JP2015122341A

JP2015122341A - レーザ装置

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Publication number: JP2015122341A
Application number: JP2012088392A
Authority: JP
Inventors: 古田　啓介; Keisuke Furuta; 啓介古田; 大嗣森田; Hirotsugu Morita; 今野　進; Susumu Konno; 進今野; 一樹久場; Kazuki Kuba; 西前　順一; Junichi Nishimae; 順一西前; 藤川　周一; Shuichi Fujikawa; 周一藤川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2015-07-02
Also published as: WO2013153704A1

Abstract

【課題】装置の停止中であっても電力を消費することなく、そして、装置立上げ時に待機時間を要することなく、有害ガスの影響を低減できるレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ装置は、レーザ光を発生する基本波レーザ発振器２０および波長変換ユニット４０と、基本波レーザ発振器２０および波長変換ユニット４０を気密収納するための筐体１と、筐体１内部に設置され、有害ガスを吸着するための吸着部５と、筐体１の排気口８および給気口９と連通した閉ループ配管１０と、閉ループ配管１０を用いて筐体１内のガスを循環させるためのポンプ１１と、ポンプ１１と給気口９との間に設けられ、筐体１内部のガス圧を調整するためのガス圧調整バルブ１４などを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、各種光学素子を収納した筐体を備えるレーザ装置に関し、特に、光学素子を劣化させる有害ガスの対策に関する。

近年の微細加工市場の拡大を受けて、微細なスポットに集光可能なＵＶ光を発生するレーザを利用した加工機が注目されている。微細加工に適用されるＵＶレーザ発振器は、一般的に活性イオンをドープしたＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)やＹＶＯ_４等の固体レーザ媒質を適用したものであり、ＬＢＯ結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５）等の非線形光学結晶を用いた波長変換技術を適用してＵＶ光を発生させるものである。

産業分野で用いられるためには、装置のメンテナンス周期が長いことが必要である。しかし、ＵＶレーザ発振器においては、特にＵＶ光が透過する素子の表面にアモルファスＳｉＯ_２等の異物が堆積して、ビームモードの劣化や出力低下を引き起こすことが知られておる（例えば、非特許文献１を参照）。異物堆積の原因としては、レーザ発振器周囲のガスに含まれるシリコン化合物と酸素に対してＵＶ光が作用することで生ずると考えられている。ガス中のシリコン化合物は、レーザ筐体内にもともと存在しているものや、レーザ筐体内の部品から発生するものがあり、筐体内を真空とする以外、完全に排除するのは困難である。

上記のような問題を回避するために、従来のレーザ装置（例えば、特許文献１）では、筐体内に存在する光学部品を劣化させる有害ガスを除去するために、ＵＶレーザ光の散乱光または部分反射光が照射される筐体内の部位に光触媒を設置し、有害ガスを無害なレベルまで分解することにより、有害ガス密度を低減している。また、前記光触媒を励起する専用のＵＶ光源を別途設置する構成としている。また、その分解されたガスを除去する吸着剤を、筐体内に設置している。

従来の別のレーザ装置（例えば、特許文献２〜５）では、レーザ筐体内部の光学素子に有害な湿気、有機ガス、浮遊微粒子、オゾンを除去するために、ガス吸着剤、乾燥剤、濾過フィルタ、分解触媒などを筐体外部に設置してガス配管により閉ループを形成し、ガスをポンプで循環させている。

特開２００７−１２３３２２号公報米国特許第６６７１３０３号明細書米国特許第６７９８８１３号明細書米国特許第７２３９６５６号明細書特表２００６−５０４２５２号公報

S. Moeller et al., "Insight to UV-induced formation of laser damage on LiB3O5 optical surfaces during long-term sum-frequency generation", OPTICS EXPRESS, Vol.15, No.12, pp. 7351-7356, (2007)

特許文献１の手法では、レーザ停止時あるいは光触媒励起光源停止時は、有害ガスの低減効果が得られない。また、レーザ起動時から有害ガスの低減動作が開始するが、有害ガス密度が十分低減するまでに数時間の待機時間が必要になる。さらに、レーザ停止時に光触媒励起用の専用光源を適用する場合は、装置を使用しない時間も装置の主電源を停止できず、また励起用ＵＶ光源のランニングコストが別途必要となる。

