KR101272407B1 - 레이저 가공 장치, 레이저 광원 장치, 및, 레이저 광원 장치의 제어 방법 - Google Patents

레이저 가공 장치, 레이저 광원 장치, 및, 레이저 광원 장치의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

[과제]
같은 레이저 광원 장치를 이용하여, 가공 정밀도를 양호하게 유지하면서, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수를 변화시킨다.
[해결 수단]
시드 LD(151)로부터 사출된 레이저광을, 파이버 증폭기(153) 및 파이버 증폭기(155)에 의해 증폭한 후, 고체 레이저 증폭기(158)에 의해 증폭한다. 제어부(160)는, 고체 레이저 증폭기(158)의 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광을 레이저광에 동기하여 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어함과 함께, 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 레이저광의 반복 주파수에 응하여 여기광의 강도를 제어한다. 본 발명은, 예를 들면, 레이저 리페어 장치에 적용할 수 있다.

Description

레이저 가공 장치, 레이저 광원 장치, 및, 레이저 광원 장치의 제어 방법{LASER PROCESSING APPARATUS, LASER LIGHT SOURCE APPARATUS, AND CONTROLLING METHOD OF LASER LIGHT SOURCE APPARATUS}
본 발명은, 레이저 가공 장치, 레이저 광원 장치, 및, 레이저 광원 장치의 제어 방법에 관한 것으로, 특히, 레이저광의 반복 주파수를 바꾸어 레이저 가공을 행하는 경우에 이용하기 알맞은 레이저 가공 장치, 레이저 광원 장치, 및, 레이저 광원 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
현재, LCD(Liquid Crystal Display) 패널이나 유기 EL(Electro-Luminescence) 패널 등의 디스플레이 패널의 기판의 배선의 결함을 수정하는 레이저 리페어 장치 등, 레이저광을 이용하여 미세한 가공을 행하는 레이저 가공 장치가 보급되어 있다.
레이저광을 이용한 미세 가공을 대별하면, 재료 표면에 선형상의 패턴을 형성하는 묘화 가공과, 구멍뚫기 가공의 2종류가 있다. 그리고, 미세 가공을 행하는 레이저 가공 장치에서는, 가공 목적으로 따라 필요하게 되는 레이저광의 펄스 폭, 펄스 에너지, 반복 주파수가 다르다.
예를 들면, 레이저 유기(誘起) 플라즈마를 이용한 ZAPPING 가공(이하, ZAP 가공이라고 칭한다)에 의해 기판의 배선 미스를 제거하는 경우에는, 펄스 에너지가 높은 레이저광이 필요하게 되고, 레이저 CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 이용한 CVD 가공에 의해 기판의 배선을 행하는 경우에는, 기판에 데미지를 주지 않을 정도의 낮은 펄스 에너지로, 또한 반복 주파수가 높은 레이저광이 필요하게 된다. 또한, 예를 들면, 묘화 가공을 행하는 경우, 묘화 속도를 빨리 하기 위해, 높은 반복 주파수를 갖는 레이저광이 필요하게 되고, 구멍뚫기 가공을 행하는 경우, 레이저 유기 플라즈마에 의해 가공 대상물의 분자 결합을 자르기 위해, 높은 펄스 에너지가 필요해진다.
그래서, 예를 들면, 펄스 에너지 및 반복 주파수를 함께 높게 설정할 수 있는 고출력의 레이저 광원을 레이저 가공 장치에 도입하면, 1대의 레이저 광원으로 모든 종류의 가공에 대응하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 1대의 레이저 광원을 이용하여, ZAP 가공과 CVD 가공을 행하거나, 도 1에 도시되는 바와 같이, 가공 대상물(1)에 선형상의 패턴을 묘화함과 함께 구멍뚫기를 행하거나 하는 것이 가능해진다. 또한, 도 1의 위의 도면은, 가공 패턴(2)이 형성된 가공 대상물(1)의 상면도이고, 아래의 도면은 그 단면도이다.
그러나, 레이저 광원의 출력이 높아질수록, 배열량(排熱量)이 커지고, 장치의 사이즈, 중량 및 가격이 상승한다. 또한, 레이저 가공 장치는, 클린 룸 등의 환경이 엄격하게 관리된 실내에 설치되는 일이 많고, 냉각 장치의 사용에 제한이 마련되는 경우가 많다. 예를 들면, 수냉 장치의 사용이 금지되거나, 진동이 적은 소형의 강제 공냉 장치나, 진동은 거의 발생하지 않지만 배열(排熱) 능력이 작은 자연 공냉 장치만으로 사용이 한정되거나 하여, 고출력의 레이저 광원을 충분히 냉각할 수가 없는 경우가 있다.
그 때문에, 종래, 펄스 에너지가 높은 레이저광이 필요한 가공을 행하는 경우에는, 반복 주파수를 낮게 함에 의해, 레이저광의 단위 시간당의 파워인 평균 파워(=펄스 에너지×반복 주파수)를 작게 하고, 고속의 가공을 행하는 경우에는, 가공에 필요한 최저한의 펄스 에너지를 확보하면서 반복 주파수를 높게 함으로써, 레이저광의 평균 파워를 작게 하고, 배열량을 억제한 궁리가 이루어져 있다.
그런데, 종래의 고체 레이저로는, 레이저광의 반복 주파수를 바꾸면, 레이저 매질이나 Q스위치 소자에의 열부하가 변화하고, 열(熱) 렌즈 효과에 변화가 생기기 때문에, 출력된 레이저광의 빔 형상이나 광축이 변화하여 버린다.
여기서, 도 2를 참조하여, 열 렌즈 효과에 관해 설명한다.
광펄스의 증폭은, 일반적으로 이하의 식(1)(Franz-Nodvik의 식)으로 표시된다.
Figure 112011000964601-pat00001
포화 에너지(Esat)와 소신호(小信號) 이득(G0)은, 실효적인 여기(勵起) 에너지(EP)의 함수가 된다. 또한, 여기광원으로부터 발생된 여기광 펄스의 에너지는, 그 전부가 광증폭에 기여하는 것은 아니다. 그리고, 여기광 펄스의 전 에너지(EP0)와 증폭에 기여하는 실효적인 여기 에너지(EP)의 관계는, 이하의 식(2) 및 식(3)으로 표시된다.
Figure 112011000964601-pat00002
증폭에 기여하지 않은 여기광 에너지는, 열(熱)이 되어 증폭 매질의 온도를 상승시킨다. 그리고, 증폭 매질에 발생하는 열량(Eheat) 및 평균 열량(Pheat)은, 이하의 식(4) 및 식(5)으로 표시된다.
Figure 112011000964601-pat00003
그래서, 증폭 매질을 측면 등으로부터 지지하는 홀더에는 방열 효과가 높은 것이 일반적으로 사용된다. 그리고, 증폭 매질의 온도 상승을 야기하는 열원은 여기광이기 때문에, 증폭 매질의 중심이 가장 온도가 높아지고, 증폭 매질의 홀더에 가까운 부분일수록 온도가 낮아지는 온도 구배가 생긴다. 한편, 증폭 매질의 굴절률에는 온도 의존이 있고, 이 온도 구배에 의해 굴절률에도 구배가 생기고, 렌즈와 같은 역할을 다하는데, 이것을 열 렌즈 효과라고 한다. 열 렌즈 효과의 굴절력(디옵터, 초점 거리의 역수)은 이하의 식(6)으로 표시된다.
