JP4316279B2

JP4316279B2 - Pulse laser processing equipment with processing monitor

Info

Publication number: JP4316279B2
Application number: JP2003104253A
Authority: JP
Inventors: 眞好神谷; 紳一郎青島
Original assignee: Shizuoka Prefecture; Hamamatsu Photonics KK; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Shizuoka Prefecture; Hamamatsu Photonics KK; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: JP2004306100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、加工モニタ付きパルスレーザ加工装置、加工状態のモニタ方法及びこれを用いたレーザ加工方法に関する。
【０００３】
【従来技術】
従来から、レーザ光により物質を加工するレーザ加工方法が知られている。このレーザ加工方法においては、物質を精密にかつ効率よくレーザ加工するために、加工中における物質の状態変化（形状変化や物性変化）を連続的にモニタする技術が求められる。
【０００４】
このように加工中における物質の状態変化を連続的にモニタするための方法として、例えば加工用レーザ光の反射光の強度をモニタしながらレーザ光により物質を加工する方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
また加工用レーザ光とは別にモニタ用レーザ光を用意し、被加工物の加工状態のモニタは、被加工物からのモニタ用レーザ光の反射光を分光することにより行う方法が知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
【０００７】
特開２００２−１５５５号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平６−９９２９２号公報。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した特許文献１に記載の加工状態のモニタ方法では、測定量が反射光の強度のみであるため測定が簡便であるが、光量変化を生ずる要因が様々であることから、加工部位の状態を的確に表すことが困難である。従って、測定された反射光の強度に基づいて加工用レーザ光の波長等を制御しても、加工精度を十分に向上させることができないという問題があった。
【０００９】
また特許文献２に記載の加工状態のモニタ方法では、モニタ用レーザ光の光軸が加工用レーザ光の光軸に対して傾斜することとなる。このため、図８（ａ）に示すように、被加工物１０４において、加工直後でモニタ用レーザ光１００によるモニタ部位１０１と加工用レーザ光１０２の加工部位１０３を一致させたとしても、加工が進行するにつれて、図８（ｂ）に示すように、モニタ部位１０１と加工部位１０３とが一致しなくなることがある。このため、モニタ用レーザ光１００によるモニタ部位１０１からの反射光について分光を行っても、加工部位１０３の状態を的確に表すことができない。従って、モニタ用レーザ光１００の反射光を分光し、その分光スペクトルに基づいて加工用レーザ光１０２の波長等を制御しても、加工精度を十分に向上させることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、被加工物の加工中における加工状態を的確にモニタすることができる加工モニタ付きパルスレーザ加工装置、加工状態のモニタ方法及びこれを用いたレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の一つは、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うパルスレーザ加工装置と、加工状態をモニタする加工モニタとを備える加工モニタ付きレーザ加工装置において、パルスレーザ加工装置が、パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、パルスレーザ光を被加工物の所定部位に集光して照射する集光手段とを備えており、加工モニタが、パルスレーザ加工装置を構成するレーザ発振器及び集光手段と、所定部位で反射されるパルスレーザ光を分光してその分光スペクトルを算出する分光手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この加工モニタ付きパルスレーザ加工装置によれば、パルスレーザ加工装置を構成するレーザ発振器によりパルスレーザ光が出力され、このパルスレーザ光が集光手段により被加工物の所定部位に集光されて照射され、所定部位を加工する。そして、所定部位の加工状態が加工モニタによりモニタされる。具体的には、レーザ発振器により被加工物の所定部位に照射されて反射されたパルスレーザ光は分光手段により分光され、その分光スペクトルが分光手段により算出される。ここで、この分光スペクトルは、被加工物の物性の変化に伴って変化することから、被加工物の物性についての指標とすることができる。特に、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下にした場合、分光スペクトルは、比較的広い波長領域にわたって観測されるため、分光スペクトルの変化を容易に知ることができる。従って、この分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の加工状態（物性変化）をモニタすることができる。このとき、被加工物の加工状態をモニタするために、パルスレーザ光の反射光が用いられている。つまり、加工用のパルスレーザ光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。
【００１３】
また本発明の他の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置は、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うパルスレーザ加工装置と、加工状態をモニタする加工モニタとを備える加工モニタ付きレーザ加工装置において、パルスレーザ加工装置が、パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐手段と、照射光を被加工物の所定部位に集光して照射する集光手段とを備えており、加工モニタが、パルスレーザ加工装置を構成するレーザ発振器、分岐手段及び集光手段と、参照光と所定部位で反射される照射光とを干渉させて干渉光とする干渉手段と、干渉光を分光してその分光スペクトルを算出する分光手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この加工モニタ付きパルスレーザ加工装置によれば、パルスレーザ加工装置を構成するレーザ発振器によりパルスレーザ光が出力され、このパルスレーザ光が分岐手段により参照光と照射光とに分岐される。照射光は、被加工物の所定部位に集光されて照射され、所定部位を加工する。そして、所定部位の加工状態が加工モニタによりモニタされる。具体的には、レーザ発振器により被加工物の所定部位に照射されて反射された照射光と、分岐手段により分岐された参照光とが干渉手段により干渉光とされ、この干渉光が分光手段により分光され、干渉光の分光スペクトルが分光手段により算出される。ここで、被加工物の形状が変化するにつれて参照光と照射光との光路長差が変化し、分光スペクトルの形状が変化することから、分光スペクトルは、被加工物の形状の指標とすることができる。特に、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下にした場合、分光スペクトルは、比較的広い波長領域にわたって観測されるため、分光スペクトルの変化を容易に知ることができる。従って、この分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の加工状態（形状変化）をモニタすることができる。このとき、被加工物の加工状態をモニタするために、照射光の反射光が用いられている。つまり、加工用の照射光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物の所定部位において加工が進行しても、照射光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。
【００１５】
ここで、上記加工モニタ付きパルスレーザ加工装置は、参照光を遮断する参照光遮断手段を更に備えており、参照光遮断手段が加工モニタを構成することが好ましい。
【００１６】
加工モニタにおいて、参照光遮断手段により参照光が遮断されない場合、干渉手段により、参照光と、所定部位で反射された照射光との干渉光が得られ、この干渉光が分光手段により分光されて、干渉光の分光スペクトルが分光手段により算出される。一方、加工モニタにおいて、参照光遮断手段により参照光が遮断されると、干渉手段により干渉光が得られず、所定部位で反射された照射光が分光手段により分光され、照射光の反射光の分光スペクトルが算出される。即ちこの加工モニタ付きパルスレーザ加工装置によれば、干渉光の分光スペクトルのみならず、照射光の反射光の分光スペクトルも得ることができる。そして、干渉光の分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の形状変化をモニタすることができ、反射光の分光スペクトルをモニタすることで被加工物の物性変化をモニタすることができる。
【００１７】
本発明の加工状態のモニタ方法の一つは、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行いながら所定部位の加工状態をモニタする加工状態のモニタ方法において、パルスレーザ光を被加工物の所定部位に集光して照射する集光工程と、所定部位で反射される照射光を分光してその分光スペクトルを算出する分光工程と、分光工程で算出された分光スペクトルをモニタするモニタ工程とを含み、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下とすることを特徴とする。
【００１８】
この加工状態のモニタ方法によれば、パルスレーザ光が被加工物の所定部位に集光されて照射され、所定部位を加工する。そして、所定部位で反射されたパルスレーザ光は分光され、その分光スペクトルが算出される。ここで、この分光スペクトルは、被加工物の物性の変化に伴って変化することから、被加工物の物性についての指標とすることができる。特に、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下にしており、分光スペクトルは、比較的広い波長領域にわたって観測されるため、分光スペクトルの変化を容易に知ることができる。従って、この分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の加工状態をモニタすることができる。このとき、被加工物の加工状態をモニタするために、パルスレーザ光の反射光が用いられている。つまり、加工用のパルスレーザ光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。
【００１９】
また本発明の他の加工状態のモニタ方法は、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行いながら所定部位の加工状態をモニタする加工状態のモニタ方法において、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐工程と、分岐工程で分岐された照射光を被加工物の所定部位に集光して照射する集光工程と、分岐工程で分岐された参照光と、所定部位で反射される照射光との干渉光を分光してその分光スペクトルを求める分光工程と、分光工程で求められた分光スペクトルをモニタするモニタ工程とを含み、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下とすることを特徴とする。
