JP7018433B2

JP7018433B2 - モジュラー式紫外線パルスレーザ源

Info

Publication number: JP7018433B2
Application number: JP2019511593A
Authority: JP
Inventors: ラルフクナッペ，
Original assignee: コヒーレントカイザースラウテルンゲーエムベーハー
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2037-08-04
Also published as: EP3504589B1; CN109997075A; KR102332770B1; KR20190039806A; WO2018036792A1; JP2019529973A; US20180059508A1; EP3504589A1; CN109997075B; US10520789B2

Description

（優先権）
本出願は、２０１６年８月２５日に出願された米国仮出願第６２／３７９，６３９号および２０１７年７月３１日に出願された米国非仮特許出願第１５／６６４，１７６号に対して優先権を主張する。上記文献の開示内容は、それらの全体として参照することによって本明細書において援用される。

（発明の技術分野）
本発明は、一般に、紫外線（ＵＶ）レーザ放射のビームを発生させることに関する。本発明は、具体的には、例えば、約３８０ナノメートルよりも短い波長と、約２０ピコ秒未満のパルス持続時間とを有する、ＵＶパルスレーザ放射のビームを発生させることに関する。

（背景技術の議論）
レーザ材料処理は、広範囲の材料を切断する、穿孔する、マークする、および印を付けるためにますます使用されている。伝統的な機械的処理は、処理された材料を劣化および弱化させる、粗面および微細な亀裂等の不要な欠陥を生成する。パルスレーザ放射の集束ビームを使用するレーザ材料処理は、より高品質の縁および壁を有する、より精密な切り込みおよび孔を生成する一方で、不要な欠陥の形成を最小限にする。科学的研究および製造の進歩は、増加する範囲の材料のレーザ材料処理につながっている一方で、より高い処理速度および改良された精度を要求する。

固体利得媒質を使用する高出力レーザ源は、赤外線（ＩＲ）波長、典型的には、約７５０ナノメートル（ｎｍ）よりも長い波長を有する、基本レーザ放射を生成する。ＩＲレーザ放射は、非線形光学結晶における高調波発生によって、可視光および紫外線（ＵＶ）レーザ放射に変換される。短波長レーザ放射は、より長い波長の放射線よりも小さい孔を穿孔する、細かいマークを付ける、および細かい特徴に印を付けることが可能である。ＵＶレーザ放射は、したがって、多くのタイプの材料を処理するために好ましい。しかしながら、ＵＶレーザ放射は、光学系、具体的には、周囲酸素および湿気にも暴露される光学系を劣化させる。高調波発生結晶および任意ビーム成形またはビーム送達光学系は、そのような損傷の影響を受けやすい。

あるレーザ源は、フェムト秒またはピコ秒パルス持続時間を有するパルス、例えば、約１００フェムト秒（ｆｓ）を上回り、約２０ピコ秒（ｐｓ）未満のパルス持続時間を有するパルスを備える、パルスレーザ放射のビームを生成する。閾値強度を上回る集束パルスレーザ放射は、アブレーションによってワークピースから材料を除去し、周辺材料の過剰な加熱によって引き起こされる不要な巻き添え損傷を最小限にする。殆どの材料は、ＩＲ基本波長よりもＵＶ波長において低いアブレーション閾値を有する。したがって、より高速でより高品質の処理が、ＵＶパルスレーザ放射を使用して可能である。

多くの現代の光電子デバイスは、複合構造を有する。発光ダイオード、太陽電池、およびタッチスクリーンは、異なる材料の層で重ね合わされた基板を備える。重ね合わせる層は、ドープした半導体導体層、薄い金属膜、薄いポリマー膜、および薄い伝導性酸化物膜を含み得る。薄膜層は、多くの場合、構造上に堆積され、次いで、材料を除去することによってパターン化される。ＵＶパルスレーザ放射の集束ビームは、層材料のアブレーション閾値の間の差と組み合わせられた短波長レーザ放射によって提供される、空間選択性を使用して、下層材料を損傷することなく薄膜を選択的に除去することができる。

