JP2006320938A - Apparatus and method for laser beam machining - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining method and a laser beam machining apparatus capable of easily performing the laser beam machining of a work having a complicated surface shape with inexpensive equipment. <P>SOLUTION: In the laser beam machining method for performing the laser beam machining of a surface of a work or a part in the vicinity thereof by using laser beams, the laser beam machining of the work 2 along the surface shape is performed by controlling the beam intensity distribution 4 in the vicinity of a laser beam condensing position 3 by controlling the laser pulse energy or the numerical aperture of a condensing lens. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば超短パルスレーザのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工方法及び装置に関する。   The present invention relates to a laser processing method and apparatus for performing laser processing on the surface of a workpiece or in the vicinity thereof using, for example, a laser beam of an ultrashort pulse laser.

例えば超短パルスレーザのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施す場合、従来は、レーザビームの集光点近傍でのみ加工が行われていた。このため、図8の原理図に示すように、被加工物2の表面が球面や自由曲面のように複雑形状を有する場合でも、集光レンズ1で集光されたレーザビームの集光位置3と被加工物2の表面との相対距離を一定に保つ必要があった。   For example, when laser processing is performed on the surface of a workpiece or in the vicinity thereof using a laser beam of an ultrashort pulse laser, the processing is conventionally performed only in the vicinity of the condensing point of the laser beam. Therefore, as shown in the principle diagram of FIG. 8, even when the surface of the workpiece 2 has a complicated shape such as a spherical surface or a free-form surface, the condensing position 3 of the laser beam condensed by the condensing lens 1. And the relative distance between the workpiece 2 and the surface of the workpiece 2 must be kept constant.

そこで従来、加工光学系と測定光学系とを同軸で構成し、測定光学系によって測定された被加工物2の表面形状変位量に基づき加工光学系の集光位置を制御することによって、レーザビームの集光位置3と被加工物2の表面との相対距離を一定に保つレーザ加工技術が知られていた(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, conventionally, the processing optical system and the measurement optical system are configured coaxially, and the laser beam is controlled by controlling the focusing position of the processing optical system based on the surface shape displacement amount of the workpiece 2 measured by the measurement optical system. A laser processing technique for keeping the relative distance between the condensing position 3 and the surface of the workpiece 2 constant has been known (for example, see Patent Document 1).

また、超短パルスレーザを用いたレーザ加工技術として、分岐された複数のレーザビームを被加工物の表面に一括照射することによりレーザ加工を施す技術がある(例えば、特許文献2参照)
特開2004−188422号公報 特開2001−236002号公報
As a laser processing technique using an ultrashort pulse laser, there is a technique for performing laser processing by collectively irradiating the surface of a workpiece with a plurality of branched laser beams (see, for example, Patent Document 2).
JP 2004-188422 A JP 2001-236002 A

しかしながら、レーザビームの集光位置3と被加工物2の表面との相対距離を一定に保つようにした従来のレーザ加工技術にあっては、この相対距離を一定に保つために被加工物2若しくは集光レンズ1の高い位置決め精度や高分解能が必要で、特に、開口数(NA:Numerical Aperture)が高い集光レンズ1を用いた場合には数10nmの分解能や位置決精度が必要であり、複雑な制御が要求される上、高価な設備が必要とされるという問題があった。   However, in the conventional laser processing technique in which the relative distance between the converging position 3 of the laser beam and the surface of the workpiece 2 is kept constant, the workpiece 2 is kept in order to keep this relative distance constant. Alternatively, high positioning accuracy and high resolution of the condensing lens 1 are required. In particular, when using the condensing lens 1 having a high numerical aperture (NA), resolution and positioning accuracy of several tens of nm are necessary. In addition, there is a problem that complicated control is required and expensive equipment is required.

また、分岐された複数のレーザビームを被加工物の表面に一括照射するレーザ加工技術は、シングルポイントの加工よりも加工時間を短縮できる利点があるものの、同一焦点位置でのみ干渉パターンが得られるため、平面にしかレーザ加工を施すことができず、複雑な表面形状を有する被加工物2のレーザ加工には適さなかった。   In addition, although laser processing technology that collectively irradiates the surface of a workpiece with a plurality of branched laser beams has the advantage of shortening the processing time compared to single point processing, an interference pattern can be obtained only at the same focal position. For this reason, laser processing can only be performed on a flat surface, which is not suitable for laser processing of the workpiece 2 having a complicated surface shape.

本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、複雑な表面形状を有する被加工物に対しても容易にかつ安価な設備でレーザ加工を施すことができるレーザ加工方法及び装置を提供しようとするものである。   The present invention has been made based on such circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser capable of easily and inexpensively processing a workpiece having a complicated surface shape with inexpensive equipment. It is an object of the present invention to provide a processing method and apparatus.

