JPWO2012165163A1

JPWO2012165163A1 - レーザ装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JPWO2012165163A1
Application number: JP2013517957A
Authority: JP
Inventors: 靖臣金内; 角井　素貴; 素貴角井
Original assignee: Megaopto Co Ltd
Current assignee: Megaopto Co Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2015-02-23
Also published as: WO2012165163A1; EP2717393A4; US20120307849A1; EP2717393A1; US8995479B2

Abstract

本発明は、パルス光に含まれる裾部を除去するための構造を備えたレーザ装置及びそのレーザ装置を用いたレーザ加工方法に関する。レーザ装置１は、光強度が所定の値より低い裾部を有するパルス光を出力するＭＯＰＡファイバレーザ光源２と、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されたパルス光のうち裾部を除去する可飽和吸収体４と、を備える。

Description

本発明は、レーザ装置及びレーザ加工方法に関する。

パルス光を出力するレーザ装置が知られている。例えば、下記の特許文献１には、半導体レーザから出力されるパルス光を、該パルス光の波長帯域のうちパルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させ後に増幅することで、短パルス幅のパルス光を出力するパルス光源が記載されている。

特開２００９−１５２５６０号公報

発明者らは、上述の従来技術について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上記特許文献１に記載されたパルス光源から出力されるパルス光は、種光源のチャーピング成分の利用（複数の縦モードのチャーピング成分の混在）が原因で、パルス波形の前端及び後端それぞれに光強度が低い裾部を有している。このため、このパルス光源を用いて加工対象物を加工した場合、加工対象物の溶融等の悪影響の原因となることがあり、加工対象物を十分に加工することができない場合がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、パルス光に含まれる裾部の除去を可能にするための構造を備えたレーザ装置、及び、そのレーザ装置を用いたレーザ加工方法を提供することを目的としている。

本発明に係のレーザ装置は、第１の態様として、レーザ光源と、可飽和吸収体を備える。レーザ光源は、光強度が所定の値より低い裾部を有するパルス光を出力する。可飽和吸収体は、レーザ光源から出力されたパルス光を入力し、入力されたパルス光のうち裾部を除去し、裾部が除去されたパルス光を出力する。

また、上記第１の態様に適用可能な第２の態様として、所定の値は、パルス光の裾部の揺らぎ部分における最大光強度であってもよい。さらに、上記第１および第２の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第３の態様として、レーザ光源から出力されるパルス光は、連続する複数のパルス成分からなる。このとき、パルス光の裾部を規定する上記所定の値は、好適には、複数のパルス成分のうち隣接するパルス成分間の最小光強度に設定される。

上述の第１〜第３の少なくともいずれか、または、これら態様のうち２以上の組合せによれば、レーザ光源から出力されたパルス光を可飽和吸収体に入力することで、パルス光の裾部を除去することが可能になる。

なお、上記第１〜第３の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第４の態様として、可飽和吸収体は、入力されたパルス光の光軸に対して傾斜した状態で配置された可飽和吸収ミラーを含んでもよい。この可飽和吸収ミラーは、入力されたパルス光の光強度が所定の値より高いときに該パルス光を反射するのが好ましい。この場合、レーザ光源から出力されたパルス光の裾部を除去することができる。また、入力されたパルス光の光軸に対して可飽和吸収ミラーが傾斜した状態で配置されることにより、反射光がレーザ光源を破壊することを防止できる。

上記第１〜第３の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第５の態様として、可飽和吸収体は、カーボンナノチューブを含んでもよい。この場合も、レーザ光源から出力されたパルス光の裾部を除去することができる。

本発明に係るレーザ加工方法は、上述のような構造を備えたレーザ装置（上記第１〜第５の態様のいずれか、または、これら態様のうち２以上の組合せにより構成されたレーザ装置）を用いる。当該レーザ加工方法は、係るレーザ装置から出力されるパルス光を加工対象物に照射することで、加工対象物を加工する。当該レーザ加工方法によれば、裾部が除去されたパルス光が加工対象物に照射されるため、加工対象物の溶融を抑制することができ、加工対象物の除去加工が可能になる。

