JP4649927B2 - Laser-induced modification processing apparatus and method - Google Patents

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本発明は、超短光パルスレーザを用いたレーザ誘起改質加工装置及び方法に関するものである。詳しくは、超短光パルスレーザを被加工材料にそれを改質する閾値以上のフルーエンスで照射することで不透明な被加工材料を断熱加工(穴あけ加工、溝ほり加工、切断・割断加工、など)したり、改質(溶融、屈折率変更、など)したり、或いは透明な被加工材料を多光子吸収を利用して断熱加工したり改質したりするレーザ誘起改質加工装置及び方法に関するものである。   The present invention relates to a laser-induced modification processing apparatus and method using an ultrashort optical pulse laser. Specifically, heat treatment is performed on opaque work materials by irradiating the work material with an ultrashort pulse laser with a fluence that exceeds the threshold for modifying the work material (drilling, grooving, cutting / cleaving, etc.) Or a laser-induced reforming processing apparatus and method for performing heat insulation processing or reforming of a transparent workpiece using multiphoton absorption It is.

これまで、主に計測や情報通信などへの応用を目指して開発されたピコ秒からフェムト秒の持続時間を有する超短光パルスレーザを被加工材料に照射することでレーザ誘起破壊(LIB:Laser Induced Breakdown)を起こし、被加工材料を断熱加工するレーザ誘起改質加工方法が知られていた(例えば、特許文献1参照)。パルス持続時間、すなわちパルス幅が約〜50ps以下になると、レーザ照射領域から熱が周囲に伝導する前にパルスが終了するため、レーザ(フォトン)→電子雲、電子雲→格子といった二つのエネルギの流れが独立且つ高速に起こる。したがって、格子へのエネルギ注入が熱伝導による損失を上回るので、高温領域がレーザ照射領域に限定される。すなわち、パルス幅が〜50ps以下になると、被加工材料のイオン化、自由電子の増殖、誘導破壊、プラズマ形成、及び蒸発が瞬時に起こるため周囲に熱影響を与えにくいという特徴を有している。また、パルス幅が〜50ps以下になると、多光子吸収が起こり、透明材料が不透明材料になり透明材料を改質加工できる特徴を有している。
特開2002−205179公報
Until now, laser-induced breakdown (LIB: Laser) has been performed by irradiating a material with an ultrashort optical pulse laser having a duration of picoseconds to femtoseconds, which has been developed mainly for measurement and information communication applications. There has been known a laser-induced modification processing method that induces (Induced Breakdown) and adiabatically processes the material to be processed (see, for example, Patent Document 1). When the pulse duration, that is, the pulse width is about ˜50 ps or less, the pulse ends before the heat is conducted from the laser irradiation region to the surroundings, so that two energies of laser (photon) → electron cloud, electron cloud → lattice Flow occurs independently and at high speed. Accordingly, since the energy injection into the lattice exceeds the loss due to heat conduction, the high temperature region is limited to the laser irradiation region. That is, when the pulse width is ˜50 ps or less, ionization of the material to be processed, multiplication of free electrons, induction breakdown, plasma formation, and evaporation occur instantaneously, so that the surroundings are hardly affected by heat. Further, when the pulse width is ˜50 ps or less, multiphoton absorption occurs, and the transparent material becomes an opaque material, and the transparent material can be modified.
JP 2002-205179 A

しかしながら、これまでのレーザ誘起改質加工方法には上記のように、主に計測や情報通信などへの応用を目指して開発された超短光パルスレーザ、すなわちパルスの時間軸での形状がペデスタルフリーの(パルスの裾野引きがない)sech2関数形状であり、且つ固体レーザ(ガラスレーザ、アレキサンドライトレーザ、チタンサファイアレーザ)をモードロック発振させ、CPA(チャープパルス増幅)することで発生される低繰り返し周波数(1〜350KHz)のものが使用されている。そのため、1パルス毎に厳密な断熱加工が行われ、非加工周囲に熱的影響を与えない、又は与えても最小限であるというLIBによる加工が可能になるが、加工部位と非加工部位の非連続性のために特に被加工物質を走査して加工する場合等ではかえって加工品質、改質品質が低下するという問題を有していた。 However, as described above, the conventional laser-induced modification processing method is an ultra-short pulse laser developed mainly for application to measurement and information communication, that is, the shape of the pulse on the time axis is pedestal. a free (pulse no foot pulling) sech 2 function shape, and solid-state lasers (glass laser, alexandrite laser, titanium sapphire laser) was mode locked oscillation, low is generated by CPA (chirped pulse amplification) The one having a repetition frequency (1 to 350 KHz) is used. Therefore, strict adiabatic processing is performed for each pulse, and it is possible to perform processing by LIB that does not give thermal influence to the non-processing surroundings or is minimal even if given, but the processing part and non-processing part Due to the discontinuity, there is a problem that the processing quality and the modified quality are deteriorated in particular when the material to be processed is scanned and processed.

そこで、本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、クラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりの発生を防止して、加工品質、改質品質を向上させたレーザ誘起改質加工装置及び方法を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and a laser-induced reforming processing apparatus and method that improve the processing quality and reforming quality by preventing the occurrence of cracks, rough skin, peeling, and swelling. The issue is to provide.

課題を解決するためになされた請求項1に係る発明は、レーザ誘起改質加工装置であって、パルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを発生するファイバレーザ発生器と、該ファイバレーザ発生器から発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段と、を有し、該超短光パルスレーザの光パルスはパルス幅が小さくピークパワーが大きなメインパルスにパルス幅が大きくピークパワーが小さなサブパルスが重畳したものと等価であり、該光パルスから該メインパルスを差し引いた残り(ペデスタル成分)のエネルギが該光パルスのエネルギの5%〜50%の範囲にあることを特徴としている。 The invention according to claim 1 made to solve the problem is a laser induced modification processing apparatus, a fiber laser generator for generating an ultrashort optical pulse laser having a pulse width of 10 fs to 50 ps, and the fiber laser A laser irradiation means for irradiating the workpiece material with a fluence equal to or higher than a threshold value for modifying the workpiece material, the optical pulse of the ultrashort pulse laser generated from a generator. Is equivalent to a main pulse with a small pulse width and a large peak power superimposed on a sub-pulse with a large pulse width and a small peak power, and the remaining energy ( pedestal component ) obtained by subtracting the main pulse from the optical pulse It is characterized by being in the range of 5% to 50% of the energy of the pulse.

ペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザは、ペデスタル成分であるサブの超短光パルスにペデスタル成分を除いたメインの超短光パルスが重畳したものであり、通常メインパルスの持続時間τmが10fs〜50psの場合、サブパルスの持続時間τsはτmの5倍前後の50fs〜250psとなる。したがって、被加工材料に5%〜50%のペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザを照射すると、メインパルスによる断熱加工の前後にサブパルスによるプレ及び或いはポスト熱処理作用が加わり、メインパルスによるクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりなどが緩和・修復され、加工品質、改質品質を向上することができる。後続の実施例1で示すように、ペデスタル成分が5%未満ではプレ及び或いはポスト熱処理作用が少なく加工品質、改質品質を向上することができない。また、ペデスタル成分が50%を越えると加工速度が遅く、実用的でない。なお、レーザの分野、特に光通信や光計測の分野に使用されるレーザにおいては、ペデスタル成分はノイズとして扱われるため好ましくないものとされており、一つのパルスにおいて、その成分は通常5%未満に制限されている。しかしながら、本発明者らが実験したところ、パルス幅が10fs〜50psとなるような超短光パルスレーザを用いてLIBを行うと、ペデスタル成分があることで、かえって加工品質が向上することがわかった。つまり、本発明は、従来その存在が好ましくないものとされ、抑制されていたペデスタル成分を、レーザ加工の分野で積極的に活用するものである。したがって、当業者が容易に想到できるものではない。 An ultrashort optical pulse laser having a pedestal component is obtained by superimposing a main ultrashort optical pulse excluding the pedestal component on a sub ultrashort optical pulse that is a pedestal component, and the duration τ m of the main pulse is usually 10 fs. In the case of ˜50 ps, the sub-pulse duration τ s is about 50 fs to 250 ps, which is about 5 times τ m . Therefore, if the material to be processed is irradiated with an ultrashort optical pulse laser having a pedestal component of 5% to 50%, pre- and / or post-heat treatment by sub-pulses is added before and after heat insulation processing by main pulses, and cracks and rough skin due to main pulses , Peeling, bulging, etc. can be alleviated / repaired, and the processing quality and quality can be improved. As shown in the following Example 1, when the pedestal component is less than 5%, the pre- and / or post-heat treatment action is small and the processing quality and the reforming quality cannot be improved. On the other hand, if the pedestal component exceeds 50%, the processing speed is slow, which is not practical. In the field of lasers, particularly in lasers used in the fields of optical communication and optical measurement, the pedestal component is considered to be undesirable because it is treated as noise. In one pulse, the component is usually less than 5%. Is limited to. However, as a result of experiments conducted by the present inventors, it is found that when LIB is performed using an ultrashort optical pulse laser having a pulse width of 10 fs to 50 ps, the processing quality is improved due to the presence of the pedestal component. It was. In other words, the present invention actively utilizes the pedestal component, which has been considered to be unfavorable and has been suppressed, in the field of laser processing. Therefore, it cannot be easily conceived by those skilled in the art.

また、請求項2に係る発明は、レーザ誘起改質加工装置であって、レーザ利得媒質をもち、パルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを発生するファイバレーザ発生器と、該ファイバレーザ発生器から発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段と、を有し、該超短光パルスレーザの光パルスはパルス幅が小さくピークパワーが大きなメインパルスにパルス幅が大きくピークパワーが小さなサブパルスが重畳したものと等価であり、該レーザ発生器は該光パルスから該メインパルスを差し引いた残り(ペデスタル成分)のエネルギが該光パルスのエネルギの5%〜50%の範囲になるように制御するペデスタル成分制御手段を備えることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a laser-induced modification processing apparatus, a fiber laser generator for generating an ultrashort optical pulse laser having a laser gain medium and having a pulse width of 10 fs to 50 ps, and the fiber laser. a laser irradiation means for irradiating the ultra-short optical pulse laser generated from the generator to said workpiece at a threshold or more fluence modifying the work piece, and ultra-short optical pulse laser light pulses Is equivalent to a main pulse with a small pulse width and a large peak power superimposed on a sub-pulse with a large pulse width and a small peak power, and the laser generator is the remainder obtained by subtracting the main pulse from the optical pulse ( pedestal component ) It is characterized in that the energy of the comprises a pedestal component control means for controlling so as to range from 5% to 50% of the energy of the light pulses That.

