実施の形態1.
図1および図2は、本発明の実施の形態1によるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を説明するための図であり、より具体的には、図1はレーザ加工装置を示す側面図、図2(a)、(b)、および(c)はそれぞれ図1の波長変換用の非線形光学結晶を拡大して示す上面図、側面図、および斜視図である。
図1において、レーザ加工装置は、基本波レーザビーム3を発生するレーザ光源2と、直列に配置された2つの波長変換用の非線形光学結晶(以下、波長変換結晶と言うこともある。)1Aおよび1Bを有し基本波レーザビーム3を2つの非線形光学結晶1Aおよび1Bに通してそれぞれの非線形光学結晶1Aおよび1Bにより偏光方向が互いにおよそ90°異なる方向になるように波長変換する波長変換装置と、波長変換装置により波長変換された波長変換レーザビーム3Cを被加工物17に照射する照射装置とを備えている。
波長変換装置は、波長変換結晶1Aおよび1Bと、基本波レーザビーム3を反射し、波長変換レーザビーム3Cを透過する分離ミラー6とを備えている。波長変換結晶1Aおよび1Bは、それぞれ温度調節器4Aおよび4B上にレーザ光源2の光軸に対して直列に並べて配置されており、分離ミラー6はミラーホルダー7上に配置されている。
レーザ光源2および波長変換装置で波長変換レーザ装置を構成しており、レーザ光源2、温度調節器4A、4B、およびミラーホルダー7は共通の基台5上に配置されている。
照射装置は、反射ミラー12、集光光学系14、および加工台18備えている。ミラー保持具13に保持された反射ミラー12および光学系保持具15に保持された集光光学系14は、固定治具16に保持されており、固定治具16は加工台18に固定されている。加工台18上にはシリコン、金属板、セラミック、プリント基板、グリーンシートなどの被加工物17が保持されている。
レーザ光源2は例えばNd:YAG(ネオジウム・ヤグ)を活性媒質としてもち、ランダム偏光で波長1064nmの基本波レーザビーム3を発生する。なお、本発明で言う、ランダム偏光とは、偏光方向が直線偏光のように1方向に揃っていない偏光状態であり、複数の偏光方向成分が含まれている偏光状態や無偏光の状態を含む。
波長変換結晶1Aおよび1Bは、例えばリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5、略称:LBO)等の非線形光学結晶からなる。
まず、図1により、波長変換レーザ装置(波長変換装置)の動作について説明する。レーザ光源2から発生され、波長変換の基本波となる基本波レーザビーム3は、前段の波長変換結晶1Aに入射し、その一部を高調波に波長変換された基本波・高調波混合レーザビーム3Aとなる。基本波・高調波混合レーザビーム3Aは、後段の波長変換結晶1Bに再び入射し、その基本波成分の一部を高調波に波長変換された基本波・高調波混合レーザビーム3Bとなる。基本波・高調波混合レーザビーム3Bは分離ミラー6に入射し、その基本波成分は反射されて図には記載していないダンパー等に入射し、その高調波成分のみが透過し、波長変換レーザビーム3Cとして波長変換レーザ装置(波長変換装置)の外部に取り出される。
このように、本実施の形態による波長変換レーザ装置(波長変換装置)では、基本波レーザビームを一方向に進行させて波長変換用の非線形光学結晶(波長変換結晶1A、1B)によって波長変換する。
次に、図2により、波長変換結晶1A、1Bの配置方法について詳細に説明する。ここでは、レーザ光源2としてランダム偏光で波長1064nmの基本波レーザビーム3を発生するNd:YAG(ネオジウム・ヤグ)レーザを用い、波長変換結晶1A、1Bとして、タイプ2位相整合により基本波レーザビーム3の一部を波長532nmの第2高調波に波長変換するリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5、略称:LBO)結晶を用いる場合について示している。
この場合、リチウム・ボレイト結晶の結晶方位軸aに垂直で結晶方位軸bと結晶方位軸cからなる面9A、9B内の結晶方位軸cから約20.5°の方向に基本波レーザビーム3を通過させることにより基本波と第2高調波のタイプ2位相整合条件を満たし、ランダム偏光の基本波レーザビーム3の一部が波長変換されて結晶方位軸a方向に沿った直線偏光の第2高調波が発生する。
本実施の形態においては、基本波レーザビームが先に通過する前段の波長変換結晶1Aと基本波レーザビームが後で通過する後段の波長変換結晶1Bとのレーザビーム通過方向の長さは異なり、前段の波長変換結晶1Aの長さより後段の波長変換結晶1Bの長さの方が長くなっている。
また、波長変換結晶1Aは結晶方位軸aが水平方向(図1の紙面に対し垂直方向)になるように配置され、波長変換結晶1Bは結晶方位軸aが垂直方向(図1の紙面に対し平行方向)になるように配置されている。このように、2つの波長変換結晶1A、1Bを直列に並べて用いる場合に、一方の波長変換結晶1Aに対し他方の波長変換結晶1Bの結晶方位軸をレーザビーム3の光軸を中心として90°回転させて配置する(すなわち、レーザビームの光軸方向から見て結晶方位軸が互いに90°異なる方向になるように配置する)ことにより、波長変換結晶1Aから発生する第2高調波の偏光方向と波長変換結晶1Bから発生する第2高調波の偏光方向が90°異なることになる。その結果、偏光方向が互いにおよそ90°異なる波長変換レーザビーム3Cを発生する。
次に、レーザ加工について説明する。波長変換レーザ装置(波長変換装置)から発生した波長変換レーザビーム3Cは、反射ミラー12により反射され、集光光学系15により被加工物17に集光照射され、被加工物17に対しアニール、表面改質、穴あけ、切断、溶接、トリミング等の加工を行う。
以上説明したように、本実施の形態1においては、波長変換レーザ装置(波長変換装置)から発生する波長変換レーザビーム3Cは偏光方向が互いに90°異なるので、すなわち、波長変換レーザビーム3Cは水平方向(図1の紙面に対し垂直方向)の偏光成分と垂直方向(図1の紙面に対し平行方向)の偏光成分とを含み、ランダム偏光に近い偏光状態となるため、偏光方向に依存しない均質な(すなわち、偏光方向や加工点(場所)によらずに一定である)加工を安定に実施することができるという効果を奏する。
また、本実施の形態1では、波長変換レーザ装置(波長変換装置)は、波長変換結晶1Aから発生する第2高調波(波長変換レーザビーム)の偏光方向と波長変換結晶1Bから発生する第2高調波(波長変換レーザビーム)の偏光方向が90°異なることから、それぞれの第2高調波どうしの干渉は起こらないため、高出力な波長変換レーザビーム3Cを高効率かつ安定に発生することができる。このように、高出力な波長変換レーザビーム3Cを高効率にかつ安定に発生することができるため、長期間安定に精度良く均一な(すなわち、時間的に一定である)加工が効率よくできるという効果を奏する。
さらに、波長変換結晶1Aに入射する基本波レーザビーム3のパワーよりも波長変換結晶1Bに入射する基本波・高調波混合レーザビーム3Aの基本波成分のパワーの方が小さくなるが、本実施の形態1においては、前段の波長変換結晶1Aにおけるレーザビーム通過方向の長さより、後段の波長変換結晶1Bにおけるレーザビーム通過方向の長さの方が長いため、前段の波長変換結晶1Aから発生する第2高調波のパワーと後段の波長変換結晶1Bから発生する第2高調波のパワーを近い値にすることができる。このように、前段の波長変換結晶1Aから発生する第2高調波のパワーと後段の波長変換結晶1Bから発生する第2高調波のパワーを近い値にすることができるので、波長変換レーザビーム3Cをよりランダム偏光に近い偏光状態にすることができ、偏光方向に依存しないより均質な加工を安定に実施することができるという効果を奏する。
以下では、具体的な実験例(実施例1と比較例1)を示して本実施の形態の効果についてさらに説明する。
実施例1.
