JP4209615B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光により被加工物の内部改質及び蒸散加工を行うに好適なレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、レーザ光を用いた材料の内部改質及び蒸散加工においては、材料に対して光透過性の波長を有する超短パルスのレーザ光を内部に集光させ、多光子吸収によりエネルギ密度の高い部分で内部改質及び蒸散加工を行う方法が知られている（特表平９−５１１６８８、特開平１１−２６７８６１等）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、材料に特有の加工閾値を超えたネルギ密度を必要とし、出力の大きな超短パルスレーザ光源が必要となる。超短パルスレーザの出力を大きくするためには、特殊な増幅装置をレーザ光源に組み合わせる必要があり、レーザ光源の高コスト化、レーザ光源の大型化によるレーザ装置全体の大型化を招く他、光学系調整の複雑さ、メンテナンスの煩雑さ、出力安定性・信頼性の低下などの問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、安価で使い勝手の良いレーザ加工装置を提供することを技術課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１） 透明材料からなる被加工物をレーザ光により加工するレーザ加工装置において、超短パルスのレーザ光であって，前記被加工物に対して過渡的な欠陥準位を形成させ多光子吸収過程による光を吸収する状態に変化させるためのレーザ光を単独では前記被加工物を加工できないエネルギ密度の出力にて発する第１レーザ光源と、該第１レーザ光よりも短い波長のレーザ光であって，前記被加工物に対して前記第１レーザ光より長いパルス幅又は連続光のレーザ光を単独では前記被加工物を加工できないエネルギ密度の出力にて発する第２レーザ光源と、前記第１レーザ光源から出射されるレーザ光と前記第２レーザ光源から出射されるレーザ光とを同軸とするためのダイクロイックミラーと、前記第１レーザ光源からのレーザ光の出射と同時，又は該第１レーザ光源から出射されたレーザ光によって前記被加工物に対して過渡的な欠陥準位が形成され光の吸収率が上昇している照射直後に前記第２光源からレーザ光を出射させて前記ダイクロイックミラーを経た両レーザ光を重畳させるようにレーザ出力のタイミングを制御する制御手段と、を備え、前記両レーザ光を重畳させて照射することにより前記被加工物を加工することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【０００７】
図１において、１は超短パルスレーザ光を発するレーザ光源である。本実施形態では、レーザ光源１として中心波長約８００ｎｍのレーザ光を発するチタンサファイアレーザを使用している。レーザ光のパルス幅は１０フェムト秒〜数十ピコ秒が好ましい。２は１００ピコ秒より長いパルス幅のレーザ光を発するレーザ光源であり、より好ましくはナノ秒より長いのレーザ光とする。また、レーザ光源２が発するレーザ光は、レーザ光源１が発するレーザ光の波長と略同じかそれよりも短い波長が好ましい。本実施形態では、レーザ光源２としてＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波長１０６４ｎｍからその第２高調波である波長５３２ｎｍに波長変換したレーザ光を発するものを使用している。レーザ光源２が発するレーザ光は連続光であっても良い。また、レーザ光源１及び２のレーザ光は、共に加工材料２０に対して光透過性を持つものである。
【０００８】
レーザ光源１からの超短パルスのレーザ光は、ミラー１２、集光レンズ１３から構成される第１導光光学系により被加工物である加工材料２０に導光される。集光レンズ１３は、レーザ光を加工材料２０の内部で微小なスポットサイズに集光する。微細加工においては、集光点でのスポットサイズを小さくするのが有利であり、スポットサイズが小さいほどエネルギ密度も大きくすることができる。例えば、集光点でのスポットサイズが０．５〜５μｍとなる焦点距離を持つ集光レンズ１３を使用する。
【０００９】
