特開 2022-181583 レーザ加工用のパルスレーザ装置およびレーザ加工装置

(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】P2022181583

(43)【公開日】2022-12-08

(54)【発明の名称】レーザ加工用のパルスレーザ装置およびレーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/00 20060101AFI20221201BHJP

   H01S 3/113 20060101ALI20221201BHJP

   H01S 3/098 20060101ALI20221201BHJP

   B23K 26/0622 20140101ALI20221201BHJP

【ＦＩ】

H01S3/00 B

H01S3/113

H01S3/098

B23K26/0622

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021088614

(22)【出願日】2021-05-26

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 祐

(72)【発明者】

【氏名】影林 由郎

【テーマコード（参考）】

4E168

5F172

【Ｆターム（参考）】

4E168AD07

4E168AD11

4E168BA00

4E168BA81

4E168BA90

4E168CB07

4E168DA28

4E168DA43

4E168JA01

4E168JA14

4E168JA17

5F172NN13

5F172NN14

5F172NN27

5F172NQ07

5F172NQ53

(57)【要約】

【課題】効率を改善したレーザ加工装置に使用可能なパルスレーザ装置を提供する。
【解決手段】パルスレーザ装置２００はワークＷにレーザ光を照射する加工装置に使用される。励起光源２１２は励起光を出力する。レーザ共振器２２０には、レーザ媒質および可飽和吸収体が組み込まれ、受動Ｑスイッチ－モードロック動作することにより、複数のパルス光を含む光パルス群８０２を所定の周期Ｔｂで間欠的に出力可能に構成される。光パルス群の周期Ｔｂが、ワークＷに生ずるプルームの時間特性に応じて設計される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークにレーザ光を照射する加工装置に使用可能なパルスレーザ装置であって、
励起光を出力する励起光源と、
レーザ媒質および可飽和吸収体が組み込まれ、受動Ｑスイッチ－モードロック動作することにより、複数のパルス光を含む光パルス群を所定の周期で間欠的に出力可能に構成される共振器と、
を備え、前記光パルス群の周期が、前記ワークに生ずるプルームの時間特性に応じていることを特徴とするパルスレーザ装置。

【請求項2】

前記光パルス群の周期は０．４μｓ以上であることを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ装置。

【請求項3】

レーザ照射によってプルームが発生するワークにレーザ光を照射する加工装置用のパルスレーザ装置であって、
励起光を出力する励起光源と、
レーザ媒質および可飽和吸収体が組み込まれ、受動Ｑスイッチ－モードロック動作することにより、パルス列を含む光パルス群を所定の周期で間欠的に出力可能に構成される共振器と、
を備え、前記光パルス群の周期が、０．４μｓ以上であることを特徴とするパルスレーザ装置。

【請求項4】

前記光パルス群の周期は２μｓ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパルスレーザ装置。

【請求項5】

前記光パルス群の周期が、前記励起光の強度に応じて調節可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパルスレーザ装置。

【請求項6】

前記プルームの生成開始時刻は、前記光パルス群の強度包絡線のピークより後ろであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパルスレーザ装置。

【請求項7】

前記プルームの生成開始時刻は、前記光パルス群の強度包絡線が前記ピークの１／２となる時刻より後ろであることを特徴とする請求項６に記載のパルスレーザ装置。

【請求項8】

請求項１から３のいずれかに記載のパルスレーザ装置を備え、
前記ワークに対する前記パルスレーザ装置の出力光の照射位置を、前記光パルス群のオフ期間中に変化させることを特徴とするレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、パルスレーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工は、高エネルギーのレーザ光を加工対象物（試料、あるいはワークという）に照射し、熱エネルギーで試料を局所的に融解・蒸発させる加工技術である。レーザ加工は、刃物を用いた加工に比べて、非接触であるが故に多くの利点を有しており、幅広い用途で使用されている。

【0003】

レーザ加工において試料にレーザ照射すると、試料は高エネルギーを吸収してプルームを形成して照射点の周囲に飛散する。プルームはプラズマ状態であり、プルームが存在すると後続のパルスは吸収されてしまい、試料表面へ照射されなくなり、損失となる。

