JP2021503373A - 物質をレーザー加工するためのシステムと方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Eth(λ)/Ethall(λ)>1
ここで、Eth(λ)は、他の波長の補助なしで単独でワークピースを加工するのに必要な個々のビームのエネルギー閾値であり、Ethall(λ)は、本開示の複合ビームにおける、つまり、全波長が同時に存在する場合における同じレーザービームのエネルギー閾値である。
Eth(λ)/Ethall(λ)>1
ここで、Eth(λ)は、他の波長の補助なく単独でワークピースを加工するのに必要な個々のビームのエネルギー閾値であり、Ethall(λ)は、本開示の多重ビームにおける、つまり全波長が同時に存在している場合における同じレーザービームのエネルギー閾値である。上記の条件に合うと、応用によっては、本開示のシステムを用いるプロセスの効率を桁違いに向上させることができる。多重ビームを用いる応用での典型的なパルスエネルギーは、単一のパルス閾値エネルギーEthの4〜5倍である。
12 レーザー光源
14 高調波発生器
16 クロマティック調整器
Claims (44)
- ワークピースをレーザー加工する方法であって、
基本波長の広帯域で非偏光のファイバーレーザーの第一ビームを高調波波長の少なくとも一つの第二ビームに部分的に変換することと、
前記第一ビーム及び前記第二ビームが同軸で時間的に重なるように一つの経路に沿って前記第一ビーム及び前記第二ビームを誘導することと、
基本波長と高調波波長とにおいて異なる吸収率を有するワークピークの表面に前記第一ビーム及び前記第二ビームを当てることと、
前記第二ビームが、物質状態変化を与え、前記第一ビームの焦点面よりも前記表面近くの焦点面を有し、前記第一ビームに対する前記ワークピースの吸収率を増大させる吸収率比の逆数に少なくとも等しくなるように前記第一ビームと前記第二ビームとの間のフルエンス比を制御することとを備える方法。 - 前記第一ビームが前記表面から或る距離の前記ワークピース内部に第一焦点を有し、前記第二ビームが前記第一焦点から上流に間隔を空けた第二焦点を有するように前記第一ビームと前記第二ビームとの間に軸方向色収差を発生させることを更に備える請求項1に記載の方法。
- 前記フルエンス比を制御することが、前記経路に沿って色収差を発生させるクロマティック光学系を変位させること、又は、前記経路に沿って色収差を発生させるクロマティック光学系を、異なる屈折曲線を備えて構成された他のクロマティック光学系、若しくは溶融シリカ、CaF2、MgF2、又は前記第一ビームと前記第二ビームのそれぞれの焦点距離を変更させる他の光学物質製の他のクロマティック光学系に置き換えることを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記吸収率比の逆数が、基本波長における吸収率と高調波波長における吸収率との比の逆数である、請求項2に記載の方法。
- 前記第一ビームから前記第二ビームへの高調波変換効率を制御することによって、前記ワークピースの表面上における前記フルエンス比を前記吸収率比の逆数よりも高くすることを更に備え、前記方法が、前記第二ビームが存在しない場合に必要とされるパワーよりも低い全波長の総レーザーパワーで達成される、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記第二ビームの高調波波長が、第二次高調波波長及び/又は第三次高調波波長及び/又は第四次高調波波長を含み、又は、光学パラメトリック法及び/又はラマン法を用いることによって独立的に調節可能な波長を含み、該波長の全て又は複数のビームが前記ワークピースの表面の同じ箇所に同時に当たる、請求項1に記載の方法。
- 前記第一ビームに対する前記ワークピースの吸収率を増大させるようにプラズマを発生させることを更に備える請求項1に記載の方法。
- 前記第二ビームの発生後に一つ以上のミラーのみを用いることによって、同軸の前記第一ビーム及び前記第二ビームをアクロマートコリメートすることを更に備える請求項1に記載の方法。
- ワークピースをレーザー加工する方法であって、