上記目的を達成するために、本発明は、レーザビームの集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御するものである。   In order to achieve the above object, the present invention controls the light intensity distribution near the condensing position of the laser beam along the surface shape of the workpiece.

また、レーザビームを多点に分岐して多数の集光位置を有するレーザビームとし、これら多数の集光位置を有するレーザビームの集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御するものであってもよい。   Further, the laser beam is branched into multiple points to form a laser beam having a large number of condensing positions, and the light intensity distribution near the condensing position of the laser beam having a large number of condensing positions follows the surface shape of the workpiece. May be controlled.

このものにおいて、被加工物の表面形状に沿った光強度分布を得るためのシミュレーションを行い、このシミュレーションに基づいてレーザビームの集光位置近傍の光強度分布を制御することが望ましい。   In this case, it is desirable to perform a simulation for obtaining a light intensity distribution along the surface shape of the workpiece, and to control the light intensity distribution near the condensing position of the laser beam based on this simulation.

レーザビームは、例えば超短パルスレーザのレーザビームであり、該レーザビームのパルス幅を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御することが考えられる。   The laser beam is, for example, a laser beam of an ultra-short pulse laser, and it is conceivable to control the light intensity distribution in the vicinity of the focal position along the surface shape of the workpiece by controlling the pulse width of the laser beam. .

また、レーザビームのパルスエネルギ分布を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御することも考えられる。   It is also conceivable to control the light intensity distribution near the condensing position along the surface shape of the workpiece by controlling the pulse energy distribution of the laser beam.

さらに、レーザビームの開口数を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御することも考えられる。   Furthermore, it is conceivable to control the light intensity distribution near the condensing position along the surface shape of the workpiece by controlling the numerical aperture of the laser beam.

また本発明は、レーザ発振器からのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工装置において、レーザビームの集光位置近傍の光強度分布データを測定する光強度分布測定手段と、被加工物の表面形状を測定する形状測定手段と、この形状測定手段により測定された表面形状のレーザ加工に必要な光強度分布をシミュレートするシミュレート手段と、光強度分布測定手段により測定される光強度分布データがシミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致するようにレーザビームを制御する制御手段とを備えたものである。   The present invention also relates to a light intensity distribution for measuring light intensity distribution data in the vicinity of a condensing position of a laser beam in a laser processing apparatus that performs laser processing on or near the surface of a workpiece using a laser beam from a laser oscillator. Measuring means, shape measuring means for measuring the surface shape of the workpiece, simulation means for simulating the light intensity distribution necessary for laser processing of the surface shape measured by the shape measuring means, and light intensity distribution measurement And control means for controlling the laser beam so that the light intensity distribution data measured by the means coincides with the light intensity distribution simulated by the simulation means.

例えば超短パルスレーザのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施す場合、従来は、レーザビームの集光点近傍でのみ加工が行われていたが、本発明では、レーザビームの光強度分布における光強度の加工しきい値によって光軸方向の加工位置が決定されることに着眼した。図1にその原理図を示す。図示するように、集光レンズ1と被加工物2との光軸方向相対距離、つまりは集光位置3と被加工物2との光軸方向相対距離を一定としても、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布4を制御することによって、光強度の加工しきい値(光強度分布4の最外周の実線で示される)が光軸方向に変化する。そこで、被加工物2の表面形状に沿って光強度の加工しきい値が変化するように光強度分布4を制御することによって、複雑形状を有する被加工物2の表面に対しても容易にレーザ加工を行うことができる。   For example, when laser processing is performed on the surface of a workpiece or in the vicinity thereof using a laser beam of an ultrashort pulse laser, conventionally, processing was performed only near the condensing point of the laser beam. It was noticed that the processing position in the optical axis direction is determined by the processing threshold value of the light intensity in the light intensity distribution of the laser beam. FIG. 1 shows the principle thereof. As shown in the figure, even if the relative distance in the optical axis direction between the condenser lens 1 and the workpiece 2, that is, the relative distance in the optical axis direction between the focal position 3 and the workpiece 2 is constant, the laser beam focal position. By controlling the light intensity distribution 4 in the vicinity, the processing threshold of light intensity (indicated by the solid line at the outermost periphery of the light intensity distribution 4) changes in the optical axis direction. Therefore, by controlling the light intensity distribution 4 so that the processing threshold value of the light intensity changes along the surface shape of the workpiece 2, the surface of the workpiece 2 having a complicated shape can be easily obtained. Laser processing can be performed.

