(57)【要約】【課題】被加工物の加工中における加工状態を的確にモニタできる加工モニタ付きパルスレーザ加工装置、加工状態のモニタ方法等を提供すること。【解決手段】本発明は、被加工物２の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うパルスレーザ加工装置と、加工状態をモニタする加工モニタを備える加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１において、パルスレーザ光を出力するレーザ発振器３、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光を被加工物２の所定部位に集光して照射する集光手段５、所定部位で反射されるパルスレーザ光を分光してパルスレーザ光の反射スペクトルを算出する分光手段１１を備える。この場合、反射スペクトルは被加工物の物性についての指標にできるため、この反射スペクトルをモニタすることで被加工物の加工状態をモニタできる。このとき、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位を常に一致させることができる。【選択図】  図１
2004306100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うパルスレーザ加工装置と、加工状態をモニタする加工モニタとを備える加工モニタ付きレーザ加工装置において、
前記パルスレーザ加工装置が、
前記パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記パルスレーザ光を前記被加工物の所定部位に集光して照射する集光手段と、
を備えており、
前記加工モニタが、
前記パルスレーザ加工装置を構成する前記レーザ発振器及び前記集光手段と、
前記所定部位で反射される前記パルスレーザ光を分光してその分光スペクトルを算出する分光手段とを備える、
ことを特徴とする加工モニタ付きパルスレーザ加工装置。
【請求項２】
被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うパルスレーザ加工装置と、加工状態をモニタする加工モニタとを備える加工モニタ付きレーザ加工装置において、
前記パルスレーザ加工装置が、
前記パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐手段と、
前記照射光を前記被加工物の所定部位に集光して照射する集光手段と、
を備えており、
前記加工モニタが、
前記パルスレーザ加工装置を構成する前記レーザ発振器、前記分岐手段及び前記集光手段と、
前記参照光と前記所定部位で反射される前記照射光とを干渉させて干渉光とする干渉手段と、
前記干渉光を分光してその分光スペクトルを算出する分光手段と、
を備える、
ことを特徴とする加工モニタ付きパルスレーザ加工装置。
【請求項３】
前記参照光を遮断する参照光遮断手段を更に備えており、前記参照光遮断手段が前記加工モニタを構成することを特徴とする請求項２に記載の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置。
【請求項４】
前記パルスレーザ光のパルス幅が１０ｐｓ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置。
【請求項５】
前記被加工物を移動させる被加工物移動手段と、
前記分光手段で得られる分光スペクトルに基づいて、前記被加工物移動手段及び前記レーザ発振器を制御する制御手段と、
を更に備えており、
前記被加工物移動手段が前記パルスレーザ加工装置を構成する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置。
【請求項６】
前記パルスレーザ光の波形を整形する波形整形手段を更に備えており、前記制御手段が、前記分光手段で得られる分光スペクトルに基づいて、前記波形整形手段を制御することが可能であり、前記波形整形手段が、前記パルスレーザ加工装置及び前記加工モニタのそれぞれを構成する、
ことを特徴とする請求項５に記載の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置。
【請求項７】
被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行いながら前記所定部位の加工状態をモニタする加工状態のモニタ方法において、
前記パルスレーザ光を前記被加工物の所定部位に集光して照射する集光工程と、
前記所定部位で反射される照射光を分光してその分光スペクトルを算出する分光工程と、
前記分光工程で算出された前記分光スペクトルをモニタするモニタ工程と、
を含み、
前記パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下とすることを特徴とする加工状態のモニタ方法。
【請求項８】
被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行いながら前記所定部位の加工状態をモニタする加工状態のモニタ方法において、
前記パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐工程と、
前記分岐工程で分岐された照射光を前記被加工物の所定部位に集光して照射する集光工程と、
前記分岐工程で分岐された参照光と、前記所定部位で反射される前記照射光との干渉光を分光してその分光スペクトルを算出する分光工程と、
