JP2006041411A

JP2006041411A - パルスレーザ装置およびレーザ加工方法

Info

Publication number: JP2006041411A
Application number: JP2004222826A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kokubo; 智小久保
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】パルスレーザによるレーザ加工において、所定のエネルギー範囲のパルスのみを用いることで安定性を向上させる。
【解決手段】パルスレーザ発振器１から発生されるパルスレーザの一部をビームスプリッタ２によって検査光として分離し、そのエネルギーをフォトダイオード３によって検出し、出射判定回路４において出射の可否を判定するフィードフォワード制御系を設ける。各パルス毎に検査光を分離してレーザエネルギーを検出し、所定のエネルギー範囲のパルスのみをカウンタ回路５においてカウントするとともに、ＥＯＭ６から出射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工の光源として用いるパルスレーザ装置およびレーザ加工方法に関するものである。

近年、レーザ発振器の飛躍的な進歩によりさまざまな産業分野においてレーザ加工が用いられている。特にＮｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＬＦレーザ、エキシマレーザ、チタンサファイアレーザなどは微細な加工や高品位な加工に広く利用されている。

一方で、レーザ加工において精度良く加工を行おうとした場合、出射されるレーザ光のエネルギーの安定度は非常に重要となる。このため例えば特許文献１には、出射されたレーザ光のエネルギーを検出し、検出結果に基づきレーザチャンバに供給する充電電圧を制御し、レーザの励起強度を最適化することでレーザ光のパルスエネルギーを安定化させる方法が示されている。

また、特許文献２に開示されたように、発振停止期間や励起コンデンサの充電電圧、レーザガスの状態などに基づいてパルスエネルギーを予測し、アッテネータを用いてパルス毎の出力を安定化させる方法もある。
特開平６−６１５６５号公報特開平８−２７４３９９号公報

従来よりパルスエネルギーの安定化について取り組まれており、特許文献１、特許文献２に挙げたような方法が知られている。

しかし、特許文献１の方法ではレーザエネルギーの検出手段による検出値に基づくフィードバック制御であり、既に出射されたレーザパルスのエネルギーを検出し、その次以降に出射されるレーザパルスのエネルギーを制御するものであるため、制御の時間的な遅れが発生する。また、励起強度を調整しようとするものであるから、原理的に励起源がもつ安定性を下回ることは不可能である。

また、特許文献２では、励起コンデンサの充電電圧、レーザガスの状態などの状態量からの予測であるため、実際のパルスエネルギーを間接的に制御するのみである。

より高精度なレーザ加工を実現するためには、レーザ光のエネルギー安定性を従来より高める必要がある。たとえばチタンサファイアレーザは、従来のレーザ加工限界を超える高精度な加工が可能なレーザとして注目を集めている。これは、パルス幅がピコ秒を下回り、瞬間的なエネルギーのピークは著しく高いことにより起こる特徴的な現象を利用できるためである。チタンサファイアレーザによる加工は閾値加工と言われており、あるエネルギー密度を超えた領域のみが除去される加工となっている。このためより微細で精度の高い加工を実現させるためにはパルス毎のエネルギーの安定性を特に高くする必要がある。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、１パルス毎の加工エネルギーの安定性をより一層向上させるとともに、発振源の種類によらず、その原理的安定性を超える安定性を実現することが可能であるパルスレーザ装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明のパルスレーザ装置は、パルスレーザを発生する発振手段と、前記パルスレーザの一部を各パルス毎に検査光として分離する分割手段と、各パルス毎に前記検査光のエネルギーを計測する計測手段と、前記計測手段の出力に基づいて前記パルスレーザの出射の可否を各パルス毎に判定する判定手段と、前記判定手段の出力に基づいて、所定のエネルギー範囲にあるパルスレーザのみを選択的に出射させるレーザ出射手段とを有することを特徴とする。

パルスレーザを発生する発振手段から出るレーザパルスのパルス毎のエネルギーを計測し、求める安定性の範囲にあるかどうかを判定し、その範囲から外れる場合にはそのパルスを遮断することによって、出射されるレーザパルスのエネルギーを安定化させる。

