JP2001021931A

JP2001021931A - Ｔｙｐｅ１の非線形結晶を用いた加工用レーザ装置

Info

Publication number: JP2001021931A
Application number: JP11195531A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Deki; 恭一出来
Original assignee: Ushio Sogo Gijutsu Kenkyusho KK
Current assignee: Ushio Sogo Gijutsu Kenkyusho KK
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】非線形光学結晶を用いて波長変換したレーザ
光を出射する加工用レーザ装置においてレーザ光の出力
パワーの変動を小さくすること。【解決手段】基本波レーザ光源１１から出射される基
本波が２倍波発生用の第１の非線形光学結晶１３に入射
し、非線形光学結晶１３はその２倍波と基本波とを発生
する。非線形光学結晶１３から出射する基本波と２倍波
は波長板２０に入射する。波長板２０は基本波の偏光方
向を９０°回転させ、基本波と２倍波の偏光方向を平行
とする。波長板２０から出射する偏光方向が平行な２倍
波と基本波は、ＴＹＰＥ１の第２の非線形光学結晶１
３’に入射して波長変換され３倍波と基本波とが出射す
る。ＴＹＰＥ１の結晶はＴＹＰＥ２の結晶より温度許容
幅が大きいので、ＴＹＰＥ１の結晶のみを使用すること
により、結晶に多少の温度変化が生じてもレーザ光の出
力パワーの変動を小さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長変換素子を用
いて波長変換を行い、波長変換光を多層プリント板等の
被加工物に照射して加工を行う加工用レーザ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】プリント基板のビアホールの孔あけ、フ
ィルム・金属の切断等の加工にレーザが使用される。近
年、微細加工の要求により、加工に用いられるレーザが
短波長化している。短波長のレーザの発生には、非線形
光学結晶を用いた波長変換方式を用いることが有効であ
る。図８に、非線形光学結晶を用いた波長変換により基
本波（１ω）の３倍波（３ω）を発生させる加工用レー
ザ装置１０の概略構成を示す。同図において、１１は基
本波（１ω) を発生する基本波レーザ光源１１であり、
基本波レーザ光源１１としては、波長１０６４ｎｍのレ
ーザ光を発振するＮｄ：ＹＡＧレーザ装置や、波長１０
５３ｎｍまたは１０４７ｎｍのレーザ光を発振するＮ
ｄ：ＹＬＦレーザ装置等を用いることができる。

【０００３】基本波レーザ光源１１から出射される基本
波レーザ光は、集光レンズ１２によって集光され、第１
の非線形光学結晶１３に入射する。第１の非線形光学結
晶１３に入射された基本波レーザ光の一部はその２倍波
（２ω）に波長変換されて、非線形光学結晶１３から出
射する。第１の非線形光学結晶１３から出射する基本波
レーザ光とその２倍波は、さらに、第２の非線形光学結
晶１３’に入射し、それが３倍波（３ω）に波長変換さ
れる。第２の非線形光学結晶１３’からの出射光は集光
レンズ１４によって集光され被加工物１５に照射され
る。上記した第１、第２の非線形光学結晶１３，１３’
は温度と位相整合角（レーザ光が結晶に入射する角度)
が変化すると、出力するレーザパワーが変化することが
知られている。したがって、非線形光学結晶１３，１
３’はその温度一定になるように制御されている。

【０００４】非線形光学結晶１３，１３’の温度制御
は、非線形光学結晶１３，１３’の表面に熱電対１６の
ような温度測定素子を接触させ、非線形光学結晶全体を
ヒータ１８等の加熱手段、もしくはペルチェ素子等の冷
却手段で覆う。そして、熱電対１６の出力を温度調節器
１７（以下温調器１７という）に入力する。温調器１７
は、あらかじめ設定された温度になるように、測定され
た非線形光学結晶の温度をフィードバックし、加熱手段
もしくは冷却手段の入力を制御し、非線形光学結晶１
３，１３’の温度を調節する。図８ではヒータ１８を用
いて非線形光学結晶１３を加熱する場合が図示されてい
る。なお、以下では非線形光学結晶を加熱する場合を例
にして説明する。