前記分光工程で算出された分光スペクトルをモニタするモニタ工程とを含み、
前記パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下とすることを特徴とする加工状態のモニタ方法。
【請求項９】
被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行う加工工程と、
前記所定部位の加工状態をモニタするモニタ工程と、
前記モニタ工程でモニタされた加工状態に基づき前記パルスレーザ光及び前記被加工物の位置又はそのいずれか一方を制御する制御工程とを含むレーザ加工方法において、
前記モニタ工程を、請求項７又は８に記載の加工状態のモニタ方法により行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、加工モニタ付きパルスレーザ加工装置、加工状態のモニタ方法及びこれを用いたレーザ加工方法に関する。
【０００３】
【従来技術】
従来から、レーザ光により物質を加工するレーザ加工方法が知られている。このレーザ加工方法においては、物質を精密にかつ効率よくレーザ加工するために、加工中における物質の状態変化（形状変化や物性変化）を連続的にモニタする技術が求められる。
【０００４】
このように加工中における物質の状態変化を連続的にモニタするための方法として、例えば加工用レーザ光の反射光の強度をモニタしながらレーザ光により物質を加工する方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
また加工用レーザ光とは別にモニタ用レーザ光を用意し、被加工物の加工状態のモニタは、被加工物からのモニタ用レーザ光の反射光を分光することにより行う方法が知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
【０００７】
特開２００２−１５５５号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平６−９９２９２号公報。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した特許文献１に記載の加工状態のモニタ方法では、測定量が反射光の強度のみであるため測定が簡便であるが、光量変化を生ずる要因が様々であることから、加工部位の状態を的確に表すことが困難である。従って、測定された反射光の強度に基づいて加工用レーザ光の波長等を制御しても、加工精度を十分に向上させることができないという問題があった。
【０００９】
また特許文献２に記載の加工状態のモニタ方法では、モニタ用レーザ光の光軸が加工用レーザ光の光軸に対して傾斜することとなる。このため、図８（ａ）に示すように、被加工物１０４において、加工直後でモニタ用レーザ光１００によるモニタ部位１０１と加工用レーザ光１０２の加工部位１０３を一致させたとしても、加工が進行するにつれて、図８（ｂ）に示すように、モニタ部位１０１と加工部位１０３とが一致しなくなることがある。このため、モニタ用レーザ光１００によるモニタ部位１０１からの反射光について分光を行っても、加工部位１０３の状態を的確に表すことができない。従って、モニタ用レーザ光１００の反射光を分光し、その分光スペクトルに基づいて加工用レーザ光１０２の波長等を制御しても、加工精度を十分に向上させることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、被加工物の加工中における加工状態を的確にモニタすることができる加工モニタ付きパルスレーザ加工装置、加工状態のモニタ方法及びこれを用いたレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の一つは、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うパルスレーザ加工装置と、加工状態をモニタする加工モニタとを備える加工モニタ付きレーザ加工装置において、パルスレーザ加工装置が、パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、パルスレーザ光を被加工物の所定部位に集光して照射する集光手段とを備えており、加工モニタが、パルスレーザ加工装置を構成するレーザ発振器及び集光手段と、所定部位で反射されるパルスレーザ光を分光してその分光スペクトルを算出する分光手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この加工モニタ付きパルスレーザ加工装置によれば、パルスレーザ加工装置を構成するレーザ発振器によりパルスレーザ光が出力され、このパルスレーザ光が集光手段により被加工物の所定部位に集光されて照射され、所定部位を加工する。そして、所定部位の加工状態が加工モニタによりモニタされる。具体的には、レーザ発振器により被加工物の所定部位に照射されて反射されたパルスレーザ光は分光手段により分光され、その分光スペクトルが分光手段により算出される。ここで、この分光スペクトルは、被加工物の物性の変化に伴って変化することから、被加工物の物性についての指標とすることができる。特に、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下にした場合、分光スペクトルは、比較的広い波長領域にわたって観測されるため、分光スペクトルの変化を容易に知ることができる。従って、この分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の加工状態（物性変化）をモニタすることができる。このとき、被加工物の加工状態をモニタするために、パルスレーザ光の反射光が用いられている。つまり、加工用のパルスレーザ光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。