【００２０】
この加工状態のモニタ方法によれば、パルスレーザ光が参照光と照射光とに分岐され、照射光は、被加工物の所定部位に集光されて照射され、所定部位を加工する。そして、所定部位で反射された照射光と参照光との干渉光が分光され、干渉光の分光スペクトルが求められる。ここで、被加工物の形状が変化するにつれて参照光と照射光との光路長差が変化し、分光スペクトルの形状が変化することから、分光スペクトルは、被加工物の形状の指標とすることができる。特に、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下にしており、分光スペクトルが比較的広い波長領域にわたって観測されるため、分光スペクトルの変化を容易に知ることができる。従って、この分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の加工状態をモニタすることができる。このとき、被加工物の加工状態をモニタするために、照射光の反射光が用いられている。つまり、加工用の照射光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。
【００２１】
また本発明のレーザ加工方法は、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行う加工工程と、所定部位の加工状態をモニタするモニタ工程と、モニタ工程でモニタされた加工状態に基づきパルスレーザ光を制御する制御工程とを含むレーザ加工方法において、モニタ工程を、上記加工状態のモニタ方法により行うことを特徴とする。
【００２２】
このレーザ加工方法によれば、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。このため、被加工物に対しパルスレーザ光でレーザ加工を行いながら加工状態を的確にモニタすることができるため、パルスレーザ光を制御することで、被加工物に対する加工精度を十分に向上させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の第１実施形態を示す概略図である。図１に示すように、加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１は、パルスレーザ被加工物２を加工するためのパルスレーザ光を出力するレーザ発振器３を備えている。ここで、レーザ発振器３は、１０ｐｓ以下、好ましくは１ｐｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光を出力可能であることが好ましい。このようにパルス幅を極めて短くすることで、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光の波長幅を十分に広くすることができる。なお、パルス幅が１０ｐｓを超えると、レーザ光の波長幅が十分でなく、加工状態をモニタすることが困難となる傾向がある。またレーザ発振器３は、好ましくは１パルスあたり１μＪ以上のパルスレーザ光を出力可能であることが好ましい。このようなレーザ発振器３としては、例えばチタンサファイヤレーザを用いることができる。
【００２５】
被加工物２とレーザ発振器３との間には、レーザ発振器３側から順次、光アイソレータ４、ハーフミラー５及びアクロマティックレンズ６が配置されている。光アイソレータ４は、レーザ発振器３への戻り光を低減するものであり、ハーフミラー５は、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐するものである。またアクロマティックレンズ６は、照射光を被加工物２に集光するレンズであり、パルスレーザ光の波長分散による集光スポットの広がりを十分に防止して被加工物２に対する加工精度を向上させることができる。なお、ハーフミラー５は、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐手段として機能し、アクロマティックレンズ６は、照射光を被加工物２の所定部位に集光する集光手段として機能する。
【００２６】
加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１は、ハーフミラー５で反射により分岐された参照光を反射する反射ミラー７を備えている。ここで、反射ミラー７は、参照光の光軸８とその反射光の光軸とが同軸となるように配置されている。従って、反射ミラー７で反射された参照光は、ハーフミラー５に入射されてハーフミラー５を透過するようになっている。反射ミラー７は、反射ミラー７を参照光の光軸８と平行に移動させる移動ステージ９に設けられている。従って、移動ステージ９により参照光の光路長を調整することができる。またハーフミラー５と反射ミラー７との間には、ハーフミラー５で反射された参照光を遮断する電磁シャッタ１０が配置されている。なお、ハーフミラー５及び反射ミラー７は、参照光と照射光とを干渉させる干渉手段として機能する。
【００２７】
更に加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１は、反射ミラー７で反射されてハーフミラー５を透過する参照光と、被加工物２で反射された後にハーフミラー５で反射された照射光との干渉光を分光するマルチチャネル分光器１１を備えている。マルチチャネル分光器１１は、単一チャネル分光器に比べて、干渉光の分光を高速で行うことができる。このため、マルチチャネル分光器１１は、被加工物２の加工速度が大きくても、その速度に追従することができ、被加工物２の加工状態をリアルタイムにモニタすることができる。マルチチャネル分光器１１は、干渉光を分光する分光手段として機能するものである。
なお、本実施形態においては、レーザ発振器３、光アイソレータ４、ハーフミラー５及びアロマティックレンズ６がパルスレーザ加工装置を構成し、レーザ発振器３、光アイソレータ４、ハーフミラー５及びアロマティックレンズ６、反射ミラー７、移動ステージ９、電磁シャッタ１０及びマルチチャネル分光器１１が加工モニタを構成している。即ち、パルスレーザ加工装置を構成する部品が、加工モニタの一部を兼ねている。従って、パルスレーザ加工装置及び加工モニタがそれぞれ独立に構成される場合に比べて、加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の部品点数を減らすことができ、低コスト化を図ることができる。
【００２８】
次に、本発明のレーザ加工方法の第１実施形態を、上記加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１を用いて説明する。
【００２９】
まずアクロマティックレンズ６の焦点位置に被加工物２を配置する。そして、移動ステージ９を移動させて、反射ミラー７の位置を調整する。反射ミラー７の位置の調整は、参照光と、所定部位で反射された照射光とを干渉可能な状態にするために行うものである。
【００３０】
次に、電磁シャッタ１０を開いた状態にして、レーザ発振器３よりパルスレーザ光を出力する。このとき、パルスレーザ光のパルス幅は、１０ｐｓ以下とし、好ましくは１ｐｓ以下とする。パルス幅が１０ｐｓを超えると、パルスレーザ光の発光スペクトルの波長範囲が狭くなり、後述する干渉スペクトルの変化を認識することが困難となる。また、１パルスあたりのパルスエネルギーは、好ましくは１μＪ以上であり、より好ましくは１ｍＪ以上とする。そして、パルスレーザ光を、ハーフミラー５で参照光と照射光とに分岐させる（分岐工程）。照射光は、ハーフミラー５を透過した後、アクロマティックレンズ６により被加工物２の所定部位に集光されて照射される（集光工程）。これにより、被加工物２の所定部位においてレーザ加工が行われる。
【００３１】
ここで、被加工物２の加工状態のモニタ方法について説明する。
【００３２】
まずレーザ発振器３から被加工物２の所定部位に照射されて反射された照射光を、アクロマティックレンズ６を透過させた後、ハーフミラー５で反射させる。一方、参照光は、反射ミラー７で反射させた後、ハーフミラー５を透過させる。そして、ハーフミラー５を透過する参照光と、被加工物２の所定部位で反射された照射光との干渉光をマルチチャネル分光器１１に入射させて分光させ、マルチチャネル分光器１１により干渉光の干渉スペクトル（分光スペクトル）を算出させる（分光工程）。
【００３３】
ここで、レーザ加工が進行すると、被加工物２に穴が形成され、次第に穴の深さが大きくなる。
【００３４】
レーザ加工前は、参照光と照射光との光路差長が一定の値であるが、上記のように被加工物２に穴が形成されて穴の深さが大きくなると、照射光の光路長が長くなる結果、参照光と照射光との光路長差が大きくなる。このため、干渉スペクトルの形状が変化する。即ち、被加工物２に穴が形成されると、干渉スペクトルの形状も変化する。従って、干渉スペクトルは、被加工物２の形状の指標とすることができる。
【００３５】
特に、レーザ加工時においては、１０ｐｓ以下の極めて短いパルス幅を有するパルスレーザ光が用いられるため、それを分岐した後に干渉させた干渉光は、広い波長範囲にわたって干渉し合う。従って、干渉スペクトルも広い波長範囲にわたって分布する。このように干渉スペクトルが広い波長範囲にわたって分布することで、干渉スペクトルの変化を容易に知ることができる。
【００３６】
そこで、レーザ加工時においては、同時に、この干渉スペクトルをモニタする（モニタ工程）。
【００３７】
このとき、被加工物２の加工状態をモニタするために、照射光の反射光が用いられる。つまり、レーザ加工用の照射光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物２において加工が進行しても、図２に示すように、照射光３４による加工部位３２と照射光によるモニタ部位３３とを常に一致させることができる。よって、干渉スペクトルは、被加工物２の加工部位３２の加工状態を的確に表しており、この干渉スペクトルをモニタすることで、被加工物２の加工部位３２における加工状態（形状変化）を的確にモニタすることができる。
【００３８】
次に、モニタされた干渉スペクトルに基づいてレーザ発振器３を制御し、出力されるパルスレーザ光を連続的に制御する（制御工程）。こうしてパルスレーザ光を連続的に制御することにより、被加工物２における加工部位を的確にレーザ加工することが可能となり、被加工物２を高精度に加工することができる。ここで、パルスレーザ光の制御対象となるのは、具体的には、パルスレーザ光のパワー、波長、パルス幅などである。パワーの制御は、レーザ加工の進行度合が不十分なときなどに行い、波長の制御は、干渉スペクトルが波長の影響を受けるような材料について加工を行うときなどに行う。またパルス幅は、長すぎると熱で溶けたような穴が被加工物に形成されるなど、加工がうまくできなくなり、短すぎると加工ができなくなる。そして、熱で溶けたような穴が被加工物にできる場合と、熱で溶けたような穴が被加工物にできない場合とでは、スペクトルの形状が異なる。従って、パルス幅の制御は、被加工物に対して的確な加工を行うために行う。
【００３９】
次に、本発明のレーザ加工方法の第２実施形態を、上述した加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１を用いて説明する。ここでは、第１層１２及びこれと異種の材料からなる第２層１３を備えた被加工物２に対してレーザ加工（穴あけ加工）を行う場合を例にして説明する（図３参照）。
【００４０】
まずアクロマティックレンズ６の焦点位置に被加工物２を配置し、電磁シャッタ１０を閉じた状態にする。被加工物２は、第１層１２をアクロマティックレンズ６側に向けて配置する。なお、本実施形態では、電磁シャッタ１０を閉じているため、反射ミラー７の位置調整を行う必要がない。
【００４１】
