JP2022082993A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度なレーザ加工を実現可能なレーザ加工装置を提供すること。
【解決手段】複数の波長のレーザ光が重畳された重畳レーザ光を出射するレーザ発振器１と、回折現象を利用して、重畳レーザ光を波長毎の複数のレーザ光に分散させ且つ偏向させる第１回折格子３と、回折現象を利用して、第１回折格子３によって分散された複数のレーザ光の各々を、第１回折格子３による偏向方向とは逆の方向に偏向させる第２光学素子４と、を有し、第２光学素子４における複数のレーザ光の各々の偏向角度が、第１回折格子３における複数のレーザ光の各々の偏向角度と略等しくなるように設定され、第２光学素子４を通過した複数のレーザ光の回折光を用いてレーザ加工を行う、レーザ加工装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。

従来、ハイパワー出力を可能とするため、ＷＢＣ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）型ＤＤＬ発振器のように、複数の波長のレーザ光を重畳させた重畳レーザ光を用いたレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図８に、従来技術に係るレーザ加工装置の構成の一例として、本願の出願人の先願である特許文献１に記載されたレーザ加工装置の構成を示す。

図８において、１０１は、複数の波長のレーザ光を重畳させた重畳レーザ光１０３を出射する光源部（例えば、ＷＢＣ型のレーザ発振器）であり、１２１は、光源部から出射された重畳レーザ光１０３の遮断状態と通過状態とを制御するシャッタユニットとして機能する音響光学素子（以下、ＡＯＭとも称する）である。このレーザ加工装置では、ＡＯＭ１２１をシャッタユニットとして利用することで、パルスレーザを生成したり、所望の領域を選択的に加工可能にしている。そして、このレーザ加工装置では、ＡＯＭ１２１における回折現象を利用することで、重畳レーザ光１０３を０次光１２３と回折光１２４とに分離し、０次光１２３を選択的に取り出して加工に利用することで、重畳レーザ光１０３を、レンズなどで集光した際におけるスポットずれを抑制し、良好な加工を行うことを可能としている。

特願２０２０－０８２６３７号

ところで、一般に、０次光は、ＡＯＭ等の光学素子を動作させて回折させても１０％ほどの光は回折できずに元の光路のまま漏れ出て来るため、０次光を用いたレーザ加工では、意図しない部分が加工されてしまうという問題がある。そのため、０次光の出射のオンオフを確実に制御するためには、特許文献１に記載のレーザ加工装置のように、ＡＯＭのシャッタ制御とレーザ発振器の出力制御との高度な協調制御を行う必要性が生じ、低コスト化や装置構成の簡易化の要請に反するおそれがある。

又、重畳レーザ光を、回折現象を利用した光学素子（例えば、回折格子やＡＯＭ）に入射した際に、当該光学素子から出射される０次光は、波長選択がなされることなく取り出される光である。そのため、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、本来意図しない波長の光（例えば、位相が不揃いな状態で出射される光）等も加工対象物に照射されてしまい、これが原因となって加工精度の悪化を招くおそれがある。

本願の発明者らは、かかる観点から、重畳レーザ光を光学素子（例えば、回折格子やＡＯＭ）に入射した際に、当該光学素子から出射される回折光にてレーザ加工を実施するレーザ加工装置を検討した。しかしながら、ＷＢＣ型ＤＤＬ発振器のように、重畳レーザ光を用いたレーザ加工装置においては、光学素子（例えば、回折格子やＡＯＭ）から出射される回折光は、波長毎に異なる回折角で出射されたものであるため、レーザ光が広がってしまい、集光してもスポット形状が楕円になるといった問題が発生する。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、高精度なレーザ加工を実現可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
複数の波長のレーザ光が重畳された重畳レーザ光を出射するレーザ発振器と、
回折現象を利用して、前記重畳レーザ光を波長毎の複数のレーザ光に分散させ且つ偏向させる第１光学素子と、
回折現象を利用して、前記第１光学素子によって分散された前記複数のレーザ光の各々を、前記第１光学素子による偏向方向とは逆の方向に偏向させる第２光学素子と、を有し、
前記第２光学素子における前記複数のレーザ光の各々の偏向角度が、前記第１光学素子における前記複数のレーザ光の各々の偏向角度と略等しくなるように設定され、
前記第２光学素子を通過した前記複数のレーザ光の回折光を用いてレーザ加工を行う、
レーザ加工装置である。

