JP2011192831A - レーザ加工装置、レーザ光源装置、および、レーザ光源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同じレーザ光源装置を用いて、加工精度を良好に保ちつつ、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数を変化させる。
【解決手段】シードLD１５１から射出されたレーザ光を、ファイバ増幅器１５３およびファイバ増幅器１５５により増幅した後、固体レーザ増幅器１５８により増幅する。制御部１６０は、固体レーザ増幅器１５８の固体レーザ媒質を励起する励起光をレーザ光に同期して固体レーザ媒質に照射するように制御するとともに、励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、レーザ光の繰返し周波数に応じて励起光の強度を制御する。本発明は、例えば、レーザリペア装置に適用できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ加工装置、レーザ光源装置、および、レーザ光源装置の制御方法に関し、特に、レーザ光の繰返し周波数を変えてレーザ加工を行う場合に用いて好適なレーザ加工装置、レーザ光源装置、および、レーザ光源装置の制御方法に関する。

現在、LCD（Liquid Crystal Display）パネルや有機EL（Electro-Luminescence）パネルなどのディスプレイパネルの基板の配線の欠陥を修正するレーザリペア装置など、レーザ光を用いて微細な加工を行うレーザ加工装置が普及している。

レーザ光を用いた微細加工を大別すると、材料表面に線状のパターンを形成する描画加工と、穴開け加工の２種類がある。そして、微細加工を行うレーザ加工装置においては、加工目的により必要とされるレーザ光のパルス幅、パルスエネルギー、繰り返し周波数が異なる。

例えば、レーザ誘起プラズマを用いたZAPPING加工（以下、ZAP加工と称する）により基板の配線ミスを除去する場合には、パルスエネルギーが高いレーザ光が必要とされ、レーザCVD（Chemical Vapor Deposition）法を用いたCVD加工により基板の配線を行う場合には、基板にダメージを与えない程度の低いパルスエネルギーで、かつ繰返し周波数の高いレーザ光が必要とされる。また、例えば、描画加工を行う場合、描画速度を速くするために、高い繰返し周波数を持つレーザ光が必要となり、穴開け加工を行う場合、レーザ誘起プラズマにより加工対象物の分子結合を切るために、高いパルスエネルギーが必要となる。

そこで、例えば、パルスエネルギーおよび繰返し周波数を共に高く設定できる高出力のレーザ光源をレーザ加工装置に導入すれば、１台のレーザ光源で全ての種類の加工に対応することが可能になる。例えば、１台のレーザ光源を用いて、ZAP加工とCVD加工を行ったり、図１に示されるように、加工対象物１に線状のパターンを描画するとともに穴開けを行ったりすることが可能になる。なお、図１の上の図は、加工パターン２が形成された加工対象物１の上面図であり、下の図はその断面図である。

しかし、レーザ光源の出力が高くなるほど、排熱量が大きくなり、装置のサイズ、重量および価格が上昇する。また、レーザ加工装置は、クリーンルームなどの環境が厳しく管理された室内に設置されることが多く、冷却装置の使用に制限が設けられる場合が多い。例えば、水冷装置の使用が禁止されたり、振動の少ない小型の強制空冷装置や、振動はほとんど発生しないが排熱能力の小さい自然空冷装置のみに使用が限定されたりして、高出力のレーザ光源を十分に冷却できない場合がある。

そのため、従来、パルスエネルギーが高いレーザ光が必要な加工を行う場合には、繰返し周波数を低くすることにより、レーザ光の単位時間あたりのパワーである平均パワー（＝パルスエネルギー×繰返し周波数）を小さくし、高速な加工を行う場合には、加工に必要な最低限のパルスエネルギーを確保しつつ繰返し周波数を高くすることで、レーザ光の平均パワーを小さくし、排熱量を抑える工夫がなされている。

ところが、従来の固体レーザでは、レーザ光の繰返し周波数を変えると、レーザ媒質やＱスイッチ素子への熱負荷が変化し、熱レンズ効果に変化が生じるため、出力されるレーザ光のビーム形状や光軸が変化してしまう。

ここで、図２を参照して、熱レンズ効果について説明する。

光パルスの増幅は、一般的に以下の式（１）（Franz-Nodvikの式）で表される。

飽和エネルギーE_satと小信号利得G₀は、実効的な励起エネルギーE_Pの関数となる。また、励起光源から発生された励起光パルスのエネルギーは、その全てが光増幅に寄与するわけではない。そして、励起光パルスの全エネルギーE_P0と増幅に寄与する実効的な励起エネルギーE_Pの関係は、以下の式（２）および式（３）で表される。

増幅に寄与しなかった励起光エネルギーは、熱となり増幅媒質の温度を上昇させる。そして、増幅媒質に発生する熱量E_heatおよび平均熱量P_heatは、以下の式（４）および式（５）で表される。

そこで、増幅媒質を側面等から保持するホルダには放熱効果の高いものが一般的に使用される。そして、増幅媒質の温度上昇を引き起こす熱源は励起光であるから、増幅媒質の中心が最も温度が高くなり、増幅媒質のホルダに近い部分ほど温度が低くなるという温度勾配が生じる。一方、増幅媒質の屈折率には温度依存があり、この温度勾配によって屈折率にも勾配が生じ、レンズのような役割を果たすが、これを熱レンズ効果という。熱レンズ効果の屈折力（ジオプター、焦点距離の逆数）は以下の式（６）で表される。

