JP4333836B2 - パルスレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力フェムト秒パルスレーザ光を用いて被加工物を加工するパルスレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
パルスレーザ光を用いて被加工物を加工する場合、加工効率を向上させるためには、高出力で短パルスのパルスレーザ光を用いることが望ましい。
【０００３】
このような高出力で短パルスのレーザ光を用いたパルスレーザ加工装置として、従来、パルスレーザ光を、光ファイバにより水中の被加工物に照射して被加工物を加工するものが知られている（例えば特許文献１参照）。このレーザ加工装置によれば、被加工物に照射されるパルスレーザ光が光ファイバを通して伝送されることにより、被加工物に対して、低損失且つ高強度でのレーザ光照射が図られる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２０６８６９号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の公報に記載のパルスレーザ加工装置は、以下に示す課題を有していた。
【０００６】
即ち従来のパルスレーザ加工装置は、パルスレーザ光を光ファイバに入射させた場合、パルスレーザ光の高い出力により、光ファイバの端面を損傷させてしまうおそれがある。また、光ファイバが損傷しなくても、空気と、光ファイバのコアとの界面でパルスレーザ光の反射率が大きくなり、レーザ光源から出射されて被加工物に到達するレーザ光の光量が減少し、レーザ光が被加工物の加工に十分に利用されなくなる。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、特に、光伝送媒体の損傷を十分に防止できるパルスレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、上記のように光ファイバの端面で損傷が生じる原因が空気又は水と光ファイバ間の屈折率差によって生じる光の反射にあるという考えに到達し、更に鋭意検討を進めた結果、光ファイバの端面と空気又は水との間に、これらの屈折率差による光の反射を低減することが可能な媒体を設けることにより上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、５ｐｓ以下のパルス幅を持つパルスレーザ光を、光伝送媒体により伝送して被加工物に照射し被加工物を加工するパルスレーザ加工装置であって、パルスレーザ光を出射し光伝送媒体に入射させるパルスレーザ光源と、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を被加工物に集光する集光手段とを備えており、光伝送媒体が、コア及びクラッドを備える本体部と、本体部の一方の側に設けられる第１屈折率変化部、及び本体部の他方の側に設けられる第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方とを含み、光伝送媒体において、本体部の一端側からパルスレーザ光が入射され、本体部の他端側からパルスレーザ光が出射されるようになっており、第１屈折率変化部は、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って、屈折率が第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも本体部のコアの屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有し、第２屈折率変化部は、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が本体部のコアの屈折率よりも第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有することを特徴とする。
【００１０】
このパルスレーザ加工装置によれば、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光が光伝送媒体に入射される。光伝送媒体が第1屈折率変化部を含む場合、光伝送媒体に入射されるパルスレーザ光は、第１屈折率変化部から本体部に入射される。ここで、光伝送媒体の第１屈折率変化部は、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って、屈折率が第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも本体部のコアの屈折率に近づくよう変化する屈折率分布を有するため、光が第１屈折率変化部に接する媒質から本体部のコアに入射されるときの光の反射率が、第１屈折率変化部が無い場合に比べて十分に低減される。また、光伝送媒体が第２屈折率変化部を含む場合、第２屈折率変化部は、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が本体部のコアの屈折率よりも第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有するため、光が本体部のコアから第２屈折率変化部に接する媒質に出射されるときの光の反射率が、第２屈折率変化部が無い場合に比べて十分に低減される。そして、光伝送媒体が第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部の両方を含む場合、光伝送媒体全体としても、本体部の両側に第１及び第２屈折率変化部が設けられていない場合に比べて、光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。よって、本発明のパルスレーザ加工装置によれば、光伝送媒体が第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方を含むことにより、反射率に起因する本体部の損傷を十分に防ぐことが可能となる。また光伝送媒体において光のトータルの反射率が十分に低減されるため、光伝送媒体における光の損失が十分に低減される。このため、光伝送媒体から出射されたパルスレーザ光を集光手段により被加工物に集光して被加工物を加工するときに、パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光の加工への利用率を十分に向上させることができる。
【００１１】
上記パルスレーザ加工装置は、被加工物を浸漬する液体を収容するための液体収容槽を更に備えており、光伝送媒体におけるパルスレーザ光の出射側端部が液体に浸漬されている。
【００１２】
液体の屈折率は通常、空気より大きいため、光伝送媒体の出射側端部を液体に浸漬することで、本体部のコアの屈折率との液体との屈折率差を十分に低減することができる。このため、光が本体部のコアから出射側端部に接する媒質に出射されるときの光の反射率がより十分に低減される。
【００１３】
光伝送媒体が前記第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部を有する場合、光伝送媒体における本体部のコアの屈折率は通常、第１及び第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも大きい。このため、上記パルスレーザ加工装置においては通常、第１屈折率変化部における屈折率が、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って大きくなっており、第２屈折率変化部における屈折率が、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って小さくなっている。
【００１４】
上記パルスレーザ加工装置は、光伝送媒体に入射されるパルスレーザ光の時間波形を所定の波形に変換するパルス波形変換装置を更に備えることが好ましい。この場合、パルス波形変換装置により、パルスレーザ光の時間波形を所定波形に変換することが可能であり、パルスレーザ光のピーク強度が小さくなるようにパルスレーザ光を波形変換することも可能である。このため、パルスレーザ光による光伝送媒体の損傷をより十分に防止することが可能となる。
【００１５】
上記パルスレーザ加工装置においては、第２屈折率変化部及び集光手段が一体化されていることが好ましい。この場合、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光が集光手段を経て被加工物に照射されるようにパルスレーザ光の光軸調整が行われる場合に、その調整が極めて容易となる。
【００１６】
上記パルスレーザ加工装置は、被加工物を移動させる被加工物移動手段を更に備えてもよい。この場合、被加工物移動手段で被加工物を移動させることが可能であるため、パルスレーザ光の光軸を固定したまま、被加工物に対して所望の加工を行うことができる。
【００１７】
上記パルスレーザ加工装置は、上記被加工物移動手段のほか、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光のビーム断面の形状を変換するビーム断面変換手段を更に備えることが好ましい。この場合、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光のビーム断面の形状を、ビーム断面変換手段により変換することが可能となり、被加工物の表面上に集光する際に、光伝送媒体及び集光手段で生じるビーム断面形状の歪みを補正して、集光強度を向上させたり、集光点でのスポット径を大きくして被加工物の材料に適した強度に調整したりすることが可能となる。
【００１８】
上記パルスレーザ加工装置は、上記ビーム断面変換手段及び上記被加工物移動手段のほか、被加工物の加工状態をモニタする加工状態モニタ手段を更に備えていることが好ましい。加工状態モニタ手段により被加工物の加工状態がモニタされる。従って、モニタされた加工状態に基づいて、上記ビーム断面変換手段及び上記被加工物移動手段を制御することが可能となり、被加工物に対する加工を的確に行うことが可能となる。
【００１９】
上記パルスレーザ加工装置において、集光手段は、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を反射させて被加工物に照射する反射型光学系から構成されていることが好ましい。光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を反射型光学系で反射させることにより、被加工物に照射されるパルスレーザ光の波形を精密に制御することが可能となる。
【００２０】
上記パルスレーザ加工装置は、光伝送媒体を複数本束ねてなる光伝送媒体束を備えてもよい。この場合、光伝送媒体束の各光伝送媒体によりパルスレーザ光が伝送され、このパルスレーザ光が集光手段により被加工物に照射される。これにより、被加工物を、より多くの光量で加工することが可能になる。
【００２１】
上記パルスレーザ加工装置は、被加工物にレーザ誘起プラズマを発生させるレーザ誘起プラズマ発生手段を更に備えることが好ましい。
【００２２】
この場合、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光により被加工物に対してレーザ加工を行うときに、レーザ誘起プラズマ発生手段により被加工物においてレーザ誘起プラズマを発生させると、レーザ誘起プラズマにより、パルスレーザ光を被加工物に吸収させやすくすることができ、レーザ誘起プラズマが無い場合に比べてレーザ加工を容易に行うことができる。即ちレーザ誘起プラズマによってレーザ加工が促進されることとなる。またレーザ誘起プラズマ発生手段により被加工物においてレーザ誘起プラズマが発生すると、そのレーザ誘起プラズマだけでもレーザ加工を行うことができる。
【００２３】
