JP2007021509A

JP2007021509A - レーザ加工機

Info

Publication number: JP2007021509A
Application number: JP2005203379A
Authority: JP
Inventors: Yuji Takenaka; 裕司竹中; Tatsuya Yamamoto; 達也山本; Masashi Naruse; 正史成瀬
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】偏光分離素子で分岐したレーザビームそれぞれを円偏光化する場合に、各光路で高い円偏光率を得ることができるレーザ加工機を得ること。
【解決手段】レーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザビームを複数の光路に分岐して出力する光路二分岐部２と、光路二分岐部２で分岐された各レーザビームを対象物に照射させる投影レンズと、を備え、対象物に対してレーザ加工を行うレーザ加工機において、光路二分岐部２は、レーザ発振器からのレーザビームＩのＰ偏光を所定の透過率で透過させるとともに、Ｓ偏光を所定の反射率で反射させて、２つの光路に分岐させる偏光分離素子２１と、偏光分離素子２１で分岐されたそれぞれの偏光成分のレーザビームを円偏光または楕円偏光に変換する１／４波長板２４ａ，２４ｂと、の間の少なくとも１つの光路に、分岐されたレーザビームに含まれる他の偏光成分を減衰させる偏光制御素子２２ａ，２２ｂを配置してなる。
【選択図】図２−１

Description

この発明は、１つの光源から出力されたレーザビームを複数の光路に分岐して出力し、対象物への加工を行うレーザ加工機に関するものである。

図１０は、従来のレーザ加工装置の基本的光学系を示す構成図である。このレーザ加工装置は、レーザビーム１１０を発振するレーザ発振器１０１と、レーザ発振器１０１からのレーザビーム１１０をＳ，Ｐ偏光に分離する偏光ビームスプリッタ１０２と、偏光ビームスプリッタ１０２を透過したＰ偏光を円偏光に変える１／４波長板１０３と、レーザ加工の対象となる試料１０６の所定の位置に対してレーザビームを照射するためのマスク１０４と、マスク１０４を通過したレーザビームを試料１０６に投影する投影レンズ１０５と、を備える。マスク１０４には、レーザビームを通過させるための開口部１０４ａと、開口部１０４ａ以外に照射されたレーザビームを反射させる反射部１０４ｂと、が備えられる。また、レーザ加工装置は、偏光ビームスプリッタ１０２で反射したＳ偏光を試料１０６に照射するように他の光学系に導くための偏光ビームスプリッタ１０２ａと、マスク１０４の反射部１０４ｂから反射されたＳ偏光を試料１０６に照射するように他の光学系に導くための偏光ビームスプリッタ１０２ｂと、を備えており、同時に複数のレーザ加工を実施することができる構成となっている。

つぎに、このような構成のレーザ加工装置の動作について説明する。レーザ発振器１０１より発振されたレーザビーム１１０は、一般にランダム偏光であり、偏光ビームスプリッタ１０２によりＳ，Ｐ偏光にそれぞれ分離される。直進するＰ偏光は１／４波長板１０３を通過し、マスク１０４を照射する。マスク１０４の開口部である１０４ａを透過したレーザビームは、投影レンズ１０５により試料１０６に転写され、所定の形状１０７に加工される。一方、マスク１０４の反射部１０４ｂで反射したレーザビームは、再び１／４波長板１０３を通過することにより偏光面が９０°回転し、Ｓ偏光に変換される。したがって、反射光は偏光ビームスプリッタ１０２により反射され、レーザ発振器１０１に戻ることがない。ここでは、偏光ビームスプリッタ１０２でＳ偏光を偏光ビームスプリッタ１０２ｂへと反射させ、上記と同様の光学系を複数設けることにより、マスク１０４からの反射光を繰返し試料１０６に照射することが可能になる。また、レーザ発振器１０１から発振され、偏光ビームスプリッタ１０２で反射されたＳ偏光も、偏光ビームスプリッタ１０２ａへと反射され、上記と同様の光学系を複数設けることにより、反射したレーザビームも試料の加工に用いられる。その結果、レーザビームの利用効率が向上し、ひいては加工能率が向上する（たとえば、特許文献１参照）。

特開平７−９１８１号公報

従来のレーザ加工装置では、偏光ビームスプリッタ１０２を透過したレーザビームは１／４波長板１０３を通過後は円偏光ビームに変換される。これは、理想的な偏光特性を有する偏光ビームスプリッタ、すなわち１００％のＰ偏光ビーム透過、１００％のＳ偏光ビーム反射の偏光ビームスプリッタの場合であり、実際の偏光ビームスプリッタでは、たとえば、９８％のＰ偏光ビーム透過、９５％のＳ偏光ビーム反射が現実的な性能となる。したがって、２％のＰ偏光ビーム反射、５％のＳ偏光ビーム透過がノイズ光として存在することになる。

偏光ビームスプリッタ１０２を透過する偏光ビームに９８％のＰ偏光ビームと５％のＳ偏光ビームが存在する場合、この２つの偏光ビームが１／４波長板１０３を通過すると、完全な円偏光ビームにはならない。円偏光率が１００％のものを完全な円偏光ビームとし、０％のものを直線偏光ビームとした指標で表すと、この場合の円偏光率は４０％程度になる。すなわち、５％のノイズ光の存在のために、円偏光率は１００％から４０％に低下してしまう。

