WO2021172020A1 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

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light
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laser
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隆史 栗田
一希 川合
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01S5/0064—Anti-reflection components, e.g. optical isolators

Definitions

  • FIG. 8 is a graph showing (a) a time waveform of the laser beam La before amplification and (b) a graph showing a time waveform of the laser beam Lb after amplification.
  • FIG. 9 is a graph showing (a) a time waveform of the laser beam La before amplification and (b) a graph showing a time waveform of the laser beam Lb after amplification.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of a time waveform of the laser beam Lb output from the optical amplifier 3, in which (a) a Gaussian waveform with a FWHM of 4 nanoseconds and (b) a Gaussian waveform with a FWHM of 32 nanoseconds. Shown.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of a time waveform of the laser beam Lb output from the optical amplifier 3, in which (a) a Gaussian waveform with a FWHM of 4 nanoseconds and (b) a Gaussian waveform with a FWHM of 32 nanoseconds
  • FIG. 14 is a graph showing a time waveform of an optical pulse group Pb, which is an optical pulse train including a plurality of ultrashort optical pulses Pba generated as laser light Lb in the laser processing apparatus 1A of one embodiment.
  • FIG. 15 is (a) a front surface image of the work piece B after drilling observed by SEM, and (b) a back surface image of the work piece B after drilling observed by SEM.
  • FIG. 16 shows a graph showing the time waveforms of the optical pulse group Pc and the optical pulse Pd generated as the laser beam Lb in the laser processing apparatus 1A of one embodiment, and (b) after the drilling process observed by SEM. It is a surface image of the work piece B of.
  • FIG. 15 is (a) a front surface image of the work piece B after drilling observed by SEM, and (b) a back surface image of the work piece B after drilling observed by SEM.
  • FIG. 16 shows a graph showing the time waveforms of the optical pulse group Pc and the optical pulse Pd generated
  • FIG. 27 shows a processing process in which a plurality of processing processes are continuously performed in a short period of time by using the laser processing apparatus 1A of one embodiment, and (a) a plurality of layers B1 to a plurality of layers having different constituent materials from each other.
  • the time waveforms of the workpiece B having B3, the laser beam Lb irradiated on the workpiece B, and (b) the laser beam Lb are shown.
  • FIG. 28 shows a processing process in which a plurality of processing processes are continuously performed in a short period of time by using the laser processing apparatus 1A of one embodiment, and (a) a plurality of layers B1 to a plurality of layers having different constituent materials from each other.
  • the time waveforms of the workpiece B having B3, the laser beam Lb irradiated on the workpiece B, and (b) the laser beam Lb are shown.
  • FIG. 29 shows a processing process in which a plurality of processing processes are continuously performed in a short period of time by using the laser processing apparatus 1A of one embodiment, and (a) a plurality of layers B1 to a plurality of layers having different constituent materials from each other.
  • FIG. 30 shows (a) a graph showing a combination of optical pulse groups Pi, Py, and Pk corresponding to a certain processing process, (b) a graph showing an optical pulse group Pj corresponding to the next processing process, and (c). Further, it is a graph which shows the optical pulse group Pi, Pi, Pm corresponding to the next processing process.
  • FIG. 31 is a graph showing the time waveform of the laser beam Lb irradiated in one embodiment.
  • FIG. 32 is a diagram showing SEM images of holes formed in the workpiece B (a) and (b).
  • FIG. 33 is a diagram showing SEM images of holes formed in the workpiece B (a) and (b).
  • FIG. 34 is a block diagram showing a configuration of a modified example.
  • FIG. 35 is a graph showing an example of a plurality of light pulse groups irradiated on the workpiece B in one modification.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a laser processing apparatus according to an embodiment.
  • the laser processing apparatus 1A of the present embodiment includes a semiconductor laser element 2, an optical amplifier 3, a driver circuit 4, a processing optical system 5, and a waveform output unit 6.
  • the waveform output unit 6 is composed of an electronic circuit and is electrically connected to the driver circuit 4.
  • the waveform output unit 6 calculates and generates input waveform data Da for bringing the time waveform of the optical pulse output from the optical amplifier 3 closer to the target waveform, and provides the input waveform data Da to the driver circuit 4.
  • the input end of the driver circuit 4 is electrically connected to the waveform output unit 6, and receives the input waveform data Da from the waveform output unit 6.
  • the driver circuit 4 generates a drive current id having a time waveform corresponding to the input waveform data Da.
  • the output end of the driver circuit 4 is electrically connected to the semiconductor laser element 2, and the generated drive current id is supplied to the semiconductor laser element 2. In some cases, a bias current having a constant magnitude is superimposed on the drive current id without changing with time.
  • the semiconductor laser element 2 is a laser diode and is electrically connected to the driver circuit 4.
  • the driver circuit 4 supplies the drive current id to either the cathode or the anode of the semiconductor laser element 2.
  • the semiconductor laser element 2 receives the drive current id and generates the laser beam La.
  • This laser beam La is light before amplification by the optical amplifier 3, and has a time waveform corresponding to the input waveform data Da.
  • This target waveform data is stored in the memory in advance by the operator through the data input terminal of the computer 31 before the operation of the laser processing apparatus 1A.
  • the computer 31 may design the target waveform by itself as the waveform design unit. That is, the computer 31 may calculate a target waveform for realizing the light irradiation conditions (processing conditions, observation conditions) given from the outside.
  • the target waveform data representing the calculated target waveform is stored in the memory of the computer 31.
  • the comparison unit 33 is electrically connected to the photodetection unit 14 described later, and acquires the time waveform of the laser beam Lb based on the detection signal (light intensity signal Sc) obtained from the photodetection unit 14. Further, the comparison unit 33 is electrically connected to the computer 31 and acquires the target waveform data Db from the computer 31. The comparison unit 33 compares the time waveform of the laser beam Lb with the target waveform, and sends the difference data Dc indicating the difference to the waveform adjustment unit 32.
  • the comparison unit 33 may be composed of a computer having a CPU and a memory. In that case, the comparison unit 33 may be a separate body from the computer 31, or may be realized in a computer common to the computer 31.
  • the laser processing apparatus 1A shown in FIG. 2 further includes an optical isolator 12, an optical branching section 13, and a photodetecting section 14.
  • the optical input end of the optical isolator 12 is optically coupled to the laser light output end of the semiconductor laser device 2. Further, the optical output end of the optical isolator 12 is optically coupled to the optical input end of the optical amplifier 3. That is, the optical isolator 12 is interposed on the optical path between the semiconductor laser element 2 and the optical amplifier 3.
  • the optical isolator 12 prevents the light amplified by the optical amplifier 3 from returning to the semiconductor laser element 2.
  • the ratio (branch ratio) P1 / P2 of the intensity P1 of a part Lb1 of the laser beam Lb to the intensity P2 of the rest is, for example, in the range of 0.005 to 0.01.
  • the photodetector unit 14 is optically coupled to the photobranch unit 13 and receives a part Lb1 of the amplified laser beam Lb. The remaining portion of the laser beam Lb is applied to the workpiece B via the processing optical system 5 shown in FIG.
  • the light detection unit 14 generates a light intensity signal Sc which is an electric signal corresponding to the light intensity of a part Lb1 of the laser light Lb, and provides this light intensity signal Sc to the comparison unit 33.
  • the photodetector 14 may include a photodiode and a circuit that converts the light current flowing through the photodiode into a voltage signal.
  • the light detection unit 14 may output the generated voltage signal as a light intensity signal Sc, or may convert the generated voltage signal into a digital signal and output the digital signal as a light intensity signal Sc.
  • the light intensity signal Sc is a voltage signal, it is converted into a digital signal by the comparison unit 33.
  • the photodetector 14 may include a phototube (for example, a biplanar phototube) instead of the photodiode.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a specific example of the peripheral structure of the semiconductor laser element 2, the optical amplifier 3, the driver circuit 4, and the waveform output unit 6.
  • the laser processing apparatus 1A includes optical isolators 21, 23, 27, and 29 as the optical isolator 12 shown in FIG. 2, an optical fiber amplifier 22 as the optical amplifier 3, and a solid-state laser. It includes amplifiers 28 and 30.
  • the optical amplifier 3 is configured in multiple stages.
  • the laser processing apparatus 1A includes a bandpass filter 24, an optical fiber connector 25, and a collimator lens 26.
  • optical input end of the optical fiber amplifier 22 and the semiconductor laser element 2 are optically coupled via the optical fiber F1.
  • An optical isolator 21 is interposed between the optical fiber amplifier 22 and the semiconductor laser element 2.
  • the optical isolator 21 prevents light (laser light La and excitation light) from returning from the optical fiber amplifier 22 to the semiconductor laser device 2. As a result, damage to the semiconductor laser element 2 can be prevented.
  • optical output end of the optical fiber amplifier 22 and the bandpass filter 24 are optically coupled via the optical fiber F2.
  • An optical isolator 23 is interposed between the optical fiber amplifier 22 and the bandpass filter 24. The optical isolator 23 prevents the light after the bandpass filter 24 from returning to the optical fiber amplifier 22.
  • the collimator lens 26 is optically coupled to the optical fiber connector 25 via a space, and parallelizes (colimates) the light radially output from the optical fiber connector 25. Since the intensity of the light amplified by the solid-state laser amplifiers 28 and 30 described later is high, in order to avoid damage to the optical material such as glass by the laser, the stage after the optical fiber connector 25 is not an optical fiber but in space. Propagate. In FIG. 3, the light propagating in space is shown by a broken line.
  • the solid-state laser amplifier 28 is optically coupled to the collimator lens 26 via an optical isolator 27.
  • the optical isolator 27 prevents the light of the solid-state laser amplifier 28 from returning to the stage before the solid-state laser amplifier 28. As a result, damage to the optical fiber amplifier 22 can be prevented.
  • the solid-state laser amplifier 28 is a second-stage optical amplifier that further amplifies the amplified laser light output from the optical fiber amplifier 22.
  • the gain of the solid-state laser amplifier 28 is, for example, in the range of 3 dB to 20 dB.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration example of the driver circuit 4.
  • the driver circuit 4 includes a control board 41, a waveform data storage unit 42, a waveform timing adjustment unit 43, a waveform signal generation unit 44, and a current conversion unit 45.
  • the control board 41 includes a CPU 41a and a high-speed DAC interface 41b.
  • the high-speed DAC interface 41b, the waveform data storage unit 42, the waveform timing adjustment unit 43, and the waveform signal generation unit 44 constitute a D / A conversion unit 46.
  • the D / A conversion unit 46 is an electronic circuit that converts digital input waveform data Da into an analog drive signal Sd.
  • the control board 41 is a circuit board that serves as an interface with the waveform output unit 6.
  • the CPU 41a is electrically connected to the waveform adjusting unit 32 (see FIG. 2) of the waveform output unit 6 via a communication line, and receives input waveform data Da from the waveform adjusting unit 32.
  • the CPU 41a transmits the input waveform data Da to the high-speed DAC interface 41b at an appropriate timing.
  • the high-speed DAC interface 41b temporarily stores the input waveform data Da in the waveform data storage unit 42.
  • the waveform data storage unit 42 is electrically connected to the high-speed DAC interface 41b, and is composed of, for example, a volatile storage element.
  • the waveform adjustment unit 32 of the present embodiment outputs the input waveform data Da as continuous section waveform data formed by dividing the time waveform of the input waveform data Da (details will be described later). These section waveform data are output in parallel and simultaneously for each of two or more section waveform data. Then, the waveform data storage unit 42 stores the plurality of section waveform data and outputs the plurality of section waveform data as requested.
  • the waveform timing adjustment unit 43 is electrically connected to the waveform data storage unit 42, and adjusts (controls) the timing at which the input waveform data Da is output from the waveform data storage unit 42.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the function of the waveform timing adjusting unit 43. As shown in FIG. 5, the waveform timing adjusting unit 43 sequentially outputs a plurality of section waveform data DD1 to DD4 read from the waveform data storage unit 42 while giving an appropriate time difference.
  • the appropriate time difference is, for example, the time width of each section waveform data. This time width defines the time resolution of the output waveform and is 1 nanosecond in one embodiment.
  • the waveform signal generation unit 44 sequentially inputs a plurality of section waveform data DD1 to DD4 output from the waveform timing adjustment unit 43, and converts these section waveform data DD1 to DD4 into a drive signal Sd which is an analog signal (voltage signal). Convert sequentially. At this time, the time difference of the conversion timings of the section waveform data DD1 to DD4 substantially coincides with the time difference given by the waveform timing adjusting unit 43.
  • the current conversion unit 45 is electrically connected to the waveform signal generation unit 44 and converts the drive signal Sd into the drive current id. That is, the current conversion unit 45 is composed of an analog circuit including a transistor, and converts the drive signal Sd, which is a voltage signal, into the drive current id, which is a current signal.
  • the time waveform of the drive current id generated at this time is substantially the same as the time waveform of the drive signal Sd.
  • a bias current control unit 11 is further connected to the current conversion unit 45.
  • the bias current control unit 11 controls the magnitude of the bias component included in the drive current id.
  • the semiconductor laser element 2 is electrically connected to the current output end of the current conversion unit 45, receives a drive current id from the current conversion unit 45, and outputs the laser beam La.
  • the time waveform of the laser beam La is substantially the same as the time waveform of the drive current id.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the laser processing apparatus 1A.
  • FIGS. 7 (a) to 7 (d) are diagrams schematically showing an optical pulse waveform.
  • the time waveform of an optical pulse is shown as a set of peak values (light intensity) of a plurality of continuous unit intervals.
  • the delay time TA is set as needed, and the start point of the time waveform of the optical pulse is delayed by the delay time TA from the reference time.
  • the vertical axis represents light intensity and the horizontal axis represents time.
  • the waveform adjustment unit 32 sets the initial input waveform data Da (step ST1).
  • This initial input waveform data Da is set based on the target waveform data Db.
  • the target waveform data Db is used as it is as the initial input waveform data Da.
  • the driver circuit 4 supplies the drive current id to the semiconductor laser element 2 based on the initial input waveform data Da, and the semiconductor laser element 2 outputs the laser beam La (current supply step ST2).
  • FIG. 7A schematically shows the time waveform of the laser beam La generated based on the initial input waveform data Da.
  • This laser beam La is amplified by the optical amplifier 3 (optical amplification step ST3).