また、レーザビームを多点に分岐して多数の集光位置を有するレーザビームとした場合でも、各レーザビームの光強度の加工しきい値が被加工物2の表面形状に沿うように各レーザビームの集光位置近傍の光強度分布4を制御することによって、複雑形状を有する被加工物2の表面に対しても面一括照射によるレーザ加工が可能となり、高スループット化が得られる。   In addition, even when the laser beam is branched into multiple points to form a laser beam having a large number of condensing positions, each laser beam is processed so that the processing threshold value of the light intensity of each laser beam follows the surface shape of the workpiece 2. By controlling the light intensity distribution 4 in the vicinity of the beam condensing position, the surface of the workpiece 2 having a complicated shape can be laser-processed by batch surface irradiation, and high throughput can be obtained.

また、光強度の加工しきい値が被加工物の表面形状に沿うようにするための光強度分布のシミュレーションを行い、このシミュレーションに基づいてレーザビーム集光位置近傍の光強度分布を制御することによって、様々な複雑形状を有する被加工物に対しても容易にレーザ加工を行うことができる。   In addition, a simulation of the light intensity distribution is performed so that the processing threshold of the light intensity follows the surface shape of the workpiece, and the light intensity distribution near the laser beam condensing position is controlled based on this simulation. Thus, laser processing can be easily performed on a workpiece having various complicated shapes.

本発明によれば、複雑な表面形状を有する被加工物に対しても容易にかつ安価な設備でレーザ加工を施すことができるレーザ加工方法を提供できる。
また、複雑な表面形状を有する被加工物に対しても容易にレーザ加工を施すことができる安価なレーザ加工装置を提供できる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the laser processing method which can perform a laser processing easily and cheaply with respect to the workpiece which has a complicated surface shape can be provided.
Further, it is possible to provide an inexpensive laser processing apparatus that can easily perform laser processing on a workpiece having a complicated surface shape.

[第1の実施の形態]
はじめに、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御するレーザ加工方法に対応した第1の実施の形態について、図2〜図4を用いて説明する。
[First Embodiment]
First, a first embodiment corresponding to a laser processing method for controlling the light intensity distribution near the laser beam condensing position along the surface shape of the workpiece will be described with reference to FIGS.

図2は本実施の形態に関わるレーザ加工装置の構成図である。同図において、符号5はレーザ発振器であり、パルスの繰り返し周波数が1KHz、レーザ波長が800nm、パルス幅が150fsの超短パルスレーザが発振出力される。なお、超短パルスレーザは、パルス幅10fs〜100ps程度が望ましく、繰り返し周波数は1Hz〜10MHz程度が望ましい。また、超短パルスレーザの波長は材料の吸収波長に依存せず、限定されるものではないが、吸収の必要エネルギを鑑みて、100nm〜2000nm程度の波長を利用することが望ましい。   FIG. 2 is a configuration diagram of the laser processing apparatus according to the present embodiment. In the figure, reference numeral 5 denotes a laser oscillator, which outputs an ultrashort pulse laser having a pulse repetition frequency of 1 KHz, a laser wavelength of 800 nm, and a pulse width of 150 fs. The ultrashort pulse laser desirably has a pulse width of about 10 fs to 100 ps and a repetition frequency of about 1 Hz to 10 MHz. The wavelength of the ultrashort pulse laser does not depend on the absorption wavelength of the material and is not limited, but it is desirable to use a wavelength of about 100 nm to 2000 nm in view of the energy required for absorption.

本レーザ加工装置は、レーザ発振器5から発振出力された超短パルスレーザが、パルス幅制御機能部6,ビーム径制御機能部7,パルスエネルギ制御機能部8を通り、集光レンズ1により被加工物2に集光されるようになっている。   In this laser processing apparatus, an ultrashort pulse laser oscillated and output from a laser oscillator 5 passes through a pulse width control function unit 6, a beam diameter control function unit 7, and a pulse energy control function unit 8, and is processed by a condenser lens 1. It is focused on the object 2.

因みに、パルス幅制御機能部6としては、分散ミラー,回折格子対,プリズム対等がある。ビーム径制御機能部7としては、コリメータ等がある。パルスエネルギ制御機能部8としては、NDフィルタ,酸化多層膜フィルタ,位相板,DOE,デフォーマブルミラー等がある。   Incidentally, the pulse width control function unit 6 includes a dispersion mirror, a diffraction grating pair, a prism pair, and the like. Examples of the beam diameter control function unit 7 include a collimator. Examples of the pulse energy control function unit 8 include an ND filter, an oxide multilayer filter, a phase plate, a DOE, and a deformable mirror.

被加工物2は、金属,ウェハ,ガラス,結晶材料,生体材料,樹脂材料等であり、加工ステージ9の上に置かれている。加工ステージ9は、制御部としてのパーソナルコンピュータ(以下、パソコンと略称する)10によってその駆動が制御される。レーザ加工時、加工ステージ9の駆動によってレーザビームのスキャニングが行われる。また、集光レンズ1と被加工物2との光軸方向の大まかな相対距離も、加工ステージ9によって調整される。   The workpiece 2 is a metal, a wafer, glass, a crystal material, a biomaterial, a resin material, or the like, and is placed on the processing stage 9. The processing stage 9 is controlled by a personal computer (hereinafter simply referred to as a personal computer) 10 as a control unit. During laser processing, scanning of the laser beam is performed by driving the processing stage 9. The rough relative distance in the optical axis direction between the condenser lens 1 and the workpiece 2 is also adjusted by the processing stage 9.

