JP7023573B2 - レーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振器に関する。

チェンバ内にレーザ媒質ガスを収容したガスレーザ発振器の光共振器を構成する一対のミラーは、一般的にチェンバの壁面に取り付けられている（特許文献１等）。ミラーは、レーザ媒質ガスが収容された空間と、外部空間とを仕切るチェンバの壁面の一部としても機能する。

特開２００３－２９８１５４号公報

レーザ発振器の動作中に、放電による発熱でチェンバが変形する場合がある。チェンバが変形すると、チェンバの壁面に取り付けられている一対のミラーの相対位置関係が変化する。その結果、レーザビームの中心位置、射出方向、品質等が変動してしまう。

本発明の目的は、チェンバの熱変形の影響を受けにくいレーザ発振器を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザ媒質ガスを収容するチェンバと、
前記チェンバの内部の放電空間に放電を生じさせる一対の放電電極と、
前記チェンバの内部空間に配置され、前記チェンバに対して支持され、前記放電空間を通る光軸を持つ光共振器を構成する一対の共振器ミラーと、
前記チェンバの内部空間に配置され、前記共振器ミラーを前記チェンバに対して支持する支持部材と
を有し、
前記支持部材は、前記チェンバを構成する材料の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を持つ材料で形成された低熱膨張材を含み、
前記共振器ミラーが前記低熱膨張材に固定されており、
前記放電電極は、前記光共振器の光軸方向に熱膨張自由に前記チェンバの内部空間に支持されているレーザ発振器が提供される。

共振器ミラーで構成される光共振器の光軸の位置が、チェンバの熱変形の影響を受けにくくなる構成を採用することが容易である。

図１は、実施例によるレーザ発振器の光軸に沿う断面図である。 図２は、図１に示した実施例によるレーザ発振器の光軸に垂直な断面図である。 図３は、図１に示したレーザ発振器のチェンバの突出部分の底板よりも上の側面及び天板を取り除いた状態の概略斜視図である。 図４は、比較例によるレーザ発振器の光軸を含む断面図である。 図５は、図４に示した比較例によるレーザ発振器の光軸に垂直な断面図である。 図６は、他の実施例によるレーザ発振器の光軸を含む断面図である。 図７は、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

図１～図３を参照して、実施例によるレーザ発振器について説明する。
図１は、実施例によるレーザ発振器の光軸を含む断面図である。チェンバ１０にレーザ媒質ガスが収容される。チェンバ１０の内部空間に、一対の放電電極１１及び一対の共振器ミラー１２が配置されている。一対の放電電極１１は、上下方向に間隔を隔てて配置され、両者の間に放電空間１３が画定される。放電電極１１は、チェンバ１０の内部の放電空間１３に放電を生じさせることにより、レーザ媒質ガスを励起する。

一対の共振器ミラー１２は、チェンバ１０の内部空間に配置された支持部材１４を介してチェンバ１０に支持されている。共振器ミラー１２は、放電空間１３を通る光軸を持つ光共振器を構成する。支持部材１４は、チェンバ１０を構成する材料の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を持つ低熱膨張材で形成されている。例えば、チェンバ１０はステンレス鋼、アルミニウム等で形成され、支持部材１４はインバー（登録商標）等で形成される。１つの低熱膨張材に、一対の共振器ミラー１２が固定されている。

さらに、チェンバ１０の内部空間に、チェンバ１０の内部のレーザ媒質ガスを循環させるブロワ１５が配置されている。レーザ媒質ガスが循環する経路に、放電空間１３が含まれる。

チェンバ１０は、少なくとも２か所のチェンバ支持点３０において外部のベースに支持される。このベースには、レーザ発振器から出力されたレーザビームが通過する種々の光学装置が支持される。

共振器ミラー１２及び放電電極１１は、チェンバ支持点３０よりも上方の空間に配置されており、ブロワ１５は、チェンバ支持点３０より下方のブロワ室１６に配置されている。一対の共振器ミラー１２は、放電空間１３を光共振器の光軸に平行な二方向に延伸させた突出部分１７にそれぞれ収容されている。突出部分１７は、ブロワ室１６の壁面から光軸方向に張り出している。チェンバ支持点３０は、突出部分１７の底板１７Ａに位置している。ブロワ室１６はチェンバ支持点３０の下方に吊り下げられた状態で保持される。共振器ミラー１２及び放電電極１１は、突出部分１７の底板１７Ａの内面に支持されている。