Figure 112011000964601-pat00004
따라서 열 렌즈의 굴절력(D)은 여기광 펄스의 평균 파워(PP)(여기광 펄스 에너지(EP)×여기광 펄스의 반복 주파수(FP))의 변화에 추종하게 된다.
예를 들면, 도 2에 모식적으로 도시되는 바와 같이, 레이저광(11)과 여기광(12)이 레이저 매질(13)에 입사하고, 펄스 에너지가 증폭된 레이저광이 레이저 매질(13)로부터 사출되는 경우에 관해 생각한다. 이 경우, 여기광(12)의 평균 파워에 응하여, 레이저 매질(13)의 열 렌즈 효과에 변화가 생기고, 예를 들면, 도면 중의 곡선 A1 및 곡선 A2로 도시되는 바와 같이, 레이저 매질(13)의 굴절률의 분포가 변화한다. 그 결과, 레이저 매질(13)로부터 사출되는 레이저광(11)의 광축이나 빔의 퍼짐이, 예를 들면, 광로 B1 및 광로 B2로 도시되는 바와 같이 변화한다.
따라서 1대의 고체 레이저를 이용하여, ZAP 가공과 CVD 가공, 또는, 묘화 가공과 구멍뚫기 가공 등, 가공 용도를 전환하기 위해 여기광의 펄스 에너지나 반복 주파수를 변화시키면, 레이저 헤드로부터 출력되는 빔의 직경이나 퍼짐 각(角)이라는 파라미터가 변화하여 버리고, 가공 얼룩이 발생하고, 가공 정밀도가 악화한다. 또한, 가령, 이 열 렌즈 효과에 의한 레이저광의 파라미터의 변화를 보상하는 광학계를 마련하였다고 하여도, 열 렌즈 효과의 상태가 일정하게 되는데에는 시간이 걸리기 때문에, 가공 스피드가 늦어져 버린다.
또한, 종래의 고체 레이저에서는, 펄스 에너지가 높은 레이저광을 발생시키는 경우, 펄스 에너지가 낮은 레이저광을 발생시키는 경우와 비교하여, 공진기(共振器) 내의 광학 소자의 손상을 방지하기 위해, 공진기의 출력경(出力鏡)의 투과율을 크게 하고, 공진기 내에 가둬지는 광 에너지의 양을 작게 할 필요가 있다.
따라서 예를 들면, 종래의 레이저 리페어 장치에서는, ZAP 가공용과 CVD 가공용의 2대의 고체 레이저가 마련되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 그 때문에, 장치의 비용, 중량, 사이즈가 증대하고 있다.
이것에 대해, 싱글 모드의 파이버 레이저(반도체 레이저+파이버 증폭기)는, 시드 광을 발생시키는 반도체 레이저의 반복 주파수를 자유롭게 바꿀 수가 있고, 이에 의해, 반복 주파수가 높은 레이저광과 펄스 에너지가 높은 레이저광을, 빔의 파라미터를 바꾸는 일 없이 발생시키는 것이 가능하다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
그러나, 싱글 모드의 파이버 레이저는, 광파이버 중에서 고밀도의 광을 가두고 있기 때문에, 광 케르(kerr) 효과에 의한 스펙트럼 변조, 라만 산란에 의한 설계 외의 파장의 광펄스 발생, 브리유앵(Brillouin) 산란에 의한 여기광원으로의 되돌아오는 광·손상이라는 현상이 일어나기 쉽고, 또한 파이버 자체의 광학적인 손상이 용이하게 일어난다는 문제점이 있고, 밀리줄 이상의 펄스 에너지를 발생시키려고 하면, 파이버 또는 여기광원이 손상되어 버린다.
이에 대해, 일반적으로, ZAP 가공 등의 구멍뚫기 가공에서 레이저 유기 플라즈마를 이용한 가공에서는 수mJ부터 수십mJ이라는 높은 펄스 에너지의 레이저광이 필요해진다.
따라서 파이버 레이저만으로는, 예를 들면, CVD 가공과 ZAP 가공, 또는, 묘화 가공과 구멍뚫기 가공의 양쪽을 행할 수 있는 레이저 가공 장치를 실현하는 것은 곤란하였다.
그래서, 파이버 레이저와 고체의 레이저 증폭기를 조합시킴으로써, 파이버 레이저 단체(單體)로는 출력 곤란한 에너지의 광펄스를 발생시키는 것이 고안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 3 참조).
[특허 문헌 ]
특허 문헌 1 : 일본 특개2008-279471호 공보
특허 문헌 2 : 일본 특개2009-66625호 공보
특허 문헌 3 : 일본 특개2005-347338호 공보
그러나, 특허 문헌 3에 기재되어 있는 바와 같이, 파이버 레이저의 후단에 고체의 레이저 증폭기를 단지 마련한 것만으로는, 상술한, 레이저광의 펄스 에너지나 반복 주파수를 바꾼 때에 빔의 파라미터가 변화하여 버리는 문제를 회피할 수가 없고, 파이버 레이저의 이점을 충분히 활용할 수가 없다. 따라서, 특허 문헌 3에 기재되어 있는 발명에서도, 고체 레이저만을 이용한 경우와 마찬가지로, ZAP 가공과 CVD 가공, 또는, 묘화 가공과 구멍뚫기 가공 등, 가공용도를 전환하기 위해 여기광의 펄스 에너지나 반복 주파수를 변화시키면, 레이저광의 빔 파라미터가 변화하여 버려, 가공 얼룩이 발생하고, 가공 정밀도가 악화한다.
본 발명은, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 같은 레이저 광원 장치를 이용하여, 가공 정밀도를 양호하게 유지하면서, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수를 변화시킬 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 제 1의 측면의 레이저 가공 장치는, 레이저광을 이용하여 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수가 가변인 광원과, 광원으로부터 사출된 레이저광을 광파이버를 이용하여 증폭하는 파이버 증폭 수단과, 파이버 증폭 수단에 의해 증폭된 레이저광을 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭하는 고체 레이저 증폭 수단과, 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광을 레이저광에 동기하여 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어함과 함께, 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 레이저광의 반복 주파수에 응하여 여기광의 강도를 제어하는 조사 제어 수단을 구비한다.
본 발명의 제 1의 측면의 레이저 가공 장치에서는, 레이저광이 광파이버를 이용하여 증폭되고, 증폭된 레이저광이 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭되고, 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광이 레이저광에 동기하여 고체 레이저 매질에 조사됨과 함께, 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 레이저광의 반복 주파수에 응하여 여기광의 강도가 제어된다.
따라서 같은 레이저 광원 장치를 이용하여, 가공 정밀도를 양호하게 유지하면서, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수를 변화시킬 수 있다.
