JP2021085940A - ビームシェイパ、加工装置、及びビームシェイピング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アキシコンレンズを交換することなしにエネルギー密度を調整可能なビームシェイパを提供すること。【解決手段】アキシコンレンズ（１３２）と、アキシコンレンズ（１３２）に入射するガウシアンビームのビーム径を変更することによって、ベッセルビームのエネルギー密度を調整する調整機構（レンズホルダ１３３及び調整ボルト１３４）と、を内蔵している加工ヘッド（１３）は、ビームシェイパとして機能する。【選択図】図１

Description

本発明は、ビームシェイパ、該ビームシェイパを備えた加工装置、及びビームシェイピング方法に関する。

近年、レーザ光源が生成する高出力なレーザ光を加工対象物に照射しつつ掃引することによって、加工対象物を加工する加工装置の市場が拡大している。加工用途の一例としては、切断や溶接などが挙げられる。

これらの加工装置において、レーザ光が照射される加工部位の温度は、レーザ光を照射される前の温度（例えばほぼ室温）から、レーザ光を照射された後の温度（例えば数百度〜数千度）まで、急激に上昇する。その結果、加工装置においては、このような急激な温度の上昇に伴うスパッタが生じやすい。

このスパッタの発生を抑制するためには、加工部位の予熱が効果的だと考えられており、加工部位を予熱するために適用可能だと考えられる技術として、例えば、特許文献１の図３に記載されたレーザービーム整形装置（本願発明の加工装置に読み替えられる）が挙げられる。このレーザービーム整形装置は、アキシコンレンズを備えており、ピーク強度が高いセンターローブと、センターローブと同心円状に形成された複数のリング状のサイドローブであって、強度が低いサイドローブと、を含む擬似的なベッセルビームを生成することができる。

特開２０１７−１４２４０１号公報

ところで、加工対象物に施す予熱の程度は、加工対象物を構成する材料や、加工の用途などに応じて異なる場合が多い。そのため、擬似的なベッセルビームを生成可能な加工装置において、エネルギー密度を調整したいという要望がある。

ベッセルビームのエネルギー密度を調整するためには、加工ヘッドに含まれるアキシコンレンズを、頂点角が異なる別のアキシコンレンズに変更する方法が考えられる。しかし、加工ヘッドに含まれるアキシコンレンズを別のアキシコンレンズに変更するには手間を要する。また、エネルギー密度を調整するために、複数のアキシコンレンズを用意しておくことは、加工装置の運用コストの増大を招く。

本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、アキシコンレンズを交換することなしにエネルギー密度を調整可能なビームシェイパを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の態様１に係るビームシェイパは、アキシコンレンズと、前記アキシコンレンズに入射するガウシアンビームのビーム径を変更することによって、前記アキシコンレンズから出射するベッセルビームのエネルギー密度を調整する調整機構と、を備えている。

上記の構成によれば、調整機構を用いてベッセルビームのエネルギー密度を調整することができるので、アキシコンレンズを交換することなしにエネルギー密度を調整可能なビームシェイパを提供することができる。

本発明の態様２に係るビームシェイパにおいては、態様１に係るビームシェイパの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記ガウシアンビームの出射点から出射されたガウシアンビームは、発散光であり、前記調整機構は、前記出射点から前記アキシコンレンズまでの距離を変化させることによって、前記ビーム径を変更する、構成が採用されている。

ガウシアンビームの出射点から出射されたガウシアンビームが発散光である場合、本発明の態様３，４に係るビームシェイパが備えているコリメートレンズを省略することもできる。したがって、上記の構成によれば、少ない構成要素によりビームシェイパを構成することができる。

本発明の態様５に係るビームシェイパにおいては、態様２〜４の何れかに係るビームシェイパの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記出射点は、前記ガウシアンビームを出射する光ファイバの出射端である、構成が採用されている。

上記の構成によれば、レーザ光源により生成され、光ファイバにより導波されてきたガウシアンビームを、容易にベッセルビームに変換することができる。

本発明の態様４に係るビームシェイパにおいては、態様１に係るビームシェイパの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記ガウシアンビームの光路上に配置されたコリメートレンズを更に備えており、前記調整機構は、前記ガウシアンビームの出射点から前記コリメートレンズまでの距離を、前記アキシコンレンズに入射するガウシアンビームが発散光となる距離に保ったまま、前記コリメートレンズから前記アキシコンレンズまでの距離を変化させることによって、前記ビーム径を変更する、構成が採用されている。