特徴は、材料を通して３次元でレーザ放射の集束ビームを移動させることによって、材料に作製される、または薄膜層にパターン化される。線形平行移動段は、ワークピースを支持し、最大制御走査速度まで、集束ビームを通して３次元でワークピースを平行移動させる。より高い側方走査速度は、非集束ビームを偏向させ、ワークピースを通して側方に集束ビームを平行移動させるように、最新鋭の検流計作動型モータを使用して、アクセス可能である。

ＵＶパルスの集束ビームを発生させ、集束ビームをワークピースに精密に送達することが可能なレーザ材料処理装置の必要性がある。レーザ材料処理装置は、ＵＶレーザ放射による光学損傷に耐性を示すべきである。好ましくは、パルスは、広範囲の材料をアブレートするために十分なエネルギーを有し、パルスエネルギーは、複合構造内の薄膜を選択的にアブレートするように制御可能である。

（発明の要約）
一側面では、本発明による、ＵＶパルスレーザ放射発生装置は、パルスレーザ放射のビームを発生させるレーザ源を備える。パルスレーザ放射は、約１００フェムト秒～約２００ピコ秒のパルス持続時間を有する。周波数変換モジュールが、提供される。周波数変換モジュールは、気密に密閉されている封入された内部容積を有する。光ファイバが、提供され、レーザ源から周波数変換モジュールにパルスレーザ放射のビームを輸送するように配列される。四ホウ酸リチウム結晶は、周波数変換モジュールの封入された内部容積内に位置する。四ホウ酸リチウム結晶は、パルスレーザ放射のビームを遮断し、そこからＵＶパルスレーザ放射のビームを発生させるように配列される。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
紫外線パルスレーザ放射を発生させるための装置であって、
パルスレーザ放射のビームを発生させるレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約１００フェムト秒～約２００ピコ秒のパルス持続時間を有する、レーザ源と、
周波数変換モジュールであって、前記周波数変換モジュールは、気密に密閉されている封入された内部容積を有する、周波数変換モジュールと、
前記レーザ源から前記周波数変換モジュールに前記パルスレーザ放射のビームを輸送するように配列されている、光ファイバと、
前記周波数変換モジュールの前記封入された内部容積内に位置する四ホウ酸リチウム結晶であって、前記四ホウ酸リチウム結晶は、前記パルスレーザ放射のビームを遮断し、そこから紫外線パルスレーザ放射のビームを発生させるように配列されている、四ホウ酸リチウム結晶と
を備える、装置。
（項目２）
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、約２６６ナノメートルの波長を有する、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、約２４４ナノメートルの波長を有する、項目１に記載の装置。
（項目４）
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、約２１３ナノメートルの波長を有する、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記周波数変換モジュールの前記封入された内部容積は、真空化されている、任意の前記項目に記載の装置。
（項目６）
前記周波数変換モジュールの前記封入された内部容積は、乾性ガスでパージされている、項目１－４のいずれかに記載の装置。
（項目７）
前記乾性ガスは、清浄な乾燥空気である、項目６に記載の装置。
（項目８）
前記光ファイバは、中空コアを有し、前記パルスレーザ放射のビームは、その中で伝搬する、任意の前記項目に記載の装置。
（項目９）
前記中空コア光ファイバは、約１５マイクロメートルを上回るモードフィールド直径を有する、項目８に記載の装置。
（項目１０）
前記中空コアは、調整されている圧力を有するガスを含有する、項目８または項目９に記載の装置。
（項目１１）
前記光ファイバから出る前記パルスレーザ放射は、２０ピコ秒を上回るパルス持続時間を有し、前記装置はさらに、パルス圧縮器を備え、前記パルス圧縮器は、前記光ファイバと前記周波数変換モジュールとの間に位置し、前記パルス圧縮器は、前記パルスレーザ放射のビームを遮断し、前記パルスレーザ放射の前記パルス持続時間を約２０ピコ秒未満まで減少させるように配列されている、任意の前記項目に記載の装置。
（項目１２）
前記光ファイバから出る前記パルスレーザ放射は、１ピコ秒を上回るパルス持続時間を有し、前記装置はさらに、パルス圧縮器を備え、前記パルス圧縮器は、前記光ファイバと前記周波数変換モジュールとの間に位置し、前記パルス圧縮器は、前記パルスレーザ放射のビームを遮断し、前記パルスレーザ放射の前記パルス持続時間を約１ピコ秒未満まで減少させるように配列されている、項目１－１０のいずれかに記載の装置。
（項目１３）
ビームスキャナをさらに備え、前記ビームスキャナは、前記紫外線パルスレーザ放射のビームを遮断し、偏向させるように配列されている、任意の前記項目に記載の装置。
（項目１４）
集束レンズをさらに備え、前記集束レンズは、前記紫外線パルスレーザ放射のビームを遮断し、前記紫外線パルスレーザ放射のビームをワークピースにおいて合焦させるように配列されている、任意の前記項目に記載の装置。
（項目１５）