【0004】

図１（ａ）～（ｃ）は、従来のレーザ加工におけるレーザ光の照射波形を説明する図である。図１（ａ）では、プルームの影響がない程度の時間間隔Ｔ_１（周波数ｆ＝１／Ｔ_１）で、パルスが照射される。時間間隔Ｔ_１は、レーザ光の照射からプルームの形成までの遅延時間τ_１と、プルームの持続時間（寿命）τ_２の合計より長く定めれば、プルームでの光の吸収は生じない。ただし、単位時間当たりに試料に照射できるパルス数が少ないため、単位時間当たりの加工面積、あるいは加工体積は小さくなるから、加工時間が長くなる。

【0005】

図１（ｂ）では、パルスレーザ光の繰り返しの時間間隔Ｔ_２が遅延時間τ_２よりも十分に短く定められる。図１（ｂ）の方式では、図１（ａ）と比べて、プルームが発生していない区間に、多くのエネルギーを試料に照射できるため、加工速度の観点から有利である。一方で、プルームの持続時間τ_２の間は、レーザ光のエネルギーがプルームによって吸収されるために損失となる。

【0006】

図１（ｃ）では、図１（ｂ）の場合と同様に周波数が十分に高いパルスレーザを用いるが、プルームの発生期間τ_２の間は、パルス列の一部を、シャッターを用いて間引くことにより、バースト状に照射される。この方式では、図１（ａ）と図１（ｂ）の両方の利点を享受できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】E.L. Gurevich and R. Hergenroder: Applied Spectroscopy. 61 [10](2007)233A

【非特許文献2】B. Rethfeld、 K. Sokolowski-Tinten、 D. von der Linde and S.I. Anisimov: Applied Physics A. 79 [4-6](2004)767.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本出願人は、図１（ｃ）の方式に関連する技術として、特願２０２０－１０６６２０（以下、先行出願という、本出願時において未公開）を出願している。

【0009】

先行出願では、音響光学（ＡＯ：Acousto-Optic）素子（ＡＯ変調器ともいう）を、シャッターとして用いている。ＡＯ素子およびＲＦ電源の立ち上がり・立ち下がり時間はそれぞれ約２００～３００ｎｓ程度必要であるため光パルス群の周期を４００ｎｓ以下とすることが難しく、ワークの種類によっては採用できない場合があった。

【0010】

また、ＡＯ素子の挿入損失があり、エネルギーを無駄にしてしまう問題があった。またＡＯ素子には、ファンクションジェネレータ、駆動電源が必要であり、装置を大型化する要因の一つであった。

【0011】

間引いたエネルギーは熱となり、エネルギー効率を低下させ、さらに冷却機構を必要とする問題があった。

【0012】

本開示は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、効率を改善したレーザ加工装置に使用可能なパルスレーザ装置の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本開示のある態様は、ワークにレーザ光を照射する加工装置に使用可能なパルスレーザ装置である。パルスレーザ装置は、励起光を出力する励起光源と、レーザ媒質および可飽和吸収体が組み込まれ、受動Ｑスイッチ－モードロック動作することにより、複数のパルス光を含む光パルス群を所定の周期で間欠的に出力可能に構成される共振器と、を備え、光パルス群の周期が、ワークに生ずるプルームの時間特性に応じて定められる。

【0014】

本開示の別の態様は、レーザ照射によってプルームが発生するワークにレーザ光を照射する加工装置に使用可能なパルスレーザ装置である。パルスレーザ装置は、励起光を出力する励起光源と、レーザ媒質および可飽和吸収体が組み込まれ、受動Ｑスイッチ－モードロック動作することにより、複数のパルス光を含む光パルス群を所定の周期で間欠的に出力可能に構成される共振器と、を備え、光パルス群の周期が、０．４μｓ以上である。

【0015】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、本開示の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。

【発明の効果】

【0016】

本開示のある態様によれば、レーザ加工における効率を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１（ａ）～（ｃ）は、従来のレーザ加工におけるレーザ光の照射波形を説明する図である。

