JPH03500620A - 目的物のレーザ処理方法及びその方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 目的物のレーザ処理方法及びその方法を実施するための装置 発明の分野 本発明は工業用物理に関し、詳細にはレーザ技術および装置、そして更に詳細に は目的物のレーザ処理方法およびその方法を実施するための装置に関する。

背景技術 現在、レーザビームは成る種の処理のためのエネルギー人力を得るためにレーザ 束の特定の密度分布により目的物の特定の領域を照射するために科学および技術 の多くの分野および産業および医学において用いられている。

この問題は多くの異なった光学レーザシステムを用いるいくつかの周知のレーザ 処理方法により多かれ少かれ効果的に扱われる。しかしながら、種々の材料の処 理におけるレーザビームの潜在的な力は完全には研究されていない。レーザは安 価に使用出来ないから夫々の方法および装置はそのような方法および装置の基本 要素であるレーザの応用において達成される効率にもとづきアクセスされるべき である。

レーザ技術は処理領域の形に従って次の３つのタイプに分類出来る。

一スポットレーザ処理−例えばスポット溶接のように盲目穴および貫通穴を明（ ける。

一直線レーザ処理−溶接、切断、線引き。

−複雑な形状のパターンのレーザ処理−熱処理、リソグラフまたは印刷、パター ニング。

この内、最後の、もっとも複雑なパターンの処理方法ではまず光学系が処理ゾー ンの所望の形状と寸法によりレーザビームをつくり（イメージ形成段）そして次 に特定のエネルギー人力がこの処理ゾーンに加えられる（光学イメージの目的物 への伝送）。処理ゾーンの形と寸法はこの製造操作の特定の要件により指示され る。

種々の目的物のレーザ処理についての光学イメージの発生にはいくつかの方法が 用いられる。一般に輪郭ビーム法とコンタクトおよび投影の技術を用いるマクス 法が用いられている。

周知の目的物のレーザ処理の輪郭法（ベイコ他、ラゼルナヤ・オブラボツ力、１ ９７３、レニツダート出版、レニングラード、９．１４４）ではパターンの光学 イメージが対物レンズにより焦点づけられた光ビームにより特定のプロフィール または輪郭を次に照明することにより特定の露出時間内に発生される。この輪郭 は目的物を動かすかあるいは光ビームを走査することによりトレースされる。こ の目的物は一般に対物レンズの焦点面内に置かれそして走査はその装置の光学系 の機械的な移動により行われる。この方法では光学系が輻射線を１点に焦点づけ るための少くとも１個のレンズとレーザビームと目的物の相対動作用の手段を有 することが重要である。

この従来の方法はレーザエネルギーの有効利用の点で有利である。またスポット 面に高いエネルギー密度を達成出来ることも有利である。しかしながら、この方 法は全処理ゾーンを１度に露出出来ないから複雑な形状のノ＜ターンをつくるに ついては著しく効率が悪い。他方、この方法は処理ゾーン内に特定のレーザビー ム密度分布をつくる光学的手段を有しない。この欠点はこの方法により実現出来 る製造操作の範囲を制限する。もし処理ゾーンがアウトラインまたは輪郭でなく 、限られた面である場合にはこの方法は高品質のレーザ処理を与えることが出来 ない。

周知のマスクレーザ処理方法（ベイコ他、ラゼルナヤオブラボト力、１９７３、 レニツダート出版、レニングラード、ｐ、１３６）では特定の形と寸法のレーザ ビームがこの方法の実施のための装置の光学系に配置されたマスク（ステンシル ）を通して目的物の表面の領域を照射することによりつくられる。このマスクの フリースペースすなわちスロットは処理ゾーンの所望の形に対応し、寸法はその まま、あるいは所望の寸法に光学系により縮尺あるいは拡大される。この方法の ２つの変形、コンタクト法および投影法が最近一般的となっている。

コンタクト法ではマスクが露光前に目的物に押しつけられる。この方法の利点は 装置の光学系が複雑でないということである。しかしながらこのレーザ処理方法 は目的物がマスクをそれに押しつける際に機械的に損傷しうるという欠点をもつ 。他方、このマスクが目的物の表面に密着しないとレーザ処理品質が屈折歪みに 影響される。

他方、このマスクは疲労に強く処理されるべき材料と比較してレーザ輻射に対し 耐性をもつべきである。

投影法においてはレーザビームの照射を受けるマスクは処理ゾーンの所望の形に 対応するスロットを特徴とする。投影レンズはマスク像を所望の寸法に縮尺する ために用いられる。このレンズの焦点面は処理されるべき目的物の表面と一致す る。この投影法に用いられるいくつかの光学系があり、それに対応していくつか の装置がある（ラゼルナヤ・イ・エレクトロノールチェバヤオブラボト力・マデ アノフ、参考本、　Ｎ、　Ｎ、リカリン他、１９８３、ｐｐ４４５〜４４９）。

この参考本はレーザ処理に用いられるべきレーザのパラメータと工業的なレーザ 設備についても述べている。

コンタクト法および投影法を含むマスクレーザ処理方法はマスクの不透明部分で 大きなレーザエネルギーが失われるという欠点を有する。そのような方法は処理 ゾーン全域に所望のレーザエネルギー密度分布を与えることが出来ない。