本開示に係るレーザ加工装置によれば、高精度なレーザ加工を実現することができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の模式図 本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の模式図 レーザ加工装置における集光方法を示す図（ａ）０次光の場合、（ｂ）回折光の場合 レーザ加工装置の集光スポットを示す図（ａ）０次光の場合、（ｂ）回折光の場合 レンズによるレーザ光の集光を示す図 本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置におけるファイバ入射の模式図 レーザ加工装置におけるファイバ径と集光スポット径を示す図（ａ）０次光の場合、（ｂ）回折光の場合 従来のレーザ加工装置を示す図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の模式図である。

本実施形態において、レーザ加工装置は、波長ビームコンバイナ型のレーザ発振器（例えば、ＷＢＣ型のレーザ発振器）である光源部１を有する。光源部１から出射される重畳レーザ光２は、少なくとも２つ以上の複数の波長（λ_１，λ_２、λ_３・・・λ_ｉ）が重畳されたレーザ光である。

レーザ加工装置は、回折現象を利用して重畳レーザ光２を分散及び偏向させる第１光学素子である回折格子３を有する。回折格子３は、重畳レーザ光２を入射させることで波長に応じた偏向角に差異が生じ、分散が起こって重畳された重畳レーザ光２から、波長毎に分離された複数のレーザ光（以下、各波長のレーザ光を「ビーム」とも称する）が発生する。第１光学素子としては、回折格子に代えて、プリズムを用いることができる。又、第１光学素子として、ＡＯＭを用いてもよい。

レーザ加工装置は、回折格子３によって分散及び偏向された複数のビームの各々を、回折現象を利用して分散及び偏向させる第２光学素子を有する。本実施形態では、第２光学素子としてＡＯＭ４を用いる。ＡＯＭ４は、レーザ光の分散量及び偏向量を制御可能な光学素子である。尚、ＡＯＭ４におけるレーザ光の分散量及び偏向量は、図示しないＡＯＭドライバからの制御信号に基づいて、設定される。

なお、本実施形態では、第２光学素子としてＡＯＭ４を用いているがこれに限られず、レーザ光を分散及び偏向させることができる他の光学素子（例えば、回折格子、プリズム）が用いられてもよい。

なお、ここで、レーザ光を偏向させるとは、レーザ光の進行方向を変化させることを意味する。また、レーザ光を分散させるとは、波長によって異なる角度で偏向させることを意味する。

ＡＯＭ４は、分散された複数のビームの各々が、回折格子３による偏向方向とは逆方向に分散及び偏向するように配置され、分散された複数のビームの各々を回折する。このとき重畳レーザ光２に含まれる分散された複数のビームの各波長の光に対する偏向角度（即ち、回折角）が、回折格子３とＡＯＭ４においてほぼ等しい値になるようにそれぞれの素子のパラメータを設定することが好ましい。すなわち、回折格子３が重畳レーザ光２の進行方向に対してθ_α°の角度で重畳レーザ光２中のある波長のビームを偏向させ、ＡＯＭ４が、この波長のビームの進行方向に対してθ_β°の角度でこの波長のビームを偏向させる場合、θ_αとθ_βとがほぼ等しく、かつ逆方向への偏向であることが好ましい。なお、θ_αとθ_βとがほぼ等しいとは、例えば、θ_βの数値がθ_α±４０μｒａｄの範囲内であることをいう。

本実施形態に係るレーザ加工装置において、光源部１から出射される重畳レーザ光２は、まず、回折格子３に入って回折が起こり、回折格子３の出射側において、波長毎の複数のビーム（即ち、回折光）に分散すると共に、当該複数のビームは、波長毎に異なる偏向角度（即ち、回折角）で拡散する。ここで、回折格子３によって分散された複数のビームは、ＡＯＭ４を動作させていないときには、ＡＯＭ４による偏向と分散は起こらず、ＡＯＭ４を透過する０次光５として、そのまま発散しながら伝搬していく。尚、本実施形態に係るレーザ加工装置では、０次光５を、レーザ加工に用いないため、０次光５は、ダンパーなどの遮蔽物（図示せず）によって伝搬しないようにブロックされてもよい。

