KR102528248B1 - 파장 변환 레이저 장치 및 파장 변환 레이저 가공기 - Google Patents

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Abstract

종래의 파장 변환 장치의 문제점이었던, 레이저광의 펄스 주파수를 변화시키면 파장 변환한 후의 평균 출력이 변화하여, 비선형 매질로부터 출사되는 레이저광의 각도가 변화한다고 하는 점을 해소하여, 레이저광(3)을 발생시키는 펄스 레이저 광원(1)과, 펄스 주파수를 제어하는 펄스 주파수 제어 수단(2)과, 레이저광(3)의 일부를 레이저광(9)으로 파장 변환하는 비선형 매질(8)과, 레이저광(3)을 집광하는 집광 렌즈(7)와, 레이저광(9)의 확산각을 조정하는 콜리메이트용 렌즈(10)와, 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 레이저광(9)이 입사됨과 아울러, 투과하여 출사되는 평행 평면판(13)과, 평행 평면판(13)으로 입사되는 레이저광(9)의 입사 각도를 제어하는 각도 조정 기구(14)를 구비한다.

Description

파장 변환 레이저 장치 및 파장 변환 레이저 가공기
이 개시는 비선형 매질을 이용하여 레이저광을 상이한 파장으로 변환하는 파장 변환 레이저 장치 및 파장 변환 레이저 가공기에 관한 것이다.
레이저광을 비선형 매질에 입사시킴으로써, 입사된 레이저광의 파장과 상이한 파장을 가지는 레이저광을 출사하는 파장 변환 레이저 장치가 알려져 있다. 이 파장 변환 레이저 장치는, 기본파인 레이저광을 제1 비선형 매질에 입사시킴으로써, 기본파의 절반의 파장을 가지는 제2 고조파를 발생시키고, 또한 기본파와 제2 고조파를 제2 비선형 매질에 입사시킴으로써, 기본파의 3분의 1의 파장을 가지는 제3 고조파를 발생시킨다. 파장 변환을 시키기 위한 고체 모양의 비선형 매질을 파장 변환 결정이라고 한다. 비선형 매질의 내부에 있어서, 파장 변환하기 전의 레이저광의 파수 벡터의 합과, 파장 변환한 후의 레이저광의 파수 벡터가 일치할 때, 강한 파장 변환이 발생한다. 제3 고조파의 발생에서는 다음 식을 만족하는 경우에, 가장 강한 제3 고조파가 얻어진다.
[수 1]
Figure 112022091157832-pct00001
kω, k2ω, k3ω는 각각 기본파, 제2 고조파, 제3 고조파의 파수 벡터이다. 이 조건은 위상 정합 조건이라고 불린다. 파수 벡터의 방향은 레이저광의 등(等)위상면에 수직인 방향이고, 통상은 레이저광의 진행 방향이다. 또, 파수 벡터의 크기는 다음 식으로 나타내진다.
[수 2]
Figure 112022091157832-pct00002
k는 파수 벡터의 크기, n은 비선형 매질의 굴절률, λ는 레이저광의 파장이다. 비선형 매질의 굴절률 n은 비선형 매질의 온도에 의존하기 때문에, 비선형 매질의 온도에 의해 파수 벡터가 변화한다. 그 때문에, 위상 정합 조건을 만족하기 위해서는 비선형 매질의 온도를 제어할 필요가 있다.
파장 변환 레이저 장치는 미세 가공용의 광원으로서 사용된다. 가공 속도를 올리기 위해서, 가공의 도중에 레이저광의 펄스 주파수를 변경하는 경우가 있고, 기본파의 펄스 주파수를 바꾸면, 제3 고조파의 펄스 주파수도 변화한다. 파장 변환의 변환 효율은, 비선형 매질에 입사되는 레이저광의 펄스 에너지에 의존한다. 기본파의 평균 출력이 일정한 경우, 펄스 주파수를 올리면, 1개의 펄스에 포함되는 펄스 에너지는 낮아지므로, 파장 변환한 후의 레이저광의 평균 출력은 낮아진다.
고출력의 레이저 장치에서는, 레이저 장치를 구성하는 광학 부품이나 광학 부품을 고정하는 홀더가 레이저광을 흡수하여 발열하고, 이 발열에 의해 레이저광의 광축이 변화하는 경우가 있다. 레이저광의 광축 변화를 억제하기 위해서, 액츄에이터를 탑재한 각도 조정 가능한 홀더를 이용한 레이저 장치가 개시되어 있다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2014-170839호 공보(제12페이지, 제2도)
비선형 매질에 레이저광의 흡수가 있는 경우, 레이저광의 펄스 주파수를 변경하면, 파장 변환한 후의 평균 출력이 변화하여, 비선형 매질에서 흡수하는 열량이 변화하기 때문에, 비선형 매질의 온도가 변화한다. 비선형 매질의 온도가 변화하면, 온도 변화에 따라서 비선형 매질의 굴절률이 변화하여, 파수 벡터가 변화한다. 그 결과, 위상 정합 조건을 만족하는 레이저광의 진행 방향이 변화하여, 비선형 매질로부터 출사되는 레이저광의 출사 각도가 변화한다. 비선형 매질로부터 출사되는 레이저광의 출사 각도의 변화는, 비선형 매질의 온도 변화에 의존하기 때문에, 순간의 변화가 아니라, 수초부터 수십초 정도의 시간을 필요로 한다. 그 때문에, 종래의 레이저 장치에서 개시되어 있는 것 같은 액츄에이터를 탑재한 각도 조정 가능한 홀더를 이용하여, 레이저광의 각도 조정을 행하기 위해서는, 1개의 각도 조정 가능한 홀더로는 대응하지 못하여, 2개 이상의 각도 조정 가능한 홀더가 필요하여, 레이저 장치의 대형화나 고비용화를 초래한다고 하는 문제점이 있다.
이 개시는 상술한 것 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 레이저광의 펄스 주파수를 변경함으로써 파장 변환한 후의 레이저광의 출력 변화에 대응할 수 있어, 1축의 광축 조정 기구만으로 레이저광의 광축 변화를 억제 가능한 파장 변환 레이저 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
이 개시에 따른 파장 변환 레이저 장치는, 제1 레이저광을 발생시키는 펄스 레이저 광원과, 펄스 레이저 광원이 펄스 발진하는 제1 레이저광의 펄스 주파수를 제어하는 펄스 주파수 제어 수단과, 제1 레이저광의 일부를 제2 레이저광으로 파장 변환하는 비선형 매질과, 제1 레이저광을 집광하는 집광 렌즈와, 제2 레이저광의 확산각을 조정하는 콜리메이트용 렌즈와, 콜리메이트용 렌즈를 통과한 제2 레이저광이 입사됨과 아울러, 투과하여 출사되는 평행 평면판과, 평행 평면판으로 입사되는 제2 레이저광의 입사 각도를 제어하는 각도 조정 기구를 구비한다.
이 개시는 비선형 매질의 온도 변화에 따라서 발생하는 비선형 매질로부터 출사되는 레이저광의 출사 각도의 변화를, 콜리메이트용 렌즈에 의해 광축의 평행 이동으로 변환한다. 또한, 평행 이동한 레이저광의 광축을, 각도 조정 기구에 의해 각도 조정된 평행 평면판에 의한 광축 이동으로 보정한다. 그 결과, 펄스 주파수 제어 수단에 의해 펄스 레이저 광원의 펄스 주파수를 변경해도, 비선형 매질로부터 출사되는 레이저광의 광축 이동의 양을 억제할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 파장 변환 레이저 장치의 구성도이다.
도 2는 이 개시의 실시예 1을 나타내는 펄스 레이저 광원의 구성도이다.
도 3은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 펄스 레이저 광원의 다른 형태의 구성도이다.
도 4는 이 개시의 실시예 1을 나타내는 제3 고조파 발생 결정의 내부를 각 레이저광이 진행하는 광로도이다.
도 5는 이 개시의 실시예 1을 나타내는 평행 평면판을 투과하는 것에 따른 제3 고조파의 광축 이동을 나타내는 설명도이다.
도 6은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 콜리메이트용 렌즈에 의한 제3 고조파 발생 결정을 통과한 후의 제3 고조파의 광축 이동을 나타내는 설명도이다.
