本发明涉及一种利用激光束加工被加工物的装置。
背景技术：
与以往相比，当前更加广泛地通过对被加工物照射激光束来对被加工物进行截断、开孔、形成槽等各种加工。其中公知有一种使用贝塞尔型的激光束的方式(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2017-64795号公报
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
在从一个表面侧向被加工物照射激光束并对深度方向的规定范围同时进行加工的情况下，有如下需求：不想对一定深度以上的部分进行加工，或者，即使不进行加工也有可能产生某种不良影响，因而希望避免照射激光束。
在专利文献1中公开了两个要点，即，使用轴棱镜生成贝塞尔型激光束，以及，基于最大损伤深度与作为被加工物的层状玻璃的厚度之间的大小关系来确定层状玻璃的切断范围，其中，所述最大损伤深度是在贝塞尔型激光束的传播方向上的能量密度变化中被特定为规定阈值以上范围的、发生光学性绝缘破坏的范围。
但是，在专利文献1中，对于通过调整激光束的传播方向上的扩展本身来调整被加工物的加工范围的方式，却没有任何的公开和启示。
本发明鉴于上述技术问题而完成，其目的在于，提供一种适当地控制激光束的照射范围来对被加工物进行加工的方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，方案1的发明提供一种使用激光束对被加工物进行加工的激光加工装置，其特征在于，具备：光源，其能够射出所述激光束；轴棱镜，其配置于从所述光源射出的所述激光束的光轴上；以及孔径光阑，其配置于所述光源与所述轴棱镜之间，且具有比所述激光束的光束直径小的开口直径，使利用所述孔径光阑收敛了所述光束直径的所述激光束向所述轴棱镜入射而产生模拟贝塞尔光束，并使所述被加工物的加工对象区域包含在使得所述模拟贝塞尔光束的强度为规定的加工阈值以上的可加工强度区域内，从而对所述被加工物进行加工。
方案2的发明是一种根据方案1所述的激光加工装置，其特征在于，还具备缩小透镜，其配置于所述轴棱镜与所述被加工物的配置位置之间，并使所述模拟贝塞尔光束缩小再成像，使所述加工对象区域包含在利用所述缩小透镜进行了缩小再成像的所述模拟贝塞尔光束的所述可加工强度区域内，从而对所述被加工物进行加工。
方案3的发明是一种使用激光束对被加工物进行加工的方法，其特征在于，在从规定的光源射出的激光束的光轴上配置轴棱镜，并且在所述光源与所述轴棱镜之间配置具有比所述激光束的光束直径小的开口直径的孔径光阑，使利用所述孔径光阑收敛了所述光束直径的所述激光束向所述轴棱镜入射而产生模拟贝塞尔光束，并使所述被加工物的加工对象区域包含在使得所述模拟贝塞尔光束的强度为规定的加工阈值以上的可加工强度区域内，从而对所述被加工物进行加工。
方案4的发明是一种根据方案3所述的被加工物的加工方法，其特征在于，在所述轴棱镜与所述被加工物的配置位置之间配置使所述模拟贝塞尔光束缩小再成像的缩小透镜，使所述加工对象区域包含在利用所述缩小透镜进行了缩小再成像的所述模拟贝塞尔光束的所述可加工强度区域内，从而对所述被加工物进行加工。
(三)有益效果
根据方案1至方案4的发明，能够将模拟贝塞尔光束的可加工强度区域限制在不向加工对象区域之外照射模拟贝塞尔光束的规定的范围，并且能够通过一次的激光束射出而在深度方向上同时对加工对象区域整体进行加工。
特别地，根据方案2及方案4的发明，能够局部地照射单位面积的强度大的模拟贝塞尔光束，并且能够增大加工装置的动作距离。
附图说明
图1示意性地示出了使用轴棱镜1产生模拟贝塞尔光束的方式。
