JP2010147108A - ファイバレーザ装置、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造を保ちつつ、戻り光を低減可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】励起光を放出可能な励起光源と、希土類元素が添加されたコアを有し、前記希土類元素が前記励起光を吸収して入射レーザ光を増幅可能なアクティブファイバと、前記アクティブファイバの一方の端部と接続され、前記励起光を前記アクティブファイバへ入射可能なコンバイナと、前記アクティブファイバの他方の端部からの出射レーザ光を伝送し且つ被照射体に向けて照射可能な伝送用ファイバと、前記他方の端部と前記伝送用ファイバとの間に設けられ、前記被照射体からの散乱光及または反射光の少なくともいずれかの一部を分岐して外部に放出することにより前記他方の端部へ向かう戻り光を低減可能なディバイダと、を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバレーザ装置、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関する。

希土類元素がコアに添加されたアクティブファイバを用いると、励起光を吸収した希土類元素が増幅利得を生じ、レーザ加工装置のレーザ光出力を高めることが容易となる。

被加工体に照射されたレーザ光が反射または散乱されると、その一部は戻り光となってレーザ加工装置の出射端へ再び入射する。レーザ光出力が高くなると、戻り光がレーザ加工装置の内部の光路を逆方向に伝搬し、アクティブファイバ内で増幅されさらに高い光出力となる可能性がある。

このために、ファイバレーザ装置を構成するアクティブファイバ、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating)、及び励起用半導体レーザなどが破損するおそれがある。

ファイバレーザ装置への戻り光を低減する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、片端面を斜めにカットしたガラススリーブにファイバのコアを通すことにより、戻り光のクラッド伝搬成分がファイバレーザ装置側のクラッドに伝搬することを抑制する。
しかしながら、光ファイバレーザのコアのみを露出し、ガラススリーブ内に通す工程は容易ではなく、構造が複雑となる問題がある。
米国特許第５１７９６１０号明細書

簡素な構造を保ちつつ、戻り光を低減可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法を提供する。

本発明の一態様によれば、励起光を放出可能な励起光源と、希土類元素が添加されたコアを有し、前記希土類元素が前記励起光を吸収して入射レーザ光を増幅可能なアクティブファイバと、前記アクティブファイバの一方の端部と接続され、前記励起光を前記アクティブファイバへ入射可能なコンバイナと、前記アクティブファイバの他方の端部からの出射レーザ光を伝送し且つ被照射体に向けて照射可能な伝送用ファイバと、前記他方の端部と前記伝送用ファイバとの間に設けられ、前記被照射体からの散乱光及または反射光の少なくともいずれかの一部を分岐して外部に放出することにより前記他方の端部へ向かう戻り光を低減可能なディバイダと、を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、上記のファイバレーザ装置と、前記出射レーザ光を被照射体に向けて集光可能な照射光学系と、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、上記のレーザ加工装置から前記出射レーザ光を放出し、前記被照射体を加工可能とすることを特徴とするレーザ加工方法が提供される。

簡素な構造を保ちつつ、戻り光を低減可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法が提供される。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図である。すなわち、図１（ａ）は構成図、図１（ｂ）はコンバイナの模式図、図１（ｃ）はディバイダの模式図である。

図１（ａ）のファイバレーザ装置１０は、シード光源１２、励起光源１４、コンバイナ１６、アクティブファイバ１８、ディバイダ２３、及び伝送用ファイバ２５を備えている。

シード光源１２は、半導体レーザや固体レーザを有しており、シード光（入射レーザ光）Ｇ１を放出可能である。シード光Ｇ１の波長は、例えば１０１０ｎｍ以上とすることができる。なお、シード光Ｇ１は、連続出力でもよく、またパルス出力であってもよい。

励起光源１４を、例えば複数の半導体レーザモジュールから構成しそれぞれからの励起光Ｇ２を合成すると、その強度を高めることができる。コンバイナ１６は、励起光Ｇ２を合成してアクティブファイバ１８へ入射し、且つシード光Ｇ１をアクティブファイバ１８のコアへ入射することができる。

