JPWO2017126363A1 - Power balance device and laser processing device for laser light - Google Patents
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Abstract
被加工物への安定したレーザ加工を容易に行うことができるレーザ加工装置およびこのレーザ加工装置で使用されるレーザ光のためのパワーバランス装置を得る。対向する一対の主面の一方の主面側に、基板材料と同一材料からなる複数の凸部が設定周期Pでそれぞれ平行に直線状に延びた回折格子が形成され、前記回折格子の構造性複屈折を利用可能に形成された、遠赤外光のレーザ光が入射される偏光位相差板であって、前記回折格子の前記周期PがP<λ/n(λは入射光の波長、nは前記基板材料の屈折率)を満たすものと、前記偏光位相差板を回転させる回転機構と、を備えたレーザ光のためのパワーバランス装置とした。A laser processing apparatus capable of easily performing stable laser processing on a workpiece and a power balance apparatus for laser light used in the laser processing apparatus are obtained. A diffraction grating in which a plurality of convex portions made of the same material as the substrate material extend linearly in parallel with each other at a set period P is formed on one main surface side of a pair of opposing main surfaces. A polarization phase difference plate formed by using birefringence and receiving a far-infrared laser beam, wherein the period P of the diffraction grating is P <λ / n (λ is a wavelength of incident light, n is a power balance device for laser light that includes a material that satisfies the refractive index of the substrate material) and a rotation mechanism that rotates the polarization phase difference plate.
Description
この発明は、プリント基板等の被加工物に対して穴あけ加工を行うレーザ加工装置に関し、特にレーザ光のためのパワーバランス装置およびこのパワーバランス装置を使用したレーザ加工装置に関するものである。 The present invention relates to a laser processing apparatus for drilling a workpiece such as a printed circuit board, and more particularly to a power balance apparatus for laser light and a laser processing apparatus using the power balance apparatus.
プリント基板等の被加工物に穴あけ加工を行うCO2レーザ加工装置の生産性を向上させる方法として、レーザ発振器で生成された1つのレーザ光を複数に分割し、複数の穴を同時に穴あけ加工する方法がある。この方法では、分割されたレーザ光のそれぞれのエネルギーが均等でない場合、加工穴径等の加工品質にばらつきが生じてしまう。As a method of improving the productivity of a CO 2 laser processing apparatus that drills a workpiece such as a printed circuit board, one laser beam generated by a laser oscillator is divided into a plurality of holes, and a plurality of holes are drilled simultaneously. There is a way. In this method, when the energy of each of the divided laser beams is not uniform, the processing quality such as the processing hole diameter varies.
このため、下記特許文献1に記載の方法では、分光用偏光子よりも光路上流に、光軸を中心に回転調整機構を有した偏光方位角調整用偏光子を設けている。そして、透過するP波の偏光方位角を調整することで、分光用偏光子に入射する偏光方向P波成分と偏光方向S波成分とのバランスを調整し、分光用偏光子を透過するP波成分と、分光用偏光子で反射するS波成分とに分割されたレーザ光のエネルギーを均等に調整している。 For this reason, in the method described in Patent Document 1 below, a polarization azimuth adjusting polarizer having a rotation adjusting mechanism about the optical axis is provided upstream of the spectral polarizer in the optical path. Then, by adjusting the polarization azimuth angle of the transmitted P wave, the balance between the polarization direction P wave component and the polarization direction S wave component incident on the spectroscopic polarizer is adjusted, and the P wave transmitted through the spectroscopic polarizer. The energy of the laser beam divided into the component and the S wave component reflected by the spectroscopic polarizer is uniformly adjusted.
下記特許文献2には、YAGレーザ光のパワーバランスを調整する例が記載されている。分光用偏光子よりも光路上流に、光軸を中心に回転調整を行う回転調整機構を有した透過型の1/4波長(π/2)位相差板を設け、分光用偏光子に入射する偏光方向P波成分と偏光方向S波成分を調整することで、加工のエネルギーを均等に調整している。
下記特許文献3には、透過光を使わず、S偏光だけを利用する偏光方位角調整機構とすることで、熱レンズの発生を防止している。 In Patent Document 3 below, the generation of a thermal lens is prevented by using a polarization azimuth adjustment mechanism that uses only S-polarized light without using transmitted light.
近年、プリント基板等の穴あけ加工機では、貫通穴等の高エネルギー加工や、加工速度の向上によって、レーザ光は出力が向上してきている。 In recent years, in a drilling machine such as a printed circuit board, the output of laser light has been improved due to high energy processing such as through holes and improvement in processing speed.
