JP6308733B2 - Laser processing apparatus and manufacturing method - Google Patents
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Description
この発明は、レーザ光を用いた加工装置および製造方法に関するものである。 The present invention relates to a processing apparatus and a manufacturing method using laser light.
フェムト秒レーザを、ガラス等の透明材料に照射することによりマーキングなどを行うことが行われている。また、この際、レーザ光の焦点がガラスの内部にくるように位置を調整することにより、ガラスの表面だけでなく内部に加工を行うことができる。 Marking and the like are performed by irradiating a transparent material such as glass with a femtosecond laser. At this time, not only the surface of the glass but also the inside can be processed by adjusting the position so that the focal point of the laser beam is inside the glass.
しかしながら、フェムト秒レーザによって上記のような加工を行うためには、大きな出力のフェムト秒レーザが必要であった。 However, in order to perform the above-described processing using a femtosecond laser, a large output femtosecond laser is required.
また、加工部位の深さを変化させるためには、物理的な位置調整が必要であるため、調整が煩雑であったり、迅速な加工深さの調整を行うことが困難であるという問題があった。 In addition, in order to change the depth of the processing site, physical position adjustment is necessary, so that there is a problem that adjustment is complicated or quick adjustment of the processing depth is difficult. It was.
また、特許文献1に記載の従来技術においては、2種類のレーザ光を順次照射することで、多様な色彩のマーキングを施すことが開示されているものの、上記の問題点を解決するものではなかった。 In addition, in the prior art described in Patent Document 1, although it has been disclosed that marking of various colors is performed by sequentially irradiating two types of laser beams, the above-described problems are not solved. It was.
この発明は、小さな出力のフェムト秒レーザを用いて加工を行う装置および製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the apparatus and manufacturing method which process using the femtosecond laser of a small output.
(1)(6)この発明に係るレーザ加工装置は、超短光パルスレーザを対象物の照射領域に照射する超短光パルスレーザ照射手段と、前記対象物の超短光パルスレーザーの照射領域に、熱効果レーザを重ねて照射する熱効果レーザ照射手段とを備えている。 (1) (6) A laser processing apparatus according to the present invention comprises an ultrashort light pulse laser irradiation means for irradiating an irradiation region of an object with an ultrashort light pulse laser, and an irradiation region of the object with an ultrashort light pulse laser. And a thermal effect laser irradiation means for irradiating the thermal effect laser in an overlapping manner.
したがって、超短光パルスレーザだけでは加工ができなかったり不十分である場合でも、これを適切に加工することができる。 Therefore, even when processing is not possible or insufficient with only the ultrashort optical pulse laser, it can be appropriately processed.
(2)(7)この発明に係るレーザ加工装置は、超短光パルスレーザーが、ピコ秒レーザまたはフェムト秒レーザーであることを特徴としている。 (2) (7) The laser processing apparatus according to the present invention is characterized in that the ultrashort light pulse laser is a picosecond laser or a femtosecond laser.
(3)(8)この発明に係るレーザ加工装置は、熱効果レーザが、炭酸ガスレーザまたはYAGレーザであることを特徴としている。 (3) (8) The laser processing apparatus according to the present invention is characterized in that the thermal effect laser is a carbon dioxide gas laser or a YAG laser.
(4)(9)この発明に係るレーザ加工装置は、対象物が、超短光パルスレーザの光を透過する性質を有するものであることを特徴としている。 (4) (9) The laser processing apparatus according to the present invention is characterized in that the object has a property of transmitting the light of the ultrashort pulse laser.
したがって、内部加工を行うことが可能となる。 Therefore, internal processing can be performed.
(5)(10)この発明に係るレーザ加工装置は、熱効果レーザの出力を調整することによって、加工深さを調整することを特徴としている。 (5) (10) The laser processing apparatus according to the present invention is characterized in that the processing depth is adjusted by adjusting the output of the thermal effect laser.
したがって、物理的に超短光パルスレーザの焦点を移動させなくとも、熱効果レーザの出力を調整して加工深さなどを制御できるので、迅速な制御が可能である。 Accordingly, since the processing depth and the like can be controlled by adjusting the output of the thermal effect laser without physically moving the focal point of the ultrashort optical pulse laser, rapid control is possible.
この発明において、「超短光パルスレーザ」とは、ピコ秒もしくはフェムト秒オーダーの間だけ光が出力され、その光パルスがある一定の間隔ごとに照射されるものをいう。 In the present invention, the “ultrashort optical pulse laser” refers to a laser that emits light only in the picosecond or femtosecond order and is irradiated at certain intervals.
「熱効果レーザ」とは、対象物の照射領域近傍に熱レンズなどの熱効果を生じさせることが可能なレーザをいい、かかる効果を生じるものであれば連続波レーザ、パルスレーザのいずれであってもよい。なお、「連続波レーザ」とは、連続的にレーザ光が照射されるものをいい、出力調整のため等にデューティ比を調整したものも含む概念である。実施形態では、炭酸ガスレーザがこれに該当する。 “Thermal effect laser” refers to a laser capable of generating a thermal effect such as a thermal lens in the vicinity of an irradiation area of an object, and is any of a continuous wave laser and a pulsed laser as long as such an effect is generated. May be. The “continuous wave laser” refers to a laser beam that is continuously irradiated with a laser beam, and includes a concept in which a duty ratio is adjusted for output adjustment or the like. In the embodiment, a carbon dioxide laser corresponds to this.