また本発明は、５ｐｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光を光伝送媒体で伝送し、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を用いて被加工物を加工するパルスレーザ加工装置であって、パルスレーザ光を出射し光伝送媒体に入射させるパルスレーザ光源と、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を所定の点に集光する集光手段と、パルスレーザ光を所定の点に集光する時に誘起される超音波を被加工物に照射する超音波照射手段とを備えており、光伝送媒体が、コア及びクラッドを備える本体部と、本体部の一端側に設けられる第１屈折率変化部、及び本体部の他端側に設けられる第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方とを含み、光伝送媒体において、本体部の一端側からパルスレーザ光が入射され、本体部の他端側からパルスレーザ光が出射されるようになっており、第１屈折率変化部は、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って、屈折率が第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも本体部のコアの屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有し、第２屈折率変化部は、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が本体部のコアの屈折率よりも第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有することを特徴とする。
【００２４】
このパルスレーザ加工装置によれば、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光が光伝送媒体に入射される。光伝送媒体が第1屈折率変化部を含む場合、光伝送媒体に入射されるパルスレーザ光は、第１屈折率変化部から本体部に入射される。ここで、光伝送媒体の第１屈折率変化部は、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って、屈折率が第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも本体部のコアの屈折率に近づくよう変化する屈折率分布を有するため、光が第１屈折率変化部に接する媒質から本体部のコアに入射されるときの光の反射率が、第１屈折率変化部が無い場合に比べて十分に低減される。また、光伝送媒体が第２屈折率変化部を含む場合、第２屈折率変化部は、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が本体部のコアの屈折率よりも第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有するため、光が本体部のコアから第２屈折率変化部に接する媒質に出射されるときの光の反射率が、第２屈折率変化部が無い場合に比べて十分に低減される。そして、光伝送媒体が第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部の両方を含む場合、光伝送媒体全体としても、本体部の両側に第１及び第２屈折率変化部が設けられていない場合に比べて、光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。よって、本発明のパルスレーザ加工装置によれば、光伝送媒体が第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方を含むことにより、反射率に起因する本体部の損傷を十分に防ぐことが可能となる。また光伝送媒体において光のトータルの反射率が十分に低減されるため、光伝送媒体における光の損失が十分に低減される。そして、光伝送媒体から出射されたパルスレーザ光は、集光手段により所定の点に集光され、そのときに誘起される超音波が超音波照射手段により被加工物に照射され、これにより被加工物が加工される。
【００２５】
【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。尚、全図中、同一又は同等の構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明の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、パルスレーザ加工装置１００は、パルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源１と、パルスレーザ光源１から出射される光パルスの時間波形を所定の波形に変換するパルス波形変換装置２と、パルス波形変換装置２により波形変換された光パルスを伝送する光伝送媒体３と、光伝送媒体３から出射されるパルスレーザ光を被加工物４に集光して照射する集光光学系（集光手段）５と、被加工物４を浸漬する液体６を収容するための液体収容槽７とを備えている。
【００２７】
パルスレーザ光源１は、５ｐｓ以下、好ましくは２００ｆｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光を出射することが可能である。このようなパルスレーザ光源１としては、例えばチタンサファイヤレーザ光源が用いられる。またパルス波形変換装置２としては、例えばプリズム対、回折格子対、あるいは精密な波形制御が可能な波形整形器が用いられる。
【００２８】
パルスレーザ光源１及びパルス波形変換装置２は光源ボックス８内に収容され、光伝送媒体３の入射端３ａは光源ボックス８に挿入固定されている。光源ボックス８内には、パルス波形変換装置２で波形変換されたパルスレーザ光を光伝送媒体３の入射端３ａに集光する集光レンズ（図示せず）が設けられている。
【００２９】
光伝送媒体３の出射端３ｂは液体収容槽７に固定され、液体収容槽７に収容される液体６中に浸漬されている。本実施形態では、液体６として、水が用いられる。
【００３０】
また、液体収容槽７内の液体６中には、集光光学系５及び被加工物４が浸漬されている。そして、出射端３ｂから出射されるパルスレーザ光が集光光学系５により被加工物４に集光されるようになっている。
【００３１】
集光光学系５は、光伝送媒体３の出射端３ｂから出射されるパルスレーザ光を反射する放物面鏡９と、放物面鏡９で反射されるパルスレーザ光を反射して被加工物４に照射する反射鏡１０とで構成されている。即ち集光光学系５は、反射型光学系のみで構成されている。このように集光光学系５が反射型光学系のみで構成されることにより、被加工物４に照射されるパルスレーザ光の波形を精密に制御することが可能となる。また集光光学系５が放物面鏡９を有することにより、被加工物４にパルスレーザ光を照射するときに、球面鏡を用いる場合に比べてその照射スポットを小さくすることが可能となる。
【００３２】
液体収容槽７内には、被加工物４を支持するステージ１１と、ステージ１１を図１のＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる移動機構１２とが配置されている。この移動機構１２で被加工物４を移動させることが可能であるため、パルスレーザ光の光軸を固定したまま、被加工物４に対して所望の加工を行うことができる。
【００３３】
またパルスレーザ加工装置１００は、被加工物４の加工状態をモニタする加工状態モニタ装置１３を備えている。加工状態モニタ装置１３は、例えば被加工物４からの光を受光して伝送する光ファイバ１４と、光ファイバ１４によって伝送された光を分光する分光器１５とで構成されている。加工状態モニタ装置１３により被加工物４の加工状態がモニタされる。従って、モニタされた加工状態に基づいて、移動機構１２を制御することが可能となり、被加工物４に対する加工を的確に行うことが可能となる。尚、光ファイバ１４の先端部は、被加工物４の加工部位からの光を受光できるように被加工物４の近傍に配置され、基端部は分光器１５に接続されている。
【００３４】
更にパルスレーザ加工装置１００は、加工状態モニタ装置１３の分光器１５で得られた信号に基づいて、移動機構１２及びパルス波形変換装置２を制御する制御装置１６を備えている。
【００３５】
図２は、光伝送媒体３を示す側面図、図３（ａ）は、光伝送媒体３の入射端３ａを示す断面図、図３（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線Ａ上の位置と屈折率との関係を示すグラフであり、一点鎖線Ａは、光伝送媒体３の中心を通る線である。
【００３６】
図２に示すように、光伝送媒体３は、光ファイバ（本体部）２０と、光ファイバ２０の端面２０ａ側に設けられ端面２０ａに接する第１屈折率変化部２１と、光ファイバ２０のもう一方の端面２０ｂ側に設けられ端面２０ｂに接する第２屈折率変化部２２とを含む。ここで、パルスレーザ光源１から出射されたパルスレーザ光は、光伝送媒体３の第１屈折率変化部２１に入射され、第２屈折率変化部２２から出射されるようになっている。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、光ファイバ２０は、その長手方向に沿って一定の屈折率を有するコア２３と、コア２３の屈折率より小さい屈折率を有するクラッド２４とから構成され、第１屈折率変化部２１は、光ファイバ２０の端面２０ａに隣接する第１ブロック２５と、光ファイバ２０と反対側で第１ブロック２５に隣接する第２ブロック２６とで構成されている。
【００３８】
そして、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに接する媒質が空気である場合、図３（ｂ）に示すように、第２ブロック２６は、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有し、第１ブロック２５は、第２ブロック２６の屈折率よりも大きく且つ光ファイバ２０のコア２３の屈折率より小さい屈折率を有する。ここで、第１ブロック２５及び第２ブロック２６の屈折率はそれぞれ一定となっている。従って、第１屈折率変化部２１は、屈折率が、第１屈折率変化部２１の端面２１ａから光ファイバ２０の端面２０ａに向かう方向に沿って、空気の屈折率よりも光ファイバ２０のコア２３の屈折率に段階的に近づくように変化する屈折率分布を有している。言い換えるならば、第１屈折率変化部２１においては、光ファイバ２０のコア２３の屈折率が空気の屈折率より大きいため、屈折率が、第１屈折率変化部２１の端面２１ａから光ファイバ２０の端面２０ａに向かう方向に沿って段階的に大きくなっている。
【００３９】
このように光ファイバ２０に上記構成の第１屈折率変化部２１を設けることによって、光が第１屈折率変化部２１に接する媒質、即ち空気から光ファイバ２０のコア２３に入射されるときの光の反射率を、第１屈折率変化部２１が無い場合に比べて十分に低減することが可能となる。
【００４０】
尚、本実施形態では、光ファイバ２０のコア２３は、例えば石英で構成され、その屈折率は１．４５である。また第１ブロック２５は例えばＭｇＦ2で構成され、その屈折率は１．３８であり、第２ブロック２６は例えばＮａＦで構成され、その屈折率は１．３４である。
【００４１】
図４（ａ）は、光伝送媒体３の出射端３ｂの断面図、図４（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線Ｂ上の位置と屈折率との関係を示すグラフであり、一点鎖線Ｂは、光伝送媒体３の中心を通る線である。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、第２屈折率変化部２２は、第１屈折率変化部２１と同様に、第１ブロック２５と第２ブロック２６とで構成されており、第１ブロック２５は、光ファイバ２０の端面２０ｂに隣接し、光ファイバ２０と反対側で第１ブロック２５に隣接する第２ブロック２６とで構成されている。また第２屈折率変化部２２の端面２２ａは、液体６としての水中に浸漬されている。
【００４３】
図４（ｂ）に示すように、第２ブロック２６は水の屈折率より大きい屈折率を有し、第１ブロック２５は、第２ブロック２６の屈折率より大きく且つ光ファイバ２０のコア２３の屈折率より小さい屈折率を有する。また、上述したように、第１ブロック２５及び第２ブロック２６の屈折率はそれぞれ一定となっている。従って、第１屈折率変化部２１は、屈折率が、光ファイバ２０の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２の端面２２ａに向かう方向に沿って、光ファイバ２０のコア２３の屈折率より水の屈折率に段階的に近づくように変化する屈折率分布を有している。言い換えるならば、第２屈折率変化部２２においては、光ファイバ２０のコア２３の屈折率が水の屈折率よりも大きいため、屈折率が、光ファイバ２０の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２の端面２２ａに向かう方向に沿って段階的に小さくなっている。