도 7은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 펄스 주파수를 변경했을 때의 제3 고조파의 광축의 시간 변화의 측정 결과이다.
도 8은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 평행 평면판의 각도 조정에 의한 제3 고조파의 광축 변화의 보정을 나타내는 설명도이다.
도 9는 이 개시의 실시예 1을 나타내는 펄스 주파수를 변경한 후의 평행 평면판에 의한 광축의 평행 이동량의 경시 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 콜리메이트용 렌즈를 통과한 후에 발생하는 제3 고조파의 광축 이동을 평행 평면판의 각도 조정으로 보정하는 경우의 보정량의 계산 결과이다.
도 11은 이 개시의 실시예 2를 나타내는 파장 변환 레이저 장치의 구성도이다.
도 12는 이 개시의 실시예 2를 나타내는 평행 이동 기구의 평행 이동에 의한 제3 고조파의 광축 변화의 보정을 나타내는 설명도이다.
도 13은 이 개시의 실시예 3을 나타내는 파장 변환 레이저 장치의 구성도이다.
도 14는 이 개시의 실시예 3을 나타내는 프리즘에 의해 빔 지름이 확대되는 모습을 나타내는 설명도이다.
도 15는 이 개시의 실시예 3을 나타내는 평행 이동 기구의 평행 이동에 의한 제3 고조파의 광축 변화의 보정을 나타내는 설명도이다.
도 16은 이 개시의 실시예 4를 나타내는 파장 변환 레이저 가공기의 구성도이다.
도 17은 이 개시의 실시예 4를 나타내는 마스크를 통과하기 직전의 레이저광의 강도 분포이다.
도 18은 이 개시의 실시예 4를 나타내는 파장 변환 레이저 장치를 구동하는 펄스 주파수를 변경하기 전의 마스크를 통과한 후의 레이저광의 강도 분포이다.
도 19는 이 개시의 실시예 4를 나타내는 마스크를 통과한 후의 레이저광의 광축이 마스크의 중심 위치로부터 어긋났을 경우의 레이저광의 강도 분포이다.
도 20은 이 개시의 실시예 4를 나타내는 파장 변환 레이저 장치를 구동하는 펄스 주파수를 변경한 후의 마스크를 통과한 후의 레이저광의 강도 분포이다.
실시예 1.
도 1은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 파장 변환 레이저 장치의 구성도이다. 도 1에 나타내는 파장 변환 레이저 장치(50)는, 펄스 레이저 광원(1)과, 펄스 주파수 제어 수단(2)과, 집광 렌즈(4)와, 비선형 매질인 제2 고조파 발생 결정(5)과, 집광 렌즈(7)와, 비선형 매질인 제3 고조파 발생 결정(8)과, 콜리메이트용 렌즈(10)와, 평행 평면판(13)과, 평행 평면판의 각도 조정 기구(14)를 구비한다. 펄스 레이저 광원(1)은 제1 레이저광인 기본파가 되는 레이저광(3)을 출력한다. 펄스 발진하는 펄스 레이저 광원(1)의 펄스 주파수는, 펄스 주파수 제어 수단(2)에 의해 변경 가능하다. 펄스 레이저 광원(1)으로부터 출력되는 레이저광(3)은, 싱글 모드이다.
도 2는 이 개시의 실시예 1을 나타내는 펄스 레이저 광원의 구성도이다. 도 2에 나타내는 펄스 레이저 광원(1)은 Q 스위치 레이저이다. 펄스 레이저 광원(1)은 레이저광(110)을 전(全)반사하는 고반사 미러(101)와, 레이저광(110) 중 일부를 반사하고, 나머지를 투과하는 부분 반사 미러(102)를 구비한다. 고반사 미러(101)와 부분 반사 미러(102)의 사이에는, 레이저 매질(103), 여기광 결합 미러(104), 음향 광학 소자(105)가 배치되어 있다. 반도체 레이저인 광원(106)에서 발생하여, 광 파이버(107)를 통과하여 출력된 여기광(108)은, 여기 광학계(109)와 여기광 결합 미러(104)를 통과하여 레이저 매질(103)을 조사한다.
레이저 매질(103)은 여기광(108)을 흡수하여, 기본파의 파장인 자연 방출광을 발생시킨다. 자연 방출광은 고반사 미러(101)와 부분 반사 미러(102)의 사이에 왕복하고, 레이저 매질(103)을 통과할 때 증폭됨으로써 발진하고, 고반사 미러(101)와 부분 반사 미러(102)의 사이에는, 기본파의 파장인 레이저광(110)이 생성된다. 레이저광(110)이 부분 반사 미러(102)에 입사되면, 그 일부는 기본파가 되는 레이저광(3)으로서 취출된다. 광원(106)의 파장은 808nm나 879nm나 888nm이고, 레이저광(3)의 파장은 1064nm이다.
레이저 매질(103)은 결정, 유리, 또는 세라믹스에 희토류 원소나 티탄이 첨가된 고체 모양의 레이저 매질이다. 레이저 매질(103)을 구성하는 레이저 결정은, YAG(Yttrium Aluminum Garnet), YVO4(Yttrium Vanadate), GdVO4(Gadolinium Vanadate), 사파이어(Al2O3), KGW(칼륨 가돌리늄텅스텐), 또는 KYW(칼륨 이트륨텅스텐)이다. 희토류 원소는 Nd(네오디뮴), Yb(이테르븀), Er(에르븀), Ho(홀뮴), Tm(툴륨), 또는 Pr(프라세오디뮴)이다.
음향 광학 소자(105)는 RF 드라이버(112)가 출력하는 RF 신호를 받아, RF 신호가 입력되고 있을 때와 RF 신호가 입력되어 있지 않을 때에서, 레이저광(110)의 광축을 변화시킨다. 음향 광학 소자(105)에 입력하는 RF 신호를 온으로 함으로써 광축이 변화한 레이저광(110)은, 고반사 미러(101)와 부분 반사 미러(102)의 사이를 왕복할 수 없기 때문에, 발진이 정지된다. 발진이 정지되어 있는 동안도, 레이저 매질(103)은 여기광(108)을 흡수하고, 흡수함으로써 에너지를 축적한다. 레이저 매질(103)에 여기광(108)에 의한 에너지가 축적된 상태에서, 음향 광학 소자(105)에 입력하는 RF 신호를 오프로 하여, 고반사 미러(101)와 부분 반사 미러(102)의 사이에 재차 발진시킴으로써, 축적된 에너지가 단번에 방출되어, 고강도의 레이저광(3)이 출력된다.
펄스 발생 장치(113)는 RF 드라이버(112)가 출력하는 RF 신호의 온과 오프의 타이밍을 제어함으로써, 레이저광(3)의 펄스 주파수를 제어한다. 레이저광(3)의 펄스 주파수는, 수십 kHz부터 수백 kHz이며, 펄스의 폭은 수ns부터 수백ns이다. 이러한 Q 스위치 레이저에서는, 펄스 주파수의 역수로 나타내지는 펄스 간격 시간이 레이저 매질(103)의 상준위 수명보다도 짧으면, 레이저광(3)의 평균 출력은 여기광(108)의 출력으로 정해지기 때문에, 여기광(108)의 출력이 거의 일정한 경우, 레이저광(3)의 펄스 주파수가 변화해도 레이저광(3)의 평균 출력의 변화는 작다. 즉, Q 스위치 레이저인 펄스 레이저 광원(1)은, 펄스 주파수를 변경해도, 거의 일정한 평균 출력의 레이저광(3)을 취출하는 것이 가능하다.
도 3은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 펄스 레이저 광원의 다른 형태의 구성도이다. 펄스 레이저 광원(200)은 반도체 레이저(201)과, 광원(205)과, 광 파이버 증폭기(206)와, 고체 증폭기(220)를 구비한다. 반도체 레이저(201)는 InGaAs의 반도체 레이저이다. 반도체 레이저(201)는 구동 전원(202)에 의해 펄스 구동하여, 미약한 레이저광인 종광(種光) La을 발생시킨다. 구동 전원(202)은 반도체 레이저(201)에 전류를 흘리고, 흘리는 전류의 펄스 주파수를 변경함으로써, 종광 La의 펄스 주파수를 제어할 수 있다. 종광 La의 펄스의 폭은 10ps부터 100ns 정도이고, 평균 출력은 펄스 주파수에 거의 비례하여, 100nW부터 10mW정도이다.