投影法と輪郭法を同時に用いる合成方法が一般に知られている。この場合、投影 光学系は対物レンズの焦点面に縮小したマスクイメージをつくり、スキャナーが 従来のように所望のパターンの光学イメージをつくる。

目的物または材料の投影レーザ処理法を利用（エレクトロンナヤ・プロミシニレ ンノスト、Ｎｏ、１．１９７６、モスコー、Ｖ、Ｚ、ビソツスキイ他、ウスタノ フカ・シ・プロエクションノイ・オブチシエスコイ・ミステモイ・ドリア・ホロ ヅオンキ・レジストロフ。ｐｐ２２〜２３）しそしてＩＣの受動要素のパラメー タの調整用として意図された周知の装置がある。この装置はレーザ輻射源と、そ の光学軸上に配置される、処理されるべき目的物にレーザビームを分配する光学 系と、から成る。抵抗の製造プロセスの調整はレーザにより抵抗フィルムの余分 な部分の材料を所望の寸法となるように蒸発させることにより除去することから なる。このために、この装置の光学系は所望の面内に長さ７〜１０龍、幅１＋ｏ ｍの直線状のレーザビームスポットを均一なビーム密度分布をもって発生する。

この装置は１．０６μｍの波長でＱスイッチモードで動作するレーザを有する。

出力レーザビームは正レンズにより対物レンズの直前に置かれた円筒形レンズへ と焦点づけられる。所望の形のスロットを特徴とするマスクが円筒形レンズの後 に配置される。円筒形レンズのジェネレータは、その縁部が高分解能対物レンズ による歪みを伴うことなく再生されるようにスロットに対し直角に配置される。

スロットを横切る形の線イメージは処理ゾーンの外側に配置されそしてその結果 スロットイメージ内のレーザビーム密度の分布は比較的均一であって中心から縁 に向ってゆっくり低下する。切断の長さは処理されている表面近辺の特殊なダイ アフラムにより均一エネルギー密度分布領域によって制限される。

この装置は従来の光学要素が特定のレーザ放出密度分布（この場合、均一）およ び輻射出力の最大利用を伴って新値の形の処理ゾーン（この場合、狭い条片）を つくるために用いられるときに生じる形式の問題の他の例を有する。この光学系 は必然的に複雑になりすぎそして精密な調整を必要とする。輻射出力は必然的に このマスクで失われる。

目的物のレーザ処理の夫々の方法およびそのための装置は利点と欠点を有しそし てその特定の応用分野を有する。しかしながら現存する目的物上の特定のパター ンのレーザ処理方法およびそのための装置は特定の輻射出力の密度分布と特定の 形を有する処理ゾーン内でのレーザビーム出力の密度のような２つの機能的な能 力の組合せを与えることが出来ないことは明らかである。

発明の開示 本発明の目的は本発明のレーザ処理方法により実現される製造操作の範囲を拡大 し、輻射出力の利用率を改善し、より高い効率を達成し、そしてレーザ処理の信 頼性を改善すること、およびレーザ処理品質とその精度を改善することである。

この目的は、特定の形の処理ゾーンに向けられる少くとも１本のレーザビームに よる目的物の表面の照射によるその目的物のレーザ処理方法において、本発明に よれせば、レーザビームを処理ゾーン内の所望の複写線強度分布に一致して実現 されそしてレーザビームの光学軸の同時的なターンとを利用する空間位相変調す ることにより達成される。

本発明による目的物のレーザ処理方法においては空間位相変調されたレーザビー ムはその光学軸のまわりで回転するようにするとよい。

また、本発明によれば、目的物が少くとも１本の不可視レーザ輻射ビームにより 処理されるごとくなった目的物のレーザ処理方法において、この不可視レーザビ ームは同一の輻射強度分布を有する可視レーザビームにより目的物の表面の処理 ゾーンに向けられるとよい。

本発明の目的はまたレーザ源とその光学軸上に配置される目的物にレーザビーム を向ける光学系とから成るこのレーザ処理方法の実施のための装置により達成さ れるのであり、本発明によればこの光学系はレーザビームの回転、その空間位相 変調および所望の形状をもつ処理ゾーン全域でのその出力の再分布を保証するコ ンピュータ光学による少くとも１個の位相エレメントからなり、このコンピュー タ設計による光学エレメントは所望の形の処理ゾーン、輻射線強度分布、および 輻射線の波長によりきまる表面マイクロパターンを有する反射および透過プレー トとしてつくられており、このマイクロパターンのピークの高さはビークベース からトップまでとなっており、反射プレートについては０からλ／２、透過プレ ートについては０からλ／（ｎ−１）であり、但しｎは透過プレート材料の屈折 率である。

この装置において本発明によれば、レーザ源は不可視ビームを発生する第１レー ザと、可視ビームを発生する第２レーザと、第２レーザの光学軸上に配置された 第２光学系であって処理ゾーン内の可視イメージと光学的に一致する所望の形状 の可視イメージを発生するための少くとも１個のコンピュータ設計による位相エ レメントを含む。

