(57)【要約】【課題】パルス波形を高速にサンプリングすることなく、パルス波形のばらつきを低減させることが可能なパルスレーザ発振器を提供する。【解決手段】チェンバ内に、二酸化炭素及びヘリウムを含むレーザガスが充填されている。一対の放電電極が相互に間隔を隔てて配置され、チェンバ内に放電を発生させる。レーザ出力が３７０Ｗ以上であるという第１条件、出力されるレーザパルス波形の各々の面積に対するレーザパルス波形のテール部以外の部分の面積の割合が９０％以上であるという第２条件、及び複数のレーザパルスのパルスエネルギの平均値に対する標準偏差の割合が３％以下であるという第３条件を満たすように、レーザガスの圧力、レーザガス中のヘリウムガスの濃度、及び一対の放電電極の間隔が設定されている。【選択図】図１
2020191360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に間隔を隔てて配置され、二酸化炭素及びヘリウムを含むレーザガスが充填されたチェンバ内に放電を発生させる一対の放電電極を備えたパルスレーザ発振器であって、
レーザ出力が３７０Ｗ以上であるという第１条件、出力されるレーザパルス波形の各々の面積に対するレーザパルス波形のテール部以外の部分の面積の割合が９０％以上であるという第２条件、及び複数のレーザパルスのパルスエネルギの平均値に対する標準偏差の割合が３％以下であるという第３条件を満たすように、前記レーザガスの圧力、前記レーザガス中のヘリウムガスの濃度、及び前記一対の放電電極の間隔が設定されているパルスレーザ発振器。
【請求項２】
前記レーザガスの圧力をｘ［ｔｏｒｒ］と表記し、前記レーザガス中のヘリウムガスの体積濃度をｙ［％］と表記したとき、前記レーザガスの圧力ｘ及びヘリウムガスの体積濃度ｙは、
０．０４２ｘ＋５８．６≦ｙ≦０．１３２ｘ＋２８．６
を満たす請求項１に記載のパルスレーザ発振器。
【請求項３】
前記レーザパルス波形の前記テール部は、前記一対の放電電極に供給する電力を停止させた時刻からの経過時間が、前記レーザパルス波形の立ち上がり時刻から前記一対の放電電極に供給する電力を停止させた時刻までの経過時間に等しくなる時刻以降の部分である請求項１または２に記載のパルスレーザ発振器。
【請求項４】
相互に間隔を隔てて配置され一対の放電電極を含むパルスレーザ発振器のチェンバ内に、二酸化炭素及びヘリウムを含むレーザガスを充填し、
前記一対の放電電極に電圧を印加して前記一対の放電電極の間に放電を生じさせることにより、パルスレーザビームを出力させるパルスレーザ出力方法であって、
前記チェンバ内に充填された前記レーザガスの圧力、前記レーザガス中のヘリウムガスの濃度、及び前記一対の放電電極の間隔を、レーザ出力が３７０Ｗ以上であるという第１条件、出力されるレーザパルス波形の各々の面積に対するレーザパルス波形のテール部以外の部分の面積の割合が９０％以上であるという第２条件、及び複数のレーザパルスのパルスエネルギの平均値に対する標準偏差の割合が３％以下であるという第３条件を満たすように設定するパルスレーザ出力方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザ発振器及びパルスレーザ出力方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガス（ＣＯ２）レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームで穴明け加工を行う場合、穴形状等の加工品質のばらつきを低減させるために、１パルス当たりのエネルギ（以下、パルスエネルギという。）のばらつきを低くすることが望まれる。また、炭酸ガスレーザ発振器から出力されるレーザパルス波形は、一般的に、放電電力の供給を停止した時刻から低下し始め、その後時間の経過とともに緩やかに低下するテール部を持つ。
【０００３】
下記の特許文献１に、パルスエネルギのばらつきを低減させるレーザ発振方法が開示されている。特許文献１に開示された方法では、１回のパルス励起中に、レーザ発振器から出力されたレーザ光のエネルギ値を複数回測定し、測定結果に応じて励起時間を制御する。これにより、パルスエネルギを安定化させることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９９７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されたレーザ発振方法では、１つのレーザパルスの出力中にパルス波形を時間積分する必要がある。このために、パルス波形を高速でサンプリングし、サンプリング結果をほぼリアルタイムに積算する回路を設けなければならない。また、パルス波形の積分値の精度を高めるために、レーザパルスを検知するための光センサのグランドレベルの変動を校正する必要もある。このように、特許文献１に開示されたレーザ発振方法では、パルスエネルギのばらつきを低減させるために複雑な制御回路が必要になる。