  • the current supply step ST2 includes a D / A conversion step ST21 and a current conversion step ST22.
  • the D / A conversion step ST21 the D / A conversion unit 46 converts the digital input waveform data Da into an analog drive signal Sd.
  • a plurality of continuous section waveform data DD1 to DD4 formed by dividing the time waveform of the input waveform data Da are sequentially converted into drive signals Sd while giving a time difference.
  • the current conversion unit 45 converts the drive signal Sd into the drive current id.
  • FIG. 7B schematically shows the detected time waveform.
  • the time waveform of the laser beam Lb after amplification is different from the time waveform of the laser beam La before amplification.
  • One cause is that the excited state of the optical amplifier 3 changes with the passage of time. That is, immediately after the laser beam La is incident, the optical amplifier 3 is strongly excited and amplifies the laser beam La with a high gain. However, as time elapses from the start of the incident of the laser beam La, the excitation intensity of the optical amplifier 3 gradually decreases, and the amplification gain of the laser beam La also decreases accordingly.
  • FIG. 8 and 9 are graphs showing the time waveforms of the laser beam La before amplification and the laser beam Lb after amplification, which were actually measured.
  • FIG. 8A shows the time waveform (square wave) of the laser beam La before amplification
  • FIG. 8B shows the laser beam La having the time waveform shown in FIG. 8A after amplification.
  • the time waveform of the laser beam Lb of the above is shown.
  • FIG. 9A shows a time waveform (ramp wave) of the laser beam La before amplification
  • FIG. 9B amplifies the laser beam La having the time waveform shown in FIG. 9A.
  • the time waveform of the laser beam Lb after this is shown.
  • the vertical axis represents light intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis represents time (unit: nanoseconds). As shown in these figures, the time waveform of the laser beam Lb after amplification is significantly different from the time waveform of the laser beam La before amplification.
  • the comparison unit 33 compares the time waveform of the detected laser beam Lb with the target waveform (FIG. 7C) shown in the target waveform data Db, and the difference (error) thereof. Is output (step ST51).
  • the waveform adjusting unit 32 adjusts the time waveform of the input waveform data Da based on this difference. That is, the waveform adjusting unit 32 calculates the new input waveform data Da so that the difference becomes smaller (that is, approaches 0) (step ST52).
  • FIG. 7D schematically shows the time waveform of the laser beam La generated based on the new input waveform data Da.
  • This laser beam La is amplified by the optical amplifier 3 (optical amplification step ST3).
  • the time waveform of the laser beam Lb after amplification approaches the target waveform.
  • the laser beam Lb generated in this way is irradiated to the workpiece B via the processing optical system 5 shown in FIG. 1 (light irradiation step ST6).
  • FIG. 10 and 11 are graphs showing an example of the time waveform of the laser beam Lb output from the optical amplifier 3.
  • the vertical axis represents light intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis represents time (unit: nanoseconds).
  • FIG. 10A shows a Gaussian waveform with a full width at half maximum (FWHM) of 4 nanoseconds.
  • FIG. 10B shows a Gaussian waveform with a FWHM of 32 nanoseconds.
  • FIG. 11A shows a square wave with a FWHM of 120 nanoseconds.
  • FIG. 11B shows a ramp waveform with a FWHM of 4 nanoseconds.
  • FIG. 12 is a graph showing a time waveform (actual measurement value) of a Gaussian pulse Pa having a pulse width of 23.7 ns (FWHM) generated as a laser beam Lb in the laser processing apparatus 1A of the present embodiment.
  • the vertical axis represents the normalized intensity (arbitrary unit) and the horizontal axis represents time (unit: nanoseconds).
  • the workpiece B was irradiated with this laser beam Lb to perform drilling.
  • the wavelength of the laser light Lb is 1064 nm
  • the repetition frequency of the light pulse Pa is 300 Hz
  • the light is irradiated for 3 seconds (that is, the number of times the light pulse Pa is irradiated is 900 times)
  • the pulse energy of the light pulse Pa is 40 ⁇ J
  • the processing optical system A plano-convex lens having a focal length of 40 mm was used as the condenser lens of 5.
  • the workpiece B was made of stainless steel (SUS304) having a thickness of 50 ⁇ m, and the condensing diameter of the laser beam Lb in the workpiece B was 10 ⁇ m.
  • FIG. 14 is a graph showing a time waveform (measured value) of an optical pulse group Pb, which is an optical pulse train including a plurality of ultrashort optical pulses Pba, generated as laser light Lb in the laser processing apparatus 1A of the present embodiment. ..
  • the vertical axis represents the normalized intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis represents time (unit: nanoseconds).
  • the workpiece B was irradiated with this laser beam Lb to perform drilling.
  • FIG. 15A is an image of the surface (laser irradiation surface) of the workpiece B after the drilling process observed by SEM.
  • FIG. 15B is an image of the back surface of the workpiece B after the drilling process observed by SEM.
  • a substantially circular through hole is formed in the workpiece B.
  • the width dx in the left-right direction of the paper surface was 28.6 ⁇ m
  • the width dy in the vertical direction of the paper surface was 25.4 ⁇ m. That is, a hole larger than that in the case of the Gaussian pulse Pa shown in FIG. 12 was formed.
  • the optical pulse group Pc includes a plurality of ultrashort optical pulses Pca, and is the same as the optical pulse group Pb shown in FIG. 14 in which the number of ultrashort optical pulses Pba is halved to five.
  • the optical pulse Pd is a single pulse having a pulse width of 71 ns.
  • the time interval ⁇ t between the optical pulse group Pc and the optical pulse Pd is 260.1 ns.
  • the wavelength of the laser beam Lb, the pulse energy, the condenser lens of the processing optical system 5, the material of the workpiece B, and the focusing diameter of the laser beam Lb were the same as described above.
  • FIG. 16B is an image of the surface (laser irradiation surface) of the workpiece B after the drilling process observed by SEM.
  • the hole did not penetrate to the back surface of the workpiece B.
  • FIG. 16B it can be seen that a substantially circular small recess is formed on the surface of the workpiece B.
  • the width dx in the left-right direction of the paper surface was 2.5 ⁇ m
  • the width dy in the vertical direction of the paper surface was 2.4 ⁇ m. That is, a recess having a diameter remarkably smaller than the focused diameter of the laser beam Lb was formed.
  • Such a recess having a diameter significantly smaller than the focused diameter of the laser beam Lb is processed by an optical pulse group Pc including a plurality of ultrashort optical pulses Pca having a time width on the order of picoseconds and on the order of nanoseconds. It is considered that this was obtained as a result of the combined processing with the optical pulse Pd having the time width of. More specifically, while the hole drilling proceeds by the optical pulse group Pc having a high peak output, the thermal machining proceeds by long-term energy irradiation through the optical pulse Pd having a low peak output, so that the workpiece is processed. It is presumed that B (SUS304) was moderately melted to form a recess having a small diameter.
  • two or more light pulse groups including one or more light pulses are irradiated to the workpiece B at a time interval ⁇ t, and two or more light pulse groups are used.
  • time waveforms of at least two light pulse groups different from each other, it is suggested that various processing that has been difficult in the past can be made possible.
  • two or more pulse groups including one or a plurality of pulses are arranged with a time interval ⁇ t from each other, and the time waveforms of at least two pulse groups of the two or more pulse groups are arranged with each other. It is realized by providing different drive current ids from the driver circuit 4 to the semiconductor laser element 2 in the current supply step ST2.
  • FIG. 18A shows an optical pulse group Pf1 including a plurality of ultrashort optical pulses Pfa and an optical pulse group Pf2 including a single optical pulse Pfb.
  • Both the ultrashort optical pulse Pfa and the optical pulse Pfb are Gaussian pulses, the time widths (FWHM) are 62 ps and 15 ns, respectively, and the time interval of the plurality of ultrashort optical pulses Pfa is 10 ns.
  • the time interval ⁇ t between the optical pulse group Pf1 and the optical pulse group Pf2 is 37.4 ns.
  • FIG. 19 shows an optical pulse group Ph1 including a single optical pulse Pha and an optical pulse group Ph2 including a single optical pulse Phb.
  • the optical pulses Pha and Phb are both Gaussian pulses, and the time widths (FWHM) are 62 ps and 12 ns, respectively.
  • the time interval ⁇ t between the optical pulse group Ph1 and the optical pulse group Ph2 is 40.9 ns.
  • 20 to 24 (a) to 24 (c) are diagrams conceptually showing various time waveforms that can be output from the laser processing apparatus 1A of the present embodiment.
  • the vertical axis represents light intensity and the horizontal axis represents time.
  • 20 (a) and 20 (b) show an example of combining an optical pulse group Pi which is an optical pulse train including a plurality of ultrashort optical pulses and an optical pulse group Pj including a single Gaussian pulse.
  • FIG. 20A shows an example in which the light pulse group Pj is irradiated after the light pulse group Pi
  • FIG. 20B shows an example in which the light pulse group Pi is irradiated after the light pulse group Pj.
  • the number of ultrashort optical pulses included in the optical pulse group Pi is arbitrary, and in the illustrated example, the number of ultrashort optical pulses is 3. Further, the peak intensities of the ultrashort optical pulses included in the optical pulse group Pi may be equal to each other, and at least one may be different from the others. Further, similarly to FIGS. 20A and 20B, in each of the examples described below, the order of the optical pulse groups may be changed as appropriate.
  • FIG. 21 (c) shows an optical pulse group Pq in which the peak intensity of each ultrashort optical pulse is monotonically decreased in an optical pulse sequence including a plurality of ultrashort optical pulses, and a single optical pulse group Pq in which the light intensity is decreased stepwise.
  • An example of combining with an optical pulse group Pr including an optical pulse is shown.
  • the number of ultrashort optical pulses included in the optical pulse group Pq is arbitrary, and in the illustrated example, the number of ultrashort optical pulses is 5. Further, the number of stages of the optical pulse constituting the optical pulse group Pr is arbitrary, and in the illustrated example, the number of stages of the optical pulse is 4.
  • FIG. 22 (c) shows an example in which two optical pulse groups Pj having different peak intensities of Gaussian pulses and an optical pulse group Pi are combined.
  • the peak intensity of the Gaussian pulse of the first optical pulse group Pj is larger than the peak intensity of the Gaussian pulse of the second optical pulse group Pj.
  • the number of ultrashort optical pulses constituting the optical pulse group Pi is 2, and the peak intensities of the ultrashort optical pulses are equal to each other.
  • FIG. 23 (b) shows an optical pulse group Pv including a plurality of ultrashort optical pulses, in which the peak intensity of each ultrashort optical pulse decreases monotonically and then increases monotonically.
  • the number of ultrashort optical pulses included in the optical pulse group Pv is arbitrary, and in the illustrated example, the number of optical pulses is 10.
  • FIG. 23 (c) shows an example of combining an optical pulse group Pw including a single optical pulse having a time waveform in which the light intensity starts from a light intensity greater than zero and the light intensity increases monotonically, and an optical pulse group Pi. show.
  • the number of ultrashort optical pulses constituting the optical pulse group Pi is 3, and the peak intensities of the ultrashort optical pulses are equal to each other.
  • FIG. 24A shows an example in which an optical pulse group Px including a single optical pulse having a triangular wave-shaped time waveform in which the light intensity monotonically increases and an optical pulse group Pi are combined.
  • the number of ultrashort optical pulses constituting the optical pulse group Pi is 6, and the peak intensities of the ultrashort optical pulses are equal to each other.
  • FIG. 24B shows a light pulse group Py including a single light pulse having a time waveform including a flat section having a constant light intensity, a light pulse group Pi, and a triangular wave shape in which the light intensity monotonically decreases.
  • An example of combining with an optical pulse group Pz including a single optical pulse having a time waveform of is shown.
  • the number of ultrashort optical pulses constituting the optical pulse group Pi is 4, and the peak intensities of the ultrashort optical pulses are equal to each other.
  • FIG. 24C shows an example in which a plurality of optical pulse groups Pj are combined at equal intervals.
  • the peak intensities of the Gaussian pulses of each optical pulse group Pj may be equal to each other, and at least one may be different from the others.
  • the pulse width (FWHM) of each ultrashort optical pulse included in the optical pulse group Pi is, for example, 1 picosecond or more and 1 nanosecond or less.
  • the pulse width (FWHM) of the Gaussian pulse included in the optical pulse group Pj is, for example, 1 nanosecond or more and 1 microsecond or less.
  • the time width of the flat section of the optical pulse constituting the optical pulse group Py is, for example, 1 microsecond or more and 1 millisecond or less.
  • the time intervals ⁇ t3 and ⁇ t4 are, for example, 1 millisecond or less, and more preferably 200 microseconds or less.
  • the surface to be processed is first cleaned by irradiating the uppermost layer B1 with the light pulse group Py shown in FIG. 26 (b).
  • the time width of the flat section where the light intensity is constant is, for example, 1 millisecond.
  • a hole B1a is formed in the uppermost layer B1 as shown in FIG. 27 (a).
  • the time width of each optical pulse constituting the optical pulse group Pi is, for example, 60 picoseconds.
  • FIG. 30A is a graph showing a combination of optical pulse groups Pi, Py, and Pk corresponding to a certain processing process.
  • FIG. 30B is a graph showing an optical pulse group Pj corresponding to the next processing process.
  • FIG. 30 (c) is a graph showing optical pulse groups Pi, Pi, Pm corresponding to the next processing process.
  • the workpiece B may be irradiated with a plurality of light pulse groups for each processing process.
  • FIG. 31 is a graph showing the time waveform of the irradiated laser beam Lb in this embodiment.
  • the laser beam Lb is used for a plurality of optical pulse groups Pi having a time waveform suitable for drilling (pre-processing) and then for deburring (post-processing). It was assumed to include a plurality of optical pulse groups Pj having suitable time waveforms.
  • the number of optical pulse group Pi is 300, the number of multiple optical pulses included in the optical pulse group Pi is 10, the energy of each optical pulse is 2 ⁇ J, and the time width (FWDM) of each optical pulse is 80 ps. , The time interval between pulses was set to 2 ns. Further, the number of optical pulse groups Pj was set to 300, the energy of the Gaussian pulses constituting the optical pulse group Pj was set to 40 ⁇ J, and the time width (FWDM) of the Gaussian pulses was set to 137 ns.
  • FIG. 32 and 33 are SEM images of holes formed in the workpiece B.