光共振器の光軸を一方向（図１において左方向）に延伸させた延長線とチェンバ１０の壁面との交差箇所に、レーザビームを透過させる光透過窓１８が取り付けられている。光共振器内で励振されたレーザビームが光透過窓１８を透過して外部に放射される。

チェンバ１０内に仕切り板２０が配置されている。仕切り板２０は、ブロワ室１６及び放電空間１３を含むレーザ媒質ガスの循環経路と、共振器ミラー１２が配置された空間（ミラー収容空間）２７とを仕切る。仕切り板２０には、光共振器の光軸と交差する箇所に開口２１が設けられている。この開口２１を通過するレーザ光が光共振器に閉じ込められる。

図２は、本実施例によるレーザ発振器の光軸に垂直な断面図である。チェンバ１０の突出部分１７（図１）の底板１７Ａよりも上方の空間に支持部材１４及び放電電極１１が配置されている。放電電極１１及び支持部材１４は、突出部分１７の底板１７Ａの内面に支持されている。例えば、放電電極１１は、共振器ミラー１２（図１）を支持する支持部材１４を跨ぐように配置された門型の支持部材２３を介して底板１７Ａに支持されている。

チェンバ１０内に仕切り板２０が配置されている。仕切り板２０は、ブロワ室１６、ブロワ室１６から放電空間１３までの第１ガス流路２４、放電空間１３、及び放電空間１３からブロワ室１６までの第２ガス流路２５で構成されるレーザ媒質ガスの循環経路を画定する。ブロワ１５は、この循環経路をレーザ媒質ガスが循環するように、レーザ媒質ガスの流れを発生させる。仕切り板２０は、この循環経路と、共振器ミラー１２（図１）が配置されたミラー収容空間２７とを仕切る。仕切り板２０に、レーザ光を通過させるための開口２１が設けられている。

レーザ媒質ガスの循環経路のうち、ブロワ１５から放電空間１３に向かう部分の仕切り板２０に、循環経路からミラー収容空間２７にレーザ媒質ガスを流出させる流出穴２８が設けられている。ブロワ１５によって第１ガス流路２４に向かうレーザ媒質ガスの流れに含まれる一部のレーザ媒質ガスは、流出穴２８を通過してミラー収容空間２７に流出する。流出穴２８には、パーティクルを除去するフィルタ２９が設けられている。例えば、フィルタ２９は流出穴２８を塞いでおり、ブロワ室１６からミラー収容空間２７に流入するレーザ媒質ガスは、フィルタ２９を通過することによりろ過される。

図３は、チェンバ１０の突出部分１７の底板１７Ａよりも上の側面及び天板を取り除いた状態のレーザ発振器の概略斜視図である。仕切り板２０が、突出部分１７の底板１７Ａをチェンバ１０の内側に向かって延長した仮想平面に沿う第１部分２０Ａ、上側の放電電極１１に連続する第２部分２０Ｂ、下側の放電電極１１（図３には表れていない。）に連続する第３部分２０Ｃ、及び一対の第４部分２０Ｄで構成される。図３において、第１部分２０Ａにハッチングを付している。

第２部分２０Ｂ及び上側の放電電極１１を外周側の壁面とし、第３部分２０Ｃ及び下側の放電電極１１（図２）を内周側の壁面とし、光軸に対して垂直な断面がＵ字状の空間が形成される。Ｕ字状の空間の光軸方向の両端が、それぞれ第４部分２０Ｄで塞がれる。一対の第４部分２０Ｄには、それぞれ開口２１が設けられている。

第１部分２０Ａに、光軸方向に長い長方形の一対の開口２２が設けられている。Ｕ字状の空間の周方向の両端が、それぞれ一対の開口２２を介してブロワ室１６に連続している。ブロワ室１６から一方の開口２２を通ってＵ字状の空間にレーザ媒質ガスが流入し、Ｕ字状の空間から他方の開口２２を通ってブロワ室１６にレーザ媒質ガスが回収される。図３において、開口２２をレーザ媒質ガスが通過する方向を、矢印で示している。ブロワ室１６からＵ字状の空間にレーザ媒質ガスが流入する側の開口２２の外側に、第１部分２０Ａを貫通する流出穴２８が設けられている。循環するレーザ媒質ガスの一部は、流出穴２８を通って第１部分２０Ａの上側のミラー収容空間２７（図１、図２）に流入する。図３において、流出穴２８をレーザ媒質ガスが通過する方向を矢印で示している。