一方、回折格子３によって分散された複数のビームは、ＡＯＭ４が動作している際は、ＡＯＭ４による回折現象によって回折光６として、ＡＯＭ４から出射される。このとき、ＡＯＭ４は、回折格子３によって分散された複数のビームの各々が、回折格子３による偏向方向とは逆方向に偏向し、且つ、偏向角度が、回折格子３とＡＯＭ４においてほぼ等しい値になるように制御される。そのため、ＡＯＭ４から出射される複数のビームの回折光６は、光源部１から出射した重畳レーザ光２と平行となり、拡散することなく伝搬する。そして、本実施形態に係るレーザ加工装置では、ＡＯＭ４から出射される複数のビームの回折光６を、レンズ７（図３を参照して後述）等で集光して、加工対象物に出射する。尚、このとき、ＡＯＭ４から出射された０次光５は、ＡＯＭ４で偏向されることなく、そのまま発散しながら伝搬していくため、回折光６とは分離されることになる。

本実施形態に係るレーザ加工装置において、ＡＯＭ４は、光源部１から出射される重畳レーザ光２に含まれる所望の波長（λ_１，λ_２、λ_３・・・λ_ｉ）以外の波長のレーザ光については、偏向角度が、回折格子３と等しい値とならない構成とするのが好ましい。これによって、所望の波長以外の波長の光が加工対象物に出射され、加工精度が悪化することを抑制することができる。

図２は、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の光学ユニットの模式図である。図２を参照して、本実施形態の光学ユニットの原理を説明する。なお、ここでは原理説明のため複数波長としてλ_１，λ_２の２波長のみを用いて説明するが、３種類以上の波長であっても同様である。

重畳レーザ光２は、回折格子３によって回折させられるが、このとき波長λ_１の光は偏向角度θ_１になり、波長λ_２の光は偏向角度θ_２となる。偏向角度θ_１と偏向角度θ_２は異なる角度をもち、重畳レーザ光２は分散される。分散された重畳レーザ光２からのビームの各々が動作中のＡＯＭ４に入射されると更に回折による偏向が起こるようにＡＯＭ４は配置される。

このときＡＯＭ４の回折による偏向量は、回折格子３とは逆方向にかつ同じ偏向角度となるように設定しているため、波長λ_１の光は逆方向に偏向角度θ_１をもち、波長λ_２の光も逆方向に偏向角度θ_２となる。その結果、ＡＯＭ４から出射されてくる波長λ_１のレーザ光６１と波長λ_２のレーザ光６２は平行光となる。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置における集光方法について、説明する。

図３（ａ）及び図４（ａ）は、０次光５をレンズ７によって集光した態様を示し、図３（ｂ）及び図４（ｂ）は、回折光６をレンズ７によって集光した態様を示している。

図３（ａ）は、０次光５がレンズ７によって集光されている模式図である。このときの集光スポットの形状は、図４（ａ）に示しているように波長λ_１の集光スポット８１に対して、波長λ_２の集光スポット８２は少しズレた位置に集光されている。波長λ_３の集光スポット８３になると更にズレた位置になり、波長λ₄の集光スポット８４は大きくズレることになる。その結果、複数のビームの集光スポットを包括した形状は楕円状になる。

一方、図３（ｂ）は、回折光６が集光レンズ７によって集光されている模式図である。このときの集光スポットの形状は、図４（ｂ）に示すように波長λ_１の集光スポット８１～波長λ₄の集光スポット８４が同じ位置に集光することになり、複数のビームの集光スポットを包括した形状は、単一の波長の集光スポットとほぼ同じ形状となる。これは、波長λ_１～波長λ₄のビームをレンズ７に平行に入射させられるためである。

ここで、図５を参照して、レンズ７による集光について説明する。

図５（ａ）は単一波長のレーザ光を、レンズ７を用いて集光させる場合を示す。この場合、レーザ光は１点に集光される。図５（ｂ）は、本実施形態のように平行に入射した複数のビームを、レンズ７を用いて集光させる場合を示す。図５（ｂ）の右図に示すように、複数のビームであっても、それぞれのビームが平行に入射した場合には、太いビームを集光する場合と同様となるため（図５（ｂ）の左図参照）、レンズ７は、この場合にも、複数のビームのすべてを１点に集光させることができる。

一方、図５（ｃ）に示すように、複数のビームのそれぞれが平行にレンズ７に入射しないと、ビーム毎に集光点の位置がずれることになる。その結果、レンズ７は、複数のビームそれぞれを１点に集光させることができず、複数のビームそれぞれの向かう方向は、分岐してしまう。尚、図５（ｃ）では、レンズの外側にあるビームが中央側のビームから離れる方向に傾いていた態様を表している。

図６は、本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置におけるファイバ入射の模式図である。図６では、回折光６をレンズ７で集光してファイバ９に入射させている。