【００１３】
また本発明の他の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置は、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行うパルスレーザ加工装置と、加工状態をモニタする加工モニタとを備える加工モニタ付きレーザ加工装置において、パルスレーザ加工装置が、パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐手段と、照射光を被加工物の所定部位に集光して照射する集光手段とを備えており、加工モニタが、パルスレーザ加工装置を構成するレーザ発振器、分岐手段及び集光手段と、参照光と所定部位で反射される照射光とを干渉させて干渉光とする干渉手段と、干渉光を分光してその分光スペクトルを算出する分光手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この加工モニタ付きパルスレーザ加工装置によれば、パルスレーザ加工装置を構成するレーザ発振器によりパルスレーザ光が出力され、このパルスレーザ光が分岐手段により参照光と照射光とに分岐される。照射光は、被加工物の所定部位に集光されて照射され、所定部位を加工する。そして、所定部位の加工状態が加工モニタによりモニタされる。具体的には、レーザ発振器により被加工物の所定部位に照射されて反射された照射光と、分岐手段により分岐された参照光とが干渉手段により干渉光とされ、この干渉光が分光手段により分光され、干渉光の分光スペクトルが分光手段により算出される。ここで、被加工物の形状が変化するにつれて参照光と照射光との光路長差が変化し、分光スペクトルの形状が変化することから、分光スペクトルは、被加工物の形状の指標とすることができる。特に、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下にした場合、分光スペクトルは、比較的広い波長領域にわたって観測されるため、分光スペクトルの変化を容易に知ることができる。従って、この分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の加工状態（形状変化）をモニタすることができる。このとき、被加工物の加工状態をモニタするために、照射光の反射光が用いられている。つまり、加工用の照射光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物の所定部位において加工が進行しても、照射光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。
【００１５】
ここで、上記加工モニタ付きパルスレーザ加工装置は、参照光を遮断する参照光遮断手段を更に備えており、参照光遮断手段が加工モニタを構成することが好ましい。
【００１６】
加工モニタにおいて、参照光遮断手段により参照光が遮断されない場合、干渉手段により、参照光と、所定部位で反射された照射光との干渉光が得られ、この干渉光が分光手段により分光されて、干渉光の分光スペクトルが分光手段により算出される。一方、加工モニタにおいて、参照光遮断手段により参照光が遮断されると、干渉手段により干渉光が得られず、所定部位で反射された照射光が分光手段により分光され、照射光の反射光の分光スペクトルが算出される。即ちこの加工モニタ付きパルスレーザ加工装置によれば、干渉光の分光スペクトルのみならず、照射光の反射光の分光スペクトルも得ることができる。そして、干渉光の分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の形状変化をモニタすることができ、反射光の分光スペクトルをモニタすることで被加工物の物性変化をモニタすることができる。
【００１７】
本発明の加工状態のモニタ方法の一つは、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行いながら所定部位の加工状態をモニタする加工状態のモニタ方法において、パルスレーザ光を被加工物の所定部位に集光して照射する集光工程と、所定部位で反射される照射光を分光してその分光スペクトルを算出する分光工程と、分光工程で算出された分光スペクトルをモニタするモニタ工程とを含み、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下とすることを特徴とする。
【００１８】
この加工状態のモニタ方法によれば、パルスレーザ光が被加工物の所定部位に集光されて照射され、所定部位を加工する。そして、所定部位で反射されたパルスレーザ光は分光され、その分光スペクトルが算出される。ここで、この分光スペクトルは、被加工物の物性の変化に伴って変化することから、被加工物の物性についての指標とすることができる。特に、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下にしており、分光スペクトルは、比較的広い波長領域にわたって観測されるため、分光スペクトルの変化を容易に知ることができる。従って、この分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の加工状態をモニタすることができる。このとき、被加工物の加工状態をモニタするために、パルスレーザ光の反射光が用いられている。つまり、加工用のパルスレーザ光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。
