WO2015029141A1 - レーザ発振器 - Google Patents

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WO2015029141A1
WO2015029141A1 PCT/JP2013/072906 JP2013072906W WO2015029141A1 WO 2015029141 A1 WO2015029141 A1 WO 2015029141A1 JP 2013072906 W JP2013072906 W JP 2013072906W WO 2015029141 A1 WO2015029141 A1 WO 2015029141A1
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WO
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laser
optical component
laser light
laser beam
wavelength
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PCT/JP2013/072906
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鈴木　寛之
小島　哲夫
秀則 深堀
孝文 河井
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/354—Third or higher harmonic generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction

Definitions

  • the present invention relates to a laser oscillator for generating wavelength-converted laser light.
  • a beam is condensed with a wavelength conversion crystal to increase the wavelength conversion efficiency. For this reason, the optical intensity of the incident beam may be increased because the beam diameter is not sufficiently widened even in the optical component downstream of the THG crystal that generates UV laser light.
  • an optical system for separating the UV laser light from the fundamental laser light and the like, an optical system for obtaining a desired beam diameter and beam shape, and the like are disposed in the latter stage of the optical path of the wavelength conversion crystal. For this reason, damage occurs in optical components having a high energy density of the incident beam among optical components used in these optical systems.
  • ISO11254 defines a method for determining the damage threshold value of the optical component surface.
  • the damage threshold of the optical component shows a characteristic that decreases as the number of shots of the laser light to be irradiated increases, and is expressed by a function with the number of shots as a logarithm. Then, it has been considered that when the number of shots reaches a predetermined number, the damage threshold becomes a characteristic that hardly changes.
  • Patent Document 1 discloses that no damage occurs when synthetic quartz is irradiated with 1 ⁇ 10 7 pulses at an energy density of 14 J / cm 2 .
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a laser oscillator capable of extending the life of an optical component.
  • a laser oscillator of the present invention includes a laser light source that outputs a first laser beam, and a pulse energy of 500 ⁇ J or more by wavelength-converting the first laser beam.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the laser oscillator according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the arrangement position of the first optical component in the latter stage of the optical path with respect to the THG crystal.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the number of shots of the pulse laser on the optical component and the damage threshold of the optical component.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the laser oscillator according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a laser oscillator according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the laser processing apparatus.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the laser oscillator according to the first embodiment.
  • the laser oscillator 10A is, for example, a UV (Ultra Violet) wavelength conversion laser device (UV laser oscillator) that converts the wavelength of fundamental wave laser light and outputs UV laser light.
  • UV laser oscillator UV wavelength conversion laser device
  • the laser oscillator 10A outputs UV laser light having a pulse energy of 500 ⁇ J or more from a THG (Third Harmonic Generation) crystal, and 30 mJ for an optical component disposed downstream of the THG crystal. UV laser light of / cm 2 or less is incident.
  • a laser beam of 30 mJ / cm 2 or less is applied to an optical component irradiated with UV laser light by taking a sufficient distance between the THG crystal and an optical component disposed after the THG crystal. Make light incident.
  • the laser oscillator 10 ⁇ / b> A includes a laser light source 11, a SHG (Second Harmonic Generation) crystal 12, a THG crystal 13, separation prisms 14 ⁇ / b> A and 14 ⁇ / b> B, an expanding lens 15, a collimating lens 16, and a top hat lens 17. ing.
  • the laser light source 11 outputs the fundamental wave laser beam 51 and sends it to the downstream side of the optical path.
  • a light source such as a YAG laser is used.
  • the fundamental laser beam 51 output from the laser light source 11 is guided to the SHG crystal 12 through a mirror or the like.
  • the SHG crystal 12 is the first wavelength conversion crystal counted from the front stage of the optical path, and converts the fundamental laser beam 51 into a second harmonic laser beam.
  • the second harmonic laser beam is sent from the SHG crystal 12 to the THG crystal 13.
  • the THG crystal 13 is the second wavelength conversion crystal counted from the front stage of the optical path.
  • the THG crystal 13 generates a UV laser beam 52 using the second harmonic laser beam converted by the SHG crystal 12 and the fundamental laser beam 51 remaining without wavelength conversion.
  • the UV laser beam 52 and the second harmonic laser beam and the fundamental laser beam 51 remaining without wavelength conversion are sent from the THG crystal 13 to the separation prisms 14A and 14B.
  • the fundamental laser beam 51, the second harmonic laser beam, or the UV laser beam 52 may be referred to as a laser beam.
  • the separation prisms 14A and 14B separate the laser light of each wavelength component using angular dispersion, and send the UV laser light 52 to the expanding lens 15.
  • the expanding lens 15 changes (enlarges) the beam diameter of the UV laser light 52 and sends it to the collimating lens 16.
  • the collimating lens 16 is a lens that changes the beam divergence angle.
  • the collimating lens 16 changes the UV laser light 52 into parallel light and sends it to the top hat lens 17.
  • the top hat lens 17 changes the mode shape of the UV laser light 52 and outputs it to the emission end (exit). Note that the top hat lens 17 may be arranged in front of the optical path with respect to the expanding lens 15 or the collimating lens 16.
  • the distance between the THG crystal 13 and the separation prism 14A which is an optical component in the latter stage of the optical path than the THG crystal 13, is determined by the pulse energy and the energy of the UV laser light 52 incident on the separation prism 14A.
  • the distance L1 depends on the density.
  • the distance between the THG crystal 13 and the separation prism 14A is separated by a distance L1 corresponding to the pulse energy (500 ⁇ J or more) and the energy density (30 mJ / cm 2 or less) at the separation prism 14A. ing.
  • the beam diameter of the UV laser light 52 incident on the separation prism 14A can be enlarged, the energy density of the UV laser light 52 can be lowered.
  • the wavelength conversion efficiency may be improved by condensing the laser light (beam) with a wavelength conversion crystal (SHG crystal 12, THG crystal 13).
  • the wavelength conversion efficiency may be increased by using an element having a long dimension for the wavelength conversion crystal.
  • the spread angle of the laser light is reduced by reducing the NA of the laser light incident on the wavelength conversion crystal. Thereby, the beam diameter in the whole area in the wavelength conversion crystal is reduced.
  • the beam diameter of the UV laser beam 52 on the exit surface of the THG crystal 13 is reduced.
  • organic substances are easily deposited on the emission surface of the THG crystal 13, and the deposited organic substances reduce the output of the UV laser beam 52.
  • the wavelength conversion crystal may be stored in a sealed casing.
  • the sealed casing may be evacuated before using the wavelength conversion crystal.
  • the vicinity of a wavelength conversion crystal can be made into an environment with few organic substances.
  • the optical components and the wavelength conversion crystal may be arranged in a sealed casing.
  • the laser oscillator 10A may be configured such that the irradiation position of the laser light on the THG crystal 13 can be changed periodically.
  • the beam diameter of the UV laser light 52 becomes smaller in the optical component at the later stage of the optical path than the THG crystal 13 that generates the UV laser light 52.
  • the energy density of the UV laser light 52 is increased.
  • each optical fiber is set so that the energy density of the UV laser light 52 incident on the first optical component (for example, the separation prism 14A) after the optical path from the THG crystal 13 is 30 mJ / cm 2 or less. Parts are placed.