次に、レーザ発振器３よりパルスレーザ光を出力する。このときのパルスレーザ光のパルス幅、パルスエネルギーについては、第１実施形態と同様である。パルスレーザ光は、ハーフミラー５で参照光と照射光とに分岐されるが、参照光は、電磁シャッタ１０により遮断される。
【００４２】
照射光は、ハーフミラー５を透過した後、アクロマティックレンズ６により被加工物２の第１層１２における所定部位に集光されて照射される（集光工程）。これにより、被加工物２の所定部位においてレーザ加工が行われる。
【００４３】
ここで、被加工物２の加工状態のモニタ方法について説明する。まず所定部位で反射された照射光を、アクロマティックレンズ６を透過させた後、ハーフミラー５で反射させる。そして、被加工物２の所定部位で反射された照射光をマルチチャネル分光器１１に入射させて分光させ、マルチチャネル分光器１１により照射光の反射スペクトル（分光スペクトル）を算出させる（分光工程）。
【００４４】
レーザ加工が進行すると、被加工物２の第１層１２に穴１２ａが形成され、次第に穴１２ａの深さが大きくなる。そして、照射光は、第１層１２を貫通した後、第２層１３を加工するようになる。
【００４５】
ここで、第１層１２と第２層１３とは互いに異種の材料からなるため、第１層１２で反射された照射光と、第２層１３で反射された照射光とでは、反射スペクトルの形状が異なっている。即ち、加工部位が第１層１２から第２層１３に変化すると、反射スペクトルの形状も変化するのである。従って、反射スペクトルは、被加工物２の物性の指標とすることができる。
【００４６】
特に、レーザ加工時においては、１０ｐｓ以下の極めて短いパルス幅を有するパルスレーザ光が用いられるため、照射光の波長範囲も広くなっている。従って、反射スペクトルも広い波長範囲にわたって分布する。このため、反射スペクトルの変化を容易に知ることができる。
【００４７】
そこで、レーザ加工時においては、同時に、この反射スペクトルをモニタする（モニタ工程）。
【００４８】
このとき、被加工物２の加工状態をモニタするために、照射光が用いられている。つまり、レーザ加工用の照射光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物２の所定部位において加工が進行しても、被加工物２の加工部位とパルスレーザ光によるモニタ部位とを常に一致させることができる。よって、反射スペクトルは、被加工物２の加工部位の加工状態を的確に表しており、この反射スペクトルをモニタすることで、被加工物２の所定部位における加工状態（物性変化）を的確にモニタすることができる。
【００４９】
次に、上記のようにしてモニタされた加工状態の指標となる反射スペクトルに基づいてレーザ発振器３を制御し、出力されるパルスレーザ光を制御する（制御工程）。こうしてパルスレーザ光を制御することにより、被加工物２における所望部位を的確にレーザ加工することが可能となり、被加工物２に対して高精度にレーザ加工を行うことができる。
【００５０】
次に、本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の第２実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５１】
図４は、本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の第２実施形態を示す概略図である。図４に示すように、本実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置２１は、まず光アイソレータ４とレーザ発振器３との間に設けられパルスレーザ光の波形整形を行う波形整形器２２と、被加工物２をＸＹＺ軸方向に移動させる３軸移動ステージ２３を更に備える点で第１実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１と相違する。このように本実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置２１は波形整形器２２を有するため、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光について波形整形器２２により波形整形を行うことができる。また、３軸移動ステージ２３により、被加工物２を３軸方向に移動することができるため、被加工物２の表面を基準とした深さ方向だけでなく、被加工物２の表面に沿った方向（面内方向）にも加工を施すことができる。
【００５２】
また本実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置２１は、波形整形器２２を制御する波形整形器コントローラ２４と、３軸移動ステージ２３の移動方向及び移動量を制御する３軸移動ステージコントローラ２５と、移動ステージ９の移動量を制御する移動ステージコントローラ２６と、電磁シャッタ１０の開閉を制御する電磁シャッタコントローラ２７と、レーザ発振器３を制御してパルスレーザ光の波長、パルス幅、パルスエネルギーを調整するレーザ発振器コントローラ２８と、上記波形整形器コントローラ２４、３軸移動ステージコントローラ２５、移動ステージコントローラ２６、電磁シャッタコントローラ２７、レーザ発振器コントローラ２８及びマルチチャネル分光器１１を制御するパーソナルコンピュータ２９とを更に備える点で第１実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１と相違する。
【００５３】
このため、パーソナルコンピュータ２９を操作するだけで、マルチチャネル分光器１１で得られる分光スペクトルに基づいてレーザ発振器コントローラ２８、波形整形器コントローラ２４及び３軸移動ステージコントローラ２５の全て又はこれらのうちのいずれか一つを制御し、被加工物２に対し高精度でかつ効率的にレーザ加工を行うことができる。ここで、被加工物２の加工状態をモニタする方法は、第1実施形態に係る加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１における場合と同様であるので、その説明を省略する。
【００５４】
また、パーソナルコンピュータ２９により、波形整形器コントローラ２４、３軸移動ステージコントローラ２５、移動ステージコントローラ２６、電磁シャッタコントローラ２７も全て操作できるため、レーザ加工の作業効率が向上する。なお、波形整形器コントローラ２４、３軸移動ステージコントローラ２５、レーザ発振器コントローラ２８及びパーソナルコンピュータ２９により制御手段が構成されている。また、波形整形器２２は、波形整形手段として機能し、３軸移動ステージ２３は、被加工物移動手段として機能する。
【００５５】
本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置は、上記第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば上記加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１，２１では、レーザ発振器３、ハーフミラー５、被加工物２及び反射ミラー７によりマイケルソン干渉計が構成されているが、図５に示すように、ミラー３０及びビームスプリッタ３１を設け、レーザ発振器３、ハーフミラー５、被加工物２、反射ミラー７、ミラー３０及びビームスプリッタ３１を図５に示すように配置することで、マッハツェンダー干渉計が構成されるようにしてもよい。この場合、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光は、ハーフミラー５で照射光と参照光とに分岐され、照射光は、ハーフミラー５を透過して被加工物２に照射され、その反射光がビームスプリッタ３１で反射される。一方、ハーフミラー５で反射された参照光は、反射ミラー７で反射された後、ビームスプリッタ３１を透過する。そして、参照光と、照射光の反射光とが干渉され、その干渉光がマルチチャネル分光器１１で分光される。これにより、干渉光の干渉スペクトルを得ることができる。なお、照射光の反射スペクトルを得るためには、ハーフミラー５からビームスプリッタ３１までの参照光の光軸上に電磁シャッタ１０を配置し、電磁シャッタ１０を閉じた状態にしておけばよい。
【００５６】
また加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１，２１においては、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐手段としてハーフミラー５を用いているが、分岐手段は、ハーフミラー５に限定されるものではない。要するに、分岐手段は、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐するものであればよい。従って、ハーフミラー５に代えてビームスプリッタを用いることもできる。
【００５７】
更に加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１，２１においては、集光手段としてアクロマティックレンズ６を用いているが、アクロマティックレンズ６に代えて、照射光を被加工物２に集光して照射する反射鏡を用いてもよい。
【００５８】
また、加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１，２１は、干渉スペクトルのみならず、反射スペクトルをも得ることができるものであるが、単に反射スペクトルを得るだけであれば、反射ミラー７は必ずしも必要なものではなく、電磁シャッタ１０も必ずしも必要なものではない。また単に干渉スペクトルを得るだけであれば、電磁シャッタ１０は、必ずしも必要なものではない。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明の内容を、実施例を用いてより具体的に説明する。
【００６０】
（実施例１）
図１の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１において、レーザ発振器３から高強度フェムト秒パルス（パルス幅５０ｆｓ、１パルス当りのパルスエネルギー２５６μＪ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）を、被加工物２であるステンレス板に１分間連続して照射し、穴あけ加工を行った。なお、レーザ発振器３としてはチタンサファイヤレーザを用い、マルチチャネル分光器としては、オーシャンオプティクス社製ＨＲ２０００を用いた。
【００６１】
このとき、被加工物２であるステンレス板に照射されて反射された光パルスと、ハーフミラー５により照射前に予め分岐させておいた参照光パルスとを干渉させ、その干渉光をマルチチャネル分光器１１で分光し、１０秒毎の干渉スペクトルを得た。その結果、照射直後と1分後とでは、特定の波長範囲（７９０〜８４０ｎｍ）における干渉スペクトルの波数が異なることを確認した（図６参照）。波数は反射光と参照光との光路差に依存するため、これを計数することにより、加工された穴深度を測定できることが明らかになった。このとき、穴深度は４２０μｍであった。
なお、ステンレス板の加工部位を顕微鏡で観察し、穴深度を測定したところ、穴深度は、４２０μｍであり、干渉スペクトルより算出した値と一致することが分かった。
このことから、本発明によれば、被加工物２に対しパルスレーザ光でレーザ加工を行いながら被加工物２の加工状態を的確にモニタすることができることが分かった。
【００６２】
（実施例２）
電磁シャッタ１０を閉じて参照光を遮断した状態で、高強度フェムト秒パルス（パルス幅５０ｆｓ、１パルス当りのパルスエネルギー３２０μＪ、繰り返し周波数１kHz）を、被加工物であるステンレス板に照射し続け、マルチチャネル分光器１１により照射直後から1秒毎に反射光のパワースペクトルを9秒間測定した(図７参照)。
【００６３】
その結果、照射を開始してから約2秒間は反射パワースペクトル分布が大きく変化した。なお、ステンレス板としては、表面に酸化皮膜が形成されたものを用いたが、実験後、光学顕微鏡でステンレス板表面の酸化皮膜が除去されていることから、ステンレス板表面の酸化皮膜が除去されている間に反射パワースペクトル分布が大きく変化したことが分かった。