【０００６】
本発明の目的は、パルス波形を高速にサンプリングすることなく、パルス波形のばらつきを低減させることが可能なパルスレーザ発振器及びパルスレーザ出力方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
相互に間隔を隔てて配置され、二酸化炭素及びヘリウムを含むレーザガスが充填されたチェンバ内に放電を発生させる一対の放電電極を備えたパルスレーザ発振器であって、
レーザ出力が３７０Ｗ以上であるという第１条件、出力されるレーザパルス波形の各々の面積に対するレーザパルス波形のテール部以外の部分の面積の割合が９０％以上であるという第２条件、及び複数のレーザパルスのパルスエネルギの平均値に対する標準偏差の割合が３％以下であるという第３条件を満たすように、前記レーザガスの圧力、前記レーザガス中のヘリウムガスの濃度、及び前記一対の放電電極の間隔が設定されているパルスレーザ発振器が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、
相互に間隔を隔てて配置され一対の放電電極を含むパルスレーザ発振器のチェンバ内に、二酸化炭素及びヘリウムを含むレーザガスを充填し、
前記一対の放電電極に電圧を印加して前記一対の放電電極の間に放電を生じさせることにより、パルスレーザビームを出力させるパルスレーザ出力方法であって、
前記チェンバ内に充填された前記レーザガスの圧力、前記レーザガス中のヘリウムガスの濃度、及び前記一対の放電電極の間隔を、レーザ出力が３７０Ｗ以上であるという第１条件、出力されるレーザパルス波形の各々の面積に対するレーザパルス波形のテール部以外の部分の面積の割合が９０％以上であるという第２条件、及び複数のレーザパルスのパルスエネルギの平均値に対する標準偏差の割合が３％以下であるという第３条件を満たすように設定するパルスレーザ出力方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
一対の放電電極の間隔をある値に設定して炭酸ガスレーザを動作させると、パルスエネルギのばらつきの度合いや、レーザパルス波形の面積に対するテール部以外の部分の面積の割合が、レーザガスの圧力及びヘリウムガスの濃度に依存することがわかった。上記第１条件、第２条件、及び第３条件を満たすように、レーザガスの圧力、レーザガス中のヘリウムガスの濃度、及び一対の放電電極の間隔を設定することにより、高品質のレーザ加工を行うとともに、レーザエネルギの利用効率を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例によるパルスレーザ装置の光軸を含む鉛直断面図である。
【図２】図２は、実施例によるパルスレーザ発振器の光軸（ｚ軸）に垂直な断面図である。
【図３】図３は、実施例によるパルスレーザ発振器のドライバに入力される発振指令信号と、パルスレーザ発振器から出力されるレーザパルス波形とを示すグラフである。
【図４】図４Ａは、レーザガスの圧力を一定にし、バッファガスとしてのヘリウムガスの濃度を変化させたときのパルスエネルギのばらつきの度合いを測定した結果を示すグラフであり、図４Ｂは、ヘリウムガスの濃度を一定にし、レーザガスの圧力を変化させたときのレーザパルスの主部ＬＰｍ（図３）の面積比の測定結果を示すグラフである。
【図５】図５は、レーザガスの圧力とヘリウムガスの濃度との好ましい範囲を示すグラフである。
【図６】図６は、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下であるという条件（第３条件）、及びレーザパルスの主部の面積比が９０％以上であるという条件（第２条件）を満たす範囲を決定する手順を示すフローチャートである。
【図７】図７は、上記実施例によるパルスレーザ発振器を組み込んだ穴明け加工装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜図６を参照して、実施例によるパルスレーザ発振器について説明する。
