JPH11197868A

JPH11197868A - レーザ照射装置

Info

Publication number: JPH11197868A
Application number: JP10017977A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kobayashi; 裕小林
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1998-01-14
Filing date: 1998-01-14
Publication date: 1999-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ強度分布の平坦度を向上させる。【解決手段】半導体レーザチップ１２からの出射レー
ザビームをハーフミラー１６で２つに分岐し、これらを
ミラー１７、１８およびフォーカシングレンズ群１９、
２０をそれぞれ経て被加熱物体２１の表面に、互いに横
方向（光軸に直角な方向）では所定の距離だけシフトさ
せるようにして、集光させ、これによりレーザ強度分布
の山と谷が打ち消し合うようにし、強度分布の平坦度を
上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザビームを
照射して加熱などを行うレーザ照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ照射装置は、たとえばレーザはん
だ付け装置などの加熱装置として用いられることが多
い。すなわち、最近の集積回路などの技術進歩に呼応
し、プリント基板への電子部品の実装密度が高まるとと
もにハイブリッド化していくなかで、レーザ加熱装置の
使用範囲が広がっている。実際、電子部品の基板上への
表面実装方式が増加傾向にあること、部品装着の自動化
が要望されていること、耐熱に問題のある部品が混在す
るケースがあること、あるいは部品の小型化がすすんで
いることなどから、この種のレーザ加熱装置の有望性が
注目されている。一方、これとはまったく異なる使用分
野である、局所加熱による選択膜成長や結晶の相制御の
ような表面改質などの分野へも、レーザ加熱装置が応用
されるようになりつつある、というように応用分野の拡
大が続いている。

【０００３】このような加熱などに利用されるレーザ照
射装置としては、従来、ＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌ
ｕｍｉｎｕｍＧａｒｎｅｔ）レーザや炭酸ガスレーザ
などが主として用いられている。そして、このようなレ
ーザ照射装置を用いて対象物を加熱する方式として、い
くつかの光学的方式が採用されている。主なものとして
は、スポット移動方式、線状ビーム照射方式、およびス
キャニング方式などがある。これらのうち、スポット移
動方式は古くから用いられているもので、最も一般的な
方式である。この方式では、対象物を加熱する場合に、
たとえば光ファイバの出射レンズユニットをロボットア
ームで把持し、これによりレーザスポットを移動させ
て、加熱しようとする部分を加熱する。この方式は単純
であり、他の方式と比較して安価なものといえる。線状
ビーム照射方式は、円筒状スポットのレーザビームをシ
リンドリカルレンズを用いて線状のレーザビームにし、
加熱しようとする部分を広い幅で加熱する。スキャニン
グ方式は、レーザビームをガルバノメータによって往復
スキャニングさせ、これにより均一な温度分布を持つ線
状ビームを加熱しようとする部分に照射する。この方式
は、スキャナモータの制御により、線状ビームの長さや
温度分布を変化させることができる点に特徴がある。

【０００４】一方、最近、高出力半導体レーザとして量
子井戸構造あるいはＤＨ（ダブルヘテロ）構造を持つス
トライプ幅の広い半導体レーザ（以後、これを「ブロー
ドストライプレーザと呼ぶ）がよく利用されるようにな
ってきている。この素子は、１素子で１〜３Ｗ程度、さ
らにアレイ化やスタック化によって数１０〜１００Ｗ以
上の出力を生じるものも開発され、ＹＡＧレーザの代替
として使用されるに至っている。このブロードストライ
プレーザは、その発振領域幅が５０〜３００μｍ程度の
線状となっており、線状のレーザビームが得られるの
で、このレーザを用いた加熱装置では、線状レーザビー
ムをレンズを通して加熱すべき部分に照射することにな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザ照射装置では、照射する線状のレーザビームにお
けるその長さ方向の光強度均一性が悪いという問題があ
る。すなわち、線状ビーム照射方式では、円形スポット
状のレーザビームをシリンドリカルレンズによって線状
ビームに形成しているため、円形のレーザビームを押し
つぶして線状にすることになり、線状ビームの長さ方向
での中央部のエネルギー密度が両端のエネルギー密度に
比べて高くなって、長さ方向での光強度分布に不均一性
が生じる。これはレーザ加熱を行う際に非常に重要な問
題を起こす。具体的な例を挙げると、ＦＰＩＣ（Ｆｌａ
ｔＰａｃｋａｇｅＩＣ）などでは、多ピン化および
ピンピッチの狭小化に伴い、各接合箇所の加熱特性の均
一性が品質に反映することになるので、線状レーザビー
ムの長さ方向での光強度の不均一が深刻な問題となる。