【００４４】
このように光ファイバ２０に上記構成の第２屈折率変化部２２を設けることによって、第２屈折率変化部２２に入射されて第２屈折率変化部２２を経て端面２２ａから水に出射されるときの光の反射率を、第２屈折率変化部２２が無い場合に比べて十分に低減することが可能となる。
【００４５】
次に、上述したパルスレーザ加工装置１００を用いたレーザ加工方法について説明する。
【００４６】
まずパルスレーザ光源１からパルスレーザ光を出射する。このとき、出射されるパルスレーザ光のパルス幅は、５ｐｓ以下、好ましくは２００ｆｓ以下とする。これは、パルス幅が５ｐｓを超えると、パルス幅が長くなって精密な加工ができなくなり、加工部周辺に好ましくない盛上がりが生じる傾向があるからである。またパルスレーザ光の出力は、１パルスあたり５ｎＪ以上、好ましくは１０μＪ以上とする。パルスレーザ光の出力が１パルスあたり５ｎＪ未満では、被加工物の材料が著しく限定されるからである。
【００４７】
出射されたパルスレーザ光は、パルス波形変換装置２により波形変換されて、集光レンズにより光伝送媒体３の第１屈折率変化部２１に入射される。このとき、パルス波形変換装置２によりパルスレーザ光の時間波形を、ピーク強度が小さくなる形状（チャープパルス波形）に変換することが好ましい。これにより、光伝送媒体３の第１屈折率変化部２１の損傷をより十分に防ぐことが可能となる。尚、パルス波形変換装置２により、パルスレーザ光に対し光伝送媒体３及び液体６のような分散媒質が逆の分散特性を示すようにパルスレーザ光の波形を変換してもよい。この場合、光伝送媒体の持つ逆分散特性を利用して、パルスレーザ光のパルス幅を、光伝送媒体３の入射端で長パルスとし、出射端で短パルスとすることができる。ここで、パルスレーザ光源１から出射されるパルスレーザ光のパルス幅を５ｐｓ以下にすることが好ましい。この場合、スペクトル幅を比較的広くすることができる。言い換えると、パルス幅を短くすることができる。このため、パルスレーザ光のパルス幅を、光伝送媒体３の入射端で長パルスとし、出射端で短パルスと使用としようとする場合に、パルス幅が５ｐｓを超える場合に比べて、光伝送媒体３をより短くすることができる。
【００４８】
このとき、上述したように、第１屈折率変化部２１は、第１ブロック２５及び第２ブロック２６から構成され、且つ第１屈折率変化部２１においては、屈折率が、第１屈折率変化部２１の端面２１ａから光ファイバ２０の端面２０ａに向かう方向に沿って、空気の屈折率よりも光ファイバ２０のコア２３の屈折率に段階的に近づくように変化している。
【００４９】
このため、パルスレーザ光は、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに入射されてから光ファイバ２０のコア２３の端面２０ａに到達するまでにいくつかの界面、即ち空気とＮａＦとの界面、ＮａＦとＭｇＦ2との界面、ＭｇＦ2と石英との界面を通過する。
【００５０】
ここで、各界面を形成する両媒質間の屈折率差は、空気と石英との間の屈折率差に比べて十分に小さくなっている。このため、各界面における光の反射率を十分に低減することが可能であり、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに入射されてから光ファイバ２０の端面２０ａに入射されるまでの光の反射率を、光ファイバ２０の端面２０ａ側に第１屈折率変化部２１を設けない場合に比べて十分に低減することが可能となる。
【００５１】
ここで、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに入射されてから光ファイバ２０の端面２０ａに入射されるまでの光の反射率を具体的に算出する。ここでは、第１屈折率変化部２１に接する媒質を空気（ｎ＝１）として説明する。
【００５２】
まず屈折率の異なる材質界面での反射率Ｒは、それぞれの材質の屈折率をｎ1、ｎ2とすると、下記式：
Ｒ＝[（ｎ1−ｎ2）／（ｎ1＋ｎ2）]2 ・・・（１）
で表される。
【００５３】
従って、空気とＮａＦとの界面、ＮａＦとＭｇＦ2との界面、ＭｇＦ2と石英との界面での反射率はそれぞれ、２．１１％、０．０２２％、０，０６１％であり、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに入射されてから光ファイバ２０の端面２０ａに入射されるまでの光のトータルの反射率は２．１９２％となる。これに対して空気と石英との界面での光の反射率は３．３７４％である。これより、光伝送媒体３が光ファイバ２０の端面２０ａ側に第１屈折率変化部２１を有することで、光の反射率が十分に低減されることが分かる。
【００５４】
このように、第１屈折率変化部２１において、光の反射の生じる界面を複数に分担させつつ個々の界面での反射率を十分に小さくすることにより、第１屈折率変化部２１が無い場合に比べて、入射端３ａにおける光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。このため、光の反射による界面の損傷を十分に防ぐことが可能となる。
【００５５】
こうして光伝送媒体３の第１屈折率変化部２１を通過したパルスレーザ光は、光ファイバ２０のコア２３において全反射により伝送され、第２屈折率変化部２２を通過した後、その端面２２ａから出射される。
【００５６】
このとき、上述したように、第２屈折率変化部２２は第１ブロック２５及び第２ブロック２６で構成され、水６中に浸漬されている。また、第２屈折率変化部２２においては、光ファイバ２０の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２の端面２２ａに向かう方向に沿って屈折率が段階的に小さくなり、光ファイバ２０のコア２３の屈折率よりも水６の屈折率に近づいている。
【００５７】
このため、パルスレーザ光は、光ファイバ２０のコア２３から第２屈折率変化部２２の一方の端面に入射された後、第２屈折率変化部２２の他方の端面２２ａから出射されるまでに、いくつかの界面、即ち石英とＭｇＦ2との界面、ＭｇＦ2とＮａＦとの界面、ＮａＦと水（ｎ＝１．３）との界面を通過する。
【００５８】
ここで、各界面を形成する両媒質間の屈折率差は、水と石英との間の屈折率差に比べて十分に小さくなっている。このため、各界面における光の反射率を十分に低減することが可能となり、光ファイバ２０のコア２３の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２を経て端面２２ａから出射されるまでの光のトータルの反射率を、光ファイバ２０の端面２０ｂ側に第２屈折率変化部２２を設けない場合に比べて十分に低減することが可能となる。
【００５９】
ここで、光ファイバ２０のコア２３の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２を経て端面２２ｂから出射されるまでの光の反射率を具体的に算出する。ここでは、水６の屈折率を１．３として説明する。尚、第２ブロック２６をＮａＦ（ｎ＝１．３４）、第１ブロック２５をＭｇＦ2、光ファイバ２０のコア２３を石英（ｎ＝１．４５）とする点は、上記第１屈折率変化部２１の場合と同様である。
【００６０】
上記式（１）に従って、石英とＭｇＦ2との界面、ＭｇＦ2とＮａＦとの界面、ＮａＦと水との界面における反射率Ｒを求めると、反射率Ｒはそれぞれ、０．０６１％、０．０２２％、０．０２３％であり、光ファイバ２０のコア２３から第２屈折率変化部２２の端面に入射された後、第２屈折率変化部２２の端面２２ａから出射されるまでの光のトータルの屈折率は０．１０６％となる。これに対して水と石英との界面での光の反射率は０．２９８％である。これより、光伝送媒体３が光ファイバ２０の端面２０ｂ側に第２屈折率変化部２２を有することで、光の反射率が十分に低減されることが分かる。
【００６１】
このように、第２屈折率変化部２２により、光の反射の生じる界面を複数に分担させつつ個々の界面での反射率を十分に低減することが可能となり、第２屈折率変化部２２が無い場合に比べて、出射端３ｂにおける光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。このため、光の反射による界面の損傷を十分に防ぐことが可能となる。
【００６２】
以上より、光伝送媒体３全体としても、光ファイバ２０の両端２０ａ，２０ｂ側に第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２が設けられていない場合に比べて、光伝送媒体３における光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。よって、反射率に起因する光ファイバ２０の端面２０ａ、２０ｂにおける損傷を十分に防ぐことが可能となる。また光伝送媒体３において光のトータルの反射率が十分に低減されるため、光伝送媒体３における光の損失が十分に低減されることになる。
【００６３】
具体的には、パルスレーザ光を空気、光ファイバ、水と伝播させた場合、光のトータルの反射率は３．６６１％となるのに対し、パルスレーザ光が光伝送媒体３を伝播するようにした場合、光のトータルの反射率は２．２９６％となる。
【００６４】
こうして光伝送媒体３から出射されたパルスレーザ光は、放物面鏡９及び反射鏡１０で順次反射された後、被加工物４に集光されて照射される。これにより、被加工物４の加工が行われる。このとき、光伝送媒体３においては、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２が無い場合に比べて、光伝送媒体３における光の損失が十分に低減される。このため、被加工物４に照射されるパルスレーザ光の光量が多くなり、パルスレーザ光源１から出射されたパルスレーザ光の被加工物４の加工への利用率を十分に向上させることができる。
【００６５】
また被加工物４の加工中は、被加工物４で散乱された光が光ファイバ１４で受光されて分光器１５で分光され、この分光スペクトルの結果に基づいて被加工物４の加工状態がモニタされる。
【００６６】
このとき、被加工物４における加工状態が所望の加工状態でない場合には、制御装置１６が、分光器１５から出力される信号に基づいて、移動機構１２を介してステージ１１を移動させるように制御したり、光パルスの時間波形が所望の波形に変換されるようにパルス波形変換装置２を制御する。こうして制御することにより被加工物４の加工状態を所望の加工状態にすることができる。
【００６７】
尚、パルス波形変換装置２を制御する場合、その制御は次のようにして行うことが好ましい。即ち、パルスレーザ光が伝播される光伝送媒体３や水は分散媒質であり、パルスレーザ光の伝播に伴って光パルスの波形が変化する。このため、パルスレーザ光のピーク強度を小さくしすぎると、被加工物４の加工効率が低下してしまう。そこで、光伝送媒体３及び水を通過して被加工物４に到達するまでの光パルスのピーク強度の変化量を予め測定しておき、このパルスレーザ光のピーク強度が被加工物４に照射される時に最大となるようにパルス波形変換装置２を制御してパルス波形を変換することが好ましい。このようにすることで、被加工物４の加工を効率よく行いながら、光伝送媒体３の損傷をより十分に防ぐことが可能となる。
【００６８】
次に、本発明のパルスレーザ加工装置の第２実施形態について図５を参照して説明する。
【００６９】
図５は、本発明の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５に示すように、本実施形態のパルスレーザ加工装置２００は、第２屈折率変化部２２、放物面鏡９及び反射鏡１０を固定するケース２０１を更に備える点で、第１実施形態のパルスレーザ加工装置１００と相違する。パルスレーザ加工装置２００がケース２０１を更に備えることにより、第２屈折率変化部２２、放物面鏡９及び反射鏡１０がケース２０１に固定されることとなる。このため、光軸の調整に際して、反射鏡１０で反射された光が被加工物４に照射されるように光軸調整を行えばよく、第２屈折率変化部２２から出射された光が放物面鏡９及び反射鏡１０を経て被加工物４に照射されるように光軸調整を行う必要が無い。従って、光軸調整が容易となる。
【００７０】