【図2】実施形態に係るレーザ加工装置を示す図である。

【図3】実施形態に係るパルスレーザ装置を示す図である。

【図4】図３のパルスレーザ装置を備えるレーザ加工装置の動作を説明する図である。

【図5】レーザ光の強度の波形を好適な一例を示す図である。

【図6】簡略化されたレーザ光の強度の波形を示す図である。

【図7】レーザ光の強度の波形を好適な一例を示す図である。

【図8】レーザ光の強度の波形を好適な一例を示す図である。

【図9】パルスレーザ装置の構成例を示す図である。

【図10】図９のパルスレーザ装置の出力光のＲＦスペクトルの実測値を示す図である。

【図11】図１１（ａ）～（ｃ）は、励起光強度８．３ｍＷのときのパルスレーザ装置の出力光の時間波形（実測）を示す図である。

【図12】図１２（ａ）～（ｃ）は、励起光強度１４４ｍＷのときのパルスレーザ装置の出力光の時間波形（実測）を示す図である。

【図13】励起光強度と、光パルス群の周波数の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0019】

一実施形態に係るパルスレーザ装置はワークにレーザ光を照射する加工装置用である。パルスレーザ装置は、励起光を出力する励起光源と、レーザ媒質および可飽和吸収体が組み込まれ、受動Ｑスイッチ－モードロック動作することにより、複数のパルス光を含む光パルス群を所定の周期で間欠的に出力可能に構成される共振器と、を備え、光パルス群の周期が、ワークに生ずるプルームの時間特性に応じている。

【0020】

この構成によると、受動Ｑスイッチ動作によって間欠的な光パルス群が形成される。光パルス群の周期を、プルームの時間特性、具体的な、レーザ照射から発生までの遅延時間や、プルームの持続時間などに応じて定めることにより、プルームを避けて、複数のパルス光を含む光パルス群をワークに照射することができ、効率を改善できる。この構成では、ＡＯ素子や機械的なシャッターなどの間引き機構をレーザ照射装置に搭載する必要がなくなり、装置を小型化、低コスト化できる。またＡＯ素子では光パルス群の照射時間を５００ｎｓより短くすることが困難であったが、受動Ｑスイッチ動作によって、短い照射時間を実現できる。

【0021】

一実施形態において、光パルス群の周期は０．４μｓ以上であってもよい。これにより、レーザ照射からプルーム発生までの遅延時間とプルームの持続時間の合計が、０．４μｓより短いワークを加工する場合に、効率を改善できる。

【0022】

一実施形態において、光パルス群の周期は２μｓ以上であってもよい。これにより、レーザ照射からプルーム発生までの遅延時間とプルームの持続時間の合計が、２μｓより短いワークを加工する場合に、効率を改善できる。

【0023】

一実施形態に係るパルスレーザ装置は、レーザ照射によってプルームが発生するワークにレーザ光を照射する加工装置用である。パルスレーザ装置は、励起光を出力する励起光源と、レーザ媒質および可飽和吸収体が組み込まれ、受動Ｑスイッチ－モードロック動作することにより、複数のパルス光を含む光パルス群を所定の周期で間欠的に出力可能に構成される共振器と、を備え、光パルス群の周期が、０．４μｓ以上である。

【0024】

一実施形態において、光パルス群の周期が、励起光の強度に応じて調節可能であってもよい。励起光強度を変えることで光パルス群のオフ時間（すなわち光パルス群の周期）を制御できるため、ファンクションジェネレータを用いる必要がなくなり、装置の制御が容易になる。

【0025】

一実施形態において、パルスレーザ装置は、プルームの生成開始時刻が、光パルス群の強度包絡線のピークより後ろとなるように構成されてもよい。より好ましくは一実施形態において、パルスレーザ装置は、プルームの生成開始時刻が、光パルス群の強度包絡線がピークの１／２となる時刻より後ろとなるように構成されてもよい。これにより、プルームに吸収される光パルス群のエネルギーを抑制できる。

【0026】

（実施形態）
以下、好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示や発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示や発明の本質的なものであるとは限らない。

【0027】

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

【0028】

図２は、実施形態に係るレーザ加工装置１００を示す図である。レーザ加工装置１００は、ワークＷにレーザ光を照射し、ワークＷを加工する。加工の種類は特に限定されず、切断、穴あけ、溶接、焼入などが例示される。またワークＷの材料も特に限定されず、金属、樹脂、ガラスなどさまざまなものを対象とすることができるが、本実施形態では特に、レーザ照射によってプルーム（プラズマ）が発生する物質を対象とする加工に好適である。

