(57)【要約】【課題】被加工物の移動ステージが重厚長大化することを防止し、軽量小型化した高精度レーザ加工装置を提供すること。【解決手段】レーザ発生器１から発生されたレーザを被加工物３の所定の部位に照射し、該照射部位を移動させて該被加工物を加工するレーザ加工装置において、該レーザ発生器１の一部あるいは全部を該被加工物３に対して移動できる移動部材４０、５０、６０に設置したことを特徴とするレーザ加工装置。  レーザ発生器の一部あるいは全部を該被加工物に対して移動できる移動部材に設置したので、移動部材のストロークが被加工物の大きさをカバーすればよく、移動部材の重厚長大化を防止することができ、移動位置決め精度を上げることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発生器から発生されたレーザを被加工物の所定の部位に照射し、該照射部位を移動させて該被加工物を加工するレーザ加工装置において、
該レーザ発生器の一部あるいは全部を該被加工物に対して移動できる移動部材に設置したことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ発生器は、パルス幅が１０fs〜２０ps、繰り返し周波数が１００kHz〜１０MHz、のパルスレーザを発生することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記レーザ発生器は、ファイバレーザ発振器を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記レーザ発生器は、さらに前記ファイバレーザ発振器から出力されるレーザを増幅するファイバ増幅器を有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記ファイバレーザ発振器は、少なくともエルビウム又はイットリビウムがドープされているファイバをレーザ媒質として有することを特徴とする請求項３或いは４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記ファイバ増幅器は、少なくともエルビウム又はイットリビウムがドープされているファイバをレーザ媒質として有することを特徴とする請求項４或いは５に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記移動部材は、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の内少なくとも２軸方向に移動する移動ステージであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記レーザ発生器は、前記ファイバレーザ発振器を含む発振モジュールと前記ファイバ増幅器を含む増幅モジュールとがファイバで連結されており、前記増幅モジュールが前記移動部材に設置されていることを特徴とする請求項３ないし７のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記ファイバは、フォトニッククリスタルファイバであることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
レーザ発生器から発生されたレーザを被加工物の所定の部位に照射し、該照射部位を移動させて該被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでのレーザ加工装置は、レーザ発生器を除震台に固定し非加工物を移動してレーザ照射部位を移動させるものであった（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、上記従来のレーザ加工装置では、被加工物の移動ステージが重厚長大化し、レーザ加工装置全体が重厚長大化するという問題を有していた。すなわち、被加工物を移動ステージに載置して被加工物の全面積を走査するためには、長大なストロークを持たせた超精密なX軸、Y軸ステージを正確に組み合わせた移動ステージが必要であった。超精密なX軸、Y軸ステージを組み合わせてもストロークが大きくステージが重いため高精度な移動位置決めができず加工精度を上げることが難しかった。また、これまでのレーザ加工装置に使用されるレーザ発生器は、外形寸法及び重量が大きく除震台上に固定載置されるため、レーザ加工装置全体の重厚長大化が益々問題であった。さらに、これまでのレーザ加工装置に使用されるレーザ発生器は、光学部品の冷却を必要とし、冷却による振動で加工精度が低下するという問題もあった。