この場合は、時間あたりに出射パルス数が変動するため、レーザパルスを出射する度に信号を出力し、その信号に基づいて、必要なパルス数まで計数しながらレーザ加工を行う。

出射される１パルス毎のレーザエネルギーを確実に安定化させることが可能であり、さらに、レーザ発振器の原理的な安定性の制約を超えての安定化も可能となる。また、発振器の種類によって限定されることなく広範囲に適用できる。

このようにして、レーザ加工におけるレーザパルスのエネルギー安定性を大幅に向上させ、より精度の高い加工を実現することが可能となる。

図１に示すパルスレーザ装置は、パルスレーザを出力する発振手段であるパルスレーザ発振器１と、パルスレーザの一部を検査光として分離する分割手段であるビームスプリッタ２と、パルス毎のレーザエネルギーを計測するための計測手段であるセンサー３と、計測されたエネルギーに応じてパルス毎にレーザの出射の可否を判定する判定手段である出射判定回路４と、その判定に基づき出射の有無を決定する手段６（レーザ出射手段）とを備えている。

また、この制御系にさらにパルスの出射毎に信号を出力し、出射されたパルスの数をカウントする計数手段であるカウンタ回路５を設けて、パルス数に応じたレーザ加工を行う。

このパルスレーザ装置では、レーザパルス毎に検査光を分離してレーザエネルギーを実測し、その測定結果に基づいて判定を行い、出射の可否を決定するものである。レーザエネルギーを測定するセンサー３は特に限定するものではないが、パルス毎のレーザエネルギーが検出できる応答性が必要であるため、焦電型センサーやフォトダイオードなどが好ましい。

センサー３の測定信号は出射判定回路４に送られる。出射判定回路４ではパルス毎のピークエネルギー値に基づき出射を判定し、定められたエネルギー範囲を超えるパルスは、出射の有無を決定する手段６によって遮断される。出射の有無を決定する手段６とは、例えばシャッターや音響光変調素子（ＡＯＭ）、電気光学変調素子（ＥＯＭ）などの光遮断手段、ミラーとアクチュエータを備えた光伝播方向を変える偏向手段など、様々な手段が考えられる。出射の有無を決定する手段６によってレーザ励起源側に反射が発生するような場合は、パルスレーザ発振器１と出射の有無を決定する手段６の間にファラデーアイソレータ７などの光の伝播方向を制限する手段を設けてもよい。

さらに、少なくともパルスエネルギーを測定するセンサー３に光が入射してから出射の有無を決定する手段６が動作を完了するまでの時間だけ、レーザパルスを遅延させる光遅延器８を出射の有無を決定する手段６の前に設けることで、実際のパルスエネルギーを測定した上で、その実測値に基づいたパルスの出射可否の判定が可能となる。

このようなレーザシステムから出射されるパルスレーザは、一定の時間間隔で出射するとは限らないため、出射判定の結果を信号としてカウンタ回路５に取り出し可能としておき、加工時にパルス数をカウントしながら加工を行うことで、所定のパルス数で極めて精度の高いレーザ加工を行うことができる。

すなわち、出射判定回路４の後方にカウンタ回路５を設けて、一定のパルス数を出射した後、出射の有無を決定する手段６においてレーザパルスの出射を停止するように構成する。

図１の装置において、パルスレーザ発振器１は、再生増幅器を備えたチタンサファイアレーザ発振器である。これにより中心波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓのレーザパルスが１００Ｈｚで生成される。ビームスプリッタ２でレーザパルスの一部が反射され、検査光として分離されてフォトダイオード３（センサー）に入る。他方、ビームスプリッタ２を透過したレーザパルスは光遅延器８に入る。光遅延器８は内部で約５０ｃｍの距離をミラーによって１１．５回往復し、出射を遅らせる構成となっている。