ペデスタル成分制御手段を備えているので、これまで光通信や光計測・制御等の分野では好ましくなかったペデスタル成分を生成し、所定の割合に増加させることができる。なお、レーザ加工分野において、あえてペデスタル成分を制御することを想起したものはなく、ペデスタル成分制御手段を備えたレーザ加工装置を創出することは当業者にとって予期できるものではない。なお、ペデスタル成分制御手段は、所定の範囲に超短光パルスレーザのペデスタル成分を調整するものであればよい。つまり、ペデスタル成分を変えることができる手段と、ペデスタル成分を所定の範囲に固定することができる手段とを含むものであればよい。   Since the pedestal component control means is provided, it is possible to generate a pedestal component, which has not been preferable in the fields of optical communication, optical measurement and control, and increase it to a predetermined ratio. In the field of laser processing, there has been no intention to control the pedestal component, and it is not anticipated by those skilled in the art to create a laser processing apparatus provided with pedestal component control means. Note that the pedestal component control means only needs to adjust the pedestal component of the ultrashort optical pulse laser within a predetermined range. That is, any means including a means capable of changing the pedestal component and a means capable of fixing the pedestal component in a predetermined range may be used.

また、請求項3に係る発明は、請求項2に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記ファイバレーザ発生器は、超短光パルスレーザを発振するファイバレーザ発振器と、 該超短光パルスレーザをチャープするファイバ伸張器と、該ファイバ伸張器でチャープされた超短光パルスレーザを増幅するファイバ増幅器と、該ファイバ増幅器で増幅された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮する圧縮器と、を有し、前記ペデスタル成分制御手段が、前記ファイバレーザ発振器と、前記ファイバ伸張器と、前記ファイバ増幅器とのうち少なくとも一つにより構成されていることを特徴としている。 The invention according to claim 3 is the laser induced modification processing apparatus according to claim 2, wherein the fiber laser generator includes a fiber laser oscillator that oscillates an ultrashort optical pulse laser, and the ultrashort light. Fiber stretcher for chirping pulse laser, fiber amplifier for amplifying ultrashort optical pulse laser chirped by fiber stretcher, and compressor for compressing the pulse width of ultrashort optical pulse laser amplified by fiber amplifier The pedestal component control means includes at least one of the fiber laser oscillator, the fiber stretcher, and the fiber amplifier .

レーザ発生器は、伸張器、増幅器、圧縮器を備える所謂CPAによる増幅機能を有するものであり、高出力のレーザを発生することができる。さらに、これらのうち圧縮器を除く少なくとも一つがペデスタル成分制御手段であるので、CPAを行うと共に所定量のペデスタル成分を超短光パルスレーザに付与することができる。 The laser generator has a so-called CPA amplification function including an expander, an amplifier, and a compressor, and can generate a high-power laser. Furthermore, since at least one of these except the compressor is a pedestal component control means, CPA can be performed and a predetermined amount of pedestal component can be applied to the ultrashort optical pulse laser.

また、請求項4に係る発明は、請求項2又は3に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記ペデスタル成分制御手段は、前記超短光パルスレーザが通過する媒質の非線形効果あるいは高次の波長分散により前記ペデスタル成分のエネルギを制御するものであることを特徴としている。 The invention according to claim 4 is the laser-induced modification processing apparatus according to claim 2 or 3, wherein the pedestal component control means includes a nonlinear effect or a high effect of a medium through which the ultrashort optical pulse laser passes. It is characterized in that the energy of the pedestal component is controlled by the following wavelength dispersion.

超短光パルスレーザの非線形効果と高次の波長分散によりペデスタル成分を制御することができる。   The pedestal component can be controlled by the nonlinear effect and high-order chromatic dispersion of the ultrashort optical pulse laser.

また、前記超短光パルスレーザが通過する媒質は、光ファイバであることが好ましい Also, the medium before Symbol ultrashort optical pulse laser passes is preferably an optical fiber.

光ファイバは、非線形効果あるいは高次の波長分散が大きいので、ペデスタル成分を容易に生成・増加させることができる。また、光ファイバの材料や長さを変えることで、ペデスタル成分を制御することができる。   Since the optical fiber has a large nonlinear effect or high-order chromatic dispersion, a pedestal component can be easily generated and increased. Further, the pedestal component can be controlled by changing the material and length of the optical fiber.

また、請求項に係る発明は、請求項2又は3に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記ペデスタル成分制御手段は、前記レーザ利得媒質の利得帯域幅減少効果により、前記ペデスタル成分のエネルギを制御するものであることを特徴としている。 The invention according to claim 5 is the laser-induced modification processing apparatus according to claim 2 or 3, wherein the pedestal component control means is configured to reduce the gain bandwidth of the laser gain medium, thereby reducing the pedestal component. It is characterized in that it controls the energy .

スペクトル幅が広がることでペデスタル成分を制御しやすくなる。   It becomes easy to control the pedestal component by expanding the spectrum width.

また、前記レーザ利得媒質は、光ファイバ利得媒質であることが好ましい The front SL laser gain medium is preferably an optical fiber gain medium.

光ファイバ利得媒質は、利得帯域幅減少効果が大きいので、ペデスタル成分を容易に生成・増加することができる。   Since the optical fiber gain medium has a large gain bandwidth reduction effect, the pedestal component can be easily generated and increased.

また、請求項に係る発明は、請求項2に記載するレーザ誘起改質加工装置であって、前記ファイバレーザ発生器は、超短光パルスレーザを発振するファイバレーザ発振器と、該超短光パルスレーザをチャープする伸張器と、該伸張器でチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅器と、該増幅された超短光パルスレーザの偏光を制御する偏光制御器と、該増幅器で増幅され該偏光制御器で偏光制御された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮するバルク回折素子を備えた圧縮器と、を有し、前記ペデスタル成分制御手段は、前記偏光制御器により偏光面が回転された超短光パルスレーザを、前記圧縮器に入射するものであることを特徴としている。 The invention according to claim 6 is the laser induced modification processing apparatus according to claim 2, wherein the fiber laser generator includes a fiber laser oscillator that oscillates an ultrashort optical pulse laser, and the ultrashort light. A stretcher for chirping a pulse laser, an amplifier for amplifying the ultrashort optical pulse laser chirped by the stretcher, a polarization controller for controlling the polarization of the amplified ultrashort optical pulse laser, and amplifying by the amplifier And a compressor having a bulk diffractive element that compresses a pulse width of an ultrashort optical pulse laser whose polarization is controlled by the polarization controller, and the pedestal component control means has a polarization plane controlled by the polarization controller. A rotated ultrashort optical pulse laser is incident on the compressor.

超短光パルスレーザのエネルギを一定にしてペデスタル成分を制御することができる。   The pedestal component can be controlled with the energy of the ultrashort pulse laser constant.

課題を解決するためになされた請求項に係る発明は、レーザ誘起改質加工方法であって、パルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを発生する超短光パルスレーザ発生ステップと、該超短光パルスレーザ発生ステップで発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射する照射ステップと、を有し、該超短光パルスレーザはファイバレーザ発生器で発生され、該超短光パルスレーザの光パルスはパルス幅が小さくピークパワーが大きなメインパルスにパルス幅が大きくピークパワーが小さなサブパルス(ぺデスタル成分)が重畳したものと等価であり、該ペデスタル成分のエネルギ該光パルスのエネルギの5%〜50%の範囲にあることを特徴としている。 The invention according to claim 7 made to solve the problem is a laser-induced modification processing method, an ultrashort optical pulse laser generation step for generating an ultrashort optical pulse laser having a pulse width of 10 fs to 50 ps, has a irradiation step to said workpiece ultra the ultra short optical pulse laser generated by a short light pulse laser generating step in fluence above the threshold for modifying the processed material, and ultra-short optical The pulse laser is generated by a fiber laser generator, and the optical pulse of the ultrashort pulse laser is a main pulse with a small pulse width and a large peak power superimposed with a sub-pulse ( pedestal component ) with a large pulse width and a small peak power. and is equivalent, the energy of said pedestal component is characterized in that the 5% to 50% of the energy of the light pulse.

また、請求項に係る発明は、レーザ誘起改質加工方法であって、パルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを発生する超短光パルスレーザ発生ステップと、該超短光パルスレーザ発生ステップで発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射する照射ステップと、を有し、該超短光パルスレーザはファイバレーザ発生器で発生され、該超短光パルスレーザの光パルスはパルス幅が小さくピークパワーが大きなメインパルスにパルス幅が大きくピークパワーが小さなサブパルスが重畳したものと等価であり、前記超短光パルスレーザ発生ステップは、該光パルスから該メインパルスを差し引いた残り(ペデスタル成分)のエネルギ該光パルスのエネルギの5%〜50%の範囲になるように制御するペデスタル成分制御ステップを有することを特徴としている。 The invention according to claim 8 is a laser-induced modification processing method, wherein an ultrashort optical pulse laser generating step for generating an ultrashort optical pulse laser having a pulse width of 10 fs to 50 ps, and the ultrashort optical pulse laser is provided. An irradiation step of irradiating the workpiece material with a fluence that is equal to or higher than a threshold for modifying the workpiece material, and the ultrashort pulse laser beam is generated by a fiber laser. The optical pulse of the ultrashort optical pulse laser is equivalent to a main pulse having a small pulse width and a large peak power and a subpulse with a large pulse width and a small peak power superimposed on the main pulse. generating step, from the light pulse by subtracting the main pulse the remaining energy of a 5% to 50% of the energy of the light pulses (pedestal component) It is characterized by having a pedestal component control step of controlling so as to enclose.

また、請求項に係る発明は、請求項に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記超短光パルスレーザ発生ステップは、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振ステップと、該超短光パルスレーザをチャープする伸張ステップと、該伸張ステップでチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅ステップと、該増幅ステップで増幅された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮する圧縮ステップと、を有し、前記ペデスタル成分制御ステップが前記レーザ発振ステップと、前記伸張ステップと、前記増幅ステップとのうち少なくとも一つにより成ることを特徴としている。 The invention according to claim 9 is the laser induced modification processing method according to claim 8 , wherein the ultrashort optical pulse laser generation step includes a laser oscillation step of oscillating an ultrashort optical pulse laser, An extension step for chirping an ultrashort optical pulse laser, an amplification step for amplifying the ultrashort optical pulse laser chirped in the extension step, and a compression for compressing the pulse width of the ultrashort optical pulse laser amplified in the amplification step has a step, a, and said pedestal component control step the laser oscillation step, and the stretching step, characterized by comprising at least one of the said amplification step.

