特開 2022-36715 偏光変換素子、光学系及びレーザ加工機

(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】P2022036715

(43)【公開日】2022-03-08

(54)【発明の名称】偏光変換素子、光学系及びレーザ加工機

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20220301BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20220301BHJP

【ＦＩ】

G02B5/30

B23K26/064 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020141067

(22)【出願日】2020-08-24

(71)【出願人】

【識別番号】519135633

【氏名又は名称】公立大学法人大阪

(71)【出願人】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】菊田 久雄

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 歴

(72)【発明者】

【氏名】江畑 惠司

(72)【発明者】

【氏名】仲前 一男

【テーマコード（参考）】

2H149

4E168

【Ｆターム（参考）】

2H149AA00

2H149AB01

2H149DA01

2H149DA05

2H149DA12

2H149DA13

2H149FA21Y

2H149FA42Y

2H149FA44Y

4E168AD11

4E168DA02

4E168DA27

4E168DA46

4E168JA02

(57)【要約】

【課題】レーザ光照射側の形状も四角形形状に近い穴を形成することができる偏光変換素子を提供する。
【解決手段】偏光変換素子は、偏光変換素子の中心回りに４回の回転対称となるように区分された４つの第１領域を備えている。４つの第１領域の各々は、周方向に沿って区分された複数の第２領域を有している。複数の第２領域の各々は、楔形形状を有している。複数の第２領域の各々は、１／２波長板になっている。４つの第１領域に含まれる複数の第２領域の各々の進相軸の方向は、周方向に沿って、１８０°を４つの第１領域に含まれる複数の第２領域の合計数で除した値ずつ回転している。４つの第１領域の各々において、楔形形状の頂角の各々は、互いに異なる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

偏光変換素子であって、
前記偏光変換素子は、前記偏光変換素子の中心回りに４回の回転対称となるように区分されている４つの第１領域を備え、
前記４つの第１領域の各々は、周方向に沿って区分されている複数の第２領域を有しており、
前記複数の第２領域の各々は、楔形形状を有しており、
前記複数の第２領域の各々は、１／２波長板になっており、
前記４つの第１領域に含まれる前記複数の第２領域の各々の進相軸の方向は、前記周方向に沿って、１８０°を前記４つの第１領域に含まれる前記複数の第２領域の合計数で除した値ずつ回転しており、
前記４つの第１領域の各々において、前記楔形形状の頂角の各々は、互いに異なる、偏光変換素子。

【請求項2】

前記複数の第２領域の数は、２つであり、
前記４つの第１領域の各々において、前記頂角の１つは、５０°を超えて８０°未満である、請求項１に記載の偏光変換素子。

【請求項3】

前記複数の第２領域の各々は、複屈折結晶により構成されている、請求項１又は請求項２に記載の偏光変換素子。

【請求項4】

前記複数の第２領域の各々は、液晶素子又は構造複屈折素子により構成されている、請求項１又は請求項２に記載の偏光変換素子。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の前記偏光変換素子を備える、光学系。

【請求項6】

直線偏光のレーザ光を発生させるレーザ光源と、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の前記偏光変換素子と、
前記レーザ光をワーク上に集光させる集光レンズとを備える、レーザ加工機。

【請求項7】

前記偏光変換素子と前記集光レンズとの間の距離は、前記集光レンズの焦点距離よりも小さい、請求項６に記載のレーザ加工機。

【請求項8】

前記レーザ光源は、パルス幅が１０ピコ秒未満の前記レーザ光を発生させる、請求項６又は請求項７に記載のレーザ加工機。

【請求項9】

前記レーザ光源は、ＴＥＭ_００モードのガウシアンビーム又は平面波ビームの前記レーザ光を発生させる、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載のレーザ加工機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、偏光変換素子、光学系及びレーザ加工機に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１（Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｋｉｋｕｃｈｉほか２名、Ｆｏｕｒｆｏｌｄ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｙｃａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｆｏｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａ ｓｑｕａｒｅ ｈｏｌｅ、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．５５、Ｎｏ．４、２０１６年、０４２７０１）には、偏光変換素子が記載されている。

