(57)【要約】      （修正有）【課題】ハイパワーのレーザ光を用いる加工において、加熱を抑制して破損を防ぐことが可能な回折素子を提供する。【解決手段】ハイパワーレーザ加工装置に使用される反射型の回折素子３であって、熱伝導率が高い基板の表面に所望の反射ビーム形状と光強度分布を形成する微細な凹凸のパターンを作製した反射型の回折素子とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイパワーレーザ加工装置に使用される反射型の回折素子であって、熱伝導率が100Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料で構成された基板の表面に所望の反射ビーム形状と光強度分布を形成する微細な凹凸のパターンを設けた
ことを特徴とする反射型の回折素子。
【請求項２】
前記基板の材料は、金、銀、銅、アルミニウムのいずれか、または炭化ケイ素、ダイヤモンド、窒化アルミ、シリコンのいずれかである
ことを特徴とする請求項１に記載の反射型の回折素子。
【請求項３】
前記基板の表面にさらに光反射膜を備え、
前記光反射膜は金、銀、アルミニウムのいずれかで構成される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の反射型の回折素子。
【請求項４】
前記光反射膜の厚さは50ｎｍ以上、0.5μｍ以下である
ことを特徴とする請求項３に記載の反射型の回折素子。
【請求項５】
前記基板の表面の全体形状は、所定の焦点距離を有する凹面形状である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の反射型の回折素子。
【請求項６】
前記基板の裏面にさらに冷却機構を備える
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の反射型の回折素子。
【請求項７】
前記冷却機構は、前記基板の裏面に設けられた放熱用の層や溝、凹凸またはヒートシンクを備え、自然対流または強制循環による空冷または液冷機構である
ことを特徴とする請求項６に記載の反射型の回折素子。
【請求項８】
前記基板の厚さが10ｍｍ以下である
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の反射型の回折素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の回折現象を利用する回折素子に関し、特にハイパワーレーザ加工装置などに用いられる回折素子において、加熱による加工精度の低下や回折素子の破損を防ぐための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、レーザ光を用いた加工技術は、３Ｄプリンタやレーザマーカといった数百Ｗ程度のレーザ光を用いるものから、重工業分野において金属板の切断や溶接などに用いられる数十ｋＷオーダーのレーザ光を用いるものにまで広がりつつある。
【０００３】
レーザ加工においては、光源からのレーザ光を単純にレンズで集光して加工する方法のほかに、光の回折現象を利用する回折素子を使うことによって入射ビームを所望のビーム断面形状に成形して加工を行う方法がある。
【０００４】
図１に示すような従来のレーザ加工では、入射光を透過させてビーム成形を行うのに透過型回折素子１を用いるのが一般的である。図１では、図示しない左側のレーザ光源から、例として円形のビーム断面形状のレーザ光ビームがｚ軸の正方向に入射している。図１の左下側には、入射するレーザ光のビーム断面のｘ軸方向における光強度分布の例として、ガウス関数型の光強度分布である場合が示されている。
【０００５】
図１で、透過型回折素子１に入射したレーザ光は、透過型回折素子１のｘ−ｙ面に設定された透過パターンによってビーム波面の位相が変化して回折を生じ、結像位置２において結像するように構成されている。図１の右側に示すように、結像位置２におけるレーザ光のビーム断面の形状と光強度分布を、加工に適した所要のビーム形状と光強度分布、例えば方形のビーム形状で一定の光強度分布に成形することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“ハイパワー用光学コーティングの複雑性”、２０１７年１０月３１日閲覧、https://www.edmundoptics.jp/resources/application-notes/optics/the-complexities-of-high-power-optical-coatings/