이 레이저 가공 장치는, 예를 들면, 레이저 리페어 장치에 의해 구성된다. 이 광원은, 예를 들면, 레이저 다이오드 등 레이저광을 사출하는 레이저 광원에 의해 구성된다. 이 파이버 증폭 수단은, 예를 들면, 광파이버를 이용한 파이버 증폭기에 의해 구성된다. 이 고체 레이저 증폭 수단은, 예를 들면, Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:glass 등의 Nd 도프의 매질, 또는, Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:Y2O3, Yb:Sc2O3, Yb:Lu2O3, Yb:CaF2 등의 Yb3+ 이온 도프의 매질을 고체 레이저 매질에 이용한 고체 레이저 증폭기에 의해 구성된다. 이 조사 제어 수단은, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit) 등의 프로세서나 각종의 제어 회로 등에 의해 구성된다.
이 조사 제어 수단에는, 레이저광의 반복 주파수가 소정의 임계치 이상인 경우, 여기광을 연속하여 고체 레이저 매질에 조사함과 함께, 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록 여기광의 강도를 제어시킬 수 있다.
이에 의해, 여기광의 점멸을 소정의 주파수 이상으로 고속으로 제어할 필요가 없어진다.
이 광원에는, ZAPPING 가공에 이용하는 제 1의 반복 주파수의 제 1의 레이저광, 또는, CVD(Chemical Vapor Deposition) 가공에 이용하는 제 1의 반복 주파수보다 큰 제 2의 반복 주파수의 제 2의 레이저광을 사출시키고, 이 조사 제어 수단은, 고체 레이저 증폭 수단에 의해 제 1의 레이저광을 증폭하는 경우, 제 1의 레이저광에 동기하여 여기광을 고체 레이저 매질에 조사시키고, 고체 레이저 증폭 수단에 의해 제 2의 레이저광을 증폭하는 경우, 여기광을 연속하여 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어시킬 수 있다.
이에 의해, 같은 레이저 광원 장치를 이용하여, 가공 정밀도를 양호하게 유지하면서, ZAPPING 가공과 CVD 가공의 양쪽에 대응할 수 있다.
이 광원은, 구멍뚫기 가공에 이용하는 제 1의 반복 주파수의 제 1의 레이저광, 또는, 묘화 가공에 이용하는 제 1의 반복 주파수보다 큰 제 2의 반복 주파수의 제 2의 레이저광을 사출시키고, 이 조사 제어 수단은, 고체 레이저 증폭 수단에 의해 제 1의 레이저광을 증폭하는 경우, 제 1의 레이저광에 동기하여 여기광을 고체 레이저 매질에 조사하고, 고체 레이저 증폭 수단에 의해 제 2의 레이저광을 증폭하는 경우, 여기광을 연속하여 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어시킬 수 있다.
이에 의해, 같은 레이저 광원 장치를 이용하여, 가공 정밀도를 양호하게 유지하면서, 구멍뚫기 가공과 묘화 가공의 양쪽에 대응할 수 있다.
고체 레이저 증폭 수단에 의해 증폭된 레이저광의 파장을 변환하는 파장 변환 수단을 또한 마련할 수 있다.
이에 의해, 레이저광의 파장을 요구한 값으로 변환할 수 있다.
이 파장 변환 수단은, 예를 들면, 레이저광의 파장을 그 SHG, THG로 변환하는 파장 변환 장치에 의해 구성된다.
본 발명의 제 2의 측면의 레이저 광원 장치는, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수가 가변인 광원과, 광원으로부터 사출된 레이저광을 광파이버를 이용하여 증폭하는 파이버 증폭 수단과, 파이버 증폭 수단에 의해 증폭된 레이저광을 소정의 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭하는 고체 레이저 증폭 수단과, 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광을 레이저광에 동기하여 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어함과 함께, 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 레이저광의 반복 주파수에 응하여 여기광의 강도를 제어하는 조사 제어 수단을 구비한다.
본 발명의 제 2의 측면의 레이저 광원 장치에서는, 레이저광이 광파이버를 이용하여 증폭되고, 증폭된 레이저광이 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭되고, 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광이 레이저광에 동기하여 고체 레이저 매질에 조사됨과 함께, 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 레이저광의 반복 주파수에 응하여 여기광의 강도가 제어된다.
따라서 같은 레이저 광원 장치를 이용하여, 가공 정밀도를 양호하게 유지하면서, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수를 변화시킬 수 있다.
이 광원은, 예를 들면, 레이저 다이오드 등 레이저광을 사출하는 레이저 광원에 의해 구성된다. 이 파이버 증폭 수단은, 예를 들면, 광파이버를 이용한 파이버 증폭기에 의해 구성된다. 이 고체 레이저 증폭 수단은, 예를 들면, Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:glass 등의 Nd 도프의 매질, 또는, Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:Y2O3, Yb:Sc2O3, Yb:Lu2O3, Yb:CaF2 등의 Yb3+ 이온 도프의 매질을 고체 레이저 매질에 이용한 고체 레이저 증폭기에 의해 구성된다. 이 조사 제어 수단은, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit) 등의 프로세서나 각종의 제어 회로 등에 의해 구성된다.
본 발명의 제 2의 측면의 레이저 광원 장치의 제어 방법은, 레이저광을 사출하는 레이저 광원 장치의 제어 방법에 있어서, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수가 가변인 광원으로부터 사출된 레이저광을 광파이버를 이용하여 증폭하고, 증폭된 레이저광을 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭하고, 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광을 레이저광에 동기하여 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어함과 함께, 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 레이저광의 반복 주파수에 응하여 여기광의 강도를 제어한다.
본 발명의 제 2의 측면의 레이저 광원 장치에서는, 레이저광이 광파이버를 이용하여 증폭되고, 증폭된 레이저광이 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭되고, 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광이 레이저광에 동기하여 고체 레이저 매질에 조사됨과 함께, 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 레이저광의 반복 주파수에 응하여 여기광의 강도가 제어된다.
따라서 같은 레이저 광원 장치를 이용하여, 가공 정밀도를 양호하게 유지하면서, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 제 1의 측면 또는 제 2의 측면에 의하면, 같은 레이저 광원 장치를 이용하여, 가공 정밀도를 양호하게 유지하면서, 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수를 변화시킬 수 있다.
도 1은 레이저광에 의한 미세 가공의 예를 도시하는 도면.
도 2는 열 렌즈 효과에 의한 빔 파라미터의 변화를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명을 적용한 레이저 가공 장치의 한 실시의 형태를 도시하는 블록도.
도 4는 가공 위치의 주사 방법의 예를 도시하는 도면.
도 5는 가공 위치의 주사 방법의 예를 도시하는 도면.
도 6은 레이저 광원 장치의 구성예를 도시하는 도면.
도 7은 고체 레이저 증폭기의 구성예를 도시하는 도면.
도 8은 고체 레이저 증폭기의 여기광원의 제어 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9는 레이저광의 펄스 에너지와 반복 주파수의 관계의 한 예를 도시하는 그래프.
도 10은 레이저광의 펄스 에너지와 반복 주파수의 관계, 및, 여기광의 펄스 에너지와 반복 주파수의 관계의 한 예를 도시하는 그래프.
도 11은 고체 레이저 증폭기의 여기광원의 제어 방법을 설명하기 위한 도면.
