JP4286164B2 - レーザ加工モニタリングシステム - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ加工モニタリングシステムに関し、さらに詳しくは、被加工品をレーザにより加工する際に、加工時に発生する信号変化を利用してリアルタイムに加工条件を設定するレーザ加工モニタリングシステムに関するものである。
近年、ショートパルスレーザを使った固体ターゲットの精密マイクロエリア手法に対する注目度が高まっている。この精密マイクロエリア手法によって高品質加工を実現するには、レーザの波長、パルスエネルギー、パルス持続時間、出力密度、繰り返し率などのレーザの条件と、ガスの種類や圧力などのガスの条件を最適化しなければならない。従来では、実際のレーザ加工の中で試行錯誤しながら最適条件を判断するしかなかった。つまり、レーザ照射を終えた後に、くぼみや溝の形状とその容積を顕微鏡で調べ、パラメータを変化させながら最適条件を探ることを行っていた。このような方法は時間がかかり、全体的な作業効率を低くしていた。
これを改善する従来技術として特開平１１−２１８４８９号公報には、レーザ溶接部の品質をプラズマの光強度測定により監視する方法及び装置について開示されている。それによると、レーザビームにより照射された加工物表面の上方の溶接プラズマから放出される光を監視し、このプラズマから放出される光の強度を、品質が合格レベルの溶接部を生じさせる加工及び加工物条件下で決定された放出光の所定値と比較することにより、所定値よりも大きな偏差の監視光強度を不合格溶接部とするとしている。即ち、本発明の方法によれば、発光スペクトルの主要発光ピークに対応する波長の選択された範囲について放出光を監視することにより、レーザ加工の工程内制御を可能とするとしている。
特開平１１−２１８４８９号公報
これを改善する従来技術として特開平１１−２１８４８９号公報には、レーザ溶接部の品質をプラズマの光強度測定により監視する方法及び装置について開示されている。それによると、レーザビームにより照射された加工物表面の上方の溶接プラズマから放出される光を監視し、このプラズマから放出される光の強度を、品質が合格レベルの溶接部を生じさせる加工及び加工物条件下で決定された放出光の所定値と比較することにより、所定値よりも大きな偏差の監視光強度を不合格溶接部とするとしている。即ち、本発明の方法によれば、発光スペクトルの主要発光ピークに対応する波長の選択された範囲について放出光を監視することにより、レーザ加工の工程内制御を可能とするとしている。
しかしながら、レーザ加工の品質とレーザアブレーション現象が基本的には相関しており、レーザアブレーションからの信号を利用すれば、たとえレーザの照射中でもレーザ加工の特性を把握することができると考えられる。このレーザアブレーションからの情報を通じてレーザ加工の特性をリアルタイムで知ることができれば、レーザシステムと光学システムの制御にその情報を反映させ、レーザ加工のための最適条件を作ることができると判断できる。そしてレーザアブレーションからリアルタイムで情報を引き出す新しい方法を、光学的現象、音響的現象、及び電磁的現象の観点から開発しなければならない。そこで従来から、レーザ加工の最適集束条件を判断する音響的手法が提案されているが、音の変化により加工状態を判断するためその音を聞く観測者の主観により判断が異なったり、リアルタイムに判断結果をフィードバックすることが困難であった。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、レーザビーム溶接時の不良溶接を減少させるために、溶接時の被加工品から発生されるプラズマのスペクトル強度、紫外線、又は放射線を観測して、予め設定された最適値と比較してその最適値になるようにレーザビームの強度を決定するものである。しかし、観測する手段が光学的な手段のみで観測するため、観測の位置を厳密に設定しなければならず、必ずしも一義的に正確に最適値を判断することができないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、レーザ加工において被加工品（ターゲット）から発生するターゲットプラズマにより誘導される誘導電流とターゲットスペクトラムのピーク値の変化から、ターゲット表面でのレーザビームの精密集束条件とターゲットのくぼみの深さをリアルタイムにフィードバックすることにより、加工効率の向上と加工精度の向上を実現するレーザ加工モニタリングシステムを提供することを目的とする。
また他の目的は、レーザ加工の性能に影響を与えるレーザ強度、集光度、レーザの波長、パルス幅、及びパルス繰り返し周波数の最適条件を決定することである。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、レーザビーム溶接時の不良溶接を減少させるために、溶接時の被加工品から発生されるプラズマのスペクトル強度、紫外線、又は放射線を観測して、予め設定された最適値と比較してその最適値になるようにレーザビームの強度を決定するものである。しかし、観測する手段が光学的な手段のみで観測するため、観測の位置を厳密に設定しなければならず、必ずしも一義的に正確に最適値を判断することができないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、レーザ加工において被加工品（ターゲット）から発生するターゲットプラズマにより誘導される誘導電流とターゲットスペクトラムのピーク値の変化から、ターゲット表面でのレーザビームの精密集束条件とターゲットのくぼみの深さをリアルタイムにフィードバックすることにより、加工効率の向上と加工精度の向上を実現するレーザ加工モニタリングシステムを提供することを目的とする。
また他の目的は、レーザ加工の性能に影響を与えるレーザ強度、集光度、レーザの波長、パルス幅、及びパルス繰り返し周波数の最適条件を決定することである。
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、レーザ照射により被加工品をモニタしながら加工するレーザ加工モニタリングシステムであって、前記レーザ照射のために所定の波長のレーザを発射するレーザ発射手段と、前記レーザビームの焦点を前記被加工品の所定の位置に合焦する光学手段と、前記被加工品の加工状態を光学的にモニタする光学モニタ手段と、前記レーザビームを導入するビーム導入窓と、ガスを充填するためのガス入出口とを備え、前記被加工品に前記ビーム導入窓から導入したレーザビームを照射中は、前記ガスを前記ガス入出口から所定の量還流させるチャンバと、該チャンバ内で発生したターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流を検出する誘導電流検出手段と、プラズマ発光の時間特性を取得するプラズマ発光時間取得手段と、前記ターゲットプラズマから発せられる連続スペクトル及び線スペクトルを検出するスペクトル検出手段と、前記被加工品を３次元方向に移動する３次元移動手段と、前記誘導電流検出手段、プラズマ発光時間取得手段、及びスペクトル検出手段の信号に基づいて前記光学手段、３次元移動手段及びレーザ発射手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明のレーザ加工モニタリングシステムは、所定のガスを充填したチャンバ内に、３次元移動手段上に正負の電極を載置し、この電極間に被加工品（ターゲット）を配置して、その被加工品にレーザビームをレンズ等の光学手段により合焦するように照射することにより、そのとき発光される被加工品からのプラズマの誘導電流とスペクトル強度を誘導電流検出手段とスペクトル検出手段により検出し、制御手段がそれらの検出信号に基づいて光学手段、３次元移動手段及びレーザ発射手段を制御して被加工品を加工するシステムである。更に、光学的に被加工品の加工状態を静的にあるいは動的にモニタすることができる。尚、ターゲットプラズマとは、ガスブレークダウンプラズマ（以下、ガスプラズマと記す）と区別する意味で、レーザビームをターゲットに照射したときに、ターゲットを構成する原子が高温となり発光されるプラズマを言う。
かかる発明によれば、制御手段が誘導電流検出手段、プラズマ発光時間取得手段、及びスペクトル検出手段の信号に基づいて光学手段、３次元移動手段及びレーザ発射手段を制御する構成なので、被加工品を正確に且つ効率良く加工することができる。
本発明のレーザ加工モニタリングシステムは、所定のガスを充填したチャンバ内に、３次元移動手段上に正負の電極を載置し、この電極間に被加工品（ターゲット）を配置して、その被加工品にレーザビームをレンズ等の光学手段により合焦するように照射することにより、そのとき発光される被加工品からのプラズマの誘導電流とスペクトル強度を誘導電流検出手段とスペクトル検出手段により検出し、制御手段がそれらの検出信号に基づいて光学手段、３次元移動手段及びレーザ発射手段を制御して被加工品を加工するシステムである。更に、光学的に被加工品の加工状態を静的にあるいは動的にモニタすることができる。尚、ターゲットプラズマとは、ガスブレークダウンプラズマ（以下、ガスプラズマと記す）と区別する意味で、レーザビームをターゲットに照射したときに、ターゲットを構成する原子が高温となり発光されるプラズマを言う。
かかる発明によれば、制御手段が誘導電流検出手段、プラズマ発光時間取得手段、及びスペクトル検出手段の信号に基づいて光学手段、３次元移動手段及びレーザ発射手段を制御する構成なので、被加工品を正確に且つ効率良く加工することができる。
請求項２は、前記制御手段は、前記誘導電流検出手段により誘導された電流変化の立ち上がり時間及び強度変化、又は前記スペクトル検出手段により検出されたスペクトルの発光強度を検出しながら、前記３次元移動手段をリアルタイムに調整して前記被加工品の加工を行うことを特徴とする。
誘導電流検出手段により誘導された電流変化は、ターゲットに照射されたレーザビームの時間経過とともに立ち上がり時間及び強度が変化する。また、スペクトル検出手段により検出されたスペクトルの発光強度もそれに伴って変化する。即ち、これらの特性を予め確認しておくことにより、ターゲットの加工状態をリアルタイムに検出することができる。
かかる発明によれば、制御手段は、誘導電流変化の立ち上がり時間及び強度変化、又はスペクトルの発光強度を検出しながら、３次元移動手段をリアルタイムに調整して被加工品の加工を行うので、被加工品の加工を正確に且つ迅速に行うことができる。
請求項３は、前記制御手段は、所定のレーザエネルギーの基では前記正極と負極の電極間に印加する電圧に比例して増加し、前記正極と負極の電極間に印加する所定の電圧の基では前記レーザエネルギーの増加とともに非直線的に増加する性質を有する誘導電流と、前記スペクトル検出手段により検出された前記被加工品の所定のスペクトルの発光強度とを監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定することを特徴とする。
被加工品の材質により発光するスペクトルの波長分布が異なる。例えば、真鍮の場合は銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の合金であるので、夫々の波長のスペクトルが発光される。その中で発光強度が一番強い亜鉛（Ｚｎ）のスペクトルに注目して監視すると、穿孔の深さに応じてスペクトルの強さが減少することが確認されている。また、誘導電流は電極に一定の電圧を印加し、被加工品に所定のレーザエネルギーを与えた場合、被加工品に変化が無ければそのときの誘導電流は一定であるが、被加工品の穿孔の深さに伴って誘導電流も変化する。従ってスペクトルの発光強度と誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定することができる。