本発明によれば、パルス光に含まれる裾部の除去が可能になる。

は、本発明に係るレーザ装置の一実施形態の構成を概略的に示す図である。は、本実施形態に係るレーザ装置における可飽和吸収体の一例として、カーボンナノチューブの適用例を示す図である。は、本実施形態に係るレーザ装置のＭＯＰＡファイバレーザ光源の構成の一例を示す図である。は、本実施形態に係るレーザ装置のＭＯＰＡファイバレーザ光源から出力されるパルス光の波形の一例、および出力パルス光の裾部と揺らぎを説明するための図である。は、本実施形態に係るレーザ装置の可飽和吸収体から出力されるパルス光の波形の一例を示す図である。は、可飽和吸収ミラーの構成（ａ）およびは可飽和吸収ミラーを用いたレーザ装置の構成（ｂ）の一例を示す図である。は、可飽和吸収ミラーが適用されたレーザ装置の構成の他の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係るレーザ装置の一実施形態の構成を概略的に示す図である。図１に示されたように、レーザ装置１は、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）ファイバレーザ光源２と、デリバリ用光ファイバ３と、可飽和吸収体４とを備えている。このレーザ装置１は、レーザ加工に好適である波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。なお、デリバリ用光ファイバ３は、必ずしも必要ではなく、なくてもよい。また、可飽和吸収体４の出力側にデリバリ用光ファイバ３を設けてもよい。

また、図２は、図１の可飽和吸収体４の一例として、カーボンナノチューブ４ａの適用例を示す図である。図２において、デリバリ用光ファイバ３から出力されたパルス光Ｐ１は、所定の値より低い裾部を有するパルス光であり、このパルス光がカーボンナノチューブ４ａ内を通過することにより、裾部が除去されたパルス光Ｐ２が得られる。

ＭＯＰＡファイバレーザ光源２は、種光源から出力されるパルス光の波長帯域のうちパルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させた後、一部波長帯域が減衰されたパルス光を増幅することで、短パルス幅のパルス光を出力する。図３は、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２の構成の一例を示す図である。図３に示されたように、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２は、ＭＯＰＡ構造を有し、種光源１０、ＹｂＤＦ（Yb-Doped Fiber）２０、バンドパスフィルタ３０、ＹｂＤＦ４０およびＹｂＤＦ５０等を備えていている。

種光源１０は、直接変調され、パルス光を出力する半導体レーザを含む。この半導体レーザは、ハイパワー化の観点から、また、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）などの非線形効果を避ける観点から、ファブリーペロ型半導体レーザであるのが好適である。また、この半導体レーザは、増幅用光ファイバであるＹｂＤＦ２０，４０，５０が利得を有する波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。ＹｂＤＦ２０，４０，５０は、石英ガラスを主成分とする光ファイバのコアに活性物質としてＹｂ元素が添加された光増幅媒体である。ＹｂＤＦ２０，４０，５０は、励起光波長と被増幅光波長とが互いに近くパワー変換効率的の点で有利であり、また、波長１０６０ｎｍ付近において高い利得を有する点で有利である。これらＹｂＤＦ２０，４０，５０は、３段の光ファイバ増幅器を構成している。

第１段のＹｂＤＦ２０には、光カプラ２１を経由した励起光源２２からの励起光が順方向に供給される。加えて、ＹｂＤＦ２０には、光アイソレータ２３および光カプラ２１を経由した種光源１０からのパルス光が入力される。これにより、入力パルス光はＹｂＤＦ２０において増幅され、得られた増幅パルス光が光アイソレータ２４を介して出力される。

バンドパスフィルタ３０は、種光源１０から出力され、第１段のＹｂＤＦ２０により増幅されたパルス光を入力する。バンドパスフィルタ３０は、この入力パルス光の波長帯域のうちのパルス光のピーク波長より短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させ、該一部波長帯域が減衰させられたパルス光を出力する。なお、バンドパスフィルタに替えてハイパスフィルタまたはローパスフィルタが用いられてもよいが、ハイパスフィルタは種光源スペクトルの長波長側しか切り出すことができず、ローパスフィルタは種光源スペクトルの短波長側しか切り出すことができない。バンドパスフィルタは両者の機能を併せ持つので好適である。

