JP2015100842A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、音響光学素子５の熱レンズ効果のために音響光学素子に入射させるビーム径を絞ることができず、光路長の切り替え等でビーム径を絞っていた。
【解決手段】レーザ発生器１と、コリメータ２と、音響光学素子５と、ビーム径調整光学系３，４と、ガルバノスキャナ１１と、ｆθレンズ８を有するレーザ加工装置において、音響光学素子５をコリメータ２とビーム径調整光学系３，４の間に配置し、コリメータ２のレンズ間距離を可変にして音響光学素子５の熱レンズ効果を打ち消すようにしたことを特徴とするレーザ加工装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響光学素子の熱レンズ効果を低減できるレーザ加工装置に関する。

近年、音響光学素子を用いて高速に光路を切り替えるレーザ加工装置が普及している。（例えば、特許文献１参照。）図７にその光学系の例を示す。レーザ発生器１から出射されたレーザ光は、コリメータ２により平行光にされ、ビーム径調整レンズ系３により縮小された後、アパーチャ４で整形され（以下、ビーム径調整レンズ系３とアパーチャ４を纏めてビーム径調整光学系という）、音響光学素子５によって偏向された後、反射ミラー系７によって光路長を調整され、ガルバノスキャナ１１ａ，１１ｂにより偏向され、ｆθレンズ８によって図示しないステージに載置された図示しないワーク上に集光し、ワークを加工する。ここで、ミラー移動装置９によって光路長を切り替えることができるようになっている。

音響光学素子は、素子中に超音波を伝播させて素子中に粗密の周期的構造を形成し、それを回折格子として光を反射（回折）させるものである。従って、ビーム径が大きいとその超音波の伝播時間が長くなって応答速度が遅くなるために、できるだけビーム径を絞って音響光学素子に入射させていた。

しかしながら、近年のレーザ発生器１の高出力化により、音響光学素子５のビームが通過する部分が加熱され、膨張してレンズ効果（以下、熱レンズ効果という）を持ち、ビームがｆθレンズ８によってワーク上に集光される径（以下、スポット径という）に影響を与えるようになってきた。このため、音響光学素子５に入射するビーム径を小さくすることができず、そのような状態でスポット径を小さくするためには、反射ミラー系７の切り替えによって光路長を延ばすことが必要であった。

また、加工の条件によりスポット径を変える必要があるが、その場合ビーム径調整光学系３によりビーム径を変えなければならなく、音響光学素子５への入力ビーム径が変化して熱レンズ効果が変化するため、望むスポット径を得るための調整が困難となっていた。

また、上述のような音響光学素子の熱レンズ効果低減するには、例えば特許文献２に記載のように、音響光学素子をコリメータとビーム径調整光学系の間に入れ、ビーム径を拡大して音響光学素子に入射させることが考えられる。しかしながら、特許文献２に記載のようにコリメータでビーム径拡大まで行うと上述のように音響光学素子の応答速度の低下が顕著になるために拡大することまではできない。そして拡大までしない程度では、近年のレーザ発生器の出力がさらに増大しているために、やはり熱レンズ効果を低減しきれないことがわかってきた。

特開２０００−２６３２７１号広報 特開２００３−２３０９７４号公報

本発明は、上述のような音響光学素子の熱レンズ効果を低減し、かつ光路長を切り替えることを必要としない光学系を有するレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、従来の光学系においてはアパーチャからの反射光が戻り光となってレーザ発生器に戻り、レーザノイズを引き起こすことを防止することを目的とする。

上記の課題を解決するため、レーザビームを出射するレーザ発生器（１）と、前記レーザビームを平行ビームにするコリメータ（２）と、前記レーザビームを偏向してＯＮ−ＯＦＦ制御するための音響光学素子（５）と、前記レーザビームのビーム径を調節するためのビーム径調整光学系（３）と、前記ビーム径調整光学系（３，４）によってビーム径を調節された前記レーザビームを偏向してスキャンするためのガルバノスキャナ（１１）と、前記ガルバノスキャナで偏向された前記レーザビームをワーク上に集光して加工するためのｆθレンズ（８）と、前記ワークを載置するためのステージを有するレーザ加工装置において、前記音響光学素子（５）を前記コリメータ（２）と前記ビーム径調整系（３，４）の間に配置し、前記コリメータ（２）のレンズ間距離を可変にして前記音響光学素子（５）の熱レンズ効果を打ち消すようにしたことを特徴とするレーザ加工装置を用いると良い。

上記他の課題を解決するため、音響光学素子（５）と前記ビーム径調整光学系（３，４）の間に４分の１波長板と同等の機能を有する光学素子（１０）を設けると良い。これにより、アパーチャからの反射のみならずワークからの反射の偏光方向を変えることができるので、音響光学素子の偏光反射特性との組み合わせで戻り光を低減出来る。

なお、上記のカッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これにより特許請求の範囲の記載に何ら影響を及ぼすものではない。

本発明により、最適なビーム径にビーム径調整光学系で自由に設定できるので、ミラー移動装置によって光路長を切り替える必要がなくなり、従って、従来のミラー移動装置を設ける必要がなくなる。