図１は、実施例によるパルスレーザ発振器の光軸を含む鉛直断面図である。光共振器の光軸方向をｚ軸方向とし、鉛直上方をｘ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。実施例によるパルスレーザ発振器は炭酸ガスレーザ発振器である。
【００１２】
チェンバ１０にレーザガスが収容されている。レーザガスには、例えば、二酸化炭素、窒素が含まれ、さらにバッファガスとしてヘリウムが含まれる。グロー放電によって生じた高速の電子が窒素分子を励起させる。励起された窒素分子が二酸化炭素分子に衝突して二酸化炭素分子を励起させる。このとき、窒素分子のエネルギ準位は低下する。励起された二酸化炭素分子のエネルギ分布が反転分布になると、光共振器内で誘導放出が生じレーザ光が出力される。ヘリウムガスは、レーザガスの温度上昇を抑制すると共に、レーザ発振に関係しない下位レベルの二酸化炭素分子を基底状態に戻す作用をする。
【００１３】
チェンバ１０の内部空間が、相対的に上側に位置する光学室１１と、相対的に下側に位置するブロワ室１２とに区分されている。光学室１１とブロワ室１２とは、上下仕切板１３で仕切られている。なお、上下仕切板１３には、レーザガスを光学室１１とブロワ室１２との間で流通させる開口が設けられている。ブロワ室１２の側壁から光学室１１の底板１４がｚ軸方向の両側に張り出しており、光学室１１のｚ軸方向の長さが、ブロワ室１２のｚ軸方向の長さより長くなっている。チェンバ１０は、光学室１１の底板１４においてチェンバ支持部材１６により光学ベースに支持される。
【００１４】
光学室１１内に、ｚ軸方向に長い一対の放電電極２１が配置されている。一対の放電電極２１は、それぞれ放電電極支持部材２２、２３を介して底板１４に支持されている。一対の放電電極２１は、ｘ軸方向に間隔を隔てて配置されており、両者の間に放電領域２４が画定される。放電電極２１は放電領域２４に放電を生じさせることにより、レーザガスを励起させる。後に図２を参照して説明するように、放電領域２４を図１の紙面に垂直な方向にレーザガスが流れる。
【００１５】
光学室１１内に配置された共通支持部材２６に光共振器２５が支持されている。光共振器２５は、例えば一対のミラー２５Ｍで構成されている。光共振器２５の光軸が放電領域２４内を通過しており、光共振器２５はレーザ光を閉じ込める。一方のミラー２５Ｍが全反射鏡であり、他方のミラー２５Ｍが部分反射鏡である。共通支持部材２６は、光共振器支持部材２７を介して底板１４に支持されている。光共振器２５の光軸を部分反射鏡であるミラー２５Ｍ（図１において左側のミラー）側に延伸させた延長線と光学室１１の壁面との交差箇所に、レーザビームを透過させる光透過窓２８が取り付けられている。光共振器２５内で励振されたレーザビームが光透過窓２８を透過して外部に放射される。
【００１６】
ブロワ室１２にブロワ５０が配置されている。ブロワ５０は、光学室１１とブロワ室１２との間でレーザガスを循環させる。
【００１７】
光学室１１の壁面に、チェンバ１０内にレーザガスを導入するための導入ポート３１が設けられている。導入ポート３１は、導入バルブ３２を介してレーザガス供給源３３に接続されている。導入バルブ３２を開くと、導入ポート３１からチェンバ１０内にレーザガスが導入される。レーザガス供給源３３は、レーザガスに含まれる複数のガス、例えば二酸化炭素、窒素、ヘリウムを所定の混合比で混合したガスが充填されたガスボンベ、及びいずれか１つのガス、例えばヘリウムガスが充填されたガスボンベ等を含む。各ガスボンベからチェンバ１０内に導入するガスの分圧比を調整することにより、チェンバ１０内のレーザガスの混合比を調整することができる。
【００１８】
ブロワ室１２の壁面に、チェンバ１０内からレーザガスを排気するための排気ポート３５が設けられている。排気ポート３５は、排気バルブ３６を介して真空ポンプ３７に接続されている。排気バルブ３６を開き、真空ポンプ３７を動作させると、チェンバ１０内が真空排気される。
【００１９】
図２は、本実施例によるパルスレーザ発振器の光軸（ｚ軸）に垂直な断面図である。チェンバ１０の内部空間が上下仕切板１３により、上方の光学室１１と下方のブロワ室１２とに区分されている。光学室１１内に、一対の放電電極２１、光共振器２５を支持する共通支持部材２６が配置されている。放電電極２１の間に放電領域２４が画定される。放電領域２４と重なる位置に光共振器２５のミラー２５Ｍ（図１）が配置されている。
