JPH04501534A - 材料の精密な処理および機械加工のためのダイオード・ポンピングされた、固体レーザに基づくワークステーション - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 材料の精密な処理および機械加工のためのダイオード・ポンピングされた、固体 レーザに基づくワークステーション本発明は、一般的には、種々の材料の精密な 処理および機械加工の応用に使用するためのダイオード・ポンピングされた、固 体レーザに基づくワークステージ厘ンに関し、より特別には、材料の表面を溶発 する、したがって精密なカットを行うためのパルス化されたレーザ光線を発生す るダイオード・レーザでエンド・ポンピングされ、ｑ−スイッチされ、光フアイ バ結合された固体レーザに関する。

２、発明の背景 レーザは種々の材料の処理や機械加工に使用されてきた。それらの第１の利点は 、連結をとばすことによって半導体メモリを修理したり、あるいは精密な彫刻へ の応用のためにレーザを使用するといった、ユニークな材料の処理の応用が開発 されるように、ミクロンの゛　ビーム径に集束することかでさる高い平均パワー で向き付けられたエネルギ・ビームを提供することである。

これらのタイプの応用において使用されるレーザの要求は、レーザが処理されて いる材料の熱の拡散時間に比較して短いパルス幅を有する、短かく、高いエネル ギのパルスを放射することにある。これには材料が表面から溶発（アブレーショ ン）され、溶解を生じることなく蒸発して、レーザが材料の表面に正確で精密な カットを形成することが必要である。実際、アブレーションによる材料の除去を 達成するためには、５０ｎｓもしくはそれよりも小さいレーザパルスの幅が典型 的に必要である。

固体レーザは、それらが長い励起状態の寿命を有しており、シＩ；がって、レー ザのポンピング源からのエネルギを蓄積し、ｑ−スイッチングと呼ばれるプロセ スを通して短い期間にエネルギを放出することができるので、パルス化されたビ ーム出力を発生するのに特に有利である。アブレーションのために充分短い幅を 有するパルスを発生するために、周知のように、短いキャビティもしくは高い利 得のいずれかを有するレーザが要求されるが、それは、パルス幅が利得とキャビ ティの往復時間の積に依存するからである。しかしながら、上記技術において使 用されている固体１−・−ザは、典型的に、アークランプでポンピングされてい るが、アークランプは広帯域の光源であり、固体レーザをポンピングするのにあ まり効率が高くはない。というのは、アークランプは出力ビームの発生に寄与し ないレーザ媒質の部分をポンピングし、しかも１／−ザ媒質により吸収されない 多くの異なった波長を含んでいるからである。実際、アークランプの電気的な効 率は、典型的に、たった約０゜５％にすぎない。

それによる正味の結果は、システムの単位長さ当りの利得が低くなるということ であり、レーザ材料が相対的に長くなり、要求される必要な利得を達成して短い パルス幅を生じるためには、充分なレーザ材料がレーザのために存在することが 必要となる。たとえ、ば、１フイートの長さを有するキャビティが典型的に必要 とされる。

加えて、利得が低く、短いパルスを発生するために入力パワーのほんの僅かが使 用されるにすぎないので、熱の消費を制御するために、レーザ・ヘッドの水冷を 行うことが多くの場合必要となるばかりでなく、必要な利得を達成するために典 型的に供給されなければならない数キロワットの入力パワーを得るため、２３０ ＶＡ、Ｃのアウトレットにレーザが接続されなければならない。そのうえ、大き いキャビティ長さは、アブレーションのために必要なパルス化された出力を発生 するために、大きなｑ−スイッチを要求する大きなビーム径を意味する。

冷却水の乱流は精密な材料の処理および機械加工のために問題となる。これは、 冷却水の乱流によってノイズがパルス化されたレーザ光線に導入され、それがカ ットの可能な精度を制限するからである。

加えて、要求される高い入力パワーは、短いパルス幅でレーザにより発射される エネルギがアブレーションおよび精密なカットのためにはあまりにも高く、材料 に入射する前に減衰させることが必要になるといった、付加的な問題を有してい る。固体レーザをポンピングするより低パワーのアークランプは、材料のアブレ ーションのために要求される短いパルス幅を生じないので、減衰の問題に対する 可能な解決ではない。全体的な結果は、材料のアブレーションを成功させるため に要求されるパルス幅／エネルギレベルの組合せが、通常のアークランプでポン ピングされ、ｑ−スイッチされる固体レーザにより達成することができないとい うことである。

長いキャビティ長さと大きなｑ−スイッチ、要求される２３０ｖＡＣへの接続、 レーザの水冷、Ｓよびレーザ出力の減衰が組み合わされた結果は、レーザをかさ ばったものにするとともに、必要とするビームの下流での集束、成形および制御 のための光学系の内部へ組み込むのを機械的に困難にし、また、ｌ／−ザおよび それが組み込まれるシステムをかさばった携帯性に欠けたものとする。

電気的な効率の低さは、レーザのレーザ・ヘッドに大量の熱消費を発生させ、冷 却システムをレーザ・ヘッドに設けることが必要になる。精密な材１の処理のた めの問題は、冷却システムからの振動がレーザ・ヘッドに結合してヘッドを動か し、精度の低いカットを生じさせるということである。

叢後に、かかるレーザのアークランプはレーザ・ヘッドに結合され、しばしば、 アークランプが取り替えられたりサービスを受けるときはいつも、レーザ・ヘッ ドの位置合わせが行われ、かつ再調整されなければならない。

したがって、高精度な材料の処理のためのワークステーションで使用するための 固体レーザを提供することが本発明の目的であり、それは、アブレーションのた めの正確なパルス暢／エネルギレベルの組合せを与えるとともに、コンパクトな レーザのキャビティで効率の高いポンピングを与え、かつ、レーザの出力ビーム に対してノイズを誘起する水の乱流を伴う水冷の必要をなくし、かつ、小型、コ ンパクトで、下流集束およびビームの制御のための光学システムに容易に組み込 むことができ、かつ、ポンピング源の冷却システムの振動をレーザ・ヘッドから デカプリングして、レーザがより正確なカットを行えるようにする。

発明の要約 上記目的を達成するとともに、ここに具体的に記載されしかも広く記述された本 発明の目的にしたがって、精密に材料を処理するとともに機械加工をするための ダイオード・レーザ・エンド・ポンピングされた、固体レーザに基づくワークス テーションが提供される・上記ワークステーションの主要な部品は、アブレージ 層ンのために必要なビーム幅、パルス幅、およびエネルギ・レベルを有するパル ス化されたレーザ光線を発生させるためのダイオード・レーザエンド・ポンピン グされ、ｑ−スイッチされ、光フアイバ結合された、固体レーザである。

エンド・ポンピングは、それが高効率のポンピングを行うので、有利である。こ れは、エンド・ポンピングが励起されるべき出力ビームの発生に寄与するレーザ 媒質の領域にだけ、許容するからである。精密な材料の処理のためには、ＴＥＭ −モードがとくに有利であるが、それはノードもしくは零点がない滑らかな強度 プロファイルを有しており、かつ、それは回折が制限されているからである。

エンド・ポンピングはとくに、ＴＥＭ−モードを発生するために効率がよい。

ダイオード・レーザは単色で、しかもレーザ材料によりその吸収を最大に合わせ ることができるので、ダイオード・レーザ・ポンピングはまた高効率のポンピン グに貢献する。実際、０．５％のオーダの電気的効率を達成するアークランプの ポンピングに比較して、ダイオード・レーザ・ポンピングは、１０％のオーダの 電気的効率を達成する。高い電気的効率の故に、レーザはｌ　ｌ　５ＶＡＣで動 作するように構成することができ、その携帯性を改善するとともに、２３０　Ｖ ＡＣでの動作や水冷に伴う装置および出力ビームの乱流によるノイズが除去され る。加えて、水冷装置の除去はレーザのサイズのコンパクト化に貢献する。