発明者らは、対象物の加工部位もしくは加工部位近傍において、フェムト秒レーザに重ねて、熱効果レーザである炭酸ガスレーザ(デューティ比を調整可能な連続波レーザ)を照射することで、フェムト秒レーザによる加工能力が向上することを見いだした。すなわち、小出力のフェムト秒レーザによっても加工を可能とすることができた。 The inventors irradiate a femtosecond laser by irradiating a carbon dioxide gas laser (continuous wave laser whose duty ratio can be adjusted), which is a thermal effect laser, on a femtosecond laser in the processing part of the object or in the vicinity of the processing part. It was found that the machining capability by the improved. In other words, it was possible to perform processing even with a small output femtosecond laser.
これは、炭酸ガスレーザによって分子が振動することで、フェムト秒レーザによる分子結合の切断が生じやすくなったためであると推測される。 This is presumed to be because molecular bonds are easily broken by the femtosecond laser due to the vibration of the molecules by the carbon dioxide laser.
また、炭酸ガスレーザの出力を変化させることにより、加工深さや幅を制御できることも明らかとなった。これは、炭酸ガスレーザにより空気中および対象物中に熱レンズが形成されるためであると思われる。 It was also found that the processing depth and width can be controlled by changing the output of the carbon dioxide laser. This seems to be because a thermal lens is formed in the air and in the object by the carbon dioxide laser.
図1に、炭酸ガスレーザによって形成される熱レンズを模式的に示す。表1に示すように、空気は温度上昇に対する密度変化が負であるから、炭酸ガスレーザによって暖められるとその部分が周囲よりも密度が低くなり、凹レンズ2が形成される。また、対象物がガラスである場合には、温度情報に対する密度変化が正であるから、逆に凸レンズ4が形成される。 FIG. 1 schematically shows a thermal lens formed by a carbon dioxide laser. As shown in Table 1, since air has a negative density change with a rise in temperature, when heated by a carbon dioxide laser, the density of the portion becomes lower than that of the surrounding area, and the concave lens 2 is formed. When the object is glass, the density change with respect to the temperature information is positive, so that the convex lens 4 is formed.
したがって、図1に示すように、本来であれば、フェムト秒レーザは実線6のように集光するが、凹レンズ2、凸レンズ4により、破線8に示すように集光位置が変化する。凹レンズ2、凸レンズ4の屈折率は、炭酸ガスレーザの出力によって変わるので、炭酸ガスレーザの出力を制御することによりフェムト秒レーザの加工位置や範囲を制御することができる。 Accordingly, as shown in FIG. 1, the femtosecond laser is normally focused as indicated by a solid line 6, but the focusing position is changed by a concave lens 2 and a convex lens 4 as indicated by a broken line 8. Since the refractive indexes of the concave lens 2 and the convex lens 4 vary depending on the output of the carbon dioxide laser, the processing position and range of the femtosecond laser can be controlled by controlling the output of the carbon dioxide laser.
上記では、超短光パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用いたが、ピコ秒レーザなどその他の超短光パルスレーザを用いることもできる。また、炭酸ガスレーザにかえて、YAGレーザなどの連続波レーザを用いるようにしてもよい。さらに、熱効果レーザとして、パルス波レーザ(好ましくは、μ秒より長いパルス出力期間を有するもの)を用いるようにしてもよい。 In the above, a femtosecond laser is used as an ultrashort optical pulse laser, but other ultrashort optical pulse lasers such as a picosecond laser can also be used. Further, instead of the carbon dioxide laser, a continuous wave laser such as a YAG laser may be used. Further, a pulse wave laser (preferably one having a pulse output period longer than μ seconds) may be used as the thermal effect laser.
1.概要
超短光パルスは、パルス幅が極めて短く、ピークパワーが極めて大きいため、三次元形状の加工への応用などに大きな可能性を有している。超短光パルスを透明材料中に集光すると、焦点近傍における強度が非常に大きくなり、多光子イオン化、トンネルイオン化などの非線形吸収現象が生じ、さらに、それに続くアンバランシェイオン化によって、局所的に透明材料における分子構造を変化させることができる。このレーザ励起による構造的変化は、集光条件、被加工材料の種類、レーザパラメータ(波長、パルス幅、入射パルスエネルギー、繰り返し周波数など)によって、概ね、屈折率変化、散乱性の損傷(scattering damage)、ボイド(空隙、voids)の3つのタイプに分類することができる。特に、コンピュータ制御の自動ステージにより屈折率変化領域を透明材料内部に一次元、二次元、三次元的に形成すれば、透明材料内部に光導波路、光結合器、レンズ、回折格子などの三次元光学デバイスを作製することができる。
1. Outline Ultrashort light pulses have a very short pulse width and a very high peak power, so they have great potential for applications such as processing of three-dimensional shapes. When an ultrashort light pulse is collected in a transparent material, the intensity in the vicinity of the focal point becomes very large, causing non-linear absorption phenomena such as multiphoton ionization and tunnel ionization, and further transparent locally by subsequent avalanche ionization. The molecular structure in the material can be changed. This structural change due to laser excitation is mostly caused by refractive index changes and scattering damage depending on the light collection conditions, the type of material to be processed, and the laser parameters (wavelength, pulse width, incident pulse energy, repetition frequency, etc.). ) And voids (voids, voids). In particular, if the refractive index changing region is formed one-, two-, or three-dimensionally inside the transparent material by a computer-controlled automatic stage, three-dimensional such as an optical waveguide, an optical coupler, a lens, or a diffraction grating is formed inside the transparent material. Optical devices can be made.
