KR102104782B1 - Power balance device for laser light, laser processing device - Google Patents
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Abstract
피가공물에의 안정된 레이저 가공을 용이하게 실행할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이 레이저 가공 장치에서 사용되는 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치를 얻는다. 대향하는 한 쌍의 주면 중 일방의 주면측에, 기판 재료와 동일한 재료로 이루어지는 복수의 볼록부가 설정 주기(P)로 각각 평행하게 직선 형상으로 연장되는 회절 격자가 형성되고, 상기 회절 격자의 구조성 복굴절을 이용 가능하게 형성된, 원적외광의 레이저 광이 입사되는 편광 위상차 판으로서, 상기 회절 격자의 상기 주기(P)가 P<λ/n(λ는 입사광의 파장, n는 상기 기판 재료의 굴절률)를 충족하는, 상기 편광 위상차 판과, 상기 편광 위상차 판을 회전시키는 회전 기구를 구비하는 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치로 하였다.A laser processing device capable of easily performing stable laser processing on a workpiece, and a power balance device for laser light used in the laser processing device 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 in a set period P is formed on the main surface side of one of the opposing pair of main surfaces, and the structure of the diffraction grating is formed. A polarization phase difference plate in which laser light of far-infrared light is incident, formed using birefringence, wherein the period (P) of the diffraction grating is P <λ / n (λ is the wavelength of the incident light, n is the refractive index of the substrate material) A power balance device for laser light having a polarization retardation plate and a rotating mechanism for rotating the polarization retardation plate was satisfied.
Description
본 발명은 프린트 기판 등의 피가공물에 대해서 타공 가공을 실행하는 레이저 가공 장치에 관한 것이고, 특히, 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치 및 이 파워 밸런스 장치를 사용한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser processing device that performs perforation processing on a workpiece, such as a printed board, and more particularly, to a power balance device for laser light and a laser processing device using the power balance device.
프린트 기판 등의 피가공물에 타공 가공을 실행하는 CO2 레이저 가공 장치의 생산성을 향상시키는 방법으로서, 레이저 발진기에서 생성된 1개의 레이저 광을 복수로 분할하여, 복수의 구멍을 동시에 타공 가공하는 방법이 있다. 이 방법에서는, 분할된 레이저 광의 각각의 에너지가 균등하지 않은 경우, 가공 구명 직경 등의 가공 품질에 격차가 생겨 버린다.As a method of improving the productivity of a CO 2 laser processing device for perforating a workpiece such as a printed board, there is a method of dividing a single laser light generated by a laser oscillator into a plurality and simultaneously punching a plurality of holes. have. In this method, when the energy of each of the divided laser lights is not uniform, a gap occurs in the processing quality such as the diameter of the processed life diameter.
이 때문에, 아래와 같이 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 분광용 편광자보다 광로 상류에, 광축을 중심으로 회전 조정 기구를 갖는 편광 방위각 조정용 편광자를 마련하고 있다. 그리고, 투과하는 P파의 편광 방위각을 조정함으로써, 분광용 편광자에 입사하는 편광 방향 P파 성분과, 편광 방향 S파 성분의 밸런스를 조정하고, 분광용 편광자를 투과하는 P파 성분과, 분광용 편광자에서 반사하는 S파 성분으로 분할된 레이저 광의 에너지를 균등하게 조정하고 있다.For this reason, in the method described in Patent Document 1 below, a polarizer for polarization azimuth adjustment having a rotation adjustment mechanism around an optical axis is provided upstream of the optical path than a polarizer for spectroscopy. Then, by adjusting the polarization azimuth of the transmitted P-wave, the balance between the polarization direction P-wave component incident on the spectroscopic polarizer and the polarization direction S-wave component is adjusted, and the P-wave component passing through the spectroscopic polarizer and the spectroscopic The energy of the laser light divided into the S-wave component reflected by the polarizer is equally adjusted.
아래와 같이 특허문헌 2에는, YAG 레이저 광의 파워 밸런스를 조정하는 예가 기재되어 있다. 분광용 편광자보다 광로 상류에, 광축을 중심으로 회전 조정을 실행하는 회전 조정 기구를 갖는 투과형의 1/4 파장(π/2) 위상차 판을 마련하고, 분광용 편광자에 입사하는 편광 방향 P파 성분과, 편광 방향 S파 성분을 조정함으로써, 가공의 에너지를 균등하게 조정하고 있다.
아래와 같이 특허문헌 3에는, 투과 광을 사용하지 않고, S 편광만을 이용하는 편광 방위각 조정 기구로 함으로써, 열 렌즈의 발생을 방지하고 있다.As described below, in
최근, 프린트 기판 등의 타공 가공기에서는, 관통 구멍 등의 고에너지 가공이나, 가공 속도의 향상에 의해서, 레이저 광은 출력이 향상되어 왔다.In recent years, in a punching machine such as a printed circuit board, the output of laser light has been improved by high energy processing such as through-holes or by improving the processing speed.
상기 종래의 기술에서는, 예를 들면, 상기 특허문헌 1에 기재된 구성에서는, 편광 방위각 조정용 편광자를 투과하는 P파 성분을 광로 하류에 전파하고 있다. 이 때문에, 편광자에 입사하는 레이저 광의 파워가 높으면, 편광자의 기판 재료의 열 렌즈 효과에 의해서 레이저 광의 빔 직경이 변화하고, 열 렌즈 효과가 발생하고 있지 않은 경우에 비해 마스크를 투과하는 레이저 광의 에너지 강도가 분포된다. 이에 의해, 피가공물의 가공 품질이 열화 또는 불안정하게 된다고 하는 문제가 있었다.In the above-described conventional technique, for example, in the configuration described in Patent Document 1, the P-wave component that transmits the polarizer for polarization azimuth adjustment is propagated downstream of the optical path. For this reason, when the power of the laser light incident on the polarizer is high, the beam diameter of the laser light is changed by the thermal lens effect of the substrate material of the polarizer, and the energy intensity of the laser light passing through the mask compared to when the thermal lens effect is not occurring. Is distributed. Thereby, there exists a problem that the processing quality of a to-be-processed object deteriorates or becomes unstable.
