JP2008242184A - 波長変換装置、紫外線レーザ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長分離のために波長分離用光学素子が波長変換装置の外部に配置され、雰囲気中に含まれる不純物や有機ガスが波長分離用光学素子の表面に蒸着された波長分離用コーティングに付着し、この付着した不純物等がエネルギーの高い紫外線レーザ光の吸収センタとなり、波長分離用コーティングが損傷し劣化する問題を解決し、波長分離用光学素子を密閉容器の外部に配置する必要がなく、波長分離用コーティングの劣化を低減することができる波長変換装置を得ることを目的とする。
【解決手段】入射レーザ光の波長を紫外線レーザ光の波長に変換する波長変換結晶２を収納する密閉容器３を備える。この密閉容器３に配置されたレーザ出射窓５における波長変換結晶２からのレーザ光入射側に位置する面に波長分離コーティング９を設けたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、非線形光学結晶を使用して紫外線を発生する波長変換装置、紫外線レーザ装置およびレーザ加工装置に関するものである。

入射レーザ光の波長を変換して紫外線を発生する波長変換装置では、結晶端面への不純物の付着を抑制するとともに、結晶端面に付着した不純物等がエネルギーの高い紫外線レーザ光の吸収センタとなり、波長変換結晶の内部で波長変換された紫外線によるこの波長変換結晶における結晶端面の劣化を低減するために、波長変換結晶を密閉容器内に保持し波長変換結晶の周囲の雰囲気を維持する技術がある。例えば特許文献１には、密閉容器のレーザ入射窓及びレーザ出射窓でのレーザ光の反射を低減させるために、レーザ入射窓を入射レーザ光に対するブリュースター角度に配置し、レーザ出射窓を出射レーザ光に対するブリュースター角度に配置した密閉容器を備えた波長変換装置及び紫外線レーザ装置が示されている。

特許文献１に示された紫外線レーザ装置においては、波長変換結晶で波長変換されないレーザ光もあることから、所望の紫外線を選択する上で不可欠な波長分離用光学素子としてのビームスプリッタは、密閉容器の外部に配置されていた。

米国特許６００２６９７号公報（第４列２７行乃至第５列５１行頁、ＦＩＧ．１）

特許文献１のような波長変換装置は、波長分離のために波長分離用光学素子が密閉容器の外部に配置されており、波長分離用光学素子が配置される雰囲気中に含まれる水分やちり等の不純物やシロキ酸ガス等の有機ガスの影響を受ける。不純物や有機ガスが波長分離用光学素子の表面に蒸着された波長分離用コーティングに付着し、この付着した不純物等がエネルギーの高い紫外線レーザ光の吸収センタとなり、波長分離用コーティングが損傷し劣化する。これによって、波長分離されて所望の波長となった紫外線の出力が低下したり、紫外線のビーム形状が悪化したりするという問題があった。

また、波長分離用光学素子の波長分離用コーティングの劣化を遅らせるためには、紫外線レーザ光の単位面積当たりのエネルギーを下げて、即ち紫外線レーザ光のビーム径が広がるように密閉容器と波長分離用光学素子とを離して配置しなければならず、波長変換装置ひいては紫外線レーザ装置が大型化するという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、波長分離用光学素子を密閉容器の外部に配置する必要がなく、波長分離用コーティングの劣化を低減することができる波長変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る波長変換装置は、入射レーザ光の波長を紫外線レーザ光の波長に変換する波長変換結晶を収納する密閉容器を備える。この密閉容器に配置されたレーザ出射窓における波長変換結晶からのレーザ光入射側に位置する面に波長分離コーティングを設けたものである。

この発明に係る波長変換装置は、波長変換結晶を収納する密閉容器に配置されたレーザ出射窓における波長変換結晶からのレーザ光入射側に位置する面に波長分離のための波長分離コーティングを備えたので、波長分離用光学素子を密閉容器の外部に配置する必要がなく、波長分離コーティングの劣化を低減することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における波長変換装置の断面図である。波長変換装置１においては、入射するレーザ光の波長を変換する波長変換結晶２が密閉容器３に収納されている。波長変換結晶２は、例えば無反射コーティング無しのＴＹＰＥIIのＬＢＯ（ＬｉＯ_３Ｂ_５）結晶である。密閉容器３は本体とこの本体にレーザ光が通過する開口部をふさぐレーザ入射窓４及びレーザ出射窓５を備える。レーザ入射窓４及びレーザ出射窓５は、窓押さえ７Ａ及び７Ｂで押さえられ、Ｏリング８を挟み密閉容器３の本体に固定されることで、波長変換装置１の気密を保つ。このようにすることで、波長変換結晶２の結晶端面への不純物の付着を抑制するとともに、結晶端面に付着した不純物等がエネルギーの高い紫外線レーザ光の吸収センタとなり、波長変換結晶の内部で波長変換された紫外線によるこの波長変換結晶における結晶端面の劣化を低減することができる。ここで、レーザ入射窓４及びレーザ出射窓５は合成石英等からできた光学素子であり、レーザ光が通過する光学面は光学研磨処理がされている。