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来のレーザ加工では、ビーム成形を行う透過型回折素子１の光吸収による加熱の結果、熱膨張で熱レンズ効果が発生して加工精度が低下したり、回折素子そのものが破損する可能性がある。これを防止するためには、回折素子における入射ビームのパワーと成形した出力ビームのパワーの比、いわゆるパワー変換効率が高いことが望ましい。
【０００８】
しかしながら、透過型回折素子においては、表面反射や光学材料の光透過率の限界などの制約によりパワー変換効率100％を実現するのは難しく、そのため入射した光パワーの一部が回折素子に吸収されて回折素子が加熱され、熱膨張によるゆがみで加工精度が低下したり光学部品が破損する場合が多いという問題があった。（例えば、非特許文献１参照）。
【０００９】
特に、将来的に需要が期待される数十ｋＷオーダーのハイパワーレーザ加工装置において透過型回折素子を組合せると、パワー変換効率が100％から数％でも減少すると回折素子に無視できないほどの温度上昇が生じ、回折素子の破損につながることから、回折素子の温度上昇を抑制する技術が不可欠である。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、数十ｋＷオーダーのレーザ光を用いる加工において、加熱を抑制して加工精度の低下や破損を防ぐことが可能な回折素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
【００１２】
（発明の構成１）
ハイパワーレーザ加工装置に使用される反射型の回折素子であって、熱伝導率が100Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料で構成された基板の表面に所望の反射ビーム形状と光強度分布を形成する微細な凹凸のパターンを設けた
ことを特徴とする反射型の回折素子。
【００１３】
（発明の構成２）
前記基板の材料は、金、銀、銅、アルミニウムのいずれか、または炭化ケイ素、ダイヤモンド、窒化アルミ、シリコンのいずれかである
ことを特徴とする発明の構成１に記載の反射型の回折素子。
【００１４】
（発明の構成３）
前記基板の表面にさらに光反射膜を備え、
前記光反射膜は金、銀、アルミニウムのいずれかで構成される
ことを特徴とする発明の構成１または２に記載の反射型の回折素子。
【００１５】
（発明の構成４）
前記光反射膜の厚さは50ｎｍ以上、0.5μｍ以下である
ことを特徴とする発明の構成３に記載の反射型の回折素子。
【００１６】
（発明の構成５）
前記基板の表面の全体形状は、所定の焦点距離を有する凹面形状である
ことを特徴とする発明の構成１ないし４のいずれか１項に記載の反射型の回折素子。
【００１７】
（発明の構成６）
前記基板の裏面にさらに冷却機構を備える
ことを特徴とする発明の構成１ないし５のいずれか１項に記載の反射型の回折素子。
【００１８】
（発明の構成７）
前記冷却機構は、前記基板の裏面に設けられた放熱用の層や溝、凹凸またはヒートシンクを備え、自然対流または強制循環による空冷または液冷機構である
ことを特徴とする発明の構成６に記載の反射型の回折素子。
【００１９】
（発明の構成８）
前記基板の厚さが10ｍｍ以下である
ことを特徴とする発明の構成１ないし７のいずれか１項に記載の反射型の回折素子。
【発明の効果】
【００２０】
以上記載したように、本発明によれば、ハイパワーのレーザ加工に用いられる回折素子おいて、加熱を抑制して加工精度の低下や破損を防ぐことが可能な回折素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の透過型回折素子を説明する図である。
【図２】本発明の反射型回折素子を説明する図である。
【図３】本発明の反射型回折素子における、金の反射膜の厚さと反射率の関係を示した図である。
【図４】本発明の反射型回折素子における基板と反射膜の断面において、反射膜の厚さが回折素子の微細構造に与える影響を示した図である。
【図５】本発明の反射型回折素子に反射膜、冷却機構を持たせた実施例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２３】
図２に、本発明の反射型回折素子３の概略図を示す。回折素子は、入射した光の波面の位相分布を変化させて回折効果により所望の光強度分布に変換する素子であるから、透過型だけではなく、反射型として構成することもできる。