上記従来の技術では、例えば上記特許文献1に記載の構成では、偏光方位角調整用偏光子を透過するP波成分を光路下流へ伝播している。このため、偏光子に入射するレーザ光のパワーが高いと、偏光子の基板材料の熱レンズ効果によってレーザ光のビーム径が変化し、熱レンズ効果が発生していない場合と比べてマスクを透過するレーザ光のエネルギー強度がばらつく。これにより、被加工物の加工品質が劣化または不安定になるという問題があった。
また、偏光方位角調整時に偏光子を回転調整した場合、光の屈折が原因で光軸中心に僅かなずれが生じ、被加工物の加工品質が劣化する場合があるという問題があった。
また、上記特許文献2に記載の構成は、波長1μm程度のYAGレーザ光用であり、遠赤外光を透過することはできない。遠赤外光を透過する複屈折材料は硫化カドミウム(CdS)があるが、毒物で、取扱困難である。
また、上記特許文献3に記載の構成では、透過光を使わず、S偏光だけを利用しており、効率が悪い。In the above conventional technique, for example, in the configuration described in Patent Document 1, the P wave component transmitted through the polarization azimuth adjusting polarizer is propagated downstream in the optical path. For this reason, when the power of the laser beam incident on the polarizer is high, the beam diameter of the laser beam changes due to the thermal lens effect of the substrate material of the polarizer, and the mask is transmitted through the mask compared to the case where the thermal lens effect does not occur. The energy intensity of the laser beam to be scattered varies. Thereby, there existed a problem that the processing quality of a to-be-processed object deteriorated or became unstable.
Further, when the polarizer is rotated and adjusted at the time of adjusting the polarization azimuth angle, there is a problem that a slight shift occurs in the center of the optical axis due to light refraction, and the processing quality of the workpiece may be deteriorated.
The configuration described in
Further, in the configuration described in Patent Document 3, only transmitted light is used and only S-polarized light is used, which is inefficient.
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被加工物への安定したレーザ加工を容易に行うことができるレーザ加工装置およびこのレーザ加工装置で使用されるレーザ光のためのパワーバランス装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, a laser processing apparatus capable of easily performing stable laser processing on a workpiece, and a power balance for laser light used in the laser processing apparatus. The object is to obtain a device.
この発明は、対向する一対の主面の一方の主面側に、基板材料と同一材料からなる複数の凸部が設定周期Pでそれぞれ平行に直線状に延びた回折格子が形成され、前記回折格子の構造性複屈折を利用可能に形成された、遠赤外光のレーザ光が入射される偏光位相差板であって、前記回折格子の前記周期PがP<λ/n(λは入射光の波長、nは前記基板材料の屈折率)を満たすものと、前記偏光位相差板を回転させる回転機構と、を備えた、レーザ光のためのパワーバランス装置等にある。 According to the present invention, a diffraction grating in which a plurality of convex portions made of the same material as the substrate material extend linearly in parallel with each other at a set period P is formed on one main surface side of a pair of opposing main surfaces, A polarization phase difference plate formed by using structural birefringence of a grating and receiving laser light of far-infrared light, wherein the period P of the diffraction grating is P <λ / n (λ is incident) A power balance device for laser light and the like, which includes a light wavelength (n is the refractive index of the substrate material) and a rotation mechanism that rotates the polarization phase difference plate.
この発明では、被加工物への安定したレーザ加工を容易に行うことができるレーザ加工装置およびこのレーザ加工装置で使用されるレーザ光のためのパワーバランス装置を提供でいる。 The present invention provides a laser processing apparatus capable of easily performing stable laser processing on a workpiece and a power balance apparatus for laser light used in the laser processing apparatus.
この発明では、サブ波長格子構造により、遠赤外光において透過率の高い材料を用いたパワーバランス装置を構成できるため、熱レンズを防止し、高出力ビームでも高い加工品質が得られるレーザ加工装置およびこのレーザ加工装置で使用されるレーザ光のためのパワーバランス装置を提供する。 According to the present invention, a power balance device using a material having a high transmittance in far infrared light can be configured by the sub-wavelength grating structure, thereby preventing a thermal lens and obtaining a high processing quality even with a high output beam. And the power balance apparatus for the laser beam used with this laser processing apparatus is provided.