このために、コンバイナ１６は、第１の信号光伝搬ファイバ５０のクラッド５０ｂと、その外縁を囲むように束ねて配置され且つ励起光Ｇ２を伝搬可能な第１の枝ファイバ５１のコア５１ａと、が溶融且つ延伸された合成部５２を有している。第１の枝ファイバ５１のコア５１ａと、第１の信号光伝搬ファイバ５０のクラッド５０ｂと、は、それぞれ石英ガラスなどからなりそれらの境界が溶融された状態となっている。

コンバイナ１６の第１の信号光伝搬ファイバ５０の一方の端部には、シード光Ｇ１が入射する。コンバイナ１６の出射端１６ｂと、アクティブファイバ１８の一方の端部１８ａと、は、融着などにより接続される。なお、融着点を●印で表している。

この場合、アクティブファイバ１８の内部クラッドの外径ＤＡと、出射端１６ｂにおける合成部５２の外径Ｄと、を略一致させると、より高い結合効率とすることができる。なお、図１（ｂ）では、第１の枝ファイバ５１の数は６つとしているが、これに限定されることはない。

また、第１の枝ファイバ５１をコア５１ａの直径が大きいマルチモードファイバとすると、合成部５２において第１の信号光伝搬ファイバ５０との間で光結合が可能となり、アクティブファイバ１８のコア及びクラッド内を励起光Ｇ２が伝搬し、コアに添加された希土類元素を効率よく励起可能となる。

アクティブファイバ１８のコアにはＹｂ（イッテルビウム）やＴｍ（ツリウム）などの希土類元素が添加されており、励起光Ｇ２が伝搬しながらコアの希土類元素に吸収され、シード光Ｇ１が誘導放出により増幅されて他方の端部１８ｂから出射レーザ光Ｇ３として出射される。

なお、Ｙｂ添加アクティブファイバの吸収スペクトルは、９１０及び９７５ｎｍ近傍の波長において極大となるので、励起光Ｇ２の波長をこの近傍とすることにより１０１０ｎｍ以上の広い波長範囲においてレーザ光の増幅及び発振が可能となる。

また、アクティブファイバ１８の他方の端部１８ｂには、ディバイダ２３、伝送用ファイバ２５がこの順序で融着などにより接続される。

ディバイダ２３は、第２の信号光伝搬ファイバ６０のクラッド６０ｂと、その外縁を囲むように束ねて配置された第２の枝ファイバ６１と、が溶融且つ延伸された分岐部６２を有している。増幅された出射レーザ光Ｇ３はアクティブファイバ１８の他方の端部１８ｂから第２の信号光伝搬ファイバ６０のコア６０ａへ入射し、伝送用ファイバ２５の出射端から放出される。なお、コンバイナ１６と、ディバイダ２３と、は、略同一の構造とすることができる。また、コンバイナ１６及びディバイダ２３の挿入損失は十分に小さいものとする。

伝送用ファイバ２５は、ディバイダ２３を通過した出射レーザ光Ｇ３を加工点近傍まで伝送する。出射レーザ光Ｇ３が連続出力の場合、伝送用ファイバ２５のコアは、例えば略２０μｍなどとすることができる。また、パルス出力とする場合、コア径を２０〜数百μｍの範囲とし、非線形効果による出力低下を抑制するためにはその長さを、例えば数ｍなどと短くする。

図２は、出射レーザ光が被照射体により散乱されることを説明する模式図である。
出射レーザ光Ｇ３は、被照射体２９により反射されるが、被照射体２９の表面が非鏡面であると散乱が大きくなる。このようにして生じた散乱光及び反射光の一部は、集光レンズ２６で集光され、戻り光Ｇ５として伝送用ファイバ２５の出射端２５ｃから再入射する。すなわち、戻り光Ｇ５の波長は、出射レーザ光Ｇ３の波長と同一である。