エンド・ポンピングとダイオード・レーザ・ポンピングとの組合せの効果は、低 い入力のパワーレベルでの高い利得であって、精密な材料のアブレーションのた めに要求される正確なパルス輻／エネルギレベルの組合せで、キャビティが短か くても、レーザが短いパルスを発生することができるようにする。いま一つの利 点は、レーザを非常にコンパクトにすることができ、減衰の必要がなく、水冷の かわりに強制空冷を採用することができ、しかもレーザ・ヘッドで、はとんど熱 消費が起こらないことである。

レーザとともに使用するために選択される特別なｑ−スイッチは、レーザのコン パクトなサイズ、利得および効率に貢献する。これらの利点は、従来の溶融シリ カよりもより高い音響−光学性能指数を有する材料を含むｑ−スイッチを使用す ることにより達成することができ、上記材料はｑ−スイッチをより効率を高くし 、それはまたレーザのキャビティとともにコンパクトにされる。

光フアイバ結合はレーザ・ヘッドを非常にコンパクトにすることができ、レーザ 光線の制御と集束のための顕微鏡のようなイメージ・システムに容易に組み込め るようにする。これは、光フアイバ結合の使用がダイオード・レーザと間隔をお いてレーザ・ヘッドが配置されるようにして、レーザのほかのものが中央のステ ージ領域に保持されるのに対して、レーザ・ヘッドだけがイメージ・システムに マウントすることが必要であるにすぎないからである。いま一つの利点は、光フ アイバ結合がダイオード・レーザを電源に組み込むこ゛　とを可能にするととも に、電源を冷却するのに使用される強制空冷システムを介して冷却することを可 能にするということである。強制空冷システムは典型的にファンを含んでおり、 レーザ・へ７ドからのダイオード・レーザの間隔は、レーザ・ヘッドに対するフ ァンの振動の結合を排除し、それは換言すれば、システムの精度に貢献する。

レーザ・ヘッドからのダイオード・レーザの間隔はさらに、ダイオード・レーザ が取り外されて再組立てする必要なしに、ダイオード・レーザを交換したりサー ビスするのを可能にする。

全体的な結果は、レーザがおよそ２００−３００ミクロンもしくはそれより小さ いビーム幅、およそ５０ｎｓもしくはそれより小さいパルス幅、およびおよそ１ ００μＪもしくはそれよりも小さいエネルギ・レベルを有するパルス化されたビ ームを発生することである。

さらに、レーザ光線はおよそ１０−３０ミクロン、最も高い精度が要求される応 用のためにはｌ−２ミクロンの幅にさえ、容易に集束させることができる。精密 な材料の処理のために有利なレーザ光線は、１−２ミクロン程度の小さいビーム 幅、およそ３０ｎｓのパルス幅、およびおよそｌＯμＪのエネルギレベルを有す る。これらの特性は、半導体メモリの連結をとばして修理するといった精密な材 料の処理の応用のために有利であるが、それは１記接続が１．−２ミ、クロンの オーダの寸法であり、ｌＯμＪにおける３０ｎｓのパルスが上記連結をとばすか らである。同じことが精密な彫刻の応用にも正しい。

システムのほかの部品は、レーザに機械的に結合される顕微鏡のような光学的な サブシステム、パルス化されたレーザ光線に共線な位置決めビーム、モニタに電 気的に結合されるビデオカメラを含むイメージ・サブシステム、パルス化された レーザ光線に関して処理される材料を保持して位置決めするためのステッパ・モ ータ制御ワークステーション、および電気的にレーザおよびワークステーション に結合されるパーソナル・コンピュータのような制御手段とを含む。加えて、上 記イメージ・サブシステムのビデオカメラは機械的に光学サブシステムに結合さ れる。

光学サブシステムは、ワークステーションにより保持される材料の表面に対して まっすぐな通路に沿ってパルス化されＩ；ビームを向き付ける。集束レンズが光 路に沿って配置される。パルス化されＩ；ビームはレンズを通過してｌ−２ミク ロンもしくはそれよりも小さい幅を有するビームに集束される。集束されたビー ムは材料の表面に入射し、それをアブレーションする。

パルス化されたビームを位置決めするために、位置決めビームが使用される。位 置決めビームはパルス化されたレーザ光線と共線であって、レーザ・ダイオード からの漏洩光、すなわち低いパワーの連続波（ｃｗ）モードで動作中の固体レー ザからのレーザ光であるか、まＩ；は別個の光源からの位置決めビームのいずれ かである。

位置決めビームはまた、光学サブシステムにより、パルス化されたビームと同じ 直線通路に沿って、材料の表面に入射するが１７かし表面をアブレーションしな いように制御される。ビームはそのとき上記表面から反射し、部分的に上記光路 を再通過する。また、ビーム・スプリッタが上記光路に配置されるとともに、集 束１／ンズと間隔をおいて配置される。反射ビームはビーム・スプリッタに入射 し７、反射ビームの一部はイメージ・サブシステムのビデオカメラに向かい、そ れはビームの反射部分を使用して材料の表面のイメージを視覚的に表示するよう にモニタ管制御する。

ワークステージ３ンは、特定の位置にて材料の表面の正確なカットを行うために 、パルス化されたビームの伝達の前に、上記レーザに関して特定の位置にて、処 理する材料を位置決めする。現在、２つの動作モード：手動と自動が提供されて いる。

再動作モードにおいて、ユーザは、パーソナル・コンピュータ（以下、ＰＣと記 す。）のような、制御手段を経由して発せられる一連の命令を通して、レーザお よびワークステーションを制御している。

手動モードにおいて、モニタを介してビームの位置を視覚的に追跡し、そして位 置を変化させる命令を発することにより、ユーザは所望の位置にビームを位置決 めする。ユーザはそのとき、材料をアブレーションするｔ二めに、レーザに１つ もしくはそれ以上のパルスを発生させる。

゛自動動作モードでは、ユーザは最初に、上記したようなモニタを使用してビー ムを視覚的に位置決めすることにより手動的に、もしくは、ＰＣに内蔵されたパ ターン認識のソフトウェアを用いることにより自動的に、材料の表面の参照位置 にレーザビームを位置決めする。この後者の場合、材料の表面のイメージは、表 面の記述データに変換され、ＰＣのパターン認識ソフトウェアに送られ、それが 、材料の表面に以前に記されたバーコードのようなあらかじめ定められたパター ンかどうかを検知するためにデータを解析する。材料の表面は、上記パターンが 検知され、ビームが上記パターンにより示される参照位置に位置決めされるまで 、自動的にスキャンされる。

次に、ユーザは、（参照位置に関する）位置の記述データおよび材料の表面に形 成されるべき１つもしくはそれ以上のカットの深さのデータを作成して、ＰＣに データをロードする。ＰＣはパルス化されたビームを選択的に伝送するようにレ ーザを制御するとともに、また、パルス化されたビームに関して材料を位置決め するためにワークステーションを制御し、ビームがデータにより記述された位置 と深さにて、材料の表面にてアブレージ１ンおよびカットを行う。

図面の簡単な説明 第１図（Ａ）は、本発明の実施例の側面図のブロック・ダイヤグラムを示し、 第１図（Ｂ）は、第１図（Ａ）の実施例の斜方向の側面図のブロック・ダイヤグ ラムを示し、 第２図は本発明の光学サブシステムのブロック・ダイヤグラムである。