また、請求項10に係る発明は、請求項又はに記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記ペデスタル成分制御ステップは、非線形光学特性あるいは高次の波長分散を有する媒質に超短光パルスレーザを通過させるものであることを特徴としている。 The invention according to claim 10 is the laser induced modification processing method according to claim 8 or 9 , wherein the pedestal component control step is extremely short for a medium having nonlinear optical characteristics or high-order wavelength dispersion. It is characterized by passing an optical pulse laser .

また、請求項11に係る発明は、請求項10に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記超短光パルスレーザを通過させる媒質は、光ファイバであることを特徴としている。   The invention according to claim 11 is the laser induced modification processing method according to claim 10, wherein the medium through which the ultrashort optical pulse laser passes is an optical fiber.

また、請求項12に係る発明は、請求項8に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記ペデスタル成分制御ステップは、超短光パルスレーザを発振・増幅するレーザ利得媒質の利得帯域幅減少効果により、前記ペデスタル成分のエネルギを制御するものであることを特徴としている。 The invention according to claim 12 is the laser induced modification processing method according to claim 8, wherein the pedestal component control step includes a gain bandwidth of a laser gain medium that oscillates and amplifies an ultrashort optical pulse laser. The energy of the pedestal component is controlled by a reduction effect.

また、請求項13に係る発明は、請求項12に記載するレーザ誘起改質加工方法であって、前記レーザ利得媒質は、光ファイバ利得媒質であることを特徴としている。 The invention according to claim 13 is the laser induced modification processing method according to claim 12 , characterized in that the laser gain medium is an optical fiber gain medium.

また、請求項14に係る発明は請求項8に記載のレーザ誘起改質加工方法であって、前記レーザ発生ステップは、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振ステップと、該超短光パルスレーザをチャープする伸張ステップと、該伸張ステップでチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅ステップと、該増幅された超短光パルスレーザの偏光を制御する偏光制御ステップと、該増幅ステップで増幅され該偏光制御ステップで偏光制御された超短光パルスレーザのパルス幅をバルク回折素子により圧縮する圧縮ステップと、を有し、前記ペデスタル成分制御ステップは、前記偏光制御ステップにおいて偏光面が回転された超短光パルスレーザのパルス幅を前記圧縮ステップにおいて圧縮するものであることを特徴としている。 The invention according to claim 14 is the laser induced modification processing method according to claim 8 , wherein the laser generation step includes a laser oscillation step of oscillating an ultrashort optical pulse laser, and the ultrashort optical pulse laser. An amplification step for amplifying the ultrashort optical pulse laser chirped in the extension step, a polarization control step for controlling the polarization of the amplified ultrashort optical pulse laser, and an amplification in the amplification step And a compression step of compressing the pulse width of the ultrashort optical pulse laser whose polarization is controlled in the polarization control step by a bulk diffractive element, wherein the polarization plane is rotated in the polarization control step. Further, the pulse width of the ultrashort optical pulse laser is compressed in the compression step.

本発明に係るレーザ誘起改質加工方法によれば、5〜50%のペデスタル成分をもつパルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するという方法で、メインパルスによる断熱加工の前後にサブパルスによるプレ及び或いはポスト熱処理作用が加わり、メインパルスによるクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりなどが緩和・修復され、加工品質、改質品質を向上することができる。   According to the laser-induced modification processing method of the present invention, an ultrashort optical pulse laser having a pedestal component of 5 to 50% and a pulse width of 10 fs to 50 ps is applied at a fluence equal to or higher than a threshold for modifying the material to be processed. By irradiating the work material, pre- and / or post-heat treatment by sub-pulse is added before and after heat insulation processing by main pulse, and cracks, rough skin, peeling, bulging, etc. by main pulse are alleviated and repaired, processing quality and modification Quality can be improved.

本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図1は、本発明のレーザ誘起改質加工装置の構成図、図2はレーザ発生器の概略構成図である。レーザ誘起改質加工装置は、超短光レーザパルスLを発生するレーザ発生器1と、レーザパルスLを集光点pに集光する集光レンズ2と、集光レンズ2で集光されたレーザパルスLが垂直(Z軸)方向から入射される被加工材料3が載置される載置台7と、載置台7をZ軸方向と直交するX軸方向に移動させるX軸ステージ41及びZ軸方向に移動させるZ軸ステージ42からなる移動ステージ4と、レーザ発生器1からの超短光パルスレーザLの出力、パルス幅、繰返し周波数、ペデスタル成分割合及び移動ステージ4の移動を制御する制御部5と、を備えている。   The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a laser-induced modification processing apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a laser generator. The laser-induced modification processing apparatus is focused by a laser generator 1 that generates an ultrashort laser pulse L, a condensing lens 2 that condenses the laser pulse L at a condensing point p, and a condensing lens 2. A mounting table 7 on which the workpiece 3 to which the laser pulse L is incident from the vertical (Z-axis) direction is mounted, and an X-axis stage 41 and Z that move the mounting table 7 in the X-axis direction orthogonal to the Z-axis direction. Control for controlling the movement of the moving stage 4, the moving stage 4 including the Z-axis stage 42 moved in the axial direction, the output of the ultrashort optical pulse laser L from the laser generator 1, the pulse width, the repetition frequency, the pedestal component ratio, and the movement of the moving stage 4 Part 5.

Z軸方向は被加工材料3の表面31と直交する方向なので、被加工材料3にレーザLを集光照射する集光レンズ2の焦点深度の方向となる。よって、Z軸ステージ42をZ軸方向に移動させることにより被加工材料3の表面31或いは内部にレーザLの集光径(照射断面積)を任意に設定することができる。フルーエンスは1パルスのレーザエネルギを集光点pの面積で割ったものであるので、制御部5でレーザ発生器1からの超短光パルスレーザのパルスエネルギ及び或いはZ軸ステージ42を制御することによる集光点pでの集光径の制御で、フルーエンスを被加工材料3の改質閾値以上にすることができる。集光径は集光レンズ2の焦点距離に比例するので、集光レンズ2の焦点距離を変えることでもフルーエンスを制御することができる。したがって、レーザ発生器1からの超短光パルスレーザを被加工材料3を改質する閾値以上のフルーエンスで被加工材料3に照射するレーザ照射手段は、レーザ発生器1と制御部5を組み合わせたものであっても、レーザ発生器1と集光レンズ2を組み合わせたものであってもよい。   Since the Z-axis direction is a direction perpendicular to the surface 31 of the material 3 to be processed, it is the direction of the focal depth of the condensing lens 2 that condenses and irradiates the material 3 with the laser L. Therefore, by moving the Z-axis stage 42 in the Z-axis direction, the condensing diameter (irradiation cross-sectional area) of the laser L can be arbitrarily set on the surface 31 or inside the workpiece 3. Since the fluence is obtained by dividing the laser energy of one pulse by the area of the focal point p, the control unit 5 controls the pulse energy of the ultrashort optical pulse laser from the laser generator 1 and / or the Z-axis stage 42. By controlling the condensing diameter at the condensing point p, the fluence can be made to be equal to or higher than the modification threshold value of the material 3 to be processed. Since the condensing diameter is proportional to the focal length of the condensing lens 2, the fluence can also be controlled by changing the focal length of the condensing lens 2. Therefore, the laser irradiation means for irradiating the workpiece 3 with the ultrashort optical pulse laser from the laser generator 1 with a fluence equal to or higher than the threshold for modifying the workpiece 3 is a combination of the laser generator 1 and the controller 5. Even if it is a thing, the thing which combined the laser generator 1 and the condensing lens 2 may be sufficient.

被加工材料3を改質する閾値は、材質によって異なるし、改質の種類(断熱加工:穴あけ加工、溝ほり加工など、改質:溶融、屈折率変更など)によっても異なる。例えば、特開2002−205179によれば、被加工材料が不透明な金で、改質の種類が断熱加工の場合、閾値は約0.5J/cm2である。また、被加工材料が透明なガラスで、断熱加工の場合は、閾値は約5J/cm2である。公開されたデータがない場合は事前に実験的に閾値を求めればよい。 The threshold value for modifying the work material 3 varies depending on the material, and also varies depending on the type of modification (insulation processing: drilling, grooving, modification: melting, refractive index change, etc.). For example, according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-205179, when the material to be processed is opaque gold and the modification type is adiabatic processing, the threshold is about 0.5 J / cm 2 . Further, in the case where the material to be processed is transparent glass and heat insulation processing, the threshold is about 5 J / cm 2 . If there is no published data, the threshold may be obtained experimentally in advance.

レーザを集光(集光径2a)照射する場合の改質径は、改質閾値と集光領域のエネルギ密度曲線の交点になり、集光径より微細な改質ができる特徴を有している。図3は超短光パルスレーザを半径aの円形に集光したときのエネルギ密度(フルーエンス)Eの分布曲線を模式的に示したものである。集光照射された被加工材料の改質閾値がEthの場合、E>Ethで被加工材料が改質されるので、E=Ethとなる円2a’の領域が改質されることになる。a’<aなので、集光径2aより小さい2a’領域が改質される。 When the laser is focused (condensed diameter 2a), the modified diameter is the intersection of the reforming threshold and the energy density curve of the condensing region, and has a feature that can be modified more finely than the focused diameter. Yes. FIG. 3 schematically shows a distribution curve of energy density (fluence) E when the ultrashort optical pulse laser is condensed into a circle having a radius a. When the modification threshold value of the work material irradiated with focused light is E th , the work material is modified by E> E th , so that the region of the circle 2a ′ where E = E th is modified. become. Since a ′ <a, the 2a ′ region smaller than the light collection diameter 2a is modified.