또한, 편광 방위각 조정 시에 편광자를 회전 조정하였을 경우, 빛의 굴절이 원인으로 광축 중심에 약간의 차이가 생겨서 피가공물의 가공 품질이 열화하는 경우가 있다고 하는 문제가 있었다.In addition, when the polarizer was rotated and adjusted when the polarization azimuth was adjusted, there was a problem that the processing quality of the workpiece may deteriorate due to a slight difference in the center of the optical axis due to the refraction of light.
또한, 상기 특허문헌 2에 기재된 구성은 파장 1㎛ 정도의 YAG 레이저 광용이며, 원적외광을 투과할 수 없다. 원적외광을 투과하는 복굴절 재료는 황화카드뮴(CdS)이 있지만, 독물(毒物)로 취급이 곤란하다.In addition, the structure described in
또한, 상기 특허문헌 3에 기재된 구성에서는, 투과 광을 사용하지 않고, S 편광만을 이용하고 있고, 효율이 나쁘다.Further, in the configuration described in
본 발명은 상기에 비추어 이루어진 것이며, 피가공물에의 안정된 레이저 가공을 용이하게 실행할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이 레이저 가공 장치에서 사용되는 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in light of the above, and an object thereof is to obtain a laser processing apparatus capable of easily performing stable laser processing on a workpiece and a power balance device for laser light used in the laser processing apparatus.
본 발명은 대향하는 한 쌍의 주면 중 일방의 주면측에, 기판 재료와 동일한 재료로 이루어지는 복수의 볼록부가 설정 주기(P)로 각각 평행하게 직선 형상으로 연장된 회절 격자가 형성되고, 상기 회절 격자의 구조성 복굴절을 이용 가능하게 형성된, 원적외광의 레이저 광이 입사되는 편광 위상차 판으로서, 상기 회절 격자의 상기 주기(P)가 P<λ/n(λ는 입사광의 파장, n는 상기 기판 재료의 굴절률)를 충족하는, 상기 편광 위상차 판과, 상기 편광 위상차 판을 회전시키는 회전 기구를 구비하는 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치 등에 있다.In the present invention, a plurality of convex portions made of the same material as the substrate material are formed on the main surface side of one of the opposing pair of main surfaces, and a diffraction grating is formed in which each of the convex portions extends in parallel in a straight line at a set period P, and the diffraction grating A polarization phase difference plate in which laser light of far-infrared light is incident, formed using a structural birefringence of, wherein the period (P) of the diffraction grating is P <λ / n (λ is the wavelength of the incident light, n is the substrate material And a rotation mechanism for rotating the polarization retardation plate and the polarization retardation plate.
본 발명에서는, 피가공물에의 안정된 레이저 가공을 용이하게 실행할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이 레이저 가공 장치에서 사용되는 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치를 제공하고 있다.In the present invention, there is provided a laser processing device capable of easily performing stable laser processing on a workpiece, and a power balance device for laser light used in the laser processing device.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 의한 레이저 가공 장치의 구성의 일례를 도시하는 도면,
도 2는 도 1의 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판의 일례의 구성을 도시하는 사시도,
도 3은 본 발명의 실시형태 2에 의한 레이저 가공 장치의 구성의 일례를 도시하는 도면,
도 4는 도 3의 레이저용의 파워 밸런스 장치의 일례의 비밀 구성을 도시하는 투시 측면도,
도 5는 도 3의 레이저용의 파워 밸런스 장치의 다른 예의 비밀 구성을 도시하는 투시 측면도,
도 6은 본 발명에 따른 열 렌즈 현상의 영향을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 열 렌즈 현상의 억제의 효과를 설명하기 위한 도면.1 is a diagram showing an example of the configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of an example of a polarization phase difference plate of the sub-wavelength grating structure of FIG. 1;
3 is a diagram showing an example of the configuration of a laser processing apparatus according to
4 is a perspective side view showing a secret configuration of an example of the power balance device for laser of FIG. 3,
Fig. 5 is a perspective side view showing a secret configuration of another example of the power balance device for laser of Fig. 3,
6 is a view for explaining the effect of the thermal lens phenomenon according to the present invention,
7 is a view for explaining the effect of suppression of the thermal lens phenomenon according to the present invention.
본 발명에서는 서브 파장 격자 구조에 의해, 원적외광에 대해 투과율의 높은 재료를 이용한 파워 밸런스 장치를 구성할 수 있기 때문에, 열 렌즈를 방지하고, 고출력 빔에서도 높은 가공 품질을 얻을 수 있는 레이저 가공 장치 및 이 레이저 가공 장치로 사용되는 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치를 제공한다.In the present invention, since a power balance device using a material having high transmittance for far-infrared light can be configured by a sub-wavelength grating structure, a laser processing device capable of preventing thermal lenses and obtaining high processing quality even in a high-power beam, and A power balance device for laser light used as the laser processing device is provided.
이하, 본 발명에 의한 레이저 가공 장치 및 이 레이저 가공 장치로 사용되는 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치를 각 실시형태에 따라 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 각 실시형태에 대해 기본적으로, 동일 또는 상당 부분은 동일 부호로 나타내고, 중복되는 설명은 생략한다.Hereinafter, a laser processing apparatus according to the present invention and a power balance apparatus for laser light used as the laser processing apparatus will be described with reference to drawings according to each embodiment. Incidentally, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals for each embodiment, and overlapping descriptions are omitted.