好ましい実施例の説明 本発明の実施例が第１図に示されている。図面に示されているように、上記実施 例は、エンド・ボンピングされるダイオード・レーザである固体レーザ１１光学 システム２、イメージ・サブシステム３、ワークステーション手段４、光路５お よび６、処理中の材料７、および制御手段（図示せず。）を含む。イメージ・サ ブシステムは、パルス化されたレーザ・ビームと共線の位置決めビームと、モニ タ（図示せず。）に電気的に結合されるビデオカメラを含んでいるのが有利であ る。光学サブシステムは、顕微鏡であるのが有利であり、かつ、制御手段はパー ソナル・コンピュータ（ｐｃ）であるのが有利である。加えて、ワークステーシ ョン手段は、ＰＣからの命令に対応して、水平、垂直、あるいは両方の方向にス テップするＩ；めに、Ｘ−Ｙステッパ・モータ制御のワークステーションである ことが有利である。

図示のように、レーザは光学サブシステムに機械的に結合され、光学サブシステ ムは、次には、イメージ・サブシステムのビデオカメラに機械的に結合されてい る。加えて、図示のように、ビデオカメラは、電気的にモニタに結合されるとと もに、光学的、電気的に制御手段に結合されている。制御手段は、パルス化され たレーザ・ビームを伝送するためにレーザを選択的に制御するとともに、レーザ 光線に関して材料を位置決めするようにワークステーション手段を制御するため に、レーザおよびワークステーション手段に電気的に接続される。ａｍ鏡もしく はほかの光学サブシステムは、光に沿って、処理される材料の表面にパルス化さ れたレーザビームを制御し、その上で、ビームは表面をアブレージコンする。顕 微鏡もしくはほかの光学サブシステムはまた、表面に入射するがしかし材料の表 面をアブレーションしないように、共線の位置決めビームを同じ光路に沿わせる 。位置決めビームが表面に入射したあと、位置決めビームはそれから反射する。

反射ビームはそのとき、一部が上記光路を再通過するとともに、光学システムは イメージ・システムのビデオカメラに反射されたビームの一部を向かわせ、それ はビームが入射する位置の材料の表面のイメージを視覚的に表示するようにモニ タを制御する。表面の視覚的な表示は、材料の表面にパルス化されたレーザ光を 手動で位置決めするために重要である。

ダイオード・レーザ・ボンピングされた固体レーザｌは、ベア・エト・アル（Ｂ ａｅｒ　ｅｔ　ａｌ、）よる米国特許第４，６６５．５２９号、およびベア（Ｂ ａｅｒ）による米国特許第４．７６１．７８６号において、より詳しく説明され ているような、ダイオード・レーザ・エンド・ボンピングされ、ｑ−スイッチさ れ、光フアイバ結合された固体レーザであって、上記米国特許は、それについて 詳しく説明されてい・　るので参照文献に入れられる。

づア・エト・アルに説明されているように、上記レーザはダイオード・レーザに よりポンピングされるレーザ・ヘッドを含むとともに、上記レーザ・ヘッドは光 ファイバ・ケーブルによりダイオード・１／−ザに対して間隔をおいてしかも光 学的に結合されている。

レーザ・ヘッドからのダイオード・レーザのデカップリングは、レーザ・ヘッド をよりコンパクトなものとするとともに、標準の顕微鏡もしくはほかの光学上の サブシステムに容易に挿入できるようにする。レーザ・ヘッドのコンパクトなサ イズに対する貢献は、ダイオード・レーザのエンド・ポンピングにより達成する ことができる高いボンピング効率であり、それはレーザ・ヘッドを大幅にコンパ クトなものとし、そのうえに、材料のアブレーションのために充分短いパルスを 発生するのに充分な利得を有する。（高いポンピング効率は、以下に詳細に述べ る。）。コンパクトなサイズへの貢献はまた、高い回折効率を有するｑ−スイッ チの使用であり、このｑ−スイッチは、従来からの溶融シリカよりもより高い音 響−光学上の特性値を有する従来用いられていない材料から製造され、その結果 、ｑ−スイッチがよりコンパクトで、小型化される。

レーザのコンパクトなづイズは、システムの機構的設計を簡単化する。比較して みれば、通常のアークランプでポンピングされる、ｑ−スイッチされた、固体レ ーザは、典型的には、断面が２０ｅｎ＋ｘ２０ｃ＋ｏで長さが１メートルである 。これに対して、光７アイパ結合され、ダイオード・レーザ・エンド・ポツピン グされ、ｑ−スイッチされる固体レーザ・ヘッドは、２ｃｍの径で、長さが８ｃ ｍ程度に小さくすることができる。レーザ・ヘッドの一例は、スペクトラ・フィ ジックス（Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ）のモデル７９５０Ｑ−スイッチ・ レーザ・ヘッドである。レーザ・ヘッドが主要な部品であるレーザ・システムの 一例は、スペクトラ・フィジックスのモデル７２００ダイオード・レーザ・モデ ュール、モデル７２５０Ｑ−スイッチドライバ、モデル７９５０　Ｑ−スイッチ ・レーザ・ヘッド、および可視状態でパルス化された動作を許容する、オプショ ンの光周波数増倍アクセサリ　モデル７９５５を含む。

高いポンピング効率に伴う光フアイバ結合のいま一つの利点は、レーザ・ヘッド において、はんの僅しか、もしくはほとんど熱消費が要求されないということで ある。大部分の熱消費は、電源もしくはダイオード・レーザに局限され、必要な 冷却はそこに局限される。

ダイオード・レーザはレーザ・ヘッドに対してデカップリングされるとともに、 間隔を有しているので、冷却システムに伴う振動は、レーザ・ヘッドに対して遮 断され、レーザ・ヘッドが処理もしくは機械加工される材料のより正確なカット を行えるようにする。

光フアイバ結合のいま一つの利点は、ダイオード・レーザの修理サービスや交換 がレーザ・ヘッドの取り外しもしくは再調整を必要と仕ず、レーザ、したがって 本発明の修理サービスは、より容易であるということである。

エンド・ポンピングの利点は、それがたいへん効率が高く、選択されたレーザ・ モードの発生に貢献する活性媒質のそれらの領域のみがポンピングされるように する。換言すれば、エンド・ポンピングは、所望の特定のモードのレーザ・ボリ ュームとポンピング・ボリュームの最良のオーバラップを提供する。これらの原 理は、ベア・エト・アルに、より詳細に議論されているが、以下に要約する。

材料の仕上げのためには、ＴＥＭ−モードは、それがほかのモードに比較して回 折が制限されたビームであって、材料の仕上げのために要求されるビームのサイ ズに収束することができるから、理想的なモードである。本発明の主たる応用は 、半導体メモリの修理のための連結の遮断である。連結は厚みが１−２ミクロン のオーダであるから、ｌ−２ミクロンのオーダのビー・ム径が要求される。ＴＥ Ｍ−モードにより、２００−３００ミクロンのビーム径が達成され、それは１− ２ミクロンのオーダの径を有するビームに容易に集束させることができる。

材料の処理に対するＴＥＭ−のいま一つの利点は、それがほかのモードに存在す るような、ノード、零点、もしくはビームの横断面のその他の構造ををし、てい ない、均一なビームであることである。