本発明の装置はレーザ源の光学軸に対してコンピュータ設計になる位相エレメン トをシフトする手段を有する。

本発明の装置はシフト／ロック手段内に配置された一群のコンピュータ設計位相 エレメントを含む。

本発明は材料のレーザ処理により行われる製造操作の範囲を拡大し、輻射出力を 維持しそして所望のレーザビーム密度分布を保証しつつ目的物の表面の処理ゾー ン内でのビームの幾、両特性のフレキシブルな制御を与えることによるレーザ輻 射の高い利用率を達成しうるようにする。この発明は極めて複雑な形のゾーンの 処理に当っての高い再現性および複合製造操作についての時間を短縮することに よる高い効率により特徴づけられる信頼性の高いレーザ処理方法を提供する。更 に、製造プロセスのパラメータを容易に最適化可能であり、レーザ処理がより正 確になり、処理されるべき目的にレーザ輻射を分配するための光学系内の光学エ レメントの数が減少しそして本装置は、より信頼性が高く且つコンパクトとなる 。

本発明の方法は他のレーザ処理方法と組合せることが出来る。製造操作の範囲は 広げることが出来る。材料のレーザ処理のプロセスは容易に自動化出来、その処 理をより信頼性の高いそして効率の高いものにする。

図面の簡単な説明 本発明のこれらおよび他の利点は下記添附図面についての本発明の好適な実施例 の次の説明からより明らかになろう。

第１図は本発明による、輻射強度の特定の分布を有する処理ゾーンの光学イメー ジを発生する方法の一例の概略図である。

第２図は本発明による、第１図の側面図である。

第３図は本発明による、これと同じ図であって、レーザビームが成る角度だけ回 転したところを示す図である。

第４図は本発明による、輻射強度の特定の分布を有する処理ゾーンの光学イメー ジを発生する方法の他の例の概略図であってコンピュータ設計になる位相エレメ ントがレーザビーム軸に沿って前進するようになった例を示す図である。

第５図は第４図・において、コンピュータ設計になる位相エレメントが回転する ようになった例を示す図である。

第６図は本発明による、目的物のレーザ処理方法を実施するための装置のブロッ ク図である。

第７図は本発明による、コンピュータ設計になる位相エレメントの側面図である 。

第８図は本発明による、第７図のエレメントの上面図である。

第９図は本発明による、特殊な形のレーザビーム処理ゾーン内で制御された動き を行うようになった目的物のレーザ処理方法を実施するための装置のブロック図 である。

第１０図は本発明による、複数の処理ゾーンに適用出来るレーザ処理方法を実施 するための装置のブロック図である。

第１１図は本発明による、不可視レーザ輻射が処理ゾーンに向けられるようにな ったレーザ処理方法を実施するための装置のブロック図である。

第１２図は本発明による、眼科手術に用いられる装置の概略図である。

第１３図は本発明による、自動制御を有する装置の概略図である。

発明を実施するための最良の態様 この新しいレーザ処理方法は実際上の目的、すなわち材料の処理分野での種々の 技術上の問題に合せての現存するレーザの能力の使用を行う上で最も重要なこと は何かということで開発された。

レーザビームは一般に横断面が円形または矩形であるが、エネルギー人力（熱ま たは熱化学）は種々の複雑な形状パターンを有する処理ゾーン内の目的物に加え られねばならない、レーザビームの横断面についての輻射強度分布はレーザの設 計によりきまるが、特定の形状をもつ熱フィールドは特定の技術をもって処理ゾ ーン内に与えられるべきである。レーザビームは直線に沿って伝播するが、処理 ゾーンは必ずしもその延長上にない。多くの技術上の問題は特定の形の処理ゾー ンにわたり特定の要件に従ってのレーザ輻射の強度分布が処理の必要な面内でこ のゾーンに加えられるならば解決出来る。目的物はレーザ源に対して都合のよい ように配置されるとよい。

また、目的物にレーザを当てるために用いられる光学系の寸法はその系内に設け られる補助的な光学装置およびエレメントがあるから大きすぎてはならない。

このレーザ処理方法は主目的、すなわち処理ゾーン内に可視および不可視レーザ のスポットをそのスポット内で特定のレーザ密度または出力分布を有する領域ま たはパターンとして発生することである。この方法は高速で、単純で、信頼性が 高く且つエネルギー損失が低いことで経済的であるべきである。更に、レーザビ ームは目的物にレーザ輻射を分配するシステム内に配置される別の光学エレメン トを用いることなく特定の角度で処理ゾーンに向けられるべきである。

これはレーザ処理分野において処理ゾーンの光学イメージを発生する新規な方法 により達成される。この新しい方法は静的および動的なものに区別出来る。

静的方法は特定の処理ゾーン２の形とこのゾーン２内の特定のレーザ輻射強度分 布１′によりきまるレーザビーム１（第１図）の空間的な変調を用いる（ＰＣＴ ／５Ｕ８５１０００３７．ＣＡ、Ａ、４８８０９２）。この空間的な位相変調は ビームの円または矩形の横断面ＳがＳ′に縮小（焦束プロセス）し、ビーム１の 横断面３の形が特定の形となるように変えられるべく円または矩形の横断面Ｓお よびその全域についてのレーザ強度の初期分布Ｉをもつレーザビームを変換する 。同時に、横断面Ｓの強度分布は１から１′に再分布され、そしてその結果特定 の時間内のレーザ強度分布も変えられる。