また、偏光ビームスプリッタ１０２で反射する偏光ビームに９５％のＳ偏光ビームと２％のＰ偏光ビームが存在する場合、この２つの偏光ビームが１／４波長板を通過しても、完全な円偏光ビームにはならない。上記と同様の指標で表すと、この場合の円偏光率は５５％程度になる。すなわち、２％のノイズ光の存在のために、円偏光率は１００％から５５％に低下してしまう。

これらのような円偏光率の低下したレーザビームを用いてレーザ加工を実施すると、加工形状が真円ではなく楕円形状になってしまうなど、円偏光率に敏感なレーザ加工では加工品質に悪影響を及ぼしてしまうなどの問題点があった。

さらに、図１１に示すように偏光ビームスプリッタ１０２を透過したレーザビーム１１０ａと、偏光ビームスプリッタ１０２で反射し、さらに折返しミラー１０８で反射したレーザビーム１１０ｂの２つの偏光ビームを用いた２試料同時加工のレーザ加工機では、１／４波長板１０３ａ，１０３ｂを透過後、投影レンズ１０５ａ，１０５ｂを経て、それぞれの試料１０６ａ，１０６ｂに入射するレーザビームの円偏光率が、上記したようにそれぞれ４０％と５５％というように違いが発生する。そのため、円偏光率に敏感なレーザ加工では光路の違いによって加工品質が異なってしまうという問題点もあった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、偏光分離素子で分岐したレーザビームのそれぞれを円偏光化した場合でも、両光路のそれぞれで高い円偏光率を得ることができるレーザ加工機を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかるレーザ加工機は、レーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器からのレーザビームを複数の光路に分岐して出力する光路分岐部と、前記光路分岐部で分岐されたそれぞれのレーザビームを対象物に照射させる投影レンズと、を備え、前記対象物に対してレーザ加工を行うレーザ加工機において、前記光路分岐部は、前記レーザ発振器からのレーザビームの第１の偏光成分を所定の透過率で透過させるとともに、第２の偏光成分を所定の反射率で反射させて、２つの光路に分岐させる偏光分離手段と、前記偏光分離手段で分岐されたそれぞれの偏光成分のレーザビームを円偏光または楕円偏光に変換する円偏光変換手段と、の間の少なくとも１つの光路に、分岐されたレーザビームに含まれる他の偏光成分を減衰させる偏光制御手段を配置してなることを特徴とする。

この発明によれば、偏光分離素子を透過したレーザビームの光路中でかつ１／４波長板に至る前に、偏光の割合を変化させる偏光制御素子を配置したことにより、１／４波長板で円偏光率が１００％に近い円偏光を発生させることができる。その結果、円偏光率に敏感なレーザ加工においても、加工形状を真円状に保つことができ、良好な加工品質を維持することができる。また、１つのレーザ発振器から出力されるレーザビームが分岐されたそれぞれの光路で８０％以上の円偏光率が得られるため、光路の違いによる加工品質バラツキも解消することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるレーザ加工機の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明にかかるレーザ加工機の構成を模式的に示すブロック図であり、図２−１は、図１のレーザ加工機における光路二分岐部の実施の形態１の構成を示す斜視図であり、図２−２は、図２−１の光路二分岐部の上面図であり、図２−３は、図２−１の光路二分岐部の正面図であり、図３は、この実施の形態１において偏光分離素子と偏光制御素子の偏光特性を示す図であり、図４は、偏光分離素子に入射した前後のレーザビームの偏光方向の様子を模式的に示す図である。

このレーザ加工機は、レーザビームを発振するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出力されるレーザビームを２つの光路に分器する光路二分岐部２と、それぞれの光路から出力されるレーザビームを試料４ａ，４ｂに照射するための投影レンズ３ａ，３ｂと、を備える。

図２−１に示されるように、光路二分岐部２は、レーザ発振器１から入射するレーザビームＩの光路を透過させるＰ偏光と反射させるＳ偏光に２分岐する偏光分離素子２１と、偏光分離素子２１を透過したレーザビームＴ₁を下方垂直に折り返す反射型の偏光制御素子２２ａと、偏光分離素子２１で反射したレーザビームＲ₁を水平方向に垂直に折り返す反射型の偏光制御素子２２ｂと、偏光制御素子２２ｂで反射したレーザビームＲ₂を下方垂直に折り返す反射ミラー２３と、各光路上の偏光制御素子２２ａと反射ミラー２３で反射したレーザビームＴ₂，Ｒ₃の偏光を円偏光のレーザビームＴ₃，Ｒ₄に変換する反射型の１／４波長板（以下、λ／４板という）２４ａ，２４ｂと、を備える。ここで、光路二分岐部２は、特許請求の範囲における光路分岐部に対応し、偏光分離素子２１は、同じく偏光分離手段に対応し、偏光制御素子２２ａ，２２ｂは、同じく偏光制御手段に対応し、λ／４板２４ａ，２４ｂは、同じく円偏光変換手段に対応している。

なお、この説明では、レーザ発振器１から入射するレーザビームを符号「Ｉ」で表し、偏光分離素子２１を透過したレーザビームを符号「Ｔ_i」（ｉ＝１，２，３，・・・）で表し、偏光分離素子２１で反射されたレーザビームを符号「Ｒ_j」（ｊ＝１，２，３，・・・）で表している。また、ここでは、レーザビームＩ，Ｔ₁，Ｒ₁が存在する平面を水平面と仮定して、説明を行う。