レーザ発生器1は、所謂CPAすなわちチャープパルス増幅タイプで、レーザ発振器11から発振されたパルスレーザを受光して伸張されたパルスレーザを出力する伸張器12と、伸張されたパルスレーザを受光してパルスを間引くパルス間引き器13と、伸張されて間引かれたパルスレーザを受光して増幅されたパルスレーザを出力する増幅器14と、増幅されたパルスレーザをコリメートするレンズ15と、増幅されたパルスレーザを受光して圧縮された超短光パルスレーザを出力する圧縮器16と、を有している。パルス間引き器13は後続の増幅器14での1パルス当たりの増幅率を上げるためのものであり、場合によっては省略してもよい。   The laser generator 1 is a so-called CPA, that is, chirped pulse amplification type, which receives a pulse laser oscillated from a laser oscillator 11 and outputs a stretched pulse laser, and receives a stretched pulse laser. A pulse thinning device 13 for thinning out the pulses, an amplifier 14 for receiving the expanded and thinned pulse laser and outputting an amplified pulse laser, a lens 15 for collimating the amplified pulse laser, and the amplified pulse And a compressor 16 that receives the laser and outputs a compressed ultrashort optical pulse laser. The pulse decimation device 13 is for increasing the amplification factor per pulse in the subsequent amplifier 14, and may be omitted in some cases.

レーザ発振器11としては、Er、Yb、Ndのうち少なくともいずれか一つをドープした光ファイバを利得媒質とする発振波長が1.0から1.6μmのパルスレーザを発生する受動型モードロックファイバレーザを用いることが好ましい。被加工材料3を例えば1.0〜1.6μmの波長において透明な半導体材料としてその内部のp点のみを多光子吸収によって改質することができる。また、後続の増幅器14にもEr、Yb、Ndのうち少なくともいずれか一つをドープした光ファイバ利得媒質を用いることができる。これらの光ファイバ利得媒質により後述するように、ペデスタル成分を容易に制御することができる。   The laser oscillator 11 is a passive mode-locked fiber laser that generates a pulse laser having an oscillation wavelength of 1.0 to 1.6 μm using an optical fiber doped with at least one of Er, Yb, and Nd as a gain medium. Is preferably used. For example, the work material 3 can be modified as a transparent semiconductor material at a wavelength of 1.0 to 1.6 μm, for example, by multiphoton absorption only at the p point inside. The subsequent amplifier 14 can also use an optical fiber gain medium doped with at least one of Er, Yb, and Nd. As described later, the pedestal component can be easily controlled by these optical fiber gain media.

例えば、Erドープファイバを利得媒質とする受動型モードロックファイバレーザから、パルス幅が1〜50ps、平均出力パワが0.1〜50mW、発振波長が1.55μm、繰返し周波数が1〜100MHzの短光パルスレーザを発生することは容易である。   For example, from a passive mode-locked fiber laser using an Er-doped fiber as a gain medium, the pulse width is 1 to 50 ps, the average output power is 0.1 to 50 mW, the oscillation wavelength is 1.55 μm, and the repetition frequency is 1 to 100 MHz. It is easy to generate an optical pulse laser.

レーザ発振器11として、発振波長が0.8μm帯のパルス発振するDFB(Distributed Feedbach Laser)である半導体レーザを用いてもよい。レーザ発生器1を小型軽量化できると共に、受動型モードロックファイバレーザに比べ任意のタイミングでレーザ発振させることができる。また、0.8μm帯のレーザは可視光領域で透明なほとんどの材料を透過するので、そのような透明材料(例えば、ガラスなど)の内部に集光点pを設定することで、内部にマーキングしたりすることができる。なお、レーザ発振器としては、これらに限られるものではなく、たとえばTiサファイアをレーザ利得媒質として用いたフェムト秒レーザ発振器でもよい。   As the laser oscillator 11, a semiconductor laser that is a DFB (Distributed Feedback Laser) that oscillates in a pulse having an oscillation wavelength of 0.8 μm may be used. The laser generator 1 can be reduced in size and weight, and can be oscillated at an arbitrary timing as compared with a passive mode-locked fiber laser. In addition, since the laser in the 0.8 μm band transmits most transparent materials in the visible light region, marking the inside by setting a condensing point p inside such transparent materials (for example, glass). You can do it. The laser oscillator is not limited to these, and may be a femtosecond laser oscillator using, for example, Ti sapphire as a laser gain medium.

入射光パルスをチャープさせ、パルス幅を伸張させる伸張器12としては、分散補償ファイバやチャープファイバブラッググレーティングを用いることができる。波長分散は材料分散に導波路分散を加えたもので、材料とカットオフ波長及びコアとクラッドの比屈折率差を適当に選ぶことで容易に制御される。パルス伸張率は、波長分散と長さ(光路長)で決まり、長さ100mの分散補償ファイバで例えば100〜1000倍に伸張することは容易である。チャープファイバブラッググレーティングは、例えば、Geドープファイバに長さ10cmのチャープ位相マスクを使ってフォトリソ技術で形成することができる。長さ10cmのチャープブラッググレーティングで例えば10,000倍に伸張することができる。伸張器12に光ファイバを用いることで、後述するように、ペデスタル成分を容易に制御することができる。   A dispersion compensating fiber or a chirped fiber Bragg grating can be used as the expander 12 that chirps the incident light pulse and extends the pulse width. The chromatic dispersion is obtained by adding the waveguide dispersion to the material dispersion, and can be easily controlled by appropriately selecting the material, the cutoff wavelength, and the relative refractive index difference between the core and the clad. The pulse stretching rate is determined by chromatic dispersion and length (optical path length), and it is easy to stretch the film by, for example, 100 to 1000 times with a dispersion compensating fiber having a length of 100 m. The chirped fiber Bragg grating can be formed, for example, by photolithography using a 10 cm long chirped phase mask on a Ge-doped fiber. The chirped Bragg grating having a length of 10 cm can be expanded 10,000 times, for example. By using an optical fiber for the expander 12, the pedestal component can be easily controlled as will be described later.

パルス間引き器13としては、光強度変調器を用いることができる。前段の伸張器がファイバ伸張器で後段の増幅器がファイバ増幅器の場合は、導波路型光変調器が好ましい。接続によるロスを抑えることができる。   As the pulse thinning device 13, a light intensity modulator can be used. When the former stretcher is a fiber stretcher and the latter amplifier is a fiber amplifier, a waveguide type optical modulator is preferable. Loss due to connection can be suppressed.

増幅器14としては、レーザ発振器11がErドープファイバ利得媒質を用いたモードロックレーザの場合は、発振波長が1.55μmであるので、1.55μmの光に利得をもつErドープファイバ141を光ファイバ利得媒質として用いるとよい。ポンピングは、例えば、波長分割多重ファイバカップラ143を介してレーザダイオード142からの波長1.48μmのレーザをコアに導波させることで行われる。   As the amplifier 14, when the laser oscillator 11 is a mode-locked laser using an Er-doped fiber gain medium, the oscillation wavelength is 1.55 μm. Therefore, an Er-doped fiber 141 having a gain for 1.55 μm light is used as the optical fiber. It may be used as a gain medium. The pumping is performed, for example, by guiding a laser having a wavelength of 1.48 μm from the laser diode 142 to the core via the wavelength division multiplexing fiber coupler 143.

増幅器14を前置増幅器と主増幅器の2段構成にするとよい。前置増幅器で、前段のパルス間引き13で間引かれて低下する平均パワーを間引かれる前の平均パワーまで引き上げることができる。   The amplifier 14 may have a two-stage configuration including a preamplifier and a main amplifier. With the preamplifier, it is possible to raise the average power that is thinned out by the pulse thinning 13 in the previous stage to the average power before being thinned.

圧縮器16は、増幅器14で増幅されたピークパワの高い短光パルスでも非線形現象が発現しないバルク回折素子161、162で構成される。バルク回折素子としては、回折格子、プリズム、或いはホログラフィックグレーティングなどを用いることができる。例えば、回折格子圧縮器では、1/100〜1/1000に圧縮することができる。   The compressor 16 includes bulk diffraction elements 161 and 162 that do not exhibit a nonlinear phenomenon even with a short light pulse with high peak power amplified by the amplifier 14. As the bulk diffraction element, a diffraction grating, a prism, a holographic grating, or the like can be used. For example, in a diffraction grating compressor, it can be compressed to 1/100 to 1/1000.

レーザ発生器1から発生される超短光パルスレーザのペデスタル成分は、レーザ発生器1の超短光パルスレーザが通過する媒質の非線形効果あるいは高次の波長分散により生成・増加される。媒質として、たとえば、レーザ発振器11が受動型モードロックファイバレーザの場合は、その光ファイバ利得媒質であり、伸張器12が光ファイバの場合は伸張器12そのものであり、あるいは増幅器14が光ファイバ増幅器である場合はそのファイバ利得媒質141である。ペデスタル成分を生成・増加させる非線形効果としては、自己位相変調、変調不安定性及び誘導ラマン散乱がある。前二者の非線形効果による影響は、媒質の屈折率の光強度依存性で起こる。これらの影響により媒質を伝播する光のスペクトル幅が広げられ、その結果として圧縮器16で圧縮された超短光パルスレーザはペデスタル成分をもつようになる。誘導ラマン散乱は、伝播する光の強度が高くなるとその光を利得帯域外にシフトさせるので、その結果として圧縮器16で圧縮できない部分がペデスタル成分になる。高次の波長分散によっても伝播する光のスペクトル幅が広げられ、その結果として圧縮器16で圧縮された超短光パルスレーザはペデスタル成分をもつようになる。非線形効果および高次の波長分散は、光強度依存性があり、一般にその影響は長さと共に増大するので、ペデスタル成分の割合は、たとえば伸張器12の光ファイバや増幅器14のファイバ利得媒質141、レーザ発振器11の光ファイバ利得媒質に入射する超短光パルスレーザのパワーを変えるか或いは伸張器12の光ファイバやファイバ利得媒質141、レーザ発振器11の光ファイバ利得媒質の長さを変えることで変えることができる。   The pedestal component of the ultrashort optical pulse laser generated from the laser generator 1 is generated and increased by the nonlinear effect of the medium through which the ultrashort optical pulse laser of the laser generator 1 passes or high-order chromatic dispersion. As the medium, for example, when the laser oscillator 11 is a passive mode-locked fiber laser, it is an optical fiber gain medium. When the stretcher 12 is an optical fiber, the stretcher 12 itself, or the amplifier 14 is an optical fiber amplifier. Is the fiber gain medium 141. Non-linear effects that generate and increase pedestal components include self-phase modulation, modulation instability, and stimulated Raman scattering. The influence of the first two nonlinear effects is caused by the light intensity dependence of the refractive index of the medium. Due to these influences, the spectral width of the light propagating through the medium is widened. As a result, the ultrashort optical pulse laser compressed by the compressor 16 has a pedestal component. In the stimulated Raman scattering, when the intensity of propagating light increases, the light is shifted out of the gain band. As a result, a portion that cannot be compressed by the compressor 16 becomes a pedestal component. The spectral width of propagating light is also widened by higher-order chromatic dispersion, and as a result, the ultrashort optical pulse laser compressed by the compressor 16 has a pedestal component. Since the nonlinear effect and higher-order chromatic dispersion are light intensity dependent, and the influence thereof generally increases with the length, the ratio of the pedestal component is, for example, the optical fiber of the stretcher 12 or the fiber gain medium 141 of the amplifier 14, It is changed by changing the power of the ultrashort optical pulse laser incident on the optical fiber gain medium of the laser oscillator 11 or by changing the length of the optical fiber of the stretcher 12, the fiber gain medium 141, and the optical fiber gain medium of the laser oscillator 11. be able to.