【０００５】図８に示した加工用レーザ装置１０からの
出力は、次のようにして調整する。非線形光学結晶１３，１３’を設定された所定の温
度に加熱し、一定温度になるように制御する。その状態
で、基本波レーザ光源１１からのレーザ光を、非線形光
学結晶１３に入射し、波長変換されて出力されるレーザ
光を図示しないパワーモニタによって受光する。パワーモニタの表示を見ながら、その値が最大にな
るように、非線形光学結晶１３，１３’の位相整合角を
調整し、非線形光学結晶１３，１３’を配置する角度を
決定する。

【０００６】図９は図８に示した加工用レーザ装置に使
用される非線形光学結晶の位相整合のタイプと、偏光方
向を示す図である。同図において、基本波レーザ発振器
１１から発振された１ωの基本波は、２倍波発生用非線
形光学結晶１３（ＳＨＧ）に入射して、波長変換され２
倍波（２ω) と基本波( １ω) とが出射する。ここで、
同図中の矢印、丸印（黒丸付き）はそれぞれ偏光方向を
示しており、矢印と丸印は偏光方向が互いに直交してい
ることを示している。２倍波発生用の非線形光学結晶１
３に入射する１ωの偏光方向は互いに平行であるので、
２倍波発生用の非線形光学結晶１３としては、偏光方向
が互いに平行な光を入射して波長変換を行なうＴＹＰＥ
１の結晶が用いられる。使用できる非線形光学結晶とし
ては、ＬＢＯ，ＣＬＢＯ，ＢＢＯ等がある。

【０００７】２倍波発生用の非線形光学結晶１３から出
射された２倍波（２ω) と基本波（１ω) とが、３倍波
発生用の非線形光学結晶１３’（ＴＨＧ）に入射して、
波長変換され、３倍波（３ω）、２倍波（２ω）、基本
波（１ω) とが出射する。２倍波発生用の非線形光学結
晶１３は上記のようにＴＹＰＥ１であり、ＴＹＰＥ１の
結晶から出射される波長変換された２倍波（２ω) の偏
光方向は、基本波（１ω) の偏光方向に対し直角にな
る。したがって、３倍波発生用の非線形光学結晶１３’
には偏光方向が互いに直角な光を入射して波長変換を行
なうＴＹＰＥ２の結晶が用いられる。使用される非線形
光学結晶の種類としては、ＬＢＯ，ＣＬＢＯ等がある。

【０００８】上記した加工用レーザ装置により、多層プ
リント板のビアホール加工等を行う場合には、レーザ光
をシャッタあるいはＱ−ＳＷによりオン／オフして、パ
ルス状のレーザ光を間欠的に被加工物に照射する。図１
０にレーザ光によるビアホール加工の様子を示す。同図
（ａ）に示すように、通常、一枚の基板上には、複数の
照射領域Ａ１，Ａ２，…が形成されており、各照射領域
Ａ１，Ａ２，…には複数の孔あけ箇所が設けられてい
る。そして、加工用レーザ装置から放出されるレーザ光
を、ガルバノメータ等の制御手段により走査して、多層
プリント板の各孔あけ位置に位置決めし、各孔あけ位置
にパルス状のレーザ光を複数回照射してビアホール加工
を行う。

【０００９】すなわち、同図（ｄ）に示すように半値全
幅（ピーク値の１／２のときのパルス幅）が数１０ｎｓ
〜数１００ｎｓで、繰り返し周波数が数ｋＨｚ〜数１０
ｋＨｚのレーザパルスを、領域Ａ１の各孔あけ箇所で同
図（ｃ）に示すように複数回照射して孔あけ加工を行
い、一つの孔あけが終わると同じ領域の次の孔あけ位置
にレーザ光を移動させ、同様にして孔あけを行う操作を
繰り返す。そして、領域Ａ１の全ての孔あけが終了する
と、同図（ｂ）示すように、レーザ光をオフにして、レ
ーザ光を次の領域Ａ２に移動させ、同様な孔あけ加工を
行う。以下同様にして多層プリント板の各領域Ａ１，Ａ
２，…の孔あけ加工を順次行い、一枚の多層プリント基
板の孔あけが終わると、多層プリント板を交換して、次
のプリント板の加工を行う。ここで、レーザのショット
回数は、一つの孔を加工するのに１〜３０ショットとな
る。なお、図１０（ｃ）ではレーザ光の出射開始直後、
レーザ光の大きさが次第に大きくなっているが、これは
後述するように非線形光学結晶の内部温度の上昇による
出力変動である。

