KR-20260061468-A - 파장 변환 기구 및 파장 변환 방법

Abstract

분기용의 광학 소자의 열화를 초래하는 일 없이 출력 파워(펄스 에너지)가 큰 복수 계통의 자외역의 레이저광을 출력할 수 있고, 소정의 반복 주파수의 펄스상의 레이저광인 피파장 변환광을 자외역의 레이저광으로 파장 변환하는 파장 변환 기구로서, 상기 피파장 변환광을 시간 영역에서 펄스 단위로 분기하는 분기 광학계와, 상기 분기 광학계에 의해 분기된 각 피파장 변환광을 자외역의 레이저광으로 파장 변환하는 복수의 자외역 파장 변환 소자를 구비하고 있는 파장 변환 기구.

Inventors

• 코노 켄타
• 오카다 조지

Assignees

• 스펙트로닉스 가부시키가이샤

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20250207

Priority Date

20240215

Claims (6)

1. 소정의 반복 주파수의 펄스상의 레이저광인 피파장 변환광을 자외역의 레이저광으로 파장 변환하는 파장 변환 기구로서, 상기 피파장 변환광을 시간 영역에서 펄스 단위로 분기하는 분기 광학계와, 상기 분기 광학계에 의해 분기된 각 피파장 변환광을 자외역의 레이저광으로 파장 변환하는 복수의 자외역 파장 변환 소자를 구비하고 있는 파장 변환 기구.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분기 광학계는, 상기 피파장 변환광을 시간 영역에서 P편광 성분과 S편광 성분의 배분 비율이 소정 비율이 되도록 조정하여 출력하는 포켈스 셀과, 상기 포켈스 셀에 의해 상기 소정 비율로 조정된 상기 피파장 변환광을 상기 소정 비율에 기초하여 분기하는 편광 빔 스플리터를 포함하는 파장 변환 기구.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 분기 광학계를 복수 단 구비하고 있는 파장 변환 기구.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 피파장 변환광은, 적외역의 레이저광 또는 가시역의 레이저광인 파장 변환 기구.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자외역 파장 변환 소자가 CLBO 또는 BBO로 구성되어 있는 파장 변환 기구.
6. 소정의 반복 주파수의 펄스상의 레이저광인 피파장 변환광을 자외역의 레이저광으로 파장 변환하는 파장 변환 방법으로서, 분기 광학계를 이용하여 상기 피파장 변환광을 시간 영역에서 펄스 단위로 분기하는 분기 스텝과, 상기 분기 스텝에서 분기된 각 피파장 변환광을 복수의 자외역 파장 변환 소자에 의해 복수 계통의 자외역의 레이저광으로 파장 변환하는 자외역 파장 변환 스텝을 구비하고 있는 파장 변환 방법.