本発明の態様５に係るビームシェイパにおいては、態様１に係るビームシェイパの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記ガウシアンビームの光路上に配置されたコリメートレンズを更に備えており、前記調整機構は、前記ガウシアンビームの出射点から前記コリメートレンズまでの距離を、前記アキシコンレンズに入射するガウシアンビームが収斂光となる距離に保ったまま、前記コリメートレンズから前記アキシコンレンズまでの距離を変化させることによって、前記ビーム径を変更する、構成が採用されている。

本願発明の一態様において、アキシコンレンズに入射するガウシアンビームは、発散光及び収斂光の何れであってもよい。上記の構成によれば、容易にエネルギー密度を調整することができる。

本発明の態様６に係るビームシェイパにおいては、態様４又は５に係るビームシェイパの構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記調整機構は、レンズホルダと、スライド部とを備え、前記レンズホルダは、前記コリメートレンズを保持し、前記スライド部は、前記レンズホルダをスライドさせることによって、前記コリメートレンズから前記アキシコンレンズまでの距離を変化させる、構成が採用されている。

上記の構成のように、調整機構の具体的な構成としては、レンズホルダと、スライド部とが挙げられる。

本発明の態様７に係る加工装置は、態様１〜６の何れかに係るビームシェイパを備えた加工装置であって、前記ビームシェイパから出射されるベッセルビームを加工対象物に照射する。

上記の構成によれば、調整機構を用いてベッセルビームのエネルギー密度を調整することができるので、アキシコンレンズを交換することなしにエネルギー密度を調整可能な加工装置を提供することができる。

本発明の態様８に係る加工装置においては、態様７に係る加工装置の構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、加工対象物の表面のうち、少なくとも前記ベッセルビームが照射されている照射点近傍における光を検出する光検出器と、前記光検出器が検出した前記光に応じたフィードバック制御を前記調整機構に対して行う制御部と、を更に備えている、構成が採用されている。

上記の構成によれば、上記の構成によれば、加工対象物に加工を施しながら、加工対象物の状態に応じてエネルギー密度を調整することができる。したがって、加工を施している全期間中に亘って、アキシコンレンズから出射するベッセルビームのエネルギー密度を好適に保つことができる。

本発明の態様９に係る加工装置においては、態様８に係る加工装置の構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記光検出器は、前記照射点近傍を撮像するカメラであり、制御部は、前記カメラにより撮像された前記照射点近傍の画像に応じたフィードバック制御を前記調整機構に対して行う、構成が採用されている。

上記の構成によれば、加工対象物に加工を施しながら、照射点近傍の状態に応じてリング間隔を調整することができる。したがって、加工を施している全期間中に亘って、アキシコンレンズから出射するベッセルビームのリング間隔を好適に保つことができる。

上記の課題を解決するために、本発明の態様１０に係るビームシェイピング方法は、アキシコンレンズに入射するガウシアンビームのビーム径を変更することによって、前記アキシコンレンズから出射するベッセルビームのエネルギー密度を調整する調整工程を含んでいる。

このような調整工程を含む本ビームシェイピング方法は、アキシコンレンズに入射するガウシアンビームのビーム径を変更することによってベッセルビームのエネルギー密度を調整することができるので、アキシコンレンズを交換することなしにエネルギー密度を調整することができる。

本願の態様１１に係るビームシェイピング方法においては、態様１０に係るビームシェイピング方法の構成に加えて、以下の構成が採用されている。すなわち、前記調整工程は、前記ガウシアンビームの出射点から前記アキシコンレンズまでの距離を変化させることによって、前記ビーム径を変更する、構成が採用されている。

上記の構成によれば、容易にエネルギー密度を調整することができる。

本発明の一態様によれば、アキシコンレンズを交換することなしにエネルギー密度を調整可能なビームシェイパを提供することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る加工装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した加工装置が備える加工ヘッドの断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の（ａ）に示した加工ヘッドの断面図であって、該加工ヘッドの内部におけるコリメートレンズ及びアキシコンレンズの配置を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の（ａ）に示した加工ヘッドの断面図であって、該加工ヘッドの内部におけるコリメートレンズ及びアキシコンレンズの配置を示す断面図である。 本発明の参考例に係る加工ヘッドにおいて、アキシコンレンズに入射するレーザ光のスポット径を２ｍｍ，４ｍｍ，６ｍｍに変化させた場合に得られるベッセルビームの強度分布を示すグラフである。