また、レーザ光源２からの長パルスのレーザ光は、ミラー１０、ダイクロイックミラー１１、上記の第１導光光学系と共通で使用するミラー１２及び集光レンズ１３から構成される第２導光光学系により、加工材料２０に導光される。ダイクロイックミラー１１は波長８００ｎｍのレーザ光を透過し、波長５３２ｎｍのレーザ光を反射する特性を持つ。
【００１０】
加工材料２０は、例えばガラス材料であり、位置決め装置としてのステージ３０上に置かれている。ステージ３０は水平方向（さらには上下方向）に移動し、加工材料２０に集光されるレーザスポットの位置を相対的に変化させる。また、レーザ光源１、２及びステージ３０は制御ユニット３に接続されており、制御ユニット３は各レーザ光源１、２の出射のタイミング及びステージ３０の移動を制御する。
【００１１】
加工時には、制御ユニット３はステージ３０を駆動し、加工材料２０の加工点を集光レンズ１３の集光位置に移動した後、制御信号を発してレーザ光源１とレーザ光源２を駆動する。レーザ光源１からの超短パルスレーザ光は、ミラー１２、集光レンズ１３を経て加工材料に照射される。また、レーザ光源２からの長パルスレーザ光は、ミラー１０によって反射された後、ダイクロイックミラー１１によって超短パルスレーザ光と同軸にされ、ミラー１２、集光レンズ１３を経て加工材料に照射される。制御ユニット３は、第１導光光学系によるレーザ照射と第２導光光学系によるレーザ照射を重畳させるように、各レーザ光源１，２のレーザ出力のタイミングを制御する。
【００１２】
レーザ光源１からの超短パルスレーザ光及びレーザ光源２からの長パルスレーザ光は、単独では加工材料２０の内部改質あるいは蒸散加工の加工閾値に達しないエネルギ密度の出力である。それぞれ単独でのレーザ光の照射では加工材料２０の加工ができないが、レーザ光源１からの超短パルスのレーザ光を照射すると共に、その照射と同時叉はその直後に第２レーザ光源からの比較的長いパルス幅のレーザ光を重畳させて照射することにより、材料内部に加工を施す。
【００１３】
こうした２つのレーザ照射による加工の動作を、図２を使用して説明する。まず、レーザ光源１からの超短パルスレーザ光を照射することにより（図２（ａ）参照）、本来なら光エネルギを吸収しない透明材料に、多光子吸収過程による吸収が起こるようになる。このとき、透明材料にはカラーセンタ等の過渡的な欠陥（ディフェクト）準位が形成される。この準位により比較的短い時間ではあるが、透明材料が光を吸収する状態に変化する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、透明材料の光の吸収率が一時的に上昇する。
【００１４】
ここで、図２（ｃ）に示す長パルス幅のレーザ光をレーザ光源２から照射する。この長パルス幅のレーザ光を照射するタイミングは、超短パルスレーザの照射を含むように同時叉は超短パルスレーザの照射直後とし、長パルスレーザのパルス時間幅の中に透明材料の吸収率が一時的に上昇した時間が含まれるようにする。図２の例では、先に長パルス幅のレーザ光を照射し、そのパルス時間幅の間に超短パルスレーザ光の照射を含まれるを照射している。透明材料の光の吸収率が上昇した間にレーザ光源２から照射すれば、本来吸収がないはずの透明材料にレーザ光が吸収される。この吸収されるエネルギにより、さらに欠陥準位が持続されることもあり（図２（ｂ）における点線）、長パルスレーザ光のエネルギが効率良く透明材料に伝達される。この結果、エネルギ密度が材料の加工閾値に達することになり、加工（内部改質あるいは蒸散加工）が進むことになる。このため、レーザ光源１は加工材料２０に一時的な欠陥を生じさせる程度のエネルギ密度の出力で良く、光源を大型化させずに済む。
【００１５】
さらに、以上においては、長パルスレーザ光を超短パルスレーザ光の波長以下の短い波長とすることによって、多光子吸収過程に関与する光子の数を少なくすることが可能となり、より吸収され易くなる。その結果として多くのエネルギが材料に有効に吸収される。
【００１６】
図１では超短パルスレーザ光と長パルスレーザ光を同軸に合成し、集光レンズ１３を共用して加工材料２０に照射しているが、それぞれ別の導光光学系を用意し、加工材料２０上で重ねて照射しても良い。このとき、図３に示すように、レーザ光源２の長パルスレーザ光の照射スポットを超短パルスレーザ光の照射スポットより広げると（例えば、シート状に広げて照射する）、超短パルスレーザ光との重なり部分だけで加工が進行することになり、加工位置の制御性を高めることができる。