图2示出了保持激光束lb的输出不变而改变光束直径d1时的各激光束lb的从轴棱镜1的顶点1s起的光轴ax上的距离与光轴ax的位置上的模拟贝塞尔光束bb的强度之间的关系的仿真结果。
图3表示向在图1中示意性示出的产生模拟贝塞尔光束bb的结构追加了孔径光阑3的结构。
图4示出了将激光束lb的光束直径d1设为11mm并改变孔径光阑3的条件时的各激光束lb的从轴棱镜1的顶点1s起的光轴ax上的距离与光轴ax的位置上的模拟贝塞尔光束bb的强度之间的关系的仿真结果。
图5示出了将激光束lb的光束直径d1设为3mm并改变孔径光阑3的条件时的各激光束lb的从轴棱镜1的顶点1s起的光轴ax上的距离与光轴ax的位置上的模拟贝塞尔光束bb的强度之间的关系的仿真结果。
图6示意性地示出了激光加工装置100的结构的一例。
附图标记说明
1-轴棱镜；1s-(轴棱镜的)顶点；1a-(轴棱镜的)平坦面；1b-(轴棱镜的)圆锥面；2-光源；3-孔径光阑；4-载置台；5-缩小透镜；100-激光加工装置；ax-光轴；bb-模拟贝塞尔光束；bb(bb1、bb2、bb3、bba、bbb)-模拟贝塞尔光束；lb(lb0、lb1、lb2、lb3、lba、lbb)-激光束；p1、p2-可加工强度区域；w-被加工物；d1、d3-(激光束的)光束直径；d2、d4、d5、d6-(模拟贝塞尔光束的)最大宽度。
具体实施方式
＜模拟贝塞尔光束的产生和在加工中的使用＞
图1示意性地示出了使用轴棱镜1产生模拟的贝塞尔光束(模拟贝塞尔光束)。图1的(a)表示从光源2射出光束直径d1＝d1a的激光束lb(lba)并向轴棱镜1入射时产生模拟贝塞尔光束bb(bba)的情况。图1的(b)表示从光源2射出光束直径d1＝d1b(＜d1a)的激光束lb(lbb)并向相同的轴棱镜1入射时产生模拟贝塞尔光束bb(bbb)的情况。
此外，在本实施方式中，将贝塞尔光束称为“模拟的”是根据如下的公知的见解，即，要产生完全的贝塞尔光束，则需要无限的能量，而实际的激光束的能量是有限的，无法做出那种完全的贝塞尔光束。
以下，将从光源2射出激光束lb时的轴中心称为光轴ax，并将光轴ax的延伸方向称为光轴方向。另外，激光束lb是高斯光束，在本实施方式中，将该激光束lb的1/e2宽度(强度值为最大强度的1/e2倍以上的范围)设为激光束lb的光束直径。
作为激光束lb，可以根据加工对象物来选择各种激光束，例如作为对玻璃、陶瓷、半导体等脆性材料进行加工的激光束，可使用例如脉冲宽度(脉冲持续时间)为100ps以下并优选为50ps以下(通常为1ps以上)的红外激光束且尤其是近红外激光束(例如波长为1064nm)，例如可举出coherent公司制造的超快速(hyperrapid)激光器(波长为1064nm、脉冲宽度为15ps、平均输出为50w)。
轴棱镜1是在一端侧具有平坦面1a并在另一端侧具有圆锥面1b的透镜。要产生模拟贝塞尔光束bb时，将轴棱镜1配置为其中心轴与光轴ax一致(圆锥面1b的顶点1s位于光轴ax上)。如果以该配置状态从光源2射出激光束lb，则相对于平坦面1a垂直地入射的激光束lb从圆锥面1b射出时，会以与该圆锥面1b的倾斜对应的射出角朝向光轴ax倾斜。于是，从关于轴棱镜1的光轴方向对称的两个方向射出的激光束lb会在光轴方向上从不同的方向进行交叉(重叠)，由此产生模拟贝塞尔光束bb。
在该情况下，如果轴棱镜1的形状以及从光源2射出的激光束lb的强度及波长相同，则模拟贝塞尔光束bb的产生位置及产生范围会根据光束直径d1的大小而不同。