次に、本実施例によるレーザ発振器の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。

共振器ミラーがチェンバ１０の壁面に取り付けられている構造だと、チェンバ１０に熱変形が生じると、共振器ミラーの位置及び姿勢が変化してしまう。本実施例では、共振器ミラー１２がチェンバ１０の壁面に直接取り付けられておらず、チェンバ１０の内部空間に配置されている。このため、共振器ミラーがチェンバ１０の壁面に取り付けられている構造と比べて、チェンバ１０が熱変形したとしても、共振器ミラー１２の位置及び姿勢がチェンバ１０の熱変形の影響を直接的には受けない。このため、共振器ミラー１２の相対的な位置ずれが生じにくい。さらに、一対の共振器ミラー１２が１つの低熱膨張材からなる支持部材１４に固定されているため、共振器ミラー１２の相対的な位置ずれがさらに生じにくくなる。

次に、本実施例によるレーザ発振器の構成を採用することにより得られる優れた効果について、図４及び図５に示した比較例によるレーザ発振器と比較しながら説明する。

図４は、比較例によるレーザ発振器の光軸を含む断面図である。チェンバ５０が、その底面のチェンバ支持点５９において外部のベースに支持される。チェンバ５０の内部に放電電極５１が配置されている。放電電極５１は、その両端においてチェンバ５０の側壁に支持されている。放電電極５１とチェンバ５０の底面との間にブロワ６１が配置されている。

チェンバ５０の上面の上に支持部材５４がチェンバ５０に対して支持されている。支持部材５４は光軸方向に長く、その両端に共振器ミラー部５５がそれぞれ取り付けられている。共振器ミラー部５５に共振器ミラー５２が取り付けられている。放電空間５３を光軸方向に延伸した延伸領域と、チェンバ５０の壁面とが交差する位置に開口５６が設けられている。放電空間５３をさらにチェンバ５０の外側まで延伸させた位置に共振器ミラー５２が配置されている。開口５６の縁と共振器ミラー５２とがベローズ５７で接続されている。ベローズ５７と共振器ミラー５２とにより、開口５６が塞がれる。

図５は、比較例によるレーザ発振器の光軸に垂直な断面図である。チェンバ５０内に放電電極５１及びブロワ６１が配置されている。放電空間５３からブロワ６１の吸引部までレーザ媒質ガスを導くダクト６２が配置されている。

比較例（図４、図５）では、共振器ミラー５２がチェンバ５０の壁面に直接取り付けられているわけではないため、チェンバ５０の熱変形の影響を直接的には受けにくい。ただし、チェンバ５０の上面の上に配置された支持部材５４の支持点が、チェンバ５０の底面のチェンバ支持点５９から、チェンバ５０の高さ方向の寸法だけ離れている。チェンバ５０が熱変形すると、チェンバ支持点５９に対して、支持部材５４の支持点の位置が変動する。支持部材５４の支持点の位置の変動に応じて、共振器ミラー５２の位置も、チェンバ支持点５９に対して変動してしまう。

本実施例では、チェンバ１０が、突出部分１７の底板に位置するチェンバ支持点３０で支えられ、放電電極１１及び共振器ミラー１２が、突出部分１７の底板に支持されている。このよに、放電電極１１及び共振器ミラー１２を支持する箇所が、チェンバ１０を支持するチェンバ支持点３０に近い。このため、チェンバ１０が熱変形しても、放電電極１１及び共振器ミラー１２の、チェンバ支持点３０に対する位置ずれが生じにくい。レーザビームのビーム位置のチェンバ支持点３０に対する変化量も小さくなる。

また、本実施例では、ブロワ室１６がチェンバ支持点３０から下方に吊り下げられる構造が採用されており、ブロワ室１６の下端は機械的に固定されておらずフリーな状態である。このため、ブロワ室１６の熱変形が共振器ミラー１２や放電電極１１の位置に影響を及ぼさない。

放電電極１１及び共振器ミラー１２の位置ずれを生じにくくするために、チェンバ支持点３０が位置する平板と共通の平板に、放電電極１１及び共振器ミラー１２を支持する構造とするとよい。このような構造を採用すると、平板が面内方向に伸縮しても、放電電極１１及び共振器ミラー１２の高さ方向の位置はほとんど変化しない。

支持部材１４（図１）を光共振器の光軸方向に離れた２点で支持する場合、一方の支持点において支持部材１４をチェンバ１０に固定し、他方の支持点においては、光軸方向に関して移動可能に支持するとよい。このような構造を採用すると、支持部材１４に対してチェンバ１０が光軸方向に伸縮可能であるため、支持部材１４がチェンバ１０の熱変形の影響を受けにくくなる。同様に、放電電極１１も、一方の支持点においてチェンバ１０に固定し、他方の支持点においては、チェンバ１０に対して光軸方向に移動可能に支持するとよい。