【００２４】
図２では、従来の図１と同様に例として、図示しない左側のレーザ光源から、円形のビーム断面形状のレーザ光がｚ軸の正方向に入射している。レーザビーム断面のｘ軸方向のガウス型光強度分布も併せて例示されている。入射したレーザ光は、所望の角度で傾けて設置された本発明の反射型回折素子３において反射して回折を生じ、ビーム方向が変化して下側の結像位置２において結像する。このとき、反射型回折素子３の基板の入射側（反射側）表面に設定された反射パターンによって、結像位置２におけるレーザ光のビーム断面の形状と光強度分布を、図２の右側に示すように例えば方形のビーム形状と一定の光強度分布に成形することができる。
【００２５】
反射型回折素子３は、基板となる単結晶ウエハの光入射側の表面に、微細な凹凸の２次元パターンを計算により設計、作製して、所望の反射ビーム形状を形成するように構成されている。
【００２６】
反射型回折素子３の基板は、図２では平板として例示しているが、少なくとも反射側の基板表面の全体形状は平面形状のほか、反射型光学系において使用可能な任意の回転２次曲面ないし球面、非球面などの曲面形状であってもよい。特に所定の焦点距離を有する凹面形状であれば、結像位置２までの距離を短くすることができ、小型化の点でレーザ加工機としての設計に有利である。この場合、基板表面の曲面上に形成された微細な凹凸の２次元パターンにより、ビームの焦点距離とともに結像位置２におけるビーム形状と光強度分布を設定することが可能である。
【００２７】
前述の課題から、基板材料は熱伝導率が高い物質が好適であり、金属ではアルミニウム、金、銀、銅が挙げられる。それぞれの熱伝導率は約240Ｗ／（ｍ・Ｋ）、約320Ｗ／（ｍ・Ｋ）、約430Ｗ／（ｍ・Ｋ）、約420Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【００２８】
また、金属以外に熱伝導率の高い物質であるダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化アルミ、シリコンも基板材料として好適であり、それぞれの熱伝導率は600〜2000Ｗ／（ｍ・Ｋ）、100〜350 Ｗ／（ｍ・Ｋ）、70〜270 Ｗ／（ｍ・Ｋ）、163Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。少なくとも100Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率の物質が望ましいが、これらの中でもコストや加工の容易さを考慮すると、炭化ケイ素が好適であると考えられる。
【００２９】
従来技術に記載した通り、透過型回折素子ではパワー効率100％の回折素子の実現は困難である。さらに、反射型回折素子であっても、将来的な需要が期待されている数十ｋＷオーダーのハイパワーレーザ光による加工を想定すると、例えばパワー変換効率が97％としても、炭化ケイ素からなる厚さ0.5ｍｍの回折素子の場合、空気中への放熱のみでは850℃／ｓｅｃで温度が上昇し回折素子が破損してしまうおそれがある。
【００３０】
そこで本発明ではさらに、後述の図５の実施例のように、反射型回折素子の基板裏面に効率的な冷却が可能な冷却機構を付けることができる。または、後述の図４のように、反射型回折素子の基板７表面の凹凸のパターン上に光反射膜４をつけて反射率を上げることで、レーザ光の吸収を防ぎ回折素子の温度上昇を抑制することもできる。あるいはその両方の方法を用いることもできる。
【００３１】
反射型回折素子の基板表面に設けられた光反射膜は、入射光の反射率を大きくし発熱を抑制することができる。光反射膜には基板材料と同様に熱伝導率が高い金属が適しており、その中でも特に金、銀、アルミニウムは、レーザ加工で多く使用される波長1μｍの光に対する反射率が95〜99％と高く、好適である。光反射膜と基板の材料が同じ場合には、光反射膜の成膜プロセスを省略することもできるが、光反射膜の表面特性を整え反射率を上げるために、同じ材料であっても別途の成膜プロセスとすることもできる。
【００３２】
（金の光反射膜の厚さと反射率）
図３は、例として金の光反射膜とした場合の、反射膜の厚さと反射率の関係を示した図である。反射膜の厚さ200ｎｍ＝0.2μｍで反射率97.5％を実現可能である。一方、厚さ50ｎｍ未満では反射率が低下し、回折素子が破損する可能性がある。