ケース２０１の材質は、第２屈折率変化部２２、放物面鏡９および反射鏡１０を固定することができる材質であればよく、例えばプラスチック、金属等で構わない。但し、集光光学系５によって反射されたパルスレーザ光を被加工物４に照射することができるように、ケース２０１には、パルスレーザ光を通過させるための穴が形成されるか、あるいは、ケース２０１がパルスレーザ光に対して透明であることが必要である。
【００７１】
本発明は、前述した第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば上記第１及び第２実施形態では、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２のそれぞれにおいて、屈折率が段階的に変化しているが、屈折率は、連続的に変化することが好ましい。
【００７２】
この場合、入射端３ａ及び出射端３ｂのそれぞれにおける光の反射率をより十分に低減することが可能となり、光伝送媒体３全体としても、光の反射率をより十分に低減することが可能となる。従って、反射による光伝送媒体３の界面の損傷をより十分に防ぐことが可能となる。また、光伝送媒体３において光のトータルの反射率がより十分に低減されるため、光伝送媒体３における光の損失がより十分に低減される。このため、パルスレーザ光源１から出射されたパルスレーザ光の加工への利用率を十分に向上させることができる。
【００７３】
また上記第１及び第２実施形態では、光伝送媒体３が、光ファイバ２０の両端面２０ａ，２０ｂにそれぞれ、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２を設けているが、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２を設けず、光ファイバ２０のコア２３の両端部において光の伝播方向に沿って屈折率を変化させるようにしてもよい。この場合、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２はいずれもコアおよびクラッドを有することになる。ここで、屈折率は、例えば光ファイバ２０のコア２３の長手方向に沿ってＧｅ等のドーパント濃度を変化させることにより変化させることが可能である。
【００７４】
更に、上記第１及び第２実施形態では、光伝送媒体３が、光ファイバ２０の両端に第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２を有しているが、第１屈折率変化部２１又は第２屈折率変化部２２のいずれか一方を有していればよい。この場合でも、パルスレーザ光による光伝送媒体３の損傷を十分に防ぐことが可能である。但し、光伝送媒体３は、特に、第１屈折率変化部２１を含むことが好ましい。光伝送媒体３の入射端側では、パルスレーザ光の強度が出射端側の強度に比べて大きく、特に光伝送媒体３の損傷が起こり易いところ、光伝送媒体３がその入射側に第１屈折率変化部２１を含むことにより、パルスレーザ光による光伝送媒体３の損傷をより十分に防止することができる。
【００７５】
更に上記第１及び第２実施形態では、光ファイバ２０として、シングルモード光ファイバを用いているが、フェムト秒パルス波形の厳密な制御が不要な加工においては、光ファイバ２０は、マルチモード光ファイバであってもよい。
【００７６】
更にまた、微小スポット径による精密な加工ではなく、光量を多く必要とする加工を行う場合には、パルスレーザ加工装置は、光伝送媒体３を複数本束ねてなる光伝送媒体束を有してもよい。
【００７７】
また液体収容槽７に収容する液体６として、上記第１及び第２実施形態では、水が用いられているが、水に代えて食塩水等の他の液体を用いてもよい。
【００７８】
更に、本発明のパルスレーザ加工装置は、被加工物４においてレーザ誘起プラズマを発生させるレーザ誘起プラズマ発生装置を更に備えることが好ましい。
【００７９】
この場合、パルスレーザ光源１から出射されるパルスレーザ光により被加工物４に対してレーザ加工を行うときに、レーザ誘起プラズマ発生装置により被加工物４においてレーザ誘起プラズマを発生させると、レーザ誘起プラズマにより、パルスレーザ光を被加工物４に吸収させやすくすることができ、レーザ誘起プラズマが無い場合に比べてレーザ加工を容易に行うことができる。即ちレーザ誘起プラズマによってレーザ加工がアシストされることとなる。またレーザ誘起プラズマ発生装置により被加工物４においてレーザ誘起プラズマが発生すると、そのレーザ誘起プラズマだけでもレーザ加工を行うことができる。
【００８０】
ここで、レーザ誘起プラズマ発生装置は、パルスレーザ光源１から出射されるパルスレーザ光の波長と重畳する波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されるレーザ光を被加工物４に導く光学系とにより構成される。例えばパルスレーザ光源１として、チタンサファイヤレーザが用いられる場合には、レーザ誘起プラズマ発生装置のレーザ光源としては、例えばＫｒＦエキシマーレーザ光源が用いられる。
【００８１】
なお、本発明のパルスレーザ加工装置は、図６に示すように、光伝送媒体３から出射されたパルスレーザ光を集光光学系（図示せず）により被加工物４に直接集光するのではなく、空間上の所定の点２０２に集光し、そのとき誘起される超音波を超音波照射手段２０３により反射して被加工物４上の加工予定部位２０４に照射するものであってもよい。この場合でも、被加工物４を加工することが可能である。
【００８２】
超音波照射手段２０３は、超音波を被加工物４の加工予定部位２０４に照射できるものであればよいが、超音波照射手段２０３としては、内面２０３ａを楕円放物面とした超音波反射体を用いることが好ましい。この場合、パルスレーザ光を集光させる空間上の所定の点２０２を楕円放物面の２つの焦点のうちの一方の焦点と一致させ、被加工物４の加工予定部位２０４を他方の焦点と一致させれば、所定の点２０２でパルスレーザ光によって誘起された超音波が楕円放物面で反射され、加工予定部位２０４に集中的に照射される。このため、加工予定部位２０４において超音波の照射強度を十分に大きくすることが可能となり、被加工物４の加工を効率よく行うことができる。なお、超音波反射体としては、例えば金属が挙げられる。また超音波反射体は、所定点２０２にパルスレーザ光を集光するため、パルスレーザ光を通過させるための開口２０５を有することが好ましい。
【００８３】
更に本発明のパルスレーザ加工装置は、光伝送媒体３から出射されるパルスレーザ光のビーム断面の形状を変換するビーム断面変換手段を更に備えることが好ましい。この場合、光伝送媒体３から出射されるパルスレーザ光のビーム断面の形状を、ビーム断面変換手段により変換することが可能となり、被加工物４の表面上に集光する際に、光伝送媒体３及び集光光学系５で生じるビーム断面形状の歪みを補正して、集光強度を向上させたり、被加工物４における集光点でのスポット径を大きくして被加工物４の材料に適した強度に調整したりすることが可能となる。
【００８４】
なお、ビーム断面変換手段としては、例えばデフォーマブルミラー、空間光変調器等が用いられる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のパルスレーザ加工装置によれば、光伝送媒体全体として、光のトータルの反射率を、本体部の両端側に第１及び第２屈折率変化部が設けられていない場合に比べて十分に低減することが可能となる。よって、反射率に起因する本体部の損傷を十分に防ぐことが可能となる。また光伝送媒体において光のトータルの反射率が十分に低減されるため、光伝送媒体における光の損失が十分に低減される。このため、特に、光伝送媒体から出射されたパルスレーザ光を被加工物に照射して被加工物を行う場合には、パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光の加工への利用率を十分に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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】光伝送媒体を示す側面図である。
【図３】（ａ）は、光伝送媒体の入射端を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線上の位置と屈折率との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、光伝送媒体の出射端を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線上の位置と屈折率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の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６】本発明のパルスレーザ加工装置の更に他の実施形態の一部を示す概略図である。
【符号の説明】
１…パルスレーザ光源、２…パルス波形変換装置、３…光伝送媒体、４…被加工物、５…集光光学系（集光手段）、６…液体、７…液体収容槽、９…放物面鏡（集光手段）、１０…反射鏡（集光手段）、１１…ステージ（被加工物移動手段）、１２…移動機構（被加工物移動手段）、１４…光ファイバ（加工状態モニタ手段）、１５…分光器（加工状態モニタ手段）、２０…光ファイバ（本体部）、２１…第１屈折率変化部、２２…第２屈折率変化部、２３…コア、２４…クラッド、２５…第１ブロック（第１屈折率変化部）、２６…第２ブロック（第２屈折率変化部）、１００，２００…パルスレーザ加工装置、２０３…超音波照射手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力フェムト秒パルスレーザ光を用いて被加工物を加工するパルスレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
パルスレーザ光を用いて被加工物を加工する場合、加工効率を向上させるためには、高出力で短パルスのパルスレーザ光を用いることが望ましい。
【０００３】
このような高出力で短パルスのレーザ光を用いたパルスレーザ加工装置として、従来、パルスレーザ光を、光ファイバにより水中の被加工物に照射して被加工物を加工するものが知られている（例えば特許文献１参照）。このレーザ加工装置によれば、被加工物に照射されるパルスレーザ光が光ファイバを通して伝送されることにより、被加工物に対して、低損失且つ高強度でのレーザ光照射が図られる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２０６８６９号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の公報に記載のパルスレーザ加工装置は、以下に示す課題を有していた。
【０００６】
即ち従来のパルスレーザ加工装置は、パルスレーザ光を光ファイバに入射させた場合、パルスレーザ光の高い出力により、光ファイバの端面を損傷させてしまうおそれがある。また、光ファイバが損傷しなくても、空気と、光ファイバのコアとの界面でパルスレーザ光の反射率が大きくなり、レーザ光源から出射されて被加工物に到達するレーザ光の光量が減少し、レーザ光が被加工物の加工に十分に利用されなくなる。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、特に、光伝送媒体の損傷を十分に防止できるパルスレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、上記のように光ファイバの端面で損傷が生じる原因が空気又は水と光ファイバ間の屈折率差によって生じる光の反射にあるという考えに到達し、更に鋭意検討を進めた結果、光ファイバの端面と空気又は水との間に、これらの屈折率差による光の反射を低減することが可能な媒体を設けることにより上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、５ｐｓ以下のパルス幅を持つパルスレーザ光を、光伝送媒体により伝送して被加工物に照射し被加工物を加工するパルスレーザ加工装置であって、パルスレーザ光を出射し光伝送媒体に入射させるパルスレーザ光源と、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を被加工物に集光する集光手段とを備えており、光伝送媒体が、コア及びクラッドを備える本体部と、本体部の一方の側に設けられる第１屈折率変化部、及び本体部の他方の側に設けられる第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方とを含み、光伝送媒体において、本体部の一端側からパルスレーザ光が入射され、本体部の他端側からパルスレーザ光が出射されるようになっており、第１屈折率変化部は、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って、屈折率が第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも本体部のコアの屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有し、第２屈折率変化部は、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が本体部のコアの屈折率よりも第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有することを特徴とする。
