JP6807662B2 - Method for manufacturing laser oscillator and excitation light detection structure - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ発振器、及び、励起光検出構造の製造方法に関する。 The present invention relates to a laser oscillator and a method for manufacturing an excitation light detection structure.
半導体ウェハ等の加工対象物を複数のチップに切断するために、格子状に設定された切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に改質領域を形成するレーザ加工装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In order to cut an object to be processed such as a semiconductor wafer into a plurality of chips, a laser processing apparatus is known that forms a modified region inside the object to be processed along a scheduled cutting line set in a grid pattern ( For example, see Patent Document 1).
上述したようなレーザ加工装置に搭載されるレーザ発振器においては、ファイバレーザが用いられる場合がある。ファイバレーザは、レーザファイバに対して励起光と種光とを導入することにより、種光を増幅して出力する。ファイバレーザにあっては、例えば詳細な故障解析のために、励起光を検出することが望ましい。 A fiber laser may be used in the laser oscillator mounted on the laser processing apparatus as described above. The fiber laser amplifies and outputs the seed light by introducing the excitation light and the seed light into the laser fiber. In a fiber laser, it is desirable to detect the excitation light, for example, for detailed failure analysis.
本発明は、励起光を検出可能なレーザ発振器、及び、励起光検出構造の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a laser oscillator capable of detecting excitation light and a method for manufacturing an excitation light detection structure.
本発明に係るレーザ発振器は、種光であるレーザ光を出射する種光源を有する種光出射部と、種光出射部から出射されたレーザ光を伝播させながら増幅するための第1光ファイバと、第1光ファイバを励起するための励起光を出射する励起光源と、第1光ファイバに光学的に接続されており、少なくとも励起光を伝播させる第2光ファイバと、励起光を検出するための光検出素子と、を有するアンプ部と、を備え、第2光ファイバは、コアと、コアの周りに設けられた第1クラッドと、コア及び第1クラッドの周りに設けられた第2クラッドと、コア及び第1クラッドの周りに設けられた樹脂層と、を含み、第1クラッドは、コアを覆うと共に第2クラッドに覆われた被覆部と、コアを覆うと共に第2クラッドから露出された露出部と、を含み、樹脂層は、第1クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、露出部において第1クラッドを覆っており、光検出素子は、樹脂層を介して露出部に対向するように配置されている。 The laser oscillator according to the present invention includes a seed light emitting unit having a seed light source that emits laser light that is seed light, and a first optical fiber for amplifying the laser light emitted from the seed light emitting unit while propagating it. , To detect the excitation light that emits the excitation light for exciting the first optical fiber, the second optical fiber that is optically connected to the first optical fiber and propagates the excitation light at least, and the excitation light. The second optical fiber includes a core, a first clad provided around the core, and a core and a second clad provided around the first clad. And a resin layer provided around the core and the first clad, the first clad covers the core and is covered with the second clad, and is exposed from the second clad while covering the core. The resin layer has a refractive index lower than that of the first clad, and covers the first clad in the exposed portion. The light detection element is the exposed portion via the resin layer. It is arranged so as to face the light.
このレーザ発振器においては、第2光ファイバによって伝播された励起光によって第1光ファイバが励起される。これにより、種光源からの種光が第1光ファイバを伝播されながら増幅される。すなわち、第1光ファイバはレーザファイバである。一方、第2光ファイバは、コアを覆う第1クラッドが、第2クラッドから露出した露出部を含む。その第1クラッドの露出部は、第1クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂層に覆われている。そして、光検出素子が、樹脂層を介して第1クラッドの露出部に対向するように配置されている。したがって、第1クラッドを伝播して露出部から出射する励起光の漏れ光を、樹脂層を介して光検出素子により検出可能である。 In this laser oscillator, the first optical fiber is excited by the excitation light propagated by the second optical fiber. As a result, the seed light from the seed light source is amplified while being propagated through the first optical fiber. That is, the first optical fiber is a laser fiber. On the other hand, in the second optical fiber, the first clad covering the core includes an exposed portion exposed from the second clad. The exposed portion of the first clad is covered with a resin layer having a refractive index lower than that of the first clad. Then, the photodetection element is arranged so as to face the exposed portion of the first clad via the resin layer. Therefore, the leakage light of the excitation light propagating through the first clad and emitted from the exposed portion can be detected by the photodetector via the resin layer.
本発明に係るレーザ発振器においては、露出部は、第1光ファイバとの融着部を含んでもよい。この場合、第1クラッドを第2クラッドから露出させて露出部を形成したり、露出部を樹脂層により覆ったりすることが容易となる。すなわち、この場合には、融着部を利用して容易に励起光の検出が可能になる。 In the laser oscillator according to the present invention, the exposed portion may include a fusion portion with the first optical fiber. In this case, it becomes easy to expose the first clad from the second clad to form an exposed portion, or to cover the exposed portion with a resin layer. That is, in this case, the excitation light can be easily detected by using the fused portion.
本発明に係るレーザ発振器においては、第2光ファイバは、樹脂層の屈折率よりも高い屈折率を有し、露出部において樹脂層をさらに覆うキャピラリを含んでもよい。この場合、樹脂層から励起光を漏れやすくすることができる。 In the laser oscillator according to the present invention, the second optical fiber has a refractive index higher than the refractive index of the resin layer, and may include a capillary that further covers the resin layer in the exposed portion. In this case, the excitation light can be easily leaked from the resin layer.
本発明に係るレーザ発振器においては、光検出素子を保持するホルダを備え、第2光ファイバは、露出部が光検出素子に対向するようにホルダによって位置決めされていてもよい。この場合、第2光ファイバの露出部と光検出素子との相対的な位置関係を確実に保持することができる。 The laser oscillator according to the present invention may include a holder for holding the photodetection element, and the second optical fiber may be positioned by the holder so that the exposed portion faces the photodetection element. In this case, the relative positional relationship between the exposed portion of the second optical fiber and the photodetector can be reliably maintained.
本発明に係る励起光検出構造の製造方法は、レーザ光を伝播させながら増幅する第1光ファイバと、少なくとも第1光ファイバを励起するための励起光を伝播させる第2光ファイバと、を有するレーザ発振器において励起光を検出するための励起光検出構造の製造方法であって、コアと、コアの周りに設けられた第1クラッドと、コア及び第1クラッドの周りに設けられた第2クラッドと、を含む第2光ファイバにおいて、第2クラッドを除去することにより第1クラッドを露出させて露出部を形成する第1工程と、露出部の一部において第2光ファイバを切断することにより切断面を形成する第2工程と、切断面において露出部を第1光ファイバに融着接続して融着部を形成する第3工程と、第1クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂層を、露出部を覆うように第1クラッド上に形成する第4工程と、樹脂層を介して露出部を光検出素子に対向させる第5工程と、を備える。 The method for manufacturing an excitation light detection structure according to the present invention includes a first optical fiber that amplifies while propagating laser light, and a second optical fiber that propagates at least excitation light for exciting the first optical fiber. A method for manufacturing an excitation light detection structure for detecting excitation light in a laser oscillator, which is a core, a first clad provided around the core, and a core and a second clad provided around the first clad. In the second optical fiber including, the first step of exposing the first clad by removing the second clad to form an exposed portion, and by cutting the second optical fiber in a part of the exposed portion. It has a second step of forming a cut surface, a third step of fusing and connecting an exposed portion to a first optical fiber on the cut surface to form a fused portion, and a refractive index lower than that of the first clad. The present invention includes a fourth step of forming the resin layer on the first clad so as to cover the exposed portion, and a fifth step of making the exposed portion face the light detection element via the resin layer.
この方法においては、第2クラッドを除去することによって第1クラッドを露出させ、露出部を形成する。続いて、第2光ファイバを切断し、その切断面において第2光ファイバを第1光ファイバに融着接続すると共に、第1クラッドにより低屈折率の樹脂層によって露出部を覆う。そして、露出部を光検出素子に対向させる。これにより、励起光検出構造が製造される。このように製造される励起光検出構造にあっては、上記のように、第1クラッドを伝播して露出部から出射する励起光の漏れ光を光検出素子により検出可能である。特に、この方法によれば、第2クラッドの除去により露出部を形成した後に、第2光ファイバを切断するので、良好な切断面が得られる。よって、融着部におけるロスが低減される。 In this method, the first clad is exposed by removing the second clad to form an exposed portion. Subsequently, the second optical fiber is cut, the second optical fiber is fused and connected to the first optical fiber at the cut surface, and the exposed portion is covered with a resin layer having a low refractive index by the first clad. Then, the exposed portion is made to face the photodetection element. As a result, the excitation light detection structure is manufactured. In the excitation light detection structure manufactured in this way, as described above, the leakage light of the excitation light propagating through the first cladding and emitted from the exposed portion can be detected by the photodetector. In particular, according to this method, the second optical fiber is cut after the exposed portion is formed by removing the second clad, so that a good cut surface can be obtained. Therefore, the loss in the fused portion is reduced.