構造を有していないことの利点は、処理される材料に１／−ザによって放射され るエネルギーがより強力に制御され、カットの幅および・深さのよりよい制御を 可能にする。

ＴＥＭ−モードのレーザ・ボリュームは、１／−ザ・ヘッドのレーザ・キャビテ ィの特性および、特に、キャビティのいずれかの側の例において、レーザ材料は 、長さが約５順で直径が３市のＮｄ：ＹＡＧクリスタルを含むレーザ・ロッドで ある。このレーザ・ロッドは、第１および第２の端部を有し、レーザ・キャビテ ィは、ロッドの両側の第１および第２の端部に配置された２つの鏡により規定さ れる。

平面鏡が第１の端部に配置され、それはレーザ・ロッドの第１の端部と間隔を置 いて配置されるか、またはレーザ・ロッドの第１の端部に直接形成される。凹面 鏡がロッドの第２の端部に配置されるとともに、この端部と間隔をおいて配置さ れる。この凹面鏡の曲率半径は５ｃｍである。これらのパラメータは、ＴＥＭ− モードのレーザ・ボリュームの径を規定しており、上記した実施例では、およそ １５０−２００ミクロンの径を有している。

最大効率のためには、ポンピング・ボリュームは、できるだけ多く、レーザ・ボ リュームとオーバラップするべきである。ポンピング・ボリュームは、光ファイ バ・ケーブルの直径に依存するとともに、光ファイバ・ケーブルの端から放射さ れた後、およびレーザ・ヘッドの固体ロッドの縦方向の端に入射する前、ポンピ ング放射が発散する程度に依存する。ベア・エト・アルに述べられている実施例 では、光ファイバ・ケーブルの直径は１０ミクロンであり、ポンピング・ボリュ ームは１００−２００ミクロンの範囲の径を有する。

加えて、上記したように、ＴＥＭ−モードのためのレーザ・ボリュームは径が約 ２００ミクロンである。したがって、実質的なオーバラップが達成される。

ダイオード・ポンピングはまた、効率に貢献するが、それは関心のある波長領域 においてレーザ・ロッドにて発生されるＮｄイオンの吸収帯にオーバラップする 波長に合わせることができるからである。その結果として、ダイオード・レーザ 光はほとんど完全に吸収され、したがって反転分布の生成に貢献する。電気的効 率のレベルがたった０、５％しかない、アーク・ランプ・ポンピングに比較して 、ダイオード・ポンピングは約１０％の電気的効率のレベルを有している。

本明細書の参考文献に入れられている、「ハイ・エフイソジエンシイ・モード・ マツチド・ソリッド・ステート・レーザ・ウィズ・トランスバース・ポンピング （Ｈｉｇｈ　Ｅ　ｆｆ１ｃｉｅｎｃｙ　Ｍｏｄｅ　Ｍａｔｃｈｅｄ　５ｏｌｉｄ 　５ｔａｔｅ　Ｌａ５ｅｒ　Ｗｉｔｈ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｐｕｍｐｉｎｇ ）Ｊなる名称を有する、５二二玉上ヱ−１±による米国特許出願筒１０３゜５５ ７号に詳しく記載されているように、高い電気的効率はまた、ダイオード・レー ザ・づイド・ポンピングされる固体レーザにより達成することができるというこ とが認めらねでいる。したがって、本発明１」、エンド・ポンピングされｔ−固 体し・−ザと同様に、サイド・ポンビニ・′グものを採用した実施例を包含す６ ごとを意味する。

ダイオード・レー・ザ・エンド・ポンピングにより得ることができる大きな効率 の故に、レーザは、与えられた入力パワー・レベルにおいて、より高い利得を有 する。その結果、レーザ・キャビティは、材料のアブレーションのｔ−めに要求 される矧い出力パルスを発生するｔこめに、長さを非常に短くすることができる 。前に述べｔ；ように、材料の処理をうまく行うためには、出力パルスは、処理 される材料の拡散時間に比較して、短くあるべきである。多くの応用のためには 、５０ｎｓもしくはそれよりも下、たとえば３０ｎｓのパルス幅が要求される。

ベア・エト・アルに記載されているレーザの実施例については、１Ｏ−５０ｎｓ のオーダのパルス幅が得られている。

高い効率のいま一つの利点は、入力パワーを低くすることができることである。

実際、高い効率は、レーザを２３０ＶＡＣのアウトレットのかわりに、１１５Ｖ Ａｃのアウトレットから動作させることができるようにする。このことは、ビー ムを減衰させる必要なしるレーザ・ビームの放射を許容する。材料処理の応用の ｊ；めには、１００μＪもしくはそれよりも低い、好ましくは５−１０μＪのエ ネルギ・レベルを有するレーザ光が正確なカットを得るｔ；めに要求される。こ れよりも高いエネルギ・レベルは、短いパルス幅を含んでいるので、材料にあま りにも大きなパワーを放射し、それを溶解゛サセル。これは、レーザにより放射 されるパワーが、パルス幅の多くの変化にわたってほぼ一定のままに維持される 、パルス幅により分割されるエネルギ・レベルに等しいからである。全体として の結果は、ダイオード・エンド・ポンピングは、良好で、正確な材料の処理のた めに要求される適正なパルス幅／エネルギレベルの組合せを放射することである 。

より高い電気的効率は、重要な追加の利点を有する。一つの利点は、レーザ・ヘ ッドにおいて熱消費がほとんどもしくは全くなく、冷却システムが電源およびダ イオード・レーザに移って局限されてしまい、そのことは、こんどは、冷却シス テムの振動とレーザ・ヘッドとの結合を減少させるということである。加えて、 冷却水が不要であり、水の乱流により引き起こされるレーザ出力に存在するノイ ズが除去される。この利点はより正確なカットを行うことができることである。

以上は本システムのレーザ部品の説明であった。残る部品は以下に説明する。光 学システムは、レーザ光を材料７の表面に入射するように制御するとともに、レ ーザ光を集束させる。第１図の特別な実施例では、光学サブシステムは１０−２ ０ミクロンの径のビームを１ミクロン程度の径に集束することができる任意の標 準的な顕微鏡である。例示的な顕微鏡は、エドモンド・サイエンティフィック（ Ｅｄｍｏｎｄ　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）製のモデルＮｏ、Ｐ３７゜３２４である 。加えて、イメージ・サブシステムのビデオカメラおよびモニタは、従来周知の 標準的な光学部品である。

ワークステーションは従来周知のステッパ・モータにより制御される並進ワーク ステーションである。有利なものは、二ニー・イングランド・アッフイリエイト ・チクノロシーズ（Ｎｅｗ　Ｅｎｇｌａｎｄ　Ａｆｆｉｌｉａｔｅ　Ｔｅｃｈｎ ｏｌｏｇｉｅｓ）製のモデルＮｏ、ＸＹ−３５３５−Ｍ２Ｏである。加えて、ワ ークステージ窪ンは、蓄積、順序付け、およびレーザ光に関して材料を位置決め するためにワークステーションへ命令を送り出すための制御手段に電気的に結合 される。第１図の実施例では、計算手段はパーソナルコンピュータである。

顕微鏡の機能は、ｌ）表面をアブレーションする！こめに処理される材料の表面 にパルス化されたレーザビームを向かわせて集束させること、および２）パルス 化されたビームの位置決めを容易にするために、位置決めビームを表面上にパル ス化されたビームと共線となるように位置決めする、という２重の機能を有して いる。

