JP2008105096A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照射領域におけるビーム強度分布の均一化の向上及び維持を実現するためのレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザ加工装置(1)は、ASE光を出射するASE光発生部(10)と、ASE光を複数ビームに分割するホモジナイザ(40)を少なくとも備える。加工用レーザ光としてASE光を出射するASE発生部(10)が設けられることにより、ビーム間干渉による均一性劣化が抑制される。また、レーザ加工の際、ホモジナイザ(40)に含まれる集光レンズ(42)の焦点位置から対象物(9)がずれるよう、対象物(9)に対して集光レンズ(42)を配置するか、ASE光発生部(10)から出射されるASE光自体のビーム品質Ｍ^２を意図的に２〜１０程度に劣化させるか、又は、これらの組み合わせにより、ビーム強度分布の均一化を向上させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、加工用レーザ光を複数ビームに分割し、対象物に対して面照射するレーザ加工方法、及び、このレーザ加工方法を実現するレーザ加工装置に関するものである。

レーザ光を加工対象物に照射して該加工対象物を加工する技術において、そのレーザ光のビーム品質は極めて重要である。例えば、レーザ光を集光して当該集光スポットにおけるビーム強度を高めようとすると、そのレーザ光は、集光スポットを高密度に絞ることができる回折限界に近いビーム品質Ｍ^２を有するのが望ましい。すなわち、ビーム品質Ｍ^２は略１であることが望まれる。このように略１のビームＭ^２を有するレーザ光は、特に穴あけや切断などの除去加工に好適である。

一方、レーザ光照射により接合加工を行う際には、レーザ光は二以上の加工対象物に同時に照射されなければならない。ことから、集光スポットをあまり狭い領域に限定することは望ましくない。寧ろ、照射領域におけるビーム強度分布がトップフラットな均一分布になっていることが望まれる。このような要望を実現する技術として、例えば特許文献１に開示されているような回折型光学部品を含むホモジナイザなどが提案されている。
特開２００３-１１４４００号公報

発明者らは、従来のレーザ加工装置について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、特許文献１に開示されたような回折型光学部品を含むホモジナイザでは、加工用レーザ光のスペクトル特性に対する要求が特に限定されていなかった。そのため、従来から普及しているＹＡＧ結晶などを用いた固体レーザ光源を使用すると、ホモジナイザを経て照射されるビームの強度分布に干渉パターンが生じてしまう。これは、ＹＡＧ結晶中のＮｄ又はＹｂなどの利得スペクトルは狭帯域となることに起因しており、結果的に、照射領域におけるビーム強度分布の均一度が損なわれるという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、照射領域におけるビーム強度分布の均一化の向上及び維持を実現するための構造を備えたレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的としている。

この発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置では、加工用レーザ光としてスペクトル帯域の広いＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光を利用することにより、照射領域におけるビーム間干渉を効果的に抑制する。

具体的に、この発明に係るレーザ加工装置は、加工用レーザ光として所定半値幅のスペクトルを有するＡＳＥ光を出力するＡＳＥ光発生部と、ＡＳＥ光から生成された複数ビームを面照射するためのホモジナイザを、少なくとも備える。ＡＳＥ光発生部は、希土類元素が添加された光増幅媒質と、該光増幅媒質に供給すべき励起光を出力する励起光源とを含む。また、ホモジナイザは、ＡＳＥ光発生部から出力されたＡＳＥ光を複数ビームに分割する回折型光学部品と、該回折型光学部品から出力された複数ビームそれぞれを集光する集光レンズとを含む。なお、この発明に係るレーザ加工装置は、配置調整機構をさらに備えてもよい。配置調整機構は、対象物のビーム照射面が集光レンズの焦点位置から該集光レンズの光軸に沿って所定距離だけずれるように、対象物に対する集光レンズの配置を調整する。

この発明に係るレーザ加工装置において、光増幅媒質は、ガラスを主成分とする。この場合、光増幅媒質は、光出射端におけるコア径が２０μｍ以上である増幅用光ファイバを含むのが好ましい。