  • the UV laser beam 52 is emitted from the THG crystal 13, propagates while spreading, and enters the optical component such as the separation prism 14 ⁇ / b> A at a position where the energy density is 30 mJ / cm 2 or less. Therefore, the laser oscillator 10A can perform pulse irradiation with the UV laser light 52 up to the 1 ⁇ 10 10 pulse level, and as a result, the lifetime of the optical component can be stabilized.
  • synthetic quartz quartz (quartz glass) or the like is used as an optical component for the UV laser light 52.
  • the optical component using synthetic quartz has a high light resistance and a long life with respect to the fundamental wave laser beam 51, the double wave laser beam and the UV laser beam 52. That is, synthetic quartz exhibits high transparency not only for the wavelength of the UV laser beam 52 but also for the wavelengths of the fundamental laser beam 51 and the second harmonic laser beam. From this, synthetic quartz can be used for laser light of any wavelength generated in the laser oscillator 10A.
  • separation prisms 14A and 14B using synthetic quartz as a base material are used.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the arrangement position of the first optical component in the latter stage of the optical path with respect to the THG crystal.
  • an emission position 62 the position where the UV laser beam 52 is emitted in the THG crystal 13 is indicated by an emission position 62.
  • an incident position (irradiation position) 61 indicates a position of the optical component 50 (for example, the separation prism 14A) where the UV laser light 52 transmitted from the THG crystal 13 is incident.
  • the arrangement position of the optical component 50 at which the energy density of the UV laser beam 52 incident on the optical component 50 is 30 mJ / cm 2 or less is the position of the fundamental laser beam 51 condensed by the wavelength conversion crystal (THG crystal 13 in this case). It can be determined based on the beam waist diameter and the laser output value.
  • the laser output value of the UV laser light 52 output from the THG crystal 13 is set to 500 ⁇ J or more, for example.
  • the beam diameter of the UV laser light 52 when being output from the THG crystal 13 is, for example, 0.5 mm.
  • the distance between the laser light emitting surface of the THG crystal 13 and the laser light incident surface of the optical component 50 is set to L1, so that the UV laser light 52 incident on the optical component 50 is 1.5 mm in diameter.
  • the beam diameter is as described above.
  • the energy density of the UV laser light 52 incident on the optical component 50 is set to 30 mJ / cm 2 or less.
  • the optical components for which the energy density of the incident UV laser light 52 is set to 30 mJ / cm 2 or less are not limited to the separation prism 14A, and may be all the optical components in the subsequent stage of the optical path from the THG crystal 13.
  • the optical components are arranged so that the energy density of the incident UV laser light 52 is 30 mJ / cm 2 or less with respect to all the optical components through which the UV laser light 52 passes.
  • the energy density of the incident UV laser light 52 is set to 30 mJ / cm 2 or less for all of the separation prism 14B, the expanding lens 15, the collimating lens 16, and the top hat lens 17.
  • the laser oscillator 10A In order to make the beam diameter at the exit of the laser oscillator 10A (the output position of the UV laser beam 52) a desired size, various optical systems for enlarging or reducing the laser beam are arranged in the laser oscillator 10A. It may be left.
  • optical components may be arranged in the laser oscillator 10A in order to adjust the beam shape (beam profile) of the laser light from the Gaussian distribution shape to the top hat distribution shape. Also in this case, in the laser oscillator 10A, the optical components are arranged so that the energy density of the UV laser light 52 incident on these optical components is 30 mJ / cm 2 or less.
  • the laser beam having an incident energy density of 30 mJ / cm 2 or less is not limited to the UV laser beam 52.
  • each optical component or the like is arranged in the laser oscillator 10A so that a laser beam having a wavelength of 532 nm or less is incident at an energy density of 30 mJ / cm 2 or less with respect to the optical component downstream of the THG crystal 13 with respect to the optical path. May be.
  • the laser oscillator 10A is not limited to the UV wavelength conversion laser device, but may be any wavelength conversion laser device.
  • the wavelength of the laser light output from the laser light source 11 may be any wavelength.
  • the laser oscillator 10A may include only the SHG crystal 12 without including the THG crystal 13 as the wavelength conversion crystal.
  • the laser oscillator 10A may include an SHG crystal 12 and a THG crystal 13, and an FHG (Fourth Harmonic Generation) crystal as wavelength conversion crystals.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the number of shots of the pulse laser on the optical component and the damage threshold of the optical component.
  • FIG. 3 shows a damage threshold characteristic 101 when an optical component is irradiated with a UV pulse laser (UV laser light 52).
  • the damage threshold (damage peak power density) of the optical component is a value that damages the optical component when a laser beam having a peak power density exceeding this value is applied to the optical component.
  • the damage threshold of the optical component decreases as the number of UV pulse laser shots increases. In other words, the optical component is easily damaged as the number of shots of the pulse laser increases.
  • the damage threshold is expected to hardly change.
  • the energy density of the UV laser light 52 incident on the optical component is set to 30 mJ / cm 2 or less, thereby preventing damage to the optical component.
  • a laser beam having a pulse energy of 500 ⁇ J or more is output from the THG crystal 13, and 30 mJ / cm is applied to an optical component disposed downstream of the THG crystal 13 in the optical path.
  • Optical components are arranged so that two or less UV laser beams 52 are incident. For this reason, even if the optical component is irradiated with 1 ⁇ 10 9 pulses of UV pulse laser, the occurrence of damage can be prevented. Therefore, it is possible to give a sufficient life to the optical component.
  • Embodiment 2 a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the beam shape (spatial intensity distribution) of the UV laser light 52 deviates from a predetermined shape
  • the incident position of the UV laser light 52 on the optical component is moved by moving the optical component.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the laser oscillator according to the second embodiment.
  • constituent elements in FIG. 4 constituent elements that achieve the same functions as those of the laser oscillator 10 ⁇ / b> A of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the laser oscillator 10B has a function of detecting the beam shape of the UV laser light 52, a function of determining whether or not the beam shape has deviated from the predetermined shape, and a case where the beam shape has deviated from the predetermined shape. And a function of moving the position of the optical component.
  • the laser oscillator 10B includes a laser light source 11, an SHG crystal 12, a THG crystal 13, separation prisms 14A and 14B, an expanding lens 15, a collimating lens 16, a top hat lens 17, and a mirror 21.
  • the laser light source 11, the SHG crystal 12, the THG crystal 13, the separation prisms 14A and 14B, the expanding lens 15, the collimating lens 16, and the top hat lens 17 are the same as those in the laser oscillator 10A. Placed in position.
  • the mirror 21 is disposed at a position (exit) where the UV laser light 52 is emitted in the laser oscillator 10B. Specifically, the mirror 21 is disposed at a later stage of the optical path than the collimating lens 16. The mirror 21 is disposed so as to be freely opened and closed. The mirror 21 allows the UV laser light 52 to pass when it is in the open state, and reflects the UV laser light 52 to send it to the beam absorber 23 when it is in the closed state.
  • the laser light source 11 When the laser oscillator 10B outputs the UV laser light 52 to the outside, the laser light source 11 is controlled to be in a pulse oscillation operation, and the mirror 21 is controlled to be in an open state. Further, when the laser oscillator 10B stops the external output of the UV laser light 52, the laser light source 11 is controlled to a CW (Continuous Wave) oscillation operation and the mirror 21 is controlled to be closed. Further, when the laser oscillator 10B detects the beam shape of the UV laser light 52, the laser light source 11 is controlled to perform a pulse oscillation operation, and the mirror 21 is controlled to be closed.
