JP2010237255A - レーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】調整対象となる光学系の数を増加させることなく、高いスループットを実現することができるレーザ照射装置を提供すること。
【解決手段】レーザ照射装置は、主レーザ光を照射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から照射される主レーザ光を伝送する主ファイバ２０と、主ファイバ２０に連結され、当該主ファイバ２０で伝送された主レーザ光を複数の分岐レーザ光に分割するレーザ分岐部１０と、レーザ分岐部１０に連結され、当該レーザ分岐部１０で分割された分岐レーザ光を伝送する複数の分岐ファイバ３０と、を備えている。レーザ分岐部１０は、主ファイバ２０が連結される主連結部１２と、分岐ファイバ３０が連結される分岐連結部１３とを有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ光を照射するレーザ発振器と、レーザ発振器から照射されるレーザ光を伝送するファイバとを備えたレーザ照射装置に関する。

スループット向上のため、複数の加工スポットを有するレーザ照射装置が広く使用されている。このようなレーザ照射装置は、複数の個所を同時に加工することができるので、レーザ照射装置としての生産性を格段に向上させることができ、有益である。

このようなレーザ照射装置としては、コスト的な制約およびスペース的な制約の観点から、一般的には、１台のレーザ発振器から照射された１本のレーザ光を分岐光学系によって複数のレーザ光に分岐するものが、よく用いられている。このような分岐光学系としては、様々な方式が存在するが、大別すると物理的にレーザ光を分岐させる同時ｎ分岐方式と、時間的にレーザ光を分岐させる時間ｎ分岐方式の２方式に分類される。

このうち、同時ｎ分岐方式を用いたレーザ照射装置は、例えば図６に示すように、レーザ光Ｌを照射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から照射されたレーザ光Ｌを分岐するとともに反射する複数のミラー９１（１），９１（２），…，９１（ｎ）と、当該ミラー９１（１），９１（２），…，９１（ｎ）で反射されたレーザ光Ｌが導かれる複数のファイバ９３（１），９３（２），…，９３（ｎ）と、ミラー９１（１），９１（２），…，９１（ｎ）とファイバ９３（１），９３（２），…，９３（ｎ）との間に設けられた集光レンズ９２（１），９２（２），…，９２（ｎ）と、を有している。

他方、時間ｎ分岐方式を用いたレーザ照射装置は、例えば図７に示すように、レーザ光Ｌを照射するレーザ発振器１と、回転自在となり、レーザ発振器１から照射されたレーザ光Ｌを所定の角度で反射するミラー９１と、当該ミラー９１で反射されたレーザ光Ｌが導かれる複数のファイバ９３（１），９３（２），…，９３（ｎ）と、ミラー９１とファイバ９３（１），９３（２），…，９３（ｎ）との間に設けられた集光レンズ９２（１），９２（２），…，９２（ｎ）と、を有している。

このような同時ｎ分岐方式（図６参照）を用いたレーザ照射装置と時間ｎ分岐方式（図７参照）を用いたレーザ照射装置においては、加工時のスループットを向上させることができる点で、時間ｎ分岐方式よりも同時ｎ分岐方式の方が優れている。しかしながら、このような同時ｎ分岐方式においては、等しいパワーのレーザ光Ｌを照射するためには、異なる反射率の複数のミラー９１（１），９１（２），…，９１（ｎ）を用いることが必要となる。つまり、一般的に、以下に示す光学特性（反射率）をもつミラー９１（１），９１（２），…，９１（ｎ）を用いることで、各ミラー９１（１），９１（２），…，９１（ｎ）で反射されるレーザ光Ｌの強度を１／ｎにする必要がある。
ミラー９１（１） ：反射率＝１／ｎ
ミラー９１（２） ：反射率＝１／（ｎ―１）
ミラー９１（３） ：反射率＝１／（ｎ―２）
ミラー９１（４） ：反射率＝１／（ｎ―３）
・
・
・
ミラー９１（ｎ−１）：反射率＝１／２
ミラー９１（ｎ） ：反射率＝１

また、このような同時ｎ分岐方式はレーザ光Ｌを空間伝播させる方式であるので、加工点の数を増加させるほど、ミラー９１（１），９１（２），…，９１（ｎ）などの光学系の数が増加してしまい、調整工数が増大するという問題がある。

なお、光ＬＡＮや光ファイバ通信システムの分野では、入射する光ビームを分岐するテーパ部と、分岐した光ビームを伝搬する導波路部と、分岐した光ビームを絞り込むレンズとを有する光分岐器が知られている（特許文献１参照）。しかしながら、このような光分岐器は、通信のために用いられるものであり、本願のように強い強度のレーザ光を分岐するようなものではない。