特許文献２〜５の手法についても同様に、レーザ停止時は有害ガスの低減作用が働かず、装置の立上げ時は一定の待機時間が必要になる。

本発明の目的は、装置の停止中であっても電力を消費することなく、そして、装置立上げ時に待機時間を要することなく、有害ガスの影響を低減できるレーザ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
レーザ光発生部を気密収納するための筐体と、
筐体内部に設置され、有害ガスを吸着するための吸着部と、
筐体の排気口および給気口と連通した閉ループ配管と、
閉ループ配管を用いて筐体内のガスを循環させるためのポンプと、
ポンプと給気口との間に設けられ、筐体内部のガス圧を調整するためのガス圧調整バルブと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、有害ガスを吸着するための吸着部を筐体内部に設置することによって、装置の停止中であっても電力を消費することなく、有害ガスの影響を低減できる。また、筐体内部のガス圧を調整するためのガス圧調整バルブを設けることによって、装置立上げ時に速やかに筐体内部を負圧に維持することが可能になる。その結果、待機時間を要することなく、有害ガスの影響を低減できる。

本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。筐体内に、吸着材の一例として活性炭を配置した場合と配置しない場合について、筐体内部ガスに含まれる有害ガス密度の時間変化を比較したグラフである。筐体内のガス圧力と環流ガス流量の関係の一例を示すグラフである。有機物除去管を通してガス環流させた場合の有害ガス密度の時間変化を示すグラフである。本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。ここでは、ＵＶ（紫外）レーザ光を発生する装置を例示するが、その他の波長領域、例えば、Ｘ線レーザ光、可視レーザ光、赤外レーザ光、遠赤外レーザ光などを発生する装置にも本発明は適用可能である。

レーザ装置は、基本波レーザ発振器２０と、波長変換ユニット４０と、これらを気密収納するための筐体１などを備える。

基本波レーザ発振器２０は、レーザ光が伝搬する光軸に沿って、励起光源２１と、集光素子２２と、共振器ミラー２３と、レーザ媒質２４と、Ｑスイッチ素子２５と、共振器ミラー２６などを備える。

励起光源２１は、半導体レーザ等で構成され、レーザ媒質２４を光励起するための励起光を発生する。集光素子２２は、レンズやミラー等で構成され、励起光源２１からの励起光を集光し、レーザ媒質２４に照射する。共振器ミラー２３は、励起光に対して低い透過率を有し、レーザ媒質２４の発振光に対して高い反射率を有しており、共振器ミラー２６とともにレーザ媒質２４の発振光に関して光共振器を構成する。

レーザ媒質２４は、活性イオンがドープされた固体レーザ材料で形成され、励起光の照射によって発振光に関する光増幅作用を示す。レーザ媒質２４として、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶やＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を使用した場合、波長８１０ｎｍの励起光で励起され、波長１０６４ｎｍの近赤外レーザ光を発生する。Ｑスイッチ素子２５は、光共振器のＱ値を高速に変化させて高出力のパルス発振を達成する機能を有する。共振器ミラー２６は、レーザ媒質２４の発振光に対して高い反射率を有しており、基本波レーザ光の出力ミラーとして機能する。

波長変換ユニット４０は、レーザ光が伝搬する光軸に沿って、集光素子４１と、非線形光学素子４２と、集光素子４３と、非線形光学素子４４と、集光素子４５などを備える。集光素子４１，４３，４５は、レンズやミラー等で構成される。

波長変換ユニット４０では、和周波発生（ＳＦＧ）、周波数逓倍、差周波発生（ＤＦＧ）、光パラメトリック発振（ＯＰＧ）などの波長変換手法を用いることによって、種々の波長を持つレーザ光が得られる。例えば、基本波レーザ光の波長が１０６４ｎｍである場合、１０６４ｎｍ＋１０６４ｎｍ＝５３２ｎｍ（第２高調波）、１０６４ｎｍ＋５３２ｎｍ＝３５５ｎｍ（第３高調波）、５３２ｎｍ＋５３２ｎｍ＝２６６ｎｍ（第４高調波）、１０６４ｎｍ＋２６６ｎｍ＝２１３ｎｍ（第５高調波）などが得られる。

