特開 2020-201424 光学ユニット、レーザー加工装置および光抽出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-201424(P2020-201424A)

(43)【公開日】2020年12月17日

(54)【発明の名称】光学ユニット、レーザー加工装置および光抽出方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/37 20060101AFI20201120BHJP

   B23K 26/066 20140101ALI20201120BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/37

   B23K26/066

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2019-109505(P2019-109505)

(22)【出願日】2019年6月12日

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】岡▲崎▼ 雅英

【テーマコード（参考）】

2K102

4E168

【Ｆターム（参考）】

2K102AA08

2K102BA18

2K102BB02

2K102BC01

2K102BD10

2K102CA00

2K102DA01

2K102EB04

2K102EB10

4E168DA03

4E168DA06

4E168DA24

4E168DA32

4E168EA12

4E168EA19

(57)【要約】

【課題】光軸の傾きやシフトの発生、非点収差といった影響を抑制しつつ、同じ光軸方向に伝搬する、それぞれ波長の異なる複数の光のうち、特定の波長の光を優先的に抽出する。
【解決手段】レーザー光源２１から出射される第1光Ｌ１の一部を、第1光Ｌ１と光軸を同じくし、第1光Ｌ１と異なる波長を有する第2光Ｌ２に変換する波長変換部２２と、波長変換部２２から出射される第1光Ｌ１および第2光Ｌ２を、色収差によって光軸上の異なる焦点位置に集光する集光部２３と、光軸上において集光部２３と被照射物１２との間に配置されるアパーチャ２４とを備え、アパーチャ２４は、少なくとも一部の第2光Ｌ２を通過させる開口部２４２と、少なくとも一部の第1光Ｌ１を遮光する遮光部２４１と、を有し、開口部２４２は、光軸と直交する面Ｋ１における第1光Ｌ１の径よりも面Ｋ１における第2光Ｌ２の径のほうが小さくなる位置に配置される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー光源から出射される第1光の一部を、前記第1光と光軸を同じくし、前記第1光と異なる波長を有する第2光に変換する波長変換部と、
前記波長変換部から出射される前記第1光および前記第2光を、色収差によって光軸上の異なる焦点位置に集光する集光部と、
光軸上において前記集光部と被照射物との間に配置されるアパーチャと、
を備え、
前記アパーチャは、少なくとも一部の前記第2光を通過させる開口部と、少なくとも一部の前記第1光を遮光する遮光部と、を有し、
前記開口部は、光軸と直交する面内における前記第1光の径よりも前記面内における前記第2光の径のほうが小さくなる位置に配置される、
ことを特徴とする光学ユニット。

【請求項2】

請求項１に記載の光学ユニットであって、
前記集光部は、凸レンズおよび凹レンズを組み合わせたレンズ組を含み、
前記レンズ組のパワーは０より大きく、
前記凸レンズは、第1のアッベ数を有し、
前記凹レンズは、前記第1のアッベ数よりも大きい第2のアッベ数を有することを特徴とする光学ユニット。

【請求項3】

請求項１に記載の光学ユニットであって、
前記アパーチャは前記集光部による前記第2光の焦点位置に前記開口部が位置するように配置されることを特徴とする光学ユニット。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学ユニットであって、
前記アパーチャは前記遮光部を冷却する冷却部を有することを特徴とする光学ユニット。

【請求項5】

前記第１光を出射する前記レーザー光源と、
請求項１から請求項４までのいずれか1項に記載の光学ユニットと、
を備え、
前記被照射物に前記第２光を照射することで、前記被照射物を加工するレーザー加工装置。

【請求項6】

レーザー光源から出射される第1光の一部を、前記第1光と光軸を同じくし、前記第1光と異なる波長を有する第2光に変換する波長変換工程と、
前記第１光と前記波長変換工程により変換された前記第2光を、色収差によって光軸上の異なる焦点位置に集光する集光工程と、
前記集光工程により集光された前記第２光のうち少なくとも一部の前記第2光を通過させる開口部と、前記集光工程により集光された前記第１光のうち少なくとも一部の前記第1光を遮光する遮光部とにより、前記開口部の通過前の前記第１光の光強度に対する前記第２光の光強度の割合よりも、前記開口部の通過後の前記第１光の光強度に対する前記第２光の光強度の割合を大きくする光抽出工程と、
を備え、
前記光抽出工程において、前記開口部を通過する前記第1光の光軸と直交する面内における径よりも、前記開口部を通過する前記第２光の前記面内における径のほうが小さい、
ことを特徴とする光抽出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、同じ光軸方向に伝搬する、それぞれ波長の異なる複数の光のうち、特定の波長の光を有意に抽出する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

短波長光により被照射物をアブレーション処理する際、レーザー光源から出射される基本波（励起光ともいう）を波長変換素子により第２高調波などの所望の短波長光に変換して用いている。この際、波長変換素子からは第２高調波のほか、第２高調波へ変換されなかった基本波もあわせて出射されるため、そのままでは被照射物へ短波長光（第２高調波）と長波長光（基本波）が照射されることになる。

