JP2003205383A

JP2003205383A - レーザ加工装置

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Publication number: JP2003205383A
Application number: JP2001402083A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Hayashi; 健一林
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-22
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP4209615B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】被加工物の内部改質及び蒸散加工に好適な、
安価で使い勝手の良いレーザ加工装置を提供する。【解決手段】被加工物に対して光透過性の波長を有す
る超短パルスの第１レーザ光を発する第１レーザ光源１
と、被加工物に対して光透過性の波長を有し前記第１レ
ーザ光より長いパルス幅又は連続光の第２レーザ光を発
する第２レーザ光源２と、前記第１レーザ光の導光と同
時又はその照射の直後に前記第２レーザ光を重畳させて
被加工物２０に導光する導光手段と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光により被
加工物の内部改質及び蒸散加工を行うに好適なレーザ加
工装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、レーザ光を用いた材料の内部改質及
び蒸散加工においては、材料に対して光透過性の波長を
有する超短パルスのレーザ光を内部に集光させ、多光子
吸収によりエネルギ密度の高い部分で内部改質及び蒸散
加工を行う方法が知られている（特表平９−５１１６８
８、特開平１１−２６７８６１等）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、材料に特有の加工閾値を超えたネルギ密
度を必要とし、出力の大きな超短パルスレーザ光源が必
要となる。超短パルスレーザの出力を大きくするために
は、特殊な増幅装置をレーザ光源に組み合わせる必要が
あり、レーザ光源の高コスト化、レーザ光源の大型化に
よるレーザ装置全体の大型化を招く他、光学系調整の複
雑さ、メンテナンスの煩雑さ、出力安定性・信頼性の低
下などの問題があった。

【０００４】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、
安価で使い勝手の良いレーザ加工装置を提供することを
技術課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とす
る。（１）被加工物をレーザ光により加工するレーザ加工
装置において、被加工物に対して光透過性の波長を有す
る超短パルスの第１レーザ光を発する第１レーザ光源
と、被加工物に対して光透過性の波長を有し前記第１レ
ーザ光より長いパルス幅又は連続光の第２レーザ光を発
する第２レーザ光源と、前記第１レーザ光の導光と同時
又はその照射の直後に前記第２レーザ光を重畳させて被
加工物に導光する導光手段と、を備えることを特徴とす
る。（２）（１）のレーザ加工装置において、前記第１レ
ーザ光は１０フェムト秒〜数十ピコ秒のパルス幅であ
り、前記第２レーザ光は１００ピコ秒以上のパルス幅で
あることを特徴とする。（３）（１）のレーザ加工装置において、前記導光手
段は第１レーザ光源からの第１レーザ光を被加工物に所
定のスポットサイズで集光する集光する集光光学系を備
え、前記第１レーザ光源は前記集光光学系による集光に
より被加工物に一時的な欠陥を生じさせるエネルギ密度
のレーザ出力であるが、被加工物の加工閾値を越えない
エネルギ密度のレーザ出力であることを特徴とする。（４）（１）の導光手段は、前記第１レーザ光を所定
のスポットサイズで被加工物に導光する第１導光光学系
と、前記第２レーザ光を前記第１レーザ光のスポットサ
イズより大きなサイズで被加工物に導光する第２導光光
学系と、を備えることを特徴とする。（５）（１）の第２レーザ光の波長は、前記第１レー
ザ光の波長と同じかそれより短い波長であることを特徴
とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明に係るレーザ加工装置
の構成を示す図である。

【０００７】図１において、１は超短パルスレーザ光を
発するレーザ光源である。本実施形態では、レーザ光源
１として中心波長約８００ｎｍのレーザ光を発するチタ
ンサファイアレーザを使用している。レーザ光のパルス
幅は１０フェムト秒〜数十ピコ秒が好ましい。２は１０
０ピコ秒より長いパルス幅のレーザ光を発するレーザ光
源であり、より好ましくはナノ秒より長いのレーザ光と
する。また、レーザ光源２が発するレーザ光は、レーザ
光源１が発するレーザ光の波長と略同じかそれよりも短
い波長が好ましい。本実施形態では、レーザ光源２とし
てＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波長１０６４ｎｍからその
第２高調波である波長５３２ｎｍに波長変換したレーザ
光を発するものを使用している。レーザ光源２が発する
レーザ光は連続光であっても良い。また、レーザ光源１
及び２のレーザ光は、共に加工材料２０に対して光透過
性を持つものである。