도 12는 고체 레이저 증폭기의 열부하를 억제하는 방법에 관해 설명하기 위한 도면.
도 13은 고체 레이저 증폭기의 제 1의 변형례를 도시하는 도면.
도 14는 고체 레이저 증폭기의 제 2의 변형례를 도시하는 도면.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 한다)에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 실시의 형태
2. 변형례
<1. 실시의 형태>
[레이저 가공 장치의 구성예]
도 3은, 본 발명을 적용한 레이저 가공 장치의 한 실시의 형태의 구성예를 도시하는 블록도이다. 도 3의 레이저 가공 장치(101)는, 레이저 광원 장치(111)로부터 출력된 레이저광을, 슬릿(115) 및 대물 렌즈(118) 등의 광학계에 의해 가공에 적합한 형상, 사이즈로 변형시키고, 기판(102)에 조사하여 가공을 행한다. 레이저 가공 장치(101)는, 레이저 광원 장치(111), 익스팬더(112), 미러(113, 114), 슬릿(115), 렌즈(116), 미러(117), 대물 렌즈(118), 및 가스 윈도우(119)를 포함하도록 구성된다.
레이저 광원 장치(111)는, 레이저광을 사출하는 광원 장치이고, 사출하는 레이저광의 펄스 폭, 펄스 에너지 및 반복 주파수를 변화시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 레이저 광원 장치(111)는, 펄스 에너지가 높고 반복 주파수가 낮은 ZAP 가공용의 레이저광(이하, ZAP 레이저광이라고 칭한다), 및, 펄스 에너지가 낮고 반복 주파수가 높은 CVD 가공용의 레이저광(이하, CVD 레이저광이라고 칭한다)를 사출하는 것이 가능하다.
또한, 레이저 광원 장치(111)의 상세에 관해서는, 도 3 등을 참조하여 후술한다.
레이저 광원 장치(111)로부터 사출된 레이저광은, 익스팬더(112)에 의해 빔 지름이 퍼지고, 미러(113) 및 미러(114)에 의해 슬릿(115)의 방향으로 반사되고, 슬릿(115)을 통과함에 의해, 빔 지름이 소정의 크기로 제한된다. 또한, 슬릿(115)을 통과한 레이저광의 빔 지름의 크기는 조정하는 것이 가능하다.
슬릿(115)을 통과한 레이저광은, 렌즈(116)에 의해 콜리메이트되고, 미러(117)에 의해 대물 렌즈(118)의 방향으로 반사되어, 대물 렌즈(118) 및 가스 윈도우(119)를 통과하고, 대물 렌즈(118)에 의해, 가공 대상이 되는 기판(102)의 가공면에서 집광한다.
또한, 예를 들면 크롬카르보닐 가스로 이루어지는 원료 가스, 예를 들면 헬륨 가스 또는 아르곤 가스로 이루어지는 퍼지 가스가, 가스 윈도우(119)의 도시하지 않은 도입구로부터, 기판(102)의 레이저광이 조사되는 부분 부근에 공급된다. 또한, 원료 가스 및 퍼지 가스는, 외부로 누출되지 않도록, 가스 윈도우(119)의 도시하지 않은 흡기구로부터 흡입되어, 안전하게 배기된다.
그리고, 기판(102)의 ZAP 레이저광이 조사된 부분에서, 생성 완료의 패턴이 제거된다. 또한, 기판(102)의 CVD 레이저광을 조사한 부분에, 원료 가스에 포함되는 원료 물질에 의한 박막이 형성되어, 새로운 패턴이 형성된다.
도 4는, 레이저 가공 장치(101)에서, 가공 위치를 주사하는 방법의 한 예를 도시하고 있다. 도 4의 예에서는, 레이저 광원 장치(111)로부터 출력된 레이저광을, 전반 광학계(131), 및, 집광 렌즈에 의해 구성되는 대물 렌즈(118)를 통하여, 가동 스테이지(132)에 재치된 기판(102)에 집광하여 조사함과 함께, 가동 스테이지(132)를 이동함에 의해, 기판(102)의 가공면상을 주사한다.
또한, 예를 들면, 도 5에 도시되는 바와 같이, 대물 렌즈(118) 대신에 f-θ 렌즈(142)를 마련하여, 레이저 광원 장치(111)로부터 출력된 레이저광을, 갈바노 미러 등에 의해 구성되는 주사 기구(141), 및, f-θ 렌즈(142)를 통하여, 스테이지(143)에 재치된 기판(102)의 가공면상을 주사하도록 하여도 좋다. 또한, 상기한 2개의 주사 방법을 조합시키도록 하여도 좋다. 레이저 가공 장치(101)에서는, 이상의 3가지 주사 방법의 어느 것도 채용하는 것이 가능하다.
[레이저 광원 장치의 구성예]
도 6은, 레이저 광원 장치(111)의 구성예를 도시하는 도면이다. 레이저 광원 장치(111)는, 시드 LD(Laser Diode)(151), 아이설레이터(152), 파이버 증폭기(153), 아이설레이터(154), 파이버 증폭기(155), 아이설레이터(156), 엔드 캡(157), 고체 레이저 증폭기(158), 파장 변환부(159), 및 제어부(160)를 포함하도록 구성된다. 또한, 시드 LD(151) 내지 엔드 캡(157)에 의해, 싱글 모드의 파이버 레이저가 구성된다.
시드 LD(151)는, 제어부(160)의 제어에 의거하여, 소정의 파장(예를 들면, 1064nm)의 시드 광으로서의 레이저광을 사출한다. 시드 LD(151)로부터 사출되는 레이저광의 펄스 폭, 펄스 에너지, 및, 반복 주파수는, 제어부(160)에 의해 제어된다.
시드 LD(151)로부터 사출된 레이저광은, 되돌아오는 광을 차단하기 위한 아이설레이터(152)를 통과하고, 콤바이너(172)를 통하여 파이버 증폭기(153)에 도입된다. 파이버 증폭기(153)에 도입된 레이저광은, 광파이버(173)를 통과할 때에, 여기광원(171)으로부터 콤바이너(172)를 통하여 광파이버(173)에 도입되는 여기광으로 광파이버(173) 내의 레이저 매질이 여기됨에 의해, 펄스 에너지가 증폭되어, 파이버 증폭기(153)로부터 사출(射出)된다. 파이버 증폭기(153)로부터 사출된 레이저광은, 아이설레이터(154)를 통과하고, 콤바이너(182)를 통하여 파이버 증폭기(155)에 도입된다.
파이버 증폭기(155)에 도입된 레이저광은, 광파이버(183)를 통과할 때에, 여기광원(181a 내지 181f)으로부터 콤바이너(182)를 통하여 광파이버(183)에 도입된 여기광으로 광파이버(183) 내의 레이저 매질이 여기됨에 의해, 펄스 에너지가 증폭되고, 파이버 증폭기(155)로부터 사출된다. 파이버 증폭기(155)로부터 사출된 레이저광은, 아이설레이터(156) 및 엔드 캡(157)을 통과하고, 고체 레이저 증폭기(158)에 도입된다.