レーザ発生器1から発生される超短光パルスレーザのペデスタル成分を、レーザ発振器11のレーザ利得媒質(本実施例の場合、光ファイバ利得媒質)や増幅器14のレーザ利得媒質141の利得帯域幅減少効果により、生成・増加することもできる。利得帯域幅減少効果は、ポンピングパワーが減少すると利得帯域幅が減少する現象で、逆に、ポンピングパワーが増大すると利得帯域幅が増大するとも言える。したがって、ポンピングパワーを増大させることでレーザ利得媒質で発振あるいは増幅される光のスペクトル幅が広がり、その結果として圧縮器16で圧縮された超短光パルスレーザはペデスタル成分をもつようになる。   The pedestal component of the ultrashort optical pulse laser generated from the laser generator 1 is used to reduce the gain bandwidth of the laser gain medium of the laser oscillator 11 (in this embodiment, an optical fiber gain medium) or the laser gain medium 141 of the amplifier 14. It can also be generated and increased depending on the effect. The gain bandwidth reduction effect is a phenomenon that the gain bandwidth decreases when the pumping power decreases. Conversely, it can be said that the gain bandwidth increases when the pumping power increases. Therefore, by increasing the pumping power, the spectral width of the light oscillated or amplified by the laser gain medium is widened. As a result, the ultrashort optical pulse laser compressed by the compressor 16 has a pedestal component.

なお、ペデスタル成分を制御するために、たとえばファイバ利得媒質141、レーザ発振器11の光ファイバ利得媒質に入射する超短光パルスレーザのパワーを変えるか、ファイバ利得媒質141、レーザ発振器11の光ファイバ利得媒質の長さを変えるか、或いはファイバ利得媒質141へのポンピングパワーを変えると、レーザ発生器1から発生する超短光パルスレーザの平均出力パワー(1パルスのエネルギ)が変化してしまい、フルーエンスを一定にしてペデスタル成分を変えることができない場合がある。その場合は、たとえば、圧縮器16の後にパワー調節器を配置すればよい。パワー調節器としては、たとえば、NDフィルタや波長板が用いられる。あるいは、ポンピングパワーに応じてレーザ発振器11から発生する超短光パルスレーザの平均出力パワーを制御すればよい。パワー調節器が不要になる。   In order to control the pedestal component, for example, the power of the ultrashort optical pulse laser incident on the fiber gain medium 141 and the optical fiber gain medium of the laser oscillator 11 is changed, or the optical gain of the fiber gain medium 141 and the laser oscillator 11 is changed. When the length of the medium is changed or the pumping power to the fiber gain medium 141 is changed, the average output power (one pulse energy) of the ultrashort optical pulse laser generated from the laser generator 1 is changed, and the fluence is changed. May not be able to change the pedestal component. In that case, for example, a power adjuster may be disposed after the compressor 16. For example, an ND filter or a wave plate is used as the power adjuster. Alternatively, the average output power of the ultrashort optical pulse laser generated from the laser oscillator 11 may be controlled according to the pumping power. No power regulator is required.

バルク回折素子を用いて時間幅の圧縮を行う場合、1次の回折光を用いて伸張器12で伸張された超短光パルスの分散補償を行うが、バルク回折素子の1次の回折光の反射効率には偏波依存性があり、p偏光成分のみが分散補償され、s偏光成分は0次の回折光になって分散補償に全く寄与しない。したがって、レーザ発生器1から発生される超短光パルスレーザのペデスタル成分は、圧縮器16の前に偏光制御器17を挿入し、圧縮器16への入射光の偏光面を回転させることでも制御される。この場合は、レーザ発生器1から発生する超短光パルスレーザの平均出力パワー(1パルスのエネルギ)が変化しないので、パワー調節器などが不要である。   When compressing the time width using a bulk diffractive element, dispersion compensation is performed for the ultrashort light pulse stretched by the stretcher 12 using the first-order diffracted light. The reflection efficiency is polarization-dependent, and only the p-polarized component is dispersion-compensated, and the s-polarized component becomes zero-order diffracted light and does not contribute to dispersion compensation at all. Accordingly, the pedestal component of the ultrashort optical pulse laser generated from the laser generator 1 is also controlled by inserting the polarization controller 17 before the compressor 16 and rotating the polarization plane of the incident light to the compressor 16. Is done. In this case, since the average output power (one pulse energy) of the ultrashort optical pulse laser generated from the laser generator 1 does not change, a power adjuster or the like is unnecessary.

偏光制御器を挿入しなくても例えばレーザ利得媒質として光ファイバ利得媒質を使用する場合、ファイバ利得媒質141のファイバを偏光非保存型から偏光保存型に変更することでもペデスタル成分の割合を変えることができる。   For example, when an optical fiber gain medium is used as a laser gain medium without inserting a polarization controller, the ratio of the pedestal component can be changed by changing the fiber of the fiber gain medium 141 from a polarization non-conservation type to a polarization preservation type. Can do.

本実施例は上記した図1に示すレーザ誘起改質加工装置のレーザ発生器1を図4に示すレーザ発生器にして、ガラスに溝ほり加工を行ったものである。   In this embodiment, the laser generator 1 of the laser induced modification processing apparatus shown in FIG. 1 is used as the laser generator shown in FIG.

レーザ発生器1は、図4に示すように、レーザ発振器11と、ファイバ伸張器12と、パルス間引き器13と、ファイバ増幅器14と、圧縮器16と、を有している。   As shown in FIG. 4, the laser generator 1 includes a laser oscillator 11, a fiber stretcher 12, a pulse thinning device 13, a fiber amplifier 14, and a compressor 16.

レーザ発振器11は、Erドープファイバを利得媒質とするパルス幅が300〜500fsで、平均出力パワーが1〜10mW、発振波長が1.56μm、繰返し周波数が40〜50MHzの超短光パルスレーザを発生する受動型モードロックファイバレーザである。   The laser oscillator 11 generates an ultra-short optical pulse laser having a pulse width of 300 to 500 fs using an Er-doped fiber as a gain medium, an average output power of 1 to 10 mW, an oscillation wavelength of 1.56 μm, and a repetition frequency of 40 to 50 MHz. A passive mode-locked fiber laser.

ファイバ伸張器12は、波長分散が200ps/nm/Km、長さが100mの偏光保存型ファイバである。   The fiber stretcher 12 is a polarization-maintaining fiber having a chromatic dispersion of 200 ps / nm / Km and a length of 100 m.

パルス間引き器13は、導波路型電気光学光変調器で、マッハツェンダ干渉計を構成したZカットLiNbO3結晶とパルスジェネレータを有している。パルスジェネレータはパルス幅10〜20ns、繰返し周波数100〜300KHzの変調信号電圧をLiNbO3結晶に印加する機能・性能を有している。 The pulse thinning device 13 is a waveguide type electro-optic light modulator, and has a Z-cut LiNbO 3 crystal and a pulse generator that constitute a Mach-Zehnder interferometer. The pulse generator has a function and performance of applying a modulation signal voltage having a pulse width of 10 to 20 ns and a repetition frequency of 100 to 300 KHz to the LiNbO 3 crystal.

ファイバ増幅器14は、前置増幅器14aと主増幅器14bとからなる。前置増幅器14aは、コアにErをドープした長さが2.6mのシングルモード偏光保存型ファイバ141aと、ポンプ光源としてのレーザダイオード142a、及び波長分割多重偏光保存ファイバカップラー143aを有している。レーザダイオード142aは、ファイバピッグテール付で、波長1.48μm、出力1〜4WのCWレーザを発生する。   The fiber amplifier 14 includes a preamplifier 14a and a main amplifier 14b. The preamplifier 14a includes a single-mode polarization-maintaining fiber 141a having a length of 2.6 m with a core doped with Er, a laser diode 142a as a pump light source, and a wavelength-division multiplexed polarization-maintaining fiber coupler 143a. . The laser diode 142a has a fiber pigtail and generates a CW laser having a wavelength of 1.48 μm and an output of 1 to 4 W.

主増幅器14bは、コア径が20μmでErとYbを共ドープした長さ5mのマルチモード偏光保存二重クラッドファイバ141bと、レーザダイオード142bを有している。レーザダイオード142bは、波長975nm、出力4WのCWレーザを発生する。レーザダイオード142bから発生されたレーザはレンズ144でコリメートされ、二重クラッドファイバ141bの第1クラッドに結合される。   The main amplifier 14b includes a multimode polarization maintaining double clad fiber 141b having a core diameter of 20 μm and co-doped with Er and Yb and having a length of 5 m, and a laser diode 142b. The laser diode 142b generates a CW laser having a wavelength of 975 nm and an output of 4 W. The laser generated from the laser diode 142b is collimated by the lens 144 and coupled to the first clad of the double clad fiber 141b.

圧縮器16は、回折格子161、162の対で構成されている。   The compressor 16 is composed of a pair of diffraction gratings 161 and 162.

本実施例のレーザ発生器1の動作結果をケースに分けて以下に記す。   The operation results of the laser generator 1 of the present embodiment will be described below for each case.

(ケース1)レーザ発振器11から中心波長1.558μm、繰返し周波数48.5MHZ、パルス幅380fs、平均出力パワー5.1mWの超短光パルスレーザを発生させ、パルス間引き器13で繰返し周波数を250KHzにし、前置増幅器14aのポンピングパワーを1Wにしたとき、レーザ発生器1から中心波長1.560μm、平均出力パワー325mW、パルスエネルギ1.3μJ/パルス、パルス幅930fsの超短光パルスレーザが得られた。図5にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形(イ)を示すが、ペデスタルフリーのパルス波形が得られた。   (Case 1) An ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.558 μm, a repetition frequency of 48.5 MHZ, a pulse width of 380 fs, and an average output power of 5.1 mW is generated from the laser oscillator 11, and the repetition frequency is set to 250 KHz by the pulse thinning device 13. When the pumping power of the preamplifier 14a is set to 1 W, an ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.560 μm, an average output power of 325 mW, a pulse energy of 1.3 μJ / pulse, and a pulse width of 930 fs is obtained from the laser generator 1. It was. FIG. 5 shows the autocorrelation waveform (a) of the ultrashort optical pulse laser at this time, and a pedestal-free pulse waveform was obtained.

