(57)【要約】【課題】  レーザー光の高次モードを効率的に除去するガスセルを提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係るガスセルは、容器２１と、容器２１内に取り付けられ、レーザー光を集光する集光レンズ２２と、容器２１内に取り付けられ、集光レンズ２２から照射されたレーザー光をコリメートするコリメータレンズ２３と、容器２１に格納される可飽和吸収ガス２７とを有し、コリメータレンズ２３は、集光レンズ２２と向かい合う。好適には、可飽和吸収ガス２７の流路を定めるガイド２６をさらに有し、ガイド２６は、集光レンズが取り付けられた位置から集光レンズ２２の焦点位置までの流路、及び、コリメータレンズ２３が取り付けられた位置から集光レンズ２２の焦点位置までの流路を定め、ガイド２６は、集光レンズ２２、又は、コリメータレンズ２３の少なくとも一方が取り付けられた位置から、焦点位置に近づくにつれて、流路の幅を狭める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器内に設置され、レーザー光を集光する集光レンズと、
前記容器内に設置され、前記集光レンズから照射されたレーザー光をコリメートするコリメータレンズと、
前記容器に格納される可飽和吸収ガスと
を有し、
前記コリメータレンズは、前記集光レンズと向かい合う
ガスセル。
【請求項２】
前記容器内に設置され、前記可飽和吸収ガスの流路を定めるガイド
をさらに有し、
前記ガイドは、前記集光レンズが取り付けられた位置から前記集光レンズの焦点位置までの流路、及び、前記コリメータレンズが取り付けられた位置から前記集光レンズの焦点位置までの流路を定め、
前記ガイドは、前記集光レンズ、又は、前記コリメータレンズの少なくとも一方が取り付けられた位置から、焦点位置に近づくにつれて、流路の幅を狭める
請求項１に記載のガスセル。
【請求項３】
前記容器の側壁に形成され、可飽和吸収ガスを吸入する吸入孔と、
前記容器の側壁に形成され、可飽和吸収ガスを排出する排出孔と
をさらに有し、
前記排出孔は、前記集光レンズの焦点位置から見て、レーザー光の進行方向に対して垂直に位置し、
前記ガイドは、前記集光レンズの焦点位置から、前記排出孔までの流路を定め
前記ガイドは、前記排出孔から焦点位置に近づくにつれて、流路の幅を狭める
請求項２に記載のガスセル。
【請求項４】
前記排出孔より排出された前記可飽和吸収ガスは、前記吸入孔より吸入される
請求項３に記載のガスセル。
【請求項５】
レーザー光を照射するレーザー発振器と、
前記レーザー発振器により照射されたレーザー光が通過するガスセルと、
前記ガスセルを冷却する冷却器と
を有し、
前記ガスセルは、
容器と、
前記容器内に設置され、レーザー光を集光する集光レンズと、
前記容器内に設置され、前記集光レンズから照射されたレーザー光をコリメートするコリメータレンズと、
前記容器に格納される可飽和吸収ガスと
を含み、
前記コリメータレンズは、前記集光レンズと向かい合う位置に取り付けられ、
前記ガイドは、前記集光レンズの焦点位置に可飽和吸収ガスが流れる流路を定める
レーザー装置。
【請求項６】
集光レンズでレーザー光を集光するステップと、
集光されたレーザー光の焦点位置を通るように、可飽和吸収ガスを循環させるステップと、
集光レンズから照射されたレーザー光をコリメートするステップと
を有する
レーザー光発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセル、レーザー装置、及び、レーザー光発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、レーザ光を出力するように構成されたマスタオシレータと、前記レーザ光の光路上に配置された少なくとも１つの増幅器と、前記レーザ光の光路上であって前記増幅器の出力側に配置され、所定の光強度以下のレーザ光を吸収する可飽和吸収ガスを収容するための少なくとも１つの可飽和吸収ガスセルと、前記可飽和吸収ガスセル内に設けられた前記可飽和吸収ガスを循環させるためのファンと、前記可飽和吸収ガスセル内に設けられた前記可飽和吸収ガスを冷却するための熱交換器と、を備えたレーザ装置が開示されている。
