JP4645892B2 - レーザ加工装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを用いた加工装置及び方法に関する。詳しくは、レーザビームを用いたトレパニング（刳り抜き）加工を行う装置及び方法に関する。

レーザ加工は、レーザビームを被加工物に集光照射して、熱加工やアブレーション加工などを行うものである。熱加工、アブレーション加工、衝撃加工などを行うためには、レーザビームを微小スポットに集光してパワー密度或いはフルーエンス（１パルスのエネルギ密度）を上げる必要がある。したがって、たとえばレーザ加工で穴をあける場合、上記微小スポット径の穴しかあけることができない。微小スポット径より大きな穴をあけるためには、被加工物をＸ−Ｙステージにのせて動かして集光スポットをつなげて大きな穴をあける必要がある。しかし、被加工物を動かす場合、被加工物が大きくなるとＸ‐Ｙステージも大きくなり、高速、高精度に動かすことが難しくなる。そこで、切削加工のフライス盤のように、刃物である集光スポットを円形に動かして（本明細書では以後この集光スポットを円形に動かすことを”トレパニングさせる”と記載する）加工する技術が開発されるようになった。

集光スポットをトレパニングさせる加工装置としては、例えば図１３に示すような加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。レーザビーム７１が二つの平行面をもつ平行ブロック７２と、二つのウエッジ板７３によって主軸に対して傾けられ、前記主軸の回りに回転するダブプリズム（Ｄｏｖｅ−Ｐｒｉｓｍ）７４の傾斜した入射面に入射する。ダブプリズム７４から射出された傾けられたレーザビーム７１は、集光レンズ７５に入射し、主軸１００を中心とする円７６の縁部に集光される。ダブプリズム７４の回転によりこの集光点が円７６を描き（トレパニングして）、円７６が刳りぬかれる。なお、本明細書では集光点が描くこの円７６を以後トレパニング円と呼ぶことにする。

従来の加工装置では、上記のように、平行ブロック、二つのウエッジ板、ダブプリズムといったレーザビームが通過する媒質の長さが長いバルクガラス光学部品を多用しているため、媒質の波長分散によりレーザパルスの時間幅（パルス幅）が広がったり、色収差により集光スポット径が拡大したりするなどの問題がある。パルス幅が広がると、ピークパワーが減少し、最悪のケースでは被加工物を加工できないこともある。また集光スポット径が大きくなると、微細な加工や多光子吸収を利用する加工ができなくなる。

さらに、従来の加工装置ではトレパニング円の大きさ、すなわちトレパニング半径を変えるためには、平行ブロックを主軸を含む面に直交する軸の回り回動させ、且つ二つのウエッジ板を主軸の回りに回動させ、固定する調整作業が必要である。したがって、三つの光学部品を回動させる機構が複雑になり、調整に手間がかかる。
特表２００１−５１６６４８号公報

従来の加工装置では、上記のように、レーザビームが通過する媒質の長さが長いバルクガラス光学部品を多用しているため、媒質の波長分散によってレーザパルスの時間幅（パルス幅）が広がったり、色収差によって集光スポット径が拡大したりするなどの問題があった。また、トレパニング半径を変更するためには調整に手間がかかるなどの問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、レーザビームが通過する媒質の長さが短いバルクガラス光学部品を用いてトレパニング加工するレーザ加工装置を提供することを課題とする。また、トレパニング半径を容易に変えることができるレーザ加工装置を提供することを課題とする。

課題を解決するためになされた発明は、レーザビームを発生する光源と、該レーザビームが一方の面に垂直入射されて他方の面から該他方の面を節とする才差運動状ビームを出射する回転ウエッジ板と、該才差運動状ビームを被加工物に集光する集光レンズと、を有するレーザ加工装置であって、前記節を前記集光レンズの入射瞳に伝達する結像光学系を前記回転ウエッジ板と該集光レンズの間に備え、前記結像光学系は、該結像光学系の光軸と直交する２軸方向に移動する二つの移動手段と光軸方向に移動する移動手段のうち少なくとも一つを備えることを特徴としている。