以下、この発明によるレーザ加工装置およびこのレーザ加工装置で使用されるレーザ光のためのパワーバランス装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において基本的に、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, a laser processing apparatus according to the present invention and a power balance apparatus for laser light used in the laser processing apparatus will be described with reference to the drawings according to each embodiment. In each embodiment, basically, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。
<レーザ加工装置の構成>
レーザ加工装置100は、分光部である偏光ビームスプリッタ7によって1つのレーザ光2を2つの分散レーザ光8A,8Bに分光する。概略的に、2つの分散レーザ光8A,8Bはそれぞれ独立に走査されることによって、最終的にfθレンズ11A,11Bを介して、XYテーブル12A,12B上の2つの被加工物13A,13Bを同時に穴あけ加工する。
被加工物13Aに対する分散レーザ光8Aの照射位置を、ガルバノスキャナ10AxがX方向に移動させ、ガルバノスキャナ10AyはY方向に移動させる。同様に、被加工物13Bに対する分散レーザ光8Bの照射位置を、ガルバノスキャナ10BxがX方向に移動させ、ガルバノスキャナ10ByはY方向に移動させる。なお、上記X方向、Y方向はXYテーブルと同様に、被加工物13A,13Bの平面内の互いに直交する座標であり、後述する偏光位相差板200でのxyz方向とは異なる。Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
<Configuration of laser processing equipment>
The
The irradiation position of the dispersed
この実施の形態1のレーザ加工装置100には、偏光ビームスプリッタ7よりも光路上流に、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を配置している。偏光位相差板200は、回転機構220により光軸回りに回転可能に構成されている。
In the
<サブ波長格子構造の偏光位相差板>
遠赤外光を透過できるサブ波長格子構造の偏光位相差板200は、例えば上記特許文献4にも示されるような構造を有する。図2は、図1のサブ波長格子構造の偏光位相差板200の一例の構成を示す斜視図である。レーザ光が入射される偏光位相差板200は、基板202と、基板202の一対の対向する主面の一方の主面に、基板202と同一材料で形成された回折格子201とを備える。回折格子201は、x,y方向を基板面とする互いに直交する方向を示すx,y,z方向の、x方向と平行に直線状に延びる複数の凸部203を、y方向に沿って設定周期Pに従った設定間隔で整列形成して構成されている。<Sub-wavelength grating polarization plate>
The polarization
こうした回折格子201に向けて光がz方向に沿って入射した場合、
x方向の偏光成分(TE偏光)に関する有効屈折率と、
y方向の偏光成分(TM偏光)に関する有効屈折率と、
が互いに異なるようになり、いわゆる構造性複屈折が生ずる。その結果、TE偏光とTM偏光との間で伝搬速度差が生じ、この伝搬速度差に対応した位相差(リターデーション)に応じて楕円偏光が発生する。When light enters the diffraction grating 201 along the z direction,
an effective refractive index for the polarization component in the x direction (TE polarization);
an effective refractive index for the polarization component in the y direction (TM polarization);
Become different from each other, and so-called structural birefringence occurs. As a result, a propagation speed difference occurs between the TE polarized light and the TM polarized light, and elliptically polarized light is generated according to the phase difference (retardation) corresponding to the propagation speed difference.
P<λ/n (1)
P:回折格子の周期(間隔)
λ:入射光の波長
n:基板材料の屈折率P <λ / n (1)
P: Period (interval) of diffraction grating
λ: wavelength of incident light n: refractive index of substrate material
上記式(1)を満たすようにしておけば、垂直入射光でも、高次回折光の損失を防止できることが知られている。凸部203の断面形状は、その底部から頂部に渡って角度αのテーパ形状206に形成されている。
具体的には、
基板202の基板材料は硫化亜鉛(ZnS)で、
凸部203の高さHすなわち溝の深さは4.01μm、
テーパ形状206の傾斜角度αは22.2度、
フィリングファクタfは0.468で、
リターデーションはλ/8(=π/4)である。
なお、フィリングファクタfは、凸部203の高さHの半分の位置(H/2)における、凸部203の幅Wの周期Pに対する比率、即ち、f=W/Pの値である。
基板202の回折格子201のない他方の主面には、反射防止膜207を施している。反射防止膜207の材料はゲルマニウムである。It is known that if the above formula (1) is satisfied, loss of high-order diffracted light can be prevented even with vertically incident light. The cross-sectional shape of the
In particular,
The substrate material of the
The height H of the
The inclination angle α of the tapered
The filling factor f is 0.468,
The retardation is λ / 8 (= π / 4).