실시형태 1.Embodiment 1.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 의한 레이저 가공 장치의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.1 is a diagram showing an example of the configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
<레이저 가공 장치의 구성><Configuration of laser processing device>
레이저 가공 장치(100)는 분광부인 편광 빔 스플리터(7)에 의해서 1개의 레이저 광(2)을 2개의 분산 레이저 광(8A, 8B)으로 분광한다. 개략적으로, 2개의 분산 레이저 광(8A, 8B)은 각각 독립적으로 주사되는 것에 의해서, 최종적으로 fθ렌즈(11A, 11B)를 거쳐서, XY테이블(12A, 12B) 상의 2개의 피가공물(13A, 13B)을 동시에 타공 가공한다.The
피가공물(13A)에 대한 분산 레이저 광(8A)의 조사 위치를, 갈바노 스캐너(galvano scanner)(10Ax)가 X방향으로 이동시키고, 갈바노 스캐너(10Ay)는 Y방향으로 이동시킨다. 마찬가지로, 피가공물(13B)에 대한 분산 레이저 광(8B)의 조사 위치를, 갈바노 스캐너(10Bx)가 X방향으로 이동시키고, 갈바노 스캐너(10By)는 Y방향으로 이동시킨다. 또한, 상기 X방향, Y방향은 XY테이블과 마찬가지로, 피가공물(13A, 13B)의 평면 내의 서로 직교하는 좌표이며, 후술하는 편광 위상차 판(200)에서의 xyz 방향과는 다르다.The irradiation position of the
본 실시형태 1의 레이저 가공 장치(100)에는, 편광 빔 스플리터(7)보다 광로 상류에, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 배치하고 있다. 편광 위상차 판(200)은 회전 기구(220)에 의해 광축 회전으로 회전 가능하게 구성되어 있다.In the
<서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판><Sub-wavelength grid structure polarization phase difference plate>
원적외광을 투과할 수 있는 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)은, 예를 들면, 상기 특허문헌 4에도 나타나는 구조를 갖는다. 도 2는 도 1의 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)의 일례의 구성을 도시하는 사시도이다. 레이저 광이 입사되는 편광 위상차 판(200)은, 기판(202)과, 기판(202)의 한 쌍의 대향하는 주면 중 일방의 주면에, 기판(202)과 동일한 재료로 형성된 회절 격자(201)를 구비한다. 회절 격자(201)는 x, y방향을 기판면으로 하는, 서로 직교하는 방향을 나타내는 x, y, z방향 중 x방향과 평행하게 직선 형상으로 연장되는 복수의 볼록부(203)를, y방향을 따라 설정 주기(P)에 따른 설정 간격으로 정렬 형성하여 구성되어 있다.The polarization
이러한 회절 격자(201)를 향해 빛이 z방향을 따라 입사하였을 경우,When light is incident on the diffraction grating 201 along the z direction,
x방향의 편광 성분(TE편광)에 관한 유효 굴절률과,an effective refractive index for a polarization component (TE polarization) in the x direction,
y방향의 편광 성분(TM편광)에 관한 유효 굴절률이The effective refractive index for the polarization component in the y direction (TM polarization)
서로 다르게 되어, 이른바 구조성 복굴절이 발생한다. 그 결과, TE편광과 TM편광 사이에서 전반 속도 차가 생겨서, 이 전반 속도 차에 대응한 위상 차[위상 지연(retardation)]에 따라 타원 편광이 발생한다.Different from each other, so-called structural birefringence occurs. As a result, an overall velocity difference occurs between TE polarization and TM polarization, and elliptical polarization occurs according to a phase difference (phase retardation) corresponding to this overall velocity difference.
P<λ/n (1)P <λ / n (1)
P : 회절 격자의 주기(간격)P: Period of the diffraction grating (interval)
λ : 입사광의 파장λ: wavelength of incident light
n : 기판 재료의 굴절률 n: refractive index of the substrate material
상기 식 (1)을 충족하도록 하면, 수직 입사광에서도, 고차 회절광의 손실을 방지할 수 있는 것이 알려져 있다. 볼록부(203)의 단면 형상은, 그 저부로부터 정부(頂部)로 건너서 각도(α)의 테이퍼 형상(206)으로 형성되어 있다.It is known that if the above formula (1) is satisfied, even in vertical incident light, the loss of high-order diffracted light can be prevented. The cross-sectional shape of the
구체적으로는,Specifically,
기판(202)의 기판 재료는 황화 아연(ZnS)이고,The substrate material of the
볼록부(203)의 높이(H), 즉, 홈의 깊이는 4.01㎛,The height H of the
테이퍼 형상(206)의 경사 각도(α)는 22.2도,The inclination angle α of the
필링 팩터(f)는 0.468이고,The peeling factor (f) is 0.468,
위상 지연은 λ/8(=π/4)이다.The phase delay is λ / 8 (= π / 4).