【００１７】
また、以上の実施形態では被加工物をガラス材料としたが、レーザ光の透過特性を持つものであれば、本発明を好適に適用できる。例えば、生体における眼の角膜組織であっても良い。角膜組織においては、角膜をアブレーションして曲率を変化させ、屈折矯正を行う手術に適用できる。また、ＡｒＦエキシマレーザによる屈折矯正の前処置としての角膜フラップの形成に適用できる。角膜手術の場合、レーザ光のスポットを２次元的叉は３次元的に移動するように走査する光学系を導光光学系に設けて構成すれば良い。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安価で使い勝手の良いレーザ加工装置を実現でき、その装置により効率良く加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図２】２つのレーザ照射による加工の動作を説明する図である。
【図３】長パルスレーザ光の照射スポットを、超短パルスレーザ光の照射スポットより広げて照射する場合を説明する図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ レーザ光源
３ 制御ユニット
１０ ミラー
１１ ダイクロイックミラー
１２ ミラー
１３ 集光レンズ
２０ 加工材料
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光により被加工物の内部改質及び蒸散加工を行うに好適なレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、レーザ光を用いた材料の内部改質及び蒸散加工においては、材料に対して光透過性の波長を有する超短パルスのレーザ光を内部に集光させ、多光子吸収によりエネルギ密度の高い部分で内部改質及び蒸散加工を行う方法が知られている（特表平９−５１１６８８、特開平１１−２６７８６１等）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、材料に特有の加工閾値を超えたネルギ密度を必要とし、出力の大きな超短パルスレーザ光源が必要となる。超短パルスレーザの出力を大きくするためには、特殊な増幅装置をレーザ光源に組み合わせる必要があり、レーザ光源の高コスト化、レーザ光源の大型化によるレーザ装置全体の大型化を招く他、光学系調整の複雑さ、メンテナンスの煩雑さ、出力安定性・信頼性の低下などの問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、安価で使い勝手の良いレーザ加工装置を提供することを技術課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１） 透明材料からなる被加工物をレーザ光により加工するレーザ加工装置において、超短パルスのレーザ光であって，前記被加工物に対して過渡的な欠陥準位を形成させ多光子吸収過程による光を吸収する状態に変化させるためのレーザ光を単独では前記被加工物を加工できないエネルギ密度の出力にて発する第１レーザ光源と、該第１レーザ光よりも短い波長のレーザ光であって，前記被加工物に対して前記第１レーザ光より長いパルス幅又は連続光のレーザ光を単独では前記被加工物を加工できないエネルギ密度の出力にて発する第２レーザ光源と、前記第１レーザ光源から出射されるレーザ光と前記第２レーザ光源から出射されるレーザ光とを同軸とするためのダイクロイックミラーと、前記第１レーザ光源からのレーザ光の出射と同時，又は該第１レーザ光源から出射されたレーザ光によって前記被加工物に対して過渡的な欠陥準位が形成され光の吸収率が上昇している照射直後に前記第２光源からレーザ光を出射させて前記ダイクロイックミラーを経た両レーザ光を重畳させるようにレーザ出力のタイミングを制御する制御手段と、を備え、前記両レーザ光を重畳させて照射することにより前記被加工物を加工することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【０００７】