従って、熱レンズの屈折力Dは励起光パルスの平均パワーP_P（励起光パルスエネルギーE_P×励起光パルスの繰返し周波数F_P）の変化に追随することになる。

例えば、図２に模式的に示されるように、レーザ光１１と励起光１２がレーザ媒質１３に入射し、パルスエネルギーが増幅されたレーザ光がレーザ媒質１３から射出される場合について考える。この場合、励起光１２の平均パワーに応じて、レーザ媒質１３の熱レンズ効果に変化が生じ、例えば、図中の曲線Ａ１および曲線Ａ２に示されるように、レーザ媒質１３の屈折率の分布が変化する。その結果、レーザ媒質１３から射出されるレーザ光１１の光軸やビームの広がりが、例えば、光路Ｂ１および光路Ｂ２に示されるように変化する。

従って、１台の固体レーザを用いて、ZAP加工とCVD加工、または、描画加工と穴開け加工など、加工用途を切り替えるために励起光のパルスエネルギーや繰返し周波数を変化させると、レーザヘッドから出力されるビームの直径や拡がり角といったパラメータが変化してしまい、加工ムラが発生し、加工精度が悪化する。また、仮に、この熱レンズ効果によるレーザ光のパラメータの変化を補償する光学系を設けたとしても、熱レンズ効果の状態が一定になるには時間がかかるため、加工スピードが遅くなってしまう。

さらに、従来の固体レーザでは、パルスエネルギーが高いレーザ光を発生させる場合、パルスエネルギーが低いレーザ光を発生させる場合と比較して、共振器内の光学素子の損傷を防止するために、共振器の出力鏡の透過率を大きくし、共振器内に閉じこめられる光エネルギーの量を小さくする必要がある。

従って、例えば、従来のレーザリペア装置では、ZAP加工用とCVD加工用の２台の固体レーザが設けられていた（例えば、特許文献１参照）。そのため、装置のコスト、重量、サイズが増大していた。

これに対して、シングルモードのファイバレーザ（半導体レーザ＋ファイバ増幅器）は、シード光を発生させる半導体レーザの繰返し周波数を自由に変えることができ、これにより、繰返し周波数が高いレーザ光とパルスエネルギーが高いレーザ光を、ビームのパラメータを変えることなく発生させることが可能である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、シングルモードのファイバレーザは、光ファイバの中で高密度の光を閉じ込めているため、光カー効果によるスペクトル変調、ラマン散乱による設計外の波長の光パルス発生、ブリユアン散乱による励起光源への戻り光・損傷と言った現象が起こりやすく、またファイバ自体の光学的な損傷が容易に起こるという問題点があり、ミリジュール以上のパルスエネルギーを発生させようとすると、ファイバもしくは励起光源が損傷してしまう。

これに対して、一般的に、ZAP加工などの穴開け加工でレーザ誘起プラズマを利用した加工においては数mJから数十mJといった高いパルスネルギーのレーザ光が必要となる。

従って、ファイバレーザのみでは、例えば、CVD加工とZAP加工、または、描画加工と穴開け加工の両方を行うことができるレーザ加工装置を実現するのは困難であった。

そこで、ファイバレーザと固体のレーザ増幅器を組み合わせることで、ファイバレーザ単体では出力困難なエネルギーの光パルスを発生させることが考案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８−２７９４７１号公報 特開２００９−６６６２５号公報 特開２００５−３４７３３８号公報

しかしながら、特許文献３に記載されているように、ファイバレーザの後段に固体のレーザ増幅器を単に設けただけでは、上述した、レーザ光のパルスエネルギーや繰返し周波数を変えた際にビームのパラメータが変化してしまうという問題を回避することができず、ファイバレーザの利点を十分に活かすことが出来ない。従って、特許文献３に記載されている発明でも、固体レーザのみを用いる場合と同様に、ZAP加工とCVD加工、または、描画加工と穴開け加工など、加工用途を切り替えるために励起光のパルスエネルギーや繰返し周波数を変化させると、レーザ光のビームパラメータが変化してしまい、加工ムラが発生し、加工精度が悪化する。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、同じレーザ光源装置を用いて、加工精度を良好に保ちつつ、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数を変化させることができるようにするものである。

本発明の第１の側面のレーザ加工装置は、レーザ光を用いて加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数が可変の光源と、光源から射出されたレーザ光を光ファイバを用いて増幅するファイバ増幅手段と、ファイバ増幅手段により増幅されたレーザ光を固体レーザ媒質を用いて増幅する固体レーザ増幅手段と、固体レーザ媒質を励起する励起光をレーザ光に同期して固体レーザ媒質に照射するように制御するとともに、励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、レーザ光の繰返し周波数に応じて励起光の強度を制御する照射制御手段とを備える。

本発明の第１の側面のレーザ加工装置においては、レーザ光が光ファイバを用いて増幅され、増幅されたレーザ光が固体レーザ媒質を用いて増幅され、固体レーザ媒質を励起する励起光がレーザ光に同期して固体レーザ媒質に照射されるとともに、励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、レーザ光の繰返し周波数に応じて励起光の強度が制御される。

従って、同じレーザ光源装置を用いて、加工精度を良好に保ちつつ、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数を変化させることができる。

このレーザ加工装置は、例えば、レーザリペア装置により構成される。この光源は、例えば、レーザダイオードなどレーザ光を射出するレーザ光源により構成される。このファイバ増幅手段は、例えば、光ファイバを用いたファイバ増幅器により構成される。この固体レーザ増幅手段は、例えば、Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:YLF、Nd:glass等のNdドープの媒質、または、Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:KYW、Yb:Y₂O₃、Yb:Sc₂O₃、Yb:Lu₂O₃、Yb:CaF₂等のYb³⁺イオンドープの媒質を固体レーザ媒質に用いた固体レーザ増幅器により構成される。この照射制御手段は、例えば、CPU（Central Processing Unit）などのプロセッサや各種の制御回路などにより構成される。

