(57)【要約】  偏光出力レーザビーム（１０３）の高速強度変化を実現する方法は、高感度光入射角光学素子（１０４）を、異なる角度位置の間で上記高感度光入射角光学素子の高速遷移を提供する検流計システム（２００）に固定する。上記検流計システムにより提供される高速遷移は、入力レーザビーム（１０２）と上記高感度光入射角光学素子とがなす入射角θ1を変化させ、上記高感度光入射角光学素子により生成される上記偏光出力レーザビームの強度の高速変化を提供する。
2013524512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光出力レーザビームの高速強度変化を実現する方法であって、
ビーム光路の第１の部分に沿ってワークピース上のターゲット位置に向けて伝搬する入力レーザビームを生成し、
回転可能な駆動シャフトと協働して前記ビーム光路の第１の部分を横断する回転軸周りに前記回転可能な駆動シャフトを回転させる検流計駆動部材を含む検流計システムを提供し、前記検流計駆動部材は、前記回転軸周りに前記回転可能な駆動シャフトを回転させて、選択された角度位置の間で前記回転可能な駆動シャフトの高速遷移を提供し、
高感度光入射角光学素子を前記回転可能な駆動シャフトに固定して前記高感度光入射角光学素子を前記回転軸周りに回転可能とし、前記高感度光入射角光学素子は、前記回転可能な駆動シャフトの角度位置によって決定される入射角で前記入力レーザビームが前記光学平面フィルムに入射するように、前記ビーム光路の第１の部分と交差するように配置された光学平面フィルムを含み、前記光学平面フィルムは、前記入力レーザビームから、前記ビーム光路の第２の部分に沿って前記ワークピースのターゲット位置に向けて伝搬する偏光出力レーザビームを生成し、前記偏光出力レーザビームは、前記入力レーザビームと前記光学平面フィルムとがなす前記入射角の関数として変化する強度によって特徴付けられ、前記検流計駆動部材により提供される前記回転可能な駆動シャフトの高速遷移は、前記入力レーザビームと前記光学平面フィルムとがなす前記入射角を変化させて前記偏光出力レーザビームの強度の高速変化を実現する、
方法。
【請求項２】
前記光学平面フィルムは、前記入力レーザビームを第１の光成分及び第２の光成分に分離して前記偏光出力レーザビームを生成し、前記偏光出力レーザビームは前記第１の光成分に対応する、請求項１の方法。
【請求項３】
前記光学平面フィルムは、前記第１の光成分を前記光学平面フィルムに透過させ、前記第２の光成分を前記光学平面フィルムで反射させることにより、前記入力レーザビームを第１の光成分及び第２の光成分に分離する、請求項２の方法。
【請求項４】
さらに、前記光学平面フィルムで反射した第２の光成分と交差するように配置されたレーザダンプ要素を提供し、前記レーザダンプ要素は前記第２の光成分を吸収して前記第２の光成分が前記ワークピースに到達することを防止する、請求項３の方法。
【請求項５】
前記高感度光入射角光学素子が薄膜偏光器である、請求項１の方法。
【請求項６】
前記高感度光入射角光学素子は、前記ビーム光路の前記第１の部分と前記第２の部分との間にビームオフセットをもたらし、さらに、前記偏光出力レーザビームがビーム変位光学素子に入射するように前記ビーム変位光学素子を前記ビーム光路の第２の部分と交差するように配置し、前記ビーム変位光学素子は前記偏光出力レーザビームの少なくとも一部を前記ビーム光路の第３の部分に沿って前記ターゲット位置に向けて透過させ、前記ビーム変位光学素子は前記ビーム光路の第３の部分を前記ビーム光路の第１の部分と第２の部分との間の前記ビームオフセットを補償する変位量だけ前記ビーム光路の第２の部分からずらす、請求項１の方法。
【請求項７】