伝送用ファイバ２５のコア２５ａとクラッド２５ｂとの界面で全反射を生じるような角度で出射端２５ｃのコア２５ａ領域に再入射した戻り光は、コア２５ａ内をディバイダ２３の方向へ向かって伝搬する。

他方、端面２５ｃのクラッド２５ｂ領域へ再入射した戻り光はクラッド２５ｂ内をディバイダ２３の方向へ向かって伝搬する。散乱光及び反射光は集光レンズ２６に入射するまでに広がり、且つクラッド２５ｂの断面積はコア２５ａの断面積よりも大きいので、クラッド２５ｂ内を伝搬可能な戻り光は、コア２５ａ内を伝搬する戻り光よりも強度が高くなることが多い。

戻り光Ｇ５は、伝送用ファイバ２５を伝搬したのちディバイダ２３へ入射する。ディバイダ２３の分岐部６２において、第２の枝ファイバ６１を６つとし、それぞれの枝ファイバ６１のコア６１ａの直径と第２の信号光伝搬ファイバ６１のクラッド６０ｂの直径とを略同一とすると、第２の枝ファイバ６１の１つに入射する戻り光Ｇ５ｂの強度は、戻り光Ｇ５の強度の略７分の１となる。第２の枝ファイバ６１にそれぞれ導かれた６つの戻り光Ｇ５ｂは、外部へそれぞれ放出可能である。

また、第２の信号光伝搬ファイバ６０へ入射する戻り光Ｇ５ａの強度は、例えば戻り光Ｇ５の強度の略７分の１程度に低減される。第２の信号光伝搬ファイバ６０はアクティブファイバ１８の端部１８ｂと融着されており、戻り光Ｇ５ａの内の一部はアクティブファイバ１８のコアを伝搬する期間内に増幅されるが、アクティブファイバ１８へ入射可能な戻り光Ｇ５ａは低減されているのでその増幅出力が低減される。戻り光Ｇ５ａの一部は増幅されアクティブファイバ１８から出射され、コンバイナ１６を逆方向に進む期間内に第１の枝ファイバ５１にそれぞれ分岐され、励起光源１４へ入射する。

この場合、アクティブファイバ１８へ入射可能な戻り光量は、ディバイダ２３により略７分の１に低減されているので、励起光源１４を破損するほど高い強度まで増幅されることが抑制可能である。また、第１の信号光伝搬ファイバ５０を逆方向に進む増幅された戻り光により、シード光源１２が破損することを抑制可能となる。
特にパルス出力の場合には、アクティブファイバ１８に励起エネルギーが十分に蓄積されていることが多く戻り光のピーク出力が過大になることがあるが、本実施形態によりファイバレーザ装置の保護が容易となる。

図３は、第１の実施形態の変形例の構成図である。この変形例では、ディバイダ２３が２つ縦続接続されている。ディバイダ２３を図１と同一構造とすると、２つのディバイダ２３を通過したのち、第２の信号光伝搬ファイバ６０からアクティブファイバ１８へ戻る光の強度は戻り光Ｇ５の略４９分の１に低減可能であり、アクティブファイバ１８及び励起光源１４の保護がより容易となる。

図４は、比較例にかかるファイバレーザ装置を説明する模式図である。
図４の増幅器において、出射レーザ光Ｇ１３が被照射体により反射及び散乱され、伝送用ファイバへ再入射した戻り光Ｇ１５はその光量が低減されることなくアクティブファイバ１１８に入射され、コアを通過する期間に増幅される。このようにして戻り光Ｇ１５が増幅されて増幅光Ｇ１８となる。