（加工装置の構成）
本発明の一実施形態に係る加工装置１の構成について、図１を参照して説明する。図１において、（ａ）は、加工装置１の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、加工装置１が備える加工ヘッド１３の断面図である。

加工装置１は、レーザ光を用いて加工対象物である対象物Ｗを加工するための装置であり、図１の（ａ）に示すように、レーザ光源１１と、デリバリファイバ１２と、加工ヘッド１３と、カメラ１４と、制御部１５と、を備えている。

レーザ光源１１は、レーザ光を生成する装置である。デリバリファイバ１２は、レーザ光源１１にて生成されたレーザ光を導波する光ファイバである。加工ヘッド１３は、デリバリファイバ１２を導波されたレーザ光を対象物Ｗに照射する装置である。カメラ１４は、対象物Ｗの表面のうち、少なくとも後述するベッセルビームが照射されている照射点近傍における光を検出する光検出器の一例であり、該照射点近傍を撮像する装置である。この場合、照射点近傍における光とは、主に対象物Ｗを取り巻く環境光が照射点近傍において反射された反射光である。なお、光検出器の別の例としては、フォトダイオードが挙げられる。この場合、照射点近傍における光とは、ベッセルビームを加工対象物に照射することに伴って照射点近傍に生じるプラズマに起因する光である。この場合、光検出器としてフォトダイオードを採用する場合、照射点とフォトダイオードとの間には、所定の波長範囲に含まれる光を透過するフィルタが設けられていてもよい。

本発明の一態様において、制御部１５は、光検出器が検出した照射点近傍の光に応じたフィードバック制御を後述する調整機構に対して行うように加工ヘッド１３を制御する装置である。本実施形態において、制御部１５は、カメラ１４にて撮像された前記照射点近傍の画像（動画像又は静止画像）に基づいて、前記照射点近傍の状態に応じたフィードバック制御を加工中に行うように加工ヘッド１３を制御する装置である。

なお、上記フィードバック制御の制御内容は、限定されるものではないが、次のような例が挙げられる。レーザ光を掃引することによって実施する加工中に、カメラ１４は、レーザ光が照射されている照射点近傍を撮影し、その画像を生成する。制御部１５は、カメラ１４から上記画像を取得したうえで、上記画像に基づいて単位時間あたりのスパッタ量を示すスパッタ量情報を生成する。制御部１５は、更に、上記スパッタ量情報が示すスパッタ量に応じて、コリメートレンズから前記アキシコンレンズまでの距離である距離Ｄ２（図１及び図２参照）を増加させる方向及び減少させる方向の何れかに微小量変化させる。このように距離Ｄ２を微小量変化させることによって、スパッタ量が上昇した場合、制御部１５は、距離Ｄ２を先に微小量変化させた方向とは逆方向（減少または増加）に微小量変化させる。これを繰り返すことによって、制御部１５は、加工中に発生し得るスパッタ量を低減することができる。

なお、制御部１５が上記画像から上記スパッタ量をカウントする方法は限定されないが、例えば、上記画像に含まれる輝度が閾値を上回る点をカウントする方法が挙げられる。また、制御部１５のうち上記画像から上記スパッタ量をカウントする機能については、市販されているスパッタカウンタにより代用することもできる。

また、制御部１５は、距離Ｄ２を増減させる場合の変化量をどのようなアルゴリズムを用いて決定してもよい。そのアルゴリズムとしては、例えば、二分法やセカント法などの数値計算アルゴリズムが挙げられる。

また、前記光検出器としてフォトダイオードを採用する場合であれば、フィードバック制御の制御内容として次のような例が挙げられる。レーザ光を掃引することによって実施する加工中に、フォトダイオードは、照射点近傍の光であって、フィルタによりフィルタリング処理された所定の波長範囲に含まれる光を検出する。この所定の範囲は、例えば、ベッセルビームを加工対象物に照射することに伴って照射点近傍に生じるプラズマの温度の指標になるように定められている。したがって、制御部１５は、フォトダイオードが検出した所定の波長範囲に含まれる光の強度から、プラズマの温度を表す温度情報を生成する。制御部１５は、更に、上記温度情報が示す温度に応じて、距離Ｄ２を増加させる方向及び減少させる方向の何れかに微小量変化させる。このように距離Ｄ２を微小量変化させることによって、温度が上昇した場合、制御部１５は、距離Ｄ２を先に微小量変化させた方向とは逆方向（減少または増加）に微小量変化させる。これを繰り返すことによって、制御部１５は、加工中におけるプラズマの温度を所定の温度範囲内に保つ（より好ましくは、一定に保つ）ことができる。