透明材料内部への三次元マイクロ加工のためには、1996年にDavisらがレーザ励起による屈折率変化を用いて導波路を作製して以降、単一の超短光パルスレーザが用いられている。この単一の超短光パルスレーザとしては、高いパルスエネルギー、様々な波長・繰り返し周波数の光パルスを出力することができ、出力された超短光パルスの波長を後に変換することもできる、再生増幅モードロック チタン・サファイア フェムト秒レーザが一般的によく用いられている。繰り返し周波数が1 kHzから200 kHzである、この超短光パルスをガラス内部に集光照射すると、2つのしきい値に応じて、異なる特徴をもつ構造変化を誘起することができる。第一のしきい値と第二のしきい値の間では、小さい屈折率変化量をもつ屈折率変化が誘起される。第二のしきい値を超える領域では、散乱性の損傷が生じ、大きな屈折率変化量をもつ構造変化を得ることができる。また、高い開口数をもつ対物レンズによって超短光パルスを透明材料内部に集光すれば、ボイドを生成することもできる。このボイドは、密度の高い殻によって、密度の低い部分が取り囲まれた形状をしているといわれている。 For three-dimensional microfabrication inside transparent materials, a single ultrashort optical pulse laser has been used since Davis et al. Produced a waveguide using a refractive index change by laser excitation in 1996. . This single ultrashort optical pulse laser can output optical pulses with high pulse energy, various wavelengths and repetition frequencies, and can also convert the wavelength of the output ultrashort optical pulse later. Amplified mode-locked titanium / sapphire femtosecond lasers are commonly used. When this ultrashort light pulse having a repetition frequency of 1 kHz to 200 kHz is condensed and irradiated inside the glass, structural changes having different characteristics can be induced according to two threshold values. Between the first threshold value and the second threshold value, a refractive index change having a small refractive index change amount is induced. In a region exceeding the second threshold value, scattering damage occurs, and a structural change having a large refractive index change amount can be obtained. Moreover, if an ultrashort light pulse is condensed inside the transparent material by an objective lens having a high numerical aperture, a void can be generated. This void is said to have a shape in which a low density portion is surrounded by a high density shell.
つぎに、超短光パルスの照射パルス間隔が、集光点近傍からの熱拡散時間よりも短い、高繰り返しの超短光パルスレーザを用いれば、集光点近傍において熱蓄積に起因した構造変化領域を形成することができる。この構造変化領域の大きさは、構造的変化のメカニズムが熱蓄積であるため、印加したパルスの数に依存することになる。さらに高繰り返しの超短光パルスレーザは、単一時間に多くのパルス数を供給することができるため、低繰り返しの超短光パルスレーザと比較し、高速なマイクロ加工を実現することができる。現在までに、5 MHz より高い繰り返し周波数をもつキャビティーダンプ チタンサファイアレーザを用いて、ガラス内部への構造的変化を実現している報告もある。ここで、キャビティーダンプとは、再生増幅器が発振器からの光を増幅したあとの光を出力するのに対して、結晶内で発生した自然放出光を発振器からの光を必要とせず増幅し、増幅後に取り出すことをいう。また、最近では、チタンサファイアレーザシステムに比べて優れた信頼性と安定性をもち有用性が高い、ピコ秒、もしくは、フェムト秒の高繰り返しファイバーレーザシステムを利用して、光導波路の作製も行われている。 Next, if a high-repetition ultrashort optical pulse laser is used in which the ultrashort optical pulse irradiation pulse interval is shorter than the thermal diffusion time from the vicinity of the condensing point, the structural change caused by heat accumulation in the vicinity of the condensing point. Regions can be formed. The size of the structural change region depends on the number of applied pulses since the structural change mechanism is heat accumulation. Furthermore, since a high repetition ultrashort optical pulse laser can supply a large number of pulses in a single time, high-speed micromachining can be realized as compared with a low repetition ultrashort optical pulse laser. To date, there have been reports of structural changes into the glass using cavity-dumped titanium sapphire lasers with repetition rates higher than 5 MHz. Here, the cavity dumper outputs the light after the regenerative amplifier amplifies the light from the oscillator, whereas the spontaneous emission light generated in the crystal is amplified without the need for the light from the oscillator, This is taken out after amplification. Recently, optical waveguides have also been fabricated using picosecond or femtosecond high repetition rate fiber laser systems, which have superior reliability and stability compared to titanium sapphire laser systems and are highly useful. It has been broken.
これら研究によって、単一のレーザ光源による超短光パルスと、透明材料との相互関連が明らかになったが、単一のレーザ光源による超短光パルスおよび連続波レーザと透明材料との相互関連は示されていない。ここでは、高繰り返し周波数をもつフェムト秒ファイバーレーザと連続波発振の炭酸ガスレーザとをBK7ガラス加工に適応した場合に、BK7ガラスにおいてレーザ誘起される構造変化について検討する。
These studies revealed the correlation between ultrashort light pulses from a single laser source and transparent materials, but the correlation between ultrashort light pulses from a single laser source and continuous wave lasers and transparent materials. Is not shown. Here, we investigate the laser-induced structural changes in BK7 glass when a femtosecond fiber laser with a high repetition frequency and a continuous-wave oscillation CO2 laser are applied to BK7 glass processing.