本発明によれば、励起光を検出可能なレーザ発振器、及び、励起光検出構造の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a laser oscillator capable of detecting excitation light and a method for manufacturing an excitation light detection structure.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
実施形態のレーザ加工装置(後述)では、加工対象物にレーザ光を集光することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物に改質領域を形成する。そこで、まず、改質領域の形成について、図1〜図6を参照して説明する。 In the laser processing apparatus of the embodiment (described later), a modified region is formed on the processing target along the planned cutting line by condensing the laser light on the processing target. Therefore, first, the formation of the modified region will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
図1に示されるように、レーザ加工装置100は、レーザ光Lをパルス発振するレーザ光源101と、レーザ光Lの光軸(光路)の向きを90°変えるように配置されたダイクロイックミラー103と、レーザ光Lを集光するための集光用レンズ105と、を備えている。また、レーザ加工装置100は、集光用レンズ105で集光されたレーザ光Lが照射される加工対象物1を支持するための支持台107と、支持台107を移動させるためのステージ111と、レーザ光Lの出力やパルス幅、パルス波形等を調節するためにレーザ光源101を制御するレーザ光源制御部102と、ステージ111の移動を制御するステージ制御部115と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
レーザ加工装置100においては、レーザ光源101から出射されたレーザ光Lは、ダイクロイックミラー103によってその光軸の向きを90°変えられ、支持台107上に載置された加工対象物1の内部に集光用レンズ105によって集光される。これと共に、ステージ111が移動させられ、加工対象物1がレーザ光Lに対して切断予定ライン5に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン5に沿った改質領域が加工対象物1に形成される。なお、ここでは、レーザ光Lを相対的に移動させるためにステージ111を移動させたが、集光用レンズ105を移動させてもよいし、或いはこれらの両方を移動させてもよい。
In the
加工対象物1としては、半導体材料で形成された半導体基板や圧電材料で形成された圧電基板等を含む板状の部材(例えば、基板、ウェハ等)が用いられる。図2に示されるように、加工対象物1には、加工対象物1を切断するための切断予定ライン5が設定されている。切断予定ライン5は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物1の内部に改質領域を形成する場合、図3に示されるように、加工対象物1の内部に集光点(集光位置)Pを合わせた状態で、レーザ光Lを切断予定ライン5に沿って(すなわち、図2の矢印A方向に)相対的に移動させる。これにより、図4、図5及び図6に示されるように、改質領域7が切断予定ライン5に沿って加工対象物1に形成され、切断予定ライン5に沿って形成された改質領域7が切断起点領域8となる。
As the object to be processed 1, a plate-shaped member (for example, a substrate, a wafer, etc.) including a semiconductor substrate formed of a semiconductor material, a piezoelectric substrate formed of a piezoelectric material, or the like is used. As shown in FIG. 2, the
集光点Pとは、レーザ光Lが集光する箇所のことである。切断予定ライン5は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、これらが組み合わされた3次元状であってもよいし、座標指定されたものであってもよい。切断予定ライン5は、仮想線に限らず加工対象物1の表面3に実際に引かれた線であってもよい。改質領域7は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。改質領域7は列状でも点状でもよく、要は、改質領域7は少なくとも加工対象物1の内部に形成されていればよい。また、改質領域7を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域7は、加工対象物1の外表面(表面3、裏面、若しくは外周面)に露出していてもよい。改質領域7を形成する際のレーザ光入射面は、加工対象物1の表面3に限定されるものではなく、加工対象物1の裏面であってもよい。
The condensing point P is a point where the laser beam L condenses. The
ちなみに、加工対象物1の内部に改質領域7を形成する場合には、レーザ光Lは、加工対象物1を透過すると共に、加工対象物1の内部に位置する集光点P近傍にて特に吸収される。これにより、加工対象物1に改質領域7が形成される(すなわち、内部吸収型レーザ加工)。この場合、加工対象物1の表面3ではレーザ光Lが殆ど吸収されないので、加工対象物1の表面3が溶融することはない。一方、加工対象物1の表面3に改質領域7を形成する場合には、レーザ光Lは、表面3に位置する集光点P近傍にて特に吸収され、表面3から溶融され除去されて、穴や溝等の除去部が形成される(表面吸収型レーザ加工)。
By the way, when the modified
改質領域7は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域7としては、例えば、溶融処理領域(一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくとも何れか一つを意味する)、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。更に、改質領域7としては、加工対象物1の材料において改質領域7の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある。加工対象物1の材料が単結晶シリコンである場合、改質領域7は、高転位密度領域ともいえる。
The modified
溶融処理領域、屈折率変化領域、改質領域7の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、及び、格子欠陥が形成された領域は、更に、それら領域の内部や改質領域7と非改質領域との界面に亀裂(割れ、マイクロクラック)を内包している場合がある。内包される亀裂は、改質領域7の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。加工対象物1は、結晶構造を有する結晶材料からなる基板を含む。例えば加工対象物1は、窒化ガリウム(GaN)、シリコン(Si)、シリコンカーバイド(SiC)、LiTaO3、及び、サファイア(Al2O3)の少なくとも何れかで形成された基板を含む。換言すると、加工対象物1は、例えば、窒化ガリウム基板、シリコン基板、SiC基板、LiTaO3基板、又はサファイア基板を含む。結晶材料は、異方性結晶及び等方性結晶の何れであってもよい。また、加工対象物1は、非結晶構造(非晶質構造)を有する非結晶材料からなる基板を含んでいてもよく、例えばガラス基板を含んでいてもよい。
The melt-treated region, the refractive index change region, the region where the density of the modified
実施形態では、切断予定ライン5に沿って改質スポット(加工痕)を複数形成することにより、改質領域7を形成することができる。この場合、複数の改質スポットが集まることによって改質領域7となる。改質スポットとは、パルスレーザ光の1パルスのショット(つまり1パルスのレーザ照射:レーザショット)で形成される改質部分である。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも1つが混在するもの等が挙げられる。改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物1の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することができる。また、実施形態では、切断予定ライン5に沿って、改質スポットを改質領域7として形成することができる。
[第1実施形態のレーザ加工装置]
In the embodiment, the modified
[Laser Machining Device of the First Embodiment]
次に、第1実施形態のレーザ加工装置について説明する。以下の説明では、水平面内において互いに直交する方向をX軸方向及びY軸方向とし、鉛直方向をZ軸方向とする。
[レーザ加工装置の全体構成]
Next, the laser processing apparatus of the first embodiment will be described. In the following description, the directions orthogonal to each other in the horizontal plane are the X-axis direction and the Y-axis direction, and the vertical direction is the Z-axis direction.