また、この発明に係るレーザ加工装置は、ＡＳＥ光発生部とホモジナイザとの間の光路上に配置された光増幅器をさらに備えてもよい。なお、光増幅器が設けられた構成では、当該光増幅器内の増幅用光ファイバは、２０μｍ程度のコア径と、０．０８程度のＮＡを有するのが好ましい。このようにクラッド経に対するコア径の比率を高めることにより、波長９７５ｎｍの光に対する単位長当たりの非飽和吸収も向上し、励起効率を向上させることができるからである。

この発明に係るレーザ加工方法は、上述のような構造を有するレーザ加工装置（この発明に係るレーザ加工装置）を利用し、対象物に照射される加工用レーザ光（ＡＳＥ光）のデフォーカシング、該加工用レーザ光のビーム品質Ｍ^２の意図的な劣化、又はこれらの組み合わせにより、対象物に対するレーザ面加工を実現する。

具体的に、この発明に係るレーザ加工方法は、加工用レーザ光として生成されたＡＳＥ光を一旦複数ビームに分割した後、該複数ビームそれぞれを集光レンズを介して対象物に照射する。

特に、デフォーカシングによるレーザ加工の場合、ホモジナイザに含まれる集光レンズは、対象物のビーム照射面が集光レンズの焦点位置から該集光レンズの光軸に沿って所定距離だけずれるように、対象物に対して配置される。このような配置状態において、加工用レーザ光として所定半値幅のスペクトルを有するＡＳＥ光が生成され、生成されたＡＳＥ光が複数ビームに分割され、そして、分割された複数ビームそれぞれが集光レンズを介して対象物に照射される。なお、このようなデフォーカシングによるレーザ加工の場合、加工用レーザ光の空間伝搬距離を十分に確保するため、生成されるＡＳＥ光のビーム品質Ｍ^２は１以上かつ２以下であるのが好ましい。

一方、加工用レーザ光のビーム品質Ｍ^２を意図的に劣化させる場合、加工用レーザ光として所定半値幅のスペクトルを有するとともにビーム品質Ｍ^２が２以上かつ１０未満のＡＳＥ光が生成される。生成されたＡＳＥ光を複数ビームに分割され、そして、分割された複数ビームそれぞれが、集光レンズを介して対象物に照射される。

なお、生成されるＡＳＥ光は、その半値全幅が３５ｎｍを超えるスペクトルを有するのが好ましい。対象物に対する加工用レーザ光の照射の際には、ＡＳＥ光のスペクトル形状は１０ｍｓ以下の時定数で経時的に変化させられてもよい。また、対象物のビーム照射領域それぞれに対して、１０ｍｓ以上に亘って複数ビームそれぞれが連続照射されてもよい。

この発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置によれば、照射領域におけるビーム強度分布の均一化の向上及び維持が実現可能になる。

以下、この発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置の各実施形態を、図１〜１０を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一部位、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（装置の第１実施形態）
先ず、この発明に係るレーザ加工方法を実現するためのレーザ加工装置の第１実施形態について説明する。図１は、この発明に係るレーザ加工装置の第１実施形態の構成を示す図である。図１に示された加工装置１は、ＡＳＥ光発生部１０、光増幅部３０、ホモジナイザ４０及び配置調整機構５０を備える。ＡＳＥ光発生部１０から出力されたＡＳＥ光は、光増幅部３０により増幅され、ホモジナイザ４０を経て、そして、ホモジナイザ４０から出力されたＡＳＥ光（複数ビーム）が加工対象物９に照射される（加工対象物９のレーザ面加工）。

ＡＳＥ光発生部１０は、Ｙｂ添加光ファイバ１１、励起光源１２及び光アイソレータ１３を含む。Ｙｂ添加光ファイバ１１は、石英ガラスを主成分とし、希土類元素であるＹｂ元素が光導波領域に添加された光増幅媒質である。励起光源１２は、Ｙｂ添加光ファイバ１１に供給される励起光を出力する。また、光アイソレータ１３は、Ｙｂ添加光ファイバ１１から出力されて到達したＡＳＥ光を光増幅部３０へ通過させる一方、逆方向には光を通過させない。

好ましくは、Ｙｂ添加光ファイバ１１は単一クラッド構造の増幅用光ファイバである。励起光源１２は５００ｍＷ級の０.９８μｍ帯単一モード励起光を出力するレーザダイオードである。また、Ｙｂ添加光ファイバ１１は、コア径が５μｍであり、非飽和吸収ピークが２４０ｄＢ／ｍであり、全長が２０ｍである。