반도체 레이저(201)는 광 파이버(203)와 결합하고 있고, 종광 La는 광 파이버(203)의 내부를 전파한다. 결합기(204)는 광원(205)으로부터 발사된 여기광 Le와 종광 La을 같은 축으로 결합시켜, 광 파이버 증폭기(206)로 안내한다. 광 파이버 증폭기(206)는 광원(205)으로부터 발사된 여기광 Le을 흡수하여, 종광 La을 10배부터 1000배로 증폭하고, 증폭광 Lb로서 단면(207)으로부터 출사시킨다. 광 파이버 증폭기(206)는 Yb(이테르븀), Er(에르븀), Ho(홀뮴), Tm(툴륨), 또는 Pr(프라세오디뮴)과 같은 희토류가 첨가된 광 파이버이다.
증폭광 Lb의 평균 출력은 1μW부터 10W 정도이다. 증폭광 Lb는 고체 모양의 레이저 매질을 가지는 고체 증폭기(220)에 의해 증폭되어, 증폭광 Lc로서 고체 증폭기(220)로부터 출사된다. 이 개시에서는, 증폭광 Lc가 기본파의 레이저광(3)이 된다. 고체 증폭기(220)는 레이저 매질(803)과 여기광 결합 미러(804)와 광원(806)과 광 파이버(807)를 가지고, 광원(806)에서 발생하여, 광 파이버(807)를 통과하여 출사된 여기광(808)은, 여기 광학계(809)와 여기광 결합 미러(804)를 투과하여 레이저 매질(803)에 흡수된다. 여기광(808)을 흡수한 레이저 매질(803)은 증폭광 Lb를 포화 증폭시킨다. 포화 증폭된 증폭광 Lb는, 여기광 결합 미러(804)에서 반사되어, 증폭광 Lc로서 출사된다. 고체 증폭기(220)는 증폭광 Lb를 포화 증폭시키기 때문에, 증폭광 Lb의 평균 출력이 변동해도 증폭광 Lc의 평균 출력은 거의 일정하다. 증폭광 Lc의 평균 출력은 1W부터 수백W 정도이고, 종광 La의 평균 출력에 비해 높다. 그 때문에, 구동 전원(202)에 의해 종광 La의 펄스 주파수가 변경되어, 종광 La의 평균 출력이 변화해도 증폭광 Lc의 평균 출력은 실질적으로 변화하지 않기 때문에, 거의 일정한 평균 출력의 기본파의 증폭광 Lc를 취출할 수 있다.
도 1에 나타내는 것처럼, 펄스 레이저 광원(1)으로부터 출사된 기본파의 레이저광(3)은, 집광 렌즈(4)에 의해 제2 고조파 발생 결정(5)에 집광된다. 제2 고조파 발생 결정(5)은 레이저광(3)의 일부를 레이저광(3)의 절반의 파장을 가지는 제2 고조파(6)로 변환한다. 제2 고조파(6)와, 제2 고조파(6)로 변환되지 않고 남은 레이저광(3)은, 집광 렌즈(7)에 의해 제3 고조파 발생 결정(8)의 표면을 포함하는 내부에 집광된다. 제3 고조파 발생 결정(8)은 제2 고조파(6)와 레이저광(3)에 의해, 제2 레이저광인 레이저광(3)의 3분의 1의 파장을 가지는 제3 고조파(9)를 발생시킨다. 제2 고조파 발생 결정(5)과 제3 고조파 발생 결정(8)은, LBO 결정(LiB3O5), KTP 결정(KTiPO4), BBO 결정(β－BaB2O4), CBO 결정(CsB3O5), CLBO 결정(CsLiB6O10), 등의 비선형 매질이다. 이와 같이, 비선형 매질을 이용하여, 기본파인 레이저광(3)과는 상이한 파장의 레이저광을 발생시키는 방법을 파장 변환이라고 말하고, 이 때에 이용되는 비선형 매질을 파장 변환 결정이라고 말한다. 도 1에 나타내는 것처럼, 기본파인 레이저광(3)의 3분의 1의 파장을 가지는 레이저광을 발생시키는 과정은, 제3 고조파 발생이라고 불린다.
제3 고조파 발생 결정(8)에 입사되는 레이저광(3)이나 제2 고조파(6)와, 제3 고조파 발생 결정(8)에서 발생하는 제3 고조파(9)의 파수 벡터를 각각 kω, k2ω, k3ω라고 하면, 제3 고조파 발생에 있어서의 위상 부정합 Δk는 다음 식으로 나타내지고, 위상 부정합 Δk가 작아질 때, 강한 제3 고조파(9)가 얻어진다.
[수 3]
Figure 112022091157832-pct00003
파수 벡터 kω, k2ω, k3ω의 크기는, 기본파인 레이저광(3)의 파장 λ를 이용하여, 각각 다음 식으로 나타내진다.
[수 4]
Figure 112022091157832-pct00004
[수 5]
Figure 112022091157832-pct00005
[수 6]
Figure 112022091157832-pct00006
n1, n2, n3은 각각 레이저광(3), 제2 고조파(6), 제3 고조파(9)에 있어서의 제3 고조파 발생 결정(8)의 굴절률이다.
제2 고조파 발생 결정(5)과 제3 고조파 발생 결정(8)의 굴절률은, 결정의 온도에도 의존한다. 온도 제어기(16)와 온도 제어기(17)는 통상, 위상 부정합 Δk를 작게 하고, 제3 고조파(9)의 평균 출력이 가장 높아지도록, 제2 고조파 발생 결정(5)과 제3 고조파 발생 결정(8)의 온도를 제어한다.
파장 변환의 변환 효율은, 변환되는 레이저광의 피크 강도에 의존하여, 변환되는 레이저광의 피크 강도가 높을수록 변환 효율은 높아진다. 기본파인 레이저광(3)과 제2 고조파(6)는, 집광 렌즈(4)나 집광 렌즈(7)에서 집광됨으로써, 고강도로 제2 고조파 발생 결정(5)이나 제3 고조파 발생 결정(8)에 입사되고, 그 결과, 효율이 높은 파장 변환이 가능해진다. 또, 레이저광(3)은 펄스 발진하기 때문에, 같은 평균 출력을 가지는 연속파 발진의 레이저광보다도 높은 피크 강도를 가지기 때문에, 효율이 높은 파장 변환이 가능해진다.
강한 제3 고조파(9)를 얻으려면, 위상 부정합 Δk가 작아지면 좋기 때문에, 제3 고조파 발생 결정(8)에 입사되는 레이저광(3)이나 제2 고조파(6)와, 제3 고조파 발생 결정(8)에서 발생하는 제3 고조파(9)의 파수 벡터 kω, k2ω, k3ω가 반드시 같은 방향일 필요는 없다. 도 4는 이 개시의 실시예 1을 나타내는 제3 고조파 발생 결정의 내부를 각 레이저광이 진행하는 광로도이다. 레이저광(3)과 제2 고조파(6)와 제3 고조파(9)의 진행 방향이, 각각 파수 벡터 kω, k2ω, k3ω의 방향이다. 도 4에 나타내는 것처럼, 레이저광(3)과 제2 고조파(6)가 같은 축에서 제3 고조파 발생 결정(8)에 입사되지만, 레이저광(3)과 제2 고조파(6)에서는, 파장이나 편광 상태가 상이하기 때문에, 제3 고조파 발생 결정(8)의 내부에서는 상이한 굴절률로 진행한다. 그 결과, 제3 고조파 발생 결정(8)의 내부에서는, 파수 벡터 kω와 k2ω의 방향이 다르다.
위상 부정합 Δk가 가장 작아지는, 즉, 제로가 될 때, 식 3은 다음 식으로 나타내지고, 제3 고조파(9)의 파수 벡터 k3ω는, 레이저광(3)의 파수 벡터 kω와 제2 고조파(6)의 파수 벡터 k2ω의 사이의 방향이 된다.