レーザ光源2として、Qスイッチパルス発振しランダム偏光で波長1064nmの基本波レーザビーム3を発生するNd:YAG(ネオジウム・ヤグ)レーザを用いた。レーザビーム3の条件は、平均パワー529W、パルス繰り返し周波数4kHz、パルス幅40.4ns、ビーム品質M2≒10であった。
波長変換結晶1Aおよび1Bとして、タイプ2位相整合により第2高調波を発生する、レーザビーム通過方向の長さが15mmおよび18mmであるリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5)を用い、それぞれ基本波レーザビーム3の1/e2半径0.54mmおよび0.52mmの位置に配置した。
波長変換結晶1A、1Bの方向として、図2のように波長変換結晶1Aの結晶方位軸aが水平方向になるように配置し、波長変換結晶1Bの結晶方位軸aが垂直方向になるように配置した場合、第2高調波波長変換レーザビーム3Cの平均出力186Wが得られた。この第2高調波波長変換レーザビームを偏光分離してそれぞれのパワーを測定したところ、波長変換結晶1Aから発生した偏光成分のパワーは95W、波長変換結晶2Aから発生した偏光成分のパワーは91Wとほぼ同じパワーであり、波長変換レーザビーム3Cはランダム偏光に近い偏光状態であった。また、第2高調波波長変換レーザビーム3Cの平均出力の変動は約±1%と非常に安定であった。この波長変換レーザビーム3Cをアモルファスシリコンに照射してポリシリコン化を行ったところ、デバイスの特性は偏光方向に依存しなかった。
比較例1.
一方、比較例として、波長変換結晶1A、1Bの方向のみが実施例1と異なり、いずれの波長変換結晶1A、1Bにおいても結晶方位軸aが水平方向になるように配置した場合は、第2高調波波長変換レーザビーム3Cの平均出力は138Wであり、本実施例と比較して約23%低かった。また、第2高調波波長変換レーザビーム3Cの平均出力の変動は約±10%と非常に不安定であった。また、2つの波長変換結晶1A、1Bの結晶方位軸方向をそろえたため、波長変換レーザビーム3Cは直線偏光であった。この波長変換レーザビーム3Cをアモルファスシリコンに照射してポリシリコン化を行ったところ、スキャン方向と偏光方向の関係に依存してデバイスの特性に差があった。
本実験の結果、直線偏光ではなく、偏光方向が互いに90°異なる波長変換レーザビームを被加工物に照射することにより、偏光方向に依存しない均質な加工を安定に実施することができることが明らかになった。
なお、上記実施の形態1においては、波長変換結晶1Aの結晶方位軸aが水平方向になるように配置し、波長変換結晶1Bの結晶方位軸aが垂直方向になるように配置する場合について示したが、逆に波長変換結晶1Aの結晶方位軸aが垂直方向になるように配置し、波長変換結晶1Bの結晶方位軸aが水平方向になるように配置してもよく、要は、波長変換結晶1Aで発生する波長変換レーザビームの偏光方向と、波長変換結晶1Bで発生する波長変換レーザビームの偏光方向が90°異なるように結晶を配置すればよく、上記実施の形態1と同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態1においては、偏光方向が互いに90°異なる波長変換レーザビームを被加工物17に照射する場合について説明したが、偏光方向は互いに交差する偏光成分を含みランダム偏光に近い偏光状態となればよいので、さらに、偏光方向は前段の波長変換結晶1Aで発生する波長変換レーザビームと後段の波長変換結晶1Bで発生する波長変換レーザビームの干渉の影響が小さくなる程度に異なる角度であればよいので、正確に90°異なる方向にならなくてもよく、偏光方向が互いに45°ないし90°の範囲で異なる方向であればよい。望ましくはおよそ90°(例えば85°ないし90°の範囲(干渉の影響による出力低下が10%以下となる。)、より好ましくは88°ないし90°の範囲(干渉の影響による出力低下が5%以下となる。))異なればよい。
また、2つの波長変換結晶1Aと1Bを、レーザビームの光軸方向から見て結晶方位軸が互いに90°異なる方向になるように配置したが、上記と同様に、正確に90°異なる方向にならなくてもよく、2つの波長変換結晶1Aと1Bの結晶方位軸は互いに45°ないし90°の範囲で異なればよい。望ましくはおよそ90°(例えば85°ないし90°の範囲、より好ましくは88°ないし90°の範囲)異なればよい。
なお、本発明では、2つの波長変換結晶1Aと1Bの結晶方位軸のなす角度の内小さい方の角度が45°である場合に2つの波長変換結晶1Aと1Bの結晶方位軸が45°異なると言い、波長変換結晶1Aにより波長変換された波長変換レーザビームの偏光方向と波長変換結晶1Bにより波長変換された波長変換レーザビームの偏光方向とのなす角度の内小さい方の角度が45°である場合に偏光方向が互いに45°異なるという。
実施の形態2.