一方、パルスエネルギーを０．３μＪにしたこと以外は上記と同様にして低強度フェムト秒光パルスをステンレス板に照射し、マルチチャネル分光器１１により反射光のパワースペクトルを測定したところ、ステンレス板には穴が形成されず、反射パワースペクトル分布も変化しないことが分かった。
【００６４】
以上のことから、反射光のパワースペクトルの変化を観測することにより被加工物表面の物性変化をリアルタイムに計測できることが明らかになった。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置及び加工状態のモニタ方法によれば、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができるため、被加工物の加工状態を的確にモニタすることができる。
【００６６】
また本発明のレーザ加工方法によれば、被加工物に対しパルスレーザ光でレーザ加工を行いながら加工状態を的確にモニタすることができるため、被加工物に対して高精度にレーザ加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】加工中における照射光による加工部位とモニタ部位との位置関係を示す概略図である。
【図３】本発明のレーザ加工方法の第２実施形態に用いる被加工物の構成を示す側面図である。
【図４】本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の他の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の更に他の実施形態を示す概略図である。
【図６】実施例１に係る干渉スペクトルを示すグラフである。
【図７】実施例２に係る反射スペクトルを示すグラフである。
【図８】（ａ）は、従来のモニタ方法に係る加工直後のモニタ光によるモニタ部位と加工用レーザ光による加工部位との位置関係を示す概略図、（ｂ）は、従来のモニタ方法に係る加工中のモニタ光によるモニタ部位と加工用レーザ光による加工部位との位置関係を示す概略図である。
【符号の説明】
１，２１…加工モニタ付きパルスレーザ加工装置、２…被加工物、３…レーザ発振器、５…ハーフミラー（分岐手段、干渉手段）、６…アクロマティックレンズ（集光手段）、７…反射ミラー（干渉手段）、１０…電磁シャッタ（参照光遮断手段）、１１…マルチチャネル分光器（分光手段）、２２…波形整形器（波形整形手段）、２３…３軸移動ステージ（被加工物移動手段）、２４…波形整形器コントローラ（制御手段）、２５…３軸移動ステージコントローラ（制御手段）、２８…レーザ発振器コントローラ（制御手段）、２９…パーソナルコンピュータ（制御手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002]
The present invention relates to a pulse laser processing apparatus with a processing monitor, a processing state monitoring method, and a laser processing method using the same.
[0003]
[Prior art]
Conventionally, a laser processing method for processing a substance with laser light is known. In this laser processing method, in order to perform laser processing of a substance precisely and efficiently, a technique for continuously monitoring the state change (shape change or physical property change) of the substance during processing is required.
[0004]
As a method for continuously monitoring the state change of a substance during processing in this way, for example, a method of processing a substance with laser light while monitoring the intensity of reflected light of the processing laser light is known (patent) Reference 1).
[0005]
In addition, a method is known in which a monitoring laser beam is prepared separately from the processing laser beam, and the processing state of the workpiece is monitored by spectroscopically reflecting the reflected light of the monitoring laser beam from the workpiece. (See Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
[0007]
JP 2002-1555 A
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-6-99292.
[Problems to be solved by the invention]
However, the processing state monitoring method described in Patent Document 1 described above is easy to measure because the measurement amount is only the intensity of the reflected light. However, since there are various factors that cause the change in the light amount, It is difficult to accurately represent the state. Therefore, there is a problem that the processing accuracy cannot be sufficiently improved even if the wavelength of the processing laser beam is controlled based on the measured intensity of the reflected light.
[0009]
In the processing state monitoring method described in Patent Document 2, the optical axis of the monitoring laser beam is inclined with respect to the optical axis of the processing laser beam. For this reason, as shown in FIG. 8A, even if the monitoring portion 101 by the monitoring laser beam 100 and the processing portion 103 of the processing laser beam 102 are matched with each other in the workpiece 104 immediately after the processing, the processing is performed. As the process proceeds, the monitor part 101 and the processing part 103 may not match each other as shown in FIG. For this reason, even if spectroscopy is performed on the reflected light from the monitor region 101 by the monitoring laser beam 100, the state of the processed region 103 cannot be accurately represented. Therefore, there is a problem that the processing accuracy cannot be sufficiently improved even if the reflected light of the monitoring laser beam 100 is dispersed and the wavelength of the processing laser beam 102 is controlled based on the spectral spectrum.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and uses a pulse laser machining apparatus with a machining monitor capable of accurately monitoring a machining state during machining of a workpiece, a machining state monitoring method, and the same. An object is to provide a laser processing method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, one of the pulse laser processing apparatuses with a processing monitor of the present invention is a pulse laser processing apparatus that performs laser processing by irradiating a predetermined portion of a workpiece with a pulse laser beam, and a processing state monitor. In a laser processing apparatus with a processing monitor, the pulse laser processing apparatus outputs a pulse laser beam, and a condensing means for condensing and irradiating the pulse laser beam on a predetermined part of the workpiece And the processing monitor includes a laser oscillator and a condensing unit constituting the pulse laser processing apparatus, and a spectroscopic unit that divides the pulse laser beam reflected at a predetermined portion and calculates a spectral spectrum thereof. It is characterized by.