レーザビーム１の空間位相変調は光学軸４に沿ったビーム１を角度φに回転させ ることの出来るコンピュータ設計になる位相エレメント３により行われる（ＰＣ Ｔ／５Ｕ８５１０００３７　；ＣＡ、Ａ、４８８０９２）。

この方法はエレメント３から距Ｍｆ（第２図）のところのエレメント３の焦点面 内で特定の形と特定の強度分布Ｉ′を有する処理ゾーン２のイメージの瞬間的な 発生を可能にする。このイメージは初期レーザビーム１の光学軸４の外（第１３ 図）またはその上（第２図）に配置しうる。目的物５の表面はエレメント３の焦 点面と一致する。そして目的物５はこのレーザで照射される。イメージは目的物 ５の材料へのレーザビーム１の入力プロセスにより目的物５に移される。

成る場合にはイメージの品質、従ってレーザ処理の品質を改善するためにレーザ ビーム１は拡大レンズ６（第２図）で拡大されねばならない。レンズ６の後に拡 散するビームは無視しつる。これは特にビーム１が位相エレメント３のコースチ ックの長さ“ｐｏに等しい長さをもつ光学軸４に沿った細いシリンダ状に集束さ れるときに重要である。

この方法は処理ゾーン２がレーザビーム１の寸法に近い寸法であるときは極めて 有効である。ゾーン２が特に小さいときは位相エレメント３により発生されるイ メージは投影レンズにより縮小されうる。

ゾーン２の寸法がビーム１のそれより著しく大きいときは、ゾーン２の光学イメ ージを発生するためのこの方法の一つである動的法を用いるべきである。

この動的方法ではゾーン２の完全な光学イメージ（第４．５図）が、特定の形と 寸法のゾーン２の位相エレメント３により予め空間的に変更されたビーム１によ る連続的な照射により露光時間内に合成される。このため、目的物５と空間的に 変更されたビーム１は互いにずらされるべきである。これは位相エレメント３（ 第４．５図）または目的物５の空間位置を変えることにより達成される。第４． ５図はこの方法の変形を示しており、コンピュータ設計になる位相エレメント３ が速度Ｖでビーム１の光軸４に沿って動かされるか、あるいは速度ωでその軸の まわりで回転される。

この方法はゾーン２の個々のコンポーネント７から所望の形と寸法の処理ゾーン ２のイメージを次々に合成し、そのようなコンポーネント７の形は位相エレメン ト３の設計の基礎となる。このレーザ処理方法はより広い応用面を有する。強度 分布１′はゾーン２の形と共にゾーン２の個々のコンポーネント７内で制御出来 、そして位相エレメント３そしてまたは目的物の線形移動速度Ｖまたは回転速度 ωは時間とともに変化しうるものであり、■−Ｖ　（ｔ）およびω−ω（１）と なる。これらは広い表面にわたり、他のレーザ処理方法では実現が不可能かある いは非常に困難である技術的な操作を実行するという利点を与える。

このレーザ処理方法をその実施のための最も単純な形の装置について説明する。

この装置はレーザ源８（第６図）を有し、これはレーザ９、電源９１、ビームシ ャッタ１０．それに付随する電気的制御ユニット１０Ｉ、制御ユニット１１’を 有するレーザピームチジッパ１１からなる。レーザビームを目的物５に向ける光 学系１２は源８の光学軸４上に配置される。光学系１２は少くとも１個のコンピ ュータ設計になる位相エレメント３を有する。レーザビームを拡大すべきときは 光学系１２はコリメータレンズ６を有すべきである。目的物５はワークテーブル １３上に配置される。

位相エレメント３（第７．８図）はレーザビームを反射するかあるいは透過する プレートである。このプレート表面のマイクロレリーフパターンはゾーン２（第 ６図）の形、このゾーン２内のレーザ強度分布ｌ′およびレーザの波長λにより きまる。このレリーフパターンの夫々の山１４（第７図）は断面において一方の 側が垂直となった鋸歯状である。山１４の他方の側は幅ａのベースからトップｂ まで高さｈ内で滑らかに変化する。厚さＨのプレート表面のこれら山１４の配置 は著しく複雑な形（第８図）にコンビ二一夕で設計される。この装置は反射およ び透過の２つの形の位相エレメント３を備えることが出来る。反射プレートは全 金属プレートかレリーフパターン上に与えられた反射コーティングを有する金属 プレートである。いずれの形式においても山１４の高さＨは０からλ／２の範囲 内でベースａからトップｂまで変化する。透過プレートはレーザビームに対して 透明な材料からなり、レリーフパターンの山１４はｎをプレート材料の屈折率と すると０からλ／（ｎ−１）までの範囲内でベースａからトップｂまでの範囲に その高さｈがある。位相エレメント３はレーザビーム１を角度ψ（第３図）に拡 大しそしてそれを、ゾーン２内でのその横断面がそこでの所望の形と強度の分布 をもつように空間的に位相変調する。実際にはレーザビームの殆どすべてのエネ ルギーがこの場合にはゾーン２に向けられる。