光遅延器８を出た後、ファラデーアイソレータ７を通って出射の有無を決定する手段であるＥＯＭ６に達する。ＥＯＭ６はＫＤＰ（ＫＨ₂ＰＯ₄）結晶を用いた電気光学変調素子である。レーザパルスがビームスプリッタ２を透過してからＥＯＭ６に到達するまでの所要時間は約４０ｎｓである。

フォトダイオード３ではパルスエネルギーが検出され、出射判定回路４に電気信号として送られる。出射判定回路４ではパルスエネルギーのピーク値を判定し、あらかじめ設定しておいた上限値と下限値の間に入るか否かを判定する。上限値と下限値の範囲内であった場合は、駆動信号を出力し、駆動信号はカウンタ回路５を経た後、ＥＯＭドライバ９に送られる。

カウンタ回路５では駆動信号をカウントし、指定した回数に達した場合に駆動信号の伝達を遮断する。ＥＯＭドライバ９では駆動信号を受けてＥＯＭ６を動作させる。このようにしてレーザパルスの出射の可否が制御可能となる。

図１のパルスレーザ装置を用いて以下のようにレーザ加工を行った。ＥＯＭ６を通過後のパルスエネルギーが上限５０５μＪ、下限４９５μＪとなるように出射判定回路４への上限値と下限値を設定した。さらに１００パルスで出射を完了するようにカウンタ回路５への指示値を設定した。出射されたレーザパルスを光学濃度３のＮＤフィルターを通して対物レンズへ導き、対物レンズの焦点位置に被加工物であるワークを保持して加工を行った。対物レンズの倍率は４０倍、開口数は０．９のものを使用した。ワークは純ニッケルのワークを使用した。

以上の条件でニッケルワークの表面に穴加工を行い、得られた穴の直径を計測した。これを１００回繰返し、１００個の穴径の平均値、最大値、最小値を計測した。この加工製品をサンプルＡと称し、計測結果を表１に示す。

比較のため、図１のパルスレーザ装置のチタンサファイアレーザ発振器から出たレーザパルスをそのまま使用して上記と同様の加工を行った加工製品をサンプルＢとした。チタンサファイアレーザの出力を５００ｍＪとなるよう調整しておき、光学濃度３のＮＤフィルターを通して対物レンズへ導き、対物レンズの焦点位置にワークを保持して加工を行った。対物レンズおよびワークの種類はサンプルＡと同じである。レーザの照射時間を１秒として加工を行うとチタンサファイアレーザ発振器１００Ｈｚであるので、サンプルＡと同様に１００パルスのレーザパルスによる加工が行われる。この加工を１００回繰返し、サンプルＡと同様に評価した結果を表１に併記した。

表１において、サンプルＢによる最大穴径と最小穴径の差は２．５５μｍであり、これは平均穴径の２２．２％に達する。一方、本実施例のレーザ加工によるサンプルＡでは、最大穴径と最小穴径の差は０．３７μｍであり、平均穴径のわずか３．３％に収まっており、加工精度を大幅に向上させることのできる安定したレーザ加工であることがわかる。

一実施例を説明するブロック図である。

符号の説明

１パルスレーザ発振器
２ビームスプリッタ
３フォトダイオード（センサー）
４出射判定回路
５カウンタ回路
６ＥＯＭ
８光遅延器
９ＥＯＭドライバ

Claims

パルスレーザを発生する発振手段と、前記パルスレーザの一部を各パルス毎に検査光として分離する分割手段と、各パルス毎に前記検査光のエネルギーを計測する計測手段と、前記計測手段の出力に基づいて前記パルスレーザの出射の可否を各パルス毎に判定する判定手段と、前記判定手段の出力に基づいて、所定のエネルギー範囲にあるパルスレーザのみを選択的に出射させるレーザ出射手段とを有することを特徴とするパルスレーザ装置。
判定手段の出力に基づいて、所定のエネルギー範囲にあるパルスのみをカウントする計数手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ装置。
計数手段の出力に基づいて、出射されるパルス数を制御することを特徴とする請求項２記載のパルスレーザ装置。
請求項１ないし３いずれか１項記載のパルスレーザ装置から出射されたパルスレーザによって被加工物の加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。