JP5483084B2

JP5483084B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP5483084B2
Application number: JP2010027035A
Authority: JP
Inventors: 正訓高橋; 哲日向野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: CN102145436A; JP2011161483A; CN102145436B

Description

本発明は、例えば脆性材料や難加工材であるセラミックスの切断または研削などに好適なレーザ加工装置に関する。

脆性材料や難加工材であるセラミックスの切断または研削などの加工を、力学的な手法で行った場合、工具の摩耗による交換を短い周期で必要としたり、クラックやチッピング等のリスクもあることから、工具交換のメンテナンスの煩雑さや加工品質の確保に有効なプロセスとしてレーザ光で加工を行う方法が知られている。このレーザプロセスは、単一の波長のレーザ光を用いる場合と、レーザ光の波長変換を行い、その際の変換光と未変換光との両方を使う場合とがある。

従来、上記後者の例として、例えば特許文献１には、単一波長の光を発生するレーザ光発生部と、レーザ光発生部が発生するレーザ光と同一波長の光を入射光として波長変換を行う波長変換部と、を備え、波長変換部が、入射光及び該入射光の高調波のうちの第１の波長の光と第２の波長の光とを入射し、非臨界位相整合及び擬似位相整合の一方を使用した第２高調波生成により、第１の波長の１／２の波長である第３の波長の光を生成し、第２の波長の光と第３の波長の光とをほぼ同軸で射出する第１の非線形光学結晶を有する光学装置が提案されている。

また、特許文献２には、第１の波長を有する超短パルスである第１のレーザを発生させるステップ、第１レーザのエネルギーの一部を第１の波長の高調波である第２の波長を有する超短パルスである第２のレーザに変換するステップ、第１のレーザを第２のレーザに対して時間遅延を与えるステップ、第１のレーザ及び第２のレーザを同軸上で集光するステップ、及び集光された第１及び第２のレーザを加工対象物に照射するステップからなるレーザによる加工方法が提案されている。

国際公開第ＷＯ２００２／０７１１４３号特開２００８−２７２７９４号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記２波長のレーザ光による従来の加工技術では、同軸に出射された両波長のレーザ光が加工対象物の同一位置に集光されて照射されるため、長波長側のレーザ光の影響で溶融痕が残るなど加工品質が良好でない場合があるという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、より高品質で高速な加工が可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物にレーザ光を照射して加工する装置であって、基本波のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記基本波のレーザ光を１／２の波長にした第２高調波のレーザ光に波長変換して出射すると共に未変換の前記基本波のレーザ光を前記第２高調波のレーザ光と共に同軸で出射する波長変換素子と、出射された前記第２高調波のレーザ光を前記加工対象物に焦点を合わせて集光すると共に、未変換の前記基本波のレーザ光を前記加工対象物に焦点を合わせず前記加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して前記加工対象物に照射する光学系と、を備えていることを特徴とする。

このレーザ加工装置では、変換光である第２高調波のレーザ光（以下、第２高調波レーザ光とも称す）を加工対象物に焦点を合わせて集光すると共に、未変換の基本波のレーザ光（以下、基本波レーザ光とも称す）を加工対象物に焦点を合わせず加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して加工対象物に照射するので、緩やかに集光された基本波レーザ光は加工対象物を加工せずに励起させると共に、第２高調波レーザ光は加工対象物に最小ビーム径に集光されて加工を行う。したがって、長波長側の基本波レーザ光の影響による溶融痕が残らないと共に、緩やかに集光された基本波レーザ光によって加工対象物が励起されて加熱され、最小ビーム径に集光された第２高調波レーザ光での加工が効率良く行われる。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記波長変換素子が、非臨界位相整合または疑似位相整合により前記第２高調波を出射させる非線形光学結晶であることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、波長変換素子が、非臨界位相整合または疑似位相整合により基本波と第２高調波とのウォークオフが起こらずに両方の波長のレーザ光を同軸に伝播させて出射する非線形光学結晶であるので、位相整合のための光路調整用の光学部品等が不要となる。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ光源が、前記基本波のレーザ光をガウシアン形状の強度分布を有するビームで出射し、前記波長変換素子が、未変換の前記基本波のレーザ光をトップハット形状の強度分布を有するビームに調整して出射することを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、波長変換素子が、未変換の基本波のレーザ光をトップハット形状の強度分布を有するビームに調整して出射するので、いわゆるトップハット型の中央部が平坦な強度分布とされた基本波レーザ光の集光がより緩やかになり、加工対象物の加工ポイント周囲を効果的に励起させることができる。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記光学系が、直線偏光の前記第２高調波のレーザ光のみを円偏光にする偏光板と、未変換の前記基本波のレーザ光と円偏光とされた前記第２高調波のレーザ光とを集光する集光レンズと、を備えていることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、偏光板で円偏光化された第２高調波のレーザ光を集光レンズで集光するので、偏光面の影響を無くして加工を行うことができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置によれば、出射された第２高調波のレーザ光を加工対象物に焦点を合わせて集光すると共に、未変換の基本波のレーザ光を加工対象物に焦点を合わせず加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して加工対象物に照射するので、長波長側の基本波レーザ光の影響による溶融痕が残らないと共に、緩やかに集光された基本波レーザ光によって加工対象物が励起され、第２高調波レーザ光での加工が効率良く行われる。これにより、脆性材料や難加工材であるセラミックスの切断または研削などにおいても、高品質かつ高速の加工が可能になる。