加工ヘッド１３は、図１の（ｂ）に示すように、筐体１３０と、コリメートレンズ１３１と、アキシコンレンズ１３２と、レンズホルダ１３３ａ，１３３ｂと、調整ボルト１３４と、保護ガラス１３５と、ガス供給孔１３６と、を備えている。

筐体１３０は、一端（図１における上端）が閉塞され、他端（図１における下端）が開放された筒状の構造体である。デリバリファイバ１２の一方の端部である出射端は、筐体１３０に設けられた挿通孔を介して筐体１３０の内部に引き込まれている。デリバリファイバ１２の出射端は、特許請求の範囲に記載のガウシアンビームの出射点の一例である。

デリバリファイバ１２から出射したレーザ光（ガウシアンビームであるので、以下、そのように記載する）の光路上には、ガウシアンビームを屈折させることによってコリメート光に近づける（すなわちガウシアンビームの発散角を０度に近づける）ためのコリメートレンズ１３１が配置されている。加工ヘッド１３において、上記発散角は０度以外の値になるようにコリメートレンズ１３１が配置されている。そのため、コリメートレンズ１３１を透過したガウシアンビームは、発散光又は収斂光になる。図１の（ｂ）には、コリメートレンズ１３１を透過したガウシアンビームが発散光となるように構成された加工ヘッド１３を図示している。コリメートレンズ１３１は、平坦面である入射面と、球面である出射面とを有しており、その（コリメートレンズ１３１の）入射面がデリバリファイバ１２の出射面に対向するように配置されている。コリメートレンズ１３１の光軸は、デリバリファイバ１２の光軸に一致する。

コリメートレンズ１３１を透過したガウシアンビームの光路上には、ガウシアンビームをベッセルビームに変換するためのアキシコンレンズ１３２が配置されている。アキシコンレンズ１３２は、平坦面である入射面と、円錐面である出射面とを有しており、その（アキシコンレンズ１３２の）入射面がコリメートレンズ１３１の出射面に対向するように配置されている。アキシコンレンズ１３２の光軸は、デリバリファイバ１２及びコリメートレンズ１３１の光軸に一致する。本実施形態において、デリバリファイバ１２、コリメートレンズ１３１、及びアキシコンレンズ１３２に共通する光軸は、後述する筐体１３０の中心軸（単に軸とも称する）とも一致する。以下において、この共通する光軸のことを加工ヘッド１３の光軸とも称する。

レンズホルダ１３３ａは、両端が開放された筒状の構造体であり、コリメートレンズ１３１を保持している。レンズホルダ１３３ａの外側面には、凸部が形成されており、この凸部は、筐体１３０の内側面に形成された２つの凹部の一方（デリバリファイバ１２に近い方）に嵌合する。筐体１３０の内側面に形成された凹部の幅（筐体１３０の軸方向の幅）は、レンズホルダ１３３ａの外側面に形成された凸部の幅と等しく設定されている。このため、レンズホルダ１３３ａは、筐体１３０の軸方向にスライドさせることができない。

レンズホルダ１３３ｂは、両端が開放された筒状の構造体であり、アキシコンレンズ１３２を保持している。レンズホルダ１３３ｂの外側面には、凸部が形成されており、この凸部は、筐体１３０の内側面に形成された２つの凹部の他方（デリバリファイバ１２にから遠い方）に嵌合する。筐体１３０の内側面に形成された凹部の幅（筐体１３０の軸方向の幅）は、レンズホルダ１３３ｂの外側面に形成された凸部の幅よりも広く設定されている。このため、レンズホルダ１３３ｂは、筐体１３０の軸方向にスライドさせることができる。