【００１９】
また本発明の他の加工状態のモニタ方法は、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行いながら所定部位の加工状態をモニタする加工状態のモニタ方法において、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐工程と、分岐工程で分岐された照射光を被加工物の所定部位に集光して照射する集光工程と、分岐工程で分岐された参照光と、所定部位で反射される照射光との干渉光を分光してその分光スペクトルを求める分光工程と、分光工程で求められた分光スペクトルをモニタするモニタ工程とを含み、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下とすることを特徴とする。
【００２０】
この加工状態のモニタ方法によれば、パルスレーザ光が参照光と照射光とに分岐され、照射光は、被加工物の所定部位に集光されて照射され、所定部位を加工する。そして、所定部位で反射された照射光と参照光との干渉光が分光され、干渉光の分光スペクトルが求められる。ここで、被加工物の形状が変化するにつれて参照光と照射光との光路長差が変化し、分光スペクトルの形状が変化することから、分光スペクトルは、被加工物の形状の指標とすることができる。特に、パルスレーザ光のパルス幅を１０ｐｓ以下にしており、分光スペクトルが比較的広い波長領域にわたって観測されるため、分光スペクトルの変化を容易に知ることができる。従って、この分光スペクトルをモニタすることで、被加工物の加工状態をモニタすることができる。このとき、被加工物の加工状態をモニタするために、照射光の反射光が用いられている。つまり、加工用の照射光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。
【００２１】
また本発明のレーザ加工方法は、被加工物の所定部位にパルスレーザ光を照射してレーザ加工を行う加工工程と、所定部位の加工状態をモニタするモニタ工程と、モニタ工程でモニタされた加工状態に基づきパルスレーザ光を制御する制御工程とを含むレーザ加工方法において、モニタ工程を、上記加工状態のモニタ方法により行うことを特徴とする。
【００２２】
このレーザ加工方法によれば、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができる。このため、被加工物に対しパルスレーザ光でレーザ加工を行いながら加工状態を的確にモニタすることができるため、パルスレーザ光を制御することで、被加工物に対する加工精度を十分に向上させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の第１実施形態を示す概略図である。図１に示すように、加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１は、パルスレーザ被加工物２を加工するためのパルスレーザ光を出力するレーザ発振器３を備えている。ここで、レーザ発振器３は、１０ｐｓ以下、好ましくは１ｐｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザ光を出力可能であることが好ましい。このようにパルス幅を極めて短くすることで、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光の波長幅を十分に広くすることができる。なお、パルス幅が１０ｐｓを超えると、レーザ光の波長幅が十分でなく、加工状態をモニタすることが困難となる傾向がある。またレーザ発振器３は、好ましくは１パルスあたり１μＪ以上のパルスレーザ光を出力可能であることが好ましい。このようなレーザ発振器３としては、例えばチタンサファイヤレーザを用いることができる。
【００２５】
被加工物２とレーザ発振器３との間には、レーザ発振器３側から順次、光アイソレータ４、ハーフミラー５及びアクロマティックレンズ６が配置されている。光アイソレータ４は、レーザ発振器３への戻り光を低減するものであり、ハーフミラー５は、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐するものである。またアクロマティックレンズ６は、照射光を被加工物２に集光するレンズであり、パルスレーザ光の波長分散による集光スポットの広がりを十分に防止して被加工物２に対する加工精度を向上させることができる。なお、ハーフミラー５は、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐手段として機能し、アクロマティックレンズ６は、照射光を被加工物２の所定部位に集光する集光手段として機能する。
【００２６】
加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１は、ハーフミラー５で反射により分岐された参照光を反射する反射ミラー７を備えている。ここで、反射ミラー７は、参照光の光軸８とその反射光の光軸とが同軸となるように配置されている。従って、反射ミラー７で反射された参照光は、ハーフミラー５に入射されてハーフミラー５を透過するようになっている。反射ミラー７は、反射ミラー７を参照光の光軸８と平行に移動させる移動ステージ９に設けられている。従って、移動ステージ９により参照光の光路長を調整することができる。またハーフミラー５と反射ミラー７との間には、ハーフミラー５で反射された参照光を遮断する電磁シャッタ１０が配置されている。なお、ハーフミラー５及び反射ミラー７は、参照光と照射光とを干渉させる干渉手段として機能する。