【0003】

特許文献１では、集束レンズの色収差を利用して、被照射物に基本波の焦点位置を合致させて溶融加工を行うとともに、第２高調波の焦点位置を被照射物からはずして被照射物に照射することで広範囲に変質加工を行う技術が開示されている。

【0004】

特許文献１のように、基本波と第２高調波の双方を利用する技術がある一方で、処理内容によっては、基本波の照射により被照射物が溶融すると、第２高調波による処理に悪影響を及ぼす場合がある。

【0005】

例えば、第２高調波を用いたアブレーション処理では、被照射物の一部の表面を第２高調波により蒸発・分解する。これにより、被照射物における第２高調波の照射領域と非照射領域との間に鋭いエッジを有する凹凸構造を形成することができる。しかしながら、被照射物の表面に基本波による溶融が生じると、アブレーション処理で形成された凹凸構造のエッジが溶融により丸まり、所望のエッジ形状が得られない。

【0006】

このことから、波長変換素子から出射される基本波と第２高調波を分離する技術が用いられてきた。例えば、それぞれ異なる波長を有する複数の光を分離・抽出するために、プリズムやダイクロイックミラーなどの光学素子を用いる技術が知られている。

【0007】

例えば、特許文献２には、少なくとも一組の波長を空間的に分散する波長分散素子としてプリズムを用いる技術が開示されている。

【0008】

また、特許文献３には、ダイクロイックミラーを波長選択フィルターとして用いる技術が開示されている。具体的には、波長変換素子から出射された高調波に変換されない基本波の一部はダイクロイックミラーにより光源にフィードバックされ、高調波はダイクロイックミラーを透過して外部へ出射される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平２−２００３８９号公報

【特許文献2】特開２００５−２２４８４１号公報

【特許文献3】特再公表２００５−０９８５２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、プリズムを用いて基本波と第２高調波を分離させる場合、プリズムによる分離後に基本波および第２高調波の光軸が大きく傾くうえ、非点収差が発生するという問題があった。また、透過側に第２高調波、反射側に基本波が伝搬するようにダイクロイックミラーを用いる場合、透過側の第２高調波の光軸が、入射側の光軸からわずかにシフトし、さらにダイクロイックミラーの硝材の平行度の精度によっては無視できない非点収差が発生する。

【0011】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、光軸の傾きやシフトの発生、非点収差といった影響を抑制しつつ、同じ光軸方向に伝搬する、それぞれ波長の異なる複数の光のうち、特定の波長の光を優先的に抽出するのに適した光学ユニット、レーザー加工装置および光抽出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本願に係る第1発明は、光学ユニットに関し、レーザー光源から出射される第1光の一部を、前記第1光と光軸を同じくし、前記第1光と異なる波長を有する第2光に変換する波長変換部と、前記波長変換部から出射される前記第1光および前記第2光を、色収差によって光軸上の異なる焦点位置に集光する集光部と、光軸上において前記集光部と被照射物との間に配置されるアパーチャと、を備え、前記アパーチャは、少なくとも一部の前記第2光を通過させる開口部と、少なくとも一部の前記第1光を遮光する遮光部と、を有し、前記開口部は、光軸と直交する面内における前記第1光の径よりも前記面内における前記第2光の径のほうが小さくなる位置に配置される、ことを特徴とする。

【0013】

本願に係る第２発明は、第１発明の光学ユニットであって、前記集光部は、凸レンズおよび凹レンズを組み合わせたレンズ組を含み、前記レンズ組のパワーは０より大きく、前記凸レンズは、第1のアッベ数を有し、前記凹レンズは、前記第1のアッベ数よりも大きい第2のアッベ数を有することを特徴とする。

【0014】

本願に係る第３発明は、第１発明の光学ユニットであって、前記アパーチャは前記集光部による前記第2光の焦点位置に前記開口部が位置するように配置されることを特徴とする。

【0015】

本願に係る第４発明は、第１発明から第３発明のいずれかの光学ユニットであって、前記アパーチャは前記遮光部を冷却する冷却部を有することを特徴とする。

【0016】

本願に係る第５発明は、レーザー加工装置に関し、前記第１光を出射する前記レーザー光源と、第１発明から第４発明までのいずれの光学ユニットと、を備え、前記被照射物に前記第２光を照射することで、前記被照射物を加工することを特徴とする。

【0017】

本願に係る第６発明は、光抽出方法に関し、レーザー光源から出射される第1光の一部を、前記第1光と光軸を同じくし、前記第1光と異なる波長を有する第2光に変換する波長変換工程と、前記第１光と前記波長変換工程により変換された前記第2光を、色収差によって光軸上の異なる焦点位置に集光する集光工程と、前記集光工程により集光された前記第２光のうち少なくとも一部の前記第2光を通過させる開口部と、前記集光工程により集光された前記第１光のうち少なくとも一部の前記第1光を遮光する遮光部とにより、前記開口部の通過前の前記第１光の光強度に対する前記第２光の光強度の割合よりも、前記開口部の通過後の前記第１光の光強度に対する前記第２光の光強度の割合を大きくする光抽出工程と、を備え、前記光抽出工程において、前記開口部を通過する前記第1光の光軸と直交する面内における径よりも、前記開口部を通過する前記第２光の前記面内における径のほうが小さい、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