なお、特許文献１のように、ファイバと光分岐器との間に間隙があると（ファイバと光分岐器との間が完全に離れていると）、当該間隙から光が漏れてしまいロスが生じる。そして、このようにロスが生じると当該ロスに起因して熱が生じることとなる。この点は、通信に用いられるような弱い強度の光を用いる場合には問題とはならないが、本願のように強い強度のレーザ光を用いる場合には発生した熱によって光分岐器が破損してしまうおそれがあり問題となる。このことからしても、特許文献１に記載されているような光分岐器を本願に用いることはできない。

特開２０００−３５２６３７号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、調整対象となる光学系の数を増加させることなく高いスループットを実現することができるレーザ照射装置を提供することを目的とする。

本発明によるレーザ照射装置は、
主レーザ光を照射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から照射される主レーザ光を伝送する主ファイバと、
前記主ファイバに連結され、該主ファイバで伝送された主レーザ光を複数の分岐レーザ光に分割するレーザ分岐部と、
前記レーザ分岐部に連結され、該レーザ分岐部で分割された分岐レーザ光を伝送する複数の分岐ファイバと、を備え、
前記レーザ分岐部が、前記主ファイバが連結される主連結部と、前記分岐ファイバが連結される分岐連結部とを有している。

本発明によるレーザ照射装置において、
複数の分岐連結部は、横断面において、線対称に配置されてもよい。

本発明によるレーザ照射装置において、
前記分岐連結部のうちの一つが、前記主連結部と同軸に配置された中心分岐連結部を構成し、
前記中心分岐連結部以外の残りの分岐連結部が、横断面において、該中心分岐連結部の周縁を取り囲んだ位置に配置されてもよい。

本発明によるレーザ照射装置は、
前記分岐ファイバに設けられ、該分岐ファイバから出射されるレーザ光の強度を調整する強度調整部をさらに備えてもよい。

本発明によるレーザ照射装置において、
前記主ファイバの前記レーザ分岐部側の端面と該レーザ分岐部とが当接してもよく、
前記分岐ファイバの前記レーザ分岐部側の端面と該レーザ分岐部とが当接してもよい。

本発明によるレーザ照射装置は、
前記分岐連結部の周縁に設けられ、前記主ファイバで伝送された主レーザ光のうち該分岐連結部内に導かれない主レーザ光を反射する反射部材をさらに備えてもよい。

本発明によるレーザ照射装置は、
前記分岐連結部の周縁に設けられ、前記主ファイバで伝送された主レーザ光のうち該分岐連結部内に導かれない主レーザ光を吸収する吸収部材と、
前記吸収部材を冷却する冷却部と、をさらに備えてもよい。

本発明によるレーザ照射装置において、
前記強度調整部は、各分岐ファイバに設けられ、各分岐連結部による主レーザ光の分割比率に応じて該分岐ファイバから出射されるレーザ光の強度を減衰させてもよい。

本発明によるレーザ照射装置において、
前記強度調整部は、複数の分岐ファイバのうちの一部に設けられ、該分岐ファイバから出射されるレーザ光の強度を減衰させてもよい。

本発明によれば、レーザ照射装置が、レーザ発振器から照射される主レーザ光を伝送する主ファイバと、主ファイバで伝送された主レーザ光を複数の分岐レーザ光に分割するレーザ分岐部と、レーザ分岐部で分割された分岐レーザ光を伝送する複数の分岐ファイバと、を備え、レーザ分岐部が、主ファイバが連結される主連結部と、分岐ファイバが連結される分岐連結部とを有している。このため、調整対象となる光学系の数を増加させることなく、高いスループットを実現することができる。

本発明の実施の形態によるレーザ照射装置の構成を示す斜視図。 本発明の実施の形態によるレーザ照射装置によって照射されるレーザ光を用いて被処理体を加工する様子を示した側方断面図。 本発明の実施の形態によるレーザ分岐部の構成を示す斜視図。 本発明の実施の形態によるレーザ分岐部の横断面図。 本発明の実施の形態の変形例によるレーザ分岐部の横断面図。 従来の同時ｎ分岐方式を用いたレーザ照射装置の構成を示す概略図。 従来の時間ｎ分岐方式を用いたレーザ照射装置の構成を示す概略図。

実施の形態
以下、本発明に係るレーザ照射装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図４は本発明の実施の形態を示す図である。