[수 7]
Figure 112022091157832-pct00007
레이저광(3)과 제2 고조파(6)는 집광 렌즈(7)에 의해 제3 고조파 발생 결정(8)의 내부에 집광되기 때문에, 발생한 제3 고조파(9)는 제3 고조파 발생 결정(8) 상에서 빔 웨이스트를 가져, 제3 고조파 발생 결정(8)으로부터 출사된 후는, 제3 고조파(9)는 확산각이 발산하도록 진행한다. 콜리메이트용 렌즈(10)는 발산한 제3 고조파(9)의 확산각을 평행하게 하기 위한 렌즈로서, 그 초점 위치가 제3 고조파 발생 결정(8)의 표면을 포함하는 내부에 위치하도록 배치된다. 콜리메이트용 렌즈(10)는 광축 둘레로 회전 대칭성이 있는 평볼록 형상의 구면 혹은 비구면의 렌즈이다.
혹은 콜리메이트용 렌즈(10)는, 곡율의 방향이 서로 직교하는 2개의 평볼록 형상의 실린드리컬 렌즈이다. 2개의 실린드리컬 렌즈의 초점 거리는 서로 다르며, 실린드리컬 렌즈의 각각의 곡율의 방향에 있어서 제3 고조파(9)의 확산각이 평행하게 되도록, 2개의 실린드리컬 렌즈의 초점 위치를 제3 고조파 발생 결정(8)의 표면을 포함하는 내부에 위치하도록 배치해도 된다. 이 경우, 제3 고조파 발생 결정(8)으로부터 출사된 제3 고조파(9)의 발산각이 실린드리컬 렌즈의 각각의 곡율의 방향에서 다르더라도, 적절한 초점 거리의 실린드리컬 렌즈를 선택함으로써, 2개의 실린드리컬 렌즈로부터 출사된 제3 고조파(9)는 평행하고 또한 진원도가 높은 빔 형상으로 하는 것이 가능해진다.
제3 고조파(9)와, 제3 고조파 발생 결정(8)에서 파장 변환되지 않고 남은 레이저광(3)과 제2 고조파(6)는, 파장 분리 미러(11)에 의해 분리된다. 도 1에 나타내는 것처럼, 제3 고조파(9)는 파장 분리 미러(11)를 투과하고, 파장 변환되지 않고 남은 레이저광(3)과 제2 고조파(6)는 파장 분리 미러(11)에서 반사된다. 또, 도시하지 않지만, 제3 고조파(9)가 파장 분리 미러(11)에서 반사되고, 파장 변환되지 않고 남은 레이저광(3)과 제2 고조파(6)가 파장 분리 미러(11)를 투과하여도 된다.
파장 분리 미러(11)에 의해 제3 고조파(9)로부터 분리된 파장 변환되지 않고 남은 레이저광(3)과 제2 고조파(6)는 댐퍼(12)에서 받아들여져, 댐퍼(12)에서 흡수된다. 도 1에서는, 파장 분리 미러(11)를, 파장 변환되지 않고 남은 레이저광(3)과 제2 고조파(6)가 콜리메이트용 렌즈(10)를 투과한 후에 배치하고 있지만, 제3 고조파 발생 결정(8)과 콜리메이트용 렌즈(10)의 사이에 배치해도 된다. 파장 분리 미러(11)는 제3 고조파(9)의 파장에서는 투과 특성를 가지고, 레이저광(3)과 제2 고조파(6)의 파장에서는 반사 특성을 가지도록 설계된 유전체 다층막 미러이다. 파장 분리 미러(11)는 미러의 광학 소자로 한정하지 않고, 파장에 의해 레이저광을 분리할 수 있는 것이면 되고, 프리즘이나 회절 격자 등과 같이, 파장에 의해 광축이 변화하는 것이어도 된다.
제3 고조파(9)는 평행 평면판(13)을 투과하여, 파장 변환 레이저 장치(50)로부터 출사된다. 평행 평면판(13)은 제3 고조파(9)가 입사되는 면과 출사되는 면이 서로 평행하게 되어 있고, 제3 고조파(9)의 파장에서 실질적으로 투명하다. 평행 평면판(13)은 제3 고조파(9)의 파장에서 반사를 방지하는 반사 방지막이 실시된 합성 석영이나 BK7 등의 광학 유리이다. 평행 평면판(13)은 각도 조정 기구(14)에 의해 회전 방향(15)의 방향으로 각도를 제어할 수 있어, 평행 평면판(13)으로의 제3 고조파(9)의 입사 각도를 제어할 수 있다.
각도 조정 기구(14)는 회전 스테이지나 서보 모터로 구성된다. 평행 평면판(13)으로 제3 고조파(9)가 수직 입사를 제외한 사입사(斜入射)의 각도로 입사되는 경우, 제3 고조파(9)가 평행 평면판(13)을 투과할 때, 제3 고조파(9)는 평행 평면판(13)에 입사되는 면과 출사하는 면에서 굴절되기 때문에, 평행 평면판(13)으로 입사되기 전과 출사된 후에, 제3 고조파(9)의 광축이 평행 이동한다.
도 5는 이 개시의 실시예 1을 나타내는 평행 평면판을 투과하는 것에 따른 제3 고조파의 광축 이동을 나타내는 설명도이다. 제3 고조파(9)는 입사 각도 θ1로 평행 평면판(13)으로 입사되는 면(S1)에 입사됨과 아울러, 평행 평면판(13)의 입사되는 면(S1)에서 굴절된다. 평행 평면판(13)의 굴절률을 n, 굴절 각도를 θ2라고 하면, 굴절 각도 θ2는 다음 식을 만족한다.
[수 8]
Figure 112022091157832-pct00008
평행 평면판(13)은 입사되는 면(S1)과 출사되는 면(S2)이 서로 평행이므로, 입사되는 면(S1)에서 굴절에 의해 변화한 제3 고조파(9)의 광축은, 출사되는 면(S2)에 대해서 θ2의 각도로 입사된다. 출사되는 면(S2)으로부터 출사되는 제3 고조파(9)의 출사 각도를 θ3라고 하면, 출사 각도 θ3는 다음 식을 만족한다.
[수 9]
Figure 112022091157832-pct00009
그 결과, θ1=θ3이 되어, 평행 평면판(13)에 입사되는 제3 고조파(9)의 광축(18)과, 평행 평면판(13)으로부터 출사되는 제3 고조파(9)의 광축(19)은 평행하게 되지만, 제3 고조파(9)가 평행 평면판(13)의 내부에서 굴절된 분만큼, 광축(18)과 광축(19)은 어긋난 상태가 된다. 제3 고조파(9)의 광축(18)과 광축(19)의 평행 이동하는 양을 d라고 하고, 평행 평면판(13)으로 입사되는 면(S1)과 출사되는 면(S2)의 거리를 t라고 하면, 다음 식이 성립된다.
[수 10]
Figure 112022091157832-pct00010
펄스 주파수 제어 수단(2)에 의해 펄스 레이저 광원(1)이 펄스 주파수를 변경해도, 거의 일정한 평균 출력으로 레이저광(3)을 출사하는 경우, 펄스 레이저 광원(1)의 펄스 주파수를 변경하면, 1개의 펄스에 포함되는 펄스 에너지가 변화한다. 그 결과, 레이저광(3)의 피크 강도가 변화하므로, 파장 변환의 변환 효율이 변화한다. 펄스 주파수를 증가시키면 파장 변환의 효율이 낮아지기 때문에, 제3 고조파(9)의 평균 출력은 낮아진다. 한편, 펄스 주파수를 감소시키면 파장 변환의 효율이 높아지기 때문에, 제3 고조파(9)의 평균 출력은 높아진다.
제3 고조파(9)의 파장에 있어서, 제3 고조파 발생 결정(8)에 흡수가 있는 경우, 제3 고조파(9)의 평균 출력이 변화하면, 제3 고조파 발생 결정(8)의 흡수하는 열량이 변화하고, 그 결과, 제3 고조파 발생 결정(8)의 온도가 변화한다. 파장 변환에 이용되는 비선형 매질은, 수ppm부터 수천ppm 정도의 흡수가 존재하고, 파장이 짧아지면 흡수하는 비율이 높아지는 것이 많다. 그 때문에, 기본파의 레이저광(3)이나 제2 고조파(6)보다도 파장이 짧은 제3 고조파(9)의 쪽이, 비선형 매질에 흡수되는 비율이 높아지는 경향에 있다.