【0003】

非特許文献１に記載の偏光変換素子は、当該偏光変換素子の中心回りに、４回回転対称の４つの第１領域に分割されている。４つの第１領域の各々は、周方向に沿って、２つの第２領域に分割されている。第２領域の各々は、楔形形状を有しており、当該楔形形状の頂角が等しい。

【0004】

４つの第１領域に含まれる第２領域の各々は、１／２波長板である。４つの第１領域に含まれる第２領域の各々の進相軸は、周方向に沿って、２２．５°（１８０°を４つの第１領域に含まれる第２領域の合計数で除した値）ずつ回転している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｋｉｋｕｃｈｉほか２名、Ｆｏｕｒｆｏｌｄ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｙｃａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｆｏｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａ ｓｑｕａｒｅ ｈｏｌｅ、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．５５、Ｎｏ．４、２０１６年、０４２７０１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

非特許文献１に記載の偏光変換素子を通過したレーザ光を集光レンズを用いてワーク上に集光することにより、四角形形状の穴を形成することができる。これは、非特許文献１に記載の偏光変換素子を通過したレーザ光が、四角形の角部においてＰ偏光のレーザ光となり、四角形の辺に沿う部分においてＳ偏光のレーザ光となるためである。

【0007】

しかしながら、非特許文献１に記載の偏光変換素子を通過したレーザ光の強度分布は円形であるため、形成された穴の形状は、レーザ光が照射される側において、円形になってしまう。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本開示は、レーザ光が照射される側の形状も四角形形状に近い穴を形成することができる偏光変換素子を提供するものである。

【0009】

本開示の偏光変換素子は、偏光変換素子の中心回りに４回の回転対称となるように区分された４つの第１領域を備えている。４つの第１領域の各々は、周方向に沿って区分された複数の第２領域を有している。複数の第２領域の各々は、楔形形状を有している。複数の第２領域の各々は、１／２波長板になっている。４つの第１領域に含まれる複数の第２領域の各々の進相軸の方向は、周方向に沿って、１８０°を４つの第１領域に含まれる複数の第２領域の合計数で除した値ずつ回転している。４つの第１領域の各々において、楔形形状の頂角の各々は、互いに異なる。

【発明の効果】

【0010】

本開示の偏光変換素子によると、レーザ光が照射される側の形状も四角形形状に近い穴を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】偏光変換素子１０の斜視図である。

【図2】第１面１０ａ側から見た偏光変換素子１０の平面図である。

【図3】第１面１０ａ側から見た変形例に係る偏光変換素子１０の平面図である。

【図4】レーザ加工機１００の模式図である。

【図5】第１面１０ａ側から見た偏光変換素子１０Ａの平面図である。

【図6】Ｘ軸方向に沿う直線偏光のレーザ光Ｌが偏光変換素子１０を通過した後の偏光方向の分布を示す模式図である。

【図7A】偏光変換素子１０Ａを通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。

【図7B】角度θ１及び角度θ２がそれぞれ５０°及び４０°である場合の偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。

【図7C】角度θ１及び角度θ２がそれぞれ６０°及び３０°である場合の偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。

【図7D】角度θ１及び角度θ２がそれぞれ７０°及び２０°である場合の偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。

【図7E】角度θ１及び角度θ２がそれぞれ８０°及び１０°である場合の偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。

【図8】第１穴開け加工後におけるワークＷの電子顕微鏡像である。

【図9】第２穴開け加工後におけるワークＷの電子顕微鏡像である。

【図10A】第１シミュレーションにおけるレーザ光Ｌが貫通する側から見たワークＷの平面図である。

【図10B】第２シミュレーションにおけるレーザ光Ｌが貫通する側から見たワークＷの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［本開示の実施形態の説明］
まず、本開示の実施態様を列記して説明する。