図１に示すように、レーザ照射装置は、主レーザ光を照射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から照射される主レーザ光を伝送する主ファイバ２０と、筐体１５内に配置され、主ファイバ２０に連結されて主ファイバ２０で伝送された主レーザ光を複数の分岐レーザ光に分割するレーザ分岐部１０と、レーザ分岐部１０に連結され当該レーザ分岐部１０で分割された分岐レーザ光を伝送する複数の分岐ファイバ３０と、を備えている。このうち、レーザ分岐部１０は、図３に示すように、主ファイバ２０が連結される主連結部１２と、分岐ファイバ３０が連結される分岐連結部１３とを有している。

また、図２に示すように、レーザ照射装置の近傍には、各分岐ファイバ３０に対応した位置に、当該分岐ファイバ３０で伝送された分岐レーザ光Ｌによって加工される被処理体６０を保持する保持部５０が設けられている。また、保持部５０に保持された被処理体６０と分岐ファイバ３０との間には、分岐ファイバ３０から出射された分岐レーザ光Ｌを被処理体６０の薄膜６１に集光させる集光レンズ５５が設けられている。

なお、薄膜太陽電池用基板などからなる被処理体６０は、ガラス板などからなる基板６２と、この基板６２に配置されたＩＴＯやＴＣＯなどからなる薄膜６１とを有している。ところで、本実施の形態では、被処理体６０として、基板６２と薄膜６１を有する被処理体６０を用いて説明するが、レーザ照射装置から照射される分岐レーザ光Ｌによって加工されるものであればよく、これに限られることはない。

また、主ファイバ２０は、コア部と、当該コア部の周縁を取り囲むクラッド部と、当該クラッド部の周縁を取り囲むコーティング部とを有し（図示せず）、同様に、分岐ファイバ３０は、コア部と、当該コア部の周縁を取り囲むクラッド部と、当該クラッド部の周縁を取り囲むコーティング部とを有している（図示せず）。

そして、主ファイバ２０のコア部の径をＤ_ｉとして開口数（ＮＡ）をＮ_ｉとし、分岐ファイバ３０のコア部の径をＤ_Ｏとして開口数をＮ_Ｏとすると、
Ｄ_ｉ＞Ｄ_Ｏ
Ｎ_ｉ＞Ｎ_Ｏ
となっている。

なお、本実施の形態のような主ファイバ２０としては、例えば、クラッド部の直径が約２２０μｍからなり、ＮＡが約０．２２となり、コーティング部の直径が約２５０μｍからなるものを用いることができ、分岐ファイバ３０としては、例えば、クラッド部の直径が約１２５μｍからなり、ＮＡが約０．１５となり、コーティング部の直径が約２５０μｍからなるものを用いることができる。

また、図４（ａ）に示すように、複数の分岐連結部１３は、横断面において線対称に配置されている。より具体的には、分岐連結部１３のうちの一つが、主連結部１２と同軸に配置された中心分岐連結部１３ｃを構成し、中心分岐連結部１３ｃ以外の残りの分岐連結部１３ｒが、横断面において、中心分岐連結部１３ｃの周縁を取り囲むとともに線対称の位置に配置されている（複数の分岐連結部１３は、例えば上下方向に延在する鉛直線に対して線対称になっている）。なお、図４（ａ）は図３の直線Ａ−Ａでレーザ分岐部１０を切断した横断面を示しており、図４（ｂ）は図３の直線Ｂ−Ｂでレーザ分岐部１０を切断した横断面を示している。

また、図４（ａ）に示すように、分岐連結部１３の周縁のうち主連結部１２に対応する範囲に（主ファイバ２０の径以上の径を有する円形状の範囲に）、主ファイバ２０で伝送された主レーザ光のうち分岐連結部１３内に導かれない主レーザ光を反射する反射部材１７が設けられている。

なお、本実施の形態では、主ファイバ２０のレーザ分岐部１０側の端面と当該レーザ分岐部１０とが当接して間隙が形成されておらず、同様に、分岐ファイバ３０のレーザ分岐部１０側の端面と当該レーザ分岐部１０とが当接して間隙が形成されていない。

また、図１に示すように、分岐ファイバ３０の各々には、当該分岐ファイバ３０から出射される分岐レーザ光Ｌの強度を調整するＦＢＧなどからなる強度調整部４０が設けられている。そして、この強度調整部４０は、各分岐連結部１３による主レーザ光の分割比率に応じて当該分岐ファイバ３０から出射される分岐レーザ光Ｌの強度を減衰させるように構成されている。

なお、本実施の形態では、分岐ファイバ３０の各々に（分岐ファイバ３０の全部に）出射される分岐レーザ光Ｌの強度を減衰させる強度調整部４０が設けられている態様を用いて説明するが、これに限られることはない。例えば、複数の分岐ファイバ３０のうちの一部のみに、当該分岐ファイバ３０から出射される分岐レーザ光Ｌの強度を減衰させる強度調整部４０が設けられていてもよい。

