(57)【要約】  レーザ発振器において、第１のレーザ光を出力するレーザ光源と、第１のレーザ光を波長変換してパルスエネルギーが５００μＪ以上となる第２のレーザ光を出力する波長変換部と、波長変換部よりも光路後段側に配置されるとともに、波長変換部で波長変換された第２のレーザ光を伝播させる光学部品と、を備え、光学部品に入射する第２のレーザ光のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、波長変換部と光学部品との間に距離が設けられている。
2015029141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記第１のレーザ光を波長変換してパルスエネルギーが５００μＪ以上となる第２のレーザ光を出力する波長変換部と、
前記波長変換部よりも光路後段側に配置されるとともに、前記波長変換部で波長変換された前記第２のレーザ光を伝播させる光学部品と、
を備え、
前記光学部品に入射する前記第２のレーザ光のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、前記波長変換部と前記光学部品との間に距離が設けられていることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項２】
前記第２のレーザ光の波長は、５３２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項３】
前記光学部品に損傷が発生したか否かを判定する損傷判定部と、
前記光学部品を載置するとともに、前記光学部品に損傷が発生したと判定された場合には、前記光学部品の位置を移動させることによって前記光学部品への前記第２のレーザ光の照射位置を移動させる移動機構と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振器。
【請求項４】
前記第２のレーザ光のビーム形状を検出するビーム形状検出部をさらに備え、
前記損傷判定部は、検出したビーム形状の所定形状からのずれ量が所定値よりも大きくなると、前記光学部品に損傷が発生したと判定することを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振器。
【請求項５】
所定寸法の穴から前記第２のレーザ光を通過させるとともに、前記穴以外の位置で前記第２のレーザ光を遮断し、且つ前記第２のレーザ光の光路中に挿入自在に配置された開口部をさらに備え、
前記損傷判定部は、前記開口部が前記光路中に挿入された状態での前記第２のレーザ光の透過率が、前記開口部が前記光路中に挿入されていない状態での前記第２のレーザ光の透過率から所定値以上変化すると、前記光学部品に損傷が発生したと判定することを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振器。
【請求項６】
前記光学部品は、前記波長変換部から出力される前記第２のレーザ光と当該第２のレーザ光以外のレーザ光とを分離する分離プリズムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
【請求項７】
前記光学部品は、前記波長変換部から出力される前記第２のレーザ光のビーム径、ビーム広がり角またはモード形状を変化させるレンズであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
【請求項８】
前記波長変換部は、前記第１のレーザ光を２倍波レーザ光に変換するＳＨＧ結晶を有し、
前記第２のレーザ光は、前記２倍波レーザ光であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
【請求項９】
前記波長変換部は、前記第１のレーザ光を２倍波レーザ光に変換するＳＨＧ結晶と、前記第１のレーザ光および前記２倍波レーザ光を用いて３倍波レーザ光を生成するＴＨＧ結晶と、を有し、
前記第２のレーザ光は、前記３倍波レーザ光であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
【請求項１０】
前記第２のレーザ光は、ＵＶレーザ光であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換したレーザ光を発生させるレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器（ＵＶ波長変換レーザ装置）では、高い出力を得るために、波長変換結晶でビームを集光させて波長変換効率を高くしている。このため、ＵＶレーザ光を発生させるＴＨＧ結晶よりも光路後段の光学部品においても、ビーム径が十分に広がっていないために入射ビームのエネルギー強度が高くなる場合がある。【０００３】