【０００８】レーザ光源１からの超短パルスのレーザ光
は、ミラー１２、集光レンズ１３から構成される第１導
光光学系により被加工物である加工材料２０に導光され
る。集光レンズ１３は、レーザ光を加工材料２０の内部
で微小なスポットサイズに集光する。微細加工において
は、集光点でのスポットサイズを小さくするのが有利で
あり、スポットサイズが小さいほどエネルギ密度も大き
くすることができる。例えば、集光点でのスポットサイ
ズが０．５〜５μｍとなる焦点距離を持つ集光レンズ１
３を使用する。

【０００９】また、レーザ光源２からの長パルスのレー
ザ光は、ミラー１０、ダイクロイックミラー１１、上記
の第１導光光学系と共通で使用するミラー１２及び集光
レンズ１３から構成される第２導光光学系により、加工
材料２０に導光される。ダイクロイックミラー１１は波
長８００ｎｍのレーザ光を透過し、波長５３２ｎｍのレ
ーザ光を反射する特性を持つ。

【００１０】加工材料２０は、例えばガラス材料であ
り、位置決め装置としてのステージ３０上に置かれてい
る。ステージ３０は水平方向（さらには上下方向）に移
動し、加工材料２０に集光されるレーザスポットの位置
を相対的に変化させる。また、レーザ光源１、２及びス
テージ３０は制御ユニット３に接続されており、制御ユ
ニット３は各レーザ光源１、２の出射のタイミング及び
ステージ３０の移動を制御する。

【００１１】加工時には、制御ユニット３はステージ３
０を駆動し、加工材料２０の加工点を集光レンズ１３の
集光位置に移動した後、制御信号を発してレーザ光源１
とレーザ光源２を駆動する。レーザ光源１からの超短パ
ルスレーザ光は、ミラー１２、集光レンズ１３を経て加
工材料に照射される。また、レーザ光源２からの長パル
スレーザ光は、ミラー１０によって反射された後、ダイ
クロイックミラー１１によって超短パルスレーザ光と同
軸にされ、ミラー１２、集光レンズ１３を経て加工材料
に照射される。制御ユニット３は、第１導光光学系によ
るレーザ照射と第２導光光学系によるレーザ照射を重畳
させるように、各レーザ光源１，２のレーザ出力のタイ
ミングを制御する。

【００１２】レーザ光源１からの超短パルスレーザ光及
びレーザ光源２からの長パルスレーザ光は、単独では加
工材料２０の内部改質あるいは蒸散加工の加工閾値に達
しないエネルギ密度の出力である。それぞれ単独でのレ
ーザ光の照射では加工材料２０の加工ができないが、レ
ーザ光源１からの超短パルスのレーザ光を照射すると共
に、その照射と同時叉はその直後に第２レーザ光源から
の比較的長いパルス幅のレーザ光を重畳させて照射する
ことにより、材料内部に加工を施す。

【００１３】こうした２つのレーザ照射による加工の動
作を、図２を使用して説明する。まず、レーザ光源１か
らの超短パルスレーザ光を照射することにより（図２
（ａ）参照）、本来なら光エネルギを吸収しない透明材
料に、多光子吸収過程による吸収が起こるようになる。
このとき、透明材料にはカラーセンタ等の過渡的な欠陥
（ディフェクト）準位が形成される。この準位により比
較的短い時間ではあるが、透明材料が光を吸収する状態
に変化する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、透明
材料の光の吸収率が一時的に上昇する。

【００１４】ここで、図２（ｃ）に示す長パルス幅のレ
ーザ光をレーザ光源２から照射する。この長パルス幅の
レーザ光を照射するタイミングは、超短パルスレーザの
照射を含むように同時叉は超短パルスレーザの照射直後
とし、長パルスレーザのパルス時間幅の中に透明材料の
吸収率が一時的に上昇した時間が含まれるようにする。
図２の例では、先に長パルス幅のレーザ光を照射し、そ
のパルス時間幅の間に超短パルスレーザ光の照射を含ま
れるを照射している。透明材料の光の吸収率が上昇した
間にレーザ光源２から照射すれば、本来吸収がないはず
の透明材料にレーザ光が吸収される。この吸収されるエ
ネルギにより、さらに欠陥準位が持続されることもあり
（図２（ｂ）における点線）、長パルスレーザ光のエネ
ルギが効率良く透明材料に伝達される。この結果、エネ
ルギ密度が材料の加工閾値に達することになり、加工
（内部改質あるいは蒸散加工）が進むことになる。この
ため、レーザ光源１は加工材料２０に一時的な欠陥を生
じさせる程度のエネルギ密度の出力で良く、光源を大型
化させずに済む。