以上のように、本願に係る発明によれば、あえて集光部により光軸上の色収差を生じさせて、光軸上の異なる位置に第１光と第２光とを集光させる。そして、集光部の光軸方向後段に配置されるアパーチャを、第１光と比べ第２光がより多く通過するように配置することで、第１光および第２光から、第２光を有意に抽出することができる。しかも、抽出においてアパーチャを使用していることから、光軸の傾きやシフトの発生、非点収差といった影響を抑制しつつ、光抽出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１実施形態に係るレーザー加工装置の構成を模式的に示す図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る光学ユニットの構成を模式的に示す図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係るアパーチャの構成を模式的に示す図である。

【図4】アパーチャと第１，２光との関係を示す図である。

【図5】アパーチャの配置位置と第1光の焦点距離との関係を示す図である。

【図6】アパーチャの配置位置と第1光の焦点距離との関係を示す図である。

【図7】本発明の第１実施形態に係る光抽出方法の各工程を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本願発明に係る光学ユニットは、種々の装置に適用可能である。例えば、被照射物をレーザー光により加工するレーザー加工装置や、レーザー光により被照射物にパターンを描画するパターン描画装置、被照射物を露光する露光装置に対し、好適に適用可能である。

【0021】

代表的に、当該光学ユニットをレーザー加工装置に適用する場合について説明する。以下、図１から図７までを用いて、本願の第１実施形態に係る光学ユニット、レーザー加工装置および光抽出方法を説明する。

【0022】

＜第１実施形態＞
図１は、本願の光学ユニット１１を組み込んだレーザー加工装置１０の構成を模式的に示す図である。レーザー加工装置１０は、加工対象となる被照射物１２の表面にレーザー光を照射して、被照射物１２の表面に化学的または／および物理的な変化を生じさせることにより、被照射物１２を加工する装置である。被照射物１２としては、種々の物質が用いられる。例えば、金属材料や、半導体材料が用いられる。

【0023】

光学ユニット１１は、波長変換部２２と、第１集光部２３と、アパーチャ２４とを有する。レーザー加工装置１０は、光源部２１と、光学ユニット１１と、第２集光部２５と、被照射物１２を保持する保持部（図示省略）と、制御部９を有する。光源部２１、波長変換部２２、第１集光部２３、アパーチャ２４および第２集光部２５は、この順番で、同じ光軸ＯＡを基準に配置される。制御部９は、光源部２１および波長変換部２２と電気的に接続し、制御部９の動作指令により光源部２１および波長変換部２２が動作する。

【0024】

光源部２１は、励起光（レーザー光）を放出するレーザー発振器を有する。制御部９の動作指令により、レーザー発振部が駆動する。レーザー発振部から放出された励起光は、光源部２１から光軸ＯＡに沿って出射し、波長変換部２２に入射する。レーザー発振器としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの固体レーザーが用いられる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを用いる場合、励起光の波長は例えば１０６４ｎｍである。

【0025】

波長変換部２２は、光源部２１から出射された励起光の一部を、励起光とは異なる波長を有する光である第２光に変換する波長変換素子を有する。波長変換素子は、制御部９の動作指令により駆動し、入射した光の波長変換を行う。第２光は、励起光と同じ光軸である光軸ＯＡに沿って伝搬する。波長変換部２２からは、第２光および励起光が出射される。第１実施形態において、波長変換部２２から出射される第２光は、励起光の第２高調波である。励起光の波長が１０６４ｎｍのとき、第２光の波長は５３２ｎｍであり、励起光と第２光は異なる波長を有する。また、波長変換部２２から光軸ＯＡに沿って出射される励起光は、波長変換部２２によって第２光に変換されずに透過してきた光であり、波長変換部２２に入射する前の励起光と同じ波長を有する。波長変換素子としては、例えば特開２０１２−１４５８９０号公報に開示される強誘電体結晶を利用した波長変換部が用いられる。

【0026】

なお、波長変換部２２から出射される第２光としては、励起光の第２高調波に限られず、波長変換部２２において複数の波長変換がなされて得られる第３高調波や、それ以上の高調波であってもよい。励起光の波長が１０６４ｎｍのとき、第３高調波の波長は３５５ｎｍである。したがって、第２光が第３高調波や、それ以上の高調波である場合にも、第２光は励起光と異なる波長を有する。

【0027】

また、波長変換部２２は入射光を平行光線に変換するコリメート部を有する。波長変換部２２から出射される励起光および第２光は、コリメート部により光軸ＯＡに沿って伝搬する平行光線に変換され、波長変換部２２から出射する。なお、本願の発明の実施においてはこれに限られず、波長変換部２２がコリメート部を有さず、波長変換部２２から放射状に励起光および第２光が出射されてもよい。

【0028】

第１集光部２３は、波長変換部２２から出射される励起光および第２光を、色収差によって光軸ＯＡ上の異なる焦点位置に集光する。ここで、図２を参照して、第１集光部２３による集光を説明する。

