(57)【要約】【課題】高い効率で高出力パルスレーザ光を得ることが可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置、並びにレーザ加工方法を提供する。【解決手段】第１のパルスシード光を放出可能な第１のシード光源と、前記第１のパルスシード光の波長とは異なる波長を有する第２のパルスシード光を放出可能な第２のシード光源と、励起光を放出可能な励起光源と、コアに添加された希土類元素が前記励起光を吸収し、前記第１のパルスシード光が増幅された第１の増幅光と前記第２のパルスシード光が増幅された第２の増幅光とを有する第１のレーザ光を放出可能とする光ファイバと、を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置、レーザ加工装置、並びにレーザ加工方法が提供される。【選択図】図１
2010080642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパルスシード光を放出可能な第１のシード光源と、
前記第１のパルスシード光の波長とは異なる波長を有する第２のパルスシード光を放出可能な第２のシード光源と、
励起光を放出可能な励起光源と、
コアに添加された希土類元素が前記励起光を吸収し、前記第１のパルスシード光が増幅された第１の増幅光と前記第２のパルスシード光が増幅された第２の増幅光とを有する第１のレーザ光を放出可能とする光ファイバと、
を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置。
【請求項２】
前記第１の増幅光と前記第２の増幅光とを分離可能な分配器と、
前記第１の増幅光を高調波に変換する第１の非線形結晶素子と、前記第２の増幅光を高調波に変換する第２の非線形結晶素子と、を有する波長変換部と、
をさらに備え、
前記第１の非線形結晶素子による第１の変換光と、前記第２の非線形結晶素子による第２の変換光と、を有する第２のレーザ光を放出可能とすることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ装置。
【請求項３】
前記第１のパルスシード光の前記波長と前記第２のパルスシード光の前記波長との差は、
前記第１のパルスシード光のスペクトル幅及び前記第２のパルスシード光のスペクトル幅のいずれよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
前記第１のパルスシード光の前記スペクトル幅及び前記第２のパルスシード光の前記スペクトル幅は、２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。
【請求項５】
前記第１及び第２のパルスシード光の入射タイミングをずらして前記光ファイバへ入射可能とするタイミング制御器をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置。  
【請求項６】
前記分配器は、前記タイミング制御器により制御可能な電気光学素子、前記タイミング制御器により制御可能な音響光学素子、及びダイクロイックミラー、よりなる群から選択されたいずれかを有することを特徴とする請求項５記載のファイバレーザ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置と、
前記第１または前記第２のレーザ光を整形しビームを形成する照射光学部と、
前記ビームにより加工される被加工体を載置可能なステージと、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１つに記載のファイバレーザ装置から放出された前記第１または前記第２のレーザ光を整形してビームを形成し、
前記ビームをスキャンしつつ被加工体に照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザ装置、レーザ加工装置、並びにレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置では、高出力のパルスレーザ光が要求される。このために、固体レーザまたは半導体レーザからのパルスシード光を、ファイバアンプにより増幅して高出力パルスレーザ光を得ることが多い。
【０００３】