2.フェムト秒レーザおよび炭酸ガスレーザを用いたマイクロ加工の原理
図2A、図2Bに、フェムト秒レーザおよび炭酸ガスレーザシステムを用いたレーザマイクロ加工の原理を示す。超短光レーザパルスを透明材料の表面に集光させると、焦点近傍に非線形の吸収が生じ、光電離が生じてマイクロプラズマが形成される。このマイクロプラズマにより、焦点近傍の透明材料を局所的に加工することができる。今回は、焦点を透明材料の表面としているため、材料表面にアブレーション(除去、ablation)が生じることとなる(図2A参照)。つぎに、炭酸ガスレーザビームとフェムト秒レーザパルスを材料に同時に照射すると、熱レンズ効果が生じる。Gordon らによって初めて報告された熱レンズ効果は、レーザ照射領域のまわりの2つの媒質の屈折率の温度依存性に起因して生じる。光軸に垂直な面における光ビームの強度分布は、一般的には、ガウス分布として特徴づけることができる。つまり、レーザ光路にそって径方向に対称なガウスビームが材料に吸収されると、材料中において発生する熱もまた、径方向に対称なガウス分布となる。また、多くの材料は、温度が上昇すると屈折率が減少する。したがって、温度が最も高くなる光照射部の中央部が、最も低い屈折率をもつことになる。
2. Principle of Micro Machining Using Femtosecond Laser and Carbon Dioxide Laser FIGS. 2A and 2B show the principle of laser micro machining using a femtosecond laser and a carbon dioxide gas laser system. When the ultrashort laser pulse is condensed on the surface of the transparent material, nonlinear absorption occurs near the focal point, photoionization occurs, and microplasma is formed. With this microplasma, the transparent material near the focal point can be locally processed. This time, since the focal point is the surface of the transparent material, ablation occurs on the material surface (see FIG. 2A). Next, when a carbon dioxide laser beam and a femtosecond laser pulse are simultaneously irradiated onto the material, a thermal lens effect is generated. The thermal lens effect, first reported by Gordon et al., Arises due to the temperature dependence of the refractive indices of the two media around the laser irradiation area. In general, the intensity distribution of a light beam in a plane perpendicular to the optical axis can be characterized as a Gaussian distribution. That is, when a Gaussian beam that is symmetrical in the radial direction along the laser beam path is absorbed by the material, the heat generated in the material also has a Gaussian distribution that is symmetrical in the radial direction. Also, many materials have a refractive index that decreases with increasing temperature. Therefore, the central part of the light irradiation part where the temperature is highest has the lowest refractive index.
前掲の表1に示すように、ガラスの温度係数は正であり、空気の温度係数は負である。さらに、ガラスの温度係数の絶対値は、空気よりも大きい。したがって、空気とガラスの場合、熱レンズは負の焦点距離をもつことになり、フェムト秒レーザパルスの焦点位置は、ガラス材料の表面から内部に移動する(図2B参照)。この結果、アブレーションに代わって、ガラス内部に局所的な構造的変化がもたらされる。
As shown in Table 1 above, the temperature coefficient of glass is positive and the temperature coefficient of air is negative. Furthermore, the absolute value of the temperature coefficient of glass is greater than that of air. Thus, in the case of air and glass, the thermal lens will have a negative focal length and the focal position of the femtosecond laser pulse will move inward from the surface of the glass material (see FIG. 2B). This results in local structural changes inside the glass instead of ablation.
3.装置
図3に、装置の構成を示す。三次元ステージ10は、コンピュータ制御によりXYZ方向に移動可能である。三次元ステージ10の上には、対象物12が載置される。フェムト秒レーザ26からのレーザ光は、半波長板28、偏光板30、シャッタ32を通過し、ダイクロイックミラー20によって反射され、対物レンズ18を介して、対象物12に照射される。炭酸ガスレーザ14からのレーザ光は、ミラー16によって反射され、対象物12に照射される。なお、ダイクロイックミラー20はフェムト秒レーザ光を反射し、可視光を透過することができる。したがって、カメラ24は、対象物12の表面ないし内部を撮像することができる。つまり、カメラ24により、対象物12の状況をモニタすることができる。
3. Apparatus FIG. 3 shows the configuration of the apparatus. The three-dimensional stage 10 is movable in the XYZ directions by computer control. An object 12 is placed on the three-dimensional stage 10. Laser light from the femtosecond laser 26 passes through the half-wave plate 28, the polarizing plate 30, and the shutter 32, is reflected by the dichroic mirror 20, and is irradiated onto the object 12 through the objective lens 18. Laser light from the carbon dioxide laser 14 is reflected by the mirror 16 and applied to the object 12. The dichroic mirror 20 can reflect femtosecond laser light and transmit visible light. Therefore, the camera 24 can image the surface or the inside of the object 12. That is, the situation of the object 12 can be monitored by the camera 24.
フェムト秒レーザ26として、この例では、Fianium 社のFP1060S-PP-D を用いた。これは、波長1.06 μm のフェムト秒レーザパルスを出力することができる。パルス幅は、250 fsである。最大出力パルスエネルギーは、2 μJである。パルスエネルギーは、偏光板30の前にある半波長板28の回転によって調整することができる。繰り返し周波数は、1 MHz であるため、BK7ガラスに熱蓄積の効果を与えることができる。ここでは、BK7 ガラスとして、オハラ社製、S-BSL7を用いた。その特性の詳細を表2に示す。 In this example, an Fianium FP1060S-PP-D was used as the femtosecond laser 26. This can output a femtosecond laser pulse with a wavelength of 1.06 μm. The pulse width is 250 fs. The maximum output pulse energy is 2 μJ. The pulse energy can be adjusted by rotating the half-wave plate 28 in front of the polarizing plate 30. Since the repetition frequency is 1 MHz, the effect of heat accumulation can be given to the BK7 glass. Here, S-BSL7 manufactured by OHARA Inc. was used as the BK7 glass. Details of the characteristics are shown in Table 2.