The filling factor f is a ratio of the width W of the
An
<発振器の直線偏光>
レーザ発振器1は、遠赤外光である例えば直線偏光のCO2レーザ光からなるレーザ光2(λ=9.29μm)をパルス波として出射するレーザ装置である。レーザ発振器1から出射されたレーザ光2は、1つまたは複数の反射ミラー6を介してサブ波長格子位相差板である偏光位相差板200に導かれる。反射ミラー6は、レーザ光2や分散レーザ光8A,8Bを反射して光路下流へ導くミラーである。反射ミラー6は、レーザ加工装置100内の光路上の種々の位置に配置されている。<Linear polarization of oscillator>
The laser oscillator 1 is a laser device that emits laser light 2 (λ = 9.29 μm), which is far-infrared light, for example, linearly polarized CO 2 laser light, as a pulse wave. The
<偏光ビームスプリッタ>
分光用偏光ビームスプリッタである偏光ビームスプリッタ7は、ビーム状の1本のレーザ光2を2本の分散レーザ光8A,8Bに分光するビームスプリッタ等の偏光子である。偏光ビームスプリッタ7は、レーザ光2のP波成分を透過し、S波成分を反射する性質を持っている。<Polarized beam splitter>
A polarizing beam splitter 7 which is a polarizing beam splitter for spectroscopy is a polarizer such as a beam splitter that splits one beam-
<レーザ加工装置の動作>
つぎに、レーザ加工装置100の動作処理手順について説明する。レーザ発振器1から導かれてくる偏光方位角θのレーザ光2は、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を透過後、ビーム可変部5を介してマスク4に導かれる。
マスク4では、レーザ光2の所望部分のみを透過させることによって、レーザ光2をレーザ加工に適したビームモード形状に整形する。マスク4で整形されたレーザ光2は、1つまたは複数の反射ミラー6で反射されて偏光ビームスプリッタ7に導かれる。
偏光ビームスプリッタ7では、レーザ光2のP波偏光成分が、偏光ビームスプリッタ7を透過して分散レーザ光8Aとして出射される。また、レーザ光2のS波偏光成分が、偏光ビームスプリッタ7で反射されて分散レーザ光8Bとして出射される。2つの被加工物13A,13Bの加工穴品質にばらつきを生じさせないようにするためには、分散レーザ光8Aのエネルギーと分散レーザ光8Bのエネルギーが等しいことが必要である。<Operation of laser processing equipment>
Next, an operation processing procedure of the
In the
In the polarization beam splitter 7, the P-wave polarization component of the
<熱レンズ>
熱レンズ効果は、偏光子である図1のサブ波長格子構造の偏光位相差板200の基板材料内を高いパワーのレーザ光が透過した場合に、基板材料が局所的に温度上昇することによって偏光子の屈折率分布が生じ、これにより、偏光子がレンズの作用をする現象である。
なお例えば上記特許文献1の場合は、偏光方位角調整用偏光子において熱レンズ効果が派生する。<Thermal lens>
The thermal lens effect is caused by the fact that the substrate material locally rises in temperature when high-power laser light is transmitted through the substrate material of the polarization
For example, in the case of the above-mentioned Patent Document 1, the thermal lens effect is derived from the polarization azimuth adjusting polarizer.
<熱レンズの加工への影響>
図6は、この発明による偏光位相差板200に対応する従来の偏光子17を透過するP波成分を、偏光子17の光路下流へ導いた場合の熱レンズ現象を説明するための図である。図6の(a)では、熱レンズ現象が発生していない場合のレーザビーム強度分布を示している。また、図6の(b)では、熱レンズ現象が発生した場合のレーザビーム強度分布を示している。<Influence on thermal lens processing>
FIG. 6 is a diagram for explaining the thermal lens phenomenon when the P wave component transmitted through the
図6の(a)の熱レンズ現象が発生していない場合、レーザ発振器1から出射されたレーザ光は、レーザビーム強度分布A1を有している。また図6の(b)の熱レンズ現象が発生している場合、レーザ発振器1から出射されたレーザ光は、レーザビーム強度分布B1を有している。レーザビーム強度分布B1は、レーザビーム強度分布A1と同じ強度分布を有する。 When the thermal lens phenomenon shown in FIG. 6A does not occur, the laser light emitted from the laser oscillator 1 has a laser beam intensity distribution A1. When the thermal lens phenomenon shown in FIG. 6B occurs, the laser light emitted from the laser oscillator 1 has a laser beam intensity distribution B1. The laser beam intensity distribution B1 has the same intensity distribution as the laser beam intensity distribution A1.
そして、レーザ発振器1からのレーザ光2は、偏光子17を透過する。ここでの偏光子17は、例えば従来の偏光方位角調整装置と同様の位置に配置されている。このとき、熱レンズ現象が発生していなければ、レーザビーム強度分布A1のレーザ光は、偏光子17を透過することによって、レーザビーム強度分布A2のレーザ光になる。また、熱レンズ現象が発生していれば、レーザビーム強度分布B1のレーザ光は、偏光子17を透過することによって、レーザビーム強度分布A2とは異なるレーザビーム強度分布B2のレーザ光になる。