【００２０】
光学室１１内に仕切り板１５が配置されている。仕切り板１５は、上下仕切板１３に設けられた開口１３Ａから放電領域２４までの第１ガス流路５１、放電領域２４から上下仕切板１３に設けられた他の開口１３Ｂまでの第２ガス流路５２を画定する。レーザガスは、放電領域２４を、光軸に対して直交する方向（ｙ軸方向）に流れる。放電方向（ｘ軸方向）は、レーザガスが流れる方向（ｙ軸方向）、及び光軸方向（ｚ軸方向）の両方に対して直交する。ブロワ室１２、第１ガス流路５１、放電領域２４、及び第２ガス流路５２によって、レーザガスが循環する循環路が構成される。ブロワ５０は、この循環路をレーザガスが循環するように、レーザガスの流れを発生させる。
【００２１】
ブロワ室１２内の循環路に、熱交換器５６が収容されている。放電領域２４で加熱されたレーザガスが、熱交換器５６を通過することによって冷却され、冷却されたレーザガスが放電領域２４に再供給される。
【００２２】
光学室１１の壁面に導入ポート３１が設けられており、ブロワ室１２の壁面に排気ポート３５が設けられている。
【００２３】
図３は、実施例によるパルスレーザ発振器のドライバに入力される発振指令信号と、パルスレーザ発振器から出力されるレーザパルス波形とを示すグラフである。レーザパルス波形の縦軸は光強度（パワー）を表す。時刻ｔ０において発振指令信号が立ち上がると、ドライバは放電電極２１（図１、図２）への電力の供給を開始する。発振指令信号の立ち上がりが、レーザ発振の開始の指令に対応する。放電電極２１への電力の供給が開始されてから一定の遅延時間が経過した時刻ｔ１においてレーザパルスが立ち上がる。
【００２４】
レーザパルスの立ち上がり直後に鋭いピークが現れる。鋭いピークが現れた後、レーザパルスの光強度が徐々に増加する。時刻ｔ２においてレーザ発振指令信号が立ち下がると、ドライバは放電電極２１への電力の供給を停止する。レーザ発振指令信号の立ち下がりが、レーザ発振の停止の指令に対応する。これにより、レーザパルスの光強度が低下し始める。経過時間に対する光強度の傾きは時間の経過とともに緩やかになる。レーザ発振の停止指令時刻ｔ２を起点として、レーザパルスの立ち上がり時刻ｔ１からレーザ発振の停止指令時刻ｔ２までの経過時間ｔ２−ｔ１と等しい時間が経過した時刻ｔ３以降のレーザパルスの部分をテール部ＬＰｔということとする。レーザパルスのうちテール部ＬＰｔ以外の部分を主部ＬＰｍということとする。
【００２５】
プリント基板への穴明け等のレーザ加工を行う場合には、光強度の低いテール部ＬＰｔは加工にほとんど寄与しない。すなわち、テール部ＬＰｔの面積に相当するエネルギはほとんど加工に寄与しない。１つのレーザパルスが持つエネルギのうちテール部ＬＰｔのエネルギの割合が大きくなるとエネルギの利用効率が低下してしまう。エネルギの利用効率低下を抑制するために、レーザパルス波形全体の面積に対する主部ＬＰｍの面積の割合（以下、主部の面積比という。）をできるだけ大きくすることが好ましい。
【００２６】
また、加工品質のばらつきを小さくするために、複数のレーザパルスのパルスエネルギのばらつきを小さくすることが好ましい。
【００２７】
従来、パルスエネルギのばらつきやレーザパルスの主部の面積比が、レーザガスの圧力やバッファガスの濃度に依存するとは認識されていなかった。本願の発明者らは、レーザガスの圧力やバッファガスの濃度が、パルスエネルギのばらつきやレーザパルスの主部の面積比に影響を及ぼすことを新たに見出した。次に、レーザガスの圧力やバッファガスの濃度と、パルスエネルギのばらつきやレーザパルスの主部の面積比との関係について説明する。
【００２８】
図４Ａは、レーザガスの圧力を一定にし、バッファガスとしてのヘリウムガスの濃度を変化させたときのパルスエネルギのばらつきの度合いを測定した結果を示すグラフである。横軸はレーザガス中のヘリウムガスの濃度を単位「体積％」で表し、縦軸はパルスエネルギのばらつきの度合いを単位「％」で表す。ここで、複数のレーザパルスのパルスエネルギの平均値をＰＥｍと表記し、パルスエネルギの標準偏差をσＰＥと表記したとき、パルスエネルギのばらつきの度合いをσＰＥ／ＰＥｍと定義した。レーザガスの圧力は２６０ｔｏｒｒ（３４．７ｋＰａ）とした。放電電極２１の間隔は１２ｍｍとした。出力するパルスレーザのパルスの繰り返し周波数は５．５ｋＨｚとした。また、パルスエネルギのばらつきの度合いは、１０００個のレーザパルスについて計算した。
【００２９】