【０００３】
また、非特許文献１には、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー用可飽和吸収ガスの特性が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２０７００４
【非特許文献１】ＴＥＡ−ＣＯ２レーザ用可飽和吸収ガスの特性（１）  久所之夫、北島巌著
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザー光の高次モードを効率的に除去するガスセル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】
本発明に係るガスセルは、容器と、前記容器内に設置され、レーザー光を集光する集光レンズと、前記容器内に設置され、前記集光レンズから照射されたレーザー光をコリメートするコリメータレンズと、前記容器に格納される可飽和吸収ガスとを有し、前記コリメータレンズは、前記集光レンズと向かい合う。
【０００７】
好適には、前記容器内に設置され、前記可飽和吸収ガスの流路を定めるガイドをさらに有し、前記ガイドは、前記集光レンズが取り付けられた位置から前記集光レンズの焦点位置までの流路、及び、前記コリメータレンズが取り付けられた位置から前記集光レンズの焦点位置までの流路を定め、前記ガイドは、前記集光レンズ、又は、前記コリメータレンズの少なくとも一方が取り付けられた位置から、焦点位置に近づくにつれて、流路の幅を狭める。
【０００８】
好適には、前記容器の側壁に形成され、可飽和吸収ガスを吸入する吸入孔と、前記容器の側壁に形成され、可飽和吸収ガスを排出する排出孔とをさらに有し、前記排出孔は、前記集光レンズの焦点位置から見て、レーザー光の進行方向に対して垂直に位置し、前記ガイドは、前記集光レンズの焦点位置から、前記排出孔までの流路を定め前記ガイドは、前記排出孔から焦点位置に近づくにつれて、流路の幅を狭める。
【０００９】
好適には、前記排出孔より排出された前記可飽和吸収ガスは、前記吸入孔より吸入される。
【００１０】
本発明に係るレーザー装置は、レーザー光を照射するレーザー発振器と、前記レーザー発振器により照射されたレーザー光が通過するガスセルと、前記ガスセルを冷却する冷却器とを有し、前記ガスセルは、容器と、前記容器内に設置され、レーザー光を集光する集光レンズと、前記容器内に設置され、前記集光レンズから照射されたレーザー光をコリメートするコリメータレンズと、前記容器に格納される可飽和吸収ガスとを含み、前記コリメータレンズは、前記集光レンズと向かい合う位置に取り付けられ、前記ガイドは、前記集光レンズの焦点位置に可飽和吸収ガスが流れる流路を定める。
【００１１】
本発明に係るレーザー光発生方法は、集光レンズでレーザー光を集光するステップと、集光されたレーザー光の焦点位置を通るように、可飽和吸収ガスを循環させるステップと、集光レンズから照射されたレーザー光をコリメートするステップとを有する。
【発明の効果】
【００１２】
レーザー光の高次モードを効率的に除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】レーザー光発生システム１の構成を模式的に例示する図である。
【図２】ガスセル２０の構成を模式的に例示する図である。
【図３】ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー光のモードを模式的に例示する図である。
【図４】ピュアシングルモードのレーザー光を模式的に例示する図である。
【図５】ピュアシングルモードのレーザー光発生処理（Ｓ２０）を説明するフローチャートである。
【図６】変形例１におけるガスセル２０を例示する図である。
【図７】マイクロバーンパターン測定の試験結果を表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、レーザー光発生システム１を模式的に例示する図である。