【００１０】上記したように、加工用レーザ装置を多層
プリント板のビアホール等の加工に用いる場合、加工処
理済のワーク（多層プリント板）を未処理のワークに取
り換えたり、１つの多層プリント板内で、レーザ光を照
射する領域を移動させるなどの操作が必要である（この
操作を「段取り換え」という）。この段取り換えの時間
は、通常、数秒から数十秒（場合によっては数分間) か
かる。段取り換えを行なっている時は、図１０で説明し
たようにレーザ光源からのレーザ光の出射を行なわず、
加工用レーザ装置はレーザを出力しない。そして、段取
り換え終了後、レーザ光源からレーザ光を出射し、ワー
クに波長変換されたレーザ光を照射する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】波長変換により基本波
の３倍波を発生させ加工を行う加工用レーザ装置におい
ては、前記したように３倍波発生用の非線形光学結晶１
３’として、ＴＹＰＥ２のＬＢＯ結晶やＣＬＢＯ結晶が
使用されていた。非線形光学結晶は、前記図８で説明し
たように温調器により一定温度になるように制御されて
いるが、レーザ光の出力パワーの変動を１０％以下にす
るためには、結晶の温度をおよそ土０．５°Ｃに制御す
る必要があり、前記したような温度調節では、なかなか
難かしいのが現状である。

【００１２】特に、図９に示したＴＹＰＥ２の非線形光
学結晶を用いたレーザ装置を、レーザ光を間欠的に照射
して多層プリント板等の加工を行う加工用レーザ装置に
適用した場合、温調器により非線形光学結晶の表面温度
が一定になるように制御しても、レーザ光の出力パワー
の変動を小さくするのは難しい。すなわち、レーザ光出
射開始直後、非線形光学結晶は波長変換された光を吸収
し、レーザが通過する結晶内部の温度が上昇していく。
また、レーザ光の出射が停止し所定時間経過すると結晶
内部の温度は低下する。このような結晶内部の温度変化
が、レーザ光がオン／オフする毎に繰り返され、それに
応じて、結晶の波長変換効率が変動し、レーザの出力パ
ワーが変動する。

【００１３】特に、前記図１０で説明したような多層プ
リント板の加工においては、段取り換えの間に非線形光
学結晶の内部温度が低下するため、段取り換え後レーザ
光を出射したとき非線形光学結晶の内部温度が上昇し、
図１０（ｃ）に示したように出力パワーが大きく変動す
る。ビアホールの加工等においては、レーザ光の出力パ
ワーが変動すると、孔の深さや加工形状に不具合が発生
し、実用上問題が生ずる。

【００１４】図１１、図１２は、ＴＹＰＥ２のＬＢＯ結
晶について、レーザ光出射開始直後のレーザパワーの変
化を示したものであり、レーザの出力パワーが３Ｗの場
合を示しており、横軸は時間（sec)、縦軸は出力パワー
（Ｗ）である。ここで、図１１は結晶の表面温度を例え
ば５５．１°Ｃに制御した場合の変化であり、図１２は
結晶の表面温度を例えば５５．４°Ｃに制御した場合の
変化を示す。図１１、図１２から明らかなように、いず
れの場合にもレーザ光出射開始直後、レーザパワーが変
化している。すなわち、図１１ではレーザ光出射開始直
後から出力パワーが上昇し続けており、また、図１２で
は、レーザ光出射開始直後、一旦出力パワーが上昇し、
その後出力パワーが低下している。以上のように従来の
ＴＹＰＥ２の非線形光学結晶を用いた加工用レーザ装置
においては、レーザ光の出力パワーが変動し、加工に不
具合を生じるといった問題が生じた。