[Overall configuration of laser processing equipment]
図7に示されるように、レーザ加工装置200は、装置フレーム210と、第1移動機構220と、支持台(支持部)230と、第2移動機構240と、を備えている。更に、レーザ加工装置200は、レーザ出力部300と、レーザ集光部500と、制御部600と、を備えている。
As shown in FIG. 7, the
第1移動機構220は、装置フレーム210に取り付けられている。第1移動機構220は、第1レールユニット221と、第2レールユニット222と、可動ベース223と、を有している。第1レールユニット221は、装置フレーム210に取り付けられている。第1レールユニット221には、Y軸方向に沿って延在する一対のレール221a,221bが設けられている。第2レールユニット222は、Y軸方向に沿って移動可能となるように、第1レールユニット221の一対のレール221a,221bに取り付けられている。第2レールユニット222には、X軸方向に沿って延在する一対のレール222a,222bが設けられている。可動ベース223は、X軸方向に沿って移動可能となるように、第2レールユニット222の一対のレール222a,222bに取り付けられている。可動ベース223は、Z軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能である。
The
支持台230は、可動ベース223に取り付けられている。支持台230は、加工対象物1を支持する。加工対象物1は、例えば、シリコン等の半導体材料からなる基板の表面側に複数の機能素子(フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、又は回路として形成された回路素子等)がマトリックス状に形成されたものである。加工対象物1が支持台230に支持される際には、図8に示されるように、環状のフレーム11に張られたフィルム12上に、例えば加工対象物1の表面1a(複数の機能素子側の面)が貼付される。支持台230は、クランプによってフレーム11を保持すると共に真空チャックテーブルによってフィルム12を吸着することで、加工対象物1を支持する。支持台230上において、加工対象物1には、互いに平行な複数の切断予定ライン5a、及び互いに平行な複数の切断予定ライン5bが、隣り合う機能素子の間を通るように格子状に設定される。
The
図7に示されるように、支持台230は、第1移動機構220において第2レールユニット222が動作することで、Y軸方向に沿って移動させられる。また、支持台230は、第1移動機構220において可動ベース223が動作することで、X軸方向に沿って移動させられる。更に、支持台230は、第1移動機構220において可動ベース223が動作することで、Z軸方向に平行な軸線を中心線として回転させられる。このように、支持台230は、X軸方向及びY軸方向に沿って移動可能となり且つZ軸方向に平行な軸線を中心線として回転可能となるように、装置フレーム210に取り付けられている。
As shown in FIG. 7, the
レーザ出力部300は、装置フレーム210に取り付けられている。レーザ集光部500は、第2移動機構240を介して装置フレーム210に取り付けられている。レーザ集光部500は、第2移動機構240が動作することで、Z軸方向に沿って移動させられる。このように、レーザ集光部500は、レーザ出力部300に対してZ軸方向に沿って移動可能となるように、装置フレーム210に取り付けられている。
The
制御部600は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等によって構成されている。制御部600は、レーザ加工装置200の各部の動作を制御する。
The
一例として、レーザ加工装置200では、次のように、各切断予定ライン5a,5b(図8参照)に沿って加工対象物1の内部に改質領域が形成される。
As an example, in the
まず、加工対象物1の裏面1b(図8参照)がレーザ光入射面となるように、加工対象物1が支持台230に支持され、加工対象物1の各切断予定ライン5aがX軸方向に平行な方向に合わされる。続いて、加工対象物1の内部において加工対象物1のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Lの集光点が位置するように、第2移動機構240によってレーザ集光部500が移動させられる。続いて、加工対象物1のレーザ光入射面とレーザ光Lの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン5aに沿ってレーザ光Lの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン5aに沿って加工対象物1の内部に改質領域が形成される。
First, the
各切断予定ライン5aに沿っての改質領域の形成が終了すると、第1移動機構220によって支持台230が回転させられ、加工対象物1の各切断予定ライン5bがX軸方向に平行な方向に合わされる。続いて、加工対象物1の内部において加工対象物1のレーザ光入射面から所定距離だけ離間した位置にレーザ光Lの集光点が位置するように、第2移動機構240によってレーザ集光部500が移動させられる。続いて、加工対象物1のレーザ光入射面とレーザ光Lの集光点との距離が一定に維持されつつ、各切断予定ライン5bに沿ってレーザ光Lの集光点が相対的に移動させられる。これにより、各切断予定ライン5bに沿って加工対象物1の内部に改質領域が形成される。
When the formation of the modified region along each scheduled cutting
このように、レーザ加工装置200では、X軸方向に平行な方向が加工方向(レーザ光Lのスキャン方向)とされている。なお、各切断予定ライン5aに沿ったレーザ光Lの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン5bに沿ったレーザ光Lの集光点の相対的な移動は、第1移動機構220によって支持台230がX軸方向に沿って移動させられることで、実施される。また、各切断予定ライン5a間におけるレーザ光Lの集光点の相対的な移動、及び各切断予定ライン5b間におけるレーザ光Lの集光点の相対的な移動は、第1移動機構220によって支持台230がY軸方向に沿って移動させられることで、実施される。
As described above, in the
図9に示されるように、レーザ出力部300は、取付プレート301と、カバー302と、複数のミラー303,304と、を有している。更に、レーザ出力部300は、レーザ発振器400と、シャッタ320と、λ/2波長板ユニット(出力調整部、偏光方向調整部)330と、偏光板ユニット(出力調整部、偏光方向調整部)340と、ビームエキスパンダ(レーザ光平行化部)350と、ミラーユニット360と、を有している。
As shown in FIG. 9, the
取付プレート301は、複数のミラー303,304、レーザ発振器400、シャッタ320、λ/2波長板ユニット330、偏光板ユニット340、ビームエキスパンダ350及びミラーユニット360を支持している。複数のミラー303,304、レーザ発振器400、シャッタ320、λ/2波長板ユニット330、偏光板ユニット340、ビームエキスパンダ350及びミラーユニット360は、取付プレート301の主面301aに取り付けられている。取付プレート301は、板状の部材であり、装置フレーム210(図7参照)に対して着脱可能である。レーザ出力部300は、取付プレート301を介して装置フレーム210に取り付けられている。つまり、レーザ出力部300は、装置フレーム210に対して着脱可能である。
The mounting
カバー302は、取付プレート301の主面301a上において、複数のミラー303,304、レーザ発振器400、シャッタ320、λ/2波長板ユニット330、偏光板ユニット340、ビームエキスパンダ350及びミラーユニット360を覆っている。カバー302は、取付プレート301に対して着脱可能である。
The
レーザ発振器400は、直線偏光のレーザ光LをX軸方向に沿ってパルス発振する。レーザ発振器400は、後述するように、MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)方式のファイバレーザとして構成されている。そのため、レーザ発振器400では、種光LD(Laser Diode/半導体レーザ)及び励起LDの出力のON/OFFが切り替えられることで、レーザ光Lの出力のON/OFFが高速に切り替えられる。レーザ発振器400から出射されるレーザ光Lの波長は、例えば、500〜550nm、1000〜1150nm又は1300〜1400nmのいずれかの波長帯に含まれる。500〜550nmの波長帯のレーザ光Lは、例えばサファイアからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。1000〜1150nm及び1300〜1400nmの各波長帯のレーザ光Lは、例えばシリコンからなる基板に対する内部吸収型レーザ加工に適している。レーザ発振器400から出射されるレーザ光Lの偏光方向は、例えば、Y軸方向に平行な方向である。レーザ発振器400から出射されたレーザ光Lは、ミラー303によって反射され、Y軸方向に沿ってシャッタ320に入射する。
The
シャッタ320は、機械式の機構によってレーザ光Lの光路を開閉する。レーザ出力部300からのレーザ光Lの出力のON/OFFの切り替えは、上述したように、レーザ発振器400でのレーザ光Lの出力のON/OFFの切り替えによって実施されるが、シャッタ320が設けられていることで、例えばレーザ出力部300からレーザ光Lが不意に出射されることが防止される。シャッタ320を通過したレーザ光Lは、ミラー304によって反射され、X軸方向に沿ってλ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340に順次入射する。
The
λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340は、レーザ光Lの出力(光強度)を調整する出力調整部として機能する。また、λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340は、レーザ光Lの偏光方向を調整する偏光方向調整部として機能する。これらの詳細については後述する。λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340を順次通過したレーザ光Lは、X軸方向に沿ってビームエキスパンダ350に入射する。
The λ / 2
ビームエキスパンダ350は、レーザ光Lの径を調整しつつ、レーザ光Lを平行化する。ビームエキスパンダ350を通過したレーザ光Lは、X軸方向に沿ってミラーユニット360に入射する。
The
ミラーユニット360は、支持ベース361と、複数のミラー362,363と、を有している。支持ベース361は、複数のミラー362,363を支持している。支持ベース361は、X軸方向及びY軸方向に沿って位置調整可能となるように、取付プレート301に取り付けられている。ミラー362は、ビームエキスパンダ350を通過したレーザ光LをY軸方向に反射する。ミラー362は、その反射面が例えばZ軸に平行な軸線回りに角度調整可能となるように、支持ベース361に取り付けられている。ミラー363は、ミラー362によって反射されたレーザ光LをZ軸方向に反射する。ミラー363は、その反射面が例えばX軸に平行な軸線回りに角度調整可能となり且つY軸方向に沿って位置調整可能となるように、支持ベース361に取り付けられている。ミラー363によって反射されたレーザ光Lは、支持ベース361に形成された開口361aを通過し、Z軸方向に沿ってレーザ集光部500(図7参照)に入射する。つまり、レーザ出力部300によるレーザ光Lの出射方向は、レーザ集光部500の移動方向に一致している。
The
上述したように、各ミラー362,363は、反射面の角度を調整するための機構を有している。ミラーユニット360では、取付プレート301に対する支持ベース361の位置調整、支持ベース361に対するミラー363の位置調整、及び各ミラー362,363の反射面の角度調整が実施されることで、レーザ出力部300から出射されるレーザ光Lの光軸の位置及び角度がレーザ集光部500に対して合わされる。つまり、複数のミラー362,363は、レーザ出力部300から出射されるレーザ光Lの光軸を調整するための構成である。
As described above, each of the
レーザ集光部500は、ミラーユニット360を通過したレーザ光Lを加工対象物1に集光する。図10に示されるように、レーザ集光部500は、筐体501を有している。筐体501の側面には、第2移動機構240が取り付けられている。筐体501には、ミラーユニット360の開口361aとZ軸方向において対向するように、円筒状の光入射部501aが設けられている。光入射部501aは、レーザ出力部300から出射されたレーザ光Lを筐体501内に入射させる。ミラーユニット360と光入射部501aとは、第2移動機構240によってレーザ集光部500がZ軸方向に沿って移動させられた際に(すなわち、ミラーユニット360に対してレーザ集光部500が移動させられた際に)互いに接触することがない距離だけ、互いに離間している。
The
図示は省略するが、筐体501内には、ミラー、反射型空間光変調器、及び4fレンズユニットが配置されている。また、筐体501には、集光レンズユニット(集光光学系)、駆動機構、及び一対の測距センサが取り付けられている。
Although not shown, a mirror, a reflective spatial light modulator, and a 4f lens unit are arranged in the
Z軸方向に沿って筐体501内に進行したレーザ光Lは、ミラーによってXY平面に平行な方向に反射され、反射型空間光変調器に入射する。反射型空間光変調器は、ミラーによって反射されたレーザ光Lを変調しつつ、当該レーザ光LをXY平面に沿って反射する。反射型空間光変調器は、例えば反射型液晶(LCOS:Liquid Crystal on Silicon)の空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)である。
The laser beam L traveling in the
ここで、XY平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器に入射するレーザ光Lの光軸と、反射型空間光変調器から出射されるレーザ光Lの光軸とは、鋭角である角度αをなす。これは、レーザ光Lの入射角及び反射角を抑えて回折効率の低下を抑制し、反射型空間光変調器の性能を十分に発揮させるためである。また、反射型空間光変調器では、レーザ光LがP偏光として反射される。これは、反射型空間光変調器の光変調層に液晶が用いられている場合において、反射型空間光変調器に対して入出射するレーザ光Lの光軸を含む平面に平行な面内で液晶分子が傾斜するように、当該液晶が配向されているときには、偏波面の回転が抑制された状態でレーザ光Lに位相変調が施されるからである(例えば、特許第3878758号公報参照)。 Here, in a plane parallel to the XY plane, the optical axis of the laser light L incident on the reflective spatial light modulator and the optical axis of the laser light L emitted from the reflective spatial light modulator are sharp angles. Make a certain angle α. This is because the incident angle and the reflection angle of the laser beam L are suppressed to suppress the decrease in the diffraction efficiency, and the performance of the reflection type spatial light modulator is fully exhibited. Further, in the reflective spatial light modulator, the laser beam L is reflected as P-polarized light. This is because when a liquid crystal is used for the optical modulation layer of the reflective spatial light modulator, it is in a plane parallel to the plane including the optical axis of the laser beam L entering and exiting the reflective spatial light modulator. This is because when the liquid crystal is oriented so that the liquid crystal molecules are tilted, the laser light L is subjected to phase modulation while the rotation of the polarization plane is suppressed (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 387875). ..