  • FIG. 32 shows (a) the front surface (laser irradiation surface) and (b) the back surface of the workpiece B after irradiation with the light pulse group Pi and before irradiation with the light pulse group Pj.
  • FIG. 33 shows the (a) front surface and (b) back surface of the workpiece B after irradiation with the light pulse group Pj.
  • FIG. 32 (a) and FIG. 33 (a) Comparing FIG. 32 (a) and FIG. 33 (a), it can be seen that the burrs around the holes generated after the irradiation of the light pulse group Pi were melted and smoothed by the irradiation of the light pulse group Pj. Further, when FIG. 32 (b) and FIG. 33 (b) are compared, it can be seen that the pore diameter on the side opposite to the laser irradiation surface has become smaller due to melting by irradiation of the light pulse group Pj.
  • the width dx in the left-right direction of the paper surface was 8.3 ⁇ m and the vertical direction of the paper surface before irradiating the optical pulse group Pj (FIG. 32 (b)).
  • the width dy was 8.1 ⁇ m and the average width was 8.2 ⁇ m, whereas after irradiation with the optical pulse group Pj (FIG. 33 (b)), the width dx in the left-right direction of the paper surface was 2.9 ⁇ m.
  • the vertical width dy of the paper surface was 2.7 ⁇ m, and the average width was 2.8 ⁇ m.
  • the waveform output unit 6 outputs the input waveform data Da
  • the driver circuit 4 uses the semiconductor laser element 2 to generate a drive current id having a time waveform corresponding to the input waveform data Da.
  • Supply to. Therefore, by including an arbitrary time waveform in the input waveform data Da, an optical pulse having an arbitrary time waveform can be output from the semiconductor laser element 2. Further, by including a plurality of pulse groups having a time difference in the input waveform data Da, a plurality of optical pulse groups having a time difference can be output from the semiconductor laser element 2.
  • the apparatus configuration can be downsized as compared with each method described in Patent Documents 1 and 2. Becomes possible.
  • a light source having an appropriate time waveform is prepared for each processing process and each processing process is performed, work for replacing the light source is required, and the optical axis shifts after the light source is replaced.
  • the time required for the processing process becomes longer, for example, more work is required to correct the problem.
  • a single group of a plurality of optical pulses having a time waveform suitable for each of a plurality of processing processes is used. It can be generated (continuously) from the semiconductor laser element 2 of the above in a short time, and the time required for the processing can be significantly shortened.
  • the driver circuit 4 (current supply step ST2) is driven by a D / A conversion unit 46 (D / A conversion step ST21) that converts digital input waveform data Da into an analog drive signal Sd. It may have a current conversion unit 45 (current conversion step ST22) that converts the signal Sd into a drive current id. Then, the D / A conversion unit 46 (D / A conversion step ST21) converts a plurality of continuous section waveform data DD1 to DD4 formed by dividing the time waveform of the input waveform data Da into the drive signal Sd while giving a time difference. It may be converted sequentially. As a result, the drive signal Sd can be made faster and the time resolution of the time waveform of the optical pulse can be improved.
  • the time width of each one or a plurality of pulses in each optical pulse group may be 1 microsecond or less.
  • the time interval between the optical pulse groups may be 200 microseconds or less.
  • the laser beam Lb containing two or more light pulse groups can be irradiated to the workpiece B in a short time, and the time required for processing can be shortened.
  • the waveform output unit 6 (in the current supply step ST2) changes the time waveform of at least one of the two or more optical pulse groups in the laser beam Lb during the processing of the workpiece B. You may.
  • the time waveform of the pulse group can be easily changed during the processing of the workpiece B in this way. Therefore, a plurality of stages of processing processes in which the time waveforms required for the laser beam are different can be continuously performed in a short time, and the time required for processing can be shortened.
  • the pulse width of one or more light pulses in one light pulse group may be 10 times or more the pulse width of one or more light pulses in another light pulse group.
  • optical pulses having greatly different pulse widths can be continuously output in a short time, and can be adapted to various processing conditions.
  • FIG. 34 is a block diagram showing a configuration of a modification of the above embodiment.
  • the laser processing apparatus 1B of the present modification further includes a spatial light modulator 7 and a driving unit 8 in addition to the configuration of the laser processing apparatus 1A of the above embodiment.
  • the spatial light modulator 7 has a plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner, and the phase of incident light is individually modulated in each pixel.
  • the spatial light modulator 7 may be either a transmissive type or a reflective type.
  • the spatial light modulator 7 is a liquid crystal type LCOS-SLM (Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator).
  • the spatial light modulator 7 is arranged on the optical path between the semiconductor laser element 2 and the processing optical system 5 (in the illustrated example, on the optical path between the optical amplifier 3 and the processing optical system 5).
  • the spatial light modulator 7 spatially modulates the phase of the laser beam Lb output from the optical amplifier 3, and outputs the modulated laser beam Lc to the processing optical system 5.
  • the laser beam Lc is applied to the workpiece B via the processing optical system 5. That is, in the light irradiation step ST6 shown in FIG. 6, the laser beam Lb is irradiated to the workpiece B via the spatial light modulator 7.
  • the drive unit 8 is a circuit for applying a voltage signal Sv for driving the spatial light modulator 7 to each pixel of the spatial light modulator 7.
  • the magnitude of the voltage signal Sv of each pixel is determined based on a computer-generated hologram (CGH) generated by the waveform output unit 6.
  • CGH computer-generated hologram
  • At least two parts to be processed can be irradiated with light pulse groups having different time waveforms, and these light pulse groups are continuously irradiated in a short time. be able to. Therefore, the time required for processing can be significantly shortened as compared with the conventional laser processing apparatus.
  • the laser processing apparatus and the laser processing method are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various other modifications are possible.
  • the target waveform data is stored in the waveform output unit 6, but the target waveform data may be input from the outside of the laser processing apparatus 1A.
  • the optical amplifier 3 and / or the optical isolator 12 may be omitted if necessary.
  • the waveform output unit 6 has a waveform adjustment unit 32 and a comparison unit 33, and feeds back the time waveform of the laser beam Lb to generate the input waveform data Da.
  • the laser beam Lb may be generated by using the target waveform data Db from the computer 31 as it is without providing the configuration of.
  • the laser processing apparatus generates a semiconductor laser element, a waveform output unit that outputs input waveform data, and a drive current having a time waveform corresponding to the input waveform data, and supplies the drive current to the semiconductor laser element.
  • the semiconductor laser device is provided with a driver circuit for irradiating the workpiece and an optical system for irradiating the workpiece with laser light output from the semiconductor laser device. It outputs laser beams that are lined up at intervals, and the time waveforms of at least two optical pulse groups out of two or more optical pulse groups are different from each other.
  • the configuration includes at least one of the time width of each of the plurality of optical pulses and the time interval of the plurality of optical pulses.
  • the laser processing method receives a current supply step of generating a drive current having a time waveform corresponding to the input waveform data and supplying the drive current to the semiconductor laser element, and a laser beam output from the semiconductor laser element.
  • the semiconductor laser element outputs laser light in which two or more light pulse groups including one or a plurality of light pulses are lined up at intervals of each other, including a light irradiation step of irradiating the work piece.
  • the time waveforms of at least two optical pulse groups among two or more optical pulse groups are different from each other, and the time waveforms include the time waveform of each of one or more optical pulses, the time width of each of one or more optical pulses, and the plurality of optical pulses.
  • the configuration includes at least one of the time intervals of the optical pulses of.
  • the driver circuit includes a D / A conversion unit that converts digital input waveform data into an analog drive signal, and a current conversion unit that converts the drive signal into a drive current.
  • the A conversion unit may be configured to sequentially convert a plurality of continuous section waveform data formed by dividing the time waveform of the input waveform data into a drive signal while giving a time difference.
  • the time width of each one or a plurality of optical pulses in each optical pulse group may be 1 microsecond or less.
  • the waveform output unit may be configured to change the time waveform of at least one optical pulse group out of two or more optical pulse groups during processing of the workpiece. Further, in the above laser processing method, the time waveform of at least one optical pulse group among two or more optical pulse groups may be changed during the processing of the workpiece.
  • the above laser processing apparatus further includes a spatial light modulator arranged on an optical path between the semiconductor laser element and the optical system, and the spatial light modulator is a first light included in two or more optical pulse groups.
  • a spatial light modulator arranged on an optical path between the semiconductor laser element and the optical system, and the spatial light modulator is a first light included in two or more optical pulse groups.
  • the work piece in the light irradiation step, is irradiated with laser light via a spatial light modulator, and the laser light corresponding to the first light pulse group included in two or more light pulse groups is emitted.
  • Spatial light modulators are a hologram for irradiating a first irradiation position and a hologram for irradiating a second irradiation position different from the first irradiation position with a laser beam corresponding to a second light pulse group. It may be configured to be presented sequentially to.
  • the present invention can be used as a laser processing apparatus and a laser processing method capable of miniaturizing a configuration in which a plurality of light pulses having different time waveforms are applied to a work piece.
  • 1A, 1B Laser processing device, 2 ... Semiconductor laser element, 3 ... Optical amplifier, 4 ... Driver circuit, 5 ... Processing optical system, 6 ... Wave output unit, 7 ... Spatial optical modulator, 8 ... Drive unit, 11 ... Bias current control unit, 12, 21, 23, 27, 29 ... Optical isolator, 13 ... Optical branching unit, 14 ... Optical detection unit, 15 ... Optical waveform detection unit, 22 ... Optical fiber amplifier, 24 ... Band path filter, 25 ... Optical fiber connector, 26 ... Collimeter lens, 28, 30 ... Solid laser amplifier, 31 ... Computer, 32 ... Waveform adjustment unit, 33 ... Comparison unit, 41 ... Control board, 41a ...
  • Optical pulse (Gaussian pulse), Pb, Pc, Pe1, Pe2, Pf1, Pf2, Pg1, Pg2, Pg3, Ph1, Ph2, Pi-Pz, Py1, Py2, Py3 ...
  • Optical pulse group Pba, Pca, Pfa, Pga ... Ultrashort optical pulse, Pd, Pea, Peb, Pfb, Pgb, Pgc, Pha, Phb ...
  • Optical pulse Sc ... Light intensity signal, Sd ... Drive signal, Sv ... Voltage signal, TA ... Delay time, ⁇ t, ⁇ t1, ⁇ t2, ⁇ t5 ... Time interval.