Then, the
図6の(b)に示すように偏光子17に熱レンズ現象が発生した場合は、図6の(a)に示すように偏光子17に熱レンズ現象が発生していない場合と比べて、マスク4におけるレーザ光のビーム径が変わってしまう。熱レンズ現象の度合いは偏光子17に入射されるレーザ光のパワーに依存するので、熱レンズ現象が発生した場合と発生しない場合とで、マスク4を透過するレーザ光のビームエネルギーが変化する。このため、熱レンズ現象が発生した場合と発生しない場合とで、図1の被加工物13A,13Bに到達するレーザ光のエネルギーにばらつきが生じる。具体的には、熱レンズ現象が発生していない場合は、レーザビーム強度分布A3のレーザ光が光路下流に導かれる。また、熱レンズ現象が発生している場合は、レーザビーム強度分布A3とは異なるレーザビーム強度分布B3のレーザ光が光路下流に導かれる。この結果、熱レンズ現象が発生した場合と発生しない場合とで、被加工物の加工穴の品質に差が生じる。
When the thermal lens phenomenon occurs in the
<TFPによる吸収という課題の発掘。透過型でも実施可能>
この実施の形態1においても、上記特許文献1と同様に偏光位相差板200においてレーザ光が厚みのある基板を透過する点は同じであるため、基板の径方向の温度勾配により、同様に熱レンズ現象が発生すると考えられる。
これに対しては、この発明に係る調査の結果、上記特許文献1に係る偏光ビームスプリッタに使われているTFP(薄膜偏光子)は、実際に使用されているものは、厚み1μm以上のThF4(フッ化トリウム)が何層にも積み重ねられた構造であった。具体的にはThF4(フッ化トリウム)の層が4層以上に積み重ねられている。ThF4の膜状態での吸収係数を測定した結果、19[cm-1]であり、母材であるZnSe(セレン化亜鉛)(5e-4[cm-1])の38000倍であった。ThF4の膜厚の合計が5μm程度、ZnSeの基板厚みが5mmとした場合、ThF4の方が38倍もレーザ光を吸収することになる。TFPで吸収された熱は、薄膜のため、径方向への熱伝導性が悪く、径方向の温度差を発生させる。すなわち、TFPでの熱の吸収による影響が支配的であることが分かった。<Discovering the problem of absorption by TFP. Can also be used with transmission type>
In the first embodiment, similarly to the above-mentioned Patent Document 1, the point that the laser beam is transmitted through the thick substrate in the polarization
On the other hand, as a result of the investigation according to the present invention, the TFP (thin film polarizer) used in the polarizing beam splitter according to Patent Document 1 is actually used as a ThF having a thickness of 1 μm or more. 4 (Thorium fluoride) was stacked in layers. Specifically, four or more ThF 4 (thorium fluoride) layers are stacked. As a result of measuring the absorption coefficient of ThF 4 in the film state, it was 19 [cm −1 ], which was 38000 times that of the base material ZnSe (zinc selenide) (5e −4 [cm −1 ]). When the total film thickness of ThF 4 is about 5 μm and the substrate thickness of ZnSe is 5 mm, ThF 4 absorbs laser light 38 times. Since the heat absorbed by the TFP is a thin film, the thermal conductivity in the radial direction is poor and a temperature difference in the radial direction is generated. That is, it was found that the influence of heat absorption in TFP is dominant.
<サブ波長格子構造の作用と効果>
これに対して、この実施の形態1では、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を用いたパワーバランス装置としたことで、遠赤外光において透過率の高い基板材料だけで構成でき、TFPを排除できる。この結果、熱レンズ現象の影響を受けずに、安定した加工品質の加工穴を被加工物13A,13Bに形成することが可能となる。
さらに、この実施の形態1では、図2に示す偏光位相差板200の基板202の母材すなわち材料にZnS(硫化亜鉛)を使用している。赤外透過用材料の中では、屈折率の小さいZnSを基板に用いることで、フレネル反射を防止し、YF3(フッ化イットリウム)等の吸収率の高い材料の膜を格子上に設けなくても、吸収の少ないZnS単一材料で波長板すなわち偏光位相差板200を構成でき、熱レンズの発生を抑制できる。
また、ZnSeの熱伝導率が18[W/(mK)]であるのに対し、ZnSの熱伝導率が27.2[W/(mK)]と大きいため、温度分布が生じにくく、熱レンズの発生を抑えられる。<Operation and effect of sub-wavelength grating structure>
On the other hand, in the first embodiment, the power balance device using the polarization
Further, in the first embodiment, ZnS (zinc sulfide) is used as a base material, that is, a material of the
Further, the thermal conductivity of ZnSe is 18 [W / (mK)], whereas the thermal conductivity of ZnS is as large as 27.2 [W / (mK)]. Can be suppressed.