[0012]
According to this pulse laser processing apparatus with a processing monitor, a pulse laser beam is output by a laser oscillator constituting the pulse laser processing apparatus, and this pulse laser beam is focused on a predetermined part of a workpiece by a focusing means and irradiated. Then, a predetermined part is processed. Then, the machining state of the predetermined part is monitored by the machining monitor. Specifically, the pulse laser beam irradiated and reflected on a predetermined part of the workpiece by the laser oscillator is dispersed by the spectroscopic means, and the spectroscopic spectrum is calculated by the spectroscopic means. Here, since this spectral spectrum changes with changes in the physical properties of the workpiece, it can be used as an index for the physical properties of the workpiece. In particular, when the pulse width of the pulse laser beam is set to 10 ps or less, the spectral spectrum is observed over a relatively wide wavelength region, so that the change in the spectral spectrum can be easily known. Therefore, the processing state (physical property change) of the workpiece can be monitored by monitoring the spectrum. At this time, reflected light of pulsed laser light is used to monitor the processing state of the workpiece. In other words, the processing pulse laser beam also serves as monitoring light for the processing state at a predetermined site. For this reason, even if a process progresses in the predetermined part of a to-be-processed object, the process part by a pulse laser beam and a monitor part can always be made to correspond.
[0013]
Further, another pulse laser processing apparatus with a processing monitor of the present invention includes a pulse laser processing apparatus that performs laser processing by irradiating a predetermined portion of a workpiece with a pulse laser beam, and a processing monitor that monitors a processing state. In the laser processing apparatus with a monitor, the pulse laser processing apparatus includes a laser oscillator that outputs pulse laser light, a branching unit that branches the pulse laser light into irradiation light and reference light, and the irradiation light to a predetermined part of the workpiece. And a condensing means for condensing and irradiating, and the processing monitor includes a laser oscillator, a branching means and a condensing means constituting the pulse laser processing apparatus, and the reference light and the irradiation light reflected at a predetermined portion. Interference means for making interference light by causing interference, and spectroscopic means for spectrally dividing the interference light and calculating the spectrum thereof are provided.
[0014]
According to this pulse laser processing apparatus with a processing monitor, a pulse laser beam is output from a laser oscillator constituting the pulse laser processing apparatus, and the pulse laser beam is branched into reference light and irradiation light by a branching unit. The irradiation light is condensed and irradiated on a predetermined part of the workpiece to process the predetermined part. Then, the machining state of the predetermined part is monitored by the machining monitor. Specifically, the irradiation light reflected and reflected from a predetermined part of the workpiece by the laser oscillator and the reference light branched by the branching means are made interference light by the interference means, and this interference light is made by the spectroscopic means. The light is split and the spectral spectrum of the interference light is calculated by the spectroscopic means. Here, as the shape of the workpiece changes, the optical path length difference between the reference light and the irradiation light changes, and the shape of the spectral spectrum changes. Therefore, the spectral spectrum should be an index of the shape of the workpiece. Can do. In particular, when the pulse width of the pulse laser beam is set to 10 ps or less, the spectral spectrum is observed over a relatively wide wavelength region, so that the change in the spectral spectrum can be easily known. Therefore, by monitoring this spectral spectrum, the processing state (shape change) of the workpiece can be monitored. At this time, reflected light of irradiation light is used to monitor the processing state of the workpiece. That is, the irradiation light for processing also serves as monitoring light for the processing state at a predetermined site. For this reason, even if a process advances in the predetermined site | part of a to-be-processed object, the process site | part and monitor site | part by irradiation light can always be made to correspond.
[0015]
Here, it is preferable that the pulse laser processing apparatus with a processing monitor further includes reference light blocking means for blocking the reference light, and the reference light blocking means constitutes a processing monitor.
[0016]
In the processing monitor, when the reference light is not blocked by the reference light blocking means, the interference light is obtained by the interference means between the reference light and the irradiation light reflected by the predetermined portion, and the interference light is split by the spectroscopic means. The spectral spectrum of the interference light is calculated by the spectroscopic means. On the other hand, in the processing monitor, when the reference light is blocked by the reference light blocking means, no interference light is obtained by the interference means, and the irradiation light reflected at the predetermined part is dispersed by the spectral means, and the reflected light of the irradiation light is reflected. A spectral spectrum is calculated. That is, according to this pulse laser processing apparatus with a processing monitor, not only the spectral spectrum of interference light but also the spectral spectrum of reflected light of irradiation light can be obtained. The shape change of the workpiece can be monitored by monitoring the spectral spectrum of the interference light, and the physical property change of the workpiece can be monitored by monitoring the spectral spectrum of the reflected light.
[0017]
One of the processing state monitoring methods of the present invention is a processing state monitoring method for monitoring a processing state of a predetermined part while performing laser processing by irradiating a predetermined part of a workpiece with pulsed laser light. A condensing step of condensing and irradiating a predetermined part of the workpiece, a spectroscopic step of calculating the spectroscopic spectrum of the irradiation light reflected at the predetermined part, and a spectroscopic spectrum calculated in the spectroscopic step And a monitoring step of monitoring, wherein the pulse width of the pulse laser beam is set to 10 ps or less.
[0018]
According to this processing state monitoring method, the pulse laser beam is focused and irradiated on a predetermined portion of the workpiece to process the predetermined portion. Then, the pulsed laser beam reflected at the predetermined part is dispersed and the spectrum is calculated. Here, since this spectral spectrum changes with changes in the physical properties of the workpiece, it can be used as an index for the physical properties of the workpiece. In particular, the pulse width of the pulse laser beam is set to 10 ps or less, and the spectral spectrum is observed over a relatively wide wavelength region, so that the change in the spectral spectrum can be easily known. Therefore, the processing state of the workpiece can be monitored by monitoring this spectral spectrum. At this time, reflected light of pulsed laser light is used to monitor the processing state of the workpiece. In other words, the processing pulse laser beam also serves as monitoring light for the processing state at a predetermined site. For this reason, even if a process progresses in the predetermined part of a to-be-processed object, the process part and monitor part by a pulse laser beam can always be made to correspond.
[0019]
Another processing state monitoring method of the present invention is a processing state monitoring method for monitoring a processing state of a predetermined part while performing laser processing by irradiating a predetermined part of a workpiece with a pulsed laser beam. A branching process for branching the irradiation light and the reference light, a condensing process for condensing and irradiating the irradiation light branched in the branching process on a predetermined part of the workpiece, and a reference light branched in the branching process Including a spectroscopic step of obtaining a spectral spectrum by splitting interference light with irradiation light reflected at a predetermined site, and a monitoring step of monitoring the spectroscopic spectrum obtained in the spectroscopic step, It is characterized by being 10 ps or less.
[0020]
According to this processing state monitoring method, the pulse laser beam is branched into the reference light and the irradiation light, and the irradiation light is focused and irradiated on a predetermined portion of the workpiece to process the predetermined portion. Then, the interference light between the irradiation light reflected from the predetermined portion and the reference light is dispersed to obtain a spectral spectrum of the interference light. Here, as the shape of the workpiece changes, the optical path length difference between the reference light and the irradiation light changes, and the shape of the spectral spectrum changes. Therefore, the spectral spectrum should be an index of the shape of the workpiece. Can do. In particular, the pulse width of the pulse laser beam is set to 10 ps or less, and the spectral spectrum is observed over a relatively wide wavelength region, so that the change in the spectral spectrum can be easily known. Therefore, the processing state of the workpiece can be monitored by monitoring this spectral spectrum. At this time, reflected light of irradiation light is used to monitor the processing state of the workpiece. That is, the irradiation light for processing also serves as monitoring light for the processing state at a predetermined site. For this reason, even if a process progresses in the predetermined part of a to-be-processed object, the process part by a pulse laser beam and a monitor part can always be made to correspond.
[0021]
The laser processing method of the present invention includes a processing step of performing laser processing by irradiating a predetermined portion of a workpiece with pulsed laser light, a monitoring step of monitoring a processing state of the predetermined portion, and a processing monitored in the monitoring step. In the laser processing method including a control step of controlling the pulsed laser beam based on the state, the monitoring step is performed by the above-described processing state monitoring method.