図３に示されるように、以上の構成において、偏光分離素子２１は、偏光分離素子２１に対してＳ偏光で入射するレーザビームを反射し、そのＳ偏光反射率は９５％以上であるものとする。ただし、この偏光分離素子２１は、Ｐ偏光で入射するレーザビームも若干反射し、そのＰ偏光反射率は２％以下であるとする。また、この偏光分離素子２１は、偏光分離素子２１に対してＰ偏光で入射するレーザビームは透過し、そのＰ偏光透過率は９８％以上であるとする。ただし、この偏光分離素子２１は、Ｓ偏光で入射するレーザビームもわずかに透過し、そのＳ偏光透過率は５％以下であるとする。ここで、Ｓ偏光は偏光分離素子２１への入射面（入射レーザビームＩと偏光分離素子２１の反射面の法線とがなす平面）に対して垂直な方向の偏光方向を指し、Ｐ偏光は偏光分離素子２１への入射面に対して水平な方向の偏光方向を指す。また、各光路上に配置される偏光制御素子２２ａ，２２ｂは、入射するレーザビームがＰ偏光の場合にはＰ偏光を吸収（透過）し、入射するレーザビームがＳ偏光の場合にはＳ偏光を反射する性質を有する光学素子であり、上記偏光分離素子２１と同様の特性を有する。

つぎに、このような構成のレーザ加工機における円偏光したレーザビームの出力動作について説明する。図４に示されるように偏光分離素子２１に入射するレーザビームＩは、偏光分離素子２１への入射面（図２−１〜図２−３または図４においては、レーザビームＩ，Ｔ₁，Ｒ₁が存在する水平面となる）に対して、レーザビームＩの進行方向に向かって反時計回りに４５度偏光方向が傾いた直線偏光のビームである。なお、図４では反時計回り４５度に偏光方向が傾いたレーザビームを使用する場合を記載したが、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが同等に含まれていればよく、時計回りに４５度傾いたレーザビームを用いてもよいし、円偏光を用いてもよい。

このレーザ発振器１からのレーザビームＩは、偏光分離素子２１で、透過するレーザビームＴ₁と反射するレーザビームＲ₁に分離される。レーザビームＴ₁は、偏光分離素子２１を透過したレーザビームであり、その偏光割合は、図３により、偏光分離素子２１に対してＰ偏光成分９８％以上、Ｓ偏光成分５％以下である。また、レーザビームＲ₁は、偏光分離素子２１で反射したレーザビームであり、その偏光割合は、図３により、偏光分離素子２１に対してＳ偏光成分９５％以上、Ｐ偏光成分２％以下である。

まず、レーザビームＴ₁は、反射型の偏光制御素子２２ａによって下方垂直に折り返され、レーザビームＴ₂となる。レーザビームＴ₁の偏光割合は偏光分離素子２１に対してＰ偏光成分９８％以上、Ｓ偏光成分５％以下であるが、反射型の偏光制御素子２２ａによってレーザビームＴ₁が下方垂直に折り返される配置では、偏光分離素子２１に対する入射面と反射型の偏光制御素子２２ａに対する入射面とが直交することとなり、偏光方向の向きがＳ偏光とＰ偏光で入れ替わる。すなわち、反射型の偏光制御素子２２ａには、Ｓ偏光成分９８％以上、Ｐ偏光成分５％以下のレーザビームＴ₁が入射することになる。

反射型の偏光制御素子２２ａは、図３に示されるように偏光分離素子２１と同じ偏光特性を有するので、反射型の偏光制御素子２２ａに対してＳ偏光で入射するレーザビームは反射し、そのＳ偏光反射率は９５％以上である。ただし、Ｐ偏光で入射するレーザビームも若干反射し、そのＰ偏光反射率は２％以下である。また、反射型の偏光制御素子２２ａに対してＰ偏光で入射するレーザビームは透過し、そのＰ偏光透過率は９８％以上である。ただし、Ｓ偏光で入射するレーザビームもわずかに透過し、そのＳ偏光透過率は５％以下である。

つまり、反射型の偏光制御素子２２ａで反射されたレーザビームＴ₂は、Ｓ偏光成分が０．９８×０．９５＝０．９３１（９３％）であり、Ｐ偏光成分が０．０５×０．０２＝０．００１（０．１％）である偏光割合となる。この結果、下方垂直に反射されるレーザビームＴ₂は、反射型の偏光制御素子２２ａに対してほぼＳ偏光成分よりなる直線偏光となる。その後、レーザビームＴ₂は反射型のλ／４板２４ａに入射して、レーザビームＴ₃として反射される。レーザビームＴ₃は、反射型のλ／４板２４ａで円偏光に変換される。その円偏光率は、反射型の偏光制御素子２２ａで反射されたＳ偏光成分とＰ偏光成分の偏光割合が０．９３１以上：０．００１以下であることを考慮すると、８０％以上となる。

一方、偏光分離素子２１で反射されたレーザビームＲ₁は、反射型の偏光制御素子２２ｂによって水平方向に垂直に折り返され、レーザビームＲ₂となる。レーザビームＲ₁の偏光割合は、図３より偏光分離素子２１に対してＳ偏光成分９５％以上、Ｐ偏光成分２％以下である。また、反射型の偏光制御素子２２ｂによってレーザビームＲ₂が水平方向に垂直に折り返される配置では、偏光分離素子２１に対する入射面と反射型の偏光制御素子２２ｂに対する入射面とが平行であるので、反射型の偏光制御素子２２ｂに対するＳ偏光とＰ偏光の方向は、偏光分離素子２１に対するＳ偏光とＰ偏光の方向と同じとなる。つまり、Ｓ偏光成分９５％以上、Ｐ偏光成分２％以下の偏光割合でレーザビームＲ₁は反射型の偏光制御素子２２ｂに入射する。