【００１５】さらに、以上においては、長パルスレーザ
光を超短パルスレーザ光の波長以下の短い波長とするこ
とによって、多光子吸収過程に関与する光子の数を少な
くすることが可能となり、より吸収され易くなる。その
結果として多くのエネルギが材料に有効に吸収される。

【００１６】図１では超短パルスレーザ光と長パルスレ
ーザ光を同軸に合成し、集光レンズ１３を共用して加工
材料２０に照射しているが、それぞれ別の導光光学系を
用意し、加工材料２０上で重ねて照射しても良い。この
とき、図３に示すように、レーザ光源２の長パルスレー
ザ光の照射スポットを超短パルスレーザ光の照射スポッ
トより広げると（例えば、シート状に広げて照射す
る）、超短パルスレーザ光との重なり部分だけで加工が
進行することになり、加工位置の制御性を高めることが
できる。

【００１７】また、以上の実施形態では被加工物をガラ
ス材料としたが、レーザ光の透過特性を持つものであれ
ば、本発明を好適に適用できる。例えば、生体における
眼の角膜組織であっても良い。角膜組織においては、角
膜をアブレーションして曲率を変化させ、屈折矯正を行
う手術に適用できる。また、ＡｒＦエキシマレーザによ
る屈折矯正の前処置としての角膜フラップの形成に適用
できる。角膜手術の場合、レーザ光のスポットを２次元
的叉は３次元的に移動するように走査する光学系を導光
光学系に設けて構成すれば良い。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安価で使い勝手の良いレーザ加工装置を実現でき、その
装置により効率良く加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ加工装置の構成を示す図で
ある。

【図２】２つのレーザ照射による加工の動作を説明する
図である。

【図３】長パルスレーザ光の照射スポットを、超短パル
スレーザ光の照射スポットより広げて照射する場合を説
明する図である。

【符号の説明】

１レーザ光源２レーザ光源３制御ユニット１０ミラー１１ダイクロイックミラー１２ミラー１３集光レンズ２０加工材料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物をレーザ光により加工するレー
ザ加工装置において、被加工物に対して光透過性の波長
を有する超短パルスの第１レーザ光を発する第１レーザ
光源と、被加工物に対して光透過性の波長を有し前記第
１レーザ光より長いパルス幅又は連続光の第２レーザ光
を発する第２レーザ光源と、前記第１レーザ光の導光と
同時又はその照射の直後に前記第２レーザ光を重畳させ
て被加工物に導光する導光手段と、を備えることを特徴
とするレーザ加工装置。
【請求項２】請求項１のレーザ加工装置において、前
記第１レーザ光は１０フェムト秒〜数十ピコ秒のパルス
幅であり、前記第２レーザ光は１００ピコ秒以上のパル
ス幅であることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】請求項１のレーザ加工装置において、前
記導光手段は第１レーザ光源からの第１レーザ光を被加
工物に所定のスポットサイズで集光する集光する集光光
学系を備え、前記第１レーザ光源は前記集光光学系によ
る集光により被加工物に一時的な欠陥を生じさせるエネ
ルギ密度のレーザ出力であるが、被加工物の加工閾値を
越えないエネルギ密度のレーザ出力であることを特徴と
するレーザ加工装置。
【請求項４】請求項１の導光手段は、前記第１レーザ
光を所定のスポットサイズで被加工物に導光する第１導
光光学系と、前記第２レーザ光を前記第１レーザ光のス
ポットサイズより大きなサイズで被加工物に導光する第
２導光光学系と、を備えることを特徴とするレーザ加工
装置。
【請求項５】請求項１の第２レーザ光の波長は、前記
第１レーザ光の波長と同じかそれより短い波長であるこ
とを特徴とするレーザ加工装置。