例えば、波長変換結晶よりも光路前段にレンズを配置することによって波長変換結晶でビームを集光し、高い波長変換効率を得る方法がある。この方法の場合、ビームが波長変換結晶を出射した後に最初に入射される光学部品は、ビーム径が十分大きくないので、ビームのエネルギー強度が高くなることがある。このため、波長変換結晶よりも光路後段の光学部品（特に入射ビームのエネルギー強度が高い光学部品）において光学部品（素子）に損傷が発生することがあった。一般に、波長変換結晶の光路後段には、ＵＶレーザ光を基本波レーザ光等から分離するための光学系、所望のビーム径およびビーム形状を得るための光学系などが配置される。このため、これらの光学系にて使用される光学部品のうち、入射ビームのエネルギー密度が高い光学部品で損傷が発生する。【０００４】
ところで、ＩＳＯ１１２５４では、光学部品表面の損傷閾値を求める方法が規定されている。光学部品の損傷閾値は、照射するレーザ光のショット数が増加するにつれて減少する特性を示し、ショット数を対数とした関数で数式化される。そして、ショット数が所定数になると、損傷閾値はほとんど変わらない特性になると考えられていた。【０００５】
例えば、基本波レーザ光に対して合成石英を使用する場合、２〜３Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度でパルス幅３０ｎｓ程度のパルスレーザを１×１０11パルス照射しても損傷は発生しない。これは、上記ＩＳＯで規定される関数で考えた場合、基本波レーザ光は、エネルギー密度が損傷閾値よりも十分小さい値であるからと考えられる。【０００６】
一方、レーザ光の波長が短くなるにつれ損傷閾値は低くなる傾向にあるので、ＵＶレーザ光は、基本波レーザ光よりも損傷閾値が小さくなる。例えば、特許文献１には、合成石英に、１４Ｊ／ｃｍ2のエネルギー密度で、１×１０7パルス照射した場合には損傷は発生しないことが開示されている。【０００７】
また、合成石英の製造条件によっては同じエネルギー密度であっても１×１０4パルスで損傷が確認されている。これらのことから、１×１０11パルスの照射でも損傷を発生させないためには１Ｊ／cm2未満のエネルギー密度にしておく必要があることが想定されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−５９４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、実際には０．２Ｊ／ｃｍ2程度のＵＶレーザパルスを照射しても１×１０9パルス程度で損傷が発生することが確認された。このため、上記従来技術では、光学部品が十分な寿命を有していないという問題があった。【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光学部品の寿命を長くすることができるレーザ発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ発振器は、第１のレーザ光を出力するレーザ光源と、前記第１のレーザ光を波長変換してパルスエネルギーが５００μＪ以上となる第２のレーザ光を出力する波長変換部と、前記波長変換部よりも光路後段側に配置されるとともに、前記波長変換部で波長変換された前記第２のレーザ光を伝播させる光学部品と、を備え、前記光学部品に入射する前記第２のレーザ光のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、前記波長変換部と前記光学部品との間に距離が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光学部品の寿命を長くすることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態１に係るレーザ発振器の構成を示す図である。
【図２】図２は、ＴＨＧ結晶よりも光路後段の最初の光学部品の配置位置を説明するための図である。
【図３】図３は、光学部品へのパルスレーザのショット数と、光学部品の損傷閾値との関係を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態２に係るレーザ発振器の構成を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態３に係るレーザ発振器の構成を示す図である。
【図６】図６は、レーザ加工装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ発振器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ発振器の構成を示す図である。レーザ発振器１０Ａは、例えば、基本波レーザ光を波長変換してＵＶレーザ光を出力するＵＶ（Ultra  Violet）波長変換レーザ装置（ＵＶレーザ発振器）である。
【００１６】
本実施の形態のレーザ発振器１０Ａは、パルスエネルギーが５００μＪ以上のＵＶレーザ光をＴＨＧ（Third  Harmonic  Generation）結晶から出力するとともに、ＴＨＧ結晶よりも光路後段に配置された光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のＵＶレーザ光を入射させる。レーザ発振器１０Ａでは、ＴＨＧ結晶と、ＴＨＧ結晶以降に配置された光学部品との間の距離を十分とることによって、ＵＶレーザ光が照射される光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のレーザ光を入射させる。
【００１７】