ビームスキャナと、集束レンズとをさらに備え、前記ビームスキャナは、前記紫外線パルスレーザ放射のビームを遮断し、偏向させるように配列され、前記集束レンズは、前記偏向された紫外線パルスレーザ放射のビームを遮断し、前記紫外線パルスレーザ放射のビームをワークピースにおいて合焦させるように配列されている、項目１－１２のいずれかに記載の装置。
（項目１６）
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、気密エンクロージャ内で前記周波数変換モジュールと前記集束レンズとの間に伝搬する、項目１５に記載の装置。
（項目１７）
前記気密エンクロージャは、真空化されている、項目１６に記載の装置。
（項目１８）
前記気密エンクロージャは、乾性ガスでパージされている、項目１６に記載の装置。
（項目１９）
前記乾性ガスは、清浄な乾燥空気である、項目１８に記載の装置。
（項目２０）
紫外線パルスレーザ放射を発生させるための装置であって、
パルスレーザ放射のビームを発生させるレーザ源であって、前記パルスレーザ放射は、約１００フェムト秒～約２００ピコ秒のパルス持続時間を有する、レーザ源と、
周波数変換モジュールであって、前記周波数変換モジュールは、気密に密閉されている封入された内部容積を有する、周波数変換モジュールと、
前記レーザ源から前記周波数変換モジュールに前記パルスレーザ放射のビームを輸送するように配列されている、中空コア光ファイバと、
前記周波数変換モジュールの前記封入された内部容積内に位置する、第１の非線形結晶および第２の非線形結晶と
を備え、
前記パルスレーザ放射のビームは、前記中空コア光ファイバ、前記第１の非線形結晶、および前記第２の非線形結晶を通る、列挙された順序で伝搬し、
前記第１の非線形結晶および前記第２の非線形結晶は、紫外線パルスレーザ放射のビームを発生させるように配列されている、装置。
（項目２１）
前記第２の非線形結晶は、四ホウ酸リチウムから作製される、項目２０に記載の装置。
（項目２２）
前記中空コア光ファイバの中空コアは、調整されている圧力を有するガスを含有する、項目２０または項目２１に記載の装置。
（項目２３）
ビームスキャナと、集束レンズとをさらに備え、前記ビームスキャナは、前記紫外線パルスレーザ放射のビームを遮断し、偏向させるように配列され、前記集束レンズは、前記偏向された紫外線パルスレーザ放射のビームを遮断し、前記紫外線パルスレーザ放射のビームをワークピースにおいて合焦させるように配列されている、項目２０－２２のいずれかに記載の装置。
（項目２４）
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、気密エンクロージャ内で前記周波数変換モジュールと前記集束レンズとの間に伝搬する、項目２３に記載の装置。
（項目２５）
前記気密エンクロージャは、真空化されている、項目２４に記載の装置。
（項目２６）
前記気密エンクロージャは、乾性ガスでパージされている、項目２４に記載の装置。
（項目２７）
前記乾性ガスは、清浄な乾燥空気である、項目２６に記載の装置。
（項目２８）
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、約２６６ナノメートルの波長を有する、項目２０－２７のいずれかに記載の装置。
（項目２９）
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、約２４４ナノメートルの波長を有する、項目２０－２７のいずれかに記載の装置。
（項目３０）
前記周波数変換モジュールの前記封入された内部容積は、真空化されている、項目２０－２９のいずれかに記載の装置。
（項目３１）
前記周波数変換モジュールの前記封入された内部容積は、乾性ガスでパージされている、項目２０－２９のいずれかに記載の装置。
（項目３２）
前記乾性ガスは、清浄な乾燥空気である、項目３１に記載の装置。
（項目３３）
前記中空コア光ファイバは、約１５マイクロメートルを上回るモードフィールド直径を有する、項目２０－３２のいずれかに記載の装置。
（項目３４）
前記光ファイバから出る前記パルスレーザ放射は、２０ピコ秒を上回るパルス持続時間を有し、前記装置はさらに、パルス圧縮器を備え、前記パルス圧縮器は、前記光ファイバと前記周波数変換モジュールとの間に位置し、前記パルス圧縮器は、前記パルスレーザ放射のビームを遮断し、前記パルスレーザ放射の前記パルス持続時間を約２０ピコ秒未満まで減少させるように配列されている、項目２０－３３のいずれかに記載の装置。
（項目３５）
前記光ファイバから出る前記パルスレーザ放射は、１ピコ秒を上回るパルス持続時間を有し、前記装置はさらに、パルス圧縮器を備え、前記パルス圧縮器は、前記光ファイバと前記周波数変換モジュールとの間に位置し、前記パルス圧縮器は、前記パルスレーザ放射のビームを遮断し、前記パルスレーザ放射の前記パルス持続時間を約１ピコ秒未満まで減少させるように配列されている、項目２０－３３のいずれかに記載の装置。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する、付随する図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に図示し、上記に挙げられる一般的説明および以下に挙げられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を解説する役割を果たす。