【００１５】本発明は上記した事情に鑑みなされたもの
であって、本発明の目的は、非線形光学結晶を用いて波
長変換したレーザ光を出射する加工用レーザ装置におい
て、非線形光学結晶に多少の温度変化が生じても、レー
ザ光の出力パワーの変動を小さくすることができる加工
用レーザ装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、非線形光学結晶により波長変換
を行ない紫外線レーザ光を発生するレーザ装置におい
て、波長変換用の非線形光学結晶にＴＹＰＥ１の結晶の
みを用いる。ＴＹＰＥ１の結晶はＴＹＰＥ２の結晶に比
べて温度許容幅が大きく、温度変化に対する出力パワー
の変動が少ないことを見いだした。したがって、ＴＹＰ
Ｅ１の結晶のみを用いることにより、結晶の温度が多少
変動してもレーザ光の出力パワーの変動を抑えることが
できる。ここで、ＴＹＰＥ１の結晶を用いて波長変換を
行なうためには、波長変換される光の偏光方向が、互い
に平行でなければならない。そこで、波長板を用いて、
ＴＹＰＥ１の結晶に入射する基本波、２倍波もしくは３
倍波かのいずれか一方のレーザ光を、９０°回転させ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】まず、結晶温度と波長変換効率と
の関係について説明する。一般に、非線形結晶の波長変
換効率η（イータ) は、次のような(1) 式で表すことが
できる。 η∝｛sin²( ΔｋＬ／２）｝／（ΔｋＬ／２）² …(1) ここで、Ｌは非線形結晶の光学的距離、Δｋは非線形結
晶に入射するレーザと出射するレーザとの波数の差であ
り、次のような(2) 式で表される。

【００１８】また、λ１，λ２は非線形結晶に入射する
レーザの波長、λ３は非線形結晶から出射する波長変換
されたレーザの波長、ｎi は波長λｉに対する屈折率
で、非線形結晶の物理光学座標に対する入射光の入射角
（θ）とその偏光方位（φ) 、及び非線形結晶の温度
（Ｔ) によって決まる。即ち、屈折率ｎは次の(3) 式に
示すようにθ，φ，Ｔの関数として表すことができる。ｎ＝ｆ（θ，φ，Ｔ）…(3)

【００１９】したがって、(1)(2)(3) 式より、波長変換
効率ηは、非線形結晶の温度Ｔの関数として表すことが
できる。そこで、波長変換効率ηを結晶温度に対して表
すと図３のようになる。ここで、波長変換効率が半減す
る（０．５になる) までに許される温度幅のことを、温
度許容幅と言い、通常全幅で定義される。図３から明ら
かなように、結晶の変換効率ηが最大となる結晶温度Ｔ
o が存在し、非線形光学結晶の内部温度（レーザ光が通
過する部分の温度）をこの温度に保持すれば、波長変換
効率を最大とすることができる。しかし、前記したよう
に加工用レーザ装置においては、非線形光学結晶の内部
温度を一定に保つのは難しい。このため、使用する非線
形光学結晶としては、結晶の温度変化に対して変換効率
の変化が小さいものを選択するのが望ましい。

【００２０】そこで、ＴＹＰＥ１，ＴＹＰＥ２のＬＢＯ
結晶について温度許容幅を調べた。図４〜図６は、ＴＹ
ＰＥ１，ＴＹＰＥ２のＬＢＯ結晶の温度許容幅を示す図
である。図４は、Ｎｄ：ＹＬＦレーザが出射する１０４
７ｎｍのレーザ光と、その２倍波である５２３．５ｎｍ
の光をＬＢＯ結晶に入射して３４９ｎｍの３倍波を発生
させる場合、図５はＮｄ：ＹＡＧレーザが出射する１０
６４ｎｍのレーザ光と、その２倍波である５３２ｎｍの
光をＬＢＯ結晶に入射して３５４．７ｎｍの３倍波を発
生させる場合、図６はＮｄ：ＹＬＦレーザが出射する１
０５３ｎｍのレーザ光と、その２倍波である５２６．５
ｎｍの光をＬＢＯ結晶に入射して３５１ｎｍの３倍波を
発生させる場合おけるＴＹＰＥ１とＴＹＰＥ２の結晶の
温度許容幅を示したものであり、丸印がＴＹＰＥ１、四
角印がＴＹＰＥ２の結晶を示している。