反射型の偏光制御素子２２ｂは、図３に示されるように偏光分離素子２１と同じ偏光特性を有するので、反射型の偏光制御素子２２ｂに対してＳ偏光で入射するレーザビームは反射し、そのＳ偏光反射率は９５％以上である。ただし、Ｐ偏光で入射するレーザビームも若干反射し、そのＰ偏光反射率は２％以下である。また、反射型の偏光制御素子２２ｂに対してＰ偏光で入射するレーザビームは透過し、そのＰ偏光透過率は９８％以上である。ただし、Ｓ偏光で入射するレーザビームもわずかに透過し、そのＳ偏光透過率は５％以下である。

つまり、反射型の偏光制御素子２２ｂで反射したレーザビームＲ₂は、Ｓ偏光成分が０．９５×０．９５＝０．９０（９０％）であり、Ｐ偏光成分は０．０２×０．０２＝０．０００４（０．０４％）である偏光割合となる。この結果、レーザビームＲ₂は、反射型の偏光制御素子２２ｂに対してほぼＳ偏光成分よりなる直線偏光で、水平方向に垂直に反射されることになる。

このようにして反射型の偏光制御素子２２ｂで反射されたレーザビームＲ₂は、反射ミラー２３によって下方垂直に折り返され、レーザビームＲ₃となる。このレーザビームＲ₃の偏光割合は、レーザビームＲ₂の偏光割合と同じであり、反射型の偏光制御素子２２ｂに対してＳ偏光成分とＰ偏光成分の偏光割合が、０．９０以上：０．０００４以下である。その後、レーザビームＲ₃は反射型のλ／４板２４ｂに入射し、レーザビームＲ₄として反射される。レーザビームＲ₄は、反射型のλ／４板２４ｂで反射される際に、円偏光に変換される。その円偏光率は、反射型の偏光制御素子２２ｂに対してＳ偏光成分とＰ偏光成分の偏光割合が、０．９０以上：０．０００４以下であることを考慮すると、９０％以上となる。

上述したように、この実施の形態１の光路二分岐部２では、偏光分離素子２１とλ／４板２４ａ，２４ｂとの間に１以上の偏光制御素子２２ａ，２２ｂを配置させることを特徴とする。このように配置することで、λ／４板２４ａ，２４ｂに入射するレーザビーム中に含まれるノイズとなる偏光成分の割合を低減させることができる。

この実施の形態１によれば、偏光分離素子２１の透過側および反射側の両光路に偏光制御素子２２ａ，２２ｂを挿入する構成としたので、偏光制御素子２２ａ，２２ｂで反射されるレーザビームのうち、ノイズとなる偏光成分の割合を、その偏光制御素子２２ａ，２２ｂの偏光特性に合わせてさらに小さくすることができる結果、円偏光率は両光路とも８０％以上に改善される。したがって、得られる円偏光率が両光路とも５０％程度であった従来のレーザ加工では加工品質が問題になっていたが、この実施の形態１のレーザビームを用いることによって円偏光率に敏感なレーザ加工においても、加工形状が真円状を保てるなど、良好な加工品質を維持することができるという効果を有する。また、この実施の形態１によれば、レーザ発振器１から発振される１つのレーザビームを分岐して得られる複数の光路ともに、８０％以上の円偏光率が得られるため、従来では円偏光率に敏感なレーザ加工において発生していた光路の違いによる加工品質のバラツキも解消することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、レーザビームを偏光制御素子２２ａ，２２ｂで反射させることで偏光割合を良化させる場合を示したが、この実施の形態２では、レーザビームが偏光制御素子２２ａ，２２ｂを透過するように光学系を配置して、レーザビームの偏光割合を良化する場合について説明する。なお、この実施の形態２においても、レーザ加工機の構成は図１と同一であるものとする。

図５−１は、図１のレーザ加工機における光路二分岐部の実施の形態２の構成を示す斜視図であり、図５−２は、図５−１の光路二分岐部の上面図であり、図５−３は、図５−１の光路二分岐部の正面図である。

図５−１に示されるように、光路二分岐部２は、レーザ発振器１から入射するレーザビームＩの光路を透過させるＰ偏光と反射させるＳ偏光に２分岐する偏光分離素子２１と、偏光分離素子２１を透過したレーザビームＴ₁を透過させる透過型の偏光制御素子２２ａと、偏光分離素子２１で反射したレーザビームＲ₁を透過させる透過型の偏光制御素子２２ｂと、各偏光制御素子２２ａ，２２ｂを透過したレーザビームＴ₂，Ｒ₂を下方垂直に折り曲げる反射ミラー２３ａ，２３ｂと、反射ミラー２３ａ，２３ｂで反射されたレーザビームＴ₃，Ｒ₃の偏光を円偏光に変換する反射型のλ／４板２４ａ，２４ｂと、を備える。ここで、光路二分岐部２は、特許請求の範囲における光路分岐部に対応し、偏光分離素子２１は、同じく偏光分離手段に対応し、偏光制御素子２２ａ，２２ｂは、同じく偏光制御手段に対応し、λ／４板２４ａ，２４ｂは、同じく円偏光変換手段に対応している。