【0013】

（１）実施形態に係る偏光変換素子は、偏光変換素子の中心回りに４回の回転対称となるように区分された４つの第１領域を備えている。４つの第１領域の各々は、周方向に沿って区分された複数の第２領域を有している。複数の第２領域の各々は、楔形形状を有している。複数の第２領域の各々は、１／２波長板になっている。４つの第１領域に含まれる複数の第２領域の各々の進相軸の方向は、周方向に沿って、１８０°を４つの第１領域に含まれる複数の第２領域の合計数で除した値ずつ回転している。４つの第１領域の各々において、楔形形状の頂角の各々は、互いに異なる。

【0014】

上記（１）の偏光変換素子では、偏光変換素子を通過したレーザ光の強度分布が、四角形形状に近くなる。そのため、上記（１）の偏光変換素子によると、レーザ光照射側の形状も四角形形状に近い穴を形成することができる。

【0015】

（２）上記（１）の偏光変換素子において、複数の第２領域の数は、２つであってもよい。４つの第１領域の各々において、頂角の１つは、５０°を超えて８０°未満であってもよい。

【0016】

上記（２）の偏光変換素子によると、偏光変換素子を通過したレーザ光の強度分布が四角形形状にさらに近くなるため、レーザ光照射側の形状が四角形形状にさらに近くなる。

【0017】

（３）上記（１）又は上記（２）の偏光変換素子において、複数の第２領域の各々は、複屈折結晶により構成されていてもよい。

【0018】

（４）上記（１）又は上記（２）の偏光変換素子において、複数の第２領域の各々は、液晶素子又は構造複屈折素子により構成されていてもよい。

【0019】

（５）実施形態に係る光学系は、上記（１）から上記（４）のいずれかの偏光変換素子を備えている。

【0020】

（６）実施形態に係るレーザ加工機は、直線偏光のレーザ光を発生させるレーザ光源と、上記（１）から上記（４）のいずれかの偏光変換素子と、レーザ光をワーク上に集光させる集光レンズとを備えている。

【0021】

（７）上記（６）のレーザ加工機において、偏光変換素子と集光レンズとの間の距離は、集光レンズの焦点距離よりも小さくてもよい。

【0022】

上記（７）のレーザ加工機によると、隣り合う２つの第２領域の間の境界がワーク上の集光面に表れることを抑制できる。

【0023】

（８）上記（６）又は上記（７）のレーザ加工機において、レーザ光源は、パルス幅が１０ピコ秒未満のレーザ光を発生させてもよい。

【0024】

（９）上記（６）から上記（９）のレーザ加工機において、レーザ光源は、ＴＥＭ_００モードのガウシアンビーム又は平面波ビームのレーザ光を発生させてもよい。

【0025】

［本開示の実施形態の詳細］
次に、本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。ここでは、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

【0026】

（実施形態に係る偏光変換素子の構成）
以下に、実施形態に係る偏光変換素子（以下「偏光変換素子１０」とする）の構成を説明する。

【0027】

図１は、偏光変換素子１０の斜視図である。図１に示されるように、偏光変換素子１０は、第１面１０ａと、第２面１０ｂとを有している。第１面１０ａは、レーザ光が入射する側の面である。第２面１０ｂは、第１面１０ａの反対面である。すなわち、第２面１０ｂは、レーザ光が出射する側の面である。

【0028】

図２は、第１面１０ａ側から見た偏光変換素子１０の平面図である。図２に示されるように、偏光変換素子１０は、平面視において、中心Ｃを有している。偏光変換素子１０は、中心Ｃ回りに４回の回転対称となるように、領域１１ａと、領域１１ｂと、領域１１ｃと、領域１１ｄとに区分されている。領域１１ａ、領域１１ｂ、領域１１ｃ及び領域１１ｄは、反時計回り方向に沿って、この順で並んでいる。

【0029】

領域１１ａ、領域１１ｂ、領域１１ｃ及び領域１１ｄの各々は、周方向（中心Ｃを中心とする円周に沿う方向）に沿って、領域１２ａと、領域１２ｂとに区分されている。領域１２ａ及び領域１２ｂは、楔形形状を有している。領域１２ａ及び領域１２ｂは、反時計回り方向に沿って、この順で並んでいる。