光増幅部３０は、Ｙｂ添加光ファイバ３１、励起光源３２_１〜３２_６、コンバイナ３３及びコリメータ３４を含む。Ｙｂ添加光ファイバ３１は、石英ガラスを主成分とし、希土類元素であるＹｂ元素が光導波領域に添加された光増幅媒質である。励起光源３２_１〜３２_６それぞれは、Ｙｂ添加光ファイバ３１に供給される励起光を出力する。コンバイナ３３は、ＡＳＥ光発生部１０から出力されたＡＳＥ光とともに励起光源３２_１〜３２_６から出力された励起光が入力され、これらＡＳＥ光及び励起光の合波光をＹｂ添加光ファイバ３１へ出力する。コリメータ３４は、Ｙｂ添加光ファイバ３１において増幅されたＡＳＥ光をコリメートし、コリメートされたＡＳＥ光がホモジナイザ４０へ導かれる。なお、ホモジナイザ４０の直前に増幅用光ファイバが設けられた構成では、増幅用光ファイバであるＹｂ添加光ファイバ３１は、２０μｍ程度のコア径と、０．０８程度のＮＡを有するのが好ましい。このようにクラッド経に対するコア径の比率を高めることにより、波長９７５ｎｍの光に対する単位長当たりの非飽和吸収も向上し、励起効率を向上させることができるからである。ただし、光増幅器３０を備えていない構成では、Ｙｂ添加光ファイバ１１（ホモジナイザ４０に最も近い増幅用光ファイバ）のコア径が、２０μｍ以上であるのがより好ましい、この場合も、励起効率を向上させることができ、ホモジナイザ４０から出力される加工用レーザ光の強度分布の均一化をより促進させることが可能になる。

好ましくは、Ｙｂ添加光ファイバ３１は二重クラッド構造の増幅用光ファイバである。励起光源３２_１〜３２_６は０.９８μｍ帯マルチモード励起光を出力するレーザダイオードである。また、Ｙｂ添加光ファイバ３１は、外径６μｍのコアと、外径１２５μｍの内クラッドと、外クラッドを有し、内クラッドの断面は真円ではない。また、Ｙｂ添加光ファイバ３１の内クラッドを伝搬する波長９７５ｎｍの光に対する単位長あたりの非飽和吸収は２ｄＢ／ｍである。Ｙｂ添加光ファイバ３１に注入される波長０.９８μｍ帯励起光のパワーは１０Ｗであり、出力されるＡＳＥ光のパワーは７Ｗである。

ホモジナイザ４０は、回折型光学部品４１及び集光レンズ４２を含む。回折型光学部品４１は、ＡＳＥ光発生部１０から出力されＡＳＥ光であって、光増幅部３０において増幅されるとともにコリメートされたＡＳＥ光を入力する。入力されたＡＳＥ光は、回折型光学部品４１により複数ビームに分割される。回折型光学部品４１は、透明な概略平板状の形状を有し、その主面には２次元的な凹凸パターンが形成されている。回折型光学部品４１は、入射光の位相変化量が入射位置に依存するように回折現象を利用して入力されたＡＳＥ光を複数ビームに分割する。集光レンズ４２は、回折型光学部品４１から出力された複数ビームそれぞれを加工対象物９へ向けて集光する（レーザ照射）。例えば、集光レンズ４２の焦点距離は１００ｍｍである。

この発明に係るレーザ加工方法は、上述のような構造を有するレーザ加工装置１を用いてレーザ加工を行うが、その際、デフォーカシング、ビーム品質の意図的な劣化、又はそれらの組み合わせにより、照射領域におけるビーム均一度の向上が図られる。

なお、デフォーカシングが行われる場合、加工対象物９は、集光レンズ４２の後焦点面に配置されてもよいが、集光レンズ４２の後焦点面と異なる位置に配置されるのが好ましい。後者のように配置されることにより、加工対象物９における照射強度分布が更に均一化され得る。ただし、集光レンズ４２の後焦点面と加工対象物９とが大きくずれると、照射ビームのピーク強度が損なわれるので、許容されるずれは焦点距離の±１０％程度である。したがって、集光レンズ４２と加工対象物９との間の距離は９０ｍｍ〜１１０ｍｍの範囲内にあるのが好ましい。