  • CW Continuous Wave
  • the beam absorber 23 absorbs a part of the UV laser light 52 and sends the remaining part to the CCD camera (beam shape detector) 22.
  • a CCD (Charge Coupled Device) camera (imaging device) 22 detects the beam shape of the UV laser light 52 transmitted by being reflected by the mirror 21.
  • the CCD camera 22 sends the beam shape of the UV laser light 52 to the damage determination unit 24.
  • the damage determination unit 24 is, for example, a computer, and determines whether or not the beam shape of the UV laser light 52 transmitted from the CCD camera 22 is deviated from a predetermined beam shape. For example, if the UV laser beam 52 has a Gaussian distribution, the damage determination unit 24 calculates a correlation coefficient (shape deviation amount) with the ideal Gaussian distribution, and determines the damage state of the optical component based on the calculation result. judge.
  • the correlation coefficient is a coefficient that becomes 1.0 if the ideal distribution completely matches. For example, if the correlation coefficient is less than 0.9, the damage determination unit 24 determines that some damage has occurred in the element in the optical component.
  • the damage determination unit 24 sends a movement command to the drive control unit 25 when it is determined that the optical component has been damaged.
  • the drive control unit 25 drives and controls the moving mechanism 20 in accordance with the movement command sent from the damage determination unit 24, thereby moving the position of the moving mechanism 20.
  • the moving mechanism 20 is a stage or the like on which the separation prisms 14A and 14B are mounted and the separation prisms 14A and 14B are moved.
  • the moving mechanism 20 moves the moving mechanism 20 in a direction in which the optical axis of the UV laser light 52 does not shift. In the case of FIG. 4, the moving mechanism 20 moves the separation prisms 14A and 14B to the upper side of the paper surface.
  • the mirror 21, the CCD camera 22, the beam absorption unit 23, and the damage determination unit 24 may be configured separately from the laser oscillator 10B.
  • the energy density of the UV laser light 52 incident on the optical component is set to 30 mJ / cm 2, and the optical component having a high incident energy of the UV laser light 52 is periodically used. Move the optical components.
  • the beam diameter of the UV laser light 52 incident on the optical component is enlarged, and the optical component is damaged. Moves the incident position of the UV laser light 52 on the optical component. Thereby, it is possible to ensure a lifetime of (the number of life shots per point) ⁇ (the number of movement points) for the optical component.
  • the energy density of the UV laser light 52 incident on the optical component is set to 30 mJ / cm 2 , and the optical component is periodically moved so that the lifetime of the optical component is at a level of 1 ⁇ 10 12 shots or more. It is possible to extend the service life.
  • damage to the optical component is determined based on the beam shape of the UV laser light 52 finally output from the laser oscillator 10B.
  • the optical component is determined at predetermined time intervals. May be moved.
  • the case where the separation prisms 14A and 14B are moved has been described, but other optical components irradiated with the UV laser light 52 may be moved. Also in this case, when it is determined that the optical component is damaged, the irradiation position (incident position on the optical component) of the UV laser light 52 is changed.
  • a laser beam having a pulse energy of 500 ⁇ J or more is output from the THG crystal 13, and 30 mJ / cm is applied to an optical component disposed downstream of the THG crystal 13.
  • Optical components are arranged so that two or less UV laser beams 52 are incident. Furthermore, based on the beam shape of the UV laser light 52, it is determined whether or not the optical component is damaged. If the optical component is damaged, the irradiation position of the UV laser light 52 on the optical component is moved. For this reason, even when the optical component is irradiated with 1 ⁇ 10 11 pulses of UV pulse laser, it is possible to prevent the optical component from being damaged. Therefore, it is possible to give a sufficient life to the optical component.
  • Embodiment 3 FIG. Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the transmittance of the UV laser light 52 changes by a predetermined value or more
  • the incident position of the UV laser light 52 on the optical component is moved by moving the optical component.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the laser oscillator according to the third embodiment.
  • the laser oscillator 10C of the present embodiment has a function of measuring the beam power of the UV laser light 52 that has passed through the aperture (opening 31) in the UV laser light 52, and whether or not the beam power has deviated from within a predetermined range. And a function of moving the position of the optical component when the beam power deviates from the predetermined range.
  • the laser oscillator 10C includes a laser light source 11, an SHG crystal 12, a THG crystal 13, separation prisms 14A and 14B, an expanding lens 15, a collimating lens 16, a top hat lens 17, and an opening. 31, a transmittance detection unit 32, a damage determination unit 33, a drive control unit 25, and a moving mechanism 20.
  • the laser light source 11 the SHG crystal 12, the THG crystal 13, the separation prisms 14A and 14B, the expanding lens 15, the collimating lens 16, and the top hat lens 17 are combined with the laser oscillators 10A and 10B. They are arranged at similar positions.
  • the opening 31 is provided with a hole having a predetermined dimension.
  • the opening 31 allows the UV laser light 52 incident on the hole to pass therethrough and blocks the UV laser light 52 incident on a position other than the hole.
  • the opening 31 may be disposed at any position in the optical path in the laser oscillator 10 ⁇ / b> C as long as it is behind the THG crystal 13 in the optical path.
  • the opening 31 is disposed so as to be freely inserted into the optical path of the UV laser beam 52.
  • the opening 31 is moved into the optical path of the UV laser light 52 when the transmittance is inspected.
  • the opening 31 is removed from the optical path of the UV laser light 52 when the transmittance is not inspected (when the UV laser light 52 is output).
  • the transmittance detector 32 has the transmittance of the UV laser light 52 in a state where the opening 31 is inserted in the optical path of the UV laser light 52, and the opening 31 is not inserted in the optical path of the UV laser light 52.
  • the transmittance of the UV laser beam 52 in the state is detected. Accordingly, the opening 31 is inserted into the optical path every time the optical component is confirmed to be damaged.
  • the transmittance detection unit 32 sends the detection result to the damage determination unit 33.
  • the damage determination unit 33 is a computer, for example, and calculates the amount of change in transmittance based on the detection result sent from the transmittance detection unit 32. And the damage determination part 33 determines the damage condition of an optical component based on the variation
  • the damage determination unit 33 has a transmittance of the UV laser light 52 in a state where the opening 31 is inserted in the optical path, and the UV laser light in a state where the opening 31 is not inserted in the optical path.
  • the transmissivity of 52 is changed by a predetermined value or more, it is determined that some damage has occurred in the optical component.
  • the damage determination unit 33 sends a movement command to the drive control unit 25 when it is determined that the optical component has been damaged.
  • the drive control unit 25 drives and controls the movement mechanism 20 in accordance with the movement command sent from the damage determination unit 33.
  • the opening 31 is provided at a specific position in the optical path, and it is determined whether or not the optical component is damaged based on the change in transmittance when the opening 31 is inserted.
  • the optical component is damaged, heat is generated at the damaged portion, so that the UV laser light 52 is condensed by the thermal lens effect. For this reason, a change occurs in the beam diameter of the UV laser light 52 at the opening 31 before and after damage.
  • the beam diameter of the UV laser light 52 may be increased or decreased at the opening 31 depending on the arrangement position of the lens and the opening 31 in the optical path.
