專利名稱：：聚光光學系統(tǒng)、激光加工方法和裝置以及脆性材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種聚光光學系統(tǒng)、激光加工方法和裝置以及脆性材料坯件的制造方法。更具體而言，本發(fā)明涉及以長焦深將激光束會聚成微小光斑的聚光光學系統(tǒng)；以會聚的激光束切割由諸如單晶金剛石等脆性材料制成的工件或在脆性材料的表面形成凹槽的激光加工方法和裝置；以及制造由脆性材料制成的各種部件的制造方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)在，激光束已應(yīng)用于多種領(lǐng)域。例如，激光加工技術(shù)正迅速發(fā)展。期望激光加工技術(shù)可以以較高的精度對較小材料進行加工。必須將激光束會聚成較小的光斑。為此，可以想到這樣一種方法艮P，增大聚光光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑或減小聚光光學系統(tǒng)的F數(shù)以提供具有高亮度的透鏡。當使用具有短焦距和高亮度的透鏡時，只要可抑制像差，光斑尺寸就與焦距成比例地減小；然而，焦深減小。因此，在聚焦到工件表面上時需要極高的精度。另外，難以加工厚度大的材料。為了解決此問題，提出了這樣一種聚光光學系統(tǒng)艮P，在不改變光斑尺寸的情況下增大焦深。例如，日本專利No.2664625披露了一種聚光光學系統(tǒng)，其中將透鏡表面同心地分割成多個子區(qū)域，從而透鏡用作多焦透鏡，該多焦透鏡具有焦距略微不同的各子區(qū)域。各子區(qū)域會聚的光斑的位置相互偏移，并且焦深明顯增大。此外，例如，日本未經(jīng)審査的專利申請公開No.9-64444披露了一種采用貝塞耳光束的聚光光學系統(tǒng)。該光束會聚成微小的光斑，并且焦深顯著增大。然而，根據(jù)日本專利No.2664625中披露的聚光光學系統(tǒng)，激光束在透鏡表面被分割，并且其焦點不連續(xù)地連接。在各子區(qū)域中光斑尺寸和強度分布會不同。因此，強度分布在焦點位置的前后區(qū)域會不連續(xù)。根據(jù)日本未經(jīng)審査的專利申請公開No.9-64444中披露的聚光光學系統(tǒng)，盡管貝塞耳光束具有大的焦深，但會聚成某一光斑的激光束僅僅是整個入射光的一部分。因此，光斑的強度相當?shù)停M而不適合于需要高強度的加工。同時，諸如單晶金剛石、燒結(jié)聚晶金剛石、燒結(jié)立方氮化硼或硬質(zhì)合金等脆性材料包括高共價物并且具有高熔點和高硬度。因此，難以對此類材料進行機械加工。因此，上述聚光光學系統(tǒng)通過利用激光束照射脆性材料從而用于切割脆性材料或在脆性材料上形成凹槽(例如，參見日本專利No.3449986、或日本未經(jīng)審查的專利申請公開No.2003-62683、或日本專利No.3616872)。例如，當要切割脆性材料時，聚光透鏡會聚從激光振蕩器發(fā)出的激光束，并且利用所會聚的激光束照射布置在聚光透鏡的焦點位置處的脆性材料，從而切割該脆性材料。關(guān)于獲得激光束的聚光光學系統(tǒng)，由球面透鏡形成的傳統(tǒng)的聚光透鏡具有這樣的特性即，當光強分布呈理想的高斯形狀的激光束入射時，激光束的形狀轉(zhuǎn)換為如圖40所示的縮小的高斯形狀。當利用通過具有上述特性的聚光透鏡的激光束來切割脆性材料時，在激光出射側(cè)的切割表面可能發(fā)生諸如崩裂、錐度(相對于預(yù)期加工表面的傾斜度)或鈍化等缺陷。這可能是因為激光束表現(xiàn)出射束直徑的變化或光功率密度的變化，該變化沿著光軸方向關(guān)于聚光斑對稱(參見圖41)。當對脆性材料進行激光加工以制造切削工具時，僅僅切割材料是不夠的。"切削刃"的精加工精度對于切削工具來說至關(guān)重要。如果在切削刃部分發(fā)生缺陷，則修復(fù)該缺陷會需要相當長的工時和相當高的成本。因此，在使用傳統(tǒng)的聚光透鏡進行切割時，為了抑制崩裂等缺陷的發(fā)生，需增加激光掃描操作的次數(shù)、或增加切割寬度、或采用這兩種措施以允許激光束充分到達脆性材料的內(nèi)部。然而，當增加激光掃描操作的次數(shù)時，加工速度將降低。當增加切割寬度時，材料的損耗將增加。此外，根據(jù)傳統(tǒng)的方法，盡管可以在一定程度上抑制錐度或鈍化的發(fā)生，但難以完全防止此類缺陷。