和周波発生によって第３次高調波の紫外線を発生させるために、基本波及び第２次高調波からなる入射レーザ光１２がレーザ入射窓４から入射する。レーザ光源から発振された基本波の波長が１０６４ｎｍである場合は、第２次高調波の波長が５３２ｎｍであり、３次高調波の波長は３５５ｎｍとなる。波長変換結晶２で発生した第３次高調波である出射レーザ光１３はレーザ出射窓５から出射する。波長変換結晶２は波長変換のときの位相整合を取るために、熱電素子６によって温度が調節される。結晶温度を調整するための熱電素子６は例えばペルチェ素子やセラミックヒータなどであり、ペルチェ素子とヒータを組み合わせても良い。波長変換結晶２としてＬＢＯ結晶を用いる場合は２５℃程度に調整される。

レーザ出射窓５における波長変換装置１の内側の面、すなわちレーザ出射窓５における波長変換結晶２からのレーザ光入射側に位置する面には、波長分離コーティング９が施されている。この波長分離コーティング９は３次高調波である出射レーザ光１３と波長変換されずに残った基本波及び第２次高調波からなる入射レーザ光１２とを分離するためのものである。レーザ出射窓５における波長変換装置１の外側の面には、レーザ出射窓５における波長変換装置１の内側の面とは異なり、如何なるコーティングも施さない。レーザ出射窓５は、レーザ出射窓５に入射するレーザ光(入射レーザ光１２及び出射レーザ光１３)のうち所望の波長のレーザ光である出射レーザ光１３に対してブリュースター角度になるように配置されている。

波長分離コーティング９は、屈折率の異なる誘電体膜を交互に重ねたものであり、所謂誘多膜コーティングである。誘多膜コーティングは有効な波長範囲が狭く、入射角度依存性が大きい。レーザ出射窓５へのレーザ光の入射角度はブリュースター角度であるので、ブリュースター角度の入射角度においてｐ偏光の３５５ｎｍに対して高透過率、ｓ偏光の５３２ｎｍ及びｐ偏光の１０６４ｎｍに対して高反射率となるように設計した誘多膜コーティングを使用する。

波長分離コーティング９により反射された波長変換されずに残った基本波及び第２次高調波からなる反射レーザ光１４は密閉容器３の本体の内面に到達し、この内面で吸収される。密閉容器３の本体の内面でさらに反射させずに、速やかに吸収するために、くぼみ１０や黒色の塗料等の光吸収手段が密閉容器３を設けられる。波長変換されずに残った基本波及び第２次高調波の吸収によって波長変換装置１の温度が上昇することを防ぐために、密閉容器３には冷却水路１１を設け冷却水を循環させる。なお、くぼみ１０内に黒色の塗料等を施すことで、反射レーザ光１４の吸収効果を高めることができる。

波長変換装置１内の雰囲気を不純物や有機ガスのない状態に維持するために密閉容器３の本体には気体封止弁１５を設ける。波長変換装置１内の雰囲気を不純物や有機ガスのない状態に維持する方法としては、例えば封止弁１５を開いて高純度の酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、希ガス等を一定時間循環させた後封止弁１５を閉じる方法や封止弁１５を通じて波長変換装置１をいったん真空にし、その後高純度の酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、希ガス等を封止弁１５より導入した後封止弁１５を閉じる方法、封止弁１５を通じて波長変換装置１を真空にし封止弁１５を閉じる方法などがある。また、封止弁１５を開いたまま高純度の酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、希ガス等を循環させつつレーザ動作をおこなってもよい。

次にレーザ出射窓５の波長分離コーティング９は劣化が低減できることを説明する。本発明の実施の形態１における波長変換装置１の波長分離コーティング９は不純物や有機ガスが存在しない波長変換装置１の内側に配置されているので、波長分離コーティング９に不純物や有機ガスが付着することがない。したがって、エネルギーの高い紫外線レーザ光の吸収センタを形成することがないので、波長分離用コーティング９が劣化するのを抑制することができる。紫外線によって波長分離コーティング９が分解し劣化していくことは避けられないが、不純物等の付着に起因する波長分離コーティング９の劣化は抑制できたので、本発明の実施の形態１における波長変換装置１の波長分離コーティング９は、劣化する速度を遅くでき、劣化を低減することができる。