図１において、１は超短パルスレーザ光を発するレーザ光源である。本実施形態では、レーザ光源１として中心波長約８００ｎｍのレーザ光を発するチタンサファイアレーザを使用している。レーザ光のパルス幅は１０フェムト秒〜数十ピコ秒が好ましい。２は１００ピコ秒より長いパルス幅のレーザ光を発するレーザ光源であり、より好ましくはナノ秒より長いのレーザ光とする。また、レーザ光源２が発するレーザ光は、レーザ光源１が発するレーザ光の波長と略同じかそれよりも短い波長が好ましい。本実施形態では、レーザ光源２としてＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波長１０６４ｎｍからその第２高調波である波長５３２ｎｍに波長変換したレーザ光を発するものを使用している。レーザ光源２が発するレーザ光は連続光であっても良い。また、レーザ光源１及び２のレーザ光は、共に加工材料２０に対して光透過性を持つものである。
【０００８】
レーザ光源１からの超短パルスのレーザ光は、ミラー１２、集光レンズ１３から構成される第１導光光学系により被加工物である加工材料２０に導光される。集光レンズ１３は、レーザ光を加工材料２０の内部で微小なスポットサイズに集光する。微細加工においては、集光点でのスポットサイズを小さくするのが有利であり、スポットサイズが小さいほどエネルギ密度も大きくすることができる。例えば、集光点でのスポットサイズが０．５〜５μｍとなる焦点距離を持つ集光レンズ１３を使用する。
【０００９】
また、レーザ光源２からの長パルスのレーザ光は、ミラー１０、ダイクロイックミラー１１、上記の第１導光光学系と共通で使用するミラー１２及び集光レンズ１３から構成される第２導光光学系により、加工材料２０に導光される。ダイクロイックミラー１１は波長８００ｎｍのレーザ光を透過し、波長５３２ｎｍのレーザ光を反射する特性を持つ。
【００１０】
加工材料２０は、例えばガラス材料であり、位置決め装置としてのステージ３０上に置かれている。ステージ３０は水平方向（さらには上下方向）に移動し、加工材料２０に集光されるレーザスポットの位置を相対的に変化させる。また、レーザ光源１、２及びステージ３０は制御ユニット３に接続されており、制御ユニット３は各レーザ光源１、２の出射のタイミング及びステージ３０の移動を制御する。
【００１１】
加工時には、制御ユニット３はステージ３０を駆動し、加工材料２０の加工点を集光レンズ１３の集光位置に移動した後、制御信号を発してレーザ光源１とレーザ光源２を駆動する。レーザ光源１からの超短パルスレーザ光は、ミラー１２、集光レンズ１３を経て加工材料に照射される。また、レーザ光源２からの長パルスレーザ光は、ミラー１０によって反射された後、ダイクロイックミラー１１によって超短パルスレーザ光と同軸にされ、ミラー１２、集光レンズ１３を経て加工材料に照射される。制御ユニット３は、第１導光光学系によるレーザ照射と第２導光光学系によるレーザ照射を重畳させるように、各レーザ光源１，２のレーザ出力のタイミングを制御する。
【００１２】
レーザ光源１からの超短パルスレーザ光及びレーザ光源２からの長パルスレーザ光は、単独では加工材料２０の内部改質あるいは蒸散加工の加工閾値に達しないエネルギ密度の出力である。それぞれ単独でのレーザ光の照射では加工材料２０の加工ができないが、レーザ光源１からの超短パルスのレーザ光を照射すると共に、その照射と同時叉はその直後に第２レーザ光源からの比較的長いパルス幅のレーザ光を重畳させて照射することにより、材料内部に加工を施す。
【００１３】
こうした２つのレーザ照射による加工の動作を、図２を使用して説明する。まず、レーザ光源１からの超短パルスレーザ光を照射することにより（図２（ａ）参照）、本来なら光エネルギを吸収しない透明材料に、多光子吸収過程による吸収が起こるようになる。このとき、透明材料にはカラーセンタ等の過渡的な欠陥（ディフェクト）準位が形成される。この準位により比較的短い時間ではあるが、透明材料が光を吸収する状態に変化する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、透明材料の光の吸収率が一時的に上昇する。
【００１４】