また、本レーザ加工装置は、パルスエネルギ制御機能部8を経た超短パルスレーザの光強度分布が光強度分布測定器11によって測定されるようになっている。光強度分布測定器11としては、ナイフエッジやCCDによるビームプロファイラ等がある。この光強度分布測定器11によって測定された光強度分布のデータは、前記パソコン10でモニタされ、各制御機能部6,7,8にフィードバックされて、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布が被加工物2の表面形状に沿って制御される。   Further, in this laser processing apparatus, the light intensity distribution of the ultrashort pulse laser that has passed through the pulse energy control function unit 8 is measured by the light intensity distribution measuring device 11. Examples of the light intensity distribution measuring device 11 include a knife edge and a beam profiler using a CCD. The data of the light intensity distribution measured by the light intensity distribution measuring device 11 is monitored by the personal computer 10 and fed back to the control function units 6, 7, and 8, so that the light intensity distribution near the laser beam condensing position is obtained. It is controlled along the surface shape of the workpiece 2.

すなわち、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布を制御する手法として、パルス幅制御機能部6によりパルス幅を制御する手法と、パルスエネルギ制御機能部8によりパルスエネルギ分布を制御する手法と、ビーム径制御機能部7と集光レンズ1とによりレーザビームの開口数(NA)を制御する手法とがある。本実施の形態では、いずれか1つの手法或いは複数の手法の組み合わせによって、図3に示すように、被加工物2の表面と集光位置3との光軸方向相対距離の長短に拘らず光強度の加工しきい値11が被加工物2の表面形状に沿うように、若しくは表面を越えるように半径方向の光強度分布13が制御される。   That is, as a method for controlling the light intensity distribution near the laser beam condensing position, a method for controlling the pulse width by the pulse width control function unit 6, a method for controlling the pulse energy distribution by the pulse energy control function unit 8, and a beam There is a method of controlling the numerical aperture (NA) of the laser beam by the diameter control function unit 7 and the condenser lens 1. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, light is emitted by any one method or a combination of a plurality of methods regardless of the relative distance in the optical axis direction between the surface of the workpiece 2 and the condensing position 3. The light intensity distribution 13 in the radial direction is controlled so that the processing threshold 11 of the intensity follows the surface shape of the workpiece 2 or exceeds the surface.

このように本実施の形態は、超短パルスレーザによるレーザビームの集光位置近傍の光強度分布に依存してレーザ加工を施すものである。すなわち、レーザビームの光軸方向の光強度を加工しきい値11を超える強度に制御することによって、集光位置3より離れた領域であっても被加工物2に対してレーザ加工を施すことができる。   As described above, in this embodiment, laser processing is performed depending on the light intensity distribution near the condensing position of the laser beam by the ultrashort pulse laser. That is, by controlling the light intensity in the optical axis direction of the laser beam to an intensity exceeding the processing threshold 11, the workpiece 2 is subjected to laser processing even in a region away from the condensing position 3. Can do.

図5は、同一のアブレーション加工痕を得るための被加工物2と集光位置3との相対距離μm(横軸)と、パルスエネルギの増加量μJ(縦軸)との関係を示したグラフである。集光レンズ1の開口数(NA)は0.46とした。図からわかるように、被加工物2と集光位置3との相対距離が長くなっても、パルスエネルギを増加させることで光強度分布4を制御することによって、同一加工痕で加工を施すことができる。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the relative distance μm (horizontal axis) between the workpiece 2 and the converging position 3 for obtaining the same ablation trace and the increase amount μJ (vertical axis) of the pulse energy. It is. The numerical aperture (NA) of the condenser lens 1 was 0.46. As can be seen from the figure, even if the relative distance between the workpiece 2 and the light condensing position 3 is increased, the light intensity distribution 4 is controlled by increasing the pulse energy, thereby processing the same processing trace. Can do.

このように本実施の形態によれば、複雑な表面形状を有する被加工物2に対しても、レーザビーム集光位置近傍の光強度分布を制御することにより、被加工物2の表面形状に沿ってレーザ加工を行うことができる。したがって、被加工物2若しくは集光レンズ1の高い位置決め精度や高分解能が要求されないので、容易にかつ安価な設備でレーザ加工を行うことができる。   As described above, according to the present embodiment, the surface shape of the workpiece 2 can be obtained by controlling the light intensity distribution near the laser beam condensing position even for the workpiece 2 having a complicated surface shape. Laser processing can be performed along. Therefore, since high positioning accuracy and high resolution of the workpiece 2 or the condenser lens 1 are not required, laser processing can be easily performed with inexpensive equipment.