ヘリウムガスの濃度が高くなるに従って、パルスエネルギのばらつきの度合いが低下していることがわかる。十分な加工品質を確保するために、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下であるという条件（第３条件）を満たすことが好ましい。図４Ａに示した例では、ヘリウムガスの濃度を７０体積％以上にすることにより、この条件を満たすことができる。
【００３０】
図４Ａは、レーザガスの圧力を２６０ｔｏｒｒにして評価実験を行った結果を示しているが、レーザガスの圧力を変えて同様の評価実験を行ったところ、レーザガスの圧力が異なると、パルスエネルギのばらつきの度合いを３％以下にするためのヘリウムガスの濃度の下限値も変化することがわかった。レーザガスの圧力を変えた複数の条件下で評価実験を行うことにより、レーザガスの圧力ごとに、パルスエネルギのばらつきの度合いを３％以下にするためのヘリウムガスの濃度の下限値を求めることができる。
【００３１】
図４Ｂは、ヘリウムガスの濃度を一定にし、レーザガスの圧力を変化させたときのレーザパルスの主部の面積比の測定結果を示すグラフである。横軸はレーザガスの圧力を単位「ｔｏｒｒ」で表し、縦軸はレーザパルスの主部の面積比を単位「％」で表す。ヘリウムガスの濃度は７６．３体積％とした。放電電極２１の間隔、及びパルスの繰り返し周波数は、図４Ａに結果を示した評価実験の場合と同一である。
【００３２】
レーザガスの圧力が高くなるに従ってレーザパルスの主部の面積比が大きくなっていることがわかる。エネルギの利用効率を十分高くするために、レーザパルスの主部の面積比を９０％以上にすることが好ましい。図４Ｂに示した例では、レーザガスの圧力を３６０ｔｏｒｒ（４８．０ｋＰａ）以上にすることにより、この条件を満たすことができる。
【００３３】
ヘリウムガスの濃度を変えて同様の評価実験を行ったところ、レーザパルスの主部の面積比を９０％以上にするためのレーザガスの圧力の下限値は、ヘリウムガスの濃度に依存することがわかった。ヘリウムガスの濃度を変えた複数の条件下で評価実験を行うことにより、ヘリウムガスの濃度ごとに、レーザパルスの主部の面積比を９０％以上にするためのレーザガスの圧力の下限値を求めることができる。
【００３４】
図５は、レーザガスの圧力とヘリウムガスの濃度との好ましい範囲を示すグラフである。横軸はレーザガスの圧力を表し、縦軸はヘリウムガスの濃度を表す。図５において、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になる範囲に左下がりのハッチングを付し、レーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる範囲に右下がりのハッチングを付している。
【００３５】
パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になる範囲のヘリウムガスの濃度の下限値Ｌに相当する境界はほぼ直線になる。ヘリウムガスの濃度を一定にした条件下で、レーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる範囲のレーザガスの圧力の下限値は、言い換えると、レーザガスの圧力を一定にした条件下で、レーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる範囲のヘリウムガスの濃度の上限値Ｕである。この上限値Ｕに相当する境界もほぼ直線になる。下限値Ｌ及び上限値Ｕは、共に右上がりの直線であり、上限値Ｕに相当する直線の傾きが下限値Ｌに相当する直線の傾きより大きい。両者が交差する位置よりもレーザガスの圧力が高い領域内に、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になり、かつレーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる条件を満たす範囲が存在する。なお、レーザガスは、安定したレーザ発振に必要な量の二酸化炭素及び窒素を含有する必要があるため、バッファガスとしてのヘリウムガスの濃度は９５体積％以下にすることが好ましい。
【００３６】
レーザガスの圧力をｘ［ｔｏｒｒ］、ヘリウムガスの濃度をｙ［％］と表したとき、放電電極２１の間隔が１２ｍｍ、パルスの繰り返し周波数が３ｋＨｚの条件下で、下限値Ｌに対応する直線は、
ｙ＝０．０４２ｘ＋５８．６
と近似され、上限値Ｕに対応する直線は、