또한, 필링 팩터(f)는 볼록부(203)의 높이(H)의 절반의 위치(H/2)에 있어서의, 볼록부(203)의 폭(W)의 주기(P)에 대한 비율, 즉, f=W/P의 값이다.In addition, the peeling factor f is the ratio of the width W of the width W of the
기판(202)의 회절 격자(201)가 없는 타방의 주면에는, 반사 방지막(207)을 입히고 있다. 반사 방지막(207)의 재료는 게르마늄이다.An
<발진기의 직선 편광><Linear polarization of the oscillator>
레이저 발진기(1)는 원적외광인 예를 들면, 직선 편광의 CO2 레이저 광으로 이루어지는 레이저 광(2)(λ=9.29㎛)을 펄스파로서 출사하는 레이저 장치이다. 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저 광(2)은, 1개 또는 복수의 반사 미러(6)를 거쳐서 서브 파장 격자 위상차 판인 편광 위상차 판(200)에 안내된다. 반사 미러(6)는, 레이저 광(2)이나 분산 레이저 광(8A, 8B)을 반사하여 광로 하류로 안내하는 미러이다. 반사 미러(6)는 레이저 가공 장치(100) 내의 광로 상의 여러 위치에 배치되어 있다.The laser oscillator 1 is a laser device that emits laser light 2 (λ = 9.29 µm) made of, for example, linearly polarized CO 2 laser light as a pulse wave. The
<편광 빔 스플리터><Polarizing beam splitter>
분광용 편광 빔 스플리터인 편광 빔 스플리터(7)는 빔 형상의 1개의 레이저 광(2)을 2개의 분산 레이저 광(8A, 8B)으로 분광하는 빔 스플리터 등의 편광자이다. 편광 빔 스플리터(7)는 레이저 광(2)의 P파 성분을 투과하고, S파 성분을 반사하는 성질을 갖고 있다.The polarization beam splitter 7, which is a polarization beam splitter for spectroscopy, is a polarizer such as a beam splitter that spectralizes one
<레이저 가공 장치의 동작><Operation of laser processing equipment>
다음에, 레이저 가공 장치(100)의 동작 처리 순서에 대해 설명한다. 레이저 발진기(1)로부터 안내되어 오는 편광 방위각(θ)의 레이저 광(2)은, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 투과 후, 빔 가변부(5)를 거쳐서 마스크(4)로 안내된다.Next, the operation processing procedure of the
마스크(4)에서는, 레이저 광(2)의 소망 부분만을 투과시키는 것에 의해, 레이저 광(2)을 레이저 가공에 적절한 빔 모드 형상으로 정형한다. 마스크(4)에서 정형된 레이저 광(2)은, 1개 또는 복수의 반사 미러(6)에서 반사되어 편광 빔 스플리터(7)로 안내된다.In the mask 4, the
편광 빔 스플리터(7)에서는, 레이저 광(2)의 P파 편광 성분이, 편광 빔 스플리터(7)를 투과하여 분산 레이저 광(8A)으로서 출사된다. 또한, 레이저 광(2)의 S파 편광 성분이, 편광 빔 스플리터(7)에서 반사되어 분산 레이저 광(8B)으로서 출사된다. 2개의 피가공물(13A, 13B)의 가공 구멍 품질에 격차가 생기지 않도록 하기 위해서는, 분산 레이저 광(8A)의 에너지와 분산 레이저 광(8B)의 에너지가 동일한 것이 필요하다.In the polarization beam splitter 7, the P-wave polarization component of the
<열 렌즈><Thermal lens>
열 렌즈 효과는, 편광자인 도 1의 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)의 기판 재료 내를 높은 파워의 레이저 광이 투과하였을 경우에, 기판 재료가 국소적으로 온도 상승하는 것에 의해 편광자의 굴절률 분포가 생기고, 이에 의해, 편광자가 렌즈의 작용을 하는 현상이다.The thermal lens effect is that when the high-power laser light passes through the substrate material of the polarization
또한, 예를 들면, 상기 특허문헌 1의 경우는, 편광 방위각 조정용 편광자에 대해 열 렌즈 효과가 파생한다.In addition, for example, in the case of Patent Document 1, a thermal lens effect is derived for a polarizer for polarization azimuth adjustment.
<열 렌즈의 가공에의 영향><Influence on processing of thermal lens>
도 6은 본 발명에 의한 편광 위상차 판(200)에 대응하는 종래의 편광자(17)를 투과하는 P파 성분을, 편광자(17)의 광로 하류에 안내하였을 경우의 열 렌즈 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 (a)에서는, 열 렌즈 현상이 발생하지 않은 경우의 레이저 빔 강도 분포를 나타내고 있다. 또한, 도 6의 (b)에서는, 열 렌즈 현상이 발생한 경우의 레이저 빔 강도 분포를 나타내고 있다.6 is a view for explaining a thermal lens phenomenon when the P-wave component passing through the
도 6의 (a)의 열 렌즈 현상이 발생하지 않은 경우, 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저 광은, 레이저 빔 강도 분포(A1)를 갖고 있다. 또한, 도 6의 (b)의 열 렌즈 현상이 발생하는 경우, 레이저 발진기(1)로부터 출사된 레이저 광은, 레이저 빔 강도 분포(B1)를 갖고 있다. 레이저 빔 강도 분포(B1)는, 레이저 빔 강도 분포(A1)와 동일한 강도 분포를 갖는다.When the thermal lens phenomenon of Fig. 6A does not occur, the laser light emitted from the laser oscillator 1 has a laser beam intensity distribution A1. Moreover, when the thermal lens phenomenon of 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.
