度分布均匀化的光学元件。
4.如权利要求1所述的光照射装置，其特征在于，所述第1光学部是由2个以上的透镜构成的。
5.如权利要求1所述的光照射装置，其特征在于，所述光源是激光振荡器。
6.如权利要求1所述的光照射装置，其特征在于，在所述第2光学部与被照射物体的光路上至少还具有第3光学部。
7.如权利要求1所述的光照射装置，其特征在于，利用所述光源输出的相干光对被照射物体进行加工。
8.一种光照射装置，其特征在于，包含
用以输出相干光的光源；
配置于所述光源与被照射物体的光路上的第1光学部；
配置于所述第1光学部与被照射物体的光路上的第2光学部；以及
配置于所述第2光学部与被照射物体的光路上的第3光学部；
所述第1光学部将所述相干光聚光于所述第1光学部与所述第2光学部之间，且将所述第2光学部配置成使该聚光位置对于所述第2光学部而言，与所述第3光学部的入射位置相互成共轭。
9.如权利要求8所述的光照射装置，其特征在于，所述第3光学部是光束整形光学部。
10.如权利要求9所述的光照射装置，其特征在于，所述光束整形光学部是使光束的强度分布均匀化的光学元件。
11.如权利要求8所述的光照射装置，其特征在于，所述第2光学部是由2片以上的透镜构成的。
12.如权利要求8所述的光照射装置，其特征在于，所述光源是激光振荡器。
13.如权利要求8所述的光照射装置，其特征在于，所述第3光学部与被照射物体的光路上至少还具有第4光学部。
14.如权利要求8所述的光照射装置，其特征在于，利用所述光源输出的相干光对被照射物体进行加工。
15.一种光照射方法，其特征在于，包含
由光源输出相干光的输出步骤；
利用配置于所述光源与被照射物体的光路上的第1光学部、以及配置于所述第1光学部与被照射物体的光路上的第2光学部，对所述相干光进行调整的步骤；以及
对所述被照射物体进行光照射的步骤；
将所述第1光学部配置成对所述第1光学部而言，所述第2光学部的入射位置与由所述光源输出的光的坡印廷矢量的始点相互成共轭。
16.如权利要求15所述的光照射方法，其特征在于，所述第2光学部是光束整形光学部。
17.如权利要求16所述的光照射方法，其特征在于，所述光束整形光学部是使光束的强度分布均匀化的光学元件。
18.如权利要求15所述的光照射方法，其特征在于，所述第1光学部是由2片以上的透镜构成的。
19.如权利要求15所述的光照射方法，其特征在于，所述光源为激光振荡器。
20.如权利要求15所述的光照射方法，其特征在于，还具有至少使用设于所述第2光学部与被照射物体的光路上的第3光学部，对相干光进行调整的步骤。
21.如权利要求15所述光照射方法，其特征在于，在对所述被照射物体进行光照射的步骤中，对所述被照射物体进行光加工。
22.一光照射方法，其特征在于，包含
由光源输出相干光的步骤；
利用配置于所述光源与被照射物体的光路上的第1光学部、配置于所述第1光学部与被照射物体的光路上的第2光学部、以及配置于所述第2光学部与被照射物体的光路上的第3光学部，对所述相干光进行调整的步骤；以及
对所述被照射物体进行光照射的步骤；
调整所述相干光的步骤包含所述第1光学部将所述相干光聚光于所述第1光学部与所述第2光学部之间的聚光步骤，
将所述第2光学部配置成使该聚光位置对所述第2光学部而言，与所述第3光学部的入射位置相互成共轭。
23.如权利要求22所述的光照射方法，其特征在于，第3光学部是光束整形光学部。
24.如权利要求23所述的光照射方法，其特征在于，所述光束整形光学部是使光束的强度分布均匀化的光学元件。
25.如权利要求22所述的光照射方法，其特征在于，所述第2光学部是由2片以上的透镜构成的。
26.如权利要求22所述的光照射方法，其特征在于，所述光源为激光振荡器。
27.如权利要求22所述的光照射方法，其特征在于，还包含至少使用设于所述第3光学部与被照射物体的光路上的第4光学部以调整相干光的步骤。
28.如权利要求22所述的光照射方法，其特征在于，在对所述被照射物体进行光照射的步骤中，对所述被照射物体进行光加工。
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