バルクガラス光学部品が一つのウエッジ板と集光レンズだけであり、波長分散によるレーザパルスの時間幅（パルス幅）の広がり、色収差による集光スポット径の拡大を抑えることができる。また、角度の異なるウエッジ板に変えるだけでトレパニング半径を変更することができる。集光レンズにテレセントリックレンズ（レンズの入射瞳がテレセントリックな位置にあるレンズ）を使用して、才差運動状ビームを被加工物にレンズの回折限界まで集光することができる。光軸と直交する２軸方向に移動する二つの移動手段のうち少なくとも一つの移動手段で結像光学系を移動させることで、被加工物を移動させることなくトレパニング円を移動させることができる。また、光軸方向に移動する移動手段で結像光学系を移動させることで、集光レンズの色収差を補正することができる。

また、上記のレーザ加工装置において、前記回転ウエッジ板は、中空シャフト回転手段を備えるとよい。

レーザビームを中空シャフトの中を通してウエッジ板に入射させることができ、光軸と回転軸を一致させることができる。また、ウエッジ板を高速に回転させることができる。

また、上記のレーザ加工装置において、前記光源はＥｒとＹｂのいずれか一方または両方をドープしたファイバー共振器と増幅器を備え、中心波長が５００〜２０００ｎｍ、パルス幅が１０ｆｓ〜 ２０ｐｓ、繰返し周波数が１００〜１０００ＫＨｚのレーザビームを発生するとよい。

ガラス、セラミックス、結晶といった硬脆材料、樹脂材料、金属材料、透明材料など幅広い材料を高速にアブレーション加工したり、衝撃加工したり、多光子吸収を利用して加工したりすることができる。また、集光スポットを被加工物の内部に位置するようにすることで、多光子吸収を利用して透明材料の内部にマーキングすることができる。

課題を解決するためになされた発明は、レーザ加工方法であって、レーザビームを発生させるビーム発生ステップと、該レーザビームを才差運動状ビームに偏向回転させる偏向回転ステップと、該才差運動状ビームを集光レンズで被加工物に集光する集光ステップと、結像光学系で前記才差運動状レーザビームの節を前記集光レンズの入射瞳に伝達する伝達ステップと、前記結像光学系を該結像光学系の光軸と直交する２軸方向及び光軸方向のうち少なくとも一方向に移動する移動ステップと、を有することを特徴としている。

また、上記のレーザ加工方法において、前記レーザビームは、中心波長が５００〜２０００ｎｍ、パルス幅が１０ｆｓ〜 ２０ｐｓ、繰返し周波数が１００〜１０００ＫＨｚであるとよい。

バルクガラス光学部品が一つのウエッジ板と集光レンズだけであり、波長分散によるレーザパルスの時間幅（パルス幅）の広がり、色収差による集光スポット径の拡大を抑えることができる。

また、角度の異なるウエッジ板に変えるだけでトレパニング半径を変更することができる。

（実施形態１）本実施形態のレーザ加工装置は、図1に示すように、レーザビームＬを発生する光源１と、レーザビームＬが入射されて歳差運動状ビームＬa、Ｌbを出射する回転ウエッジ板２と、歳差運動状ビームＬa、Ｌbを被加工物５に集光する集光レンズ３と、を備えている。

入射面２１と出射面２２のなす角度がαの実線で示すウエッジ板２に光軸１０方向からレーザビームＬが入射すると、スネルの法則により光軸１０とθをなす方向に偏向され、実線で示すレーザビームＬaを出射する。θとαの間には次式の関係がある。

θ＝ｓｉｎ^-1［ｎｓｉｎα］−α （１）
ここで、ｎはウエッジ板２の屈折率である。

光軸１０とθをなすレーザビームＬaが集光レンズ３に入射すると、実線で示すようにレンズ３から焦点距離Ｆ離れた位置にある被加工物５の上面における光軸１０からｒの位置に集光され、集光スポットｐとなる。ｒとθには次式の関係がある。

ｒ＝Ｆｔａｎθ （２）
レーザビームＬが点線で示す１８０°回転したウエッジ板２に入射すると、光軸１０と−θをなす方向に偏向され、点線で示すレーザビームＬbを出射する。

光軸１０と−θをなすレーザビームＬbが集光レンズ３に入射すると、やはり、点線で示すように被加工物５の上面における光軸１０からｒの位置に集光され、集光スポットｐとなる。