以下、デフォーカシングが行われる場合のレーザ加工装置１の動作について説明する。ＡＳＥ光発生部１０では、励起光源１２から出力された励起光がＹｂ添加光ファイバ１１に供給され、Ｙｂ添加光ファイバ１１内でＡＳＥ光が発生する。発生したＡＳＥ光は、光アイソレータ１３を経て光増幅部３０へ出力される。

光増幅部３０では、励起光源３２_１〜３２_６から出力された励起光がコンバイナ３３を経てＹｂ添加光ファイバ３１に供給される。また、ＡＳＥ光発生部１０から出力されたＡＳＥ光も、コンバイナ３３を経てＹｂ添加光ファイバ３１に入力されるため、Ｙｂ添加光ファイバ３１に入力されたＡＳＥ光は、Ｙｂ添加光ファイバ３１において増幅される。増幅されたＡＳＥ光は、コリメータ３４によりコリメートされた後、該コリメートされたＡＳＥ光がホモジナイザ４０へ出力される。

ホモジナイザ４０では、光増幅部３０から出力されたＡＳＥ光（コリメート光）が、回折型光学部品４１により複数ビームに分割される。回折型光学部品４１から出力された複数ビームそれぞれは、集光レンズ４２により集光され、加工対象物９へ照射される。ここで、加工対象９に対する集光レンズ４２の配置は、配置調整機構５０によって調整される。すなわち、配置調整機構５０は、加工対象物９のビーム照射面が集光レンズ４２の焦点位置から該集光レンズ４２の光軸ＡＸに沿って所定距離だけずれるように、加工対象物９に対する集光レンズ４２の配置を調整する。また、回折型光学部品４１及び集光レンズ４２によりホモジナイザ４０が一体的に構成されている場合、配置調整機構５０は、集光レンズ４２を含むホモジナイザ４０全体の配置を調整する。

図２は、第１実施形態に係るレーザ加工装置１における光ビーム断面のパワー分布を示す図である。光増幅部３０からホモジナイザ４０へ向かうＡＳＥ光は、図中のＡで指示されたパワー分布を有する（ガウシアン分布の形状を有する）。これに対し、ホモジナイザ４０から出力されるＡＳＥ光は、理想的には、図中のＢで指示されたパワー分布を有する（ある範囲において均一分布となる）。

図３は、Ｙｂ添加光ファイバの誘導放出断面積（Ｇ３１０））及び吸収断面積（Ｇ３２０）それぞれのスペクトルを示す。Ｙｂ元素が結晶に添加されている場合、該Ｙｂ元素添加結晶の利得スペクトルは狭帯域スペクトルになるのに対し、Ｙｂ元素が光ファイバ等のガラスに添加されている場合、この図から判るように、利得スペクトルは連続的なスペクトルになる。したがって、ＡＳＥ光発生部１０から出力されるＡＳＥ光のスペクトル帯域幅を広くすることができる。このことは、Ｙｂ元素だけでなく他の希土類元素（例えばＮｄやＥｒ等）でも同様であり、また、光ファイバだけでなくガラスロッドでも同様である。中でも、Ｙｂ添加光ファイバは、励起光波長と被増幅光波長とが近く、量子変換効率が高いので、ハイパワー出力に最も適した光増幅媒質である。

図４は、第１実施形態に係るレーザ加工装置１から出力されるＡＳＥ光のスペクトルである。この図に示されたように、レーザ加工装置１は、利得等化フィルタなど、波長依存性のある損失スペクトルを持つ光部品を用いることなしに、波長範囲１０４０ｎｍ〜１０７５ｎｍまでほぼ平坦で３５ｎｍ以上の半値全幅を有する光出力スペクトルが得られる。

図５は、単一波長１０６５ｎｍの光をホモジナイザ４０に入力させたときにホモジナイザ４０から出力される光の強度分布を示す図である。また、図６は、波長１０６５ｎｍを中心とする帯域幅５０ｎｍにおいて波長間隔１ｎｍの多波長の光をホモジナイザ４０に入力させたときにホモジナイザ４０から出力される光の強度分布を示す図である。なお、後者（図６）は、帯域幅５０ｎｍに亘る連続スペクトル光源を近似したシミュレーション結果である。図６では、中央付近に干渉縞が確認できるが、これは、近似モデルによるシミュレーション限界と考えられる。すなわち、連続スペクトルのソフトウエアによる解析は困難であり、実際のシミュレーションでは、帯域幅５０ｎｍに亘る連続スペクトル光源の近似モデルとして、チャネル間隔を１ｎｍとした５０チャネルの離散的スペクトル光源について行われているからである。