図3および図4は、本発明の実施の形態2によるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を説明するための図であり、より具体的には、図3はレーザ加工装置を示す側面図、図4は図3の波長変換結晶および波長板を拡大して示す斜視図である。
本実施の形態では、2つの波長変換結晶1A、1Bは、レーザビームの光軸方向から見て結晶方位軸aが互いに同方向になるように直列に配置されており、2つの非線形光学結晶1Aと1Bの間に波長変換されたレーザビームの偏光方向を90°回転させる偏光方向回転手段として波長板10が配置されている。他の構成は実施の形態1と同様であるので、以下では主に、実施の形態1との相違点について説明する。
図3に示す波長変換レーザ装置において、基本波・高調波混合レーザビーム3Aの高調波成分の偏光方向を光軸を中心として90°回転させる波長板10は保持具11により保持され、波長変換結晶1Aと波長変換結晶1Bの間の基台5上に配置されている。波長板10は例えば1/2波長板からなり、その結晶方位軸が波長変換結晶1A、1Bの結晶方位軸aに対してレーザビーム3の光軸を中心として45°回転されている。
図4は、レーザ光源2としてランダム偏光で波長1064nmの基本波レーザビーム3を発生するNd:YAG(ネオジウム・ヤグ)レーザを用い、波長変換結晶1A、1Bとしてタイプ2位相整合により基本波レーザビーム3の一部を波長532nmの第2高調波に波長変換するリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5、略称:LBO)結晶を用いる場合について示しており、波長変換結晶1A、1Bとも結晶方位軸aが水平方向(図3の紙面に対し垂直方向)になるように配置されている。
このように構成されたものにおいて、基本波・高調波混合レーザビーム3Aの高調波成分は1/2波長板10により偏光方向を光軸を中心に90°回転されて、波長変換結晶1Bに入射するため、波長変換結晶1Aから発生して波長変換結晶1Bに入射する第2高調波の偏光方向と波長変換結晶1Bから発生する第2高調波の偏光方向とが90°異なることになる。すなわち、波長変換レーザビーム3Cとして、偏光方向が互いにおよそ90°異なるレーザビームを発生する。
したがって、本実施の形態2においても実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。
なお、上記実施の形態2においては、波長変換されたレーザビームの偏光方向をおよそ90°回転させる偏光方向回転手段として、1/2波長板10を用いる構成について示したが、1/2波長板10の代わりに旋光板や電気光学素子を用いてもよく、同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態2においては、レーザビームの光軸方向から見て2つの波長変換結晶1Aと1Bの結晶方位軸aを互いに同方向に配置する構成について示したが、互いに180°異なる方向になるように配置してもよく、上記実施の形態2と同様の効果がある。
また、波長変換結晶1Aと1Bの結晶方位軸の角度は、前段の波長変換結晶1Aで発生する波長変換レーザビームと後段の波長変換結晶1Bで発生する波長変換レーザビームの干渉の影響が小さくなる程度であればよいので、正確に同方向あるいは正確に180°異なる方向にならなくてもよく、およそ同方向あるいはおよそ180°異なる方向であればよく、例えば同方向あるいは180°異なる方向から5°以内、望ましくは2°以内の範囲でずれていてもよい。
また、偏光方向回転手段についても同様であり、正確に90°回転させなくてもよく、45°ないし90°の範囲であればよい。望ましくはおよそ90°(例えば85°ないし90°の範囲、より好ましくは88°ないし90°の範囲)であればよい。
要は、実施の形態1の場合と同様に、被加工物に照射される波長変換レーザビーム3Cの偏光方向(すなわち、波長変換結晶1Aで発生して波長変換結晶1Bに入射する波長変換レーザビームの偏光方向と、波長変換結晶1Bで発生する波長変換レーザビームの偏光方向)が互いに45°ないし90°の範囲で異なっていればよい。望ましくはおよそ90°(例えば85°ないし90°の範囲、より好ましくは88°ないし90°の範囲)異なっていればよい。
実施の形態3.
図5および図6は、本発明の実施の形態3によるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を説明するための図であり、より具体的には、レーザ加工装置の側面図である。
本実施の形態では、波長変換レーザビーム3Cを円偏光に変換する円偏光化手段として1/4波長板19を備えている。他の構成は実施の形態1と同様であるので、以下では主に、実施の形態1との相違点について説明する。
1/4波長板19は保持具20に固定され、基台5A上に配置されており、基台5Aは、基台5に固定されている。なお、図5では、基台5Aは基台5と別体に構成されているが、一体に構成されていてもよいのは言うまでもない。
このように構成されたものにおいて、波長変換装置(波長変換レーザ装置)から発せられる波長変換レーザビーム3Cは、1/4波長板19により円偏光に変換されて円偏光化された波長変換レーザビーム3Dとなる。具体的には、例えば波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分を1/4波長板19により右回りの円偏光とした場合、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分は1/4波長板19により左回りの円偏光となり、左右の円偏光が混在した波長変換レーザビーム3Dとなる。円偏光化された波長変換レーザビーム3Dは、反射ミラー12により反射され、集光光学系15により被加工物17に集光照射され、被加工物に対しアニール、表面改質、穴あけ、切断、溶接、トリミング等の加工を行う。
以上説明したように、本実施の形態3においては、上記実施の形態1の効果に加えて、円偏光化された波長変換レーザビーム3Dが被加工物17に集光照射されるため、偏光方向に依存しないより均質な加工を安定に実施することができるという効果を奏する。
なお、図5では、実施の形態1によるレーザ加工装置に1/4波長板19を挿入した場合について示したが、図6に示すように、実施の形態2によるレーザ加工装置に1/4波長板19を挿入してもよく、同様の効果が得られる。
なお、波長変換レーザビームを円偏光に変換する手段は、1/4波長板19に限るものではなく、例えば電気光学素子であってもよい。
実施の形態4.
図7は、本発明の実施の形態4によるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を説明するための図であり、より具体的には、レーザ加工装置の上面図である。
本実施の形態では、実施の形態1で示したレーザ加工装置に加えて、主に、以下のものを備えている。
まず、波長変換レーザビーム3Dの一部を透過する反射手段として、反射ミラー21、21Aを備えている。
さらに、反射ミラー21,21Aを透過した波長変換レーザビーム3E,3Fのビームパラメータ(パワー、ビームプロファイル(ビーム径)、ビーム品質、発散角)をモニタする手段であるビームモニタとして、パワーをモニタする手段であるパワーモニタ22、およびビームプロファイルをモニタする手段であるビームプロファイラ23を備えている。
またさらに、反射手段(反射ミラー21、21A)の前段に配置され、波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A,1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射手段の反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じになるように変換する偏光状態変換手段、すなわち、基本波レーザビームが先に通過する非線形光学結晶1Aから発生した波長変換レーザビームにおける反射手段の反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合と、基本波レーザビームが後で通過する非線形光学結晶1Bから発生した波長変換レーザビームにおける反射手段の反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合とがおよそ同じになるように変換する偏光状態変換手段として、1/4波長板19を備えている。なお、1/4波長板19は実施の形態3で説明した波長変換レーザビーム3Cを円偏光に変換する円偏光化手段を兼ねている。
他の構成は実施の形態1と同様であるので、以下では主に、実施の形態1との相違点について説明する。
1/4波長板19は保持具20に保持され、基台5上に配置されている。反射ミラー21、21Aはミラーホルダ7A、7Bに保持され基台5上の1/4波長板19の後に配置されている。パワーモニタ22は保持具20Aに保持され、反射ミラー21の背面側で基台5上に配置されている。ビームプロファイラ23は保持具20Bに保持され、反射ミラー21Aの背面側で基台5上に配置されている。
照射装置は、反射ミラー12、集光光学系14、および加工台18Aを備えている。ミラー保持具13Aに保持された反射ミラー12、光学系保持具15Aに保持された集光光学系14および加工台18Aは、基台5Bに固定されている。加工台18Aにはシリコン、金属板、セラミック、プリント基板、グリーンシートなどの被加工物17が保持されている。