共線の位置決めビームは、ダイオード・レーザからの漏洩光が有利であり、それ はパルス化されたビームと共線である。漏洩光はまた、材料の表面に入射するが 、しかしアブレーションしないように、顕微鏡もしくはほかの光学サブシステム によるパルス化されたビームと同じ光路に沿うようになされる。漏洩光はそのと き上記表面から反射し、光路６に沿う光学サブシステムにより画像サブシステム に向かわされ、画像サブシステムはそのとき入射点における材料の表面の像を表 示する。ユーザはそのとき、画像用サブシステムのモニタヲ使用しつつパルス化 されたビームの位置を視覚的に追って、パルス化されたビームを再位置決めする ために制御手段に命令を発することができる。ダイオード・レーザの漏洩光景外 の、共線の位置決めビームのためのほかの実施例は、より低いパワーの連続波（ ＣＷ）モードで固体レーザを動作させること、またはその代わりに、独立した、 共線の位置決めビームを使用することを含む。上記したどの実施例においても、 位置決めビームは、パルス化されたビームがスイッチオフされている間、レーザ を位置決めするために使用される。いったん、レーザが位置決めされると、パル ス化されＩ；ビームが表面をアブレーションするためにスイッチオンされる。

第１図の実施例の光学サブシステムのブロック・ダイヤグラムは第２図に図示さ れている。上記ダイヤグラムは第１図の部品のいくつかを合体しており、それら の部品のための識別符号は同じにされている。図示のように、光学サブシステム ２は、ビーム・スプリッタ２０１および集束レンズ２０２を含む。レーザｌは光 学サブシステムの一端にマウントされ、パルス化されたレーザ光はレー・ザと処 理される材料の表面の間のまっすぐな光路を通るように制御される。

図示のように、ビーム・スプリッタおよび集束レンズは、光路に沿って配置され るとともに、互いに間隔をおいて配置され、レーザ光は、最初に、上記ビーム・ スプリッタに入射して通過し、それから集束レンズを通過する。第１図の実施例 に８いて、共線の位置決めビームは、レーザ１のダイオ・〜ド・レーザからの漏 洩光である。共線の位置決めビームはまた、光学サブシステムにより、パルス化 されたレーザ光と同じ光路を通るように制御される。

第２図に示すように、レーザ光が、最初、光路５に沿って材料の表面に入射する とともにアブレーションするように制御される。加えて、共線の位置決めビーム がまた、表面の同じ場所に入射するがしかしアブレーションしないように制御さ れる。上記したように、位置決めビームがパルス化されたビームを位置決めする ために使用されるとともに、パルス化されたビームは、典型的に、位置決めステ ップの全体を通して、余分なアブレージ５ンを防止するために、ターンオフされ る。位置決めビームが表面に入射した後、それは反射されるとともに光路６に沿 って向き付けられ、一部は光路６を再び通る。反射ビームは、最初、集束レンズ に入射してそれを通過し、それからビーム・スプリッタに入射する。第１図およ び第２図の特別の実施例では、ビーム・スプリッタは、部分反射鏡である。当業 者であれば、しかしながら、部分反射鏡以外のビーム・スプリッタも適すること を認めるであろう。図示のように、イメージ・システム３のビデオカメラ３は、 光学サブシステムに機械的に結合されるとともに、ビーム・スプリッタは、第２ の光路６に沿う反射位置決めビームの一部をビデオカメラに向かわせる。カメラ は、材料の表面上の入射の特定位置にて材料の表面の像を表示するために、モニ タ（図示せず。）を制御する。

材料の表面のカットの幅は、表面に入射するビームの幅により決定される。前に 示したように、レーザ・ヘッドにより発生されるレーザ・ビームは、およそ２０ ０−３００ミクロンの径を有しており、集束レンズ２０２は、ｌ−２ミクロンも しくはそれよりも小さい径にビームを集束させる。したがって、単に、集束レン ズの特性を変えたり、あるいは、単に、材料を互いに隣り合う多重カントを行う ことにより、他の幅も可能であるが、単一のカットの幅は、第１図の実施例では 、■−２ミクロンもしくはそれよりも小さい幅である。

たとえば、ある彫刻への応用では、１０−３０ミクロンのビーム幅が適している 。漸増する回折が制限されたレーザによれば、上記集束レンズ２０２は、およそ １０−３０ミクロンもしくはそれよりも小さいパルス化されたビーム幅（およそ １−２ミクロンもしくはそれよりも小さいものを含む。）を発生するために必要 でないことが認められている。このような場合には、集束レンズ２０２は、シス テムから除外することができる。

表面上の特別の点における透過の深さは、しかしながら、レーザがこの特別な点 に入射する時間の長さに依存する。これはパルスの数、したがって、上記の特別 な点において上記表面に放射されるエネルギを決定する。実際、カッ１の深さは 、放射されたエネルギどともにほぼ対数的に変化し、それは、単に、カットの深 さが２倍もしくは３倍になると、放射されるパルス数を単に２倍もしくは３倍す ること以上を要求し、実際、パルスの数を指数関数的に増加させることを要求す ることを意味する。第１図の実施例では、彫刻のための満足すべき深さは、表面 に一つのパルスを放射し、それからビーム径の１／２だけビームを前方にステッ プさせ、そして第２のパルスを印加することにより得ることができる。より深い カットが存在するほかの応用、すなわち結合をとばすことによる半導体メモリの 修理のために要求されることが認められている。この場合には、カットの深さは 、結合をとばすために充分でなければならず、彫刻に関して上に述べた以上のパ ルスが結合をとばすために結合に放射されなければならない。

材料の表面におけるレーザ・ビームのステップは、ワークステーション手段によ り制御される。材料７はワークステーションの面に配置され、その面はレーザ・ ビームに関して移動され、レーザ・ビームは静止したままである。第１図の実施 例では、はじめに述べたように、使用される特定のワークステーションは、二ニ ー・イングランド・アップイリエイト・テクノロジイーズ（Ｎｅｗ　Ｅｎｇｌａ ｎ、ｄＡｆｆｉｌｉａｔｅ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＸ以下、ＮＥＡＴと記す 。）製の、モデルＮｏ、　ＸＹ−３５３５−Ｍ２Ｏである。同じ製造業者による いま一つの可能なワークステーションは、モデルＸＹ−３５３５−Ｍ５である。

加えて、第１図の実施例では、ワークステーションは、本実施例ではまたＮＥＡ Ｔ製のモデルＮｏ、２０２０であるコントローラを介して、パーソナル・コンピ ュータである制御手段にインターフェースされている。

ワークステーション手段は、上記コンピュータからの指令に応答して、材料の表 面の特定の位置に、レーザ・ビームを位置決めする。

加えて、ワークステーション手段は、２つの異なる動作モードで動作する。第１ のモードでは、ワークステーションは、Ｘ一方向、Ｙ一方向、もしくはその両方 の方向のいずれかに、ステップが増加するように制御される。１ミクロンもしく はそれよりも小さいステップサイズが可能である。第２のモードでは、ワークス テーションは、特定のＸ、Ｙ位置に移動するように制御され、この特定のＸＹ位 置は材料の表面の参照位置に関して規定される。ワークステーションが上記位置 に動くスピードはそのうえに、プログラム可能であり、しかもまた、コンピュー タにより制御される。

ワークステーション手段が移動している間にレーザ光が材料の表面に入射するよ うに制御することができ、あるいは、そのかわりに、上記ワークステーション手 段が移動を停止した後にレーザ光が表面に入射するように制御することができる 。第１図の特別な実施例において、レーザ・ビームは、ワークステーション手段 が停止した後、表面に入射するように制御される。ワークステーション手段は、 Ｘ一方向、Ｙ一方向、もしくはその両方の方向のいずれかに、ビーム幅のおよそ ｌ／２だけステップするように制御され、それから単一パルスが印加される。材 料の表面でカットを行うために、このプロセスがそれから繰り返される。