レーザ発振器１０Ａは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ（Second  Harmonic  Generation）結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７とを有している。
【００１８】
レーザ光源１１は、基本波レーザ光５１を出力して光路後段側に送る。レーザ光源１１には、例えばＹＡＧレーザ等の光源が用いられる。レーザ光源１１から出力された基本波レーザ光５１は、ミラーなどを介してＳＨＧ結晶１２に導かれる。
【００１９】
ＳＨＧ結晶１２は、光路前段から数えて１個目の波長変換結晶であり、基本波レーザ光５１を２倍波レーザ光に変換する。２倍波レーザ光は、ＳＨＧ結晶１２からＴＨＧ結晶１３に送られる。
【００２０】
ＴＨＧ結晶１３は、光路前段から数えて２個目の波長変換結晶である。ＴＨＧ結晶１３は、ＳＨＧ結晶１２で変換された２倍波レーザ光と、波長変換されずに残った基本波レーザ光５１とを用いて、ＵＶレーザ光５２を生成する。ＵＶレーザ光５２と、波長変換されずに残った２倍波レーザ光および基本波レーザ光５１とは、ＴＨＧ結晶１３から分離プリズム１４Ａ，１４Ｂに送られる。なお、以下の説明では、基本波レーザ光５１、２倍波レーザ光またはＵＶレーザ光５２をレーザ光という場合がある。
【００２１】
分離プリズム１４Ａ，１４Ｂは、角度分散を利用して各波長成分のレーザ光を分離し、ＵＶレーザ光５２をエキスパンドレンズ１５に送る。エキスパンドレンズ１５は、ＵＶレーザ光５２のビーム径を変化させて（拡大して）コリメートレンズ１６に送る。コリメートレンズ１６は、ビーム広がり角を変化させるレンズである。コリメートレンズ１６は、ＵＶレーザ光５２を平行光に変化させてトップハットレンズ１７に送る。トップハットレンズ１７は、ＵＶレーザ光５２のモード形状を変化させて出射端（出口）に出力する。なお、トップハットレンズ１７は、エキスパンドレンズ１５またはコリメートレンズ１６よりも光路前段に配置されてもよい。
【００２２】
本実施の形態のレーザ発振器１０Ａでは、ＴＨＧ結晶１３と、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の光学部品である分離プリズム１４Ａとの距離が、パルスエネルギーおよび分離プリズム１４Ａに入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度に応じた距離Ｌ１とされている。
【００２３】
具体的に、レーザ発振器１０Ａでは、ＴＨＧ結晶１３と分離プリズム１４Ａとの距離が、パルスエネルギー（５００μＪ以上）および分離プリズム１４Ａでのエネルギー密度（３０ｍＪ／ｃｍ2以下）に応じた距離Ｌ１だけ離されている。これにより、分離プリズム１４Ａに入射させるＵＶレーザ光５２のビーム径を拡大することができるので、ＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を低くすることが可能となる。
【００２４】
レーザ発振器１０Ａでは、高いレーザ光出力を得るために、波長変換結晶（ＳＨＧ結晶１２、ＴＨＧ結晶１３）でレーザ光（ビーム）を集光させて波長変換効率を高めてもよい。また、レーザ発振器１０Ａでは、波長変換結晶に寸法の長い素子を用いて波長変換効率を高めてもよい。この場合、レーザ発振器１０Ａでは、波長変換結晶に入射するレーザ光のＮＡが小さくされることによって、レーザ光の広がり角が小さくされる。これにより、波長変換結晶内全域でのビーム径が小さくされる。
【００２５】
このように、レーザ発振器１０Ａにおいて高いレーザ光出力を得るためには、ＴＨＧ結晶１３の出射面でのＵＶレーザ光５２のビーム径は小さくされる。この結果、ＴＨＧ結晶１３の出射面には有機物が堆積し易く、この堆積した有機物がＵＶレーザ光５２の出力を低下させる。
【００２６】
このため、波長変換結晶を密閉筐体に格納しておいてもよい。これにより、ＴＨＧ結晶１３への有機物の付着を低減することができる。この場合において、波長変換結晶を使用する前に密閉筐体内を真空引きしておいてもよい。これにより、波長変換結晶の近傍を有機物の少ない環境にすることができる。また、分離プリズム１４Ａなどの光学部品に粉塵等の汚れが付着することを防止するために、光学部品および波長変換結晶を密閉筐体内に配置しておいてもよい。また、レーザ発振器１０Ａは、定期的にＴＨＧ結晶１３へのレーザ光の照射位置を変更できるよう構成されてもよい。
【００２７】
また、波長変換結晶でのＵＶレーザ光５２のビーム径を小さくすることによって、ＵＶレーザ光５２を発生させるＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の光学部品において、ＵＶレーザ光５２のビーム径が小さくなり、ＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が高くなる。
【００２８】
このため、本実施の形態では、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の最初の光学部品（例えば、分離プリズム１４Ａ）に入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下になるよう、各光学部品が配置されている。