かかる発明によれば、制御手段は、誘導電流と、スペクトル検出手段により検出された被加工品の所定のスペクトルの発光強度を監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定するので、簡単な構成により誘導電流と、スペクトルの波長からターゲットの材質に応じた穿孔の深さを推定することができる。
誘導電流検出手段により誘導された電流変化は、ターゲットに照射されたレーザビームの時間経過とともに立ち上がり時間及び強度が変化する。また、スペクトル検出手段により検出されたスペクトルの発光強度もそれに伴って変化する。即ち、これらの特性を予め確認しておくことにより、ターゲットの加工状態をリアルタイムに検出することができる。
かかる発明によれば、制御手段は、誘導電流変化の立ち上がり時間及び強度変化、又はスペクトルの発光強度を検出しながら、３次元移動手段をリアルタイムに調整して被加工品の加工を行うので、被加工品の加工を正確に且つ迅速に行うことができる。
請求項３は、前記制御手段は、所定のレーザエネルギーの基では前記正極と負極の電極間に印加する電圧に比例して増加し、前記正極と負極の電極間に印加する所定の電圧の基では前記レーザエネルギーの増加とともに非直線的に増加する性質を有する誘導電流と、前記スペクトル検出手段により検出された前記被加工品の所定のスペクトルの発光強度とを監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定することを特徴とする。
被加工品の材質により発光するスペクトルの波長分布が異なる。例えば、真鍮の場合は銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の合金であるので、夫々の波長のスペクトルが発光される。その中で発光強度が一番強い亜鉛（Ｚｎ）のスペクトルに注目して監視すると、穿孔の深さに応じてスペクトルの強さが減少することが確認されている。また、誘導電流は電極に一定の電圧を印加し、被加工品に所定のレーザエネルギーを与えた場合、被加工品に変化が無ければそのときの誘導電流は一定であるが、被加工品の穿孔の深さに伴って誘導電流も変化する。従ってスペクトルの発光強度と誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定することができる。
かかる発明によれば、制御手段は、誘導電流と、スペクトル検出手段により検出された被加工品の所定のスペクトルの発光強度を監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定するので、簡単な構成により誘導電流と、スペクトルの波長からターゲットの材質に応じた穿孔の深さを推定することができる。
請求項４は、前記制御手段は、前記誘導電流検出手段により検出された前記被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化が急峻に立ち上がり、且つ早期に減衰する信号が強く発生するときをもって、前記被加工品に前記レーザビームの焦点がタイトフォーカスの状態になったものと推定することを特徴とする。
誘導電流の第１の信号は、レーザを絞り込んで照射するタイトフォーカスの場合に発生し、その信号は急峻に立ち上がりまた早く減衰する。このような信号が強く発生するときをもって、タイトフォーカスの状態でレーザ光が被加工品に照射していることを確認できる。
かかる発明によれば、制御手段は、誘導電流検出手段により検出された被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化が急峻に立ち上がり、且つ早期に減衰する信号が強く発生するときをもって、被加工品にレーザビームの焦点がタイトフォーカスの状態になったと推定するので、被加工品表面がたとえフラットでなくても、誘導電流を監視することによりレンズと被加工品間隔を調整して常にタイトフォーカス状態でレーザを照射することができ、微細加工を効率的に行うことができる。
請求項５は、前記制御手段は、前記誘導電流検出手段により検出された前記被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔が貫通したことを推定することを特徴とする。
ターゲットの穿孔が進みターゲットが貫通した瞬間に誘導電流が大幅に増加することが確認されている。従って、この誘導電流の変化を監視することにより、ターゲットが貫通した瞬間を検知することができる。
かかる発明によれば、制御手段は、誘導電流検出手段により検出された被加工品の誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔が貫通したことを推定するので、目視による冗長性がなくなり正確にターゲットが貫通したことを確認することができ、孔径の精度を高めることができる。
誘導電流の第１の信号は、レーザを絞り込んで照射するタイトフォーカスの場合に発生し、その信号は急峻に立ち上がりまた早く減衰する。このような信号が強く発生するときをもって、タイトフォーカスの状態でレーザ光が被加工品に照射していることを確認できる。
かかる発明によれば、制御手段は、誘導電流検出手段により検出された被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化が急峻に立ち上がり、且つ早期に減衰する信号が強く発生するときをもって、被加工品にレーザビームの焦点がタイトフォーカスの状態になったと推定するので、被加工品表面がたとえフラットでなくても、誘導電流を監視することによりレンズと被加工品間隔を調整して常にタイトフォーカス状態でレーザを照射することができ、微細加工を効率的に行うことができる。
請求項５は、前記制御手段は、前記誘導電流検出手段により検出された前記被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔が貫通したことを推定することを特徴とする。
ターゲットの穿孔が進みターゲットが貫通した瞬間に誘導電流が大幅に増加することが確認されている。従って、この誘導電流の変化を監視することにより、ターゲットが貫通した瞬間を検知することができる。
かかる発明によれば、制御手段は、誘導電流検出手段により検出された被加工品の誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔が貫通したことを推定するので、目視による冗長性がなくなり正確にターゲットが貫通したことを確認することができ、孔径の精度を高めることができる。
請求項６は、前記制御手段は、前記プラズマ発光時間取得手段により検出されたプラズマ発光の時間変化を測定することにより、前記被加工品の加工特性の良、不良を推定することを特徴とする。
アブレーションが熱的仮定を経ることなく急速に起こる時、加工特性は良好となる。その場合は観測される原子の発光の時間変化も急峻となる。即ち、プラズマ発光の時間変化をレーザ加工のモニタリングに利用することができる。
かかる発明によれば、制御手段は、プラズマ発光時間取得手段により検出されたプラズマ発光の時間変化を測定することにより、被加工品の加工特性の良、不良を推定するので、プラズマ発光の立ち上がり時間から被加工品の加工特性の良、不良を判定することができる。
請求項７は、前記誘導電流検出手段は、少なくとも正極と負極の２つの電極と、該電極間に所定の電位を供給する電源と、前記電極間に流れる電流変化を取得する電流変化取得手段とを備え、前記正極と負極の２つの電極の少なくとも一方の電極に開口部を備え、前記開口部を備えた電極から前記レーザビームを導入し、前記被加工品を前記２つの電極の何れか一方の電極寄りに配置すると共に、前記電極間に配置された前記被加工品に前記レーザビームを照射し、それにより発生するターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を前記電流変化取得手段により取得することを特徴とする。
正負の電極の少なくとも一方の電極に開口部を備え、開口部を備えた電極からレーザビームを導入し、ターゲットを２つの電極の何れか一方の電極寄りに配置して両電極に電圧を印加する。そしてその間に置かれたターゲットにレーザビームを照射するとターゲットプラズマが発生する。このプラズマはイオン化されているので、イオン化電流が電極間に流れる。その電流を例えば抵抗を電流のループ内に挿入することにより抵抗の両端から電圧として検出することができる。
かかる発明によれば、電極間に配置された被加工品にレーザビームを照射し、それにより発生するターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を電流変化取得手段により取得するので、被加工品の加工状況をリアルタイムに電流変化として取得することができ、コンピュータによりデータ処理を行うことができる。
アブレーションが熱的仮定を経ることなく急速に起こる時、加工特性は良好となる。その場合は観測される原子の発光の時間変化も急峻となる。即ち、プラズマ発光の時間変化をレーザ加工のモニタリングに利用することができる。
かかる発明によれば、制御手段は、プラズマ発光時間取得手段により検出されたプラズマ発光の時間変化を測定することにより、被加工品の加工特性の良、不良を推定するので、プラズマ発光の立ち上がり時間から被加工品の加工特性の良、不良を判定することができる。
請求項７は、前記誘導電流検出手段は、少なくとも正極と負極の２つの電極と、該電極間に所定の電位を供給する電源と、前記電極間に流れる電流変化を取得する電流変化取得手段とを備え、前記正極と負極の２つの電極の少なくとも一方の電極に開口部を備え、前記開口部を備えた電極から前記レーザビームを導入し、前記被加工品を前記２つの電極の何れか一方の電極寄りに配置すると共に、前記電極間に配置された前記被加工品に前記レーザビームを照射し、それにより発生するターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を前記電流変化取得手段により取得することを特徴とする。
正負の電極の少なくとも一方の電極に開口部を備え、開口部を備えた電極からレーザビームを導入し、ターゲットを２つの電極の何れか一方の電極寄りに配置して両電極に電圧を印加する。そしてその間に置かれたターゲットにレーザビームを照射するとターゲットプラズマが発生する。このプラズマはイオン化されているので、イオン化電流が電極間に流れる。その電流を例えば抵抗を電流のループ内に挿入することにより抵抗の両端から電圧として検出することができる。
かかる発明によれば、電極間に配置された被加工品にレーザビームを照射し、それにより発生するターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を電流変化取得手段により取得するので、被加工品の加工状況をリアルタイムに電流変化として取得することができ、コンピュータによりデータ処理を行うことができる。
請求項８は、前記ターゲットプラズマは、前記レーザビームの出力密度が十分高いときでレーザアブレーションが開始される際に排出される超高速電子と、前記レーザビームの照射の際に前記被加工品の真上で発生する高密度一次プラズマの中に存在する電子と、強い衝撃波が気体の中で拡大するときに二次プラズマの中で発生する電子とから成ることを特徴とする。