これら図５及び図６から判るように、単一波長１０６５ｎｍの場合（図５）と比べて、帯域幅５０ｎｍの場合（図６）では、干渉縞が軽減され、よりビーム強度分布が均一化されている。すなわち、単一波長１０６５ｎｍの場合（図５）では、ビーム強度がピーク値の半分以下の領域が全体の半分以上に達するのに対し、帯域幅５０ｎｍの場合（図６）では、ビーム強度がピーク値の半分以下の領域は全体の１０％以下に抑えられ、ほぼ照射領域全体が均一に加工されることが判る。

ここで、均一度の指標として以下の式（１）で定義されるｒｍｓ値を求め、全エリアでの平均パワーＰ_０との比をとると、単一波長１０６５ｎｍの場合（図５）では９９％であるのに対し、帯域幅５０ｎｍの場合（図６）では３７％に改善されていることがわかる。Ｐ(x,y)は各ポイントでのパワーであり、Ｓはエリア面積である。なお、この計算では連続的スペクトルではなく５０波長の離散的スペクトルを仮定したので、実際には更に改善されると思われる。

なお、照射領域におけるビーム強度分布を最終的にトップフラットに広げる場合でも、ＡＳＥ発生不１０から出力されるＡＳＥ光のビーム品質Ｍ^２は略１（回折限界）であるのが好ましい。回折限界のビームであれば実質的な平行光として、数１０ｃｍの空間伝搬距離を確保することができ、加工設備の設計自由度が飛躍的に向上する。図７は、ホモジナイザ４０から出力された複数ビームの出射パターンを示す図である。この図に示されたように、ホモジナイザ４０から出力された複数ビームは照射領域ＥＡ内にそれぞれ到達する。照射領域ＥＡ内のＳ１は、ビーム品質Ｍ^２が１の場合のビーム照射パターンを示すのに対し、Ｓ２は、ビーム品質Ｍ^２が２の場合のビーム照射パターンを示す。ビーム品質Ｍ^２が２の場合、各ビームスポット径は約２倍に拡大し、隣接するスポット間では一部重なってしまう。ところが、レーザ加工装置１では、加工用レーザ光として帯域幅の広いＡＳＥ光が利用されているため、ビーム間干渉の影響は殆ど確認できない。したがって、上述のように、デフォーカシングによるレーザ加工を行う場合（この発明に係るレーザ加工方法の第１実施形態）、ＡＳＥ光発生部１０から出力されるＡＳＥ光のビーム品質Ｍ^２は１〜２程度であるのが好ましい。

一方、ホモジナイザ４０を利用したレーザ加工では、ビーム品質Ｍ^２がある程度劣化していると、ビームスポットそれぞれがぼけてしまい、照射領域におけるビーム強度分布の均一化を促進する効果も期待できる。ただし、あまりにもビーム品質Ｍ^２を劣化させると（例えばＬＤ直接出力のようにビーム品質Ｍ^２が１００を越える場合）、逆に、ホモジナイザ４０から出力された加工用レーザ光の空間伝搬距離が確保できなくなる。この場合、加工対象９と集光レンズ４２とを常に接近させておかなければならず、増幅用光ファイバを利用する利点がなくなってしまう。

そこで、この発明に係るレーザ加工方法の第２実施形態は、上述のような構造を有するレーザ加工装置１を利用し、かつ、加工用レーザ光としてビーム品質Ｍ^２が２以上１０未満のＡＳＥ光を、ＡＳＥ光発生部１０から出力させることを特徴としている。