【００２７】
更に加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１は、反射ミラー７で反射されてハーフミラー５を透過する参照光と、被加工物２で反射された後にハーフミラー５で反射された照射光との干渉光を分光するマルチチャネル分光器１１を備えている。マルチチャネル分光器１１は、単一チャネル分光器に比べて、干渉光の分光を高速で行うことができる。このため、マルチチャネル分光器１１は、被加工物２の加工速度が大きくても、その速度に追従することができ、被加工物２の加工状態をリアルタイムにモニタすることができる。マルチチャネル分光器１１は、干渉光を分光する分光手段として機能するものである。
なお、本実施形態においては、レーザ発振器３、光アイソレータ４、ハーフミラー５及びアロマティックレンズ６がパルスレーザ加工装置を構成し、レーザ発振器３、光アイソレータ４、ハーフミラー５及びアロマティックレンズ６、反射ミラー７、移動ステージ９、電磁シャッタ１０及びマルチチャネル分光器１１が加工モニタを構成している。即ち、パルスレーザ加工装置を構成する部品が、加工モニタの一部を兼ねている。従って、パルスレーザ加工装置及び加工モニタがそれぞれ独立に構成される場合に比べて、加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の部品点数を減らすことができ、低コスト化を図ることができる。
【００２８】
次に、本発明のレーザ加工方法の第１実施形態を、上記加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１を用いて説明する。
【００２９】
まずアクロマティックレンズ６の焦点位置に被加工物２を配置する。そして、移動ステージ９を移動させて、反射ミラー７の位置を調整する。反射ミラー７の位置の調整は、参照光と、所定部位で反射された照射光とを干渉可能な状態にするために行うものである。
【００３０】
次に、電磁シャッタ１０を開いた状態にして、レーザ発振器３よりパルスレーザ光を出力する。このとき、パルスレーザ光のパルス幅は、１０ｐｓ以下とし、好ましくは１ｐｓ以下とする。パルス幅が１０ｐｓを超えると、パルスレーザ光の発光スペクトルの波長範囲が狭くなり、後述する干渉スペクトルの変化を認識することが困難となる。また、１パルスあたりのパルスエネルギーは、好ましくは１μＪ以上であり、より好ましくは１ｍＪ以上とする。そして、パルスレーザ光を、ハーフミラー５で参照光と照射光とに分岐させる（分岐工程）。照射光は、ハーフミラー５を透過した後、アクロマティックレンズ６により被加工物２の所定部位に集光されて照射される（集光工程）。これにより、被加工物２の所定部位においてレーザ加工が行われる。
【００３１】
ここで、被加工物２の加工状態のモニタ方法について説明する。
【００３２】
まずレーザ発振器３から被加工物２の所定部位に照射されて反射された照射光を、アクロマティックレンズ６を透過させた後、ハーフミラー５で反射させる。一方、参照光は、反射ミラー７で反射させた後、ハーフミラー５を透過させる。そして、ハーフミラー５を透過する参照光と、被加工物２の所定部位で反射された照射光との干渉光をマルチチャネル分光器１１に入射させて分光させ、マルチチャネル分光器１１により干渉光の干渉スペクトル（分光スペクトル）を算出させる（分光工程）。
【００３３】
ここで、レーザ加工が進行すると、被加工物２に穴が形成され、次第に穴の深さが大きくなる。
【００３４】
レーザ加工前は、参照光と照射光との光路差長が一定の値であるが、上記のように被加工物２に穴が形成されて穴の深さが大きくなると、照射光の光路長が長くなる結果、参照光と照射光との光路長差が大きくなる。このため、干渉スペクトルの形状が変化する。即ち、被加工物２に穴が形成されると、干渉スペクトルの形状も変化する。従って、干渉スペクトルは、被加工物２の形状の指標とすることができる。
【００３５】
特に、レーザ加工時においては、１０ｐｓ以下の極めて短いパルス幅を有するパルスレーザ光が用いられるため、それを分岐した後に干渉させた干渉光は、広い波長範囲にわたって干渉し合う。従って、干渉スペクトルも広い波長範囲にわたって分布する。このように干渉スペクトルが広い波長範囲にわたって分布することで、干渉スペクトルの変化を容易に知ることができる。
【００３６】
そこで、レーザ加工時においては、同時に、この干渉スペクトルをモニタする（モニタ工程）。
【００３７】
このとき、被加工物２の加工状態をモニタするために、照射光の反射光が用いられる。つまり、レーザ加工用の照射光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物２において加工が進行しても、図２に示すように、照射光３４による加工部位３２と照射光によるモニタ部位３３とを常に一致させることができる。よって、干渉スペクトルは、被加工物２の加工部位３２の加工状態を的確に表しており、この干渉スペクトルをモニタすることで、被加工物２の加工部位３２における加工状態（形状変化）を的確にモニタすることができる。
【００３８】