一般に、プラズマを小さな管の中に封じ込めると管の中で平らな衝撃波が生じ、高速で前進するジェットのような形をした強い衝撃波が誘発する。この強い衝撃波の背後で電子が生じることは公知である。従って、長く持続する誘導電流の信号はジェット状の強い衝撃波の背後で生じる電子によるものと考えられる。さらに第一成分は、レーザ照射の初期段階で表面から排出される高速電子によるものと考えられる。即ち、ターゲットプラズマに伴う誘導電流信号が３つの起源を持つ電子からなると結論づけることができる。
かかる発明によれば、ターゲットプラズマは、レーザビームの出力密度が十分高いときでレーザアブレーションが開始される際に排出される超高速電子と、レーザビームの照射の際に被加工品の真上で発生する高密度一次プラズマの中に存在する電子と、強い衝撃波が気体の中で拡大するときに二次プラズマの中で発生する電子とから成るので、ターゲットの精密焦点条件を判断するための最適パラメータとして誘導電流信号をレーザ加工に実用化することが実証できる。
一般に、プラズマを小さな管の中に封じ込めると管の中で平らな衝撃波が生じ、高速で前進するジェットのような形をした強い衝撃波が誘発する。この強い衝撃波の背後で電子が生じることは公知である。従って、長く持続する誘導電流の信号はジェット状の強い衝撃波の背後で生じる電子によるものと考えられる。さらに第一成分は、レーザ照射の初期段階で表面から排出される高速電子によるものと考えられる。即ち、ターゲットプラズマに伴う誘導電流信号が３つの起源を持つ電子からなると結論づけることができる。
かかる発明によれば、ターゲットプラズマは、レーザビームの出力密度が十分高いときでレーザアブレーションが開始される際に排出される超高速電子と、レーザビームの照射の際に被加工品の真上で発生する高密度一次プラズマの中に存在する電子と、強い衝撃波が気体の中で拡大するときに二次プラズマの中で発生する電子とから成るので、ターゲットの精密焦点条件を判断するための最適パラメータとして誘導電流信号をレーザ加工に実用化することが実証できる。
請求項１の発明によれば、制御手段が誘導電流検出手段、プラズマ発光時間取得手段、及びスペクトル検出手段の信号に基づいて光学手段、３次元移動手段及びレーザ発射手段を制御する構成なので、被加工品を正確に且つ効率良く加工することができる。
また請求項２では、制御手段は、誘導電流変化の立ち上がり時間及び強度変化、又はスペクトルの発光強度を検出しながら、３次元移動手段をリアルタイムに調整して被加工品の加工を行うので、被加工品の加工を正確に且つ迅速に行うことができる。
また請求項３では、制御手段は、スペクトル検出手段により検出された被加工品の所定のスペクトルの発光強度と誘導電流とを監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定するので、簡単な構成によりスペクトルの波長からターゲットの材質に応じた穿孔の深さを推定することができる。
また請求項４では、制御手段は、誘導電流検出手段により検出された被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化が急峻に立ち上がり、且つ早期に減衰する信号が強く発生するときをもって、被加工品にレーザビームの焦点がタイトフォーカスの状態になったと推定するので、被加工品表面がたとえフラットでなくても、誘導電流を監視することによりレンズと被加工品間隔を調整して常にタイトフォーカス状態でレーザを照射することができ、微細加工を効率的に行うことができる。
また請求項５では、制御手段は、誘導電流検出手段により検出された被加工品の誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔が貫通したことを推定するので、目視による冗長性がなくなり正確にターゲットが貫通したことを確認することができ、孔径の精度を高めることができる。
また請求項６では、制御手段は、プラズマ発光時間取得手段により検出されたプラズマ発光の時間変化を測定することにより、被加工品の加工特性の良、不良を推定するので、プラズマ発光の立ち上がり時間から被加工品の加工特性の良、不良を判定することができる。
また請求項２では、制御手段は、誘導電流変化の立ち上がり時間及び強度変化、又はスペクトルの発光強度を検出しながら、３次元移動手段をリアルタイムに調整して被加工品の加工を行うので、被加工品の加工を正確に且つ迅速に行うことができる。
また請求項３では、制御手段は、スペクトル検出手段により検出された被加工品の所定のスペクトルの発光強度と誘導電流とを監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定するので、簡単な構成によりスペクトルの波長からターゲットの材質に応じた穿孔の深さを推定することができる。
また請求項４では、制御手段は、誘導電流検出手段により検出された被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化が急峻に立ち上がり、且つ早期に減衰する信号が強く発生するときをもって、被加工品にレーザビームの焦点がタイトフォーカスの状態になったと推定するので、被加工品表面がたとえフラットでなくても、誘導電流を監視することによりレンズと被加工品間隔を調整して常にタイトフォーカス状態でレーザを照射することができ、微細加工を効率的に行うことができる。
また請求項５では、制御手段は、誘導電流検出手段により検出された被加工品の誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔が貫通したことを推定するので、目視による冗長性がなくなり正確にターゲットが貫通したことを確認することができ、孔径の精度を高めることができる。
また請求項６では、制御手段は、プラズマ発光時間取得手段により検出されたプラズマ発光の時間変化を測定することにより、被加工品の加工特性の良、不良を推定するので、プラズマ発光の立ち上がり時間から被加工品の加工特性の良、不良を判定することができる。
また請求項７では、電極間に配置された被加工品にレーザビームを照射し、それにより発生するターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を電流変化取得手段により取得するので、被加工品の加工状況をリアルタイムに電流変化として取得することができ、コンピュータによりデータ処理を行うことができる。
また請求項８では、ターゲットプラズマは、レーザビームの出力密度が十分高いときでレーザアブレーションが開始される際に排出される超高速電子と、レーザビームの照射の際に被加工品の真上で発生する高密度一次プラズマの中に存在する電子と、強い衝撃波が気体の中で拡大するときに二次プラズマの中で発生する電子とから成るので、ターゲットの精密焦点条件を判断するための最適パラメータとして誘導電流信号をレーザ加工に実用化することが実証できる。
また請求項８では、ターゲットプラズマは、レーザビームの出力密度が十分高いときでレーザアブレーションが開始される際に排出される超高速電子と、レーザビームの照射の際に被加工品の真上で発生する高密度一次プラズマの中に存在する電子と、強い衝撃波が気体の中で拡大するときに二次プラズマの中で発生する電子とから成るので、ターゲットの精密焦点条件を判断するための最適パラメータとして誘導電流信号をレーザ加工に実用化することが実証できる。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
まず、本発明の実施例を説明する前に、実験装置により本発明の有効性を説明する。これにより本発明のレーザ加工モニタリングシステムが従来にない新規な特徴を有するシステムであることが理解できるはずである。
図１は、本発明の電磁的手法と光学的手法によるガスプラズマ特性研究に用いた実験装置の上面図である。この実験装置１００は、レーザ照射のために所定の波長のレーザを発射するＮｄ−ＹＡＧレーザ１と、レーザビーム２４を分離するピームスプリッタ２と、ピームスプリッタ２により反射されたレーザビーム２４を検出するバイプレナー光電管３と、レーザビーム２４に含まれる紫外波長（３５５ｎｍ）のレーザ光を吸収してエネルギーを減衰させるガラス減衰器４と、レーザビーム２４の焦点を所定の位置に合焦するレンズ５と、所定の成分からなるガスを密封するチャンバ２０と、このチャンバ２０内で発生したガスプラズマ１７中の電子・イオンによる誘導電流を検出する誘導電流検出回路１３と、プラズマ発光の時間特性を取得するモノクロメータ１２と、ガスプラズマ１７から発せられる連続スペクトルを検出する光学多重チャネルアナライザ（以下、ＯＭＡと記す）システム１１と、誘導電流検出回路１３とモノクロメータ１２の信号をモニタするデジタルオシロスコープ（以下、オシロスコープと記す）１５と、ＯＭＡシステム１１の信号をモニタする表示モニタ１６とを備えて構成される。尚、チャンバ２０はレーザビームを導入する石英窓６と２つの石英窓７、９を備え、更にガスを入出するガス入口１８とガス出口１９を備えている。そして内部に２枚の電極２１、２２を配置している。また、モノクロメータ１２は光ファイバ８により光を導入し、ＯＭＡシステム１１は光ファイバ１０により光を導入する構成となっている。また、オシロスコープ１５はバイプレナー光電管３からの信号を外部同期信号として入力している。また、誘導電流検出回路１３は例えば挿入図２３のように、電源２３ａとコンデンサＣ２３ｃを並列に接続し、マイナス側をグランドとして抵抗Ｒ２３ｂを介してオシロスコープ１５に接続される。そして電源２３ａのプラス側を電極２１に接続し、抵抗Ｒ２３ｂを介してマイナス側を電極２２に接続する。
まず、本発明の実施例を説明する前に、実験装置により本発明の有効性を説明する。これにより本発明のレーザ加工モニタリングシステムが従来にない新規な特徴を有するシステムであることが理解できるはずである。
図１は、本発明の電磁的手法と光学的手法によるガスプラズマ特性研究に用いた実験装置の上面図である。この実験装置１００は、レーザ照射のために所定の波長のレーザを発射するＮｄ−ＹＡＧレーザ１と、レーザビーム２４を分離するピームスプリッタ２と、ピームスプリッタ２により反射されたレーザビーム２４を検出するバイプレナー光電管３と、レーザビーム２４に含まれる紫外波長（３５５ｎｍ）のレーザ光を吸収してエネルギーを減衰させるガラス減衰器４と、レーザビーム２４の焦点を所定の位置に合焦するレンズ５と、所定の成分からなるガスを密封するチャンバ２０と、このチャンバ２０内で発生したガスプラズマ１７中の電子・イオンによる誘導電流を検出する誘導電流検出回路１３と、プラズマ発光の時間特性を取得するモノクロメータ１２と、ガスプラズマ１７から発せられる連続スペクトルを検出する光学多重チャネルアナライザ（以下、ＯＭＡと記す）システム１１と、誘導電流検出回路１３とモノクロメータ１２の信号をモニタするデジタルオシロスコープ（以下、オシロスコープと記す）１５と、ＯＭＡシステム１１の信号をモニタする表示モニタ１６とを備えて構成される。尚、チャンバ２０はレーザビームを導入する石英窓６と２つの石英窓７、９を備え、更にガスを入出するガス入口１８とガス出口１９を備えている。そして内部に２枚の電極２１、２２を配置している。また、モノクロメータ１２は光ファイバ８により光を導入し、ＯＭＡシステム１１は光ファイバ１０により光を導入する構成となっている。また、オシロスコープ１５はバイプレナー光電管３からの信号を外部同期信号として入力している。また、誘導電流検出回路１３は例えば挿入図２３のように、電源２３ａとコンデンサＣ２３ｃを並列に接続し、マイナス側をグランドとして抵抗Ｒ２３ｂを介してオシロスコープ１５に接続される。そして電源２３ａのプラス側を電極２１に接続し、抵抗Ｒ２３ｂを介してマイナス側を電極２２に接続する。