【００１０】
このパルスレーザ加工装置によれば、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光が光伝送媒体に入射される。光伝送媒体が第1屈折率変化部を含む場合、光伝送媒体に入射されるパルスレーザ光は、第１屈折率変化部から本体部に入射される。ここで、光伝送媒体の第１屈折率変化部は、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って、屈折率が第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも本体部のコアの屈折率に近づくよう変化する屈折率分布を有するため、光が第１屈折率変化部に接する媒質から本体部のコアに入射されるときの光の反射率が、第１屈折率変化部が無い場合に比べて十分に低減される。また、光伝送媒体が第２屈折率変化部を含む場合、第２屈折率変化部は、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が本体部のコアの屈折率よりも第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有するため、光が本体部のコアから第２屈折率変化部に接する媒質に出射されるときの光の反射率が、第２屈折率変化部が無い場合に比べて十分に低減される。そして、光伝送媒体が第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部の両方を含む場合、光伝送媒体全体としても、本体部の両側に第１及び第２屈折率変化部が設けられていない場合に比べて、光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。よって、本発明のパルスレーザ加工装置によれば、光伝送媒体が第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方を含むことにより、反射率に起因する本体部の損傷を十分に防ぐことが可能となる。また光伝送媒体において光のトータルの反射率が十分に低減されるため、光伝送媒体における光の損失が十分に低減される。このため、光伝送媒体から出射されたパルスレーザ光を集光手段により被加工物に集光して被加工物を加工するときに、パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光の加工への利用率を十分に向上させることができる。
【００１１】
上記パルスレーザ加工装置は、被加工物を浸漬する液体を収容するための液体収容槽を更に備えており、光伝送媒体におけるパルスレーザ光の出射側端部が液体に浸漬されている。
【００１２】
液体の屈折率は通常、空気より大きいため、光伝送媒体の出射側端部を液体に浸漬することで、本体部のコアの屈折率との液体との屈折率差を十分に低減することができる。このため、光が本体部のコアから出射側端部に接する媒質に出射されるときの光の反射率がより十分に低減される。
【００１３】
光伝送媒体が前記第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部を有する場合、光伝送媒体における本体部のコアの屈折率は通常、第１及び第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも大きい。このため、上記パルスレーザ加工装置においては通常、第１屈折率変化部における屈折率が、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って大きくなっており、第２屈折率変化部における屈折率が、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って小さくなっている。
【００１４】
上記パルスレーザ加工装置は、光伝送媒体に入射されるパルスレーザ光の時間波形を所定の波形に変換するパルス波形変換装置を更に備えることが好ましい。この場合、パルス波形変換装置により、パルスレーザ光の時間波形を所定波形に変換することが可能であり、パルスレーザ光のピーク強度が小さくなるようにパルスレーザ光を波形変換することも可能である。このため、パルスレーザ光による光伝送媒体の損傷をより十分に防止することが可能となる。
【００１５】
上記パルスレーザ加工装置においては、第２屈折率変化部及び集光手段が一体化されていることが好ましい。この場合、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光が集光手段を経て被加工物に照射されるようにパルスレーザ光の光軸調整が行われる場合に、その調整が極めて容易となる。
【００１６】
上記パルスレーザ加工装置は、被加工物を移動させる被加工物移動手段を更に備えてもよい。この場合、被加工物移動手段で被加工物を移動させることが可能であるため、パルスレーザ光の光軸を固定したまま、被加工物に対して所望の加工を行うことができる。
【００１７】
上記パルスレーザ加工装置は、上記被加工物移動手段のほか、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光のビーム断面の形状を変換するビーム断面変換手段を更に備えることが好ましい。この場合、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光のビーム断面の形状を、ビーム断面変換手段により変換することが可能となり、被加工物の表面上に集光する際に、光伝送媒体及び集光手段で生じるビーム断面形状の歪みを補正して、集光強度を向上させたり、集光点でのスポット径を大きくして被加工物の材料に適した強度に調整したりすることが可能となる。
【００１８】
上記パルスレーザ加工装置は、上記ビーム断面変換手段及び上記被加工物移動手段のほか、被加工物の加工状態をモニタする加工状態モニタ手段を更に備えていることが好ましい。加工状態モニタ手段により被加工物の加工状態がモニタされる。従って、モニタされた加工状態に基づいて、上記ビーム断面変換手段及び上記被加工物移動手段を制御することが可能となり、被加工物に対する加工を的確に行うことが可能となる。
【００１９】
上記パルスレーザ加工装置において、集光手段は、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を反射させて被加工物に照射する反射型光学系から構成されていることが好ましい。光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を反射型光学系で反射させることにより、被加工物に照射されるパルスレーザ光の波形を精密に制御することが可能となる。
【００２０】
上記パルスレーザ加工装置は、光伝送媒体を複数本束ねてなる光伝送媒体束を備えてもよい。この場合、光伝送媒体束の各光伝送媒体によりパルスレーザ光が伝送され、このパルスレーザ光が集光手段により被加工物に照射される。これにより、被加工物を、より多くの光量で加工することが可能になる。
【００２１】
上記パルスレーザ加工装置は、被加工物にレーザ誘起プラズマを発生させるレーザ誘起プラズマ発生手段を更に備えることが好ましい。
【００２２】
この場合、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光により被加工物に対してレーザ加工を行うときに、レーザ誘起プラズマ発生手段により被加工物においてレーザ誘起プラズマを発生させると、レーザ誘起プラズマにより、パルスレーザ光を被加工物に吸収させやすくすることができ、レーザ誘起プラズマが無い場合に比べてレーザ加工を容易に行うことができる。即ちレーザ誘起プラズマによってレーザ加工が促進されることとなる。またレーザ誘起プラズマ発生手段により被加工物においてレーザ誘起プラズマが発生すると、そのレーザ誘起プラズマだけでもレーザ加工を行うことができる。
【００２３】
また本発明は、５ｐｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光を光伝送媒体で伝送し、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を用いて被加工物を加工するパルスレーザ加工装置であって、パルスレーザ光を出射し光伝送媒体に入射させるパルスレーザ光源と、光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を所定の点に集光する集光手段と、パルスレーザ光を所定の点に集光する時に誘起される超音波を被加工物に照射する超音波照射手段とを備えており、光伝送媒体が、コア及びクラッドを備える本体部と、本体部の一端側に設けられる第１屈折率変化部、及び本体部の他端側に設けられる第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方とを含み、光伝送媒体において、本体部の一端側からパルスレーザ光が入射され、本体部の他端側からパルスレーザ光が出射されるようになっており、第１屈折率変化部は、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って、屈折率が第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも本体部のコアの屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有し、第２屈折率変化部は、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が本体部のコアの屈折率よりも第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有することを特徴とする。
【００２４】
このパルスレーザ加工装置によれば、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光が光伝送媒体に入射される。光伝送媒体が第1屈折率変化部を含む場合、光伝送媒体に入射されるパルスレーザ光は、第１屈折率変化部から本体部に入射される。ここで、光伝送媒体の第１屈折率変化部は、第１屈折率変化部から本体部に向かう方向に沿って、屈折率が第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも本体部のコアの屈折率に近づくよう変化する屈折率分布を有するため、光が第１屈折率変化部に接する媒質から本体部のコアに入射されるときの光の反射率が、第１屈折率変化部が無い場合に比べて十分に低減される。また、光伝送媒体が第２屈折率変化部を含む場合、第２屈折率変化部は、本体部から第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が本体部のコアの屈折率よりも第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有するため、光が本体部のコアから第２屈折率変化部に接する媒質に出射されるときの光の反射率が、第２屈折率変化部が無い場合に比べて十分に低減される。そして、光伝送媒体が第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部の両方を含む場合、光伝送媒体全体としても、本体部の両側に第１及び第２屈折率変化部が設けられていない場合に比べて、光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。よって、本発明のパルスレーザ加工装置によれば、光伝送媒体が第１屈折率変化部及び第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方を含むことにより、反射率に起因する本体部の損傷を十分に防ぐことが可能となる。また光伝送媒体において光のトータルの反射率が十分に低減されるため、光伝送媒体における光の損失が十分に低減される。そして、光伝送媒体から出射されたパルスレーザ光は、集光手段により所定の点に集光され、そのときに誘起される超音波が超音波照射手段により被加工物に照射され、これにより被加工物が加工される。