제3 고조파 발생 결정(8)의 온도가 변화하면, 제3 고조파 발생 결정(8)의 굴절률이 변화하기 때문에, 위상 부정합 Δk가 변화한다. 도 4에 나타내는 것처럼, 레이저광(3)과 제2 고조파(6)가 제3 고조파 발생 결정(8)에 대해서 수직 입사를 제외한 사입사의 각도로 입사되는 경우, 레이저광(3)과 제2 고조파(6)의 굴절 각도도 변화하기 때문에, 파수 벡터 kω와 k2ω의 방향이 변화한다. 이 경우, 제3 고조파(9)의 파수 벡터 k3ω의 방향은, 위상 부정합 Δk가 가장 작아지는 방향이 된다.
펄스 주파수 제어 수단(2)에 의해 펄스 레이저 광원(1)의 펄스 주파수가 변화하면, 펄스 주파수의 변화에 따라서 제3 고조파(9)의 광축의 방향이 변화한다. 제3 고조파(9)의 광축의 방향이 변화하는 면은, 제3 고조파 발생 결정(8)에 대한 레이저광(3)과 제2 고조파(6)의 입사 방향이나, 제3 고조파 발생 결정(8)의 특성 등으로 정해진다. 제3 고조파(9)의 광축의 방향의 변화는 제3 고조파 발생 결정(8)을 기점으로 하여 생기기 때문에, 콜리메이트용 렌즈(10)의 초점 위치를 제3 고조파 발생 결정(8)의 표면을 포함하는 내부가 되도록 배치함으로써, 제3 고조파(9)의 광축의 방향은 펄스 주파수를 변경하기 전과 같은 방향으로 되돌아간다. 펄스 주파수를 변경하는 것에 따라서 발생하는 제3 고조파 발생 결정(8)을 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축의 방향의 변화는, 콜리메이트용 렌즈(10)에 의해, 제3 고조파(9)의 광축의 평행 이동으로 변환된다. 이 개시의 실시예 1에서는, 콜리메이트용 렌즈(10)는 1개의 광학 소자로 구성되어, 발산된 제3 고조파(9)를 평행하게 하기 위한 렌즈의 작용과 병행하여, 펄스 주파수를 변경했을 때의 제3 고조파(9)의 광축의 방향의 변화를 평행 이동으로 변환한다.
도 6은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 콜리메이트용 렌즈에 의한 제3 고조파 발생 결정 통과 후의 제3 고조파의 광축의 이동을 나타내는 설명도이다. 광축(9a)은 펄스 주파수를 변경하기 전의 제3 고조파(9)의 광축이고, 광축(9b)은 펄스 주파수를 변경한 후의 제3 고조파(9)의 광축이다. 제3 고조파 발생 결정 통과 후의 광축(9a)과 광축(9b)의 방향은 다르지만, 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후는, 광축(9a)과 광축(9b)은 평행 이동하게 된다.
도 7은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 펄스 주파수를 변경했을 때의 제3 고조파의 광축의 시간 변화의 측정 결과이다. 펄스 주파수 제어 수단(2)에 의한 펄스 레이저 광원(1)의 펄스 주파수는, 순간적으로 전환하는 것이 가능하지만, 제3 고조파(9)의 평행 이동의 양은 제3 고조파 발생 결정(8)의 온도에 의존한다. 제3 고조파 발생 결정(8)의 온도 변화는, 제3 고조파 발생 결정(8)의 열전도율이나 열용량 등에 의존하며, 온도 변화의 시정수는 펄스 주파수의 변경에 필요로 하는 시간보다도 길기 때문에, 제3 고조파(9)의 평행 이동의 양이 안정되기까지는, 펄스 주파수를 변경하고 나서 일정한 시간이 필요하다. 도 7에 나타내는 것처럼, 펄스 주파수를 변경하고 나서 제3 고조파(9)의 평행 이동의 양이 안정되기까지, 약 30초의 시간을 필요로 한다.
각도 조정 기구(14)는 평행 평면판(13)의 각도를 제어함으로써, 펄스 주파수의 변경에 의한 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축 이동과 역방향으로 광축을 이동시켜, 평행 평면판(13)을 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축 변화를 보정한다. 각도 조정 기구(14)의 각도 조정하는 축은 1축만이어도 된다.
도 8은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 평행 평면판의 각도 조정에 의한 제3 고조파의 광축 변화의 보정을 나타내는 설명도이다. 펄스 주파수를 변경하기 전은, 평행 평면판(13)은 위치(13a)의 위치에 놓여져 있지만, 펄스 주파수를 변경한 후는, 각도 조정 기구(14)에 의해 평행 평면판(13)을 위치(13b)의 위치가 되도록 각도 조정한다. 이와 같이, 각도 조정 기구(14)는 펄스 주파수의 변경의 전후에서 평행 평면판(13)을 통과한 제3 고조파(9)의 광축이 변화하지 않도록 제어한다.
펄스 주파수의 변경에 따른 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축 이동의 시간 변화에 연동하여, 각도 조정 기구(14)에 의해 평행 평면판(13)의 각도를 제어함으로써, 평행 평면판(13)을 통과한 제3 고조파(9)의 광축이 경시적으로 변화하지 않도록 하는 것도 가능하다. 미리 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축 이동의 양을 측정해 두고, 펄스 주파수를 변경한 후와 같은 광축 이동의 양으로 반대 방향으로 광축 이동하도록 평행 평면판(13)의 각도의 조정량을 결정하여, 각도 조정 기구(14)를 제어해도 된다. 또, 평행 평면판(13)을 통과한 후에 제3 고조파(9)의 위치를 측정하는 측정기를 설치하여, 펄스 주파수를 변경해도 평행 평면판(13)을 통과한 후의 제3 고조파(9)의 위치가 변화하지 않도록, 평행 평면판(13)의 각도 조정을 각도 조정 기구(14)에 피드백 제어해도 된다.
도 9는 이 개시의 실시예 1을 나타내는 펄스 주파수를 변경한 후의 평행 평면판에 의한 광축의 평행 이동량의 경시 변화를 나타내는 도면이다. 또, 도 10은 이 개시의 실시예 1을 나타내는 콜리메이트용 렌즈를 통과한 후에 발생하는 제3 고조파의 광축 이동을 평행 평면판의 각도 조정으로 보정하는 경우의 보정량의 계산 결과이다. 도 9와 도 10에 나타내는 것처럼, 평행 평면판(13)의 각도 조정을 각도 조정 기구(14)에 의해 행함으로써, 제3 고조파(9)의 광축 이동의 양을 억제하는 것이 가능해진다.
이 개시의 실시예 1에 의하면, 펄스 주파수 제어 수단(2)에 의해 펄스 레이저 광원(1)의 펄스 주파수를 변경해도, 1축의 각도 조정 기구(14)만으로, 제3 고조파(9)의 광축을 일정하게 유지하는 것이 가능하다. 이 개시의 실시예 1에서는, 제3 고조파의 발생을 일례로서 설명했지만, 제3 고조파의 발생으로 한정되지 않는다. 또, 이 개시의 실시예 1에 나타내는 평행 평면판(13)과 각도 조정 기구(14)는, 파장 변환 레이저 장치(50)가 패키징된 하우징 안에 설치하는 경우에 대해 설명했지만, 파장 변환 레이저 장치(50)의 외부에 설치해도 된다.
이와 같이, 이 개시의 실시예 1에 의하면, 제3 고조파 발생 결정(8)의 온도 변화에 의한 제3 고조파(9)의 출사 각도의 변화는, 제3 고조파(9)가 제3 고조파 발생 결정(8)을 통과한 후의 콜리메이트용 렌즈(10)에 의해, 광축의 평행 이동으로 변환된다. 평행 이동한 제3 고조파(9)의 광축은, 각도 조정 기구(14)에 의해 각도 조정된 평행 평면판(13)에 의한 광축 이동으로 보정되기 때문에, 펄스 주파수 제어 수단(2)에 의해 펄스 레이저 광원(1)의 펄스 주파수를 변경해도, 제3 고조파(9)의 광축 이동의 양을 억제할 수 있다.
실시예 2.