同時に表面にレーザ・パルスを発射している間にワークステーションを増加方向 のステップに制御すること、あるいは、そのほかに、同時に表面にレーザ・パル スを発射する間に特定のスピードで（参照位置に関する）特定のＸ、Ｙ位置にワ ークステーションを移動させるように制御することを含む、ほかの実施例が可能 であることが認められている。加えて、ビーム幅の１／２以外のステップ・サイ ズが可能であり、かつ、各ステップにおいて単一のパルス以上の放射も可能であ ることが認められている。

第２の動作モードでは、参照位置はワークステーション手段に対して規定されな ければならない。このようにしてだけ、それはどのようにして特定のＸ、Ｙ位置 に動くかを知る。システムに対して参照位置を規定するために、複数の方法が利 用可能である。一つの方法は、ユーザは、モニタを使用して参照位置にレーザを 視覚的に位置決めし、レーザが位置決めされると、ユーザはこれを制御手段に示 す。このようにすると、ユーザは、参照位置におけるレーザの正確な位置を示す ために、パーソナル・コンピュータのキーボードの予め定められたキーを押す。

第１図の実施例では、ユーザはレーザ光が向かう材料の表面の位置を観察するこ とにより、レーザを視覚的に位置決めし、それから、参照位置にステップするよ うにＰＣにワークステーションを制御させるために、キーボード上の予め定めら れたキーを押す。

あるいはまた、バーコードのような予め決められた検知可能なパターンが、参照 位置にて材料の表面に印刷され、そしてＰＣが上記コードを検知するパターン認 識ソフトウェアが装備されていてもよい。コンピュータはそのとき、材料の表面 をスキャンするようにプログラムされるとともに、上記パターン認識ソフトウェ アを使用して参照位置をみつける。これを達成するために、イメージ・システム のビデオカメラがＰＣとインターフェースされるとともに、ビデオカメラにより ピックアップされた反射された位置決めビームからとりだされる、材料の表面を 記述するデータをそれに送る。表面をスキャンするために、コンピュータがワー クステーション手段をステップさせて材料の全表面を横断するようにプログラム される。

本発明は、マニュアル動作モードと自動動作モードのいずれかで動作させること ができる。マニュアルモードでは、モニタにより、材料の表面に関して、レーザ ・ビームを視覚的に位置決めし、追跡し、かつ動かす。そのようにするためには 、ユーザは表面上の位置決めビームの位置を観測し、ワークステージ３ンが特定 の位置にステップするように制御するためにＰＣに命令を打ち込み、特定の持続 時間のパルス化されたビームを伝送するようにレーザを制御するためにＰＣに命 令を打ち込み、それから、所望の位置および深さにおいて正確なカットが得られ るまでこのプロセスを繰り返す。

自動モードでは、Ｊ−ザは最初に、いずれも上記した、マニュアルもしくはパタ ーン認弊ソ７１クエアを介しで、材料の表面の参照位Ｒにレーザを位置決めする 。それから、ユーザは、所望のカッ；・の位置および深さを記述している記述デ ータを発生し、このデータをＰＣにロードする。ユーザはそれからカットを開始 させる信号をＰＣに出力すると、ＰＣは、上記データにより記述される特定の位 置にレーザを位置決めするようにワークステーション手段を制御し、そして、上 記データにより記述された特定の持続時間のパルス化されたビームを検知するＩ −めにレーザを停止させる。その結果、上記データにより記述された位置および 深さで、材料がアブレーションされ、正確なカットが行なわれる。動作の自動モ ードでは、使用されたとしても、参照位置にてレーザを最初に位置決めするため にのみ、イメージンステムが使用される。

本発明は、多くの異なった応用のｌ；めに使用することができる。

いままで述べてきたように、重要な応用は結合をとばすことによる半導体メモリ の修理である。関連する応用は、プログラマブル・ロジック・アレイ（Ｐ　Ｌ　 Ａ）の結合をとばすこと、もしくは結合をとばすことが主要であるようなほかの 半導体の応用である。本発明は、Ｔ　Ｅ　Ｍ、、％−ドのスポットサイズがチッ プのほかに損傷を与えることなく接続をとばすために充分小さい、１ミクロンあ るいはそれよりも小さい径に集束させることができるので、この応用に特に適し ている。加えて、アルミニュームもしくはタングステンの結合をとばすために要 求される、パルス対パルスの安定性が光フアイバ結合、および水冷の除去により 達成される。

本発明のために特に適したいま一つの応用は、光学部品、ディスクリートな半導 体部品、ガリウムひ素のウェハ、プリント基板、シルクスクリーン、あるいはほ かの多様な材料にマーキングを行っｔユりあるいは線を刻むことである。これら の材料は、たとえば、みばえをよくしたり識別したりする目的のため、あるいは 、盗難の検知や予防に使用するｔ：めに、線が刻まれる。

本発明のために特に遇した第３番めの応用は、鏡の反射プロフィールを計測した り、あるいは、光学時間域反射率測定（ＯＴＤＲ）を使用した光学部品の欠陥を 検出することである。たとえば、０ＴＤＲの原理を使用する応用例は、欠陥を検 出するために長い光７アイバケーブルを通して、１−−ザバルスを伝播させるこ とである。　ほかの利点および変形は当業者に容易に想起される。広い範囲にお ける本発明は、したがって、以上において示されるとともに説明された特定の詳 細な説明、代表的な方法、および図示の例に限定されない。

特に、本発明は、シ・−ザが、ダイオード・レーザ・エンドもしくはサイド・ボ ンビニフグされる、固体レーザである実施例、およびレーザが、およぞ２００− ３００ミクロンもしくはそれＪ：りも小さい幅、およそ５０ｎｓもしくはそれよ りも小さいパルス幅、およびおよそ１００μＪもしくはそれＪ：りも小さい減衰 されないコーネルギ１／ヘルを有するパルス化されたレーザ・ビームを発生させ るレーザである実施例を含むが、しかしそれに限定されない、精密な材料の処理 および機械加工のためのレーザを基礎とするワークステーションのすべての実施 例を包含することを意図する。加えて、本発明は、パルス化されたレーザ・ビー ムがおよそ１０−３０ミクロンもしくはそれよりも小さいビーム幅（ｌ−２ミク ロンもしくはそれよりも小さい幅を含む）に集束されるか、もしくは集束さねな いすべての実施例、レーザがワー・クステーシ３ンに関して動くように制御され るすべての実施例、顕微鏡以外の光学サブシステムがパルス化されたレーザおよ び位置決めビームを制御、集束および分離させるために使用されるすべての実施 例、イメージ・サブシステムがシステムに組み込まれているか組み込まれていな いすべての実施例、制御手段がＰＣであるかもしくはＰＣではないすべての実施 例、レーザおよび位置決めビームが手動的もしくは自動的に位置決めされ、追跡 され、あるいは動かさかれるすべての実施例、および材料の表面上の参照位置が パターン認識ソフトウェアを介して手動もしくは自動のいずれかで位置決めされ るすべての実施例を包含することを意図している。

補正書の翻訳文提出書 補正された請求の範囲 １９、最初に材料の表面の参照位置にビームを位置決めするステン手段と、特定 の位置にて材料の表面をアブレーションするために光路に沿ってパルス化された レーザ・ビームを向き付けるためにｑ−スイッチされた固体レーザ・キャビティ に完全に結合された顕微鏡を含む光学手段と、パルス化されたビームに関して材 料を位置決めしてパルス化されたビームが特定の位置に入射するとともに、上記 位置にて材料の表面を途去するために上記パルス化されたレーザ・ビームを伝送 するようにレーザ手段を制御するためにレーザ手段およびワークステーション手 段に結合された制御手段とを含む精密な材料処理および機械加工のためのｑ−ス イッチされたダイオード・レーザ・ボンピングされた固体レーザを用いたシステ ム。