【0029】

レーザ加工装置１００は、パルスレーザ装置２００、光学系１１０、ステージ１２０、コントローラ１３０を備える。パルスレーザ装置２００は、光パルス群８０１を所定の周期（バースト周期ともいう）Ｔｂで間欠的に出力する。光パルス群８０１はそれぞれ、複数のパルス光（パルス列）を含んでいる。

【0030】

ステージ１２０は、ワークＷを支持・搬送する。光学系１１０は、パルスレーザ装置２００の出力光をリレーし、ワークＷの表面に集光する。

【0031】

コントローラ１３０は、レーザ加工装置１００全体を統合的に制御する。コントローラ１３０は、ステージ１２０によってワークＷを移動させるか、あるいは光学系１１０に設けられた可動ミラー（不図示）を変化させることにより、レーザの照射位置を制御してもよい。

【0032】

続いて、パルスレーザ装置２００の構成を説明する。

【0033】

図３は、実施形態に係るパルスレーザ装置２００を示す図である。パルスレーザ装置２００は、シードレーザ装置２１０および増幅器２３０を備える。

【0034】

シードレーザ装置２１０は、光パルス群であるシード光８０２を所定の周期Ｔｂで間欠的に出力する。シード光８０２は、増幅器２３０によって増幅され、光パルス群８０１が生成される。

【0035】

シードレーザ装置２１０は、励起光源２１２およびレーザ共振器２２０を備える。励起光源２１２は、励起光８０３を出力する。レーザ共振器２２０には、励起光８０３により励起されるレーザ媒質および可飽和吸収体が組み込まれており、受動Ｑスイッチ－モードロック動作することにより、光パルス群であるシード光８０２をバースト周期Ｔｂで間欠的に出力する。つまり、受動Ｑスイッチ動作によって周期Ｔｂが定まり、光パルス群に含まれる複数のパルスの幅／周期はモードロックによって定まる。光パルス群の周期Ｔｂは、ワークＷに生ずるプルームの時間特性に応じて定められる。

【0036】

以上がパルスレーザ装置２００の構成である。続いてその動作を説明する。

【0037】

図４は、図３のパルスレーザ装置２００を備えるレーザ加工装置１００の動作を説明する図である。上段は光パルス群の強度を、下段はプルームを示す。

【0038】

光パルス群は、周期Ｔｂの包絡線を形成している。光パルス群の発生区間をオン時間Ｔ_ＯＮと称し、非発生区間をオフ時間Ｔ_ＯＦＦと称する。ここではパルス群の周期Ｔｂを、パルス群のリーディングエッジの間隔として示す。プルームの時間特性は、主に、レーザ照射からプルームが発生するまでの遅延時間τ_１と、プルームの持続時間τ_２（寿命）で定義づけることができる。その他、プルームの時間特性は、プルームの成長速度などを含みうる。

【0039】

図４において、周期Ｔｂは、τ_１＋τ_２以上となるように定められる。さらに光パルス群の発生時間（オン時間Ｔ_ＯＮ）は、遅延時間τ_１以下である。
Ｔｂ≧τ_１＋τ_２ …（１）
Ｔ_ＯＮ≦τ_１ …（２）
なお、この２つの関係（１）、（２）は理想条件であり、実際の実装において、必ずしもこれらの関係を満たす必要はなく、それに準ずる状態で動作させることにより、以下で説明する効果を奏することが理解される。

【0040】

非特許文献１、２には、ピコ秒以上の時間幅を有するパルスを照射した場合、レーザの照射後、プラズマ（プルーム）が形成されるまでの時間τ_１は１００ｎｓ程度とされている。またプルームの寿命τ_２は３００～２０００ｎｓとされている。プルームの寿命が３００ｎｓである場合、バースト周期Ｔｂを４００ｎｓ（０．４μｓ）より長く定めれば、関係式（１）が満たされる。そこで、
Ｔｂ≧０．４μｓ
を満たすように、パルスレーザ装置２００を設計すればよい。

【0041】

プルームの寿命τ_２が９００ｎｓのワークＷを想定する場合、
Ｔｂ≧１μｓ
を満たすように、パルスレーザ装置２００を設計すればよい。プルームの寿命τ_２が１．９ｎｓであるワークＷを想定する場合、
Ｔｂ≧２μｓ
を満たすようにパルスレーザ装置２００を設計すればよい。