このように構成されたものにおいて、分離ミラー6を通過した波長変換レーザビーム3Cは、1/4波長板19により円偏光に変換される(円偏光化される)ことにより、偏光状態を変換されて、各非線形光学結晶1A,1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射手段(反射ミラー21、21A)の反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じである波長変換レーザビーム3Dとなる。具体的には、例えば波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分を1/4波長板19により右回りの円偏光とした場合、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分は1/4波長板19により左回りの円偏光となり、左右の円偏光が混在した波長変換レーザビーム3Dとなる。
円偏光化された波長変換レーザビーム3Dは、反射ミラー21、21A、および12により反射され、集光光学系14により被加工物17に集光照射され、被加工物17に対しアニール、表面改質、穴あけ、切断、溶接、トリミング等の加工を行う。
また、円偏光化された波長変換レーザビーム3Dの一部は、反射ミラー21を透過する。反射ミラー21を透過した波長変換レーザビーム3Eはパワーモニタ22に入射し、そのパワーを測定される。さらに、円偏光化された波長変換レーザビーム3Dの一部は、反射ミラー21Aを透過する。反射ミラー21Aを透過した波長変換レーザビーム3Fはビームプロファイラ23に入射し、そのビームプロファイルを測定される。
以上説明したように、本実施の形態においては、円偏光化手段および偏光状態変換手段を兼用する手段として1/4波長板19を備えており、波長変換レーザビーム3Cを円偏光に変換するので、上記実施の形態3と同様に、円偏光化された波長変換レーザビーム3Dが被加工物17に集光照射されるため、偏光方向に依存しないより均質な加工を安定に実施することができるという効果を奏する。
さらに、波長変換レーザビーム3Dのパワーをモニタする手段としてパワーモニタ22を備え、円偏光化された(波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射ミラー21、21Aの反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合とがおよそ同じになるように変換された)波長変換レーザビーム3Dの一部である波長変換レーザビーム3Eのパワーをモニタするようにしたため、あらかじめ波長変換レーザビーム3Eのパワーと波長変換レーザビーム3Dのパワーの関係を把握しておくことにより、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分のパワーと波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分のパワーの和をほぼ正確に測定することができる。したがって、波長変換レーザ装置から出力される波長変換レーザビーム3Dのパワーをほぼ正確に測定することができ、長期間安定に高出力な波長変換レーザビームを高効率に発生しているか否かを把握することができる。このため、被加工物17に照射される波長変換レーザビーム3Dのパワーをほぼ正確に測定することができ、長期間安定に精度良く均一な(時間的に一定である)加工ができているか否かを把握することができるという効果を奏する。
またさらに、波長変換レーザビーム3Dのビームプロファイルをモニタする手段としてビームプロファイラ23を備え、円偏光化された(波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射ミラー21、21Aの反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合とがおよそ同じになるように変換された)波長変換レーザビーム3Dの一部である波長変換レーザビーム3Fのビームプロファイルをモニタするようにしたため、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分のビームプロファイルと波長変換結晶1Bから発生した成分のビームプロファイルとの和をほぼ正確に測定することができる。したがって、波長変換レーザ装置から出力される波長変換レーザビーム3Dのビームプロファイルをほぼ正確に測定することができ、長期間安定に高出力な波長変換レーザビームを高効率に発生しているか否かを把握することができる。このため、被加工物17に照射される波長変換レーザビーム3Dのビームプロファイルをほぼ正確に測定することができ、長期間安定に精度良く均一な(時間的に一定である)加工ができているか否かを把握することができるという効果を奏する。
上記のような、波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射ミラー21、21Aの反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合とがおよそ同じになるように変換された(円偏光化された)波長変換レーザビーム3Dの一部のパワーあるいはビームプロファイルをモニタすることにより得られる効果は、本発明におけるような複数の直線偏光成分が混在する波長変換レーザビームにおいてのみ得られる特有の効果であり、一般的な直線偏光レーザビームやランダム偏光レーザビームでは得られない効果である。以下では、この点について詳細に説明する。
一般的に、ミラーに垂直入射以外の角度でレーザビームを入射させる場合、入射するビームの偏光方向によりミラーの反射率に差があり、s偏光の反射率がp偏光の反射率より高くなる。すなわち、s偏光の透過率がp偏光の透過率より低くなる。
まず、比較例として、1/4波長板19を備えず、円偏光化していない波長変換レーザビーム3Cを反射ミラー21、21Aに入射させ、反射ミラー21、21Aを透過した波長変換レーザビーム3E、3Fのパワーおよびビームプロファイルをモニタするようにした場合について説明する。例えば、波長変換結晶1A、1Bから偏光方向が互いにおよそ90°異なる波長変換レーザビームが発生している場合に、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分をs偏光、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分をp偏光で反射ミラー21、21Aに入射させたとすると、s偏光の透過率がp偏光の透過率より低くなることから、波長変換レーザビーム3Cの内、波長変換結晶1Aから発生した成分よりも波長変換結晶1Bから発生した成分のパワーやビームプロファイルをより多くモニタすることになる。
具体的には、例えば、反射ミラー21、21Aに対して約45°の入射角で波長変換レーザビーム3Cを入射させる場合、反射ミラー21、21Aのs偏光の透過率は例えば約0.1%、反射ミラー21、21Aのp偏光の透過率は例えば約0.9%となり、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.1%と波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分の約0.9%の和がパワーモニタ22およびビームプロファイラ23に入射し、そのパワーやビームプロファイルを測定することになる。
したがって、例えば、波長変換レーザビーム3Cのうち波長変換結晶1Aから発生した成分のみのパワーやビームプロファイルが変化しても、パワーモニタ22やビームプロファイラ23のモニタ値の変化は小さく、被加工物17に照射される波長変換レーザビームのパワーやビームプロファイルの変化を正確にモニタできないという問題が生じる。
ところが、本実施の形態においては、1/4波長板19で円偏光化された(波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射ミラー21、21Aの反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合とがおよそ同じになるように変換された)波長変換レーザビーム3Dを反射ミラー21、21Aに入射するようにしたので、パワーモニタ22およびビームプロファイラ23に入射する波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分および波長変換結晶1Bから発生した成分それぞれのs偏光成分とp偏光成分はおよそ同割合となり、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分のパワーやビームプロファイルをおよそ同じ割合ずつモニタすることになる。
具体的には、例えば、反射ミラー21、21Aのs偏光の透過率は約0.1%、反射ミラー21、21Aのp偏光の透過率は約0.9%となり、円偏光化された波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分のうちs偏光成分は約50%、p偏光成分も約50%であるから、s偏光成分の約0.1%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.05%)とp偏光成分の約0.9%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.45%)の和、すなわち、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.5%が反射ミラー21、21Aを透過する。同様に、円偏光化された波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分もs偏光成分は約50%、p偏光成分は約50%であることから、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分の約0.5%が反射ミラー21、21Aを透過する。よって、波長変換レーザビーム3Dの内、波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分とが同割合ずつパワーモニタ22やビームプロファイラ23に入射し、そのパワーやビームプロファイルを測定することになる。