次に、モニタされた干渉スペクトルに基づいてレーザ発振器３を制御し、出力されるパルスレーザ光を連続的に制御する（制御工程）。こうしてパルスレーザ光を連続的に制御することにより、被加工物２における加工部位を的確にレーザ加工することが可能となり、被加工物２を高精度に加工することができる。ここで、パルスレーザ光の制御対象となるのは、具体的には、パルスレーザ光のパワー、波長、パルス幅などである。パワーの制御は、レーザ加工の進行度合が不十分なときなどに行い、波長の制御は、干渉スペクトルが波長の影響を受けるような材料について加工を行うときなどに行う。またパルス幅は、長すぎると熱で溶けたような穴が被加工物に形成されるなど、加工がうまくできなくなり、短すぎると加工ができなくなる。そして、熱で溶けたような穴が被加工物にできる場合と、熱で溶けたような穴が被加工物にできない場合とでは、スペクトルの形状が異なる。従って、パルス幅の制御は、被加工物に対して的確な加工を行うために行う。
【００３９】
次に、本発明のレーザ加工方法の第２実施形態を、上述した加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１を用いて説明する。ここでは、第１層１２及びこれと異種の材料からなる第２層１３を備えた被加工物２に対してレーザ加工（穴あけ加工）を行う場合を例にして説明する（図３参照）。
【００４０】
まずアクロマティックレンズ６の焦点位置に被加工物２を配置し、電磁シャッタ１０を閉じた状態にする。被加工物２は、第１層１２をアクロマティックレンズ６側に向けて配置する。なお、本実施形態では、電磁シャッタ１０を閉じているため、反射ミラー７の位置調整を行う必要がない。
【００４１】
次に、レーザ発振器３よりパルスレーザ光を出力する。このときのパルスレーザ光のパルス幅、パルスエネルギーについては、第１実施形態と同様である。パルスレーザ光は、ハーフミラー５で参照光と照射光とに分岐されるが、参照光は、電磁シャッタ１０により遮断される。
【００４２】
照射光は、ハーフミラー５を透過した後、アクロマティックレンズ６により被加工物２の第１層１２における所定部位に集光されて照射される（集光工程）。これにより、被加工物２の所定部位においてレーザ加工が行われる。
【００４３】
ここで、被加工物２の加工状態のモニタ方法について説明する。まず所定部位で反射された照射光を、アクロマティックレンズ６を透過させた後、ハーフミラー５で反射させる。そして、被加工物２の所定部位で反射された照射光をマルチチャネル分光器１１に入射させて分光させ、マルチチャネル分光器１１により照射光の反射スペクトル（分光スペクトル）を算出させる（分光工程）。
【００４４】
レーザ加工が進行すると、被加工物２の第１層１２に穴１２ａが形成され、次第に穴１２ａの深さが大きくなる。そして、照射光は、第１層１２を貫通した後、第２層１３を加工するようになる。
【００４５】
ここで、第１層１２と第２層１３とは互いに異種の材料からなるため、第１層１２で反射された照射光と、第２層１３で反射された照射光とでは、反射スペクトルの形状が異なっている。即ち、加工部位が第１層１２から第２層１３に変化すると、反射スペクトルの形状も変化するのである。従って、反射スペクトルは、被加工物２の物性の指標とすることができる。
【００４６】
特に、レーザ加工時においては、１０ｐｓ以下の極めて短いパルス幅を有するパルスレーザ光が用いられるため、照射光の波長範囲も広くなっている。従って、反射スペクトルも広い波長範囲にわたって分布する。このため、反射スペクトルの変化を容易に知ることができる。
【００４７】
そこで、レーザ加工時においては、同時に、この反射スペクトルをモニタする（モニタ工程）。
【００４８】
このとき、被加工物２の加工状態をモニタするために、照射光が用いられている。つまり、レーザ加工用の照射光が、所定部位における加工状態のモニタ光を兼ねている。このため、被加工物２の所定部位において加工が進行しても、被加工物２の加工部位とパルスレーザ光によるモニタ部位とを常に一致させることができる。よって、反射スペクトルは、被加工物２の加工部位の加工状態を的確に表しており、この反射スペクトルをモニタすることで、被加工物２の所定部位における加工状態（物性変化）を的確にモニタすることができる。
【００４９】
次に、上記のようにしてモニタされた加工状態の指標となる反射スペクトルに基づいてレーザ発振器３を制御し、出力されるパルスレーザ光を制御する（制御工程）。こうしてパルスレーザ光を制御することにより、被加工物２における所望部位を的確にレーザ加工することが可能となり、被加工物２に対して高精度にレーザ加工を行うことができる。
【００５０】
次に、本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５１】
図４は、本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の第２実施形態を示す概略図である。図４に示すように、本実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置２１は、まず光アイソレータ４とレーザ発振器３との間に設けられパルスレーザ光の波形整形を行う波形整形器２２と、被加工物２をＸＹＺ軸方向に移動させる３軸移動ステージ２３を更に備える点で第１実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１と相違する。このように本実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置２１は波形整形器２２を有するため、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光について波形整形器２２により波形整形を行うことができる。また、３軸移動ステージ２３により、被加工物２を３軸方向に移動することができるため、被加工物２の表面を基準とした深さ方向だけでなく、被加工物２の表面に沿った方向（面内方向）にも加工を施すことができる。