次に本発明の実験装置の概略動作について説明する。パルス持続時間７ｎｓのＱスイッチＮｄ−ＹＡＧレーザ（Surelite lasers continuum、811U-06モデル）１を３５５ｎｍ（第３高調波振動）にて、繰り返し率１０Ｈｚで作動させた。また最大パルスエネルギーは５０ｍＪで、パルスエネルギーは実験の内容に応じてガラス減衰器４を使って変化させた（２〜５０ｍＪ）。レーザビームを石英窓６越しにレンズ（ｆ＝７０ｍｍ）５を使ってチャンバ２０の中で集束させ、ガスプラズマ１７を形成した。このチャンバ２０はアクリル板（１００ｍｍ×５０ｍｍ×７０ｍｍ）でできており、ガスを流すための入口１８と出口１９を備え、さらにプラズマ発光を観察するための石英窓８、９を備える。この実験では主に清浄空気（Ｎ２：７９％、Ｏ２：２１％、不純物０．１％未満）とＨｅガスを使用し、チャンバ２０には１大気圧までガスを充填した。
プラズマスペクトルを得るため、１２００溝／ｍｍの高解能用格子と、１５０溝／ｍｍの低解能用格子を備える焦点距離０．３２ｍの分光器写真器と、イメージインテンシファイアを備える１０２４チャンネル光ダイオード検出器とからなるＯＭＡシステム１１（Atago Macs-320）を使ってプラズマ発光を検出した。ガスプラズマ１７から発せられる光は光ファイバ１０で回収し、ＯＭＡシステム１１の中に送り込んだ。また発光の時間特性を得るため、もうひとつの光ファイバ８を使用し、同光ファイバ８の一端はモノクロメータ１２（Nikon P-250）の差し込み口（スリット）前面に固定した。その光信号を高速の光電子倍増管（ＰＭＴ）１４（Hamamatsu R7400U-04、立ち上がり時間０．７８ｎｓ）で検出し、オシロスコープ１５（HP 5461B）に入力した。
また光学的検出手法に加え電磁的手法も用いた。図１に示すように、従来どおりの実験のため、それぞれ中央に穴２１ａ、２２ａ（プラス電極２１の穴２１ａはφ＝３ｍｍ、マイナス電極２２の穴２２ａはφ＝４ｍｍ）がある平らな板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）でできた電極２１、２２を、１．５ｃｍ隔ててチャンバ２０内に配置した。これらの電極を図１の２３に描かれた回路に接続し、５０〜７００Ｖ範囲のＤＣ電圧を供給した。２電極の中間でガスプラズマ１７を発生させるため、レーザビーム２４はプラス電極２１の穴２１ａを通じて集束させた。その誘導電流信号を５０オームの抵抗Ｒ２３ｂを介して入力し、オシロスコープ１５（Ｃｈ．１）に送った。オシロスコープ１５は、バイプレナー光電管３（Hamamatsu R1193U-51）を利用しＮｄ−ＹＡＧレーザ２４の起動信号により外部同期をかけて使用した。
プラズマスペクトルを得るため、１２００溝／ｍｍの高解能用格子と、１５０溝／ｍｍの低解能用格子を備える焦点距離０．３２ｍの分光器写真器と、イメージインテンシファイアを備える１０２４チャンネル光ダイオード検出器とからなるＯＭＡシステム１１（Atago Macs-320）を使ってプラズマ発光を検出した。ガスプラズマ１７から発せられる光は光ファイバ１０で回収し、ＯＭＡシステム１１の中に送り込んだ。また発光の時間特性を得るため、もうひとつの光ファイバ８を使用し、同光ファイバ８の一端はモノクロメータ１２（Nikon P-250）の差し込み口（スリット）前面に固定した。その光信号を高速の光電子倍増管（ＰＭＴ）１４（Hamamatsu R7400U-04、立ち上がり時間０．７８ｎｓ）で検出し、オシロスコープ１５（HP 5461B）に入力した。
また光学的検出手法に加え電磁的手法も用いた。図１に示すように、従来どおりの実験のため、それぞれ中央に穴２１ａ、２２ａ（プラス電極２１の穴２１ａはφ＝３ｍｍ、マイナス電極２２の穴２２ａはφ＝４ｍｍ）がある平らな板（２５ｍｍ×２５ｍｍ）でできた電極２１、２２を、１．５ｃｍ隔ててチャンバ２０内に配置した。これらの電極を図１の２３に描かれた回路に接続し、５０〜７００Ｖ範囲のＤＣ電圧を供給した。２電極の中間でガスプラズマ１７を発生させるため、レーザビーム２４はプラス電極２１の穴２１ａを通じて集束させた。その誘導電流信号を５０オームの抵抗Ｒ２３ｂを介して入力し、オシロスコープ１５（Ｃｈ．１）に送った。オシロスコープ１５は、バイプレナー光電管３（Hamamatsu R1193U-51）を利用しＮｄ−ＹＡＧレーザ２４の起動信号により外部同期をかけて使用した。
次に図１と同じ設備を使用し、ターゲットプラズマに対し同様の実験を行った。図２は棒状ターゲット２５（ロッド）と電極の構成部分を示す実験装置１００の側面図である。同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。具体的には、プラス電極２１とマイナス電極２２の間に小さな棒状サンプル２５（φ＝２ｍｍ）を置き、このサンプル２５はマイナス電極２２側に若干ずらし、レーザビーム２４はプラス電極２１の穴２１ａを通じて棒状サンプル２５の表面で集束させ、デジタルカメラ（Olympus C-2500L）を使ってターゲットプラズマ２６の写真を撮影した。
図３は、ガスプラズマによる連続スペクトル発光と誘導電流のタイムプロファイルを示す図である。縦軸に信号の強度を表し、横軸に時間を表す。１ａｔｍ（１．０１３×１０５Ｐａ）の清浄空気ガスの中で、７００Ｖの電位差で１０ｍＪのレーザパルスを電極間の空間で集束させてガスプラズマを発生させた。この図は、時間の経過に沿ったレーザパルスの推移も示している。誘導電流信号３１は、レーザパルス３０の開始から１ｎｓ未満の遅れを経て上昇した。そして誘導電流信号３１は５ｎｓでピークに達し、すぐさま減衰し、その後数回の上昇を経た後に約６０ｎｓ以内に消滅した。図３では、時間の経過に沿った誘導電流信号３１の推移と５５６ｎｍでの連続スペクトル発光３２のそれが、上昇と減衰の点でほぼ同じであることがわかる。
図３は、ガスプラズマによる連続スペクトル発光と誘導電流のタイムプロファイルを示す図である。縦軸に信号の強度を表し、横軸に時間を表す。１ａｔｍ（１．０１３×１０５Ｐａ）の清浄空気ガスの中で、７００Ｖの電位差で１０ｍＪのレーザパルスを電極間の空間で集束させてガスプラズマを発生させた。この図は、時間の経過に沿ったレーザパルスの推移も示している。誘導電流信号３１は、レーザパルス３０の開始から１ｎｓ未満の遅れを経て上昇した。そして誘導電流信号３１は５ｎｓでピークに達し、すぐさま減衰し、その後数回の上昇を経た後に約６０ｎｓ以内に消滅した。図３では、時間の経過に沿った誘導電流信号３１の推移と５５６ｎｍでの連続スペクトル発光３２のそれが、上昇と減衰の点でほぼ同じであることがわかる。
次に図示を省略するが、空気の代わりにＨｅガスを使ってガスプラズマの実験を行った。そのプラズマは薄く小さく（長さ約２ｍｍ）、Ｈｅ原子輝線（５８７．６ｎｍ）のため非常に弱いオレンジ色を発することが肉眼で観察される。つまり、Ｈｅの場合、連続スペクトル発光は看過しうるほど弱いが、空気の場合は、強い連続スペクトル発光を発する青白いマイクロプラズマが観察された。
図３に示すように、誘導電流信号３１のタイムプロファイルと連続スペクトル発光３２のそれは、上昇と減衰の点でほぼ同じである。この一致は、それぞれの信号の原因を考えることで十分に理解することができる。即ち、気体の中でレーザ光線が集束するときには、レーザ光線と、ガスプラズマを形成する多光子イオン化過程を通じて生じる最初の電子との相互作用によってイオン化が進み、そのプラズマ中の電子が電場の下で誘導電流に寄与するということである。他方、ガスプラズマは、電子−イオン再結合過程もしくは制動発光過程（Bremsstrahlung Process）を通じて連続スペクトルを発する。気体励起領域において電子が完全に消失する場合には連続発光は起こらないし、レーザ集束領域に存在する励起された原子によって線スペクトル発光が残っていたとしても、誘導電流は流れない。したがって、誘導電流の減衰と連続発光は一致するのである。
また誘導電流の原因を理解するには、電離発光によって電子が発生する電離箱の原理を想起すると良い。電離箱の中では、与えられる電場によって電子が陽極に向けて押しやられることで回路の中で電流を誘発する。誘導電流は普通、この電子の動きの結果として、電子が陽極に到達する前に、回路の中に出現するということを了解しなければならない。また、電極と電極との間のレーザプラズマで自由電子が発生するときにも同様のプロセスが起こると仮定する。この場合、電子の数と電子の平均自由行程の両方が誘導電流の大きさを左右する。
今回の実験で、電場の方向を逆にしても、つまりプラス電極２１を負極に接続し、マイナス電極２２を正極に接続しても、誘導電流信号に変化が見られなかった。この結果を踏まえ、プラズマ膨張は強いデトネーション波によるものでないと仮定された。もしもプラズマ膨張の原因が強いデトネーション波なら、電極の極性を変えたときに誘導電流信号が変化したはずである。なぜなら、デトネーション波はレーザビームの伝播に対立しながら一方向に伝播し、そのデトネーション波によってイオン化が進み自由電子が形成されるからである。
図３に示すように、誘導電流信号３１のタイムプロファイルと連続スペクトル発光３２のそれは、上昇と減衰の点でほぼ同じである。この一致は、それぞれの信号の原因を考えることで十分に理解することができる。即ち、気体の中でレーザ光線が集束するときには、レーザ光線と、ガスプラズマを形成する多光子イオン化過程を通じて生じる最初の電子との相互作用によってイオン化が進み、そのプラズマ中の電子が電場の下で誘導電流に寄与するということである。他方、ガスプラズマは、電子−イオン再結合過程もしくは制動発光過程（Bremsstrahlung Process）を通じて連続スペクトルを発する。気体励起領域において電子が完全に消失する場合には連続発光は起こらないし、レーザ集束領域に存在する励起された原子によって線スペクトル発光が残っていたとしても、誘導電流は流れない。したがって、誘導電流の減衰と連続発光は一致するのである。
また誘導電流の原因を理解するには、電離発光によって電子が発生する電離箱の原理を想起すると良い。電離箱の中では、与えられる電場によって電子が陽極に向けて押しやられることで回路の中で電流を誘発する。誘導電流は普通、この電子の動きの結果として、電子が陽極に到達する前に、回路の中に出現するということを了解しなければならない。また、電極と電極との間のレーザプラズマで自由電子が発生するときにも同様のプロセスが起こると仮定する。この場合、電子の数と電子の平均自由行程の両方が誘導電流の大きさを左右する。
今回の実験で、電場の方向を逆にしても、つまりプラス電極２１を負極に接続し、マイナス電極２２を正極に接続しても、誘導電流信号に変化が見られなかった。この結果を踏まえ、プラズマ膨張は強いデトネーション波によるものでないと仮定された。もしもプラズマ膨張の原因が強いデトネーション波なら、電極の極性を変えたときに誘導電流信号が変化したはずである。なぜなら、デトネーション波はレーザビームの伝播に対立しながら一方向に伝播し、そのデトネーション波によってイオン化が進み自由電子が形成されるからである。
図４は、１ａｔｍのＨｅガスの中で、７００Ｖの電圧差で５０ｍＪのレーザパルスを電極間の空間で集束したときの誘導電流信号と発光のタイムプロファイルである。この誘導電流信号３５のグラフは、空気中で観察したものと異なることが見てとれる。つまりＨｅの場合、誘導電流信号３５はピークに達した後に非常に遅い減衰成分を見せながら減少している。この誘導電流信号３５は６μｓあたりまで持続することを確認した。また、Ｈｅ輝線（５８７．６ｎｍ）のグラフ３６が、空気中での発光グラフから大きく異なることもわかる。つまり、上昇時間約６ｎｓの上昇スロープはとても緩やかで、誘導電流信号３５と同様にゆっくりと減衰している。発光も６μｓ近辺まで続いた。