基本波長の広帯域で非偏光のファイバーレーザーの第一ビームの一部を高調波波長の少なくとも一つの広帯域の第二ビームに変換することであって、前記第一ビームの未変換の部分と前記第二ビームとが同軸で時間的に重なることと、
クロマティック光学系を介して一つの経路に沿って前記第一ビーム及び前記第二ビームを誘導することによって、前記第一ビームと前記第二ビームとの間に色収差を生じさせて、基本波長と高調波波長とにおいてそれぞれ異なる吸収率を有する物質製のワークピースの表面に前記第一ビーム及び前記第二ビームが同時に当たり、前記表面に焦点を有する前記第二ビームが、物質状態変化を与えて、前記表面から前記ワークピースの内部又は外部に向かって間隔を空けた焦点を有する前記第一ビームに対する前記ワークピースの吸収率を増大させることと、を備える方法。 - 前記物質状態変化を与えるために、前記基本波長の前記第一ビームと前記高調波波長の前記第二ビームとのフルエンス比を、前記基本波長における吸収率と前記高調波波長における吸収率との比の逆数に少なくとも等しくなるように調整することを更に備える請求項9に記載の方法。
- 前記第一ビームから前記第二ビームへの高調波変換効率を制御することを更に備え、前記高調波変換効率が前記基本波長における吸収率と前記高調波波長における吸収率との比の逆数よりも大きい場合に、前記物質状態変化が与えられる、請求項9に記載の方法。
- シングルモード又はマルチモードビームである前記第一ビームのガウス強度分布が変換中にドーナツ状強度分布に劣化することを防止するように前記高調波変換効率が制御される、請求項11に記載の方法。
- 前記第一ビームのドーナツ状強度分布を与えるように前記高調波変換効率が制御される、請求項11に記載の方法。
- 前記ワークピースに入射する前記第一ビームと前記第二ビームの各々のエネルギーが、
Eth(λ)/Ethall(λ)>1
を満たす場合に前記物質状態変化が与えられ、Eth(λ)が、単一ビームのみによって前記ワークピースをレーザー加工するために必要な基本波長又は高調波波長において前記ワークピースに結合されるレーザービームのエネルギー閾値であり、Ethall(λ)が、同軸の前記第一ビーム及び前記第二ビームが前記ワークピースに同時に当たる際の各波長のレーザービームのエネルギー閾値である、請求項11に記載の方法。 - 前記第二ビームが、前記基本波長に対する第二次高調波波長と第三次高調波波長と第四次高調波波長とこれら波長の組み合わせとから選択された高調波波長、及び/又は、光学パラメトリック法又はラマン法を用いて発生させた独立的に調節可能な波長を有する、請求項9に記載の方法。
- 前記基本波長における吸収率よりも高い前記第二ビームの波長における吸収率を有する物質製のワークピースの表面に前記第二ビームが当たることによって、電子プラズマを発生させることを更に備える請求項9に記載の方法。
- 前記基本波長によって前記ワークピースの表面を加熱して、前記高調波波長における吸収を増大させることを更に備える請求項9に記載の方法。
- 前記基本波長のビームが、0.9μm〜2.1μmの波長範囲で放出された複数のシングルモード及び/又はマルチモードのレーザー光を含み、且つ、
数秒〜フェムト秒範囲のパルス持続時間と、
1から100の間のM2値と、
2nmから数百nmの間の幅広のスペクトル線と、
μJ〜J範囲のパルスエネルギーと、
一桁ワットから数百キロワットの間の平均パワーと、を有し、
前記第二ビームのスペクトル線幅が0.5nmを超える、請求項9に記載の方法。 - 前記第二ビームの発生後に一つ以上のミラーのみを用いることによって、同軸の前記第一ビーム及び前記第二ビームをアクロマートコリメートすることを更に備える請求項9に記載の方法。
- 前記第一ビームが、パルスモード、連続波モード、又は準連続波モードで動作するファイバーレーザーが発生させたシングルモード又はマルチモードのビームである、請求項9に記載の方法。
- ワークピースをレーザー加工するモジュール型の装置であって、
基本波長の広帯域で非偏光のファイバーレーザーの第一ビームを高調波波長の少なくとも一つの広帯域の第二ビームに部分的に変換するように動作する調節可能な高調波発生器であって、前記第一ビーム及び前記第二ビームが同軸で時間的に重なっていて、前記基本波長と前記高調波波長とにおいてそれぞれ異なる吸収率を有するワークピースの表面に同時に当たる、高調波発生器と、