この照射制御手段には、レーザ光の繰返し周波数が所定の閾値以上である場合、励起光を連続して固体レーザ媒質に照射するとともに、励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように励起光の強度を制御させることができる。

これにより、励起光の点滅を所定の周波数以上に高速に制御する必要がなくなる。

この光源には、ZAPPING加工に用いる第１の繰返し周波数の第１のレーザ光、または、CVD（Chemical Vapor Deposition）加工に用いる第１の繰返し周波数より大きい第２の繰返し周波数の第２のレーザ光を射出させ、この照射制御手段は、固体レーザ増幅手段により第１のレーザ光を増幅する場合、第１のレーザ光に同期して励起光を固体レーザ媒質に照射させ、固体レーザ増幅手段により第２のレーザ光を増幅する場合、励起光を連続して固体レーザ媒質に照射するように制御させることができる。

これにより、同じレーザ光源装置を用いて、加工精度を良好に保ちつつ、ZAPPING加工とCVD加工の両方に対応することができる。

この光源は、穴開け加工に用いる第１の繰返し周波数の第１のレーザ光、または、描画加工に用いる第１の繰返し周波数より大きい第２の繰返し周波数の第２のレーザ光を射出させ、この照射制御手段は、固体レーザ増幅手段により第１のレーザ光を増幅する場合、第１のレーザ光に同期して励起光を固体レーザ媒質に照射し、固体レーザ増幅手段により第２のレーザ光を増幅する場合、励起光を連続して固体レーザ媒質に照射するように制御させることができる。

これにより、同じレーザ光源装置を用いて、加工精度を良好に保ちつつ、穴開け加工と描画加工の両方に対応することができる。

固体レーザ増幅手段により増幅されたレーザ光の波長を変換する波長変換手段をさらに設けることができる。

これにより、レーザ光の波長を要求する値に変換することができる。

この波長変換手段は、例えば、レーザ光の波長をそのSHG、THGに変換する波長変換装置により構成される。

本発明の第２の側面のレーザ光源装置は、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数が可変の光源と、光源から射出されたレーザ光を光ファイバを用いて増幅するファイバ増幅手段と、ファイバ増幅手段により増幅されたレーザ光を所定の固体レーザ媒質を用いて増幅する固体レーザ増幅手段と、固体レーザ媒質を励起する励起光をレーザ光に同期して固体レーザ媒質に照射するように制御するとともに、励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、レーザ光の繰返し周波数に応じて励起光の強度を制御する照射制御手段とを備える。

本発明の第２の側面のレーザ光源装置においては、レーザ光が光ファイバを用いて増幅され、増幅されたレーザ光が固体レーザ媒質を用いて増幅され、固体レーザ媒質を励起する励起光がレーザ光に同期して固体レーザ媒質に照射されるとともに、励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、レーザ光の繰返し周波数に応じて励起光の強度が制御される。

従って、同じレーザ光源装置を用いて、加工精度を良好に保ちつつ、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数を変化させることができる。

この光源は、例えば、レーザダイオードなどレーザ光を射出するレーザ光源により構成される。このファイバ増幅手段は、例えば、光ファイバを用いたファイバ増幅器により構成される。この固体レーザ増幅手段は、例えば、Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:YLF、Nd:glass等のNdドープの媒質、または、Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:KYW、Yb:Y₂O₃、Yb:Sc₂O₃、Yb:Lu₂O₃、Yb:CaF₂等のYb³⁺イオンドープの媒質を固体レーザ媒質に用いた固体レーザ増幅器により構成される。この照射制御手段は、例えば、CPU（Central Processing Unit）などのプロセッサや各種の制御回路などにより構成される。

本発明の第２の側面のレーザ光源装置の制御方法は、レーザ光を射出するレーザ光源装置の制御方法において、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数が可変の光源から射出されたレーザ光を光ファイバを用いて増幅し、増幅されたレーザ光を固体レーザ媒質を用いて増幅し、固体レーザ媒質を励起する励起光をレーザ光に同期して固体レーザ媒質に照射するように制御するとともに、励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、レーザ光の繰返し周波数に応じて励起光の強度を制御する。

本発明の第２の側面のレーザ光源装置においては、レーザ光が光ファイバを用いて増幅され、増幅されたレーザ光が固体レーザ媒質を用いて増幅され、固体レーザ媒質を励起する励起光がレーザ光に同期して固体レーザ媒質に照射されるとともに、励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、レーザ光の繰返し周波数に応じて励起光の強度が制御される。

従って、同じレーザ光源装置を用いて、加工精度を良好に保ちつつ、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数を変化させることができる。

本発明の第１の側面または第２の側面によれば、同じレーザ光源装置を用いて、加工精度を良好に保ちつつ、レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数を変化させることができる。