図１に例示するように、レーザー光発生システム１は、レーザー発振器１０と、ガスセル２０と、可飽和ガス混合制御系３０と、真空及びガス循環制御系４０と、冷却器５０とを含む。
レーザー発振器１０は、レーザー光を発生させる。例えば、レーザー発振器１０は、パルス状のレーザー光を発生させる。本例において、レーザー発振器１０は、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー発振器１０である。また、レーザー発振器１０は、共振器を含む。例えば、レーザー発振器１０は、不安定共振器を含む。なお、レーザー発振器１０は、位相整合型不安定共振器を含んでもよい。
【００１５】
ガスセル２０は、可飽和吸収ガス２７を格納する。例えば、ガスセル２０は、可飽和吸収ガス２７、及び、バッファガスを格納する。本例において、ガスセル２０は、可飽和吸収ガス２７としてＳＦ６ガスを格納し、バッファガスとしてＨｅガスを格納する。また、本例において、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー発振器１０から発生したレーザー光は、ガスセル２０の内部を通過する。
【００１６】
可飽和ガス混合制御系３０は、可飽和吸収ガス２７、及び、バッファガスをガスセル２０に供給し、供給量を制御する。例えば、可飽和ガス混合制御系３０は、可飽和ガス混合制御系３０は、可飽和吸収ガス２７、及び、バッファガスの圧力を一定に保つ。本例において、可飽和ガス混合制御系３０は、ＳＦ６ガスを５ｋＰａに、Ｈｅガスを５０ｋＰａに固定する。また、本例において、可飽和ガス混合制御系３０は、ガスレギュレータ、圧力スイッチ、及び、ソレノイド等により、ＳＦ６ガス、及び、Ｈｅガスを供給し、圧力を制御する。
【００１７】
真空及びガス循環制御系４０は、ガスセル２０内の可飽和吸収ガス２７を循環させる。例えば、真空及びガス循環制御系４０は、可飽和吸収ガス２７をガスセル２０の外部に排出した後に、再度、可飽和吸収ガス２７をガスセル２０内部に吸入させる。本例において、真空及びガス循環制御系４０は、真空ポンプ、及び、ソレノイド等により、ガスセル２０内のＳＦ６ガス及びＨｅガスを循環させる。なお、真空及びガス循環制御系４０は、圧力センサー、及び、オーバープレッシャ安全弁を含んでもよい。
【００１８】
冷却器５０は、ガスセル２０を冷却する。例えば、冷却器５０は、ガスセル２０を冷却することで、可飽和吸収ガスを冷却する。なお、冷却器５０により冷却された可飽和吸収ガスを、可飽和ガス混合制御系３０により、ガスセル２０に供給してもよい。
【００１９】
図２は、ガスセル２０の構成を模式的に例示する図である。
図２（Ａ）は、ガスセル２０の側面図を模式的に例示し、図２（Ｂ）は、ガスセル２０の断面図αを模式的に例示する。図２（Ｂ）に例示するように、ガスセル２０は、容器２１、集光レンズ２２、コリメータレンズ２３、排出孔２４、吸入孔２５、ガイド２６、及び、可飽和吸収ガス２７を含む。
【００２０】
ガスセル２０において、容器２１は、可飽和吸収ガス２７を格納する。また、レーザー光は、容器２１の内部を通過する。例えば、容器２１は四角柱、又は、円柱である。本例において、容器２１は、直方体である。
集光レンズ２２は、容器２１内に設置され、レーザー光を集光する。例えば、集光レンズ２２は、凸レンズであり、レンズの凸面を容器２１の外面に向けて設置される。本例において、集光レンズ２１は、容器２１の側壁に設置される。
【００２１】
コリメータレンズ２３は、容器２１内に設置され、集光レンズ２２から照射されたレーザー光をコリメートする。例えば、コリメータレンズ２３は、凸レンズであり、レンズの凸面を容器２１の外面に向けて設置される。また、コリメータレンズ２３は、集光レンズ２１と向かい合う位置に設置される。本例において、コリメータレンズ２３は、容器２１の側壁に設置される。
【００２２】