ファイバアンプは、コアに添加された希土類元素に励起光が吸収され、誘導放出により利得を生じてパルスシード光を増幅できる。しかし、一般にファイバアンプは利得を生じる波長範囲が広いために、高い出力レベルまで励起され且つ蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すことが困難である。
【０００４】
増幅効率が良好な光増幅器に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、ツリウムとネオジウムとをコアに添加した光ファイバを利得媒体とし、ツリウムによる光増幅時に発生する波長０．８μｍ帯の自然放出光をネオジウムに吸収させ、波長１．４７μｍ帯の光の増幅を効率よく行う。
しかしながら、この技術開示例を用いてもレーザ加工装置に必要とされる出力を得るのに十分ではない。例えばパルスシード光の波長を非線形結晶を用いて波長変換したのちに、レーザ加工する必要がある場合など、非線形結晶の許容波長幅が狭いために変換効率が低下する問題などを生じる。
【特許文献１】特開２００２−２４６６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高い効率で高出力パルスレーザ光を取り出すことが可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置、並びにレーザ加工方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、第１のパルスシード光を放出可能な第１のシード光源と、前記第１のパルスシード光の波長とは異なる波長を有する第２のパルスシード光を放出可能な第２のシード光源と、励起光を放出可能な励起光源と、コアに添加された希土類元素が前記励起光を吸収し、前記第１のパルスシード光が増幅された第１の増幅光と前記第２のパルスシード光が増幅された第２の増幅光とを有する第１のレーザ光を放出可能とする光ファイバと、を備えたことを特徴とするファイバレーザ装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、上記のファイバレーザ装置と、前記第１のレーザ光を整形しビームを形成する照射光学部と、前記ビームにより加工される被加工体を載置可能なステージと、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置が提供される。
【０００８】
また、本発明のさらに他の一態様によれば、上記のファイバレーザ装置から放出された前記第１のレーザ光を整形してビームを形成し、前記ビームをスキャンしつつ被加工体に照射することを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
高い効率で高出力パルスレーザ光を取り出すことが可能なファイバレーザ装置、レーザ加工装置、並びにレーザ加工方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図である。すなわち、図１（ａ）は構成図、図１（ｂ）は光ファイバからのフリーランスペクトル、図１（ｃ）はパルスシード光のスペクトル、図１（ｄ）は増幅光のスペクトル、をそれぞれ表す。
【００１１】
シード光源１０は少なくとも２つの光源を有する。第１のシード光源１０ａからのパルスシード光Ｓ１と、第２のシード光源１０ｂからのパルスシード光Ｓ２と、が第１のコンバイナ１２により結合され、光ファイバ１８に入射可能となる。レーザ加工装置の場合、パルスシード光の波長には赤外光を用いることが多いが、特に１０００ｎｍ近傍が良く用いられる。また、シード光源１０を半導体レーザとすると、そのスペクトル幅（Δλ）は、通常１〜２ｎｍの範囲内とできる。なお、スペクトル幅Δλは、相対光強度がピーク値の２分の１となる波長幅で表すものとする。
【００１２】
第１のコンバイナ１２と、光ファイバ１８と、の間には第２のコンバイナ１４が配置される。第２のコンバイナ１４は、励起光源１６からの励起光Ｅを光ファイバ１８に入射するために設けられる。すなわち、パルスシード光Ｓ１、Ｓ２は第２のコンバイナ１４を通過して、光ファイバ１８の入力端１８ａから光ファイバ１８のコアに入射する。励起光Ｅは、第２のコンバイナ１４を介して光ファイバ１８の入力端１８ａからコア及びクラッドに入射できる。
【００１３】
また、励起光Ｅの波長は、例えば８００〜１１００ｎｍの範囲とする。励起光源１６を半導体レーザにより構成する場合、その出力をコンバイナ（図示せず）などを用いて合成すると高出力を得ることが容易となる。なお、●印はファイバ融着箇所を表す。