本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態において、レーザ加工装置を示す簡易的な全体構成図である。本実施形態において、基本波レーザ光のビーム断面におけるガウシアン形状の強度分布（ａ）およびトップハット形状の強度分布（ｂ）を示す説明図である。

以下、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態を、図１および図２を参照しながら説明する。

本実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、加工対象物Ｗにレーザ光を照射して加工する装置であって、基本波のレーザ光Ｌ１を出射するレーザ光源２と、基本波のレーザ光Ｌ１を第２高調波のレーザ光Ｌ２に波長変換して出射すると共に未変換の基本波のレーザ光Ｌ１を第２高調波のレーザ光Ｌ２と共に同軸で出射する波長変換素子３と、出射された第２高調波のレーザ光Ｌ２を加工対象物Ｗに焦点を合わせて集光すると共に、未変換の基本波のレーザ光Ｌ１を加工対象物Ｗに焦点を合わせず加工対象物Ｗが加工されないレーザ光強度に集光して加工対象物Ｗに照射する光学系４と、を備えている。

また、このレーザ加工装置１は、加工対象物Ｗを支持すると共に移動可能なステージ５と、波長変換素子３の温度調整を行うペルチェ素子等の温度調整部６と、を備えている。
上記波長変換素子３は、非臨界位相整合または疑似位相整合（ＱＰＭ）により第２高調波を出射させる非線形光学結晶である。
上記非臨界位相整合および疑似位相整合の場合、非線形光学結晶内で基本波と第２高調波とがウォークオフ現象を起こさずに同軸で伝播される。

例えば、非臨界位相整合が可能な非線形光学結晶としては、非臨界位相整合する方位に切断されたＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）や温度調整によって非臨界位相整合させるものなどが採用可能である。また、疑似位相整合は、コヒーレンス長の逓倍ごとに非線形光学定数の符号を周期的に反転させた結晶素子中にビームを伝播させることによって波長変換させるものであるが、この素子においてｃ軸（光軸）または一軸性の結晶の場合ｃ軸と垂直な方向にビームを伝播させることで波長変換が起こるように素子を構成すると基本波と波長変換された第２高調波を同軸に伝播させることができる。この疑似位相整合が可能な非線形光学結晶としては、周期的ドメイン反転ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３）結晶、周期的ドメイン反転ＬＴ（ＬｉＴａＯ_３）結晶、周期的ドメイン反転ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）結晶または水晶ＱＰＭ素子等が採用可能である。

上記レーザ光源２は、図２の（ａ）に示すように、基本波のレーザ光Ｌ１をガウシアン形状の強度分布を有するビームで出射可能とされている。
また、上記波長変換素子３は、図２の（ｂ）に示すように、未変換の基本波のレーザ光Ｌ１をいわゆるトップハット形状の強度分布を有するビームにパワー密度を調整して出射可能とされている。このトップハット形状の強度分布は、ガウシアン形状の中央部が平坦な形状、すなわち強度が一定となった強度分布である。

上記光学系４は、直線偏光の第２高調波のレーザ光Ｌ２のみを円偏光にする偏光板７と、未変換の基本波のレーザ光Ｌ１と円偏光とされた第２高調波のレーザ光Ｌ２とを集光する集光レンズ８と、を備えている。
上記偏光板７は、基本波と第２高調波との両波長に対する減反射コーティングが施されたλ／４板である。

また、上記集光レンズ８は、基本波と第２高調波との両波長に対する減反射コーティングが施されていると共に、第２高調波の波長に対して焦点距離：ｆ＝８０〜３００ｍｍとされたレンズである。なお、焦点距離を上記範囲に設定した理由は、焦点距離が８０ｍｍ未満であると、基本波レーザ光Ｌ１と第２高調波レーザ光Ｌ２との焦点位置の差が近くなり過ぎて基本波レーザ光Ｌ１によって溶融痕が生じるおそれがあるためであり、焦点距離が３００ｍｍを超えると、第２高調波レーザ光Ｌ２が集光され難くなるためである。

このように本実施形態のレーザ加工装置１では、出射された第２高調波のレーザ光Ｌ２を加工対象物に焦点を合わせて集光すると共に、未変換の基本波のレーザ光Ｌ１を加工対象物Ｗに焦点を合わせず加工対象物Ｗが加工されないレーザ光強度に集光して加工対象物Ｗに照射するので、緩やかに集光された未変換波である基本波レーザ光Ｌ１は加工対象物Ｗを加工せずに励起させると共に、変換波である第２高調波レーザ光Ｌ２は加工対象物Ｗに最小ビーム径に集光されて加工を行う。