図１は、レーザ源と、ファイバ結合モジュールと、光ファイバと、周波数変換モジュールと、ビーム走査モジュールと、集束レンズと、ワークピースとを含む、本発明によるＵＶパルスレーザ放射発生装置の１つの好ましい実施形態を概略的に図示する、外部図である。図２は、図１のＵＶパルスレーザ放射発生装置の付加的詳細を部分的に断面で概略的に図示する。

（発明の詳細な説明）
ここで、同様の特徴が同様の参照番号によって指定される、図面を参照すると、図１は、本発明による、紫外線（ＵＶ）パルスレーザ放射発生装置の１つの好ましい実施形態１０を概略的に図示する。装置１０は、約１００フェムト秒（ｆｓ）～約２００ピコ秒（ｐｓ）のパルス持続時間を有する、パルスレーザ放射のビーム２２を発生させるレーザ源２０を備える。パルスレーザ放射のビーム２２は、レーザ源２０の基本波長である、赤外線（ＩＲ）波長を有する。一例として、イッテルビウム（Ｙｂ^３＋）でドープした利得ファイバは、約９７６ナノメートル（ｎｍ）または約１，０３０ｎｍにおいてレーザ放射を生成する。ネオジム（Ｎｄ^３＋）でドープした利得結晶は、約１，０６４ｎｍにおいてレーザ放射を生成する。パルスレーザ放射のビーム２２は、示されるような離散モジュールであり、またはレーザ源２０に統合され得る、ファイバ結合モジュール２６によって、光ファイバ２４の中へ結合される。

光ファイバ２４は、非線形高調波発生によってパルスレーザ放射のビーム２２をＵＶパルスレーザ放射のビーム３０に変換する、周波数変換モジュール２８に、パルスレーザ放射のビーム２２を輸送する。ＵＶパルスレーザ放射のビーム３０は、基本波長の４分の１または５分の１である、ＵＶ波長を有する。例示的基本波長９７６ｎｍに関して、第４の高調波波長は、２４４ｎｍであり、第５の高調波波長は、１９５ｎｍである。例示的基本波長１，０６４ｎｍに関して、第４の高調波波長は、２６６ｎｍであり、第５の高調波波長は、２１３ｎｍである。