그리고, 레이저 발진기(1)로부터의 레이저 광(2)은 편광자(17)를 투과한다. 여기서의 편광자(17)는, 예를 들면, 종래의 편광 방위각 조정 장치와 동일한 위치에 배치되어 있다. 이 때, 열 렌즈 현상이 발생하지 않으면, 레이저 빔 강도 분포(A1)의 레이저 광은, 편광자(17)를 투과하는 것에 의해, 레이저 빔 강도 분포(A2)의 레이저 광이 된다. 또한, 열 렌즈 현상이 발생하고 있으면, 레이저 빔 강도 분포(B1)의 레이저 광은, 편광자(17)를 투과하는 것에 의해, 레이저 빔 강도 분포(A2)와는 다른 레이저 빔 강도 분포(B2)의 레이저 광이 된다.Then, the
도 6의 (b)에 도시되는 바와 같이, 편광자(17)에 열 렌즈 현상이 발생하였을 경우는, 도 6의 (a)에 도시되는 바와 같이, 편광자(17)에 열 렌즈 현상이 발생하지 않은 경우와 비교해서, 마스크(4)에 있어서의 레이저 광의 빔 직경이 변해 버린다. 열 렌즈 현상의 정도는 편광자(17)에 입사되는 레이저 광의 파워에 의존하므로, 열 렌즈 현상이 발생하였을 경우와 발생하지 않은 경우에서, 마스크(4)를 투과하는 레이저 광의 빔 에너지가 변화한다. 이 때문에, 열 렌즈 현상이 발생하였을 경우와 발생하지 않은 경우에서, 도 1의 피가공물(13A, 13B)에 도달하는 레이저 광의 에너지에 격차가 생긴다. 구체적으로는, 열 렌즈 현상이 발생하지 않은 경우는, 레이저 빔 강도 분포(A3)의 레이저 광이 광로 하류로 안내된다. 또한, 열 렌즈 현상이 발생하는 경우는, 레이저 빔 강도 분포(A3)와는 다른 레이저 빔 강도 분포(B3)의 레이저 광이 광로 하류로 안내된다. 이 결과, 열 렌즈 현상이 발생하였을 경우와 발생하지 않은 경우에서, 피가공물의 가공 구멍의 품질에 차이가 생긴다.As shown in FIG. 6 (b), when a thermal lens phenomenon occurs in the
<TFP에 의한 흡수라고 하는 과제의 발굴. 투과형에서도 실시 가능><Excavation of a problem called absorption by TFP. It can also be implemented in transmissive type>
이 실시형태 1에 있어서도, 상기 특허문헌 1과 마찬가지로 편광 위상차 판(200)에 대해 레이저 광이 두께가 있는 기판을 투과하는 점은 동일하기 때문에, 기판의 직경 방향의 온도 구배에 의해, 마찬가지로 열 렌즈 현상이 발생한다고 생각할 수 있다.Also in this Embodiment 1, since the point which the laser beam transmits through the substrate with a thickness is the same with respect to the polarization
이에 대해서는, 본 발명에 따른 조사의 결과, 상기 특허문헌 1에 따른 편광 빔 스플리터에 사용되고 있는 TFP(박막 편광자)는, 실제로 사용되고 있는 것은, 두께 1㎛ 이상의 ThF4(불화 토륨)이 겹겹이 적층된 구조였다. 구체적으로는 ThF4(불화 토륨)의 층이 4층 이상으로 적층되어 있다. ThF4의 막 상태에서의 흡수 계수를 측정한 결과, 19[cm-1]이며, 모재인 ZnSe(셀렌화 아연)(5e-4[cm-1])의 38000배였다. ThF4의 막 두께의 합계가 5㎛정도, ZnSe의 기판 두께가 5㎜로 하였을 경우, ThF4가 38배나 레이저 광을 흡수하게 된다. TFP에서 흡수된 열은 박막 때문에, 직경 방향에의 열전도성이 나쁘고, 직경 방향의 온도차를 발생시킨다. 즉, TFP에서의 열의 흡수에 의한 영향이 지배적인 것을 알았다.In this regard, 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 in a structure in which ThF 4 (thorium fluoride) having a thickness of 1 µm or more is stacked in layers. It was. Specifically, a layer of ThF 4 (thorium fluoride) is stacked in four or more layers. When the absorption coefficient in the membrane state of ThF 4 was measured, it was 19 [cm -1 ], and it was 38000 times that of the base material ZnSe (zinc selenide) (5e- 4 [cm -1 ]). When the total thickness of ThF 4 is about 5 μm and the substrate thickness of ZnSe is 5 mm, ThF 4 absorbs the laser light 38 times. The heat absorbed by the TFP is poor in thermal conductivity in the radial direction because of the thin film, and causes a temperature difference in the radial direction. That is, it was found that the effect of heat absorption in the TFP is dominant.
<서브 파장 격자 구조의 작용과 효과><Operation and effect of sub-wavelength grating structure>
이에 대해서, 본 실시형태 1에서는, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 이용한 파워 밸런스 장치로 함으로써, 원적외광에 대해 투과율이 높은 기판 재료만으로 구성할 수 있어서, TFP를 배제할 수 있다. 이 결과, 열 렌즈 현상의 영향을 받지 않고, 안정된 가공 품질의 가공 구멍을 피가공물(13A, 13B)에 형성하는 것이 가능해진다.On the other hand, in the first embodiment, by setting the power balance device using a polarization
또한, 이 실시형태 1에서는, 도 2에 도시되는 편광 위상차 판(200)의 기판(202)의 모재, 즉, 재료에 ZnS(황화 아연)을 사용하고 있다. 적외 투과용 재료 중에서는, 굴절률의 작은 ZnS을 기판에 이용함으로써, 프레넬 반사(fresnel reflection)를 방지하고, YF3(불화 이트륨) 등의 흡수율이 높은 재료의 막을 격자 상에 마련하지 않아도, 흡수가 적은 ZnS 단일 재료로 파장판, 즉, 편광 위상차 판(200)을 구성할 수 있어서, 열 렌즈의 발생을 억제할 수 있다.Moreover, in this Embodiment 1, ZnS (zinc sulfide) is used for the base material of the
또한, ZnSe의 열전도율이 18[W/(mK)]인 것에 대해, ZnS의 열전도율이 27.2[W/(mK)]로 크기 때문에, 온도 분포가 생기기 어렵고, 열 렌즈의 발생을 억제된다.In addition, since the thermal conductivity of ZnSe is 18 [W / (mK)], the thermal conductivity of ZnS is 27.2 [W / (mK)], so temperature distribution is unlikely to occur and heat lens generation is suppressed.