なお、透過型の偏光制御素子２２ａ，２２ｂは、この偏光制御素子に対してＰ偏光で入射するレーザビームのほとんどを透過させ、Ｓ偏光で入射するレーザビームをわずかに透過させるものであるが、同時にこの偏光制御素子に対してＳ偏光で入射するレーザビームのほとんどを反射させ、Ｐ偏光で入射するレーザビームをわずかに反射させるものでもある。つまり、実施の形態１で使用した偏光制御素子２２ａ，２２ｂとその偏光特性は同じであり、光学的な配置方法のみが異なるものである。そのため、この実施の形態２では、透過型の偏光制御素子に対しても、実施の形態１で使用した反射型の偏光制御素子２２ａ，２２ｂと同じ符号を使用している。また、この説明でも、レーザビームの符号を実施の形態１と同様に付するものとし、レーザビームＩ，Ｔ₁，Ｒ₁が存在する平面を水平面と仮定している。

つぎに、このような構成のレーザ加工機における円偏光したレーザビームの出力動作について説明する。ただし、この実施の形態２でも、偏光分離素子と偏光制御素子は、図３に示される偏光特性を有するものとし、偏光分離素子２１に入射するレーザビームＩは、実施の形態１と同様に、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが同等に含まれているものとする。

レーザ発振器１から入力されたレーザビームＩは、偏光分離素子２１で、透過するレーザビームＴ₁と反射するレーザビームＲ₁に分離される。レーザビームＴ₁は、偏光分離素子２１を透過したレーザビームであり、その偏光割合は、図３により、偏光分離素子２１に対してＰ偏光成分９８％以上、Ｓ偏光成分５％以下である。また、レーザビームＲ₁は、偏光分離素子２１で反射したレーザビームであり、その偏光割合は、図３により、偏光分離素子２１に対してＳ偏光成分９５％以上、Ｐ偏光成分２％以下である。

まず、レーザビームＴ₁は、透過型の偏光制御素子２２ａを透過し、レーザビームＴ₂となる。レーザビームＴ₁の偏光割合は偏光分離素子２１に対してＰ偏光成分９８％以上、Ｓ偏光成分５％以下であるが、偏光制御素子２２ａを偏光分離素子２１と光学特性が同じになるように配置することで、Ｐ偏光成分９８％以上、Ｓ偏光成分５％以下で偏光制御素子２２ａに入射する。そして、偏光制御素子２２ａは、偏光分離素子２１と同じ偏光特性を有するので、Ｐ偏光で入射するレーザビームをＰ偏光透過率９８％以上で透過させ、Ｓ偏光で入射するレーザビームをＳ偏光透過率５％以下でわずかに透過させる。

つまり、偏光制御素子２２ａを透過したレーザビームＴ₂は、Ｐ偏光成分は０．９８×０．９８＝０．９６（９６％）であり、Ｓ偏光成分は０．０５×０．０５＝０．００２５（０．２５％）である偏光割合となる。この結果、偏光制御素子２２ａを透過したレーザビームＴ₂は、偏光制御素子２２ａに対してほぼＰ偏光成分よりなる直線偏光となる。その後、レーザビームＴ₂は、反射ミラー２３ａで垂直下方に折り曲げられ、レーザビームＴ₃として反射型のλ／４板２４ａに入射し、レーザビームＴ₄として反射される。レーザビームＴ₄は、反射型のλ／４板２４ａで反射される際、円偏光に変換される。その円偏光率は、偏光制御素子２２ａに対してＰ偏光成分とＳ偏光成分の偏光割合が０．９６以上対０．００２５以下であることを考慮すると、８０％以上となる。

一方、偏光分離素子２１で反射されたレーザビームＲ₁は、偏光制御素子２２ｂを透過し、レーザビームＲ₂となる。レーザビームＲ₁の偏光割合は、図３より、偏光分離素子２１に対してＳ偏光成分９５％以上、Ｐ偏光成分２％以下であるが、偏光制御素子２２ｂによってレーザビームＲ₁のＳ偏光成分を下方垂直に折り返す配置では、偏光分離素子２１に対する入射面と偏光制御素子２２ｂに対する入射面とが直交することとなり、偏光方向の向きがＳ偏光とＰ偏光で入れ替わる。すなわち、偏光制御素子２２ｂには、Ｐ偏光成分９５％以上、Ｓ偏光成分２％以下のレーザビームＲ₁が入射することになる。偏光制御素子２２ｂは、図３に示されるように偏光分離素子２１と同じ偏光特性を有するので、Ｐ偏光で入射するレーザビームは透過し、そのＰ偏光透過率は９８％以上である。ただし、Ｓ偏光で入射するレーザビームもわずかに透過し、そのＳ偏光透過率は５％以下である。

つまり、偏光制御素子２２ｂを透過したレーザビームＲ₂の偏光割合は、Ｐ偏光成分が０．９５×０．９８＝０．９３（９３％）であり、Ｓ偏光成分が０．０２×０．０５＝０．００１（０．１％）である。この結果、偏光制御素子２２ｂを透過したレーザビームＲ₂は、偏光制御素子２２ｂに対してほぼＰ偏光成分よりなる直線偏光となる。その後、レーザビームＲ₂は、反射ミラー２３ｂで垂直下方に折り曲げられ、レーザビームＲ₃として反射型のλ／４板２４ｂに入射し、レーザビームＲ₄として反射される。レーザビームＲ₄は、反射型のλ／４板２４ｂで反射される際、円偏光に変換される。その円偏光率は、反射型の偏光制御素子２２ｂに対してＰ偏光成分とＳ偏光成分の偏光割合が０．９３以上対０．００１以下であることを考慮すると、８０％以上となる。