一例として、レーザ加工装置のパワーバランス装置として、特許文献1に記載の従来の偏光方位角調整用偏光子を用いた偏光方位角調整装置を設置した場合と、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を用いたパワーバランス装置を設置した場合における、熱レンズ現象の影響を評価した結果を図7に示す。レーザ加工装置のパワーバランス装置は、実施の形態1と同様の位置に配置されている。レーザ発振器1からのレーザ光は、パワーバランス装置を透過後、ビーム可変部5を介して、マスク4にて所望部分のみを透過される構成となっている。
As an example, when a polarization azimuth adjusting device using a conventional polarization azimuth adjusting polarizer described in Patent Document 1 is installed as a power balance device of a laser processing device, a polarization phase difference plate having a sub-wavelength grating structure FIG. 7 shows the result of evaluating the influence of the thermal lens phenomenon when a power balance device using 200 is installed. The power balance device of the laser processing apparatus is disposed at the same position as in the first embodiment. The laser beam from the laser oscillator 1 is transmitted through the power balance device, and then is transmitted through the beam variable unit 5 only through a desired portion through the
図7の(a)は、レーザ加工装置のパワーバランス装置として、特許文献1に記載の従来の偏光方位角調整装置を設置した場合における、レーザ発振器のパルス発生の周波数に対する被加工物に到達するレーザ光のエネルギー強度の変化率の測定結果である。横軸にレーザ発振器のパルス発生の周波数(パルス周波数)、縦軸に被加工物に到達するレーザ光のエネルギー強度の変化率(加工点エネルギー変化率)を示している。 (A) of FIG. 7 arrives at the workpiece with respect to the pulse generation frequency of the laser oscillator when the conventional polarization azimuth adjusting device described in Patent Document 1 is installed as the power balance device of the laser processing device. It is a measurement result of the change rate of the energy intensity of a laser beam. The horizontal axis shows the pulse generation frequency (pulse frequency) of the laser oscillator, and the vertical axis shows the rate of change of the energy intensity of the laser beam reaching the workpiece (working point energy change rate).
パルス周波数が高くなる程、パワーバランス装置に入射するレーザ光のパワーが高くなる。加工点エネルギー変化率は、パルス周波数が200Hz程度の低い時の加工点エネルギーを分母とし、各パルス周波数での加工点エネルギーを分子とし、除算した値である。パルス周波数が低い時、加工点エネルギー変化率は小さく、パルス周波数が高くなるにつれて、加工点エネルギー変化率は大きくなっている。これは、偏光方位角調整装置を透過するレーザ光のパワーが高くなる程、熱レンズ効果が大きくなり、マスクを透過するレーザ光のエネルギー強度の変化率が大きくなることを示している。 The higher the pulse frequency, the higher the power of the laser light incident on the power balance device. The machining point energy change rate is a value obtained by dividing the machining point energy when the pulse frequency is as low as about 200 Hz as a denominator and the machining point energy at each pulse frequency as a numerator. When the pulse frequency is low, the machining point energy change rate is small, and as the pulse frequency increases, the machining point energy change rate increases. This indicates that the higher the power of the laser light transmitted through the polarization azimuth adjusting device, the greater the thermal lens effect and the greater the rate of change in the energy intensity of the laser light transmitted through the mask.
図7の(b)は、レーザ加工装置のパワーバランス装置として、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を用いたパワーバランス装置を設置した場合における、レーザ発振器のパルス発生の周波数に対する被加工物に到達するレーザ光のエネルギー強度の変化率の測定結果である。パルス周波数を200Hzから2400Hzまで変化させた時の、加工点エネルギー変化率の変化範囲は、従来の偏光方位角調整装置を設置した場合は約7.5%、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を用いたパワーバランス装置を設置した場合は約6%であり、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を用いたパワーバランス装置をレーザ加工装置に用いたことにより、熱レンズの発生が抑制されたことが示される。
FIG. 7B shows a workpiece for the frequency of pulse generation of the laser oscillator when a power balance device using the polarization
図7から、パルス周波数と加工点エネルギー変化率には比例関係が示され、レーザ発振器1からのレーザ光のパルス周波数が高いほど、レーザ光のパワーが高いほど、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を用いたパワーバランス装置による熱レンズの抑制の効果が大きくなり、高出力ビームでも高い加工品質が得られる。
FIG. 7 shows a proportional relationship between the pulse frequency and the processing point energy change rate. The higher the pulse frequency of the laser light from the laser oscillator 1 and the higher the power of the laser light, the higher the polarization phase difference of the sub-wavelength grating structure. The effect of suppressing the thermal lens by the power balance device using the
<透過型位相差板方式の他のメリット>
上記特許文献1は偏光方角調整装置の光軸回りの回転角によって、上記特許文献3は光軸に対する反射面の角度によって、下流の光軸が変化するが、この実施の形態1の構成では、偏光位相差板200の芯ズレや傾きによって、透過する光の光軸は変化しない。このため、精度の低い回転機構でよく、コストを低減できる。<Other merits of transmission type retardation plate method>
In Patent Document 1, the downstream optical axis changes depending on the rotation angle around the optical axis of the polarization direction adjusting device, and in Patent Document 3 depends on the angle of the reflecting surface with respect to the optical axis. The optical axis of the transmitted light does not change due to the misalignment or inclination of the polarization
<リターデーションをπ/2(90度)未満にする効果、サブ波長格子適用の課題>
上記特許文献2の位相差板は、π、π/2の例が開示されている。サブ波長格子構造では、πやπ/2のリターデーションを得るためには、細くて深い高アスペクト比の微細構造が必要なため加工が難しい問題があった。<Effect of making retardation less than π / 2 (90 degrees), subject of subwavelength grating application>
For the retardation plate of
以下にパワーバランス調整に必要なリターデーションを計算する。
図1に示す偏光ビームスプリッタ(PBS)7の9A,9Bで示された分離方向を方向a、bとし、
偏光ビームスプリッタ7に入射する直線偏光の光の偏光方位角をθ、
偏光位相差板200のリターデーションをφ、
図2のTM偏光方向である進相軸角度をψ、
とすると、入射光e0はThe retardation required for power balance adjustment is calculated below.