排出孔２４は、容器２１の側壁に形成される一、又は、複数の孔である。例えば、排出孔２４は、集光レンズ２２の焦点位置から見て、レーザー光の進行方向に対して垂直に位置する。本例において、排出孔２４は、集光レンズ２２の焦点位置から見て、レーザー光の進行方向に対して垂直に位置し、かつ、焦点位置から最短距離にある容器２１の側壁に形成される。なお、本例において、排出孔２４は、集光レンズ２２が設置される外壁面である長方形の対角線の交点と、コリメータレンズ２３が設置される外壁面である長方形の対角線の交点との中点から見て、垂直に位置してもよい。また、本例において、排出孔２４は、容器２１の側壁に形成される一つの孔である。また、本例において、排出孔２４は、真空及びガス循環制御系４０により制御され、容器２１に格納されたＳＦ６ガス及びＨｅガスを、容器２１の外部へ排出する。
【００２３】
吸入孔２５は、容器２１の側壁に形成される一、又は、複数の孔である。例えば、吸入孔２５は、排出孔２４が設置される面に対して、向かい合う面に形成される。本例において、吸入孔２５は、容器２１の側壁に形成される二つの孔である。また、本例において、吸入孔２５は、真空及びガス循環制御系４０により制御され、容器２１の外部へ排出されたＳＦ６ガス及びＨｅガスを、容器２１の内部へ再度吸入する。また、本例において、吸入孔２５は、可飽和ガス混合制御系３０により制御され、容器２１の内部へ、ＳＦ６ガス及びＨｅガスを吸入する。
【００２４】
ガイド２６は、容器２１内に設置され、可飽和吸収ガス２７の流路を定める。例えば、ガイド２６は、集光レンズ２２が取り付けられた位置から集光レンズ２２の焦点位置までの流路、及び、コリメータレンズ２３が取り付けられた位置から集光レンズ２２の焦点位置までの流路を定める。本例において、ガイド２６は、集光レンズ２２、又は、コリメータレンズ２３の少なくとも一方が取り付けられた位置から、焦点位置に近づくにつれて、流路の幅を狭める。このとき、ガイド２６は、レーザー光がガスセル２０の内部を通過できるように流路を定める。また、本例において、ガイド２６は、集光レンズ２２の焦点位置から、排出孔２４までの流路を定め、排出孔２４から焦点位置に近づくにつれて、流路の幅を狭める。また、本例において、ガイド２６は、吸入孔２５により吸収された可飽和吸収ガス２７を、容器２１の壁面に沿って、集光レンズ２２の焦点位置に流すように流路を定める。
【００２５】
可飽和吸収ガス２７は、容器２１に格納される。本例において、可飽和吸収ガス２７は、ＳＦ６ガスである。また、本例において、ＳＦ６ガスは、可飽和ガス混合制御系３０により、集光レンズ２２の焦点位置を通るように循環する。
【００２６】
図３は、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー光のモードを模式的に例示する図である。
図３（Ａ）は、集光部に現れるシングルモード及び高次モードを模式的に例示する。
図３（Ａ)に例示するように、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー発振器１０から照射されたレーザー光は、集光レンズ２２により集光する。このとき、焦点位置近傍において、シングルモードのレーザー光のスポット径は、回折限界付近まで絞り込まれる。一方、焦点位置近傍において、高次モードのレーザー光のスポット径は、シングルモードのレーザー光のスポット径よりも大きくなる。
図３（Ｂ）は、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー光におけるＳＦ６ガスの透過率曲線を示す。
図３（Ｂ）は、非特許文献１より引用した。図３（Ｂ）に示されるように、エネルギー密度が高いシングルモード領域において、エネルギー密度領域が低い高次モード領域に対して、透過率が大きい。このため、集光レンズ２２により集光されたシングルモードのレーザー光は、焦点位置近傍で、エネルギー密度が高くなり、ＳＦ６ガスを透過する。一方、シングルモードのレーザー光に対して、エネルギー密度の低い高次モードのレーザー光は、焦点位置近傍において、ＳＦ６ガスにより吸収される。