図１Ｂは、図１Ａの被加工物５をＺ軸（光軸１０）方向から見た図であるが、ウエッジ板２が矢印１１方向に回転すると、集光スポットｐも矢印１２方向に順次形成され、半径ｒのトレパニング円４を描く。なお、レーザビームの指向性をΔθとすると、集光スポット径２ａは
２ａ≒ＦΔθ （３）
と表される。

レーザビームＬがｃｗレーザビームの場合、ウエッジ板２の回転数Ｒ［ｒｐｓ］によらず、集光スポットｐが連続するのでトレパニング円は図２Ａに示すようになる。一方、レーザビームＬが繰返し周波数ｆのパルスレーザビームの場合、回転数Ｒによっては集光スポットｐが繋がらずトレパニング円が図２Ｂに示すようになることもある。集光スポットｐが接する図２Ｃのようなトレパニング円を得るためには、次式を満たすようにすればよい。

２πｒ≒２ａｆ／Ｒ （４）
ここで、２ａは集光スポット径である。また、例えば、集光スポットｐが１／４オーバーラップするためには、
２πｒ≒（３／４）２ａｆ／Ｒ （４’）
を満たすようにすればよい。（４）、（４’）式からｆとRを適当に組み合わせれば、集光スポットを任意の割合にオーバラップさせ得ることがわかる。

（１）式と（２）式からトレパニング円４の大きさ（半径ｒ）は、集光レンズ３の焦点距離Ｆ、ウエッジ板２のウエッジ角αで制御できることがわかる。

光源１は、ＣＯ₂レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザなどなんでもよいが、被加工物の材料と加工種（熱加工、アブレーション加工、衝撃加工、多光子吸収加工など）に応じて選ぶとよい。例えば、光源１に波長１０．６μｍの赤外線を発生するＣＯ₂レーザを用いると、赤外線材料を除くほとんどの材料で吸収されるため、熱加工が主体であり、多光子吸収を利用して内部にマーキングする加工などはできない。

光源１にＥｒとＹｂのいずれか一方または両方をドープしたファイバー共振器と増幅器を備え、中心波長が５００〜２０００ｎｍ、パルス幅が１０ｆｓ〜 ２０ｐｓ、繰返し周波数が１００〜１０００ＫＨｚのレーザビームを発生するファイバレーザ（ＩＭＲＡ製フェムトライト）を用いるとよい。ガラス、セラミックス、結晶といった硬脆材料、樹脂材料、金属材料、透明材料など幅広い材料を高速にアブレーション加工したり、衝撃加工したり、多光子吸収を利用して加工したりすることができる。また、集光スポットを被加工物の内部に位置するようにすることで、多光子吸収を利用して透明材料の内部にマーキングすることができる。

ウエッジ板２の材質は、偏向するレーザビームLの波長によって異なる。近赤外線より短い波長のレーザビームの場合は、例えばＢＫ７や石英を用い、CO₂レーザのように赤外線の場合は、例えばZnSeやNaClなどを用いるとよい。厚さは、分散によるパルス幅の拡大を少なくするため、できるだけ薄くするとよい。

ウエッジ板２の回転は、光軸１０を中空シャフトとする中空シャフトモータ、中空シャフトエアスピンドル、中空シャフトエアタービンなどで行われる。

集光レンズ３は、単レンズでもよいが、テレセントリックレンズが好ましい。テレセントリックレンズは、収差補正された複合レンズで、例えば、顕微鏡対物レンズなどが該当し、集光スポットｐを回折限界にすることができる。その場合、歳差運動状ビームＬa、Ｌbを出射する面（歳差運動状ビームの節N）を集光レンズ３の入射瞳に合わせる必要がある。

（実施形態２）本実施形態のレーザ加工装置では、図３Ａに示すように、ウエッジ板２が回転手段６の回転体６２に取り付けられ、ウエッジ板２と集光レンズ３の間には、Ｘ、Ｙの２軸方向に移動する２軸移動手段８に取り付けられた結像光学系７が配置されている。なお、実施形態１と同じ要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

回転手段６は、中空シャフト６１の回りに回転する回転体６２を備えた、例えば電動モータである。

結像光学系７には、例えば複数の球面レンズからなるリレーレンズや、屈折率分布型ロッドレンズ、などを用いることができる。また、節Ｎを入力像として節N’を出力像としたときの結像倍率ｍ（＝Ｎ’／Ｎ）は、大きい方がよい。ｍが大きいと集光スポットPが小さくなる。