第２段のＹｂＤＦ４０には、光カプラ４１を経由した励起光源４２からの励起光が順方向に供給される。加えて、ＹｂＤＦ４０には、光アイソレータ４３および光カプラ４１を経由したバンドパスフィルタ３０からのパルス光を入力する。これにより、入力パルス光はＹｂＤＦ４０において増幅され、得られた増幅パルス光が光アイソレータ４４を介して出力される。第３段のＹｂＤＦ５０には、コンバイナ５１を経由した励起光源５２〜５５それぞれからの励起光が順方向に供給される。加えて、ＹｂＤＦ５０には、第２段のＹｂＤＦ４０により増幅されたパルス光が入力される。この入力パルス光は、当該ＹｂＤＦ５０において更に増幅され、エンドキャップ６０を介して当該レーザ装置１の外部へ出力される。

より好適な構成例は以下のとおりである。第１段のＹｂＤＦ２０は、コア励起方式が採用され、励起波長９７５ｎｍでパワー２００ｍＷ一定の励起光が順方向に注入される。ＹｂＤＦ２０として、波長９７５ｎｍの非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍであるＹｂＤＦが長さ５ｍ使用される。ＹｂＤＦ２０のコア径は６μｍであり、ＮＡは０.１２程度である。第２段のＹｂＤＦ４０は、コア励起方式が採用され、励起波長９７５ｎｍでパワー２００ｍＷ一定の励起光が順方向に注入される。ＹｂＤＦ４０として、波長９７５ｎｍの非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍであるＹｂＤＦが長さ７ｍ使用される。ＹｂＤＦ４０のコア径は６μｍであり、ＮＡは０.１２程度である。第３段のＹｂＤＦ５０は、クラッド励起方式が採用され、励起波長９７５ｎｍでパワー２０Ｗ（５Ｗ級の励起ＬＤを４個）の励起光が順方向に注入される。ＹｂＤＦ５０として、コア部分の非飽和吸収係数が１２００ｄＢ／ｍであるＹｂＤＦが長さ５ｍ使用される。ＹｂＤＦ５０のコアは、直径が１０μｍであり、ＮＡが０.０６程度である。ＹｂＤＦ５０の内クラッドは、直径が１２５μｍであり、ＮＡが０.４６程度である。

図１に戻って、デリバリ用光ファイバ３は、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２のエンドキャップ６０と可飽和吸収体４との間に設けられ、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されたパルス光を可飽和吸収体４に伝搬する。このデリバリ用光ファイバ３は、必ずしも必要ではなく、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２のエンドキャップ６０に可飽和吸収体４が直接接続されてもよい。

可飽和吸収体４は、光強度が低い入力光に対して強い吸収体（伝送損失大）として機能し、光強度が高い入力光に対して弱い吸収体（伝送損失小）として機能する部材であって、例えばカーボンナノチューブを含む（図２参照）。換言すると、可飽和吸収体４は、光強度が高くなるに従い光の伝送損失が小さくなる特性を有する。この可飽和吸収体４は、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されたパルス光がデリバリ用光ファイバ３を介して入力され、該パルス光の波形を整形して外部へ出力する。可飽和吸収体４は、弱い吸収体としての伝送損失が入力されたパルス光の裾部の光強度以上であり、パルス幅の半値幅であるＦＷＨＭ（full width at half maximum）への影響が小さいのが好ましい。また、可飽和吸収体４は、入力されたパルス光の裾部を完全に除去可能であってもよいが、パルス光の出力の低下を考慮して、残留しても問題ない程度に裾部を除去できればよい。

図４（ａ）は、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されるパルス光の波形の一例を示す図であり、図４（ｂ）は、出力パルス光の裾部及び揺らぎを説明するための図である。図４（ａ）に示されたように、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されるパルス光は、パルス波形の前端及び後端それぞれに光強度が低い裾部を有している。このようなパルス波形を有するパルス光がデリバリ用光ファイバ３を介して可飽和吸収体４に入力される。なお、出力パルス光は、図４（ｂ）に示されたように、２回以上繰返し出力される複数のパルスからなる（図には、２つのパルスのみが開示されている）。そこで、本明細書では、これら複数のパルスのうち隣接するパルス間の裾部の所定強度（所定値）より低い領域をパルス光の裾部と規定する。裾部を規定する所定値は、例えば、パルス光のピーク強度の１／１０以下の所定の強度であってもよい。具体的に所定値がピーク強度の１／１０に設定された場合、図４（ｂ）においてＡ点及びＢ点で挟まれた部分が裾部である。また、裾部に存在する揺らぎ部分の最大強度を所定値としてもよい。揺らぎ部分は、パルスピーク後の裾部が一旦最低値となった後の有意な光強度の揺らぎを指す。具体的に揺らぎ部分は、図４（ｂ）においてＣ点及びＤ点を裾部の最低値とすると、その間に存在する。一例として、図４（ａ）に示されたパルス波形では、２．０ｎｓ付近が図４（ｂ）におけるＣ点に相当する。