ｙ＝０．１３２ｘ＋２８．６
と近似される。このとき、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になり、かつレーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる条件を満たす範囲は、
０．０４２ｘ＋５８．６≦ｙ≦０．１３２ｘ＋２８．６
と表すことができる。
【００３７】
次に、放電電極２１（図１、図２）の間隔と、下限値Ｌ及び上限値Ｕとの関係について説明する。放電電極２１の間隔とレーザガスの圧力との積を、安定した放電が生じるか否かのパラメータとして採用することができる。例えば、放電電極２１の間隔を狭くすると、レーザガスの圧力を高くすることにより、好ましい放電条件を維持することができる。放電電極２１の間隔を狭くすると、下限値Ｌ及び上限値Ｕに対応する直線が、レーザガスの圧力が低下する方向に移動する。逆に、放電電極２１の間隔を広くすると、下限値Ｌ及び上限値Ｕに対応する直線が、レーザガスの圧力が高くなる方向に移動する。
【００３８】
次に、パルスレーザ発振器の出力と下限値Ｌとの関係について説明する。放電電極２１に供給する電力及びレーザパルスのパルス幅を一定に保った条件下で、パルスレーザ発振器のレーザ出力（平均出力）はパルスの繰り返し周波数に比例する。パルスの繰り返し周波数を高くすると、すなわちパルスレーザ発振器の出力を高くすると、パルスエネルギのばらつきの度合いが大きくなる傾向を示す。このため、パルスレーザ発振器の出力（パルスレーザのパワー）を高くすると、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になる範囲の下限値Ｌが、ヘリウムガスの濃度が高くなる方向に移動する。
【００３９】
次に図６を参照して、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になり、かつレーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる条件を満たす範囲を決定する方法について説明する。
【００４０】
図６は、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になり、かつレーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる条件を満たす範囲を決定する手順を示すフローチャートである。まず、放電電極２１の間隔を決定する（ステップＳ１）。パルスレーザ発振器の放電電極２１の間隔を、ステップＳ１で決定された間隔に設定し、レーザガスの圧力及びヘリウムガスの濃度が異なる複数の条件でパルスレーザ発振器を動作させる。パルスの繰り返し周波数は、パルスレーザ発振器を用いたレーザ加工等を行うときの周波数と同一とする。このとき、レーザパルス波形を検出すると共に、各レーザパルスのパルスエネルギを計算する。
【００４１】
レーザパルス波形の検出結果に基づいて、レーザパルスの主部の面積比を求める（ステップＳ２）。例えば、複数のレーザパルスの主部の面積比の平均値を求め、この平均値を、レーザパルスの主部の面積比として採用する。さらに、複数のレーザパルスのパルスエネルギのばらつきの度合いを求める（ステップＳ２）。
【００４２】
ステップＳ２で求められた結果に基づいて、レーザガスの圧力条件ごとに、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になるヘリウムガスの濃度の下限値を算出する（ステップＳ３）。例えば、レーザガスの圧力条件ごとに図４Ａに示したグラフを作成し、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になる条件を満たすヘリウムガスの濃度の下限値を求める。レーザガスの圧力条件ごとに求められたヘリウムガスの濃度の下限値に基づいて、図５に示した下限値Ｌに対応する直線を求める。
【００４３】
次に、ステップＳ２で求められた結果に基づいて、レーザガスの圧力条件ごとに、レーザパルスの主部の面積比が９０％以上になるヘリウムガスの濃度の上限値を算出する（ステップＳ４）。例えば、ヘリウムガスの濃度条件ごとに図４Ｂに示したグラフを作成し、レーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる条件を満たすレーザガスの圧力の下限値を求める。レーザガスの圧力の下限値と、その時のヘリウムガスの濃度との組み合わせは、言い換えると、レーザガスの圧力条件と、その時のヘリウムガスの濃度の上限値の組み合わせと等価である。レーザガスの圧力条件ごとに求められたヘリウムガスの濃度の上限値に基づいて、図５に示した上限値Ｕに対応する直線を求める。