この実施の形態２によれば、偏光分離素子２１で分離されたレーザビームをλ／４板２４ａ，２４ｂに導くまでの光路に透過型の偏光制御素子２２ａ，２２ｂを設置することによっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
この実施の形態３では、従来よりも性能の向上された偏光分離素子と偏光制御素子を用いて、実施の形態１よりも簡易な光学系で、分光されたレーザビームの円偏光率の改善を行うものである。なお、この実施の形態３においても、レーザ加工機の構成は図１と同一であるものとする。

図６−１は、図１のレーザ加工機における光路二分岐部の実施の形態３の構成を示す斜視図であり、図６−２は、図６−１のレーザビームの上面図であり、図６−３は、図６−１のレーザビームの正面図であり、図７は、この実施の形態３における偏光分離素子と偏光制御素子の偏光特性を示す図であり、図８は、偏光分離素子に入射した前後のレーザビームの偏光方向の様子を模式的に示す図である。

図６−１に示されるように、光路二分岐部２は、レーザ発振器１から入射するレーザビームの光路を透過させるＰ偏光と反射させるＳ偏光に２分岐する偏光分離素子３１と、偏光分離素子３１を透過したレーザビームＴ₁を下方垂直に折り返す反射型の偏光制御素子３２と、偏光分離素子３１で反射されたレーザビームＲ₁を下方に折り返す反射ミラー２３と、偏光制御素子３２と反射ミラー２３によって下方に折り返されたレーザビームＴ₂，Ｒ₂の偏光を円偏光に変換する反射型のλ／４板２４ａ，２４ｂと、を備える。なお、この説明でも、レーザビームの符号を実施の形態１と同様に付するものとする。ここで、光路二分岐部２は、特許請求の範囲における光路分岐部に対応し、偏光分離素子３１は、同じく偏光分離手段に対応し、偏光制御素子３２は、同じく偏光制御手段に対応し、λ／４板２４ａ，２４ｂは、同じく円偏光変換手段に対応している。

図７に示されるように、以上の構成において、偏光分離素子３１は、偏光分離素子３１に対してＳ偏光で入射するレーザビームを反射し、そのＳ偏光反射率は９８％以上であるとする。ただし、Ｐ偏光で入射するレーザビームも若干反射し、そのＰ偏光反射率は０．２％以下であるとする。また、偏光分離素子３１に対してＰ偏光で入射するレーザビームを透過し、そのＰ偏光透過率は９８％以上であるとする。ただし、Ｓ偏光で入射するレーザビームもわずかに透過し、そのＳ偏光透過率は２％以下であるとする。

つぎに、このような構成のレーザ加工機における円偏光したレーザビームの出力動作について説明する。図８に示されるように、偏光分離素子３１に入射するレーザビームＩは、偏光分離素子３１への入射面（入射レーザビームＩと偏光分離素子３１の反射面の法線とのなす平面。図６−１〜図６−３または図８においては、レーザビームＩ，Ｒ_1,Ｔ₁が存在する水平面となる。）に対して、レーザビームＩの進行方向に向かって反時計回りに４５度偏光方向が傾いた直線偏光のビームである。なお、図８では反時計回り４５度に偏光方向が傾いた場合を記載したが、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが同等に含まれていればよく、時計回りに偏光方向が４５度傾いているレーザビームでもよいし、円偏光のレーザビームでもよい。

レーザ発振器１から入力したレーザビームＩは、偏光分離素子３１で、透過するレーザビームＴ₁と反射するレーザビームＲ₁に分離される。レーザビームＲ₁は、偏光分離素子３１で反射したレーザビームであり、その偏光割合は、図７により、偏光分離素子３１に対してＳ偏光成分９８％以上、Ｐ偏光成分０．２％以下である。また、レーザビームＴ₁は、偏光分離素子３１を透過したレーザビームであり、その偏光割合は、図７により、偏光分離素子３１に対してＰ偏光成分９８％以上、Ｓ偏光成分２％以下である。

まず、レーザビームＲ₁は、反射ミラー２３によって下方に折り返され、レーザビームＲ₂となる。レーザビームＲ₂の偏光割合は、図７により、偏光分離素子３１に対してＳ偏光成分９８％以上、Ｐ偏光成分０．２％以下である。その後、反射ミラー２３で反射されたレーザビームＲ₂は反射型のλ／４板２４ｂに入射し、レーザビームＲ₃として反射される。レーザビームＲ₃は、反射型のλ／４板２４ｂで反射される際に、円偏光に変換される。このときの円偏光率は、レーザビームＲ₂の偏光割合、すなわち偏光分離素子３１に対してＳ偏光成分９８％以上、Ｐ偏光成分０．２％以下のレーザビームＲ₂の偏光割合を考慮すると、８０％以上となる。