なお、本実施の形態のレーザ加工方法は、材料表面のアブレーションだけでなく、表面改質や表面近傍の内部改質などの超短パルスレーザを用いたレーザ加工全般に利用されるものである。   Note that the laser processing method of this embodiment is used not only for ablation of the material surface but also for laser processing using an ultrashort pulse laser such as surface modification and internal modification in the vicinity of the surface.

[第2の実施の形態]
次に、レーザビームを多点に分岐して多数の集光位置を有するレーザビームとし、これら多数の集光位置を有するレーザビームの各集光位置近傍の光強度分布を被加工物の表面形状に沿って制御するレーザ加工方法に対応した第2の実施の形態について、図5〜図6を用いて説明する。
[Second Embodiment]
Next, the laser beam is branched into multiple points to obtain a laser beam having a plurality of condensing positions, and the light intensity distribution in the vicinity of each condensing position of the laser beam having the many condensing positions is determined as the surface shape of the workpiece. A second embodiment corresponding to the laser processing method controlled along the lines will be described with reference to FIGS.

図5は本実施の形態に関わるレーザ加工装置の構成図である。なお、第1の実施の形態を示す図2と共通する部分には同一符号を付して詳しい説明を省略する。   FIG. 5 is a configuration diagram of the laser processing apparatus according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in FIG. 2 which shows 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.

この第2の実施の形態においては、レーザ発振器5から発振出力され、パルス幅制御機能部6,ビーム径制御機能部7,パルスエネルギ制御機能部8を通って光強度分布が被加工物2の表面形状に沿って制御されるレーザビームが、多点分割機能部12で多数のビームに分割された後、集光レンズ1を通って被加工物2に照射されるようになっている。多点分割機能部12としては、マスク,回折格子,マイクロレンズアレイ,位相板,DOE,ホモジナイザ等がある。また、干渉露光等によるビームパターンを利用して多点集光位置を作成してもよい。   In the second embodiment, the laser oscillator 5 oscillates and outputs the light intensity distribution of the workpiece 2 through the pulse width control function unit 6, the beam diameter control function unit 7, and the pulse energy control function unit 8. A laser beam controlled along the surface shape is split into a large number of beams by the multipoint splitting function unit 12 and then irradiated onto the workpiece 2 through the condenser lens 1. Examples of the multipoint division function unit 12 include a mask, a diffraction grating, a microlens array, a phase plate, a DOE, and a homogenizer. Further, a multi-point condensing position may be created using a beam pattern by interference exposure or the like.

図6(a)は、多数に分割されたレーザビームにより凹面形状を有する被加工物2の表面を加工する場合の原理図であり、同図(b)は、S部の拡大図である。因みに、光強度分布制御にパルスエネルギ制御機能部8を使用し、多点分割機能部12にマスクを使用している。   FIG. 6A is a principle diagram in the case of processing the surface of the workpiece 2 having a concave shape with a laser beam divided into a large number, and FIG. 6B is an enlarged view of the S portion. Incidentally, the pulse energy control function unit 8 is used for light intensity distribution control, and a mask is used for the multipoint division function unit 12.

図示するように、多点分割機能部12で分割された複数のレーザビームの光強度加工しきい値11が、ガウス分布に制御された半径方向の光強度分布13により、被加工物2の表面である凹面形状に沿うように照射されて、レーザ加工が施される。   As shown in the drawing, the light intensity processing threshold 11 of the plurality of laser beams divided by the multipoint dividing function unit 12 is set to the surface of the workpiece 2 by the radial light intensity distribution 13 controlled to a Gaussian distribution. The laser processing is performed by irradiating along the concave surface shape.

このように本実施の形態によれば、凹面形状のような複雑形状を有する被加工物2の表面に対しても面一括照射によるレーザ加工が可能となるので、シングルポイントの加工よりも加工時間を短縮でき、高スループット化を得られるようになる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to perform laser processing by surface collective irradiation even on the surface of the workpiece 2 having a complicated shape such as a concave shape, so that processing time is longer than single point processing. And a high throughput can be obtained.

なお、被加工物2の表面形状が凸面形状を有している場合には、分割する前のレーザビームをガウス分布とは逆の分布に制御することにより、多点一括照射によるレーザ加工が可能になる。また、自由な形状を有する被加工物2の場合は、デフォーマブルミラー等を用いて所望の光強度分布に制御すればよい。   In addition, when the surface shape of the workpiece 2 has a convex shape, laser processing by multi-point batch irradiation is possible by controlling the laser beam before division into a distribution opposite to the Gaussian distribution. become. In the case of the workpiece 2 having a free shape, it may be controlled to a desired light intensity distribution using a deformable mirror or the like.