この装置は複雑な形状の穴明け、複数の穴明け、マーキング、例えばアクリル樹 脂、ゴム等の異なった材料上への装飾パターンの付加時の赤外レーザ線の熱効果 による種々の技術的操作を行うためのものである。

本発明のレーザ処理方法の実施のためのこの装置は次のように動作する。

コンピュータ設計になる位相エレメント３が光学系１２（第６図）に配置される 。位相エレメント３は反射プレートであり、所望の形の処理ゾーン２のイメージ がワーク位置に発生されるように調整される。目的物５（被加工物）がワーク位 置にあるワークテーブル１３上に固定される。そこで目的物５の表面がゾーン２ のイメージ面と一致するようにされる。チョッパ１１が制御ユニット１１１によ りスイッチオンとされて所望のモードで動作する。制御ユニット１０’はシャッ タ１０を開くために用いられ、目的物５の表面上のゾーン２が所要時間だけ照射 される。この装置はビームチョツノく１１を省くことが出来る。その場合には露 出時間が時間リレー（タイマ）を有するシャッタ１０により調整される。

例　１ ［８（第６図）はＣＯ２連続レーザ９であり、その出力は１００Ｗ、波長λ−１ ０，６μｍである。レーザ出力と露出はチョッパ１１と電機シャッタ１０により 制御された。レーザビーム１は円形断面Ｓをもち、そこでの強度はガウス分布で あった。レーザビーム１はレンズ６により拡大されて、上述のように表面にマイ クロレリーフパターンを有する厚さ２＋＋ｕｓの銅板である位相エレメント３に 向けられた。マイクロパターンの山１４の高さはｈｍａｘ−λ／２−５．３μｍ であった。位相エレメント３は操作毎に選ばれた。

この装置の動作の結果を次にあげる。

非金属薄板での多数の穴明け。最良の効果は、レーザビーム１を夫々ゾーン２内 の１つのスポットに焦点づけられる４個の部分に分離されるように変換する位相 エレメント３により達成される。このようにしてつくられたこれらの穴は同じ形 状であり、穴間隔は極めて正確であった。このように処理の効率、その品質およ び精度が改善された。

薄い吸収プレートでのスロットの形成。最良の効果はゾーン２内でレーザビーム が長さ８龍、厚さ０．４＋ａｍで長手方向に均一の分布１′をもつ直線状スプリ ットの一部に焦点づけられるようにビーム１を変換する位相エレメント３により 達成された。このプレートは１回の露光中照射されるラインに沿って切られた。

この操作の高レベルの再現性により製品の無駄が実際上消滅した。

装飾パターンの形成。位相エレメント３がレーザビーム１を複雑な形のスポット に焦点づけられた。これはいかにして複雑なパターンをレーザパワーの損失なし に１パルスにより目的物５に移しうるかの一例である。他方、文字および数字が 製品にマーキングとして与えられた。

このレーザ処理方法はまたレーザ源８（第９図）と源８の光学軸４上に配置され た少くとも１個のコンピュータにより設計される光学的位相エレメント３からな る、目的物５にレーザビームを向けるための光学系１２からなる装置によっても 実現出来る。この装置はまたワークテーブル１３の制御ユニット１３１と露出中 軸４に対するエレメント３の位置を制御するための制御ユニット１５１を有する 手段１５とを含んでいる。特に、大型の被加工物の処理のためにワークテーブル １３はレーザＮＣ装置に用いられる装着装置を備えた２軸位置ぎめテーブルとに つくることが出来る（Ｎ、Ｎ、リカリン他、ラゼルナヤ、イ・エレクトロンノー ルチェバヤ・オブラボトカ・マテリアロフ、参考水、１９８５、ｐ、４６９）。

手段１５はレーザビーム１の光軸４に沿って速度Ｖで移動しうるかあるいはその 軸のまわりで角度ωで回転しうる位相エレメント３を位置ぎめするために用いら れる（第９図）。手段１５は固定具を有する標準的な着脱可能なヘッドおよびそ のヘッドを露出中回転するモータでよい（図示せず）。この場合、可動ユニット の重量は位相エレメント３の容易な制御を与えそして処理の精度を上げるために 最少とされる。

例　２ 第９図の装置が硬化、焼なまし、溶接、切断等を含む金属被加工物の熱処理用に 用いられた。源８は波長λ−１０，６μｍ、出力０，９ＫＷのＣＯ２連続マルチ モードレーザであった。強度ｌは直径４５ｍ＋＊のレーザビーム１の横断面Ｓに わたり非均−分布となっていた。被加工物５ヘレーザを向ける光学系１２は被加 工物５に面する側にマイクロパターンを有する銅板としてつくられる反射性の位 相エレメント３とその反対側の熱交換器からなっている。位相エレメント３は手 段１５により速度ω−５ｒａｄ／分でその面に直角の軸のまわりで回転しうる。