發(fā)明內(nèi)容鑒于傳統(tǒng)技術(shù)的上述問題，本發(fā)明的目的是提供這樣一種聚光光學系統(tǒng)，其具有小光斑尺寸和大焦深而不會引起諸如焦點位置前后區(qū)域的強度分布不連續(xù)或光斑強度下降等問題。此外，本發(fā)明的目的是提供一種脆性材料的加工方法和脆性材料坯件的制造方法，所述方法能夠提高加工速度并且提供高質(zhì)量的加工而不會引起錐度或鈍化。根據(jù)本發(fā)明的聚光光學系統(tǒng)以預(yù)定的焦距會聚由激光源生成的激光束，并且產(chǎn)生球面像差(權(quán)利要求l)。由于本發(fā)明的聚光光學系統(tǒng)產(chǎn)生所述球面像差，因此所述球面像差影響焦深，由此在保持小尺寸的會聚光斑的同時提供大的焦深。另外，與傳統(tǒng)的多焦透鏡不同，激光束的焦點位置連續(xù)地連接，并且不必采用貝塞耳光束。在焦點位置的前后區(qū)域強度分布是連續(xù)的，并且光斑的強度不會降低。在本發(fā)明中，具體地，為了產(chǎn)生增大焦深的球面像差，所述聚光光學系統(tǒng)可優(yōu)選地滿足如下表達式(a)和(b):(a)|Z8|>0.R或IZjX).05X，并且(b)Z8/Z15》3或Z8/Z15<1，其中，X是波長，Z8是波前像差的澤尼克條紋多項式(Zernikefringepolynomial)系數(shù)中與第三階球面像差對應(yīng)的第八項系數(shù)，Z15是波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中與第五階球面像差對應(yīng)的第十五項系數(shù)。在本發(fā)明中，還可優(yōu)選地滿足如下表達式(c)和(d):(c)|Z8|<1.4X，并且(d)|Z15|<0.5X。從而，可以在保持大焦深和小光斑尺寸的同時提供髙強度。本發(fā)明的聚光光學系統(tǒng)例如可以是單個非球面透鏡或單個衍射聚光透鏡。作為另一種選擇，所述聚光光學系統(tǒng)可以是包括至少兩個光學器件的復(fù)合光學系統(tǒng)。此外，所述復(fù)合光學系統(tǒng)例如可包括具有聚光功能的第一光學裝置和具有球面像差產(chǎn)生功能的第二光學裝置。所述第二光學裝置例如可以是非球面相位板或衍射相位板。此外，本發(fā)明的聚光光學系統(tǒng)還可包括作為多面鏡或檢流計反射鏡的激光束偏轉(zhuǎn)裝置，其中所述第一光學裝置是fe透鏡。從而，具有大焦深的小光斑可以在焦平面上高速地掃描。根據(jù)本發(fā)明的激光加工方法包括通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)利用激光束照射材料來加工所述材料的步驟。所述方法構(gòu)造如下。表示所述激光束的聚光性的M"直為M2<2，并且所述激光束的波長X為100nm《〈20000nm。此外，所述激光束沿光軸方向的峰值功率密度變化關(guān)于通過所述聚光光學系統(tǒng)的激光束的焦點位置非對稱(權(quán)利要求9)。根據(jù)本發(fā)明的激光加工方法，利用沿光軸方向的峰值功率密度變化關(guān)于通過所述聚光光學系統(tǒng)的激光束的焦點位置非對稱的激光束來加工所述材料。也就是說，利用構(gòu)造成這樣的激光束來加工所述材料即，當具有呈理想髙斯形狀的光強分布的激光束入射時，沿光軸方向的光束直徑變化或功率密度變化關(guān)于激光束的焦點位置非對稱，并且在傳播過程中激光束的截面強度分布包含具有非高斯形狀的部分。例如，當峰值功率密度非對稱以使得在激光束的焦點位置的后側(cè)(透鏡遠側(cè))較頻繁地出現(xiàn)具有高峰值功率密度的狀態(tài)時，相對于焦點位置在接近所述材料內(nèi)部的區(qū)域中保持具有高峰值功率密度的條件。因此，所述材料可以有效地吸收激光束的能量。結(jié)果，例如，當進行切割時，與利用傳統(tǒng)的聚光透鏡進行切割的速度相比，可以以更高的速度進行切割。此外，可以通過調(diào)節(jié)峰值功率密度的非對稱性來調(diào)節(jié)能量到所述材料內(nèi)部的進入長度?？梢砸种撇槐匾哪芰窟M入到所述材料內(nèi)部。從而，可以在激光出射側(cè)可靠地防止諸如崩裂、錐度或鈍化等問題?？梢砸泽{精度加工所述材料表面。相反，當峰值功率密度非對稱以使得在相對于所述材料的透鏡側(cè)較頻繁地出現(xiàn)具有高峰值功率密度的狀態(tài)時，可以獲得功率密度的迅速增大。