【0042】

以上がパルスレーザ装置２００の基本動作である。このパルスレーザ装置２００によれば、プルームが生じる前に複数個のパルスを照射することで、単位時間当たりの加工体積を増やすことができる。またパルスがプルームに吸収されて無駄になるエネルギーを減らすことができる。

【0043】

この場合において、図２のレーザ加工装置１００では、光パルス群のオフ時間中に、ワークＷまたはビームを移動させることが望ましい。これにより、シャッターなどの機構を用いて一時的にビームを遮断せずに、任意箇所のみを加工することができ、またエネルギーの無駄を抑制できる。

【0044】

さらに、ＡＯ素子およびそれに付随する駆動回路を含む間引き機構が不要となるため、装置を小型化、簡素化することができる。ＡＯ素子を用いる場合には、変調の周期を制御するために、ファンクションジェネレータなどが必要であった。本実施形態では、詳しくは後述するように励起光の強度を変えることで光パルス群のオフ時間Ｔ_ＯＦＦを制御できる。したがって、プルームの寿命τ_２に応じて励起光強度を調整してバースト周期Ｔｂを最適化することができる。これにより、ファンクションジェネレータなどのハードウェアが不要となり、また装置の制御が容易になる。

【0045】

またＡＯ素子をシャッターとして用いる場合には、シャッターが開いた状態においても、無視できない透過損失が存在する。これに対して、受動Ｑスイッチモード同期を利用する手法では、オフ時間Ｔ_ＯＦＦの間の光エネルギーは可飽和吸収体に一時的にエネルギーが蓄えられているため、ＡＯ素子を用いた場合に比べて損失を減らすことができる。

【0046】

続いて、光パルス群の好ましい波形のいくつかの例を説明する。

【0047】

図５は、レーザ光の強度の波形を好適な一例を示す図である。実際の光パルス群の包絡線は、矩形波よりも、ガウシアン分布などのように山なりに近い形状を有しており、言い換えると、リーディングエッジ（前縁、立ち上がりエッジ）とトレーリングエッジ（後縁、立ち下がりエッジ）にスロープを有する。この場合、ある包絡線のリーディングエッジの始点（裾）から、次の包絡線のリーディングエッジの始点（裾）を、バースト周期Ｔｂとすることができる。また包絡線の裾と裾の間隔をオン時間Ｔ_ＯＮとしており、残りがオフ時間Ｔ_ＯＦＦとなる。

【0048】

図５の例では、プルームの発生開始時刻ｔ_１が、そのプルームの原因となった先行する光パルス群の包絡線の立ち下がりの裾の時刻ｔ_２よりも前である。すなわちプルームの発生区間（持続時間τ_２）が、光パルス群のオン時間Ｔ_ＯＮの後縁（トレーリングエッジ）部分とオーバーラップしている。つまり、Ｔｂ≧τ_１＋τ_２の関係（１）は満たしているが、Ｔ_ＯＮ≦τ_１の関係（２）は満たしていない。

【0049】

この場合、光パルス群の後縁部分（ｔ_１～ｔ_２）のエネルギーは、プルームにより吸収されることになるが、残りの大部分は吸収されずに、ワークＷに照射される。プルームの発生開始時刻ｔ_１が、包絡線のピークｔ_０より遅ければ、言い換えるとｔ_０＜ｔ_１の条件が成り立つとき、光パルス群のエネルギーの１／２以上が、ワークＷに照射されることが保証される。この場合であっても、図１（ａ）よりも高速な加工が可能であり、また図１（ｂ）よりもエネルギーの損失を低減できる。

【0050】

なお、図５では、時間τ_１の始点である照射時刻を、光パルス群の立ち上がりの裾としているが、プラズマが発生するためには、レーザ光の強度があるしきい値を超えている必要がある。したがって、実際には、τ_１の始点は、図５で示すタイミングよりも、包絡線のピークｔ_０に近い位置にシフトする場合もある。

【0051】

図６は、簡略化されたレーザ光の強度の波形を示す図である。ここでは説明の簡略化のために、光パルス群の包絡線を三角波で近似している。図６において、ハッチングを付している部分の面積が、プルームによって吸収されるエネルギーを表す。