【００２７】
図４は、ピュアシングルモードのレーザー光を模式的に例示する図である。
図４に例示するように、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー発振機１０から照射されたレーザー光のビームモードの形状は、ガスセル２０を通過する前後で異なる。ここで、ビームモードの形状の縦軸はビーム強度、横軸はビーム中心からの半径を示す。ＣＯ２レーザー光の強度分布は、発生時に、シングルモードに高次モードが重ねあわされた形状となるため、サイドロープを含む。しかし、ＣＯ２レーザー光が、ガスセル２０に格納されたＳＦ６ガスを通過することにより、高次モードのレーザー光がＳＦ６ガスに吸収される。このため、ＣＯ２レーザー光のサイドロープが消失し、レーザー光の強度分布は、ピュアシングルモードの強度分布となる。つまり、焦点近傍付近で、レーザー光のシングルモードと高次モードとを分離できる。
【００２８】
図５は、ピュアシングルモードレーザー発生処理（Ｓ２０）を説明するフローチャートである。
図５に例示するように、ステップ２００（Ｓ２００）において、ＴＥＡ−ＣＯ２ガスレーザー発振器１０は、レーザー光をガスセル２０に照射する。
ステップ２０５（Ｓ２０５）において、ガスセル２０の壁面に取り付けられた集光レンズ２２は、ＴＥＡ−ＣＯ２ガスレーザー発振器１０により照射されたレーザー光を集光する。
ステップ２１０（Ｓ２１０）において、集光レンズ２２により集光されたレーザー光は、ガスセル２０に格納されたＳＦ６ガス及びＨｅガスの中を通過する。このとき、ＳＦ６ガス及びＨｅガスは、焦点レンズ２２の焦点位置近傍を通り、高速循環する。より具体的に、ガスセル２０内の可飽和吸収ガスの流路が、焦点位置に近づくにつれて狭まる構造により、焦点位置近傍で、循環するＳＦ６ガス及びＨｅガスが高速で流れる。これにより、焦点位置近傍で、ガス劣化のない、フレッシュなＳＦ６ガス及びＨｅガスとＣＯ２レーザー光とが常に反応できる。
ステップ２１５（Ｓ２１５）において、可飽和吸収ガス２７内を通過したレーザー光は、コリメータレンズ２３により、コリメートされる。
【００２９】
以上、説明したように、レーザー光発生システムは、レーザー光から、高次モードを取り除き、ピュアシングルモードのレーザー光を生成できる。
従来、不安定型共振器から出射されたレーザー光には、集光性の悪い高次モードを数％から数１０％含んでおり、共振器内で高次モードを除去することは困難であった。このため、パルスＣＯ２レーザーにより、高密度基板等に、小口径ビアホールを形成する場合、φ５０μｍが限界であった。これ以下のビアホールを形成する場合、例えば、ＹＡＧレーザー等、別途別のレーザー装置を使用する必要があった。
また、従来技術において、パルスＣＯ２レーザーにより照射されたレーザー光を、集光レンズで絞り、シングルモードと高次モードが分離している焦点近傍において、ナイフエッジ状のピンホール（ナイフエッジピンホール）を挿入することにより、高次モードのレーザー光をカットできる。しかし、ナイフエッジの先端近傍のレーザー光のエネルギー密度は、非常に高く容易にナイフエッジの先端は、溶融してしまい効率的な高次モードの除去はできなかった。また、ナイフエッジピンホールで、レーザー光を機械的にカットすることにより、集光スポット周辺にフリンジが発生し、ビアホール加工時に問題となった。
そこで、本願に係るガスセル２０を用いたレーザー光発生システム１を用いることにより、ＳＦ６ガスとバッファガス（Ｈｅリッチガス）を任意の混合比で混ぜ合わせ、最適なガス圧を維持し、ガス温度とガス劣化を防止するため、高速で冷却循環させる。これによりピュアシングルモード（純粋なシングルモード）のパルスレーザー光を安定的に取り出すことができるようになる。このガスセル２０を透過したレーザー光は、入射ビーム光より見かけのビーム形状は小さくなる。これにより得られるレーザー光によるビアホール加工径は、回折限界近傍まで絞り込むことができ、微小ビアホール加工が可能となる。また、可飽和吸収ガスの特性上、ガス温度を一定に保つ必要があるが、本願に係るレーザー光発生システム１は、冷却されたＳＦ６ガスを高速循環させることで、集光近傍でレーザー光のパルス毎にフレッシュガスを供給できる。