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Abstract

レーザ加工装置（１Ａ）は、半導体レーザ素子（２）と、入力波形データ（Ｄａ）を出力する波形出力部（６）と、入力波形データ（Ｄａ）に応じた時間波形を有する駆動電流（ｉｄ）を半導体レーザ素子（２）に供給するドライバ回路（４）と、半導体レーザ素子（２）から出力されたレーザ光を被加工物（Ｂ）に照射する加工光学系（５）とを備える。半導体レーザ素子（２）は、一又は複数の光パルスを含む二以上の光パルス群が互いに時間間隔をあけて並ぶレーザ光（Ｌａ）を出力する。二以上の光パルス群のうち少なくとも二つの光パルス群の時間波形は互いに異なる。時間波形には、一又は複数の光パルスそれぞれの時間波形、一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅、及び複数の光パルスの時間間隔のうち少なくとも一つが含まれる。これにより、時間波形が異なる複数の光パルスを時間差をあけて被加工物に照射する構成を小型化することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法が実現される。

Description

レーザ加工装置及びレーザ加工方法
　本開示は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。
　特許文献１には、レーザ加工方法に関する技術が開示されている。この方法では、１０ピコ秒～１００ピコ秒のパルス幅をそれぞれ有する少なくとも２つの光パルス（バースト）を組み合わせることにより、材料除去レートを増大させる。時間差を有する２つの光パルスを生成するために、レーザ発振器からのレーザ光の光路をビームスプリッタにより二分岐し、互いに異なる光路長を有する２つの光路を伝搬させた後、ビームコンバイナによってこれらの光路を結合している。
　特許文献２には、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する技術が開示されている。この方法及び装置では、パルス幅が互いに異なる２種類の光パルスを被加工物に照射する。その為に、一実施例において、一方の光パルスを出力するレーザ光源と、他方の光パルスを出力する別のレーザ光源とを設けている。
特表２００５－５１１３１４号公報 特開２０１３－１２８０８８号公報
　近年、ナノ秒やピコ秒といったオーダーの時間幅を有する光パルスを用いてレーザ加工を行う技術が研究されている。このようなレーザ加工においては、複数の光パルスを時間差をあけて照射することにより、レーザ加工における種々の効果を得ることができる。
　例えば、上述した特許文献１には、２つの光パルスを時間差をあけて照射することにより、材料除去レートを増大することが記載されている。加えて、光パルスの時間波形を複数の光パルス間で異ならせることにより、更に付加的な効果を奏することができる場合がある。例えば上述した特許文献２には、時間幅の異なる２つの光パルスを照射することにより、非加工領域の損傷を回避できることが記載されている。
　しかしながら、特許文献１に記載された方法においては、２つの光パルスの時間差を２つの光路の光路長差により実現しているので、所望の時間間隔に対応する大きさの光路長差が必要となる。例えば、時間差を５ナノ秒とする場合、光路長差は約１．５ｍとなる。また、時間差を５マイクロ秒とする場合、光路長差は約１５００ｍとなる。したがって、装置規模が大きくなり過ぎるという課題がある。また、このような長い光路をレーザ光が伝搬する間に大きな損失が生じるので、エネルギー効率が低いという課題もある。
　特許文献２に一実施例として記載された装置及び方法においては、時間幅の異なる複数の光パルスのそれぞれに対応する複数のレーザ光源を必要とするので、光パルスの種類が増すほどレーザ光源の個数が増し、レーザ加工装置の小型化及び低コスト化を妨げる要因となる。
　本発明は、時間波形が異なる複数の光パルスを被加工物に照射する構成を小型化することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態は、レーザ加工装置である。レーザ加工装置は、半導体レーザ素子と、入力波形データを出力する波形出力部と、入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、該駆動電流を半導体レーザ素子に供給するドライバ回路と、半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を被加工物に照射する光学系と、を備え、半導体レーザ素子は、一又は複数の光パルスを含む二以上の光パルス群が互いに時間間隔をあけて並ぶレーザ光を出力し、二以上の光パルス群のうち少なくとも二つの光パルス群の時間波形は互いに異なり、時間波形には、一又は複数の光パルスそれぞれの時間波形、一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅、及び複数の光パルスの時間間隔のうち少なくとも一つが含まれる。
　本発明の実施形態は、レーザ加工方法である。レーザ加工方法は、入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、駆動電流を半導体レーザ素子に供給する電流供給ステップと、半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を被加工物に照射する光照射ステップと、を含み、光照射ステップにおいて、一又は複数の光パルスを含む二以上の光パルス群が互いに時間間隔をあけて並ぶレーザ光を半導体レーザ素子が出力し、二以上の光パルス群のうち少なくとも二つの光パルス群の時間波形は互いに異なり、時間波形には、一又は複数の光パルスそれぞれの時間波形、一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅、及び複数の光パルスの時間間隔のうち少なくとも一つが含まれる。
　上記のレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、波形出力部が入力波形データを出力し、入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流をドライバ回路が半導体レーザ素子に供給する。したがって、任意の時間波形を入力波形データに含めることにより、任意の時間波形を有する光パルスを半導体レーザ素子から出力させることができる。また、時間差を有する複数のパルス群を入力波形データに含めることにより、時間差を有する複数の光パルス群を半導体レーザ素子から出力させることができる。
　すなわち、これらの装置及び方法によれば、時間波形が異なる複数の光パルス群を時間差をあけて被加工物に照射することができる。加えて、単一の半導体レーザ素子から単一の光路上に複数の光パルス群を出力させるので、特許文献１，２に記載された各方法と比較して、装置構成を小型化することが可能になる。
　本発明の実施形態によれば、時間波形が異なる複数の光パルスを被加工物に照射する構成を小型化することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することが可能となる。
図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、半導体レーザ素子２、光増幅器３、ドライバ回路４、及び波形出力部６の周辺構造を示すブロック図である。 図３は、半導体レーザ素子２、光増幅器３、ドライバ回路４、及び波形出力部６の周辺構造の具体例を示すブロック図である。 図４は、ドライバ回路４の詳細な構成例を示すブロック図である。 図５は、波形タイミング調整部４３の機能を模式的に示す図である。 図６は、レーザ加工装置１Ａの動作を示すフローチャートである。 図７は、（ａ）～（ｄ）光パルス波形を模式的に示す図である。 図８は、（ａ）増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形を示すグラフ、及び（ｂ）増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形を示すグラフである。 図９は、（ａ）増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形を示すグラフ、及び（ｂ）増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形を示すグラフである。 図１０は、光増幅器３から出力されるレーザ光Ｌｂの時間波形の例を示すグラフであり、（ａ）ＦＷＨＭが４ナノ秒のガウス波形、及び（ｂ）ＦＷＨＭが３２ナノ秒のガウス波形を示している。 図１１は、光増幅器３から出力されるレーザ光Ｌｂの時間波形の例を示すグラフであり、（ａ）ＦＷＨＭが１２０ナノ秒の矩形波、及び（ｂ）ＦＷＨＭが４ナノ秒のランプ波形を示している。 図１２は、一実施形態のレーザ加工装置１Ａにおいてレーザ光Ｌｂとして生成された、パルス幅２３．７ｎｓ（ＦＷＨＭ）のガウシアンパルスＰａの時間波形を示すグラフである。 図１３は、（ａ）ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの表面画像、及び（ｂ）ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの裏面画像である。 図１４は、一実施形態のレーザ加工装置１Ａにおいてレーザ光Ｌｂとして生成された、複数の超短光パルスＰｂａを含む光パルス列である光パルス群Ｐｂの時間波形を示すグラフである。 図１５は、（ａ）ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの表面画像、及び（ｂ）ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの裏面画像である。 図１６は、（ａ）一実施形態のレーザ加工装置１Ａにおいてレーザ光Ｌｂとして生成された光パルス群Ｐｃ及び光パルスＰｄの時間波形を示すグラフ、及び（ｂ）ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの表面画像である。 図１７は、レーザ光Ｌｂの時間波形の実施例を示すグラフである。 図１８は、レーザ光Ｌｂの時間波形の実施例を示すグラフであり、（ａ）複数の超短光パルスＰｆａを含む光パルス群Ｐｆ１と、単一の光パルスＰｆｂを含む光パルス群Ｐｆ２、及び（ｂ）複数の超短光パルスＰｇａを含む光パルス群Ｐｇ１と、単一の光パルスＰｇｂを含む光パルス群Ｐｇ２と、単一の光パルスＰｇｃを含む光パルス群Ｐｇ３とを示す。 図１９は、レーザ光Ｌｂの時間波形の実施例を示すグラフであって、単一の光パルスＰｈａを含む光パルス群Ｐｈ１と、単一の光パルスＰｈｂを含む光パルス群Ｐｈ２とを示す。 図２０は、（ａ）～（ｃ）一実施形態のレーザ加工装置１Ａから出力可能な種々の時間波形を概念的に示す図である。 図２１は、（ａ）～（ｃ）一実施形態のレーザ加工装置１Ａから出力可能な種々の時間波形を概念的に示す図である。 図２２は、（ａ）～（ｃ）一実施形態のレーザ加工装置１Ａから出力可能な種々の時間波形を概念的に示す図である。 図２３は、（ａ）～（ｃ）一実施形態のレーザ加工装置１Ａから出力可能な種々の時間波形を概念的に示す図である。 図２４は、（ａ）～（ｃ）一実施形態のレーザ加工装置１Ａから出力可能な種々の時間波形を概念的に示す図である。 図２５は、複数の加工プロセスにそれぞれ対応する複数の光パルス群Ｐｉ，Ｐｊ，Ｐｙを組み合わせた例を示すグラフである。 図２６は、一実施形態のレーザ加工装置１Ａを用いて、複数の加工プロセスを短時間の間に連続して行う場合の加工プロセスを示し、（ａ）互いに構成材料が異なる複数の層Ｂ１～Ｂ３を有する被加工物Ｂと、被加工物Ｂに照射されるレーザ光Ｌｂ、及び（ｂ）レーザ光Ｌｂの時間波形を示す。 図２７は、一実施形態のレーザ加工装置１Ａを用いて、複数の加工プロセスを短時間の間に連続して行う場合の加工プロセスを示し、（ａ）互いに構成材料が異なる複数の層Ｂ１～Ｂ３を有する被加工物Ｂと、被加工物Ｂに照射されるレーザ光Ｌｂ、及び（ｂ）レーザ光Ｌｂの時間波形を示す。 図２８は、一実施形態のレーザ加工装置１Ａを用いて、複数の加工プロセスを短時間の間に連続して行う場合の加工プロセスを示し、（ａ）互いに構成材料が異なる複数の層Ｂ１～Ｂ３を有する被加工物Ｂと、被加工物Ｂに照射されるレーザ光Ｌｂ、及び（ｂ）レーザ光Ｌｂの時間波形を示す。 図２９は、一実施形態のレーザ加工装置１Ａを用いて、複数の加工プロセスを短時間の間に連続して行う場合の加工プロセスを示し、（ａ）互いに構成材料が異なる複数の層Ｂ１～Ｂ３を有する被加工物Ｂと、被加工物Ｂに照射されるレーザ光Ｌｂ、及び（ｂ）レーザ光Ｌｂの時間波形を示す。 図３０は、（ａ）或る加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｉ，Ｐｙ，Ｐｋの組み合わせを示すグラフ、（ｂ）次の加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｊを示すグラフ、及び（ｃ）更に次の加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｉ，Ｐｉ，Ｐｍを示すグラフである。 図３１は、一実施例において照射されたレーザ光Ｌｂの時間波形を示すグラフである。 図３２は、（ａ）、（ｂ）被加工物Ｂに形成された孔のＳＥＭ画像を示す図である。 図３３は、（ａ）、（ｂ）被加工物Ｂに形成された孔のＳＥＭ画像を示す図である。 図３４は、一変形例の構成を示すブロック図である。 図３５は、一変形例において被加工物Ｂに照射される複数の光パルス群の例を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照しながら、レーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。
　図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を概略的に示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１Ａは、半導体レーザ素子２と、光増幅器３と、ドライバ回路４と、加工光学系５と、波形出力部６とを備える。波形出力部６は、電子回路によって構成され、ドライバ回路４と電気的に接続されている。波形出力部６は、光増幅器３から出力される光パルスの時間波形を目標波形に近づけるための入力波形データＤａを演算して生成し、その入力波形データＤａをドライバ回路４に提供する。
　ドライバ回路４の入力端は、波形出力部６と電気的に接続されており、波形出力部６から入力波形データＤａを受け取る。ドライバ回路４は、入力波形データＤａに応じた時間波形を有する駆動電流ｉｄを生成する。ドライバ回路４の出力端は、半導体レーザ素子２と電気的に接続されており、生成した駆動電流ｉｄを半導体レーザ素子２に供給する。なお、駆動電流ｉｄには、時間変化がなく大きさ一定のバイアス電流が重畳される場合もある。
　半導体レーザ素子２は、レーザダイオードであって、ドライバ回路４と電気的に接続されている。ドライバ回路４は、半導体レーザ素子２のカソード及びアノードのいずれかに対して駆動電流ｉｄを供給する。半導体レーザ素子２は、駆動電流ｉｄを受けてレーザ光Ｌａを発生する。このレーザ光Ｌａは、光増幅器３による増幅前の光であって、入力波形データＤａに応じた時間波形を有する。