増幅光Ｇ１８のうち、コンバイナ１１６を逆方向に進む期間内に第１の枝ファイバにそれぞれ分岐された増幅光Ｇ１８ｂは、それぞれの励起光源１１４へと入射する。伝送用ファイバ１２５へ入射した戻り光は低減されずそのまま伝搬するので、励起光源１１４に入射する戻り光Ｇ１８ｂの強度は高くなり励起光源１１４を破損する場合を生じる。励起光源１１４は、例えば半導体レーザモジュールを数十以上用いることもあり、高価であり且つ修理コストがかさむ。また、増幅光Ｇ１８のうち、シード光源１１２へ進む増幅光Ｇ１８ａの強度も高くなるので、シード光源１１２を破損する場合を生じる。

これに対して、第１の実施形態では、第２の枝ファイバ６１に戻り光Ｇ５ｂを分岐させて放出し、アクティブファイバ１８への戻り光Ｇ５ａを低減でき、アクティブファイバ１８、励起光源１４、及びシード光源１２の保護が容易となり、ファイバレーザ装置の信頼性が改善される。また、コンバイナ１６及びディバイダ２３は、束ねられたファイバを溶融且つ延伸することにより製造できるので、製造プロセスは簡素であり、ファイバレーザ装置の小型化及び軽量化が容易となる。

図５は、第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す構成図である。
励起光Ｇ２が入射するコンバイナ１６と、これと融着されたアクティブファイバ１８と、を挟んで、第１のＦＢＧ３０と第２のＦＢＧ３２とが両側に配置されている。ＦＢＧは、信号光を伝搬可能なファイバのコアに屈折率を周期的に変化させた回折格子を有している。このために、回折格子のブラッグ波長に相当する波長成分が反射され、残りの波長成分は透過される。

第１のＦＢＧ３０のブラッグ波長と、第２のＦＢＧ３２のブラッグ波長と、を同一とすると光共振器が構成される。また、第１のＦＢＧ３０ではブラッグ波長における反射率を１００％に近くし、第２のＦＢＧ３２ではブラッグ波長における反射率を第１のＦＢＧ３０の反射率よりも低くする。このようにすると、第１及び第２のＦＢＧ３０、３２のブラッグ波長で発振したレーザ光の一部を、第２のＦＢＧ３２から取り出し、ディバイダ２３及び伝送用ファイバ２５を介して被照射体に向けて放出可能とするファイバレーザ装置１１が構成できる。なお、出射レーザ光Ｇ３は連続出力とすることも、またパルス出力とすることもできる。

この場合にも、ディバイダ２３により戻り光Ｇ５のうちのＧ５ｂが外部に放出され、戻り光Ｇ５ａのみが残る。ＦＢＧ３０、３２の回折格子はコアに設けられているので、戻り光Ｇ５ａの一部がアクティブファイバ１８により増幅されその強度が高くなりすぎると第１のＦＢＧ３０が破壊されることがある。本実施形態では、アクティブファイバ１８への戻り光が低減されるのでＦＢＧの破壊を抑制可能である。なお、この場合、シード光源を省略可能である。

図６は、第３の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
本実施形態は安全装置を備えている。すなわち、戻り光量の検知用センサ７０が戻り光Ｇ５ｂの量をモニタ可能であり、戻り光量が過大となると、警報を出したり、ファイバレーザ装置１０の動作を停止可能とし装置を保護することができる。検知用センサ７０としては、例えばフォトダイオードなどを用いた光電センサやパワーメータなどを用いた熱電センサなどとすることができる。

図７は、第４の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図である。すなわち、図７（ａ）はその構成図、図７（ｂ）は光アイソレータの順方向の光路、図７（ｃ）は光アイソレータの逆方向の光路、を表す。
図７（ａ）のように、ディバイダ２３と、アクティブファイバ１８と、の間に、光アイソレータ７２を配置する。ディバイダ２３は主として被照射体からの戻り光のうち、伝送用ファイバ２５のクラッド２５ｂに入射した戻り光を低減可能である。また、光アイソレータ７２は主としてディバイダ２３の第２の信号光伝搬ファイバ６０をコンバイナ１６に向かう戻り光Ｇ５ａのうち、コア６０ａ内を戻る光を抑制可能である。