【0030】

領域１２ａを構成している楔形形状の頂角を角度θ１とし、領域１２ｂを構成している楔形形状の頂角を角度θ２とする。領域１１ａ、領域１１ｂ、領域１１ｃ及び領域１１ｄは中心Ｃ回りの４回の回転対称になっているため、角度θ１と角度θ２との和は、９０°になっている。角度θ２は、角度θ１と異なっている（図２の例においては、角度θ２は、角度θ１よりも小さい）。角度θ２は、５０°を超えて８０°未満であることが好ましい。

【0031】

領域１１ａに含まれている領域１２ａ及び領域１２ｂ、領域１１ｂに含まれている領域１２ａ及び領域１２ｂ、領域１１ｃに含まれている領域１２ａ及び領域１２ｂ並びに領域１１ｄに含まれている領域１２ａ及び領域１２ｂは、１／２波長板により構成されている。この１／２波長板は、複屈折結晶（例えば、水晶）により形成されている。なお、「１／２波長板」には、１枚の１／２波長板を用いる場合のみならず、２枚の１／４波長板を重ねて用いる場合も含まれる。

【0032】

領域１２ａを構成している１／２波長板の進相軸及び領域１２ｂを構成している１／２波長板の進相軸は、図２中において斜線で示されている。

【0033】

領域１１ａに含まれている領域１２ａの進相軸とＸ軸とがなす角度は、９０°である。領域１１ａに含まれている領域１２ｂの進相軸とＸ軸とがなす角度は、６７．５°である。領域１１ｂに含まれている領域１２ａの進相軸とＸ軸とがなす角度は、４５°である。領域１１ｂに含まれている領域１２ｂの進相軸とＸ軸とがなす角度は、２２．５°である。

【0034】

領域１１ｃに含まれている領域１２ａの進相軸とＸ軸とがなす角度は、０°である。領域１１ｃに含まれている領域１２ｂの進相軸とＸ軸とがなす角度は、－２２．５°である。領域１１ｄに含まれている領域１２ａの進相軸とＸ軸とがなす角度は、－４５°である。領域１１ｄに含まれている領域１２ｂの進相軸とＸ軸とがなす角度は、－６７．５°である。

【0035】

すなわち、領域１１ａ～領域１１ｄに含まれている領域１２ａ及び領域１２ｂを構成している１／２波長板の進相軸の方向は、周方向に沿って、１８０°を領域１１ａ～領域１１ｄに含まれている領域１２ａ及び領域１２ｂの合計数で除した値（図２の例では、１８０°÷８＝２２．５°）ずつ回転している。

【0036】

＜変形例＞
上記においては、領域１１ａ、領域１１ｂ、領域１１ｃ及び領域１１ｄを２つの領域に区分する例を示したが、領域１１ａ、領域１１ｂ、領域１１ｃ及び領域１１ｄは、３つ以上の楔形形状を有する領域に区分されてもよい。この場合も、領域１１ａ、領域１１ｂ、領域１１ｃ及び領域１１ｄの各々に含まれる楔形形状の頂角の各々は、互いに異なっている。

【0037】

図３は、第１面１０ａ側から見た変形例に係る偏光変換素子１０の平面図である。図３に示されるように、領域１２ａ及び領域１２ｂを構成している１／２波長板は、構造複屈折素子であってもよい。この複屈折素子には、進相軸の方向に沿って複数の溝１３が形成されている。隣り合う２つの溝１３の間のピッチは、偏光変換素子１０に入射するレーザ光Ｌの波長未満とされる。

【0038】

この構造複屈折素子は、例えば、石英ガラスにより形成される。また、溝１３は、例えば、石英ガラス上に形成されたマスクを用いて当該石英ガラスをドライエッチングすることにより形成される。領域１２ａ及び領域１２ｂを構成している１／２波長板は、液晶素子であってもよい。