集光レンズ３は、入射瞳３１を持つテレセントリックレンズで、入射瞳３１が結像光学系７で伝達された節Ｎ’と一致するように配設されている。換言すれば、結像光学系７で節Ｎを入射瞳３１に伝達している。なお、本実施形態では、集光レンズ３に顕微鏡対物レンズを使用している。

図４は、入射瞳３１における節Ｎ’を３次元表示した図であるが、結像光学系７を２軸移動ステージ８でＸ軸方向に移動させると、節Ｎ’が矢印１５方向（Ｘ軸の回りに）回転する。同様に、結像光学系７を２軸移動ステージ８でＹ軸方向に移動させると、節Ｎ’が矢印１６方向（Ｙ軸の回りに）回転する。

図３Ｂは、図３Ａの被加工物５をＺ軸（光軸１０）方向から見た図であるが、図４に示す節Ｎ’の回転（傾斜）により、トレパニング円４が矢印１３、１３’、或いは１４、１４’方向に移動する。すなわち、結像光学系７を２軸移動ステージ８でＸ軸方向に移動させると、節Ｎ’が矢印１５方向に回転し、トレパニング円４が矢印１３，１３’方向（Ｘ軸方向）に移動する。同様に、結像光学系７を２軸移動ステージ８でＹ軸方向に移動させると、節Ｎ’が矢印１６方向に回転し、トレパニング円４が矢印１４、１４’方向（Ｙ軸方向）に移動する。したがって、本実施形態のレーザ加工装置では、被加工物５を移動させないで、トレパニング円４を移動させることができ、例えば、幅がトレパニング円に等しい溝掘り加工を行うことができる。例えば、メートルオーダの被加工物の両端部に微細な十字マークを加工する場合、被加工部５をメートルオーダのストロークを有するＸ、Ｙステージに載置して、マーキングする部位を光軸１０の位置に合わせ、次に２軸移動ステージで結像光学系７をＸ軸、Ｙ軸方向に移動させることで、マーキングすることができる。

（実施形態３）本実施形態のレーザ加工装置では、図５Ａに示すように、光軸１０を回転中心としてＸ−Ｙ面内で回転する回転テーブル９に結像光学系７が光軸をδだけずらして配置されている。なお、実施形態２と同じ要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

回転テーブル９は、中空シャフト９１の回りに回転するテーブル９２を備えており、例えば、１０，０００ｒｐｍで回転することができる。

図５Ｂは、図５Ａの被加工物５をＺ軸（光軸１０）方向から見た図であるが、結像光学系７をδだけ偏心させて回転させると、トレパニング円４が矢印１７方向に回転する。したがって、本実施形態のレーザ加工装置では、被加工物５を移動させないで、トレパニング円４を回転させることができ、トレパニング円４の包絡する円形穴４１を加工することができる。副次的な効果として、断面形状に対してパルス密度を均一化するために熱影響を抑えた高効率な加工が可能になる。

トレパニング円４を回転させ、トレパニング円４の包絡する円形穴４１を加工することは、実施形態２のレーザ加工装置でも行うことができる。すなわち、２軸移動ステージ８で結像光学系７を光軸１０の回りに偏心回転させることで達成できる。しかし、２軸ステージ８で結像光学系７を回転させるには２軸の往復運動を組み合わせて円運動を作り出すため効率的でない。本実施形態のように、回転テーブル９による偏心回転であれば、１０，０００ｒｐｍの回転も可能で、加工時間の短縮が図れ、加工効率が高い。

図６に本実施例のレーザ加工装置の概略構成図を示す。本実施例のレーザ加工装置は、レーザビームLを発生する光源１と、レーザビームＬの強度を調節するアッテネータ４５と、レーザビームＬをＯＮ−ＯＦＦ制御するシャッター４６と、レーザビームＬの偏光を制御する１／２波長板４７と、１／４波長板４８と、折り曲げミラー１５と、レーザビームＬを歳差運動状ビームＬa、Ｌbにするモータ６に取り付けられたウエッジ板２と、歳差運動状ビームＬa、Ｌbの節Ｎを伝達する第１リレーレンズ７ａ、第２リレーレンズ７ｂと、歳差運動状レーザビームＬa、Ｌbを反射するダイクロイックミラー２１と、ダイクロイックミラー２１を反射した歳差運動状レーザビームＬa、Ｌbを集光する集光レンズ３と、集光レンズ３で集光された歳差運動状レーザビームＬa、ＬbがＺ軸方向から入射される被加工物５をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させるための移動ステージ９と、制御用パソコン４０と、を備える。