【特許文献１】特開２００３−３４０５８８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、従来のレーザ加工装置では、被加工物の移動ステージが重厚長大化し、レーザ加工装置全体が重厚長大化するという問題を有していた。また、重厚長大化故に高精度で高速な位置決めができなかった。さらに、レーザ発生器の外形寸法及び重量が大きく、レーザ加工装置全体の重厚長大化が益々問題であった。
【０００５】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、被加工物の移動ステージが重厚長大化することを防止し、軽量小型化した高精度レーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のレーザ加工装置は、レーザ発生器から発生されたレーザを被加工物の所定の部位に照射し、該照射部位を移動させて該被加工物を加工するレーザ加工装置において、該レーザ発生器の一部あるいは全部を該被加工物に対して移動できる移動部材に設置したことを特徴とする。
【０００７】
レーザ発生器の一部あるいは全部を被加工物に対して移動できる移動部材に設置したので、移動部材のストロークが被加工物の大きさをカバーすればよく、移動部材の重厚長大化を防止することができ、移動位置決め精度を上げることができる。
【０００８】
前記レーザ発生器は、パルス幅が１０fs〜２０ps、繰り返し周波数が１００kHz〜１０MHz、のパルスレーザを発生するようにするとよい。
【０００９】
パルス幅が２０ps以下の短光パルスであるので被加工物を断熱加工して、超微細加工することができる。
【００１０】
前記レーザ発生器は、ファイバレーザ発振器を有するようにするとよい。
【００１１】
ファイバをループ状にすることで発振器を小さくすることができ、レーザ発生器を軽量小型化できる。レーザ発生器が軽量小型化できると、それだけ移動ステージの剛性を低くでき、レーザ加工装置全体の重厚長大化を防止することができる。また、発振器から出力されるレーザを空中伝搬させることなくファイバ中を伝搬させて、被加工物に安定してレーザを照射することができる。さらに、移動ステージが軽量のレーザ発生器を移動することで移動速度及び移動精度を上げることができる。
【００１２】
前記レーザ発生器は、さらに前記ファイバレーザ発振器から出力されるレーザを増幅するファイバ増幅器を有するようにするとよい。
【００１３】
レーザ発生器の軽量小型化を図りながらパルスエネルギを増大化させることができる。また、ファイバレーザ発振器との接続性に優れ、発振器から出力されるレーザを空中伝搬させることなくファイバ中を伝搬させて、被加工物に安定してレーザを照射することができる。さらに、レーザ発生器を強制冷却する必要がなくなり、その分軽量小型化ができ、且つ移動ステージに設置しても振動がなく、超精密加工ができる。
【００１４】
前記ファイバレーザ発振器は、少なくともエルビウム又はイットリビウムがドープされているファイバをレーザ媒質として有するようにするとよい。
【００１５】
発振波長がエルビウムドープの場合１．５μｍ、イットリビウムドープの場合１．０μｍであり、被加工物が例えばガラスのような透明な材料の場合、集光照射点のみを加工することができる。
【００１６】
前記ファイバ増幅器は、少なくともエルビウム又はイットリビウムがドープされているファイバをレーザ媒質として有するようにするとよい。
【００１７】
エルビウム又はイットリビウムがドープされているファイバをレーザ媒質として有するファイバレーザ発振器からのパルスエネルギを増大させることができる。
【００１８】