【0029】

図２は、本発明の第１実施形態に係る光学ユニット１１における励起光と第２光の伝搬の様子を模式的に示す図である。第１集光部２３は、凸レンズ２３１と凹レンズ２３２を組み合わせたレンズ組を有する。凸レンズ２３１は、光軸ＯＡ上にレンズの光軸中心が位置するように配置される。凹レンズ２３２は、光軸ＯＡ方向において凸レンズ２３１よりもアパーチャ２４側に、凸レンズ２３１と密に接するように配置される。また、凹レンズ２３２は、光軸ＯＡ上にレンズの光軸中心が位置するように配置される。凸レンズ２３１および凹レンズ２３２を１つの集光レンズとみなしたときの光軸ＯＡ上の中心が、図２における光軸中心Ｐ０である。

【0030】

凸レンズ２３１および凹レンズ２３２を組み合わせたレンズ組は、凸レンズとして作用するように設計される。すなわち、式（１）で示すように、凸レンズ２３１のパワーφ１（ここで、φ１＞０）と凹レンズ２３２のパワーφ２（ここで、φ２＜０）の和で表されるレンズ組のパワーφが、０より大きくなるように設計される。
φ１＋φ２＝φ＞０ … 式（１）

【0031】

この設計により、レンズ組は凸レンズとして作用し、上流側から入射した入射光を、下流側の光軸ＯＡ上に集光させることができる。

【0032】

ここで、第１集光部２３のように複数のレンズを組み合わせる場合、通常、色消し条件（光軸上の色収差を無くすための条件）を満たすように設計される。すなわち、光軸方向上流側のレンズ（凸レンズ２３１）のアッベ数ν１と、光軸方向下流側のレンズ（凹レンズ２３２）のアッベ数ν２とが、下記の式（２）を充足するように、アッベ数ν１とアッベ数ν２を選んで、レンズを設計する。
φ１／ν１＋φ２／ν２＝０ … 式（２）

【0033】

しかし、本願発明では、あえて第１集光部２３により光軸上の色収差を生じさせて、光軸上の異なる位置に励起光と第２光とを集光させる。そして、第１集光部２３の光軸方向後段に配置されるアパーチャ２４を励起光と比べ第２光がより多く通過するように配置することで、励起光および第２光から第２光を有意に抽出する。

【0034】

第１集光部２３により光軸上の色収差を生じさせるためには、式（２）を満たさないアッベ数の組み合わせで、凸レンズ２３１と凹レンズ２３２とを設計すればよい。特に、凸レンズ２３１のアッベ数ν１よりも凹レンズ２３２のアッベ数ν２が大きくなるようにレンズを設計すると、色収差がより大きく生じるため、好適である。すなわち、式（３）および式（４）を満たす条件で、凸レンズ２３１と凹レンズ２３２を設計することが好適である。
ν１＜ν２ … 式（３）
φ１／ν１＋φ２／ν２＞０ … 式（４）

【0035】

具体的には、例えば凸レンズ２３１の硝材として、アッベ数が５５以下、より好ましくは５０以下のフリントガラスを用いる。また、例えば凹レンズ２３２の硝材として、アッベ数が５０以上、より好ましくは５５以上のクラウンガラスを用いる。なお、式（３）および式（４）を満たす条件であればこれに限られず、凸レンズ２３１および凹レンズ２３２がともにフリントガラスであっても、クラウンガラスであってもよい。本願発明の第１実施形態においては、凸レンズ２３１としてアッベ数約３６のフリントガラスを、凹レンズ２３２としてアッベ数約６３のクラウンガラスを用いる。

【0036】

このように構成することで、第１集光部２３では色収差が生じる。すなわち、波長の異なる光が、光軸上においてそれぞれ異なる焦点位置に集光される。図２に示すように、励起光Ｌ１は第１集光部２３により焦点位置Ｐ１に集光され、第２光Ｌ２は第１集光部２３により焦点位置Ｐ２に集光される。励起光Ｌ１よりも第２光Ｌ２のほうが波長が短いため、第１集光部２３において屈折が強く生じる結果、焦点位置Ｐ１よりも焦点位置Ｐ２のほうが光軸ＯＡ上において第１集光部２３に近い位置となる。

【0037】

また、第１実施形態では凸レンズ２３１のアッベ数ν１よりも凹レンズ２３２のアッベ数ν２のほうが大きいため、焦点位置Ｐ１と焦点位置Ｐ２の距離を大きくすることができる。これにより、後述するアパーチャ２４による光抽出をより好適に行うことができる。

【0038】

また、第１実施形態において、第１集光部２３では色収差を有意に発生させるが、主な５種類の単色収差（ザイデルの５収差ともいう）は発生させないように設計する。

【0039】

なお、本願発明の実施においてはこれに限られず、焦点位置Ｐ１と焦点位置Ｐ２とが光軸ＯＡ上で異なる位置にあれば、式（３）や式（４）を満たす必要はない。

【0040】

また、第１実施形態では、光軸ＯＡにおける励起光および第２光の伝搬方向上流側に凸レンズ２３１が、下流側に凹レンズ２３２が位置する。しかしながら、本願発明の実施においてはこれに限られず、レンズ組として上流側に凹レンズを配置し、下流側に凸レンズを配置する構成としてもよい。この場合にも、レンズ組が式（１）を満たすように設計されていれば、レンズ組は凸レンズとして作用し、式（３）および式（４）を満たすように設計されていれば、色収差がより大きく生じるため、焦点位置Ｐ１と焦点位置Ｐ２の距離をより離すことができ、好適である。