図４に示すように、Ｈｅガスの場合の誘導電流信号３５の減衰時間は空気の場合に比べてかなり長い。誘導電流の長い寿命は、プラズマの中に存在する自由電子の長い寿命を示唆する。なぜなら、誘導電流の起源は自由電子にあるからである。電子の寿命が長いのはおそらく、Ｈｅの場合、電子の平均自由行程が長いからであり（１ａｔｍ、０℃でλｇ＝１７．７×１０−６ｃｍ）、空気中だと電子の平均自由行程は短い（λｇ＝６．０６×１０−６ｃｍ）。他方、空気の場合は上述のとおり、電子が移動するときの電子−イオン再結合によって誘導電流信号は急速に減衰する。今回の実験で、ガスブレークダウンから得られた誘導電流信号の符合は常に正である。これは、電子が常に外部電場に従って一方に向かって動くことを意味する。電子雲と正イオン雲とのミスマッチに起因する内部電場はやや弱く、外部電場に比べれば取るに足らないと仮定する。そしてプラズマの密度がより高ければ、変動する信号、すなわち正および負の符合が現れるであろう。
またＨｅガスで自由電子の寿命が長いことについて考えられる更なる理由は、ＨｅガスプラズマにおけるＨｅの準安定状態であり、その励起エネルギーは１９．８ｅＶである。Ｈｅの準安定状態とイオン化状態との間のエネルギー格差が４ｅＶと低いことを考慮に入れるべきである。したがってイオン化は、プラズマの熱エネルギーを受けながらＨｅの準安定状態から継続すると仮定することができる。Ｈｅの準安定原子からの自由電子形成のメカニズムについてもうひとつ考えられることは、２つの準安定原子が衝突しＨｅイオンと電子の形成を招くことである。
図４に示すように、Ｈｅガスの場合の誘導電流信号３５の減衰時間は空気の場合に比べてかなり長い。誘導電流の長い寿命は、プラズマの中に存在する自由電子の長い寿命を示唆する。なぜなら、誘導電流の起源は自由電子にあるからである。電子の寿命が長いのはおそらく、Ｈｅの場合、電子の平均自由行程が長いからであり（１ａｔｍ、０℃でλｇ＝１７．７×１０−６ｃｍ）、空気中だと電子の平均自由行程は短い（λｇ＝６．０６×１０−６ｃｍ）。他方、空気の場合は上述のとおり、電子が移動するときの電子−イオン再結合によって誘導電流信号は急速に減衰する。今回の実験で、ガスブレークダウンから得られた誘導電流信号の符合は常に正である。これは、電子が常に外部電場に従って一方に向かって動くことを意味する。電子雲と正イオン雲とのミスマッチに起因する内部電場はやや弱く、外部電場に比べれば取るに足らないと仮定する。そしてプラズマの密度がより高ければ、変動する信号、すなわち正および負の符合が現れるであろう。
またＨｅガスで自由電子の寿命が長いことについて考えられる更なる理由は、ＨｅガスプラズマにおけるＨｅの準安定状態であり、その励起エネルギーは１９．８ｅＶである。Ｈｅの準安定状態とイオン化状態との間のエネルギー格差が４ｅＶと低いことを考慮に入れるべきである。したがってイオン化は、プラズマの熱エネルギーを受けながらＨｅの準安定状態から継続すると仮定することができる。Ｈｅの準安定原子からの自由電子形成のメカニズムについてもうひとつ考えられることは、２つの準安定原子が衝突しＨｅイオンと電子の形成を招くことである。
図４に示すように、Ｈｅ発光３６（５８７．６ｎｍ）の上昇はゆっくりと起こる。これはおそらく、Ｈｅ発光を起す励起状態がレーザ照射そのものによって生じるのではなく、レーザ照射時の多光子過程によって生じる自由電子とＨｅイオンとの再結合過程を通じて生じるからである。
またＨｅ発光３６（５８７．６ｎｍ）を担う励起状態が再結合過程を通じて生じるときには時間のずれがあり、そのずれゆえにＨｅ発光３６の上昇が緩やかになると考えるのが自然である。一方、発光の減衰を示すタイムプロファイルと長い減衰時間を持つ誘導電流のそれはほぼ一致するのだが、このことも、前述と同様にＨｅの準安定状態が果たす役割を考慮することによって説明できる。つまり、５８７．６ｎｍ発光を引き起こすＨｅの励起状態は、長い寿命を持つ準安定Ｈｅから供給されるＨｅイオンと電子との再結合過程を通じて発生するのである。
図５は、清浄空気ガスの中でプラズマを発生させた場合に、５２ｍＪ（符号４２）、２７ｍＪ（符号４１）、７ｍＪ（符号４０）の３通りのパルスエネルギーで、誘導電流信号が供給電圧にいかに左右されるかを示している図である。縦軸に誘導電流の強度を表し、横軸は電極の供給電圧を表す。この図から誘導電流と供給電圧との間でほぼ直線の関係が成立していることがわかる。また、パルスエネルギーが大きくなるほどその勾配が大きくなるのが分る。
図５に示すように、誘導電流信号は供給電圧とともに直線的に増加する。電子はプラズマの中を移動するための力を電場から十分に受け取るため、これは必然的な結果である。この直線的関係を踏まえ、たとえプラズマが非常に小さくても電極間に高電圧を供給すれば十分な誘導電流信号が得られるということが分る。
またＨｅ発光３６（５８７．６ｎｍ）を担う励起状態が再結合過程を通じて生じるときには時間のずれがあり、そのずれゆえにＨｅ発光３６の上昇が緩やかになると考えるのが自然である。一方、発光の減衰を示すタイムプロファイルと長い減衰時間を持つ誘導電流のそれはほぼ一致するのだが、このことも、前述と同様にＨｅの準安定状態が果たす役割を考慮することによって説明できる。つまり、５８７．６ｎｍ発光を引き起こすＨｅの励起状態は、長い寿命を持つ準安定Ｈｅから供給されるＨｅイオンと電子との再結合過程を通じて発生するのである。
図５は、清浄空気ガスの中でプラズマを発生させた場合に、５２ｍＪ（符号４２）、２７ｍＪ（符号４１）、７ｍＪ（符号４０）の３通りのパルスエネルギーで、誘導電流信号が供給電圧にいかに左右されるかを示している図である。縦軸に誘導電流の強度を表し、横軸は電極の供給電圧を表す。この図から誘導電流と供給電圧との間でほぼ直線の関係が成立していることがわかる。また、パルスエネルギーが大きくなるほどその勾配が大きくなるのが分る。
図５に示すように、誘導電流信号は供給電圧とともに直線的に増加する。電子はプラズマの中を移動するための力を電場から十分に受け取るため、これは必然的な結果である。この直線的関係を踏まえ、たとえプラズマが非常に小さくても電極間に高電圧を供給すれば十分な誘導電流信号が得られるということが分る。
図６は、清浄空気ガスの中でプラズマを発生させる場合に誘導電流信号がレーザパルスエネルギーにいかに左右されるかを示している図である。縦軸に誘導電流の強度を表し、横軸はパルスエネルギーを表す。５７Ｖ（符号４５）、３５２Ｖ（符号４６）、７０８Ｖ（符号４７）の３通りの電圧でデータを収集した。誘導電流信号がパルスエネルギーとともに上昇し、２ｍＪのしきいエネルギーの後に非直線の曲線の傾向を示していることがわかる。同じ実験をＨｅガスを使って行ったときにも同様の特性が観察された。ただしＨｅガスの場合、レーザプラズマ発生のためのしきいエネルギーは約９ｍＪで、空気のそれよりも大きい。さらに音響信号がレーザエネルギーにいかに左右されるかを調べるため、マイクロフォンを使ったプラズマの音響的測定も試みた。その結果、しきい値から２５ｍＪにかけて信号がエネルギーとともに直線的に増加し、その後飽和傾向が顕著になることが確認された。
図６に示すように、誘導電流信号はやや非直線的な特性を見せながらレーザパルスエネルギーとともに増加する。イオン化は多光子過程を通じて起こるため、パルスエネルギーの範囲を広げれば、この非直線的特性はよりいっそう顕著になるであろう。
次にガスプラズマによる誘導電流の手法を通常のターゲットプラズマにまで拡張することを試みた。そこで、直径２ｍｍの棒状（ロッド）のターゲットを、電極間の空間の電場の妨げとならないよう、図２に示すように電極間に配置したのは前述したとおりである。図７（ａ）は、１ａｔｍの雰囲気ガスが空気の中で真鍮製ロッドの表面で１０ｍＪのレーザパルスを集束させたときに撮影したプラズマのイメージである。図７（ｂ）は、レーザビームの貫通が起こった後に撮影したプラズマのイメージである。図７（ｃ）は、レーザビームを鉄製ロッド上で集束させたときのプラズマのイメージである。図７（ｂ）および図７（ｃ）については後述する。
図６に示すように、誘導電流信号はやや非直線的な特性を見せながらレーザパルスエネルギーとともに増加する。イオン化は多光子過程を通じて起こるため、パルスエネルギーの範囲を広げれば、この非直線的特性はよりいっそう顕著になるであろう。
次にガスプラズマによる誘導電流の手法を通常のターゲットプラズマにまで拡張することを試みた。そこで、直径２ｍｍの棒状（ロッド）のターゲットを、電極間の空間の電場の妨げとならないよう、図２に示すように電極間に配置したのは前述したとおりである。図７（ａ）は、１ａｔｍの雰囲気ガスが空気の中で真鍮製ロッドの表面で１０ｍＪのレーザパルスを集束させたときに撮影したプラズマのイメージである。図７（ｂ）は、レーザビームの貫通が起こった後に撮影したプラズマのイメージである。図７（ｃ）は、レーザビームを鉄製ロッド上で集束させたときのプラズマのイメージである。図７（ｂ）および図７（ｃ）については後述する。
図８（ａ）は、図７（ａ）と同様の条件で得た５４０ｎｍでの連続スペクトル発光と誘導電流のタイムプロファイルである。縦軸は相対強度を表し、横軸は時間を表す。ガスプラズマの場合と同様に、電極には７００Ｖの電圧を供給した。同じ実験を空気の変わりにＨｅガスを使って行った。図８（ｂ）はその結果を示す。雰囲気ガスがＨｅの中でターゲットプラズマから得られる誘導電流信号５３のピーク強度が、雰囲気ガスが空気の誘導電流信号５１よりも４倍から５倍大きいことがわかる。雰囲気ガスが空気の中にわずか１０％のＨｅを加えただけでもピーク信号が２倍程度強くなることもわかった。これらの結果に加え、ガスプラズマの場合と同様、ターゲットプラズマにおいても誘導電流の強度が供給電圧とともにほぼ直線的に増加することが確認された。
図３および図４と図８（ａ）および図８（ｂ）をそれぞれ比較すると、ターゲットプラズマの場合の誘導電流のピーク強度がガスプラズマの場合のそれよりも遥かに高いことがわかる。ガスプラズマの場合、多光子イオン化の見込みは極めて低く、レーザパルスエネルギーのほとんどは吸収されずに集束点を通過するため当然である。したがって、気体内の集束レーザによって生じる電子の数はやや少なく、その結果、誘導電流信号は低くなる。ところがターゲットプラズマの場合、レーザエネルギーのほとんどは吸収され、ターゲットプラズマに移され、ターゲットから周囲の気体に向けて多数の高速電子が推し出される。
また雰囲気ガスがＨｅ（図８（ｂ））で得られる誘導電流信号５３のピーク強度が雰囲気ガスが空気（図８（ａ））の誘導電流信号５１を大きく上回る理由は、おそらく、Ｈｅガスにおける電子の平均自由行程が空気中でのそれよりも長いからである。
図９は、雰囲気ガスがＨｅの中でプラスチック製のロッドターゲット上で１０ｍＪのレーザパルスを集束させて得られた誘導電流信号を示している図である。ターゲットの素材に応じ、ピーク強度と上昇信号（第２ピークと第３ピーク）の点で、誘導電流信号５４のグラフにある程度の違いが生じていることがわかる。つまり、プラスチック製ロッドターゲットの誘導電流ピーク強度Ｐは金属製ターゲットに比べてやや低いが、第２ピークＱは比較的高い。木製ロッドターゲットでも誘導電流が検出されることが証明された。
図３および図４と図８（ａ）および図８（ｂ）をそれぞれ比較すると、ターゲットプラズマの場合の誘導電流のピーク強度がガスプラズマの場合のそれよりも遥かに高いことがわかる。ガスプラズマの場合、多光子イオン化の見込みは極めて低く、レーザパルスエネルギーのほとんどは吸収されずに集束点を通過するため当然である。したがって、気体内の集束レーザによって生じる電子の数はやや少なく、その結果、誘導電流信号は低くなる。ところがターゲットプラズマの場合、レーザエネルギーのほとんどは吸収され、ターゲットプラズマに移され、ターゲットから周囲の気体に向けて多数の高速電子が推し出される。