前記検流計駆動部材は第１の検流計駆動部材であり、前記回転可能な駆動シャフトは第１の回転可能な駆動シャフトであり、前記光学平面フィルムと前記入力レーザビームとがなす前記入射角は第１の入射角であり、前記回転軸は第１の回転軸であり、さらに、第２の回転可能な駆動シャフトと協働して前記ビーム光路の第２の部分を横断する第２の回転軸周りに前記第２の回転可能な駆動シャフトを回転させる第２の検流計駆動部材を提供し、前記ビーム変位光学素子は前記第２の回転可能な駆動シャフトに固定され前記ビーム変位光学素子を前記第２の回転軸周りに回転可能とし、前記第２の検流計駆動部材は前記第２の回転可能な駆動シャフトと前記ビーム変位光学素子を前記第２の回転軸周りに回転させて、前記ビーム変位光学素子と前記偏光出力レーザビームとがなる第２の入射角を調整する、請求項６の方法。
【請求項８】
前記ビーム光路の第１の部分と第２の部分との間のビームオフセットの範囲は前記第１の入射角の関数であり、前記ビーム光路の第２の部分と第３の部分との間の変位量は前記第２の入射角の関数であり、前記第２の検流計駆動部材は前記第２の回転可能な駆動シャフトと前記ビーム変位光学素子を前記第２の回転軸周りに回転させ、前記ビームオフセットの変化に応じて前記変位量を調整する、請求項７の方法。
【請求項９】
前記ビーム変位光学素子は反射防止膜板である、請求項６の方法。
【請求項１０】
前記ビーム変位光学素子は薄膜偏光器である、請求項６の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光学システムに関し、特に、偏光出力レーザビームの強度を変化させるレーザビーム光学システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多くのレーザ加工用途においては、偏光レーザビームの強度が光減衰器を用いて変化（例えば、減衰）させられる。１つの従来のアプローチでは、強度が可変の偏光レーザビームを生成するために、回転波長板（又は電気光学変調器（ＥＯＭ））と次段偏光器の組み合わせが用いられる。例えば、回転波長板と次段偏光器とを用いたシステムにおいて、回転波長板と次段偏光器は、レーザビームのビーム光路内に配置され、回転波長板はビーム光路に平行な軸の周りで回転され、偏光ベクトルを回転させる。偏光ベクトルは、次段偏光器から出た偏光レーザビームの強度を変化させる。他の従来のアプローチでは、強度が可変の偏光レーザビームを生成するために音響光学変調器（ＡＯＭ）が利用される。ＡＯＭを用いたシステムにおいては、音響電気変換器（例えば、圧電変換器）が媒体（例えばガラスや石英）内に生成された音波の強度を変化させ、これにより媒体に入射して媒体により回折されたレーザビームの強度を変化させる。
【０００３】
従来のアプローチには多くの欠点がある。例えば、回転波長板及び次段偏光器を含む減衰器は、比較的ゆっくりとビーム強度を変化させる。ＡＯＭはビーム強度を素早く変化させられる（約１００ナノ秒以下）が、ＡＯＭを用いたシステムは典型的に複雑であり、そのシステムの光学的位置合わせは比較的大変なものであり、ビーム光路が比較的長い。また、ＡＯＭの回折効率のピークは典型的には９０％より低い（例えば、約８５％である）。
【０００４】
必要とされているのは、レーザビームの強度を素早く変化させることができ、光学的に単純で、透過率のピークが比較的高いシステムである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
偏光出力レーザビームの高速強度変化を実現する好ましい方法は、ビーム光路の第１の部分に沿ってワークピース上のターゲット位置に向けて伝搬する入力レーザビームを生成する。また、この方法は、回転可能な駆動シャフトと協働して上記ビーム光路の第１の部分を横断する回転軸周りに上記回転可能な駆動シャフトを回転させる検流計駆動部材を含む検流計システムを提供する。上記検流計駆動部材は、上記回転可能な駆動シャフトの回転を制御して、選択された角度位置の間で上記回転可能な駆動シャフトの高速遷移を提供する。