また、本実施の形態では、光強度分布を制御してから多数分割を行ったが、多数分割後に各ビーム毎に光強度分布を制御するようにしてもよい。   In this embodiment, the light intensity distribution is controlled and then the multiple division is performed. However, the light intensity distribution may be controlled for each beam after the multiple division.

また、本実施の形態のレーザ加工方法も、材料表面のアブレーションだけでなく、表面改質や表面近傍の内部改質などの超短パルスレーザを用いたレーザ加工全般に利用されるものである。   Further, the laser processing method of the present embodiment is used not only for ablation of the material surface but also for laser processing using an ultrashort pulse laser such as surface modification and internal modification near the surface.

[第3の実施の形態]
次に、被加工物の表面形状に沿った光強度分布を得るためのシミュレーションを行い、このシミュレーションに基づいて前記レーザビームの集光位置近傍の光強度分布を制御するレーザ加工方法に対応した第3の実施の形態について、図7を用いて説明する。
[Third Embodiment]
Next, a simulation for obtaining a light intensity distribution along the surface shape of the workpiece is performed, and a laser processing method corresponding to a laser processing method for controlling the light intensity distribution near the condensing position of the laser beam based on the simulation is performed. The third embodiment will be described with reference to FIG.

図7は本実施の形態に関わるレーザ加工装置の構成図である。なお、第1及び第2の実施の形態を示す図2及び図5と共通する部分には同一符号を付して詳しい説明を省略する。   FIG. 7 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in FIG.2 and FIG.5 which shows 1st and 2nd embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.

この第3の実施の形態においては、被加工物2の表面形状を測定する形状測定手段として表面形状測定器14を有している。表面形状測定器14としては、接触式の表面形状計測器の他、干渉計や原子間力顕微鏡等がある。表面形状測定器14によって測定された表面形状データは、パソコン10に与えられる。パソコン10には、光強度分布測定手段としての光強度分布測定器11にて測定された光強度分布のデータも与えられている。   In the third embodiment, the surface shape measuring instrument 14 is provided as a shape measuring means for measuring the surface shape of the workpiece 2. Examples of the surface shape measuring instrument 14 include an interferometer and an atomic force microscope in addition to a contact-type surface shape measuring instrument. The surface shape data measured by the surface shape measuring instrument 14 is given to the personal computer 10. The personal computer 10 is also provided with data of light intensity distribution measured by a light intensity distribution measuring device 11 as light intensity distribution measuring means.

パソコン10では、表面形状測定器14によって測定された表面形状データにより、該表面形状のレーザ加工に必要な光強度分布がシミュレートされる(シミュレート手段)。そして、光強度分布測定器11にて測定される光強度分布のデータがシミュレートされた光強度分布に一致するように、パルス幅制御機能部6,ビーム径制御機能部7またはパルスエネルギ制御機能部8のいずれか1つまたは複数が制御される(制御手段)。   In the personal computer 10, the light intensity distribution required for laser processing of the surface shape is simulated by the surface shape data measured by the surface shape measuring instrument 14 (simulating means). Then, the pulse width control function unit 6, the beam diameter control function unit 7 or the pulse energy control function is used so that the data of the light intensity distribution measured by the light intensity distribution measuring device 11 matches the simulated light intensity distribution. Any one or more of the units 8 are controlled (control means).

かかる手段を有したレーザ加工装置においては、表面形状測定器14で計測された表面形状の変位量により、集光レンズ1と被加工物2との光軸方向相対距離が求められる。そして、この相対距離に対応した光強度分布4に制御される。   In the laser processing apparatus having such means, the relative distance in the optical axis direction between the condensing lens 1 and the workpiece 2 is obtained from the displacement amount of the surface shape measured by the surface shape measuring instrument 14. Then, the light intensity distribution 4 corresponding to this relative distance is controlled.

光強度分布4は、シミュレーションにより求められる。例えば半径方向の光強度分布13をガウス分布とし、開口数(MA)を制御することによって光強度分布4を制御する場合、ガウス分布を集光した場合の光軸方向の光強度分布は、次のように算出される。   The light intensity distribution 4 is obtained by simulation. For example, when the light intensity distribution 13 in the radial direction is a Gaussian distribution and the light intensity distribution 4 is controlled by controlling the numerical aperture (MA), the light intensity distribution in the optical axis direction when the Gaussian distribution is condensed is It is calculated as follows.

先ず、集光レンズ1の開口数(MA)をQとし、レーザ波長をλとすると、スポット径W0は(1)式で表される。   First, when the numerical aperture (MA) of the condensing lens 1 is Q and the laser wavelength is λ, the spot diameter W0 is expressed by equation (1).