光アイソレータ７２は、第１の複屈折素子８０、ファラデーロテータ８２、光軸方向への磁界を生成する磁石８４、２分の１波長板８６、及び第２の複屈折素子８１を有する。図７（ｂ）において、コアからの出射レーザ光Ｇ３が光アイソレータ７２に入射すると、偏波方向に応じて第１の複屈折素子８０で分かれた光は第２の複屈折素子８１を出射すると再び光軸が合わされて進む。

他方、図７（ｃ）において、第２の信号光伝搬ファイバ６０からの戻り光Ｇ５ａのうちコア６０ａから出射された戻り光は、第２及び第１の複屈折素子８１、８０に入射する場合に光路が離間し図７（ｂ）における出射レーザ光Ｇ３の入射点に戻ることはない。このようにして、入射する光の偏光状態に依存せず、アクティブファイバ１８のコアへ戻る戻り光の量を低減することができる。

高出力レーザ光が通過可能な偏光無依存型光アイソレータでは、ビーム径を大きくし、各光学素子へのダメージをさけることが必要である。本実施形態では、ディバイダ２３によりクラッドを通過する戻り光を低減し、光アイソレータ７２は主としてアクティブファイバ１８のコアへ入射する戻り光を低減し、アクティブファイバ１８のコアから放出される増幅戻り光によるＦＢＧ３０及びシード光源１２の破損を抑制するようにする。

もし、ディバイダ２３を設けないと、第２の信号光伝搬ファイバ６０から出射された戻り光Ｇ５ａのうち、クラッド６０ｂから出射された戻り光が図７（ｂ）の出射レーザ光Ｇ３を出射するファイバのクラッドへ入射する可能性がある。クラッドに入射された戻り光はアクティブファイバ１８を伝搬する期間に増幅され、励起光源１４を破損することがあるので好ましくない。これを抑制するには、第１の複屈折素子８０から出射する戻り光の光路が、出射レーザ光Ｇ３の入射位置からさらに離間することが必要になる。すなわち、複屈折素子８０、８１、ファラデーロテータ８２、及び磁石８４をさらに大型化することが必要になり、ファイバレーザ装置の大型化及び高価格化をまねくので好ましくない。

図８は、本実施形態にかかるファイバレーザ装置を用いたレーザ加工装置の構成図である。
本レーザ加工装置は、ファイバレーザ装置１０と、ファイバレーザ装置１０からの出射レーザ光Ｇ３を集光する照射光学部９０と、被照射体となる被加工体９２を載置するステージ９４と、を備えている。出射レーザ光Ｇ３を、被加工体９２上にスキャン可能とすると生産性の高いレーザ加工装置とできる。

照射光学系９０は、図２のように集光レンズのみとしてもよいが、一旦平行光として所定距離を伝搬したのち再び集光する光学系とすることもできる。また、加工点ＷＰは合焦点としても、またオフセットとしてもよい。

出射レーザ光Ｇ３が被加工体９２で反射または散乱し、戻り光Ｇ５となり伝送用ファイバ２５を逆方向に伝搬しても、ディバイダ２３の第２の枝ファイバ６１から外部に放出されて、ファイバレーザ増幅器１０またはファイバレーザ発振器１１に過大な戻り光が入射することが抑制可能である。

本実施形態のレーザ加工装置は、戻り光による破損を抑制可能であり、装置の信頼性を向上することが可能となる。また、装置の構造が簡素であり、小型化及び低価格化が容易となる。
さらに、本レーザ加工装置を用いると、薄膜加工工程、パッケージ表面へのマーキング工程、液晶表示装置のリペア工程、及び半導体材料のアニール工程、など電子デバイス製造プロセスの生産性を高めることが容易なレーザ加工方法が提供される。また、レーザ光の光出力をさらに高めると、金属の切断や溶接などが容易となる。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明を構成するアクティブファイバ、コンバイナ、枝ファイバ、信号光伝搬ファイバ、励起光源、シード光源、光アイソレータ、照射光学系、伝送用ファイバ、及びＦＢＧ、の材質、サイズ、形状、配置などに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