本実施形態において、非線形光学素子４２，４４は、例えば、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＣＢＯ、ＫＴＰ、ＬｉＮｂＯ_３、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３、ＡｇＧａＳ_２などの結晶材料で構成される。前段の非線形光学素子４２は、基本波レーザ光の第２高調波を発生する機能を有し、例えば、基本波レーザ光の波長が１０６４ｎｍである場合、１／２の波長である５３２ｎｍの可視レーザ光を発生する。後段の非線形光学素子４４は、基本波レーザ光の第３高調波を発生する機能を有し、例えば、基本波レーザ光の波長が１０６４ｎｍである場合、１／３の波長である３５５ｎｍのＵＶレーザ光を発生する。

筐体１の壁面には、例えば、石英などの光学材料で形成された出射ウインドウ２が設置され、波長変換されたレーザ光を通過させつつ、内部空間を外気から隔離している。

なお本実施形態では、非線形光学素子４２，４４を基本波レーザ発振器２０の光共振器の外部に配置した外部波長変換の形態を例示したが、非線形光学素子４２，４４を基本波レーザ発振器２０の光共振器の内部に配置した内部波長変換の形態にも本発明は適用可能である。また本実施形態では、第３高調波の発生を例示したが、第４以上の高調波発生のにも本発明は適用可能である。

筐体１の内部には、有害ガスを吸着するための吸着部５が設置される。吸着部５は、アウトガス発生の無視できる材料、例えば、金属、フッ素系樹脂または紙製など、通気性のある梱包材料で形成された容器を有し、その内部に活性炭、ゼオライト、シリカゲルまたはこれらの組合せからなる吸着材を収納している。

筐体１の側壁には、排気口８と、給気口９とが設けられる。排気口８と給気口９には、筐体外部で閉ループになるように外気と隔絶したガス配管１０が接続される。ガス配管１０上には、ガス流れ方向に沿って、ポンプ１１と、ガス乾燥管１２と、有機物除去管１３と、ガス圧調整バルブ１４とが設置される。

ポンプ１１は、例えば、フッ素系樹脂隔膜を駆動させるダイヤフラムポンプなどであり、筐体１内のガスを排気口８から吸引し、ガス配管１０を通って給気口９から再び供給することによって、ガスを循環させる。ガス循環方向は、有害ガスが波長変換ユニット４０周辺に長く滞留しないように、波長変換ユニット４０から基本波レーザ発振器２０に向かう方向が好ましい。

ガス乾燥管１２は、例えば、シリカゲルを充填した密閉管として構成される。有機物除去管１３は、例えば、活性炭を充填した密閉管として構成される。ガス圧調整バルブ１４は、ポンプ１１と給気口９との間に設けられ、筐体１内部のガス圧を調整する機能を有する。こうした閉ループガス配管系は、シリコン化合物のアウトガスを放出しない材料、例えば、金属やフッ素系材料で構成することが好ましい。

なお、筐体１の内部ガス圧を計測するためのガス圧センサ（不図示）を設けてもよく、ポンプ１１およびガス圧調整バルブ１４の動作は、ガス圧センサの出力信号に基づいて、コンピュータ（不図示）などで制御することが可能である。

このような構成によれば、筐体１の内部に、光学部品を劣化させる有害ガスを直接吸着する吸着部５を設置することによって、レーザ装置の停止中であっても電力を消費することなく筐体内部の有害ガス密度を低減できる。この種の有害ガスは、主に有機系のシリコン化合物であることが明らかとなっている。本発明者は、ヤシ殻活性炭によって直接この有害ガスの吸着効果があることを確認しており、石炭系の活性炭においても同様の効果が得られることを別途確認している。