【００２９】
このような構成により、ＵＶレーザ光５２は、ＴＨＧ結晶１３を出射した後、広がりながら伝播し、エネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下になる位置で、分離プリズム１４Ａ等の光学部品に入射する。したがって、レーザ発振器１０Ａは、１×１０10パルスレベルまでＵＶレーザ光５２をパルス照射可能となり、その結果、光学部品の寿命を安定させることが可能となる。
【００３０】
レーザ発振器１０Ａでは、ＵＶレーザ光５２用の光学部品として合成石英（石英ガラス）などが使用される。これは、合成石英を用いた光学部品が、基本波レーザ光５１、２倍波レーザ光およびＵＶレーザ光５２に対して高い耐光強度と寿命を有しているからである。すなわち、合成石英は、ＵＶレーザ光５２の波長だけでなく、基本波レーザ光５１および２倍波レーザ光の波長に対しても高い透過性を示す。このことから、合成石英は、レーザ発振器１０Ａ内で発生する何れの波長のレーザ光に対しても用いることができる。レーザ発振器１０Ａでは、波長変換後のＵＶレーザ光５２を基本波レーザ光５１等から分離する際に、例えば、合成石英を母材とした分離プリズム１４Ａ，１４Ｂが用いられる。
【００３１】
ここで、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の最初の光学部品の配置位置について説明する。図２は、ＴＨＧ結晶よりも光路後段の最初の光学部品の配置位置を説明するための図である。
【００３２】
図２では、ＴＨＧ結晶１３のうち、ＵＶレーザ光５２を出射する位置を出射位置６２で示している。また、光学部品５０（例えば、分離プリズム１４Ａ）のうちＴＨＧ結晶１３から送られてくるＵＶレーザ光５２が入射される位置を入射位置（照射位置）６１で示している。
【００３３】
光学部品５０に入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となる光学部品５０の配置位置は、波長変換結晶（ここではＴＨＧ結晶１３）で集光される基本波レーザ光５１のビームウエスト径とレーザ出力値とに基づいて決定することができる。
【００３４】
レーザ発振器１０Ａでは、ＴＨＧ結晶１３から出力されるＵＶレーザ光５２のレーザ出力値を、例えば５００μＪ以上とする。レーザ出力値が５００μＪ以上である場合、ＴＨＧ結晶１３から出力される際のＵＶレーザ光５２のビーム径は、例えば０．５ｍｍである。
【００３５】
レーザ発振器１０Ａでは、例えば、ＴＨＧ結晶１３のレーザ光出射面と光学部品５０のレーザ光入射面との間の距離をＬ１とすることで光学部品５０に入射させるＵＶレーザ光５２を直径１．５ｍｍ以上のビーム径とする。これにより、光学部品５０に入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下とされる。
【００３６】
なお、入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を３０ｍＪ／ｃｍ2以下としておく光学部品は、分離プリズム１４Ａに限らず、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の全ての光学部品としておいてもよい。換言すると、レーザ発振器１０Ａでは、ＵＶレーザ光５２が通過する全ての光学部品に対して、入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、光学部品が配置される。
【００３７】
レーザ発振器１０Ａでは、例えば、分離プリズム１４Ｂ、エキスパンドレンズ１５、コリメートレンズ１６およびトップハットレンズ１７の全てに対して、入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を３０ｍＪ／ｃｍ2以下としておく。
【００３８】
なお、レーザ発振器１０Ａの出口（ＵＶレーザ光５２の出力位置）でのビーム径を所望の大きさにするために、レーザ発振器１０Ａ内に、レーザ光を拡大または縮小させる各種光学系を配置しておいてもよい。
【００３９】
また、レーザ発振器１０Ａ内には、レーザ光のビーム形状（ビームプロファイル）をガウス分布形状からトップハット分布形状等に調整するために、各種光学系（光学部品）を配置しておいてもよい。この場合も、レーザ発振器１０Ａでは、これらの光学部品に入射するＵＶレーザ光５２のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、各光学部品が配置される。
【００４０】
また、入射するエネルギー密度を３０ｍＪ／ｃｍ2以下としておくレーザ光は、ＵＶレーザ光５２に限らない。例えば、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段の光学部品に対して、波長５３２ｎｍ以下のレーザ光がエネルギー密度３０ｍＪ／ｃｍ2以下で入射されるよう、各光学部品などをレーザ発振器１０Ａ内に配置しておいてもよい。
【００４１】