【００５２】
また本実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置２１は、波形整形器２２を制御する波形整形器コントローラ２４と、３軸移動ステージ２３の移動方向及び移動量を制御する３軸移動ステージコントローラ２５と、移動ステージ９の移動量を制御する移動ステージコントローラ２６と、電磁シャッタ１０の開閉を制御する電磁シャッタコントローラ２７と、レーザ発振器３を制御してパルスレーザ光の波長、パルス幅、パルスエネルギーを調整するレーザ発振器コントローラ２８と、上記波形整形器コントローラ２４、３軸移動ステージコントローラ２５、移動ステージコントローラ２６、電磁シャッタコントローラ２７、レーザ発振器コントローラ２８及びマルチチャネル分光器１１を制御するパーソナルコンピュータ２９とを更に備える点で第１実施形態の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１と相違する。
【００５３】
このため、パーソナルコンピュータ２９を操作するだけで、マルチチャネル分光器１１で得られる分光スペクトルに基づいてレーザ発振器コントローラ２８、波形整形器コントローラ２４及び３軸移動ステージコントローラ２５の全て又はこれらのうちのいずれか一つを制御し、被加工物２に対し高精度でかつ効率的にレーザ加工を行うことができる。ここで、被加工物２の加工状態をモニタする方法は、第１実施形態に係る加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１における場合と同様であるので、その説明を省略する。
【００５４】
また、パーソナルコンピュータ２９により、波形整形器コントローラ２４、３軸移動ステージコントローラ２５、移動ステージコントローラ２６、電磁シャッタコントローラ２７も全て操作できるため、レーザ加工の作業効率が向上する。なお、波形整形器コントローラ２４、３軸移動ステージコントローラ２５、レーザ発振器コントローラ２８及びパーソナルコンピュータ２９により制御手段が構成されている。また、波形整形器２２は、波形整形手段として機能し、３軸移動ステージ２３は、被加工物移動手段として機能する。
【００５５】
本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置は、上記第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば上記加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１，２１では、レーザ発振器３、ハーフミラー５、被加工物２及び反射ミラー７によりマイケルソン干渉計が構成されているが、図５に示すように、ミラー３０及びビームスプリッタ３１を設け、レーザ発振器３、ハーフミラー５、被加工物２、反射ミラー７、ミラー３０及びビームスプリッタ３１を図５に示すように配置することで、マッハツェンダー干渉計が構成されるようにしてもよい。この場合、レーザ発振器３から出力されるパルスレーザ光は、ハーフミラー５で照射光と参照光とに分岐され、照射光は、ハーフミラー５を透過して被加工物２に照射され、その反射光がビームスプリッタ３１で反射される。一方、ハーフミラー５で反射された参照光は、反射ミラー７で反射された後、ビームスプリッタ３１を透過する。そして、参照光と、照射光の反射光とが干渉され、その干渉光がマルチチャネル分光器１１で分光される。これにより、干渉光の干渉スペクトルを得ることができる。なお、照射光の反射スペクトルを得るためには、ハーフミラー５からビームスプリッタ３１までの参照光の光軸上に電磁シャッタ１０を配置し、電磁シャッタ１０を閉じた状態にしておけばよい。
【００５６】
また加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１，２１においては、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐する分岐手段としてハーフミラー５を用いているが、分岐手段は、ハーフミラー５に限定されるものではない。要するに、分岐手段は、パルスレーザ光を照射光と参照光とに分岐するものであればよい。従って、ハーフミラー５に代えてビームスプリッタを用いることもできる。
【００５７】
更に加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１，２１においては、集光手段としてアクロマティックレンズ６を用いているが、アクロマティックレンズ６に代えて、照射光を被加工物２に集光して照射する反射鏡を用いてもよい。
【００５８】
また、加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１，２１は、干渉スペクトルのみならず、反射スペクトルをも得ることができるものであるが、単に反射スペクトルを得るだけであれば、反射ミラー７は必ずしも必要なものではなく、電磁シャッタ１０も必ずしも必要なものではない。また単に干渉スペクトルを得るだけであれば、電磁シャッタ１０は、必ずしも必要なものではない。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明の内容を、実施例を用いてより具体的に説明する。