以上のように、筐体１３０の内側面に形成された２つの凹部の他方と、レンズホルダ１３３ｂの外側面に形成された凸部とは、距離Ｄ１を一定に保ったままアキシコンレンズ１３２を加工ヘッド１３の光軸と平行にスライドさせる（すなわち距離Ｄ２を変化させる）スライド部の一例である。なお、本実施形態のスライド部では、筐体１３０の内側面に凹部を形成し、レンズホルダ１３３ｂの外側面に凸部を形成している。しかし、スライド部の一態様においては、筐体１３０の内側面に凸部を形成し、レンズホルダ１３３ｂの外側面に凹部を形成することもできる。

レンズホルダ１３３ｂは、例えば、調整ボルト１３４の挿入量を増やすことによって、デリバリファイバ１２から遠ざかり、調整ボルト１３４の挿入量を減らすことによって、デリバリファイバ１２に近づく。このため、調整ボルト１３４の挿入量を増減させることによって、ガウシアンビームの出射点（デリバリファイバ１２の出射面の中心点）からコリメートレンズ１３１までの距離Ｄ１を保ったまま、コリメートレンズ１３１からアキシコンレンズ１３２までの距離Ｄ２を変化させることができる。なお、調整ボルト１３４の挿入量（すなわち、距離Ｄ２）は、不図示の機構により制御部１５によって電動制御することもできるし、手動により制御することもできる。

なお、距離Ｄ２の下限値は、コリメートレンズ１３１の厚さを上回っていれば、その範囲内で適宜定めることができる。一方、距離Ｄ２の上限値は特に限定されるものではないが、ビーム径Ｒがアキシコンレンズ１３２の半径以下となる範囲内で適宜定められていることが好ましい。ビーム径Ｒがアキシコンレンズ１３２の半径を超えた場合、（１）ガウシアンビームのパワーを損失してしまう、（２）アキシコンレンズ１３２の照射面に照射されなかったガウシアンビームが迷光となる、といったデメリットが生じるためである。

ガス供給孔１３６には、レーザ加工においてアシストガスとして機能するガスが供給されている。ガス供給孔１３６に供給されたアシストガスは、開放された筐体１３０の下端から対象物Ｗの加工部位に同心円状に吹き付けられる。アシストガスとして用いるガス種は、レーザ加工の用途（例えば、切断や、溶接など）に応じて適宜選択することができる。例えば、切断の場合であれば燃焼作用が求められるため、アシストガスのガス種は、酸素が好ましく、溶接の場合であれば、参加を抑制するため、アシストガスのガス種は、窒素が好ましい。なお、アシストガスのガス種は、酸素及び窒素に限定されるものではない。また、アシストガスは、上述した機能の他に、加工に伴い生じるスパッタが保護ガラス１３５に付着することを抑制するという機能も有する。

（加工ヘッドの機能）
加工ヘッド１３の機能について、図２〜図４を参照して説明する。図２の（ａ）〜（ｃ）は、加工ヘッド１３の光軸を含む断面における断面図であって、加工ヘッド１３の内部におけるコリメートレンズ１３１及びアキシコンレンズ１３２の配置を示す断面図である。図２の（ａ）〜（ｃ）に図示した加工ヘッド１３は、図１の（ｂ）と同様に、コリメートレンズ１３１を透過したガウシアンビームが発散光となるように構成されている。図３の（ａ）〜（ｃ）は、加工ヘッド１３の光軸を含む断面における断面図であって、加工ヘッド１３の内部におけるコリメートレンズ１３１及びアキシコンレンズ１３２の配置を示す断面図である。図３の（ａ）〜（ｃ）に図示した加工ヘッド１３は、コリメートレンズ１３１を透過したガウシアンビームが収斂光となるように構成されている。なお、図２の（ａ）〜（ｃ）及び図３の（ａ）〜（ｃ）においては、コリメートレンズ１３１及びアキシコンレンズ１３２のみを図示している。また、図２の（ａ）〜（ｃ）及び図３の（ａ）〜（ｃ）の各々に図示したｚ軸は、加工ヘッド１３の光軸（図２の（ａ）〜（ｃ）及び図３の（ａ）〜（ｃ）の各々には図示せず）と平行になるように定めている。また、ｚ軸は、デリバリファイバ１２の出射面に対応する位置が原点となるように定めている。