4fレンズユニットは、反射型空間光変調器の反射面と集光レンズユニットの入射瞳面とが結像関係にある両側テレセントリック光学系を構成している。これにより、反射型空間光変調器の反射面でのレーザ光Lの像(反射型空間光変調器において変調されたレーザ光Lの像)が、集光レンズユニットの入射瞳面に転像(結像)される。 The 4f lens unit constitutes a bilateral telecentric optical system in which the reflective surface of the reflective spatial light modulator and the entrance pupil surface of the condenser lens unit are in an imaging relationship. As a result, the image of the laser beam L on the reflecting surface of the reflective spatial light modulator (the image of the laser beam L modulated in the reflective spatial light modulator) is transferred to the incident pupil surface of the condenser lens unit ( Image).
集光レンズユニットは、駆動機構を介して筐体501に取り付けられている。集光レンズユニットは、支持台230に支持された加工対象物1(図7参照)に対してレーザ光Lを集光する。駆動機構は、圧電素子の駆動力によって、集光レンズユニットをZ軸方向に沿って移動させる。
The condenser lens unit is attached to the
一対の測距センサは、X軸方向において集光レンズユニットの両側に位置するように、筐体501に取り付けられている。各測距センサは、支持台230に支持された加工対象物1(図7参照)のレーザ光入射面に対して測距用の光(例えば、レーザ光)を出射し、当該レーザ光入射面によって反射された測距用の光を検出することで、加工対象物1のレーザ光入射面の変位データを取得する。
The pair of ranging sensors are attached to the
レーザ加工装置200では、上述したように、X軸方向に平行な方向が加工方向(レーザ光Lのスキャン方向)とされている。そのため、各切断予定ライン5a,5bに沿ってレーザ光Lの集光点が相対的に移動させられる際に、一対の測距センサのうち集光レンズユニットに対して相対的に先行する測距センサが、各切断予定ライン5a,5bに沿った加工対象物1のレーザ光入射面の変位データを取得する。そして、加工対象物1のレーザ光入射面とレーザ光Lの集光点との距離が一定に維持されるように、駆動機構が、測距センサによって取得された変位データに基づいて集光レンズユニットをZ軸方向に沿って移動させる。
[λ/2波長板ユニット及び偏光板ユニット]
In the
[Λ / 2 wave plate unit and polarizing plate unit]
上述したように、レーザ集光部500では、XY平面に平行な平面内において、反射型空間光変調器に入射するレーザ光Lの光軸と、反射型空間光変調器から出射されるレーザ光Lの光軸とが、鋭角である角度αをなす。一方、図9に示されるように、レーザ出力部300では、レーザ光Lの光路がX軸方向又はY軸方向に沿うように設定されている。そのため、レーザ出力部300においては、λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340を、レーザ光Lの出力を調整する出力調整部としてだけでなく、レーザ光Lの偏光方向を調整する偏光方向調整部としても機能させる必要がある。
As described above, in the
図11に示されるように、λ/2波長板ユニット330は、ホルダ331と、λ/2波長板332と、を有している。ホルダ331は、X軸方向に平行な軸線(第1軸線)XLを中心線としてλ/2波長板332が回転可能となるように、λ/2波長板332を保持している。λ/2波長板332は、その光学軸(例えば、fast軸)に対して偏光方向が角度θだけ傾いてレーザ光Lが入射した場合に、軸線XLを中心線として偏光方向を角度2θだけ回転させてレーザ光Lを出射する(図12の(a)参照)。
As shown in FIG. 11, the λ / 2
偏光板ユニット340は、ホルダ341と、偏光板(偏光部材)342と、光路補正板(光路補正部材)343と、を有している。ホルダ341は、軸線(第2軸線)XLを中心線として偏光板342及び光路補正板343が一体で回転可能となるように、偏光板342及び光路補正板343を保持している。偏光板342の光入射面及び光出射面は、所定角度(例えば、ブリュスター角度)だけ傾いている。偏光板342は、レーザ光Lが入射した場合に、偏光板342の偏光軸に一致するレーザ光LのP偏光成分を透過させ、レーザ光LのS偏光成分を反射又は吸収する(図12の(b)参照)。光路補正板343の光入射面及び光出射面は、偏光板342の光入射面及び光出射面とは逆側に傾いている。光路補正板343は、偏光板342を透過することで軸線XL上から外れたレーザ光Lの光軸を軸線XL上に戻す。
The
偏光板ユニット340では、軸線XLを中心線として偏光板342及び光路補正板343が一体で回転させられ、図12の(b)に示されるように、Y軸方向に平行な方向に対して偏光板342の偏光軸が角度αだけ傾けられる。これにより、偏光板ユニット340から出射されるレーザ光Lの偏光方向が、Y軸方向に平行な方向に対して角度αだけ傾く。その結果、レーザ集光部500の反射型空間光変調器においてレーザ光LがP偏光として反射される。
In the
また、図12の(b)に示されるように、偏光板ユニット340に入射するレーザ光Lの偏光方向が調整され、偏光板ユニット340から出射されるレーザ光Lの光強度が調整される。偏光板ユニット340に入射するレーザ光Lの偏光方向の調整は、λ/2波長板ユニット330において軸線XLを中心線としてλ/2波長板332が回転させられ、図12の(a)に示されるように、λ/2波長板332に入射するレーザ光Lの偏光方向(例えば、Y軸方向に平行な方向)に対するλ/2波長板332の光学軸の角度が調整されることで、実施される。
Further, as shown in FIG. 12B, the polarization direction of the laser beam L incident on the
以上のように、レーザ出力部300において、λ/2波長板ユニット330及び偏光板ユニット340は、レーザ光Lの出力を調整する出力調整部(上述した例では、出力減衰部)としてだけでなく、レーザ光Lの偏光方向を調整する偏光方向調整部としても機能する。
[第1実施形態のレーザ発振器]
As described above, in the
[Laser Oscillator of First Embodiment]
図13に示されるように、レーザ発振器400は、種光出射部410と、プリアンプ部(アンプ部)420と、パワーアンプ部(アンプ部)430と、レーザ光出射部440と、を備えている。レーザ発振器400は、MOPA方式のファイバレーザとして構成されている。
As shown in FIG. 13, the
種光出射部410は、種光LD(種光源)411を有している。種光LD411は、パルスジェネレータによって駆動され、種光であるレーザ光Lをパルス発振する。種光LD411から出射されたレーザ光Lは、ファイバF1及びファイバケーブルFC1によってプリアンプ部420に伝播させられる。レーザ光Lは、所定波長(例えば1098nm)を有している。
The seed
プリアンプ部420は、アイソレータ421と、クラッドモードストリッパ422と、第1レーザファイバ(第1光ファイバ)423と、例えば1つの第1励起LD(励起光源)424と、コンバイナ425と、を有している。プリアンプ部420では、レーザ光Lは、ファイバF3,F4,F5によって第1レーザファイバ423に伝播させられ、第1レーザファイバ423で増幅された後、ファイバ(第2光ファイバ)F6及びファイバF7によってパワーアンプ部430に伝播させられる。
The
第1励起LD424は、第1レーザファイバ423を励起するための所定波長(例えば915nm)の第1励起光PL1を出射する。第1励起LD424から出射された第1励起光PL1は、ファイバF21によってコンバイナ425に伝播させられる。コンバイナ425は、ファイバF6とファイバF7との間において第1励起光PL1をファイバF6に結合する。ファイバF6に結合された第1励起光PL1は、第1レーザファイバ423に入射し、第1レーザファイバ423においてレーザ光Lの進行方向とは逆方向に進行する。つまり、ファイバF6は、第1レーザファイバ423に光学的に接続(結合)されており、レーザ光L及び第1励起光PL1を伝播させる。このように、プリアンプ部420では、後方励起の構成が採用されている。
The first excitation LD424 emits the first excitation light PL1 having a predetermined wavelength (for example, 915 nm) for exciting the
第1レーザファイバ423は、第1励起光PL1によって励起された状態で、種光出射部410から出射されたレーザ光Lを伝播させることで、レーザ光Lを増幅する。つまり、第1レーザファイバ423は、種光出射部410から出射されたレーザ光Lを伝播させながら増幅する。アイソレータ421は、ファイバF3とファイバF4との間において戻り光(種光出射部410側に進行する光)を遮断する。クラッドモードストリッパ422は、ファイバF5と第1レーザファイバ423との間において、第1レーザファイバ423で吸収されなかった第1励起光PL1を除去する。
The
パワーアンプ部430は、アイソレータ431と、バンドパスフィルタ432と、クラッドモードストリッパ433と、第2レーザファイバ(第1光ファイバ)434と、例えば複数(ここでは6つ)の第2励起LD(励起光源)435と、コンバイナ436と、を有している。パワーアンプ部430では、レーザ光Lは、ファイバF8,F9,F10によって第2レーザファイバ434に伝播させられ、第2レーザファイバ434で増幅された後、ファイバ(第2光ファイバ)F11、及び、ファイバF12,F13によってレーザ光出射部440に伝播させられる。
The