　一例では、半導体レーザ素子２は分布帰還型（ＤＦＢ）レーザダイオードである。半導体レーザ素子２がＤＦＢレーザダイオードであることにより、光増幅器３の利得の波長特性にあわせた最適化が容易にできる。半導体レーザ素子２の出力パワーは例えば数ナノジュールである。
　光増幅器３の光入力端は、半導体レーザ素子２と光学的に結合されており、半導体レーザ素子２から出力されたレーザ光Ｌａを増幅する。光増幅器３は、レーザ光Ｌａを電気信号に変換せず、光のまま直接増幅する。光増幅器３は、例えば光ファイバ増幅器、固体レーザ増幅器、或いはそれらの組み合わせによって構成され得る。
　光ファイバ増幅器は、例えばＥｒ、Ｙｂなどの不純物を添加したガラスからなる光ファイバを有し、レーザ光Ｌａとともに或いは先立って励起光が該光ファイバに入力されることによってレーザ光Ｌａを増幅する。また、固体レーザ増幅器は、例えばＮｄなどの不純物を添加した、ガラス、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、或いはネオジウム・イットリウム・四酸化バナジウム（ＹＶＯ4）によって構成され得る。固体レーザ増幅器は、レーザ光Ｌａとともに或いは先立って励起光が入力されることによってレーザ光Ｌａを増幅する。光増幅器３の利得は、例えば３ｄＢ～３０ｄＢの範囲内である。
　加工光学系５は、光増幅器３の出力端から延びる光路と、該光路上に設けられた集光光学系とを含んで構成される。光増幅器３から出力された増幅後のレーザ光Ｌｂは、加工光学系５の光路を伝搬して集光光学系に達し、集光光学系により集光されつつ被加工物Ｂに照射される。
　図２は、半導体レーザ素子２、光増幅器３、ドライバ回路４、及び波形出力部６の周辺構造を示すブロック図である。なお、図中の波形Ａは、半導体レーザ素子２から出力されるレーザ光Ｌａの時間波形を模式的に示している。図２に示されるように、波形出力部６は、コンピュータ３１と、波形調整部３２と、比較部３３とを有する。
　コンピュータ３１は、ＣＰＵ及びメモリを有し、メモリに記憶されたプログラムに従って動作する。コンピュータ３１のメモリは、本実施形態における記憶部であって、所望（任意）の時間波形、すなわち目標波形を表すデータ（以下、目標波形データという）を予め記憶している。
　この目標波形データは、レーザ加工装置１Ａの動作前に、コンピュータ３１のデータ入力端子を通じて、操作者により予めメモリに記憶される。或いは、コンピュータ３１が、波形設計部として、目標波形を自ら設計してもよい。すなわち、外部より与えられた光照射条件（加工条件、観察条件）を実現するための目標波形を、コンピュータ３１が算出してもよい。算出された目標波形を表す目標波形データは、コンピュータ３１のメモリに記憶される。
　比較部３３は、後述する光検出部１４と電気的に接続されており、光検出部１４から得られた検出信号（光強度信号Ｓｃ）に基づいて、レーザ光Ｌｂの時間波形を取得する。また、比較部３３は、コンピュータ３１と電気的に接続されており、目標波形データＤｂをコンピュータ３１から取得する。比較部３３は、レーザ光Ｌｂの時間波形と目標波形とを比較し、その差分を示す差分データＤｃを波形調整部３２に送る。
　なお、比較部３３は、ＣＰＵ及びメモリを有するコンピュータによって構成されてもよい。その場合、比較部３３は、コンピュータ３１とは別体であってもよいし、コンピュータ３１と共通のコンピュータ内に実現されてもよい。
　波形調整部３２は、コンピュータ３１と電気的に接続されており、目標波形データＤｂをコンピュータ３１から取得する。また、波形調整部３２は、比較部３３と電気的に接続されており、比較部３３から出力された差分データＤｃを取得する。波形調整部３２は、これらのデータＤｂ，Ｄｃに基づいて、レーザ光Ｌｂの時間波形が目標波形に近づくように（すなわち差分が小さくなるように）入力波形データＤａを生成する。
　なお、波形調整部３２もまた、ＣＰＵ及びメモリを有するコンピュータによって構成されてもよい。その場合、波形調整部３２は、コンピュータ３１及び比較部３３とは別体であってもよいし、コンピュータ３１及び比較部３３のうち少なくとも一方と共通のコンピュータ内に実現されてもよい。
　図２に示されるレーザ加工装置１Ａは、光アイソレータ１２、光分岐部１３及び光検出部１４を更に備える。光アイソレータ１２の光入力端は、半導体レーザ素子２のレーザ光出力端と光学的に結合されている。また、光アイソレータ１２の光出力端は、光増幅器３の光入力端と光学的に結合されている。すなわち、光アイソレータ１２は、半導体レーザ素子２と光増幅器３との間の光路上に介在している。光アイソレータ１２は、光増幅器３によって増幅された光が半導体レーザ素子２に戻ることを防ぐ。
　光分岐部１３及び光検出部１４は、光波形検出部１５を構成する。光波形検出部１５は、光増幅器３から出力された増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形を検出する。光分岐部１３は、光増幅器３の光出力端と光学的に結合されている。光分岐部１３は、光増幅器３から出力された増幅後のレーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１を反射（若しくは透過）することにより、増幅後のレーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１をレーザ光Ｌｂから分岐する。光分岐部１３は、例えばガラス板によって構成され得る。
　レーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１の強度Ｐ１と残部の強度Ｐ２との比（分岐比）Ｐ１／Ｐ２は、例えば０．００５～０．０１の範囲内である。光検出部１４は、光分岐部１３と光学的に結合されており、増幅後のレーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１を受ける。なお、レーザ光Ｌｂの残部は、図１に示された加工光学系５を介して被加工物Ｂに照射される。
　光検出部１４は、レーザ光Ｌｂの一部Ｌｂ１の光強度に応じた電気信号である光強度信号Ｓｃを生成し、この光強度信号Ｓｃを比較部３３に提供する。一例では、光検出部１４は、フォトダイオードと、フォトダイオードを流れる光電流を電圧信号に変換する回路とを含んで構成され得る。
　光検出部１４は、生成した電圧信号を光強度信号Ｓｃとして出力してもよく、生成した電圧信号をディジタル信号に変換し、該ディジタル信号を光強度信号Ｓｃとして出力してもよい。光強度信号Ｓｃが電圧信号である場合、比較部３３においてディジタル信号に変換される。なお、光検出部１４は、フォトダイオードに代えて、光電管（例えばバイプラナ光電管）を含んでもよい。
　図３は、半導体レーザ素子２、光増幅器３、ドライバ回路４、及び波形出力部６の周辺構造の具体例を示すブロック図である。図３に示される具体例において、レーザ加工装置１Ａは、図２に示された光アイソレータ１２としての光アイソレータ２１，２３，２７，及び２９と、光増幅器３としての光ファイバ増幅器２２、固体レーザ増幅器２８及び３０を備えている。このように、本具体例では光増幅器３が多段に構成されている。更に、レーザ加工装置１Ａは、バンドパスフィルタ２４、光ファイバコネクタ２５、及びコリメータレンズ２６を備えている。
　光ファイバ増幅器２２の光入力端と半導体レーザ素子２とは、光ファイバＦ１を介して光学的に結合されている。光ファイバ増幅器２２と半導体レーザ素子２との間には、光アイソレータ２１が介在している。光アイソレータ２１は、光ファイバ増幅器２２から半導体レーザ素子２へ光（レーザ光Ｌａ及び励起光）が戻ることを防ぐ。これにより、半導体レーザ素子２の損傷を防止できる。
　光ファイバ増幅器２２の光出力端とバンドパスフィルタ２４とは、光ファイバＦ２を介して光学的に結合されている。光ファイバ増幅器２２とバンドパスフィルタ２４との間には、光アイソレータ２３が介在している。光アイソレータ２３は、バンドパスフィルタ２４より後段の光が光ファイバ増幅器２２に戻ることを防ぐ。
　光ファイバ増幅器２２は、第１段の光増幅器であって、半導体レーザ素子２から出力されたレーザ光Ｌａを増幅する。光ファイバ増幅器２２の利得は、例えば２０ｄＢ～３０ｄＢの範囲内である。光ファイバ増幅器２２は、例えばイッテルビウム添加ファイバ（ＹＤＦ）である。バンドパスフィルタ２４は、光ファイバ増幅器２２から出力された光に含まれる、蛍光の波長成分を遮断する。バンドパスフィルタ２４は、例えば誘電体多層膜によって構成され得る。
　バンドパスフィルタ２４は、光ファイバＦ３を介して光ファイバコネクタ２５と光学的に結合されている。光ファイバコネクタ２５は、光ファイバＦ３を終端する。すなわち、バンドパスフィルタ２４を通過した光は、光ファイバＦ３を伝搬して光ファイバコネクタ２５に達した後、空間に出力される。
　コリメータレンズ２６は、空間を介して光ファイバコネクタ２５と光学的に結合されており、光ファイバコネクタ２５から放射状に出力された光を平行化（コリメート）する。後述する固体レーザ増幅器２８及び３０によって増幅された光の強度は大きいので、ガラス等の光学材料のレーザによる損傷を回避するため、このように光ファイバコネクタ２５より後段においては光ファイバではなく空間中を伝搬させる。なお、図３では、空間中を伝搬する光を破線で示している。
　固体レーザ増幅器２８は、光アイソレータ２７を介してコリメータレンズ２６と光学的に結合されている。光アイソレータ２７は、固体レーザ増幅器２８の光が固体レーザ増幅器２８より前段に戻ることを防ぐ。これにより、光ファイバ増幅器２２の損傷を防止できる。
　固体レーザ増幅器２８は、第２段の光増幅器であって、光ファイバ増幅器２２から出力された増幅後のレーザ光を更に増幅する。固体レーザ増幅器２８の利得は、例えば３ｄＢ～２０ｄＢの範囲内である。
　固体レーザ増幅器３０は、光アイソレータ２９を介して固体レーザ増幅器２８と光学的に結合されている。すなわち、光ファイバ増幅器２２、固体レーザ増幅器２８及び３０は、互いに直列に結合されている。光アイソレータ２９は、固体レーザ増幅器３０の光が固体レーザ増幅器３０より前段に戻ることを防ぐ。これにより、固体レーザ増幅器２８の損傷を防止できる。
　固体レーザ増幅器３０は、第３段の光増幅器であって、固体レーザ増幅器２８から出力された増幅後のレーザ光を更に増幅する。固体レーザ増幅器３０の利得は、例えば３ｄＢ～１０ｄＢの範囲内である。固体レーザ増幅器３０によって増幅された光は、増幅後のレーザ光Ｌｂとして出力される。
　図４は、ドライバ回路４の詳細な構成例を示すブロック図である。図４に示されるように、ドライバ回路４は、コントロール基板４１、波形データ格納部４２、波形タイミング調整部４３、波形信号生成部４４、及び電流変換部４５を有する。また、コントロール基板４１は、ＣＰＵ４１ａと、高速ＤＡＣインターフェース４１ｂとを含んで構成される。このうち、高速ＤＡＣインターフェース４１ｂ、波形データ格納部４２、波形タイミング調整部４３、及び波形信号生成部４４は、Ｄ／Ａ変換部４６を構成する。Ｄ／Ａ変換部４６は、電子回路であって、ディジタルの入力波形データＤａをアナログの駆動信号Ｓｄに変換する。
　コントロール基板４１は、波形出力部６とのインターフェースを担う回路基板である。ＣＰＵ４１ａは、波形出力部６の波形調整部３２（図２を参照）と通信回線を介して電気的に接続され、波形調整部３２から入力波形データＤａを受け取る。ＣＰＵ４１ａは、この入力波形データＤａを、適切なタイミングで高速ＤＡＣインターフェース４１ｂに送信する。高速ＤＡＣインターフェース４１ｂは、入力波形データＤａを波形データ格納部４２に一時的に記憶させる。波形データ格納部４２は、高速ＤＡＣインターフェース４１ｂと電気的に接続され、例えば揮発性の記憶素子によって構成される。
　本実施形態の波形調整部３２は、入力波形データＤａを、入力波形データＤａの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データとして出力する（詳しくは後述）。これらの区間波形データは、２以上の区間波形データ毎に並列且つ同時に出力される。そして、波形データ格納部４２は、この複数の区間波形データを記憶するとともに、要求に応じて複数の区間波形データを出力する。
　波形タイミング調整部４３は、波形データ格納部４２と電気的に接続されており、波形データ格納部４２から入力波形データＤａが出力されるタイミングを調整（制御）する。図５は、波形タイミング調整部４３の機能を模式的に示す図である。図５に示されるように、波形タイミング調整部４３は、波形データ格納部４２から読み出した複数の区間波形データＤＤ１～ＤＤ４を、適切な時間差を与えながら順次出力する。ここで、適切な時間差とは、例えば各区間波形データの時間幅である。この時間幅は、出力波形の時間分解能を規定し、一実施例では１ナノ秒である。
　波形信号生成部４４は、波形タイミング調整部４３から出力された複数の区間波形データＤＤ１～ＤＤ４を順次入力し、これらの区間波形データＤＤ１～ＤＤ４をアナログ信号（電圧信号）である駆動信号Ｓｄに順次変換する。このとき、区間波形データＤＤ１～ＤＤ４の変換タイミングの時間差は、波形タイミング調整部４３によって付与された時間差と略一致する。
　再び図４を参照する。電流変換部４５は、波形信号生成部４４と電気的に接続されており、駆動信号Ｓｄを駆動電流ｉｄに変換する。すなわち、電流変換部４５は、トランジスタを含むアナログ回路によって構成され、電圧信号である駆動信号Ｓｄを、電流信号である駆動電流ｉｄに変換する。このとき生成される駆動電流ｉｄの時間波形は、駆動信号Ｓｄの時間波形と略同一である。
　なお、電流変換部４５には、更にバイアス電流制御部１１が接続されている。バイアス電流制御部１１は、駆動電流ｉｄに含まれるバイアス成分の大きさを制御する。半導体レーザ素子２は電流変換部４５の電流出力端と電気的に接続されており、電流変換部４５から駆動電流ｉｄを受けてレーザ光Ｌａを出力する。レーザ光Ｌａの時間波形は、駆動電流ｉｄの時間波形と略同一である。
　図６は、レーザ加工装置１Ａの動作を示すフローチャートである。また、図７（ａ）～（ｄ）は、光パルス波形を模式的に示す図である。これらの図では、光パルスの時間波形を、連続する複数の単位区間の波高値（光強度）の集合として示している。必要に応じて遅延時間ＴＡが設定され、光パルスの時間波形の始点は基準時間から遅延時間ＴＡだけ遅れる。図７（ａ）～（ｄ）において、縦軸は光強度を表し、横軸は時間を表す。図６及び図７を参照しつつ、レーザ加工装置１Ａの動作及び本実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。
　まず、波形調整部３２は、初期の入力波形データＤａを設定する（ステップＳＴ１）。この初期の入力波形データＤａは、目標波形データＤｂに基づいて設定される。一例では、目標波形データＤｂがそのまま初期の入力波形データＤａとして用いられる。次に、この初期の入力波形データＤａに基づいてドライバ回路４が駆動電流ｉｄを半導体レーザ素子２に供給し、半導体レーザ素子２がレーザ光Ｌａを出力する（電流供給ステップＳＴ２）。図７（ａ）は、初期の入力波形データＤａに基づいて生成されたレーザ光Ｌａの時間波形を模式的に示している。このレーザ光Ｌａは光増幅器３によって増幅される（光増幅ステップＳＴ３）。
　なお、電流供給ステップＳＴ２は、Ｄ／Ａ変換ステップＳＴ２１と、電流変換ステップＳＴ２２とを含む。Ｄ／Ａ変換ステップＳＴ２１では、Ｄ／Ａ変換部４６が、ディジタルの入力波形データＤａをアナログの駆動信号Ｓｄに変換する。このとき、前述したように、入力波形データＤａの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データＤＤ１～ＤＤ４（図５を参照）を、時間差を与えながら駆動信号Ｓｄに順次変換する。電流変換ステップＳＴ２２では、電流変換部４５が駆動信号Ｓｄを駆動電流ｉｄに変換する。
