JP3627208B2

JP3627208B2 - レーザ装置、レーザカッタ、及びレーザ波長変換方法

Info

Publication number: JP3627208B2
Application number: JP33219198A
Authority: JP
Inventors: 浩輝川上
Original assignee: Hoya Candeo Optronics Corp
Current assignee: Hoya Candeo Optronics Corp
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: JP2000164950A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置、レーザカッタ、及びレーザ波長変換方法に関し、特に、半導体装置の製造及び試験等に使用されるレーザカッタ、それに用いられる多波長型レーザ装置、及び多波長型レーザ波長変換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の多波長型レーザ装置及び多波長型レーザ装置を用いたレーザカッタとして、特表平１０−５００６２８号公報に記載されているものがある。このタイプの多波長型レーザ装置の基本構造を図４に示す。
【０００３】
図４のレーザ装置は、レーザ発振器４１と、複数の折り返しミラー４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、及び４２ｄと、λ／２板（１／２波長板）４３と、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４結晶：波長変換素子）４４と、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４結晶：波長変換素子）４５と、ＢＢＯ４５に取り付けられる一対のウインドウ４６ａ及び４６ｂと、アッテネータ４７と、フィルターユニット４８と、エキスパンダー４９と、レンズ５０とを有している。
【０００４】
レーザ発振器４１は、全反射ミラー４１１、Ｎｄ：ＹＡＧロッド４１２、フラッシュランプ４１３、ポラライザ４１４、λ／４板（１／４波長板）４１５、ポッケルスセル４１６、シリンドリカルレンズ４１７、及び出力側ミラー４１８を有している。
【０００５】
全反射ミラー４１１は、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧロッド４１２から誘導放出された光を出力側ミラー４１８との間で往復させ、増幅するための高反射率ミラーである。
【０００６】
Ｎｄ：ＹＡＧロッド４１２は、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）結晶中に、活性媒質としてＮｄ^３＋が添加されたものである。このＮｄ：ＹＡＧロッド４１２は、フラッシュランプ４１３からエネルギーを受け取り、特定の波長の光を増幅するレーザ媒質として機能する。Ｎｄ：ＹＡＧロッド４１２の、発振中心波長は、１０６４ｎｍである。
【０００７】
フラッシュランプ４１３は、例えば、Ｘｅガス封入ランプであって、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧロッド４１２にレーザ発振に必要な光を供給する。
【０００８】
ポラライザ４１４は、特定の偏光方向の波長（１０６４ｎｍ）のみ透過させる。
【０００９】
λ／４板４１５は、直線偏向を円偏向に、円偏向を直線偏向に変換する。
【００１０】
ポッケルスセル４１６は、電圧を印加することにより、偏向面が９０度回転する変調素子である。このポッケルスセル４１６は、ポラライザ４１４及びλ／４板４１５との組み合わせにより、Ｑスイッチ発振を実現するため、一時的に光を遮断するシャッターとして動作する。
【００１１】
シリンドリカルレンズ４１７は、レーザ光のビーム断面形状を楕円形から円形に補正する。
【００１２】
出力側ミラー４１８は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド４１２から誘導放出された光を全反射ミラー４１１との間で往復させ、増幅させるための反射板である。この出力側ミラー４１８は、全反射ミラーとは異なり、光の一部を透過させる。
【００１３】
折り返しミラー４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、及び４２ｄは、レーザ発振器４１から出射したレーザ光を反射して、その進路を変更する。ここでは、全て進路を９０度折り曲げるように配置されている。
【００１４】
λ／２板４３は、入射するレーザ光の偏光方向を９０度回転させて出射する。
【００１５】
ＫＴＰ４４は、入射する基本波から２倍波を発生させる非線形素子、即ち、波長変換素子である。なお、このＫＴＰ４４は、基本波の一部も透過させる。
【００１６】