【0052】

簡単のため、Ｔ_ＯＮ＝２、レーザ光のピーク強度を１とすると、１個の光パルス群のエネルギーは１となる。ｔ_１－ｔ_０＝Δｔ_１とすると、ハッチングを付した部分の面積、すなわち吸収されるエネルギーＥは、
Ｅ＝０．５×（１－Δｔ_１）^２
となる。Δｔ_１＝０とした場合、つまり、ｔ_０とｔ_１が一致する場合、Ｅ＝０．５であり、エネルギーの半分が吸収される。用途によっては、１／２の損失も許容しうる。

【0053】

Δｔ_１＝０．５とした場合、Ｅ＝０．１２５となり、エネルギーの１／８が吸収される。これは、レーザ光の強度がピークの１／２まで低下した時刻において、プルームが発生する状況に相当する。１／８程度の損失であれば、十分に許容できるケースが増える。

【0054】

Δｔ_１＝０．７５とした場合、Ｅ＝０．０３１２５となり、エネルギーの１／３２が吸収される。これは、レーザ光の強度がピークの１／４まで低下した時刻において、プルームが発生する状況に相当する。この程度の損失はほぼ無視できると言える。

【0055】

Δｔ_１をオン時間Ｔ_ＯＮとの関係で表現すると、Δｔ_１≧０であることが好ましく、より好ましくは、Δｔ_１＞Ｔ_ＯＮ／４あり、より好ましくはΔｔ_１＞３／８×Ｔ_ＯＮである。

【0056】

この例では、パルス幅Ｔ_ＯＮを、裾から裾で定義したが、裾を明確に確定することが難しい場合もある。その場合、半値全幅をパルス幅Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＦＭ）}としてもよい。三角波の場合、Ｔ_ＯＮ＝２Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＨＭ）}が成り立つから、Δｔ_１をオン時間Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＦＭ）}との関係で表現すると、Δｔ_１≧０であることが好ましく、より好ましくは、Δｔ_１＞Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＨＭ）}／２あり、より好ましくはΔｔ_１＞３／４×Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＨＭ）}である。

【0057】

図７は、レーザ光の強度の波形を好適な一例を示す図である。

【0058】

図７の例では、光パルス群の包絡線の立ち上がりの裾の時刻ｔ_３が、１つ前の光パルス群により誘起されたプルームの終了時刻ｔ_４に先行している。すなわちプルームの発生区間（持続時間τ_２）が、光パルス群のオン時間Ｔ_ＯＮの前縁（リーディングエッジ）部分とオーバーラップしている。つまり、Ｔ_ＯＮ≦τ_１の関係（２）は満たしているが、Ｔｂ≧τ_１＋τ_２の関係（１）は満たしていない。

【0059】

この場合、光パルス群の前縁部分（ｔ_３～ｔ_４）のエネルギーは、プルームにより吸収されることになるが、残りの大部分は吸収されずに、ワークＷに照射される。プルームの終了時刻ｔ_４が、包絡線のピークｔ_５より前であれば、言い換えるとｔ_４＜ｔ_５の条件が成り立つとき、光パルス群のエネルギーの１／２以上が、ワークＷに照射されることが保証される。この場合であっても、図１（ａ）よりも高速な加工が可能であり、また図１（ｂ）よりもエネルギーの損失を低減できる。

【0060】

上述したように、レーザ光強度の包絡線として三角波を仮定する。Ｔ_ＯＮ＝２、レーザ光のピーク強度を１とすると、１個の光パルス群のエネルギーは１となる。ｔ_５－ｔ_４＝Δｔ_２とすると、ハッチングを付した部分の面積、すなわち吸収されるエネルギーＥは、
Ｅ＝０．５×（１－Δｔ_２）^２
となる。Δｔ_２＝０とした場合、つまり、ｔ_４とｔ_５が一致する場合、Ｅ＝０．５であり、エネルギーの半分が吸収される。用途によっては、１／２の損失も許容しうる。

【0061】

Δｔ_２＝０．５とした場合、Ｅ＝０．１２５となり、エネルギーの１／８が吸収される。これは、レーザ光の強度がピークの１／２まで低下した時刻において、プルームが消失する状況に相当する。１／８程度の損失であれば、十分に許容できるケースが増える。