周波数変換モジュール２８は、ＵＶパルスレーザ放射のビーム３０を偏向させる、ビーム走査モジュール３２に取り付けられる。ビーム走査モジュール３２は、ＵＶパルスレーザ放射のビーム３０をワークピース３８における焦点場所３６に集束する、集束レンズ３４に取り付けられる。ワークピース３８は、平行移動段４０によって支持され、位置付けられる。集束レンズ３４および平行移動段４０は、ワークピース３８に対して焦点場所３６の縦方向変位を制御する。ビーム走査モジュール３２および平行移動段４０は、焦点場所３６の側方変位を制御する。

集束レンズ３４は、好ましくは、「Ｆ－シータ対物レンズ」である。Ｆ－シータ対物レンズは、ビーム走査モジュール３２によるＵＶパルスレーザ放射のビーム３０の角度変位を、平坦な焦点面４２内の焦点場所３６の比例側方変位に変換する。平坦な焦点面４２は、集束レンズ３４から固定距離に位置する。Ｆ－シータ対物レンズは、例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ（Ｎｅｗｔｏｎ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ）から市販されている。

随意のパルス圧縮モジュール４４が、光ファイバ２４と周波数変換モジュール２８との間に位置する。随意のパルス圧縮モジュール４４は、光ファイバ２４から現れるレーザ放射のビーム２２のパルス持続時間が約２０ｐｓを上回る場合に、装置１０の中に含まれ、好ましくは、パルス持続時間が約１ｐｓを上回る場合に、含まれるであろう。随意のパルス圧縮モジュール４４は、パルスレーザ放射のビーム２２を、約２０ｐｓ未満、好ましくは、約１ｐｓ未満のパルス持続時間に一時的に圧縮する。最小アクセス可能パルス持続時間は、光ファイバ２４から現れるパルスレーザ放射のビーム２２のスペクトル帯域幅によって限定される。圧縮されたパルス持続時間は、非線形高調波発生を最適化するように、またはレーザ材料処理用途の要件を満たすように選択され得る。

随意のパルス圧縮モジュール４４、周波数変換モジュール２８、ビーム走査モジュール３２、および集束レンズ３４はともに、気密エンクロージャ４６（図面内の鎖線によって示される）を形成する。少なくとも１つのパージポート４８は、気密エンクロージャ４６を真空化し、または乾性ガスで気密エンクロージャ４６をパージする手段を提供する。一例として、気密エンクロージャ４６は、乾燥窒素で、または清浄な乾燥空気でパージされ得る。真空を作成し、またはパージガスを供給する手段の詳細な説明は、本発明の原理を理解するために必要ではなく、故に、本明細書では提示されない。

光ファイバ２４は、入力コネクタ５２と、出力コネクタ５４と、ガスポート５６と、光ファイバ２４を包み込む保護導管（図示せず）とをさらに含む、光ファイバアセンブリ５０の中の主要な要素である。光ファイバ２４および保護導管は、可撓性であり、気密エンクロージャ４６がレーザ源２０およびファイバ結合モジュール２６から独立して位置し、配向されることを可能にする。光ファイバアセンブリ５０は、入力コネクタ５２を使用して、ファイバ結合モジュール２６に取り付けられ、またはそれから取り外されてもよい。出力コネクタ５４は、光ファイバアセンブリ５０を周波数変換モジュール２８または随意のパルス圧縮モジュール４４に取り付ける。

光ファイバ２４は、それを通してパルスレーザ放射のビーム２２が伝搬する中空コアと、比較的大きいモードフィールド直径（ＭＦＤ）とを有する。光ファイバ２４は、好ましくは、「カゴメ」構造を有する、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）である。カゴメＰＣＦは、クラッディングモードおよびコアモードを位相不整合させる、クラッディング構造およびクラッディングサイズを有する。具体的には、クラッディング構造は、基本波長において横断共振を有していない。伝搬するパルスレーザ放射のビーム２２は、それによって、中空コア内に閉じ込められる。光ファイバ２４のＭＦＤは、好ましくは、約１５マイクロメートル（μｍ）を上回り、最も好ましくは、約４０μｍである。カゴメＰＣＦは、ＧＬＯｐｈｏｔｏｎｉｃｓＳＡＳ（Ｌｉｍｏｇｅｓ，Ｆｒａｎｃｅ）から市販されており、米国特許第８，３０６，３７９号でさらに説明されている。