例如，可適當?shù)剡M行諸如在透明材料中打孔或形成微觀裂縫等使能量局部地吸收到所述材料的表面或內(nèi)部的加工。此外，通過調(diào)節(jié)峰值功率密度變化的非對稱性，本構(gòu)造可以應(yīng)用于材料表面的改質(zhì)或半導(dǎo)體的退火。在半導(dǎo)體的退火中，調(diào)節(jié)峰值功率密度變化的非對稱性，因此可以調(diào)節(jié)摻雜劑的深度分布。所述激光束的峰值功率密度可變化成使得Xl/X2處在1<X1/X2《10的范圍內(nèi)，其中XI是當所述激光束的峰值功率密度關(guān)于作為中心軸的所述焦點位置而下降到半峰值時與所述焦點位置的距離中的較大者，X2是當所述激光束的峰值功率密度關(guān)于作為中心軸的所述焦點位置而下降到半峰值時與所述焦點位置的距離中的較小者。根據(jù)用于加工材料的強度來保持所述峰值功率密度，并且所述峰值功率密度關(guān)于所述焦點位置非對稱。從而，可以進行對所述材料的高速和高質(zhì)量加工?？衫盟黾す馐懈钏霾牧希黾す馐姆逯倒β拭芏茸兓癁殛P(guān)于所述焦點位置非對稱，以使得X2位于透鏡側(cè)并且XI位于透鏡遠側(cè)。從而，由于相對于焦點位置在接近所述材料內(nèi)部的區(qū)域中保持具有高峰值功率密度的狀態(tài)，因此所述材料可以有效地吸收激光束的能量。結(jié)果，與利用傳統(tǒng)的聚光透鏡進行切割的速度相比，可以以更高的速度進行切割。此外，可以通過調(diào)節(jié)峰值功率密度的非對稱性來調(diào)節(jié)能量到所述材料內(nèi)部的進入長度。可以抑制不必要的能量進入到所述材料內(nèi)部。從而，可以在激光出射側(cè)可靠地防止諸如崩裂、錐度或鈍化等問題?？梢砸愿呔燃庸に霾牧媳砻妗Ｒ环N激光加工裝置，其通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)利用激光束照射材料來加工所述材料。所述裝置構(gòu)造如下。表示所述激光束的聚光性的M^直為M2<2，并且所述激光束的波長X為100nm<X<20000nm。此外，所述激光束沿光軸方向的峰值功率密度變化關(guān)于通過所述聚光光學系統(tǒng)的激光束的焦點位置非對稱(權(quán)利要求12)。根據(jù)本發(fā)明的激光加工裝置，與上述激光加工方法類似，例如，當進行切割時，與利用傳統(tǒng)的聚光透鏡進行切割的速度相比，可以以更高的速度進行切割。此外，可以通過調(diào)節(jié)峰值功率密度的非對稱性來調(diào)節(jié)能量到所述材料內(nèi)部的進入長度。可以抑制不必要的能量進入到所述材料內(nèi)部。從而，可以在激光出射側(cè)可靠地防止諸如崩裂、錐度或鈍化等問題?？梢砸愿呔燃庸に霾牧媳砻妗８鶕?jù)本發(fā)明的脆性材料坯件的制造方法包括通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)利用激光束照射脆性材料并且加工所述材料的步驟。所述方法構(gòu)造如下。表示所述激光束的聚光性的M^直為M2<2，并且所述激光束的波長X為100nm<a<20000nm。此外，所述激光束沿光軸方向的峰值功率密度變化關(guān)于通過所述聚光光學系統(tǒng)的激光束的焦點位置非對稱(權(quán)利要求13)。根據(jù)本發(fā)明的脆性材料的制造方法，與上述激光加工方法類似，例如，當進行切割時，與利用傳統(tǒng)的聚光透鏡進行切割的速度相比，可以以更高的速度進行切割。此外，可以通過調(diào)節(jié)峰值功率密度的非對稱性來調(diào)節(jié)能量到所述脆性材料內(nèi)部的進入長度。可以抑制不必要的能量進入到所述材料內(nèi)部。從而，可以在激光出射側(cè)可靠地防止諸如崩裂、錐度或鈍化等問題。可以以高精度加工所述材料表面。所述脆性材料可以是單晶金剛石、聚晶金剛石、燒結(jié)立方氮化硼、復(fù)合燒結(jié)體或硬質(zhì)合金，所述復(fù)合燒結(jié)體包括立方氮化硼層和硬質(zhì)合金層。圖1是示出包括根據(jù)本發(fā)明實施例的聚光光學系統(tǒng)的激光加工光學裝置的示意圖。圖2是示出圖1的主要部分的示意圖。