前記移動部材は、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の内少なくとも２軸方向に移動する移動ステージであるようにするとよい。
【００１９】
移動ステージのX軸方向及び或いはY軸方向のストロークが被加工物の大きさをカバーすればよく、移動ステージの重厚長大化を防止して大きな被加工物を加工することができる。
【００２０】
前記レーザ発生器は、前記ファイバレーザ発振器を含む発振モジュールと前記ファイバ増幅器を含む増幅モジュールとがファイバで連結されており、前記増幅モジュールが前記移動ステージに設置されているようにするとよい。
【００２１】
増幅モジュールのみを移動ステージに設置することで、移動ステージの剛性をより一層低くでき、レーザ加工装置をより一層小型軽量化することができる。また、移動ステージが軽量の増幅モジュールを移動することで移動速度及び移動精度を上げることができる。さらに、発振モジュールからのレーザを増幅モジュールで増幅して被加工物に照射するので、前記ファイバは増幅前のレーザを伝搬できれば良く、光損傷の問題がなくコア径の小さなファイバ或いはシングルモードファイバを使用することができる。コア径の小さいファイバは曲げ半径が小さくても伝搬損失が少なく、且つ柔軟性に富むため増幅モジュールを細かく複雑に移動させることができる。
【００２２】
前記ファイバは、フォトニッククリスタルファイバであることが好ましい。
【００２３】
曲げ半径が小さくても中を伝搬するレーザパルスの波形が崩れないので、増幅モジュールのみを移動ステージに設置して移動させても、増幅モジュールからパルス幅が１０fs〜２０ps、繰り返し周波数が１００kHz〜１０MHz、のパルスレーザを出射することができる。
【発明の効果】
【００２４】
レーザ発生器の一部あるいは全部を該被加工物に対して移動できる移動ステージに設置したので、移動ステージのストロークが被加工物の大きさをカバーすればよく、移動ステージの重厚長大化を防止することができる。
【００２５】
レーザ発生器をファイバレーザ発振器を含む発振モジュールとファイバ増幅器を含む増幅モジュールとがファイバで連結されているようにすることで、増幅モジュールのみを移動ステージに設置して移動ステージの剛性をより一層低くでき、レーザ加工装置をより一層小型軽量化することができる。
【００２６】
移動ステージのストロークを短くして軽量化すると共に移動ステージに設置されるレーザ発生器或いはその一部を軽量化することで移動速度及び移動精度を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明のレーザ加工装置の概略構成図であり、図２は図１の矢視図である。図３は、レーザ発生器１の概略構成図である。
【００２８】
レーザ加工装置は大きくレーザ発生器１と加工台２とを備えており、レーザ発生器１は、後で詳述するように、ファイバレーザ発振器１１を含む発振モジュール１０とファイバ増幅器２１を含む増幅モジュール２０がファイバ３０で連結されている。
【００２９】
加工台２の下部は、４個の脚部９０の上に例えば御影石製の定盤７０が例えば空気バネ８０を介して載置された構造である。脚部９０と定盤７０の間に空気バネ８０が介在されているので、床からの振動が定盤８０に伝わらず精密な加工ができる。定盤７０は、左右が一段高くなったＸ軸（図１の紙面と直交する）方向に延びる台座７１を有しており、該台座７１の上には門型のＸ軸方向移動ステージ５０が前記台座７１に固定された側面ガイド７２の摺動面と前記台座７１の摺動面及びエアスライダ５３を介して滑動可能に取り付けられている。滑動はコイル５４と永久磁石５５とからなるリニアモータで行われる。Ｘ軸方向移動ステージ５０の上にはＹ軸方向移動ステージ４０がＸ軸方向移動ステージ５０に固定された固定ガイド４３と移動ガイド４１を介して滑動可能に取り付けられている。滑動はコイル４４と永久磁石４５とからなるリニアモータで行われる。Ｙ軸方向移動ステージ４０の側面（図２参照）には、Ｚ軸方向移動ステージ６０の固定ガイド６１の上端が取り付けられ、固定ガイド６１の上には移動ガイド６２が滑動可能に取り付けられている。
【００３０】
加工台２の定盤７０には被加工物固定台７３を介して被加工物３が載置されている。