一方、レーザビームＴ₁は、反射型の偏光制御素子３２によって下方に折り返され、レーザビームＴ₂となる。レーザビームＴ₁の偏光割合は、偏光分離素子３１に対してＰ偏光成分９８％以上、Ｓ偏光成分２％以下であるが、反射型の偏光制御素子３２によってレーザビームＴ₁が下方垂直に折り返される配置では、偏光分離素子３１に対する入射面と反射型の偏光制御素子３２に対する入射面とが直交することとなり、偏光方向の向きがＳ偏光とＰ偏光で入れ替わる。すなわち、Ｓ偏光成分９８％以上、Ｐ偏光成分２％以下のレーザビームＴ₁として反射型の偏光制御素子３２に入射する。

反射型の偏光制御素子３２は、図７に示されるように偏光分離素子３１と同じ偏光特性を有し、反射型の偏光制御素子３２に対してＳ偏光で入射するレーザビームをＳ偏光反射率９８％以上で反射し、Ｐ偏光で入射するレーザビームもＰ偏光反射率０．２％以下で反射する。また、反射型の偏光制御素子３２に対してＰ偏光で入射するレーザビームをＰ偏光透過率９８％以上で透過し、Ｓ偏光で入射するレーザビームもＳ偏光透過率２％以下で透過する。

よって、反射型の偏光制御素子３２によって下方に反射したレーザビームＴ₂の偏光割合は、反射型の偏光制御素子３２に対するＳ偏光成分が０．９８×０．９８＝０．９６（９６％）となり、Ｐ偏光成分が０．０２×０．００２＝０．００００４（０．００４％）となる。この結果、反射型の偏光制御素子３２に対してほぼＳ偏光成分よりなる直線偏光のレーザビームＴ₂が下方に反射される。その後、レーザビームＴ₂は反射型のλ／４板２４ａに入射して、レーザビームＴ₃として反射される。レーザビームＴ₃は、反射型のλ／４板２４ａで反射される際、円偏光に変換される。その円偏光率は、反射型の偏光制御素子３２に対してＳ偏光成分とＰ偏光成分の偏光割合が０．９６以上対０．００００４以下であることを考慮すると、９５％以上となる。

この実施の形態３によれば、Ｐ偏光に対する反射を０．２％以下に抑える偏光分離素子３１と偏光制御素子３２を用いることができれば、Ｓ偏光に対して偏光特性を改善するための偏光制御素子を設けることなく、実施の形態１の構成よりもさらに簡易な構成で、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、偏光特性を増した偏光分離素子３１や偏光制御素子３２を用いる場合には、偏光分離素子３１と偏光制御素子３２の単体のコストは増加するものの、実施の形態１に比べ偏光制御素子の数を減らすことができるので、光学系が単純な構成となり、トータルのコストとして低減することができる。さらに、光学系が単純になり、特に偏光分離素子３１の透過側と反射側のレーザビームの光路が対称となるので、両レーザビームの品質が略同じとなり、加工品質のばらつき低減が可能となる。

実施の形態４．
実施の形態３では、偏光分離素子３１の透過側の光路に偏光制御素子３２を挿入した場合を説明したが、この実施の形態４では、これらの偏光分離素子３１と偏光制御素子３２を実施の形態１に適用する場合を説明する。なお、この実施の形態４においても、レーザ加工機の構成は図１と同一であるものとする。

図９は、図１のレーザ加工機における光路二分岐部の実施の形態４の構成を示す斜視図である。この光路二分岐部２は、実施の形態１の図２−１において、偏光分離素子２１と偏光制御素子２２ａ，２２ｂの光学仕様（偏光特性）をそれぞれ向上させた偏光分離素子３１と偏光制御素子３２ａ，３２ｂに置き換えたものである。なお、実施の形態１の図２−１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。

つぎに、このような構成のレーザ加工機における円偏光したレーザビームの出力動作について説明する。なお、この実施の形態４でも、偏光分離素子３１と偏光制御素子３２ａ，３２ｂは、図７に示される偏光特性を有するものとする。レーザ発振器１から入力したレーザビームＩは、偏光分離素子３１で、透過するレーザビームＴ₁と反射するレーザビームＲ₁に分離される。実施の形態３と同様に、偏光分離素子３１で反射したレーザビームＲ₁の偏光割合は、図７により、偏光分離素子３１に対してＳ偏光成分９８％以上、Ｐ偏光成分０．２％以下であり、偏光分離素子３１を透過したレーザビームＴ₁の偏光割合は、図７により、偏光分離素子３１に対してＰ偏光成分９８％以上、Ｓ偏光成分２％以下である。ここで、光路二分岐部２は、特許請求の範囲における光路分岐部に対応し、偏光分離素子３１は、同じく偏光分離手段に対応し、偏光制御素子３２ａ，３２ｂは、同じく偏光制御手段に対応し、λ／４板２４ａ，２４ｂは、同じく円偏光変換手段に対応している。

レーザビームＴ₁は、実施の形態３の図６−１と同じ構成の光学系を通過するので、その詳細な説明を省略する。このときの反射型のλ／４板２４ａで反射されたレーザビームＴ₃の円偏光率は、上述したように９５％以上となる。

一方、レーザビームＲ₁は、偏光分離素子３１に対してＳ偏光成分９８％以上、Ｐ偏光成分０．２％以下の偏光割合を有するが、偏光分離素子３１に対する入射面と偏光制御素子３２ｂに対する入射面とは直交せず平行であるので、この偏光割合のまま反射型の偏光制御素子３２ｂに入射する。この反射型の偏光制御素子３２ｂでは、レーザビームＲ₁は水平方向に９０度向きを変えて反射され、レーザビームＲ₂となる。反射型の偏光制御素子３２ｂは、偏光分離素子３１と同じ偏光特性を有し、反射型の偏光制御素子３２ｂに対してＳ偏光で入射するレーザビームに対してはＳ偏光反射率９８％以上で反射する。ただし、Ｐ偏光で入射するレーザビームにたいしてもＰ偏光反射率０．２％以下で反射する。