レーザ光による微細加工の例を示す図である。 熱レンズ効果によるビームパラメータの変化を説明するための図である。 本発明を適用したレーザ加工装置の一実施の形態を示すブロック図である。 加工位置の走査方法の例を示す図である。 加工位置の走査方法の例を示す図である。 レーザ光源装置の構成例を示す図である。 固体レーザ増幅器の構成例を示す図である。 固体レーザ増幅器の励起光源の制御方法を説明するための図である。 レーザ光のパルスエネルギーと繰返し周波数の関係の一例を示すグラフである。 レーザ光のパルスエネルギーと繰返し周波数の関係、および、励起光のパルスエネルギーと繰返し周波数の関係の一例を示すグラフである。 固体レーザ増幅器の励起光源の制御方法を説明するための図である。 固体レーザ増幅器の熱負荷を抑制する方法について説明するための図である。 固体レーザ増幅器の第１の変形例を示す図である。 固体レーザ増幅器の第２の変形例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態
２．変形例

＜１．実施の形態＞
［レーザ加工装置の構成例］
図３は、本発明を適用したレーザ加工装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。図３のレーザ加工装置１０１は、レーザ光源装置１１１より出力されたレーザ光を、スリット１１５および対物レンズ１１８等の光学系により加工に適した形状、サイズに変形させ、基板１０２に照射して加工を行う。レーザ加工装置１０１は、レーザ光源装置１１１、エクスパンダ１１２、ミラー１１３，１１４、スリット１１５、レンズ１１６、ミラー１１７、対物レンズ１１８、およびガスウインドウ１１９を含むように構成される。

レーザ光源装置１１１は、レーザ光を射出する光源装置であり、射出するレーザ光のパルス幅、パルスエネルギーおよび繰返し周波数を変化させることが可能である。例えば、レーザ光源装置１１１は、パルスエネルギーが高く繰返し周波数が低いZAP加工用のレーザ光（以下、ZAPレーザ光と称する）、および、パルスエネルギーが低く繰返し周波数が高いCVD加工用のレーザ光（以下、CVDレーザ光と称する）を射出することが可能である。なお、レーザ光源装置１１１の詳細については、図３などを参照して後述する。

レーザ光源装置１１１から射出されたレーザ光は、エクスパンダ１１２によりビーム径が広げられ、ミラー１１３およびミラー１１４によりスリット１１５の方向に反射され、スリット１１５を通過することにより、ビーム径が所定の大きさに制限される。なお、スリット１１５を通過するレーザ光のビーム径の大きさは調整することが可能である。

スリット１１５を通過したレーザ光は、レンズ１１６によりコリメートされ、ミラー１１７により対物レンズ１１８の方向に反射され、対物レンズ１１８およびガスウインドウ１１９を通過し、対物レンズ１１８により、加工対象となる基板１０２の加工面において集光する。

また、例えばクロムカルボニルガスからなる原料ガス、例えばヘリウムガスまたはアルゴンガスからなるパージガスが、ガスウインドウ１１９の図示せぬ導入口から、基板１０２のレーザ光が照射される部分近傍に供給される。また、原料ガスおよびパージガスは、外部に漏れ出さないように、ガスウインドウ１１９の図示せぬ吸気口から吸い込まれて、安全に排気される。

そして、基板１０２のZAPレーザ光が照射された部分から、生成済みのパターンが除去される。また、基板１０２のCVDレーザ光を照射した部分に、原料ガスに含まれる原料物質による薄膜が形成され、新たなパターンが形成される。

図４は、レーザ加工装置１０１において、加工位置を走査する方法の一例を示している。図４の例では、レーザ光源装置１１１から出力されたレーザ光を、伝搬光学系１３１、および、集光レンズにより構成される対物レンズ１１８を介して、可動ステージ１３２に載置された基板１０２に集光して照射するとともに、可動ステージ１３２を移動することにより、基板１０２の加工面上を走査する。

なお、例えば、図５に示されるように、対物レンズ１１８の代わりにｆ−θレンズ１４２を設けて、レーザ光源装置１１１から出力されたレーザ光を、ガルバノミラーなどにより構成される走査機構１４１、および、ｆ−θレンズ１４２を介して、ステージ１４３に載置された基板１０２の加工面上を走査するようにしてもよい。また、上記の２つの走査方法を組み合わせるようにしてもよい。レーザ加工装置１０１においては、以上の３通りの走査方法のいずれも採用することが可能である。

［レーザ光源装置の構成例］
図６は、レーザ光源装置１１１の構成例を示す図である。レーザ光源装置１１１は、シードLD（Laser Diode）１５１、アイソレータ１５２、ファイバ増幅器１５３、アイソレータ１５４、ファイバ増幅器１５５、アイソレータ１５６、エンドキャップ１５７、固体レーザ増幅器１５８、波長変換部１５９、および制御部１６０を含むように構成される。なお、シードLD１５１乃至エンドキャップ１５７により、シングルモードのファイバレーザが構成される。

シードLD１５１は、制御部１６０の制御の基に、所定の波長（例えば、1064nm）のシード光としてのレーザ光を射出する。シードLD１５１から射出されるレーザ光のパルス幅、パルスエネルギー、および、繰返し周波数は、制御部１６０により制御される。

シードLD１５１から射出されたレーザ光は、戻り光を遮断するためのアイソレータ１５２を通過し、コンバイナ１７２を介してファイバ増幅器１５３に導入される。ファイバ増幅器１５３に導入されたレーザ光は、光ファイバ１７３を通過するときに、励起光源１７１からコンバイナ１７２を介して光ファイバ１７３に導入される励起光で光ファイバ１７３内のレーザ媒質が励起されることにより、パルスエネルギーが増幅され、ファイバ増幅器１５３から射出される。ファイバ増幅器１５３から射出されたレーザ光は、アイソレータ１５４を通過し、コンバイナ１８２を介してファイバ増幅器１５５に導入される。