なお、レーザ加工の際、ホモジナイザ４０から出力される複数ビームそれぞれが余りにもぼけてしまうと、各ビームのピーク強度が下がってしまうことなる（加工効率の著しい低下）。あるいは、各ビームスポットが広がりすぎて、加工対象領域から外れるべき領域（加工領域周辺に位置するレーザ加工したくない領域）まで加工してしまうリスクもある。図８は、異なるビーム品質Ｍ^２の光についてスポット径とデフォーカス距離Ｄとの関係を示すグラフである。なお、デフォーカス距離Ｄは、図８の領域（ａ）に示されたように、集光レンズ４２の集光位置（集光面Ｆ）から、該集光レンズ４２の光軸ＡＸに沿ったズレ量で与えられる。また、図８の領域（ｂ）において、グラフＭ１００はビーム品質Ｍ^２が１の光、グラフＭ２００はビーム品質Ｍ^２が２の光、グラフＭ３００はビーム品質Ｍ^２が１０の光、グラフＭ４００はビーム品質Ｍ^２が２０の光それぞれについて、スポット径とデフォーカス距離Ｄとの関係を示している。

集光レンズ４２の焦点距離１００ｍｍに対して±１０％、つまりデフォーカス距離Ｄが０〜０．０１ｍの範囲内において、ビーム品質Ｍ^２の光は、３５０μｍ程度の最大スポット径を有する。そこで、デフォーカス距離Ｄが０〜０．０１ｍの範囲内において、最大スポット径が３５０μｍ程度に収まるまでビーム品質Ｍ^２の劣化は許容可能である。例えば、ビーム品質Ｍ^２が２の場合（Ｍ２００）、焦点深度のトレランスにはビーム品質Ｍ^２が１の光と有意な差は認められない。一方、ビーム品質Ｍ^２が２０の場合（Ｍ２００）、最大スポット径を３５０μｍ以下に抑えるために許容されるデフォーカス距離Ｄは、集光レンズ４２の焦点距離の±８％となり、焦点深度のトレランスが劣化する。精々、許容可能なビーム品質Ｍ^２は１０未満である。したがって、ＡＳＥ光発生部１０から出力されるＡＳＥ光のビーム品質Ｍ^２は、２以上１０未満の範囲内に設定されるのが好ましい。

（装置の第２実施形態）
次に、この発明に係るレーザ加工装置の第２実施形態について説明する。なお、対象物に照射される加工用レーザ光（ＡＳＥ光）のデフォーカシング、該加工用レーザ光のビーム品質Ｍ^２の意図的な劣化、又はこれらの組み合わせにより、対象物に対するレーザ面加工を実現する、この発明に係レーザ加工方法は、この第２実施形態に係るレーザ加工装置によっても実現可能である。

図９は、この発明に係るレーザ加工装置の第２実施形態の構成を示す図である。図９に示されたレーザ加工装置２は、ＡＳＥ光発生部２０、光増幅部３０、ホモジナイザ４０及び配置調整機構５０を備える。ＡＳＥ光発生部２０から出力されたＡＳＥ光は、光増幅部３０により増幅された後、ホモジナイザ４０を経て加工対象物９に照射される（加工対象物９のレーザ面加工）。

図１に示された第１実施形態に係るレーザ加工装置１の構成と比較すると、第２実施形態に係るレーザ加工装置２（図９）は、ＡＳＥ光発生部１０に替えてＡＳＥ光発生部２０を備える点で相違する。ＡＳＥ光発生部２０は、Ｙｂ添加光ファイバ２１、励起光源２２、光カプラ２３、光アイソレータ２４、光カプラ２５、光アイソレータ２６、可変光減衰器２７及びバンドパスフィルタ２８を含む。この第２実施形態における他の構成については、第１実施形態と実質的に一致しているため、以下の説明では、主に相違点を中心に説明する。

Ｙｂ添加光ファイバ２１は、石英ガラスを主成分とし、希土類元素であるＹｂ元素が光導波領域に添加された光増幅媒質である。励起光源２２は、Ｙｂ添加光ファイバ２１に供給すべき励起光を出力する。光カプラ２３は、励起光源２２から到達した励起光をＹｂ添加光ファイバ２１へ出力し、Ｙｂ添加光ファイバ２１から到達したＡＳＥ光を光アイソレータ２４へ出力する。

光アイソレータ２４は、光カプラ２３から出力されたＡＳＥ光を光カプラ２５へ通過させる一方、逆方向には光を通過させない。光カプラ２５は、光アイソレータ２４から到達したＡＳＥ光の一部を光アイソレータ２６へ出力し、ＡＳＥ光の残部を可変光減衰器２７へ出力する。光アイソレータ２６は、光カプラ２５から到達したＡＳＥ光を光増幅部３０へ通過させる一方、逆方向には光を通過させない。