  • the transmittance detector 32 may detect the amount of energy that passes through the opening 31. In this case, when the opening 31 is moved in the optical path of the UV laser light 52, the transmittance detection unit 32 and the amount of energy transmitted through the opening 31 and the opening 31 in the optical path of the UV laser light 52 are detected. The amount of energy of the UV laser light 52 when not moved to is detected. And the damage determination part 33 determines the damage condition of an optical component based on the energy variation
  • Laser oscillators 10A to 10C are applied to, for example, a laser processing apparatus.
  • a laser processing apparatus the configuration of the laser processing apparatus when the laser oscillators 10A to 10C are applied to the laser processing apparatus will be described.
  • FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the laser processing apparatus.
  • the laser processing apparatus 100 is an apparatus that performs a drilling process such as a through hole in a work (workpiece) 7 such as a printed wiring board.
  • the laser processing apparatus 100 includes any one of the laser oscillators 10A to 10C, the galvano scan mirror 3, and the processing control apparatus 2.
  • the laser processing apparatus 100 includes a laser oscillator 10A will be described.
  • the laser oscillator 10A is a device that outputs a pulse laser beam (UV laser beam 52) and sends it to the workpiece 7 side.
  • the laser oscillator 10 ⁇ / b> A outputs pulsed laser light in response to a command from the processing control device 2.
  • the machining control device 2 controls the laser oscillator 10 ⁇ / b> A and the galvano scan mirror 3 so that pulsed laser light is output in synchronization with the operation of the galvano scan mirror 3.
  • the processing control device 2 outputs a laser output command to the laser oscillator 10 ⁇ / b> A and outputs a positioning command (command for specifying a processing position) to the galvano scan mirror 3.
  • the processing control device 2 can detect the emission timing of the UV laser light 52 output from the laser oscillator 10A and the galvano scan mirror 3 based on the processing program so that the desired drilling position can be irradiated with the pulsed laser light. Control the positioning process.
  • the laser processing apparatus 100 includes a mask 4 and an f ⁇ lens 6 constituting an image transfer optical system for the output pulsed laser light.
  • the UV laser light 52 emitted from the laser oscillator 10 ⁇ / b> A is sent to the galvano scan mirror 3 through the mask 4 and reflected by the galvano scan mirror 3.
  • the galvano scan mirror 3 is a mirror for positioning the irradiation position of the pulse laser beam in the galvano area.
  • the galvano scan mirror 3 irradiates the laser processing position on the workpiece 7 with the laser beam (UV laser beam 52) through the f ⁇ lens 6 by scanning the pulse laser beam.
  • a laser beam having a pulse energy of 500 ⁇ J or more is output from the THG crystal 13, and 30 mJ / cm is applied to an optical component disposed downstream of the THG crystal 13.
  • Optical components are arranged so that two or less UV laser beams 52 are incident. Further, based on the amount of change in the transmittance of the UV laser light 52 that passes through the opening 31, it is determined whether or not the optical component has been damaged. The irradiation position is moved. For this reason, even when the optical component is irradiated with 1 ⁇ 10 11 pulses of UV pulse laser, it is possible to prevent the optical component from being damaged. Therefore, it is possible to give a sufficient life to the optical component.
  • the laser oscillator according to the present invention is suitable for high-pulse energy laser light output.
  • 10A to 10C laser oscillator 11 laser light source, 12 SHG crystal, 13 THG crystal, 14A and 14B separation prism, 15 expanding lens, 16 collimating lens, 17 top hat lens, 20 moving mechanism, 21 mirror, 22 CCD camera, 23 beam Absorber, 24, 33 Damage determiner, 25 Drive controller, 31 aperture, 32 transmittance detector, 50 optical components, 51 fundamental laser light, 52 UV laser light, 61 incident position, 62 emission position, 100 laser Processing equipment.