일례로서, 레이저 가공 장치의 파워 밸런스 장치로서, 특허문헌 1에 기재된 종래의 편광 방위각 조정용 편광자를 이용한 편광 방위각 조정 장치를 설치한 경우와, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 이용한 파워 밸런스 장치를 설치한 경우에 있어서의, 열 렌즈 현상의 영향을 평가한 결과를 도 7에 나타낸다. 레이저 가공 장치의 파워 밸런스 장치는 실시형태 1과 동일한 위치에 배치되어 있다. 레이저 발진기(1)로부터의 레이저 광은, 파워 밸런스 장치를 투과 후, 빔 가변부(5)를 거쳐서, 마스크(4)에 의해 소망 부분만을 투과시킨 구성으로 되어 있다.As an example, as a power balance device of a laser processing device, when a polarization azimuth adjustment device using a conventional polarizer for polarization azimuth adjustment described in Patent Document 1 is provided, and power balance using a polarization
도 7의 (a)는 레이저 가공 장치의 파워 밸런스 장치로서, 특허문헌 1에 기재된 종래의 편광 방위각 조정 장치를 설치한 경우에 있어서의, 레이저 발진기의 펄스 발생의 주파수에 대한 피가공물에 도달하는 레이저 광의 에너지 강도의 변화율의 측정 결과이다. 횡축에 레이저 발진기의 펄스 발생의 주파수(펄스 주파수), 종축에 피가공물에 도달하는 레이저 광의 에너지 강도의 변화율(가공점 에너지 변화율)을 나타내고 있다.7 (a) is a power balance device of a laser processing device, and when a conventional polarization azimuth adjustment device described in Patent Literature 1 is provided, the laser reaches the workpiece with respect to the frequency of pulse generation of the laser oscillator. It is a result of measuring the rate of change of the energy intensity of light. The horizontal axis represents the frequency (pulse frequency) of pulse generation of the laser oscillator, and the vertical axis represents the rate of change of the energy intensity of the laser light reaching the workpiece (processing point energy change rate).
펄스 주파수가 높아질수록, 파워 밸런스 장치에 입사하는 레이저 광의 파워가 높아진다. 가공점 에너지 변화율은 펄스 주파수가 200 ㎐정도의 낮을 때의 가공점 에너지를 분모로 하고, 각 펄스 주파수에서의 가공점 에너지를 분자로 하여 제산(除算)한 값이다. 펄스 주파수가 낮을 때, 가공점 에너지 변화율은 작고, 펄스 주파수가 높아짐에 따라, 가공점 에너지 변화율은 커지고 있다. 이는 편광 방위각 조정 장치를 투과하는 레이저 광의 파워가 높아질수록, 열 렌즈 효과가 커져서, 마스크를 투과하는 레이저 광의 에너지 강도의 변화율이 커지는 것을 나타내고 있다.The higher the pulse frequency, the higher the power of the laser light incident on the power balance device. The rate of change in the processing point energy is a value obtained by dividing the processing point energy when the pulse frequency is low at about 200 kHz as a denominator and the processing point energy at each pulse frequency as a numerator. When the pulse frequency is low, the processing point energy change rate is small, and as the pulse frequency increases, the processing point energy change rate is increasing. This indicates that the higher the power of the laser light passing through the polarization azimuth adjusting device, the greater the effect of the thermal lens, and the greater the rate of change of the energy intensity of the laser light passing through the mask.
도 7의 (b)는 레이저 가공 장치의 파워 밸런스 장치로서, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 이용한 파워 밸런스 장치를 설치한 경우에 있어서의, 레이저 발진기의 펄스 발생의 주파수에 대한 피가공물에 도달하는 레이저 광의 에너지 강도의 변화율의 측정 결과이다. 펄스 주파수를 200 ㎐로부터 2400 ㎐까지 변화시켰을 때의 가공점 에너지 변화율의 변화 범위는, 종래의 편광 방위각 조정 장치를 설치한 경우는 약 7.5%, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 이용한 파워 밸런스 장치를 설치한 경우는 약 6%이며, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 이용한 파워 밸런스 장치를 레이저 가공 장치에 이용한 것에 의해, 열 렌즈의 발생이 억제된 것이 나타난다.Fig. 7 (b) is a power balance device of a laser processing device, and avoids the frequency of pulse generation of the laser oscillator when a power balance device using a polarization
도 7로부터, 펄스 주파수와 가공점 에너지 변화율에는 비례 관계가 나타나고, 레이저 발진기(1)로부터의 레이저 광의 펄스 주파수가 높을수록, 레이저 광의 파워가 높을수록, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 이용한 파워 밸런스 장치에 의한 열 렌즈의 억제의 효과가 커져서, 고출력 빔에서도 높은 가공 품질을 얻을 수 있다.From FIG. 7, a proportional relationship appears between the pulse frequency and the processing point energy change rate, and the higher the pulse frequency of the laser light from the laser oscillator 1 and the higher the power of the laser light, the polarization
<투과형 위상차 판 방식의 다른 메리트><Other advantages of the transmissive phase difference plate method>
상기 특허문헌 1은 편광 방위각 조정 장치의 광축 회전의 회전각에 의해서, 상기 특허문헌 3은 광축에 대한 반사면의 각도에 의해, 하류의 광축이 변화하지만, 본 실시형태 1의 구성에서는, 편광 위상차 판(200)의 편심이나 기울기에 의해, 투과하는 빛의 광축은 변화하지 않는다. 이 때문에, 정밀도가 낮은 회전 기구여도 좋고, 코스트를 저감할 수 있다.In Patent Document 1, the optical axis of the downstream changes depending on the rotation angle of the optical axis rotation of the polarization azimuth adjustment device, and in
<위상 지연을 π/2(90도) 미만으로 하는 효과, 서브 파장 격자 적용의 과제><Effects to make phase delay less than π / 2 (90 degrees), subject of sub-wavelength grating application>
상기 특허문헌 2의 위상차 판은 π, π/2의 예가 개시되고 있다. 서브 파장 격자 구조에서는 π나 π/2의 위상 지연을 얻기 위해서는, 얇고 깊은 고 애스펙트비(aspect ratio)의 미세 구조가 필요하기 때문에 가공이 어려운 문제가 있었다.Examples of π and π / 2 of the phase difference plate of
이하에 파워 밸런스 조정에 필요한 위상 지연을 계산한다.The phase delay required for power balance adjustment is calculated below.