図２は、実際のＵＶレーザ発振器の筐体内に、吸着材の一例として活性炭を配置した場合と配置しない場合について、典型的な条件において筐体内部ガスに含まれる有害ガス密度の時間変化を比較したグラフである。縦軸は有害ガス密度（ｎｇ／ｃｍ^３）、横軸は経過日数である。装置停止中の初期の段階では、清浄な乾燥ガスで筐体内を置換しており、有害ガスの密度は十分に低い。清浄な乾燥ガスとしては、例えば、アルゴンなどの希ガスや、乾燥空気、酸素等が使用できる。これにより筐体内部の有害ガス密度を事前に低い状態に維持することができ、長期信頼性が向上する。

活性炭を配置しない場合（破線）、長期において有害ガスの密度は単調に増加する。これは、装置筐体内に存在する電気配線や光学素子ホルダなど、様々な部品からのアウトガスによるものと考えられ、アウトガスの少ない部品を用いても微量の有害ガス発生は避けられないのが実状である。図２中では、活性炭を配置しない場合、３０日間の放置により０．８ｎｇ／ｃｍ^３の有害ガス密度に達している。

別途実施している非線形光学結晶の寿命試験においては、平均出力１０Ｗを超えるハイパワーＵＶレーザ発振器において、有害ガス密度が０．２ｎｇ／ｃｍ^３以下の領域において１０００時間を超える良好な連続発振を確認している。従って、図２に示す活性炭を配置しない場合（破線）の有害ガス密度（０．８ｎｇ／ｃｍ^３〜）では良好な長期連続動作が実現できない。

一方、活性炭を配置した場合（実線）、有害ガスの吸着効果により、有害ガス密度の経時的増加が抑制されていることが判る。図２の例では、０．３ｎｇ／ｃｍ^３以下で有害ガス密度が飽和傾向にあることが確認される。１０００時間超のハイパワーＵＶ連続動作を確認したレベル（〜０．２ｎｇ／ｃｍ^３）までの有害ガス密度の低減は達成されないまでも、活性炭の配置によって、有害ガス密度の経時的な単調増加を抑制することが可能となる。ここで、１０００時間などの連続動作時間が意味するものは、非線形光学結晶への入射位置を変えずに１点で計測した時間である。そのため、所定期間経過ごとに非線形光学結晶を僅かにシフトさせ、レーザ光の入射位置を変化させる微動機構を設けることによって、シフト回数に比例して連続動作時間の延長が可能である。

次に、活性炭配置による有害ガス抑制策に加えて、装置立上げ時の負圧調整について説明する。図１に示すレーザ装置を立ち上げた場合、筐体１の内部空間と連通した閉ループのガス配管１０上に設けたポンプ１１が吸引動作を開始し、閉ループガス配管１０を通じてガスが環流し始める。このとき筐体１の給気口９近傍に設置したガス圧調整バルブ１４は、バルブ通過後の筐体１の内部圧力が負圧になるように、予め調整しておく。本例では、大気圧基準（約１００ｋＰａ）として筐体内部が−６０ｋＰａとなるよう調整した。

図３は、筐体内のガス圧力と環流ガス流量の関係の一例を示すグラフである。縦軸は筐体内のガス圧力（負圧表記：ｋＰａ）、横軸は環流ガス流速（ｍＬ／ｍｉｎ）である。本例では、ガス圧調整バルブ１４によってガス流速を６００ｍＬ／ｍｉｎに予め設定することで、筐体内部圧力を約−６０ｋＰａに維持することができる。この場合、本レーザ装置の立上げ直後に筐体内部の有害ガス密度が立上げ前の約４０％（＝（１００−６０）／１００）に低減できる。従って、装置休止中に有害ガス密度が飽和レベルの０．３ｎｇ／ｃｍ^３に達していても、速やかに０．１２ｎｇ／ｃｍ^３程度の有害ガス密度に低減することができ、０．２ｎｇ／ｃｍ^３以下で実績のある１０００時間超レベルのハイパワーＵＶ連続動作が可能となる。

なお、ここでは−６０ｋＰａの負圧を例示したが、−３５ｋＰａ以下の負圧に維持できれば、筐体内部の有害ガス密度を立上げ前の約６５％（＝（１００−３５）／１００）に低減できるため、レーザ装置の立上げ直後から０．２ｎｇ／ｃｍ^３以下の有害ガス密度が達成されることになる。