レーザ加工装置は、さらに、被加工物５を可視光線で照明して観察するための可視光線を発生する観察光源１８と、観察光源１８からの可視光線を９０°曲げてダイクロイックミラー２１に入射させるハーフミラーを備えたカップラー１９と、集光レンズ３、ダイクロイックミラー２１、及びカップラー１９を介して被加工物５を撮像するＣＣＤカメラ２２を備える。

レーザ加工装置は、さらに、折り曲げミラー１５、回転ウエッジ板２、第１リレーレンズ７ａ、第２リレーレンズ７ｂ、ダイクロイックミラー２１、集光レンズ３を配置する光学ベンチ３０と、光学ベンチ３０をＺ軸方向に駆動する駆動部（図示せず）と、を備える。

光源１を制御するコントローラ２０、アッテネータ４５、シャッター４６、１／２波長板４７、１／４波長板４８、３軸移動ステージ９、ＣＣＤカメラ２２、及び光学ベンチ３０の駆動部は、制御用パソコン４０に接続されており、光源１から発生するレーザビームＬとその強度の制御、シャッター４６のＯＮ−ＯＦＦ制御、偏光制御、ＣＣＤカメラ２２の撮像データ処理、駆動部、３軸移動ステージ９の駆動制御が行われる。

光源１は、Ｅｒドープのモードロックファイバレーザと、ファイバレーザから発振されたパルスレーザ光を受光して伸張されたパルスレーザ光を出力するファイバー伸張器と、伸張されたパルスレーザ光を受光してパルスを間引くパルス間引き器と、伸張されて間引かれたパルスレーザ光を受光して増幅されたパルスレーザ光を出力するＥｒドープのファイバー前置増幅器と、増幅されたレーザ光をさらに増幅するＥｒドープファイバ主増幅器と、増幅されたパルスレーザ光を受光して圧縮されたパルスレーザ光を出力する圧縮器と、を備える。光源１からは指向性Δθが〜０．８ｍｒａｄ、中心波長が１．５６μｍ、平均出力が４００ｍＷ、パルス幅が９００ｆｓ、繰り返し周波数ｆが２５０ｋＨｚのレーザビームＬが出射される。

モータ６は、中空シャフトエアタービンで、回転数は最大２００，０００ｒｐｍまで可能である。

ウエッジ板２は、ＢＫ７製で、ウエッジ角度が１．０°である。

第１リレーレンズ７ａ、第２リレーレンズ７ｂは、いずれも焦点距離１００ｍｍの赤外アクロマートレンズを組み合わせたもので、１：１の実像を伝達することができる。すなわち、第１リレーレンズ７ａ及び第２リレーレンズ７ｂでウエッジ板２の上にある節Ｎが集光レンズ３の入射瞳３１に伝達され、Ｎ’となる。

集光レンズ３は、倍率５０倍（Ｆ＝４ｍｍ）の顕微鏡用赤外対物レンズで、入射瞳３１が鏡筒内のテレセントリックな位置にあり、開口数は０．５５である。

被加工物５を厚さ３ｍｍのクラウンガラス板とし、溝掘り加工を行った。

光軸１０とレーザビームＬaがなす角θは（１）式から０．５°（＝ｓｉｎ^-1［１．５ｓｉｎ１］−１）であり、トレパニング円の半径ｒは、（２）式から３５μｍ（＝４ｍｍ×ｔａｎ０．５）と求まる。また、集光スポットｐの径２ａは、３．２μｍ（＝４ｍｍ×０．８ｍｒａｄ）と求まる。そこで、集光スポットｐを１／４オーバラップさせるように、すなわち、（４’）式からモータ６の回転数Ｒを１５３，５００ｒｐｍ＝２５６０ｒｐｓ（＝（３／４π）×（３．２／７０）×２．５×１０⁵）とすることにした。