　続いて、光検出部１４を通じて、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形を検出する（光波形検出ステップＳＴ４）。図７（ｂ）は、検出された時間波形を模式的に示している。多くの場合、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形は、増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形と異なる。一つの原因としては、光増幅器３における励起状態が時間経過に応じて変化することが挙げられる。すなわち、レーザ光Ｌａの入射直後においては光増幅器３が強く励起されており、高い利得でもってレーザ光Ｌａを増幅する。しかし、レーザ光Ｌａの入射開始から時間が経過すると、次第に光増幅器３の励起強度が低下し、それに伴ってレーザ光Ｌａの増幅利得も低下する。
　図８及び図９は、実際に測定された、増幅前のレーザ光Ｌａ及び増幅後のレーザ光Ｌｂの各時間波形を示すグラフである。図８（ａ）は、増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形（矩形波）を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示された時間波形を有するレーザ光Ｌａを増幅した後のレーザ光Ｌｂの時間波形を示す。また、図９（ａ）は、増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形（ランプ波）を示し、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示された時間波形を有するレーザ光Ｌａを増幅した後のレーザ光Ｌｂの時間波形を示す。なお、縦軸は光強度（任意単位）を表し、横軸は時間（単位：ナノ秒）を表す。これらの図に示されるように、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形は、増幅前のレーザ光Ｌａの時間波形と大きく異なる。
　再び図７を参照する。波形調整ステップＳＴ５では、まず、比較部３３が、検出されたレーザ光Ｌｂの時間波形と、目標波形データＤｂに示される目標波形（図７（ｃ））とを比較し、その差分（誤差）を出力する（ステップＳＴ５１）。次に、波形調整部３２は、この差分に基づいて入力波形データＤａの時間波形を調整する。すなわち、波形調整部３２は、この差分がより小さくなるように（すなわち０に近づくように）、新たな入力波形データＤａを演算する（ステップＳＴ５２）。
　この新たな入力波形データＤａに基づいてドライバ回路４が駆動電流ｉｄを半導体レーザ素子２に供給し、半導体レーザ素子２がレーザ光Ｌａを出力する（電流供給ステップＳＴ２）。図７（ｄ）は、新たな入力波形データＤａに基づいて生成されたレーザ光Ｌａの時間波形を模式的に示している。このレーザ光Ｌａは光増幅器３によって増幅される（光増幅ステップＳＴ３）。上記のステップＳＴ２～ＳＴ５を繰り返すことによって、増幅後のレーザ光Ｌｂの時間波形が目標波形に近づく。こうして生成されたレーザ光Ｌｂが、図１に示された加工光学系５を経て被加工物Ｂに照射される（光照射ステップＳＴ６）。
　図１０及び図１１は、光増幅器３から出力されるレーザ光Ｌｂの時間波形の例を示すグラフである。なお、縦軸は光強度（任意単位）を表し、横軸は時間（単位：ナノ秒）を表す。図１０（ａ）は、半値全幅（Full Width at Half Maximum：ＦＷＨＭ）が４ナノ秒のガウス波形を示している。図１０（ｂ）は、ＦＷＨＭが３２ナノ秒のガウス波形を示している。図１１（ａ）は、ＦＷＨＭが１２０ナノ秒の矩形波を示している。図１１（ｂ）は、ＦＷＨＭが４ナノ秒のランプ波形を示している。これらのように、本実施形態のレーザ加工装置１Ａによれば、任意の様々な時間波形を生成することができる。
　レーザ光Ｌｂの好適な時間波形について更に検討する。図１２は、本実施形態のレーザ加工装置１Ａにおいてレーザ光Ｌｂとして生成された、パルス幅２３．７ｎｓ（ＦＷＨＭ）のガウシアンパルスＰａの時間波形（実測値）を示すグラフである。図１２において、縦軸は規格化強度（任意単位）を表し、横軸は時間（単位：ナノ秒）を表す。このレーザ光Ｌｂを被加工物Ｂに照射して穴あけ加工を行った。
　なお、レーザ光Ｌｂの波長を１０６４ｎｍとし、光パルスＰａの繰り返し周波数を３００Ｈｚとして３秒間照射し（すなわち光パルスＰａの照射回数は９００回）、光パルスＰａのパルスエネルギーを４０μＪとし、加工光学系５の集光レンズとして焦点距離４０ｍｍの平凸レンズを用いた。また、被加工物Ｂを厚み５０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とし、被加工物Ｂにおけるレーザ光Ｌｂの集光径を１０μｍとした。
　図１３（ａ）は、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）により観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの表面（レーザ照射面）の画像である。図１３（ｂ）は、ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの裏面の画像である。図１３を参照すると、被加工物Ｂに略円形の貫通孔が形成されていることがわかる。被加工物Ｂの表面における孔の直径を計測したところ、紙面の左右方向の幅ｄｘは１９．１μｍ、紙面の上下方向の幅ｄｙは２１．４μｍであった。すなわち、レーザ光Ｌｂの集光径の約２倍の大きさの孔が形成された。
　図１４は、本実施形態のレーザ加工装置１Ａにおいてレーザ光Ｌｂとして生成された、複数の超短光パルスＰｂａを含む光パルス列である光パルス群Ｐｂの時間波形（実測値）を示すグラフである。図１４において、縦軸は規格化強度（任意単位）を表し、横軸は時間（単位：ナノ秒）を表す。このレーザ光Ｌｂを被加工物Ｂに照射して穴あけ加工を行った。
　なお、この光パルス群Ｐｂを構成する各超短光パルスＰｂａのパルス幅を７０ｐｓ（ＦＷＨＭ）とし、パルス同士の時間間隔を２ｎｓとし、超短光パルスＰｂａの数を１０本とした。また、光パルス群Ｐｂの繰り返し周波数を３００Ｈｚとして３秒間照射し（すなわち光パルス群Ｐｂの照射回数は９００回）、各超短光パルスＰｂａのパルスエネルギーを４０μＪとした。レーザ光Ｌｂの波長、加工光学系５の集光レンズ、被加工物Ｂの材質、及びレーザ光Ｌｂの集光径は上記と同様とした。
　図１５（ａ）は、ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの表面（レーザ照射面）の画像である。図１５（ｂ）は、ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの裏面の画像である。図１５を参照すると、この実施例においても、被加工物Ｂに略円形の貫通孔が形成されていることがわかる。被加工物Ｂの表面における孔の直径を計測したところ、紙面の左右方向の幅ｄｘは２８．６μｍ、紙面の上下方向の幅ｄｙは２５．４μｍであった。すなわち、図１２に示されたガウシアンパルスＰａの場合よりも大きな孔が形成された。
　図１２に示されるガウシアンパルスＰａのピーク出力は２．１５ＧＷ／ｃｍ２であった。一方、図１４に示される複数の超短光パルスＰｂａはガウシアンパルスＰａよりもパルス幅が小さいため、そのピーク出力は、ガウシアンパルスＰａのピーク出力の約３０倍（６０ＧＷ／ｃｍ２）となった。故に、図１５ではアブレーションがより促進され、加工レートが速くなったことにより孔の径が大きくなったと推測される。
　図１６（ａ）は、本実施形態のレーザ加工装置１Ａにおいてレーザ光Ｌｂとして生成された光パルス群Ｐｃ及び光パルスＰｄの時間波形（実測値）を示すグラフである。図１６（ａ）において、縦軸は規格化強度（任意単位）を表し、横軸は時間（単位：ナノ秒）を表す。このレーザ光Ｌｂを被加工物Ｂに照射して穴あけ加工を行った。
　なお、光パルス群Ｐｃは、複数の超短光パルスＰｃａを含み、図１４に示された光パルス群Ｐｂにおいて超短光パルスＰｂａの本数を半分の５本としたものと同じである。光パルスＰｄは、パルス幅７１ｎｓの単一パルスである。光パルス群Ｐｃと光パルスＰｄとの時間間隔Δｔは２６０．１ｎｓである。レーザ光Ｌｂの波長、パルスエネルギー、加工光学系５の集光レンズ、被加工物Ｂの材質、及びレーザ光Ｌｂの集光径は上記と同様とした。
　図１６（ｂ）は、ＳＥＭにより観察された穴あけ加工後の被加工物Ｂの表面（レーザ照射面）の画像である。なお、この実施例では、孔は被加工物Ｂの裏面まで貫通しなかった。図１６（ｂ）を参照すると、被加工物Ｂの表面に略円形の小さな凹部が形成されていることがわかる。被加工物Ｂの表面における凹部の直径を計測したところ、紙面の左右方向の幅ｄｘは２．５μｍ、紙面の上下方向の幅ｄｙは２．４μｍであった。すなわち、レーザ光Ｌｂの集光径よりも直径が格段に小さい凹部が形成された。
　このような、レーザ光Ｌｂの集光径よりも格段に小さな直径を有する凹部は、ピコ秒オーダーの時間幅を有する複数の超短光パルスＰｃａを含む光パルス群Ｐｃによる加工と、ナノ秒オーダーの時間幅を有する光パルスＰｄによる加工とが複合的になされた結果として得られたものと考えられる。より詳細には、高いピーク出力を有する光パルス群Ｐｃにより孔加工が進む一方で、低いピーク出力を有する光パルスＰｄを通じた長時間のエネルギー照射による熱的な加工が進むことにより、被加工物Ｂ（ＳＵＳ３０４）が適度に溶融し、小さな直径を有する凹部が形成されたものと推測される。
　図１６に示された実施例は、一又は複数の光パルスをそれぞれ含む二以上の光パルス群を互いに時間間隔Δｔをあけて被加工物Ｂに照射し、且つ、二以上の光パルス群のうち少なくとも二つの光パルス群の時間波形を互いに異ならせることにより、従来は困難とされていた様々な加工を可能にし得ることを示唆している。そして、このような照射態様は、一又は複数のパルスを含む二以上のパルス群が互いに時間間隔Δｔをあけて並び、且つ、二以上のパルス群のうち少なくとも二つのパルス群の時間波形が互いに異なる駆動電流ｉｄを、電流供給ステップＳＴ２においてドライバ回路４から半導体レーザ素子２に提供することにより実現される。
　なお、ここでいう時間波形とは、各パルス群における一又は複数のパルスそれぞれの時間波形、各パルス群における一又は複数のパルスそれぞれの時間幅、及び各パルス群における複数のパルスの時間間隔のうち少なくとも一つを含む概念である。時間間隔Δｔは、例えば２００マイクロ秒以下であり、より好適には１マイクロ秒以下である。
　図１７は、そのような照射態様のレーザ光Ｌｂの時間波形の別の実施例を示すグラフ（実測値）である。図１７において、縦軸は規格化強度（任意単位）を表し、横軸は時間（単位：ナノ秒）を表す。この実施例では、単一の光パルスＰｅａを含む光パルス群Ｐｅ１と、単一の光パルスＰｅｂを含む光パルス群Ｐｅ２とを光増幅器３から出力している。光パルスＰｅａ，Ｐｅｂは共にガウシアンパルスであり、時間幅（ＦＷＨＭ）はそれぞれ６２ｐｓ及び１５ｎｓである。光パルス群Ｐｅ１と光パルス群Ｐｅ２との時間間隔Δｔは２５．８ｎｓである。
　本実施形態のレーザ加工装置１Ａによれば、このように一の光パルス群Ｐｅ２に含まれる光パルスＰｅｂのパルス幅を、別の光パルス群Ｐｅ１に含まれる光パルスＰｅａのパルス幅の１０倍以上とすることも可能である。この場合、光パルス群Ｐｅ１に対応するパルス群と、光パルス群Ｐｅ２に対応するパルス群とが時間間隔Δｔをあけて並ぶ駆動電流ｉｄを、電流供給ステップＳＴ２においてドライバ回路４から半導体レーザ素子２に提供するとよい。
　図１８及び図１９は、更に別の実施例を示すグラフ（実測値）である。図１８（ａ）は、複数の超短光パルスＰｆａを含む光パルス群Ｐｆ１と、単一の光パルスＰｆｂを含む光パルス群Ｐｆ２とを示す。超短光パルスＰｆａ及び光パルスＰｆｂは共にガウシアンパルスであり、時間幅（ＦＷＨＭ）はそれぞれ６２ｐｓ及び１５ｎｓであり、複数の超短光パルスＰｆａの時間間隔は１０ｎｓである。光パルス群Ｐｆ１と光パルス群Ｐｆ２との時間間隔Δｔは３７．４ｎｓである。
　また、図１８（ｂ）は、複数の超短光パルスＰｇａを含む光パルス群Ｐｇ１と、単一の光パルスＰｇｂを含む光パルス群Ｐｇ２と、単一の光パルスＰｇｃを含む光パルス群Ｐｇ３とを示す。超短光パルスＰｇａ及び光パルスＰｇｂは共にガウシアンパルスであり、光パルスＰｇｃの時間波形は三角波である。超短光パルスＰｇａ及び光パルスＰｇｂの時間幅（ＦＷＨＭ）はそれぞれ６２ｐｓ及び１５ｎｓであり、光パルスＰｇｃの時間幅は３６ｎｓである。複数の超短光パルスＰｇａの時間間隔は、前半が５ナノ秒、後半が１０ナノ秒である。光パルス群Ｐｇ１と光パルス群Ｐｇ２との時間間隔Δｔ１は５８．２ｎｓであり、光パルス群Ｐｇ２と光パルス群Ｐｇ３との時間間隔Δｔ２は４９．９ｎｓである。
　また、図１９は、単一の光パルスＰｈａを含む光パルス群Ｐｈ１と、単一の光パルスＰｈｂを含む光パルス群Ｐｈ２とを示す。光パルスＰｈａ，Ｐｈｂは共にガウシアンパルスであり、時間幅（ＦＷＨＭ）はそれぞれ６２ｐｓ及び１２ｎｓである。光パルス群Ｐｈ１と光パルス群Ｐｈ２との時間間隔Δｔは４０．９ｎｓである。
　なお、図１８及び図１９に示された各波形は、各光パルス群Ｐｆ１，Ｐｆ２（Ｐｇ１～Ｐｇ３またはＰｈ１，Ｐｈ２）に対応するパルス群が時間間隔Δｔ（またはΔｔ１，Δｔ２）をあけて並ぶ駆動電流ｉｄを、電流供給ステップＳＴ２においてドライバ回路４から半導体レーザ素子２に提供するとよい。
　図２０～図２４の（ａ）～（ｃ）は、本実施形態のレーザ加工装置１Ａから出力可能な種々の時間波形を概念的に示す図である。これらの図において、縦軸は光強度を表し、横軸は時間を表す。図２０（ａ）、（ｂ）は、複数の超短光パルスを含む光パルス列である光パルス群Ｐｉと、単一のガウシアンパルスを含む光パルス群Ｐｊとを組み合わせた例を示す。図２０（ａ）は光パルス群Ｐｉの後に光パルス群Ｐｊが照射される例を示し、図２０（ｂ）は光パルス群Ｐｊの後に光パルス群Ｐｉが照射される例を示す。
　なお、光パルス群Ｐｉに含まれる超短光パルスの本数は任意であって、図示例では、超短光パルスの本数は３である。また、光パルス群Ｐｉに含まれる各超短光パルスのピーク強度は、互いに等しくてもよく、少なくとも１つが他と異なってもよい。また、図２０（ａ）、（ｂ）と同様に、以下に説明する各例においても、光パルス群の順序は適宜入れ替わってよい。
　図２０（ｃ）は、光強度が単調に増加する三角波状の時間波形を有する単一の光パルスを含む光パルス群Ｐｋと、単一のガウシアンパルスを含む光パルス群Ｐｊとを組み合わせた例を示す。
　図２１（ａ）は、光パルス群Ｐｉと、単一の超短光パルスを含む光パルス群Ｐｍと、光パルス群Ｐｋとを組み合わせた例を示す。図示例では、光パルス群Ｐｉを構成する超短光パルスの本数は２であり、各超短光パルスのピーク強度は互いに等しい。
　図２１（ｂ）は、複数の超短光パルスを含む光パルス列であって各超短光パルスのピーク強度が単調に増加する光パルス群Ｐｎと、光強度が階段状に増加する単一の光パルスを含む光パルス群Ｐｐとを組み合わせた例を示す。光パルス群Ｐｎに含まれる超短光パルスの本数は任意であって、図示例では、超短光パルスの本数は５である。また、光パルス群Ｐｐを構成する光パルスの段数は任意であって、図示例では、光パルスの段数は２である。