２２、位置決めビームを提供するｌこめに上記顕微鏡に結合されており、上記顕 微鏡が上記光路に沿って位置決めビーム向き付ける構成を有Ｉ７て少なくともビ ームの一部が上記特定の位置にて材料の表面に入射して反射する手段と、上記光 学手段に光学的に結合され、上記光学手段が位置決めビームの反射された一部を イメージ手段に向けるようになされるとともに、上記イメージ・システムが上記 反射された一部から上記特定の位置における材料の表面の像を視覚的に表示する するようになされているイメージ手段とをさらに含む請求の範囲２１記載のシス テム。

２３、およそ２００−３００ミクロンもしくはそれよりも小さいビーム幅、およ そ５０ｎｓもしくはそれよりも小さいパルス幅、およびおよそｌＯＯμＪもしく はそれよりも小さいエネルギ・レベルを有するパルス化されたビームを制御可能 に発生するためにボンポング源に間隔をおいて光学的に結合されたｑ−スイッチ されたレーザ・キャビティを含むし・−ザ手段と、上記パルス化されたレーザ・ ビームに関して材料を保持するとともに制御可能に位置決めするためのワークス テーション手段と、およそ１０−２０ミクロンもしくはそれよりも小さい幅にパ ルス化されたビームを集束するとともに、特定の位置にて材料の表面を除去する ために光路に沿って集束され、パルス化されたレーザ・ビームを向き付けるため にレーザ・キャビティに完全に結合されｔ；通常の光学手段と、パルス化された ビームに関して材料を位置決めして、パルス化されたビームが表面の特定の位置 に入射するようにワークステージ３ンを制御するとともに、上記位置の材料の表 面を除去するためにパルス化されたレーザ・ビームを伝送するように上記レーザ 手段を制御するｔ；めに上記レーザ手段およびワークステーションに結合された 制御手段とを含む精密な材料の処理および機械加工のためのレーザを用いたシス テム。

２４、およそ２００−３００ミクロンもしくはそれよりも小さいビーム幅、およ そ５０ｎｓもしくはそれよりも小さいパルス幅、およそ１００μＪもしくはそれ よりも小ざいエネルギ・レベルを有し、ＴＥＭ−モー　ドの１７−ザであるパル ス化されたレーザ・ビームを発生するＩユめに光ファイバによりダイオード・レ ーザ・ポンピング源に間隔をおいて結合されたｑ−スイッチされた固体レーザ・ キャビティを含む１／−ザ手段と、およそ２０−３０ミクロンもしくはそれより も小さい幅にビーム幅を集束するとともに、特定の位置で材料の表面をアブレー ションするために光路に沿って集束されたビームを向き付けるためにレーザ・キ ャビティに完全に結合された顕微鏡を含む光学手段と、上記パルス化されたレー ザ・ビームに関して材料を保持するとともに制御可能に位置決めするためのステ ッパ・モータ制御のワークステーションと、最初に、パルス化されたビームに関 して材料を位置決めし、パルス化されたビームが表面の特定の位置に入射するよ うにワークステーションを制御し、それから、上記位置で材料の表面をアブレー ションするために上記パルス化されｔ；ビームを伝送するようにレーザ手段を制 御するために上記レーザ手段および上記ワークステージ３ンに結合される制御手 段とを含む精密な材料の処理および機械加工のためのｑ−スイッチされた、ダイ オード・レーザ・ポンピングされた、固体の、レーザを用いたシステム。

２５、上記顕微鏡がパルス化されたビームをおよそ１−２ミクロンもしくはそれ よりも小さいビーム幅に集束し、上記レーザ手段がまたパルス化されたビームと 実質的に共線であり、少なくとも位置決めビームの一部が第２の光路に沿って進 むように材料の表面から反射し、上記光学手段がまた上記第２の光路に沿って配 置されたビーム・スプリッタを含み、上記システムがさらにビーム・スブリッタ ゛　が位置決めビームの反射された一部をイメージ手段に向き付ける顕微鏡に光 学的に結合されたイメージ手段を含み、イメージ手段が上記反射された一部から 上記特定の位置における材料の表面の像を視覚的に表示するようになっている請 求の範囲２４記載のシステム。

２６、光ファイバによりダイオード・レーザ・ポンピング源に間隔をおいて結合 されたｑ−スイッチされた固体レーザ・キャビティを含むレーザ手段からパルス 化されたレーザ・ビームに関して材料の表面を位置決めし、パルス化されたビー ムを上記表面の特定の位置に入射させるステップと、上記レーザ・キャビティに 完全に結合された顕微鏡により上記位置にて材料の表面に入射するとともに表面 を除去するようにパルス化されたレーザ・ビームを制御するステップとを含む材 料の表面の精密な切断を行うための方法。

２７、上記パルス化されたレーザ・ビームがおよそ２００−３００ミクロンもし くはそれよりも小さいビーム幅、およそ５０ｎｓもしくはそれよりも小ささいパ ルス幅、およそ１００μＪもしくはそれよりも小さい減衰されないエネルギ・レ ベルを有し、さらに、上記顕微鏡によりおよそ１０−３０ミクロンもしくはそれ よりも小さい幅にパルス化されたレーザ・ビームを集束させることを含む請求の 範囲２６記載のプロセス。

２８、パルス化されたレーザ光は、ポンピング源に間隔を置いて光学的に結合さ れたｑ−スイッチされたレーザ・キャビティを含むレーザ手段から出ており、上 記パルス化されたレーザ・ビームはおよそ２００−３００ミクロンもしくはそれ よりも小さいビーム幅、およそ５０ｎｓもしくはそれよりも小さいパルス幅、お よびおよそ１００μＪもしくはそれよりも小さいエネルギ・レベルを有しており 、このパルス化されたレーザ光に関して材料の表面を位置決めし、パルス化され たレーザ光が表面の特定の位置に入射するステップと、上記レーザ・キャビティ に完全に結合された通常の光学手段により上記位置で材料の表面に入射して表面 をアブレージ目ンするようにパルス化されたレーザ光を制御するステップを含む 材料の表面の精密なカットを行うためのプロセス。

２９、上記通常の光学手段によりパルス化されたレーザ・ビームをおよそ１０− ３０ミクロンもしくはそれよりも小さい幅に集束するステップをさらに含む請求 の範囲２８記載のプロセス。