【0039】

（実施形態に係るレーザ加工機）
以下に、実施形態に係るレーザ加工機（以下「レーザ加工機１００」とする）の構成を説明する。

【0040】

図４は、レーザ加工機１００の模式図である。図４に示されるように、レーザ加工機１００は、レーザ光源４０と、光学系５０とを有している。

【0041】

レーザ光源４０は、直線偏光のレーザ光（以下「レーザ光Ｌ」とする）を発生させる。レーザ光源４０は、例えば、半導体レーザである。より具体的には、レーザ光源４０は、チタンサファイアレーザである。但し、レーザ光源４０は、これに限られるものではない。

【0042】

レーザ光源４０は、レーザ光Ｌをパルス発振させるように構成されている。レーザ光源４０は、例えば、１０ピコ秒未満のパルス幅のレーザ光Ｌを発生させるように構成されている。レーザ光源４０は、例えば、ＴＥＭ_００モードのガウシアンビーム又は平面波ビームのレーザ光Ｌを発生させるように構成されている。

【0043】

光学系５０は、偏光変換素子１０と、アパーチャ板２０と、集光レンズ３０とを有している。アパーチャ板２０には、アパーチャ板２０を厚さ方向に貫通しているアパーチャ２１が形成されている。

【0044】

偏光変換素子１０、アパーチャ板２０及び集光レンズ３０は、レーザ光源４０とワークＷとの間に配置されている。アパーチャ板２０は、偏光変換素子１０よりもレーザ光源４０の近くに配置されており、集光レンズ３０は、偏光変換素子１０よりもワークＷの近くに配置されている。

【0045】

レーザ光源４０において発生されたレーザ光Ｌは、アパーチャ２１を通過することにより、所定のビーム径に絞られる。アパーチャ２１を通過したレーザ光Ｌは、偏光変換素子１０を通過することにより、偏光変換される。偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌは、ワークＷにおいて集光され、ワークＷに穴が形成される。なお、偏光変換素子１０は、集光レンズ３０とワークＷとの間に配置されていてもよい。

【0046】

集光レンズ３０の焦点距離を、焦点距離ｆとする。偏光変換素子１０と集光レンズ３０との間の距離を、距離ＤＩＳとする。距離ＤＩＳは、焦点距離ｆよりも小さいことが好ましい。

【0047】

（実施形態に係る偏光変換素子の効果）
以下に、偏光変換素子１０の効果を、比較例に係る偏光変換素子（以下「偏光変換素子１０Ａ」とする）と対比しながら説明する。

【0048】

図５は、第１面１０ａ側から見た偏光変換素子１０Ａの平面図である。図５に示されるように、偏光変換素子１０Ａは、角度θ１と角度θ２とが等しくなっている点を除き、偏光変換素子１０の構成と共通している。

【0049】

図６は、Ｘ軸方向に沿う直線偏光のレーザ光Ｌが偏光変換素子１０を通過した後の偏光方向の分布を示す模式図である。図６中の四角形は、加工しようとする穴の形状を示している。図６に示されるように、偏光変換素子１０を通過したレーザ光は、加工しようとする穴の四角形形状の角部においてＰ偏光となり、加工しようとする穴の四角形形状の辺に沿う部分においてＳ偏光となる。

【0050】

これは、１／２波長板を通過したレーザ光Ｌにおいて、進相軸に直交する偏光成分と進相軸に平行な偏光成分との間に１８０°の位相差が生じるためである。すなわち、直線偏光のレーザ光Ｌの偏光方向と１／２波長板とが角度Φをなしている場合、レーザ光Ｌの偏光方向が、１／２波長板を通過することにより２Φだけ回転することになるからである。

【0051】

同様の直線偏光のレーザ光Ｌが偏光変換素子１０Ａを通過した後の偏光方向の分布も、図６と同様になる。Ｐ偏光は、Ｓ偏光よりもワークＷにおける吸収率が高い。そのため、Ｐ偏光となっている部分においてワークＷの加工が進みやすくなる一方でＳ変更となっている部分においてワークＷの加工が進みにくくなる結果、偏光変換素子１０を用いた場合のみならず、偏光変換素子１０Ａを用いた場合も、四角形形状の穴をワークＷに形成することが可能である。