炭酸ガスレーザ14として、Kantum Electronics 社製のH48-1-28SW を用いた。この炭酸ガスレーザ14は、波長10.6μmの連続波レーザビームを出力する。最大出力は、10 Wである。また、レーザ出力は炭酸ガスレーザを駆動するドライバ装置(図示せず)に与える電気パルス信号のデューティ比を変えることによって制御可能である。対象物12(ここではガラスを用いた)をきれいにし、コンピュータによって制御される三次元ステージ10の上に載置する。開口数0.40、20 倍の対物レンズ18(オリンパス製、LMPlan20 × IR)により、対象物12の表面にフェムト秒レーザパルスを集光する。対象物12に直線的な構造的変化領域を得るために、フェムト秒レーザパルスの焦点を、X軸にそって0.1 mm/sの速度で、1 mm移動させる。レーザ励起による構造的変化領域は、白色光源(図示せず)により対象物12を照射し、その透過光をカメラ24により撮像することで、対象物12のXY平面を観察することができる。また、カメラ24の位置を変えることにより、対象物12のXZ平面も観察することができる。なお、加工装置として構成する場合には、カメラ24は設けなくともよい。
As the carbon dioxide laser 14, H48-1-28SW manufactured by Kantum Electronics was used. The carbon dioxide laser 14 outputs a continuous wave laser beam having a wavelength of 10.6 μm. The maximum output is 10 W. The laser output can be controlled by changing the duty ratio of an electric pulse signal applied to a driver device (not shown) for driving the carbon dioxide laser. The object 12 (using glass here) is cleaned and placed on a three-dimensional stage 10 controlled by a computer. A femtosecond laser pulse is condensed on the surface of the object 12 by an objective lens 18 (Olympus, LMPlan20 × IR) having a numerical aperture of 0.40 and 20 times. In order to obtain a linear structural change region on the object 12, the focal point of the femtosecond laser pulse is moved 1 mm along the X axis at a speed of 0.1 mm / s. In the structural change region by laser excitation, the XY plane of the object 12 can be observed by irradiating the object 12 with a white light source (not shown) and capturing the transmitted light with the camera 24. Further, by changing the position of the camera 24, the XZ plane of the object 12 can also be observed. Note that the camera 24 may not be provided when configured as a processing apparatus.
4.結果
4.1 炭酸ガスレーザ14を併用することの効果
炭酸ガスレーザ14の効果を確認するため、(i)フェムト秒レーザ26のみを用いた場合、(ii)フェムト秒レーザと炭酸ガスレーザの双方を用いた場合(以下、ハイブリッドレーザシステムと呼ぶ)について、対象物12に対するレーザマイクロ加工を行った。フェムト秒レーザのパルスエネルギーは、0.6 μJ に設定した。また、炭酸ガスレーザの出力は3 Wとした。図4に、カメラ24にて撮像した対象物12のXY平面の画像を示す。図4Aは、炭酸ガスレーザ14を照射しない場合の対象物12の画像である。図4Aより、対象物12の表面に描いた文字「5」が明瞭に確認できる。この時のカメラ24の焦点位置をそのままとし、炭酸ガスレーザ14を照射した場合の対象物12の画像が図4Bである。炭酸ガスレーザ14による熱レンズ効果によって、文字「5」がぼやけていることが分かる。
4). result
4.1 Effect of using carbon dioxide laser 14 together In order to confirm the effect of carbon dioxide laser 14, (i) when only femtosecond laser 26 is used, (ii) when both femtosecond laser and carbon dioxide laser are used (below) , Called a hybrid laser system), laser micromachining was performed on the object 12. The pulse energy of the femtosecond laser was set to 0.6 μJ. The output of the carbon dioxide laser was 3 W. FIG. 4 shows an image on the XY plane of the object 12 captured by the camera 24. FIG. 4A is an image of the object 12 when the carbon dioxide laser 14 is not irradiated. From FIG. 4A, the character “5” drawn on the surface of the object 12 can be clearly confirmed. FIG. 4B shows an image of the object 12 when the focal position of the camera 24 at this time is kept as it is and the carbon dioxide laser 14 is irradiated. It can be seen that the character “5” is blurred due to the thermal lens effect of the carbon dioxide laser 14.
図5に、加工後の対象物12のXY平面の画像を示す。図5Aはフェムト秒レーザ26のみを用いた場合の結果であり、図5Bはハイブリッドシステムを用いた場合の結果である。図5Aにおいて、乱反射が生じて黒くなっているため、フェムト秒レーザ26のみを用いた場合には、表面にアブレーションが生じていることがわかる。ハイブリッドシステムの場合には、表面にアブレーションが生じることなく、内部に屈折率変化領域が形成された。これは、図5Bにおいて、表面アブレーションが生じていないため、内部の屈折率変化のある領域がきれいに映し出されていることから、明らかである。 In FIG. 5, the image of the XY plane of the target object 12 after a process is shown. FIG. 5A shows the result when only the femtosecond laser 26 is used, and FIG. 5B shows the result when the hybrid system is used. In FIG. 5A, since irregular reflection occurs and it is black, it can be seen that when only the femtosecond laser 26 is used, ablation occurs on the surface. In the case of the hybrid system, the refractive index change region was formed inside without causing ablation on the surface. This is apparent from FIG. 5B, since the surface ablation has not occurred, and the region with the change in the refractive index is clearly displayed.
図17に、フェムト秒レーザ26のエネルギーを0.525 μJに設定し、炭酸ガスレーザ14の出力を0W、6W、8Wとした場合の加工状態の変化を示す。なお、フェムト秒レーザ26の焦点は、炭酸ガスレーザ14を照射しない状態(出力が0 Wの状態)で、対象物12の表面にくるように調整した。 FIG. 17 shows changes in the processing state when the energy of the femtosecond laser 26 is set to 0.525 μJ and the output of the carbon dioxide gas laser 14 is set to 0 W, 6 W, and 8 W. The focal point of the femtosecond laser 26 was adjusted so as to come to the surface of the object 12 in a state where the carbon dioxide laser 14 was not irradiated (a state where the output was 0 W).