したがって、波長変換レーザ装置から出力される波長変換レーザビーム3Dのパワーやビームプロファイルをほぼ正確に測定することができ、長期間安定に高出力な波長変換レーザビームを高効率に発生しているか否かを把握することができる。このため、被加工物17に照射される波長変換レーザビーム3Dのパワーやビームプロファイルをほぼ正確に測定することができ、長期間安定に精度良く均一な(時間的に一定である)加工ができているか否かを把握することができるという効果を奏する。
さらに、例えば、波長変換レーザビーム3Cのうち波長変換結晶1Aから発生した成分のみのパワーやビームプロファイルが変化しても、被加工物17に照射される波長変換レーザビーム3Dのパワーやビームプロファイルの変化をほぼ正確にモニタでき、波長変換レーザビーム3Dのうち波長変換結晶1Aから発生した成分のみのパワーやビームプロファイルの変化による加工の変化を把握することができるという効果を奏する。
一方、一般的な直線偏光レーザビームにおいては、反射ミラー21、21Aに入射するレーザビームの偏光方向はs偏光およびp偏光のうちの一方のみであることから、反射ミラー21、21Aに入射させる前に円偏光化させるか否かにかかわらず透過率は一定である。したがって、円偏光化された波長変換レーザビームのパワーやビームプロファイルをモニタすることによる新たな効果は生じない。
また、一般的なランダム偏光レーザビームにおいては、反射ミラー21、21Aに入射するレーザビームの偏光方向はs偏光とp偏光とが同割合であることから、反射ミラー21、21Aに入射させる前に円偏光化させるか否かにかかわらず透過率は一定である。したがって、円偏光化された波長変換レーザビームのパワーやビームプロファイルをモニタすることによる新たな効果は生じない。
なお、上記では波長変換結晶1A、1Bから偏光方向が互いにおよそ90°異なる波長変換レーザビームが発生している場合について、具体的数値を挙げて説明したが、90°に限らず、45°ないし90°の範囲で異なる場合にも、同様のことが言える。例えば、波長変換レーザビーム3Cを偏光状態変換手段を兼用する手段である1/4波長板19を通過させて、波長変換結晶1Aから発生した成分のうちs偏光成分は約60%、p偏光成分は約40%、波長変換結晶1Bから発生した成分のうちs偏光成分は約60%、p偏光成分は約40%、というように各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおけるs偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じである楕円偏光に変換された波長変換レーザビーム3Dに変換することにより、波長変換レーザビーム3Dの内、波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分とが同割合ずつパワーモニタ22やビームプロファイラ23に入射し、そのパワーやビームプロファイルを測定することになる。
なお、図7では、反射ミラー21、21Aを反射した波長変換レーザビームを加工に用い、反射ミラー21、21Aを透過した波長変換レーザビームのビームパラメータをモニタする構成を示したが、反射ミラー21、21Aを透過した波長変換レーザビームを加工に用い、反射ミラー21、21Aで反射された波長変換レーザビームのビームパラメータをモニタする構成としてもよい。
また、図7では、実施の形態1による波長変換レーザ装置に、1/4波長板19、反射ミラー21、21A、パワーモニタ22、およびビームプロファイラ23を備える場合について示したが、実施の形態2によるレーザ加工装置に、1/4波長板19、反射ミラー21、21A、パワーモニタ22、およびビームプロファイラ23を備えてもよく、同様の効果が得られる。
また、図7に示した構成に加えて、パワーモニタ22のモニタ値に応じてレーザ光源2の出力を調節する手段、若しくはパワーモニタ22のモニタ値に応じて温度調節器4A、4Bの温度を調節する手段を設けてフィードバック制御することにより、波長変換レーザビーム3Dのパワーを長期間安定に一定に保つことができるという効果を奏する。
また、ビームプロファイラ23で測定したビームプロファイルからビーム径を求めることができることから、図7に示した構成に加えて、例えば複数のレンズの組み合わせからなるビーム径調整機構を設けることにより、波長変換レーザビーム3Dのビーム径を任意の値に調整して出力することができるという効果を奏する。
さらに、ビームプロファイラ23で測定したビーム径に応じてビーム径調整機構を制御する手段を設けてフィードバック制御することにより、波長変換レーザビーム3Dのビーム径を長期間安定に一定に保つことができるという効果を奏する。
なお、上記実施の形態4においては、ビームパラメータ(パワー、ビームプロファイル(ビーム径)、ビーム品質、発散角)のうちパワーとビームプロファイルをモニタする手段を備える場合について説明したが、ビーム品質(レーザビームの集光性を示すM2値やビームプロダクトなどの指標値)をモニタする手段を備えてもよく、波長変換レーザ装置から出力される波長変換レーザビーム3Dのビーム品質をほぼ正確に測定することができ、長期間安定に高品質な波長変換レーザビームを発生しているか否かを把握することができる。このため、被加工物17に照射される波長変換レーザビーム3Dのビーム品質をほぼ正確に測定することができ、長期間安定に精度良く均一な(時間的に一定である)加工ができているか否かを把握することができるという効果を奏する。
また、例えば複数のビームプロファイラを備えるなどして発散角をモニタする手段を備えてもよく、波長変換レーザ装置から出力される波長変換レーザビーム3Dの発散角をほぼ正確に測定することができ、長期間安定に高品質な波長変換レーザビームを発生しているか否かを把握することができる。このため、被加工物17に照射される波長変換レーザビーム3Dの発散角をほぼ正確に測定することができ、長期間安定に精度良く均一な(時間的に一定である)加工ができているか否かを把握することができるという効果を奏する。
実施の形態5.
図8は、本発明の実施の形態5によるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を説明するための図であり、より具体的には、レーザ加工装置の上面図である。
本実施の形態では、実施の形態1で示したレーザ加工装置に加えて、主に、以下のものを備えている。
まず、波長変換レーザビーム3Dのパワーを調整する手段として可変透過率ミラー25A、25Bを有する透過率が可変の可変アッテネータ24を備えている。
さらに、可変アッテネータ24の前段に配置され、波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A,1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射手段の反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じになるように変換する偏光状態変換手段として、1/4波長板19を備えている。なお、1/4波長板19は実施の形態3で説明した波長変換レーザビーム3Cを円偏光に変換する円偏光化手段を兼ねている。
他の構成は実施の形態1と同様であるので、以下では主に、実施の形態1との相違点について説明する。
1/4波長板19は保持具20に固定され、基台5上に配置されている。可変アッテネータ24は保持具20Cに固定され、基台5上に配置されている。可変アッテネータ24内には波長変換レーザビーム3Cの入射角により透過率が変化する可変透過率ミラー25A、25B、および可変透過率ミラー25A、25Bに対する波長変換レーザビーム3Cの入射角を変化させるための、図示していない可変透過率ミラー25A、25Bを回転させる機構が設けられている。
照射装置の構成は、実施の形態4と同様である。
このように構成されたものにおいて、分離ミラー6を通過した波長変換レーザビーム3Cは、1/4波長板19により円偏光に変換される(円偏光化される)ことにより、偏光状態を変換されて、各非線形光学結晶1A,1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける可変透過率ミラー25A、25Bのミラー面に対するs偏光成分とp偏光成分s偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じである波長変換レーザビーム3Dとなる。
円偏光化された波長変換レーザビーム3Dは、可変アッテネータ24によりパワーを調整された波長変換レーザビーム3Gとなり、反射ミラー12により反射され、集光光学系14により被加工物17に集光照射され、被加工物に対しアニール、表面改質、穴あけ、切断、溶接、トリミング等の加工を行う。
以上説明したように、本実施の形態においては、円偏光化手段および偏光状態変換手段を兼用する手段として1/4波長板19を備えており、波長変換レーザビーム3Cを円偏光に変換するので、上記実施の形態3と同様に、円偏光化された波長変換レーザビーム3Dが被加工物17に集光照射されるため、偏光方向に依存しないより均質な加工を安定に実施することができるという効果を奏する。
さらに、波長変換レーザビーム3Dのパワーを調整する手段として可変アッテネータ24を備え、円偏光化された(波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける可変透過率ミラー25A、25Bのミラー面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じになるように変換された)波長変換レーザビーム3Dを可変アッテネータ24に入射するようにしたため、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分のパワーと波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分のパワーとを同率で調整することができる。したがって、波長変換レーザ装置から出力される波長変換レーザビーム3Gのビームプロファイルをほとんど変化させることなくパワーを調整することができる。このため、被加工物17に照射される波長変換レーザビーム3Gのビームプロファイルをほとんど変化させることなくパワーを調整することができ、加工パラメータとしてパワーのみを変化させて加工することができるという効果を奏する。