可変光減衰器２７は、光カプラ２５により分岐されたＡＳＥ光の一部に減衰を与えた後、バンドパスフィルタ２８へ出力する。バンドパスフィルタ２８は、可変光減衰器２７から出力されたＡＳＥ光のうち波長１０９０ｎｍ帯（半値全幅５ｎｍ以上）のＡＳＥ光を選択的にＹｂ添加光ファイバ２１へ出力する。なお、バンドパスフィルタの機能は、本来はＡＳＥ光レベルが低い波長域において、選択的に、ＡＳＥ光を増強することになるので、波長依存性を有する溶融型ファイバカプラなどでもよい。このＡＳＥ光発生部２０は、帰還ループ構成を有しているが、発振しないように可変光減衰器２７における減衰量が調整される。

レーザ加工装置２は以下のように動作する。なお、適用されるレーザ加工方法は、対象物に照射される加工用レーザ光（ＡＳＥ光）のデフォーカシング、該加工用レーザ光のビーム品質Ｍ^２の意図的な劣化、又はこれらの組み合わせのいずれであってもよい。

ＡＳＥ光発生部２０では、励起光源２２から出力された励起光が光カプラ２３を経てＹｂ添加光ファイバ２１に供給され、そのＹｂ添加光ファイバ２１内においてＡＳＥ光が発生する。Ｙｂ添加光ファイバ２１において発生したＡＳＥ光のうち光カプラ２３へ向かうＡＳＥ光は、光カプラ２３及び光アイソレータ２４を経て光カプラ２５に入力される。光アイソレータ２４から光カプラ２５に入力されたＡＳＥ光のうち、その一部は光アイソレータ２６を経て光増幅部３０へ出力され、残部は可変光減衰器２７へ出力される。

光カプラ２５から可変光減衰器２７に入力されたＡＳＥ光は、可変光減衰器２７において所定の減衰を受けた後、バンドパスフィルタ２８に入力される。バンドパスフィルタ２８に入力されたＡＳＥ光のうち波長１０９０ｎｍ帯のＡＳＥ光が選択的にバンドパスフィルタ２８から出力される。バンドパスフィルタ２８から出力されたＡＳＥ光は、Ｙｂ添加光ファイバ２１に入力され、Ｙｂ添加光ファイバ２１において増幅される。

図１０は、この第２実施形態に係るレーザ加工装置２から出力されるＡＳＥ光のスペクトルである。この図に示されたように、レーザ加工装置２からは、波長範囲１０４０ｎｍ〜１０９０ｎｍで帯域幅５０ｎｍを有する光出力スペクトルが得られる。

なお、図６に見られるような干渉縞は、ＡＳＥ光発生部２０からの特定の光出力スペクトルにおいてある程度は必ず生じてしまうことが多い。この影響を低減するために、可変光減衰器２７として、時定数が数１０μｓであって挿入損が変調可能な磁気光学効果を用いたデバイスを使用し、上記光出力スペクトルを可変にすることが考えられる。ただし、ＡＳＥスペクトルはＹｂイオンの反転分布に依存するので、その変化はＹｂイオンの励起寿命（約１ｍｓ）に支配される。したがって、図６に見られるような干渉縞も、変化する時定数は１ｍｓのオーダーとなる。このことから、加工対象物９にも連続して１０ｍｓ程度以上の時間で１箇所に照射を行う加工方法が望ましい。

この発明に係るレーザ加工装置の第１実施形態の構成を示す図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置における光ビーム断面のパワー分布を示す図である。 Ｙｂ添加光ファイバの誘導放出断面積及び吸収断面積それぞれのスペクトルである。 第１実施形態に係るレーザ加工装置から出力されるＡＳＥ光のスペクトルである。 単一波長１０６５ｎｍの光が入力させたときの、ホモジナイザから出力される光の強度分布を示す図である。 波長１０６５ｎｍを中心とする帯域幅５０ｎｍにおいて波長間隔１ｎｍの多波長の光が入力されたときの、ホモジナイザから出力される光の強度分布を示す図である。 ホモジナイザから出力された複数ビームの出射パターンを示す図である。 異なるビーム品質Ｍ^２の光についてスポット径とデフォーカス距離Ｄとの関係を示すグラフである。 この発明に係るレーザ加工装置の第２実施形態の構成を示す図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置から出力されるＡＳＥ光のスペクトルである。