第１の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図 出射レーザ光の散乱を説明する模式図 第１の実施形態の変形例にかかるファイバレーザ装置を表す図 比較例にかかるファイバレーザ装置の構成図 第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図 第３の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図 第４の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図 本実施形態のレーザ加工装置の構成図

符号の説明

１０ ファイバレーザ装置（増幅器）、１１ ファイバレーザ装置（発振器）、 １２ シード光源、１４ 励起光源、１６ コンバイナ、１８ アクティブファイバ、２３ ディバイダ、２５ 伝送用ファイバ、５０ 第１の信号光伝搬ファイバ、５１ 第１の枝ファイバ、５２ 合成部、６０ 第２の信号光伝搬ファイバ、６１ 第２の枝ファイバ、６２ 分岐部、３０、３２ ＦＢＧ、７０ 検知用センサ、７２ 光アイソレータ、９０ 照射光学部、９２ 被加工体、９４ ステージ、Ｇ１ シード光、Ｇ２ 励起光、Ｇ３ 出射レーザ光、Ｇ５ 戻り光

Claims (9)

1. 励起光を放出可能な励起光源と、
   希土類元素が添加されたコアを有し、前記希土類元素が前記励起光を吸収して入射レーザ光を増幅可能なアクティブファイバと、
   前記アクティブファイバの一方の端部と接続され、前記励起光を前記アクティブファイバへ入射可能なコンバイナと、
   前記アクティブファイバの他方の端部からの出射レーザ光を伝送し且つ被照射体に向けて照射可能な伝送用ファイバと、
   前記他方の端部と前記伝送用ファイバとの間に設けられ、前記被照射体からの散乱光及または反射光の少なくともいずれかの一部を分岐して外部に放出することにより前記他方の端部へ向かう戻り光を低減可能なディバイダと、
   を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置。
2. 前記コンバイナは、第１の信号光伝搬ファイバの一部と、前記第１の信号光伝搬ファイバの外縁を囲むように設けられ且つ前記励起光を伝搬可能な第１の枝ファイバの一部と、が束ねられて溶融且つ延伸された合成部を有し、
   前記ディバイダは、第２の信号光伝搬ファイバとの一部と、前記第２の信号光伝搬ファイバの外縁を囲むように設けられ且つ前記戻り光の一部を外部に放出可能とする第２の枝ファイバの一部と、が束ねられて溶融且つ延伸された分岐部を有することを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
3. 前記第２の枝ファイバの少なくとも１つからの放出光を検出する検出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載のファイバレーザ装置。
4. 前記入射レーザ光を放出可能なシード光源をさらに備え、
   前記入射レーザ光は、前記コンバイナを介して前記一方の端部へ入射され、
   前記出射レーザ光は、前記入射レーザ光が増幅されたレーザ光であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。
5. 前記他方の端部と前記ディバイダとの間に設けられた光アイソレータをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。
6. 前記アクティブファイバと接続されない側の前記コンバイナの端部に接続された第１のファイバ・ブラッグ・グレーティングと、
   前記アクティブファイバと前記ディバイダとの間に設けられた第２のファイバ・ブラッグ・グレーティングと、
   をさらに備え、
   前記出射レーザ光は、前記第１及び第２のファイバ・ブラッグ・グレーティングにより形成された光共振器から取り出された発振光であることを特徴とする請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
7. 前記第２のファイバ・ブラッグ・グレーティングと前記ディバイダとの間に設けられた光アイソレータをさらに備えたことを特徴とする請求項６記載のファイバレーザ装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置と、
   前記出射レーザ光を被照射体に向けて集光可能な照射光学系と、
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
9. 請求項８記載のレーザ加工装置から前記出射レーザ光を放出し、前記被照射体を加工することを特徴とするレーザ加工方法。

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