【0041】

アパーチャ２４は、光軸ＯＡ上において第１集光部２３と被照射物１２との間に配置される。アパーチャ２４は、遮光部２４１と開口部２４２を有する。遮光部２４１は、少なくとも励起光Ｌ１に対し遮光性を有する部材により構成される。すなわち、励起光Ｌ１の透過率が理想的には０である部材により構成される。第１実施形態における遮光部２４１の部材は、表面が黒色処理されたアルミニウムである。

【0042】

なお、本願発明の実施においてはこれに限られず、遮光部２４１が励起光Ｌ１に対し有限の透過率を有する部材であってもよい。励起光Ｌ１の一部が遮光部２４１により遮光できればよく、例えば励起光Ｌ１に対する透過率が１０％の部材により構成されてもよい。

【0043】

開口部２４２は、アパーチャ２４のうち、光軸ＯＡに沿って伝搬する励起光Ｌ１および第２光Ｌ２の光束の中心に相当する位置に設けられる開口である。すなわち、開口部２４２の中心は、光軸ＯＡの中心と一致する。開口部２４２を通過する励起光Ｌ１および第２光Ｌ２は、遮光部２４１により遮光されることなく、そのまま通過する。

【0044】

図３は、図２において、アパーチャ２４の開口部２４２の中心を通り光軸ＯＡと直交する面Ｋ１を矢印Ａ１方向から見たときのアパーチャ２４を模式的に示した平面図である。アパーチャ２４は、矢印Ａ１方向から見ると、円形の遮光部２４１の中心に、円形の開口部２４２を有する構成となっている。

【0045】

図３に示すように、アパーチャ２４は、遮光部２４１を冷却する冷却部２６を有する。冷却部２６は、冷却液を貯留する冷却液貯留部２６１と、冷却液貯留部２６１から冷却液を輸送する配管２６２とを有する。配管２６２は、一端を冷却液貯留部２６１の出液口と接続し、遮光部２４１の内部を通って、他端を冷却液貯留部２６１の入液口と接続する。

【0046】

冷却液貯留部２６１は、図示省略する冷却手段により冷却液を冷却し、図示省略するポンプにより冷却液を出液口から配管２６２へ送る。冷却液は遮光部２４１の内部に設けられた配管２６２を通るあいだ、遮光部２４１の熱を冷却液に伝導させることで遮光部２４１を冷却する。冷却液としては、例えば水が用いられ、遮光部２４１は例えば摂氏２０度〜２５度程度に冷却される。

【0047】

後述するように、光抽出作用において遮光部２４１には励起光Ｌ１の一部が照射される。励起光Ｌ１のエネルギーにより、遮光部２４１は加熱され、その温度が室温（摂氏２５度）よりも高くなる。遮光部２４１の温度が上がると、遮光部２４１自体の劣化や、熱伝導により光学ユニット１１の他の部分への悪影響のおそれがある。冷却部２６により遮光部２４１を冷却することで、これらの影響を抑制することができる。

【0048】

なお、第１実施形態では冷却部２６として冷却液による液冷の構成を用いるが、本願発明の実施においてはこれに限られず、冷却部２６として空冷の構成を用いてもよい。例えば、アルミニウム製のヒートシンクを遮光部２４１に接着させてもよい。

【0049】

次に、アパーチャ２４を配置する位置について、図４、図５および図６を用いて説明する。図４は、アパーチャ２４における励起光Ｌ１と第２光Ｌ２の光径の関係を模式的に示す図である。図４において、アパーチャ２４は、図３と同様に図２の矢印Ａ１から見たときの平面図として示されている。図５および図６は、図２において、アパーチャ２４の配置位置と励起光Ｌ１の焦点位置Ｐ１との関係を示す図である。

【0050】

ここで、図２においてレンズの光軸中心Ｐ０を通り光軸ＯＡと直交する面を面Ｋ０としている。図５は、焦点位置Ｐ１が面Ｋ１よりも被照射物１２側のときの励起光Ｌ１の光路を模式的に示す図であり、図６は、焦点位置Ｐ１が面Ｋ１よりも第１集光部２３側のときの励起光Ｌ１の光路を模式的に示す図である。

【0051】

図４を参照する。面Ｋ１において、励起光Ｌ１の光束は円Ｓ１の形状に投影され、その半径はｄ１である。面Ｋ１において、第２光Ｌ２の光束は円Ｓ２の形状に投影され、その半径はｄ２である。また、ｄ３は、面Ｋ１における開口部２４２の半径であり、Ｃ１は開口部２４２の中心である。第１実施形態において、アパーチャ２４の開口部２４２は、励起光Ｌ１の径ｄ１よりも第２光Ｌ２の径ｄ２のほうが小さくなる位置に配置される。すなわち、式（５）を満たす位置に、開口部２４２が配置される。
ｄ２＜ｄ１ … 式（５）