また、レーザ発振器１０Ａは、ＵＶ波長変換レーザ装置に限らず、何れの波長変換レーザ装置であってもよい。また、レーザ光源１１から出力されるレーザ光の波長は何れの波長であってもよい。また、レーザ発振器１０Ａは、波長変換結晶として、ＴＨＧ結晶１３を備えずＳＨＧ結晶１２のみを備えていてもよい。また、レーザ発振器１０Ａは、波長変換結晶として、ＳＨＧ結晶１２およびＴＨＧ結晶１３と、ＦＨＧ（Fourth  Harmonic  Generation）結晶とを備えていてもよい。
【００４２】
ところで、ＩＳＯ１１２５４では、光学部品表面の損傷閾値を求める方法が規定されている。図３は、光学部品へのパルスレーザのショット数と、光学部品の損傷閾値との関係を示す図である。図３では、ＵＶパルスレーザ（ＵＶレーザ光５２）を光学部品に照射した場合の損傷閾値特性１０１を示している。
【００４３】
光学部品の損傷閾値（損傷ピークパワー密度）は、この値を超えるピークパワー密度を有したレーザ光が光学部品に当てられた場合に、光学部品に損傷を与える値である。光学部品の損傷閾値は、高い値であるほど耐久性が高く実用的である。
【００４４】
図３に示すように、光学部品の損傷閾値は、ＵＶパルスレーザのショット数が増加するに従って小さくなっていく。換言すると、光学部品は、パルスレーザのショット数が増えるに従って損傷を受けやすくなる。
【００４５】
そして、図３に示すように、パルスレーザのショット数が所定数（１×１０9ショット）になると、損傷閾値がほとんど変わらなくなることが予想されていた。しかしながら、ＵＶレーザパルスの場合、１×１０11ショットレベルでも、損傷閾値が、まだショット数に大きく依存することが判明した。したがって、本実施の形態では、光学部品に入射させるＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を、３０ｍＪ／ｃｍ2以下とし、これにより、光学部品への損傷を防止している。
【００４６】
このように、実施の形態１によれば、ＴＨＧ結晶１３からパルスエネルギーが５００μＪ以上のレーザ光を出力するとともに、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段に配置された光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のＵＶレーザ光５２が入射されるよう光学部品が配置されている。このため、光学部品にＵＶパルスレーザが１×１０9パルス照射された場合であっても、損傷の発生を防止することができる。したがって、光学部品に十分な寿命を与えることが可能となる。
【００４７】
実施の形態２．
つぎに、図４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、ＵＶレーザ光５２のビーム形状（空間強度分布）が、所定形状からずれてきた場合に、光学部品を移動させることによって、光学部品へのＵＶレーザ光５２の入射位置を移動させる。
【００４８】
図４は、実施の形態２に係るレーザ発振器の構成を示す図である。図４の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１のレーザ発振器１０Ａと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。
【００４９】
本実施の形態のレーザ発振器１０Ｂは、ＵＶレーザ光５２のビーム形状を検出する機能と、ビーム形状が所定形状からずれてきたか否かを判定する機能と、ビーム形状が所定形状からずれてきた場合に光学部品の位置を移動させる機能とを有している。
【００５０】
具体的には、レーザ発振器１０Ｂは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７と、ミラー２１と、ＣＣＤカメラ２２と、ビーム吸収部２３と、損傷判定部２４と、駆動制御部２５と、移動機構２０とを有している。
【００５１】
レーザ発振器１０Ｂでは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７とが、レーザ発振器１０Ａと同様の位置に配置されている。
【００５２】
ミラー２１は、レーザ発振器１０ＢのうちＵＶレーザ光５２を出射する位置（出口）に配置される。具体的には、ミラー２１は、コリメートレンズ１６よりも光路後段に配置される。ミラー２１は、開閉自在に配置されている。ミラー２１は、開状態の時には、ＵＶレーザ光５２を通過させ、閉状態の時にはＵＶレーザ光５２を反射してビーム吸収部２３に送る。
【００５３】
レーザ発振器１０Ｂが、ＵＶレーザ光５２を外部出力する際には、レーザ光源１１がパルス発振動作に制御されるとともに、ミラー２１が開状態に制御される。また、レーザ発振器１０Ｂが、ＵＶレーザ光５２の外部出力を停止する際には、レーザ光源１１がＣＷ（Continuous  Wave）発振動作に制御されるとともに、ミラー２１が閉状態に制御される。さらに、レーザ発振器１０Ｂが、ＵＶレーザ光５２のビーム形状を検出する際には、レーザ光源１１がパルス発振動作に制御されるとともに、ミラー２１が閉状態に制御される。
【００５４】