【００４４】
ステップＳ３及びステップＳ４によって算出された結果から、図５に示したグラフを作成する。このグラフから、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下であり、かつレーザパルスの主部の面積比が９０％以上である条件を満たすレーザガスの圧力とヘリウムガスの濃度との範囲を決定する（ステップＳ５）。
【００４５】
次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、放電電極２１の間隔に応じて、レーザガスの圧力及びヘリウムガスの濃度の好適な範囲を容易に決定することができる。この好適な範囲でパルスレーザ発振器を動作させることにより、レーザパルスの各々の光強度を高速にサンプリングすることなく、パルスエネルギのばらつきの度合いを低減させることができる。さらに、レーザパルスの主部の面積比が高く維持されることによって、レーザパルスのエネルギの利用効率を高めることができる。
【００４６】
パルスの繰り返し周波数を上昇させることによってパルスレーザビームのパワーを増大させると、図５に示したパルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になる範囲のヘリウムガスの濃度の下限値Ｌが上昇する傾向を示す。また、パルスレーザビームのパワーを増大させると、レーザパルスの主部の面積比が９０％以上になる範囲のヘリウムガスの濃度の上限値Ｕも上昇する傾向を示すが、上限値Ｕの上昇幅は、下限値Ｌの上昇幅に比べて小さい。その結果、パルスレーザビームのパワーを増大させると、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下であり、かつレーザパルスの主部の面積比が９０％以上である条件を満たす範囲が狭くなる。
【００４７】
このため、パルスレーザビームのパワーを増大させると、レーザガスの圧力とヘリウムガスの濃度とが、好適な範囲から外れやすくなる。パルスレーザビームのパワーが大きい条件でパルスレーザ発振器を動作させる場合に、図６に示した手順でレーザガスの圧力とヘリウムガスの濃度との好ましい範囲を決定することにより、レーザガスの圧力とヘリウムガスの濃度との好適な範囲が狭くなった場合でも、好ましいレーザガスの圧力とヘリウムガスの濃度との組み合わせを容易に見つけ出すことができる。特に、パルスレーザ発振器の出力が３７０Ｗ以上であるという条件（第１条件）を満たす場合に、上記実施例を適用することによる特に顕著な効果が得られる。この第１条件を満たす場合に、さらに、上述のようにレーザパルスの主部の面積比が９０％以上であるという条件（第２条件）、及びパルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下であるという条件（第３条件）を満たすように、レーザガスの圧力、レーザガス中のヘリウムガスの濃度、及び一対の放電電極２１の間隔を設定することが好ましい。第１条件、第２条件、及び第３条件が満たされることにより、高品質のレーザ加工を行うとともに、エネルギの利用効率の低下を抑制することが可能になる。
【００４８】
上記実施例では、レーザガスとして、二酸化炭素、窒素、及びヘリウムの混合ガスを用いたが、追加的に一酸化炭素、水素等を混合してもよい。
【００４９】
上記実施例では、図３のｔ１−ｔ２＝ｔ３−ｔ２を満たす時刻ｔ３以降の範囲をテール部ＬＰｔと定義している。その他に、レーザ加工にほとんど寄与しない光強度よりも低い光強度の部分をテール部と定義してもよい。例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間のレーザパルスの光強度の平均値、時刻ｔ２における光強度等を基準として、光強度が基準の光強度の１０％まで低下した時刻以降の部分をテール部と定義してもよい。
【００５０】
次に図７を参照して、実施例によるレーザ穴明け装置について説明する。
【００５１】
図７は、実施例による穴明け加工装置の概略図である。穴明け加工装置は、パルスレーザ発振器６０、ビーム整形走査光学系６１、ＸＹステージ６２、部分反射鏡６３、光センサ６４、及び制御装置６５を含む。ＸＹステージ６２に穴明け加工を行う加工対象物７０、例えばガラスエポキシ基板の両面に銅箔を貼り付けた銅張積層板が保持される。