【００３１】
レーザ発生器１の発振モジュール１０は例えば加工台２の横の床に載置され、増幅モジュール２０が加工台２のＺ軸方向移動ステージ６０に、レーザが下向き（−Ｚ方向）に出射するように取り付けられている。したがって、増幅モジュール２０から下向き出射されるレーザは、被加工物３の上をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に走査される。しかも、その走査は特にＸ軸方向とＹ軸方向において、Ｘ軸方向移動ステージ５０とＹ軸方向移動ステージ４０の移動がリニアガイド及び或いはエアスライダを介してリニアモータで行われるので移動ストロークがメータオーダになっても移動が高速且つ高精度に行われる。さらに、被加工物３が固定されているので、Ｘ軸方向移動ステージ５０とＹ軸方向移動ステージ４０の移動ストロークが被加工物３の大きさ程度でよく、また、取り付けられるのが小型軽量な増幅モジュール２０であるので、移動を高速且つ高精度に行うことができると共に、Ｘ軸方向移動ステージ５０とＹ軸方向移動ステージ４０を含めた加工台２の重厚長大化を防止することができる。
【００３２】
レーザ発生器１は、図３に示すように発振モジュール１０とファイバ３０と増幅モジュール２０を有している。発振モジュール１０は、ファイバレーザ発振器１１と、ファイバレーザ発振器１１から発生された短光パルスを受光して伸張された短光パルスを出力するファイバー伸張器１２と、伸張された短光パルスを受光してパルスを間引くパルス間引き器１３と、伸張されて間引かれた短光パルスを受光して増幅された短光パルスを出力するファイバー前置増幅器１４と、が発振モジュール筐体１５に収納されてなる。増幅モジュール２０は、前置増幅器１４で増幅された短光パルスを受光してさらに増幅するファイバ主増幅器２１と、ファイバ主増幅器２１で増幅された短光パルスをコリメートするレンズ２２と、偏光を制御する１／４波長板２３と、アイソレータ２４と、増幅された短光パルスを受光して圧縮された短光パルスを出力する圧縮器２５と、シャッタ２６と、被加工物３にレーザを集光照射する集光レンズ２７と、が増幅モジュール筐体２８に収納されてなる。ファイバレーザ発振器１１、ファイバー伸張器１２、ファイバー前置増幅器１４、及びファイバ主増幅器２１に用いられるファイバとファイバ３０はシングルモードファイバが好ましい。増幅モジュールからビーム品質の良いシングルモードのレーザを出射し、微細加工をすることができる。さらに、ファイバレーザ発振器１１、ファイバー伸張器１２、ファイバー前置増幅器１４、及びファイバ主増幅器２１に用いられるファイバとファイバ３０は偏光保持ファイバが好ましい。ファイバレーザ発振器１１、ファイバー伸張器１２、ファイバー前置増幅器１４、ファイバ主増幅器２１及びファイバ３０を固定したり、ループ形状に保持してレーザの安定化を図る必要がなくなる。
【００３３】
ファイバレーザ発振器１１としては、例えば、Erドープファイバを利得媒質とするパルス幅が１〜５０ｐｓで、平均出力パワーが０．１〜５０ｍＷ、発振波長が１．５５μｍ、繰り返し周波数が１〜１００ＭＨｚの短光パルスを発生する受動型モードロックファイバーレーザを用いることができる。ファイバレーザ発振器１１は、短光パルスを出力するファイバーピッグテールを有することが望ましい。発生する短光パルスを空中伝搬させることなく、ファイバー伸張器１２に入射させることができる。
【００３４】
ファイバー伸張器１２としては、分散補償ファイバーやチャープファイバーブラッググレーティングを用いることができる。分散補償ファイバーは波長分散によりパルス幅を伸張するものである。波長分散は材料分散に導波路分散を加えたもので、材料とカットオフ波長及びコアとクラッドの比屈折率差を適当に選ぶことで容易に制御できる。パルス伸張率は、波長分散と長さ（光路長）で決まり、長さ１００ｍの分散補償ファイバーで１００〜１０００倍に伸張することは容易である。チャープファイバーブラッググレーティングは、たとえば、Ge添加ファイバーに長さ１０ｃｍのチャープ位相マスクを使ってフォトリソ技術で形成することができる。長さ１０ｃｍのチャープファイバーブラッググレーティングで１０、０００倍に伸張することができる。