ビーム吸収部２３は、ＵＶレーザ光５２の一部を吸収するとともに、残りの一部をＣＣＤカメラ（ビーム形状検出部）２２に送る。ＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）カメラ（撮像装置）２２は、ミラー２１で反射されて送られてくるＵＶレーザ光５２のビーム形状を検出する。ＣＣＤカメラ２２は、ＵＶレーザ光５２のビーム形状を損傷判定部２４に送る。
【００５５】
損傷判定部２４は、例えば、コンピュータであり、ＣＣＤカメラ２２から送られてくるＵＶレーザ光５２のビーム形状が、所定のビーム形状からずれているか否かを判定する。損傷判定部２４は、例えば、ＵＶレーザ光５２がガウス形状の分布であれば理想ガウス分布との間の相関係数（形状ずれ量）を算出し、算出結果に基づいて光学部品の損傷具合を判定する。相関係数は、理想分布と完全一致していれば１．０となる係数である。損傷判定部２４は、例えば、相関係数が０．９未満であれば、何らかの損傷が光学部品内の素子に発生したと判定する。損傷判定部２４は、光学部品に損傷が発生したと判定した場合に、移動指令を駆動制御部２５に送る。駆動制御部２５は、損傷判定部２４から送られてくる移動指令に従って、移動機構２０を駆動制御し、これにより、移動機構２０の位置を移動させる。
【００５６】
移動機構２０は、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂを載置するとともに、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂを移動させるステージなどである。移動機構２０は、ＵＶレーザ光５２の光軸がずれない方向に移動機構２０を移動させる。図４の場合、移動機構２０は、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂを紙面の上側に移動させる。
【００５７】
なお、ミラー２１、ＣＣＤカメラ２２、ビーム吸収部２３、損傷判定部２４は、レーザ発振器１０Ｂと別構成にしてもよい。
【００５８】
前述したように、光学部品に入射するレーザ光がＵＶレーザ光５２である場合、１×１０11ショットレベルでも、損傷閾値がまだショット数に大きく依存することが判明した。このため、本実施の形態では、光学部品に入射させるＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を、３０ｍＪ／ｃｍ2にするとともに、ＵＶレーザ光５２の入射エネルギーが高い光学部品に対しては、定期的に光学部品を移動させる。
【００５９】
このように、本実施の形態では、ＵＶレーザ光５２が空間を伝播する距離を長くすることによって、光学部品に入射するＵＶレーザ光５２のビーム径を拡大させるとともに、光学部品が損傷した場合には、光学部品へのＵＶレーザ光５２の入射位置を移動させる。これにより、光学部品に対して、（１点あたりの寿命ショット数）×（移動ポイント数）だけの寿命を確保することが可能となる。
【００６０】
このように、光学部品に入射させるＵＶレーザ光５２のエネルギー密度を３０ｍＪ／ｃｍ2にするとともに、定期的に光学部品を移動させることによって、光学部品の寿命を、１×１０12ショット以上のレベルにまで長寿命化することが可能となる。
【００６１】
なお、本実施の形態では、レーザ発振器１０Ｂから最終的に出力されるＵＶレーザ光５２のビーム形状に基づいて、光学部品の損傷を判定したが、予め決めておいた所定の時間毎に光学部品を移動させてもよい。
【００６２】
また、本実施の形態では、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂを移動させる場合について説明したが、ＵＶレーザ光５２が照射される他の光学部品を移動させてもよい。この場合も、光学部品が損傷していると判定された場合に、ＵＶレーザ光５２の照射位置（光学部品への入射位置）が変更される。
【００６３】
このように、実施の形態２によれば、ＴＨＧ結晶１３からパルスエネルギーが５００μＪ以上のレーザ光を出力するとともに、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段に配置された光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のＵＶレーザ光５２が入射されるよう光学部品が配置されている。さらに、ＵＶレーザ光５２のビーム形状に基づいて、光学部品が損傷したか否かが判定され、損傷している場合には光学部品へのＵＶレーザ光５２の照射位置を移動している。このため、光学部品にＵＶパルスレーザが１×１０11パルス照射された場合であっても、光学部品の損傷の発生を防止することができる。したがって、光学部品に十分な寿命を与えることが可能となる。
【００６４】
実施の形態３．
つぎに、図５を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、ＵＶレーザ光５２の透過率が所定値以上変化した場合に、光学部品を移動させることによって、光学部品へのＵＶレーザ光５２の入射位置を移動させる。
【００６５】
図５は、実施の形態３に係るレーザ発振器の構成を示す図である。図５の各構成要素のうち、図１に示す実施の形態１のレーザ発振器１０Ａ、図４に示す実施の形態２のレーザ発振器１０Ｂと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。