圖3示出了試樣1在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖4示出了試樣2在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖5示出了試樣3在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖6示出了試樣4在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖7示出了試樣5在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖8示出了試樣6在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖9示出了試樣7在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖IO示出了試樣8在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖11示出了試樣9在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖12示出了試樣IO在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖13示出了試樣11在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖14示出了試樣12在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖15示出了試樣13在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖16示出了試樣14在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖17示出了試樣15在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖18示出了試樣16在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖19示出了試樣17在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖20示出了試樣18在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖21示出了試樣19在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖22示出了試樣20在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖23示出了試樣21在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖24示出了試樣22在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖25示出了試樣23在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖26示出了試樣24在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖27示出了試樣25在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖28示出了試樣26在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖29示出了試樣27在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖30示出了試樣28在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖31示出了試樣29在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖32示出了試樣30在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖33示出了試樣31在焦點位置附近區(qū)域的強度分布。圖34是涉及單個球面透鏡的Z8、Zu以及Z8/Z^的曲線圖。圖35是示出由非球面透鏡施加于激光束的峰值功率密度變化的實例的圖示。圖36是示出具有如圖35所示的峰值功率密度變化的激光束的截面強度分布的圖示。圖37是示出實例中所使用的光學系統(tǒng)的示意性說明圖。圖38是示出在實例中切割的單晶金剛石的截面的說明圖，其中(a)是從切割表面的前側(cè)看去的說明圖，(b)是從切割表面的橫側(cè)看去的說明圖。圖39是示出在比較例中切割的單晶金剛石的截面的說明圖，其中(a)是從切割表面的前側(cè)看去的說明圖，(b)是從切割表面的橫側(cè)看去的說明圖。圖40是示出理想高斯分布的圖示。圖41是示出通過傳統(tǒng)的聚光透鏡的激光束的峰值功率密度變化的圖示。具體實施例方式下面說明根據(jù)本發(fā)明實施例的聚光光學系統(tǒng)。圖1和2是示出包括根據(jù)本發(fā)明實施例的聚光光學系統(tǒng)的激光加工裝置的示意圖。激光加工裝置1包括生成激光束的激光振蕩器2、設(shè)置在激光振蕩器2與工件之間的聚光光學系統(tǒng)3、由兩個曲面鏡4組成的用于傳輸從激光振蕩器2發(fā)出的激光束的傳輸光學系統(tǒng)以及控制激光振蕩器2等的控制裝置5。作為復(fù)合光學系統(tǒng)的聚光光學系統(tǒng)3包括具有聚光功能的第一光學裝置6、具有球面像差產(chǎn)生功能的第二光學裝置7、作為激光束偏轉(zhuǎn)裝置的一對檢流計反射鏡8以及驅(qū)動檢流計反射鏡8的檢流計掃描儀9。工件是印刷板10。通過激光照射在印刷板10的表面形成多個孑L。由激光振蕩器2生成的激光束例如是二氧化碳激光或YAG激光。該對檢流計反射鏡8和檢流計掃描儀9以預(yù)定的偏轉(zhuǎn)角度偏轉(zhuǎn)從激光振蕩器2發(fā)出的激光束，以使激光束在印刷板IO上沿著X軸方向和Y軸方向偏轉(zhuǎn)。具有聚光功能的第一光學裝置6是將經(jīng)檢流計反射鏡8偏轉(zhuǎn)的激光束會聚到工件的加工位置的fe透鏡6。具有像差產(chǎn)生功能的第二光學裝置7是布置在曲面鏡4與前檢流計反射鏡8之間的非球面相位板7。作為另一種選擇，第二光學裝置7可以是衍射相位板。作為第一光學裝置的f6透鏡6布置在后檢流計反射鏡8與印刷板10之間，因此采用像側(cè)遠心系統(tǒng)。通過使用f6透鏡6，由檢流計反射鏡8沿各種方向偏轉(zhuǎn)的軸上和軸外激光束變成與光軸大致平行。激光束垂直地入射在印刷板10的表面上并且聚焦在表面上。從而，在印刷板10的表面形成例如離散地排列的多個孔。這里，研究產(chǎn)生球面像差以便在不降低光斑強度的情況下在保持小光斑尺寸的同時獲得大焦深。具體地，著眼于波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中與第五階球面像差對應(yīng)的第十五項系數(shù)和波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中與第三階球面像差對應(yīng)的第八項系數(shù)，并且將非球面透鏡設(shè)計為試樣。然后，當激光束通過該試樣時，利用焦點位置的前后區(qū)域的強度分布來測量所設(shè)計的每個試樣的焦深和強度。激光束的照射條件包括50mm的焦深、(D20mm的入瞳直徑、1.064pm的入射激光束波長以及①10mm的激光束直徑(與l/eA2的強度相對應(yīng)的直徑)。在截面強度測量裝置沿著光軸方向移動的同時測量強度分布。表I是對應(yīng)于每個試樣(131)的試樣條件、焦深、強度及其評價。圖333分別通過灰度平面圖像(上部)和高度(下部)來表示每個試樣的焦點位置的前后區(qū)域的強度分布。附圖標記人表示波長，Z8是波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中的第八項系數(shù)，并且Zu是波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中的第十五項系數(shù)。除上述系數(shù)之外的澤尼克條紋多項式系數(shù)為0。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>在試樣1中，Zs和Zi均為0以獲得非常小的光斑尺寸。試樣1設(shè)計成不產(chǎn)生像差，因此具有小的焦深。表I中的強度是關(guān)于用作參考值的試樣1的相對值。當關(guān)于試樣1的相對值小于0.5時，將各強度分別評價為一般(由白色三角表示)，或者當相對值為0.5或更大時將各強度分別評價為良好(用白色圓圈表示)。由在峰值強度的一半水平處沿光軸方向的距離(半峰全寬)求得焦深。