例如，通过如图1的(a)所示那样，向轴棱镜1入射光束直径为d1＝d1a的激光束lba，从而在光轴方向的以轴棱镜1的顶点1s为起点的长度为sa的范围内产生最大宽度d2＝d2a的模拟贝塞尔光束bba，并通过如图1的(b)所示那样，向轴棱镜1入射光束直径为d1＝d1b(＜d1a)的激光束lbb，从而在从轴棱镜1的顶点1s起长度为sb的范围内产生最大宽度d2＝d2b的模拟贝塞尔光束bbb，在这种情况下，sa＞sb、d2a＞d2b。
图2示出了保持激光束lb的输出不变而将光束直径d1变为3(mm)、5(mm)、7(mm)、9(mm)、以及11(mm)的五个级别时的各激光束lb的从轴棱镜1的顶点1s起的光轴ax上的距离与光轴ax的位置上的模拟贝塞尔光束bb的强度(任意单位：a.u.)之间的关系的仿真结果。此外，在获得本实施方式所示的仿真结果时，激光束lb的波长设为1064(nm)，轴棱镜1的顶角θ设为140°。
由图2可知，光束直径d1越大，就越能够在光轴方向的更大范围产生模拟贝塞尔光束bb，另一方面则具有最大强度变小的倾向。
另外还可知，各曲线在光轴方向上几(mm)～几十(mm)程度的较大范围具有较大的强度。即使在例如光束直径d1是最小的3(mm)时的曲线中，也具有10(mm)程度的半宽度。
在本实施方式中，将模拟贝塞尔光束bb的这种性质用于对被加工物在深度方向上的加工。此外，在本实施方式中，就对被加工物的加工而言，可例示变质区域的形成，但也可以是通过烧蚀而形成槽等其它的加工方式。
图2所示的结果表明：如果向被加工物照射通过使一光束直径为d1的激光束lb向轴棱镜1入射而产生的模拟贝塞尔光束bb，则至少在原理上能够在被加工物的深度方向(相当于光轴方向的方向)的、使得模拟贝塞尔光束bb的强度为规定的加工阈值(对被加工物进行规定的加工所需的激光束的强度的最小值)以上的范围(以下记为可加工强度区域)内同时进行均质的加工。
即，只要通过适当选择激光束lb的输出及光束直径d1，并且适当调整被加工物的加工对象区域的位置，从而使得被加工物的加工对象区域包含在模拟贝塞尔光束bb的可加工强度区域内，则能够通过一次的激光束lb射出而在深度方向上同时对加工对象区域整体进行加工。
激光束lb的波长、输出、光束直径d1、以及轴棱镜的顶角θ等可以根据被加工物的种类而适当选择。
例如，在图2中光束直径d1是5(mm)的情况下，如果模拟贝塞尔光束bb的强度的加工阈值是300(a.u.)，则从轴棱镜1起的距离大约为3(mm)～15(mm)的范围，即深度方向的约12(mm)的范围是可加工强度区域。
此外，当实际对被加工物进行加工时，也需要考虑被加工物的折射率n，使可加工强度区域和被加工物的加工对象区域一致。例如，在模拟贝塞尔光束bb的强度为300(a.u.)以上的范围全部包含于被加工物的情况下，可加工强度区域的范围是15n(mm)－3n(mm)＝12n(mm)。
＜模拟贝塞尔光束的照射范围的限制＞
如上所述，通过采用模拟贝塞尔光束bb，从而能够对被加工物在深度方向上同时进行加工，但另一方面，虽然不在可加工强度区域内则不进行加工，但是存在尽管模拟贝塞尔光束bb自身较弱却仍然进行照射的区域。该照射有可能引起某种不良影响，因而具有希望避免向这样的区域照射激光束的技术需求。
在本实施方式中，通过使用孔径光阑来限定模拟贝塞尔光束bb的产生范围以应对这样的需求。
图3表示向在图1中示意性示出的产生模拟贝塞尔光束bb的结构追加了孔径光阑3的结构。
孔径光阑3在光轴方向上配置于光源2与轴棱镜1之间。可采用开口直径φ比激光束lb的光束直径d1小的孔径光阑3。