[0022]
According to this laser processing method, even if processing progresses at a predetermined part of the workpiece, the part to be processed by the pulse laser beam and the monitor part can always be matched. For this reason, it is possible to accurately monitor the processing state while performing laser processing on the workpiece with pulsed laser light, so that the processing accuracy for the workpiece can be sufficiently improved by controlling the pulsed laser light. Can do.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0024]
FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment of a pulse laser machining apparatus with a machining monitor of the present invention. As shown in FIG. 1, a pulse laser processing apparatus 1 with a processing monitor includes a laser oscillator 3 that outputs a pulse laser beam for processing a pulse laser workpiece 2. Here, the laser oscillator 3 is preferably capable of outputting pulsed laser light having a pulse width of 10 ps or less, preferably 1 ps or less. Thus, by making the pulse width extremely short, the wavelength width of the pulse laser beam output from the laser oscillator 3 can be sufficiently widened. If the pulse width exceeds 10 ps, the wavelength width of the laser beam is not sufficient, and it tends to be difficult to monitor the processing state. The laser oscillator 3 is preferably capable of outputting a pulse laser beam of 1 μJ or more per pulse. As such a laser oscillator 3, for example, a titanium sapphire laser can be used.
[0025]
Between the workpiece 2 and the laser oscillator 3, an optical isolator 4, a half mirror 5, and an achromatic lens 6 are sequentially arranged from the laser oscillator 3 side. The optical isolator 4 reduces the return light to the laser oscillator 3, and the half mirror 5 branches the pulsed laser light output from the laser oscillator 3 into irradiation light and reference light. The achromatic lens 6 is a lens that condenses the irradiation light on the workpiece 2 and sufficiently prevents the spread of the focused spot due to the wavelength dispersion of the pulsed laser light, thereby improving the processing accuracy for the workpiece 2. be able to. The half mirror 5 functions as a branching unit that branches the pulsed laser light into irradiation light and reference light, and the achromatic lens 6 serves as a condensing unit that condenses the irradiation light on a predetermined part of the workpiece 2. Function.
[0026]
The pulse laser processing apparatus 1 with a processing monitor includes a reflection mirror 7 that reflects reference light branched by reflection by a half mirror 5. Here, the reflection mirror 7 is arranged so that the optical axis 8 of the reference light and the optical axis of the reflected light are coaxial. Therefore, the reference light reflected by the reflection mirror 7 is incident on the half mirror 5 and passes through the half mirror 5. The reflection mirror 7 is provided on a moving stage 9 that moves the reflection mirror 7 in parallel with the optical axis 8 of the reference light. Therefore, the optical path length of the reference light can be adjusted by the moving stage 9. An electromagnetic shutter 10 that blocks the reference light reflected by the half mirror 5 is disposed between the half mirror 5 and the reflection mirror 7. The half mirror 5 and the reflection mirror 7 function as an interference unit that causes the reference light and the irradiation light to interfere with each other.
[0027]
Furthermore, the pulse laser processing apparatus 1 with a processing monitor is an interference light between the reference light reflected by the reflection mirror 7 and transmitted through the half mirror 5 and the irradiation light reflected by the half mirror 5 after being reflected by the workpiece 2. Is provided with a multi-channel spectroscope 11. The multi-channel spectrometer 11 can perform interference light spectroscopy at a higher speed than a single-channel spectrometer. For this reason, even if the processing speed of the workpiece 2 is high, the multichannel spectroscope 11 can follow the processing speed and can monitor the processing state of the workpiece 2 in real time. The multi-channel spectroscope 11 functions as a spectroscopic unit that splits interference light.
In this embodiment, the laser oscillator 3, the optical isolator 4, the half mirror 5 and the aromatic lens 6 constitute a pulse laser processing apparatus, and the laser oscillator 3, the optical isolator 4, the half mirror 5 and the aromatic lens 6, The reflection mirror 7, the moving stage 9, the electromagnetic shutter 10, and the multichannel spectrometer 11 constitute a processing monitor. That is, the parts constituting the pulse laser processing apparatus also serve as a part of the processing monitor. Therefore, compared with the case where the pulse laser processing apparatus and the process monitor are configured independently, the number of parts of the pulse laser processing apparatus with the process monitor can be reduced, and the cost can be reduced.
[0028]
Next, a first embodiment of the laser processing method of the present invention will be described using the pulse laser processing apparatus 1 with a processing monitor.
[0029]
First, the workpiece 2 is placed at the focal position of the achromatic lens 6. Then, the moving stage 9 is moved to adjust the position of the reflecting mirror 7. The adjustment of the position of the reflection mirror 7 is performed so that the reference light and the irradiation light reflected by the predetermined part can be interfered with each other.
[0030]
Next, the electromagnetic shutter 10 is opened, and pulse laser light is output from the laser oscillator 3. At this time, the pulse width of the pulse laser beam is 10 ps or less, preferably 1 ps or less. When the pulse width exceeds 10 ps, the wavelength range of the emission spectrum of the pulsed laser beam becomes narrow, and it becomes difficult to recognize changes in the interference spectrum described later. The pulse energy per pulse is preferably 1 μJ or more, more preferably 1 mJ or more. Then, the pulse laser beam is branched into reference light and irradiation light by the half mirror 5 (branching step). Irradiation light is transmitted through the half mirror 5 and then condensed and irradiated onto a predetermined portion of the workpiece 2 by the achromatic lens 6 (condensing step). Thereby, laser processing is performed at a predetermined portion of the workpiece 2.
[0031]
Here, a method for monitoring the machining state of the workpiece 2 will be described.
[0032]
First, the irradiated light reflected from the laser oscillator 3 to a predetermined part of the workpiece 2 is transmitted through the achromatic lens 6 and then reflected by the half mirror 5. On the other hand, the reference light is reflected by the reflection mirror 7 and then transmitted through the half mirror 5. Then, the interference light between the reference light transmitted through the half mirror 5 and the irradiation light reflected by the predetermined part of the workpiece 2 is incident on the multi-channel spectrometer 11 to be split, and the multi-channel spectrometer 11 interferes with the interference light. The interference spectrum (spectral spectrum) is calculated (spectral process).
[0033]
Here, when laser processing proceeds, holes are formed in the workpiece 2 and the depth of the holes gradually increases.
[0034]
Before the laser processing, the optical path difference length between the reference light and the irradiation light is a constant value. However, when the hole is formed in the workpiece 2 and the depth of the hole is increased as described above, the optical path length of the irradiation light is increased. As a result, the optical path length difference between the reference light and the irradiation light increases. For this reason, the shape of the interference spectrum changes. That is, when a hole is formed in the workpiece 2, the shape of the interference spectrum also changes. Therefore, the interference spectrum can be used as an index of the shape of the workpiece 2.
[0035]
In particular, during laser processing, pulsed laser light having an extremely short pulse width of 10 ps or less is used. Therefore, interference light that has interfered after splitting it interferes over a wide wavelength range. Therefore, the interference spectrum is also distributed over a wide wavelength range. As described above, since the interference spectrum is distributed over a wide wavelength range, a change in the interference spectrum can be easily known.
[0036]
Therefore, at the time of laser processing, the interference spectrum is simultaneously monitored (monitoring process).
[0037]
At this time, the reflected light of the irradiation light is used to monitor the processing state of the workpiece 2. That is, the irradiation light for laser processing also serves as monitoring light for the processing state at a predetermined site. For this reason, even if a process progresses in the workpiece 2, as shown in FIG. 2, the processed part 32 by the irradiation light 34 and the monitor part 33 by the irradiation light can always be matched. Therefore, the interference spectrum accurately represents the machining state of the machining part 32 of the workpiece 2, and by monitoring this interference spectrum, the machining state (shape change) of the machining part 32 of the workpiece 2 can be accurately obtained. Can be monitored.
[0038]
Next, the laser oscillator 3 is controlled based on the monitored interference spectrum, and the output pulsed laser light is continuously controlled (control process). By continuously controlling the pulsed laser beam in this way, it is possible to accurately laser-process the processing site in the workpiece 2, and the workpiece 2 can be processed with high accuracy. Here, specifically, the power of the pulse laser beam, the wavelength, the pulse width, and the like are controlled by the pulse laser beam. The power is controlled when the progress of laser processing is insufficient, and the wavelength is controlled when a material whose interference spectrum is affected by the wavelength is processed. Further, if the pulse width is too long, processing such as a hole melted by heat is formed in the work piece, and processing cannot be performed well. If the pulse width is too short, processing cannot be performed. The shape of the spectrum differs between a case where a hole that is melted by heat can be formed in the workpiece and a case that a hole that is melted by heat cannot be formed in the workpiece. Therefore, the pulse width is controlled in order to perform accurate machining on the workpiece.