고체 레이저 증폭기(158)는, 예를 들면, 도 7에 도시되는 바와 같이, 레이저광이 고체 레이저 매질(201)을 한 번만 통과하는 싱글 패스 구성이 된다. 그리고, 고체 레이저 매질(201)이 여기광원(202)으로부터 발하여지는 여기광으로 여기됨에 의해, 고체 레이저 매질(201)에 입사한 레이저광은, 고체 레이저 매질(201) 내에서 펄스 에너지가 증폭되어, 사출된다.
또한, 고체 레이저 매질(201)은, 예를 들면, 종래 고체 레이저에서 이용되고 있는 Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:glass 등의 Nd 도프의 매질 외에, Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:Y2O3, Yb:Sc2O3, Yb:Lu2O3, Yb:CaF2 등의 Yb3+ 이온 도프의 매질도 채용하는 것이 가능하다. 이들의 매질을 채용함에 의해, 파이버 증폭기(153) 및 파이버 증폭기(155)의 여기광원을 공통화하는 것도 가능하다.
고체 레이저 증폭기(158)로부터 사출된 레이저광은, 파장 변환부(159)에 입사하고, 제어부(160)의 제어에 의거하여, 파장 변환부(159)에 의해 파장이 변환된다. 예를 들면, 파장 변환부(159)는, 시드 LD(151)로부터 사출되는 레이저광의 파장이 1064nm인 경우, 그 SHG(Second Harmonic Generation)인 532nm, 또는, THG(Third Harmonic Generation)인 355nm로 레이저광의 파장을 변환한다. 그리고, 파장 변환부(159)에 의해 파장이 변환된 레이저광은, 레이저 광원 장치(111)로부터 사출되어, 익스팬더(112)(도 3)에 입사한다.
제어부(160)는, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit) 등의 프로세서나 각종의 제어 회로 등에 의해 구성되고, 시드 LD(151), 여기광원(171), 여기광원(181a 내지 181f), 고체 레이저 증폭기(158), 및 파장 변환부(159)의 동작을 제어한다.
[고체 레이저 증폭기의 여기광원의 제어 방법]
여기서, 도 8 내지 도 12를 참조하여, 고체 레이저 증폭기(158)의 여기광원(202)의 제어 방법의 상세에 관해 설명한다.
도 8은, 고체 레이저 증폭기(158)의 고체 레이저 매질(201)에 입사되는 레이저광 및 고체 레이저 매질(201)로부터 사출되는 레이저광의 피크 파워와 반복 주파수, 및, 여기광원(202)으로부터 고체 레이저 매질(201)에 조사되는 여기광의 파형의 예를 도시하고 있다. 보다 구체적으로는, 도 8의 위의 도면 내의 화살표로 나타나는 시간축 상의 세로의 검은 선이, 레이저광의 피크 파워와 간격을 도시하고 있다. 또한, 도 8의 아래의 그래프는, 횡축이 시간을 나타내고, 종축이 광 강도를 나타내고, 여기광원(202)으로부터 고체 레이저 매질(201)에 조사된 여기광의 조사 타이밍과 광 강도를 도시하고 있다.
레이저광은, 파이버 증폭기(153) 및 파이버 증폭기(155)에 의해 안전하게 증폭할 수 있는 범위 내에서 펄스 에너지가 증폭되고 나서, 고체 레이저 증폭기(158)에 도입된다. 그리고, 도 11을 참조하여 후술하는 경우를 제외하고, 고체 레이저 매질(201)에 레이저광이 입사하는데 동기하여, 여기광이 고체 레이저 매질(201)에 조사된다. 즉, 여기광은, 레이저광의 증폭에 필요할 때만 고체 레이저 매질(201)에 조사되고, 그 이외의 때는 조사되지 않는다.
도 9는, 레이저광의 펄스 에너지와 반복 주파수의 관계의 한 예를 도시하고 있다. 레이저광의 평균 파워는, 펄스 에너지와 반복 주파수의 곱으로 정의되기 때문에, 도 9의 그래프에서 면적에 상당한다. 일반적으로, 고체 레이저 증폭기(158)의 레이저 헤드는, 여기광원(202)의 출력·수량에 의해 최대 또는 정격(定格)의 평균 파워 출력(정격출력)이 정해 있다. 따라서, 고체 레이저 증폭기(158)에서, 레이저광의 펄스 에너지의 증감은, 반복 주파수를 변동시킴에 의해 행한다. 또한, 도 9에서는, 3종류의 정격출력을 갖은 레이저 헤드를 가정하고, 출력을 정격으로 유지한 상태에서, 반복 주파수를 변동시킴에 의해 얻어지는 레이저광의 펄스 에너지의 이론상의 최대치를, 3개의 직선(L1 내지 L3)으로 도시하고 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 일반적으로 싱글 모드 출력의 파이버 레이저는, 펄스 에너지가 1mJ 이하이면 파이버 손상의 위험성이 낮기 때문에, 파이버 레이저 단체에서의 출력이 가능하고, 평균 파워가 정격을 초과하지 않는 범위에서는 펄스 에너지와 반복 주파수를 자유롭게 조합시킬 수 있다. 도 9의 그래프에서는, 이 평균 파워가 파이버 레이저(시드 LD(151) 내지 엔드 캡(157))의 정격을 초과하지 않는 범위를, 해칭으로 나타나는 영역(D1 내지 D3)에 의해 도시하고 있다.
한편, 가공에 필요한 레이저광의 펄스 에너지가 1mJ을 초과하면, 고체 레이저 증폭기(158)에 의한 증폭이 필요해진다. 이 경우, 파이버 레이저로부터의 레이저광의 출력을 1mJ 이하로 유지하면서, 요구되는 에너지까지 고체 레이저 증폭기(158)를 이용하여 증폭한다. 그러나, 상술한 바와 같이, 파이버 레이저 단체의 경우와 달리, 고체 레이저 증폭기(158)에 있어서 펄스 에너지와 반복 주파수를 자유롭게 조합시키면, 열 렌즈 효과가 변화하고, 레이저광의 빔 파라미터가 변동하여 버린다. 그래서, 고체 레이저 증폭기(158)의 여기광원(202)은, 제어부(160)의 제어에 의거하여, 이하와 같은 규칙에 따른 동작을 행한다.
상술한 바와 같이, 고체 레이저 매질(201)의 열 렌즈 효과에 의한 굴절력은, 여기광의 평균 파워에 추종하다. 따라서, 열 렌즈 효과에 의해 레이저광의 빔 파라미터를 변화시키지 않도록 하기 위해서는, 고체 레이저 매질(201)에 조사하는 여기광의 평균 파워가 항상 일정하게 되도록 제어하면 좋다.
도 10에는, 도 9와 마찬가지로 레이저광의 펄스 에너지와 반복 주파수의 관계를 도시함과 함께, 또한 여기광의 펄스 에너지와 반복 주파수의 관계를 도시하고 있다.