ＢＢＯ４５は、入射する基本波及び２倍波から、３倍波あるいは４倍波を発生させる非線形素子（波長変換素子）である。ＢＢＯ４５は、潮解性が高く、大気中ではその性能を維持できないため、ケース（図示せず）等に収められている。ウインドウ４６ａ及びウインドウ４６ｂは、そのケースに取り付けられている。
【００１７】
アッテネータ４７は、λ／２板４７１と、ポラライザ４７２とを有している。λ／２板４７１は、λ／２板４３と同様、入射するレーザ光の偏光方向を９０度回転させる。また、ポラライザ４７２は、グランテーラプリズムであって、特定の直線偏光方向のレーザ光（波長１０６４ｎｍ，５３２ｎｍ，３５５ｎｍ，２６６ｎｍ）を透過させる。そして、λ／２板４７１とポラライザ４７２との組み合わせにより、出力可変減衰器として機能する。なお、アッテネータ４７は、対応する全ての波長のレーザ光を減衰させるように構成及び調整されている。
【００１８】
フィルターユニット４８は、複数のフィルター４８１，４８２，４８３，及び４８４を有している。フィルター４８１及び４８２は、例えば、波長５３２ｎｍの光のみを透過させる。これら２つのフィルター４８１及び４８２の透過率は、互いに異なる。また、フィルター４８３及び４８４は、例えば、波長３５５ｎｍの光を透過させる。これら２つのフィルター４８３及び４８４もまた、互いに透過率が異なる。
【００１９】
エキスパンダー４９は、凹レンズ４９１と、凸レンズ４９２とを有している。これら２つのレンズ間の距離を調整することにより、レーザビームの径が所定のサイズに拡大され、平行光として出射される。
【００２０】
レンズ５０は、レーザ光照射位置を特定するためのガイド光（図示しない光源からの可視光）を、このレーザ装置から出射されるレーザ光と同一の光路上へ出射させるためのガイド光用レンズである。
【００２１】
以上の構成により、図４のレーザ装置では、レーザ発振器４１で発生した基本波長のレーザ光から、互いに異なる複数の波長（２倍波、３倍波及び４倍波）のレーザ光を生成し、そのうちの一の波長のレーザ光を選択的に出射させることができる。
【００２２】
従来のレーザカッタは、上述のレーザ装置を顕微鏡と組み合わせ、顕微鏡の光学系を通して、顕微鏡の視野範囲の所定領域にレーザ光を照射することができるようにしてある。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
波長変換に使用される非線形光学素子は、入射する光の強度が強いほど波長変換効率が高くなる。そこで、従来のレーザ装置では、非線形光学素子において効率の良い波長変換を実現するため、レーザ発振器からのレーザ光を減衰させることなく、非線形光学素子に入射させるように構成されている。即ち、従来のレーザ装置では、非線形光学素子により波長変換をした後、波長変換されたレーザ光をアッテネータに入射させるように構成されている。
【００２４】
しかしながら、従来のレーザ装置に使用されるアッテネータは、複数のレーザ波長に対応するため、グランテーラプリズム（例えば、方解石偏光素子）を有しているが、グランテーラプリズムの製造は技術的困難を伴い、高価であるという問題点がある。
【００２５】
さらに、グランテーラプリズムは、レーザ光によって損傷を受け易いという問題点がある。またさらに、従来のレーザ装置は、波長変換後のレーザ光をアッテネータで減衰させているために、レーザ光の最小出力を０（ゼロ）にすることができないという問題点がある。
【００２６】
本発明は、小型で、アライメント調整が容易で、安価な、レーザ発振器の出力を最大限有効に利用できるレーザ装置を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基本波長を有する第１のレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記第１のレーザ光を波長変換して互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を含む第２のレーザ光に変換する非線形光学素子と、前記第２のレーザ光から一の波長を有するレーザ光を選択する選択手段とを有するレーザカッタ用のレーザ装置において、前記レーザ発振器と前記非線形光学素子との間に、前記第１のレーザ光を減衰させるアッテネータを設けたことを特徴とするレーザ装置が得られる。
【００２８】
具体的には、前記アッテネータは、偏光子と１／２波長板とを含むことを特徴とする。
【００２９】
また、前記アッテネータの後、好ましくは直後に、折返しミラーを備えたことを特徴とする。
【００３０】
ここで、前記レーザ発振器としては、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等を用いた固体レーザ発振器が使用できる。
【００３１】
本発明のレーザ装置は、顕微鏡と組み合わせることによりレーザカッタとして利用できる。
【００３２】
また、本発明によれば、レーザ発振器から発射された基本波長を有する第１のレーザ光を非線形光学素子に導き、該非線形光学素子において前記第１のレーザ光の波長変換を行って、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を含む第２のレーザ光に変換し、選択手段を用いて前記第２のレーザ光から一の波長を有するレーザ光を選択するレーザカッタのためのレーザ波長変換方法において、前記第１のレーザ光をアッテネータを用いて減衰させた後、前記非線形光学素子に導くようにしたことを特徴とするレーザ波長変換方法が得られる。