【0052】

図７Ａは、偏光変換素子１０Ａを通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。図７Ａ中における矢印は、偏光変換素子１０Ａを通過したレーザ光Ｌの偏光方向を示している。図７Ａに示されるように、偏光変換素子１０Ａを通過したレーザ光Ｌの強度分布は、円形である。レーザ光ＬによるワークＷの加工初期においては、ワークＷの表面がレーザ光Ｌの照射方向と直交しているため、レーザ光Ｌの偏光がワークＷの加工されやすさに影響しにくい。その結果、レーザ光Ｌが照射される側における穴の形状は、レーザ光Ｌの強度分布の影響を受け、円形になりやすい。

【0053】

図７Ｂは、角度θ１及び角度θ２がそれぞれ５０°及び４０°である場合の偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。図７Ｃは、角度θ１及び角度θ２がそれぞれ６０°及び３０°である場合の偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。図７Ｂ及び図７Ｃ中における矢印は、偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの偏光方向を示している。

【0054】

図７Ｂ及び図７Ｃに示されるように、角度θ１が大きくなるにしたがって、偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布は、四角形に近づいていく。このように、偏光変換素子１０においては、角度θ１と角度θ２とを異ならせることにより、レーザ光Ｌの強度分布を四角形に近づく。その結果、偏光変換素子１０を用いる場合、レーザ光Ｌが照射される側における穴の形状は、レーザ光Ｌの強度分布の影響を受け、四角形になりやすい。

【0055】

図７Ｄは、角度θ１及び角度θ２がそれぞれ７０°及び２０°である場合の偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。図７Ｅは、角度θ１及び角度θ２がそれぞれ８０°及び１０°である場合の偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を示すシミュレーション結果である。図７Ｄ及び図７Ｅ中における矢印は、偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの偏光方向を示している。

【0056】

図７Ｄに示されるように、角度θ１が７０°である場合、偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布は、四角形に近い形状を保っている。しかしながら、図７Ｅに示されるように、角度θ１が８０°である場合、偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布は、四角形の各辺が当該四角形の中心に向かって括れている。そのため、角度θ１が５０°を超えて８０°未満とすることにより、偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布を四角形により近づけることができる。

【0057】

レーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギが大きくなると、レーザ光Ｌの偏光の違いによる影響が相対的に小さくなる。その結果、偏光変換素子１０Ａを用いる場合、レーザ光Ｌが貫通する側においても、穴の形状が、円形に近くなる。他方で、偏光変換素子１０を用いる場合、強度分布が四角形形状に近くなるため、レーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギが大きくなっても、穴の形状を四角形に保ちやすくなる。

【0058】

なお、四角形形状の穴は、例えば、レーザ光を四角形形状に走査することにより（トレパニングにより）形成することができる。しかしながら、トレパニングにより集光回折限界に近い寸法の四角形形状の穴を形成することが困難である。他方で、偏光変換素子１０を用いる場合、四角形形状に近いレーザ光Ｌの強度分布及びＰ偏光・Ｓ偏光の吸収率の違いにより四角形形状の穴を形成するため、集光回折限界に近い寸法の四角形形状の穴を形成することが可能である。

【0059】

＜実験例＞
偏光変換素子１０の効果を確認するために、穴開け加工試験を行った。穴開け加工試験においては、条件の異なる第１穴開け加工及び第２穴開け加工が行われた。第１穴開け加工には偏光変換素子１０Ａが用いられ、第２穴開け加工には偏光変換素子１０が用いられた。第１穴開け加工及び第２穴開け加工において、ワークＷには、厚さが０．８ｍｍのステンレス鋼板が用いられた。また、第１穴開け加工及び第２穴開け加工においては、波長が８００ｎｍ、パルス幅が１００ｎｍ、１パルスあたりのエネルギが６５μＪのレーザ光Ｌが、ワークＷに対して１６０００パルス照射された。

【0060】

図８は、第１穴開け加工後におけるワークＷの電子顕微鏡像である。図８に示されるように、第１穴開け加工が行われることにより、ワークＷに形成される穴は、レーザ光Ｌが貫通する側において、四角形形状に近い形状を有している。しかしながら、第１穴開け加工によりワークＷに形成される穴は、レーザ光Ｌが照射される側において、円形に近い形状を有している。