また雰囲気ガスがＨｅ（図８（ｂ））で得られる誘導電流信号５３のピーク強度が雰囲気ガスが空気（図８（ａ））の誘導電流信号５１を大きく上回る理由は、おそらく、Ｈｅガスにおける電子の平均自由行程が空気中でのそれよりも長いからである。
図９は、雰囲気ガスがＨｅの中でプラスチック製のロッドターゲット上で１０ｍＪのレーザパルスを集束させて得られた誘導電流信号を示している図である。ターゲットの素材に応じ、ピーク強度と上昇信号（第２ピークと第３ピーク）の点で、誘導電流信号５４のグラフにある程度の違いが生じていることがわかる。つまり、プラスチック製ロッドターゲットの誘導電流ピーク強度Ｐは金属製ターゲットに比べてやや低いが、第２ピークＱは比較的高い。木製ロッドターゲットでも誘導電流が検出されることが証明された。
図１０（ａ）は、精密焦点で１３．８ＧＷ／ｃｍ２の出力密度、図１０（ｂ）は２ｍｍの脱焦で２．２ＧＷ／ｃｍ２の出力密度を与える集束条件で、雰囲気ガスがＨｅの中でアルミニウム製ターゲットを照射したときの誘導電流と発光のタイムプロファイルを示している図である。誘導電流信号６０のグラフが、精密焦点（ａ）と脱焦（ｂ）とで異なることがわかる。精密焦点（ａ）の誘導電流信号６０は２つの成分、すなわち高速減衰成分６１と低速減衰成分６２からなる。しかし、脱焦（ｂ）の場合には高速減衰成分が観察されなかった。脱焦（ｂ）の場合の誘導電流信号６３のグラフは、精密焦点条件で観察される低速減衰成分６２のそれとほぼ同じである。精密焦点の誘導電流ピーク強度は脱焦のそれをはるかに上回っている。これとは対照的に、Ａｌ中性線（３９４．４ｎｍ）で観察される発光強度６４、６５は集束条件に関わらずほぼ同じであり、その発光は２つの成分からなる。つまり、最初の成分は１０ｎｓでピークに達し、５０ｎｓ以内に減衰する。２番目の成分は時間とともにゆっくりと大きくなるのである。
図１０の実験で証明されたように、誘導電流信号は、ターゲットプラズマの精密焦点条件を判断する際の最適パラメータとして利用できる。なぜなら、精密焦点（ａ）の場合の誘導電流信号６０は脱焦（ｂ）の場合の誘導電流信号６３よりも遥かに強いからである。この誘導電流を使った方法は、信号の感度が光学的方法のそれを遥かに上回るため、レーザ加工に実用化できる。
また精密焦点条件（ａ）の場合、ターゲット表面でのレーザ光線には、ターゲットプラズマの中でイオンと電子を発生させるための出力密度が十分にある。この場合は、ターゲット表面に陽イオンをとどめながら、ターゲットから前方向に高速電子が排出される。これらの電子が、レーザ照射の直後に発せられる強い信号に寄与しているのである。ターゲットから高速電子が取り除かれるため、取り除かれた電子と残されたイオンとの間で強い電場が生じるということを考慮に入れなければならない。その結果、電子はターゲットに引き戻されるのである。おそらくこのことが、精密焦点の場合にピークに達した後の誘導電流信号６０が高速減衰成分６１を示しながら直ちに減衰する理由であると考えられる。
図１０の実験で証明されたように、誘導電流信号は、ターゲットプラズマの精密焦点条件を判断する際の最適パラメータとして利用できる。なぜなら、精密焦点（ａ）の場合の誘導電流信号６０は脱焦（ｂ）の場合の誘導電流信号６３よりも遥かに強いからである。この誘導電流を使った方法は、信号の感度が光学的方法のそれを遥かに上回るため、レーザ加工に実用化できる。
また精密焦点条件（ａ）の場合、ターゲット表面でのレーザ光線には、ターゲットプラズマの中でイオンと電子を発生させるための出力密度が十分にある。この場合は、ターゲット表面に陽イオンをとどめながら、ターゲットから前方向に高速電子が排出される。これらの電子が、レーザ照射の直後に発せられる強い信号に寄与しているのである。ターゲットから高速電子が取り除かれるため、取り除かれた電子と残されたイオンとの間で強い電場が生じるということを考慮に入れなければならない。その結果、電子はターゲットに引き戻されるのである。おそらくこのことが、精密焦点の場合にピークに達した後の誘導電流信号６０が高速減衰成分６１を示しながら直ちに減衰する理由であると考えられる。
図１０（ｂ）では、脱焦条件での誘導電流信号６３のタイムプロファイルが第一成分の発光のそれと類似していることがわかる。これはレーザビームが１ａｔｍ程度の低い圧力で集束する場合、レーザプラズマは一次プラズマと二次プラズマという２つの別個の領域で構成される。一次プラズマは高温の小さな領域の中にあり、ターゲット表面の上で短時間（数ｎｓのレーザパルスを使用した場合に約５０ｎｓ）に強い連続発光スペクトルを放つ。二次プラズマは、くっきりとした原子輝線を発しながら一次プラズマの周囲で時間にともない膨張する。この二次プラズマが衝撃波によって励起することも明らかである。図１０（ｂ）における発光の第一成分は一次プラズマによるものと考えられる。脱焦条件での誘導電流信号６３を示す図１０（ｂ）のタイムプロファイルはこの第一成分の発光のそれと類似しているため、誘導電流信号のための電子の起源が一次プラズマの中の電子であると仮定することができる。
図１１（ａ）は、精密焦点条件のもと雰囲気ガスがＨｅの中で鉄製ロッドの表面で１０ｍＪのレーザパルスを集束させたときの１０回目の照射後の誘導電流信号を示している図である。図１１（ｂ）は２９０回目の照射後の誘導電流信号を示している図である。即ち、図１１（ｂ）では約８０から２００ｎｓという広い持続範囲を持つ別の誘導電流信号７２が出現している。これは、アルミニウムや真鍮のサンプルなど、ほかのサンプルでは決して見られない現象である。最初のレーザ照射のときに肉眼で観察されるプラズマの特徴は、図７（ａ）に示す真鍮製ターゲットのそれと同じである。しかし、照射２５０回目あたりからプラズマの形状は大きく異なり、図７（ｃ）に示すような円錐形のプラズマが発生した。このプラズマを、便宜上ジェットプラズマと称する。
図１１の実験結果で述べたように、図１１（ａ）の誘導電流信号７０は数百回の照射の後、約１００〜２００ｎｓという長時間にわたって持続する別の信号形状（７２）に変化し、このときプラズマの形状はジェットプラズマに変化した。したがって、この長時間持続する信号はジェットプラズマによるものと言える。一般に、プラズマを小さな管の中に封じ込めると管の中で平らな衝撃波が生じ、高速で前進するジェットのような形をした強い衝撃波が誘発する。この強い衝撃波の背後で電子が生じることは知られている。したがって、長く持続する誘導電流の信号はジェット状の強い衝撃波の背後で生じる電子によるものと考えられる。さらに第一成分は、レーザ照射の初期段階で表面から排出される高速電子によるものと考えられる。そこで、ターゲットプラズマに伴う誘導電流信号が３つの起源を持つ電子からなると結論づけることができる。即ち、第１の電子はレーザアブレーションの開始時に排出される超高速電子であり、第２は高密度の一次プラズマの中に存在する電子であり、第３は強い衝撃波の背後で生じる電子である。
図１１（ａ）は、精密焦点条件のもと雰囲気ガスがＨｅの中で鉄製ロッドの表面で１０ｍＪのレーザパルスを集束させたときの１０回目の照射後の誘導電流信号を示している図である。図１１（ｂ）は２９０回目の照射後の誘導電流信号を示している図である。即ち、図１１（ｂ）では約８０から２００ｎｓという広い持続範囲を持つ別の誘導電流信号７２が出現している。これは、アルミニウムや真鍮のサンプルなど、ほかのサンプルでは決して見られない現象である。最初のレーザ照射のときに肉眼で観察されるプラズマの特徴は、図７（ａ）に示す真鍮製ターゲットのそれと同じである。しかし、照射２５０回目あたりからプラズマの形状は大きく異なり、図７（ｃ）に示すような円錐形のプラズマが発生した。このプラズマを、便宜上ジェットプラズマと称する。
図１１の実験結果で述べたように、図１１（ａ）の誘導電流信号７０は数百回の照射の後、約１００〜２００ｎｓという長時間にわたって持続する別の信号形状（７２）に変化し、このときプラズマの形状はジェットプラズマに変化した。したがって、この長時間持続する信号はジェットプラズマによるものと言える。一般に、プラズマを小さな管の中に封じ込めると管の中で平らな衝撃波が生じ、高速で前進するジェットのような形をした強い衝撃波が誘発する。この強い衝撃波の背後で電子が生じることは知られている。したがって、長く持続する誘導電流の信号はジェット状の強い衝撃波の背後で生じる電子によるものと考えられる。さらに第一成分は、レーザ照射の初期段階で表面から排出される高速電子によるものと考えられる。そこで、ターゲットプラズマに伴う誘導電流信号が３つの起源を持つ電子からなると結論づけることができる。即ち、第１の電子はレーザアブレーションの開始時に排出される超高速電子であり、第２は高密度の一次プラズマの中に存在する電子であり、第３は強い衝撃波の背後で生じる電子である。
図１２〜図１４は、１ａｔｍの雰囲気ガスがＨｅの中で真鍮製ロッドターゲットの固定位置で１０ｍＪのレーザパルスを集束したときの誘導電流信号（ａ）と発光スペクトル（ｂ）を時間経過に沿って並べた図である。これらのデータは、１０回の照射の平均を求めることで得た。つまり図１２の信号データは５０回から６０回目の照射から取得したデータであり、図１３の信号データは２５０回から２６０回目の照射から取得したデータであり、図１４の信号データは９８０回から９９０回目の照射から取得したデータである。
図１２〜図１４では、誘導電流の強度と波形がレーザ照射の回数にともない変化することがわかる。具体的には、図１２の照射開始時には誘導電流信号７３の高速減衰成分をはっきりと見てとれるが、数十回の照射を経た後には消えている。また、低速成分の誘導電流信号強度も照射回数にともない減少している。一方、ＺｎおよびＣｕの原子輝線と弱い連続スペクトルからなる発光スペクトル７４、７５の特徴は、レーザ照射の段階に関わらずほぼ同じであり、スペクトルの強度は、誘導電流のそれに比べてゆっくりと減少している。レーザの照射回数にともない誘導電流が変化する具合を理解するには、照射回数が増すにつれくぼみが深くなり、その断面が円錐状になることを想起すると良い。その結果、くぼみの表面での出力密度は減少し、誘導電流のグラフは、図１０（ｂ）に示す脱焦の場合のそれに変化する。くぼみの深さが増すごとに誘導電流信号が減少する理由はおそらく、くぼみの穴の中で電磁遮蔽効果が起きているためと予想される。
図１２〜図１４では、誘導電流の強度と波形がレーザ照射の回数にともない変化することがわかる。具体的には、図１２の照射開始時には誘導電流信号７３の高速減衰成分をはっきりと見てとれるが、数十回の照射を経た後には消えている。また、低速成分の誘導電流信号強度も照射回数にともない減少している。一方、ＺｎおよびＣｕの原子輝線と弱い連続スペクトルからなる発光スペクトル７４、７５の特徴は、レーザ照射の段階に関わらずほぼ同じであり、スペクトルの強度は、誘導電流のそれに比べてゆっくりと減少している。レーザの照射回数にともない誘導電流が変化する具合を理解するには、照射回数が増すにつれくぼみが深くなり、その断面が円錐状になることを想起すると良い。その結果、くぼみの表面での出力密度は減少し、誘導電流のグラフは、図１０（ｂ）に示す脱焦の場合のそれに変化する。くぼみの深さが増すごとに誘導電流信号が減少する理由はおそらく、くぼみの穴の中で電磁遮蔽効果が起きているためと予想される。