さらに、可変アッテネータ24の透過率を下げて加工台18A上の加工点にビームプロファイラを配置して加工点のビームプロファイルを測定することにより、加工時とおよそ同じビームプロファイルを測定することができるという効果を奏する。
上記のような、波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける可変透過率ミラー25A、25Bのミラー面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じになるように変換された(円偏光化された)波長変換レーザビーム3Dを可変アッテネータ24に入射させ波長変換レーザビーム3Gのパワーを可変透過率ミラー25A、25Bに対する波長変換レーザビーム3Dの入射角を変化させることにより調整するようにしたことにより得られる効果は、本発明におけるような複数の直線偏光成分が混在する波長変換レーザビームにおいてのみ得られる特有の効果であり、一般的な直線偏光レーザビームやランダム偏光レーザビームでは得られない効果である。以下では、この点について詳細に説明する。
まず、比較例として、1/4波長板19を備えず、円偏光化していない波長変換レーザビーム3Cを可変アッテネータ24に入射するようにした場合について説明する。例えば、波長変換結晶1A、1Bから偏光方向が互いにおよそ90°異なる波長変換レーザビームが発生している場合に、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分をs偏光、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分をp偏光で可変透過率ミラー25A、25Bに入射させたとすると、s偏光の透過率がp偏光の透過率より低くなることから、波長変換レーザビーム3Cのうち波長変換結晶1Aから発生した成分よりも波長変換結晶1Bから発生した成分を多く含んだ波長変換レーザビームが波長変換レーザ装置から出力され、その波長変換レーザビームが被加工物17に照射されることになる。
また、s偏光とp偏光の透過率の比が可変アッテネータ24(可変透過率ミラー25A、25B)の透過率により変化することから、可変アッテネータ24によりビームプロファイルを変化させずにパワーのみを調整することができず、例えば可変アッテネータ24の透過率を下げて加工点にビームプロファイラを配置して加工点のビームプロファイルを測定する場合、波長変換レーザ装置から出力される波長変換レーザビーム3Cのうち波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分の割合は、加工時とビームプロファイル測定時で異なった割合となり、加工時とは異なる加工点のビームプロファイルを測定するすることになる。
具体的には、例えば、可変アッテネータ24の平均透過率を約50%に下げて加工する場合、可変透過率ミラー25A、25Bのs偏光の透過率は例えば約35%、可変透過率ミラー25A、25Bのp偏光の透過率は例えば約65%となり、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分を約35%、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分を約65%含んだ波長変換レーザビーム、すなわち、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1:1.9の波長変換レーザビームが波長変換レーザ装置から出力され、波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分の割合が異なる波長変換レーザビームで加工することになる。
さらに、例えば、可変アッテネータ24の透過率を約1%に下げ、加工台18A上の加工点にビームプロファイラを配置して加工点のビームプロファイルを測定する場合、可変透過率ミラー25A、25Bのs偏光の透過率は例えば約0.1%、可変透過率ミラー25A、25Bのp偏光の透過率は例えば約0.9%となり、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分を約0.1%、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分を約0.9%含んだ波長変換レーザビーム、すなわち、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1:9という加工時とは全く異なった割合の波長変換レーザビームが波長変換レーザ装置から出射され、例えば上述の可変アッテネータ24の平均透過率約50%で加工する時の波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分の割合とは異なった割合の波長変換レーザビームのビームプロファイルを測定することになる。したがって、加工時とビームプロファイル測定時のビームプロファイルが異なり、加工時のビームプロファイルを正確に把握することができず、加工に対するビームプロファイルの影響を正確に把握することができないという問題が生じる。
ところが、本実施の形態においては、1/4波長板19で円偏光化された(波長変換レーザビーム3Cの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける可変透過率ミラー25A、25Bのミラー面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合とがおよそ同じになるように変換された)波長変換レーザビーム3Dを可変アッテネータ24に入射するようにしたので、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分および波長変換結晶1Bから発生した成分それぞれの可変透過率ミラー25A、25Bに入射するs偏光成分とp偏光成分はおよそ同割合となり、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分をおよそ同じ割合ずつ含んだ波長変換レーザビームを被加工物17に照射することができる。
また、可変アッテネータ24の透過率を変化させても、波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分はおよそ同じ割合ずつ含まれるため、可変アッテネータ24により、ビームプロファイルを変化させずにパワーのみを調整することができる。したがって、例えば、可変アッテネータ24の透過率を下げて加工点にビームプロファイラを配置して、加工点のビームプロファイルを測定することにより加工時とおよそ同じビームプロファイルを測定することができる。
具体的には、例えば、可変アッテネータ24の平均透過率を約50%に下げて加工する場合、可変透過率ミラー25A、25Bのs偏光の透過率は例えば約35%、可変透過率ミラー25A、25Bのp偏光の透過率は例えば約65%となり、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分のうちs偏光成分は約50%、p偏光成分も約50%であるから、s偏光成分の約35%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約17.5%)とp偏光成分の約65%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約32.5%)の和、すなわち、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約50%が可変アッテネータ24を透過する。同様に、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分も、s偏光成分は約50%、p偏光成分は約50%であることから、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分の約50%が可変アッテネータ24を透過する。
よって、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分が同割合ずつ可変アッテネータ24を透過し、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1:1の波長変換レーザビーム3Gが波長変換レーザ装置から出射され、波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1:1の波長変換レーザビーム3Gで加工することになる。
また、例えば、可変アッテネータ24の透過率を約1%に下げて加工点にビームプロファイラを配置して、加工点のビームプロファイルを測定する場合、可変透過率ミラー25A、25Bのs偏光の透過率は例えば約0.1%、可変透過率ミラー25A、25Bのp偏光の透過率は例えば約0.9%となり、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分のうちs偏光成分は約50%、p偏光成分も約50%であるから、s偏光成分の約0.1%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.05%)とp偏光成分の約0.9%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.45%)の和、すなわち、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.5%が可変アッテネータ24を透過する。同様に、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分もs偏光成分は約50%、p偏光成分は約50%であることから、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分の約0.5%が可変アッテネータ24を透過する。