放電電極１１及び共振器ミラー１２がチェンバ１０の熱変形の影響を受けにくくするために、放電電極１１を支持するチェンバ１０の壁面上の電極支持点３１、共振器ミラー１２を支持するチェンバ１０の壁面上のミラー支持点３２を、チェンバ支持点３０に近づけることが好ましい。例えば、高さ方向に関して、放電電極１１の電極支持点３１、共振器ミラー１２のミラー支持点３２、チェンバ支持点３０の最大間隔を、チェンバ１０の高さ方向の寸法の２０％以下にすることが好ましい。

また、本実施例では、共振器ミラー１２のミラー支持点３２と、放電電極１１の電極支持点３１とが近接しているため、光共振器の光軸と、放電電極１１の中心軸との芯ずれが生じにくい。

図４及び図５に示した比較例では、レーザ媒質ガスが循環する空間と、共振器ミラー５２が面する空間とが仕切られていない。このため、レーザ媒質ガス中のパーティクルが共振器ミラー５２に付着しやすい。

図１及び図２に示した実施例では、レーザ媒質ガスの循環経路と、ミラー収容空間２７とが仕切り板２０で仕切られている。このため、レーザ媒質ガス中のパーティクルが共振器ミラー１２に付着しにくいという効果が得られる。

また、レーザ媒質ガスの循環経路がミラー収容空間２７に対して陽圧になる箇所の仕切り板２０に、流出穴２８が設けられている。このため、レーザ媒質ガスが、循環経路から流出穴２８を通ってミラー収容空間２７に流入する。その結果、ミラー収容空間２７の圧力が上昇する。ミラー収容空間２７の圧力が上昇すると、放電空間１３から開口２１を通って共振器ミラー１２に向かうレーザ媒質ガスの流れが抑制される。これにより、放電空間１３内のパーティクルが開口２１を通って共振器ミラー１２に付着しにくくなるという効果が得られる。

循環経路からミラー収容空間２７へ流入するレーザ媒質ガスがフィルタ２９によってろ過されるため、循環経路からミラー収容空間２７へのパーティクルの流入を抑制することができる。

さらに、図１、図２に示した実施例では、低熱膨張材で形成された支持部材１４がチェンバ１０の内部空間に配置されており、共振器ミラー１２も内部空間に配置されている。このため、支持部材５４（図４）をチェンバ５０の外側に配置した比較例と比べて、構造を簡素化することができる。

次に、図６を参照して他の実施例によるレーザ発振器について説明する。以下、図１及び図２に示した実施例によるレーザ発振器の構成と共通の構成については説明を省略する。

図６は、本実施例によるレーザ発振器の光軸を含む断面図である。図１及び図２に示した実施例によるレーザ発振器では、共振器ミラー１２が支持部材１４を介して、突出部分１７の底板１７Ａに支持され、放電電極１１は、門型の支持部材２３により突出部分１７の底板１７Ａに支持されていた。図６に示した実施例では、放電電極１１も支持部材１４を介して突出部分１７の底板１７Ａに支持されている。すなわち、共振器ミラー１２及び放電電極１１のいずれも、支持部材１４に支持される。

次に、図６に示したレーザ発振器の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。本実施例では、共振器ミラー１２と放電電極１１とが、共通の支持部材１４に支持されるため、放電電極１１の中心軸と光共振器の光軸との芯ずれがさらに生じにくくなる。支持部材１４と放電電極１１との熱膨張率の差に起因する変形を抑制するために、放電電極１１を、支持部材１４に対して光軸方向に熱膨張自由に支持するとよい。

次に、図７を参照して、さらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図７は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。レーザ加工装置は、ベース８０に支持されたレーザ発振器７０、光学系７２、及びステージ７４を含む。レーザ発振器７０として図１、図２に示した記実施例、または図６に示した実施例によるレーザ発振器が用いられる。レーザ発振器７０は、チェンバ支持点３０によりベース８０に支持されている。

光学系７２は、レーザ発振器７０から出力されたレーザビームのビームプロファイルの整形、収束、走査等を行い、ステージ７４に保持された加工対象物７５にレーザビームを入射させる。加工対象物７５は、例えばプリント配線基板であり、レーザビームにより穴明け加工が行われる。ステージ７４として、例えばＸＹステージが用いられる。