つまり、反射型の偏光制御素子３２ｂによって水平方向に９０度向きを変えられたレーザビームＲ₂の偏光割合は、反射型の偏光制御素子３２ｂに対するＳ偏光成分が０．９８×０．９８＝０．９６（９６％）であり、Ｐ偏光成分が０．００２×０．００２＝０．０００００４（０．０００４％）である。この結果、レーザビームＲ₁は、反射型の偏光制御素子３２ｂに対してほぼＳ偏光成分よりなる直線偏光のレーザビームＲ₂として反射される。その後、レーザビームＲ₂は反射ミラー２３によって下方垂直に折り返され、レーザビームＲ₃となる。レーザビームＲ₃は反射型のλ／４板２４ｂに入射し、レーザビームＲ₄として反射される。レーザビームＲ₄は、反射型のλ／４板２４ｂで反射される際、円偏光に変換され、その円偏光率は、反射型の偏光制御素子３２ｂに対してＳ偏光成分とＰ偏光成分の偏光割合が０．９６以上対０．０００００４以下であることを考慮して、９５％以上となる。

この実施の形態４によれば、Ｐ偏光に対する反射を０．２％以下に抑える偏光分離素子３１と偏光制御素子３２ａ，３２ｂを用いることができれば、実施の形態１の構成よりもさらに簡易な構成で、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態１と同様な構成で偏光分離素子３１および偏光制御素子３２ａ，３２ｂを置き換えるだけで、両光路とも９５％以上の円偏光率が得られるため、円偏光率に非常に敏感なレーザ加工において発生していた光路の違いによる加工品質のバラツキが解消される。

なお、上述した実施の形態３，４では、偏光制御素子３２，３２ａ，３２ｂを反射するように配置した光学系とした場合を例に挙げているが、実施の形態２で説明したように、偏光制御素子３２，３２ａ，３２ｂを透過するように光学系を配置しても同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施の形態において、レーザ発振器１およびレーザ加工機の種類については特に限定されるものではなく、光路を二分岐する必要のある穴あけや切断加工などに用いられる一般のレーザ加工機に適用することができ、レーザ発振器１についても炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザなどの赤外レーザ発振器、または発振波長が３５５ｎｍのＹＡＧレーザの第３高調波をレーザ発振器に用いた紫外レーザ発振器などに対しても使用することができる。

以上のように、この発明にかかるレーザ加工機は、レーザ発振器から出力される一本の光路を複数に分離して加工を行う場合に有用である。

この発明によるレーザ加工機の構成を模式的に示すブロック図である。図１のレーザ加工機における光路二分岐部の実施の形態１の構成を示す斜視図である。図２−１の光路二分岐部の上面図である。図２−１の光路二分岐部の正面図である。偏光分離素子と偏光制御素子の偏光特性の一例を示す図である。偏光分離素子に入射した前後のレーザビームの偏光方向の様子を模式的に示す図である。図１のレーザ加工機における光路二分岐部の実施の形態２の構成を示す斜視図である。図５−１の光路二分岐部の上面図である。図５−１の光路二分岐部の正面図である。図１のレーザ加工機における光路二分岐部の実施の形態３の構成を示す斜視図である。図６−１のレーザビームの上面図である。図６−１のレーザビームの正面図である。偏光分離素子と偏光制御素子の偏光特性の一例を示す図である。偏光分離素子に入射した前後のレーザビームの偏光方向の様子を模式的に示す図である。図１のレーザ加工機における光路二分岐部の実施の形態４の構成を示す斜視図である。従来のレーザ加工装置の基本的光学系を示す構成図である。従来のレーザ加工装置の基本的光学系を示す構成図である。

符号の説明

１レーザ発振器
２光路二分岐部
３ａ，３ｂ投影レンズ
４ａ，４ｂ試料
２１，３１偏光分離素子
２２ａ，２２ｂ，３２，３２ａ，３２ｂ偏光制御素子
２３反射ミラー
２４ａ，２４ｂ λ／４板（１／４波長板）

Claims

レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器からのレーザビームを複数の光路に分岐して出力する光路分岐部と、
前記光路分岐部で分岐されたそれぞれのレーザビームを対象物に照射させる投影レンズと、
を備え、前記対象物に対してレーザ加工を行うレーザ加工機において、
前記光路分岐部は、前記レーザ発振器からのレーザビームの第１の偏光成分を所定の透過率で透過させるとともに、第２の偏光成分を所定の反射率で反射させて、２つの光路に分岐させる偏光分離手段と、前記偏光分離手段で分岐されたそれぞれの偏光成分のレーザビームを円偏光または楕円偏光に変換する円偏光変換手段と、の間の少なくとも１つの光路に、分岐されたレーザビームに含まれる他の偏光成分を減衰させる偏光制御手段を配置してなることを特徴とするレーザ加工機。
前記偏光制御手段は、前記レーザビームを反射させて、前記レーザビームに含まれる他の偏光成分を減衰させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
前記偏光制御手段は、前記レーザビームを透過させることで、前記レーザビームに含まれる他の偏光成分を減衰させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。