【0061】

図９は、第２穴開け加工後におけるワークＷの電子顕微鏡像である。図９に示されるように、第２穴開け加工によりワークＷに形成される穴は、レーザ光Ｌが貫通する側のみならず、レーザ光Ｌが照射される側においても、四角形に近い形状を保っていた。この比較から、偏光変換素子１０を用いることにより、レーザ光Ｌが貫通する側のみならずレーザ光Ｌが照射される側においても、四角形に近い穴をワークＷに形成可能であることが、実験的に明らかにされた。

【0062】

＜シミュレーション例＞
偏光変換素子１０の効果を確認するために、穴開け加工のシミュレーションを行った。穴開け加工のシミュレーションにおいては、条件の異なる第１シミュレーション及び第２シミュレーションが行われた。第１シミュレーションには偏光変換素子１０Ａが用いられ、第２シミュレーションには偏光変換素子１０が用いられた。第２シミュレーションに用いられた偏光変換素子１０においては、角度θ１は６０°とされた。第１シミュレーション及び第２シミュレーションにおいては、１パルスあたりのエネルギが１５ｍＪのレーザ光Ｌが用いられた。

【0063】

図１０Ａは、第１シミュレーションにおけるレーザ光Ｌが貫通する側から見たワークＷの平面図である。図１０Ａに示されるように、第１シミュレーションにおいては、レーザ光Ｌが貫通する側及びレーザ光Ｌが照射される側の双方において、ワークＷに形成される穴の形状は、円形に近くなっていた。

【0064】

図１０Ｂは、第２シミュレーションにおけるレーザ光Ｌが貫通する側から見たワークＷの平面図である。図１０Ｂに示されるように、第２シミュレーションにおいては、レーザ光Ｌが貫通する側及びレーザ光Ｌが照射される側の双方において、ワークＷに形成される穴は、四角形に近い形状を保っていた。

【0065】

この比較から、偏光変換素子１０を用いることにより、レーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギが大きくなっても穴の形状を四角形に保ちやすくなることが、シミュレーション上においても示された。

【0066】

（実施形態に係るレーザ加工機の効果）
以下に、レーザ加工機１００の効果を説明する。

【0067】

レーザ加工機１００の光学系は、偏光変換素子１０を有している。そのため、レーザ加工機１００によると、レーザ光Ｌが貫通する側のみならずレーザ光Ｌが照射される側においても、四角形に近い穴をワークＷに形成することが可能であるとともに、レーザ光Ｌの１パルスあたりのエネルギが大きくなっても、穴の形状を四角形に保ちやすい。

【0068】

レーザ加工機１００において、距離ＤＩＳが焦点距離ｆよりも小さい場合、隣り合う領域１２ａ及び領域１２ｂの間の境界がワークＷ上の集光面に表れることを抑制できる。パルス幅が１０ピコ秒未満のレーザ光Ｌをレーザ光源４０が発生させる場合、プラズマによる加工又は熱溶融による加工ではなくアブレーション加工が支配的となるため、ワークＷに四角形形状に近い穴を形成しやすくなる。レーザ光源４０がＴＥＭ_００モードのガウシアンビーム又は平面波ビームのレーザ光Ｌを発生させる場合、偏光変換素子１０を通過したレーザ光Ｌの強度分布をより四角形に近づけることができるため、ワークＷに四角形形状に近い穴を形成しやすくなる。

【0069】

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0070】

１０，１０Ａ 偏光変換素子
１０ａ 第１面
１０ｂ 第２面
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 領域
１２ａ，１２ｂ 領域
１３ 溝
２０ アパーチャ板
２１ アパーチャ
３０ 集光レンズ
４０ レーザ光源
５０ 光学系
１００ レーザ加工機
Ｃ 中心
ＤＩＳ 距離
Ｌ レーザ光
Ｗ ワーク
ｆ 焦点距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】