[0039]
Next, a second embodiment of the laser processing method of the present invention will be described using the above-described pulse laser processing apparatus 1 with a processing monitor. Here, a case where laser processing (drilling processing) is performed on the workpiece 2 including the first layer 12 and the second layer 13 made of a material different from the first layer 12 will be described as an example (see FIG. 3).
[0040]
First, the workpiece 2 is placed at the focal position of the achromatic lens 6 and the electromagnetic shutter 10 is closed. The workpiece 2 is arranged with the first layer 12 facing the achromatic lens 6 side. In this embodiment, since the electromagnetic shutter 10 is closed, it is not necessary to adjust the position of the reflection mirror 7.
[0041]
Next, a pulsed laser beam is output from the laser oscillator 3. The pulse width and pulse energy of the pulse laser beam at this time are the same as in the first embodiment. The pulsed laser light is branched into reference light and irradiation light by the half mirror 5, but the reference light is blocked by the electromagnetic shutter 10.
[0042]
Irradiation light is transmitted through the half mirror 5 and then condensed and irradiated on a predetermined portion of the first layer 12 of the workpiece 2 by the achromatic lens 6 (condensing step). Thereby, laser processing is performed at a predetermined portion of the workpiece 2.
[0043]
Here, a method for monitoring the machining state of the workpiece 2 will be described. First, the irradiation light reflected at a predetermined portion is transmitted through the achromatic lens 6 and then reflected by the half mirror 5. And the irradiation light reflected by the predetermined part of the to-be-processed object 2 is entered into the multi-channel spectroscope 11, and is spectrally divided, and the multi-channel spectroscope 11 calculates the reflection spectrum (spectral spectrum) of the irradiation light (spectral process). .
[0044]
As laser processing proceeds, holes 12a are formed in the first layer 12 of the workpiece 2, and the depth of the holes 12a gradually increases. The irradiation light passes through the first layer 12 and then processes the second layer 13.
[0045]
Here, since the first layer 12 and the second layer 13 are made of different materials, the reflection spectrum of the irradiation light reflected by the first layer 12 and the irradiation light reflected by the second layer 13 is different. The shape is different. That is, when the processing site is changed from the first layer 12 to the second layer 13, the shape of the reflection spectrum is also changed. Therefore, the reflection spectrum can be used as an index of physical properties of the workpiece 2.
[0046]
In particular, during laser processing, pulsed laser light having an extremely short pulse width of 10 ps or less is used, so that the wavelength range of irradiation light is widened. Therefore, the reflection spectrum is also distributed over a wide wavelength range. For this reason, the change in the reflection spectrum can be easily known.
[0047]
Therefore, at the time of laser processing, this reflection spectrum is simultaneously monitored (monitoring process).
[0048]
At this time, irradiation light is used to monitor the processing state of the workpiece 2. That is, the irradiation light for laser processing also serves as monitoring light for the processing state at a predetermined site. For this reason, even if a process progresses in the predetermined site | part of the to-be-processed object 2, the process site | part of the to-be-processed object 2 and the monitor site | part by a pulse laser beam can always be made to correspond. Therefore, the reflection spectrum accurately represents the machining state of the machining part of the workpiece 2, and by monitoring this reflection spectrum, the machining state (physical property change) in the predetermined part of the workpiece 2 can be accurately monitored. can do.
[0049]
Next, the laser oscillator 3 is controlled on the basis of the reflection spectrum that serves as an index of the machining state monitored as described above, and the output pulse laser beam is controlled (control process). By controlling the pulsed laser beam in this manner, it is possible to accurately laser-process a desired portion of the workpiece 2 and to perform laser processing on the workpiece 2 with high accuracy.
[0050]
Next, a second embodiment of the pulse laser processing apparatus with a processing monitor of the present invention will be described. Note that the same or equivalent components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0051]
FIG. 4 is a schematic view showing a second embodiment of a pulse laser processing apparatus with a processing monitor of the present invention. As shown in FIG. 4, the pulse laser processing apparatus with a processing monitor 21 of the present embodiment is provided between a light isolator 4 and a laser oscillator 3, and a waveform shaper 22 that shapes the waveform of pulsed laser light, It differs from the pulse laser processing apparatus 1 with the processing monitor of the first embodiment in that it further includes a three-axis moving stage 23 for moving the workpiece 2 in the XYZ axis directions. Thus, since the pulse laser processing apparatus 21 with a processing monitor of this embodiment has the waveform shaper 22, the waveform shaper 22 can perform waveform shaping on the pulsed laser light output from the laser oscillator 3. In addition, since the workpiece 2 can be moved in the three-axis direction by the three-axis moving stage 23, not only the depth direction based on the surface of the workpiece 2 but also the surface of the workpiece 2 is aligned. Processing can also be performed in the other direction (in-plane direction).
[0052]
Further, the pulse laser processing apparatus with a processing monitor 21 of the present embodiment includes a waveform shaper controller 24 that controls the waveform shaper 22, a triaxial movement stage controller 25 that controls the movement direction and amount of movement of the triaxial movement stage 23, and the like. The wavelength, pulse width, and pulse energy of the pulse laser beam are adjusted by controlling the moving stage controller 26 that controls the moving amount of the moving stage 9, the electromagnetic shutter controller 27 that controls the opening and closing of the electromagnetic shutter 10, and the laser oscillator 3. And a personal computer 29 for controlling the waveform shaper controller 24, the three-axis moving stage controller 25, the moving stage controller 26, the electromagnetic shutter controller 27, the laser oscillator controller 28, and the multichannel spectrometer 11. Working with monitor pulse laser processing apparatus 1 of the first embodiment in obtaining points and different.
[0053]
Therefore, only by operating the personal computer 29, all or all of the laser oscillator controller 28, the waveform shaper controller 24, and the three-axis moving stage controller 25 are selected based on the spectrum obtained by the multichannel spectrometer 11. By controlling one of them, laser processing can be performed on the workpiece 2 with high accuracy and efficiency. Here, since the method for monitoring the machining state of the workpiece 2 is the same as that in the pulse laser machining apparatus 1 with the machining monitor according to the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0054]
Further, since the waveform shaper controller 24, the three-axis movement stage controller 25, the movement stage controller 26, and the electromagnetic shutter controller 27 can all be operated by the personal computer 29, the working efficiency of laser processing is improved. The waveform shaper controller 24, the three-axis movement stage controller 25, the laser oscillator controller 28, and the personal computer 29 constitute a control means. The waveform shaper 22 functions as a waveform shaping unit, and the three-axis moving stage 23 functions as a workpiece moving unit.
[0055]
The pulse laser processing apparatus with a processing monitor of the present invention is not limited to the first and second embodiments. For example, in the pulse laser processing apparatuses 1 and 21 with the processing monitor, a Michelson interferometer is constituted by the laser oscillator 3, the half mirror 5, the workpiece 2 and the reflection mirror 7, but as shown in FIG. 30 and the beam splitter 31, and the Mach-Zehnder interferometer is configured by arranging the laser oscillator 3, the half mirror 5, the workpiece 2, the reflection mirror 7, the mirror 30, and the beam splitter 31 as shown in FIG. You may make it do. In this case, the pulsed laser light output from the laser oscillator 3 is branched into irradiation light and reference light by the half mirror 5, and the irradiation light passes through the half mirror 5 and is irradiated onto the workpiece 2, and its reflection. Light is reflected by the beam splitter 31. On the other hand, the reference light reflected by the half mirror 5 is reflected by the reflection mirror 7 and then passes through the beam splitter 31. Then, the reference light and the reflected light of the irradiation light interfere with each other, and the interference light is split by the multichannel spectrometer 11. Thereby, the interference spectrum of interference light can be obtained. In order to obtain the reflection spectrum of the irradiation light, the electromagnetic shutter 10 may be disposed on the optical axis of the reference light from the half mirror 5 to the beam splitter 31 and the electromagnetic shutter 10 may be closed.