도 1에 도시하는 편광 빔 스플리터(PBS)(7)의 9A, 9B로 나타낸 분리 방향을 방향 a, b로 하고,The separation directions indicated by 9A and 9B of the polarization beam splitter (PBS) 7 shown in FIG. 1 are directions a and b,
편광 빔 스플리터(7)에 입사하는 직선 편광의 빛의 편광 방위각을 θ,The polarization azimuth of the linearly polarized light incident on the polarization beam splitter 7 is θ,
편광 위상차 판(200)의 위상 지연을 φ,The phase delay of the polarization
도 2의 TM편광 방향인 진상축 각도를 ψ,2 is the TM polarization direction of the true axis angle ψ,
로 하면, 입사광(e0)은Let, be the incident light (e0)
<수 1><Wed 1>
로 나타난다. 입사광(e0)이 편광 위상차 판(200)을 통과한 후의 광(e1)은,Appears as The light e1 after the incident light e0 passes through the polarization
<수 2><
가 된다. 광(e1)은, 편광 빔 스플리터(7)에서 분리된다. 분리된 각 편광 성분(e1a, e1b)은Becomes The light e1 is separated from the polarizing beam splitter 7. Each separated polarization component (e1a, e1b)
<수 3><
이 된다.It becomes.
입사광의 파워에 대한 각 편광의 파워의 차이(ΔP)는,The difference in power of each polarization with respect to the power of the incident light (ΔP) is
<수 4><Wed 4>
이 된다.It becomes.
상기 식 (5)로부터, ψ를 바꾸는 것에 의한 ΔP의 조정 폭은 제 2 항이 고정값이고, 제 1 항의 cos(4ψ-2θ)가 -1로부터 1의 값을 취하기 때문에,From the equation (5), the adjustment width of ΔP by changing ψ is because the second term is a fixed value, and the cos (4ψ-2θ) of the first term is from -1 to 1,
<수 5><
이 된다.It becomes.
레이저 가공 장치의 파워 밸런스 조정으로서는 ±10% 정도의 조정 폭으로 충분하고, 상기 식 (5), (6)으로부터, 편광 위상차 판(200)에 필요한 위상 지연(φ)은As for the adjustment of the power balance of the laser processing apparatus, an adjustment width of about ± 10% is sufficient, and from the equations (5) and (6) above, the phase delay φ required for the polarization
φ>0.64rad=37도φ> 0.64rad = 37 degree
가 된다.Becomes
이와 같이, 파워 밸런스 장치에 한해서는 90도보다 훨씬 작은 위상 지연이여도 실용상 문제가 없고, 이에 의해, 편광 위상차 판(200)의 볼록부(203)의 높이(H)인 홈의 깊이를 얕게 할 수 있고, 제조가 가능해진다.As described above, the power balance device does not have a practical problem even with a phase delay much smaller than 90 degrees, thereby making the depth of the groove that is the height H of the
또한, 위상 지연(φ)이 작을수록, 회전시켰을 때의 조정 폭이 좁은, 즉, 회전각 위치 엇갈림에 대한 밸런스 변동이 작게 되므로, 회전 기구를 염가로 제조할 수 있는 메리트도 있다.In addition, the smaller the phase delay φ, the narrower the adjustment width when rotating, that is, the balance fluctuation with respect to the rotation angle position shift becomes small, so there are some advantages that the rotating mechanism can be manufactured at low cost.
또한, 실시형태 1에 있어서, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)과 회전 기구(220)가 레이저용의 파워 밸런스 장치를 구성한다.Moreover, in Embodiment 1, the polarization
실시형태 2.
도 3은 본 발명의 실시형태 2에 의한 레이저 가공 장치의 구성의 일례를 도시하는 도면이다. 도 4는 도 3의 레이저용의 파워 밸런스 장치(300)의 일례의 내부 구성을 도시하는 투시 측면도이다. 도 3의 본 실시형태 2의 레이저 가공 장치에서는, 도 1의 실시형태 1의 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)과 회전 기구(220)의 기능을 통합하여 포함한 레이저용의 파워 밸런스 장치(300)가 마련되어 있다. 레이저용의 파워 밸런스 장치(300)는 도 4에 도시되는 바와 같이, 미러인 구리 미러(210) 상에 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 격자 구조가 겉을 향하도록 중첩시켜서, 미러 홀더(214) 내에 수납하고, 또한 O링(211)을 미러 홀더(214)의 가압판(212)과 편광 위상차 판(200)의 표면 사이에 삽입하여 끼워넣도록 하여 고정하는 구조를 갖는다.3 is a diagram showing an example of the configuration of a laser processing apparatus according to
입사한 레이저 광(2)은 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 투과 하고, 구리 미러(210)의 표면에서 반사하고, 한번 더 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 투과한다. 이와 같이 편광 위상차 판(200)을 2회 투과하기 때문에, 편광 위상차 판(200)의 위상 지연은 절반이어도 좋다.The
또한, 미러 홀더(214)에는, 미러 홀더(214) 전체를 구리 미러(210)의 반사면의 법선 회전으로 회전시킬 수 있는 회전 기구(213)를 구비하고 있다.In addition, the
그 외의 기본적인 구성은 도 1의 상기 실시형태 1의 것과 동일하다.The other basic configuration is the same as that of the first embodiment in FIG. 1.