図５は、可飽和吸収体４から出力されるパルス光の波形の一例を示す図である。図５に示されたように、可飽和吸収体４から出力されるパルス光は、可飽和吸収体４に入力されるパルス光からその裾部が除去された波形を有している。このように、可飽和吸収体４は、入力されたパルス光の裾部を除去する一方、該パルス光の裾部以外を透過するため、可飽和吸収体４から出力されるパルス光は裾部を有していない。

そして、本実施形態に係るレーザ加工方法には、上述のような構造を備えたレーザ装置１が用いられ、加工対象物に係るレーザ装置１から出力されたパルス光が照射されることにより、加工対象物が加工される。このとき、レーザ装置１から出力される個々のパルス成分は裾部を有しないように波形整形されて加工対象物に照射されることにより、加工対象物が除去加工される。

このように、レーザ装置１は、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２の出力側に可飽和吸収体４を備えることによって、パルス光の裾部の除去が可能になる。そして、このレーザ装置１から出力されるパルス光が加工対象物に照射される場合に、加工対象物の溶融等を抑制することができ、加工対象物を除去加工することが可能となる。その結果、加工対象物の加工品質を向上することができる。

なお、本発明に係るレーザ装置、及び、レーザ加工方法は上述の本実施形態には限定されない。例えば、レーザ装置１のレーザ光源はＭＯＰＡ型である必要はなく、パルス光を出力するレーザ光源であればよい。

上記実施形態では、デリバリ用光ファイバ３は、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２と可飽和吸収体４との間に設けられているが、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２のエンドキャップ６０に可飽和吸収体４が設けられ、可飽和吸収体４の出力端にデリバリ用光ファイバ３が設けられてもよい。

また、可飽和吸収体４として可飽和吸収ミラーが適用されてもよい。図６（ａ）は、可飽和吸収ミラーの構成を概略的に示す図である。図６（ａ）に示されたように、可飽和吸収ミラー６は、光強度が所定の値より高い入力光を反射する部材であって、反射鏡６ｂと、可飽和吸収体６ｃとを備えている。可飽和吸収ミラー６は、例えば、ＧａＡｓ基板６ａの主面に反射鏡６ｂが設けられ、反射鏡６ｂの反射面に可飽和吸収体６ｃが設けられて構成されている。この反射鏡６ｂは、例えばＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とが交互に配置されたＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラッグ反射鏡である。また、可飽和吸収体６ｃは、上述の可飽和吸収体４と同様の特性を有し、例えば量子井戸構造のＩｎＧａＡｓ層により構成されている。この可飽和吸収ミラー６に入力されたパルス光の光強度が所定の値より高い場合、当該パルス光は可飽和吸収体６ｃにて吸収されずに透過する。そして、可飽和吸収体６ｃを透過したパルス光は、反射鏡６ｂにより反射され、可飽和吸収体６ｃを透過した後に可飽和吸収体６ｃの主面である反射面６ｄから出力される。

図６（ｂ）は、可飽和吸収ミラーを用いたレーザ装置の構成の一例を示す図である。図６（ｂ）に示されたように、レーザ装置１Ａは、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２と、第１ミラーＭ１と、第２ミラーＭ２とを備えている。第１ミラーＭ１は、上述の可飽和吸収ミラー６であって、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されるパルス光の光軸に対して例えば４５°傾斜した状態で配置されている。第２ミラーＭ２は、第１ミラーＭ１によって反射された反射光の光軸に対して例えば４５°傾斜した状態で配置されている。

このように構成されたレーザ装置１Ａでは、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されたパルス光は、まず第１ミラーＭ１に到達する。そして、第１ミラーＭ１に到達したパルス光は、第１ミラーＭ１において裾部が除去されて、入射方向に直交する方向に反射される。次に、第１ミラーＭ１において反射されたパルス光は、第２ミラーＭ２に到達し、入射方向に直交する方向に反射される。これにより、レーザ装置１Ａは、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されるパルス光の光軸に対して略平行にパルス光を出力する。