[0056]
In the pulse laser processing apparatuses 1 and 21 with processing monitors, the half mirror 5 is used as a branching unit that splits the pulse laser beam into the irradiation light and the reference light. However, the branching unit is limited to the half mirror 5. It is not a thing. In short, the branching unit may be any unit that splits the pulse laser beam into the irradiation light and the reference light. Therefore, a beam splitter can be used instead of the half mirror 5.
[0057]
Further, in the pulse laser processing apparatuses 1 and 21 with processing monitors, the achromatic lens 6 is used as the focusing means. However, instead of the achromatic lens 6, the irradiation light is condensed and irradiated onto the workpiece 2. A reflector may be used.
[0058]
Further, the pulse laser processing devices 1 and 21 with processing monitors can obtain not only the interference spectrum but also the reflection spectrum, but the reflection mirror 7 is not necessarily required if only the reflection spectrum is obtained. The electromagnetic shutter 10 is not necessarily required. In addition, the electromagnetic shutter 10 is not always necessary if the interference spectrum is simply obtained.
[0059]
【Example】
Hereinafter, the contents of the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0060]
Example 1
1, a high intensity femtosecond pulse (pulse width: 50 fs, pulse energy per pulse: 256 μJ, repetition frequency: 1 kHz) from a laser oscillator 3 is applied to a stainless steel plate as a workpiece 2 in the pulse laser processing apparatus 1 with a processing monitor. Irradiation was continued for 1 minute to perform drilling. Note that a titanium sapphire laser was used as the laser oscillator 3 and an HR2000 manufactured by Ocean Optics was used as the multichannel spectrometer.
[0061]
At this time, the light pulse irradiated and reflected on the stainless steel plate as the workpiece 2 is interfered with the reference light pulse previously branched by the half mirror 5 before irradiation, and the interference light is subjected to multichannel spectroscopy. Spectroscopy was performed with the instrument 11 to obtain an interference spectrum every 10 seconds. As a result, it was confirmed that the wave number of the interference spectrum in a specific wavelength range (790 to 840 nm) was different immediately after irradiation and after 1 minute (see FIG. 6). Since the wave number depends on the optical path difference between the reflected light and the reference light, it has been clarified that the processed hole depth can be measured by counting this. At this time, the hole depth was 420 μm.
In addition, when the processing site | part of the stainless steel plate was observed with the microscope and the hole depth was measured, it turned out that the hole depth is 420 micrometers and corresponds with the value computed from the interference spectrum.
From this, it has been found that according to the present invention, the processing state of the workpiece 2 can be accurately monitored while performing laser processing on the workpiece 2 with pulsed laser light.
[0062]
(Example 2)
With the electromagnetic shutter 10 closed and the reference light blocked, a high-intensity femtosecond pulse (pulse width 50 fs, pulse energy 320 μJ per pulse, repetition frequency 1 kHz) is continuously applied to the stainless steel plate as the workpiece, The power spectrum of the reflected light was measured for 9 seconds every second immediately after irradiation with the multichannel spectroscope 11 (see FIG. 7).
[0063]
As a result, the reflected power spectrum distribution changed greatly for about 2 seconds after the start of irradiation. As the stainless steel plate, the one with an oxide film formed on the surface was used, but after the experiment, the oxide film on the stainless steel plate surface was removed with an optical microscope. During this period, it was found that the reflected power spectrum distribution changed greatly.
On the other hand, a stainless steel plate was irradiated with a low-intensity femtosecond light pulse in the same manner as described above except that the pulse energy was set to 0.3 μJ, and the power spectrum of the reflected light was measured by the multichannel spectrometer 11. It was found that no hole was formed and the reflected power spectrum distribution did not change.
[0064]
From the above, it became clear that the physical property change of the workpiece surface can be measured in real time by observing the change of the power spectrum of the reflected light.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the pulse laser processing apparatus with the processing monitor and the processing state monitoring method of the present invention, even if processing progresses at a predetermined part of the workpiece, the processing part and the monitoring part by the pulse laser beam are separated. Since they can always be matched, the machining state of the workpiece can be accurately monitored.
[0066]
In addition, according to the laser processing method of the present invention, since the processing state can be accurately monitored while performing laser processing on the workpiece with pulsed laser light, laser processing is performed on the workpiece with high accuracy. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a pulse laser processing apparatus with a processing monitor of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a positional relationship between a processing part and a monitor part by irradiation light during processing.
FIG. 3 is a side view showing a configuration of a workpiece used in a second embodiment of the laser processing method of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing another embodiment of a pulse laser processing apparatus with a processing monitor of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing still another embodiment of a pulse laser processing apparatus with a processing monitor of the present invention.
6 is a graph showing an interference spectrum according to Example 1. FIG.
7 is a graph showing a reflection spectrum according to Example 2. FIG.
FIG. 8A is a schematic diagram showing a positional relationship between a monitoring part by monitoring light immediately after processing and a processing part by processing laser light according to a conventional monitoring method, and FIG. 8B shows a conventional monitoring method. It is the schematic which shows the positional relationship of the monitoring site | part by the monitoring light in process and the processing site | part by the processing laser beam.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21 ... Pulse laser processing apparatus with a process monitor, 2 ... Workpiece, 3 ... Laser oscillator, 5 ... Half mirror (branching means, interference means), 6 ... Achromatic lens (condensing means), 7 ... Reflection mirror (Interference means), 10 ... Electromagnetic shutter (reference light blocking means), 11 ... Multichannel spectrometer (spectral means), 22 ... Waveform shaper (waveform shaping means), 23 ... 3-axis moving stage (workpiece moving means) ), 24... Waveform shaper controller (control means), 25... Three-axis movement stage controller (control means), 28... Laser oscillator controller (control means), 29.

Claims

In a laser processing apparatus with a processing monitor comprising: a pulse laser processing apparatus that performs laser processing by irradiating a predetermined portion of a workpiece with a pulse laser beam having a pulse width of 10 ps or less; and a processing monitor that monitors a processing state.
The pulse laser processing apparatus is
A laser oscillator for outputting the pulse laser beam;
Branching means for branching the pulsed laser light into irradiation light and reference light;
Condensing means for condensing and irradiating the irradiation light on a predetermined part of the workpiece;
With
The processing monitor is
The laser oscillator constituting the pulse laser processing apparatus, the branching unit and the condensing unit;
Interference means for causing the reference light and the irradiation light reflected at the predetermined portion to interfere with each other to form interference light;
A spectroscopic means for splitting the interference light and calculating a spectral spectrum thereof;
Comprising
A pulse laser machining apparatus with a machining monitor.

The pulse laser processing apparatus with a processing monitor according to claim 1, further comprising reference light blocking means for blocking the reference light, wherein the reference light blocking means constitutes the processing monitor.

A workpiece moving means for moving the workpiece;
Control means for controlling the workpiece moving means and the laser oscillator based on the spectral spectrum obtained by the spectroscopic means,
Is further provided,
The workpiece moving means constitutes the pulse laser processing apparatus,
The pulse laser processing apparatus with a processing monitor according to claim 1 or 2 .

Waveform shaping means for shaping the waveform of the pulsed laser light is further provided, and the control means can control the waveform shaping means based on a spectral spectrum obtained by the spectroscopy means, and the waveform The shaping means constitutes each of the pulse laser processing apparatus and the processing monitor.
The pulse laser processing apparatus with a processing monitor according to claim 3 .

In a monitoring method of a processing state of monitoring a processing state of the predetermined portion while performing laser processing by irradiating a predetermined laser beam to a predetermined portion of the workpiece,
A branching step of branching the pulsed laser light into irradiation light and reference light;
A condensing step of condensing and irradiating the irradiation light branched in the branching step on a predetermined part of the workpiece;
A spectroscopic step of splitting the reference light branched in the branching step and the interference light of the irradiation light reflected by the predetermined portion and calculating a spectral spectrum thereof;
A monitoring step of monitoring the spectral spectrum calculated in the spectral step;
Including
A processing state monitoring method, wherein a pulse width of the pulse laser beam is set to 10 ps or less.

A processing step of performing laser processing by irradiating a predetermined portion of the workpiece with pulsed laser light; and
A monitoring step of monitoring a machining state of the predetermined portion;
In a laser processing method including a control step of controlling the position of the pulsed laser light and the workpiece or any one thereof based on the processing state monitored in the monitoring step,
A laser processing method, wherein the monitoring step is performed by the processing state monitoring method according to claim 5 .