【００６６】
本実施の形態のレーザ発振器１０Ｃは、ＵＶレーザ光５２のうちアパーチャ（開口部３１）を通過したＵＶレーザ光５２のビームパワーを測定する機能と、ビームパワーが所定範囲内からずれてきたか否かを判定する機能と、ビームパワーが所定範囲内からずれてきた場合に光学部品の位置を移動させる機能とを有している。
【００６７】
具体的には、レーザ発振器１０Ｃは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７と、開口部３１と、透過率検出部３２と、損傷判定部３３と、駆動制御部２５と、移動機構２０とを有している。
【００６８】
レーザ発振器１０Ｃでは、レーザ光源１１と、ＳＨＧ結晶１２と、ＴＨＧ結晶１３と、分離プリズム１４Ａ，１４Ｂと、エキスパンドレンズ１５と、コリメートレンズ１６と、トップハットレンズ１７とが、レーザ発振器１０Ａ，１０Ｂと同様の位置に配置されている。
【００６９】
開口部３１には、所定の寸法を有した穴が設けられている。開口部３１は、穴に入射してくるＵＶレーザ光５２を通過させるとともに、穴以外の位置に入射してくるＵＶレーザ光５２を遮断する。なお、開口部３１は、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段側であれば、レーザ発振器１０Ｃ内の光路中の何れの位置に配置してもよい。
【００７０】
開口部３１は、ＵＶレーザ光５２の光路中に対して挿入自在に配置されている。そして、開口部３１は、透過率が検査される際には、ＵＶレーザ光５２の光路中に移動させられる。開口部３１は、透過率が検査されない場合（ＵＶレーザ光５２を出力する際）には、ＵＶレーザ光５２の光路中から外される。
【００７１】
透過率検出部３２は、開口部３１がＵＶレーザ光５２の光路中に挿入された状態でのＵＶレーザ光５２の透過率と、開口部３１がＵＶレーザ光５２の光路中に挿入されていない状態でのＵＶレーザ光５２の透過率とを検出する。したがって、開口部３１は、光学部品の損傷を確認する度に光路中に挿入される。透過率検出部３２は、検出結果を損傷判定部３３に送る。
【００７２】
損傷判定部３３は、例えば、コンピュータであり、透過率検出部３２から送られてくる検出結果に基づいて、透過率の変化量を算出する。そして、損傷判定部３３は、透過率の変化量に基づいて、光学部品の損傷具合を判定する。
【００７３】
具体的には、損傷判定部３３は、開口部３１が光路中に挿入された状態でのＵＶレーザ光５２の透過率が、開口部３１が光路中に挿入されていない状態でのＵＶレーザ光５２の透過率から所定値以上変化すると、光学部品に何らかの損傷が発生したと判定する。損傷判定部３３は、光学部品に損傷が発生したと判定した場合に、移動指令を駆動制御部２５に送る。駆動制御部２５は、損傷判定部３３から送られてくる移動指令に従って、移動機構２０を駆動制御する。
【００７４】
このように、本実施の形態では、光路中の特定位置に開口部３１を設け、開口部３１を挿入した際の透過率の変化に基づいて光学部品が損傷したか否かが判定される。光学部品に損傷が発生すると、損傷部で熱を発生するので、熱レンズ効果によってＵＶレーザ光５２が集光される。このため、損傷前と損傷後とでは開口部３１でのＵＶレーザ光５２のビーム径に変化が生じる。なお、ＵＶレーザ光５２のビーム径は、光路中におけるレンズおよび開口部３１の配置位置に応じて、開口部３１で大きくなる場合と小さくなる場合とがある。
【００７５】
なお、透過率検出部３２は、開口部３１を通過するエネルギー量を検出してもよい。この場合、透過率検出部３２は、開口部３１がＵＶレーザ光５２の光路中に移動させられた場合に、開口部３１を透過するエネルギー量と、開口部３１がＵＶレーザ光５２の光路中に移動させられていない場合のＵＶレーザ光５２のエネルギー量とを検出する。そして、損傷判定部３３は、ＵＶレーザ光５２のエネルギー変化量に基づいて、光学部品の損傷具合を判定する。
【００７６】
レーザ発振器１０Ａ〜１０Ｃは、例えば、レーザ加工装置などに適用される。ここで、レーザ発振器１０Ａ〜１０Ｃがレーザ加工装置に適用された場合の、レーザ加工装置の構成について説明する。
【００７７】
図６は、レーザ加工装置の構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、プリント配線基板などのワーク（被加工物）７にスルーホールなどの穴あけ加工を行う装置である。本実施の形態のレーザ加工装置１００は、レーザ発振器１０Ａ〜１０Ｃの何れか１つと、ガルバノスキャンミラー３と、加工制御装置２と、を備えている。なお、ここではレーザ加工装置１００が、レーザ発振器１０Ａを備えている場合について説明する。
【００７８】
レーザ発振器１０Ａは、パルスレーザ光（ＵＶレーザ光５２）を出力してワーク７側に送る装置である。レーザ発振器１０Ａは、加工制御装置２からの指令に応じてパルスレーザ光を出力する。
【００７９】
加工制御装置２は、ガルバノスキャンミラー３の動作と同期してパルスレーザ光が出力されるよう、レーザ発振器１０Ａおよびガルバノスキャンミラー３を制御する。加工制御装置２は、レーザ出力指令をレーザ発振器１０Ａへ出力するとともに、位置決め指令（加工位置を指定する指令）をガルバノスキャンミラー３に出力する。