一般にレーザ光を透過させたり反射させたりする光学素子は、次の３つの条件を満たすことによって劣化速度が大きくなる。（１）コーティングが有ること、（２）レーザ光のエネルギーが高い（紫外線が入射する）こと、（３）雰囲気中の不純物や有機ガスが含まれることである。波長分離コーティングに限らず無反射コーティング等の光学素子に施されるコーティングは薄膜であり、合成石英等の光学素子の基材にくらべて劣化しやすい。上記３つの条件を全て満たす場合は、不純物等がコーティングに付着し、この付着した不純物等がエネルギーの高い紫外線レーザ光の吸収センタとなり、コーティングが損傷し劣化する。

特許文献１のように、所望の紫外線を反射させるビームスプリッタ（波長分離用光学素子）を不純物や有機ガスが含まれる外気に晒した状態で使用することは上記３つの条件を全て満たすので、波長分離用コーティングが損傷して劣化する度合は大きいため、ビームスプリッタの劣化は顕著である。しかし、本発明の実施の形態１における波長変換装置１のレーザ出射窓５は、外気に触れるレーザ出射窓５における波長変換装置１の外側の面には、いかなるコーティングを施さず、外気に触れないレーザ出射窓５における波長変換装置１の内側の面に波長分離コーティング９を施すことで、波長分離コーティング９及びレーザ出射窓５で構成された波長分離用光学素子は、従来に比べて劣化を低減することができる。

本実施の形態１の波長変換装置１は、波長分離用コーティング９が温度の上昇・下降を繰り返すことで、波長分離用コーティング９と光学素子の基材である合成石英との付着力が熱応力によって低下することを防止するために、密閉容器３の本体とレーザ出射窓５との接触部の近傍に配置された冷却水路１１を通る冷却水によって、レーザ出射窓５を適切な温度範囲になるように冷却している。また、レーザ出射窓５で反射された基本波及び第２次高調波からなる反射レーザ光１４を速やかに吸収するためのくぼみ１０等の光吸収手段の近くに冷却水路１１を配置したので、光吸収手段で変換された熱がレーザ出射窓５に伝わることを極力防いでいる。したがって、本実施の形態１の波長変換装置１は、レーザ発振・停止が繰り返されても、波長分離用コーティング９における温度の上昇・下降を低減することができるので、波長分離用コーティング９と光学素子の基材である合成石英との付着力が低下することを防止することができる。

また、本実施の形態１の波長変換装置１は、レーザ出射窓５は入射するレーザ光の光軸に対してブリュースター角度になるように設置しているため、第３次高調波のビーム面積は垂直に入射した場合より大きくなり単位面積当たりのビーム強度が低下するため、波長分離用コーティング９の劣化速度は更に低減できる。また、レーザ出射窓５における密閉容器３の外側の面に無反射コーティングがなくても、このレーザ出射窓５における密閉容器３の外側の面での第３次高調波の反射ロスを無くすことができる。したがって、本実施の形態１の波長変換装置１は、波長分離用コーティング９の劣化速度が低減でき、エネルギー損失の少ない紫外線レーザ光を得ることができる。

以上のように実施の形態１の波長変換装置１は、波長変換結晶２を収納する密閉容器３のレーザ出射窓５における波長変換結晶２からのレーザ光入射側に位置する面に波長分離のための波長分離コーティング９を備えたので、波長分離用光学素子を密閉容器の外部に配置する必要がなく、波長分離コーティング９の劣化を低減することができる。

図２は、この発明の実施の形態１における他の波長変換装置の断面図である。図１に示した波長変換装置とは、レーザ出射窓５の窓押さえ７Ｂに、冷却水路１１を設けた点で異なる。このようにすることで、窓押さえ７Ｂと接するレーザ出射窓５における接触部を図１の波長変換装置よりもレーザ出射窓５を冷却することができる。したがって、更に波長分離用コーティング９における温度の上昇・下降を低減することができるので、波長分離用コーティング９と光学素子の基材である合成石英との付着力が低下することを防止することができる。