【0062】

Δｔ_２＝０．７５とした場合、Ｅ＝０．０３１２５となり、エネルギーの１／３２が吸収される。これは、レーザ光の強度がピークの１／４まで低下した時刻において、プルームが消失する状況に相当する。この程度の損失はほぼ無視できると言える。

【0063】

Δｔ_２をオン時間Ｔ_ＯＮとの関係で表現すると、Δｔ_２≧０であることが好ましく、より好ましくは、Δｔ_２＞Ｔ_ＯＮ／４あり、より好ましくはΔｔ_２＞３／８×Ｔ_ＯＮである。

【0064】

半値全幅をパルス幅Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＦＭ）}とする場合、Δｔ_２をオン時間Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＦＭ）}との関係は、Δｔ_２≧０であることが好ましく、より好ましくは、Δｔ_２＞Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＨＭ）}／２あり、より好ましくはΔｔ_２＞３／４×Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＨＭ）}である。

【0065】

図８は、レーザ光の強度の波形を好適な一例を示す図である。プルームの発生開始時刻ｔ_１が、そのプルームの原因となった先行する光パルス群の包絡線の立ち下がりの裾の時刻ｔ_２よりも前である。また、光パルス群の包絡線の立ち上がりの裾の時刻ｔ_３が、１つ前の光パルス群により誘起されたプルームの終了時刻ｔ_４に先行している。つまり、光パルス群の前縁部分と後縁部分の両方が、プルームの発生期間τ_２とオーバーラップしている。つまり、Ｔｂ≧τ_１＋τ_２の関係（１）とＴ_ＯＮ≦τ_１の関係（２）のいずれも満たしていない。

【0066】

この場合であっても、オーバーラップする区間Δｔ_１、Δｔ_２が短ければ、エネルギーの損失を許容範囲内に抑えることができる。

【0067】

続いて、パルスレーザ装置２００の具体的な構成例を説明する。図９は、パルスレーザ装置２００の構成例を示す図である。上述のように、パルスレーザ装置２００は、シードレーザ装置２１０および増幅器２３０を備える。

【0068】

シードレーザ装置２１０は、励起光源２１２およびレーザ共振器２２０を備える。励起光の波長は、レーザ媒質の材料に応じて決めればよい。たとえば励起光源２１２は、波長８０４～８０８ｎｍのレーザダイオードを用いることができる。なお、レーザダイオードに代えて発光ダイオードを用いてもよい。

【0069】

レーザ共振器２２０は、一対のミラー、すなわちＳＥＳＡＭ（半導体可飽和吸収ミラー）２２４と高反射ミラー２２６を含む。レーザ共振器２２０内には、レーザ媒質２２２が設けられている。

【0070】

レーザ媒質２２２は、ファイバであり、コアとクラッドを含む。コアは、Ｎｄを添加したシリカガラス、クラッドは、シリカガラスを用いてもよい。

【0071】

たとえば、ゼオライト法を用いてＮｄを添加したシリカガラス母材を製作し、φ＝３ｍｍのロッド状に研削する。ドープ濃度は、たとえば１．２５ｗｔ％程度が好適である。このロッドは、クラッド２２２ｂとなる石英管の中に挿入、固定され、母材（プリフォーム）が構成される。この母材を、外径φ１２５μｍとなるように線引き装置によって線引きし、所定の長さ（一例として４０ｍｍ）でカットすることにより、レーザ媒質２２２を作製できる。

【0072】

励起光源２１２が出力する励起光は、ＷＤＭ（波長多重）カプラ２１８および結合光学系２１６を介して、レーザ共振器２２０に結合される。

【0073】

増幅器２３０は、励起光源２３２、ファイバ２３４、ＷＤＭカプラ２３６を含む。励起光源２３２は、たとえば波長９７５ｎｍのレーザダイオードを用いることができる。ファイバ２３４は、Ｙｂドープのシングルモードファイバである。