通过以该方式来配置孔径光阑3，从而使得实际向轴棱镜1的平坦面1a入射的激光束lb(lb1)的光束直径d3比从光源2射出时刻的激光束lb(lb0)的光束直径d1收敛(减小)。在该情况下，虽然模拟贝塞尔光束bb1的起点本身与未设置孔径光阑3时相同，即为轴棱镜1的顶点1s，但是模拟贝塞尔光束bb1的光轴方向上的长度sc及最大宽度d4分别为比未设置孔径光阑3时的长度sa及最大宽度d2小的值。
图4示出了将激光束lb的光束直径d1设为11(mm)且不设置孔径光阑3时的结果、和将孔径光阑3的开口直径φ变为7(mm)、8(mm)、10(mm)、11(mm)这四个级别时的各激光束lb的从轴棱镜1的顶点1s起的光轴ax上的距离与光轴ax的位置上的模拟贝塞尔光束bb的强度之间的关系的仿真结果。另外，图5示出了将激光束lb的光束直径d1设为3(mm)且不设置孔径光阑3时的结果、和将孔径光阑3的开口直径φ变为2.2(mm)、2.5(mm)、3(mm)、3.5(mm)、4(mm)、5(mm)这六个级别时的各激光束lb的从轴棱镜1的顶点1s起的光轴ax上的距离与光轴ax的位置上的模拟贝塞尔光束bb的强度之间的关系的仿真结果。
在图4及图5的情况下，都是在设置有孔径光阑3时的曲线中，在从轴棱镜1的顶点1s起离开规定距离的位置上，模拟贝塞尔光束bb的强度急剧衰减，远于该位置则为零。即，模拟贝塞尔光束bb被截断(cut)。另外，开口直径φ的值越小，衰减位置就越接近轴棱镜1。
如果利用这种情况，则能够在使用模拟贝塞尔光束bb对被加工物在深度方向的规定范围内进行加工的情况下，适当地抑制模拟贝塞尔光束bb照射到比加工对象区域深的位置。
例如，在图4所示的光束直径d1是11(mm)的情况下，在将强度为150(a.u.)以上的范围设为可加工强度区域的情况下，如果将孔径光阑3的开口直径φ设为7(mm)，则从轴棱镜1的顶点1s起的距离约为19(mm)的位置是模拟贝塞尔光束bb的衰减位置，不会向该位置之外照射模拟贝塞尔光束bb。而且，该距离为6.5(mm)～约19(mm)的范围是(不考虑被加工物的折射率时的)可加工强度区域p1。
同样地，在图5所示的光束直径d1为3(mm)的情况下，在将强度为600(a.u.)以上的范围设为可加工强度区域的情况下，如果将孔径光阑3的开口直径φ设为2.2(mm)，则从轴棱镜1的顶点1s起的距离约为5.8(mm)的位置是模拟贝塞尔光束bb的衰减位置，不会向该位置之外照射模拟贝塞尔光束bb。而且，该距离为2.2(mm)～约5.8(mm)的范围是(不考虑被加工物的折射率时的)可加工强度区域p2。
图4及图5所示的结果中表明：如果使一光束直径为d1的激光束lb通过规定的开口直径φ的孔径光阑3进行了收敛之后向轴棱镜1入射，并将由此产生的模拟贝塞尔光束bb向被加工物照射，则至少在原理上，能够在相当于光轴方向的被加工物的深度方向上，将该模拟贝塞尔光束bb的可加工强度区域限制在与开口直径φ对应的规定范围内，并能够在该规定范围内同时进行均质的加工(例如变质区域的形成)，另一方面，不会向该规定范围之外照射模拟贝塞尔光束bb。
即，通过适当选择激光束lb的输出、光束直径d1、孔径光阑3的开口直径φ，并且也考虑到被加工物的折射率n而适当调整被加工物的加工对象区域的位置，从而能够通过一次的激光束lb射出而在深度方向上同时对加工对象区域整体进行加工，另一方面，不会向加工对象区域之外照射模拟贝塞尔光束bb。
＜装置结构例＞
图6示意性地示出了基于上述原理来进行被加工物w的加工的激光加工装置100的结构一例。
激光加工装置100除了具备上述的轴棱镜1、光源2、以及孔径光阑3之外，作为主要的结构要素还具备载置台4和缩小透镜5。