ファイバ増幅器１５５に導入されたレーザ光は、光ファイバ１８３を通過するときに、励起光源１８１ａ乃至１８１ｆからコンバイナ１８２を介して光ファイバ１８３に導入される励起光で光ファイバ１８３内のレーザ媒質が励起されることにより、パルスエネルギーが増幅され、ファイバ増幅器１５５から射出される。ファイバ増幅器１５５から射出されたレーザ光は、アイソレータ１５６およびエンドキャップ１５７を通過し、固体レーザ増幅器１５８に導入される。

固体レーザ増幅器１５８は、例えば、図７に示されるように、レーザ光が固体レーザ媒質２０１を１度だけ通過するシングルパス構成とされる。そして、固体レーザ媒質２０１が励起光源２０２から発せられる励起光で励起されることにより、固体レーザ媒質２０１に入射したレーザ光は、固体レーザ媒質２０１内でパルスエネルギーが増幅されて、射出される。

なお、固体レーザ媒質２０１は、例えば、従来固体レーザで用いられているNd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:YLF、Nd:glass等のNdドープの媒質の他に、Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:KYW、Yb:Y₂O₃、Yb:Sc₂O₃、Yb:Lu₂O₃、Yb:CaF₂等のYb³⁺イオンドープの媒質も採用することが可能である。これらの媒質を採用することにより、ファイバ増幅器１５３およびファイバ増幅器１５５の励起光源を共通化することも可能である。

固体レーザ増幅器１５８から射出されたレーザ光は、波長変換部１５９に入射し、制御部１６０の制御の基に、波長変換部１５９により波長が変換される。例えば、波長変換部１５９は、シードLD１５１から射出されるレーザ光の波長が1064nmである場合、そのSHG（Second Harmonic Generation）である532nm、あるいは、THG（Third Harmonic Generation）である355nmにレーザ光の波長を変換する。そして、波長変換部１５９により波長が変換されたレーザ光は、レーザ光源装置１１１から射出され、エクスパンダ１１２（図３）に入射する。

制御部１６０は、例えば、CPU（Central Processing Unit）などのプロセッサや各種の制御回路などにより構成され、シードLD１５１、励起光源１７１、励起光源１８１ａ乃至１８１ｆ、固体レーザ増幅器１５８、および波長変換部１５９の動作を制御する。

［固体レーザ増幅器の励起光源の制御方法］
ここで、図８乃至図１２を参照して、固体レーザ増幅器１５８の励起光源２０２の制御方法の詳細について説明する。

図８は、固体レーザ増幅器１５８の固体レーザ媒質２０１に入射されるレーザ光および固体レーザ媒質２０１から射出されるレーザ光のピークパワーと繰返し周波数、並びに、励起光源２０２から固体レーザ媒質２０１に照射される励起光の波形の例を示している。より具体的には、図８の上の図内の矢印で示される時間軸上の縦の黒い線が、レーザ光のピークパワーと間隔を示している。また、図８の下のグラフは、横軸が時間を表し、縦軸が光強度を表し、励起光源２０２から固体レーザ媒質２０１に照射される励起光の照射タイミングと光強度を示している。

レーザ光は、ファイバ増幅器１５３およびファイバ増幅器１５５により安全に増幅できる範囲内でパルスエネルギーが増幅されてから、固体レーザ増幅器１５８に導入される。そして、図１１を参照して後述する場合を除いて、固体レーザ媒質２０１にレーザ光が入射するのに同期して、励起光が固体レーザ媒質２０１に照射される。すなわち、励起光は、レーザ光の増幅に必要なときのみ固体レーザ媒質２０１に照射され、それ以外のときは照射されない。

図９は、レーザ光のパルスエネルギーと繰返し周波数の関係の一例を示している。レーザ光の平均パワーは、パルスエネルギーと繰返し周波数の積で定義されるので、図９のグラフにおいて面積に相当する。一般的に、固体レーザ増幅器１５８のレーザヘッドは、励起光源２０２の出力・数量によって最大もしくは定格の平均パワー出力（定格出力）が決まっている。従って、固体レーザ増幅器１５８において、レーザ光のパルスエネルギーの増減は、繰返し周波数を変動させることによって行う。なお、図９では、３種類の定格出力を持ったレーザヘッドを仮定し、出力を定格に保った状態で、繰返し周波数を変動させることによって得られるレーザ光のパルスエネルギーの理論上の最大値を、３本の直線Ｌ１乃至Ｌ３で示している。

また、上述したように、一般的にシングルモード出力のファイバレーザは、パルスエネルギーが1mJ以下であればファイバ損傷の危険性が低いので、ファイバレーザ単体での出力が可能であり、平均パワーが定格を超えない範囲ではパルスエネルギーと繰返し周波数を自由に組み合わせることができる。図９のグラフでは、この平均パワーがファイバレーザ（シードLD１５１乃至エンドキャップ１５７）の定格を超えない範囲を、ハッチングで示される領域Ｄ１乃至Ｄ３により示している。

一方、加工に必要なレーザ光のパルスエネルギーが1mJを超えると、固体レーザ増幅器１５８による増幅が必要となる。この場合、ファイバレーザからのレーザ光の出力を1mJ以下に保ちつつ、要求されるエネルギーまで固体レーザ増幅器１５８を用いて増幅する。しかしながら、上述したように、ファイバレーザ単体の場合と異なり、固体レーザ増幅器１５８においてパルスエネルギーと繰返し周波数を自由に組み合わせると、熱レンズ効果が変化し、レーザ光のビームパラメータが変動してしまう。そこで、固体レーザ増幅器１５８の励起光源２０２は、制御部１６０の制御の基に、以下のような規則に則った動作を行う。