【0074】

以上がパルスレーザ装置２００の構成例である。続いてその動作を説明する。

【0075】

図１０は、図９のパルスレーザ装置２００の出力光のＲＦスペクトルの実測値を示す図である。図１０には、シードレーザ装置２１０を出力強度Ｐ_ＯＵＴ＝２７．２ｍＷと０．８ｍＷ（励起光の強度Ｐ_ＰＵＭＰ＝１４４ｍＷ，８．３ｍＷ）として動作させたときの２つのスペクトルが示される。いずれの出力においても、発振周波数すなわちモードロックによって決まる光パルスの周波数は２．５７ＧＨｚであった。

【0076】

図１１（ａ）～（ｃ）は、励起光強度８．３ｍＷのときのパルスレーザ装置の出力光の時間波形（実測）を示す図である。また図１２（ａ）～（ｃ）は、励起光強度１４４ｍＷのときのパルスレーザ装置の出力光の時間波形（実測）を示す図である。なお、光強度は正であるところ、図１１（ａ）～（ｃ）および図１２（ａ）～（ｃ）において負をとっているのは、測定系（主としてオシロスコープのプローブ）の影響である。図１１（ａ）～（ｃ）は時間スケールが異なっており、同様に図１２（ａ）～（ｃ）も時間スケールが異なっている。
図１１（ａ）を参照すると、Ｐ_ＰＵＭＰ＝８．３ｍＷのとき、バースト周期Ｔｂはおよそ９μｓであるのに対して、図１２（ａ）を参照すると、Ｐ_ＰＵＭＰ＝１４４ｍＷのとき、バースト周期Ｔｂはおよそ０．８μｓである。このように、励起光の強度Ｐ_ＰＵＭＰを変化させることによって、バースト周期Ｔｂが大きく変化していることが分かる。

【0077】

図１１（ｂ）および図１２（ｂ）には、光パルス群の波形図が示される。励起光の強度にかかわらず、光パルス群のオン時間Ｔ_ＯＮは裾から裾までで４００ｎｓ程度であり、半値全幅のオン時間Ｔ_{ＯＮ（ＦＷＦＭ）}は１６０ｎｓ程度である。

【0078】

プルームの発生時間τ_１が１００ｎｓであるとすると、４００ｎｓのオン時間Ｔ_ＯＮは長すぎる場合もある。この場合、オン時間Ｔ_ＯＮは共振器２２０の設計を変更することにより調節することが可能である。

【0079】

なお、Ｔ_ＯＮ＝４００ｎｓであったとしても、時間τ_１の始点となる実効的なレーザ照射時刻が、レーザ光強度がピークの半値まで上昇した時刻（図１１（ｂ）、図１２（ｂ）における１２０ｎｓ）であるとすれば、τ_１＝１００ｎｓ経過後のプルームの終了時刻は、包絡線のピークの発生時刻（図１１（ｂ）、図１２（ｂ）の２００ｎｓ）よりも後ろに位置することになるため、図５を参照して説明した条件を満たすことになる。

【0080】

図１１（ｃ）および図１２（ｃ）には、光パルス群を構成する個々の光パルスの波形が示されている。叙述のように発振周波数が２．６ＧＨｚであるから、パルスの周期は０．３８ｎｓとなる。

【0081】

図１３は、励起光強度と光パルス群の周波数の関係を示す図である。光パルス群の周波数は、励起光強度に対して、ほぼ線形に変化させることができる。バースト周期Ｔｂは、光パルス群の周波数の逆数であるから、バースト周期Ｔｂは、励起光強度に対して実質的に反比例すると言える。

【0082】

図３を参照する。励起光源２１２は、励起光の強度を可変に構成するとよい。そして、ワークＷの種類などに応じて、ユーザがマニュアルで、あるいはコンピュータによる自動制御で、励起光強度を調節することで、バースト周期Ｔｂを、プルームの時間特性に応じて設定することが可能となる。

【0083】

実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められ、そうした変形例も本発明の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0084】

１００ レーザ加工装置
Ｗ ワーク
１１０ 光学系
１２０ ステージ
１３０ コントローラ
２００ パルスレーザ装置
２１０ シードレーザ装置
２１２ 励起光源
２１６ 結合光学系
２１８ ＷＤＭカプラ
２２０ レーザ共振器
２２２ レーザ媒質
２２４ ＳＥＳＡＭ
２２６ 高反射ミラー
２３０ 増幅器
２３２ 励起光源
２３４ ファイバ
２３６ ＷＤＭカプラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】