各第2励起LD435は、第2レーザファイバ434を励起するための所定波長(例えば915nm)の第2励起光PL2を出射する。各第2励起LD435から出射された第2励起光PL2は、ファイバF22によってコンバイナ436に伝播させられる。コンバイナ436は、ファイバF11とファイバF12との間において第2励起光PL2をファイバF11に結合する。ファイバF11に結合された第2励起光PL2は、第2レーザファイバ434に入射し、第2レーザファイバ434においてレーザ光Lの進行方向とは逆方向に進行する。つまり、ファイバF11は、第2レーザファイバ434に光学的に接続(結合)されており、レーザ光L及び第2励起光PL2を伝播させる。このように、パワーアンプ部430では、後方励起の構成が採用されている。
Each second excitation LD435 emits a second excitation light PL2 having a predetermined wavelength (for example, 915 nm) for exciting the
第2レーザファイバ434は、第2励起光PL2によって励起された状態で、プリアンプ部420で増幅されたレーザ光Lを伝播させることで、レーザ光Lを増幅する。つまり、第2レーザファイバ434は、種光出射部410から出射されたレーザ光Lを伝播させながら増幅する。アイソレータ431は、ファイバF7とファイバF8との間において戻り光(プリアンプ部420側に進行する光)を遮断する。バンドパスフィルタ432は、プリアンプ部420で発生したASE(Amplified Spontaneous Emission)光を除去する。クラッドモードストリッパ433は、ファイバF10と第2レーザファイバ434との間において、第2レーザファイバ434で吸収されなかった第2励起光PL2を除去する。
The
レーザ光出射部440は、コリメータ441と、アイソレータ(光学部品)442と、を有している。コリメータ441は、ファイバF13の出射端から出射されたレーザ光Lを平行化する。アイソレータ442は、戻り光(レーザ発振器400内に進行する光)を遮断する。アイソレータ442の出射端は、パワーアンプ部430で増幅されたレーザ光Lを外部に出射する出射端443を構成している。
The laser
レーザ発振器400では、種光出射部410から出射されたレーザ光Lの出力、プリアンプ部420で増幅されたレーザ光Lの出力、パワーアンプ部430で増幅されたレーザ光Lの出力、及びパワーアンプ部430での戻り光の出力がモニタされる。また、第1励起LD424から出射された第1励起光PL1の出力、及び複数の第2励起LD435から出射された第2励起光PL2の出力がモニタされる。
In the
種光出射部410から出射されたレーザ光Lの一部は、ファイバF4とファイバF5との間に設けられたカプラ451を介してファイバF31に入射し、ファイバF31によってPD(受光素子)452に伝播させられてPD452で検出される。種光出射部410から出射されたレーザ光Lの出力は、PD452から出力される信号に基づいてモニタされる。
A part of the laser beam L emitted from the seed
プリアンプ部420で増幅されたレーザ光Lの一部は、ファイバF9とファイバF10との間に設けられたカプラ454を介してファイバF32に入射し、ファイバF32によってPD(受光素子)455に伝播させられてPD455で検出される。プリアンプ部420で増幅されたレーザ光Lの出力は、PD455から出力される信号に基づいてモニタされる。
A part of the laser beam L amplified by the
パワーアンプ部430で増幅されたレーザ光Lの一部は、ファイバF12とファイバF13との間に設けられたカプラ458を介してファイバF34に入射し、ファイバF34によってPD(受光素子)459に伝播させられてPD459で検出される。パワーアンプ部430で増幅されたレーザ光Lの出力は、PD459から出力される信号に基づいてモニタされる。
A part of the laser beam L amplified by the
パワーアンプ部430の第2レーザファイバ434で戻り光(バンドパスフィルタ432側に進行する光)が発生した場合、当該戻り光の一部は、カプラ454を介してファイバF33に入射し、ファイバF33によってPD456に伝播させられてPD456で検出される。パワーアンプ部430での戻り光の出力は、PD456から出力される信号に基づいてモニタされる。
When return light (light traveling toward the
第1励起LD424から出射された第1励起光PL1の一部は、ファイバF6と第1レーザファイバ423との接合部分に配置されたPD(光検出素子)453に入射してPD453で検出される。第1励起LD424から出射された第1励起光PL1の出力は、PD453から出力される信号に基づいてモニタされる。
A part of the first excitation light PL1 emitted from the first excitation LD424 is incident on the PD (photodetection element) 453 arranged at the junction between the fiber F6 and the
複数の第2励起LD435から出射された第2励起光PL2の一部は、ファイバF11と第2レーザファイバ434との接合部分に配置されたPD457に入射してPD(光検出素子)457で検出される。複数の第2励起LD435から出射された第2励起光PL2の出力は、PD457から出力される信号に基づいてモニタされる。
A part of the second excitation light PL2 emitted from the plurality of second excitation LD435s is incident on the
図14に示されるように、レーザ発振器400は、第1支持プレート461と、第2支持プレート462と、筐体470と、を備えている。筐体470には、取付ベース471が設けられている。筐体470は、第1部分470aと、第2部分470bと、を有している。第2部分470bは、第1部分470aに対して着脱可能である。一例として、第1部分470aは、直方体状の形状を呈しており、取付ベース471は、第1部分470aの下壁によって構成されている。第2部分470bは、直方体状の形状を呈しており、第1部分470aの上面に取り付けられている。
As shown in FIG. 14, the
第1部分470aは、プリアンプ部420、パワーアンプ部430及びレーザ光出射部440を収容している。第2部分470bは、種光出射部410を収容している。種光出射部410からプリアンプ部420にレーザ光Lを伝播させるファイバケーブルFC1は、第1部分470aと第2部分470bとの間に掛け渡されている(図9参照)。
The
第1支持プレート461及び第2支持プレート462は、第1部分470aに収容されており、互いに対面するように(すなわち、第1支持プレート461及び第2支持プレート462のそれぞれの厚さ方向が互いに一致し且つ当該厚さ方向から見た場合に第1支持プレート461及び第2支持プレート462が互いに重なるように)配置されている。第2支持プレート462は、取付ベース471に対して上側に配置されている。第1支持プレート461は、第2支持プレート462に対して上側に配置されている。より具体的には、取付ベース471の表面471aと第2支持プレート462の裏面462bとが空間を介して互いに対向しており、第2支持プレート462の表面462aと第1支持プレート461の裏面461bとが空間を介して互いに対向している。第1支持プレート461及び第2支持プレート462は、それぞれ、支柱(図示省略)等によって支持されている。
The
レーザ発振器400は、取付ベース471の裏面471bが取付プレート301の主面301aに接触し且つレーザ光出射部440の出射端443がミラー303に向いた状態で、取付ベース471を介して取付プレート301に取り付けられている(図9参照)。つまり、レーザ発振器400は、取付プレート301(延いては装置フレーム210)に対して着脱可能である。
In the
図15に示されるように(図13参照)、第1支持プレート461の表面461aには、ファイバコネクタ401、アイソレータ421、カプラ451、クラッドモードストリッパ422、第1レーザファイバ423、PD453、コンバイナ425、アイソレータ431、バンドパスフィルタ432及びカプラ454が取り付けられている。ファイバコネクタ401は、ファイバケーブルFC1とファイバF3とを互いに接続する。第1レーザファイバ423は、ファイバリール(図示省略)によって保持されている。第2レーザファイバ434にレーザ光Lを伝播させるファイバF10は、第1支持プレート461に形成された切欠き461cを介して、第1支持プレート461の表面461aから第2支持プレート462の表面462aに延在している。
As shown in FIG. 15 (see FIG. 13), the
図16及び図17に示されるように、第2支持プレート462の表面462a、裏面462b及び側面462cは、パワーアンプ部430の第2レーザファイバ434及び複数の第2励起LD435、並びに、プリアンプ部420の第1励起LD424等の配置面である。なお、図17は、第2支持プレート462の裏面462b側の構成を第2支持プレート462の表面462a側から見た図であり、図17では、第2支持プレート462の表面462a側の構成が省略されている。
As shown in FIGS. 16 and 17, the
図16に示されるように(図13参照)、第2支持プレート462の表面462aには、クラッドモードストリッパ433、第2レーザファイバ434、PD457、コンバイナ436、カプラ458及びPD459が取り付けられている。第2レーザファイバ434は、ファイバリール(図示省略)によって保持されている。レーザ光出射部440にレーザ光Lを伝播させるファイバF13は、第2支持プレート462に形成された切欠き462eを介して、第2支持プレート462の表面462aから取付ベース471の表面471aに延在している。
As shown in FIG. 16 (see FIG. 13), a
第2支持プレート462の側面462cには、PD452,455,456及び第1励起LD424が取り付けられている。PD452にレーザ光Lの一部を伝播させるファイバF31、PD455にレーザ光Lの一部を伝播させるファイバF32、及びPD456に戻り光を伝播させるファイバF33は、第1支持プレート461と筐体470の第1部分470aの内面と間に形成された隙間を介して、第1支持プレート461の表面461aから第2支持プレート462の側面462cに延在している。コンバイナ425に第1励起光PL1を伝播させるファイバF21は、第1支持プレート461と筐体470の第1部分470aの内面と間に形成された隙間を介して、第2支持プレート462の側面462cから第1支持プレート461の表面461aに延在している。