【００５２】
パルスレーザ発振器６０には、上記実施例によるパルスレーザ発振器が用いられ、放電電極２１（図１）の間隔、レーザガスの圧力、ヘリウムガスの濃度が、図５に示した好ましい範囲に調整されている。
【００５３】
パルスレーザ発振器６０が制御装置６５から発信指令信号（図３）を受けてパルスレーザビームを出力する。パルスレーザ発振器６０から出力されたパルスレーザビームの一部は、部分反射鏡６３を透過し、ビーム整形走査光学系６１を経由して、ＸＹステージ６２に保持されている加工対象物７０に入射する。ビーム整形走査光学系６１は、パルスレーザビームのビーム断面を加工に好ましい形状に整形すると共に、制御装置６５からの指令により、加工対象物７０の表面においてパルスレーザビームの入射位置を移動させる。
【００５４】
部分反射鏡６３で反射されたパルスレーザビームが光センサ６４に入射する。光センサ６４は、光強度（パワー）の時間変化を高速で検知する。光センサ６４による検知結果が制御装置６５に入力される。制御装置６５は、検知されたレーザパルス波形からパルスエネルギを算出し、そのばらつきの度合いを求める。さらに、レーザパルスの主部ＬＰｍ（図３）の面積比を算出する。
【００５５】
パルスレーザ発振器６０から出力されるパルスレーザビームを用いて、銅張積層板の表側の銅箔と樹脂基板とを貫通し、裏側の銅箔に達する穴を形成することができる。一般的には、パルスレーザビームの１ショットで、裏側の銅箔まで達する穴が形成される。その後、穴の形状を整えるために、パルスエネルギを低くして他のレーザパルスを入射させてもよい。
【００５６】
パルスレーザ発振器６０として上記実施例によるパルスレーザ発振器を用いると、パルスエネルギのばらつきの度合いが３％以下になるため、加工された複数の穴の加工品質のばらつきを抑制することができる。レーザパルスのテール部ＬＰｔ（図３）のエネルギの割合が高いと、レーザパルスの主部ＬＰｍによって形成された穴の樹脂基板の部分の形状が、テール部ＬＰｔの入射によって崩れてしまう場合がある。パルスレーザ発振器６０に上記実施例によるパルスレーザ発振器を用いると、テール部ＬＰｔのエネルギの割合が低くなるため、テール部ＬＰｔによる加工品質の低下を抑制することができる。
【００５７】
銅張積層板の穴明け加工に用いるパルスレーザビームのパワーは、銅箔及び樹脂基板の厚さに基づいて調整することが好ましい。銅箔及び樹脂基板が厚い銅張積層板を加工する場合には、パルスレーザビームのパワーを高くすればよい。一般的な銅張積層板のうち比較的厚いものを加工する場合には、パルスレーザビームのパワーを４００Ｗ以上にすることが好ましい。パルスレーザ発振器の出力を高めると、パルスエネルギのばらつきの度合いが大きくなる傾向を示すが、上記実施例によるパルスレーザ発振器を用いることにより、特に出力が４００Ｗ以上の高出力の場合でも、パルスエネルギのばらつきの増大を抑制することができる。このように、上記実施例によるパルスレーザ発振器は、出力を４００Ｗ以上にして銅張積層板の穴明け加工を行う際に、特に優れた効果が得られる。
【００５８】
上記実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００５９】
１０  チェンバ
１１  光学室
１２  ブロワ室
１３  上下仕切板
１３Ａ、１３Ｂ  開口
１４  光学室の底板
１５  光学室内の仕切板
１６  チェンバ支持部材
２１  放電電極
２２、２３  放電電極支持部材
２４  放電空間
２５  光共振器
２５Ｍ  ミラー
２６  共通支持部材
２７  光共振器支持部材
２８  光透過窓
３１  導入ポート
３２  導入バルブ
３３  レーザガス供給源
３５  排気ポート
３６  排気バルブ
３７  真空ポンプ
５０  ブロワ
５１  第１ガス流路
５２  第２ガス流路
５６  熱交換器
６０  パルスレーザ発振器
６１  ビーム整形走査光学系
６２  ＸＹステージ
６３  部分反射鏡
６４  光センサ
６５  制御装置
７０  加工対象物
ＬＰｍ  レーザパルスの主部
ＬＰｔ  レーザパルスのテール部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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