＜ガウシアンビームが発散光の場合＞
図２の（ａ）において、距離Ｄ１は、デリバリファイバ１２から出射されたガウシアンビームがコリメートレンズ１３１を透過することにより発散光になるように定められている。すなわち、距離Ｄ１は、コリメートレンズ１３１の焦点距離よりも短い。また、距離Ｄ１は、固定されている。なお、図２の（ａ）〜（ｃ）に示した加工ヘッド１３の何れにおいても、距離Ｄ１は、同一である。

加工ヘッド１３は、上述したように、調整ボルト１３４を用いてレンズホルダ１３３ｂの位置を調整することができる。そのため、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように、距離Ｄ２は、可変である。

図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように、コリメートレンズ１３１を透過したガウシアンビームは、発散光である。したがって、図２の（ａ）に示すように、距離Ｄ２を所定の値に設定した場合、コリメートレンズ１３１を透過したガウシアンビームのアキシコンレンズ１３２の入射面におけるビーム径Ｒは、距離Ｄ２に対応する所定の値にある。本実施形態では、図２の（ａ）に示した距離Ｄ２を基準とする。なお、加工ヘッド１３において基準となる距離Ｄ２をどのように定めるかは、限定されるものではないが、本実施形態では、レンズホルダ１３３ｂの可動域の中央に対応する距離Ｄ２を基準となる距離Ｄ２に定めている。

図２の（ｂ）に示すように、距離Ｄ２を基準となる距離Ｄ２よりも大きい値に設定した場合、ビーム径Ｒは、図２の（ａ）に示したビーム径Ｒよりも大きくなる。

図２の（ｃ）に示すように、距離Ｄ２を基準となる距離Ｄ２よりも小さい値に設定した場合、ビーム径Ｒは、図２の（ａ）に示したビーム径Ｒよりも小さくなる。

アキシコンレンズ１３２の出射面は、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように断面視した場合、二等辺三角形の２つの斜辺により構成されている。以下では、図２の（ａ）〜（ｃ）の各々において、上記２つの斜辺のうち、上側に位置する斜辺を第１の斜辺と称し、下側に位置する斜辺を第２の斜辺と称する。したがって、図２の（ａ）に示すように、アキシコンレンズ１３２にコリメート光が入射した場合、第１の斜辺は、コリメート光を斜め下方向に向かって屈折させ、第２の斜辺は、コリメート光を斜め上方向に向かって屈折させる。

図２の（ａ）に示すように、第１の斜辺により斜め下方向に屈折された光と、第２の斜辺により斜め上方向に屈折された光とは、アキシコンレンズ１３２の出射面の近傍領域である干渉領域Ｂにおいて交差する。そのため、干渉領域Ｂの半径は、アキシコンレンズ１３２の出射面から遠ざかるにしたがって大きくなり、干渉領域Ｂの中央において極大値をとり、更にアキシコンレンズ１３２の出射面から遠ざかるにしたがって小さくなる。干渉領域Ｂの半径の極大値は、ビーム径Ｒとほぼ一致する。

したがって、図２の（ａ）に示した加工ヘッド１３における干渉領域Ｂの半径の極大値を基準とした場合、図２の（ｂ）に示した加工ヘッド１３における干渉領域Ｂの半径の極大値は、大きくなり、図２の（ｃ）に示した加工ヘッド１３における干渉領域Ｂの半径の極大値は、小さくなる。

また、第１の斜辺により斜め下方向に屈折された光と、第２の斜辺により斜め上方向に屈折された光とは、干渉領域Ｂにおいて互いに干渉し合う。干渉領域Ｂにおいては、第１の斜辺により斜め下方向に屈折された光と、第２の斜辺により斜め上方向に屈折された光とが干渉し合う結果、擬似的なベッセルビームが形成される。本実施形態において、特に断りなくベッセルビームと記載する場合、それは、擬似的なベッセルビームを意味する。

ベッセルビームのビーム形状は、光軸上に位置しビーム強度が最も高いセントラルローブと、セントラルローブの両側に対称な形状に形成される縞状のサイドローブとにより構成されている。

ベッセルビームは、ガウシアンビームと比較して、ビームのスポット径を抑制しつつ、長距離（干渉領域の長さに対応し、典型的には数ｍｍ）に亘ってビームを伝搬させることができる。しがたって、加工装置１が加工ヘッド１３を備えていることにより、加工装置１は、ベッセルビームを対象物Ｗに照射することができる。レーザ加工にベッセルビームを用いることによって、ガウシアンビームをレーザビームとして用いる場合と比較して、例えば、アスペクト比が高い細孔を対象物Ｗに対して形成することができる。