【００３３】
【作用】
アッテネータは、レーザ発振器からの基本波長を有するレーザ光を減衰させ、減衰させたレーザ光を波長変換素子へ供給する。このアッテネータは、単一のレーザ光のみを扱うので従来に比べ小型化、低価格化が可能である。
【００３４】
波長変換素子は、入射するレーザ光の強度が強いほど、波長変換効率が高く、逆に入射レーザ光の強度が弱いほど、波長変換効率は低い。それにもかかわらず、このレーザ装置の最小出力は、波長変換素子の上記特性により、従来よりも小さくすることができる。つまり、アッテネータを波長変換素子の前に配置することにより、レーザ光の出力をより広い範囲で調節可能にできる。
【００３５】
また、アッテネータとして薄膜偏光子を使用した場合には、薄膜偏光子の板の厚み分、配置される角度（ブリュースター角）分、及びその屈折率差によって、光軸がズレるという問題が生じるが、アッテネータの後、好ましくは直後に配置した折り返しミラーにより、この問題は解消される。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３７】
図１に、本発明の一実施の形態によるレーザ装置を示す。ここで、従来と同一のものには、同一番号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
図１のレーザ装置は、従来と異なるアッテネータ１１を有している。このアッテネータ１１は、λ／２板１２と、ポラライザ１３とを有している。λ／２板１２は、従来のλ／２板４７１と同じであるが、ポラライザ１３は、従来のポラライザ４７２と異なり、１０６４ｎｍの波長のレーザ光に対して特定の直線偏光のレーザ光のみを透過させる薄膜偏光子、例えばダイエレクトリックポラライザが用いられる。このポラライザ１３は、単一波長のレーザ光のみに対応していればよいので、従来のポラライザ４７２に比べ、小型で、作成が容易であり、安価である。
【００３９】
また、このアッテネータ１１は、従来と異なり、波長変換素子の前段に配置されている。詳述すると、アッテネータ１１は、折り返しミラー４２ａと４２ｂとの間に配置されており、波長変換素子であるＫＴＰ４４及びＢＢＯ４５は、λ／２板４３及びウインドウ４６ａ及び４６ｂとともに、折り返しミラー４２ｂとフィルターユニット４８との間に配置されている。
【００４０】
本実施の形態によるレーザ装置では、レーザ発振器から出射したレーザ光は、アッテネータ１１によって減衰を受けた後、波長変換素子（ＫＴＰ４４及びＢＢＯ４５）に入射する。そして、波長変換素子で波長変換されたレーザ光がフィルターユニット４８に入射する。
【００４１】
ここで、波長変換素子は、入射するレーザ光の強度が強いほど、変換効率が高く、その強度が弱いほど変換効率が低くなるという特徴を有している。そこで、同一の光強度のレーザ光を、アッテネータから波長変換素子の順に通過させた場合と、波長変換素子からアッテネータの順に通過させた場合とでは、アッテネータにおける減衰率が同じであっても、得られるレーザ光の強度は、アッテネータから波長変換素子の順に通過させた場合の方が弱くなる。その結果、レーザ光をアッテネータから波長変換素子の順に通過させた場合、アッテネータの減衰率を大きくして、ある程度以上レーザ光を減衰させると、波長変換素子の波長変換光率は０になる。つまり、本実施の形態によるレーザ装置では、出力レーザ光の光強度（出力エネルギー）の最小値を０にすることができる。
【００４２】
図２に、アッテネータの位置の違いによるレーザ装置の出力レーザ光（３５５ｎｍ）のエネルギー変化の違いを示す。ここで、実線２１が、従来のように、ＫＴＰ−ＢＢＯ−アッテネータの順に配置されているレーザ装置の１／２波長板回転角度（アッテネータ値）に対するレーザ光強度の変化を示したものであり、実線２２が、本実施の形態による、アッテネータ−ＫＴＰ−ＢＢＯの順に配置されているレーザ装置の１／２波長板回転角度（アッテネータ値）に対するレーザ光強度の変化を示したものである。
【００４３】
図２から明らかなように、従来のレーザ装置では、その出力値を０にすることができない。これに対して、本実施の形態によるレーザ装置によれば、その出力値は、０から最大値まで変化しており、高い消光比が実現されている。なお、フィルタユニット４８により他の波長を有するレーザ光を選択した場合も、同様の結果が得られる。
【００４４】
本実施の形態によるレーザ装置は、例えば図３に示すように顕微鏡に組み合わされ、レーザカッタを構成する。このレーザカッタは、ワーク３０を搭載するＸステージ３１及びＹステージ３２、光学系ユニット３３、光学系ユニット３３を上下に移動させるためのＺステージ３４、光学系ユニット３３に結合された照明器３５、同じく光学系ユニット３３に結合されたＣＣＤカメラ３６、ＣＣＤカメラ３６に接続されたモニタ３７、光学系ユニット３３に結合された本実施の形態によるレーザ装置３８、レーザ装置３８に電源を供給するレーザ電源３９、及びレーザ電源３９を制御するコントローラ４０を有している。