【００２５】
【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。尚、全図中、同一又は同等の構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明の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、パルスレーザ加工装置１００は、パルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源１と、パルスレーザ光源１から出射される光パルスの時間波形を所定の波形に変換するパルス波形変換装置２と、パルス波形変換装置２により波形変換された光パルスを伝送する光伝送媒体３と、光伝送媒体３から出射されるパルスレーザ光を被加工物４に集光して照射する集光光学系（集光手段）５と、被加工物４を浸漬する液体６を収容するための液体収容槽７とを備えている。
【００２７】
パルスレーザ光源１は、５ｐｓ以下、好ましくは２００ｆｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光を出射することが可能である。このようなパルスレーザ光源１としては、例えばチタンサファイヤレーザ光源が用いられる。またパルス波形変換装置２としては、例えばプリズム対、回折格子対、あるいは精密な波形制御が可能な波形整形器が用いられる。
【００２８】
パルスレーザ光源１及びパルス波形変換装置２は光源ボックス８内に収容され、光伝送媒体３の入射端３ａは光源ボックス８に挿入固定されている。光源ボックス８内には、パルス波形変換装置２で波形変換されたパルスレーザ光を光伝送媒体３の入射端３ａに集光する集光レンズ（図示せず）が設けられている。
【００２９】
光伝送媒体３の出射端３ｂは液体収容槽７に固定され、液体収容槽７に収容される液体６中に浸漬されている。本実施形態では、液体６として、水が用いられる。
【００３０】
また、液体収容槽７内の液体６中には、集光光学系５及び被加工物４が浸漬されている。そして、出射端３ｂから出射されるパルスレーザ光が集光光学系５により被加工物４に集光されるようになっている。
【００３１】
集光光学系５は、光伝送媒体３の出射端３ｂから出射されるパルスレーザ光を反射する放物面鏡９と、放物面鏡９で反射されるパルスレーザ光を反射して被加工物４に照射する反射鏡１０とで構成されている。即ち集光光学系５は、反射型光学系のみで構成されている。このように集光光学系５が反射型光学系のみで構成されることにより、被加工物４に照射されるパルスレーザ光の波形を精密に制御することが可能となる。また集光光学系５が放物面鏡９を有することにより、被加工物４にパルスレーザ光を照射するときに、球面鏡を用いる場合に比べてその照射スポットを小さくすることが可能となる。
【００３２】
液体収容槽７内には、被加工物４を支持するステージ１１と、ステージ１１を図１のＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させる移動機構１２とが配置されている。この移動機構１２で被加工物４を移動させることが可能であるため、パルスレーザ光の光軸を固定したまま、被加工物４に対して所望の加工を行うことができる。
【００３３】
またパルスレーザ加工装置１００は、被加工物４の加工状態をモニタする加工状態モニタ装置１３を備えている。加工状態モニタ装置１３は、例えば被加工物４からの光を受光して伝送する光ファイバ１４と、光ファイバ１４によって伝送された光を分光する分光器１５とで構成されている。加工状態モニタ装置１３により被加工物４の加工状態がモニタされる。従って、モニタされた加工状態に基づいて、移動機構１２を制御することが可能となり、被加工物４に対する加工を的確に行うことが可能となる。尚、光ファイバ１４の先端部は、被加工物４の加工部位からの光を受光できるように被加工物４の近傍に配置され、基端部は分光器１５に接続されている。
【００３４】
更にパルスレーザ加工装置１００は、加工状態モニタ装置１３の分光器１５で得られた信号に基づいて、移動機構１２及びパルス波形変換装置２を制御する制御装置１６を備えている。
【００３５】
図２は、光伝送媒体３を示す側面図、図３（ａ）は、光伝送媒体３の入射端３ａを示す断面図、図３（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線Ａ上の位置と屈折率との関係を示すグラフであり、一点鎖線Ａは、光伝送媒体３の中心を通る線である。
【００３６】
図２に示すように、光伝送媒体３は、光ファイバ（本体部）２０と、光ファイバ２０の端面２０ａ側に設けられ端面２０ａに接する第１屈折率変化部２１と、光ファイバ２０のもう一方の端面２０ｂ側に設けられ端面２０ｂに接する第２屈折率変化部２２とを含む。ここで、パルスレーザ光源１から出射されたパルスレーザ光は、光伝送媒体３の第１屈折率変化部２１に入射され、第２屈折率変化部２２から出射されるようになっている。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、光ファイバ２０は、その長手方向に沿って一定の屈折率を有するコア２３と、コア２３の屈折率より小さい屈折率を有するクラッド２４とから構成され、第１屈折率変化部２１は、光ファイバ２０の端面２０ａに隣接する第１ブロック２５と、光ファイバ２０と反対側で第１ブロック２５に隣接する第２ブロック２６とで構成されている。
【００３８】
そして、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに接する媒質が空気である場合、図３（ｂ）に示すように、第２ブロック２６は、空気の屈折率よりも大きい屈折率を有し、第１ブロック２５は、第２ブロック２６の屈折率よりも大きく且つ光ファイバ２０のコア２３の屈折率より小さい屈折率を有する。ここで、第１ブロック２５及び第２ブロック２６の屈折率はそれぞれ一定となっている。従って、第１屈折率変化部２１は、屈折率が、第１屈折率変化部２１の端面２１ａから光ファイバ２０の端面２０ａに向かう方向に沿って、空気の屈折率よりも光ファイバ２０のコア２３の屈折率に段階的に近づくように変化する屈折率分布を有している。言い換えるならば、第１屈折率変化部２１においては、光ファイバ２０のコア２３の屈折率が空気の屈折率より大きいため、屈折率が、第１屈折率変化部２１の端面２１ａから光ファイバ２０の端面２０ａに向かう方向に沿って段階的に大きくなっている。
【００３９】
このように光ファイバ２０に上記構成の第１屈折率変化部２１を設けることによって、光が第１屈折率変化部２１に接する媒質、即ち空気から光ファイバ２０のコア２３に入射されるときの光の反射率を、第１屈折率変化部２１が無い場合に比べて十分に低減することが可能となる。
【００４０】
尚、本実施形態では、光ファイバ２０のコア２３は、例えば石英で構成され、その屈折率は１．４５である。また第１ブロック２５は例えばＭｇＦ2で構成され、その屈折率は１．３８であり、第２ブロック２６は例えばＮａＦで構成され、その屈折率は１．３４である。
【００４１】
図４（ａ）は、光伝送媒体３の出射端３ｂの断面図、図４（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線Ｂ上の位置と屈折率との関係を示すグラフであり、一点鎖線Ｂは、光伝送媒体３の中心を通る線である。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、第２屈折率変化部２２は、第１屈折率変化部２１と同様に、第１ブロック２５と第２ブロック２６とで構成されており、第１ブロック２５は、光ファイバ２０の端面２０ｂに隣接し、光ファイバ２０と反対側で第１ブロック２５に隣接する第２ブロック２６とで構成されている。また第２屈折率変化部２２の端面２２ａは、液体６としての水中に浸漬されている。
【００４３】
図４（ｂ）に示すように、第２ブロック２６は水の屈折率より大きい屈折率を有し、第１ブロック２５は、第２ブロック２６の屈折率より大きく且つ光ファイバ２０のコア２３の屈折率より小さい屈折率を有する。また、上述したように、第１ブロック２５及び第２ブロック２６の屈折率はそれぞれ一定となっている。従って、第１屈折率変化部２１は、屈折率が、光ファイバ２０の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２の端面２２ａに向かう方向に沿って、光ファイバ２０のコア２３の屈折率より水の屈折率に段階的に近づくように変化する屈折率分布を有している。言い換えるならば、第２屈折率変化部２２においては、光ファイバ２０のコア２３の屈折率が水の屈折率よりも大きいため、屈折率が、光ファイバ２０の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２の端面２２ａに向かう方向に沿って段階的に小さくなっている。
【００４４】
このように光ファイバ２０に上記構成の第２屈折率変化部２２を設けることによって、第２屈折率変化部２２に入射されて第２屈折率変化部２２を経て端面２２ａから水に出射されるときの光の反射率を、第２屈折率変化部２２が無い場合に比べて十分に低減することが可能となる。
【００４５】
次に、上述したパルスレーザ加工装置１００を用いたレーザ加工方法について説明する。
【００４６】
まずパルスレーザ光源１からパルスレーザ光を出射する。このとき、出射されるパルスレーザ光のパルス幅は、５ｐｓ以下、好ましくは２００ｆｓ以下とする。これは、パルス幅が５ｐｓを超えると、パルス幅が長くなって精密な加工ができなくなり、加工部周辺に好ましくない盛上がりが生じる傾向があるからである。またパルスレーザ光の出力は、１パルスあたり５ｎＪ以上、好ましくは１０μＪ以上とする。パルスレーザ光の出力が１パルスあたり５ｎＪ未満では、被加工物の材料が著しく限定されるからである。
【００４７】
出射されたパルスレーザ光は、パルス波形変換装置２により波形変換されて、集光レンズにより光伝送媒体３の第１屈折率変化部２１に入射される。このとき、パルス波形変換装置２によりパルスレーザ光の時間波形を、ピーク強度が小さくなる形状（チャープパルス波形）に変換することが好ましい。これにより、光伝送媒体３の第１屈折率変化部２１の損傷をより十分に防ぐことが可能となる。尚、パルス波形変換装置２により、パルスレーザ光に対し光伝送媒体３及び液体６のような分散媒質が逆の分散特性を示すようにパルスレーザ光の波形を変換してもよい。この場合、光伝送媒体の持つ逆分散特性を利用して、パルスレーザ光のパルス幅を、光伝送媒体３の入射端で長パルスとし、出射端で短パルスとすることができる。ここで、パルスレーザ光源１から出射されるパルスレーザ光のパルス幅を５ｐｓ以下にすることが好ましい。この場合、スペクトル幅を比較的広くすることができる。言い換えると、パルス幅を短くすることができる。このため、パルスレーザ光のパルス幅を、光伝送媒体３の入射端で長パルスとし、出射端で短パルスと使用としようとする場合に、パルス幅が５ｐｓを超える場合に比べて、光伝送媒体３をより短くすることができる。
【００４８】
このとき、上述したように、第１屈折率変化部２１は、第１ブロック２５及び第２ブロック２６から構成され、且つ第１屈折率変化部２１においては、屈折率が、第１屈折率変化部２１の端面２１ａから光ファイバ２０の端面２０ａに向かう方向に沿って、空気の屈折率よりも光ファイバ２０のコア２３の屈折率に段階的に近づくように変化している。
【００４９】
このため、パルスレーザ光は、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに入射されてから光ファイバ２０のコア２３の端面２０ａに到達するまでにいくつかの界面、即ち空気とＮａＦとの界面、ＮａＦとＭｇＦ2との界面、ＭｇＦ2と石英との界面を通過する。