【０００６】また、一般にブロードストライプレーザの
レーザ出射端面の光強度分布（以後、これを「近視野
像」あるいは「ＮＦＰ；ＮｅａｒＦｉｅｌｄＰａｔ
ｔｅｒｎ」という）は、高い出力を得ようとする場合、
発振時のモード競合によって不均一になる。そしてブロ
ードストライプレーザからの線状レーザビームを加熱す
べき部分に照射する際、その照射部分の光強度にはＮＦ
Ｐが反映するので、均一な加熱を行うには、ＮＦＰが全
ストライプ領域にわたって均一であることが要求され
る。そのため、光強度の不均一なＮＦＰのままではこの
ブロードストライプレーザをレーザ加熱装置として使用
することが難しい。さらにＮＰＦは経時変化するため、
長時間の駆動によって半導体自体の寿命を迎える前にレ
ーザ加熱装置として不適格なものとなる場合も生じ、こ
れはレーザの取り替え時期を早めることになるので、コ
ストアップの問題も生じる。

【０００７】この発明は、上記に鑑み、レーザビームの
光強度分布の均一化をはかり、一度に大きな面積を均一
に加熱することなどを可能とする、レーザ照射装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明によるレーザ照射装置においては、レーザ
発生手段と、該レーザ発生手段から出射するレーザビー
ムを複数に分岐する分岐手段と、分岐された複数のレー
ザビームを、それらのビームが所定の距離だけ横方向に
シフトして重なるよう、それぞれ集光する集光手段とが
備えられることが特徴となっている。

【０００９】レーザビームは複数に分岐され、その分岐
された複数のレーザビームが横方向に所定の距離だけシ
フトして重なるようにして、集光させられる。そのた
め、元のレーザビームの光強度分布に山・谷があって不
均一になっている場合、分岐した複数のレーザビームに
おいて、分布の山と谷をそれぞれ重ねるようにすること
ができる。その結果、被加熱物体などに照射する場合
に、その物体の照射位置における照射レーザビームの光
強度分布の不均一を改善して均一性を向上させることが
できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の実施の形態に
ついて図面を参照しながら詳細に説明する。図１におい
て、半導体レーザパッケージ１１には、半導体レーザチ
ップ１２と、ヒートシンク１３と、ペルチェ素子１４と
が内蔵されている。レーザチップ１２はヒートシンク１
３に取り付けられ、ヒートシンク１３はペルチェ素子１
４に取り付けられており、これによって冷却されるよう
になっている。このレーザチップ１２から出力されるレ
ーザビームはコリメートレンズ１５によって平行ビーム
にされ、さらにハーフミラー１６によって複数（ここで
は２）のレーザビームに分岐される。各分岐レーザビー
ムはさらにミラー１７、１８およびフォーカシングレン
ズ群１９、２０をそれぞれ経て被加熱物体２１の表面に
像を結ぶ。

【００１１】これら各分岐レーザビームの結像位置は、
光軸方向では被加熱物体２１の表面付近であるが、横方
向（光軸に直角な方向）では所定の距離だけシフトさせ
られている。すなわち、各分岐レーザビームが被加熱物
体２１の表面で横方向に少しずれて重なり合うように、
フォーカシングレンズ群１９、２０の各々が調整されて
いる。このレーザビームをシフトさせる方向は、たとえ
ば半導体レーザチップ１２として、図２に示すようなブ
ロードストライプレーザチップ３１を用いる場合、その
ストライプ状発光領域３２の幅の広いストライプ幅Ｗ方
向とする。