W0=2λ/π・Q …(1)
次に、レイリー長Zrをk・W0/2(kは波長ベクトル)とすると、光軸z上でのガウスビーム半径W(z)は、(2)式で表される。
W0 = 2λ / π · Q (1)
Next, when the Rayleigh length Zr k · W0 2/2 ( k is wavevector), Gaussian beam radius W on the optical axis z (z) is expressed by equation (2).

(z)=W0(1+Z/Zr) …(2)
したがって、集光ビームの光強度分布は、(3)式で表される。
W 2 (z) = W 0 2 (1 + Z 2 / Zr 2 ) (2)
Therefore, the light intensity distribution of the focused beam is expressed by equation (3).

I={1/(1+Z/Zr)}・exp[{-2(X2+Y2)}/W2(z)] …(3)
そこで、(3)式にしたがって光強度分布4をシミュレーションすることにより、集光レンズ1と被加工物2との光軸方向相対距離と等光強度線が求められるので、光強度の加工しきい値を示す等光強度線の位置が集光レンズ1と被加工物2との光軸方向相対距離と等しく、若しくは超えるように集光レンズ1の開口数(MA)を制御することによって、複雑形状を有する被加工物2の表面若しくはその近傍に沿ったレーザ加工が可能となる。
I = {1 / (1 + Z 2 / Zr 2 )} · exp [{− 2 (X 2 + Y 2 )} / W 2 (z)] (3)
Therefore, by simulating the light intensity distribution 4 according to the equation (3), the relative distance in the optical axis direction between the condenser lens 1 and the workpiece 2 and the equal light intensity line are obtained. By controlling the numerical aperture (MA) of the condensing lens 1 so that the position of the equal light intensity line indicating the value is equal to or exceeds the relative distance in the optical axis direction between the condensing lens 1 and the workpiece 2 Laser processing along or near the surface of the workpiece 2 having a shape is possible.

このように本実施の形態によれば、表面形状測定機能とシミュレーション機能とを組み合わせることによって、いかなる表面形状を有する被加工物2に対しても高精度にレーザ加工を施すことができる。   As described above, according to the present embodiment, by combining the surface shape measurement function and the simulation function, it is possible to perform laser processing on the workpiece 2 having any surface shape with high accuracy.

なお、前記各実施の形態では超短パルスレーザのレーザビームでレーザ加工を行う場合を示したが、レーザビームの光源は超短パルスレーザに限定されるものではない。   In each of the above embodiments, the case where laser processing is performed with a laser beam of an ultrashort pulse laser has been shown, but the light source of the laser beam is not limited to the ultrashort pulse laser.

本発明のレーザ加工方法の原理説明に用いる模式図。The schematic diagram used for the principle description of the laser processing method of this invention. 本発明の第1の実施の形態におけるレーザ加工装置の要部構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the principal part structure of the laser processing apparatus in the 1st Embodiment of this invention. 同第1の実施の形態におけるレーザ加工方法の原理説明に用いる模式図。The schematic diagram used for the principle description of the laser processing method in the said 1st Embodiment. 同第1の実施の形態において、同一のアブレーション加工痕を得るための被加工物と集光位置との相対距離と、パルスエネルギの増加量との関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between the relative distance of the workpiece and the condensing position for obtaining the same ablation process trace, and the increase amount of pulse energy in the said 1st Embodiment. 本発明の第2の実施の形態におけるレーザ加工装置の要部構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the principal part structure of the laser processing apparatus in the 2nd Embodiment of this invention. 同第2の実施の形態におけるレーザ加工方法の原理説明に用いる模式図。The schematic diagram used for description of the principle of the laser processing method in the second embodiment. 本発明の第3の実施の形態におけるレーザ加工装置の要部構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the principal part structure of the laser processing apparatus in the 3rd Embodiment of this invention. 従来例の原理説明に用いる模式図。The schematic diagram used for the principle description of a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1…集光レンズ、2…被加工物、3…集光位置、4…光強度分布、5…レーザ発振器、6…パルス幅制御機能部、7…ビーム径制御機能部、8…パルスエネルギ制御機能部、9…加工ステージ、10…パソコン、11…光強度分布測定器、12…多点分割機能部、13…半径方向の光強度分布、14…表面形状測定器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Condensing lens, 2 ... Workpiece, 3 ... Condensing position, 4 ... Light intensity distribution, 5 ... Laser oscillator, 6 ... Pulse width control function part, 7 ... Beam diameter control function part, 8 ... Pulse energy control Functional part, 9 ... processing stage, 10 ... personal computer, 11 ... light intensity distribution measuring instrument, 12 ... multipoint division functional part, 13 ... radial light intensity distribution, 14 ... surface shape measuring instrument.