被加工物５はユニット１３１により制御される座標テーブル１３上で速度Ｖ〜Ｉ ＩＩＩｍ／分で移動しうる。

曲げ操作前の強力な加熱による被加工物（板材）の局部的軟化操作を考える。処 理目的物は厚さ０．８ｍｍのアルミニウム合金の板材である。位相エレメント３ は焦点距、ｉｉ　ｆ　＝　８００　＋ａｍであり、初期レーザビーム１を、処理 ゾーン２のコンポーネント７として用いられる狭い、８Ｘ２＋ａｍの矩形の被加 工物５の表面にスポットを生じさせるように変換する。位相エレメント３が回転 すると、このスポットは被加工物５の表面上で動き露出期間中円形片である場合 には、被加工物５はそのゾーンが空間位相変調されたレーザビーム１に露呈され るように動がされる。この場合、所望の長さと幅の条片が被加工物上で軟化され る。

このレーザビームで軟化した平らな被加工物を曲げたときは４０Ｘ６０Ｘ２００ ｍで被加工物の端部に向って約３關に増加する曲率半径０．８關のＬ字形部分が 得られた。局部的軟化により曲げ力の２あるいは３分の１の減少、材料の成形性 の向上、仕上げ作業の省略による５０％の労力低下、低出力高速プレス装置の使 用による電力消費の低下、調整操作の省略によるスタップ装置費用の低下および 曲げ精度の向上が期待出来る。

このレーザ処理方法は複数の処理ゾーン２において実現出来る（第１０図）。こ の場合、各ゾーン２はレーザビームｌで次々に照射される。各ゾーン２はレーザ 強度の所望の分布１′に一致して行われるレーザビームの特殊な空間位相変調に より照射される。ゾーン２の形は種々である。これは置き換え（移動）用のそし て位相エレメント３の位置ぎめ用の装置１６に夫々固定した１群の位相エレメン ト３を含む、この方法の実施のための装置により達成される。

位相エレメント３の次々に生じる交換はユニット１６’により制御される変換お よび固定を行う装置１６のいくつかの実施例により実現出来る。この装置１６は コンベア形のドラムまたはターレットヘッドとしてつくることが出来る。装置１ ６の最も簡単な形は固定手段を有するディスクであり、６個の位相エレメント３ がこのディスクの面に固定される。これらエレメント３は反射プレートである。

このディスクは可逆低速モータにより回転される。特定の１つのエレメント３が ワーク位置にされると、その位置でそれが固定される。

そのような装置１６の使用により各位相エレメント３の設置と交換用の時間の短 縮によりレーザ処理の効率が高くなる。これはレーザ処理が自動化される場合に 特にそうである。

このレーザ処理方法は電源ユニット９　と１７１を特徴とする２個のレーザ９と １７からなるレーザ源８（第１１図）を有する装置によりても実現される。第１ 光学系１２は目的物５への入力用の不可視レーザビーム１を出す第ル−ザ９の光 学軸４上に配置される。第２光学系１８は可視レーザビームを出す第２レーザー ７の光学軸１９上に配置される。

光学（出力）系１２はコンピュータにより設計される光学位相エレメント３によ り所望の形と全体にわたる所望のレーザ強度分布Ｉ′もつゾーン２の不可視イメ ージを発生する。案内光学系１８はそれ自体の位相エレメント３により同一の形 と寸法をもつゾーンの可視イメージを発生する。これらイメージはレーザ処理プ ロセスのスタート前の予調整段において整合させられる。被加工物５の表面は、 低出力可視ビームのみかゾーン２の可視化のためこの面にあるとき、これら重畳 したイメージの面内に置かれる。その後、第ル−ザ９のシャッタ１０が開かれ、 処理ゾーン２が照射される。このように処理用の不可視ビーム１は同一の強度分 布を有する可視ビームにより被加工物３の表面のゾーン２に案内される。

この方法によれば、多様な被加工物、例えば生物、の正確なレーザ処理が可能で ある。下記のレーザ装置（＠１２図）は眼の手術、特にリング、十字あるいはア ークの形の角膜の解剖用に設計されたものである。

この場合、この装置は第１１図の装置と同様である。

ここでは光学系１２と１８（第１２図）はその入力に設置されたレンズ６を有す る。他方、部分透過ビームスプリッタプレート２０、傾斜ミラー２１と２２、お よび眼科用オフタルモスコープ２３が透過プレートである位相エレメント３の後 に光学系１８内に設置される。

第１２図の装置は次のように動作する。まず、光学系１２と１８の予調整が行わ れてワーク位置にあるゾーン２の可視および不可視イメージの完全な一致を達成 する。

シャッタ１０が閉じたままでＣＯ２レーザ９の不可視ビームを阻止している間に 、被加工物はヘリウム−ネオンレーザ１７の空間的に変調された可視ビーム１に より可視化されるワーク位置に置かれる。調整の精度は検眼鏡２３により人的に 制御される。次にシャッタ１０が開かれて患者の角膜である目的物５を短時間露 出する。十字形のビーム１のスポットを発生する位相エレメント３は近視を修正 するために用いられ、アーク状スポットを発生する位相エレメント３は白内障の 除去に用いられる。