国際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．材料の表面をアブレーションするためのパルス化されたビームを制御可能に 発生するとともに伝送するためのタイオード・レーザ・ポンピングされた固体レ ーザ手段と、上記パルス化されたレーザ・ビームに関して材料を保持するための ワークステーション手段と、材料の表面をアブレーションするために光路に沿っ てパルス化されたレーザ・ビームを向き付けるためにレーザ手段に機械的に結合 される光学手段と、特定の位置においてレーザ手段に関して材料を位置決めする とともに、上記位置にて材料の表面をアブレーションするために上記パルス化さ れたレーザ・ビームを伝送するようにレーザ手段を制御するためのレーザ手段お よびワークステーション手段に電気的に結合された制御手段とを含む、精密な材 料の処理および機械加工のためのタイオード・レーザ・ポンピングされた、固体 レーザに基づくシステム。
2. ２．上記光学手段が上記光路に沿って位置決めビームを向き付け、上記特定の位 置にて材料の表面に入射するがしかし表面をアブレーションしない、位置決めビ ームを発生するための手段と、上記位置決めビームが材料の表面から反射すると ともに、上記光学手段がイメージ手段に反射されたビームの一部を制御し、その ときに上記イメージ手段が上記特定の位置における材料の表面のイメージを視覚 的に表示する、上記光学手段に機械的に結合されたイメージ手段とをさらに含む 請求の範囲１記載のシステム。
3. ３．およそ２００−３００ミクロンもしくはそれよりも小さいビーム幅、およそ ５０ｎｓもしくはそれよりも小さいパルス幅、およびおよそ１００μＪもしくは それよりも小さいエネルギレベルを有するパルス化されたレーザ・ビームを制御 可能に発生するためのレーザ手段と、パルス化されたレーザ・ビームに関して材 料を保持するためのワークステーション手段と、上記パルス化されたビームをお よそ１０−２０ミクロンもしくはそれよりも小さい幅に集束するとともに、材料 の表面をアブレーションするために集束され、パルス化されたビームを光路に沿 って向き付けるためにレーザ手段に機械的に結合された光学手段と、レーザ手段 に関し特定の位置に材料を位置決めしするとともに、上記位置において材料の表 面をアブレーションするためにパルス化されたレーザ・ビームを伝送するように レーザ手段を制御するためにレーザ手段およびワークステーション手段に電気的 に結合される制御手段とを含む精密な材料の処理および機械加工のためのレーザ に基づくシステム。
4. ４．上記光学手段が上記特定の位置にて材料の表面に入射するがしかし表面をア ブレーションしないように上記光路に沿って位置決めビームを向かわせる、位置 決めビームを発生するための手段と、位置決めビームが上記材料の表面から反射 するとともに、上記光学手段が反射ビームの一部をイメージ手段に向き付け、そ れがそのときに上記特定の位置における材料の表面の像を表示するイメージ手段 とをさらに含む請求の範囲３記載のシステム。
5. ５．パルス化されたビームがレーザ手段のＴＥＭ■モードである請求の範囲３記 載のシステム。
6. ６．上記パルス化されたレーザ光が、およそ３０ｎｓに等しいパルス幅と、およ そ１０μＪに等しいエネルギレベルとを有している請求の範囲５記載のシステム 。
7. ７．上記光学手段がパルス化されたレーザ・ビームをおよそ１−２ミクロンもし くはそれよりも小さい径に集束する請求の範囲６記載のシステム。
8. ８．およそ２００−３００ミクロンもしくはそれよりも小さいビーム幅、およそ ５０ｎｓもしくはそれよりも小さいパルス幅、およそ１００μＪもしくはそれよ りも小さいエネルギレベルを有し、ＴＥＭ−モードのレーザであるパルス化され たレーザ・ビームを発生するとともに伝達するためのタイオード・レーザポンピ ングされ、ｑ−スイッチされ、光ファイバ結合された固体レーザと、ビームの幅 をおよそ１０−３０ミクロンもしくはそれよりも小さい幅に集束するとともに、 材料の表面をアブレーションするために集束されたビームを光路に沿って向き付 けために上記レーザに機械的に結合された顕微鏡と、上記パルス化されたレーザ ・ビームに関して材料を保持するとともに制御可能に位置決めするためのステッ パ・モータ制御のワークステーションと、特定の位置に対して、最初にワークス テーションが水平、垂直、もしくはその両方にステップするように制御し、上記 位置にて材料の表面をアブレーションするために上記パルス化されたビームを伝 送するようにレーザを制御するために上記レーザおよびワークステーションに電 気的に結合された制御手段とを含む、精密な材料の処理および機械加工のための タイオード・レーザでポンピングされた、固体レーザに基づくシステム。
9. ９．上記顕微鏡がおよそ１−２ミクロンもしくはそれよりも小さいビーム幅にパ ルス化されたレーザ・ビームを集束する請求の範囲８記載のシステム。
10. １０．上記レーザがまた上記パルス化されたビームと共線である位置決めビーム を発生するとともに、上記顕微鏡に機械的に結合されたイメージ手段をさらに含 み、上記位置決めビームが材料の表面から反射し、上記顕微鏡が反射したビーム の一部をイメージ手段に向き付け、イメージ手段がそのとき上記特定の位置にお ける材料の表面のイメージを視覚的に表示する請求の範囲９記載のシステム。
11. １１．タイル（ｔｉｌｅ）制御手段がパーソナル・コンピュータである請求の範 囲１０記載のシステム。
12. １２．最初にワークステーションが特定の位置に配置され、それからパーソナル ・コンピュータのキーボードにて打ち込まれたユーザのコマンドに応答するかま たは、材料の表面におけるカットの位置および深さを記述する、パーソナル・コ ンピュータにロードされたデータに応答して、特定の持続のためにパルス化され たレーザ・ビームを伝送するようにレーザを制御する請求の範囲１１記載のシス テム。
13. １３．上記パーソナル・コンピュータがイメージ手段に電気的に結合され、材料 の表面が参照位置に予め定められた、検知可能なコードで印刷され、位置決めビ ームが特定の位置にて材料の表面に入射し、イメージ手段が上記位置決めビーム が向き付けられる表面の上記特定の位置を記述するデータを上記パーソナル・コ ンピュータに伝送し、上記パーソナル・コンピュータが上記データを解析し、位 置決めビームが上記参照位置に向き付けられていることを含んで、上記コンピュ ータが予め設定されたコードを検出するまで、ワークステーションを上記位置決 めビームに関して動くように制御する請求の範囲１２記載のシステム。
14. １４．タイオード・レーザ・ポンピングされた固体レーザからのパルス化された レーザ・ビームに関して特定の位置に材料の表面を位置決めするステップと、上 記位置にて表面に入射するとともに表面をアブレーションするようにパルス化さ れたレーザ光を向き付けるステップを含む材料の表面における精密なカットを行 うためのプロセス。
15. １５．上記パルス化されたレーザ・ビームがおよそ２００−３００ミクロンもし くはそれよりも小さいビーム幅、５０ｎｓもしくはそれよりも小さいパルス幅、 および１００μＪもしくはそれよりも小さい減衰されないエネルギレベルを有し ている請求の範囲１４記載のプロセス。
16. １６．およそ１０−３０ミクロンもしくはそれよりも小さい幅にパルス化された レーザ・ビームを集束するステップを含む請求の範囲１５記載のプロセス。
17. １７．パルス化されたビームがおよそ１−２ミクロンもしくはそれよりも小さい ビーム幅に集束される請求の範囲１６記載のプロセス。
18. １８．入射するが、表面をアブレーションしないようにするとともに、特定の位 置にて表面から反射させるように位置決めビームを向き付けるステップと、上記 位置での材料の表面を視覚的に表示するためのイメージ・システムに反射された ビームの一部を向き付けるステップと、上記パルス化されたビームがターン・オ フされている間に、映像ディズプレイを使用して第２の位置に上記位置決めビー ムを視覚的に位置決めし、上記位置決めビームがそのように位置決めされた後に パルス化されたビームをターン・オンするステップを含む、請求の範囲１５記載 のプロセス。
19. １９．材料の表面の参照位置に最初にビームを位置決めするステップと、上記参 照位置に関してカットの位置と深さを記述するデータを生成するステップと、上 記データを使用して記述された位置と深さで材料の表面をカットするために自動 的にパルス化されたビームを位置決めするとともに向き付けるステップとをさら に含む、請求の範囲１８記載のプロセス。
20. ２０．最初の位置決めステップが位置決めビームを参照位置に視覚的に位置決め するかまたは、上記ビームを参照位置にて表面に印刷された予め定められたコー ドを検知することにより自動的に位置決めする請求の範囲１９記載のプロセス。