도 11은 이 개시의 실시예 2를 나타내는 파장 변환 레이저 장치의 구성도이다. 파장 변환 레이저 장치(300)는, 도 1에 나타내는 파장 분리 미러(11)와 평행 평면판(13)과 각도 조정 기구(14) 대신에, 반사형 미러인 반사형 파장 분리 미러(301)와, 제1 평행 이동 기구인 평행 이동 기구(302)를 구비한다. 도 11에 나타내는 것처럼, 반사형 파장 분리 미러(301)는 제2 레이저광인 제3 고조파(9)를 광축의 방향을 90 °바꾸어 반사시킴과 아울러, 제3 고조파 발생 결정(8)을 통과하여 파장 변환되지 않고 남은, 제1 레이저광인 기본파의 레이저광(3)과 제2 고조파(6)를 투과시킨다. 반사형 파장 분리 미러(301)를 투과한 레이저광(3)과 제2 고조파(6)는 댐퍼(12)에서 받아들여져, 댐퍼(12)에서 흡수된다. 반사형 파장 분리 미러(301)는 반사형 파장 분리 미러(301)에서 반사되는 제3 고조파(9)의 광축이, 펄스 주파수의 변경의 전후에 있어서, 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축을 포함하는 면 내에 존재하도록 배치한다.
펄스 주파수 제어 수단(2)에 의해 펄스 레이저 광원(1)의 펄스 주파수를 변경하면, 제3 고조파(9)의 광축이 평행 이동한다. 제3 고조파(9)의 광축의 평행 이동에 따라서, 평행 이동 기구(302)는 반사형 파장 분리 미러(301)를 이동 방향(303)의 방향으로 평행 이동시키고, 그 평행 이동의 이동량과 방향이, 펄스 주파수의 변경에 의해 생기는, 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축이 평행 이동한 이동량과 같은 이동량과 방향이 되도록, 제3 고조파(9)의 입사 위치를 제어한다. 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축이 평행 이동하는 방향은 정해져 있기 때문에, 평행 이동 기구(302)는 1축의 평행 이동이 가능한 이동 기구이면 된다.
도 12는 이 개시의 실시예 2를 나타내는 평행 이동 기구의 평행 이동에 의한 제3 고조파의 광축 변화의 보정을 나타내는 설명도이다. 도 12에 나타내는 것처럼, 펄스 주파수를 변경하기 전은, 반사형 파장 분리 미러(301)는 위치(301a)의 위치에 놓여져 있다. 펄스 주파수를 변경한 후는, 평행 이동 기구(302)에 의해 반사형 파장 분리 미러(301)의 위치는 위치(301b)로 이동하고, 펄스 주파수의 변경의 전후에 있어서, 반사형 파장 분리 미러(301)에서 반사된 제3 고조파(9)의 광축이 변하지 않도록 한다. 미리 펄스 주파수의 변경에 따른 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축의 이동량을 측정해 두고, 펄스 주파수의 변경에 연동하여 같은 이동량만큼 반사형 파장 분리 미러(301)를 이동시키도록 제어하면 된다. 또는, 반사형 파장 분리 미러(301)에서 반사되는 제3 고조파(9)의 광축의 위치를 측정하는 측정기를 설치하여, 펄스 주파수를 변경해도 반사형 파장 분리 미러(301)에서 반사되는 제3 고조파(9)의 광축의 위치가 변하지 않도록, 반사형 파장 분리 미러(301)의 위치를, 평행 이동 기구(302)를 통해서 피드백 제어해도 된다.
이와 같이, 이 개시의 실시예 2에 의하면, 펄스 주파수를 변경해도 1축의 평행 이동 기구(302)만으로, 출사되는 제3 고조파(9)의 광축의 위치를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 레이저광(3)과 제2 고조파(6)와 제3 고조파(9)의 파장 분리와 출사하는 제3 고조파(9)의 광축 이동의 보정이, 1개의 반사형 파장 분리 미러(301)로 가능해진다.
실시예 3.
도 13은 이 개시의 실시예 3을 나타내는 파장 변환 레이저 장치의 구성도이다. 파장 변환 레이저 장치(400)는, 도 1에 나타내는 평행 평면판(13)과 각도 조정 기구(14) 대신에, 제1 프리즘인 프리즘(401)과, 제2 프리즘인 프리즘(402)과, 제2 평행 이동 기구인 평행 이동 기구(403)를 구비한다.
제1 레이저광인 기본파의 레이저광(3)과 제2 고조파(6)가 제3 고조파 발생 결정(8)에서 원형 모양의 레이저광이어도, 제3 고조파 발생 결정(8)에서 파장 변환 될 때의, 레이저광(3)과 제2 고조파(6)와 제3 고조파(9)의 파수 벡터가 이루는 허용 각도가 방향에 따라 다르다. 그 결과, 제3 고조파 발생 결정(8)으로부터 발생하는 제2 레이저광인 제3 고조파(9)는, 진행 방향에 따라 발산각이 달라, 타원의 형상의 레이저광이 된다. 레이저광(3)과 제2 고조파(6)는 집광 렌즈(7)에 의해 제3 고조파 발생 결정(8)에 집광되기 때문에, 제3 고조파 발생 결정(8)으로부터 발생한 제3 고조파(9)의 각 진행 방향에 있어서, 제3 고조파(9)의 빔 웨이스트의 위치는 제3 고조파 발생 결정(8)의 위치에 있고, 콜리메이트용 렌즈(10)는 제3 고조파(9)를 타원의 형상을 유지하면서, 각 진행 방향에 있어서 평행하게 한다.
도 13에 나타내는 것처럼, 콜리메이트용 렌즈(10)에 의해 평행하게 된 제3 고조파(9)는, 삼각기둥 형상인 프리즘(401)과 프리즘(402)을 통과한다. 프리즘(401)과 프리즘(402)은, 제3 고조파(9)의 일 방향의 빔 지름만을 변화시켜, 제3 고조파(9)의 또 다른 방향의 빔 지름과 같게 되도록 조정되고 있고, 프리즘(401)과 프리즘(402)에 의해, 타원의 형상으로 입사된 제3 고조파(9)를 원형 모양으로 변환한다. 프리즘(401)과 프리즘(402)에 의해 변화하는 방향의 빔 지름이, 또 다른 방향의 빔 지름보다도 작은 경우는, 프리즘(401)과 프리즘(402)은 변화하는 방향의 빔 지름을 확대시킨다.
도 14는 이 개시의 실시예 3을 나타내는 프리즘에 의해 빔 지름이 확대되는 모습을 나타내는 설명도이다. 프리즘(401)에 입사되는 레이저광(405)은, 프리즘(401)과 프리즘(402)을 통과할 때 굴절하여 빔 지름이 확대되고, 확대된 레이저광(406)으로서 출사된다. 빔 지름의 확대율은 프리즘(401)과 프리즘(402)의 굴절률과 입사 각도에 의존하고 있고, 프리즘(401)과 프리즘(402)이 배치되어 있는 간격의 거리에는 의존하지 않는다.
도 13에 나타내는 것처럼, 펄스 주파수 제어 수단(2)에 의해 펄스 레이저 광원(1)의 펄스 주파수를 변경하면, 평행 이동 기구(403)는 프리즘(402)을 이동 방향(404)의 방향으로 평행 이동시킨다. 이동 방향(404)은 프리즘(402)으로부터 출사된 제3 고조파(9)의 광축과 평행한 방향이다. 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축이 평행 이동한 이동량을 보정하도록, 평행 이동 기구(403)는 프리즘(402)의 이동량을 제어함으로써 제3 고조파(9)의 입사 위치를 제어한다. 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축이 평행 이동하는 방향은 정해져 있기 때문에, 평행 이동 기구(403)는 일 방향의 평행 이동이 가능한 이동 기구이면 된다.