Claims (10)

レーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工方法において、
前記レーザビームの集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
In a laser processing method for performing laser processing on or near the surface of a workpiece using a laser beam,
A laser processing method, wherein a light intensity distribution in the vicinity of a condensing position of the laser beam is controlled along a surface shape of the workpiece.
レーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工方法において、
前記レーザビームを多点に分岐して多数の集光位置を有するレーザビームとし、これら多数の集光位置を有するレーザビームの集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
In a laser processing method for performing laser processing on or near the surface of a workpiece using a laser beam,
The laser beam is branched into multiple points to form a laser beam having a large number of condensing positions, and the light intensity distribution in the vicinity of the condensing position of the laser beam having the many condensing positions follows the surface shape of the workpiece. A laser processing method characterized by being controlled.
請求項1または2記載のレーザ加工方法において、
前記被加工物の表面形状に沿った光強度分布を得るためのシミュレーションを行い、このシミュレーションに基づいて前記レーザビームの集光位置近傍の光強度分布を制御することを特徴とするレーザ加工方法。
The laser processing method according to claim 1 or 2,
A laser processing method characterized by performing a simulation for obtaining a light intensity distribution along the surface shape of the workpiece, and controlling the light intensity distribution near the condensing position of the laser beam based on the simulation.
請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、該レーザビームのパルス幅を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
In the laser processing method according to any one of claims 1 to 3,
The laser beam is a laser beam of an ultrashort pulse laser, and the light intensity distribution in the vicinity of the focusing position is controlled along the surface shape of the workpiece by controlling the pulse width of the laser beam. A laser processing method characterized by the above.
請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、該レーザビームのパルスエネルギ分布を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
In the laser processing method according to any one of claims 1 to 3,
The laser beam is a laser beam of an ultrashort pulse laser. By controlling the pulse energy distribution of the laser beam, the light intensity distribution near the focusing position is controlled along the surface shape of the workpiece. The laser processing method characterized by the above-mentioned.
請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載のレーザ加工方法において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、該レーザビームの開口数を制御することによって集光位置近傍の光強度分布を前記被加工物の表面形状に沿って制御するようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。
In the laser processing method according to any one of claims 1 to 3,
The laser beam is a laser beam of an ultrashort pulse laser, and the light intensity distribution near the condensing position is controlled along the surface shape of the workpiece by controlling the numerical aperture of the laser beam. A laser processing method characterized by the above.
レーザ発振器からのレーザビームを用いて被加工物の表面またはその近傍にレーザ加工を施すレーザ加工装置において、
前記レーザビームの集光位置近傍の光強度分布データを測定する光強度分布測定手段と、
前記被加工物の表面形状を測定する形状測定手段と、
この形状測定手段により測定された表面形状のレーザ加工に必要な光強度分布をシミュレートするシミュレート手段と、
前記光強度分布測定手段により測定される光強度分布データが前記シミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致するように前記レーザビームを制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
In a laser processing apparatus that performs laser processing on or near the surface of a workpiece using a laser beam from a laser oscillator,
A light intensity distribution measuring means for measuring light intensity distribution data in the vicinity of the condensing position of the laser beam;
Shape measuring means for measuring the surface shape of the workpiece;
Simulating means for simulating the light intensity distribution necessary for laser processing of the surface shape measured by the shape measuring means;
Control means for controlling the laser beam so that the light intensity distribution data measured by the light intensity distribution measuring means matches the light intensity distribution simulated by the simulating means;
A laser processing apparatus comprising:
請求項7記載のレーザ加工装置において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、
前記制御手段は、前記レーザビームのパルス幅を制御することによって前記光強度分布測定手段により測定される光強度分布データが前記シミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致させることを特徴とするレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to claim 7, wherein
The laser beam is a laser beam of an ultrashort pulse laser,
The control means controls the pulse width of the laser beam so that the light intensity distribution data measured by the light intensity distribution measuring means matches the light intensity distribution simulated by the simulating means. Laser processing equipment.
請求項7記載のレーザ加工装置において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、
前記制御手段は、前記レーザビームのパルスエネルギ分布を制御することによって前記光強度分布測定手段により測定される光強度分布データが前記シミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致させることを特徴とするレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to claim 7, wherein
The laser beam is a laser beam of an ultrashort pulse laser,
The control means controls the pulse energy distribution of the laser beam so that the light intensity distribution data measured by the light intensity distribution measuring means matches the light intensity distribution simulated by the simulating means. Laser processing equipment.
請求項7記載のレーザ加工装置において、
前記レーザビームは超短パルスレーザのレーザビームであり、
前記制御手段は、前記レーザビームの開口数を制御することによって前記光強度分布測定手段により測定される光強度分布データが前記シミュレート手段によりシミュレートされた光強度分布に一致させることを特徴とするレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to claim 7, wherein
The laser beam is a laser beam of an ultrashort pulse laser,
The control means controls the numerical aperture of the laser beam so that the light intensity distribution data measured by the light intensity distribution measuring means matches the light intensity distribution simulated by the simulating means. Laser processing equipment.
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