【０００６】
上記回転可能な駆動シャフトに固定された高感度光入射角光学素子により、上記高感度光入射角光学素子を上記回転軸周りに回転可能とする。上記高感度光入射角光学素子は、上記回転可能な駆動シャフトの角度位置によって決定される入射角で上記入力レーザビームが上記光学平面フィルムに入射するように、上記ビーム光路の第１の部分と交差するように配置された光学平面フィルムを含む。上記光学平面フィルムは、上記入力レーザビームから、上記ビーム光路の第２の部分に沿って上記ワークピースのターゲット位置に向けて伝搬する偏光出力レーザビームを生成する。上記偏光出力レーザビームは、上記入力レーザビームと上記光学平面フィルムとがなすとがなす上記入射角の関数として変化する強度によって特徴付けられる。上記検流計駆動部材により提供される上記回転可能な駆動シャフトの高速遷移は、上記入力レーザビームと上記光学平面フィルムとがなすとがなす上記入射角を変化させて上記偏光出力レーザビームの強度の高速変化を実現する。
【０００７】
付加的な態様及び利点は、添付図面を参照して述べられる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、一実施形態における、偏光出力レーザビームの高速強度変化を行うシステムの模式的ブロック図である。
【図２】図２は、図１の２−２線に沿ったシステムの各種部品の底面図である。
【図３】図３は、高感度光入射角光学素子の光学平面フィルムと入射レーザビームとの間における、入射角に対する、図１のシステムの高感度光入射角光学素子の透過率を表しているグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、入力レーザビーム１０２を選択的に減衰させて強度（例えばパワーレベル）を変化させた偏光出力レーザビーム１０３を生成するためのシステム１００の一実施形態のハードウェアアーキテクチャを示す模式的ブロック図である。入力レーザビーム１０２は、ｐ偏光を含み、好ましくは実質的に全くｓ偏光を含んでいない。入力レーザビーム１０２は、紫外線（ＵＶ）レーザ源（例えば、３５５ｎｍレーザ）のような（これに限られるわけではない）従来のレーザ源（図示せず）により生成される。システム１００は、入力レーザビーム１０２がワークピース（図示せず）上のターゲット位置に向かって伝搬していくビーム光路１０８の第１の部分１０６と交差するように配置された高感度光入射角光学素子１０４を含んでいる。一例では、光学素子１０４は偏光器であり、好ましくは薄膜偏光器である。しかしながら、より詳しくは後述するが、光学素子と入射光とがなす入射角の関数として変化する入射光透過率によって特徴付けられる他の任意の光学素子を用いてもよい。光学素子１０４は、光学平面フィルム１１４（例えばオプティカルコーティング）がその上に形成されたガラス又はガラス状材料からなる基板１１２を含んでいる。基板１１２は、図１に示されるように、比較的平坦な板であり得る。あるいは、基板１１２をくさび形にして、別のくさび形の基板に固定して（例えば結合剤で固定して）立方体を形成し、光学平面フィルム１１４が立方体の中心を通って対角に切断するようにしてもよい。
【００１０】
光学平面フィルム１１４は、入力レーザビーム１０２を偏光出力レーザビーム１０３に対応する透過光成分と反射光成分１１８とに分離する。偏光出力レーザビーム１０３は、可変で、後述するように光学平面フィルム１１４と入力レーザビーム１０２とがなすとがなす入射角θ1に依存する強度レベルを有するｐ偏光を含んでいる。好ましくは、偏光出力レーザビーム１０３はｓ偏光を含んでいない。反射光成分１１８も、偏光出力レーザビーム１０３の強度レベルの変化と逆の関係で変化する強度レベルを有するｐ偏光を含んでいる。入力レーザビーム１０２がｐ偏光に加えてｓ偏光を含んでいると、偏光出力レーザビーム１０３及び反射光成分１１８も、入射角θ1の関数である可変強度レベルを有するｓ偏光を含み得る。