The separation directions indicated by 9A and 9B of the polarization beam splitter (PBS) 7 shown in FIG.
The polarization azimuth angle of linearly polarized light incident on the polarization beam splitter 7 is θ,
The retardation of the polarization
The fast axis angle which is the TM polarization direction of FIG.
Then, the incident light e0 is
で示される。入射光e0が偏光位相差板200を通った後の光e1は、
Indicated by The light e1 after the incident light e0 passes through the polarization
となる。光e1は、偏光ビームスプリッタ7で分離される。分離された各偏光成分e1a,e1bは It becomes. The light e1 is separated by the polarization beam splitter 7. The separated polarization components e1a and e1b are
となる。
入射光のパワーに対する各偏光のパワーの差ΔPは、It becomes.
The difference ΔP of the power of each polarized light with respect to the power of incident light is
となる。
上記式(5)より、ψを変えることによるΔPの調整幅は、第2項が固定値で、第1項のcos(4ψ−2θ)が−1から1の値をとるため、It becomes.
From the above equation (5), the adjustment range of ΔP by changing ψ is that the second term is a fixed value and cos (4ψ-2θ) of the first term takes a value from −1 to 1,
となる。 It becomes.
レーザ加工装置のパワーバランス調整としては±10%程度の調整幅で十分であり、上記式(5)(6)より、偏光位相差板200に必要なリターデーションφは
An adjustment range of about ± 10% is sufficient for adjusting the power balance of the laser processing apparatus. From the above formulas (5) and (6), the retardation φ required for the polarization
φ>0.64rad=37度 φ> 0.64 rad = 37 degrees
となる。
このように、パワーバランス装置に限っては90度よりも遙かに小さなリターデーションでも実用上問題なく、これによって、偏光位相差板200の凸部203の高さHである溝の深さを浅くでき、製造が可能となる。
また、リターデーションφが小さいほど、回転させた時の調整幅が狭い、すなわち、回転角位置ズレに対するバランス変動が小さいことになるので、回転機構を安価に製造できるメリットもある。
なお実施の形態1において、サブ波長格子構造の偏光位相差板200と回転機構220がレーザ用のパワーバランス装置を構成する。It becomes.
Thus, in the case of a power balance device only, a retardation much smaller than 90 degrees has no practical problem, so that the depth of the groove, which is the height H of the
Further, the smaller the retardation φ, the narrower the adjustment width when rotated, that is, the smaller the fluctuation of the balance with respect to the rotational angle position deviation, so there is also an advantage that the rotating mechanism can be manufactured at low cost.
In the first embodiment, the polarization
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2によるレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。図4は図3のレーザ用のパワーバランス装置300の一例の内部構成を示す透視側面図である。図3のこの実施の形態2のレーザ加工装置では、図1の実施の形態1のサブ波長格子構造の偏光位相差板200と回転機構220の機能をまとめて含むレーザ用のパワーバランス装置300が設けられている。レーザ用のパワーバランス装置300は図4に示すように、ミラーである銅ミラー210の上にサブ波長格子構造の偏光位相差板200を格子構造が表に向くように重ねて、ミラーホルダ214内に収納し、さらにOリング211をミラーホルダ214の押さえ板212と偏光位相差板200の表面との間に挿入して挟み込むようにして固定する構造を有する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of a laser machining apparatus according to
入射したレーザ光2は、サブ波長格子構造の偏光位相差板200を透過し、銅ミラー210の表面で反射し、もう一度サブ波長格子構造の偏光位相差板200を透過する。このように偏光位相差板200を2回透過するため、偏光位相差板200のリターデーションは半分でよい。
また、ミラーホルダ214には、ミラーホルダ214全体を銅ミラー210の反射面の法線回りに回転させることができる回転機構213を備えている。
その他の基本的な構成は、図1の上記実施の形態1のものと同じである。The
Further, the
Other basic configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
<ミラーと波長板を重ねた効果>
図4のような構成により、サブ波長格子構造の偏光位相差板200の背面と銅ミラー210の反射面が接しているため、偏光位相差板200で吸収された熱は銅ミラー210方向に流れ偏光位相差板200は冷却される。熱の流れる方向が径方向でなく矢印HEで示すように光軸方向のため、径方向の温度勾配の発生を抑制できる。結果、熱レンズの発生を防止でき、さらにハイパワーなレーザ加工が可能となる。<Effect of overlapping mirror and wave plate>
With the configuration as shown in FIG. 4, the back surface of the polarization
図5は図3のレーザ用のパワーバランス装置300の別の例を示す透視側面図である。図5では、サブ波長格子構造の偏光位相差板200の凸部側が銅ミラー210の面側に向けられ、銅ミラー210の上にサブ波長格子構造の偏光位相差板200を格子構造と反対の主面が表に向くように重ねてミラーホルダ214に収納されている。この場合、格子が空気に触れていないためゴミ等の異物の付着を防止できる。
FIG. 5 is a perspective side view showing another example of the laser
以上この発明によれば、サブ波長格子構造により、遠赤外光において透過率の高い材料を用いたパワーバランス装置、レーザ加工装置を構成できるため、熱レンズを防止し、高出力ビームでも高い加工品質が得られる。
また、偏光位相差板のリターデーションをπ/2未満としたことにより、偏光位相差板の格子のアスペクト比が小さくなり、製造が容易となる。
また、偏光位相差板の材料をZnSとしたので、熱レンズの発生を防止できる。
また、偏光位相差板にミラーをと重ねたことで、偏光位相差板背面をミラーと接触させ冷却できるため、熱レンズの発生を防止でき、また偏光位相差板200のリターデーションは半分でよい。As described above, according to the present invention, a power balance device and a laser processing device using a material having a high transmittance in far-infrared light can be configured by the sub-wavelength grating structure, thereby preventing a thermal lens and high processing even with a high output beam. Quality is obtained.