なお、波長分離コーティング９を施したレーザ出射窓５は入射するレーザ光の光軸に対してブリュースター角度になるように設置した場合で説明したが、レーザ出射窓５が入射するレーザ光の光軸に対して垂直にしても良い。このようにすることで、紫外線レーザ光のエネルギー損失は多少大きくなっても、レーザ出射窓５が傾斜せずに配置されることによって波長変換装置を小型化することができるメリットがある。ここで、波長分離コーティング９は垂直の入射角度においてｐ偏光の３５５ｎｍに対して高透過率、ｓ偏光の５３２ｎｍ及びｐ偏光の１０６４ｎｍに対して高反射率となるように設計した誘多膜コーティングを使用する。

また、レーザ入射窓４におけるレーザ入射側及び出射側の表面は、レーザ入射光が紫外線ではないので、無反射コーティングを施しても良い。このようにすることで、入射レーザ光に対する反射を低減することができる。これによって入射レーザ光が多く波長変換装置１内へ入射することができるので、紫外線の発生効率を高めることができる。

また、波長変換結晶２としてＬＢＯ結晶を例に挙げたが他に、ＢＢＯ（β―ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）、ＣＢＯ（ＣｓＢ_３Ｏ_５）などを用いることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２における紫外線レーザ装置の構成を示す図である。紫外線レーザ装置１６のレーザ光源である基本波発生部１７において基本波を発生する。基本波発生部１７としては、例えばＱ−スイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器が用いられ、偏光は直線偏光、発振波長は１０６４ｎｍである。このレーザ発振器は出力を得るために増幅器を用いた構成としてもよい。なお、基本波発生部１７は、上記のＮｄ：ＹＡＧの他に、Ｎｄ：ＹＶＯ_４（発振波長１０６４ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦ（発振波長１０４７ｎｍ）、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４（発振波長１０６３ｎｍ）等のレーザ結晶を用いたレーザ発振器もしくはファイバー状のレーザ媒質を使用したファイバレーザであってもよい。

発生した基本波を集光レンズ１８Ａによって波長変換結晶１９に集光し、波長変換結晶１９で波長変換し、高調波（波長変換レーザ光）を発生する。波長変換結晶１９は、例えば無反射コーティングが施されていない、すなわち無反射コーティング無しのＴＹＰＥIのＬＢＯ（ＬｉＯ_３Ｂ_５）結晶を用いる。波長変換結晶１９に無反射コーティングを施さないことで、発生高調波によって無反射コーティングが劣化したり損傷したりすることによる高調波の出力低下を防ぐことができる。ここで発生する高調波は第２次高調波であり、波長は５３２ｎｍである。波長変換結晶１９はＬＢＯを例に挙げたが他に、ＢＢＯ（β―ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）、ＣＢＯ（ＣｓＢ_３Ｏ_５）などを用いることができる。

波長変換結晶１９を通過したレーザ光、すなわち、波長変換結晶１９で発生した第２次高調波と、波長変換されなかった基本波とを、集光レンズ１８Ｂを用いて波長変換装置１に配置された波長変換結晶に集光する。集光されたレーザ光が波長変換結晶２に入射することで、和周波発生によって第３次高調波（波長３５５ｎｍ）が発生する。このように紫外線である第３次高調波（波長３５５ｎｍ）を発生させることができる。波長変換結晶は、例えば無反射コーティング無しのＴＹＰＥIIのＬＢＯ（ＬｉＯ_３Ｂ_５）結晶を用いる。

以上のように本実施の形態２の紫外線レーザ装置１６は、波長変換結晶２を収納する密閉容器３のレーザ出射窓５における波長変換結晶２からのレーザ光入射側に位置する面に波長分離のための波長分離コーティング９を備えた波長変換装置１を使用したので、従来密閉容器の外部に配置されていた波長分離用光学素子と密閉容器内の波長変換結晶との距離を長くしなければならなったものとは異なり、波長分離用光学素子を密閉容器の外部に配置する必要がない。したがって、紫外線レーザ装置を小型化することができる。

なお、紫外線レーザ装置１６の第２次高調波発生用結晶である波長変換結晶１９は、第３次高調波発生用結晶である波長変換結晶２と比較して劣化速度が遅いため、密閉容器３を使用する必要性は低いが、集光強度が強い条件で使用する場合などは同様の密閉容器３を使用してもよい。これによって波長変換結晶１９の劣化を低減することができる。この場合、基本波及び第２次高調波を出力するので、レーザ出射窓に波長分離コーティングを施す必要はない。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置の光学系を示す図である。図４において、１６は実施の形態２で示した紫外線レーザ装置、２０はコリメータレンズ、２１はマスクチェンジャ、２２はベンドミラー、２３はガルバノスキャナ、２４はスキャンレンズ、２５は加工テーブル、２６は加工テーブルに配置されたプリント基板等のワークである。