符号の説明

１、２…レーザ加工装置、１０、２０…ＡＳＥ光発生部、１１、２１、３１…Ｙｂ添加光ファイバ、１２、２２、３２_１〜３２_６…励起光源、１３、２４、２６…光アイソレータ、２３、２５…光カプラ、２７…可変光減衰器、２８…バンドパスフィルタ、３０…光増幅部、３３…コンバイナ、３４…コリメータ、４０…ホモジナイザ、４１…回折型光学部品、４２…集光レンズ、５０…配置調整機構。

Claims (15)

1. 加工用レーザ光を複数ビームに分割した後、該複数ビームそれぞれを集光レンズを介して対象物に照射するレーザ加工方法であって、
   前記対象物のビーム照射面が前記集光レンズの焦点位置から該集光レンズの光軸に沿って所定距離だけずれるように、前記対象物に対して前記集光レンズを配置し、
   前記加工用レーザ光として所定半値幅のスペクトルを有するＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光を生成し、
   生成された前記ＡＳＥ光を複数ビームに分割し、そして、
   分割された前記複数ビームそれぞれを、前記集光レンズを介して前記対象物に照射するレーザ加工方法。
2. 前記ＡＳＥ光のビーム品質Ｍ^２は１以上かつ２以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 加工用レーザ光を複数ビームに分割した後、該複数ビームそれぞれを集光レンズを介して対象物に照射するレーザ加工方法であって、
   前記加工用レーザ光として所定半値幅のスペクトルを有するとともにビーム品質Ｍ^２が２以上かつ１０未満のＡＳＥ光を生成し、
   生成された前記ＡＳＥ光を複数ビームに分割し、そして、
   分割された前記複数ビームそれぞれを、前記集光レンズを介して前記対象物に照射するレーザ加工方法。
4. 前記ＡＳＥ光は、その半値全幅が３５ｎｍを超えるスペクトルを有することを特徴とする請求項１又は３記載のレーザ加工方法。
5. 前記ＡＳＥ光のスペクトル形状を１０ｍｓ以下の時定数で経時的に変化させることを特徴とする請求項１又は３記載のレーザ加工方法。
6. 前記対象物のビーム照射領域それぞれに対して、１０ｍｓ以上に亘って連続照射することを特徴とする請求項４記載のレーザ加工方法。
7. 加工用レーザ光として所定半値幅のスペクトルを有するＡＳＥ光を出力するＡＳＥ光発生部であって、希土類元素が添加された光増幅媒質と、該光増幅媒質に供給すべき励起光を出力する励起光源とを含むＡＳＥ光発生部と、
   前記ＡＳＥ光発生部から出力されたＡＳＥ光を複数ビームに分割する回折型光学部品と、該回折型光学部品から出力された複数ビームそれぞれを集光する集光レンズとを含むホモジナイザとを備えたレーザ加工装置。
8. 前記ＡＳＥ光発生部は、ビーム品質Ｍ^２が１以上かつ２以下のＡＳＥ光を出力することを特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置。
9. 前記ＡＳＥ光発生部は、ビーム品質Ｍ^２が２以上かつ１０未満のＡＳＥ光を出力することを特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置。
10. 前記光増幅媒質は、ガラスを主成分とすることを特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置。
11. 前記光増幅媒質は、Ｙｂ添加光ファイバを含むことを特徴とする請求項１０記載の加工装置。
12. 前記光増幅媒質は、光出射端におけるコア径が２０μｍ以上である増幅用光ファイバを含むことを特徴とする請求項１０記載の加工装置。
13. 前記ＡＳＥ光発生部と前記ホモジナイザとの間の光路上に配置された光増幅器をさらに備えた請求項７記載のレーザ加工装置。
14. 前記光増幅器に含まれる増幅用光ファイバは、２０μｍ以上のコア径を有することを特徴とする請求項１３記載の加工装置。
15. 前記対象物のビーム照射面が前記集光レンズの焦点位置から該集光レンズの光軸に沿って所定距離だけずれるように、前記対象物に対する前記集光レンズの配置を調整するための配置調整機構をさらに備えたことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工装置。