ところで、上述したレーザ分岐部１０としては例えばコンバイナを用いることもできる。一般的に、コンバイナは、ダイオードなどのレーザ照射部から照射されたレーザ光を束ねて一体とするために用いられるのであるが、本実施の形態では、このようなコンバイナをレーザ光を束ねて一体とするためではなく、逆に、レーザ光（主レーザ光）を複数のレーザ光（分岐レーザ光）に分岐するために用いることができる。このようなコンバイナを利用することによって、簡便かつ安価にレーザ照射装置を提供することができることとなる。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。

まず、レーザ発振器１によって、主ファイバ２０に向かって主レーザ光が照射される（図１参照）。その後、主ファイバ２０によって、レーザ発振器１から照射された主レーザ光が伝送される（図１参照）。

次に、レーザ分岐部１０によって、主ファイバ２０で伝送された主レーザ光が複数の分岐レーザ光に分割される（図３および図４参照）。

ここで、本実施の形態では、主ファイバ２０で伝送された主レーザ光は、レーザ分岐部１０で拡散されることなく、直接、分岐ファイバ３０内に入射されて伝送されることとなる。このため、主ファイバ２０で伝送されたレーザ光を、損失を少なく抑えて分割することができ、ひいては、高いパワーを有する分岐レーザ光Ｌで被処理体６０の薄膜６１を加工することができる（図２参照）。

この点、特許文献１に示されているような通信のために光を伝送する場合には、光が通過さえすればよく強度の低下はそれほど問題とならない。このため、特許文献１では光分岐器（レーザ分岐部）に入射した光をテーパ部で拡散させることで複数の光に分岐する方法を用いている。従って、特許文献１に示されているような方法を用いると、当然、光分岐器に入射した光の強度が低下することとなるので、本実施の形態のように被処理体６０にレーザ光を照射して加工するような態様には向いていない。

また、本実施の形態では、ミラーなどの光学系を用いることなくレーザ光を分岐するので、調整が必要となる光学系の数を増加させることなくレーザ光を分岐することができる。このため、光学系の調整に要する時間を削減することができ、レーザ照射装置の利用効率を向上させることができる。

また、本実施の形態では、分岐連結部１３のうちの一つが、主連結部１２と同軸に配置された中心分岐連結部１３ｃを構成し、中心分岐連結部１３ｃ以外の残りの分岐連結部１３ｒが、横断面において、中心分岐連結部１３ｃの周縁を取り囲むとともに線対称の位置に配置されている。このため、各分岐ファイバ３０内に入射する分岐レーザ光を均一にすることができ、ひいては、各分岐ファイバ３０に対応する被処理体６０の各々をむらなく加工することができる。

また、本実施の形態では、分岐連結部１３の周縁のうち主連結部１２に対応する範囲に、主レーザ光を反射する反射部材１７が設けられている。このため、主ファイバ２０で伝送された主レーザ光のうち分岐連結部１３内に導かれない主レーザ光を反射部材１７で反射して主ファイバ２０内や分岐ファイバ３０内に導くことができ、当該主レーザ光によってレーザ分岐部１０が加熱されることを防止することができる。この結果、主レーザ光に起因する熱でレーザ分岐部１０が破損することを防止することができる。

また、本実施の形態では、主ファイバ２０とレーザ分岐部１０が分離されて配置されていないだけではなく、主ファイバ２０とレーザ分岐部１０との間に間隙が設けられておらず、同様に、分岐ファイバ３０とレーザ分岐部１０が分離されて配置されていないだけではなく、分岐ファイバ３０とレーザ分岐部１０との間に間隙が設けられていない。このため、主ファイバ２０とレーザ分岐部１０との間の間隙や分岐ファイバ３０とレーザ分岐部１０との間の間隙から、主レーザ光や分岐レーザ光が漏れることを確実に防止することができ、ひいては、レーザ分岐部１０が破損することを確実に防止することができる。

なお、本実施の形態では、時間的にレーザ光を分岐させる時間ｎ分岐方式ではなく、物理的にレーザ光を分岐させる同時ｎ分岐方式を用いているので、高いスループットで被処理体６０を加工することができる。

上述のように、レーザ分岐部１０によって主レーザ光が複数の分岐レーザ光に分割されると、複数の分岐ファイバ３０によって、分岐レーザ光が伝送される（図１参照）。このとき、分岐ファイバ３０の各々に設けられた強度調整部４０によって、レーザ分岐部１０による主レーザ光の分割比率に応じて分岐レーザ光の強度が減衰されて調整される。