ここで、図２（ｃ）に示す長パルス幅のレーザ光をレーザ光源２から照射する。この長パルス幅のレーザ光を照射するタイミングは、超短パルスレーザの照射を含むように同時叉は超短パルスレーザの照射直後とし、長パルスレーザのパルス時間幅の中に透明材料の吸収率が一時的に上昇した時間が含まれるようにする。図２の例では、先に長パルス幅のレーザ光を照射し、そのパルス時間幅の間に超短パルスレーザ光の照射を含まれるを照射している。透明材料の光の吸収率が上昇した間にレーザ光源２から照射すれば、本来吸収がないはずの透明材料にレーザ光が吸収される。この吸収されるエネルギにより、さらに欠陥準位が持続されることもあり（図２（ｂ）における点線）、長パルスレーザ光のエネルギが効率良く透明材料に伝達される。この結果、エネルギ密度が材料の加工閾値に達することになり、加工（内部改質あるいは蒸散加工）が進むことになる。このため、レーザ光源１は加工材料２０に一時的な欠陥を生じさせる程度のエネルギ密度の出力で良く、光源を大型化させずに済む。
【００１５】
さらに、以上においては、長パルスレーザ光を超短パルスレーザ光の波長以下の短い波長とすることによって、多光子吸収過程に関与する光子の数を少なくすることが可能となり、より吸収され易くなる。その結果として多くのエネルギが材料に有効に吸収される。
【００１６】
図１では超短パルスレーザ光と長パルスレーザ光を同軸に合成し、集光レンズ１３を共用して加工材料２０に照射しているが、それぞれ別の導光光学系を用意し、加工材料２０上で重ねて照射しても良い。このとき、図３に示すように、レーザ光源２の長パルスレーザ光の照射スポットを超短パルスレーザ光の照射スポットより広げると（例えば、シート状に広げて照射する）、超短パルスレーザ光との重なり部分だけで加工が進行することになり、加工位置の制御性を高めることができる。
【００１７】
また、以上の実施形態では被加工物をガラス材料としたが、レーザ光の透過特性を持つものであれば、本発明を好適に適用できる。例えば、生体における眼の角膜組織であっても良い。角膜組織においては、角膜をアブレーションして曲率を変化させ、屈折矯正を行う手術に適用できる。また、ＡｒＦエキシマレーザによる屈折矯正の前処置としての角膜フラップの形成に適用できる。角膜手術の場合、レーザ光のスポットを２次元的叉は３次元的に移動するように走査する光学系を導光光学系に設けて構成すれば良い。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安価で使い勝手の良いレーザ加工装置を実現でき、その装置により効率良く加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図２】２つのレーザ照射による加工の動作を説明する図である。
【図３】長パルスレーザ光の照射スポットを、超短パルスレーザ光の照射スポットより広げて照射する場合を説明する図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ レーザ光源
３ 制御ユニット
１０ ミラー
１１ ダイクロイックミラー
１２ ミラー
１３ 集光レンズ
２０ 加工材料
Claims (1)
- 透明材料からなる被加工物をレーザ光により加工するレーザ加工装置において、超短パルスのレーザ光であって，前記被加工物に対して過渡的な欠陥準位を形成させ多光子吸収過程による光を吸収する状態に変化させるためのレーザ光を単独では前記被加工物を加工できないエネルギ密度の出力にて発する第１レーザ光源と、該第１レーザ光よりも短い波長のレーザ光であって，前記被加工物に対して前記第１レーザ光より長いパルス幅又は連続光のレーザ光を単独では前記被加工物を加工できないエネルギ密度の出力にて発する第２レーザ光源と、前記第１レーザ光源から出射されるレーザ光と前記第２レーザ光源から出射されるレーザ光とを同軸とするためのダイクロイックミラーと、前記第１レーザ光源からのレーザ光の出射と同時，又は該第１レーザ光源から出射されたレーザ光によって前記被加工物に対して過渡的な欠陥準位が形成され光の吸収率が上昇している照射直後に前記第２光源からレーザ光を出射させて前記ダイクロイックミラーを経た両レーザ光を重畳させるようにレーザ出力のタイミングを制御する制御手段と、を備え、前記両レーザ光を重畳させて照射することにより前記被加工物を加工することを特徴とするレーザ加工装置。
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