　図２１（ｃ）は、複数の超短光パルスを含む光パルス列であって各超短光パルスのピーク強度が単調に減少する光パルス群Ｐｑと、光強度が階段状に減少する単一の光パルスを含む光パルス群Ｐｒとを組み合わせた例を示す。光パルス群Ｐｑに含まれる超短光パルスの本数は任意であって、図示例では、超短光パルスの本数は５である。また、光パルス群Ｐｒを構成する光パルスの段数は任意であって、図示例では、光パルスの段数は４である。
　図２２（ａ）は、光強度が一定である平坦な区間を含む時間波形を有する単一の光パルスを含む光パルス群Ｐｓと、２つの光パルス群Ｐｍとを組み合わせた例を示す。
　図２２（ｂ）は、光パルス群Ｐｋと、複数の光パルスを含む光パルス列であって光強度が単調に増加する三角波状の時間波形を各光パルスが有する光パルス群Ｐｔとを組み合わせた例を示す。光パルス群Ｐｔに含まれる三角波状の光パルスの本数は任意であって、図示例では、光パルスの本数は４である。また、光パルス群Ｐｔに含まれる各光パルスのピーク強度は、互いに等しくてもよく、少なくとも１つが他と異なってもよい。
　図２２（ｃ）は、ガウシアンパルスのピーク強度が互いに異なる２つの光パルス群Ｐｊと、光パルス群Ｐｉとを組み合わせた例を示す。図示例では、最初の光パルス群Ｐｊのガウシアンパルスのピーク強度が、２番目の光パルス群Ｐｊのガウシアンパルスのピーク強度よりも大きい。また、光パルス群Ｐｉを構成する超短光パルスの本数は２であり、各超短光パルスのピーク強度は互いに等しい。
　図２３（ａ）は、複数の超短光パルスを含む光パルス列であって、各超短光パルスのピーク強度が単調に増加したのち単調に減少する光パルス群Ｐｕと、光パルス群Ｐｊとを組み合わせた例を示す。光パルス群Ｐｕに含まれる超短光パルスの本数は任意であって、図示例では、光パルスの本数は１１である。
　図２３（ｂ）は、複数の超短光パルスを含む光パルス列であって、各超短光パルスのピーク強度が単調に減少したのち単調に増加する光パルス群Ｐｖを示す。光パルス群Ｐｖに含まれる超短光パルスの本数は任意であって、図示例では、光パルスの本数は１０である。
　図２３（ｃ）は、ゼロより大きい光強度から開始して光強度が単調に増加する時間波形を有する単一の光パルスを含む光パルス群Ｐｗと、光パルス群Ｐｉとを組み合わせた例を示す。図示例では、光パルス群Ｐｉを構成する超短光パルスの本数は３であり、各超短光パルスのピーク強度は互いに等しい。
　図２４（ａ）は、光強度が単調に増加する三角波状の時間波形を有する単一の光パルスを含む光パルス群Ｐｘと、光パルス群Ｐｉとを組み合わせた例を示す。図示例では、光パルス群Ｐｉを構成する超短光パルスの本数は６であり、各超短光パルスのピーク強度は互いに等しい。
　図２４（ｂ）は、光強度が一定である平坦な区間を含む時間波形を有する単一の光パルスを含む光パルス群Ｐｙと、光パルス群Ｐｉと、光強度が単調に減少する三角波状の時間波形を有する単一の光パルスを含む光パルス群Ｐｚとを組み合わせた例を示す。図示例では、光パルス群Ｐｉを構成する超短光パルスの本数は４であり、各超短光パルスのピーク強度は互いに等しい。
　図２４（ｃ）は、複数の光パルス群Ｐｊを等間隔で組み合わせた例を示す。各光パルス群Ｐｊのガウシアンパルスのピーク強度は、互いに等しくてもよく、少なくとも１つが他と異なってもよい。
　図２５は、複数の加工プロセスにそれぞれ対応する複数の光パルス群Ｐｉ，Ｐｊ，Ｐｙを組み合わせた例を示すグラフである。図２５において、縦軸は光強度を表し、横軸は時間を表す。図２５に示されるように、或る加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｉをまず照射し、その時間Δｔ３後に別の加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｊを照射し、その時間Δｔ４後に更に別の加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｙを照射する。この場合、従来は別個のレーザ加工装置を用いて行っていたこれらの加工プロセスを、短時間の間に連続して行うことが可能になる。
　光パルス群Ｐｉに含まれる各超短光パルスのパルス幅（ＦＷＨＭ）は、例えば１ピコ秒以上１ナノ秒以下である。光パルス群Ｐｊに含まれるガウシアンパルスのパルス幅（ＦＷＨＭ）は、例えば１ナノ秒以上１マイクロ秒以下である。光パルス群Ｐｙを構成する光パルスの平坦区間の時間幅は、例えば１マイクロ秒以上１ミリ秒以下である。時間間隔Δｔ３，Δｔ４は、例えば１ミリ秒以下であり、より好適には２００マイクロ秒以下である。
　図２６～図２９は、本実施形態のレーザ加工装置１Ａを用いて、複数の加工プロセスを短時間の間に連続して行う場合の例を示す。図２６～図２９の各（ａ）には、互いに構成材料が異なる複数（図では３つ）の層Ｂ１～Ｂ３を有する被加工物Ｂと、被加工物Ｂに照射されるレーザ光Ｌｂとが示されている。図２６～図２９の各（ｂ）には、各加工プロセスにおけるレーザ光Ｌｂの時間波形が示されている。
　この例では、まず図２６（ｂ）に示される光パルス群Ｐｙを最上層Ｂ１に照射することにより、被加工面のクリーニングを行う。光パルス群Ｐｙを構成する光パルスにおいて、光強度が一定である平坦な区間の時間幅は例えば１ミリ秒である。次に、図２７（ｂ）に示される光パルス群Ｐｉを最上層Ｂ１に照射することにより、図２７（ａ）に示されるように、最上層Ｂ１に孔Ｂ１ａを形成する。光パルス群Ｐｉを構成する各光パルスの時間幅は例えば６０ピコ秒である。
　続いて、図２８（ｂ）に示される光パルス群Ｐｐを層Ｂ２に照射することにより、図２８（ａ）に示されるように、層Ｂ２を部分的に改質して改質領域Ｂ２ａを形成する。光パルス群Ｐｐを構成する光パルスの時間幅は例えば３０ナノ秒である。続いて、図２９（ｂ）に示される光パルス群Ｐｉを層Ｂ２に照射し、その後に光パルス群Ｐｊを層Ｂ３に照射することにより、図２９（ａ）に示されるように、層Ｂ２に孔Ｂ２ｂ、層Ｂ３に孔Ｂ３ａをそれぞれ形成する。光パルス群Ｐｉを構成する各光パルスの時間幅は例えば６０ピコ秒であり、光パルス群Ｐｊを構成するガウシアンパルスのＦＷＨＭは例えば３０ナノ秒である。
　こうして、異種材料が積層されて成る被加工物Ｂにおいて、短時間の間に貫通孔を形成することができる。
　なお、複数の加工プロセスに対応する複数の光パルス群の組み合わせは、次のような態様であってもよい。図３０（ａ）は、或る加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｉ，Ｐｙ，Ｐｋの組み合わせを示すグラフである。図３０（ｂ）は、次の加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｊを示すグラフである。図３０（ｃ）は、更に次の加工プロセスに対応する光パルス群Ｐｉ，Ｐｉ，Ｐｍを示すグラフである。この例のように、加工プロセス毎に複数の光パルス群を被加工物Ｂに照射してもよい。
　ここで、複数の加工プロセスのそれぞれに対応する複数の光パルス群を被加工物Ｂに照射した実施例について説明する。図３１は、この実施例において照射されたレーザ光Ｌｂの時間波形を示すグラフである。図３１に示されるように、この実施例では、レーザ光Ｌｂを、孔開け加工（前加工）に適した時間波形を有する複数の光パルス群Ｐｉと、その後に、バリ取り（後加工）に適した時間波形を有する複数の光パルス群Ｐｊとを含むものとした。
　光パルス群Ｐｉの個数を３００個とし、光パルス群Ｐｉに含まれる複数の光パルスの個数を１０個とし、各光パルスのエネルギーを２μＪとし、各光パルスの時間幅（ＦＷＤＭ）を８０ｐｓとし、パルス同士の時間間隔を２ｎｓとした。また、光パルス群Ｐｊの個数を３００個とし、光パルス群Ｐｊを構成するガウシアンパルスのエネルギーを４０μＪとし、ガウシアンパルスの時間幅（ＦＷＤＭ）を１３７ｎｓとした。また、光パルス群Ｐｉと光パルス群Ｐｊとの時間間隔Δｔ５を、光パルス群Ｐｉの加工後に被加工物Ｂが定常状態となる時間として１ｓとし、光パルス群Ｐｉ同士の時間間隔を３．３ｍｓとし、光パルス群Ｐｊ同士の時間間隔を３．３ｍｓとした。
　図３２及び図３３は、被加工物Ｂに形成された孔のＳＥＭ画像を示す図である。図３２は、光パルス群Ｐｉを照射した後且つ光パルス群Ｐｊを照射する前における、被加工物Ｂの（ａ）表面（レーザ照射面）及び（ｂ）裏面を示す。また、図３３は、光パルス群Ｐｊを照射した後における、被加工物Ｂの（ａ）表面及び（ｂ）裏面を示す。
　図３２（ａ）と図３３（ａ）とを比較すると、光パルス群Ｐｉの照射後に生じていた孔周辺のバリが、光パルス群Ｐｊの照射により溶融して滑らかになったことがわかる。また、図３２（ｂ）と図３３（ｂ）とを比較すると、レーザ照射面とは反対側の孔径が、光パルス群Ｐｊの照射による溶融によって小さくなったことがわかる。
　なお、被加工物Ｂの裏面における孔の直径を計測したところ、光パルス群Ｐｊを照射する前（図３２（ｂ））では、紙面の左右方向の幅ｄｘは８．３μｍ、紙面の上下方向の幅ｄｙは８．１μｍ、平均幅は８．２μｍであったのに対し、光パルス群Ｐｊを照射した後（図３３（ｂ））では、紙面の左右方向の幅ｄｘは２．９μｍ、紙面の上下方向の幅ｄｙは２．７μｍ、平均幅は２．８μｍであった。
　以上に説明した本実施形態のレーザ加工装置１Ａ及びレーザ加工方法によって得られる効果について説明する。
　本実施形態のレーザ加工装置１Ａ及びレーザ加工方法では、波形出力部６が入力波形データＤａを出力し、入力波形データＤａに応じた時間波形を有する駆動電流ｉｄをドライバ回路４が半導体レーザ素子２に供給する。したがって、任意の時間波形を入力波形データＤａに含めることにより、任意の時間波形を有する光パルスを半導体レーザ素子２から出力させることができる。また、時間差を有する複数のパルス群を入力波形データＤａに含めることにより、時間差を有する複数の光パルス群を半導体レーザ素子２から出力させることができる。
　すなわち、本実施形態によれば、時間波形が異なる複数の光パルス群を時間差をあけて被加工物Ｂに照射することができる。加えて、単一の半導体レーザ素子２から単一の光路上に複数の光パルス群を出力させるので、特許文献１，２に記載された各方法と比較して、装置構成を小型化することが可能になる。
　また、時間波形が異なる複数の光パルス群を短時間の間に（連続的に）被加工物Ｂに照射することにより、複数の光パルス群が被加工物Ｂに対して複合的に作用し、例えば図１６（ｂ）に示されるような照射径未満の直径を有する凹部の形成といった、従来は困難とされていた様々な加工形状及び加工品質を可能にできる。
　また、従来のように、加工プロセスごとに適切な時間波形を有する光源を用意して各加工プロセスを実施すると、光源を入れ替えるための作業が必要となり、また光源を入れ替えたのちに光軸のズレを修正するための作業が更に必要になるなど、加工処理に要する時間が長くなる。これに対し、本実施形態によれば、例えば図２６～図２９及び図３１～図３３に示したように、複数の加工プロセスのそれぞれに適した時間波形を有する複数の光パルス群を単一の半導体レーザ素子２から短時間の間に（連続して）発生させることができ、加工処理に要する時間を大幅に短縮することができる。
　本実施形態のように、ドライバ回路４（電流供給ステップＳＴ２）は、ディジタルの入力波形データＤａをアナログの駆動信号Ｓｄに変換するＤ／Ａ変換部４６（Ｄ／Ａ変換ステップＳＴ２１）と、駆動信号Ｓｄを駆動電流ｉｄに変換する電流変換部４５（電流変換ステップＳＴ２２）と、を有してもよい。そして、Ｄ／Ａ変換部４６（Ｄ／Ａ変換ステップＳＴ２１）は、入力波形データＤａの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データＤＤ１～ＤＤ４を、時間差を与えながら駆動信号Ｓｄに順次変換してもよい。これにより、駆動信号Ｓｄをより高速化して光パルスの時間波形の時間分解能を高めることができる。
　本実施形態のように、各光パルス群における一又は複数のパルスそれぞれの時間幅は１マイクロ秒以下であってもよい。このように時間幅が短い光パルスを被加工物Ｂに照射することにより、被加工領域の周辺への熱的な影響を制御しつつレーザ光Ｌｂの光強度を大きくすることができ、加工精度を高めることができる。
　本実施形態のように、光パルス群同士の時間間隔が２００マイクロ秒以下であってもよい。この場合、二以上の光パルス群を含むレーザ光Ｌｂを短時間で被加工物Ｂに照射することができ、加工に要する時間を短縮することができる。
　本実施形態のように、波形出力部６は（電流供給ステップＳＴ２において）、レーザ光Ｌｂにおける二以上の光パルス群のうち少なくとも一つのパルス群の時間波形を被加工物Ｂの加工途中に変更してもよい。本実施形態では、このように、パルス群の時間波形を被加工物Ｂの加工途中に変更することが容易にできる。したがって、レーザ光に求められる時間波形がそれぞれ異なる複数段階の加工プロセスを短時間のうちに連続して行うことができ、加工に要する時間を短縮することができる。
　本実施形態のように、一の光パルス群における一又は複数の光パルスのパルス幅が、別の光パルス群における一又は複数の光パルスのパルス幅の１０倍以上であってもよい。本実施形態によれば、例えばこのようにパルス幅が大きく異なる光パルスを短時間のうちに連続して出力することができ、様々な加工条件に適応することができる。
　（変形例）
　図３４は、上記実施形態の一変形例の構成を示すブロック図である。図３４に示されるように、本変形例のレーザ加工装置１Ｂは、上記実施形態のレーザ加工装置１Ａの構成に加えて、空間光変調器７及び駆動部８を更に備える。
　空間光変調器７は、二次元状に配列された複数の画素を有し、各画素において入射光の位相を個別に変調する。空間光変調器７は、透過型及び反射型のいずれであってもよい。一例では、空間光変調器７は液晶型のＬＣＯＳ－ＳＬＭ（Liquid Crystal on Silicon - Spatial Light Modulator）である。
　空間光変調器７は、半導体レーザ素子２と加工光学系５との間の光路上（図示例では、光増幅器３と加工光学系５との間の光路上）に配置されている。空間光変調器７は、光増幅器３から出力されたレーザ光Ｌｂの位相を空間的に変調し、変調後のレーザ光Ｌｃを加工光学系５に出力する。このレーザ光Ｌｃは、加工光学系５を介して被加工物Ｂに照射される。すなわち、図６に示された光照射ステップＳＴ６において、レーザ光Ｌｂが空間光変調器７を介して被加工物Ｂに照射される。
　駆動部８は、空間光変調器７を駆動するための電圧信号Ｓｖを空間光変調器７の各画素に印加するための回路である。各画素の電圧信号Ｓｖの大きさは、波形出力部６において生成される計算機生成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）に基づいて決定される。
　図３５は、本変形例において被加工物Ｂに照射される複数の光パルス群の例である。例えば、光パルス群Ｐｙ１を被加工物Ｂに照射し、時間Δｔ６が経過した後、光パルス群Ｐｙ２を被加工物Ｂに照射し、更に、時間Δｔ７が経過した後、光パルス群Ｐｙ３を被加工物Ｂに照射する。このような照射態様は、ドライバ回路４からの駆動電流ｉｄに、光パルス群Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３に対応するパルス群を含めることによって実現される。