図17Cは、炭酸ガスレーザ14を用いない場合の結果である。上段がXY 平面(横方向)の画像、下段がXZ 平面(深さ方向)の画像である。図17Cから明らかなように、炭酸ガスレーザ14を併用しない場合、加工痕は現れない。 FIG. 17C shows the result when the carbon dioxide laser 14 is not used. The upper row is an image on the XY plane (lateral direction), and the lower row is an image on the XZ plane (depth direction). As is apparent from FIG. 17C, when the carbon dioxide laser 14 is not used together, a processing mark does not appear.
これに対し、炭酸ガスレーザ14の出力を、6W、8Wとした場合には、加工痕が現れている。このように、フェムト秒レーザ26の出力が小さいため加工ができない場合であっても、炭酸ガスレーザ14を併用することで、加工を行うことが可能となることが明らかになった。
On the other hand, when the output of the carbon dioxide laser 14 is 6 W or 8 W, machining traces appear. As described above, it has been clarified that even when the processing cannot be performed because the output of the femtosecond laser 26 is small, the processing can be performed by using the carbon dioxide gas laser 14 together.
4.2 炭酸ガスレーザビームの出力、フェムト秒レーザパルスのエネルギーによる加工広さの変化
炭酸ガスレーザ14の出力、フェムト秒レーザ26のエネルギーを変えることによる、レーザ励起による加工状態(表面アブレーション、内部加工、その中間状態(表面アブレーションから内部加工への遷移状態))の変化を観察した。フェムト秒レーザ26のエネルギーは、0.60 μJ、0.65 μJ.、0.70 μJ、0.75 μJに変化させた。また、炭酸ガスレーザ14の出力は、1W、2W、3W、4W に変化させた。
4.2 Changes in processing width due to the output of the carbon dioxide laser beam and the energy of the femtosecond laser pulse The state of processing by laser excitation (surface ablation, internal processing, intermediate) by changing the output of the carbon dioxide laser 14 and the energy of the femtosecond laser 26 Changes in the state (transition state from surface ablation to internal machining) were observed. The energy of the femtosecond laser 26 was changed to 0.60 μJ, 0.65 μJ, 0.70 μJ, and 0.75 μJ. The output of the carbon dioxide laser 14 was changed to 1W, 2W, 3W, and 4W.
図6に、加工後の対象物12のXY平面の画像を示す。図6Aは表面アブレーションが生じた状態、図6Bは内部加工がなされた状態、図6Cは両者が生じている状態(中間状態)である。 FIG. 6 shows an image on the XY plane of the processed object 12. 6A shows a state in which surface ablation has occurred, FIG. 6B shows a state in which internal processing has been performed, and FIG. 6C shows a state in which both have occurred (intermediate state).
図7に、フェムト秒レーザのパルスエネルギー、または、炭酸ガスレーザの出力を変化させた場合に得られた加工状態を示す。バツ印が図6Aの表面アブレーション、マル印が図6Bの内部加工状態、四角印が図6Cの中間状態である。図7から明らかなように、炭酸ガスレーザ14の出力を2 W以上にすることにより、焦点位置が対象物12の表面から内部に変わり、内部加工がなされていることが分かる。 FIG. 7 shows a machining state obtained when the pulse energy of the femtosecond laser or the output of the carbon dioxide gas laser is changed. The cross mark is the surface ablation of FIG. 6A, the round mark is the internal machining state of FIG. 6B, and the square mark is the intermediate state of FIG. 6C. As can be seen from FIG. 7, by setting the output of the carbon dioxide laser 14 to 2 W or more, the focal position is changed from the surface of the object 12 to the inside, and it is understood that internal processing is performed.
図8Aに、フェムト秒レーザ26の光パルスのみを対象物12の内部に集光し加工した、対象物12のXY平面の画像を示す。図8Bには、フェムト秒レーザ26のエネルギーを変えずに、炭酸ガスレーザ14を重ねて照射した場合の画像を示す。図8より明らかなように、フェムト秒レーザ26単独の場合よりも、ハイブリッドレーザシステムの方が、加工痕が大きくなっていることが分かる。 FIG. 8A shows an image on the XY plane of the object 12 obtained by focusing and processing only the light pulse of the femtosecond laser 26 inside the object 12. FIG. 8B shows an image in the case where the carbon dioxide laser 14 is irradiated in an overlapping manner without changing the energy of the femtosecond laser 26. As is apparent from FIG. 8, it can be seen that the processing marks are larger in the hybrid laser system than in the case of the femtosecond laser 26 alone.
図9Aに、フェムト秒レーザ26単独の加工において、そのパルスエネルギーを変えた場合の、加工痕の大きさの変化を示す。エネルギー大きくなるにつれて、加工痕の直径も大きくなっていることが分かる。また、図9Aから、同一条件下で行った1回目から3回目までの実験において、同一の加工特性が得られていることから、安定した加工が行われていることも分かる。図9Bに、炭酸ガスレーザ14を併用した場合の加工痕の大きさの変化を示す。炭酸ガスレーザ14を併用することで、加工痕の直径が大きくなることが示されている。また、併用する炭酸ガスレーザの出力を大きくすることで、加工痕の直径が大きくなることも明らかである。 FIG. 9A shows a change in the size of a processing mark when the pulse energy is changed in processing of the femtosecond laser 26 alone. It can be seen that as the energy increases, the diameter of the machining mark also increases. In addition, FIG. 9A also shows that stable machining is performed because the same machining characteristics are obtained in the first to third experiments performed under the same conditions. FIG. 9B shows a change in the size of the processing mark when the carbon dioxide laser 14 is used in combination. It is shown that the diameter of the machining mark is increased by using the carbon dioxide laser 14 together. It is also clear that the diameter of the machining mark increases by increasing the output of the carbon dioxide laser used together.