前記第二ビームが前記表面上又は近くでの物質状態変化を与えて、前記第一ビームの吸収率を増大させる閾値に少なくとも等しくなるように前記第一ビームと前記第二ビームとの間のフルエンス比を調整するように動作するシステムと、を備える装置。 - 前記高調波発生器と前記ワークピースとの間に位置するクロマティック光学系であって、前記第一ビームが前記表面から或る距離の前記ワークピースの内部に第一焦点を有し、前記第二ビームが前記第一焦点から上流に間隔を空けた前記表面近くの第二焦点を有するように未変換の前記第一ビームと前記第二ビームとの間に軸方向色収差を生じさせるように動作するクロマティック光学系を更に備える請求項21に記載の装置。
- フルエンスを測定するように動作するフルエンス測定ユニットと、フルエンス比を決定して、測定値を閾値と比較するように動作する処理ユニットと、前記クロマティック光学系を変位させる、又は前記クロマティック光学系を置換する、又は前記クロマティック光学系を変位及び置換するように動作するアクチュエーターとを備えて構成されている請求項22に記載の装置。
- 前記閾値が、前記基本波長における吸収率と前記高調波波長における吸収率との比の逆数に少なくとも等しい、請求項21に記載の装置。
- 前記基本波長における吸収率と前記高調波波長における吸収率との比の逆数よりも大きくなるように前記第一ビームから前記第二ビームへの高調波変換効率を制御するためのシステムを更に備える請求項24に記載の装置。
- 前記高調波発生器が、前記第一ビームを、第二次高調波波長、第三次高調波波長及び第四次高調波波長の第二ビームに変換するように動作する、請求項21に記載の装置。
- 前記第二ビームの発生後に同軸の前記第一ビーム及び前記第二ビームをアクロマートコリメートする一つ以上のミラーを更に備える請求項21に記載の装置。
- ワークピースを加工するためのモジュール型のシステムであって、
一つの経路に沿って基本波長の広帯域の第一ビームを出力するレーザー光源と、
前記第一ビームを受けて、前記第一ビームを高調波波長の少なくとも一つの第二ビームに部分的に変換するように動作する高調波波長発生器であって、前記第一ビームと前記第二ビームが同軸で時間的に重なる、高調波波長発生器と、
同軸の前記第一ビーム及び前記第二ビームが当たると、前記第二ビームが前記ワークピースの表面上又は近くに焦点面を有して、前記ワークピースの表面から前記ワークピースの内部に向かって間隔を空けた焦点面を有する前記第一ビームの後続の効果的な吸収のための温度上昇に十分な初期物質状態変化を与えるように、色収差を制御可能に生じさせるように構成されている調整可能なクロマティック光学系と、を備えるシステム。 - 前記レーザー光源が、連続波モード、準連続波モード又はパルスモードで動作するファイバーレーザーであり、シングルモード又はマルチモードで前記第一ビームを出力する、請求項28に記載のシステム。
- 前記高調波波長発生器が、
前記経路に沿って互いに間隔を空けて位置する一つ以上の非線形結晶であって、反射型集束のみを用いて選択的に、前記基本波長を、第二次高調波波長及び/又は第三次高調波波長及び/又は第四次高調波波長、又は、光学パラメトリック法及び/又はラマン法で独立的に調節可能な波長に連続変換する非線形結晶を備え、
一回通過又は複数回通過の波長変換方式で構成されている、請求項28に記載のシステム。 - 各非線形結晶がタイプI型又はタイプII型の位相整合用にカットされている、請求項30に記載のシステム。
- 前記高調波波長発生器と前記ワークピースとの間に位置するパラボラミラーを含むコリメーターを更に備える請求項28に記載のシステム。
- 前記基本波長の第一ビームと前記高調波波長の第二ビームとのフルエンス比を決定して、前記高調波波長の第二ビームがスパークを発生させて、前記フルエンス比が前記基本波長における吸収率と前記高調波波長における吸収率との比の逆数以上となるように前記クロマティック光学系を調整するように構成された処理ユニットを更に備える請求項28に記載のシステム。