【００３０】
（変形例１）
上記実施形態の変形例１を説明する。
図６は、変形例１におけるガスセル２０を例示する図である。
図６（Ａ）は、変形例１におけるガスセル２０の組図を例示する。上記実施形態と同様に、ガスセル２０は、容器２１、集光レンズ２２、コリメータレンズ２３、排出孔２４、吸入孔２５、ガイド２６、及び、可飽和吸収ガス２７を有する。
ガスセル２０の容器２１は、円柱状である。また、ガスセル２０は、２つの排出孔２４と、４つの吸入孔とを有する。
排出孔２４は、容器２１の側壁に位置する。変形例１において、排出孔２４は、焦点位置から見て、レーザー光の進行方向に垂直に位置し、一方の排出孔２４と、他方の排出孔２４は向かい合う。集光レンズ２２の焦点位置近傍から、排出孔２４へ、ＳＦ６ガスが排出される。
吸入孔２５は、容器２１の側壁に位置する。変形例１において、吸入孔２５は、排出孔２４から見て、レーザー光の進行方向、及び、レーザーの進行方向の逆方向に位置する。吸入孔２５は、向かい合う位置に、もう一つ吸入孔２５を有する。吸入孔２５は、排出孔２４から排出されたＳＦ６ガス及びＨｅガスを、吸入する。
図６（Ｂ）は、変形例１におけるガスセル２０の断面図を例示する。ガイド２６は、吸入孔２５より、吸入された可飽和吸収ガス２７を、焦点位置まで流す流路を定める。吸入孔２５から排出孔２４へ近づくにつれて、流路は狭まる。これにより、焦点位置近傍を、常にＳＦ６ガスが流れ、焦点位置近傍の可飽和吸収ガスの流速を高めることができる。
【００３１】
図７は、マイクロバーンパターン測定の試験結果を表わす図である。
図７（Ａ）は、変形例１におけるレーザー光発生システム１の外観光学系配置図を模式的に表す図である。
図７（Ａ）に例示するように、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー発振器１０により照射されたレーザー光は、平凸レンズ及び平凹レンズを通過後、可飽和吸収ガスセル２０内を通過する。その後、レーザー光は、平凸レンズにより集光し、アクリル板に照射される。そして、レーザー光により、アクリル板に形成されたバーンパタンを取得する。また、
図７（Ｂ）は、試験の実績値を示し、図７（Ｃ）は、アクリルバーンパタンを示す。
図７（Ｂ）に示すように、ＴＥＡ―ＣＯ２レーザー発振器１０により発生するサイドロープを可飽和吸収ガスセル２０により、低減できることが実証された。また、図７（Ｃ）に示すように、可飽和吸収ガスセル２０を使用した場合、アクリルバーンパタンの直径が小さくなることが実証された。つまり、可飽和吸収ガスセル２０により、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー発振器１０から作り出される回折限界に近いレーザー光からサイドロープを低減させることができた。今後、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー発振器１０から、安定したエネルギー値のレーザー光を照射させることにより、さらに性能改善できる見込みである。
【００３２】
以上、説明したように、変形例１におけるレーザー光発生システム１は、レーザー光から、高次モードを取り除き、ピュアシングルモードのレーザー光を生成できる。さらにこのレーザー光を利用して、微小ビアホール加工が可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１…レーザー光発生システム
１０…ＴＥＡ−ＣＯ２レーザー発振器
２０…ガスセル
２１…容器
２２…集光レンズ
２３…コリメータレンズ
２４…排出孔
２５…吸入孔
２６…ガイド
２７…可飽和吸収ガス
【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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