図10に、フェムト秒レーザ26のパルスエネルギー、炭酸ガスレーザ14の出力を変化させた場合の加工痕直径を、フェムト秒レーザ26のエネルギーを0.9 μJ、炭酸ガスレーザ14の出力を1 Wとした場合の加工痕直径で割り求めた、倍率を示す。図10から明らかなように、炭酸ガスレーザ14の出力を増加させることにより、フェムト秒レーザ26単体での加工と比較して、加工痕直径を飛躍的に大きくすることが可能であることがわかる。
FIG. 10 shows the processing mark diameter when the pulse energy of the femtosecond laser 26 and the output of the carbon dioxide gas laser 14 are changed. The energy of the femtosecond laser 26 is 0.9 μJ and the output of the carbon dioxide laser 14 is 1 W. The magnification obtained by dividing by the machining mark diameter is shown. As is apparent from FIG. 10, it can be seen that by increasing the output of the carbon dioxide laser 14, it is possible to dramatically increase the diameter of the machining mark as compared with the machining with the femtosecond laser 26 alone.
4.3 炭酸ガスレーザビームの出力、フェムト秒レーザパルスのエネルギーによる加工深さの変化
次に、炭酸ガスレーザ14の出力、フェムト秒レーザ26のエネルギーを変化させ、加工深さの変化を調べた。フェムト秒レーザのパルスエネルギーは、0.60 μJ、0.65 μJ、0.70 μJ、0.75 μJ に変化させた。また、炭酸ガスレーザ14の出力は、1W、2W、3W、4Wに変化させた。
4.3 Changes in processing depth due to carbon dioxide laser beam output and femtosecond laser pulse energy Next, changes in the processing depth were examined by changing the output of the carbon dioxide laser 14 and the energy of the femtosecond laser 26. The pulse energy of the femtosecond laser was changed to 0.60 μJ, 0.65 μJ, 0.70 μJ, and 0.75 μJ. The output of the carbon dioxide laser 14 was changed to 1W, 2W, 3W, and 4W.
図11に、対象物12内部に形成された加工痕のXZ平面の画像を示す。ガラス表面40の下、すなわち内部に、屈折率の異なる加工領域である加工痕42が形成されていることが分かる。ここでは、対象物12の表面40から、加工痕42の下端部までを深さとして測定した。 In FIG. 11, the image of the XZ plane of the process trace formed in the target object 12 is shown. It can be seen that a processing mark 42, which is a processing region having a different refractive index, is formed under the glass surface 40, that is, inside the glass surface 40. Here, the depth from the surface 40 of the object 12 to the lower end of the machining mark 42 was measured as the depth.
図12に、フェムト秒レーザ26のパルスエネルギー、炭酸ガスレーザ14の出力と、加工痕の深さとの関係を示す。炭酸ガスレーザ14の出力が大きくなると、加工痕の深さも大きくなっていることが分かる。同様に、フェムト秒レーザ26のエネルギーが大きくなると、加工痕の深さも大きくなっていることが分かる。しかし、表面アブレーションが生じている場合には、フェムト秒レーザ26のパルスエネルギーが大きくなっても、加工痕の深さには、優位な変化は見られなかった。 FIG. 12 shows the relationship between the pulse energy of the femtosecond laser 26, the output of the carbon dioxide laser 14, and the depth of the processing mark. It can be seen that as the output of the carbon dioxide laser 14 increases, the depth of the processing trace also increases. Similarly, it can be seen that as the energy of the femtosecond laser 26 increases, the depth of the processing trace also increases. However, when surface ablation occurred, even if the pulse energy of the femtosecond laser 26 was increased, no significant change was observed in the depth of the processing mark.
上記のように、炭酸ガスレーザ14の出力、フェムト秒レーザ26からの光パルスのエネルギーが深さに影響を与えているのは、前述の熱レンズが原因であると思われる。つまり、炭酸ガスレーザの出力が増大すると熱レンズの曲率が変化し、熱レンズの開口数が減少して、加工深さが深くなると考えられる。
As described above, the output of the carbon dioxide laser 14 and the energy of the light pulse from the femtosecond laser 26 have an influence on the depth. That is, it is considered that when the output of the carbon dioxide laser increases, the curvature of the thermal lens changes, the numerical aperture of the thermal lens decreases, and the processing depth increases.
4.4 走査速度の変化と加工状態
炭酸ガスレーザ14の出力を、1W、2W、3W と変化させ、三次元ステージ10の移動速度(つまり、対象物12のレーザ光に対する移動速度)を変化させた場合の加工状態を、図13に示す。移動速度が速いと、表面アブレーションから内部加工に移るために大きな炭酸ガスレーザの出力が必要であることが分かる。これは、移動速度がゆっくりである方が、炭酸ガスレーザによる熱効果が十分に与えられるからであると思われる。
4.4 Changes in scanning speed and machining conditions When the output of the carbon dioxide laser 14 is changed to 1 W, 2 W, and 3 W, and the moving speed of the three-dimensional stage 10 (that is, the moving speed of the object 12 with respect to the laser beam) is changed. The processing state is shown in FIG. It can be seen that if the moving speed is high, a large carbon dioxide laser output is required to move from surface ablation to internal processing. This seems to be because the thermal effect by the carbon dioxide laser is sufficiently given when the moving speed is slow.