當焦深超過S0)im(即試樣1的焦深數(shù)值)時，基本將焦深評價為良好(由白色圓圈表示)，或者當焦深是與試樣1的值相同的值(即80pm)時，將焦深評價為差(由X表示)。關(guān)于試樣2、12、13以及26，由于以下原因而根據(jù)與上述條件不同的判斷因素來進行良好或差的評價。(Zs的效果試樣2U)將試樣211固定成Z15=0、Z8/Z15=oo。Z8逐漸從0.05X增大至1.20X，然后逐漸從-0.05U咸小至-1.40X。對于焦深，當Z8為時焦深小至81pm(雖然該值超過80pm，但由于不存在顯著差異，因此將試樣2的焦深評價為差)，并且當Zg為時焦深大至87pm。應(yīng)認識到，焦深隨著Z8的進一步增大而進一步增大。當Zs為-0.05X時焦深小至80|im，并且當Zs為-0.1(a時焦深大至82pm。應(yīng)認識到，焦深隨著Z8的進一步減小而進一步增大。對于強度，應(yīng)認識到，強度隨著Z8的增大而逐漸降低；然而，當Z8為1.20X時，保持0.48的強度。當Zs變?yōu)樨撝禃r，應(yīng)認識到，強度隨著Zs的減小而逐漸降低；然而，當Zs為-1.4X時，保持0.47的強度。關(guān)于Z8，滿足關(guān)系式IZ8l》0.R是獲得大焦深的條件，并且滿足關(guān)系式IZskl.4X是保持強度的條件。(Zh的效果試樣1220)將試樣1220固定成Z8=0、Z8/Z15=0。Zw逐漸從0.05X增大至0.50X，然后逐漸從-0.05X減小至-o.4ca。對于焦深，當Z15的值為和時焦深小至80|im，并且當Z^為時焦深大至115pm。應(yīng)認識到，焦深隨著Zu的進一步增大而進一步增大。當Z8為-0.05X時焦深大至85(im。應(yīng)認識到，焦深隨著Zu的進一步減小而進一步增大。當Zu二0.05人(試樣12)和Z15=0.10X(試樣13)時，半峰全寬為80pm。由于認識到焦深在低于半峰的強度水平增大，因此將焦深判定為良好。對于強度，應(yīng)認識到，強度隨著Zu的增大而逐漸降低；然而，當Z^為0.05X時，保持0.43的強度。當Z^變?yōu)樨撝禃r，應(yīng)認識到，強度隨著Zu的減小而逐漸降低；然而，當Zu為-0.40X時，保持0.48的強度。關(guān)于Z15，滿足關(guān)系式IZul》0.05X是獲得大焦深的條件，并且滿足關(guān)系式IZ」0.5X是保持強度的條件。(Z8/Z^的效果試樣213D將試樣2131的Z15固定為滿足上述推導(dǎo)條件即IZ,51X).05X、|Z15|<0.5X的-0.10X。此外，假設(shè)滿足Z8的上述推導(dǎo)條件IZ8l》0.1X、|Z8|<1.4X，Zs從-1.00X變?yōu)?，然后從0變?yōu)?.00X，從而Z8/Zu在100和0-10的范圍內(nèi)變化。對于焦深，當Zg/Zi5為10時，焦深大至145pm。認識到焦深隨著Z8/Zu的減小而減小。當Zs/Z^的值分別為2和1時，各焦深分別小至80pm和82pm(盡管后者數(shù)值超過80pm，但由于不存在顯著差異，因此將試樣26的焦深評價為差)。當Zg/Zi5變?yōu)?時，焦深大至88pm。認識到，焦深隨著Z8/Zu從該值進一步增大而逐漸增大。對于強度，當Zs/Zi5為10時，強度為0.62。認識到，強度隨著Zs/Z^從10減小到1而逐漸升高，并且強度隨著Z"Z^從0減小到負值而逐漸降低。當Zs/Zu為-10時，保持0.46的強度。關(guān)于Z8/Z15，滿足關(guān)系式Z8/Z15》3或Z8/Z15<1是獲得大焦深的條件。對于強度，可以滿足上述表達式|215|<0.5^或|28|<1.4人。(結(jié)論)非球面透鏡可以設(shè)計成滿足表達式(a)和(b)以通過該非球面透鏡在保持小光斑尺寸的同時提供大焦深，并且除了表達式(a)和(b)之外還滿足表達式(c)和(d)以避免光斑強度降低，如下所示(a)|Z8|>0.U或IZj》0.05X，(b)Z8/Z15>3或Z8/Z15<1，(c)|Z8|<1.4X，并且(d)|Z15|<0.5L這里，將說明本聚光光學系統(tǒng)與傳統(tǒng)的聚光光學系統(tǒng)之間的差異。由于傳統(tǒng)的非球面透鏡或復(fù)合透鏡(透鏡組)設(shè)計成不產(chǎn)生像差(Z8=0，Z!s二O等)，因此其不同于滿足上述表達式并且產(chǎn)生球面像差的非球面透鏡。同時，當使用單個球面透鏡時，典型地殘存球面像差。