上述したように、固体レーザ媒質２０１の熱レンズ効果による屈折力は、励起光の平均パワーに追随する。従って、熱レンズ効果によりレーザ光のビームパラメータを変化させないようにするためには、固体レーザ媒質２０１に照射する励起光の平均パワーが常に一定となるように制御すればよい。

図１０には、図９と同様にレーザ光のパルスエネルギーと繰返し周波数の関係を示すとともに、さらに励起光のパルスエネルギーと繰返し周波数の関係を示している。

励起光のパルスエネルギーからレーザ光のパルスエネルギーへの変換効率（光−光変換効率）は、固体レーザ媒質２０１の種類によって異なるが、この変換効率を10%と仮定したときの励起光のパルスエネルギーが、グラフの右の縦軸に示されている。この場合、仮に10mJのパルスエネルギーのレーザ光が必要である場合、励起光に要求されるパルスエネルギーは100mJとなる。また、上述したように、励起光はレーザ光と同期して出力されるので、両者の繰返し周波数は同一となる。図１０の直線Ｌ１１は、レーザ光の平均パワーが常に10W、つまり励起光の平均パワーが常に100Wとなる線を表している。励起光のパルスエネルギーと繰返し周波数の組み合わせがこの直線上にある限り、固体レーザ増幅器１５８の熱レンズ効果は一定に保たれる。

従って、例えば、加工に必要なレーザ光のパルスエネルギーが10mJである場合、繰返し周波数1kHzかつパルスエネルギー1mJのレーザ光をファイバレーザから出力し、固体レーザ増幅器１５８の励起光源２０２から、繰返し周波数1kHzおよびパルスエネルギー100mJの励起光を出力するようにすればよい。また、例えば、加工に必要なレーザ光のパルスエネルギーが5mJである場合、繰返し周波数2kHzかつパルスエネルギー1mJのレーザ光をファイバレーザから出力し、固体レーザ増幅器１５８の励起光源２０２から、繰返し周波数2kHzおよびパルスエネルギー50mJの励起光を出力するようにすればよい。

ここで、固体レーザ増幅器１５８における、励起光のパルスエネルギーの制御方法について説明する。励起光のパルスエネルギーは、励起光のパルス幅τと励起光のピーク強度I_Pの積（τ×I_P）で定義される。そして、励起光のパルス幅は固体レーザ媒質２０１の上順位寿命（蛍光寿命）と同じ値（例えばNd:YAGであれば230μs、Nd:YLFであれば480μs、Yb:YAGであれば1ms、Yb:KGWであれば300μs）に設定され、そのパルス幅において要求されるパルスエネルギーとなるように励起光のピーク強度が設定される。

例えば、レーザ光の繰返し周波数を500Hzに設定した場合、図１０から、必要とされる励起光のパルスエネルギーは200mJとなる。このとき、固体レーザ媒質２０１にYb:YAGを使用したとすると、その上順位寿命は1msなので、200ｍJのパルスエネルギーを得るために、励起光のピーク強度は200Wに設定される。

ただし、レーザ光の繰返し周期（繰返し周波数の逆数）が固体レーザ媒質２０１の上順位寿命よりも短くなる場合には、図８の場合とは異なり、図１１に示されるように、励起光を連続光（ＣＷ光）として、レーザ光に同期させずに連続して固体レーザ媒質２０１に照射する。このとき、レーザ光の繰返し周期と励起光のピーク強度の積が、要求される励起光のパルスエネルギーとなるようにピーク強度が設定される。

例えば、レーザ光の繰返し周波数を2kHzとした場合、図１０から、必要とされる励起光のパルスエネルギーは50mJとなる。このとき、固体レーザ媒質２０１にYb:YAGを使用したとすると、その上順位寿命は1msなので、レーザ光の繰返し周期(0.5ms)よりも長くなる。従って、励起光を連続光とし、そのピーク強度を100Wに設定することで、レーザ光の増幅に必要なエネルギー（0.5ms×100W=50mJ）を供給することが可能になる。

上述したように、ZAP加工では、CVD加工と比較して、パルスエネルギーが高いレーザ光が必要とされ、CVD加工では、ZAP加工と比較して、繰返し周波数が高いレーザ光が必要とされる。従って、ZAP加工を行う場合、例えば、要求されるレーザ光のパルスエネルギーから、図１０の直線Ｌ１１に基づいて、レーザ光および励起光の繰返し周波数および励起光のパルスエネルギーが設定される。一方、CVD加工を行う場合、例えば、必要とされるレーザ光の繰返し周波数から、図１０の直線Ｌ１１に基づいて、レーザ光および励起光のパルスエネルギーが設定され、レーザ光の繰返し周期が固体レーザ媒質２０１の上順位寿命以上である場合、励起光の繰返し周波数はレーザ光と同じ値に設定され、レーザ光の繰返し周期が固体レーザ媒質２０１の上順位寿命未満である場合、励起光は連続光に設定される。

このように、ZAP加工を行う場合とCVD加工を行う場合で、固体レーザ媒質２０１に照射する励起光の単位時間あたりのパワーが同じになるように制御することにより、単位時間あたりに励起光により固体レーザ媒質２０１に与えられる熱量は同じになる。従って、ZAP加工を行う場合とCVD加工を行う場合とで、励起光による熱レンズ効果がほぼ等しくなり、固体レーザ増幅器１５８から射出されるレーザ光のビーム形状がほぼ等しく、光軸もほぼ一致する。その結果、ZAP加工を行う場合とCVD加工を行う場合とで、加工ムラがほとんど発生せず、加工精度が良好に保たれる。