(ケース2)レーザ発振器11からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを3.4mWにし、前置増幅器14aのポンピングパワーを1.5Wにする以外は上記のケース1と同じにしたとき、レーザ発生器1から中心波長1.560μm、平均出力パワー320mW、パルスエネルギ1.3μJ/パルス、パルス幅1127fsの超短光パルスレーザが得られた。図6にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形(ロ)を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの5%である波形が得られた。なお、図6のパルス波形(イ)はケース1のときの波形である。   (Case 2) When the average output power of the ultrashort optical pulse laser from the laser oscillator 11 is set to 3.4 mW and the pumping power of the preamplifier 14a is set to 1.5 W, the laser is obtained in the same manner as in the above case 1. An ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.560 μm, an average output power of 320 mW, a pulse energy of 1.3 μJ / pulse, and a pulse width of 1127 fs was obtained from the generator 1. FIG. 6 shows the autocorrelation waveform (b) of the ultrashort optical pulse laser at this time. A waveform having a pedestal component and a ratio of 5% of the total pulse energy was obtained. The pulse waveform (A) in FIG. 6 is the waveform in case 1.

(ケース3)レーザ発振器11からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを2.55mWにし、前置増幅器14aのポンピングパワーを2Wにする以外は上記のケース1と同じにしたとき、レーザ発生器1から中心波長1.560μm、平均出力パワー320mW、パルスエネルギ1.3μJ/パルス、パルス幅933fsの超短光パルスレーザが得られた。図7にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形(ハ)を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの16%である波形が得られた。   (Case 3) When the average output power of the ultrashort optical pulse laser from the laser oscillator 11 is set to 2.55 mW and the pumping power of the preamplifier 14a is set to 2 W, the laser generator is obtained in the same manner as in the case 1 above. An ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.560 μm, an average output power of 320 mW, a pulse energy of 1.3 μJ / pulse, and a pulse width of 933 fs was obtained from 1. FIG. 7 shows the autocorrelation waveform (c) of the ultrashort optical pulse laser at this time. A waveform having a pedestal component and a ratio of 16% of the total pulse energy was obtained.

(ケース4)レーザ発振器11からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを2mWにし、前置増幅器14aのポンピングパワーを2.5Wにする以外は上記のケース1と同じにしたとき、レーザ発生器1から中心波長1.560μm、平均出力パワー320mW、パルスエネルギ1.3μJ/パルス、パルス幅894fsの超短光パルスレーザが得られた。図8にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形(ニ)を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの32%である波形が得られた。   (Case 4) When the average output power of the ultrashort optical pulse laser from the laser oscillator 11 is set to 2 mW, and the pumping power of the preamplifier 14a is set to 2.5 W, the laser generator An ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.560 μm, an average output power of 320 mW, a pulse energy of 1.3 μJ / pulse, and a pulse width of 894 fs was obtained from 1. FIG. 8 shows the autocorrelation waveform (d) of the ultrashort optical pulse laser at this time. A waveform having a pedestal component and a ratio of 32% of the total pulse energy was obtained.

(ケース5)レーザ発振器11からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを1.7mWにし、前置増幅器14aのポンピングパワーを3Wにする以外は上記のケース1と同じにしたとき、レーザ発生器1から中心波長1.560μm、平均出力パワー320mW、パルスエネルギ1.3μJ/パルス、パルス幅933fsの超短光パルスレーザが得られた。図9にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形(ホ)を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの50%である波形が得られた。   (Case 5) When the average output power of the ultrashort optical pulse laser from the laser oscillator 11 is set to 1.7 mW and the pumping power of the preamplifier 14a is set to 3 W, the laser generator is obtained in the same manner as in the case 1 above. An ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.560 μm, an average output power of 320 mW, a pulse energy of 1.3 μJ / pulse, and a pulse width of 933 fs was obtained from 1. FIG. 9 shows the autocorrelation waveform (e) of the ultrashort optical pulse laser at this time. A waveform having a pedestal component and the ratio of which is 50% of the total pulse energy was obtained.

(ケース6)レーザ発振器11からの超短光パルスレーザの平均出力パワーを1.3mWにし、前置増幅器14aのポンピングパワーを4Wにする以外は上記のケース1と同じにしたとき、レーザ発生器1から中心波長1.560μm、平均出力パワー320mW、パルスエネルギ1.3μJ/パルス、パルス幅965fsの超短光パルスレーザが得られた。図10にこのときの超短光パルスレーザの自己相関波形(ヘ)を示すが、ペデスタル成分をもち、その割合が全体のパルスエネルギの56%である波形が得られた。   (Case 6) When the average output power of the ultrashort optical pulse laser from the laser oscillator 11 is 1.3 mW and the pumping power of the preamplifier 14a is 4 W, the laser generator is the same as in the case 1 above. An ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.560 μm, an average output power of 320 mW, a pulse energy of 1.3 μJ / pulse, and a pulse width of 965 fs was obtained from 1. FIG. 10 shows the autocorrelation waveform (f) of the ultrashort optical pulse laser at this time, and a waveform having a pedestal component and a ratio of 56% of the total pulse energy was obtained.

図1の非加工材料3として厚さ250μmの石英ガラス板を用い、集光レンズ2にオリンパスの顕微鏡対物レンズ×50を用い、Z軸ステージ42を制御部5で上下させ、集光点pを石英ガラス板3の表面31に設定し、集光点pのスポット径を5μmにした。そして、制御部5でレーザ発生器1を制御して順次上記ケース1〜6の超短光パルスレーザを発生させてフルーエンス6.6J/cm2にし、制御部5でX軸ステージを10mm/sのスピードで移動させて溝ほり加工を行った。ケース1〜6での溝ほり加工後の拡大写真を図11〜16にそれぞれ示す。 A quartz glass plate having a thickness of 250 μm is used as the non-processed material 3 in FIG. 1, an Olympus microscope objective lens × 50 is used as the condenser lens 2, the Z-axis stage 42 is moved up and down by the control unit 5, and the focal point p is set. The surface 31 of the quartz glass plate 3 was set, and the spot diameter at the condensing point p was set to 5 μm. Then, the control unit 5 controls the laser generator 1 to generate the ultrashort optical pulse lasers of the above cases 1 to 6 in order to make the fluence 6.6 J / cm 2 , and the control unit 5 sets the X axis stage to 10 mm / s. The groove was machined by moving at a speed of. Enlarged photographs after grooving in cases 1 to 6 are shown in FIGS.

図11からペデスタルフリー(ケース1)の場合、溝の深さが20μmで、溝のとばくちにクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりが発生していることが確認された。   From FIG. 11, in the case of pedestal free (case 1), it was confirmed that the depth of the groove was 20 μm, and cracks, rough skin, peeling, and swell occurred at the edge of the groove.

一方、図12はペデスタル成分が5%(ケース2)の場合、図13はペデスタル成分が16%(ケース3)の場合、図14はペデスタル成分が32%(ケース4)の場合、図15はペデスタル成分が50%(ケース5)の場合、図16はペデスタル成分が56%(ケース6)の場合であるが、何れも、図8と異なり、とばくちのきれいな溝が形成された。なお、図11〜15は溝深さが20μmあったが、図16は10μmしかなく、ペデスタル成分が約50%以上になると、加工速度、加工効率の点で実用的でないと判断された。   On the other hand, FIG. 12 shows a case where the pedestal component is 5% (case 2), FIG. 13 shows a case where the pedestal component is 16% (case 3), FIG. 14 shows a case where the pedestal component is 32% (case 4), and FIG. When the pedestal component is 50% (Case 5), FIG. 16 shows the case where the pedestal component is 56% (Case 6), but in each case, a clean groove was formed. 11 to 15 had a groove depth of 20 μm, but FIG. 16 had only 10 μm, and when the pedestal component was about 50% or more, it was determined that it was not practical in terms of processing speed and processing efficiency.

少なくとも5%以上のペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザを照射すると、メインパルスによる断熱加工の前後にサブパルスによるプレ及びポスト熱処理作用が加わり、メインパルスによるクラックや肌荒れ、剥離、盛り上がりなどが緩和・修復され、加工品質、改質品質を向上することが確認された。   Irradiation with an ultrashort pulsed laser with a pedestal component of at least 5% adds pre- and post heat treatment with sub-pulses before and after heat insulation processing with the main pulse, reducing cracks, rough skin, peeling, and swelling due to the main pulse. It was confirmed that it was repaired and the processing quality and quality were improved.

本実施例は、実施例1のレーザ誘起改質加工装置で被加工材料3を厚さ200μm、長さ30mmのBK7ガラス基板にし、表面31から5μm中に入ったところに集光点pを設定して集光点pの屈折率を変化させ光導波路を形成したものである。   In the present embodiment, the work material 3 is formed into a BK7 glass substrate having a thickness of 200 μm and a length of 30 mm by the laser-induced modification processing apparatus of the first embodiment, and a condensing point p is set at a position within 5 μm from the surface 31. Thus, the optical waveguide is formed by changing the refractive index of the condensing point p.

予備テストで屈折率が変化するフルーエンス閾値が3J/cm2であったので、フルーエンスが3.3J/cm2になるように条件を設定した。すなわち、レーザ発生器1を制御部5で制御して中心波長1.560μm、平均出力パワー163mW、パルスエネルギ0.65μJ/パルス、パルス幅960fs、ペデスタル成分4.5%の超短光パルスレーザを発生させ、BK7ガラス基板3に集光照射(集光スポット径5μm)しながらガラス基板3をX軸ステージ41で5mm/sのスピードで移動させ、長さ30mmの光導波路1を作製した。 Since the refractive index in the preliminary test fluence threshold change was 3J / cm 2, fluence conditions were set so that the 3.3 J / cm 2. That is, the laser generator 1 is controlled by the control unit 5 so that an ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.560 μm, an average output power of 163 mW, a pulse energy of 0.65 μJ / pulse, a pulse width of 960 fs, and a pedestal component of 4.5%. The glass substrate 3 was moved at a speed of 5 mm / s on the X-axis stage 41 while condensing and irradiating the BK7 glass substrate 3 (condensing spot diameter: 5 μm) to produce an optical waveguide 1 having a length of 30 mm.