光ファイバ２４の中空コアは、吸収に起因する伝送損失を最小限にするように真空化されてもよい。代替として、中空コアは、非線形自己位相変調（ＳＰＭ）によってパルスレーザ放射のビーム２２のスペクトル広がりを引き起こす、ガスを含有してもよい。光ファイバアセンブリ５０は、気密に密閉され、そして真空化され、またはガスポート５６を通してガスで充填される。ガスポート５６は、出力コネクタ５４の中に描写されているが、ガスポートは、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、入力コネクタ５２の中に位置してもよい。ガスは、好ましくは、清浄な乾燥空気（ＣＤＡ）であり、好ましくは、約１０バール未満の圧力を有する。中空コアファイバ内のスペクトル広がりの量は、主に、ガス圧力を調整することによって制御される。

一例として、４０μｍのＭＦＤを有する、長さ３．５メートル（ｍ）のカゴメＰＣＦが、ＩＲパルスレーザ放射のビーム２２をスペクトル的に広げるために選択される。各ＩＲパルスは、約９０マイクロジュール（μＪ）のエネルギーと、約９ｐｓの持続時間とを有する。カゴメＰＣＦは、約２．５バールの圧力でＣＤＡを含有する。ＩＲパルスは、入力コネクタ５２に進入する約０．３ｎｍから、出力コネクタ５４から現れる約２．５ｎｍまで、スペクトル的に広げられる。付加的スペクトル帯域幅は、随意のパルス圧縮モジュール４４がＩＲパルスレーザ放射のビーム２２をより短い最小パルス持続時間に圧縮することを可能にする。例示的２．５ｎｍＩＲパルスは、約９ｐｓから約７８０ｆｓに圧縮されることができる。伸張器を通した伝送効率は、約９５％であり、圧縮器を通した伝送効率は、約７５％である。

図２は、図１のＵＶパルスレーザ放射発生装置１０の付加的詳細を概略的に図示する。ファイバ結合モジュール２６は、ビーム指向チューナ６０と、ビーム減衰器６２と、ファイバ結合レンズ６４とを含む。ビーム指向チューナ６０は、ファイバ結合レンズ６４上に入射するパルスレーザ放射のビーム２２の精密な照準整合を制御する。ビーム指向チューナ６０およびファイバ結合レンズ６４は、最適な効率で光ファイバ２４の中へパルスレーザ放射のビーム２２を結合するように位置し、配列される。ビーム減衰器６２は、パルスレーザ放射のビーム２２のパルスエネルギーを低減させ、光ファイバ２４内のＳＰＭを調整し、それによって、出力コネクタ５４から現れるパルスレーザ放射のビーム２２のスペクトル帯域幅をさらに制御する。

随意のパルス圧縮モジュール４４は、コリメーティングレンズ６６と、ビーム減衰器６８と、パルス圧縮器７０とを含む。コリメーティングレンズ６６は、出力コネクタ５４から現れた後にパルスレーザ放射のビーム２２を平行にするように位置し、配列される。ビーム減衰器６８は、パルスレーザ放射のビーム２２のパルスエネルギーを低減させ、ＵＶパルスレーザ放射のビーム３０のパルスエネルギーを調整する。パルス圧縮器７０は、上記で議論されるように、パルスレーザ放射のビーム２２を一時的に圧縮する。パルスレーザ放射のビームを一時的に圧縮する手段は、当技術分野で周知である。例えば、スペクトル的に広い、パルスレーザ放射のビームは、一対のプリズムまたは一対の回折格子等の分散性媒質を通して伝搬するように配列される。パルスエネルギーを減衰させ、パルスレーザ放射のビームを一時的に圧縮する手段の詳細な説明は、本発明の原理を理解するために必要ではなく、故に、本明細書では提示されない。随意のパルス圧縮モジュール４４がない場合、コリメーティングレンズ６６およびビーム減衰器６８が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、周波数変換モジュール２８の中に含まれ得る。