このように、可飽和吸収ミラー６は、入力されるパルス光の光軸に対して傾斜した状態で配置される。この場合、可飽和吸収ミラー６によって反射されたパルス光によるＭＯＰＡファイバレーザ光源２の破壊が防止され得る。なお、可飽和吸収体６ｃは、カーボンナノチューブを用いて構成されてもよい。また、第２ミラーＭ２は必ずしも必要ではなく、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されるパルス光の光軸に対して平行にパルス光を出力する必要がなければ不要である。さらに、第１ミラーＭ１に代えて第２ミラーＭ２が可飽和吸収ミラー６であってもよい。

図７は、可飽和吸収ミラーを用いたレーザ装置の構成の他の一例を示す図である。図７に示されたように、レーザ装置１Ｂは、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２と、第１可飽和吸収ミラーＳＡＭ１と、第２可飽和吸収ミラーＳＡＭ２と、第１光サーキュレータ１１と、第２光サーキュレータ１２とを備えている。レーザ装置１Ｂにおいて、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されるパルス光は、主パルス部と第１裾部と第２裾部とを有する。この第１裾部は、平均光強度が第１の値以下で第２の値（＜第１の値）より大きい部分であり、第２裾部は、平均光強度が第２の値以下の部分である。また、第１可飽和吸収ミラーＳＡＭ１は、第１裾部を低減可能であるが除去可能でなく、第２裾部を除去可能である。

ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されたパルス光は、第１光サーキュレータ１１の第１ポートＰ１１に入力され、第２ポートＰ１２から出力される。第１光サーキュレータ１１の第２ポートＰ１２から出力されたパルス光は、第１可飽和吸収ミラーＳＡＭ１に到達し、第１可飽和吸収ミラーＳＡＭ１において第１裾部が低減され、かつ第２裾部が除去された後に、反射される。第１可飽和吸収ミラーＳＡＭ１において反射されたパルス光は、第１光サーキュレータ１１の第２ポートＰ１２に入力され、第３ポートＰ１３から出力される。

そして、第１光サーキュレータ１１の第３ポートＰ１３から出力されたパルス光は、第２光サーキュレータ１２の第１ポートＰ２１に入力され、第２ポートＰ２２から出力される。第２光サーキュレータ１２の第２ポートＰ２２から出力されたパルス光は、第２可飽和吸収ミラーＳＡＭ２に到達し、第２可飽和吸収ミラーＳＡＭ２において第１裾部が更に低減された後に、反射される。第２可飽和吸収ミラーＳＡＭ２において反射されたパルス光は、第２光サーキュレータ１２の第２ポートＰ２２に入力され、第３ポートＰ２３から出力される。

レーザ装置１Ｂでは、第１可飽和吸収ミラーＳＡＭ１により、パルス光の第２裾部は除去され、第１裾部は低減される。そして、第２可飽和吸収ミラーＳＡＭ２により、パルス光の第１裾部は更に低減される。このように、レーザ装置１Ｂは、可飽和吸収ミラーの２段構成が採用されることにより、ＭＯＰＡファイバレーザ光源２から出力されたパルス光における裾部を更に低減することができる。さらに、光サーキュレータ及び可飽和吸収ミラーの組は多段接続されてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ…レーザ装置、２…ＭＯＰＡファイバレーザ光源、３…デリバリ用光ファイバ、４…可飽和吸収体、４ａ…カーボンナノチューブ、６…可飽和吸収ミラー。

Claims

光強度が所定の値より低い裾部を有するパルス光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力される前記パルス光のうち前記所定の値よりも低い裾部を除去する可飽和吸収体と、
を備えるレーザ装置。
前記所定の値は、前記パルス光の裾部の揺らぎ部分における最大光強度であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
前記レーザ光源から出力されるパルス光は、連続する複数のパルス成分からなり、
前記所定の値は、前記複数のパルス成分のうち隣接するパルス成分間の最小光強度に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
前記可飽和吸収体は、入力された前記パルス光の光軸に対して傾斜した状態で配置された可飽和吸収ミラーを含み、前記可飽和吸収ミラーは、入力された前記パルス光の光強度が前記所定の値より高いときに前記パルス光を反射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記可飽和吸収体は、カーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置から出力されるパルス光を加工対象物に照射することにより、前記加工対象物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。