【００３５】
パルス間引き器１３としては、光強度変調器を用いることができる。光強度変調器には電気光学光変調器、音響光学光変調器、磁気光学光変調器、応力光学光変調器等があるが、特に限定されない。パルス間引き器１３でファイバレーザ発振器１１からの繰り返し周波数１〜１００ＭＨｚの短光パルスが間引かれて、５〜５００ＫＨｚの繰り返し周波数に変換される。パルスが間引かれると当然間引かれた分平均パワーが低下する。たとえば、平均パワー１ｍＷ、繰り返し周波数１ＭＨｚの短光パルスが繰り返し周波数５ＫＨｚに間引かれると、平均パワーは５μＷに低下する。なお、パルス間引き器１３を用いるのは、ファイバ増幅器１４、２１がパルス間隔のあいた短光パルスを受光して増幅するので、１パルス当たりの増幅率が上がり、高ピークパワーの短光パルスを出力することができるからである。
【００３６】
前置増幅器１４は、たとえば、前記５μＷに低下した平均パワーを１ｍＷレベルまで増幅するためのもので、シングルモードファイバーのコアにErをドープしたもので達成できる。ポンピングは、たとえば、波長分割多重ファイバカップラー１４３を介してレーザダイオード１４２からの波長１．４８μｍのレーザ光をコアに導波させることで行われる。
【００３７】
主増幅器２１としては、コア径が１０〜５０μｍのマルチモード二重クラッドファイバ２１１が好ましい。増幅器の後段での１パルス当たりのピークパワーが１ｋＷ以上になっても非線形現象が起きないようにすることができる。コアにはErまたは、ErとYb共ドープされている。ポンピングはクラッドにＶ溝を形成し、そこから行う所謂サイドポンピングか、あるいはスターカップラーを用いて行うクラッドポンピングが好ましい。ポンピングパワーを沢山投入することができる。ポンプ光源２１２としては、発振波長が９１５ｎｍ、９４５ｎｍ、または９７５ｎｍ帯のマルチモードレーザダイオードを用いることができる。なお、２１１をマルチモード二重クラッドファイバに代えてシングルモード二重クラッドファイバにすれば、非線形現象のため増幅率を高くできないが、ビーム品質の良いシングルモードレーザを発生することができる。
【００３８】
圧縮器２５は、ファイバー増幅器２１で増幅されたピークパワーの高い短光パルスでも非線形現象が発現しないバルク回折素子２５１、２５２で構成される。バルク回折素子としては、回折格子、プリズム、あるいはホログラフィックグレーティングなどを用いることができる。
【実施例１】
【００３９】
本実施例では、図３のファイバレーザ発振器１１にErドープファイバを利得媒質とする、パルス幅が１００〜１０００ｆｓで、平均出力パワーが１０ｍＷ、発振波長が１．５６μｍ、繰り返し周波数が４０〜５０ＭＨｚの繰り返し短光パルスを発生する受動型モードロックファイバーレーザを用いた。
【００４０】
ファイバー伸張器１２は、波長分散が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、長さが１００ｍの偏光保持ファイバーである。
【００４１】
パルス間引き器１３は、導波路型電気光学光変調器で、マッハツェンダ干渉計を構成したＺカットLiNbO3結晶とパルスジェネレータを有している。パルスジェネレータはパルス幅１０〜２０ｎｓ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの電圧をLiNbO3結晶に印加する機能・性能を有している。
【００４２】
前置増幅器１４は、コアにErをドープした長さが２．６ｍのシングルモードの偏光保持ファイバー１４１と、ポンプ光源としてのレーザダイオード１４２、及び、波長分割多重偏光保持ファイバカップラー１４３を有している。レーザダイオード１４２は、ファイバーピッグテール付きで、波長１．４８μｍ、出力４００ｍＷのシングルモードレーザビームを発生する。
【００４３】
主増幅器２１は、コア径が１６μｍで、ErとYbを共ドープした長さ２．４ｍのマルチモードの偏光保持二重クラッドファイバー２１１と、レーザダイオード２１２を有している。レーザダイオード２１２は波長９７５ｎｍ、出力４Ｗのマルチモードレーザビームを発生する。レーザダイオード２１２から発生されたレーザビームはレンズ２１３でコリメートされ、二重クラッドファイバー２１１の第１クラッドに結合される。