周波数変換モジュール２８は、パルスレーザ放射のビーム２２をＵＶパルスレーザ放射のビーム３０に変換する、非線形結晶７２および非線形結晶７４を含む。第４または第５の高調波波長の非線形高調波発生は、典型的には、２つまたは３つの結晶を要求する。複数の潜在的な変換の組み合わせが、利用可能である。一例として、１つの組み合わせでは、非線形結晶７２は、基本波長を第２の高調波波長に変換し、非線形結晶７４は、第２の高調波波長を第４の高調波波長に変換する。別の組み合わせでは、非線形結晶７２は、基本波長を第３の高調波波長に変換し、非線形結晶７４は、基本波長および第３の高調波波長を第４の高調波波長に変換する。

非線形結晶７２のための好適な材料は、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ_３Ｏ_５）またはベータホウ酸バリウム（β－ＢａＢ_２Ｏ_４）を含む。非線形結晶７４は、好ましくは、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）から作製される。各非線形結晶は、好ましくは、パルスレーザ放射のビーム２２のウェストの中に位置する。非線形高調波発生の効率は、パルスレーザ放射のビーム２２をより小さいウェスト直径に集束させ、それによって非線形結晶内のパルスレーザ放射のビーム２２の強度を増加させることによって改良される。

上記の例示的変換組み合わせおよび例示的パルス持続時間に関して、レーザ源２０は、好ましくは、少なくとも５０Ｗの基本波長パワーを発生させ、非線形結晶７２は、好ましくは、少なくとも３０Ｗの第２の高調波波長パワーを発生させ、非線形結晶７４は、好ましくは、少なくとも５Ｗの第４の高調波波長パワーを発生させる。レーザ源２０は、最も好ましくは、少なくとも８０Ｗの基本波長パワーを発生させ、非線形結晶７２は、最も好ましくは、少なくとも５０Ｗの第２の高調波波長パワーを発生させ、非線形結晶７４は、最も好ましくは、少なくとも１０Ｗの第４の高調波波長パワーを発生させる。

ビーム走査モジュール３２は、ビーム拡張器７６と、ビームスキャナ７８とを含む。ビーム拡張器７６は、ビームスキャナ７８および集束レンズ３４上に入射するＵＶパルスレーザ放射のビーム３０の直径を制御する。ＵＶパルスレーザ放射のビーム３０の直径は、概して、レーザ材料処理用途の集束要件に従って選択される。ビームスキャナ７８は、好ましくは、検流計作動型鏡を使用し、ＵＶパルスレーザ放射のビーム３０を偏向させる。検流計スキャナは、例えば、ＳｃａｎｌａｂＡＧ（ＰｕｃｈｈｅｉｍＧｅｒｍａｎｙ）から市販されている。

気密エンクロージャ４６は、図１および図２に描写され、周波数変換モジュール２８の中に位置する１つの共通パージポート４８を有し、流体的に接続された全てのモジュールを有する。パージポートは、気密エンクロージャ４６の任意のモジュールの中に位置してもよい。代替として、気密エンクロージャ４６を備えるモジュールのうちのいずれか１つは、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、個別に封入され、専用パージポートを有してもよい。モジュールを封入するために、進入および退出窓が、モジュールの中および外にレーザ放射のビームを伝送するために含まれるであろう。個別に封入されたモジュールを有する装置は、個々のモジュールが代用または置換される場合に、修理中の汚染を最小限にするために好ましい。

本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態の観点から上記で説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項のみによって限定される。