図14Aにフェムト秒レーザ26のみで内部加工を行った場合の対象物12のXY 平面の画像を示す。また、図14Bにハイブリッドレーザシステムで内部加工を行った場合の対象物12のXY平面の画像を示す。ここでは、走査速度1.0 mm/s、フェムト秒レーザ26のパルスエネルギー1.0 μJ、光パルスの対象物12の表面からの焦点深さ200μm、炭酸ガスレーザ14の出力を3 Wとした。 FIG. 14A shows an image on the XY plane of the object 12 when internal processing is performed only with the femtosecond laser 26. FIG. 14B shows an image on the XY plane of the object 12 when internal processing is performed by the hybrid laser system. Here, the scanning speed was 1.0 mm / s, the pulse energy of the femtosecond laser 26 was 1.0 μJ, the focal depth of the optical pulse from the surface of the object 12 was 200 μm, and the output of the carbon dioxide laser 14 was 3 W.
図14から明らかなように、フェムト秒レーザ26のみで加工を行う場合よりも、ハイブリッドレーザシステムの方が、加工幅が広くなっている。次に、ハイブリッドレーザシステムを用い、同条件にて、走査速度を変化させた場合の加工状態の変化を、図15に示す。図15より、走査速度が速くなるほど、屈折率の変化が一様に生じてきれいな加工を行えることが分かった。また、図16に示すように、走査速度が速くなると加工幅が狭くなるが、ある一定の速度を超えると(図16では、40 mm/sを超えると)、下降幅の変化はなくなることが明らかになった。
As apparent from FIG. 14, the processing width of the hybrid laser system is wider than that of processing using only the femtosecond laser 26. Next, FIG. 15 shows changes in the processing state when the scanning speed is changed under the same conditions using the hybrid laser system. From FIG. 15, it was found that the higher the scanning speed, the more uniformly the refractive index changes and the clean processing can be performed. Further, as shown in FIG. 16, the processing width becomes narrower as the scanning speed increases, but when the speed exceeds a certain speed (in FIG. 16, it exceeds 40 mm / s), the change in the descending width may disappear. It was revealed.
Claims (10)
前記対象物の超短光パルスレーザーの照射領域に、対象物に熱レンズが生じて前記超短光パルスレーザの焦点位置が深くなる程度の出力にて、熱効果レーザを重ねて照射する熱効果レーザ照射手段と、
を備えたレーザ加工装置。 An ultrashort optical pulse laser irradiation means for processing an object by irradiating an irradiation region of the object with an ultrashort optical pulse laser;
Thermal effect of superimposing a thermal effect laser on an output of the target so that a thermal lens is formed on the target in an irradiation region of the target and the focal position of the ultrashort optical pulse laser is deepened. Laser irradiation means;
A laser processing apparatus comprising:
前記超短光パルスレーザーは、ピコ秒レーザまたはフェムト秒レーザーであることを特徴とするレーザ加工装置。 In the laser processing apparatus of Claim 1,
The ultrashort optical pulse laser is a picosecond laser or a femtosecond laser.
前記熱効果レーザは、炭酸ガスレーザまたはYAGレーザであることを特徴とするレーザ加工装置。 In the laser processing apparatus of Claim 1 or 2,
The laser processing apparatus, wherein the thermal effect laser is a carbon dioxide laser or a YAG laser.
前記対象物は超短光パルスレーザの光を透過する性質を有するものであることを特徴とするレーザ加工装置。 In the laser processing apparatus in any one of Claims 1-3,
The laser processing apparatus, wherein the object has a property of transmitting light of an ultrashort pulse laser.
前記熱効果レーザの出力を調整することによって、加工深さまたは加工面積を調整することを特徴とするレーザ加工装置。 In the laser processing apparatus of Claim 4,
A laser processing apparatus for adjusting a processing depth or a processing area by adjusting an output of the thermal effect laser.
前記対象物の超短光パルスレーザーの照射領域に、対象物に熱レンズが生じて前記超短光パルスレーザの焦点位置が深くなる程度の出力にて、熱効果レーザを重ねて照射することによって、対象物を加工するレーザ加工物の製造方法。 Irradiate the irradiation area of the object with an ultrashort pulse laser,
By irradiating the thermal effect laser in an overlapping manner with an output that causes a thermal lens to be generated in the target and the focal position of the ultrashort optical pulse laser becomes deeper in the irradiation region of the ultrashort optical pulse laser of the target The manufacturing method of the laser workpiece which processes a target object.
前記超短光パルスレーザーは、フェムト秒レーザーであることを特徴とする製造方法。 In the manufacturing method of Claim 6,
The ultrashort light pulse laser is a femtosecond laser.
前記熱効果レーザは、炭酸ガスレーザまたはYAGレーザであることを特徴とする製造方法。 In the manufacturing method of Claim 6 or 7,
The manufacturing method, wherein the thermal effect laser is a carbon dioxide laser or a YAG laser.
前記対象物はレーザ光を透過する性質を有するものであることを特徴とする製造方法。 In the manufacturing method in any one of Claims 6-8,
The method according to claim 1, wherein the object has a property of transmitting laser light.
前記熱効果レーザの出力を調整することによって、加工深さまたは加工面積を調整することを特徴とする製造方法。 In the manufacturing method of Claim 9,
A manufacturing depth or a processing area is adjusted by adjusting an output of the thermal effect laser.
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