この装置は術後にも使用出来る（角膜の切断部分を位相エレメント３により空間 的に変調されたレーザ１７か゛らのビーム１に露呈して治ゆを早めるレーザ治療 ）。

医学用とは別にこの装置は特に処理ゾーン２が例えば製品のマーキング用に所望 の形の光スポットにより精度を与えるための可視的に確認されるべきときに産業 においても使用出来る。

例　３ 第１１図の装置のもう一つの産業上の応用は方形のような形をもつ穴またはその ような穴の群を、高品質の穴明けが必要な微小電子回路用のセラミック板に同時 に明けることである。セラミックの被加工物５に多数の穴明けを行うことはいく つかの理由、カスおよび蒸発材料の光学的な破壊、溶けたものにおける流体力学 的プロセス、レーザビームにより形成される空胴の効果、およびセラミック５の 材料の他の多くの特徴により行われなくてはならない。この場合の被加工物５は 厚さ１＋ｗのセラミック板である。処理ゾーンは方形の角に集中される。

不可視ビームを発生するレーザ９は波長１０．６８ｍ１パルス幅τ〜１０””ｓ 、各パルスのエネルギー）ニー２ＪのＣＯ２パルスレーザである。可視ビームを 発生するレーザ１７は波長λ−０，６９μｍ１パルス幅τ〜１０−３８、パルス エネルギーＥ−２Ｊのルビーレーザであった。光学系１２と１８は方形の角に配 置された４点に同様に焦点をもつ位相エレメント３を有した。まずゾーン２が１ ０ＢＪ／ｄのエネルギー密度でルビーレーザ１７のパルスに露呈された。このレ ーザビームはゾーン２内に均一の深さの溶融物をつくった。次にゾーン２はこの 溶融物の蒸発と除去を保証するＣ　Ｏ２レーザ９のパルスに露呈された。このよ うに正確に間隔をとった４個の高精度の穴の形成には２個のパルスでよかった。

この方法の実施のためのこの装置は自動化出来る。この場合、装置（第１３図） は所望のプログラムに従って基本ユニットおよびこの装置のメカニズムの動作を 制御するコンピュータ２４を有する。源８は電源ユニット９Ｉを有するレーザ９ とレーザ処理中の露出を制御するだめの電気的制御ユニット１０１を有するシャ ッタ１０からなる。被加工物５にレーザを向ける光学系〕２は傾斜ミラー２１と 、制御ユニット１５１を有する装置１５内に配置された、コンピュータにより設 計される光学位相エレメント３とからなる。更にこの装置は処理ゾーン２に技術 的なメデアを供給するシステム２５と光学系１２の予調整および製造プロセスの モニタ用の観察システム２６を含む。被加工物５は位置制御のための制御ユニッ ト１３１を有する可動ワークテーブル１３上に固定される。感温変換器が被加工 物５に固定される計器２７１；接続される。被加工物５はオペレータまたは位置 ぎめロボット（図示せず）によりワークテーブル上に配置出来る。コンピュータ ２４はレーザ９の電源ユニット９１、シャッタ１０の制御ユニット１０’、位相 エレメント３の位置ぎめ装置１５の制御ユニット１５１、ワークテーブル１３の 位置ぎめユニット１３１および製造メディア供給システム２５に電気的に接続す る。このようにレーザ処理の製造プロセスはコンピュータ２４のプログラムによ り実現出来る。

オペレータはワークテーブル１３に被加工物５を置いて固定し、装置をスタート させそしてシステム２６により製造プロセスをそして計器２７により温度をモニ タする。オペレータはまた製造プロセスの特殊性に従って例えば化学的に活性あ るいは不活性のガスのような製造媒体の供給のためにシステム２５を作動させて もよい。

例　４ 目的物５は壁厚０．３ｍｍで表面に吸収コーティングをもつ中空のシリンダであ った。処理ゾーン２は幅２隨以下の直線セグメントであった。レーザ９は波長λ −１０，６ｐｍ、出力０，９ＫＷのＣＯ２連続波レーザであった。直径４０ｍｍ のレーザビーム１はその断面についての強度分布が不均一であった。光学系１２ は厚さ２ｍｍの銅板からなる反射性の光学位相エレメント３を有した。

このエレメント３は長さ１０鰭の直線セグメントにビームを焦点づけた。源８の 作動と同時に酸素を含むガス混合体が２ゴ／分の流量で供給された。ｌＸ１０ｍ ＋１のスロットを明けるにはエネルギー密度１０８Ｗ／ｒｒ＋’のレーザビーム １に１回露呈するだけで充分であった。次に被加工物５がワークテーブル１３と 共に所望の角度に回されて再び露出された。このスロット明は操作は被加工物５ ０周辺に沿って各ターン毎にくり返された。次に位相エレメント３が所望距離に シフトされそしてスロットが被加工物５の次のベルトに沿って明けられ、これが くり返された。

スロットは被加工物５の機械的強度と剛性が損われないようにその全面にわたり チェック模様の形で明けられた。この操作は管状フィルタの製造に用いられた。

本発明のレーザ処理方法およびそのための装置は、所望の形状のゾーン２におけ る被加工物５の表面の処理、被加工物５の処理中に所望のレーザエネルギー分布 の、ゾーン２での発生、ゾーン２に向けられたレーザビームの集中、および被加 工物５の処理プロセスの製造要件に一致する所望の角度ψでの被加工物５へのレ ーザビーム１の指向、という応用の組合せを与えるものである。