【0052】

また、第１実施形態において、開口部２４２の径ｄ３は、励起光Ｌ１の径ｄ１よりも小さい。すなわち、開口部２４２の径ｄ３は、式（６）を満たすように設けられる。
ｄ３＜ｄ１ … 式（６）

【0053】

ここで、第１実施形態におけるアパーチャ２４による第２光Ｌ２の抽出作用について説明する。

【0054】

式（５）を満たすため、第２光Ｌ２の光束のほうが、励起光Ｌ１の光束よりも集光している位置に面Ｋ１が位置する。この位置において、少なくとも一部の第２光Ｌ２の光束（図４では全ての光束）が開口部２４２を通過する。また、励起光Ｌ１の一部の光束も開口部２４２を通過する。

【0055】

また、式（６）を満たすため、励起光Ｌ１の光束のうち、径ｄ３よりも大きい部分は、遮光部２４１により遮光される。

【0056】

図４に示す円Ｓ１および円Ｓ２の光束において、円Ｓ１に含まれる励起光Ｌ１の光強度の総和をＷ１、円Ｓ２に含まれる第２光Ｌ２の光強度の総和をＷ２とする。また、光強度の分布が円の中心と円の周縁部とでほぼ等しいと仮定する。アパーチャ２４通過前の励起光Ｌ１の光強度（より詳しくは、光束に含まれる光強度の総和。以下、単に「光強度」という）に対する第２光Ｌ２の光強度の割合は、Ｗ２／Ｗ１となる。

【0057】

ここで、アパーチャ２４通過前の第２光Ｌ２の光強度とアパーチャ２４通過後の第２光Ｌ２の光強度の比は、ｄ３がｄ２よりも小さい場合は（ｄ３／ｄ２）の２乗になり、ｄ３がｄ２以上の場合は１となる。

【0058】

これに対し、アパーチャ２４通過前の励起光Ｌ１の光強度とアパーチャ２４通過後の励起光Ｌ１の光強度の比は、少なくとも一部が遮光部２４１に遮光されることで、（ｄ３／ｄ１）の２乗となる。

【0059】

以上より、アパーチャ２４通過後の励起光Ｌ１の光強度に対する第２光Ｌ２の光強度の割合は、ｄ３がｄ２よりも小さい場合は、｛Ｗ２（ｄ３／ｄ２）＾２｝／｛Ｗ１（ｄ３／ｄ１）＾２｝となり、整理すると（Ｗ２／Ｗ１）・（ｄ１／ｄ２）＾２と表せられる。そして、式（５）よりｄ１のほうがｄ２よりも大きいため、励起光Ｌ１の光強度に対する第２光Ｌ２の光強度の割合はアパーチャ２４の通過後のほうが大きくなる。このため、アパーチャ２４により、光軸を同じくして伝搬する励起光Ｌ１および第２光Ｌ２から、第２光Ｌ２を有意に抽出することができる。

【0060】

また、アパーチャ２４通過後の励起光Ｌ１の光強度に対する第２光Ｌ２の光強度の割合は、ｄ３がｄ２以上の場合は、Ｗ２／｛Ｗ１（ｄ３／ｄ１）＾２｝となり、整理すると（Ｗ２／Ｗ１）・（ｄ１／ｄ３）＾２と表せられる。そして、式（６）よりｄ１のほうがｄ３よりも大きいため、励起光Ｌ１の光強度に対する第２光Ｌ２の光強度の割合はアパーチャ２４の通過後のほうが大きくなる。このため、アパーチャ２４により、光軸を同じくして伝搬する励起光Ｌ１および第２光Ｌ２から、第２光Ｌ２を有意に抽出することができる。

【0061】

また、第１実施形態において、開口部２４２の径ｄ３は、第２光Ｌ２の径ｄ２よりも大きい。このため、第２光Ｌ２の光束はすべて開口部２４２を通過し、遮光部２４１に遮られることがない。すなわち、アパーチャ２４を通過する際の第２光Ｌ２の損失は、理想的には０であり、１００％透過する。このため、光軸を同じくして伝搬する励起光Ｌ１および第２光Ｌ２から、より好適に第２光Ｌ２を抽出することができる。

【0062】

また、第１実施形態において、遮光部２４１の径は、励起光Ｌ１の径ｄ１よりも大きい。このため、励起光Ｌ１の光束のうち、光軸ＯＡから見て周縁部側に位置する光束は、遮光部２４１によりすべて遮光される。このため、励起光Ｌ１が遮光部２４１の外径よりも外側から被照射物１２側へ伝搬することを防止でき、より好適に第２光Ｌ２を抽出することができる。

【0063】

なお、図４に示す円Ｓ１および円Ｓ２の光束において、実際には、光強度は円の中心に近いほど高く、円の周縁部に近いほど低いことが一般的である。このため、仮に円Ｓ１が遮光部２４１の径よりも大きくなり、励起光Ｌ１の光束の一部が遮光部の外径よりも外側から被照射物１２側へ伝搬することがあっても、その光束に含まれる光強度はわずかであるから、この場合にも、光軸を同じくして伝搬する励起光Ｌ１および第２光Ｌ２から、第２光Ｌ２を有意に抽出することができる。