また、負圧にした場合、筐体内部の部品からのアウトガスが若干増加する懸念があるが、閉ループガス配管１０上に設けた有機物除去管１３を通してガス環流させることにより、図４のグラフに示すように、立上げ後の筐体内有害ガス密度は時間とともに低減する。ポンプ１１を約２０時間連続して吸引動作させることにより、有害ガス密度は、０．０４ｎｇ／ｃｍ^３以下という非常に低いレベルまで低下して飽和するものと予測できる。

また、本実施形態では、閉ループガス配管中にガス乾燥管１２を配置することが好ましい。これにより環流ガスの乾燥を長期間保ち、湿気に弱い光学素子のコーティングや非線形光学結晶についての信頼性を向上させることができる。

このように、レーザ装置の筐体内に、活性炭などの吸着材を収納した吸着部を配置し、かつ筐体内ガスをポンプによって吸引し、該吸引ガスを筐体内に戻す閉ループ配管を備え、該閉ループ配管の筐体へのガス流入部に圧力調整バルブを取り付けて装置立上げ直後に筐体内部を負圧にする構成としたため、装置休止中にガスを環流させる必要なく、更に装置立上げ後の待機時間も要しない。その結果、例えば、平均出力１０Ｗを超えるハイパワーＵＶレーザ出力を１０００時間以上にわたって安定に出力することが見込める。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。本実施形態に係るレーザ装置は、図１に示したものと同様な構成を有するが、基本波レーザ発振器２０を筐体１の外部に配置し、波長変換ユニット４０を筐体１の内部に配置している点で相違する。

この場合、装置寿命を律速するのは、ＵＶレーザ光を発生する波長変換ユニット４０である。従って、波長変換ユニット４０を筐体１の内部に気密収納し、吸着部５を筐体１の内部に設置し、さらに、閉ループのガス配管１０を接続し、ポンプ１１、ガス乾燥管１２、有機物除去管１３、ガス圧調整バルブ１４を設けた構成でも構わない。基本波レーザ発振器２０から出射した基本波レーザ光は、筐体１の壁面に設置された入射ウインドウ３を通過して、波長変換ユニット４０に入射する。

こうした構成によれば、有害ガスのＵＶレーザ光分解による汚染から基本波レーザ発振器２０の構成部品（例えば、符号２１〜２６など）を保護することが可能である。また、筐体１のサイズも小型化できるため、筐体１内部の有害ガス密度をより効率的に低減できる。

１筐体、２出射ウインドウ、３入射ウインドウ、５吸着部、
８排気口、９給気口、１０ガス配管、１１ポンプ、
１２ガス乾燥管、１３有機物除去管、１４ガス圧調整バルブ、
２０基本波レーザ発振器、２１励起光源、２２集光素子、
２３，２６共振器ミラー、２４レーザ媒質、２５Ｑスイッチ素子、
４０波長変換ユニット、４１，４３，４５集光素子、
４２，４４非線形光学素子。

Claims

レーザ光を発生するレーザ光発生部と、
レーザ光発生部を気密収納するための筐体と、
筐体内部に設置され、有害ガスを吸着するための吸着部と、
筐体の排気口および給気口と連通した閉ループ配管と、
閉ループ配管を用いて筐体内のガスを循環させるためのポンプと、
ポンプと給気口との間に設けられ、筐体内部のガス圧を調整するためのガス圧調整バルブと、を備えたことを特徴とするレーザ装置。
吸着部は、活性炭、ゼオライトおよびシリカゲルからなるグループから選択された少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
閉ループ配管上に、有機物除去管が設けられたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
閉ループ配管上に、ガス乾燥管が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ装置。
筐体内部は、装置停止中に希ガスで充満されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ装置。
レーザ光を発生する際、ポンプの吸引動作により、筐体内ガス圧は、−３５ｋＰａ以下に維持されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ装置。
筐体の外部に配置され、基本波レーザ光を発生する基本波レーザ発振器をさらに備え、
前記レーザ光発生部は、該基本波レーザ光の高調波を発生する波長変換機能を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ装置。
前記レーザ光発生部は、紫外レーザ光を発生することを特徴とする請求項１または７記載のレーザ装置。