次に、図７に示したレーザ加工装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。本実施例では、レーザ発振器７０として図１、図２、図６等に示した実施例によるレーザ発振器が用いられる。このため、レーザ発振器７０のチェンバ１０（図１、図２、図７）が熱変形しても、ベース８０に対するレーザビームのビーム位置の変動が生じにくい。光学系７２もベース８０に固定されているため、レーザ発振器７０から出力されるレーザビームのビーム位置と、光学系７２との相対位置関係のずれが生じにくい。

レーザビームのビーム位置と、光学系７２との相対位置関係のずれが生じにくいため、ビームプロファイルの整形不良が生じにくい。このため、整形不良による加工品質の低下を抑制することができる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ チェンバ
１１ 放電電極
１２ 共振器ミラー
１３ 放電空間
１４ 支持部材
１５ ブロワ
１６ ブロワ室
１７ 突出部分
１７Ａ 突出部分の底板
１８ 光透過窓
２０ 仕切り板
２０Ａ 仕切り板の第１部分
２０Ｂ 仕切り板の第２部分
２０Ｃ 仕切り板の第３部分
２０Ｄ 仕切り板の第４部分
２１、２２ 開口
２３ 門型の支持部材
２４ 第１ガス流路
２５ 第２ガス流路
２７ ミラー収容空間
２８ 流出穴
２９ フィルタ
３０ チェンバ支持点
３１ 電極支持点
３２ ミラー支持点
５０ チェンバ
５１ 放電電極
５２ 共振器ミラー
５３ 放電空間
５４ 支持部材
５５ 共振器ミラー部
５６ 開口
５７ ベローズ
５９ チェンバ支持点
６１ ブロワ
６２ ダクト
７０ レーザ発振器
７２ 光学系
７４ ステージ
７５ 加工対象物
８０ ベース

Claims (8)

1. レーザ媒質ガスを収容するチェンバと、
   前記チェンバの内部の放電空間に放電を生じさせる一対の放電電極と、
   前記チェンバの内部空間に配置され、前記チェンバに対して支持され、前記放電空間を通る光軸を持つ光共振器を構成する一対の共振器ミラーと、
   前記チェンバの内部空間に配置され、前記共振器ミラーを前記チェンバに対して支持する支持部材と
   を有し、
   前記支持部材は、前記チェンバを構成する材料の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を持つ材料で形成された低熱膨張材を含み、
   前記共振器ミラーが前記低熱膨張材に固定されており、
   前記放電電極は、前記光共振器の光軸方向に熱膨張自由に前記チェンバの内部空間に支持されているレーザ発振器。
2. 前記光共振器の光軸方向に関して、前記チェンバが前記低熱膨張材に対して伸縮可能に、前記低熱膨張材が前記チェンバに対して支持されている請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記放電電極は、前記低熱膨張材に支持されている請求項１または２に記載のレーザ発振器。
4. レーザ媒質ガスを収容するチェンバと、
   前記チェンバの内部の放電空間に放電を生じさせる一対の放電電極と、
   前記チェンバの内部空間に配置され、前記チェンバに対して支持され、前記放電空間を通る光軸を持つ光共振器を構成する一対の共振器ミラーと、
   前記チェンバの内部空間に収容され、前記チェンバの内部のレーザ媒質ガスを循環させるブロワと
   を有し、
   前記チェンバがチェンバ支持点で支持されており、
   前記ブロワを収容するブロワ室が、前記チェンバ支持点から下方に吊り下げられるレーザ発振器。
5. 前記放電電極は、前記チェンバの壁面上の電極支持点において支持されており、前記共振器ミラーは、前記チェンバの壁面上のミラー支持点において支持されており、前記チェンバの高さ方向に関して、前記電極支持点、前記ミラー支持点、及び前記チェンバ支持点の最大間隔が、前記チェンバの高さの２０％以下である請求項４に記載のレーザ発振器。
6. さらに、前記チェンバ内に配置され、前記ブロワ室、前記ブロワ室から前記放電空間までの第１ガス流路、前記放電空間、及び前記放電空間から前記ブロワ室までの第２ガス流路で構成されるレーザ媒質ガスの循環経路を画定する仕切り板を備え、
   前記仕切り板は、前記循環経路と前記共振器ミラーが収容された空間とを仕切り、
   前記仕切り板の、前記光共振器の光軸と交差する箇所に開口が設けられている請求項４または５に記載のレーザ発振器。
7. 前記循環経路のうち、前記ブロワから前記放電空間までの部分の前記仕切り板に、前記循環経路から前記共振器ミラーが収容された空間にレーザ媒質ガスを流出させる流出穴が設けられている請求項６に記載のレーザ発振器。
8. 前記流出穴に、パーティクルを除去するフィルタが設けられている請求項７に記載のレーザ発振器。
   

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