図７（ｂ）は、回折光６を集光した際の包括スポット形状とファイバ入射端との関係を示したものである。回折光６を集光した際の包括スポット形状からレーザ光がロスなく入射し、かつファイバ透過後の集光密度を高く保つために、ファイバクラッド９２の内側のファイバコア９１の径を適切に設定することができる。

一方、図７（ａ）は０次光５を集光させたものをファイバ９に入射させる際の模式図である。この場合、０次光５を集光させた際の包括スポット形状が楕円形状であることから、ファイバコア９１の径を相対的に大きくする必要がある。その結果、ファイバ透過後の集光密度を高めることが難しくなり、加工効率及び加工精度が低下することになる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係るレーザ加工装置によれば、波長に対する偏向角度がほぼ同じ回折格子３とＡＯＭ４とを偏向方向が逆方向となるように配置することにより、ＡＯＭ４から出射される０次光５と回折光６とを分離して、回折光６のみをレーザ加工に用いることが可能となる。加えて、本実施形態に係るレーザ加工装置によれば、回折光６に含まれる複数の波長のビームの分散を最小限に抑え、各波長のビームを、平行にして取り出すことが可能である。これによって、レーザ加工に用いる各波長のビームの伝搬距離を大きく取ることが可能となり、かつ集光スポット径を小さくすることも可能となる。

なお、本実施の形態では、偏向と分散を起こす第１光学素子として回折格子３を用い、偏向と分散を起こす第２光学素子としてレーザ光の分散量及び偏向量を制御可能な光学素子であるＡＯＭ４を用いたがこれに限られない。第１光学素子及び第２光学素子のうちの少なくとも一方が、レーザ光の分散量及び偏向量を制御可能な光学素子であればよい。すなわち、第１光学素子としてレーザ光の分散量及び偏向量を制御可能な光学素子を用い、第２光学素子は回折格子等のレーザ光の分散量及び偏向量を制御可能光学素子以外の光学素子を用いてもよい。また、第１光学素子及び第２光学素子の両方がレーザ光の分散量及び偏向量を制御可能な光学素子であってもよい。本実施形態では、第１光学素子として回折格子を用い、第２光学素子としてＡＯＭを用いたが、第１光学素子としてＡＯＭを用い、第２光学素子として回折格子又はプリズムを用いてもよい。また、第１光学素子としてＡＯＭを用い、第２光学素子としてもＡＯＭを用いてもよい。

本開示に係るレーザ加工装置によれば、高精度なレーザ加工を実現することができる。

１ 光源部
２ レーザ光
３ 回折格子（第１光学素子）
４ ＡＯＭ（第２光学素子）
５ ０次光
６ 回折光
６１ 波長λ₁のレーザ光
６２ 波長λ₂のレーザ光
７ レンズ
８１ 波長λ₁の集光スポット
８２ 波長λ₂の集光スポット
８３ 波長λ₃の集光スポット
８４ 波長λ₄の集光スポット
９ 光ファイバ
９１ ファイバコア
９２ ファイバクラッド
１０１ 光源部
１０３ レーザ光
１２１ 光学素子
１２３ ０次光
１２４ 回折光

Claims (6)

1. 複数の波長のレーザ光が重畳された重畳レーザ光を出射するレーザ発振器と、
   回折現象を利用して、前記重畳レーザ光を波長毎の複数のレーザ光に分散させ且つ偏向させる第１光学素子と、
   回折現象を利用して、前記第１光学素子によって分散された前記複数のレーザ光の各々を、前記第１光学素子による偏向方向とは逆の方向に偏向させる第２光学素子と、を有し、
   前記第２光学素子における前記複数のレーザ光の各々の偏向角度が、前記第１光学素子における前記複数のレーザ光の各々の偏向角度と略等しくなるように設定され、
   前記第２光学素子を通過した前記複数のレーザ光の回折光を用いてレーザ加工を行う、
   レーザ加工装置。
2. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子のうちの少なくとも一方は、前記複数のレーザ光の各々の偏向角度を制御可能な光学素子である、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記複数のレーザ光の各々の偏向角度を制御可能な光学素子は、音響光学素子である、
   請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子のうちの一方が前記複数のレーザ光の各々の偏向角度を制御可能な光学素子であり、他方が回折格子又はプリズムである、
   請求項２に記載のレーザ加工装置。
5. 前記第２光学素子を通過した前記複数のレーザ光の回折光を集光するレンズを更に有する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記レンズにて集光した前記複数のレーザ光を導光するファイバを更に有する、
   請求項５に記載のレーザ加工装置。

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