PD452,455,456 and the first excited LD424 are attached to the
図17に示されるように、第2支持プレート462の裏面462bには、複数の第2励起LD435が取り付けられている。コンバイナ436に第2励起光PL2を伝播させるファイバF22は、第2支持プレート462に形成された切欠き462dを介して、第2支持プレート462の裏面462bから第2支持プレート462の表面462aに延在している。
As shown in FIG. 17, a plurality of second excited LD435s are attached to the
図16及び図17に示されるように、第2支持プレート462には、配管462fが埋設されている。配管462fには、冷却水(冷媒)Wが循環供給される。これにより、第2支持プレート462は、冷却水Wの流路が設けられた冷却プレートとして機能する。レーザ発振器400では、プリアンプ部420の第1レーザファイバ423が第1支持プレート461に配置されている一方で、パワーアンプ部430の第2レーザファイバ434及び複数の第2励起LD435、並びに、プリアンプ部420の第1励起LD424が第2支持プレート462に配置されている。これにより、パワーアンプ部430の第2レーザファイバ434及び複数の第2励起LD435、並びに、プリアンプ部420の第1励起LD424が冷却される。
As shown in FIGS. 16 and 17, a
図18に示されるように、取付ベース471の表面471aには、支持部材402、コリメータ441及びアイソレータ442が取り付けられている。つまり、レーザ光出射部440は、取付ベース471に配置されている。図19に示されるように、取付ベース471の裏面471bには、凹部471cが形成されている。凹部471cの内面には、PD452,455,456,457,459から出力される信号の処理基板403,404、及びメモリ基板405が取り付けられている。なお、図19は、取付ベース471の裏面471b側の構成を取付ベース471の表面471a側から見た図であり、図19では、取付ベース471の表面471a側の構成が省略されている。
As shown in FIG. 18, a
図20に示されるように、支持部材402は、支持面402aを有している。支持面402aには、パワーアンプ部430からレーザ光出射部440にレーザ光Lを伝播させるファイバF13が配置されている。より具体的には、支持面402aは、第2支持プレート462に形成された切欠き462eの直下から(図16及び図18参照)コリメータ441の入射端に向かって延在しており、コリメータ441に近づくほど下側に位置するように傾斜している。
As shown in FIG. 20, the
引き続いて、励起光検出構造について説明する。図13に示されるように、レーザ発振器400には、レーザファイバの個数に応じた個数(ここでは2つ)の励起光検出構造700,701が形成されている。励起光検出構造700は、第1励起LD424から出射された第1励起光PL1を検出する。励起光検出構造701は、第2励起LD435から出射された第2励起光PL2を検出する。
Subsequently, the excitation light detection structure will be described. As shown in FIG. 13, the
図15に示されるように、励起光検出構造700は、第1レーザファイバ423と、ファイバF6と、PD453と、PD453を保持するホルダ464と、を含み、第1支持プレート461の表面461a上に構成されている。図16に示されるように、励起光検出構造701は、第2レーザファイバ434と、ファイバF11と、PD457と、PD457を保持するホルダ469と、を含み、第2支持プレート462の表面462a上に構成されている。以下、励起光検出構造700について具体的に説明するが、励起光検出構造701も同様の構成を有している。
As shown in FIG. 15, the excitation
図21は、図15に示された励起光検出構造の底面図である。図22は、図21に示された励起光検出構造の模式的な拡大断面図である。図22においては、ハッチングが省略されている。図21,22に示されるように、励起光検出構造700は、第1レーザファイバ423と、ファイバF6と、PD453と、PD453を保持するホルダ464と、を含む。第1レーザファイバ423及びファイバF6は、ダブルクラッドファイバ(DCF)である。
FIG. 21 is a bottom view of the excitation light detection structure shown in FIG. FIG. 22 is a schematic enlarged cross-sectional view of the excitation light detection structure shown in FIG. In FIG. 22, hatching is omitted. As shown in FIGS. 21 and 22, the excitation
すなわち、第1レーザファイバ423は、コア720と、コア720の周りに設けられた第1クラッド721と、コア720及び第1クラッド721の周りに設けられた第2クラッド722と、コア720、第1クラッド721、及び、第2クラッド722の周りに設けられた外被723と、を含む。また、ファイバF6は、コア760と、コア760の周りに設けられた第1クラッド761と、コア760及び第1クラッド761の周りに設けられた第2クラッド762と、コア760、第1クラッド761、及び、第2クラッド762の周りに設けられた外被763と、を含む。
That is, the
コア720,760の屈折率は、例えば1.455程度である。第1クラッド721,761の屈折率は、コア720,760の屈折率よりも低く、例えば1.452程度である。第2クラッド722,762の屈折率は、第1クラッド721,761の屈折率よりも低く、例えば1.365〜1.375程度である。第1クラッド721,761は、コア720,760内にレーザ光Lを閉じ込める。このため、レーザ光Lは、コア720,760内を伝播する。第2クラッド722,762は、第1クラッド721,761内に第1励起光PL1を閉じ込める。このため、第1励起光PL1は、第1クラッド721,761及びコア720,760内を伝播する。
The refractive index of the
第1レーザファイバ423とファイバF6とは、互いに融着接続されている。したがって、第1レーザファイバ423のコア720を伝播したレーザ光Lは、ファイバF6のコア760に入射してコア760を伝播する。また、ファイバF6のコア760及び第1クラッド761を伝播した第1励起光PL1は、第1レーザファイバ423のコア720及び第1クラッド721に入射し、コア720及び第1クラッド721を伝播する。
The
ファイバF6の第1クラッド761は、コア760を覆うと共に、第2クラッド762及び外被763に覆われた被覆部764を含む。また、第1クラッド761は、コア760を覆うと共に、第2クラッド762及び外被763から露出された露出部765を含む。露出部765は、第1レーザファイバ423との融着部Mを含む。すなわち、露出部765は、ファイバF6における第1レーザファイバ423側の端部である。一方、被覆部764は、ファイバF6における露出部765から融着部Mと反対側に延びる部分である。
The first clad 761 of the fiber F6 includes a covering
第1レーザファイバ423の第1クラッド721は、コア720を覆うと共に、第2クラッド722及び外被723に覆われた被覆部724を含む。また、第1クラッド721は、コア720を覆うと共に、第2クラッド722及び外被723から露出された露出部725を含む。露出部725は、第1レーザファイバ423におけるファイバF6側の端部である。一方、被覆部724は、第1レーザファイバ423における露出部725からファイバF6と反対側に延びる部分である。第1レーザファイバ423とファイバF6とは、その露出部725,765において互いに接続されている。
The first clad 721 of the
露出部725,765は、後述するように、第2クラッド722,762及び外被723,763を除去することによって形成される。このため、露出部725と被覆部724との境界においては、第2クラッド722及び外被723の平坦でない(凹凸があり粗い)端面が形成されている。また、露出部765と被覆部764との境界においては、第2クラッド762及び外被763の平坦でない(凹凸があり粗い)端面が形成されている。
The exposed portions 725,765 are formed by removing the second clad 722,762 and the outer cover 723,763, as will be described later. Therefore, at the boundary between the exposed
ここで、第1レーザファイバ423及びファイバF6には、露出部725,765を一括して覆うように、キャピラリ730が設けられている。キャピラリ730は、露出部725,765から被覆部724,764に至るように設けられている。そして、少なくとも露出部725,765とキャピラリ730との間には、樹脂層740が充填されている。樹脂層740の屈折率は、第1クラッド721,761の屈折率よりも小さく、例えば1.37程度である。キャピラリ730は、例えばガラスにより構成されており、樹脂層740の屈折率よりも高い屈折率を有する。キャピラリ730の屈折率は、例えば1.438〜1.455程度である。
Here, the
樹脂層740は、第1レーザファイバ423の露出部725において第1クラッド721に密着して第1クラッド721を覆う第1部分741と、ファイバF6の露出部765において第1クラッド761に密着して第1クラッド761を覆う第2部分742と、を含む。換言すれば、第1レーザファイバ423は、コア720及び第1クラッド721の周りに設けられた樹脂層740(第1部分741)を含む。また、ファイバF6は、コア760及び第1クラッド761の周りに設けられた樹脂層740(第2部分742)を含む。