In addition, by setting the retardation of the polarization phase difference plate to less than π / 2, the aspect ratio of the grating of the polarization phase difference plate is reduced, and the manufacture is facilitated.
Moreover, since the material of the polarization phase difference plate is ZnS, the generation of a thermal lens can be prevented.
In addition, since the back of the polarization phase difference plate is brought into contact with the mirror and cooled by overlapping the mirror on the polarization phase difference plate, generation of a thermal lens can be prevented, and the retardation of the polarization
なおこの発明によるレーザ光のためのパワーバランス装置、レーザ加工装置は、上記各実施の形態に限定されるものではない。 The power balance device and laser processing device for laser light according to the present invention are not limited to the above embodiments.
この発明によるパワーバランス装置、レーザ加工装置は多くの分野のレーザ加工に適用可能である。 The power balance device and laser processing apparatus according to the present invention can be applied to laser processing in many fields.
1 レーザ発振器、2 レーザ光、4 マスク、5 ビーム可変部、6 反射ミラー、7 偏光ビームスプリッタ、8A,8B 分散レーザ光、10Ax,10Ay,10Bx,10By ガルバノスキャナ、11A,11B fθレンズ、12A,12B XYテーブル、13A,13B 被加工物、17 偏光子、100 レーザ加工装置、200 偏光位相差板、201 回折格子、202 基板、203 凸部、206 テーパ形状、207 反射防止膜、210 銅ミラー、211 Oリング、212 押さえ板、213 回転機構、214 ミラーホルダ、220 回転機構、300 パワーバランス装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser oscillator, 2 Laser beam, 4 Mask, 5 Beam variable part, 6 Reflecting mirror, 7 Polarizing beam splitter, 8A, 8B Dispersed laser beam, 10Ax, 10Ay, 10Bx, 10By Galvano scanner, 11A, 11B f (theta) lens, 12A, 12B XY table, 13A, 13B Workpiece, 17 Polarizer, 100 Laser processing device, 200 Polarization phase difference plate, 201 Diffraction grating, 202 Substrate, 203 Convex part, 206 Taper shape, 207 Antireflection film, 210 Copper mirror, 211 O-ring, 212 pressure plate, 213 rotation mechanism, 214 mirror holder, 220 rotation mechanism, 300 power balance device.
Claims (5)
前記偏光位相差板を回転させる回転機構と、
を備えた、レーザ光のためのパワーバランス装置。A diffraction grating in which a plurality of convex portions made of the same material as the substrate material extend linearly in parallel with each other at a set period P is formed on one main surface side of a pair of opposing main surfaces. A polarization phase difference plate formed by using birefringence and receiving a far-infrared laser beam, wherein the period P of the diffraction grating is P <λ / n (λ is a wavelength of incident light, n satisfies the refractive index of the substrate material),
A rotation mechanism for rotating the polarization phase difference plate;
A power balance device for laser light.
前記パワーバランス装置の偏光位相差板に対して前記レーザ光を発生するレーザ発振器と、
前記偏光位相差板から被加工物までの光路上で、前記レーザ光を2つのレーザ光に分光する分光部と、
を備えたレーザ加工装置。A power balance device for laser light according to any one of claims 1 to 4,
A laser oscillator that generates the laser light with respect to a polarization phase difference plate of the power balance device;
A spectroscopic unit that splits the laser beam into two laser beams on an optical path from the polarization phase difference plate to the workpiece;
A laser processing apparatus comprising:
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