Claims

紫外線パルスレーザ放射を発生させるための装置であって、
パルスレーザ放射（２２）のビームを発生させるレーザ源（２０）であって、前記パルスレーザ放射（２２）は、約１００フェムト秒～約２００ピコ秒のパルス持続時間を有する、レーザ源（２０）と、
周波数変換モジュール（２８）であって、前記周波数変換モジュール（２８）は、気密に密閉されている封入された内部容積を有する、周波数変換モジュール（２８）と、
前記レーザ源（２０）から前記周波数変換モジュール（２８）に前記パルスレーザ放射（２２）のビームを輸送するように配列されている中空コア光ファイバ（２４）であって、前記中空コア光ファイバの中空コアは、ガスを含有し、かつ、前記ファイバ（２４）を通過する前記レーザ放射をスペクトル的に広げるように構成されている、中空コア光ファイバ（２４）と、
前記スペクトル的に広げられたレーザ放射を受け取るためのパルス圧縮モジュール（４４）であって、前記パルス圧縮モジュール（４４）は、そこに通過する前記パルスを時間的に圧縮するためである、パルス圧縮モジュール（４４）と、
前記周波数変換モジュール（２８）の前記封入された内部容積内に位置する第１の非線形結晶（７２）および第２の非線形結晶（７４）と
を備え、
前記パルスレーザ放射（２２）のビームは、前記中空コア光ファイバ（２４）および前記パルス圧縮モジュール（４４）および前記第１の非線形結晶（７２）および前記第２の非線形結晶（７４）をこの順序で通るように伝搬し、
前記第１の非線形結晶（７２）および前記第２の非線形結晶（７４）は、紫外線パルスレーザ放射のビームを発生させるように配列されており、
前記中空コア光ファイバは、可撓性である、装置。
前記パルス圧縮モジュール（４４）は、一対のプリズムまたは一対の回折格子を含み、前記スペクトル的に広げられたレーザ放射は、前記一対のプリズムまたは前記一対の回折格子を通して伝搬するように構成されている、請求項１に記載の装置。
前記第２の非線形結晶（７４）は、四ホウ酸リチウムから作製されている、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記中空コア光ファイバ（２４）の前記中空コア内の前記ガスの圧力は、調整されている、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記装置は、ビームスキャナ（７８）と集束レンズ（３４）とをさらに備え、前記ビームスキャナ（７８）は、前記紫外線パルスレーザ放射のビームの光路内に置かれており、前記ビームスキャナ（７８）は、前記紫外線パルスレーザ放射のビームを偏向させるように配列されており、前記集束レンズ（３４）は、前記紫外線パルスレーザ放射の偏向されたビームの光路内に置かれており、前記集束レンズ（３４）は、前記紫外線パルスレーザ放射のビームをワークピースにおいて合焦させるように配列されている、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、気密エンクロージャ（４６）内で前記周波数変換モジュール（２８）と前記集束レンズ（３４）との間に伝搬する、請求項５に記載の装置。
前記気密エンクロージャ（４６）は、真空化されている、請求項６に記載の装置。
前記気密エンクロージャ（４６）は、乾性ガスでパージされている、請求項６に記載の装置。
前記乾性ガスは、清浄な乾燥空気である、請求項８に記載の装置。
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、約２６６ナノメートルの波長を有する、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記紫外線パルスレーザ放射のビームは、約２４４ナノメートルの波長を有する、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記周波数変換モジュール（２８）の前記封入された内部容積は、真空化されている、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記周波数変換モジュール（２８）の前記封入された内部容積は、乾性ガスでパージされている、請求項１または請求項２記載の装置。
前記乾性ガスは、清浄な乾燥空気である、請求項１３に記載の装置。
前記中空コア光ファイバ（２４）は、約１５マイクロメートルよりも大きいモードフィールド直径を有する、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記光ファイバ（２４）から出る前記パルスレーザ放射（２２）は、２０ピコ秒よりも大きいパルス持続時間を有し、前記パルス圧縮モジュール（４４）は、前記パルスレーザ放射の前記パルス持続時間を約２０ピコ秒未満まで減少させるように配列されている、請求項１または請求項２に記載の装置。
前記光ファイバ（２４）から出る前記パルスレーザ放射は、１ピコ秒よりも大きいパルス持続時間を有し、前記パルス圧縮モジュール（４４）は、前記パルスレーザ放射の前記パルス持続時間を約１ピコ秒未満まで減少させるように配列されている、請求項１または請求項２に記載の装置。