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Abstract

　レーザ発振器において、第１のレーザ光を出力するレーザ光源と、第１のレーザ光を波長変換してパルスエネルギーが５００μＪ以上となる第２のレーザ光を出力する波長変換部と、波長変換部よりも光路後段側に配置されるとともに、波長変換部で波長変換された第２のレーザ光を伝播させる光学部品と、を備え、光学部品に入射する第２のレーザ光のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、波長変換部と光学部品との間に距離が設けられている。

Description

レーザ発振器
　本発明は、波長変換したレーザ光を発生させるレーザ発振器に関する。
　レーザ発振器（ＵＶ波長変換レーザ装置）では、高い出力を得るために、波長変換結晶でビームを集光させて波長変換効率を高くしている。このため、ＵＶレーザ光を発生させるＴＨＧ結晶よりも光路後段の光学部品においても、ビーム径が十分に広がっていないために入射ビームのエネルギー強度が高くなる場合がある。
　例えば、波長変換結晶よりも光路前段にレンズを配置することによって波長変換結晶でビームを集光し、高い波長変換効率を得る方法がある。この方法の場合、ビームが波長変換結晶を出射した後に最初に入射される光学部品は、ビーム径が十分大きくないので、ビームのエネルギー強度が高くなることがある。このため、波長変換結晶よりも光路後段の光学部品（特に入射ビームのエネルギー強度が高い光学部品）において光学部品（素子）に損傷が発生することがあった。一般に、波長変換結晶の光路後段には、ＵＶレーザ光を基本波レーザ光等から分離するための光学系、所望のビーム径およびビーム形状を得るための光学系などが配置される。このため、これらの光学系にて使用される光学部品のうち、入射ビームのエネルギー密度が高い光学部品で損傷が発生する。
　ところで、ＩＳＯ１１２５４では、光学部品表面の損傷閾値を求める方法が規定されている。光学部品の損傷閾値は、照射するレーザ光のショット数が増加するにつれて減少する特性を示し、ショット数を対数とした関数で数式化される。そして、ショット数が所定数になると、損傷閾値はほとんど変わらない特性になると考えられていた。
　例えば、基本波レーザ光に対して合成石英を使用する場合、２～３Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度でパルス幅３０ｎｓ程度のパルスレーザを１×１０11パルス照射しても損傷は発生しない。これは、上記ＩＳＯで規定される関数で考えた場合、基本波レーザ光は、エネルギー密度が損傷閾値よりも十分小さい値であるからと考えられる。
　一方、レーザ光の波長が短くなるにつれ損傷閾値は低くなる傾向にあるので、ＵＶレーザ光は、基本波レーザ光よりも損傷閾値が小さくなる。例えば、特許文献１には、合成石英に、１４Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度で、１×１０7パルス照射した場合には損傷は発生しないことが開示されている。
　また、合成石英の製造条件によっては同じエネルギー密度であっても１×１０4パルスで損傷が確認されている。これらのことから、１×１０11パルスの照射でも損傷を発生させないためには１Ｊ／cm2未満のエネルギー密度にしておく必要があることが想定されていた。
特開２００４－５９４０６号公報
　しかしながら、実際には０．２Ｊ／ｃｍ2程度のＵＶレーザパルスを照射しても１×１０9パルス程度で損傷が発生することが確認された。このため、上記従来技術では、光学部品が十分な寿命を有していないという問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光学部品の寿命を長くすることができるレーザ発振器を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ発振器は、第１のレーザ光を出力するレーザ光源と、前記第１のレーザ光を波長変換してパルスエネルギーが５００μＪ以上となる第２のレーザ光を出力する波長変換部と、前記波長変換部よりも光路後段側に配置されるとともに、前記波長変換部で波長変換された前記第２のレーザ光を伝播させる光学部品と、を備え、前記光学部品に入射する前記第２のレーザ光のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、前記波長変換部と前記光学部品との間に距離が設けられていることを特徴とする。
　本発明によれば、光学部品の寿命を長くすることが可能になるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係るレーザ発振器の構成を示す図である。 図２は、ＴＨＧ結晶よりも光路後段の最初の光学部品の配置位置を説明するための図である。 図３は、光学部品へのパルスレーザのショット数と、光学部品の損傷閾値との関係を示す図である。 図４は、実施の形態２に係るレーザ発振器の構成を示す図である。 図５は、実施の形態３に係るレーザ発振器の構成を示す図である。 図６は、レーザ加工装置の構成を示す図である。
　以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ発振器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係るレーザ発振器の構成を示す図である。レーザ発振器１０Ａは、例えば、基本波レーザ光を波長変換してＵＶレーザ光を出力するＵＶ（Ultra　Violet）波長変換レーザ装置（ＵＶレーザ発振器）である。
　本実施の形態のレーザ発振器１０Ａは、パルスエネルギーが５００μＪ以上のＵＶレーザ光をＴＨＧ（Third　Harmonic　Generation）結晶から出力するとともに、ＴＨＧ結晶よりも光路後段に配置された光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のＵＶレーザ光を入射させる。レーザ発振器１０Ａでは、ＴＨＧ結晶と、ＴＨＧ結晶以降に配置された光学部品との間の距離を十分とることによって、ＵＶレーザ光が照射される光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のレーザ光を入射させる。
　レーザ発振器１０Ａは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ（Second　Harmonic　Generation）結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７とを有している。
　レーザ光源１１は、基本波レーザ光５１を出力して光路後段側に送る。レーザ光源１１には、例えばＹＡＧレーザ等の光源が用いられる。レーザ光源１１から出力された基本波レーザ光５１は、ミラーなどを介してＳＨＧ結晶１２に導かれる。
　ＳＨＧ結晶１２は、光路前段から数えて１個目の波長変換結晶であり、基本波レーザ光５１を２倍波レーザ光に変換する。２倍波レーザ光は、ＳＨＧ結晶１２からＴＨＧ結晶１３に送られる。
　ＴＨＧ結晶１３は、光路前段から数えて２個目の波長変換結晶である。ＴＨＧ結晶１３は、ＳＨＧ結晶１２で変換された２倍波レーザ光と、波長変換されずに残った基本波レーザ光５１とを用いて、ＵＶレーザ光５２を生成する。ＵＶレーザ光５２と、波長変換されずに残った２倍波レーザ光および基本波レーザ光５１とは、ＴＨＧ結晶１３から分離プリズム１４Ａ，１４Ｂに送られる。なお、以下の説明では、基本波レーザ光５１、２倍波レーザ光またはＵＶレーザ光５２をレーザ光という場合がある。
　分離プリズム１４Ａ，１４Ｂは、角度分散を利用して各波長成分のレーザ光を分離し、ＵＶレーザ光５２をエキスパンドレンズ１５に送る。エキスパンドレンズ１５は、ＵＶレーザ光５２のビーム径を変化させて（拡大して）コリメートレンズ１６に送る。コリメートレンズ１６は、ビーム広がり角を変化させるレンズである。コリメートレンズ１６は、ＵＶレーザ光５２を平行光に変化させてトップハットレンズ１７に送る。トップハットレンズ１７は、ＵＶレーザ光５２のモード形状を変化させて出射端（出口）に出力する。なお、トップハットレンズ１７は、エキスパンドレンズ１５またはコリメートレンズ１６よりも光路前段に配置されてもよい。
　本実施の形態のレーザ発振器１０Ａでは、ＴＨＧ結晶１３と、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の光学部品である分離プリズム１４Ａとの距離が、パルスエネルギーおよび分離プリズム１４Ａに入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度に応じた距離Ｌ１とされている。
　具体的に、レーザ発振器１０Ａでは、ＴＨＧ結晶１３と分離プリズム１４Ａとの距離が、パルスエネルギー（５００μＪ以上）および分離プリズム１４Ａでのエネルギー密度（３０ｍＪ／ｃｍ2以下）に応じた距離Ｌ１だけ離されている。これにより、分離プリズム１４Ａに入射させるＵＶレーザ光５２のビーム径を拡大することができるので、ＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を低くすることが可能となる。