次に、ペデスタル成分が5%以外は上記光導波路1と同じ条件で光導波路2を作製した
また、ペデスタル成分が18%以外は上記光導波路1と同じ条件で光導波路3を作製した。
Next, an optical waveguide 2 was manufactured under the same conditions as the optical waveguide 1 except that the pedestal component was 5%. An optical waveguide 3 was manufactured under the same conditions as the optical waveguide 1 except that the pedestal component was 18%.

さらに、ペデスタル成分が36%以外は上記光導波路1と同じ条件で光導波路4を作製した。   Further, an optical waveguide 4 was produced under the same conditions as the optical waveguide 1 except that the pedestal component was 36%.

光導波路作製後、ガラス基板3の両端を光学研磨し、そこから作製した導波路に波長632nmのHe−Neレーザをカップリングし、カットバック法で光導波路損失を測定した。その結果、光導波路1の光導波路伝播損失が2.4dB/cmであるのに対し、光導波路2の伝播損失が1.9dB/cm、光導波路3の伝播損失が1.8dB/cm、光導波路4の伝播損失が1.9dB/cmであった。   After producing the optical waveguide, both ends of the glass substrate 3 were optically polished, a He—Ne laser having a wavelength of 632 nm was coupled to the waveguide produced therefrom, and the optical waveguide loss was measured by a cutback method. As a result, while the optical waveguide propagation loss of the optical waveguide 1 is 2.4 dB / cm, the propagation loss of the optical waveguide 2 is 1.9 dB / cm, the propagation loss of the optical waveguide 3 is 1.8 dB / cm, The propagation loss of the waveguide 4 was 1.9 dB / cm.

少なくとも5%以上のペデスタル成分をもつ超短光パルスレーザを照射すると、伝播損失が大幅に減少した。これは、ペデスタル成分が5%以上になると光導波路がスムーズに形成され、光導波路内の屈折率変化が連続しており、コアとクラッドの界面がスムーズであり、それらによる散乱損失が低減されるためと考えられる。   Irradiation with an ultrashort optical pulse laser having a pedestal component of at least 5% significantly reduced the propagation loss. This is because when the pedestal component exceeds 5%, the optical waveguide is formed smoothly, the refractive index change in the optical waveguide is continuous, the interface between the core and the cladding is smooth, and the scattering loss due to them is reduced. This is probably because of this.

本実施例は、実施例1のレーザ誘起改質加工装置で被加工材料3を厚さ200μm、長さ30mmの光学用樹脂材料であるポリイミド基板にし、表面31から5μm中に入ったところに集光点pを設定して集光点pの屈折率を変化させ光導波路を形成したものである。   In this example, the processing material 3 is made into a polyimide substrate which is an optical resin material having a thickness of 200 μm and a length of 30 mm using the laser-induced modification processing apparatus of Example 1, and the material 3 is collected at a position within 5 μm from the surface 31. An optical waveguide is formed by setting the light spot p and changing the refractive index of the condensing point p.

予備テストで屈折率が変化するフルーエンス閾値が5J/cm2であったので、フルーエンスが6.6J/cm2になるように条件を設定した。すなわち、レーザ発生器1を制御部5で制御して、中心波長1.560μm、平均出力パワー325mW、パルスエネルギ1.3μJ/パルス、パルス幅960fs、ペデスタル成分4.5%の超短光パルスレーザを発生させ、ポリイミド基板3に集光照射(集光スポット径5μm)しながらポリイミド基板3をX軸ステージ41で30mm/sのスピードで移動させ、長さ30mmの光導波路5を作製した。 Since the refractive index in the preliminary test fluence threshold change was 5 J / cm 2, fluence conditions were set so as to 6.6J / cm 2. That is, the laser generator 1 is controlled by the control unit 5, and an ultrashort optical pulse laser having a center wavelength of 1.560 μm, an average output power of 325 mW, a pulse energy of 1.3 μJ / pulse, a pulse width of 960 fs, and a pedestal component of 4.5%. The polyimide substrate 3 was moved at a speed of 30 mm / s on the X-axis stage 41 while condensing and irradiating the polyimide substrate 3 (condensing spot diameter: 5 μm) to produce an optical waveguide 5 having a length of 30 mm.

次に、ペデスタル成分が5%以外は上記光導波路5と同じ条件で光導波路6を作製した。   Next, an optical waveguide 6 was produced under the same conditions as the optical waveguide 5 except that the pedestal component was 5%.

また、ペデスタル成分が18%以外は上記光導波路5と同じ条件で光導波路7を作製した。   Moreover, the optical waveguide 7 was produced on the same conditions as the said optical waveguide 5 except a pedestal component being 18%.

さらに、ペデスタル成分が36%以外は上記光導波路5と同じ条件で光導波路8を作製した。   Furthermore, an optical waveguide 8 was produced under the same conditions as the optical waveguide 5 except that the pedestal component was 36%.

光導波路作製後、ポリイミド基板3の両端を光学研磨し、そこから作製した導波路に波長855nmの半導体レーザをカップリングし、カットバック法で光導波路損失を測定した。その結果、光導波路5〜8の伝播損失がそれぞれ3.4dB/cm、2.6dB/cm、2.5dB/cm、2.7dB/cmであった。すなわち、ペデスタル成分が4.5%の場合より5%、18%、36%の場合の方が低損失であった。   After producing the optical waveguide, both ends of the polyimide substrate 3 were optically polished, a semiconductor laser having a wavelength of 855 nm was coupled to the waveguide produced therefrom, and the optical waveguide loss was measured by a cutback method. As a result, the propagation losses of the optical waveguides 5 to 8 were 3.4 dB / cm, 2.6 dB / cm, 2.5 dB / cm, and 2.7 dB / cm, respectively. That is, the loss was lower when the pedestal component was 4.5% than when it was 5%, 18%, or 36%.

本発明のレーザ誘起改質加工装置の構成図である。It is a block diagram of the laser induced modification processing apparatus of this invention. レーザ発生器の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a laser generator. 超短光パルスレーザを半径aの円形に集光したときのエネルギ密度(フルーエンス)Eの分布曲線である。6 is a distribution curve of energy density (fluence) E when an ultrashort optical pulse laser is focused into a circle having a radius a. 実施例1のレーザ発生器の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a laser generator of Example 1. FIG. ポンピングパワーが1Wのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。It is an autocorrelation waveform of an ultrashort optical pulse laser when the pumping power is 1 W. ポンピングパワーが1.5Wのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。It is an autocorrelation waveform of an ultrashort optical pulse laser when the pumping power is 1.5 W. ポンピングパワーが2Wのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。It is an autocorrelation waveform of an ultrashort optical pulse laser when the pumping power is 2 W. ポンピングパワーが2.5Wのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。It is an autocorrelation waveform of an ultrashort optical pulse laser when the pumping power is 2.5 W. ポンピングパワーが3Wのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。It is an autocorrelation waveform of an ultrashort optical pulse laser when the pumping power is 3 W. ポンピングパワーが4Wのときの超短光パルスレーザの自己相関波形である。It is an autocorrelation waveform of an ultrashort optical pulse laser when the pumping power is 4 W. ペデスタルフリーパルスレーザでの溝ほり加工結果である。It is a groove drilling result by a pedestal-free pulse laser. ペデスタル成分が5%のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。This is a result of groove milling with a pulse laser having a pedestal component of 5%. ペデスタル成分が16%のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。This is a result of groove milling with a pulse laser having a pedestal component of 16%. ペデスタル成分が32%のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。This is a result of groove milling with a pulse laser having a pedestal component of 32%. ペデスタル成分が50%のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。This is a result of groove milling with a pulse laser having a pedestal component of 50%. ペデスタル成分が56%のパルスレーザでの溝ほり加工結果である。This is a result of groove milling with a pulse laser having a pedestal component of 56%.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・・・・・・・・・・・レーザ発生器
1、2、5・・・・・・・・・・レーザ照射手段
14・・・・・・・・・・・・・ペデスタル成分制御手段
141、141a、141b・・光ファイバ利得媒質
16・・・・・・・・・・・・・圧縮器
17・・・・・・・・・・・・・偏光制御器
1 ... Laser generator 1, 2, 5 ... Laser irradiation means 14 ... Pedestal component control means 141, 141a, 141b .. Optical fiber gain medium 16... Compressor 17.

Claims (14)

パルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを発生するファイバレーザ発生器と、
ファイバレーザ発生器から発生された超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段と、を有し、
該超短光パルスレーザの光パルスはパルス幅が小さくピークパワーが大きなメインパルスにパルス幅が大きくピークパワーが小さなサブパルスが重畳したものと等価であり該光パルスから該メインパルスを差し引いた残り(ペデスタル成分)のエネルギ該光パルスのエネルギの5%〜50%の範囲にあることを特徴とするレーザ誘起改質加工装置。
A fiber laser generator for generating an ultrashort optical pulse laser having a pulse width of 10 fs to 50 ps;
Laser irradiation means for irradiating the workpiece material with a fluence equal to or higher than a threshold for modifying the workpiece material with the ultrashort optical pulse laser generated from the fiber laser generator,
The optical pulse of the ultrashort optical pulse laser is equivalent to a main pulse having a small pulse width and a large peak power and a sub-pulse having a large pulse width and a small peak power superimposed thereon, and the remainder obtained by subtracting the main pulse from the optical pulse. laser-induced modification processing device energy (pedestal component) is equal to or in the range of 5% to 50% of the energy of the light pulse.
レーザ利得媒質をもち、パルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを発生するファイバレーザ発生器と、
ファイバレーザ発生器から発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射するレーザ照射手段と、を有し、
該超短光パルスレーザの光パルスはパルス幅が小さくピークパワーが大きなメインパルスにパルス幅が大きくピークパワーが小さなサブパルスが重畳したものと等価であり
ファイバレーザ発生器は該光パルスから該メインパルスを差し引いた残り(ペデスタル成分)のエネルギが該光パルスのエネルギの5%〜50%の範囲になるように制御するペデスタル成分制御手段を備えることを特徴とするレーザ誘起改質加工装置。
A fiber laser generator for generating an ultrashort optical pulse laser having a laser gain medium and having a pulse width of 10 fs to 50 ps;
Laser irradiation means for irradiating the workpiece material with a fluence equal to or higher than a threshold for modifying the workpiece material with the ultrashort light pulse laser generated from the fiber laser generator,
The optical pulse of the ultrashort optical pulse laser is equivalent to a main pulse having a small pulse width and a large peak power and a sub-pulse having a large pulse width and a small peak power superimposed on each other .
The fiber laser generator includes pedestal component control means for controlling the remaining energy ( pedestal component ) obtained by subtracting the main pulse from the optical pulse to be in the range of 5% to 50% of the energy of the optical pulse. A laser-induced modification processing apparatus characterized by
前記ファイバレーザ発生器は、超短光パルスレーザを発振するファイバレーザ発振器と、
該超短光パルスレーザをチャープするファイバ伸張器と、
ファイバ伸張器でチャープされた超短光パルスレーザを増幅するファイバ増幅器と、
ファイバ増幅器で増幅された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮する圧縮器と、
を有し、前記ペデスタル成分制御手段が、前記ファイバレーザ発振器と、前記ファイバ伸張器と、前記ファイバ増幅器とのうち少なくとも一つにより構成されていることを特徴とする請求項2に記載のレーザ誘起改質加工装置。
The fiber laser generator includes a fiber laser oscillator that oscillates an ultrashort optical pulse laser, and
A fiber stretcher for chirping the ultrashort optical pulse laser;
A fiber amplifier for amplifying an ultrashort optical pulse laser chirped by the fiber stretcher;
A compressor for compressing the pulse width of the ultrashort optical pulse laser amplified by the fiber amplifier;
3. The laser induction according to claim 2, wherein the pedestal component control means includes at least one of the fiber laser oscillator, the fiber stretcher, and the fiber amplifier. Modification processing equipment.
前記ペデスタル成分制御手段は、前記超短光パルスレーザが通過する媒質の非線形効果あるいは高次の波長分散により前記ペデスタル成分のエネルギを制御するものであることを特徴とする請求項2又は3に記載のレーザ誘起改質加工装置。 The pedestal component control means controls the energy of the pedestal component by a nonlinear effect of a medium through which the ultrashort optical pulse laser passes or high-order chromatic dispersion. Laser induced modification processing equipment. 前記ペデスタル成分制御手段は、前記レーザ利得媒質の利得帯域幅減少効果により、前記ペデスタル成分のエネルギを制御するものであることを特徴とする請求項2又は3に記載のレーザ誘起改質加工装置。 The laser-induced reforming apparatus according to claim 2 or 3, wherein the pedestal component control means controls the energy of the pedestal component by a gain bandwidth reduction effect of the laser gain medium. 前記ファイバレーザ発生器は、超短光パルスレーザを発振するファイバレーザ発振器と、
該超短光パルスレーザをチャープする伸張器と、
該伸張器でチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅器と、
該増幅された超短光パルスレーザの偏光を制御する偏光制御器と、
該増幅器で増幅され該偏光制御器で偏光制御された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮するバルク回折素子を備えた圧縮器と、
を有し、前記ペデスタル成分制御手段は、前記偏光制御器により偏光面が回転された超短光パルスレーザを、前記圧縮器に入射するものであることを特徴とする請求項2に記載のレーザ誘起改質加工装置。
The fiber laser generator includes a fiber laser oscillator that oscillates an ultrashort optical pulse laser, and
A stretcher for chirping the ultrashort optical pulse laser;
An amplifier for amplifying the ultrashort optical pulse laser chirped by the stretcher;
A polarization controller for controlling the polarization of the amplified ultrashort optical pulse laser;
A compressor including a bulk diffractive element that compresses a pulse width of an ultrashort optical pulse laser amplified by the amplifier and controlled in polarization by the polarization controller;
3. The laser according to claim 2, wherein the pedestal component control means makes an ultrashort optical pulse laser whose polarization plane is rotated by the polarization controller incident on the compressor. Induction reforming processing equipment.
パルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを発生する超短光パルスレーザ発生ステップと、
該超短光パルスレーザ発生ステップで発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射する照射ステップと、
を有し、
該超短光パルスレーザはファイバレーザ発生器で発生され、該超短光パルスレーザの光パルスパルス幅が小さくピークパワーが大きなメインパルスにパルス幅が大きくピークパワーが小さなサブパルスが重畳したものと等価であり該光パルスから該メインパルスを差し引いた残り(ペデスタル成分)のエネルギ該光パルスのエネルギの5%〜50%の範囲にあることを特徴とするレーザ誘起改質加工方法。
An ultrashort optical pulse laser generating step for generating an ultrashort optical pulse laser having a pulse width of 10 fs to 50 ps;
An irradiation step of irradiating the work material with a fluence equal to or higher than a threshold for modifying the work material with the ultra short light pulse laser generated in the ultrashort light pulse laser generation step;
Have
Ultra short optical pulse laser is generated by a fiber laser generator, ultra light pulses of a short light pulse laser as a pulse width smaller peak power pulse width is large peak power to a large main pulse is superimposed a small sub pulse are equivalent, laser-induced modification processing method characterized in that the energy of the remaining (pedestal component) from the light pulse by subtracting the main pulse is in the range of 5% to 50% of the energy of the light pulse.
パルス幅が10fs〜50psの超短光パルスレーザを発生する超短光パルスレーザ発生ステップと、
該超短光パルスレーザ発生ステップで発生された該超短光パルスレーザを被加工材料を改質する閾値以上のフルーエンスで該被加工材料に照射する照射ステップと、
を有し、
該超短光パルスレーザはファイバレーザ発生器で発生され、該超短光パルスレーザの光パルスはパルス幅が小さくピークパワーが大きなメインパルスにパルス幅が大きくピークパワーが小さなサブパルスが重畳したものと等価であり、
前記超短光パルスレーザ発生ステップは、該光パルスから該メインパルスを差し引いた残り(ペデスタル成分)のエネルギ該光パルスのエネルギの5%〜50%の範囲になるように制御するペデスタル成分制御ステップを有することを特徴とするレーザ誘起改質加工方法。
An ultrashort optical pulse laser generating step for generating an ultrashort optical pulse laser having a pulse width of 10 fs to 50 ps;
An irradiation step of irradiating the work material with a fluence equal to or higher than a threshold for modifying the work material with the ultra short light pulse laser generated in the ultrashort light pulse laser generation step;
Have
The ultrashort optical pulse laser is generated by a fiber laser generator, and the optical pulse of the ultrashort optical pulse laser is obtained by superimposing a subpulse having a large pulse width and a small peak power on a main pulse having a small pulse width and a large peak power. Is equivalent,
In the ultrashort optical pulse laser generation step, the remaining energy ( pedestal component ) obtained by subtracting the main pulse from the optical pulse is controlled so as to be in the range of 5% to 50% of the energy of the optical pulse. A laser-induced modification processing method comprising steps.
前記超短光パルスレーザ発生ステップは、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振ステップと、
該超短光パルスレーザをチャープする伸張ステップと、
該伸張ステップでチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅ステップと、
該増幅ステップで増幅された超短光パルスレーザのパルス幅を圧縮する圧縮ステップと、
を有し、前記ペデスタル成分制御ステップが前記レーザ発振ステップと、前記伸張ステップと、前記増幅ステップとのうち少なくとも一つにより成ることを特徴とする請求項に記載のレーザ誘起改質加工方法。
The ultrashort optical pulse laser generation step includes a laser oscillation step of oscillating an ultrashort optical pulse laser,
A stretching step for chirping the ultrashort optical pulse laser;
An amplification step for amplifying the ultrashort optical pulse laser chirped in the stretching step;
A compression step for compressing the pulse width of the ultrashort optical pulse laser amplified in the amplification step;
Has the pedestal and component control step the laser oscillation step, and the stretching step, the laser-induced modification processing method according to claim 8, characterized by comprising at least one of the said amplification step.
前記ペデスタル成分制御ステップは、非線形光学特性あるいは高次の波長分散を有する媒質に超短光パルスレーザを通過させるものであることを特徴とする請求項またはに記載のレーザ誘起改質加工方法。 Said pedestal component control step, the laser-induced modification processing method according to claim 8 or 9, characterized in that passing the ultrashort optical pulse laser medium having a non-linear optical properties or higher order chromatic dispersion . 前記超短光パルスレーザを通過させる媒質は、光ファイバであることを特徴とする請求項10に記載のレーザ誘起改質加工方法。 The laser induced modification processing method according to claim 10 , wherein the medium through which the ultrashort optical pulse laser passes is an optical fiber. 前記ペデスタル成分制御ステップは、超短光パルスレーザを発振・増幅するレーザ利得媒質の利得帯域幅減少効果により、前記ペデスタル成分のエネルギを制御するものであることを特徴とする請求項に記載のレーザ誘起改質加工方法。 Said pedestal component control step, by the gain bandwidth reduction effect of the laser gain medium that oscillates and amplifies the ultrashort optical pulse laser, according to claim 8, characterized in that to control the energy of said pedestal component Laser induced modification processing method. 前記レーザ利得媒質は、光ファイバ利得媒質であることを特徴とする請求項12に記載のレーザ誘起改質加工方法。 The laser induced modification processing method according to claim 12 , wherein the laser gain medium is an optical fiber gain medium. 前記レーザ発生ステップは、超短光パルスレーザを発振するレーザ発振ステップと、
該超短光パルスレーザをチャープする伸張ステップと、
該伸張ステップでチャープされた超短光パルスレーザを増幅する増幅ステップと、
該増幅された超短光パルスレーザの偏光を制御する偏光制御ステップと、
該増幅ステップで増幅され該偏光制御ステップで偏光制御された超短光パルスレーザのパルス幅をバルク回折素子により圧縮する圧縮ステップと、
を有し、前記ペデスタル成分制御ステップは、前記偏光制御ステップにおいて偏光面が回転された超短光パルスレーザのパルス幅を前記圧縮ステップにおいて圧縮するものであることを特徴とする請求項に記載のレーザ誘起改質加工方法。
The laser generation step includes a laser oscillation step of oscillating an ultrashort optical pulse laser;
A stretching step for chirping the ultrashort optical pulse laser;
An amplification step for amplifying the ultrashort optical pulse laser chirped in the stretching step;
A polarization control step for controlling the polarization of the amplified ultrashort optical pulse laser;
A compression step of compressing the pulse width of the ultrashort optical pulse laser amplified in the amplification step and polarization controlled in the polarization control step by a bulk diffraction element;
It has, said pedestal component control step, according to claim 8, wherein the pulse width of the ultrashort optical pulse laser polarization plane has been rotated in the polarization control step is to compress in the compression step Laser induced modification processing method.
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