　ここで、本変形例では、各光パルス群Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３を照射する被加工物Ｂ上の位置を、光パルス群Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３毎に異ならせるか、或いは、少なくとも１つの光パルス群Ｐｙ１，Ｐｙ２，又はＰｙ３の照射位置を他の光パルス群の照射位置と異ならせるためのＣＧＨを空間光変調器７が呈示する。言い換えると、空間光変調器７は、第１の光パルス群Ｐｙ１（又はＰｙ２）を第１の照射位置に照射するためのＣＧＨと、第２の光パルス群Ｐｙ２（又はＰｙ３）を第１の照射位置とは異なる第２の照射位置に照射するためのＣＧＨとを順次呈示する。なお、上述した時間Δｔ６，Δｔ７は、空間光変調器７がＣＧＨを変更するために必要な時間よりも大きい。
　本変形例によれば、少なくとも二箇所の被加工部位に対して異なる時間波形の光パルス群を照射することができ、且つ、これらの光パルス群の照射を短時間のうちに連続して行うことができる。したがって、従来のレーザ加工装置と比較して、加工に要する時間を格段に短縮することができる。
　レーザ加工装置及びレーザ加工方法は、上述した実施形態及び構成例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では目標波形データを波形出力部６において記憶しているが、目標波形データはレーザ加工装置１Ａの外部から入力されてもよい。また、必要に応じて光増幅器３及び／又は光アイソレータ１２を省いてもよい。
　また、上記実施形態では波形出力部６が波形調整部３２及び比較部３３を有し、レーザ光Ｌｂの時間波形をフィードバックして入力波形データＤａを生成しているが、このようなフィードバックのための構成を設けず、コンピュータ３１からの目標波形データＤｂをそのまま用いてレーザ光Ｌｂを生成してもよい。
　上記実施形態によるレーザ加工装置は、半導体レーザ素子と、入力波形データを出力する波形出力部と、入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、該駆動電流を半導体レーザ素子に供給するドライバ回路と、半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を被加工物に照射する光学系と、を備え、半導体レーザ素子は、一又は複数の光パルスを含む二以上の光パルス群が互いに時間間隔をあけて並ぶレーザ光を出力し、二以上の光パルス群のうち少なくとも二つの光パルス群の時間波形は互いに異なり、時間波形には、一又は複数の光パルスそれぞれの時間波形、一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅、及び複数の光パルスの時間間隔のうち少なくとも一つが含まれる構成としている。
　上記実施形態によるレーザ加工方法は、入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、駆動電流を半導体レーザ素子に供給する電流供給ステップと、半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を被加工物に照射する光照射ステップと、を含み、光照射ステップにおいて、一又は複数の光パルスを含む二以上の光パルス群が互いに時間間隔をあけて並ぶレーザ光を半導体レーザ素子が出力し、二以上の光パルス群のうち少なくとも二つの光パルス群の時間波形は互いに異なり、時間波形には、一又は複数の光パルスそれぞれの時間波形、一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅、及び複数の光パルスの時間間隔のうち少なくとも一つが含まれる構成としている。
　上記のレーザ加工装置において、ドライバ回路は、ディジタルの入力波形データをアナログの駆動信号に変換するＤ／Ａ変換部と、駆動信号を駆動電流に変換する電流変換部と、を有し、Ｄ／Ａ変換部は、入力波形データの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データを、時間差を与えながら駆動信号に順次変換する構成としても良い。
　上記のレーザ加工方法において、電流供給ステップは、ディジタルの入力波形データをアナログの駆動信号に変換するＤ／Ａ変換ステップと、駆動信号を駆動電流に変換する電流変換ステップと、を含み、Ｄ／Ａ変換ステップでは、入力波形データの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データを、時間差を与えながら駆動信号に順次変換する構成としても良い。
　これらの装置及び方法によれば、駆動信号をより高速化して光パルスの時間波形の時間分解能を高めることができる。
　上記のレーザ加工装置及びレーザ加工方法において、各光パルス群における一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅が、１マイクロ秒以下である構成としても良い。このように時間幅が短い光パルスを被加工物に照射することにより、被加工領域の周辺への熱的な影響を制御しつつレーザ光の光強度を大きくすることができ、加工精度を高めることができる。
　上記のレーザ加工装置及びレーザ加工方法において、二以上の光パルス群同士の時間間隔が、２００マイクロ秒以下である構成としても良い。この場合、二以上の光パルス群を短時間で被加工物に照射することができ、加工に要する時間を短縮することができる。
　上記のレーザ加工装置において、波形出力部は、二以上の光パルス群のうち少なくとも一つの光パルス群の時間波形を被加工物の加工途中に変更する構成としても良い。また、上記のレーザ加工方法において、二以上の光パルス群のうち少なくとも一つの光パルス群の時間波形を被加工物の加工途中に変更する構成としても良い。
　上記の装置及び方法では、このように、光パルス群の時間波形を被加工物の加工途中に変更することが容易にできる。したがって、レーザ光に求められる時間波形がそれぞれ異なる複数段階の加工を短時間のうちに連続して行うことができ、加工に要する時間を短縮することができる。
　上記のレーザ加工装置及びレーザ加工方法において、少なくとも二つの光パルス群のうち一の光パルス群における一又は複数の光パルスのパルス幅が、別の光パルス群における一又は複数の光パルスのパルス幅の１０倍以上である構成としても良い。上記の装置及び方法によれば、例えばこのようにパルス幅が大きく異なる光パルスを短時間のうちに連続して出力することができ、様々な加工条件に適応することができる。
　上記のレーザ加工装置は、半導体レーザ素子と光学系との間の光路上に配置された空間光変調器を更に備え、空間光変調器は、二以上の光パルス群に含まれる第１の光パルス群に対応するレーザ光を第１の照射位置に照射するためのホログラムと、第２の光パルス群に対応するレーザ光を第１の照射位置とは異なる第２の照射位置に照射するためのホログラムとを順次呈示する構成としても良い。
　上記のレーザ加工方法は、光照射ステップにおいて、空間光変調器を介してレーザ光を被加工物に照射し、二以上の光パルス群に含まれる第１の光パルス群に対応するレーザ光を第１の照射位置に照射するためのホログラムと、第２の光パルス群に対応するレーザ光を第１の照射位置とは異なる第２の照射位置に照射するためのホログラムとを空間光変調器に順次呈示する構成としても良い。
　この場合、複数の被加工部位に対するレーザ光の照射を短時間のうちに連続して行うことができ、加工に要する時間を短縮することができる。
　本発明は、時間波形が異なる複数の光パルスを被加工物に照射する構成を小型化することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法として利用可能である。
　１Ａ，１Ｂ…レーザ加工装置、２…半導体レーザ素子、３…光増幅器、４…ドライバ回路、５…加工光学系、６…波形出力部、７…空間光変調器、８…駆動部、１１…バイアス電流制御部、１２，２１，２３，２７，２９…光アイソレータ、１３…光分岐部、１４…光検出部、１５…光波形検出部、２２…光ファイバ増幅器、２４…バンドパスフィルタ、２５…光ファイバコネクタ、２６…コリメータレンズ、２８，３０…固体レーザ増幅器、３１…コンピュータ、３２…波形調整部、３３…比較部、４１…コントロール基板、４１ａ…ＣＰＵ、４１ｂ…高速ＤＡＣインターフェース、４２…波形データ格納部、４３…波形タイミング調整部、４４…波形信号生成部、４５…電流変換部、４６…Ｄ／Ａ変換部、Ｂ…被加工物、Ｂ１～Ｂ３…層、Ｂ１ａ，Ｂ２ｂ，Ｂ３ａ…孔、Ｂ２ａ…改質領域、Ｄａ…入力波形データ、Ｄｂ…目標波形データ、Ｄｃ…差分データ、ＤＤ１～ＤＤ４…区間波形データ、Ｆ１～Ｆ３…光ファイバ、ｉｄ…駆動電流、Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ…レーザ光、Ｐａ…光パルス（ガウシアンパルス）、Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｅ１，Ｐｅ２，Ｐｆ１，Ｐｆ２，Ｐｇ１，Ｐｇ２，Ｐｇ３，Ｐｈ１，Ｐｈ２，Ｐｉ～Ｐｚ，Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３…光パルス群、Ｐｂａ，Ｐｃａ，Ｐｆａ，Ｐｇａ…超短光パルス、Ｐｄ，Ｐｅａ，Ｐｅｂ，Ｐｆｂ，Ｐｇｂ，Ｐｇｃ，Ｐｈａ，Ｐｈｂ…光パルス、Ｓｃ…光強度信号、Ｓｄ…駆動信号、Ｓｖ…電圧信号、ＴＡ…遅延時間、Δｔ，Δｔ１，Δｔ２，Δｔ５…時間間隔。

Claims (14)

  1. 　半導体レーザ素子と、
    　入力波形データを出力する波形出力部と、
    　前記入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、該駆動電流を前記半導体レーザ素子に供給するドライバ回路と、
    　前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を被加工物に照射する光学系と、
    を備え、
    　前記半導体レーザ素子は、一又は複数の光パルスを含む二以上の光パルス群が互いに時間間隔をあけて並ぶ前記レーザ光を出力し、
    　前記二以上の光パルス群のうち少なくとも二つの前記光パルス群の時間波形は互いに異なり、
    　前記時間波形には、前記一又は複数の光パルスそれぞれの時間波形、前記一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅、及び前記複数の光パルスの時間間隔のうち少なくとも一つが含まれる、レーザ加工装置。
  2. 　前記ドライバ回路は、
    　ディジタルの前記入力波形データをアナログの駆動信号に変換するＤ／Ａ変換部と、
    　前記駆動信号を前記駆動電流に変換する電流変換部と、
    を有し、
    　前記Ｄ／Ａ変換部は、前記入力波形データの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データを、時間差を与えながら前記駆動信号に順次変換する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 　各光パルス群における前記一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅が１マイクロ秒以下である、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
  4. 　前記二以上の光パルス群同士の時間間隔が２００マイクロ秒以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  5. 　前記波形出力部は、前記二以上の光パルス群のうち少なくとも一つの前記光パルス群の前記時間波形を前記被加工物の加工途中に変更する、請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記少なくとも二つの光パルス群のうち一の前記光パルス群における前記一又は複数の光パルスのパルス幅が、別の前記光パルス群における前記一又は複数の光パルスのパルス幅の１０倍以上である、請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  7. 　前記半導体レーザ素子と前記光学系との間の光路上に配置された空間光変調器を更に備え、
    　前記空間光変調器は、前記二以上の光パルス群に含まれる第１の前記光パルス群に対応する前記レーザ光を第１の照射位置に照射するためのホログラムと、第２の前記光パルス群に対応する前記レーザ光を前記第１の照射位置とは異なる第２の照射位置に照射するためのホログラムとを順次呈示する、請求項１～６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
  8. 　入力波形データに応じた時間波形を有する駆動電流を生成し、前記駆動電流を半導体レーザ素子に供給する電流供給ステップと、
    　前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を被加工物に照射する光照射ステップと、
    を含み、
    　前記光照射ステップにおいて、一又は複数の光パルスを含む二以上の光パルス群が互いに時間間隔をあけて並ぶ前記レーザ光を前記半導体レーザ素子が出力し、
    　前記二以上の光パルス群のうち少なくとも二つの前記光パルス群の時間波形は互いに異なり、
    　前記時間波形には、前記一又は複数の光パルスそれぞれの時間波形、前記一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅、及び前記複数の光パルスの時間間隔のうち少なくとも一つが含まれる、レーザ加工方法。
  9. 　前記電流供給ステップは、
    　ディジタルの前記入力波形データをアナログの駆動信号に変換するＤ／Ａ変換ステップと、
    　前記駆動信号を前記駆動電流に変換する電流変換ステップと、
    を含み、
    　前記Ｄ／Ａ変換ステップでは、前記入力波形データの時間波形を分割してなる連続する複数の区間波形データを、時間差を与えながら前記駆動信号に順次変換する、請求項８に記載のレーザ加工方法。
  10. 　各光パルス群における前記一又は複数の光パルスそれぞれの時間幅を１マイクロ秒以下とする、請求項８又は９に記載のレーザ加工方法。
  11. 　前記二以上の光パルス群同士の時間間隔を２００マイクロ秒以下とする、請求項８～１０のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
  12. 　前記二以上の光パルス群のうち少なくとも一つの前記光パルス群の前記時間波形を前記被加工物の加工途中に変更する、請求項８～１１のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
  13. 　前記少なくとも二つの光パルス群のうち一の前記光パルス群における前記一又は複数の光パルスのパルス幅を、別の前記光パルス群における前記一又は複数の光パルスのパルス幅の１０倍以上とする、請求項８～１２のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
  14. 　前記光照射ステップにおいて、空間光変調器を介して前記レーザ光を前記被加工物に照射し、前記二以上の光パルス群に含まれる第１の前記光パルス群に対応する前記レーザ光を第１の照射位置に照射するためのホログラムと、第２の前記光パルス群に対応する前記レーザ光を前記第１の照射位置とは異なる第２の照射位置に照射するためのホログラムとを前記空間光変調器に順次呈示する、請求項８～１３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
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