なお、図１０において、ファイバレーザ単体で要求される平均パワーのレーザ光の出力が可能な領域Ｄ１１においても、固体レーザ増幅器１５８の熱レンズ効果を一定に保つために、励起光をゼロに設定せずに、ピーク強度が100Wの連続光を出力するように制御される。

また、レーザ光源装置１１１では、固体レーザ増幅器１５８の熱レンズ効果を一定に保つために、少なくとも加工している間は、固体レーザ媒質２０１に常に励起光を照射する必要がある。これは、固体レーザ媒質２０１に高い熱負荷が定常的にかかることを意味しており、冷却機構の大型化を招いてしまう可能性がある。この問題は、例えば、固体レーザ増幅器１５８の動作範囲を、繰返し周波数の低いところに限定して使用することで回避することができる。

例えば、図１２に示されるように、繰返し周波数が10kHzから1MHzの範囲内では、ファイバレーザのみで動作するように制御する。また、1kHzから10kHzの範囲内（領域Ｄ２１）では、光ファイバが損傷する1mJ以上のエネルギーとならないように調整しながらやはりファイバレーザのみで動作するように制御する。そして、固体レーザ増幅器１５８が必要な高エネルギーの出力が必要な場合、繰返し周波数を1kHz以下に設定する。

この場合、加工に必要なレーザ光のパルスエネルギーが10mJである場合、繰返し周波数100Hzかつパルスエネルギー1mJのレーザ光をファイバレーザから出力し、固体レーザ増幅器１５８の励起光源２０２から、繰返し周波数100Hzおよびパルスエネルギー100mJの励起光を出力するようにすればよい。これにより、励起光の平均パワーは10Wとなり、図１０で示した例よりも、平均パワーを１桁下げることができる。

もちろん、図１２の例でも、ファイバレーザ単体で要求される平均パワーのレーザ光の出力が可能な領域Ｄ１１においても、固体レーザ増幅器１５８の熱レンズ効果を一定に保つために、励起光をゼロに設定せずに、ピーク強度が10Wの連続光を出力するように制御される。

＜２．変形例＞
［固体レーザ増幅器の変形例］
以上の説明では、レーザ光源装置１１１において、シングルパスの固体レーザ増幅器１５８を用いる例を示したが、マルチパスの固体レーザ増幅器を用いることも可能である。図１３および図１４は、レーザ光源装置１１１に適用可能なマルチパスの固体レーザ増幅器の構成例を示している。なお、図１３および図１４において、図７と対応する部分には同じ符号を付してある。

図１３の固体レーザ増幅器２５１は、固体レーザ媒質２０１、励起光源２０２、偏光ビームスプリッタ２６１、λ／４波長板２６２、全反射ミラー２６３を含むように構成される。

固体レーザ増幅器２５１に導入されるレーザ光は、偏光ビームスプリッタ２６１のＰ偏光の方向に偏光されており、偏光ビームスプリッタ２６１を透過する。偏光ビームスプリッタ２６１を透過したレーザ光は、固体レーザ媒質２０１を通過することによりパルスエネルギーが増幅された後、λ／４波長板２６２を透過し、全反射ミラー２６３により反射され、反射前と逆方向に進み、再度λ／４波長板２６２を透過する。このとき、レーザ光の偏光方向は、λ／４波長板２６２を２回透過することにより９０度回転し、偏光ビームスプリッタ２６１のＳ偏光の方向と一致する。そして、レーザ光は、再度固体レーザ媒質２０１を通過することによりパルスエネルギーが増幅され、偏光ビームスプリッタ２６１により反射され、波長変換部１５９に導入される。すなわち、固体レーザ増幅器２５１では、レーザ光が入射されてから射出されるまでの間に、パルスエネルギーが固体レーザ媒質２０１により２回増幅される。

図１４の固体レーザ増幅器２８１は、固体レーザ媒質２０１、励起光源２０２、およびミラー２９１ａ乃至２９１ｉを含むように構成される。

固体レーザ増幅器２８１に導入されたレーザ光は、固体レーザ媒質２０１を通過しパルスエネルギーが増幅された後、ミラー２９１ａ乃至２９１ｉにより反射され、合計で５回固体レーザ媒質２０１を通過する。すなわち、固体レーザ増幅器２８１では、レーザ光が入射されてから射出されるまでの間に、パルスエネルギーが固体レーザ媒質２０１により５回増幅される。そして、レーザ光は、固体レーザ増幅器２８１から射出され、波長変換部１５９に導入される。