도 15는 이 개시의 실시예 3을 나타내는 평행 이동 기구의 평행 이동에 의한 제3 고조파의 광축 변화의 보정을 나타내는 설명도이다. 펄스 주파수를 변경하기 전은, 프리즘(402)은 위치(402a)의 위치에 놓여져 있다. 펄스 주파수의 변경과 연동하여, 평행 이동 기구(403)에 의해 프리즘(402)을 위치(402b)의 위치로 제어함으로써, 펄스 주파수의 변경의 전후에 있어서, 프리즘(402)을 통과한 제3 고조파(9)의 광축이 변하지 않도록 한다. 미리 펄스 주파수의 변경에 따른 콜리메이트용 렌즈(10)를 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축의 이동량을 측정해 두고, 프리즘(402)을 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축의 위치가 변하지 않는 프리즘(402)의 위치를 계산해 두면 된다. 또는, 프리즘(402)을 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축의 위치를 측정하는 측정기를 설치해 두고, 펄스 주파수를 변경해도 프리즘(402)을 통과한 후의 제3 고조파(9)의 광축의 위치가 변하지 않도록, 프리즘(402)의 위치를, 평행 이동 기구(403)를 통해서 피드백 제어해도 된다.
이와 같이, 이 개시의 실시예 3에 의하면, 펄스 주파수를 변경해도 일 방향의 평행 이동 기구(403)만으로, 출사하는 제3 고조파(9)의 광축의 위치를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 레이저광(3)과 제2 고조파(6)와 제3 고조파(9)의 파장 분리와, 출사하는 제3 고조파(9)의 빔 형상을 타원형에서 원형으로 변환하는 것이 가능해진다.
실시예 4.
도 16은 이 개시의 실시예 4를 나타내는 파장 변환 레이저 가공기의 구성도이다. 파장 변환 레이저 가공기(500)는, 도 16에 나타내는 것처럼, 이 개시의 실시예 1에서부터 실시예 3에 따른 파장 변환 레이저 장치 중 어느 것인 파장 변환 레이저 장치(501)와, 피가공 대상물(509)을 지지하는 피가공 대상물 지지부(508)를 구비한다. 파장 변환 레이저 가공기(500)는 마스크(504)와, 파장 변환 레이저 장치(501)로부터 출사된 제2 레이저광인 레이저광(502)을 피가공 대상물(509)에 조사하는 가공 헤드(505)와, 가공 헤드(505)와 피가공 대상물 지지부(508)를 상대적으로 이동시키는 상대 이동부(512)와, 상대 이동부(512)와 파장 변환 레이저 장치(501)의 동작을 제어하는 제어 장치(513)를 구비한다.
피가공 대상물 지지부(508)는 피가공 대상물(509)가 재치되고, 피가공 대상물(509)을 지지한다. 이 개시의 실시예 4에 있어서, 피가공 대상물(509)은 플렉서블 프린트 기판(FPC：Flexible Printed Circuits)이나, 프린트 배선판(PCB：Printed Circuit Board)을 다층화한 다층 기판이다. 플렉서블 프린트 기판이나 프린트 배선판은, 수지와 동으로 구성된다. 이 때문에, 이 개시의 실시예 4에 나타내는 파장 변환 레이저 장치(501)로부터 출사되는 레이저광(502)의 파장은, 수지와 동의 양쪽에 흡수되는 자외 영역인 것이 바람직하다.
가공 헤드(505)는 도광 미러(506)와, 집광 렌즈(507)를 구비한다. 파장 변환 레이저 장치(501)로부터 출사된 레이저광(502)은, 빔 조정 광학계(503)에 의해, 빔 지름이나 발산각이 조정되어, 마스크(504)에 입사된다. 마스크(504)는 원형이나 직사각형의 개구를 가져, 마스크(504)를 통과한 후의 레이저광(502)의 형상은, 마스크(504)의 개구의 형상과 같은 형상이 된다. 마스크(504)를 통과한 레이저광(502)은, 도광 미러(506)와 집광 렌즈(507)를 통과하여, 피가공 대상물(509)에 조사된다. 집광 렌즈(507)는 마스크(504)를 통과한 후의 위치에 있어서의 레이저광(502)의 형상을 피가공 대상물(509)에 전사(轉寫)한다.
상대 이동부(512)는 가공 헤드(505)로부터 조사되는 레이저광(502)과 피가공 대상물 지지부(508)를, 도 16에 나타내는 X방향과 Y방향 중 적어도 한쪽을 따라서 상대적으로 이동시킨다. 이 개시의 실시예 4에 있어서, 상대 이동부(512)는 피가공 대상물 지지부(508)를 X방향과 Y방향 중 적어도 한쪽을 따라서 이동시키지만, 가공 헤드(505)를 X방향과 Y방향의 양쪽을 따라서 이동시켜도 되고, 가공 헤드(505)와 피가공 대상물 지지부(508)의 양쪽을 X방향과 Y방향 중 적어도 한쪽을 따라서 이동시켜도 된다.
상대 이동부(512)는 모터와, 모터의 회전 구동력에 의해 피가공 대상물 지지부(508)를 이동시키는 리드 스크루와, 피가공 대상물 지지부(508)의 이동 방향을 안내하는 리니어 가이드에 의해 구성된다. 상대 이동부(512)의 구성은, 모터와, 리드 스크루와, 리니어 가이드에 의한 구성으로 한정되지 않는다. 상대 이동부(512)는 제어 장치(513)에 의해 제어된다. 또, 상대 이동부(512)는 갈바노 미러나 폴리곤 미러를 구비하고, 갈바노 미러나 폴리곤 미러에 의해 레이저광(502)을 주사해도 된다. 이 경우, 집광 렌즈(507)는 Fθ 렌즈로 구성되는 것이 바람직하다.
이 개시의 실시예 4에 나타내는 파장 변환 레이저 가공기(500)는, 상대 이동부(512)에 의해 피가공 대상물 지지부(508)를 이동시키면서, 가공 헤드(505)를 통과한 레이저광(502)을 조사하여, 레이저광(502)을 피가공 대상물(509)의 표면에서 주사시킨다. 파장 변환 레이저 가공기(500)는 피가공 대상물(509)에 미리 설정된 원하는 위치에 미세한 가공 구멍(510)을 형성한다. 가공 구멍(510)은 멈춤 구멍이나 관통 구멍이다. 가공 구멍(510)의 직경은, 마스크(504)의 개구의 직경에 의해 적절히 설정할 수 있다. 파장 변환 레이저 장치(501)가 특정 펄스 주파수로 구동했을 때, 마스크(504)의 개구의 중심 위치는 레이저광(502)의 광축과 일치하도록 조정되어 있다.
가공에 필요한 레이저광(502)의 펄스 에너지는, 피가공 대상물(509)에 형성되는 가공 구멍(510)의 깊이나 형상, 그리고 피가공 대상물(509)의 구성 재료의 차이에 의해, 다른 값이 된다. 파장 변환 레이저 장치(501)가 높은 펄스 주파수로 구동하면, 레이저광(502)의 펄스 에너지는 낮아지고, 낮은 펄스 주파수로 구동하면 펄스 에너지는 높아진다. 한편, 가공에 필요한 펄스 에너지를 가지는 레이저광(502)이면, 펄스 주파수가 높을수록 고속의 가공이 가능해진다. 따라서, 가공에 필요한 펄스 에너지를 확보한 다음에 고속의 가공을 행하는 경우는, 가공의 종류마다 펄스 주파수를 조정하는 것이 바람직하다.
이 개시의 실시예 4에 나타내는 파장 변환 레이저 가공기(500)는, 이 개시의 실시예 1에서부터 실시예 3에 따른 파장 변환 레이저 장치 중 어느 것을 구비하므로, 가공의 종류에 맞춰 파장 변환 레이저 장치(501)를 구동하는 펄스 주파수를 변경해도, 레이저광(502)의 광축은 변화하지 않는다. 따라서, 파장 변환 레이저 장치(501)의 펄스 주파수가 변화해도, 마스크(504)를 통과한 후의 레이저광(502)의 형상은 변화하지 않고, 피가공 대상물(509)의 위치에 있어서의 레이저광(502)의 형상도 변화하지 않는다.