この方法によるレーザ処理の高い効率は多ゾーン処理プロセスの使用、補助操作 の省略による製造プロセス時間の短縮、および高速製造装置の利用により達成さ れる。

被加工物５の品質は、本発明による装置によるこの形式のレーザ処理後の高い固 有のそして疲労強度と寿命により特徴づけられる製造および操作上の特性の組合 せを可能にするために同じく改善される。

産業上の応用性 本レーザ処理方法およびそのための装置は例えば硬化とドーピングを含む被加工 物表面の局部的な熱硬化および機械的処理（例えば複雑な形状の被加工物の曲げ やスタンプ）の前の被加工物表面の熱的な脆弱化、板材、パイプ、ロッドの穴明 け、溶接、脆く且つ高強度の材料からなる被加工物のマーキング等の金属処理の ような多くの分野の産業に使用出来る。

本方法はまた非金属材料の処理および複雑な形状の被加工物のスタンプおよび穴 の特定の形状への仕上げおよび前述の構成についてのプラスチックおよび他の重 合材料からの製品の製造にも使用出来る。

この方法は微小電子回路および計測器において印刷回路板および微小回路の他の 要素の表層の特定の深さへのそして予定の輪郭に沿った処理（切断）、オプチカ ルファイバ通信線用の微小光学エレメントの焼結、ＩＣ用の薄膜の処理、複雑な 形状のセラミック基体の切断およびバターニング、シリコン、セラミックおよび その他の硬く脆い材料からなる製品のマーキング、特殊な形と配置の穴の仕上げ に使用出来る。

軽工業においてはこの方法は皮革、天然織布および人工織布のパターン切断およ びパンチカードの製造に使用出来る。

この方法はセラミック、石灰岩、ガラスそしてその他の硬くて脆い材料からの建 設材料の製造、特定のパターンに従っての表面のガラスフアランディングによる 処理、マーキング、特殊な形と配置の穴の仕上げに使用出来る。

リソグラフでは写真マスクの製造に使用出来る。

他方、この方法と装置は医学的には例えば眼科手術のような手術および治療的処 理に使用出来る。

ｍ−−一−−−−コ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所望形状のゾーン（２）に向けられる少くとも１本のレーザビーム（Ｉ）に よりその表面を照射することによって目的物をレーザ処理する目的物のレーザ処 理方法において、前記レーザビーム（１）を処理ゾーン（２）における所望の輻 射密度分布（ＪＩ）で空間的に位相変調すると同時に回転させることを特徴とす る目的物のレーザ処理方法。 ２．空間的に位相変調されたレーザビーム（１）がその光学軸（４）のまわりで 回転されることを特徴とする請求項１記載のレーザ処理方法。 ３．処理が少くとも１本の不可視レーザビーム（１）により行われ、そして処理 を行う少くとも１本のレーザビーム（１）が同一の強度分布を有する可視レーザ ビームにより目的物（５）の表面上の処理ゾーン（２）に案内されることを特徴 とする請求項１記載のレーザ処理方法。 ４．目的物（５）にレーザ輻射を分配するための光学系（１２）を配置するため に用いられる光学軸を有するレーザ輻射源（８）を含み、上記光学系（１２）が ビーム（Ｉ）の回転およびその空間的位相変調ならびに所望の形状をもつ処理ゾ ーン（２）内でのその強度（Ｊ）の再分布を保証する、少くとも１個のコンピュ ータにより設計される光学的位相エレメント（３）を有し、この光学エレメント （３）は、ゾーン（２）の形、レーザ輻射強度（ＪＩ）の分布、および波長（λ ）によりきまるマイクロパターンをその表面に有する反射または透過プレートと してつくられており、このマイクロパターンの山（１４）は反射プレートの場合 には０からλ／２の範囲、屈折率がｎの透過プレートの場合は０からλ／（ｎ− １）の範囲内でベース（ａ）からトップ（ｂ）に変わる高さ（ｈ）を有している ことを特徴とする請求項１、２または３記載の方法を実施するための装置。 ５．輻射源（８）は不可視ビームを発生する第１のレーザ（９）と可視ビームを 発生する第２のレーザ（１７）を有し、所望の形状をもつゾーン（２）の可視イ メージを発生するために前記第２のレーザ（１７）の光学軸（１９）上に第２光 学系（１８）が配置され、この第２光学系（１８）はゾーン（２）の不可視イメ ージと光学的に一致することを特徴とする請求項４記載の装置。 ６．前記輻射源（８）の光学軸（４）に対して前記コンピュータにより設計され る光学的位相エレメント（３）を再位置ぎめするための装置（１５）を含むこと を特徴とする請求項４または５記載の装置。 ７．処理目的物（５）にレーザ輻射を分配するための光学系（９）は１組のコン ピュータ設計になる位相エレメント（３）を含み、これらエレメントがそれらを シフトし位置ぎめするための機構（１６）に固定されることを特徴とする請求項 ４、５または６記載の装置。