【００１４】
光ファイバ１８は、Ｙｂ（イッテルビウム）やＴｍ（ツリウム）などの希土類元素が添加されたコアを有しており、励起光Ｅの一部がコアを通過する間に希土類元素に吸収される。パルスシード光Ｓ１、Ｓ２は、励起された希土類元素からの誘導放出により生じる利得のために増幅されて、光ファイバ１８の出力端１８ｂより放出可能となる。
【００１５】
Ｙｂ添加石英ファイバからなる光ファイバ１８を用いてファイバアンプ１９を構成する場合、フリーランのスペクトルは、図１（ｂ）のように略１０４０ｎｍ及び略１０７５ｎｍ近傍にスペクトル極大値を有し、且つそのゲイン幅は、例えば数十ｎｍとなり、半導体レーザのスペクトル幅よりも少なくとも数倍広い。
【００１６】
図１（ｃ）のように、パルスシード光Ｓ１、Ｓ２の平均出力Ｐｓを２Ｗなどと低くすると、そのスペクトル幅が２ｎｍよりも狭く、例えば１．５ｎｍとできる。また、パルスシード光Ｓ１、Ｓ２の中心波長は、図１（ｂ）のゲイン幅の範囲内にあり、その中心波長の差は、それぞれのスペクトル幅のいずれよりも大きいものとする。
【００１７】
パルスシード光Ｓ１、Ｓ２の増幅光Ｇ１、Ｇ２の平均出力Ｐｇを、例えば１５Ｗとすると、そのスペクトル幅はいずれも略２ｎｍとなり、図１（ｄ）のようなスペクトルとなる。
【００１８】
第１の実施形態では、ゲイン幅が広いファイバアンプ１９において、パルスシード光を２つ以上用い且つそれぞれの中心波長の差をパルスシード光Ｓ１、Ｓ２のスペクトル幅のいずれよりも大きくすることにより、実効的にパルスシード光の波長幅を広げることができる。このために、光ファイバ１８の広いゲイン幅範囲に蓄積されたエネルギーを効率よく取り出すことが容易となる。
【００１９】
図２は、比較例にかかるファイバレーザ装置のスペクトルを説明する図である。すなわち、図２（ａ）はパルスシード光のスペクトル、図２（ｂ）は高励起状態の増幅光のスペクトル、を表す。
図２（ａ）のように、パルスシード光Ｓ１１は、例えばスペクトル幅が２ｎｍよりも狭いものとする。平均出力７０Ｗのような高励起とする場合、増幅光Ｇ１１はスペクトル幅が略５ｎｍと広がる。ファイバアンプはゲイン幅が広く、パルスシード光Ｓ１１の中心波長から離れた波長においてもゲインがある。このため、中心波長において増幅光を取り出すことが容易であるが、中心波長から離れた波長においては光ファイバに蓄積されたエネルギーを取り出すことが困難となる。
【００２０】
図３は、増幅光のスペクトル幅の励起レベル依存性を表すグラフ図である。すなわち、図３（ａ）はＰｓ＝２Ｗのパルスシード光、図３（ｂ）はＰｇ＝１５Ｗの増幅光、図３（ｃ）はＰｇ＝７０Ｗの増幅光、の相対光強度をそれぞれ表す。
パルスシード光Ｐｓは半導体レーザからの放出光とし、そのスペクトル幅Δλが、例えば１．５ｎｍとする。励起を高め増幅光の平均出力Ｐｇを、１５、７０Ｗと増大していくと、中心波長では平均出力Ｐｇが次第に飽和し且つゲインが低下していく。すなわち、励起を高めていくと中心波長では出力が飽和するので、１つのパルスシード光を用いて誘導放出により取り出せるエネルギーが限られ、効率が低下していく。また、中心波長から僅かに離れた近傍では利得が残っており、スペクトル幅Δλが、２ｎｍ（Ｐｇ＝１５Ｗ）、５ｎｍ（Ｐｇ＝７０Ｗ）と次第に広がる。
【００２１】
第１の実施形態では、パルスシード光Ｓ１、Ｓ２の増幅光Ｇ１、Ｇ２が飽和しないように、平均出力Ｐｇを１５Ｗなどに抑える。且つ、スペクトル幅以上離れた中心波長を有する少なくとも２つのパルスシード光Ｓ１、Ｓ２をファイバアンプ１９に入射し、それぞれの波長において増幅を行う。これら２つの増幅光Ｇ１、Ｇ２は出力飽和が抑制されゲインを高く保つことができるので、光ファイバ１８に蓄積されたエネルギーを高い効率で取り出すことができる。
【００２２】
また、このファイバレーザ装置５をレーザ加工装置の光源として用いる場合、増幅光Ｇ１、Ｇ２は被加工体に効率よく吸収される。なお、パルスシード光の数は２つに限定されず、第３のパルスシード光Ｓ３などを用いても良い。ファイバアンプ１９のゲイン幅内において、パルスシード光の数を増すと、被加工体に照射且つ吸収されるエネルギーを増すことができる。
【００２３】
図４は、第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図である。