　レーザ発振器１０Ａでは、高いレーザ光出力を得るために、波長変換結晶（ＳＨＧ結晶１２、ＴＨＧ結晶１３）でレーザ光（ビーム）を集光させて波長変換効率を高めてもよい。また、レーザ発振器１０Ａでは、波長変換結晶に寸法の長い素子を用いて波長変換効率を高めてもよい。この場合、レーザ発振器１０Ａでは、波長変換結晶に入射するレーザ光のＮＡが小さくされることによって、レーザ光の広がり角が小さくされる。これにより、波長変換結晶内全域でのビーム径が小さくされる。
　このように、レーザ発振器１０Ａにおいて高いレーザ光出力を得るためには、ＴＨＧ結晶１３の出射面でのＵＶレーザ光５２のビーム径は小さくされる。この結果、ＴＨＧ結晶１３の出射面には有機物が堆積し易く、この堆積した有機物がＵＶレーザ光５２の出力を低下させる。
　このため、波長変換結晶を密閉筐体に格納しておいてもよい。これにより、ＴＨＧ結晶１３への有機物の付着を低減することができる。この場合において、波長変換結晶を使用する前に密閉筐体内を真空引きしておいてもよい。これにより、波長変換結晶の近傍を有機物の少ない環境にすることができる。また、分離プリズム１４Ａなどの光学部品に粉塵等の汚れが付着することを防止するために、光学部品および波長変換結晶を密閉筐体内に配置しておいてもよい。また、レーザ発振器１０Ａは、定期的にＴＨＧ結晶１３へのレーザ光の照射位置を変更できるよう構成されてもよい。
　また、波長変換結晶でのＵＶレーザ光５２のビーム径を小さくすることによって、ＵＶレーザ光５２を発生させるＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の光学部品において、ＵＶレーザ光５２のビーム径が小さくなり、ＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が高くなる。
　このため、本実施の形態では、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の最初の光学部品（例えば、分離プリズム１４Ａ）に入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下になるよう、各光学部品が配置されている。
　このような構成により、ＵＶレーザ光５２は、ＴＨＧ結晶１３を出射した後、広がりながら伝播し、エネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下になる位置で、分離プリズム１４Ａ等の光学部品に入射する。したがって、レーザ発振器１０Ａは、１×１０10パルスレベルまでＵＶレーザ光５２をパルス照射可能となり、その結果、光学部品の寿命を安定させることが可能となる。
　レーザ発振器１０Ａでは、ＵＶレーザ光５２用の光学部品として合成石英（石英ガラス）などが使用される。これは、合成石英を用いた光学部品が、基本波レーザ光５１、２倍波レーザ光およびＵＶレーザ光５２に対して高い耐光強度と寿命を有しているからである。すなわち、合成石英は、ＵＶレーザ光５２の波長だけでなく、基本波レーザ光５１および２倍波レーザ光の波長に対しても高い透過性を示す。このことから、合成石英は、レーザ発振器１０Ａ内で発生する何れの波長のレーザ光に対しても用いることができる。レーザ発振器１０Ａでは、波長変換後のＵＶレーザ光５２を基本波レーザ光５１等から分離する際に、例えば、合成石英を母材とした分離プリズム１４Ａ，１４Ｂが用いられる。
　ここで、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の最初の光学部品の配置位置について説明する。図２は、ＴＨＧ結晶よりも光路後段の最初の光学部品の配置位置を説明するための図である。
　図２では、ＴＨＧ結晶１３のうち、ＵＶレーザ光５２を出射する位置を出射位置６２で示している。また、光学部品５０（例えば、分離プリズム１４Ａ）のうちＴＨＧ結晶１３から送られてくるＵＶレーザ光５２が入射される位置を入射位置（照射位置）６１で示している。
　光学部品５０に入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となる光学部品５０の配置位置は、波長変換結晶（ここではＴＨＧ結晶１３）で集光される基本波レーザ光５１のビームウエスト径とレーザ出力値とに基づいて決定することができる。
　レーザ発振器１０Ａでは、ＴＨＧ結晶１３から出力されるＵＶレーザ光５２のレーザ出力値を、例えば５００μＪ以上とする。レーザ出力値が５００μＪ以上である場合、ＴＨＧ結晶１３から出力される際のＵＶレーザ光５２のビーム径は、例えば０．５ｍｍである。
　レーザ発振器１０Ａでは、例えば、ＴＨＧ結晶１３のレーザ光出射面と光学部品５０のレーザ光入射面との間の距離をＬ１とすることで光学部品５０に入射させるＵＶレーザ光５２を直径１．５ｍｍ以上のビーム径とする。これにより、光学部品５０に入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下とされる。
　なお、入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を３０ｍＪ／ｃｍ2以下としておく光学部品は、分離プリズム１４Ａに限らず、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の全ての光学部品としておいてもよい。換言すると、レーザ発振器１０Ａでは、ＵＶレーザ光５２が通過する全ての光学部品に対して、入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、光学部品が配置される。
　レーザ発振器１０Ａでは、例えば、分離プリズム１４Ｂ、エキスパンドレンズ１５、コリメートレンズ１６およびトップハットレンズ１７の全てに対して、入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を３０ｍＪ／ｃｍ2以下としておく。
　なお、レーザ発振器１０Ａの出口（ＵＶレーザ光５２の出力位置）でのビーム径を所望の大きさにするために、レーザ発振器１０Ａ内に、レーザ光を拡大または縮小させる各種光学系を配置しておいてもよい。
　また、レーザ発振器１０Ａ内には、レーザ光のビーム形状（ビームプロファイル）をガウス分布形状からトップハット分布形状等に調整するために、各種光学系（光学部品）を配置しておいてもよい。この場合も、レーザ発振器１０Ａでは、これらの光学部品に入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、各光学部品が配置される。
　また、入射するエネルギー密度を３０ｍＪ／ｃｍ2以下としておくレーザ光は、ＵＶレーザ光５２に限らない。例えば、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の光学部品に対して、波長５３２ｎｍ以下のレーザ光がエネルギー密度３０ｍＪ／ｃｍ2以下で入射されるよう、各光学部品などをレーザ発振器１０Ａ内に配置しておいてもよい。
　また、レーザ発振器１０Ａは、ＵＶ波長変換レーザ装置に限らず、何れの波長変換レーザ装置であってもよい。また、レーザ光源１１から出力されるレーザ光の波長は何れの波長であってもよい。また、レーザ発振器１０Ａは、波長変換結晶として、ＴＨＧ結晶１３を備えずＳＨＧ結晶１２のみを備えていてもよい。また、レーザ発振器１０Ａは、波長変換結晶として、ＳＨＧ結晶１２およびＴＨＧ結晶１３と、ＦＨＧ（Fourth　Harmonic　Generation）結晶とを備えていてもよい。
　ところで、ＩＳＯ１１２５４では、光学部品表面の損傷閾値を求める方法が規定されている。図３は、光学部品へのパルスレーザのショット数と、光学部品の損傷閾値との関係を示す図である。図３では、ＵＶパルスレーザ（ＵＶレーザ光５２）を光学部品に照射した場合の損傷閾値特性１０１を示している。
　光学部品の損傷閾値（損傷ピークパワー密度）は、この値を超えるピークパワー密度を有したレーザ光が光学部品に当てられた場合に、光学部品に損傷を与える値である。光学部品の損傷閾値は、高い値であるほど耐久性が高く実用的である。
　図３に示すように、光学部品の損傷閾値は、ＵＶパルスレーザのショット数が増加するに従って小さくなっていく。換言すると、光学部品は、パルスレーザのショット数が増えるに従って損傷を受けやすくなる。
　そして、図３に示すように、パルスレーザのショット数が所定数（１×１０9ショット）になると、損傷閾値がほとんど変わらなくなることが予想されていた。しかしながら、ＵＶレーザパルスの場合、１×１０11ショットレベルでも、損傷閾値が、まだショット数に大きく依存することが判明した。したがって、本実施の形態では、光学部品に入射させるＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を、３０ｍＪ／ｃｍ2以下とし、これにより、光学部品への損傷を防止している。
　このように、実施の形態１によれば、ＴＨＧ結晶１３からパルスエネルギーが５００μＪ以上のレーザ光を出力するとともに、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段に配置された光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のＵＶレーザ光５２が入射されるよう光学部品が配置されている。このため、光学部品にＵＶパルスレーザが１×１０9パルス照射された場合であっても、損傷の発生を防止することができる。したがって、光学部品に十分な寿命を与えることが可能となる。
実施の形態２．