［その他の変形例］
また、以上の説明では、ZAP加工とCVD加工の２種類の加工に対応可能なレーザ加工装置の例を示したが、本発明は、この組み合わせに限らず、例えば、穴開け加工と描画加工など、使用するレーザ光のパルスエネルギーと繰返し周波数の組み合わせが異なる加工の組み合わせに対応することができる。例えば、穴開け加工と描画加工の２種類の複数の加工に対応する場合、穴開け加工は、ZAP加工と同様に、パルスエネルギーが高いレーザ光が必要とされ、描画加工は、CVD加工と同様に、繰返し周波数が高いレーザ光が必要とされる。従って、穴開け加工時には、ZAP加工時と同様に、例えば、必要とされるレーザ光のパルスエネルギーから、図１０の直線Ｌ１１に基づいて、レーザ光および励起光の繰返し周波数および励起光のパルスエネルギーが設定される。また、描画加工時には、CVD加工時と同様に、例えば、必要とされるレーザ光の繰返し周波数から、図１０の直線Ｌ１１に基づいて、レーザ光および励起光のパルスエネルギーが設定され、レーザ光の繰返し周期が固体レーザ媒質２０１の上順位寿命以上であるとき、励起光の繰返し周波数はレーザ光と同じ値に設定去れ、レーザ光の繰返し周期が固体レーザ媒質２０１の上順位寿命未満である場合、励起光は連続光に設定される。

さらに、対応する加工の組み合わせは、２種類に限定されるものではなく、３種類以上とすることも可能である。

また、以上の説明では、ファイバ増幅器を２段設ける例を示したが、ファイバ増幅器の段数は、必要に応じて任意の数に設定することが可能である。

以上のように、本発明によれば、ファイバレーザと固体レーザ増幅器の組み合わせにおいて、ビームのパラメータを変えずに、レーザ光の繰返し周波数およびパルスエネルギーを変えて出力することが可能となる。その結果、例えば、レーザリペアに必要なZAP加工とCVD加工、あるいは、太陽電池パネルの加工に必要な線状のパターン加工と穴あけ加工を、１台のレーザ加工装置かつ１つの加工光学系で、高速かつ高精度で行うことが可能になる。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１０１ レーザ加工装置
１０２ 基板
１１１ レーザ光源装置
１１８ 対物レンズ
１１９ ガスウインドウ
１３１ 走査機構
１３２ ステージ
１４１ 伝搬光学系
１４２ 可動ステージ
１５１ シードLD
１５３，１５５ ファイバ増幅器
１５８ 固体レーザ増幅器
１５９ 波長変換部
１６０ 制御部
１７１ 励起光源
１７３ 光ファイバ
１８１ａ乃至１８１ｆ 励起光源
１８３ 光ファイバ
２０１ 固体レーザ媒質
２０２ 励起光源

Claims (7)

1. レーザ光を用いて加工を行うレーザ加工装置において、
   前記レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数が可変の光源と、
   前記光源から射出された前記レーザ光を光ファイバを用いて増幅するファイバ増幅手段と、
   前記ファイバ増幅手段により増幅された前記レーザ光を固体レーザ媒質を用いて増幅する固体レーザ増幅手段と、
   前記固体レーザ媒質を励起する励起光を前記レーザ光に同期して前記固体レーザ媒質に照射するように制御するとともに、前記励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、前記レーザ光の繰返し周波数に応じて前記励起光の強度を制御する照射制御手段と
   を備えることを特徴するレーザ加工装置。
2. 前記照射制御手段は、前記レーザ光の繰返し周波数が所定の閾値以上である場合、前記励起光を連続して前記固体レーザ媒質に照射するとともに、前記励起光の単位時間あたりのパワーが前記所定の値になるように前記励起光の強度を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記光源は、ZAPPING加工に用いる第１の繰返し周波数の第１のレーザ光、または、CVD加工に用いる前記第１の繰返し周波数より大きい第２の繰返し周波数の第２のレーザ光を射出し、
   前記照射制御手段は、前記固体レーザ増幅手段により前記第１のレーザ光を増幅する場合、前記第１のレーザ光に同期して前記励起光を前記固体レーザ媒質に照射し、前記固体レーザ増幅手段により前記第２のレーザ光を増幅する場合、前記励起光を連続して前記固体レーザ媒質に照射するように制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記光源は、穴開け加工に用いる第１の繰返し周波数の第１のレーザ光、または、描画加工に用いる前記第１の繰返し周波数より大きい第２の繰返し周波数の第２のレーザ光を射出し、
   前記照射制御手段は、前記固体レーザ増幅手段により前記第１のレーザ光を増幅する場合、前記第１のレーザ光に同期して前記励起光を前記固体レーザ媒質に照射し、前記固体レーザ増幅手段により前記第２のレーザ光を増幅する場合、前記励起光を連続して前記固体レーザ媒質に照射するように制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
5. 前記固体レーザ増幅手段により増幅された前記レーザ光の波長を変換する波長変換手段を
   さらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
6. レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数が可変の光源と、
   前記光源から射出された前記レーザ光を光ファイバを用いて増幅するファイバ増幅手段と、
   前記ファイバ増幅手段により増幅された前記レーザ光を所定の固体レーザ媒質を用いて増幅する固体レーザ増幅手段と、
   前記固体レーザ媒質を励起する励起光を前記レーザ光に同期して前記固体レーザ媒質に照射するように制御するとともに、前記励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、前記レーザ光の繰返し周波数に応じて前記励起光の強度を制御する照射制御手段と
   を備えることを特徴するレーザ光源装置。
7. レーザ光を射出するレーザ光源装置の制御方法において、
   前記レーザ光のパルスエネルギーおよび繰返し周波数が可変の光源から射出された前記レーザ光を光ファイバを用いて増幅し、
   増幅された前記レーザ光を固体レーザ媒質を用いて増幅し、
   前記固体レーザ媒質を励起する励起光を前記レーザ光に同期して前記固体レーザ媒質に照射するように制御するとともに、前記励起光の単位時間あたりのパワーが所定の値になるように、前記レーザ光の繰返し周波数に応じて前記励起光の強度を制御する
   ことを特徴とする制御方法。

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