도 17은 이 개시의 실시예 4를 나타내는 마스크를 통과하기 직전의 레이저광의 강도 분포이다. 도 18은 이 개시의 실시예 4를 나타내는 파장 변환 레이저 장치를 구동하는 펄스 주파수를 변경하기 전의 마스크를 통과한 후의 레이저광의 강도 분포이다. 파장 변환 레이저 장치(501)를 구동하는 펄스 주파수를 변경하기 전은, 마스크(504)의 개구의 중심 위치와 레이저광(502)의 광축이 일치하도록, 마스크(504)의 중심 위치가 조정되어 있다. 도 19는 이 개시의 실시예 4를 나타내는 마스크를 통과한 후의 레이저광의 광축이 마스크의 중심 위치로부터 어긋났을 경우의 레이저광의 강도 분포이다. 종래의 파장 변환 레이저 가공기에서는, 파장 변환 레이저 장치(501)를 구동하는 펄스 주파수를 변경함으로써, 도 19에 나타내는 것처럼 레이저광(502)의 광축이 어긋나기 때문에, 광축이 어긋난 분만큼, 마스크(504)를 통과한 후의 레이저광(502)의 강도 분포가 변화한다. 이 변화한 강도 분포가 피가공 대상물(509)에 전사되기 때문에, 당초 상정한 가공을 할 수 없게 되어, 가공 불량이 발생한다.
도 20은 이 개시의 실시예 4를 나타내는 파장 변환 레이저 장치를 구동하는 펄스 주파수를 변경한 후의 마스크를 통과한 후의 레이저광의 강도 분포이다. 도 18과 도 20에 나타내는 것처럼, 파장 변환 레이저 장치(501)를 구동하는 펄스 주파수를 변경해도, 레이저광(502)의 광축이 어긋나지 않기 때문에, 마스크(504)를 통과한 후의 레이저광(502)의 강도 분포는, 파장 변환 레이저 장치(501)를 구동하는 펄스 주파수를 변경하기 전의 마스크(504)를 통과한 후의 레이저광(502)의 강도 분포와 동일 형상이며, 당초 상정한 대로의 가공이 가능해진다. 따라서, 이 개시의 실시예 4를 나타내는 파장 변환 레이저 가공기(500)는, 고속이고 고품질인 피가공 대상물(509)의 가공이 가능해진다.
1, 200: 펄스 레이저 광원 2: 펄스 주파수 제어 수단
3, 110, 405, 406, 502: 레이저광 4, 7, 507: 집광 렌즈
5: 제2 고조파 발생 결정 6: 제2 고조파
8: 제3 고조파 발생 결정 9: 제3 고조파
10: 콜리메이트용 렌즈 11: 파장 분리 미러
12: 댐퍼 13: 평행 평면판
13a, 13b, 301a, 301b, 402a, 402b: 위치
14: 각도 조정 기구 15: 회전 방향
16,17: 온도 제어기 9a, 9b, 18, 19: 광축
50, 300, 400, 501: 파장 변환 레이저 장치
101: 고반사 미러 102: 부분 반사 미러
103, 803: 레이저 매질 104, 804: 여기광 결합 미러
105: 음향 광학 소자 106, 205, 806: 광원
107, 203, 807: 광 파이버 108, 808: 여기광
109, 809: 여기 광학계 112: RF 드라이버
113: 펄스 발생 장치 201: 반도체 레이저
202: 구동 전원 204: 결합기
206: 광 파이버 증폭기 207: 단면
220: 고체 증폭기 301: 반사형 파장 분리 미러
302, 403: 평행 이동 기구 303, 404: 이동 방향
401, 402: 프리즘 500: 파장 변환 레이저 가공기
503: 빔 조정 광학계 504: 마스크
505: 가공 헤드 506: 도광 미러
508: 피가공 대상물 지지부 509: 피가공 대상물
510: 가공 구멍 511: 스테이지 주사 방향
512: 상대 이동부 513: 제어 장치

Claims (13)

  1. 제1 레이저광을 발생시키는 펄스 레이저 광원과,
    상기 펄스 레이저 광원이 펄스 발진하는 상기 제1 레이저광의 펄스 주파수를 제어하는 펄스 주파수 제어 수단과,
    상기 제1 레이저광의 일부를 제2 레이저광으로 파장 변환하는 비선형 매질과,
    상기 제1 레이저광을 집광하는 집광 렌즈와,
    상기 제2 레이저광의 확산각을 조정하는 콜리메이트용 렌즈와,
    상기 콜리메이트용 렌즈를 통과한 상기 제2 레이저광이 입사됨과 아울러, 투과하여 출사되는 평행 평면판과,
    상기 평행 평면판으로 입사되는 상기 제2 레이저광의 입사 각도를 제어하는 각도 조정 기구를 구비한 파장 변환 레이저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 각도 조정 기구는 상기 평행 평면판으로부터 출사되는 상기 제2 레이저광의 광축을 일정하게 유지하도록, 상기 평행 평면판으로 입사되는 상기 제2 레이저광의 입사 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 각도 조정 기구는 상기 펄스 주파수 제어 수단에 의한 상기 펄스 주파수의 변경과 연동하여 제어하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 레이저광은 상기 비선형 매질에 대해서 사입사의 각도로 입사되는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  5. 제1 레이저광을 발생시키는 펄스 레이저 광원과,
    상기 펄스 레이저 광원이 펄스 발진하는 상기 제1 레이저광의 펄스 주파수를 제어하는 펄스 주파수 제어 수단과,
    상기 제1 레이저광의 일부를 제2 레이저광으로 파장 변환하는 비선형 매질과,
    상기 제1 레이저광을 집광하는 집광 렌즈와,
    상기 제2 레이저광의 확산각을 조정하는 콜리메이트용 렌즈와,
    상기 콜리메이트용 렌즈를 통과한 상기 제2 레이저광이 입사됨과 아울러, 반사해 출사하는 반사형 미러와,
    상기 반사형 미러로 입사되는 상기 제2 레이저광의 입사 위치를 제어하는 제1 평행 이동 기구를 구비한 파장 변환 레이저 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 평행 이동 기구는 상기 반사형 미러에서 반사하는 상기 제2 레이저광의 광축을 일정하게 유지하도록, 상기 반사형 미러로 입사되는 상기 제2 레이저광의 입사 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 평행 이동 기구는 상기 펄스 주파수 제어 수단에 의한 상기 펄스 주파수의 변경과 연동하여 제어하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 레이저광은 상기 비선형 매질에 대해서 사입사의 각도로 입사되는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  9. 제1 레이저광을 발생시키는 펄스 레이저 광원과,
    상기 펄스 레이저 광원이 펄스 발진하는 상기 제1 레이저광의 펄스 주파수를 제어하는 펄스 주파수 제어 수단과,
    상기 제1 레이저광의 일부를 제2 레이저광으로 파장 변환하는 비선형 매질과,
    상기 제1 레이저광을 집광하는 집광 렌즈와,
    상기 제2 레이저광의 확산각을 조정하는 콜리메이트용 렌즈와,
    상기 콜리메이트용 렌즈를 통과한 상기 제2 레이저광이 입사됨과 아울러, 투과하여 출사되는 제1 프리즘과,
    상기 제1 프리즘을 통과한 상기 제2 레이저광이 입사됨과 아울러, 투과하여 출사되는 제2 프리즘과,
    상기 제2 프리즘으로 입사되는 상기 제2 레이저광의 입사 위치를 제어하는 제2 평행 이동 기구를 구비한 파장 변환 레이저 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 평행 이동 기구는 상기 제2 프리즘으로부터 출사하는 상기 제2 레이저광의 광축을 일정하게 유지하도록, 상기 제2 프리즘으로 입사되는 상기 제2 레이저광의 입사 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 평행 이동 기구는 상기 펄스 주파수 제어 수단에 의한 상기 펄스 주파수의 변경과 연동하여 제어하는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 레이저광은 상기 비선형 매질에 대해서 사입사의 각도로 입사되는 것을 특징으로 하는 파장 변환 레이저 장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 기재된 파장 변환 레이저 장치와,
    피가공 대상물을 지지하는 피가공 대상물 지지부와,
    개구를 가지고 상기 파장 변환 레이저 장치로부터 출사된 상기 제2 레이저광 중 일부를 상기 개구로부터 통과시키는 마스크와,
    상기 마스크를 통과한 상기 제2 레이저광을 상기 피가공 대상물에 조사하는 가공 헤드와,
    상기 가공 헤드로부터 조사되는 상기 제2 레이저광과 상기 피가공 대상물 지지부를 상대적으로 이동시키는 상대 이동부를 구비한 파장 변환 레이저 가공기.
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