여기광의 펄스 에너지로부터 레이저광의 펄스 에너지에의 변환 효율(광-광 변환 효율)은, 고체 레이저 매질(201)의 종류에 따라 다르지만, 이 변환 효율을 10%라고 가정할 때의 여기광의 펄스 에너지가, 그래프의 오른쪽 종축에 나타나 있다. 이 경우, 가령 10mJ의 펄스 에너지의 레이저광이 필요한 경우, 여기광에 요구된 펄스 에너지는 100mJ 이 된다. 또한, 상술한 바와 같이, 여기광은 레이저광이라고 동기하여 출력되기 때문에, 양자의 반복 주파수는 동일하게 된다. 도 10의 직선 L11은, 레이저광의 평균 파워가 항상 10W, 즉 여기광의 평균 파워가 항상 100W가 되는 선을 도시하고 있다. 여기광의 펄스 에너지와 반복 주파수의 조합이 이 직선상에 있는 한, 고체 레이저 증폭기(158)의 열 렌즈 효과는 일정하게 유지된다.
따라서 예를 들면, 가공에 필요한 레이저광의 펄스 에너지가 10mJ인 경우, 반복 주파수 1kHz 또한 펄스 에너지 1mJ의 레이저광을 파이버 레이저로부터 출력하고, 고체 레이저 증폭기(158)의 여기광원(202)으로부터, 반복 주파수 1kHz 및 펄스 에너지 100mJ의 여기광을 출력하도록 하면 좋다. 또한, 예를 들면, 가공에 필요한 레이저광의 펄스 에너지가 5mJ인 경우, 반복 주파수 2kHz 또한 펄스 에너지 1mJ의 레이저광을 파이버 레이저로부터 출력하고, 고체 레이저 증폭기(158)의 여기광원(202)으로부터, 반복 주파수 2kHz 및 펄스 에너지 50mJ의 여기광을 출력하도록 하면 좋다.
여기서, 고체 레이저 증폭기(158)에서의, 여기광의 펄스 에너지의 제어 방법에 관해 설명한다. 여기광의 펄스 에너지는, 여기광의 펄스 폭(τ)과 여기광의 피크 강도(IP)의 곱(τ×IP)으로 정의된다. 그리고, 여기광의 펄스 폭은 고체 레이저 매질(201)의 상(上)순위 수명(형광 수명)과 같은 값(예를 들면 Nd:YAG라면 230㎲, Nd:YLF라면 480㎲, Yb:YAG라면 1㎳, Yb:KGW라면 300㎲)으로 설정되고, 그 펄스 폭에 있어서 요구되는 펄스 에너지가 되도록 여기광의 피크 강도가 설정된다.
예를 들면, 레이저광의 반복 주파수를 500Hz로 설정한 경우, 도 10으로부터, 필요하게 되는 여기광의 펄스 에너지는 200mJ이 된다. 이때, 고체 레이저 매질(201)로 Yb:YAG를 사용하였다고 하면, 그 상순위 수명은 1㎳이므로, 200mJ의 펄스 에너지를 얻기 위해, 여기광의 피크 강도는 200W로 설정된다.
단, 레이저광의 반복 주기(반복 주파수의 역수)가 고체 레이저 매질(201)의 상순위 수명보다도 짧아지는 경우에는, 도 8의 경우와는 달리, 도 11에 도시되는 바와 같이, 여기광을 연속광(CW광)으로 하여, 레이저광에 동기시키지 않고 연속하여 고체 레이저 매질(201)에 조사한다. 이때, 레이저광의 반복 주기와 여기광의 피크 강도의 곱이, 요구되는 여기광의 펄스 에너지가 되도록 피크 강도가 설정된다.
예를 들면, 레이저광의 반복 주파수를 2kHz로 한 경우, 도 10으로부터, 필요하게 되는 여기광의 펄스 에너지는 50mJ이 된다. 이때, 고체 레이저 매질(201)로 Yb:YAG를 사용하였다고 하면, 그 상순위 수명은 1㎳이므로, 레이저광의 반복 주기(0.5㎳)보다 길어진다. 따라서, 여기광을 연속광으로 하고, 그 피크 강도를 100W로 설정함으로써, 레이저광의 증폭에 필요한 에너지(0.5㎳×100W=50mJ)를 공급하는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같이, ZAP 가공에서는, CVD 가공과 비교하여, 펄스 에너지가 높은 레이저광이 필요하게 되고, CVD 가공에서는, ZAP 가공과 비교하여, 반복 주파수가 높은 레이저광이 필요하게 된다. 따라서, ZAP 가공을 행하는 경우, 예를 들면, 요구되는 레이저광의 펄스 에너지로부터, 도 10의 직선 L11에 의거하여, 레이저광 및 여기광의 반복 주파수 및 여기광의 펄스 에너지가 설정된다. 한편, CVD 가공을 행하는 경우, 예를 들면, 필요하게 되는 레이저광의 반복 주파수로부터, 도 10의 직선 L11에 의거하여, 레이저광 및 여기광의 펄스 에너지가 설정되고, 레이저광의 반복 주기가 고체 레이저 매질(201)의 상순위 수명 이상인 경우, 여기광의 반복 주파수는 레이저광과 같은 값으로 설정되고, 레이저광의 반복 주기가 고체 레이저 매질(201)의 상순위 수명 미만인 경우, 여기광은 연속광으로 설정된다.
이처럼, ZAP 가공을 행하는 경우와 CVD 가공을 행하는 경우에서, 고체 레이저 매질(201)에 조사한 여기광의 단위 시간당의 파워가 같게 되도록 제어함에 의해, 단위 시간당에 여기광에 의해 고체 레이저 매질(201)에 주어지는 열량은 같아진다. 따라서, ZAP 가공을 행하는 경우와 CVD 가공을 행하는 경우에서, 여기광에 의한 열 렌즈 효과가 거의 동등하게 되고, 고체 레이저 증폭기(158)로부터 사출되는 레이저광의 빔 형상이 거의 동등하고, 광축도 거의 일치한다. 그 결과, ZAP 가공을 행하는 경우와 CVD 가공을 행하는 경우에서, 가공 얼룩이 거의 발생하지 않고, 가공 정밀도가 양호하게 유지된다.
또한, 도 10에서, 파이버 레이저 단체에서 요구되는 평균 파워의 레이저광의 출력이 가능한 영역(D11)에서도, 고체 레이저 증폭기(158)의 열 렌즈 효과를 일정하게 유지하기 위해), 여기광을 제로로 설정하지 않고, 피크 강도가 100W의 연속광을 출력하도록 제어된다.
또한, 레이저 광원 장치(111)에서는, 고체 레이저 증폭기(158)의 열 렌즈 효과를 일정하게 유지하기 위해, 적어도 가공하고 있는 동안은, 고체 레이저 매질(201)에 항상 여기광을 조사할 필요가 있다. 이것은, 고체 레이저 매질(201)에 높은 열부하가 정상적으로 걸리는 것을 의미하고 있고, 냉각 기구의 대형화를 초래하게 될 가능성이 있다. 이 문제는, 예를 들면, 고체 레이저 증폭기(158)의 동작 범위를, 반복 주파수가 낮은 점으로 한정하여 사용함으로써 회피할 수 있다.