よって、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分が同割合ずつ可変アッテネータ24を透過し、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1:1の波長変換レーザビーム3Gが波長変換レーザ装置から出射され、波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1:1の波長変換レーザビーム3Gで加工点のビームプロファイルを測定することができる。
したがって、加工時とビームプロファイル測定時の波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比はおよそ同じであることから、加工時のビームプロファイルをほぼ正確に把握することができ、加工に対するビームプロファイルの影響をほぼ正確に把握することができ、また、測定した加工点のビームプロファイルを見て加工条件を変化させることができる。
一方、一般的な直線偏光レーザビームにおいては、可変透過率ミラー25A、25Bに入射するレーザビームの偏光方向はs偏光およびp偏光のうちの一方のみであることから、可変透過率ミラー25A、25Bに入射させる前に円偏光化させるか否かにかかわらず透過率は一定である。したがって、円偏光化された波長変換レーザビームを可変透過率ミラー25A、25Bに入射させることによる新たな効果は生じない。
また、一般的なランダム偏光レーザビームにおいては、可変透過率ミラー25A、25Bに入射するレーザビームの偏光方向はs偏光とp偏光とが同割合であることから、可変透過率ミラー25A、25Bに入射させる前に円偏光化させるか否かにかかわらず透過率は一定である。したがって、円偏光化された波長変換レーザビームを可変透過率ミラー25A、25Bに入射させることによる新たな効果は生じない。
なお、上記では波長変換結晶1A、1Bから偏光方向が互いにおよそ90°異なる波長変換レーザビームが発生している場合について、具体的数値を挙げて説明したが、90°に限らず、45°ないし90°の範囲で異なる場合にも、同様のことが言える。例えば、波長変換レーザビーム3Cを偏光状態変換手段を兼用する手段である1/4波長板19を通過させて、波長変換結晶1Aから発生した成分のうちs偏光成分は約60%、p偏光成分は約40%、波長変換結晶1Bから発生した成分のうちs偏光成分は約60%、p偏光成分は約40%、というように各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおけるs偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じである楕円偏光に変換された波長変換レーザビーム3Dに変換することにより、波長変換レーザビーム3Dの内、波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換結晶1Bから発生した成分とが同割合ずつ可変アッテネータ24に入射する。このように、加工時とビームプロファイル測定時の波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比はおよそ同じであることから、加工時のビームプロファイルをほぼ正確に把握することができ、加工に対するビームプロファイルの影響をほぼ正確に把握することができ、また、測定した加工点のビームプロファイルを見て加工条件を変化させることができる。
なお、図8では、波長変換レーザ装置に1/4波長板19および可変アッテネータ24を備える場合について示したが、さらに、可変アッテネータ24の後に、実施の形態4と同様に、1/4波長板19、反射ミラー21、21A、およびパワーモニタ22やビームプロファイラ23等のビームパラメータをモニタする手段を備えてもよく、実施の形態4と同様の効果を奏するとともに、パワーを調整された波長変換レーザビーム3Gのパワーやビームプロファイルをほぼ正確にモニタできるという効果を奏する。
なお、図8では、実施の形態1による波長変換レーザ装置に、1/4波長板19および可変アッテネータ24を備える場合について示したが、実施の形態2によるレーザ加工装置に、1/4波長板19および可変アッテネータ24を備えてもよく、同様の効果が得られる。
また、図8では、透過率が可変の可変アッテネータ24を備える場合について示したが、透過率が一定のアッテネータを備えてもよく、この場合にも、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分のパワーと波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分のパワーとを同率で調整することができる。したがって、波長変換レーザ装置から出力される波長変換レーザビーム3Gのビームプロファイルをほとんど変化させることなく、透過率が一定のアッテネータによってパワーを調整することができるという効果を奏する。このため、被加工物17に照射される波長変換レーザビーム3Gのビームプロファイルをほとんど変化させることなくアッテネータの透過率に対応したパワーに調整することができ、加工パラメータとしてパワーのみを変化させて加工することができるという効果を奏する。
なお、上記実施の形態4および5において、1/4波長板19などの偏光状態変換手段は、波長変換レーザビームの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射手段の反射面(可変透過率ミラーのミラー面)に対するs偏光成分とp偏光成分との割合が正確に同じになるように変換するのが望ましいが、非線形光学結晶1Aから発生した波長変換レーザビームのs偏光成分/p偏光成分の値と非線形光学結晶1Bから発生した波長変換レーザビームのs偏光成分/p偏光成分の値の比がおおよそ1:4〜4:1の間であればよく、同様の効果を奏する。
具体的には、例えば、非線形光学結晶1Aから発生した波長変換レーザビームのs偏光成分が約20%、p偏光成分が約80%で、非線形光学結晶1Bから発生した波長変換レーザビームのs偏光成分が約50%、p偏光成分が約50%の場合、非線形光学結晶1Aから発生した波長変換レーザビームのs偏光成分/p偏光成分の値と非線形光学結晶1Bから発生した波長変換レーザビームのs偏光成分/p偏光成分の値の比が1:4となる。この場合、可変アッテネータ24の平均透過率を約50%に下げて加工する場合、可変透過率ミラー25A、25Bのs偏光の透過率は例えば約35%、可変透過率ミラー25A、25Bのp偏光の透過率は例えば約65%となり、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分のうちs偏光成分は約20%、p偏光成分は約80%であるから、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分のうちs偏光成分の約35%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約7%)とp偏光成分の約65%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約52%)の和、すなわち、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約59%が可変アッテネータ24を透過する。波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分も、s偏光成分は約50%、p偏光成分は約50%であることから、前述したように波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分の約50%が可変アッテネータ24を透過する。
よって、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1.18:1の波長変換レーザビーム3Gが波長変換レーザ装置から出射され、波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1.18:1の波長変換レーザビーム3Gで加工することになる。
また、例えば、可変アッテネータ24の透過率を約1%に下げて加工点にビームプロファイラを配置して、加工点のビームプロファイルを測定する場合、可変透過率ミラー25A、25Bのs偏光の透過率は例えば約0.1%、可変透過率ミラー25A、25Bのp偏光の透過率は例えば約0.9%となり、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分のうちs偏光成分は約20%、p偏光成分は約80%であるから、s偏光成分の約0.1%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.02%)とp偏光成分の約0.9%(波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.72%)の和、すなわち、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分の約0.8%が可変アッテネータ24を透過する。波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分の内s偏光成分は約50%、p偏光成分は約50%であることから、前述したように波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分の約0.5%が可変アッテネータ24を透過する。