【００４４】
圧縮器２５は、回折格子２５１、２５２の対で構成されている。
【００４５】
レンズ２２は、主増幅器３２の出射端から出射される短光パルスをコリメートするためのものである。
【００４６】
集光レンズ２７には倍率５０倍の顕微鏡対物レンズを用いた。
【００４７】
発振モジュール１０の寸法は３１８ｍｍ×２６１ｍｍ×１０８ｍｍで、重量は２３００ｇである。増幅モジュール２０の寸法は２５０ｍｍ×４７０ｍｍ×１００ｍｍで、重量は１４００ｇである。
【００４８】
本実施例の非加工物３は大きさが１８７０ｍｍ×２２００ｍｍで厚さが１．１ｍｍの大型液晶TV用ガラスであるため、Y軸方向移動ステージ４０のストロークは１９００ｍｍに、X軸方向移動ステージ５０のストロークは２４００ｍｍに、それぞれ設定した。
【００４９】
レーザ加工装置全体の寸法は２６００ｍｍ×３７００ｍｍ×１５００ｍｍで、重量は２３００Ｋｇであった。被加工物を移動させる従来のレーザ加工装置では、少なくとも３０００〜４０００ｍｍ×４０００〜６０００ｍｍ×１５００ｍｍとなることが予想され、本実施例のレーザ加工装置は小型であることがわかる。
【００５０】
Ｙ軸方向移動ステージ４０及びＸ軸方向移動ステージ５０の移動速度は３００ｍｍ／ｓ、位置決め精度は５μｍであった。特に、Y軸方向移動ステージ４０のストロークが１９００ｍｍ、X軸方向移動ステージ５０のストロークが２４００ｍｍと大きくても位置決め精度を５μｍにできたのは、移動ステージに取り付ける増幅モジュール２０の重量が１４００ｇと軽量であったことによるものである。
【００５１】
本実施例装置のレーザ発生器１の動作結果を以下に記す。１００〜１０００ｆｓのパルス幅がファイバー伸張器１２で７０〜２５０ｐｓに伸張された。４０〜５０ＭＨｚの繰り返し周波数がパルス間引き器１３で１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚに変換された。ファイバーレーザ発振器１１から発生された平均パワー１０ｍＷの短光パルスがパルス間引き器１３で間引かれて１０〜２０μＷに低下するが、前置増幅器１４で２０ｍＷに増幅された。前置増幅器１４で増幅されて２０ｍＷになった短光パルスは主増幅器２１で２Ｗまで増幅された。主増幅器２１の出射端から出射されるパルス幅７０〜２５０ｐｓ、平均パワー２Ｗの短光パルスは圧縮器２３で圧縮され、パルス幅１０ｆｓ〜２０ｐｓ、平均パワー１Ｗの短光パルスを出射した。すなわち、加工台２のＺ軸方向移動ステージ６０に取り付けられた増幅モジュール２０から被加工物３にパルス幅１０ｆｓ〜２０ｐｓ、平均パワー１Ｗ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの短光パルスが集光照射される。
【００５２】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、移動部材としてステージの代わりに、３次元に移動可能なアームを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例１のレーザ加工装置の概略構成図である。
【図２】図１の矢示図である。
【図３】実施例１のレーザ発生器の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・・・・・・・レーザ発生器
３・・・・・・・・・被加工物
１０・・・・・・・・発振モジュール
１１・・・・・・・・ファイバレーザ発振器
１４・・・・・・・・ファイバ前置増幅器
２０・・・・・・・・増幅モジュール
２１・・・・・・・・ファイバ主増幅器
３０・・・・・・・・ファイバ
４０、５０、６０・・移動部材
４０・・・・・・・・Ｙ軸方向移動ステージ
５０・・・・・・・・Ｘ軸方向移動ステージ
６０・・・・・・・・Ｚ軸方向移動ステージ
【図１】
2006007279.tif 000003
【図２】
2006007279.tif 000004
【図３】
2006007279.tif 000005