【００５０】
ここで、各界面を形成する両媒質間の屈折率差は、空気と石英との間の屈折率差に比べて十分に小さくなっている。このため、各界面における光の反射率を十分に低減することが可能であり、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに入射されてから光ファイバ２０の端面２０ａに入射されるまでの光の反射率を、光ファイバ２０の端面２０ａ側に第１屈折率変化部２１を設けない場合に比べて十分に低減することが可能となる。
【００５１】
ここで、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに入射されてから光ファイバ２０の端面２０ａに入射されるまでの光の反射率を具体的に算出する。ここでは、第１屈折率変化部２１に接する媒質を空気（ｎ＝１）として説明する。
【００５２】
まず屈折率の異なる材質界面での反射率Ｒは、それぞれの材質の屈折率をｎ1、ｎ2とすると、下記式：
Ｒ＝[（ｎ1−ｎ2）／（ｎ1＋ｎ2）]2 ・・・（１）
で表される。
【００５３】
従って、空気とＮａＦとの界面、ＮａＦとＭｇＦ2との界面、ＭｇＦ2と石英との界面での反射率はそれぞれ、２．１１％、０．０２２％、０，０６１％であり、第１屈折率変化部２１の端面２１ａに入射されてから光ファイバ２０の端面２０ａに入射されるまでの光のトータルの反射率は２．１９２％となる。これに対して空気と石英との界面での光の反射率は３．３７４％である。これより、光伝送媒体３が光ファイバ２０の端面２０ａ側に第１屈折率変化部２１を有することで、光の反射率が十分に低減されることが分かる。
【００５４】
このように、第１屈折率変化部２１において、光の反射の生じる界面を複数に分担させつつ個々の界面での反射率を十分に小さくすることにより、第１屈折率変化部２１が無い場合に比べて、入射端３ａにおける光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。このため、光の反射による界面の損傷を十分に防ぐことが可能となる。
【００５５】
こうして光伝送媒体３の第１屈折率変化部２１を通過したパルスレーザ光は、光ファイバ２０のコア２３において全反射により伝送され、第２屈折率変化部２２を通過した後、その端面２２ａから出射される。
【００５６】
このとき、上述したように、第２屈折率変化部２２は第１ブロック２５及び第２ブロック２６で構成され、水６中に浸漬されている。また、第２屈折率変化部２２においては、光ファイバ２０の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２の端面２２ａに向かう方向に沿って屈折率が段階的に小さくなり、光ファイバ２０のコア２３の屈折率よりも水６の屈折率に近づいている。
【００５７】
このため、パルスレーザ光は、光ファイバ２０のコア２３から第２屈折率変化部２２の一方の端面に入射された後、第２屈折率変化部２２の他方の端面２２ａから出射されるまでに、いくつかの界面、即ち石英とＭｇＦ2との界面、ＭｇＦ2とＮａＦとの界面、ＮａＦと水（ｎ＝１．３）との界面を通過する。
【００５８】
ここで、各界面を形成する両媒質間の屈折率差は、水と石英との間の屈折率差に比べて十分に小さくなっている。このため、各界面における光の反射率を十分に低減することが可能となり、光ファイバ２０のコア２３の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２を経て端面２２ａから出射されるまでの光のトータルの反射率を、光ファイバ２０の端面２０ｂ側に第２屈折率変化部２２を設けない場合に比べて十分に低減することが可能となる。
【００５９】
ここで、光ファイバ２０のコア２３の端面２０ｂから第２屈折率変化部２２を経て端面２２ｂから出射されるまでの光の反射率を具体的に算出する。ここでは、水６の屈折率を１．３として説明する。尚、第２ブロック２６をＮａＦ（ｎ＝１．３４）、第１ブロック２５をＭｇＦ2、光ファイバ２０のコア２３を石英（ｎ＝１．４５）とする点は、上記第１屈折率変化部２１の場合と同様である。
【００６０】
上記式（１）に従って、石英とＭｇＦ2との界面、ＭｇＦ2とＮａＦとの界面、ＮａＦと水との界面における反射率Ｒを求めると、反射率Ｒはそれぞれ、０．０６１％、０．０２２％、０．０２３％であり、光ファイバ２０のコア２３から第２屈折率変化部２２の端面に入射された後、第２屈折率変化部２２の端面２２ａから出射されるまでの光のトータルの屈折率は０．１０６％となる。これに対して水と石英との界面での光の反射率は０．２９８％である。これより、光伝送媒体３が光ファイバ２０の端面２０ｂ側に第２屈折率変化部２２を有することで、光の反射率が十分に低減されることが分かる。
【００６１】
このように、第２屈折率変化部２２により、光の反射の生じる界面を複数に分担させつつ個々の界面での反射率を十分に低減することが可能となり、第２屈折率変化部２２が無い場合に比べて、出射端３ｂにおける光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。このため、光の反射による界面の損傷を十分に防ぐことが可能となる。
【００６２】
以上より、光伝送媒体３全体としても、光ファイバ２０の両端２０ａ，２０ｂ側に第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２が設けられていない場合に比べて、光伝送媒体３における光のトータルの反射率を十分に低減することが可能となる。よって、反射率に起因する光ファイバ２０の端面２０ａ、２０ｂにおける損傷を十分に防ぐことが可能となる。また光伝送媒体３において光のトータルの反射率が十分に低減されるため、光伝送媒体３における光の損失が十分に低減されることになる。
【００６３】
具体的には、パルスレーザ光を空気、光ファイバ、水と伝播させた場合、光のトータルの反射率は３．６６１％となるのに対し、パルスレーザ光が光伝送媒体３を伝播するようにした場合、光のトータルの反射率は２．２９６％となる。
【００６４】
こうして光伝送媒体３から出射されたパルスレーザ光は、放物面鏡９及び反射鏡１０で順次反射された後、被加工物４に集光されて照射される。これにより、被加工物４の加工が行われる。このとき、光伝送媒体３においては、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２が無い場合に比べて、光伝送媒体３における光の損失が十分に低減される。このため、被加工物４に照射されるパルスレーザ光の光量が多くなり、パルスレーザ光源１から出射されたパルスレーザ光の被加工物４の加工への利用率を十分に向上させることができる。
【００６５】
また被加工物４の加工中は、被加工物４で散乱された光が光ファイバ１４で受光されて分光器１５で分光され、この分光スペクトルの結果に基づいて被加工物４の加工状態がモニタされる。
【００６６】
このとき、被加工物４における加工状態が所望の加工状態でない場合には、制御装置１６が、分光器１５から出力される信号に基づいて、移動機構１２を介してステージ１１を移動させるように制御したり、光パルスの時間波形が所望の波形に変換されるようにパルス波形変換装置２を制御する。こうして制御することにより被加工物４の加工状態を所望の加工状態にすることができる。
【００６７】
尚、パルス波形変換装置２を制御する場合、その制御は次のようにして行うことが好ましい。即ち、パルスレーザ光が伝播される光伝送媒体３や水は分散媒質であり、パルスレーザ光の伝播に伴って光パルスの波形が変化する。このため、パルスレーザ光のピーク強度を小さくしすぎると、被加工物４の加工効率が低下してしまう。そこで、光伝送媒体３及び水を通過して被加工物４に到達するまでの光パルスのピーク強度の変化量を予め測定しておき、このパルスレーザ光のピーク強度が被加工物４に照射される時に最大となるようにパルス波形変換装置２を制御してパルス波形を変換することが好ましい。このようにすることで、被加工物４の加工を効率よく行いながら、光伝送媒体３の損傷をより十分に防ぐことが可能となる。
【００６８】
次に、本発明のパルスレーザ加工装置の第２実施形態について図５を参照して説明する。
【００６９】
図５は、本発明の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５に示すように、本実施形態のパルスレーザ加工装置２００は、第２屈折率変化部２２、放物面鏡９及び反射鏡１０を固定するケース２０１を更に備える点で、第１実施形態のパルスレーザ加工装置１００と相違する。パルスレーザ加工装置２００がケース２０１を更に備えることにより、第２屈折率変化部２２、放物面鏡９及び反射鏡１０がケース２０１に固定されることとなる。このため、光軸の調整に際して、反射鏡１０で反射された光が被加工物４に照射されるように光軸調整を行えばよく、第２屈折率変化部２２から出射された光が放物面鏡９及び反射鏡１０を経て被加工物４に照射されるように光軸調整を行う必要が無い。従って、光軸調整が容易となる。
【００７０】
ケース２０１の材質は、第２屈折率変化部２２、放物面鏡９および反射鏡１０を固定することができる材質であればよく、例えばプラスチック、金属等で構わない。但し、集光光学系５によって反射されたパルスレーザ光を被加工物４に照射することができるように、ケース２０１には、パルスレーザ光を通過させるための穴が形成されるか、あるいは、ケース２０１がパルスレーザ光に対して透明であることが必要である。
【００７１】
本発明は、前述した第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば上記第１及び第２実施形態では、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２のそれぞれにおいて、屈折率が段階的に変化しているが、屈折率は、連続的に変化することが好ましい。
【００７２】
この場合、入射端３ａ及び出射端３ｂのそれぞれにおける光の反射率をより十分に低減することが可能となり、光伝送媒体３全体としても、光の反射率をより十分に低減することが可能となる。従って、反射による光伝送媒体３の界面の損傷をより十分に防ぐことが可能となる。また、光伝送媒体３において光のトータルの反射率がより十分に低減されるため、光伝送媒体３における光の損失がより十分に低減される。このため、パルスレーザ光源１から出射されたパルスレーザ光の加工への利用率を十分に向上させることができる。
【００７３】
また上記第１及び第２実施形態では、光伝送媒体３が、光ファイバ２０の両端面２０ａ，２０ｂにそれぞれ、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２を設けているが、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２を設けず、光ファイバ２０のコア２３の両端部において光の伝播方向に沿って屈折率を変化させるようにしてもよい。この場合、第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２はいずれもコアおよびクラッドを有することになる。ここで、屈折率は、例えば光ファイバ２０のコア２３の長手方向に沿ってＧｅ等のドーパント濃度を変化させることにより変化させることが可能である。
【００７４】
更に、上記第１及び第２実施形態では、光伝送媒体３が、光ファイバ２０の両端に第１屈折率変化部２１及び第２屈折率変化部２２を有しているが、第１屈折率変化部２１又は第２屈折率変化部２２のいずれか一方を有していればよい。この場合でも、パルスレーザ光による光伝送媒体３の損傷を十分に防ぐことが可能である。但し、光伝送媒体３は、特に、第１屈折率変化部２１を含むことが好ましい。光伝送媒体３の入射端側では、パルスレーザ光の強度が出射端側の強度に比べて大きく、特に光伝送媒体３の損傷が起こり易いところ、光伝送媒体３がその入射側に第１屈折率変化部２１を含むことにより、パルスレーザ光による光伝送媒体３の損傷をより十分に防止することができる。
【００７５】
更に上記第１及び第２実施形態では、光ファイバ２０として、シングルモード光ファイバを用いているが、フェムト秒パルス波形の厳密な制御が不要な加工においては、光ファイバ２０は、マルチモード光ファイバであってもよい。
【００７６】