【００１１】
反射光成分１１８は、反射光成分１１８を吸収して反射光成分１１８がワークピースに到達するのを防止するレーザダンプ要素１２２に向かって反射ビーム光路１２０に沿って進む。第１の実施形態においては、偏光出力レーザビーム１０３は、偏光出力レーザビーム１０３と交差するように配置された第２の光学素子１２６に向かってビーム光路１０８の第２の部分１２４に沿って進む。第２の光学素子１２６は、光学素子１０４によりもたらされたビームオフセット１２７（後でより詳細に述べる）を補償するために設けられたビーム変位光学素子である。別の第２の実施形態（図示せず）においては、第２の光学素子１２６が省略され、偏光出力レーザビーム１０３は、ワークピース上のターゲット位置に入射するように偏光出力レーザビーム１０３を調整する次段の従来の光学系１２８（例えば、集束レンズやビームポジショナ）に向かってビーム光路１０８の第２の部分１２４に沿って進み続ける。以下の説明は、第１の実施形態について述べている。
【００１２】
第２の光学素子１２６は、偏光出力レーザビーム１０３を受けて、それを（あるいは偏光出力レーザビーム１０３の一部を）ビーム光路１０８の第３の部分１２９に沿って光学系１２８に向けて透過させる。光学素子１０４と同様に、第２の光学素子１２６は、偏光出力レーザビーム１０３の光の一部をビーム光路１０８から分離して反射光ビーム１３０を生成する光学平面フィルムを含む高感度光入射角光学素子であってもよく、（符号１０３’で表される）偏光出力レーザビーム１０３の残りの部分がビーム光路１０８の第３の部分１２９に沿って第２の光学素子１２６中を透過してもよい。一例においては、第２の光学素子１２６は薄膜偏光器である。第２の光学素子１２６が反射光ビーム１３０を生成する光学平面フィルムである場合、反射光ビーム１３０を吸収するために第２のレーザダンプ要素１３２が設けられる。あるいは、第２の光学素子１２６は反射防止膜板であってもよく、この場合、反射光ビーム１３０は生成されず、第２のレーザダンプ要素１３２が省略され、実質的にすべての偏光出力レーザビーム１０３がビーム光路１０８の第３の部分１２９に沿って第２の光学素子１２６中を透過する。
【００１３】
図１に示されるように、ビーム光路１０８の第２の部分１２４は、ビームオフセット１２７に対応する量だけ第１の部分１０６からオフセットしている。第２の光学素子１２６は、ビーム光路１０８の第３の部分１２９が第１の部分１０６の揃うように、ビーム光路１０８の第３の部分１２９を、ビームオフセット１２７と実質的に大きさが等しく方向が逆の変位量１３４だけ第２の部分１２４から変位させるためにシステム１００内に設けられる。換言すれば、第２の光学素子１２６は、光学素子１０４によりもたらされたビームオフセット１２７を補償するために、任意に設けられるものである。
【００１４】
図２は、入射角θ1と偏光出力レーザビーム１０３の強度レベルを制御するために光学素子１０４と協働する検流計システム２００を示すシステム１００（わかりやすくするためにダンプ要素１２２及び１３２は除いている）の底面図である。検流計システム２００は、回転可能な駆動シャフト２０４と協働する検流計駆動部材２０２を含んでいる。従来の検流計システムは、典型的には、ワークピース上の異なるターゲット位置にレーザビームを導くために駆動シャフトに固定されたミラーを含んでいる。例えば、米国特許第４，５３２，４０２号「集積回路上に集束ビームを位置決めする方法及び装置」は、従来の検流計システムを述べている。しかしながら、検流計システム２００においては、従来のミラーは光学素子１０４に置き換えられており、光学素子１０４は、偏光出力レーザビーム１０３の高速減衰を可能とするために、マウンティングシューのようなマウント２０６を介して駆動シャフト２０４の端部に固定されている。
【００１５】