Description

파장 변환 기구 및 파장 변환 방법 본 발명은, 각종의 레이저 가공이나 레이저 측정 등에 이용되는 자외역의 레이저광을 얻는 파장 변환 기구 및 파장 변환 방법에 관한 것이다. 최근, 레이저광은 대상물의 검사나 마킹, 절단, 구멍 뚫기, 용접, 담금질 등의 다양한 가공에 이용되고 있다. 파장이 532nm~1064nm 부근의 레이저광은 에너지 강도가 커서, 금속이나 유리 등의 절단 또는 용접 등의 각종의 가공에 적합하게 이용되고 있다. 또한, 파장이 200nm~350nm 부근의 심자외 영역의 레이저광은 반도체 등의 전자 재료나 복합 재료의 미세 가공이나 검사에 이용되고 있다. 근적외 영역보다 짧은 파장의 레이저광을 출력하는 고체형 레이저 광원 장치는, 근적외 영역의 파장의 레이저광을 출력하는 종(種)광원과, 종광원으로부터 출력되는 레이저광을 증폭하는 광 증폭기와, 광 증폭기에 의해 증폭된 레이저광의 파장을 목적으로 하는 파장으로 변환하는 파장 변환 소자로서 기능하는 비선형 광학 소자를 구비하여 구성되어 있다. 그리고, 가공 효율 및 가공 정밀도의 향상을 위해, 펄스 폭이 수 나노초 이하, 바람직하게는 수십 피코초 이하에서 반복 주파수가 수백 메가헤르츠 이하인 피크 파워가 큰 자외역의 레이저 펄스광을 얻을 수 있는 레이저 광원 장치가 요구되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 게인 스위칭법으로 펄스광을 출력하는 종광원과, 상기 종광원으로부터 출력되는 펄스광을 증폭하는 파이버 증폭기와, 상기 파이버 증폭기로부터 출력되는 펄스광을 증폭하는 고체 증폭기와, 상기 고체 증폭기로부터 출력되는 펄스광을 파장 변환하여 출력하는 비선형 광학 소자와, 상기 종광원과 상기 고체 증폭기 사이에 배치되어, 상기 종광원으로부터 출력된 펄스광을 증폭하는 반도체 광 증폭기와, 제어부를 구비한 레이저 광원 장치가 제안되어 있다. 상기 제어부는, 상기 종광원을 소망의 반복 주파수로 구동하는 게인 스위칭 제어 처리와, 상기 종광원의 반복 주파수에 따라 상기 반도체 광 증폭기의 주입 전류를 제어하는 반도체 광 증폭기 제어 처리를 실행하도록 구성되어 있다. 도 1은, 본 발명에 의한 파장 변환 기구를 이용한 레이저 광원 장치의 블록 구성도이다. 도 2a는, 분기 광학계와 자외역 파장 변환 소자를 구비한 파장 변환 기구의 설명도이다. 도 2b는, 파장 변환 기구의 요부의 파형 설명도이다. 도 2c는, 파워 밀도 조정부를 구비한 파장 변환 기구의 설명도이다. 도 3은, 복수 단으로 배치한 분기 광학계를 구비한 파장 변환 기구의 설명도이다. 이하, 본 발명에 의한 파장 변환 기구를 구비한 레이저 광원 장치 및 파장 변환 방법의 실시형태를 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 광원 장치(1)는, 소정의 반복 주파수로 직선 편광된 펄스상의 레이저광을 출력하는 종광원(10)과, 종광원(10)으로부터 출력된 레이저광을 증폭하는 광 증폭기(20)와, 광 증폭기(20)에 의해 증폭된 레이저광을 파장 변환하는 파장 변환부(40)와, 제어부(100) 등을 구비하고 있다. 종광원(10)으로서 단일 종(縱)모드의 레이저광을 출력하는 분포 귀환형 레이저 다이오드(이하, 「DFB 레이저」라고 기재한다.)가 이용된다. 종광원(10)은 제어부(100)에 의해 게인 스위칭법에 의해 구동되어, DFB 레이저로부터 파장 1064nm로 단발 또는 수 메가헤르츠 이하의 범위에서 임의로 선택되는 소정의 반복 주파수로 수 나노초 이하, 바람직하게는 수백 피코초 이하의 소망의 펄스 폭의 레이저광(S1)이 출력된다. 게인 스위칭법이란, 반도체 레이저에 주입 전류를 인가했을 때에 주파수 영역, 시간 영역에 나타나는 공진 현상인 완화 진동을 이용한 짧은 펄스 폭으로 피크 파워가 큰 펄스상의 레이저광을 발생시키는 방법을 말한다. 광 증폭기(20)로서 파이버 증폭기나 고체 증폭기를 채용할 수 있다. 광 증폭기(20)의 후단에 음향 광학 변조기(AOM)(Acousto-Optic Modulator)로 구성되는 광 스위치 소자(30)가 설치되어 있다. 음향 광학 변조기(AOM)를 구동하는 RF 드라이버에 제어부(100)로부터 게이트 신호가 출력되면, RF 드라이버로부터 고주파 신호가 인가된 트랜스듀서(피에조 변환 소자)에 의해 음향 광학 소자를 구성하는 결정에 회절 격자가 생성되어, 음향 광학 소자에 입사하는 레이저광(S3)의 회절광이 반사 미러(M1)를 통해 후단으로 진행한다. RF 드라이버가 정지하면 음향 광학 소자에 입사한 펄스광은 회절되지 않고 그대로 통과하여, 광 댐퍼(D)에 의해 감쇠된다. 즉, 게이트 신호에 의해 광 스위치 소자(30)가 온되면 회절된 레이저광(S4)이 광 증폭기(20)로부터 후술의 제1 파장 변환 소자(42)로 전파되고, 게이트 신호에 의해 광 스위치 소자(30)가 오프되면 광 증폭기(20)로부터 제1 파장 변환 소자(42)로 레이저광의 전파가 저지된다. 광 스위치 소자(30)에 의해 레이저 광원 장치(1)로부터의 레이저광의 출력을 선택적으로 정지하는 것이 가능해진다. 