【００２１】図４〜図６から明らかなように、ＴＹＰＥ
１のＬＢＯ結晶の温度許容幅は、ＴＹＰＥ２の結晶に比
べて１０倍以上大きい。温度許容幅が大きいことは、温
度変化に対する出力パワーの変動が小さいことを意味し
ており、ＴＹＰＥ１の結晶を用いることにより、ＴＹＰ
Ｅ２の結晶を用いる場合に比べ温度変化に対する出力パ
ワーの変動を小さくすることができる。

【００２２】図１は第１、第２の非線形光学結晶とし
て、ＴＹＰＥ１の結晶を使用した本発明の実施例のレー
ザ装置の構成を示す図である。なお、同図では、非線形
光学結晶の位相整合のタイプと、偏光方向を示している
が、前記図８に示した加工用レーザ装置に適用すること
ができる。同図において、前記図８、図９に示したもの
と同一のものには同一の符号が付されており、１１は基
本波（１ω) を発生する基本波レーザ光源であり、基本
波レーザ光源１１としては、前記したように波長１０６
４ｎｍのレーザ光を発振するＮｄ：ＹＡＧレーザ装置
や、波長１０５３ｎｍまたは１０４７ｎｍのレーザ光を
発振するＮｄ：ＹＬＦレーザ装置等を用いることができ
る。

【００２３】１３は第１の非線形光学結晶（ＳＨＧ）、
１３’は第２の非線形光学結晶（ＴＨＧ）であり、第１
の非線形光学結晶１３，第２の非線形光学結晶１３’と
しては、偏光方向が互いに平行な光を入射して波長変換
を行なうＴＹＰＥ１の結晶が用いられる。第１の非線形
光学結晶１３として使用できる結晶の種類としては、Ｌ
ＢＯ，ＣＬＢＯ，ＢＢＯ等がある。また、第２の非線形
光学結晶として使用できる結晶の種類としては、ＬＢＯ
がある。２０は第１の非線形光学結晶１３から出射され
る基本波（１ω）を、９０°回転させる波長板であり、
本実施例においては、上記のように第２の非線形光学結
晶１３’にＴＹＰＥ１の結晶を用いているので、第１の
非線形光学結晶１３と第２の非線形光学結晶１３’の間
に、上記波長板２０が設けられている。

【００２４】同図において、基本波レーザ光源１１から
出射される基本波（１ω）は、２倍波発生用の第１の非
線形光学結晶１３に入射する。第１の非線形光学結晶１
３は、非線形光学結晶１３は、上記基本波（１ω) を波
長変換し、その２倍波（２ω) と基本波（１ω) とを発
生する。２倍波発生用の非線形光学結晶１３は上記のよ
うにＴＹＰＥ１であり、ＴＹＰＥ１の結晶から出射され
る波長変換された２倍波（２ω) の偏光方向は、同図に
示すように基本波（１ω) の偏光方向に対し直角にな
る。非線形光学結晶１３から出射する基本波（１ω）と
２倍波（２ω）は波長板２０に入射し、波長板２０は基
本波（１ω）の偏光方向を９０°回転させる。その結
果、波長板２０から出射する基本波（１ω）と２倍波
（２ω）は同図に示すように平行となる。

【００２５】波長板２０から出射する偏光方向が平行な
２倍波（２ω) と基本波（１ω) は、ＴＹＰＥ１の第２
の非線形光学結晶１３’に入射して波長変換され、第２
の非線形光学結晶１３’からは３倍波（３ω）と基本波
（１ω) とが出射する。以上のように、本実施例におい
ては、第１の非線形光学結晶１３と第２の非線形光学結
晶１３’の間に波長板２０を設けているので、第２の非
線形光学結晶としてＴＹＰＥ１の非線形光学結晶を用い
ることができ、温度変化に対する波長変換効率の変化を
小さくすることができる。