　つぎに、図４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、ＵＶレーザ光５２のビーム形状（空間強度分布）が、所定形状からずれてきた場合に、光学部品を移動させることによって、光学部品へのＵＶレーザ光５２の入射位置を移動させる。
　図４は、実施の形態２に係るレーザ発振器の構成を示す図である。図４の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１のレーザ発振器１０Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。
　本実施の形態のレーザ発振器１０Ｂは、ＵＶレーザ光５２のビーム形状を検出する機能と、ビーム形状が所定形状からずれてきたか否かを判定する機能と、ビーム形状が所定形状からずれてきた場合に光学部品の位置を移動させる機能とを有している。
　具体的には、レーザ発振器１０Ｂは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７と、ミラー２１と、ＣＣＤカメラ２２と、ビーム吸収部２３と、損傷判定部２４と、駆動制御部２５と、移動機構２０とを有している。
　レーザ発振器１０Ｂでは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７とが、レーザ発振器１０Ａと同様の位置に配置されている。
　ミラー２１は、レーザ発振器１０ＢのうちＵＶレーザ光５２を出射する位置（出口）に配置される。具体的には、ミラー２１は、コリメートレンズ１６よりも光路後段に配置される。ミラー２１は、開閉自在に配置されている。ミラー２１は、開状態の時には、ＵＶレーザ光５２を通過させ、閉状態の時にはＵＶレーザ光５２を反射してビーム吸収部２３に送る。
　レーザ発振器１０Ｂが、ＵＶレーザ光５２を外部出力する際には、レーザ光源１１がパルス発振動作に制御されるとともに、ミラー２１が開状態に制御される。また、レーザ発振器１０Ｂが、ＵＶレーザ光５２の外部出力を停止する際には、レーザ光源１１がＣＷ（Continuous　Wave）発振動作に制御されるとともに、ミラー２１が閉状態に制御される。さらに、レーザ発振器１０Ｂが、ＵＶレーザ光５２のビーム形状を検出する際には、レーザ光源１１がパルス発振動作に制御されるとともに、ミラー２１が閉状態に制御される。
　ビーム吸収部２３は、ＵＶレーザ光５２の一部を吸収するとともに、残りの一部をＣＣＤカメラ（ビーム形状検出部）２２に送る。ＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）カメラ（撮像装置）２２は、ミラー２１で反射されて送られてくるＵＶレーザ光５２のビーム形状を検出する。ＣＣＤカメラ２２は、ＵＶレーザ光５２のビーム形状を損傷判定部２４に送る。
　損傷判定部２４は、例えば、コンピュータであり、ＣＣＤカメラ２２から送られてくるＵＶレーザ光５２のビーム形状が、所定のビーム形状からずれているか否かを判定する。損傷判定部２４は、例えば、ＵＶレーザ光５２がガウス形状の分布であれば理想ガウス分布との間の相関係数（形状ずれ量）を算出し、算出結果に基づいて光学部品の損傷具合を判定する。相関係数は、理想分布と完全一致していれば１．０となる係数である。損傷判定部２４は、例えば、相関係数が０．９未満であれば、何らかの損傷が光学部品内の素子に発生したと判定する。損傷判定部２４は、光学部品に損傷が発生したと判定した場合に、移動指令を駆動制御部２５に送る。駆動制御部２５は、損傷判定部２４から送られてくる移動指令に従って、移動機構２０を駆動制御し、これにより、移動機構２０の位置を移動させる。
　移動機構２０は、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂを載置するとともに、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂを移動させるステージなどである。移動機構２０は、ＵＶレーザ光５２の光軸がずれない方向に移動機構２０を移動させる。図４の場合、移動機構２０は、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂを紙面の上側に移動させる。
　なお、ミラー２１、ＣＣＤカメラ２２、ビーム吸収部２３、損傷判定部２４は、レーザ発振器１０Ｂと別構成にしてもよい。
　前述したように、光学部品に入射するレーザ光がＵＶレーザ光５２である場合、１×１０11ショットレベルでも、損傷閾値がまだショット数に大きく依存することが判明した。このため、本実施の形態では、光学部品に入射させるＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を、３０ｍＪ／ｃｍ2にするとともに、ＵＶレーザ光５２の入射エネルギーが高い光学部品に対しては、定期的に光学部品を移動させる。
　このように、本実施の形態では、ＵＶレーザ光５２が空間を伝播する距離を長くすることによって、光学部品に入射するＵＶレーザ光５２のビーム径を拡大させるとともに、光学部品が損傷した場合には、光学部品へのＵＶレーザ光５２の入射位置を移動させる。これにより、光学部品に対して、（１点あたりの寿命ショット数）×（移動ポイント数）だけの寿命を確保することが可能となる。
　このように、光学部品に入射させるＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を３０ｍＪ／ｃｍ2にするとともに、定期的に光学部品を移動させることによって、光学部品の寿命を、１×１０12ショット以上のレベルにまで長寿命化することが可能となる。
　なお、本実施の形態では、レーザ発振器１０Ｂから最終的に出力されるＵＶレーザ光５２のビーム形状に基づいて、光学部品の損傷を判定したが、予め決めておいた所定の時間毎に光学部品を移動させてもよい。
　また、本実施の形態では、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂを移動させる場合について説明したが、ＵＶレーザ光５２が照射される他の光学部品を移動させてもよい。この場合も、光学部品が損傷していると判定された場合に、ＵＶレーザ光５２の照射位置（光学部品への入射位置）が変更される。
　このように、実施の形態２によれば、ＴＨＧ結晶１３からパルスエネルギーが５００μＪ以上のレーザ光を出力するとともに、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段に配置された光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のＵＶレーザ光５２が入射されるよう光学部品が配置されている。さらに、ＵＶレーザ光５２のビーム形状に基づいて、光学部品が損傷したか否かが判定され、損傷している場合には光学部品へのＵＶレーザ光５２の照射位置を移動している。このため、光学部品にＵＶパルスレーザが１×１０11パルス照射された場合であっても、光学部品の損傷の発生を防止することができる。したがって、光学部品に十分な寿命を与えることが可能となる。
実施の形態３．
　つぎに、図５を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、ＵＶレーザ光５２の透過率が所定値以上変化した場合に、光学部品を移動させることによって、光学部品へのＵＶレーザ光５２の入射位置を移動させる。
　図５は、実施の形態３に係るレーザ発振器の構成を示す図である。図５の各構成要素のうち、図１に示す実施の形態１のレーザ発振器１０Ａ、図４に示す実施の形態２のレーザ発振器１０Ｂと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。
　本実施の形態のレーザ発振器１０Ｃは、ＵＶレーザ光５２のうちアパーチャ（開口部３１）を通過したＵＶレーザ光５２のビームパワーを測定する機能と、ビームパワーが所定範囲内からずれてきたか否かを判定する機能と、ビームパワーが所定範囲内からずれてきた場合に光学部品の位置を移動させる機能とを有している。
　具体的には、レーザ発振器１０Ｃは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７と、開口部３１と、透過率検出部３２と、損傷判定部３３と、駆動制御部２５と、移動機構２０とを有している。
　レーザ発振器１０Ｃでは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７とが、レーザ発振器１０Ａ，１０Ｂと同様の位置に配置されている。
　開口部３１には、所定の寸法を有した穴が設けられている。開口部３１は、穴に入射してくるＵＶレーザ光５２を通過させるとともに、穴以外の位置に入射してくるＵＶレーザ光５２を遮断する。なお、開口部３１は、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段側であれば、レーザ発振器１０Ｃ内の光路中の何れの位置に配置してもよい。
　開口部３１は、ＵＶレーザ光５２の光路中に対して挿入自在に配置されている。そして、開口部３１は、透過率が検査される際には、ＵＶレーザ光５２の光路中に移動させられる。開口部３１は、透過率が検査されない場合（ＵＶレーザ光５２を出力する際）には、ＵＶレーザ光５２の光路中から外される。
　透過率検出部３２は、開口部３１がＵＶレーザ光５２の光路中に挿入された状態でのＵＶレーザ光５２の透過率と、開口部３１がＵＶレーザ光５２の光路中に挿入されていない状態でのＵＶレーザ光５２の透過率とを検出する。したがって、開口部３１は、光学部品の損傷を確認する度に光路中に挿入される。透過率検出部３２は、検出結果を損傷判定部３３に送る。