【0064】

すなわち、式（５）および式（６）を満たしていれば、光軸を同じくして伝搬する励起光Ｌ１および第２光Ｌ２から、第２光Ｌ２を抽出する目的を達成することができる。

【0065】

図５および図６を参照し、アパーチャ２４の配置位置についてより詳しく説明する。図５において、ｆ１は励起光Ｌ１の第１集光部２３における焦点距離（すなわちレンズの光軸中心Ｐ０から焦点位置Ｐ１までの距離）であり、ｄ０はレンズの光軸中心Ｐ０からアパーチャ２４の中心（すなわち面Ｋ１と光軸ＯＡの交点）までの距離であり、θ１は焦点位置Ｐ１における励起光Ｌ１の光束の輪郭が光軸ＯＡに対してなす劣角の角度である。

【0066】

図５は、焦点位置Ｐ１が面Ｋ１よりも被照射物１２側のときの励起光Ｌ１の光路を模式的に示す図である。すなわち、ｆ１＞ｄ０のときの図である。ここで、径ｄ１に関し、式（７）が成立する。
ｄ１＝（ｆ１−ｄ０）ｓｉｎθ１ … 式（７）

【0067】

また、図５と同様に、焦点位置Ｐ２が面Ｋ１よりも被照射物１２側のとき（すなわちｆ２＞ｄ０のとき）、第２光Ｌ２の径ｄ２に関しては、式（８）が成立する。
ｄ２＝（ｆ２−ｄ０）ｓｉｎθ２ … 式（８）

【0068】

ここで、ｆ２は第２光Ｌ２の第１集光部２３における焦点距離（すなわちレンズの光軸中心Ｐ０から焦点位置Ｐ２までの距離）であり、θ２は焦点位置Ｐ２における第２光Ｌ２の光束の輪郭が光軸ＯＡに対してなす劣角の角度である。

【0069】

図６は、焦点位置Ｐ１が面Ｋ１よりも第１集光部２３側のときの励起光Ｌ１の光路を模式的に示す図である。すなわち、ｆ１＜ｄ０のときの図である。ここで、径ｄ１に関し、式（９）が成立する。
ｄ１＝（ｄ０−ｆ１）ｓｉｎθ１ … 式（９）

【0070】

同様に、焦点位置Ｐ２が面Ｋ１よりも第１集光部２３側のとき（すなわちｆ２＜ｄ０のとき）、第２光Ｌ２の径ｄ２に関しては、式（１０）が成立する。
ｄ２＝（ｄ０−ｆ２）ｓｉｎθ２ … 式（１０）

【0071】

そして、面Ｋ１に焦点位置Ｐ１が位置するとき、すなわちｆ１＝ｄ０であるときには、面Ｋ１における径ｄ１は理想的には０となる。また、面Ｋ２に焦点位置Ｐ２が位置するとき、すなわちｆ２＝ｄ０であるときには、面Ｋ２における径ｄ２は理想的には０となる。

【0072】

以上より、以下の式（１１）および式（１２）が求められる。
ｄ１＝｜ｆ１−ｄ０｜ｓｉｎθ１ … 式（１１）
ｄ２＝｜ｆ２−ｄ０｜ｓｉｎθ２ … 式（１２）

【0073】

式（１１）および式（１２）において、焦点距離ｆ１、焦点距離ｆ２、角度θ１および角度θ２は、アパーチャ２４よりも上流側の光学系により決まる。すなわち、第１集光部２３等の光学系により決まる。したがって、第１集光部２３等を適宜設計すれば、式（１１）や式（１２）においてアパーチャ２４の配置位置としての距離ｄ０以外の値が決まる。よって、第１集光部２３等の設計にあわせて、アパーチャ２４の配置位置としての距離ｄ０を、式（５）を満たすように設計すればよい。

【0074】

図１を参照する。第２集光部２５は、光軸ＯＡ上においてアパーチャ２４と被照射物１２との間に配置される。第２集光部２５は、アパーチャ２４を通過した励起光Ｌ１および第２光Ｌ２を被照射物１２側で集光する。第２集光部２５は、第１実施形態では１つの凸レンズにより構成される。

【0075】

なお、第２集光部２５の構成としては、１つの凸レンズに限られず、励起光Ｌ１および第２光Ｌ２を被照射物１２側で集光する構成であれば、複数のレンズの組み合わせであるレンズ組であってもよい。

【0076】

被照射物１２は、第２集光部２５の出射側の焦点位置に被照射面が位置するように、保持部により保持される。

【0077】

図７は、図１に示す光学ユニット１１およびこれを搭載するレーザー加工装置１０により実行される光抽出方法の各工程を示すフローチャートである。図１、図２および図７を参照しながら、本願発明に係る光抽出方法について説明する。