【００２６】図２は上記実施例の変形例を示す図であ
り、図２においては、波長板２０’として、第１の非線
形光学結晶１３から出射する基本波（１ω）と２倍波
（２ω）の内、２倍波の偏光方向を９０°回転させる波
長板を用いたものである。図２においても、波長板２
０’により第２の非線形光学結晶１３’に入射する光の
偏光方向を平行にしているので、第２の非線形光学結晶
としてＴＹＰＥ１の結晶を使用することができ、図１と
同様に、温度変化に対する波長変換効率の変化を小さく
することができる。図７は、本実施例のレーザ装置にお
けるレーザ光出射開始直後のレーザパワーの変化を示す
図である。同図は第２の非線形光学結晶として温度を５
０〜５１°Ｃに保ったＴＹＰＥ１のＬＢＯ結晶を用いた
場合を示しており、出力パワーは前記図１１、図１２と
同様、３Ｗである。同図から明らかなように、ＴＹＰＥ
１の結晶を使用した本実施例のレーザ装置においては、
レーザ光出射開始直後のレーザパワーに殆ど変動がな
い。このため、前記したように多層プリント板の加工に
適用した場合でも、加工に不具合が生ずることがない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては以
下の効果を得ることができる。（１) 波長変換用の非線形結晶に、温度許容幅の広いＴ
ＹＰＥ１のみを用いたので、結晶に多少の温度変化が生
じても、波長変換されたレーザ光の出力パワーの変動を
抑えることができる。（２）特に、レーザ光出射開始直後において結晶の内部
温度が多少変化しても、出力パワーの変動がほとんど生
じないので、パルス状のレーザ光を間欠的に照射する加
工用レーザ装置にして使用した場合に、孔の深さや加工
形状に不具合が発生することを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のレーザ装置の構成を示す図で
ある。

【図２】図１の実施例の変形例を示す図である。

【図３】結晶温度に対する波長変換効率ηを示す図であ
る。

【図４】ＴＹＰＥ１，ＴＹＰＥ２のＬＢＯ結晶の温度許
容幅を示す図（１）である。

【図５】ＴＹＰＥ１，ＴＹＰＥ２のＬＢＯ結晶の温度許
容幅を示す図（２）である。

【図６】ＴＹＰＥ１，ＴＹＰＥ２のＬＢＯ結晶の温度許
容幅を示す図（３）である。

【図７】本発明の実施例のレーザ装置におけるレーザ光
出射開始直後のレーザパワーの変化を示す図である。

【図８】非線形光学結晶を用いた波長変換により３倍波
を発生させる加工用レーザ装置の概略構成を示す図であ
る。

【図９】図８に示した加工用レーザ装置に使用される非
線形光学結晶の位相整合のタイプと偏光方向を示す図で
ある。

【図１０】レーザ光によるビアホール加工の様子を示す
図である。

【図１１】ＴＹＰＥ２のＬＢＯ結晶から出射されるレー
ザパワーの変化を示す図（１）である。

【図１２】ＴＹＰＥ２のＬＢＯ結晶から出射されるレー
ザパワーの変化を示す図（２）である。

【符号の説明】

１１基本波レーザ光源１３第１の非線形光学結晶１３’ 第２の非線形光学結晶２０波長板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形光学結晶により波長変換を行な
い、紫外線レーザ光を発生するレーザ装置であって、基本波レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ発振器からの基本波レーザ光を入射して、そ
の２倍波を出射する第１のＴＹＰＥ１の非線形光学結晶
と、上記基本波レーザ光と上記２倍波の偏光方向を互いに平
行とする波長板と、上記波長板を通過した、上記基本波レーザ光と上記２倍
波とを入射して、基本波レーザ光の３倍波を出射する第
２のＴＹＰＥ１のＬＢＯ結晶とを備えたことを特徴とす
る加工用レーザ装置。