更に本発明により、音響光学素子に入射するビーム径を常に一定にできるので、ビーム径を変更したときの調整が容易になる。

また、本発明に係わる他の発明により、レーザ発生器への戻り光を低減出来る。

本発明に係るレーザ加工装置の光学系の例を示す。 本発明に係るコリメータにより平行光で音響光学素子に入射する場合を示す。 本発明に係るコリメータにより広がり角を持たせたレーザビームが音響光学素子に入射する場合を示す。 本発明に係るリメータにより狭まり角を持たせたレーザビームが音響光学素子に入射する場合を示す。 本発明に係る光学系において円偏光ミラーを使用した場合のアパーチャへの入射光を示す。 本発明に係る光学系において円偏光ミラーを使用した場合のアパーチャからの反射光を示す。 従来のレーザ加工装置の光学系の例を示す。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明に係るレーザ加工装置の光学系の例であり、図７と同一の符号の説明は省略する。本発明においては、特許文献２と同様に音響光学素子５がコリメータ２とビーム径調整レンズ３の間に配置されている。しかし、音響光学素子５の前にコリメータ２は特許文献２のようにビーム径拡大光学系ではなく、図２に示すように、ほぼ同等のレンズ２ａ、２ｂからなるコリメータ２であり、レーザ発生器１の出力ビーム径を音響光学素子５への最適なビーム径（φ１０ｍｍ程度）に合わせるために若干拡大又は縮小する程度の倍率である。これは、ビーム径拡大まで行うと上述のように音響光学素子の応答速度の低下が顕著になるためである。しかしながら、近年の高出力レーザ発生器１は、この程度のビーム広がりでも熱レンズ効果が生じることがわかってきた。そのため本願では、レンズ間距離をレンズ２ａの焦点距離（ｆ_ａ）と、レンズ２ｂの焦点距離（ｆ_ｂ）の和（ｆ_ａ＋ｆ_ｂ）に固定するという常識的なコリメータ２の設定に拘ることなく、レンズ２ａと２ｂの間の距離を可変とした。これにより、図３に示すように、レンズ間距離を近づけた場合には広がり角を持ったビームが音響光学素子５に入射する。これを用いて熱レンズ効果を相殺することができる。また、レンズ間距離を広げた場合には狭まり角を持ったビームが音響光学素子５に入射する。これを用いて、ビームプロファイルが凹形のビームの熱レンズ効果（凹レンズ形）を相殺することができる。

また、図１のような光学系にすることにより、ビーム径調整レンズ３のレンズ３ａ、３ｂ、３ｃを調節して、必要な加工スポット径に最適なビーム径にし、アパーチャ４で整形してガルバノスキャナ１１、ｆθレンズ８に送り込むことができるので、従来の光路切り替えが不要となる。

さらに本発明では、音響光学素子５とビーム径調整レンズ系３の間に４分の１波長板の機能を有する円偏光ミラー１０を用いているので、アパーチャからの反射光がレーザ発生器１に戻る戻り光を低減することができる。その原理を図５、図６で説明する。

図５は、アパーチャへの入射光の偏光状態を示す。レーザ発生器１から出射された光１２はＰ偏光（電気ベクトルが音響光学素子５による反射の入射面内）に設定されている。これが円偏光ミラー１０により円偏光１３になってアパーチャに入射する。アパーチャによって反射された（一部の）円偏光１３は逆回転となり、円偏光ミラー１０によりＳ偏光（電気ベクトルが音響光学素子５による反射の入射面に垂直）となり、回折効率が低下するために音響光学素子５で再び反射されてレーザ発生器１に戻る光量を減少させることができる。これは結晶を用いた音響光学素子の場合にはさらに効果がある。また、この効果は、アパーチャからの反射のみならずワークからの反射による戻り光も同様に低減出来ることは言うまでもない。

ここで、本実施例では円偏光ミラーを用いたが、４分の１波長板と同等の機能を有するものであれば良く、通常の４分の１波長板と全反射ミラーを組み合わせて用いてもよい。

１ レーザ発生器
２ コリメータ
３ ビーム径調整レンズ系
４ アパーチャ
５ 音響光学素子
６ ダンパ
７ 反射ミラー系
８ ｆθレンズ
９ ミラー移動装置
１０ 円偏光ミラー
１１ ガルバノスキャナ
１２ レーザ光（直線偏光）の偏光方向
１３ 円偏光になったレーザ光
１５ 円偏光ミラーで反射された後の偏光方向

Claims (2)

1. レーザビームを出射するレーザ発生器と、
   前記レーザビームを平行ビームにするコリメータと、
   前記レーザビームを偏向してＯＮ−ＯＦＦ制御するための音響光学素子と、
   前記レーザビームのビーム径を調節するためのビーム径調整光学系と、
   前記ビーム径調整光学系によってビーム径を調節された前記レーザビームを偏向してスキャンするためのガルバノスキャナと、
   前記ガルバノスキャナで偏向された前記レーザビームをワーク上に集光して加工するためのｆθレンズと、
   前記ワークを載置するためのステージを有するレーザ加工装置において、
   前記音響光学素子を前記コリメータと前記ビーム径調整系の間に配置し、前記コリメータのレンズ間距離を可変にして前記音響光学素子の熱レンズ効果を打ち消すようにしたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記音響光学素子と前記ビーム径調整光学系の間に４分の１波長板と同等の機能を有する光学素子を設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
   

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