更にまた、微小スポット径による精密な加工ではなく、光量を多く必要とする加工を行う場合には、パルスレーザ加工装置は、光伝送媒体３を複数本束ねてなる光伝送媒体束を有してもよい。
【００７７】
また液体収容槽７に収容する液体６として、上記第１及び第２実施形態では、水が用いられているが、水に代えて食塩水等の他の液体を用いてもよい。
【００７８】
更に、本発明のパルスレーザ加工装置は、被加工物４においてレーザ誘起プラズマを発生させるレーザ誘起プラズマ発生装置を更に備えることが好ましい。
【００７９】
この場合、パルスレーザ光源１から出射されるパルスレーザ光により被加工物４に対してレーザ加工を行うときに、レーザ誘起プラズマ発生装置により被加工物４においてレーザ誘起プラズマを発生させると、レーザ誘起プラズマにより、パルスレーザ光を被加工物４に吸収させやすくすることができ、レーザ誘起プラズマが無い場合に比べてレーザ加工を容易に行うことができる。即ちレーザ誘起プラズマによってレーザ加工がアシストされることとなる。またレーザ誘起プラズマ発生装置により被加工物４においてレーザ誘起プラズマが発生すると、そのレーザ誘起プラズマだけでもレーザ加工を行うことができる。
【００８０】
ここで、レーザ誘起プラズマ発生装置は、パルスレーザ光源１から出射されるパルスレーザ光の波長と重畳する波長のレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されるレーザ光を被加工物４に導く光学系とにより構成される。例えばパルスレーザ光源１として、チタンサファイヤレーザが用いられる場合には、レーザ誘起プラズマ発生装置のレーザ光源としては、例えばＫｒＦエキシマーレーザ光源が用いられる。
【００８１】
なお、本発明のパルスレーザ加工装置は、図６に示すように、光伝送媒体３から出射されたパルスレーザ光を集光光学系（図示せず）により被加工物４に直接集光するのではなく、空間上の所定の点２０２に集光し、そのとき誘起される超音波を超音波照射手段２０３により反射して被加工物４上の加工予定部位２０４に照射するものであってもよい。この場合でも、被加工物４を加工することが可能である。
【００８２】
超音波照射手段２０３は、超音波を被加工物４の加工予定部位２０４に照射できるものであればよいが、超音波照射手段２０３としては、内面２０３ａを楕円放物面とした超音波反射体を用いることが好ましい。この場合、パルスレーザ光を集光させる空間上の所定の点２０２を楕円放物面の２つの焦点のうちの一方の焦点と一致させ、被加工物４の加工予定部位２０４を他方の焦点と一致させれば、所定の点２０２でパルスレーザ光によって誘起された超音波が楕円放物面で反射され、加工予定部位２０４に集中的に照射される。このため、加工予定部位２０４において超音波の照射強度を十分に大きくすることが可能となり、被加工物４の加工を効率よく行うことができる。なお、超音波反射体としては、例えば金属が挙げられる。また超音波反射体は、所定点２０２にパルスレーザ光を集光するため、パルスレーザ光を通過させるための開口２０５を有することが好ましい。
【００８３】
更に本発明のパルスレーザ加工装置は、光伝送媒体３から出射されるパルスレーザ光のビーム断面の形状を変換するビーム断面変換手段を更に備えることが好ましい。この場合、光伝送媒体３から出射されるパルスレーザ光のビーム断面の形状を、ビーム断面変換手段により変換することが可能となり、被加工物４の表面上に集光する際に、光伝送媒体３及び集光光学系５で生じるビーム断面形状の歪みを補正して、集光強度を向上させたり、被加工物４における集光点でのスポット径を大きくして被加工物４の材料に適した強度に調整したりすることが可能となる。
【００８４】
なお、ビーム断面変換手段としては、例えばデフォーマブルミラー、空間光変調器等が用いられる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のパルスレーザ加工装置によれば、光伝送媒体全体として、光のトータルの反射率を、本体部の両端側に第１及び第２屈折率変化部が設けられていない場合に比べて十分に低減することが可能となる。よって、反射率に起因する本体部の損傷を十分に防ぐことが可能となる。また光伝送媒体において光のトータルの反射率が十分に低減されるため、光伝送媒体における光の損失が十分に低減される。このため、特に、光伝送媒体から出射されたパルスレーザ光を被加工物に照射して被加工物を行う場合には、パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光の加工への利用率を十分に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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】光伝送媒体を示す側面図である。
【図３】（ａ）は、光伝送媒体の入射端を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線上の位置と屈折率との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、光伝送媒体の出射端を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線上の位置と屈折率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の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６】本発明のパルスレーザ加工装置の更に他の実施形態の一部を示す概略図である。
【符号の説明】
１…パルスレーザ光源、２…パルス波形変換装置、３…光伝送媒体、４…被加工物、５…集光光学系（集光手段）、６…液体、７…液体収容槽、９…放物面鏡（集光手段）、１０…反射鏡（集光手段）、１１…ステージ（被加工物移動手段）、１２…移動機構（被加工物移動手段）、１４…光ファイバ（加工状態モニタ手段）、１５…分光器（加工状態モニタ手段）、２０…光ファイバ（本体部）、２１…第１屈折率変化部、２２…第２屈折率変化部、２３…コア、２４…クラッド、２５…第１ブロック（第１屈折率変化部）、２６…第２ブロック（第２屈折率変化部）、１００，２００…パルスレーザ加工装置、２０３…超音波照射手段。
Claims (12)
- ５ｐｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光を、光伝送媒体で伝送して被加工物に照射し前記被加工物を加工するパルスレーザ加工装置であって、
前記パルスレーザ光を出射し前記光伝送媒体の一端側に入射させるパルスレーザ光源と、
前記光伝送媒体の他端側から出射される前記パルスレーザ光を前記被加工物に集光する集光手段とを備えており、
前記光伝送媒体は、
コア及びクラッドを備える本体部と、
前記本体部の一端側に設けられて前記光伝送媒体の一端側に入射される前記パルスレーザ光を通過させる第１屈折率変化部、及び前記本体部の他端側に設けられて前記光伝送媒体の他端側から出射される前記パルスレーザ光を通過させる第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方とを含み、
前記光伝送媒体において、前記本体部の一端側から前記パルスレーザ光が入射され、前記本体部の他端側から前記パルスレーザ光が出射されるようになっており、
前記第１屈折率変化部は、前記第１屈折率変化部から前記本体部に向かう方向に沿って、屈折率が前記第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも前記本体部の前記コアの屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有し、
前記第２屈折率変化部は、前記本体部から前記第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が前記本体部の前記コアの屈折率よりも前記第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有する、
ことを特徴とするパルスレーザ加工装置。 - 前記被加工物を浸漬する液体を収容するための液体収容槽を更に備えており、前記光伝送媒体における前記パルスレーザ光の出射側端部が前記液体に浸漬されていることを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記光伝送媒体が前記第１屈折率変化部及び前記第２屈折率変化部を有する場合において、前記第１屈折率変化部における屈折率が、前記第１屈折率変化部から前記本体部に向かう方向に沿って大きくなっており、前記第２屈折率変化部における屈折率が、前記本体部から前記第２屈折率変化部に向かう方向に沿って小さくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記光伝送媒体に入射される前記パルスレーザ光の時間波形を所定の波形に変換するパルス波形変換装置を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記第２屈折率変化部及び前記集光手段が一体化されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記被加工物を移動させる被加工物移動手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記光伝送媒体から出射される前記パルスレーザ光のビーム断面の形状を変換するビーム断面変換手段を更に備えることを特徴とする請求項６に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記被加工物の加工状態をモニタする加工状態モニタ手段を更に備えていることを特徴とする請求項７に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記集光手段は、前記光伝送媒体から出射されるパルスレーザ光を反射させて前記被加工物に照射する反射型光学系から構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記光伝送媒体を複数本束ねてなる光伝送媒体束を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
- 前記被加工物にレーザ誘起プラズマを発生させるレーザ誘起プラズマ発生手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のパルスレーザ加工装置。
- ５ｐｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光を光伝送媒体で伝送し、前記光伝送媒体から出射される前記パルスレーザ光を用いて被加工物を加工するパルスレーザ加工装置であって、
前記パルスレーザ光を出射し前記光伝送媒体の一端側に入射させるパルスレーザ光源と、
前記光伝送媒体の他端側から出射される前記パルスレーザ光を所定の点に集光する集光手段と、
前記パルスレーザ光を前記所定の点に集光する時に誘起される超音波を前記被加工物に照射する超音波照射手段とを備えており、
前記光伝送媒体は、
コア及びクラッドを備える本体部と、
前記本体部の一端側に設けられて前記光伝送媒体の一端側に入射される前記パルスレーザ光を通過させる第１屈折率変化部、及び前記本体部の他端側に設けられて前記光伝送媒体の他端側から出射される前記パルスレーザ光を通過させる第２屈折率変化部の両方又はそのいずれか一方とを含み、
前記光伝送媒体において、前記本体部の一端側から前記パルスレーザ光が入射され、前記本体部の他端側から前記パルスレーザ光が出射されるようになっており、
前記第１屈折率変化部は、前記第１屈折率変化部から前記本体部に向かう方向に沿って、屈折率が前記第１屈折率変化部に接する媒質の屈折率よりも前記本体部の前記コアの屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有し、
前記第２屈折率変化部は、前記本体部から前記第２屈折率変化部に向かう方向に沿って、屈折率が前記本体部の前記コアの屈折率よりも前記第２屈折率変化部に接する媒質の屈折率に近づくように変化する屈折率分布を有する、
ことを特徴とするパルスレーザ加工装置。
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