예를 들면, 도 12에 도시되는 바와 같이, 반복 주파수가 10kHz부터 1MHz의 범위 내에서는, 파이버 레이저만으로 동작하도록 제어한다. 또한, 1kHz부터 10kHz의 범위 내(영역(D21)에서는, 광파이버가 손상되는 1mJ 이상의 에너지가 되지 않도록 조정하면서 역시 파이버 레이저만으로 동작하도록 제어한다. 그리고, 고체 레이저 증폭기(158)가 필요한 고에너지의 출력이 필요한 경우, 반복 주파수를 1kHz 이하로 설정한다.
이 경우, 가공에 필요한 레이저광의 펄스 에너지가 10mJ인 경우, 반복 주파수 100Hz 또한 펄스 에너지 1mJ의 레이저광을 파이버 레이저로부터 출력하고, 고체 레이저 증폭기(158)의 여기광원(202)으로부터, 반복 주파수 100Hz 및 펄스 에너지 100mJ의 여기광을 출력하도록 하면 좋다. 이에 의해, 여기광의 평균 파워는 10W가 되고, 도 10에서 도시한 예보다도, 평균 파워를 1 자릿수 내릴 수 있다.
물론, 도 12의 예에서도, 파이버 레이저 단체에서 요구되는 평균 파워의 레이저광의 출력이 가능한 영역(D11)에서도, 고체 레이저 증폭기(158)의 열 렌즈 효과를 일정하게 유지하기 위해, 여기광을 제로로 설정하지 않고, 피크 강도가 10W의 연속광을 출력하도록 제어된다.
<2. 변형례>
[고체 레이저 증폭기의 변형례]
이상의 설명에서는, 레이저 광원 장치(111)에서, 싱글 패스의 고체 레이저 증폭기(158)를 이용하는 예를 나타냈지만, 멀티 패스의 고체 레이저 증폭기를 이용하는 것도 가능하다. 도 13 및 도 14는, 레이저 광원 장치(111)에 적용 가능한 멀티 패스의 고체 레이저 증폭기의 구성예를 도시하고 있다. 또한, 도 13 및 도 14에서, 도 7과 대응하는 부분에는 같은 부호를 붙이고 있다.
도 13의 고체 레이저 증폭기(251)는, 고체 레이저 매질(201), 여기광원(202), 편광빔 스플리터(261), λ/4파장판(262), 전반사 미러(263)를 포함하도록 구성된다.
고체 레이저 증폭기(251)에 도입되는 레이저광은, 편광빔 스플리터(261)의 P편광의 방향으로 편광되어 있고, 편광빔 스플리터(261)를 투과한다. 편광빔 스플리터(261)를 투과한 레이저광은, 고체 레이저 매질(201)을 통과함에 의해 펄스 에너지가 증폭된 후, λ/4파장판(262)을 투과하고, 전반사 미러(263)에 의해 반사되어, 반사 전과 역방향으로 나아가고, 재차 λ/4파장판(262)을 투과한다. 이때, 레이저광의 편광 방향은, λ/4파장판(262)을 2회 투과함에 의해 90도 회전하여, 편광빔 스플리터(261)의 S편광의 방향이라고 일치한다. 그리고, 레이저광은, 재차 고체 레이저 매질(201)을 통과함에 의해 펄스 에너지가 증폭되고, 편광빔 스플리터(261)에 의해 반사되어, 파장 변환부(159)에 도입된다. 즉, 고체 레이저 증폭기(251)에서는, 레이저광이 입사되고 나서 사출되기까지의 사이에, 펄스 에너지가 고체 레이저 매질(201)에 의해 2회 증폭된다.
도 14의 고체 레이저 증폭기(281)는, 고체 레이저 매질(201), 여기광원(202), 및 미러(291a 내지 291i)를 포함하도록 구성된다.
고체 레이저 증폭기(281)에 도입된 레이저광은, 고체 레이저 매질(201)을 통과하여 펄스 에너지가 증폭된 후, 미러(291a 내지 291i)에 의해 반사되어, 합계로 5회 고체 레이저 매질(201)을 통과한다. 즉, 고체 레이저 증폭기(281)에서는, 레이저광이 입사되고 나서 사출되기까지의 사이에, 펄스 에너지가 고체 레이저 매질(201)에 의해 5회 증폭된다. 그리고, 레이저광은, 고체 레이저 증폭기(281)로부터 사출되어, 파장 변환부(159)에 도입된다.
[그 밖의 변형예]
또한, 이상의 설명에서는, ZAP 가공과 CVD 가공의 2종류의 가공에 대응 가능한 레이저 가공 장치의 예를 나타냈지만, 본 발명은, 이 조합으로 한하지 않고, 예를 들면, 구멍뚫기 가공과 묘화(描畵) 가공 등, 사용하는 레이저광의 펄스 에너지와 반복 주파수의 조합이 다른 가공의 조합에 대응할 수 있다. 예를 들면, 구멍뚫기 가공과 묘화 가공의 2종류의 복수의 가공에 대응하는 경우, 구멍뚫기 가공은, ZAP 가공과 마찬가지로, 펄스 에너지가 높은 레이저광이 필요하게 되고, 묘화 가공은, CVD 가공과 마찬가지로, 반복 주파수가 높은 레이저광이 필요하게 된다. 따라서, 구멍뚫기 가공시에는, ZAP 가공시와 마찬가지로, 예를 들면, 필요하게 되는 레이저광의 펄스 에너지로부터, 도 10의 직선 L11에 의거하여, 레이저광 및 여기광의 반복 주파수 및 여기광의 펄스 에너지가 설정된다. 또한, 묘화 가공시에는, CVD 가공시와 마찬가지로, 예를 들면, 필요하게 되는 레이저광의 반복 주파수로부터, 도 10의 직선 L11에 의거하여, 레이저광 및 여기광의 펄스 에너지가 설정되고, 레이저광의 반복 주기가 고체 레이저 매질(201)의 상순위 수명 이상인 때, 여기광의 반복 주파수는 레이저광과 같은 값으로 설정되고, 레이저광의 반복 주기가 고체 레이저 매질(201)의 상순위 수명 미만인 경우, 여기광은 연속광으로 설정된다.
또한, 대응하는 가공의 조합은, 2종류로 한정되는 것이 아니고, 3종류 이상으로 하는 것도 가능하다.
또한, 이상의 설명에서는, 파이버 증폭기를 2단 마련하는 예를 나타냈지만, 파이버 증폭기의 단수는, 필요에 응하여 임의의 수로 설정하는 것이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 파이버 레이저와 고체 레이저 증폭기의 조합에 있어서, 빔의 파라미터를 바꾸지 않고, 레이저광의 반복 주파수 및 펄스 에너지를 바꾸어 출력하는 것이 가능해진다. 그 결과, 예를 들면, 레이저 리페어에 필요한 ZAP 가공과 CVD 가공, 또는, 태양전지 패널의 가공에 필요한 선형상의 패턴 가공과 구멍뚫기 가공을, 1대의 레이저 가공 장치이면서 하나의 가공 광학계로, 고속이면서 고정밀도로 행하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다.