　損傷判定部３３は、例えば、コンピュータであり、透過率検出部３２から送られてくる検出結果に基づいて、透過率の変化量を算出する。そして、損傷判定部３３は、透過率の変化量に基づいて、光学部品の損傷具合を判定する。
　具体的には、損傷判定部３３は、開口部３１が光路中に挿入された状態でのＵＶレーザ光５２の透過率が、開口部３１が光路中に挿入されていない状態でのＵＶレーザ光５２の透過率から所定値以上変化すると、光学部品に何らかの損傷が発生したと判定する。損傷判定部３３は、光学部品に損傷が発生したと判定した場合に、移動指令を駆動制御部２５に送る。駆動制御部２５は、損傷判定部３３から送られてくる移動指令に従って、移動機構２０を駆動制御する。
　このように、本実施の形態では、光路中の特定位置に開口部３１を設け、開口部３１を挿入した際の透過率の変化に基づいて光学部品が損傷したか否かが判定される。光学部品に損傷が発生すると、損傷部で熱を発生するので、熱レンズ効果によってＵＶレーザ光５２が集光される。このため、損傷前と損傷後とでは開口部３１でのＵＶレーザ光５２のビーム径に変化が生じる。なお、ＵＶレーザ光５２のビーム径は、光路中におけるレンズおよび開口部３１の配置位置に応じて、開口部３１で大きくなる場合と小さくなる場合とがある。
　なお、透過率検出部３２は、開口部３１を通過するエネルギー量を検出してもよい。この場合、透過率検出部３２は、開口部３１がＵＶレーザ光５２の光路中に移動させられた場合に、開口部３１を透過するエネルギー量と、開口部３１がＵＶレーザ光５２の光路中に移動させられていない場合のＵＶレーザ光５２のエネルギー量とを検出する。そして、損傷判定部３３は、ＵＶレーザ光５２のエネルギー変化量に基づいて、光学部品の損傷具合を判定する。
　レーザ発振器１０Ａ～１０Ｃは、例えば、レーザ加工装置などに適用される。ここで、レーザ発振器１０Ａ～１０Ｃがレーザ加工装置に適用された場合の、レーザ加工装置の構成について説明する。
　図６は、レーザ加工装置の構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、プリント配線基板などのワーク（被加工物）７にスルーホールなどの穴あけ加工を行う装置である。本実施の形態のレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０Ａ～１０Ｃの何れか１つと、ガルバノスキャンミラー３と、加工制御装置２と、を備えている。なお、ここではレーザ加工装置１００が、レーザ発振器１０Ａを備えている場合について説明する。
　レーザ発振器１０Ａは、パルスレーザ光（ＵＶレーザ光５２）を出力してワーク７側に送る装置である。レーザ発振器１０Ａは、加工制御装置２からの指令に応じてパルスレーザ光を出力する。
　加工制御装置２は、ガルバノスキャンミラー３の動作と同期してパルスレーザ光が出力されるよう、レーザ発振器１０Ａおよびガルバノスキャンミラー３を制御する。加工制御装置２は、レーザ出力指令をレーザ発振器１０Ａへ出力するとともに、位置決め指令（加工位置を指定する指令）をガルバノスキャンミラー３に出力する。
　このように、加工制御装置２は、所望の穴あけ位置にパルスレーザ光を照射できるよう、加工プログラムに基づいて、レーザ発振器１０Ａから出力されるＵＶレーザ光５２の出射タイミングと、ガルバノスキャンミラー３の位置決め処理とを制御する。
　また、レーザ加工装置１００は、出力されたパルスレーザ光に対して像転写光学系を構成しているマスク４およびｆθレンズ６を備えている。レーザ発振器１０Ａから出射されたＵＶレーザ光５２は、マスク４を介してガルバノスキャンミラー３に送られ、ガルバノスキャンミラー３で反射される。
　ガルバノスキャンミラー３は、ガルバノエリア内でパルスレーザ光の照射位置を位置決めするミラーである。ガルバノスキャンミラー３は、パルスレーザ光を走査することによって、ｆθレンズ６を介してワーク７上のレーザ加工位置にレーザ光（ＵＶレーザ光５２）を照射する。
　このように、実施の形態３によれば、ＴＨＧ結晶１３からパルスエネルギーが５００μＪ以上のレーザ光を出力するとともに、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段に配置された光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のＵＶレーザ光５２が入射されるよう光学部品が配置されている。さらに、開口部３１を透過するＵＶレーザ光５２の透過率の変化量に基づいて、光学部品が損傷したか否かが判定され、損傷している場合には光学部品へのＵＶレーザ光５２の照射位置を移動している。このため、光学部品にＵＶパルスレーザが１×１０11パルス照射された場合であっても、光学部品の損傷の発生を防止することができる。したがって、光学部品に十分な寿命を与えることが可能となる。
　以上のように、本発明に係るレーザ発振器は、高いパルスエネルギーのレーザ光出力に適している。
　１０Ａ～１０Ｃ　レーザ発振器、１１　レーザ光源、１２　ＳＨＧ結晶、１３　ＴＨＧ結晶、１４Ａ，１４Ｂ　分離プリズム、１５　エキスパンドレンズ、１６　コリメートレンズ、１７　トップハットレンズ、２０　移動機構、２１　ミラー、２２　ＣＣＤカメラ、２３　ビーム吸収部、２４，３３　損傷判定部、２５　駆動制御部、３１　開口部、３２　透過率検出部、５０　光学部品、５１　基本波レーザ光、５２　ＵＶレーザ光、６１　入射位置、６２　出射位置、１００　レーザ加工装置。

Claims (10)

  1. 　第１のレーザ光を出力するレーザ光源と、
    　前記第１のレーザ光を波長変換してパルスエネルギーが５００μＪ以上となる第２のレーザ光を出力する波長変換部と、
    　前記波長変換部よりも光路後段側に配置されるとともに、前記波長変換部で波長変換された前記第２のレーザ光を伝播させる光学部品と、
    　を備え、
    　前記光学部品に入射する前記第２のレーザ光のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、前記波長変換部と前記光学部品との間に距離が設けられていることを特徴とするレーザ発振器。
  2. 　前記第２のレーザ光の波長は、５３２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
  3. 　前記光学部品に損傷が発生したか否かを判定する損傷判定部と、
    　前記光学部品を載置するとともに、前記光学部品に損傷が発生したと判定された場合には、前記光学部品の位置を移動させることによって前記光学部品への前記第２のレーザ光の照射位置を移動させる移動機構と、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振器。
  4. 　前記第２のレーザ光のビーム形状を検出するビーム形状検出部をさらに備え、
    　前記損傷判定部は、検出したビーム形状の所定形状からのずれ量が所定値よりも大きくなると、前記光学部品に損傷が発生したと判定することを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振器。
  5. 　所定寸法の穴から前記第２のレーザ光を通過させるとともに、前記穴以外の位置で前記第２のレーザ光を遮断し、且つ前記第２のレーザ光の光路中に挿入自在に配置された開口部をさらに備え、
    　前記損傷判定部は、前記開口部が前記光路中に挿入された状態での前記第２のレーザ光の透過率が、前記開口部が前記光路中に挿入されていない状態での前記第２のレーザ光の透過率から所定値以上変化すると、前記光学部品に損傷が発生したと判定することを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振器。
  6. 　前記光学部品は、前記波長変換部から出力される前記第２のレーザ光と当該第２のレーザ光以外のレーザ光とを分離する分離プリズムであることを特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
  7. 　前記光学部品は、前記波長変換部から出力される前記第２のレーザ光のビーム径、ビーム広がり角またはモード形状を変化させるレンズであることを特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
  8. 　前記波長変換部は、前記第１のレーザ光を２倍波レーザ光に変換するＳＨＧ結晶を有し、
    　前記第２のレーザ光は、前記２倍波レーザ光であることを特徴とする請求項１～７のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
  9. 　前記波長変換部は、前記第１のレーザ光を２倍波レーザ光に変換するＳＨＧ結晶と、前記第１のレーザ光および前記２倍波レーザ光を用いて３倍波レーザ光を生成するＴＨＧ結晶と、を有し、
    　前記第２のレーザ光は、前記３倍波レーザ光であることを特徴とする請求項１～７のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
  10. 　前記第２のレーザ光は、ＵＶレーザ光であることを特徴とする請求項１～９のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
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