The
キャピラリ730は、樹脂層740の第1部分741の周りに設けられた第1部分731と、樹脂層740の第2部分742の周りに設けられた第2部分732と、を含む。換言すれば、第1レーザファイバ423は、露出部725において樹脂層740に密着して樹脂層740をさらに覆うキャピラリ730(第1部分731)を含む。また、ファイバF6は、露出部765において樹脂層740に密着して樹脂層740をさらに覆うキャピラリ(第2部分732)を含む。
The capillary 730 includes a
PD453は、その受光側がキャピラリ730及び樹脂層740を介してファイバF6の露出部765に対向するように配置され、ホルダ464に保持されている。図23は、図21に示されたホルダの分解斜視図である。図24は、図21に示されたホルダの斜視図である。ホルダ464は、PD453を保持する本体部465と、本体部465を第1支持プレート461の表面461aに固定するための一対の固定部466と、を含む。本体部465は、直方体状を呈している。本体部465の略中心には、PD453を収容するための貫通孔465hが形成されている。
The PD453 is arranged so that its light receiving side faces the exposed
貫通孔465hは、ホルダ464の上面464aと裏面464bとを連通している。貫通孔465hは、上面464aと裏面464bとの間において、環状の段差部465cを有している。PD453は、貫通孔465hに収容された状態において、段差部465cに当接すると共に上面464a側から押さえ板467により押さえられることにより、本体部465に保持されている。押さえ板467は、孔部467hからPD453の端子を露出した状態において、例えばボルトB等により上面464aに固定される。
The through
固定部466は、直方体状を呈している。固定部466は、本体部465の長手方向の両端において、本体部465と一体に設けられている。ホルダ464は、裏面464bを第1支持プレート461の表面461a側に向けた状態において、これらの固定部466に挿通されるボルトB等によって表面461aに固定される。
The fixed
ホルダ464の裏面464bには、溝468が形成されている。溝468は、PD453を収容する貫通孔465hを通るように、ホルダ464の長手方向の両端面464sにわたって直線上に形成されている。溝468は、第1レーザファイバ423及びファイバF6の位置決めを行う。より具体的には、第1レーザファイバ423及びファイバF6は、第1支持プレート461の表面461a上に配置された状態において、溝468内に収容されることにより、溝468の内壁によって位置決めされる。特に、溝468が貫通孔465hを通るように延在しているため、ファイバF6は、溝468内に収容されることによって、その露出部765がPD453に対向するように位置決めされる。
A
再び図22を参照し、レーザ発振器400の作用・効果について説明する。レーザ発振器400(励起光検出構造700)においては、ファイバF6によって伝播された励起光によって第1レーザファイバ423が励起される。これにより、種光LD411からのレーザ光(種光)Lが第1レーザファイバ423を伝播されながら増幅される。一方、ファイバF6は、コア760を覆う第1クラッド761が第2クラッド762から露出した露出部765を含む。その露出部765は、第1クラッド761の屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂層740に覆われている。
The operation and effect of the
そして、PD453が、樹脂層740を介して第1クラッド761の露出部765に対向するように配置されている。したがって、第1クラッド761を伝播して露出部765から出射する第1励起光PL1の漏れ光PL0をPD453により検出可能である。なお、漏れ光PL0の発生は、露出部765と被覆部764との境界における第2クラッド762の端部によって第1励起光PL1が散乱されることが一因と考えられる。
Then, PD453 is arranged so as to face the exposed
また、レーザ発振器400(励起光検出構造700)においては、ファイバF6の露出部765は、第1レーザファイバ423との融着部Mを含んでいる。このため、第1クラッド761を第2クラッド762から露出させて露出部765を形成したり、露出部765を樹脂層740により覆ったりすることが容易となる。すなわち、融着部Mを利用して容易に第1励起光PL1の検出が可能になる。
Further, in the laser oscillator 400 (excitation light detection structure 700), the exposed
また、レーザ発振器400(励起光検出構造700)においては、ファイバF6は、樹脂層740の屈折率よりも高い屈折率を有し、露出部765において樹脂層740をさらに覆うキャピラリ730を含んでいる。この場合、樹脂層740から第1励起光PL1を漏れやすくすることができる。
Further, in the laser oscillator 400 (excitation light detection structure 700), the fiber F6 has a refractive index higher than that of the
さらに、レーザ発振器400(励起光検出構造700)は、PD453を保持するホルダを備え、ファイバF6は、露出部765がPD453に対向するようにホルダ464によって位置決めされている。このため、ファイバF6の露出部765とPD453との相対的な位置関係を確実に保持することができる。
Further, the laser oscillator 400 (excitation light detection structure 700) includes a holder for holding the PD453, and the fiber F6 is positioned by the
以上のような励起光検出構造700の製造方法の一例を説明する。まず、第1レーザファイバ423となるレーザファイバ(以下、第1レーザファイバ423という)と、ファイバF6となる光ファイバ(以下、ファイバF6という)と、を用意する。続いて、第1レーザファイバ423において、第2クラッド722及び外被723を除去することにより第1クラッド721を露出させ、露出部725を形成する。また、ファイバF6において、第2クラッド762及び外被763を除去することにより第1クラッド761を露出させ、露出部765を形成する(第1工程)。
An example of the manufacturing method of the excitation
続いて、露出部725の先端側の一部において第1レーザファイバ423を切断することにより、光軸に直交する切断面を形成する。また、露出部765の先端側の一部においてファイバF6を切断することにより、光軸に直交する切断面を形成する(第2工程)。
Subsequently, the
続いて、それらの切断面において、ファイバF6の露出部765を第1レーザファイバ423の露出部725に融着することにより、ファイバF6を第1レーザファイバ423に融着接続して融着部Mを形成する(第3工程)。このとき、ファイバF6と第1レーザファイバ423とを融着接続する前に、予め、ファイバF6及び第1レーザファイバ423のいずれかにキャピラリ730を挿通しておく。
Subsequently, on those cut surfaces, the exposed
続いて、ファイバF6の第1クラッド761の屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂層740を、ファイバF6の露出部765を覆うように第1クラッド761上に形成する(第4工程)。ここでは、第1レーザファイバ423の第1クラッド721上にも樹脂層74が形成される。より具体的には、一例として、予めファイバF6及び第1レーザファイバ423のいずれかに挿通されていたキャピラリ730を、露出部725,765を覆う位置に配置する。そして、キャピラリ730内に低屈折率樹脂を流し込んで充填し、キャピラリ730内において樹脂層740を形成する。
Subsequently, a
その後、樹脂層740を介してファイバF6の露出部765をPD453に対向させる(第5工程)。より具体的には、ファイバF6の露出部765がPD453に対向するように、ファイバF6及び第1レーザファイバ423を、第1支持プレート461の表面461a上においてホルダ464の溝468内に配置する。そして、ホルダ464を表面461aに固定する。以上により、励起光検出構造700が製造される。この方法によれば、第2クラッド722,762の除去により露出部725,765を形成した後に、第1レーザファイバ423及びファイバF6を切断するので、良好な切断面が得られる。よって、融着部Mにおけるロスが低減される。
After that, the exposed
以上の実施形態は、本発明に係るレーザ発振器、及び励起光検出構造の一例を説明したものである。したがって、本発明に係るレーザ発振器、及び励起光検出構造は、上記の例に限定されない。本発明に係るレーザ発振器、及び励起光検出構造は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、任意に上記のものを変更したものとすることができる。 The above-described embodiment describes an example of the laser oscillator and the excitation light detection structure according to the present invention. Therefore, the laser oscillator and the excitation light detection structure according to the present invention are not limited to the above examples. The laser oscillator and the excitation light detection structure according to the present invention may be arbitrarily modified as described above without changing the gist of each claim.