【００８０】
このように、加工制御装置２は、所望の穴あけ位置にパルスレーザ光を照射できるよう、加工プログラムに基づいて、レーザ発振器１０Ａから出力されるＵＶレーザ光５２の出射タイミングと、ガルバノスキャンミラー３の位置決め処理とを制御する。
【００８１】
また、レーザ加工装置１００は、出力されたパルスレーザ光に対して像転写光学系を構成しているマスク４およびｆθレンズ６を備えている。レーザ発振器１０Ａから出射されたＵＶレーザ光５２は、マスク４を介してガルバノスキャンミラー３に送られ、ガルバノスキャンミラー３で反射される。
【００８２】
ガルバノスキャンミラー３は、ガルバノエリア内でパルスレーザ光の照射位置を位置決めするミラーである。ガルバノスキャンミラー３は、パルスレーザ光を走査することによって、ｆθレンズ６を介してワーク７上のレーザ加工位置にレーザ光（ＵＶレーザ光５２）を照射する。
【００８３】
このように、実施の形態３によれば、ＴＨＧ結晶１３からパルスエネルギーが５００μＪ以上のレーザ光を出力するとともに、ＴＨＧ結晶１３よりも光路後段に配置された光学部品に対しては、３０ｍＪ／ｃｍ2以下のＵＶレーザ光５２が入射されるよう光学部品が配置されている。さらに、開口部３１を透過するＵＶレーザ光５２の透過率の変化量に基づいて、光学部品が損傷したか否かが判定され、損傷している場合には光学部品へのＵＶレーザ光５２の照射位置を移動している。このため、光学部品にＵＶパルスレーザが１×１０11パルス照射された場合であっても、光学部品の損傷の発生を防止することができる。したがって、光学部品に十分な寿命を与えることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上のように、本発明に係るレーザ発振器は、高いパルスエネルギーのレーザ光出力に適している。
【符号の説明】
【００８５】
１０Ａ〜１０Ｃ  レーザ発振器、１１  レーザ光源、１２  ＳＨＧ結晶、１３  ＴＨＧ結晶、１４Ａ，１４Ｂ  分離プリズム、１５  エキスパンドレンズ、１６  コリメートレンズ、１７  トップハットレンズ、２０  移動機構、２１  ミラー、２２  ＣＣＤカメラ、２３  ビーム吸収部、２４，３３  損傷判定部、２５  駆動制御部、３１  開口部、３２  透過率検出部、５０  光学部品、５１  基本波レーザ光、５２  ＵＶレーザ光、６１  入射位置、６２  出射位置、１００  レーザ加工装置。
【図１】
2015029141.tif 000003
【図２】
2015029141.tif 000004
【図３】
2015029141.tif 000005
【図４】
2015029141.tif 000006
【図５】
2015029141.tif 000007
【図６】
2015029141.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年5月28日(2014.5.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記第１のレーザ光を波長変換してパルスエネルギーが５００μＪ以上となる第２のレーザ光を出力する波長変換部と、
前記波長変換部よりも光路後段側に配置されるとともに、前記波長変換部で波長変換された前記第２のレーザ光を伝播させる、合成石英ガラスを部材とした光学部品と、
を備え、
前記光学部品に入射する前記第２のレーザ光のエネルギー密度が３０ｍＪ／ｃｍ2以下となるよう、前記波長変換部と前記光学部品との間に距離が設けられ、
前記第２のレーザ光の波長は、３５５ｎｍ以上で５３２ｎｍ以下であることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項２】
前記光学部品は、前記波長変換部から出力される前記第２のレーザ光と当該第２のレーザ光以外のレーザ光とを分離する分離プリズムであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項３】
前記光学部品は、前記波長変換部から出力される前記第２のレーザ光のビーム径、ビーム広がり角またはモード形状を変化させるレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項４】
前記波長変換部は、前記第１のレーザ光を２倍波レーザ光に変換するＳＨＧ結晶を有し、
前記第２のレーザ光は、前記２倍波レーザ光であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項５】
前記波長変換部は、前記第１のレーザ光を２倍波レーザ光に変換するＳＨＧ結晶と、前記第１のレーザ光および前記２倍波レーザ光を用いて３倍波レーザ光を生成するＴＨＧ結晶と、を有し、
前記第２のレーザ光は、前記３倍波レーザ光であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【国際調査報告】
2015029141.tif 000009
2015029141.tif 000010
2015029141.tif 000011
2015029141.tif 000012