本実施形態では、非線形結晶を用いて基本波の第２次高調波（波長は基本波の２分の１）、または第３次高調波（波長は基本波の３分の１）が生成可能である。また、本図のファイバレーザ装置５は、中心波長が異なる少なくとも２つの増幅光Ｇ１、Ｇ２を分離する分配器４０と、波長変換部５０と、タイミング制御器３０と、をさらに備えている。
【００２４】
波長変換部５０は、ＳＨＧ（Second  Harmonic  Generation:第２次高調波生成）素子及びＴＨＧ（Third  Harmonic  Generation：第３次高調波生成）素子などの非線形結晶素子５２、５４を有している。非線形結晶素子５２、５４の材料は、例えばＬＢＯ：ＬｉＢ３Ｏ５などとすることができる。パルスシード光Ｓ１、Ｓ２の波長を赤外光範囲とすると、波長変換光Ｈ１、Ｈ２の波長を紫外〜可視光の波長範囲とすることができる。
【００２５】
図５は、本実施形態における増幅光及び波長変換光のスペクトル幅を説明する図である。すなわち、図５（ａ）はパルスシード光のタイミング図、図５（ｂ）は増幅光のスペクトル、図５（ｃ）は波長変換光のスペクトル、である。
パルスシード光Ｓ１、Ｓ２は、タイミング制御器３０により交互に放出されており、そのスペクトル幅Δλは２ｎｍ以下とし、且つこれらの中心波長差をそれぞれのパルスシード光Ｓ１、Ｓ２のスペクトル幅のいずれよりも大きいものとする。
【００２６】
この場合、増幅光Ｇ１、Ｇ２の平均出力Ｐｇを略１５Ｗとすると、そのスペクトル幅Δλは図５（ｂ）のように２ｎｍよりも少し大きくなる。このために、増幅光Ｇ１とＧ２とを合わせた実効的なスペクトル幅Δλは５ｎｍよりも大きくなる。本実施形態では、２つの増幅光Ｇ１、Ｇ２の出力飽和を抑制できるので、それぞれの取り出し効率を高く保つことが容易である。
【００２７】
光ファイバ１８の出力端１８ｂからの出力を用いてレーザ加工を行う場合、これらの増幅光Ｇ１、Ｇ２を有するレーザ光ＧＴを用いてビームを形成し、被加工体に照射すればよい。
【００２８】
非線形結晶素子５２、５４の許容波長幅は、図５（ｃ）に表すように、例えば１ｎｍと狭い。このスペクトル幅Δλは増幅光のスペクトル幅よりも通常狭いので、増幅光Ｇ１を波長変換する非線形結晶素子５２と、増幅光Ｇ２を波長変換する非線形結晶素子５４と、は異なる光路に分離して配置することが好ましい。すなわち、タイミング制御器３０によりシード光源１０と同期したＥＯ素子４２を用いることにより、非線形結晶素子５２を含む光路、または非線形結晶素子５４を含む光路、のいずれかに切り替える。
【００２９】
図６は、波長変換光のスペクトルを表すグラフ図である。すなわち、図６（ａ）は基本波、図６（ｂ）は第２次高調波、図６（ｃ）は第３次高調波、の相対光強度をそれぞれ表す。
基本波のスペクトル幅Δλが略４ｎｍである場合、第２次高調波のスペクトル幅Δλは略１ｎｍ、第３次高調波のスペクトル幅Δλは略０．５ｎｍと狭くなる。波長変換の許容波長幅は非線形結晶の長さにより決まるが、通常はこのように狭くなる。このために、増幅光Ｇ１、Ｇ２のスペクトル幅が、例えば図３（ｃ）のように５ｎｍと広くなるように高励起しても、光ファイバに蓄積されたエネルギーを変換効率よく用いることが困難となる。
【００３０】
これに対して本実施形態では、発生タイミングが交互とされた増幅光Ｓ１、Ｓ２のスペクトル幅Δλが、非線形結晶素子５２の許容波長幅に近づくように狭くする。このようにすると、波長変換光Ｈ１、Ｈ２への変換効率を高めることが容易となる。また、少なくとも２つの増幅光Ｇ１、Ｇ２を用いるので、光ファイバ１８に蓄積されたエネルギーを効率よく取り出せる。このようにして、波長変換光Ｈ１、Ｈ２を有するレーザ光ＧＴを放出可能である。波長変換により生成された紫外〜可視光波長範囲のレーザ光を用いると、半導体層のレーザアニールや液晶表示装置の加工が容易となる。
【００３１】
図４では、ＥＯ（Electro-Optic:電気光学）素子４２と、タイミング制御器３０と、を同期させている。すなわち、ＥＯ素子４２を用い、偏光を９０度回転する場合と、回転しない場合と、の差により増幅光Ｇ１、Ｇ２をポラライザ４４により分離可能とする。２つ以上の増幅光の場合でも、ＥＯ素子４２に対してポラライザ４４を多段に直列配置することにより分離が可能となる。なお、ＥＯ素子４２の材料としては、ＫＨ２ＰＯ４、ＬｉＮｂＯ３などを用いることができる。
【００３２】