以上のように、加工ヘッド１３は、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように、距離Ｄ２を変化させることによって、干渉領域Ｂの半径の極大値の変化させることができる。また、アキシコンレンズ１３２に入射するガウシアンビームのパワーは、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように、距離Ｄ２を変化させた場合であっても一定である。したがって、アキシコンレンズ１３２から出射されたベッセルビームのエネルギー密度であって、所定の位置におけるエネルギー密度は、図２の（ａ）に示した場合のエネルギー密度を基準として、距離Ｄ２を大きくすることによって低くなり、距離Ｄ２を小さくすることによって高くなる。なお、所定の位置の一例としては、干渉領域Ｂの半径が極大値となる位置（すなわち干渉領域Ｂの中央）が挙げあれる。

以上のように、加工ヘッド１３は、対象物Ｗに照射するベッセルビームを形成するビームシェイパとして機能する。また、上記スライド部、レンズホルダ１３３ｂ及び調整ボルト１３４は、距離Ｄ２を変化させることによって、アキシコンレンズ１３２から出射するベッセルビームのエネルギー密度を調整する調整機構として機能する。

なお、本実施形態では、ガウシアンビームの出射点がデリバリファイバ１２の出射端であるものとして説明した。しかし、ガウシアンビームの出射点は、レーザダイオードの発光点であってもよい。このようなデリバリファイバ１２の出射端あるいはレーザダイオードの発光点からは、発散光であるガウシアンビームが出射される。したがって、本発明の一態様に係る加工ヘッド１３においては、図１に示したコリメートレンズ１３１を省略することもできる。すなわち、レンズホルダ１３３ｂ及び調整ボルト１３４は、デリバリファイバ１２の出射端からアキシコンレンズ１３２までの距離を変化させることによって、ビーム径Ｒを変更するように構成されていてもよい。

＜ガウシアンビームが収斂光の場合＞
図３の（ａ）において、距離Ｄ１は、デリバリファイバ１２から出射されたガウシアンビームがコリメートレンズ１３１を透過することにより収斂光になるように定められている。すなわち、距離Ｄ１は、コリメートレンズ１３１の焦点距離よりも長い。この点を除くと、図３の（ａ）に示した加工ヘッド１３は、図２の（ａ）に示した加工ヘッド１３と同様に構成されている。したがって、ここでは、図３の（ａ）に示した加工ヘッド１３において距離Ｄ２を変化させた場合に得られるエネルギー密度の変化についてのみ説明する。

上述したように、図３の（ａ）〜（ｃ）に示した加工ヘッド１３は、収斂光であるガウシアンビームがアキシコンレンズ１３２に入射するように構成されている。したがって、図３の（ａ）に示した距離Ｄ２を基準にした場合、距離Ｄ２を基準となる距離Ｄ２よりも大きくすることによってビーム径Ｒは小さくなり（図３の（ｂ）参照）、距離Ｄ２を基準となる距離Ｄ２よりも小さくすることによってビーム径Ｒは大きくなる（図３の（ｂ）参照）。

したがって、アキシコンレンズ１３２から出射されたベッセルビームのエネルギー密度であって、所定の位置におけるエネルギー密度は、図３の（ａ）に示した場合のエネルギー密度を基準として、距離Ｄ２を大きくすることによって高くなり、距離Ｄ２を小さくすることによって低くなる。なお、所定の位置の一例としては、干渉領域Ｂの半径が極大値となる位置（すなわち干渉領域Ｂの中央）が挙げあれる。

以上のように、図３に示した加工ヘッド１３は、対象物Ｗに照射されるベッセルビームを形成するビームシェイパとして機能する。特に、レンズホルダ１３３ｂ及び調整ボルト１３４は、距離Ｄ２を変化させることによって、アキシコンレンズ１３２から出射するベッセルビームのエネルギー密度を調整する調整機構として機能する。

〔参考例〕
本発明の参考例として、図１に示した加工ヘッド１３が備えているアキシコンレンズ１３２と同じアキシコンレンズの入射面に入射させるガウシアンビームのビーム径Ｒを、Ｒ＝２ｍｍ，４ｍｍ，６ｍｍとした各場合におけるビームプロファイルを図４に示す。本参考例において、上記ガウシアンビームのパワーは、Ｒ＝２ｍｍ，４ｍｍ，６ｍｍのいずれの場合においても同じである。また、本参考例において、上記ガウシアンビームは、平行光である。