【００３３】
しかしながら、光反射膜があっても回折素子の微細構造との組合せによっては前述の金属の反射率が達成できるとは限らない。また、回折素子のパワー変換効率と反射膜の反射率を合わせても、光を吸収し、加熱され破損する可能性は残る。たとえば、図４の基板と光反射膜の断面図に示すように、光反射膜４の厚さが厚すぎると反射型回折素子の基板７の表面の微細凹凸の構造パターンのエッジを滑らかにしてしまい、ダレ５が発生してパワー変換効率を減少させる原因となる。
【００３４】
（冷却機構付の反射型回折素子）
そこで、図５の本発明の実施例では、反射型回折素子３の基板の裏面に冷却機構６を付けて発熱による温度上昇を抑制する。冷却機構６としては、例えば基板裏面に溝や凹凸を形成したり、金属やヒートパイプなどをもちいた熱伝導性のフィン（ｆｉｎ：ひれ）のあるヒートシンクをつけて放熱に寄与する面積を増加し、加えて自然対流の循環またはファンによる強制循環の空冷機構や、水や油、フロンのような液体の冷媒を自然対流の循環またはポンプにより強制循環させる水冷や液冷機構など、いずれも可能である。
【００３５】
また、回折素子を装置に取り付ける際に、そのジグや取り付け方によって反りが発生するのを防ぐため、回折素子の基板の裏面に銅、銀、金、アルミニウムといった金属の層を電着やメッキにより施したり、あるいはそれらの金属の板に回折素子を貼りつけるなどして、機械的強度や熱伝導性を高めてもよい。
【００３６】
いずれにせよ、図５に示すように本発明の反射型回折素子３では、反射型回折素子３の基板７の裏面全体を冷却機構６で冷却でき、透過型回折素子１と比較してはるかに冷却効率を高くできるのが大きな利点である。
【００３７】
また、放熱に関しては熱抵抗の観点から基板７の厚さも重要な要素である。炭化ケイ素の基板７に1μｍ厚の金を光反射膜４として付けた反射型回折素子３に、30ｋＷのレーザ光を入射してエネルギーの吸収を1％に抑えたとき、基板厚さが10ｍｍ以下であれば、冷却機構が無くても10℃の温度上昇に留めることができる。
【００３８】
さらに、図４で説明したように光反射膜４の厚さが厚すぎるとパワー変換効率を低下させることがあるため、光反射膜の厚さにも注意しなければならない。光反射膜の厚さを0.5μｍ以下にすることで微細構造に影響を与えずに反射率を上げることが可能である。図３で述べた反射率を確保するための厚さの下限も考慮すると、光反射膜の厚さは50ｎｍ以上、0.5μｍ以下であることが望ましい。
【００３９】
以下に、具体的な実施例とその結果を示す。
【実施例１】
【００４０】
実施例１としては、炭化ケイ素単結晶ウエハを基板７として、光入射側の表面に微細な凹凸の２次元パターンを加工して厚さ0.5ｍｍの反射型回折素子３を作製し、その表面にさらに厚さ0.5μｍの金の光反射膜４を蒸着により形成した。光が入射する面の反対側の、基板７の裏面全体に水が接触するよう流し、強制水冷による冷却機構６とした。
【００４１】
この反射型回折素子３に波長1μｍ、10ｋＷのレーザ光を照射して約1時間かけて金属の溶接作業を行ったところ、反射型回折素子の温度は200℃程度になったが、反射型回折素子の破損や反射膜の剥がれは見られなかった。
【実施例２】
【００４２】
実施例２としては、炭化ケイ素単結晶ウエハを基板７として、光入射側の表面に微細な凹凸の２次元パターンを加工して厚さ10ｍｍの反射型回折素子３を作製し、その表面にさらに厚さ0.5μｍの金の光反射膜４を蒸着により形成した。光が入射する面の反対側の、基板７の裏面全体に水が接触するよう流し、強制水冷による冷却機構６とした。
【００４３】
この反射型回折素子３に波長1μｍ、10ｋＷのレーザ光を照射して約1時間かけて金属の溶接作業を行ったところ、反射型回折素子の温度は200℃程度で、反射型回折素子の破損や反射膜の剥がれも見られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明の反射型回折素子によれば、ハイパワーのレーザ光を用いる加工において、加熱を抑制して加工精度の低下や破損を防ぐことが可能な回折素子の提供が可能となる。
【符号の説明】
【００４５】
１  透過型回折素子
２  結像位置
３  反射型回折素子
４  光反射膜
５  ダレ
６  冷却機構
７  基板
【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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