次に、分岐ファイバ３０から分岐レーザ光Ｌが出射され、当該分岐レーザ光Ｌが集光レンズ５５で集光された後に被処理体６０の薄膜６１に照射されることとなる（図２参照）。この結果、被処理体６０の薄膜６１を部分的に除去して（パターニングを施して）加工することができる。

なお、本実施の形態では、分岐連結部１３の各々が横断面で線対称の位置に配置されているだけではなく（図４（ａ）参照）、強度調整部４０によってレーザ分岐部１０による主レーザ光の分割比率に応じて分岐レーザ光の強度が減衰されて調整される（図１参照）。このため、被処理体６０の薄膜６１に照射される分岐レーザ光の各々の強度をより確実に均一にすることができる。この結果、被処理体６０の薄膜６１を確実に均一な条件で加工することができ、被処理体６０の各々をより確実にむらなく加工することができる。

ところで、上記では、図４（ａ）に示すように、分岐連結部１３の周縁に、主ファイバ２０で伝送された主レーザ光のうち分岐連結部１３内に導かれない主レーザ光を反射する反射部材１７が設けられている態様を用いて説明した。しかしながら、これに限られることはなく、例えば図５（ａ）（ｂ）に示すように、分岐連結部１３の周縁に、主ファイバ２０で伝送された主レーザ光のうち分岐連結部１３内に導かれない主レーザ光を吸収する吸収部材１８が設けられ、レーザ分岐部１０の周縁に当該レーザ分岐部１０（ひいては吸収部材１８）を冷却する冷却部１９が設けられている態様を用いてもよい。

このような態様によれば、分岐連結部１３内に導かれない主レーザ光を吸収部材１８で吸収し、かつ、当該吸収部材１８を冷却部１９で冷却することができる。このため、分岐連結部１３内に導かれない主レーザ光によってレーザ分岐部１０が加熱されることを防止することができ、ひいては、主レーザ光に起因する熱でレーザ分岐部１０が破損することを防止することができる。

１ レーザ発振器
２０ 主ファイバ
１０ レーザ分岐部
１２ 主連結部
１３ 分岐連結部
１３ｃ 中心分岐連結部
１３ｒ 残りの分岐連結部
１５ 筐体
１７ 反射部材
１８ 吸収部材
１９ 冷却部
３０ 分岐ファイバ
４０ 強度調整部
５０ 保持部
５５ 集光レンズ
６０ 被処理体

Claims (9)

1. 主レーザ光を照射するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から照射される主レーザ光を伝送する主ファイバと、
   前記主ファイバに連結され、該主ファイバで伝送された主レーザ光を複数の分岐レーザ光に分割するレーザ分岐部と、
   前記レーザ分岐部に連結され、該レーザ分岐部で分割された分岐レーザ光を伝送する複数の分岐ファイバと、を備え、
   前記レーザ分岐部は、前記主ファイバが連結される主連結部と、前記分岐ファイバが連結される分岐連結部とを有することを特徴とするレーザ照射装置。
2. 複数の分岐連結部は、横断面において、線対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記分岐連結部のうちの一つは、前記主連結部と同軸に配置された中心分岐連結部を構成し、
   前記中心分岐連結部以外の残りの分岐連結部は、横断面において、該中心分岐連結部の周縁を取り囲んだ位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレーザ照射装置。
4. 前記主ファイバの前記レーザ分岐部側の端面と該レーザ分岐部とが当接する、または、
   前記分岐ファイバの前記レーザ分岐部側の端面と該レーザ分岐部とが当接することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
5. 前記分岐連結部の周縁に設けられ、前記主ファイバで伝送された主レーザ光のうち該分岐連結部内に導かれない主レーザ光を反射する反射部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
6. 前記分岐連結部の周縁に設けられ、前記主ファイバで伝送された主レーザ光のうち該分岐連結部内に導かれない主レーザ光を吸収する吸収部材と、
   前記吸収部材を冷却する冷却部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
7. 前記分岐ファイバに設けられ、該分岐ファイバから出射されるレーザ光の強度を調整する強度調整部をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
8. 前記強度調整部は、各分岐ファイバに設けられ、各分岐連結部による主レーザ光の分割比率に応じて該分岐ファイバから出射されるレーザ光の強度を減衰させることを特徴とする請求項７に記載のレーザ照射装置。
9. 前記強度調整部は、複数の分岐ファイバのうちの一部に設けられ、該分岐ファイバから出射されるレーザ光の強度を減衰させることを特徴とする請求項７に記載のレーザ照射装置。

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