プロセッサ２０９から受信した制御信号２０８に応答して、検流計駆動部材２０２は、ビーム光路１０８の第１の部分１０６を横断する回転軸２１０周りにシャフト２０４と光学素子１０４を回転させる。図１において、回転軸２１０は紙面の内外に延びている。プロセッサ２０９は、選択された偏光出力レーザビーム１０３の強度レベルをシャフト２０４及び光学素子１０４の対応する角度位置に関連付ける情報（例えばコンピュータプログラム）に応じて動作する。偏光出力レーザビーム１０３に対して選択された強度レベルが所望のものである場合、プロセッサ２０９は、選択された強度レベルに関連付けられた対応する角度位置を表す指令を含む制御信号２０８を検流計駆動部材２０２に送る。検流計駆動部材２０２は、制御信号２０８に応答してシャフト２０４及び光学素子１０４を対応する角度位置まで回転させる。
【００１６】
検流計システム２００は、プロセッサ２０９から指令された対応する角度位置に比較的高速かつ正確にシャフト２０４を移動するように動作する。このように、光学素子１０４をシャフト２０４に固定することによって、検流計システム２００は、光学平面フィルム１１４と入力レーザビーム１０２とがなすとがなす入射角θ1を素早く変化させ、選択された偏光出力レーザビーム１０３の強度レベルに関連付けられた対応する角度位置に正確に光学素子１０４を位置決めすることが可能である。一例では、検流計システム２００は、１０ミリ秒（ｍｓ）未満、好ましくは約２００マイクロ秒（μｓ）以内に、対応する角度位置のうち異なる角度位置の間で光学素子１０４を回転させることができる。
【００１７】
入射角θ1の範囲を変化されることにより、検流計システム２００は、偏光出力レーザビーム１０３のｐ偏光の強度レベルを制御することができる。上述したように、光学平面フィルム１１４は、入力レーザビーム１０２のｐ偏光の一部を透過させ、一部を反射させるように動作する。光学平面フィルム１１４を透過するｐ偏光の量は、光学平面フィルム１１４と入力レーザビーム１０２とがなすとがなす入射角θ1に依存している。換言すれば、偏光出力レーザビーム１０３のｐ偏光の強度レベルは、入射角θ1の関数として変化する。一例では、偏光出力レーザビーム１０３のｐ偏光の強度レベルは、入射角θ1がブルースター角に対応するときに最大となる。光学平面フィルム１１４で反射するｐ偏光の量も入射角θ1に依存しているが、光学平面フィルム１１４を透過するｐ偏光の量に反比例して変化する。したがって、一例では、反射光成分１１８のｐ偏光の強度レベルは、入射角θ1がブルースター角となるときに最小となる。
【００１８】
図３は、光学素子１０４が薄膜偏光器であり、入力レーザビーム１０２の波長が約３５５ｎｍである一例における、光学素子１０４のｐ偏光透過率と入射角θ1を表す曲線３００を示している。図３において、縦座標軸（すなわち透過率軸）は０．０００１〜１に及んでおり、０．０００１は透過されるｐ偏光入射光の０．０１％を表しており、１は透過されるｐ偏光入射光の１００％に対応している。この例において、ブルースター角は約５６．６度の角に対応しており、入射角θ1がブルースター角のときに、光学素子１０４は入力レーザビーム１０２のｐ偏光のほぼ１００％（例えば９５％よりも多い）を透過させることが可能である。曲線３００は、入射角θ1がブルースター角から乖離すると（例えばルースター角より小さくなると）、偏光出力レーザビーム１０３のｐ偏光の強度レベルが減少することを示している。例えば、入射角θ1が約２５度のとき、偏光出力レーザビーム１０３のｐ偏光の強度レベルは、入力レーザビーム１０２のｐ偏光の強度レベルの０．１％未満である。したがって、検流計システム２００は、光学素子１０４を選択された角度位置まで回転軸２１０周りに回転させることにより、偏光出力レーザビーム１０３を素早くかつ正確に所望の強度レベルに減衰させることができる。システム１００は、光学素子１０４を素早く回転させることが可能な検流計システム２００を含んでいるので、システム１００は、従来の回転波長板及び次段偏光器よりもずっと高速な動的レーザビーム減衰を可能にする。また、ＡＯＭシステムと比較すると、システム１００は、最大透過率をより高くすることができ、光学的な複雑さを低減することができ、これによりシステム１００をより簡単に位置合わせし、システム１００の必要なビーム光路をより短くすることができる。