- 前記処理ユニットが、前記基本波長における吸収率と前記高調波波長における吸収率との比の逆数よりも大きくなるように前記高調波波長発生器の波長変換効率を調整するように動作する、請求項33に記載のシステム。
- 前記処理ユニットが、前記第一ビームのガウス強度分布が波長変換中にドーナツ状強度分布に劣化することを防止するように前記波長変換効率を制御するように動作する、請求項34に記載のシステム。
- シングルモード又はマルチモードビームである前記第一ビームのドーナツ状強度分布を与えるように前記波長変換効率が制御される、請求項34に記載のシステム。
- 前記レーザー光源が、前記ワークピースに入射する前記第一ビームと前記第二ビームの各々のエネルギーが、
Eth(λ)/Ethall(λ)>1
を満たすように動作し、Eth(λ)が、各波長の単一レーザービームのみによって前記ワークピースをレーザー加工するために必要な基本波長又は高調波波長において前記ワークピースに結合される単一レーザービームのエネルギー閾値であり、Ethall(λ)が、同軸の前記第一ビーム及び前記第二ビームが前記ワークピースに同時に当たる際の各波長のレーザービームのエネルギー閾値である、請求項28に記載のシステム。 - レーザー加工方法であって、
目標表面における所望の高調波フルエンスレベルであって、前記目標表面の物質の状態変化をもたらし、少なくともレーザー加工プロセスを開始させる所望の高調波フルエンスレベルを決定することと、
前記所望の高調波フルエンスレベルを達成するための高調波スポットサイズと変換効率と未変換ビームパワーを設定することと、
前記所望の高調波フルエンスレベルの高調波スポットサイズに対応する未変換残留放射を備える基本ビームの基本スポットサイズを決定することと、
前記高調波スポットサイズと前記基本スポットサイズを前記目標表面に同軸上で伝達するようにクロマティック光学システムを設定することと、
目標物質を効率的に加工するように前記クロマティック光学システムを用いてレーザー放射を前記目標表面に伝達することと、を備える方法。 - 多重波長同軸レーザー加工ビームを発生させるための多重波長レーザー光源と、
前記多重波長同軸レーザー加工ビームをワークピースの表面上のレーザーと物質の相互作用領域に伝達して、前記多重波長同軸レーザー加工ビームの第一波長のレーザーと第二波長のレーザーの各々が前記相互作用領域の少なくとも一部にそれぞれ同心円状の第一レーザースポットと第二レーザースポットとして当たるようにするための多重波長光学システムと、を備え、
前記多重波長光学システムが、多重波長ビームコリメーターと、設定可能なクロマティック光学系と、レーザー加工焦点レンズと、を備え、
前記設定可能なクロマティック光学系が、前記第一波長のレーザーと前記第二波長のレーザーの相対的な焦点距離を調整する、多重波長レーザー加工システム。 - 前記第一レーザースポットと前記第二レーザースポットの直径比が前記クロマティック光学系を設定することによって調整される、請求項39に記載の多重波長レーザー加工システム。
- 小さい方の同心円状スポットの直径が大きい方の同心円状スポットの直径の1/2未満である、請求項39に記載の多重波長レーザー加工システム。
- 前記設定可能なクロマティック光学系が同軸ビームの経路から取り外し可能であり、
前記クロマティック光学系が設置されている際の第一焦点距離と、前駆クロマティック光学系が取り外されている際の第二焦点距離とを有する請求項39に記載の多重波長レーザー加工システム。 - 前記設定可能なクロマティック光学系が、第二クロマティック光学系と交換可能な第一クロマティック光学系を備え、
前記第一クロマティック光学系に対応する第一焦点距離と、前記第二クロマティック光学系に対応する第二焦点距離とを有する請求項39に記載の多重波長レーザー加工システム。 - 前記設定可能なクロマティック光学系が、取り外し可能な第一クロマティック光学系と、取り外し可能な第二クロマティック光学系とを備え、
複数のクロマティック光学系の構成に対応する複数の焦点距離を有する請求項39に記載の多重波長レーザー加工システム。
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