先ず、アッテネータ４５を制御してレーザビームＬの平均パワーを１０ｍＷにし、シャッター４６をＯＮする。次に、ＣＣＤカメラ２２で撮像した画像をパソコン４０のモニターで観察しながら、集光スポットｐがクラウンガラス板５の表面に位置するように光学ベンチ３０の駆動部で光学ベンチ３０をＺ軸方向（矢印３２方向）に微動させる。次に、シャッター４６をＯＦＦにして、アッテネータ４５を制御してレーザビームＬの平均パワーを３８０ｍＷにする。次に、中空シャフトエアタービン６を１５３，５００ｒｐｍで回転させながらシャッター４６をＯＮしてクラウンガラス板５をＸ軸方向に２０ｍｍ／ｓの速度で移動させた。

図７にトレパニング加工の模式図を示す。集光スポットｐの径は３μｍ、トレパニング円４の直径は７０μｍ、集光スポットｐの重なりは、約１／４であった。

図８にクラウンガラス板に３本の溝を加工した後の写真を、図９に図８の溝の断面模式図を示す。幅７０μｍ、深さ２００μｍの矩形溝を加工することができた。また、レーザビームのパルス幅が９００ｆｓと超短光パルスであるあるため、加工機構が所謂レーザ誘起破壊による断熱加工であり、溝の底面がフラットであった。

図１０に本実施例のレーザ加工装置の概略構成図を示す。本実施例のレーザ加工装置は、実施例１のレーザ加工装置における第１リレーレンズ７ａをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向に移動する移動手段８に取り付けた点だけが実施例１のレーザ加工装置と異なる。同一要素には同じ符号を付し説明を省略する。

本実施例のウエッジ板２’は、ＢＫ７製で、ウエッジ角度が０．２°である。

３軸移動手段８は、Ｙ、Ｚ軸ステージ８１とＸ軸ステージ８２とからなり、制御用パソコン４０に接続されている。

被加工物５を厚さ３ｍｍのクラウンガラス板とし、Ｘ軸方向に１０ｍｍピッチ、Ｙ軸方向に１５ｍｍピッチの十字マーキング加工を行った。

光軸１０とレーザビームＬaがなす角θは（１）式から０．１°（＝ｓｉｎ^-1［１．５ｓｉｎ０．２］−０．２）であり、トレパニング円の半径ｒは、（２）式から７μｍ（＝４ｍｍ×ｔａｎ０．１）と求まる。

先ず、観察光源１８から可視光線を発生させてクラウンガラス板５の表面にＣＣＤカメラ２２のピントが合うように光学ベンチ３０を矢印３２方向に微動させる。次に、アッテネータ４５を制御してレーザビームＬの平均パワーを１０ｍＷにし、シャッター４６をＯＮして、ＣＣＤカメラ２２で撮像した画像をパソコン４０のモニターで観察しながら、集光スポットｐがクラウンガラス板５の表面に位置するようにＸ軸移動ステージ８２で第１リレーレンズ７ａを光軸１０方向に微動させる。次に、シャッター４６をＯＦＦにして、アッテネータ４５を制御してレーザビームＬの平均パワーを３８０ｍＷにする。次に、中空シャフトエアタービン６を１５３，５００ｒｐｍで回転させながらクラウンガラス板５を３軸移動ステージ９でＸ軸方向に１０ｍｍ、Ｙ軸方向に１５ｍｍ移動させては、シャッター４６をＯＮして、３軸移動ステージ８でリレーレンズ７ａをＹ軸方向に１０００μｍ、Ｚ軸方向に１０００μｍづつ移動させた。

ＣＣＤカメラ２２で集光レンズ３を介して撮像したクラウンガラス板５の表面観察像で、レーザの集光スポットｐがガラス板５の表面に合致するように集光レンズ３の焦点調整を行う場合、集光レンズ３の色収差補正が十分でないと、色収差が問題になることがある。すなわち、ＣＣＤカメラ２２での観察像が可視光波長であるのに対して、レーザの中心波長が１．５６μｍと近赤外波長の場合、観察像の焦点位置とレーザの加工焦点位置が一致しないことがある。しかし、本実施例のレーザ加工装置は、第１リレーレンズ７ａを光軸１０方向に移動させるＸ軸ステージ８１を備えているので、レーザの焦点位置だけを独立して任意に調節できるので、集光レンズ３の色収差を補正することができる。