また、ＥＯ素子の代わりにＡＯ（Acousto-Optic:音響光学）素子を用いて、その屈折角を変化しても増幅光Ｇ１、Ｇ２の分離が可能である。ＡＯ素子は、ＬｉＴａＯ３、ＬＩＮｂＯ３、ＴｅＯ２、及びＣｄＳなどの材料からなり、高周波電圧により生じる超音波により屈折率を周期的に変化させ、偏光の方向を制御可能とする。
【００３３】
さらに、ゲイン幅が広いＴｍ添加光ファイバなどの場合、増幅光Ｇ１、Ｇ２の中心波長差を大きくすると、ダイクロイックミラーを用いて増幅光Ｇ１、Ｇ２の分離及び合成が可能となる。
【００３４】
非線形結晶素子５２、５４による波長変換光Ｈ１、Ｈ２の光軸を合わせてレーザ光ＧＴとする（合成）手段４５として、例えばポラライザ（ＥＯ素子の場合）、コンバイナ、ダイクロイックミラーなどを用いることができる。
【００３５】
図７は、本実施形態にかかるレーザ加工装置の構成図である。
また、図８は、レーザ加工方法を表すフロー図である。
レーザ加工装置は、図１または図４に表すようなファイバレーザ装置５、ビームＢＴを所望の形状に形成し且つビームスキャンを可能とする照射光学部６０、及び被加工体６４を載置可能なステージ６２を備えている。
【００３６】
中心波長がそれぞれのスペクトル幅以上に離れた２つのパルスシード光Ｓ１、Ｓ２をシード光源から発生させファイバアンプにより増幅する（Ｓ１０２）。
【００３７】
続いて、増幅光Ｇ１、Ｇ２の波長変換を行うか否かを決定し（Ｓ１０４）、ＹＥＳの場合、パルスシード光Ｓ１、Ｓ２を分配器で分離し（Ｓ１０６）、非線形結晶素子により波長変換を行う（Ｓ１０８）。ＮＯの場合、ビーム整形（Ｓ１１２）へ進む。
【００３８】
波長変換された波長変換光Ｈ１、Ｈ２は、再び光軸が合わされ（Ｓ１１０）、レーザ光ＧＴとなる。レーザ光ＧＴは、照射光学部６０により所望の形状を有するビームＢＴに整形される（Ｓ１１２）。ビームＢＴの形状は、例えばライン状またはスポット状などに形成可能である。ライン状のビームＢＴとする場合、その幅を数〜５０μｍ、ラインビーム長を５００ｎｍなどとすると、被加工体６４を高いスループットで処理可能となる。
【００３９】
ビームＢＴは、ステージ６２上に載置された被加工体６４にスキャンされつつ照射されレーザ加工が行われる（Ｓ１１４）。このようにして、半導体などのアニール、液晶装置の加工、ガラスの加工、などが可能となり、電子デバイスの製造工程の生産性を高めることが容易となる。
【００４０】
また、本実施形態にかかるレーザ加工装置は固体レーザ方式であり、ハロゲンガスなどを用いないでよく、装置のメンテナンスが容易である。また、エキシマレーザではパルス幅は略３０ｎｓ近傍であるが、本実施形態ではパルス幅を可変とでき、例えばより長くすることが容易となる。
【００４１】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかしながら、本発明は、これらの実施形態に限定されない。本発明を構成する光ファイバ、シード光源、分配器、波長変換部、照射光学部、励起光源、及びタイミング制御器の材質、形状、サイズ、配置、などに関して当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１の実施形態にかかるファイバレーザ装置を表す図
【図２】比較例にかかるファイバレーザ装置のスペクトルを説明する図
【図３】増幅光のスペクトル幅の励起レベル依存性を表すグラフ図
【図４】第２の実施形態にかかるファイバレーザ装置の構成図
【図５】増幅光及び波長変換光のスペクトル幅を説明する図
【図６】波長変換光のスペクトルを表すグラフ図
【図７】レーザ加工装置の構成図
【図８】レーザ加工方法を表すフロー図
【符号の説明】
【００４３】
５  ファイバレーザ装置、１０  シード光源、１６  励起光源、１８  光ファイバ、３０  タイミング制御器、４０  分配器、４２  ＥＯ素子、５０  波長変換部、５２、５４  非線形結晶素子、６０  照射光学部、６２  ステージ、６４  被加工体、Ｓ１、Ｓ２  パルスシード光、Ｇ１、Ｇ２  増幅光、Ｈ１、Ｈ２  波長変換光、ＧＴ  レーザ光、ＢＴ  ビーム、Ｅ  励起光
【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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【図８】
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