载置台4具有可载置固定被加工物w的水平的被载置面。而且，在激光加工装置100中，能够从铅直上方对向载置于载置台4的被加工物w照射贝塞尔光束。因此，轴棱镜1、光源2、以及孔径光阑3配置为满足图3所示的相互配置关系且光轴方向与铅直方向一致。具体而言，从光源2朝向铅直下方射出的激光束lb2通过孔径光阑3进行收敛并作为激光束lb3向轴棱镜1入射，结果是，产生以轴棱镜1的顶点1s为起点的模拟贝塞尔光束bb2。此时，可在从顶点1s起沿着光轴方向隔开了距离z1的长度sd的范围内形成最大宽度为d5的可加工强度区域re1。
优选地，载置台4设置为能够通过利用未图示的驱动机构进行驱动来进行：水平面内的并行移动(双轴移动)和旋转移动、以及铅直方向上的升降移动。由此，能够进行被加工物w的加工对象区域的定位、以及使被加工物w移动并进行加工的扫描加工等。
但是，在激光加工装置100中，所产生的模拟贝塞尔光束bb2不是直接向被加工物w照射，而是在通过包含缩小透镜5的缩小光学系统进行了缩小再成像之后向被加工物w照射。在该情况下，可通过对可加工强度区域re1进行缩小再成像，从而形成可加工强度区域re2。
缩小透镜5配置在轴棱镜1和载置台4之间(更具体而言，是在被加工物w载置固定于载置台4的状态下位于被加工物w和轴棱镜1之间)。
更具体而言，在将缩小透镜5的焦点距离设为f、将模拟贝塞尔光束bb2的产生位置(可加工强度区域re1的中心位置)与缩小透镜5的距离设为a、将缩小透镜5与模拟贝塞尔光束的再成像位置(可加工强度区域re2的中心位置)的距离设为b(＜a)、并且满足1/f＝(1/a) (1/b)的关系的情况下，可加工强度区域re2以在长度se＝(b/a)2s2的范围内具有最大宽度d6＝(b/a)d5的方式进行缩小再成像。
但是，由于在再成像后也实质地维持模拟贝塞尔光束bb2的能量，因此可加工强度区域re2的单位面积的强度比可加工强度区域re1的强度大。
即，在激光加工装置100中，与不进行缩小再成像的情况相比，能够局部地(精确地)形成单位面积的强度大的可加工强度区域。
这种情况意味着：可进一步缩窄与可加工强度区域相邻的、强度不满足规定加工阈值的区域。由此，可适当抑制由于向加工对象区域以外照射强度弱的模拟贝塞尔光束bb所引起的不良情况。
另外，只要形成可加工强度区域re2即可进行加工，因此与由于单位面积的强度大而将模拟贝塞尔光束bb2的可加工强度区域re1直接用于被加工物w的加工时相比，即使减小从光源2射出的激光束lb2的输出，也能够进行所需的加工。
例如，根据图5，在从光源2射出的激光束lb2的光束直径是3(mm)的情况下，即使假设使用开口直径φ为2.2(mm)的孔径光阑3，可加工强度区域re1的光轴方向上的长度sd也是6(mm)～7(mm)的程度(不考虑被加工物w的折射率)。因此，如果被加工物w的厚度是1(mm)程度，则虽然会导致模拟贝塞尔光束bb2照射到不需要照射的范围，但是在激光加工装置100中，能够通过适当确定缩小透镜5的焦点距离f及配置位置，从而使可加工强度区域re2的长度se成为与被加工物w的厚度相同的1(mm)程度。
而且，在激光加工装置100中，例如即使如图6所示那样，在被加工物w内部的从表面起隔开了规定距离z3的位置之外成为加工对象区域的情况下，也能够适当地进行加工。在该情况下，也能够进行在从被加工物w的表面起距离为z3的范围内不形成可加工强度区域re2那样的加工。
优选地，缩小透镜5可利用未图示的驱动机构沿铅直方向自由移动。该情况意味着：即使在被加工物的厚度较薄时等被加工物的深度方向上的加工对象区域的尺寸较小的情况下，也能够通过使缩小透镜5移动来适当调整距离a、b的比率，从而仅使该加工对象区域与可加工强度区域一致地进行加工。