광 스위치 소자(30)의 스위칭은, 레이저 광원 장치(1)를 이용하는 레이저 가공 장치로부터 제어부(100)에 입력되는 스위칭 신호 등에 의한다. 파장 변환부(40)는, 제1 파장 변환 소자(42)와 제2 파장 변환 소자(44)를 구비하고 있다. 광 증폭기(20)에 의해 증폭된 파장 1064nm의 레이저광(S4)은, 제1 파장 변환 소자(42)로서 기능하는 비선형 광학 소자인 LBO 결정(LiB3O5)에 입사하여 파장 532nm의 레이저광(S5)으로 파장 변환된다. 반사 미러(M2, M3)는 제1 파장 변환 소자(42)를 투과한 파장 1064nm의 펄스광을 분리하기 위한 필터로서 기능하며, 분리된 레이저광은 광 댐퍼(D)에 의해 감쇠된다. 제1 파장 변환 소자(42)에 의해 파장 변환된 레이저광(S5)은, 분기 광학계(50)를 통해 2계통의 레이저광(S6, S7)으로 분기되고, 제2 파장 변환 소자(44)로서 기능하는 비선형 광학 소자인 CLBO 결정(CsLiB6O10)에 입사하여 파장 266nm의 심자외광(S8, S9)으로 파장 변환된다. 반사 미러(M4, M5)는 제1 파장 변환 소자(42)에 의해 발생한 파장 532nm의 레이저광을 분리하기 위한 필터로서 기능하며, 분리된 레이저광은 광 댐퍼(D)에 의해 감쇠된다. 분기 광학계(50)는, 피파장 변환광, 즉 본 실시형태에서는 자외역 파장 변환 소자(44)에 의해 자외역의 레이저광으로 파장 변환되기 전의 레이저광(제1 파장 변환 소자(42)에 의해 파장 변환된 레이저광(S5))을 시간 영역에서 펄스 단위로 분기하여 각 자외역 파장 변환 소자에 안내한다. 즉, 분기 광학계(50)와 제2 파장 변환 소자(44)에 의해 본 발명의 파장 변환 기구(80)가 구성되고, 제2 파장 변환 소자(44)가 본 발명의 자외역 파장 변환 소자로서 기능한다. 이하에서는 제2 파장 변환 소자(44)를 자외역 파장 변환 소자(44)라고 표기한다. 또한, 자외역 파장 변환 소자(44)로서 CLBO 결정(CsLiB6O10) 이외의 비선형 광학 소자, 예를 들어 BBO 결정(β-BaB2O4) 등을 이용하는 것도 가능하다. 분기 광학계(50)는, 피파장 변환광을 시간 영역에서 P편광 성분과 S편광 성분의 배분 비율이 소정 비율이 되도록 조정하여 출력하는 포켈스 셀(52)과, 포켈스 셀(52)에 의해 소정 비율로 조정된 피파장 변환광을 소정 비율에 기초하여 분기하는 편광 빔 스플리터(54)를 구비하고 있다. P편광 성분과 S편광 성분의 배분 비율을 조정함으로써, 각 자외역 파장 변환 소자(44)에 의해 파장 변환된 각 심자외광의 펄스 에너지를 조정할 수 있다. 도 2a에도 나타내어져 있는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 포켈스 셀(52)에 의해 피파장 변환광(S5)이 시간 영역에서 P편광 성분과 S편광 성분 중 어느 하나로 스위칭되어 출력되고, 포켈스 셀(52)에 의해 P편광 성분과 S편광 성분으로 스위칭된 피파장 변환광이 편광 빔 스플리터(54)에 의해 P편광 성분과 S편광 성분으로 분리된다. 편광 빔 스플리터(54)를 투과한 S편광 성분(S7)이 광축을 따라 한쪽의 자외역 파장 변환 소자(44)에 입사하여 심자외의 레이저광(S9)이 출력된다. 편광 빔 스플리터(54)에 의해 반사된 P편광 성분(S6)은, 반사 미러(56)에 의해 반사되고, 1/2 파장판(58)에 의해 편광 방향이 90° 회전된 후에 다른 쪽의 자외역 파장 변환 소자(44)에 입사하여 심자외의 레이저광(S8)이 출력된다. 또한, 1/2 파장판(58)은, 후단의 자외역 파장 변환 소자(44)에 대한 위상 정합 조건이 성립하도록 입사광의 편광 방향을 조정하는 것을 목적으로 하는 것이며, 편광 빔 스플리터(54)를 투과한 S편광 성분(S7)측에 1/2 파장판(58)을 설치하는 양태여도 된다. 포켈스 셀(52)은, 레이저광이 통과하는 편광 방향을 스위칭하기 위해 사용되는 전기 광학 변조기(Electro-Optic Modulator: EOM)이며, 전기 광학 변조기에 예를 들어 피파장 변환광의 반복 주파수와 동기하여 인가 전압을 조정함으로써, 종광원(10)으로부터 출력되어 직선 편광 상태의 피파장 변환광의 P편광 성분과 S편광 성분의 배분 비율이 소정 비율이 되도록 조정된다. 포켈스 셀에 의해 P편광 성분과 S편광 성분의 배분 비율이 소정 비율로 조정된 피파장 변환광이 편광 빔 스플리터에 입사함으로써, P편광 성분과 S편광 성분의 각각의 편광 성분이 분리되어 취출된다. 소정 비율은, 편광 빔 스플리터(54)에 의해 P편광 성분과 S편광 성분의 각각의 편광 성분을 분리하여 취출할 수 있는 값이면 되며, 구체적인 값으로 한정되는 것은 아니다. 소정의 반복 주파수(f)의 피파장 변환광(S5)이, 제어부(100)에 의해 주기(1/f)로 편광 방향이 스위칭되는 포켈스 셀(52)에 입사하면, 반복 주파수(f/2)의 S편광 성분과, 반복 주파수(f/2)의 P편광 성분으로 시간 영역에서 분리된다. 도 2a에 나타내는 바와 같이, 포켈스 셀(52)로부터 출력되는 레이저광이 편광 빔 스플리터(54)에 입사하면, 반복 주파수(f/2)의 S편광 성분(S7)과, 반복 주파수(f/2)의 P편광 성분(S6)으로 분