101 : 레이저 가공 장치 102 : 기판
111 : 레이저 광원 장치 118 : 대물 렌즈
119 : 가스 윈도우 131 : 주사 기구
132 : 스테이지 141 : 전반 광학계
142 : 가동 스테이지 151 : 시드 LD
153, 155 : 파이버 증폭기 158 : 고체 레이저 증폭기
159 : 파장 변환부 160 : 제어부
171 : 여기광원 173 : 광파이버
181a 내지 181f : 여기광원 183 : 광파이버
201 : 고체 레이저 매질 202 : 여기광원

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 레이저광을 이용하여 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서,
    상기 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수가 가변인 광원과,
    상기 광원으로부터 사출된 상기 레이저광을 광파이버를 이용하여 증폭하는 파이버 증폭 수단과,
    상기 파이버 증폭 수단에 의해 증폭된 상기 레이저광을 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭하는 고체 레이저 증폭 수단과,
    상기 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광을 상기 레이저광의 상기 고체 레이저 증폭 수단에의 입사 타이밍에 동기하여 상기 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어함과 함께, 상기 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 상기 레이저광의 반복 주파수에 응하여 상기 여기광의 강도를 제어하는 조사 제어 수단을 구비하고,
    상기 광원은, ZAPPING 가공에 이용하는 제 1의 반복 주파수의 제 1의 레이저광, 또는, CVD 가공에 이용하는 상기 제 1의 반복 주파수보다 큰 제 2의 반복 주파수의 제 2의 레이저광을 사출하고,
    상기 조사 제어 수단은, 상기 레이저광의 반복 주파수가 소정의 임계치 이상인 경우, 상기 여기광을 연속하여 상기 고체 레이저 매질에 조사함과 함께, 상기 여기광의 단위 시간당의 파워가 상기 소정의 값이 되도록 상기 여기광의 강도를 제어하고, 상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 상기 제 1의 레이저광을 증폭하는 경우, 상기 제 1의 레이저광의 상기 고체 레이저 증폭 수단에의 입사 타이밍에 동기하여 상기 여기광을 상기 고체 레이저 매질에 조사하고, 상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 상기 제 2의 레이저광을 증폭하는 경우, 상기 여기광을 연속하여 상기 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 레이저광을 이용하여 가공을 행하는 레이저 가공 장치에 있어서,
    상기 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수가 가변인 광원과,
    상기 광원으로부터 사출된 상기 레이저광을 광파이버를 이용하여 증폭하는 파이버 증폭 수단과,
    상기 파이버 증폭 수단에 의해 증폭된 상기 레이저광을 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭하는 고체 레이저 증폭 수단과,
    상기 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광을 상기 레이저광의 상기 고체 레이저 증폭 수단에의 입사 타이밍에 동기하여 상기 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어함과 함께, 상기 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 상기 레이저광의 반복 주파수에 응하여 상기 여기광의 강도를 제어하는 조사 제어 수단을 구비하고,
    상기 광원은, 구멍뚫기 가공에 이용하는 제 1의 반복 주파수의 제 1의 레이저광, 또는, 묘화 가공에 이용하는 상기 제 1의 반복 주파수보다 큰 제 2의 반복 주파수의 제 2의 레이저광을 사출하고,
    상기 조사 제어 수단은, 상기 레이저광의 반복 주파수가 소정의 임계치 이상인 경우, 상기 여기광을 연속하여 상기 고체 레이저 매질에 조사함과 함께, 상기 여기광의 단위 시간당의 파워가 상기 소정의 값이 되도록 상기 여기광의 강도를 제어하고, 상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 상기 제 1의 레이저광을 증폭하는 경우, 상기 제 1의 레이저광의 상기 고체 레이저 증폭 수단에의 입사 타이밍에 동기하여 상기 여기광을 상기 고체 레이저 매질에 조사하고, 상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 상기 제 2의 레이저광을 증폭하는 경우, 상기 여기광을 연속하여 상기 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제 3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 증폭된 상기 레이저광의 파장을 변환하는 파장 변환 수단을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  6. 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수가 가변인 광원과,
    상기 광원으로부터 사출된 상기 레이저광을 광파이버를 이용하여 증폭하는 파이버 증폭 수단과,
    상기 파이버 증폭 수단에 의해 증폭된 상기 레이저광을 소정의 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭하는 고체 레이저 증폭 수단과,
    상기 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광을 상기 레이저광의 상기 고체 레이저 증폭 수단에의 입사 타이밍에 동기하여 상기 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어함과 함께, 상기 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 상기 레이저광의 반복 주파수에 응하여 상기 여기광의 강도를 제어하는 조사 제어 수단을 구비하고,
    상기 광원은, ZAPPING 가공에 이용하는 제 1의 반복 주파수의 제 1의 레이저광, 또는, CVD 가공에 이용하는 상기 제 1의 반복 주파수보다 큰 제 2의 반복 주파수의 제 2의 레이저광을 사출하고,
    상기 조사 제어 수단은, 상기 레이저광의 반복 주파수가 소정의 임계치 이상인 경우, 상기 여기광을 연속하여 상기 고체 레이저 매질에 조사함과 함께, 상기 여기광의 단위 시간당의 파워가 상기 소정의 값이 되도록 상기 여기광의 강도를 제어하고, 상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 상기 제 1의 레이저광을 증폭하는 경우, 상기 제 1의 레이저광의 상기 고체 레이저 증폭 수단에의 입사 타이밍에 동기하여 상기 여기광을 상기 고체 레이저 매질에 조사하고, 상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 상기 제 2의 레이저광을 증폭하는 경우, 상기 여기광을 연속하여 상기 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 광원 장치.
  7. 레이저광을 사출하는 레이저 광원 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 레이저광의 펄스 에너지 및 반복 주파수가 가변인 광원으로부터 사출된 상기 레이저광을 광파이버를 이용하여 증폭하고,
    증폭된 상기 레이저광을 고체 레이저 매질을 이용하여 증폭하고,
    상기 고체 레이저 매질을 여기하는 여기광을 상기 레이저광의 상기 고체 레이저 증폭 수단에의 입사 타이밍에 동기하여 상기 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어함과 함께, 상기 여기광의 단위 시간당의 파워가 소정의 값이 되도록, 상기 레이저광의 반복 주파수에 응하여 상기 여기광의 강도를 제어하고,
    상기 광원은, ZAPPING 가공에 이용하는 제 1의 반복 주파수의 제 1의 레이저광, 또는, CVD 가공에 이용하는 상기 제 1의 반복 주파수보다 큰 제 2의 반복 주파수의 제 2의 레이저광을 사출하고,
    상기 레이저광의 반복 주파수가 소정의 임계치 이상인 경우, 상기 여기광을 연속하여 상기 고체 레이저 매질에 조사함과 함께, 상기 여기광의 단위 시간당의 파워가 상기 소정의 값이 되도록 상기 여기광의 강도를 제어하고, 상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 상기 제 1의 레이저광을 증폭하는 경우, 상기 제 1의 레이저광의 상기 고체 레이저 증폭 수단에의 입사 타이밍에 동기하여 상기 여기광을 상기 고체 레이저 매질에 조사하고, 상기 고체 레이저 증폭 수단에 의해 상기 제 2의 레이저광을 증폭하는 경우, 상기 여기광을 연속하여 상기 고체 레이저 매질에 조사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
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