図１５（ａ）は、図１２〜図１４の実験で得られたレーザ照射の回数にともないＺｎＩ（４８１．０ｎｍ）の時間積分発光強度が減少する様子を示している。即ち、図１２（ｂ）の５０回目ではＺｎのピーク強度は５００００、図１３（ｂ）の２５０回目ではＺｎのピーク強度は２５０００、図１４（ｂ）の９８０回目ではＺｎのピーク強度は１２０００をプロットしたものである。図１５（ｂ）は、くぼみの深さがレーザの照射回数が増すごとにどう変化するかを示している。この曲線は、次に述べる仮定に基づき、図１５（ａ）のデータから導き出したものである。
即ち、レーザパルスによるアブレーションの量は時間積分原子発光強度に比例する。したがって、１照射あたりのアブレーション量が照射回数にともない減少することが図１５（ａ）の曲線から見てとれる。５００回の照射によって深さ１ｍｍのくぼみができることを別の実験で確認した。図１５（ａ）で斜線で描かれたエリア８０は５００照射での総アブレーション量に相当するから、ｘ回目の照射で得られる面積を５００回の照射で得られる面積と比較すればｘ回目の深さを見積もることができる。この方法でくぼみの深さを見積り、それを図示したのが図１５（ｂ）である。図１５（ｂ）からわかるように、レーザ照射を始めたときのくぼみは比較的速くその深さを増し、その後５０照射で深さ０．２ｍｍ、２５０照射で０．６５ｍｍ、９８０照射で１．４ｍｍと、照射回数が増すにつれ深さを増すペースが遅くなっている。この結果から、一連のスペクトル発光強度を監視することで穿孔の深さを推定できると結論づけることができる。この手法も今後、実際のレーザマイクロ加工に応用される。
即ち、レーザパルスによるアブレーションの量は時間積分原子発光強度に比例する。したがって、１照射あたりのアブレーション量が照射回数にともない減少することが図１５（ａ）の曲線から見てとれる。５００回の照射によって深さ１ｍｍのくぼみができることを別の実験で確認した。図１５（ａ）で斜線で描かれたエリア８０は５００照射での総アブレーション量に相当するから、ｘ回目の照射で得られる面積を５００回の照射で得られる面積と比較すればｘ回目の深さを見積もることができる。この方法でくぼみの深さを見積り、それを図示したのが図１５（ｂ）である。図１５（ｂ）からわかるように、レーザ照射を始めたときのくぼみは比較的速くその深さを増し、その後５０照射で深さ０．２ｍｍ、２５０照射で０．６５ｍｍ、９８０照射で１．４ｍｍと、照射回数が増すにつれ深さを増すペースが遅くなっている。この結果から、一連のスペクトル発光強度を監視することで穿孔の深さを推定できると結論づけることができる。この手法も今後、実際のレーザマイクロ加工に応用される。
この研究（実験）を通じて、誘導電流信号について非常に重要な現象を観察した。即ち、照射を繰り返しながらサンプルでレーザビームの貫通が起こるときには誘導電流信号が急増することである。この実験では、厚みが１ｍｍになるまで磨いた真鍮製ロッドターゲットを使用した。このサンプルで１０ｍＪのレーザパルスを使うと、５００回目の照射の後に貫通が起こった。図７（ｂ）は、５２０回目の照射で完全に貫通したときに撮影したプラズマのイメージである。図１６（ａ）に示すように、貫通前の誘導電流信号８１はどちらかというと低く、図１６（ｂ）に示すように、その後貫通が起こる瞬間には誘導電流信号８２は急増する。一方、ＺｎＩ（４８１．０ｎｍ）の発光強度８３、８４には、貫通の前と後とで大きな違いはないことが分る。
図１６に示すように、照射を繰り返しながらレーザビームの貫通が起きる瞬間には誘導電流信号が急増する。これはおそらく、ひとたび貫通が起こると自由空間の中での誘導電流の流れが容易になるからであり、このとき誘導電流は遮蔽効果に妨げられることなく図１７に図示された１本のループ９０を描く。この手法は、通常の光学的方法に比べてレーザビーム貫通の判定手段として遥かに感度に優れ、レーザマイクロ加工の制御手段として非常に実用的だと結論づけられる。
以上、雰囲気ガスが空気と雰囲気ガスがＨｅの中で生じるガスプラズマを用いて誘導電流の特性を調べた。この目的のため、レーザビームは電極と電極の間のガスの中で集束させ、供給電圧とレーザパルスエネルギーを変化させながら誘導電流の大きさを測定した。その結果、信号は一定のエネルギーで電圧とともに直線的に増加し、さらに信号は、一定の電圧でしきい値の後にやや非直線的な特性を示しながらレーザエネルギーとともに増加することが判明した。またＨｅの場合の誘導電流信号は、空気の場合のそれと大きく異なることが分った。
図１６に示すように、照射を繰り返しながらレーザビームの貫通が起きる瞬間には誘導電流信号が急増する。これはおそらく、ひとたび貫通が起こると自由空間の中での誘導電流の流れが容易になるからであり、このとき誘導電流は遮蔽効果に妨げられることなく図１７に図示された１本のループ９０を描く。この手法は、通常の光学的方法に比べてレーザビーム貫通の判定手段として遥かに感度に優れ、レーザマイクロ加工の制御手段として非常に実用的だと結論づけられる。
以上、雰囲気ガスが空気と雰囲気ガスがＨｅの中で生じるガスプラズマを用いて誘導電流の特性を調べた。この目的のため、レーザビームは電極と電極の間のガスの中で集束させ、供給電圧とレーザパルスエネルギーを変化させながら誘導電流の大きさを測定した。その結果、信号は一定のエネルギーで電圧とともに直線的に増加し、さらに信号は、一定の電圧でしきい値の後にやや非直線的な特性を示しながらレーザエネルギーとともに増加することが判明した。またＨｅの場合の誘導電流信号は、空気の場合のそれと大きく異なることが分った。
この結果を踏まえ、この誘導電流現象が、電場の下での電離放射線の動きによって電子が生じる電離箱のそれとほぼ同じであると結論づけることができる。また誘導電流信号の大きさは、電子の数と平均自由行程と外部電場によって決まる。そして集束点の近くに小さな棒状ターゲットを配置し、ターゲットプラズマに対し同様の実験を行った。その結果、固体ターゲットの精密焦点条件を判断するための最適パラメータとして誘導電流信号をレーザ加工に実用化できることが実証された。更にターゲットプラズマに伴う誘導電流信号が３つの起源を持つ電子からなることが証明された。即ち第１の電子は、精密焦点条件の場合のように出力密度が十分に高いときに、レーザアブレーションが始まるときに排出される超高速電子である。これは高速電子に起因する誘導電流信号は急峻な上昇と急速な減衰を見せるので、この信号が強く発生するときをもって、精密焦点時の状態でレーザ光をターゲットに照射していることが確認できる。第２の電子は、レーザパルス照射のときにターゲットの真上で発生する高密度一次プラズマの中に存在する電子である。この場合、誘導電流信号のタイムプロファイルは、一次プラズマ発光のそれとほぼ同じである。第３の原子は、強い衝撃波が気体の中で拡大するときに二次プラズマの中で発生する電子である。またレーザビームがターゲットを貫通するときに誘導電流信号が急増することが判明した。誘導電流の信号の感度は光学的手法のそれよりも遥かに優れているため、この現象はレーザ加工に実用化できることが分った。
尚、本実験に使用した測定器及び設備は一例であり、同じ特性と機能を有するものであれば、他の物でも構わない。
尚、本実験に使用した測定器及び設備は一例であり、同じ特性と機能を有するものであれば、他の物でも構わない。
次に、以上の実験の結果に基づいて、本発明のレーザ加工モニタリングシステムの実施例について説明する。尚、本実施例で説明する構成要素の中で前述した図１と同じ構成要素を使用する場合でも新たな符号を付して説明する。
図１８は本発明の一実施形態のレーザ加工モニタリングシステムの構成図である。このレーザ加工モニタリングシステム２００は、レーザ照射のために所定の波長のレーザを発射するＮｄ−ＹＡＧレーザ（レーザ発射手段）３０と、レーザビーム３１の焦点を所定の位置に合焦するレンズ（光学手段）３２と、レーザビーム３１を反射すると共に裏面から画像を透過するハーフミラー（光学モニタ手段）３３と、ハーフミラー３３により透過された画像からレーザビームの波長成分のみ透過させる干渉フィルタ（光学モニタ手段）３４と、干渉フィルタ３４を透過した画像をアナログカメラ３６とデジタルカメラ３７に合焦する光学系（光学モニタ手段）３５と、所定の成分からなるガスを充填するチャンバ４４と、このチャンバ４４内で発生したガスプラズマ４８中の電子・イオンによる誘導電流を検出する誘導電流検出回路（誘導電流検出手段）５８と、プラズマ発光の時間特性を取得するモノクロメータ（プラズマ発光時間取得手段）５７と、ガスプラズマから発せられる連続スペクトル及び線スペクトルを検出するＯＭＡシステム（スペクトル検出手段）４１と、ターゲット４６をｘ、ｙ、ｚの３次元方向に移動する３次元ステージ（３次元移動手段）５１と、レーザ照射中のダイナミックな表面変化をリアルタイムで観察するために、ターゲット４６の表面を照らすダイオードレーザ４５と、誘導電流検出回路５８とモノクロメータ５７とＯＭＡシステム４１の信号に基づいてレンズ３２、３次元ステージ５１及びＮｄ−ＹＡＧレーザ３０を制御するシステム制御装置（制御手段）６０とを備えて構成される。
尚、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ３０は、レーザ発射と同期した外部同期信号６１をシステム制御装置６０に入力すると共に、システム制御装置６０は信号線６２によりレーザパワーの制御とパワーＯＮ／ＯＦＦ等の制御を行う。チャンバ４４はレーザビームを導入する石英窓４４ａとガスを入出するガス入口５３とガス出口５２を備え、ベース５６に固定されている。そして内部に２枚の電極５０、５５が３次元ステージ５１に載置され、３次元ステージ５１はステージ駆動部５９により駆動される。また、モノクロメータ５７は光ファイバ５４により３次元チャンバ４４内の光を導入し、ＯＭＡシステム４１は光ファイバ４３により３次元チャンバ４４内の光を導入する構成となっている。またダイオードレーザ４５は、光ファイバ４７によりターゲット４６の表面を照らす構成となっている。また、アナログカメラ３６とデジタルカメラ３７には、それぞれ画像をモニタするためのモニタ３９、４０に接続され、ベース５６に固定された支柱３８に固定されている。またＯＭＡシステム４１にもモニタ４２が接続され、発光スペクトルを監視できるようになっており、信号線６３がシステム制御装置６０に入力される。また、誘導電流検出回路５８は前述の図１の挿入図２３と同様の回路を使用している。そしてプラス側を電極５０に接続し、マイナス側を電極５５に接続する。またレンズ３２は、レンズ駆動部６４によりシステム制御装置６０の信号線６５を通じて焦点距離が制御される。
図１８は本発明の一実施形態のレーザ加工モニタリングシステムの構成図である。このレーザ加工モニタリングシステム２００は、レーザ照射のために所定の波長のレーザを発射するＮｄ−ＹＡＧレーザ（レーザ発射手段）３０と、レーザビーム３１の焦点を所定の位置に合焦するレンズ（光学手段）３２と、レーザビーム３１を反射すると共に裏面から画像を透過するハーフミラー（光学モニタ手段）３３と、ハーフミラー３３により透過された画像からレーザビームの波長成分のみ透過させる干渉フィルタ（光学モニタ手段）３４と、干渉フィルタ３４を透過した画像をアナログカメラ３６とデジタルカメラ３７に合焦する光学系（光学モニタ手段）３５と、所定の成分からなるガスを充填するチャンバ４４と、このチャンバ４４内で発生したガスプラズマ４８中の電子・イオンによる誘導電流を検出する誘導電流検出回路（誘導電流検出手段）５８と、プラズマ発光の時間特性を取得するモノクロメータ（プラズマ発光時間取得手段）５７と、ガスプラズマから発せられる連続スペクトル及び線スペクトルを検出するＯＭＡシステム（スペクトル検出手段）４１と、ターゲット４６をｘ、ｙ、ｚの３次元方向に移動する３次元ステージ（３次元移動手段）５１と、レーザ照射中のダイナミックな表面変化をリアルタイムで観察するために、ターゲット４６の表面を照らすダイオードレーザ４５と、誘導電流検出回路５８とモノクロメータ５７とＯＭＡシステム４１の信号に基づいてレンズ３２、３次元ステージ５１及びＮｄ−ＹＡＧレーザ３０を制御するシステム制御装置（制御手段）６０とを備えて構成される。