此外，也可以考虑通过使从光源2射出的激光束lb2的光束直径缩小、使孔径光阑3的开口直径φ缩小来缩窄可加工强度区域的方式。但是，就前者而言，如果考虑到实用的加工用激光束的光束直径的下限值大致为2(mm)～3(mm)则是不现实的。另外，就后者而言，如果开口直径φ过度缩小，则在图5所示的强度曲线中，使峰值附近以至于峰值部分本身截断，从成本面、以及对光学部件的损伤等方面考虑是不可取的。
另一方面，使用缩小透镜5也具有确保被加工物w与轴棱镜1的距离的效果。即，由图2可知，使光束直径为几(mm)程度的激光束lb2向轴棱镜1入射所产生的模拟贝塞尔光束bb2仅在从轴棱镜1的顶点1s起隔开5(mm)～20(mm)程度的位置达到最大强度，因此在将模拟贝塞尔光束bb2直接用于加工的情况下，有时无法充分确保装置的动作距离，且由于被加工物w的加工对象区域的位置及范围而可能根本无法实施加工或者难以实施加工。或者，也可能发生加工时产生的飞散物附着于轴棱镜1等的不良情况。
与此相对，在本实施方式的激光加工装置100中使用缩小透镜5，因此与被加工物w接近的不是轴棱镜1而是缩小透镜5，通过适当确定距离a、距离b以及焦点距离f，从而能够充分确保装置的动作距离。
如上所述，根据本实施方式，通过利用使激光束向轴棱镜入射所产生的模拟贝塞尔光束，从而能够对被加工物在深度方向上同时进行加工。只要通过适当选择激光束的输出及光束直径，并且适当调整被加工物的加工对象区域的位置，从而使得被加工物的加工对象区域包含在模拟贝塞尔光束的可加工强度区域内，则能够通过一次的激光束射出而在深度方向上同时对加工对象区域整体进行加工。
除此之外，还能够利用孔径光阑收敛使激光束收敛之后向轴棱镜入射，从而避免向加工对象区域之外照射激光束。
而且，在加工中不使用暂时产生的模拟贝塞尔光束本身，而是使用通过缩小透镜使该模拟贝塞尔光束缩小再成像后的模拟贝塞尔光束，从而能够局部地照射单位面积的强度大的模拟贝塞尔光束，而且与不进行缩小再成像时相比能够增大动作距离。
1.一种激光加工装置，其使用激光束对被加工物进行加工，其特征在于，具备：
光源，其能够射出所述激光束；
轴棱镜，其配置于从所述光源射出的所述激光束的光轴上；以及
孔径光阑，其配置于所述光源与所述轴棱镜之间，且具有比所述激光束的光束直径小的开口直径，
使利用所述孔径光阑收敛了所述光束直径的所述激光束向所述轴棱镜入射而产生模拟贝塞尔光束，并使所述被加工物的加工对象区域包含在使得所述模拟贝塞尔光束的强度为规定的加工阈值以上的可加工强度区域内，从而对所述被加工物进行加工。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具备缩小透镜，其配置于所述轴棱镜与所述被加工物的配置位置之间，并使所述模拟贝塞尔光束缩小再成像，
使所述加工对象区域包含在利用所述缩小透镜进行了缩小再成像的所述模拟贝塞尔光束的所述可加工强度区域内，从而对所述被加工物进行加工。
3.一种被加工物的加工方法，使用激光束对被加工物进行加工，其特征在于，
在从规定的光源射出的激光束的光轴上配置轴棱镜，并且在所述光源与所述轴棱镜之间配置具有比所述激光束的光束直径小的开口直径的孔径光阑，
使利用所述孔径光阑收敛了所述光束直径的所述激光束向所述轴棱镜入射而产生模拟贝塞尔光束，并使所述被加工物的加工对象区域包含在使得所述模拟贝塞尔光束的强度为规定的加工阈值以上的可加工强度区域内，从而对所述被加工物进行加工。
4.根据权利要求3所述的被加工物的加工方法，其特征在于，
在所述轴棱镜与所述被加工物的配置位置之间配置使所述模拟贝塞尔光束缩小再成像的缩小透镜，
使所述加工对象区域包含在利用所述缩小透镜进行了缩小再成像的所述模拟贝塞尔光束的所述可加工强度区域内，从而对所述被加工物进行加工。
技术总结