【００６０】
（実施例１）
図１の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置１において、レーザ発振器３から高強度フェムト秒パルス（パルス幅５０ｆｓ、１パルス当りのパルスエネルギー２５６μＪ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）を、被加工物２であるステンレス板に１分間連続して照射し、穴あけ加工を行った。なお、レーザ発振器３としてはチタンサファイヤレーザを用い、マルチチャネル分光器としては、オーシャンオプティクス社製ＨＲ２０００を用いた。
【００６１】
このとき、被加工物２であるステンレス板に照射されて反射された光パルスと、ハーフミラー５により照射前に予め分岐させておいた参照光パルスとを干渉させ、その干渉光をマルチチャネル分光器１１で分光し、１０秒毎の干渉スペクトルを得た。その結果、照射直後と１分後とでは、特定の波長範囲（７９０〜８４０ｎｍ）における干渉スペクトルの波数が異なることを確認した（図６参照）。波数は反射光と参照光との光路差に依存するため、これを計数することにより、加工された穴深度を測定できることが明らかになった。このとき、穴深度は４２０μｍであった。
なお、ステンレス板の加工部位を顕微鏡で観察し、穴深度を測定したところ、穴深度は、４２０μｍであり、干渉スペクトルより算出した値と一致することが分かった。
このことから、本発明によれば、被加工物２に対しパルスレーザ光でレーザ加工を行いながら被加工物２の加工状態を的確にモニタすることができることが分かった。
【００６２】
（実施例２）
電磁シャッタ１０を閉じて参照光を遮断した状態で、高強度フェムト秒パルス（パルス幅５０ｆｓ、１パルス当りのパルスエネルギー３２０μＪ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）を、被加工物であるステンレス板に照射し続け、マルチチャネル分光器１１により照射直後から１秒毎に反射光のパワースペクトルを９秒間測定した（図７参照）。
【００６３】
その結果、照射を開始してから約２秒間は反射パワースペクトル分布が大きく変化した。なお、ステンレス板としては、表面に酸化皮膜が形成されたものを用いたが、実験後、光学顕微鏡でステンレス板表面の酸化皮膜が除去されていることから、ステンレス板表面の酸化皮膜が除去されている間に反射パワースペクトル分布が大きく変化したことが分かった。
一方、パルスエネルギーを０．３μＪにしたこと以外は上記と同様にして低強度フェムト秒光パルスをステンレス板に照射し、マルチチャネル分光器１１により反射光のパワースペクトルを測定したところ、ステンレス板には穴が形成されず、反射パワースペクトル分布も変化しないことが分かった。
【００６４】
以上のことから、反射光のパワースペクトルの変化を観測することにより被加工物表面の物性変化をリアルタイムに計測できることが明らかになった。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置及び加工状態のモニタ方法によれば、被加工物の所定部位において加工が進行しても、パルスレーザ光による加工部位とモニタ部位とを常に一致させることができるため、被加工物の加工状態を的確にモニタすることができる。
【００６６】
また本発明のレーザ加工方法によれば、被加工物に対しパルスレーザ光でレーザ加工を行いながら加工状態を的確にモニタすることができるため、被加工物に対して高精度にレーザ加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】加工中における照射光による加工部位とモニタ部位との位置関係を示す概略図である。
【図３】本発明のレーザ加工方法の第２実施形態に用いる被加工物の構成を示す側面図である。
【図４】本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の他の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の加工モニタ付きパルスレーザ加工装置の更に他の実施形態を示す概略図である。
【図６】実施例１に係る干渉スペクトルを示すグラフである。
【図７】実施例２に係る反射スペクトルを示すグラフである。
【図８】（ａ）は、従来のモニタ方法に係る加工直後のモニタ光によるモニタ部位と加工用レーザ光による加工部位との位置関係を示す概略図、（ｂ）は、従来のモニタ方法に係る加工中のモニタ光によるモニタ部位と加工用レーザ光による加工部位との位置関係を示す概略図である。
【符号の説明】
１，２１…加工モニタ付きパルスレーザ加工装置、２…被加工物、３…レーザ発振器、５…ハーフミラー（分岐手段、干渉手段）、６…アクロマティックレンズ（集光手段）、７…反射ミラー（干渉手段）、１０…電磁シャッタ（参照光遮断手段）、１１…マルチチャネル分光器（分光手段）、２２…波形整形器（波形整形手段）、２３…３軸移動ステージ（被加工物移動手段）、２４…波形整形器コントローラ（制御手段）、２５…３軸移動ステージコントローラ（制御手段）、２８…レーザ発振器コントローラ（制御手段）、２９…パーソナルコンピュータ（制御手段）。
【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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【図８】
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