尚、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ３０は、レーザ発射と同期した外部同期信号６１をシステム制御装置６０に入力すると共に、システム制御装置６０は信号線６２によりレーザパワーの制御とパワーＯＮ／ＯＦＦ等の制御を行う。チャンバ４４はレーザビームを導入する石英窓４４ａとガスを入出するガス入口５３とガス出口５２を備え、ベース５６に固定されている。そして内部に２枚の電極５０、５５が３次元ステージ５１に載置され、３次元ステージ５１はステージ駆動部５９により駆動される。また、モノクロメータ５７は光ファイバ５４により３次元チャンバ４４内の光を導入し、ＯＭＡシステム４１は光ファイバ４３により３次元チャンバ４４内の光を導入する構成となっている。またダイオードレーザ４５は、光ファイバ４７によりターゲット４６の表面を照らす構成となっている。また、アナログカメラ３６とデジタルカメラ３７には、それぞれ画像をモニタするためのモニタ３９、４０に接続され、ベース５６に固定された支柱３８に固定されている。またＯＭＡシステム４１にもモニタ４２が接続され、発光スペクトルを監視できるようになっており、信号線６３がシステム制御装置６０に入力される。また、誘導電流検出回路５８は前述の図１の挿入図２３と同様の回路を使用している。そしてプラス側を電極５０に接続し、マイナス側を電極５５に接続する。またレンズ３２は、レンズ駆動部６４によりシステム制御装置６０の信号線６５を通じて焦点距離が制御される。
次に図１８を参照してレーザ加工モニタリングシステムの概略動作について説明する。まずチャンバ４４を開放して電極５５上の所定の位置にターゲット４６を設定する。次にチャンバ４４を密封してガス入口５３からＨｅガスをチャンバ４４内に充填する。このとき外部の圧力を高くして、ガスがガス出口５２からわずかに流れるようにし、チャンバ４４内のガスが汚れないようにしている。次に所定の波長とパルスエネルギーに設定したＮｄ−ＹＡＧレーザ３０を駆動する。このとき予めレーザビームの焦点をターゲット４６の面上に合焦するようにレンズ駆動部６４によりレンズ３２を調整しておく。それと同時に誘導電流検出回路５８から電極５０と５５に所定の電圧を印加する。そしてターゲット４６の加工が進行すると、モノクロメータ５７とＯＭＡシステム４１はターゲットプラズマ４８から光ファイバ５４、４３を介してプラズマ発光時間とスペクトルを信号として取得し、システム制御装置６０に入力する。これと同時にターゲットプラズマ４８から誘導された誘導電流を誘導電流検出回路５８が検出してシステム制御装置６０に入力する。システム制御装置６０は、これらの信号に基づいてターゲット４６の加工状態を把握し、ステージ駆動部５９に対して３次元信号を出力して必要であれば３次元ステージ５１を所定の方向に移動する。また、レーザの停止やパルスエネルギーの制御も信号線６２によりシステム制御装置６０によりリアルタイムに制御される。尚、レーザ加工中はレーザプラズマの発光に妨害されてターゲット４６の表面が観察できないので、ダイオードレーザ４５によりターゲット４６の表面を照らして、デジタルカメラ３７によりターゲット４６の静的表面観察を行い、くぼみの大きさ、溝幅の計測、及びレーザ加工精度の評価を行う。またアナログカメラ３６はターゲット４６の動的表面観察を行い、レーザ照射中のターゲット４６の表面状態を観察する。これによりレーザ照射中に加工溝幅等の測定が可能となる。
このように本発明のレーザ加工モニタリングシステム２００は、所定のガスを充填したチャンバ４４内に、３次元ステージ５１上に正負の電極５０、５５を載置し、この電極間にターゲット４６を配置して、そのターゲット４６にレーザビーム３１をレンズ３２の光学手段により合焦するように照射することにより、そのとき発光されるターゲット４６からのプラズマの誘導電流、プラズマ発光時間、及びスペクトル強度を誘導電流検出回路５８、モノクロメータ５７、及びＯＭＡシステム４１により検出し、システム制御装置６０がそれらの検出信号に基づいて３次元ステージ５１及びＮｄ−ＹＡＧレーザ３０を制御して被加工品をリアルタイムに加工するものである。
尚、本実施例ではシステム制御装置６０が各信号をフィードバックして自動的に加工する構成になっているが、モニタを観察しながら人為的に３次元ステージ５１を駆動して加工する構成でも構わない。また、レーザにＮｄ−ＹＡＧレーザを使用しているが、例えば、各種ナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザ等の他のレーザでも構わない。
このように本発明のレーザ加工モニタリングシステム２００は、所定のガスを充填したチャンバ４４内に、３次元ステージ５１上に正負の電極５０、５５を載置し、この電極間にターゲット４６を配置して、そのターゲット４６にレーザビーム３１をレンズ３２の光学手段により合焦するように照射することにより、そのとき発光されるターゲット４６からのプラズマの誘導電流、プラズマ発光時間、及びスペクトル強度を誘導電流検出回路５８、モノクロメータ５７、及びＯＭＡシステム４１により検出し、システム制御装置６０がそれらの検出信号に基づいて３次元ステージ５１及びＮｄ−ＹＡＧレーザ３０を制御して被加工品をリアルタイムに加工するものである。
尚、本実施例ではシステム制御装置６０が各信号をフィードバックして自動的に加工する構成になっているが、モニタを観察しながら人為的に３次元ステージ５１を駆動して加工する構成でも構わない。また、レーザにＮｄ−ＹＡＧレーザを使用しているが、例えば、各種ナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザ等の他のレーザでも構わない。
３０ Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、３１ レーザビーム、３２ レンズ、３３ ハーフミラー、３４ 干渉フィルタ、３５ 光学系、３６ アナログカメラ、３７ デジタルカメラ、３８ 支柱、３９、４０、４２ モニタ、４３、４７、５４ 光ファイバ、４４ チャンバ、４５ ダイオードレーザ、４６ ターゲット、 ４８ ガスプラズマ、５０ プラス電極、５１ ３次元ステージ、５２ ガス出口、５３ ガス入口、５５ マイナス電極、５６ ベース、５７ モノクロメータ、５８ 誘導電流回路、５９ ステージ駆動部、６０ システム制御装置、６４ レンズ駆動部
Claims (8)
- レーザ照射により被加工品をモニタしながら加工するレーザ加工モニタリングシステムであって、
前記レーザ照射のために所定の波長のレーザを発射するレーザ発射手段と、前記レーザビームの焦点を前記被加工品の所定の位置に合焦する光学手段と、前記被加工品の加工状態を光学的にモニタする光学モニタ手段と、前記レーザビームを導入するビーム導入窓と、ガスを充填するためのガス入出口とを備え、前記被加工品に前記ビーム導入窓から導入したレーザビームを照射中は、前記ガスを前記ガス入出口から所定の量還流させるチャンバと、該チャンバ内で発生したターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流を検出する誘導電流検出手段と、プラズマ発光の時間特性を取得するプラズマ発光時間取得手段と、前記ターゲットプラズマから発せられる連続スペクトル及び線スペクトルを検出するスペクトル検出手段と、前記被加工品を３次元方向に移動する３次元移動手段と、前記誘導電流検出手段、プラズマ発光時間取得手段、及びスペクトル検出手段の信号に基づいて前記光学手段、３次元移動手段及びレーザ発射手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするレーザ加工モニタリングシステム。 - 前記制御手段は、前記誘導電流検出手段により誘導された電流変化の立ち上がり時間及び強度変化、又は前記スペクトル検出手段により検出されたスペクトルの発光強度を検出しながら、前記３次元移動手段をリアルタイムに調整して前記被加工品の加工を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工モニタリングシステム。
- 前記制御手段は、所定のレーザエネルギーの基では前記正極と負極の電極間に印加する電圧に比例して増加し、前記正極と負極の電極間に印加する所定の電圧の基では前記レーザエネルギーの増加とともに非直線的に増加する性質を有する誘導電流と、前記スペクトル検出手段により検出された前記被加工品の所定のスペクトルの発光強度とを監視することにより、当該被加工品の穿孔の深さを推定することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工モニタリングシステム。
- 前記制御手段は、前記誘導電流検出手段により検出された前記被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化が急峻に立ち上がり、且つ早期に減衰する信号が強く発生するときをもって、前記被加工品に前記レーザビームの焦点がタイトフォーカスの状態になったものと推定することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工モニタリングシステム。
- 前記制御手段は、前記誘導電流検出手段により検出された前記被加工品のターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を監視することにより、当該被加工品の穿孔が貫通したことを推定することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工モニタリングシステム。
- 前記制御手段は、前記プラズマ発光時間取得手段により検出されたプラズマ発光の時間変化を測定することにより、前記被加工品の加工特性の良、不良を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工モニタリングシステム。
- 前記誘導電流検出手段は、少なくとも正極と負極の２つの電極と、該電極間に所定の電位を供給する電源と、前記電極間に流れる電流変化を取得する電流変化取得手段とを備え、
前記正極と負極の２つの電極の少なくとも一方の電極に開口部を備え、前記開口部を備えた電極から前記レーザビームを導入し、前記被加工品を前記２つの電極の何れか一方の電極寄りに配置すると共に、前記電極間に配置された前記被加工品に前記レーザビームを照射し、それにより発生するターゲットプラズマ中の電子・イオンによる誘導電流の変化を前記電流変化取得手段により取得することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工モニタリングシステム。 - 前記ターゲットプラズマは、前記レーザビームの出力密度が十分高いときでレーザアブレーションが開始される際に排出される超高速電子と、前記レーザビームの照射の際に前記被加工品の真上で発生する高密度一次プラズマの中に存在する電子と、強い衝撃波が気体の中で拡大するときに二次プラズマの中で発生する電子とから成ることを特徴とする請求項１乃至５、又は７に記載のレーザ加工モニタリングシステム。
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