【0078】

レーザー加工装置１０において、図示省略する保持部に被照射物１２を保持させたあと、光抽出方法が実行される。まず、光源部２１から励起光Ｌ１が出射される（第１光出射工程Ｓ１１）。光源部２１からの励起光Ｌ１の出射は、本実施形態では制御部９が光源部２１に動作指令を送ることで実行されるが、本発明の実施に関してはこれに限られず、オペレータが光源部２１を直接操作することで実行されてもよい。光源部２１から出射した励起光Ｌ１は、波長変換部２２に入射する。

【0079】

次に、波長変換部２２が、入射した励起光Ｌ１を、励起光Ｌ１と光軸を同じくし、励起光と異なる波長を有する第２光Ｌ２に変換する（波長変換工程Ｓ１２）。波長変換部２２からは、変換後の第２光Ｌ２および変換されずに波長変換部２２を透過した励起光Ｌ１が出射される。波長変換部２２から出射した励起光Ｌ１および第２光Ｌ２は、第１集光部２３に入射する。

【0080】

次に、第１集光部２３が、入射した励起光Ｌ１および第２光Ｌ２を、色収差によって光軸上の異なる焦点位置（励起光Ｌ１は焦点位置Ｐ１、第２光Ｌ２は焦点位置Ｐ２）に集光する（集光工程Ｓ１３）。

【0081】

次に、アパーチャ２４において、遮光部２４１が、第１集光部２３から出射された励起光Ｌ１の一部を遮光し、開口部２４２が、第１集光部２３から出射された第２光Ｌ２を被照射物１２側へ通過させる（光抽出工程Ｓ１４）。ここで、アパーチャ２４は、図４および前述の説明のとおり、式（５）および式（６）を満たす位置に配置される。これにより、開口部２４２の通過前の励起光Ｌ１の光強度に対する第２光Ｌ２の光強度の割合よりも、開口部２４２の通過後の励起光Ｌ１の光強度に対する第２光Ｌ２の光強度の割合のほうが大きくなる。アパーチャ２４を通過した励起光Ｌ１および第２光Ｌ２は、第２集光部２５に入射する。

【0082】

最後に、第２集光部２５が、入射した励起光Ｌ１および第２光Ｌ２を、被照射物１２の被照射面へ集光することで、被照射物１２に励起光Ｌ１および第２光Ｌ２を照射する（照射工程Ｓ１５）。以上の工程により、光抽出方法が実行される。

【0083】

＜第１実施例＞
本願発明の第１実施形態に関する第１実施例を説明する。第１実施例では、凸レンズ２３１として硝材にＳＣＨＯＴＴ社製Ｎ−Ｆ２（アッベ数３６．４３、厚み４ｍｍ）を使用し、凹レンズ２３２として硝材にＳＣＨＯＴＴ社製Ｎ−ＰＳＫ５３Ａ（アッベ数６３．４８、厚み２．８ｍｍ）を使用した。第２光Ｌ２の焦点距離を１００ｍｍに設計したところ、励起光Ｌ１の焦点距離は１０６ｍｍとなり、光軸上において６ｍｍの色収差が生じた。

【0084】

アパーチャ２４を第２光Ｌ２の焦点位置に配置したところ、アパーチャ２４の面Ｋ１において励起光Ｌ１の半径ｄ１は約２００ｕｍ（マイクロメートル）となり、第２光Ｌ２の半径ｄ２は約６ｕｍであった。第１実施例では、アパーチャ２４の開口部２４２の半径ｄ３として８ｕｍを採用した。

【0085】

第２光Ｌ２は、ｄ２＜ｄ３であるため、すべての光が開口部２４２を通過する。これに対し、第１光Ｌ１のうち開口部２４２を通過することができる光の面積の割合は、（ｄ３／ｄ１）＾２＝（８／２００）＾２＝１／６２５であり、すなわち６２５分の１になる。このため、例えば５０％の波長変換効率（Ｗ１＝Ｗ２）の場合、２桁以上もの高い消光比での光抽出が可能である。さらに、第２光Ｌ２の抽出において、開口部２４２は単なる開口であり、ミラーやプリズムなどを用いていないことから、光軸の傾きシフトの発生、非点収差といった影響や、波面の乱れを抑制しつつ、光抽出を行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0086】

この発明は、レーザー光源から出射される励起光を波長変換した光を抽出する光学ユニットおよび当該光学ユニットを用いてレーザー加工を行うレーザー加工装置全般に好適に用いることができる。

【符号の説明】

【0087】

９ 制御部
１０ レーザー加工装置
１１ 光学ユニット
１２ 被照射物
２１ 光源部
２２ 波長変換部
２３ 第１集光部
２４ アパーチャ
２６ 冷却部
２３１ 凸レンズ
２３２ 凹レンズ
２４１ 遮光部
２４２ 開口部
２６１ 冷却液貯留部
２６２ 配管
ＯＡ 光軸
Ｋ１ 光軸ＯＡと直交する面
Ｌ１ 励起光（第１光）
Ｌ２ 第２光
ｄ１ 面Ｋ１における励起光Ｌ１の径
ｄ２ 面Ｋ１における第２光Ｌ２の径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】