【００１９】
検流計システム２００が入射角θ1を変化させるとき、ビームオフセット１２７の範囲も変化する。したがって、システム１００は、第２の光学素子１２６と協働してビームオフセット１２７の変化を補償する第２の検流計システム４００を任意的に含む。第２の検流計システム４００は、回転可能な駆動シャフト４０４と協働する検流計駆動部材４０２を含んでいる。第２の光学素子１２６は、マウンティングシューのようなマウント４０６を介して駆動シャフト４０４の端部に固定されている。プロセッサ２０９から受信した制御信号４０８に応答して、検流計駆動部材４０２は、ビーム光路１０８の第２の部分１２４を横断する回転軸４１０周りにシャフト４０４と第２の光学素子１２６を回転させて、第２の光学素子１２６と偏光出力レーザビーム１０３とがなすとがなす入射角θ2を変化させる。入射角θ2が変化すると、変化量１３４の範囲が変化する。したがって、プロセッサ２０９は、ビーム光路１０８の第３の部分１２９の位置が第１の部分１０６の位置と揃ったままとなるように、第２の光学素子１２６の回転を光学素子１０４の回転に合わせる情報（例えばコンピュータプログラム）に応じて動作する。プロセッサ２０９が光学素子１０４を回転させるために制御信号２０８を検流計駆動部材２０２に送信する際に、プロセッサ２０９は、また、第２の光学素子１２６の角度位置を表す指令を含む制御信号４０８を検流計駆動部材４０２に送信し、検流計駆動部材４０２は、光学素子１０４の回転と連携して第２の光学素子１２６を回転させて、ビーム光路１０８の第３の部分１２９の位置を第１の部分１０６の位置に揃え続ける。また、第２の光学素子１２６が光学素子１０４のような高感度光入射角光学素子である場合、検流計システム４００は、第２の光学素子１２６を回転軸４１０周りに回転させて、システム１００が偏光出力レーザビーム１０３を減衰できる範囲を広げてもよい。
【００２０】
光学素子１０４の回転により入射角θ1が変化すると、反射ビーム光路１２０は、図１の位置から右又は左にずれる。したがって、一実施形態においては、レーザダンプ要素１２２は、反射光成分１１８が反射ビーム光路１２０のずれの範囲を超えてレーザダンプ要素１２２に入射するのに十分なほど大きい。別の実施形態においては、反射光成分１１８がレーザダンプ要素１２２に必ず入射するようにレーザダンプ要素１２２が反射ビーム光路１２０のずれと連携して移動する。また、第２の光学素子１２６が反射光ビーム１３０を生成する光学平面フィルムを含む場合には、入射角θ2の変化に応じて反射光ビーム１３０がずれる際に反射光ビーム１３０を捕捉するように、レーザダンプ要素１２２の実施形態の１つに応じてレーザダンプ要素１３２を構成してもよい。
【００２１】
本発明の基礎をなす原理から逸脱することなく上述した実施形態の詳細に対して多くの変更が可能であることは当業者に自明であろう。例えば、偏光出力レーザビーム１０３に代えて、あるいは偏光出力レーザビーム１０３に加えて可変強度加工ビームとして反射光成分１１８を用いることが可能であることが考えられる。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲のみによって画定されるべきである。
【図１】
2013524512.tif 000003
【図２】
2013524512.tif 000004
【図３】
2013524512.tif 000005
【国際調査報告】
2013524512.tif 000006
2013524512.tif 000007