図４によれば、ビーム径Ｒを小さくするほどビーム強度が高くなり、ビーム径Ｒを大きくするほどビーム強度が低くなることが分かった。すなわち、アキシコンレンズに入射させるガウシアンビームのビーム径Ｒを変化させることによって、アキシコンレンズから出射されるベッセルビームのエネルギー密度を変化させることができることが分かった。

この結果に鑑みれば、図１に示した加工ヘッド１３は、アキシコンレンズ１３２に入射するガウシアンビームのビーム径を変更することができるので、ベッセルビームのエネルギー密度を調整することができることが分かった。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 加工装置
１１ レーザ光源
１２ デリバリファイバ
１３ 加工ヘッド
１３０ 筐体
１３１ コリメートレンズ
１３２ アキシコンレンズ
１３３ａ レンズホルダ
１３３ｂ レンズホルダ（調整機構の一部）
１３４ 調整ボルト（調整機構の一部）
１３５ 保護ガラス
１３６ ガス供給孔
１４ カメラ
１５ 制御部
Ｗ 対象物（加工対象物）

Claims (11)

1. アキシコンレンズと、
   前記アキシコンレンズに入射するガウシアンビームのビーム径を変更することによって、前記アキシコンレンズから出射するベッセルビームのエネルギー密度を調整する調整機構と、を備えている、
   ことを特徴とするビームシェイパ。
2. 前記ガウシアンビームの出射点から出射されたガウシアンビームは、発散光であり、
   前記調整機構は、前記出射点から前記アキシコンレンズまでの距離を変化させることによって、前記ビーム径を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のビームシェイパ。
3. 前記出射点は、前記ガウシアンビームを出射する光ファイバの出射端である、
   ことを特徴とする請求項２に記載のビームシェイパ。
4. 前記ガウシアンビームの光路上に配置されたコリメートレンズを更に備えており、
   前記調整機構は、前記ガウシアンビームの出射点から前記コリメートレンズまでの距離を、前記アキシコンレンズに入射するガウシアンビームが発散光となる距離に保ったまま、前記コリメートレンズから前記アキシコンレンズまでの距離を変化させることによって、前記ビーム径を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のビームシェイパ。
5. 前記ガウシアンビームの光路上に配置されたコリメートレンズを更に備えており、
   前記調整機構は、前記ガウシアンビームの出射点から前記コリメートレンズまでの距離を、前記アキシコンレンズに入射するガウシアンビームが収斂光となる距離に保ったまま、前記コリメートレンズから前記アキシコンレンズまでの距離を変化させることによって、前記ビーム径を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のビームシェイパ。
6. 前記調整機構は、レンズホルダと、スライド部とを備え、
   前記レンズホルダは、前記コリメートレンズを保持し、
   前記スライド部は、前記レンズホルダをスライドさせることによって、前記コリメートレンズから前記アキシコンレンズまでの距離を変化させる、
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載のビームシェイパ。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のビームシェイパを備えた加工装置であって、前記ビームシェイパは、前記ベッセルビームを出射する、
   ことを特徴とする加工装置。
8. 加工対象物の表面のうち、少なくとも前記ベッセルビームが照射されている照射点近傍における光を検出する光検出器と、
   前記光検出器が検出した前記光に応じたフィードバック制御を前記調整機構に対して行う制御部と、を更に備えている、
   ことを特徴とする請求項７に記載の加工装置。
9. 前記光検出器は、前記照射点近傍を撮像するカメラであり、
   制御部は、前記カメラにより撮像された前記照射点近傍の画像に応じたフィードバック制御を前記調整機構に対して行う、
   ことを特徴とする請求項８に記載の加工装置。
10. アキシコンレンズに入射するガウシアンビームのビーム径を変更することによって、前記アキシコンレンズから出射するベッセルビームのエネルギー密度を調整する調整工程を含んでいる、
    ことを特徴とするビームシェイピング方法。
11. 前記調整工程は、前記ガウシアンビームの出射点から前記アキシコンレンズまでの距離を変化させることによって、前記ビーム径を変更する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のビームシェイピング方法。

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