【００４５】
なお、上記実施の形態では、レーザ発振器として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器を用い、基本波長を１０６４ｎｍとしたが、他の波長のレーザ光を出射させるレーザを用いても良い。また、レーザ装置からの出力レーザ光が、２倍波及び３倍波である場合について説明したが、より高い高調波であっても良い。
【００４６】
また、従来のレーザ装置では、アッテネータにグランテーラプリズムが使用されており、この場合、アッテネータの入射光と出射光との間に光軸のずれは生じなかったが、本実施の形態によるレーザ装置では、アッテネータに薄膜偏光子を使用しているので、薄膜偏光子の板の厚み分、配置される角度（ブリュースター角）分、及びその屈折率差から、入射光と出射光との間で光軸にズレが生じることが有るが、この光軸のずれの問題は、そのずれを考慮した上で光学設計を行なうことにより解消することができる。しかし、より単純な構成でこの問題を解決するには、アッテネータの後に折り返しミラーを配置し、光軸のずれを修正すれば良い。この折り返しミラーは、アッテネータの直後に配置することが好ましい。
【００４７】
さらにまた、本実施の形態では、波長変換素子として、ＫＴＰとＢＢＯとの組み合わせを用いたが、ＫＴＰを単独で用いてもよい。また、他の波長変換素子、例えば、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）やＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）等の結晶を単独でまたは組み合わせて使用することもできる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、アッテネータを波長変換素子の前段に配置するようにしたことで、小型で、アライメント調整が容易で、安価なレーザ装置を得ることができる。
【００４９】
また、本発明によれば、アッテネータを波長変換素子の前段に配置するようにしたことで、出力値を０から最大値まで変化させ得るレーザ装置が得られる。
【００５０】
さらに、本発明によれば、種々の発振周波数のレーザ発振器を、フィルタユニットを交換するだけで利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるレーザ装置の構成図である。
【図２】図１のレーザ装置と従来のレーザ装置の、１／２波長板回転角度に対するレーザ光の強度の変化を示すグラフである。
【図３】図１のレーザ装置を顕微鏡に組み込んで構成したレーザカッタの概略図である。
【図４】従来のレーザ装置の構成図である。
【符号の説明】
１１アッテネータ
１２ λ／２板
１３ポラライザ
４１レーザ発振器
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ折り返しミラー
４３ λ／２板
４４ＫＴＰ
４５ＢＢＯ
４６ａ，４６ｂウインドウ
４７アッテネータ
４８フィルターユニット
４９エキスパンダー
５０レンズ

Claims

基本波長を有する第１のレーザ光を出射するレーザ発振器と、前記第１のレーザ光を波長変換して互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を含む第２のレーザ光に変換する非線形光学素子と、前記第２のレーザ光から一の波長を有するレーザ光を選択する選択手段とを有するレーザカッタ用のレーザ装置において、
前記レーザ発振器と前記非線形光学素子との間に、前記第１のレーザ光を減衰させるアッテネータを設けたことを特徴とするレーザ装置。
前記アッテネータが、偏光子と１／２波長板とを含むことを特徴とする請求項１のレーザ装置。
前記アッテネータの後に折返しミラーを配置したことを特徴とする請求項１または２のレーザ装置。
前記レーザ発振器が固体レーザ発振器であることを特徴とする請求項１、２または３のレーザ装置。
前記固体レーザ発振器のレーザ媒質が、Ｎｄ：ＹＡＧであることを特徴とする請求項４のレーザ装置。
請求項１乃至５のうち何れか一のレーザ装置と、顕微鏡とを有し、前記選択手段により選択されたレーザ光が前記顕微鏡の光学系を通して当該顕微鏡の視野内に供給されるように、前記レーザ装置が前記顕微鏡に結合されていることを特徴とするレーザカッタ。
レーザ発振器から発射された基本波長を有する第１のレーザ光を非線形光学素子に導き、該非線形光学素子において前記第１のレーザ光の波長変換を行って、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を含む第２のレーザ光に変換し、選択手段を用いて前記第２のレーザ光から一の波長を有するレーザ光を選択するレーザカッタのためのレーザ波長変換方法において、
前記第１のレーザ光をアッテネータを用いて減衰させた後、前記非線形光学素子に導くようにしたことを特徴とするレーザ波長変換方法。