紫外線レーザ装置１６から出射された紫外線レーザ光はコリメータレンズ２０によりビーム径を最適化された後、マスクチェンジャ２１上の所定のビームスポット形状等にするマスクに照射される。マスクに照射された紫外線レーザ光はその一部がマスクを通過して、ベンドミラー２２を介して、ガルバノスキャナ２３により所定の位置に導かれ、スキャンレンズ２４を通して集光される。この集光された紫外線レーザ光を加工テーブル２５上に固定されているワークに照射してこのワークを加工する。加工終了後は、紫外線レーザ装置１６のレーザ光を止めて、図示しない搬送装置で他のワークと交換する。

レーザ加工装置として実施の形態２で示した紫外線レーザ装置１６を用いることで、波長分離用コーティング９の劣化を低減できたことにより、波長分離用光学素子の部品交換による装置停止時間を大幅に減少することができる。また、紫外線レーザ装置１６は波長変換装置において波長分離用光学素子を密閉容器３の外部に配置する必要がなく、小型にできたので、レーザ加工装置における紫外線レーザ装置１６の設置自由度が増し、光学系の配置設計の自由度を高めることができる。

波長分離用光学素子が密閉容器の外部にあった従来の波長変換装置を備えた紫外線レーザ装置を用いたレーザ加工装置では、密閉容器内の波長変換結晶と波長分離用光学素子との距離が長かったため、密閉容器からのレーザ放射の方向ずれが波長分離用光学素子において大きくなってしまう問題があった。しかし、本発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置は、波長変換装置１において波長変換結晶２と波長分離コーティング９及びレーザ出射窓５で構成された波長分離用光学素子との距離を短くしたことで、波長分離用光学素子でのレーザ光のずれが小さくなるので、ワーク２６上のレーザビーム照射点の変動、即ちポインティング変動を小さくすることができる。これにより、レーザ加工の精度を良くすることができる。

以上のように実施の形態３のレーザ加工装置は、波長変換装置としてレーザ出射窓５における波長変換装置１の内側の面に波長分離コーティング９を施した波長変換装置１を用いたので、波長分離用光学素子の部品交換による装置停止時間を大幅に減少することができる。

この発明の実施の形態１における波長変換装置の断面図である。 実施の形態１における他の波長変換装置の断面図である。 この発明の実施の形態２における紫外線レーザ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるレーザ加工装置の光学系を示す図である。

符号の説明

１ 波長変換装置、２ 波長変換結晶、３ 密閉容器、４ レーザ入射窓、５ レーザ出射窓、６ 熱電素子、９ 波長分離コーティング、１０ くぼみ、１１ 冷却水路、１７ 基本波発生部、２５ 加工テーブル、２６ ワーク。

Claims (6)

1. 入射レーザ光の波長を変換する波長変換結晶と、
   この波長変換結晶の温度を調整する熱電素子と、
   前記波長変換素子と前記熱電素子を収納する密閉容器と、
   この密閉容器に設置され、前記入射レーザ光を通過するレーザ入射窓と、
   前記密閉容器に設置され、前記波長変換結晶で波長変換された紫外線レーザ光を前記密閉容器の外へ出射するレーザ出射窓とを備え、
   前記レーザ出射窓における前記波長変換結晶からのレーザ光入射側に位置する面に波長分離コーティングを設けたことを特徴とした波長変換装置。
2. 前記密閉容器は本体とレーザ入射窓とレーザ出射窓とを備え、
   前記本体と前記レーザ出射窓との接触部の近傍に前記レーザ出射窓を冷却する冷却手段が配置されたことを特徴とした請求項１記載の波長変換装置。
3. 前記レーザ出射窓は前記波長変換結晶で波長変換されたレーザ光の光軸に対してブリュースター角度に設置されたことを特徴とした請求項１または２に記載の波長変換装置。
4. 前記レーザ出射窓で反射したレーザ光を吸収する吸収手段を前記密閉容器の内面に設けたことを特徴とした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波長変換装置。
5. レーザ光源と、波長変換装置とを備え、
   前記レーザ光源から照射された光を波長変換して紫外線レーザ光を発生させる紫外線レーザ装置であって、前記波長変換装置が、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波長変換装置である紫外線レーザ装置。
6. 請求項５記載の紫外線レーザ装置から発生された紫外線レーザ光が集光された紫外線レーザ光を加工テーブルに固定されたワークに照射して前記ワークを加工することを特徴とするレーザ加工装置。

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