図１１、１２に十字マーキング加工の模式図を、図１３に一個の十字マークの拡大写真を示す。図１２は、図１１の一個の十字マークを拡大描画したものである。集光スポットｐの径は３μｍ、トレパニング円４の直径は１５μｍ、十字マークの幅は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向共６０μｍであった。

２軸移動ステージ８を１０００μｍ走査しても、被加工物５の位置でトレパニング円４が６０μｍしか走査しないことがわかる。すなわち、走査倍率が０．０６（＝６０／１０００）であり、例えば、２軸移動ステージの移動分解能が１０μｍでも０．６μｍの分解能でマーキング加工することができる。換言すれば、２軸移動ステージ８を１６．６倍（＝１０００／６０）に拡大して走査すれば良い。したがって、２軸移動ステージ８は、並精度短ストロークのステージで良いという利点を有している。

本発明に係る実施形態１のレーザ加工装置の概略構成図である。 ウエッジ板の回転数と集光スポットの連なりを説明するための図である。 本発明に係る実施形態２のレーザ加工装置の概略構成図である。 図３における入射瞳３１の節Ｎ’を３次元表示した図である。 本発明に係る実施形態３のレーザ加工装置の概略構成図である。 実施例１のレーザ加工装置の概略構成図である。 実施例１のトレパニング加工の模式図である。 実施例１の加工溝の拡大写真である。 図７の溝の断面模式図である。 実施例２のレーザ加工装置の概略構成図である。 実施例２の十字マーキング加工の模式図である。 図１１の一個の十字マークを拡大して示す模式図ある。 実施例２のレーザ加工装置による十字マーキング加工結果を示す写真である。 従来のレーザ加工装置の概略構成図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・光源
２、２’・・・・・・・ウエッジ板
３・・・・・・・・・・集光レンズ
５・・・・・・・・・・被加工物
６・・・・・・・・・・中空シャフト回転手段
７、７ａ、７ｂ・・・・結像光学系
８・・・・・・・・・・２軸移動手段
１０・・・・・・・・・光軸
３１・・・・・・・・・入射瞳
Ｌａ、Ｌｂ・・・・・・歳差運動状ビーム

Claims (6)

1. レーザビームを発生する光源と、該レーザビームが一方の面に垂直入射されて他方の面から該他方の面を節とする才差運動状ビームを出射する回転ウエッジ板と、該才差運動状ビームを被加工物に集光する集光レンズと、を有するレーザ加工装置であって、
   前記節を前記集光レンズの入射瞳に伝達する結像光学系を前記回転ウエッジ板と該集光レンズの間に備え、
   前記結像光学系は、該結像光学系の光軸と直交する２軸方向に移動する二つの移動手段と光軸方向に移動する移動手段のうち少なくとも一つを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記結像光学系は、第１リレーレンズと第２リレーレンズとが直列配置されてなる請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記回転ウエッジ板は、中空シャフト回転手段を備える請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記光源はＥｒとＹｂのいずれか一方または両方をドープしたファイバー共振器と増幅器を備え、中心波長が５００〜２０００ｎｍ、パルス幅が１０ｆｓ〜 ２０ｐｓ、繰返し周波数が１００〜１０００ＫＨｚのレーザビームを発生する請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. レーザビームを発生させるビーム発生ステップと、
   該レーザビームを才差運動状ビームに偏向回転させる偏向回転ステップと、
   該才差運動状ビームを集光レンズで被加工物に集光する集光ステップと、
   結像光学系で前記才差運動状レーザビームの節を前記集光レンズの入射瞳に伝達する伝達ステップと、
   前記結像光学系を該結像光学系の光軸と直交する２軸方向及び光軸方向のうち少なくとも一方向に移動する移動ステップと、
   を有することを特徴とするレーザ加工方法。
6. 前記レーザビームは、中心波長が５００〜２０００ｎｍ、パルス幅が１０ｆｓ〜 ２０ｐｓ、繰返し周波数が１００〜１０００ＫＨｚである請求項５に記載のレーザ加工方法。

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