よって、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分と波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Bから発生した成分が同割合ずつ可変アッテネータ24を透過し、波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1.6:1の波長変換レーザビーム3Gが波長変換レーザ装置から出射され、波長変換結晶1Aから発生した成分対波長変換結晶1Bから発生した成分の比がおおよそ1.6:1の波長変換レーザビーム3Gで加工点のビームプロファイルを測定することができる。
したがって、加工時とビームプロファイル測定時の波長変換レーザビーム3Dの波長変換結晶1Aから発生した成分/波長変換結晶1Bから発生した成分の値の差はおおよそ36%であることから、加工時のビームプロファイルをおおよそ正確に把握することができ、加工に対するビームプロファイルの影響をおおよそ正確に把握することができ、また、測定した加工点のビームプロファイルを見て加工条件を変化させることができる。
なお、上記実施の形態4および5においては、波長変換レーザビームの偏光状態を、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射手段(反射ミラー21、21A)の反射面または可変透過率ミラー25A、25Bのミラー面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合がおよそ同じになるように変換する偏光状態変換手段として、1/4波長板19を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。偏光状態変換手段として、例えば、波長変換レーザビームを円偏光に変換する電気光学素子を用いてもよい。さらに、偏光状態変換手段として、例えば、1/2波長板、偏光ローテーター、電気光学素子などを用いて波長変換レーザビーム3Cの偏光方向を回転させ、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分における上記各ミラーの反射面(ミラー面)に対するs偏光成分とp偏光成分との割合と、波長変換結晶1Bから発生した成分における上記各ミラーの反射面(ミラー面)に対するs偏光成分とp偏光成分の割合とがおよそ同じになるようにしてもよく、上記実施の形態4および5と同様の効果を奏する。
なお、上記実施の形態4および5において、例えば、波長変換結晶1A、1Bから偏光方向が互いにおよそ90°異なる波長変換レーザビームが発生しており、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Aから発生した成分をs偏光、波長変換レーザビーム3Cの波長変換結晶1Bから発生した成分をp偏光で反射ミラー21、21A(可変透過率ミラー25A、25B)に入射させる構成において、非線形光学結晶1A,1Bおよび分離ミラー6を、レーザビーム3の光軸を中心として例えば45°回転して配置した場合には、各非線形光学結晶1A、1Bから発生したそれぞれの波長変換レーザビームにおける反射ミラー21、21Aの反射面に対するs偏光成分とp偏光成分との割合とがおよそ同じになるため、偏光状態変換手段は無くてもよい。ただし、この場合にも1/4波長板19などの円偏光化手段を備えることにより、実施の形態3で説明したのと同様に、円偏光化された波長変換レーザビームが被加工物17に集光照射されるため、偏光方向に依存しないより均質な加工を安定に実施することができるという効果を奏する。
なお、上記各実施の形態においては、レーザ光源2として、波長1064nmのランダム偏光の基本波レーザビーム3を発生するNd:YAG(ネオジウム・ヤグ)レーザを用いる場合について示したが、レーザ光源2の種類はこれに限るものでなく、例えばNd:YLF(ネオジウム・イルフ)レーザ、Nd:YVO4(ネオジウム・ワイヴイオーフォー)レーザ、Ti:Al2O3(チタン・サファイア)レーザ等の固体レーザの他、アルゴンレーザ、エキシマレーザ等のガスレーザ、色素レーザ等の液体レーザ等でもよい。ただし、Nd:YVO4(ネオジウム・ワイヴイオーフォー)レーザのように一般的には直線偏光発振し、ランダム偏光とならない場合があるが、例えば固体レーザ媒質の切り出し方向を一般的な方向とは異なる方向にすることによりランダム偏光とすることができる。
また、上記各実施の形態においては、波長変換結晶1A、1Bとして、タイプ2位相整合により第2高調波を発生する非線形光学結晶を用いる場合について示したが、ランダム偏光の基本波レーザビーム3を用いているため、位相整合のタイプはタイプ1であってもよく、上記各実施の形態と同様の効果が得られる。
また、上記各実施の形態においては、波長変換結晶1A、1Bとして、タイプ2位相整合により第2高調波を発生するリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5)結晶を用いる場合について示したが、発生する波長変換レーザビームは第2高調波に限るものではなく、例えば、第3高調波、第4高調波、第5高調波、和周波、差周波等であってもよく、上記各実施の形態と同様の効果が得られる。
また、波長変換用の非線形光学結晶(波長変換結晶)1A、1Bもリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5)結晶に限るものではなく、例えば、セシウム・リチウム・ボレート(化学式:CsLiB6O10、略称:CLBO)結晶、セシウム・ボレート(化学式:CsB3O5、略称:CBO)結晶、ベータ・バリウム・ボレート(化学式:β−BaB2O4、略称:BBO)、ガドリニウム・イットリウム・カルシウム・オキシボレート(化学式:GdxY1-xCa4(BO3)3、略称:GdYCOB)結晶、ポタシウム・チタニル・フォスフェイト(化学式:KTiOPO4、略称:KTP)結晶等であってもよく、上記各実施の形態と同様の効果が得られる。
また、上記各実施の形態においては、波長変換結晶1A、1Bとして、同種の結晶を用いる場合について示したが、例えば波長変換結晶1Aとしてリチウム・ボレイト(化学式:LiB3O5)結晶を用い、波長変換結晶1Bとしてセシウム・リチウム・ボレート(化学式:CsLiB6O10、略称:CLBO)結晶を用いる等、異種の結晶を組み合わせて用いてもよく、この場合、波長変換結晶1Aで発生する波長変換レーザビームの偏光方向と、波長変換結晶1Bで発生する波長変換レーザビームの偏光方向が互いに45°ないし90°の範囲で(望ましくはおよそ90°)異なるように、より詳細には、波長変換結晶1Aで発生して波長変換結晶1Bに入射する波長変換レーザビームの偏光方向と、波長変換結晶1Bで発生する波長変換レーザビームの偏光方向が互いに45°ないし90°の範囲で(望ましくはおよそ90°)異なるように(言い換えれば、偏光方向が互いに互いに45°ないし90°の範囲で(望ましくはおよそ90°)異なる波長変換レーザビームを発生するように)、各波長変換結晶1Aおよび1Bを配置すればよく、上記各実施の形態と同様の効果が得られる。
さらに、波長変換結晶1Bとして波長変換結晶1Aよりも波長変換効率の良い結晶を用いることにより、各非線形光学結晶1Aと1Bにおけるレーザビーム通過方向の長さが同じであっても、前段の波長変換結晶1Aから発生する波長変換レーザビームのパワーと後段の波長変換結晶1Bから発生する波長変換レーザビームのパワーを近い値にすることができ、波長変換レーザビーム3Cを等方に近い偏光状態にすることができるという効果が得られる。
また、上記各実施の形態においては、波長変換レーザ装置において集光レンズを用いない構成について示したが、レーザ光源2と波長変換結晶1Aとの間、あるいは波長変換結晶1Aと1Bの間等に集光レンズを配置してもよく、上記各実施の形態と同様の効果に加えて、波長変換結晶1Aと1Bに入射する基本波レーザビームの径を調整することができるため、前段の波長変換結晶1Aから発生する波長変換レーザビームのパワーと後段の波長変換結晶1Bから発生する波長変換レーザビームのパワーをより近い値にすることができ、波長変換レーザビーム3Cをより等方に近い偏光状態にすることができるという効果が得られる。
また、上記各実施の形態においては、照射装置において、集光光学系14を、反射ミラー12と加工台18(被加工物17)との間に配置した場合について示したが、分離ミラー6と反射ミラー12との間にも配置してもよい。さらに、例えばフライアイレンズ等のビーム均一化素子や例えばレーザビームの中心部分のみを透過するマスクを備えてもよく、上記各実施の形態と同様の効果に加えて、より均質な加工を安定に実施することができるという効果が得られる。
また、上記各実施の形態において、波長変換装置として、基本波レーザビームを一方向に進行させて波長変換用の非線形光学結晶(波長変換結晶1A、1B)によって波長変換する、すなわち、基本波レーザビームを発生させるための共振器の外部で波長変換する構成のものを用いた場合について示したが、これに限るものではなく、直列に配置された2つの波長変換用の非線形光学結晶を備え基本波レーザビームを2つの非線形光学結晶に通してそれぞれの非線形光学結晶により偏光方向が互いに45°ないし90°の範囲で(望ましくはおよそ90°)異なる方向になるように波長変換するものであれば、どのような構成の波長変換装置を用いてもよい。
1A、1B 波長変換結晶、2 レーザ光源、3 基本波レーザビーム、3A、3B 基本波・高調波混合レーザビーム、3C 波長変換(高調波)レーザビーム、6 分離ミラー、9A、9B 結晶方位軸b、cからなる面、10 1/2波長板、12、21、21A 反射ミラー、14 集光光学系、17 被加工物、18、18A 加工台、19 1/4波長板、22 パワーモニタ、23 ビームプロファイラ、24 可変アッテネータ、25A、25B 可変透過率ミラー、a、b、c 結晶方位軸。