<미러와 파장판을 중첩한 효과><Effect of superimposing mirror and wave plate>
도 4와 같은 구성에 의해, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)의 배면과 구리 미러(210)의 반사면이 접하고 있기 때문에, 편광 위상차 판(200)에서 흡수된 열은 구리 미러(210) 방향으로 흐르고 편광 위상차 판(200)은 냉각된다. 열이 흐르는 방향이 직경 방향이 아닌 화살표(HE)로 나타내는 바와 같이 광축 방향이기 때문에, 직경 방향의 온도 구배의 발생을 억제할 수 있다. 결과, 열 렌즈의 발생을 방지할 수 있어서, 더욱 하이 파워인 레이저 가공이 가능해진다.4, since the back surface of the polarization
도 5는 도 3의 레이저용의 파워 밸런스 장치(300)의 다른 예를 도시하는 투시 측면도이다. 도 5에서는, 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)의 볼록부측이 구리 미러(210)의 면측을 향하고, 구리 미러(210) 상에 서브 파장 격자 구조의 편광 위상차 판(200)을 격자 구조와 반대의 주면이 겉을 향하도록 중첩시켜서 미러 홀더(214)에 수납되고 있다. 이 경우, 격자가 공기에 접하지 않기 때문에 먼지 등의 이물의 부착을 방지할 수 있다.5 is a perspective side view showing another example of the
이상, 본 발명에 의하면, 서브 파장 격자 구조에 의해, 원적외광에 대해 투과율이 높은 재료를 이용한 파워 밸런스 장치, 레이저 가공 장치를 구성할 수 있기 때문에, 열 렌즈를 방지하여, 고출력 빔에서도 높은 가공 품질을 얻을 수 있다.As described above, according to the present invention, since a sub-wavelength grating structure can constitute a power balance device and a laser processing device using a material having high transmittance to far-infrared light, a thermal lens is prevented and high processing quality is achieved even at a high output beam. Can get
또한, 편광 위상차 판의 위상 지연을 π/2 미만으로 한 것에 의해, 편광 위상차 판의 격자의 애스펙트비가 작아져서, 제조가 용이해진다.In addition, by setting the phase delay of the polarization phase difference plate to less than π / 2, the aspect ratio of the grating of the polarization phase difference plate becomes small, and manufacturing becomes easy.
또한, 편광 위상차 판의 재료를 ZnS로 했으므로, 열 렌즈의 발생을 방지할 수 있다.In addition, since the material of the polarization phase difference plate is ZnS, generation of a thermal lens can be prevented.
또한, 편광 위상차 판에 미러를 중첩함으로써, 편광 위상차 판 배면을 미러와 접촉시켜 냉각할 수 있기 때문에, 열 렌즈의 발생을 방지할 수 있고, 또한 편광 위상차 판(200)의 위상 지연은 절반이어도 좋다.Further, by superimposing the mirror on the polarization retardation plate, the back surface of the polarization retardation plate can be cooled by contacting with the mirror, so that the generation of thermal lenses can be prevented, and the phase delay of the
또한 본 발명에 의한 레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치, 레이저 가공 장치는, 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다.The power balance device and laser processing device for laser light according to the present invention are not limited to the above-described embodiments.
본 발명에 의한 파워 밸런스 장치, 레이저 가공 장치는 많은 분야의 레이저 가공에 적용 가능하다.The power balance device and the laser processing device according to the present invention are applicable to laser processing in many fields.
1 : 레이저 발진기 2 : 레이저 광
4 : 마스크 5 : 빔 가변부
6 : 반사 미러 7 : 편광 빔 스플리터
8A, 8B : 분산 레이저 광
10Ax, 10Ay, 10Bx, 10By : 갈바노 스캐너 11A, 11B : fθ렌즈
12A, 12B : XY테이블 13A, 13B : 피가공물
17 : 편광자 100 : 레이저 가공 장치
200 : 편광 위상차 판 201 : 회절 격자
202 : 기판 203 : 볼록부
206 : 테이퍼 형상 207 : 반사 방지막
210 : 구리 미러 211 : O링
212 : 가압판 213 : 회전 기구
214 : 미러 홀더 220 : 회전 기구
300 : 파워 밸런스 장치1: laser oscillator 2: laser light
4: Mask 5: Beam variable part
6: Reflective mirror 7: Polarized beam splitter
8A, 8B: Dispersive laser light
10Ax, 10Ay, 10Bx, 10By:
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
206: taper shape 207: anti-reflection film
210: copper mirror 211: O-ring
212: pressure plate 213: rotating mechanism
214: mirror holder 220: rotating mechanism
300: power balance device
Claims (9)
상기 편광 위상차 판을 회전시키는 회전 기구와,
상기 편광 위상차 판의 주면에 접촉하여 중첩된 미러를 구비하는
레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치.A diffraction grating in which a plurality of convex portions made of the same material as the substrate material extend in a straight line in parallel with each other at a set period P is formed on the main surface side of one of the opposing pair of main surfaces, and the structure of the diffraction grating is formed. A polarization phase difference plate in which a laser light of far infrared rays is incident, formed using birefringence, wherein the period (P) of the diffraction grating is P <λ / n (λ is the wavelength of the incident light, n is the refractive index of the substrate material) The polarization retardation plate, and
And a rotating mechanism for rotating the polarization phase difference plate,
It is provided with an overlapping mirror in contact with the main surface of the polarization retardation plate
Power balance device for laser light.
상기 편광 위상차 판의 위상 지연이 π/2 미만인
레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치.According to claim 1,
The phase retardation of the polarization retardation plate is less than π / 2
Power balance device for laser light.
상기 편광 위상차 판의 재료가 ZnS로 이루어지는
레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치.According to claim 1,
The material of the polarization phase difference plate is made of ZnS
Power balance device for laser light.
상기 편광 위상차 판의 재료가 ZnS로 이루어지는
레이저 광을 위한 파워 밸런스 장치.According to claim 2,
The material of the polarization phase difference plate is made of ZnS
Power balance device for laser light.
상기 파워 밸런스 장치의 편광 위상차 판에 대해서 상기 레이저 광을 발생하는 레이저 발진기와,
상기 편광 위상차 판으로부터 피가공물까지의 광로 상에서, 상기 레이저 광을 2개의 레이저 광으로 분광하는 분광부를 구비하는
레이저 가공 장치.
A power balance device for the laser light according to any one of claims 1 to 4,
A laser oscillator generating the laser light with respect to the polarization phase difference plate of the power balance device,
On the optical path from the polarization retardation plate to the workpiece, a spectroscopic unit for spectralizing the laser light with two laser lights is provided.
Laser processing equipment.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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