【００１２】ブロードストライプレーザチップ３１はス
トライプ状の発光領域３２の幅（ストライプ幅）を広く
（５０μｍ〜５００μｍ程度に）して高出力化した半導
体レーザチップとして知られているものである。この広
いストライプ幅Ｗ方向では、光利得による導波のみによ
って支配されるモードが存在するため、横モードは多モ
ードとなり、光強度分布が生じ、この方向では光強度は
平坦でなくなる。このＷ方向でのＮＦＰはチップ端面で
図３の（ａ）の実線４１のように多数の凹凸を持つ。な
お、Ｗに直角な方向は活性層の層厚方向であってその方
向の幅は１〜数μｍ程度であるから、その方向では横モ
ードは単一モードとなっている。

【００１３】ストライプ幅Ｗが２００μｍ程度のブロー
ドストライプレーザでは、Ｗ方向での光強度分布の凹凸
は５〜１０μｍほどの周期となるため、シフトさせる距
離はこれに対応させる。すなわち、分岐レーザビームの
一方を他方に対して５〜１０μｍほどシフトさせる。す
るとその一方のレーザビームについての光強度分布特性
は図３の（ａ）の点線４２に示すように、他方の図３の
（ａ）の実線４１で示す光強度分布特性に対して、ずれ
ることとなって、両者の山と谷が対応し、互いに打ち消
し合うので、これらを合成した光強度分布特性は図３の
（ｂ）の実線４３で示すように平坦度が相当程度に改善
されたものとなる。したがって、被加熱物体２１の表面
付近ではレーザビームの強度分布が平坦になり、均一な
加熱が可能となる。

【００１４】なお、上記の説明はこの発明の一つの実施
形態についてのものであり、この発明がこれに限定され
る趣旨ではないことはもちろんである。たとえば、レー
ザチップ１２からの出射レーザビームを分岐するには、
ハーフミラー１６だけでなく、ＰＢＳ（偏光ビームスプ
リッタ）などを用いることもできる。また、分岐数も２
に限らない。分岐レーザビームをシフトさせる方向はＮ
ＦＰを改善する方向であるため上記のような方向に限ら
ないし、シフト距離の５〜１０μｍは例示である。たと
えば凹凸の非常に大きなブロードストライプレーザの場
合、とくに中央付近の１箇所だけ大きく窪んでいるよう
な強度分布特性を持つような場合にその凹凸が互いに重
なる程度のシフト距離とすることにより、強度分布を平
坦化できる。半導体レーザチップとしてはブロードスト
ライプレーザ以外に種々のタイプのものを用い、その出
力レーザビームのＮＦＰを改善することができるなど、
その他の構成についても種々に変更可能である。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のレーザ
照射装置によれば、ＮＦＰが平坦なものでない場合に、
レーザ強度分布を均一にしたレーザビームを照射するこ
とが可能となる。そのため、一度に大きな面積を均一に
加熱することができ、レーザはんだ付け装置などに好適
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態を示すブロック図。

【図２】同実施形態の一部を示す模式的な斜視図。

【図３】図２のＷ方向でのレーザ強度分布特性を示すグ
ラフ。

【符号の説明】

１１半導体レーザパッケージ１２半導体レーザチップ１３ヒートシンク１４ペルチェ素子１５コリメートレンズ１６ハーフミラー１７、１８ミラー１９、２０フォーカシングレンズ群２１被加熱物体３１ブロードストライプレー
ザチップ３２ストライプ状発光領域３３出射レーザビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発生手段と、該レーザ発生手段か
ら出射するレーザビームを複数に分岐する分岐手段と、
分岐された複数のレーザビームを、それらのビームが所
定の距離だけ横方向にシフトして重なるよう、それぞれ
集光する集光手段とを備えることを特徴とするレーザ照
射装置。