したがって、長波長側の基本波レーザ光Ｌ１の影響による溶融痕が残らないと共に、緩やかに集光された基本波レーザ光Ｌ１によって加工対象物Ｗが励起されて加熱され、最小ビーム径に集光された第２高調波レーザ光Ｌ２での加工が効率良く行われる。
また、波長変換素子３が、非臨界位相整合または疑似位相整合により基本波と第２高調波とのウォークオフが起こらずに両方の波長のレーザ光を同軸に伝播させて出射する非線形光学結晶であるので、位相整合のための光路調整用の光学部品等が不要となる。

さらに、波長変換素子３が、未変換の基本波のレーザ光Ｌ１をトップハット形状の強度分布を有するビームに調整して出射するので、トップハット型の中央部が平坦な強度分布とされた基本波レーザ光Ｌ１の集光がより緩やかになり、加工対象物Ｗの加工ポイント周囲を効果的に励起させることができる。
また、偏光板７で円偏光化された第２高調波のレーザ光Ｌ２を集光レンズ８で集光するので、偏光面の影響を無くして加工を行うことができる。

上記実施形態のレーザ加工装置により実際に加工対象物を加工し、評価した結果を以下に示す。
レーザ光源からは、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光を１０ｋＨｚで出射すると共に、波長変換素子としては、非臨界位相整合する方位に切断されたＬｉＢ_３Ｏ_５を使用し、変換効率５０％で第２高調波である波長５３２ｎｍの高調波レーザ光を発生させた。これら基本波レーザ光と第２高調波レーザ光とは同軸に伝播し、さらに波長変換素子に入射した基本波レーザ光のビーム断面の強度分布は、パワー密度を調整してトップハット形状となっている。なお、波長変換素子は、温度調整部により１７０℃に温度調整した。

また、偏光板および集光レンズには、１０６４ｎｍと５３２ｎｍとの両波長に対する減反射コーティングが施されている。さらに、集光レンズの焦点距離は、波長５３２ｎｍに対してｆ＝８０〜３００ｍｍとされ、波長５３２ｎｍの第２高調波レーザ光の焦点を集光レンズから近い距離で集光して加工対象物の表面に位置するように設定したと共に、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光の焦点を波長５３２ｎｍの高調波レーザ光の焦点より遠く、加工対象物の下に設定した。したがって、基本波レーザ光は集光レンズで結像される最小ビーム径になっていない状態で、加工対象物に照射した。

この状態で加工対象物としてタングステンカーバイド（ＷＣ）を、幅２０μｍ、深さ５００μｍで加工した。なお、比較のため、単一の第２高調波レーザ光（波長５３２ｎｍ）のみでも、同様にタングステンカーバイドに加工を行った。
これらの結果、単一の第２高調波レーザ光で加工した場合、送り速度が４０ｍｍ／ｍｉｎであったのに対し、本実施例のレーザ加工装置により基本波レーザ光で加工対象物を励起状態としつつ第２高調波レーザ光で加工した場合、５５ｍｍ／ｍｉｎの送り速度で加工することができた。このように、本実施例では、より高速で加工することが可能である。

本発明のレーザ加工装置は、特に脆性材料、難加工材であるセラミックスの切断、研削などの加工において好適なものである。

１…レーザ加工装置、２…レーザ光源、３…波長変換素子、４…光学系、７…偏光板、８…集光レンズ、Ｌ１…基本波のレーザ光、Ｌ２…第２高調波のレーザ光、Ｗ…加工対象物

Claims

加工対象物にレーザ光を照射して加工する装置であって、
基本波のレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記基本波のレーザ光を１／２の波長とした第２高調波のレーザ光に波長変換して出射すると共に未変換の前記基本波のレーザ光を前記第２高調波のレーザ光と共に同軸で出射する波長変換素子と、
出射された前記第２高調波のレーザ光を前記加工対象物に焦点を合わせて集光すると共に、未変換の前記基本波のレーザ光を前記加工対象物に焦点を合わせず前記加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して前記加工対象物に照射する光学系と、を備え、
前記光学系が、直線偏光の前記第２高調波のレーザ光のみを円偏光にする偏光板と、
未変換の前記基本波のレーザ光と円偏光とされた前記第２高調波のレーザ光とを集光する集光レンズと、を備え、
前記基本波の波長が、１０６４ｎｍであると共に前記第２高調波の波長が、５３２ｎｍであり、
前記集光レンズの焦点距離が、前記第２高調波の波長に対して８０〜３００ｎｍであることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記波長変換素子が、非臨界位相整合または疑似位相整合により前記第２高調波を出射させる非線形光学結晶であることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
前記レーザ光源が、前記基本波のレーザ光をガウシアン形状の強度分布を有するビームで出射し、
前記波長変換素子が、未変換の前記基本波のレーザ光をトップハット形状の強度分布を有するビームに調整して出射することを特徴とするレーザ加工装置。