例えば、上記の例では、レーザファイバ(第1レーザファイバ423,第2レーザファイバ434)と通常の光ファイバ(ファイバF6,ファイバF11)との融着部に励起光を検出するための構造(励起光検出構造700,701)を構成した。しかしながら、少なくとも励起光を伝播させる通常の光ファイバ同士の融着部に励起光を検出するための構造を構成してもよい。
For example, in the above example, a structure (excitation) for detecting excitation light in a fusion portion between a laser fiber (
また、第1レーザファイバ423の露出部725を、PD453に対向するように配置してもよい。この場合でも、上記のようにファイバF6の露出部765をPD453に対向させた場合と同様に、第1励起光PL1(漏れ光PL0)が検出可能と考えられる。しかしながら、この場合には、第1レーザファイバ423において発生する光がノイズとして検出されるおそれがある。したがって、この場合には、第1レーザファイバ423において発生する波長の光を遮断するためのフィルタを、PD453の前段に配置することが望ましい。ただし、上記の例のように、増幅機能を有しないファイバF6の露出部765をPD453に対向するように配置すれば、フィルタを用いることなく第1励起光PL1を検出可能である。
Further, the exposed
また、ガラスからなるキャピラリ730に代えて、樹脂層740を覆うように、樹脂層740の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率樹脂層を設けてもよい。この場合にも、樹脂層740から第1励起光PL1が漏れやすくなる。
Further, instead of the capillary 730 made of glass, a high refractive index resin layer having a refractive index higher than that of the
また、上記実施形態では、プリアンプ部420に、後方励起の構成が採用されていたが、第1レーザファイバ423において第1励起光PL1がレーザ光Lの進行方向と同方向に進行する前方励起の構成が採用されてもよい。同様に、上記実施形態では、パワーアンプ部430に、後方励起の構成が採用されていたが、第2レーザファイバ434において第2励起光PL2がレーザ光Lの進行方向と同方向に進行する前方励起の構成が採用されてもよい。これらの場合、第1励起光PL1又は第2励起光PL2を伝播する光ファイバ(第2光ファイバ)には、レーザ光Lが実質的に伝播しない。
Further, in the above embodiment, the configuration of backward excitation is adopted for the
また、本発明のレーザ発振器は、加工対象物1の内部に改質領域を形成するレーザ加工装置200に限定されず、アブレーション加工、溶接加工等、他のレーザ加工を実施するレーザ加工装置に搭載することも可能である。
Further, the laser oscillator of the present invention is not limited to the
また、レーザ加工装置200では、偏光板ユニット340に、偏光板342以外の偏光部材が設けられてもよい。一例として、偏光板342及び光路補正板343に替えて、キューブ状の偏光部材が用いられてもよい。キューブ状の偏光部材とは、直方体状の形状を呈する部材であって、当該部材において互いに対向する側面が光入射面及び光出射面とされ且つその間に偏光板の機能を有する層が設けられた部材である。
Further, in the
また、レーザ加工装置200では、λ/2波長板332が回転する軸線と、偏光板342が回転する軸線とは、互いに一致していなくてもよい。
Further, in the
また、レーザ加工装置200では、レーザ出力部300が、レーザ出力部300から出射されるレーザ光Lの光軸を調整するためのミラー362,363を有していたが、レーザ出力部300から出射されるレーザ光Lの光軸を調整するためのミラーを少なくとも1つ有していればよい。
Further, in the
400…レーザ発振器、410…種光出射部、411…種光LD(種光源)、420…プリアンプ部(アンプ部)、423…第1レーザファイバ(第1光ファイバ)、424…第1励起LD(励起光源)、430…パワーアンプ部(アンプ部)、434…第2レーザファイバ(第1光ファイバ)、435…第2励起LD(励起光源)、453,457…PD(光検出素子)、464,469…ホルダ、F6,F11…ファイバ(第2光ファイバ)、700,701…励起光検出構造、730…キャピラリ、740…樹脂層、760…コア、761…第1クラッド、762…第2クラッド、764…被覆部、765…露出部、L…レーザ光、PL1…第1励起光(励起光)、PL2…第2励起光(励起光)、M…融着部。 400 ... Laser oscillator, 410 ... Seed light emitting part, 411 ... Seed light LD (seed light source), 420 ... Preamp part (amplifier part), 423 ... First laser fiber (first optical fiber), 424 ... First excitation LD (Excitation light source), 430 ... Power amplifier unit (amplifier unit), 434 ... Second laser fiber (first optical fiber), 435 ... Second excitation LD (excitation light source), 453,457 ... PD (light detection element), 464,469 ... Holder, F6, F11 ... Fiber (second optical fiber), 700,701 ... Excitation light detection structure, 730 ... Capillary, 740 ... Resin layer, 760 ... Core, 761 ... First clad, 762 ... Second Clad, 764 ... Covering part, 765 ... Exposed part, L ... Laser light, PL1 ... First excitation light (excitation light), PL2 ... Second excitation light (excitation light), M ... Fusion part.
Claims (5)
前記種光出射部から出射された前記レーザ光を伝播させながら増幅するための第1光ファイバと、前記第1光ファイバを励起するための励起光を出射する励起光源と、前記第1光ファイバに光学的に接続されており、少なくとも前記励起光を伝播させる第2光ファイバと、前記励起光を検出するための光検出素子と、を有するアンプ部と、を備え、
前記第2光ファイバは、コアと、前記コアの周りに設けられた第1クラッドと、前記コア及び前記第1クラッドの周りに設けられた第2クラッドと、前記コア及び前記第1クラッドの周りに設けられた樹脂層と、を含み、
前記第1クラッドは、前記コアを覆うと共に前記第2クラッドに覆われた被覆部と、前記コアを覆うと共に前記第2クラッドから露出された露出部と、を含み、
前記樹脂層は、前記第1クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記露出部において前記第1クラッドを覆っており、
前記光検出素子は、前記樹脂層を介して前記露出部に対向するように配置されている、
レーザ発振器。 A seed light emitting unit having a seed light source that emits a laser beam that is a seed light,
A first optical fiber for amplifying the laser light emitted from the seed light emitting unit while propagating, an excitation light source for emitting excitation light for exciting the first optical fiber, and the first optical fiber. An amplifier unit that is optically connected to and has at least a second optical fiber that propagates the excitation light and an optical detection element for detecting the excitation light.
The second optical fiber includes a core, a first clad provided around the core, a second clad provided around the core and the first clad, and around the core and the first clad. Including the resin layer provided in
The first clad includes a covering portion that covers the core and is covered by the second clad, and an exposed portion that covers the core and is exposed from the second clad.
The resin layer has a refractive index lower than that of the first clad, and covers the first clad at the exposed portion.
The photodetector is arranged so as to face the exposed portion via the resin layer.
Laser oscillator.
請求項1に記載のレーザ発振器。 The exposed portion includes a fusion portion with the first optical fiber.
The laser oscillator according to claim 1.
請求項1又は2に記載のレーザ発振器。 The second optical fiber has a refractive index higher than that of the resin layer, and includes a capillary that further covers the resin layer in the exposed portion.
The laser oscillator according to claim 1 or 2.
前記第2光ファイバは、前記露出部が前記光検出素子に対向するように前記ホルダによって位置決めされている、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザ発振器。 A holder for holding the photodetector is provided.
The second optical fiber is positioned by the holder so that the exposed portion faces the photodetector.
The laser oscillator according to any one of claims 1 to 3.
コアと、前記コアの周りに設けられた第1クラッドと、前記コア及び前記第1クラッドの周りに設けられた第2クラッドと、を含む前記第2光ファイバにおいて、前記第2クラッドを除去することにより前記第1クラッドを露出させて露出部を形成する第1工程と、
前記露出部の一部において前記第2光ファイバを切断することにより切断面を形成する第2工程と、
前記切断面において前記露出部を前記第1光ファイバに融着接続して融着部を形成する第3工程と、
前記第1クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂層を、前記露出部を覆うように第1クラッド上に形成する第4工程と、
前記樹脂層を介して前記露出部を光検出素子に対向させる第5工程と、
を備える、
励起光検出構造の製造方法。 Excitation for detecting the excitation light in a laser oscillator having a first optical fiber that amplifies while propagating the laser light and at least a second optical fiber that propagates the excitation light for exciting the first optical fiber. It is a method of manufacturing a light detection structure.
The second clad is removed in the second optical fiber including the core, the first clad provided around the core, and the core and the second clad provided around the first clad. As a result, the first step of exposing the first clad to form an exposed portion, and
A second step of forming a cut surface by cutting the second optical fiber in a part of the exposed portion, and
A third step of forming a fused portion by fusion-bonding the exposed portion to the first optical fiber on the cut surface.
A fourth step of forming a resin layer having a refractive index lower than that of the first clad on the first clad so as to cover the exposed portion.
A fifth step of making the exposed portion face the photodetector via the resin layer, and
To prepare
A method for manufacturing an excitation light detection structure.
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