球面透鏡由于各透鏡的兩個表面的不同形狀而分為三種平凸透鏡、雙凸透鏡以及凹凸(彎月)透鏡(對應(yīng)于凸透鏡)。例如，如圖34的曲線所示標繪出球面透鏡的Z8、Zi5以及Zs/Z^。利用透鏡的第一表面的曲率半徑rl和第二表面的曲率半徑r2(當沿著光的行進方向為凹面時半徑為負值，而當沿著光的行進方向為凸面時半徑為正值)由(rl+r2)/(rl-r2)求得沿橫軸的形狀因子S。即使當使用具有最小球面像差的S=0.5(rl=-3r2)的雙凸透鏡時，也滿足Z^4X。與滿足上述表達式的非球面透鏡的球面像差相比，單個球面透鏡的球面像差明顯大。從而，顯然單個球面透鏡不同于非球面透鏡。在進行滿足表達式(a)(d)的設(shè)計時，可制造具有本實施例的像差產(chǎn)生功能的非球面相位板7。從而，可以在不降低光斑強度的情況下在保持小光斑尺寸的同時獲得大焦深。當利用包括上述聚光光學系統(tǒng)的激光加工光學裝置1進行印刷板10的打孔時，由激光振蕩器2生成的激光束通過激光振蕩器2的光閘而射出，并且通過設(shè)置在激光振蕩器2附近的兩個曲面鏡4改變激光束的行進方向。激光束通過非球面相位板7并被兩個檢流計反射鏡8偏轉(zhuǎn)，進而被引導(dǎo)至fe透鏡6。fe透鏡6將從檢流計反射鏡8出射的激光束會聚，并且按照fe透鏡6的焦距將該激光束照射到印刷板7上。檢流計反射鏡8使激光束的行進方向偏轉(zhuǎn)(或掃描激光束)。因此，印刷板IO上的激光束入射位置改變，進而在印刷板10上形成多個孔。根據(jù)上述激光加工光學裝置1，由于聚光光學系統(tǒng)3中的具有球面像差產(chǎn)生功能的非球面相位板7設(shè)計成滿足表達式(a)(d)并且產(chǎn)生球面像差，因此該球面像差影響焦深。因此，可以在保持小光斑尺寸的同時獲得大的焦深。與傳統(tǒng)的多焦透鏡不同，激光束的焦點位置不會不連續(xù)地連接，或者不必采用貝塞耳光束。因此，不會發(fā)生諸如光斑強度下降、在焦點位置的前后區(qū)域強度分布不連續(xù)等問題。該結(jié)構(gòu)適合于需要高輸出、提供容易的調(diào)焦并且能夠加工厚度大的材料或能夠進行深加工的加工。此外，激光加工裝置1可應(yīng)用于加工其加工表面由于翹曲等原因而沿光軸方向產(chǎn)生位移的工件。此外，由于具有聚光功能的第一光學裝置是fe透鏡，因此具有大焦深的光斑可以在焦平面上高速地掃描。本發(fā)明不限于上述實施例。例如，產(chǎn)生球面像差的聚光光學系統(tǒng)可以是單個非球面聚光透鏡或單個衍射聚光透鏡。作為另一種選擇，該聚光光學系統(tǒng)可以是如同本實施例的復(fù)合光學系統(tǒng)，然后具有聚光功能的第一光學裝置可以是諸如標準透鏡或非球面鏡等聚光光學器件。在激光加工裝置中，可以使用多面鏡來代替使激光束偏轉(zhuǎn)的檢流計反射鏡。在上述實施例中，說明了對印刷板打孔的應(yīng)用實例。另外，該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于諸如切割或焊接金屬或非金屬材料等各種激光加工用途。預(yù)期可以通過增大焦深的效果來獲得良好的加工性能。接下來，說明根據(jù)本發(fā)明實施例的激光加工方法(在下文中也簡稱為加工方法)和裝置以及脆性材料坯件的制造方法(在下文中也簡稱為制造方法)。在本發(fā)明的加工方法或制造方法中，利用通過上述聚光光學系統(tǒng)的激光束來進行對脆性材料的加工或?qū)τ纱嘈圆牧现瞥傻牟考闹圃臁４嘈圆牧系膶嵗梢允菃尉Ы饎偸?、燒結(jié)聚晶金剛石、燒結(jié)立方氮化硼、諸如碳化鎢等硬質(zhì)合金、諸如碳氮化鈦等金屬陶瓷、或諸如氮化硅等陶瓷。激光可以是具有滿足M2<2的IV^值和滿足100nm<X<20000nm的波長X的激光，該M2值是表示聚光性的指標。激光器的類型可以是YAG基波或諧波激光器、激基激光器、C02激光器、半導(dǎo)體激光器、或諸如飛秒激光器或皮秒激光器等短脈沖激光器。本發(fā)明的特征在于使用構(gòu)造為這樣的傳輸光學器件即，為了會聚從激光振蕩器發(fā)出的激光束，當具有理想高斯形狀的光強分布的激光束入射時，沿光軸方向的光束直徑變化或峰值功率密度變化變成關(guān)于通過聚光光學系統(tǒng)的激光束的焦點位置非對稱，并且在傳播過程中激光束的截面強度分布包含具有非高斯形狀的部分。這樣的傳輸光學器件可以是任何類型的傳輸光學器件，只要峰值功率的傳播特性呈非對稱即可。例如，該傳輸光學器件可以是具有非球面形狀的非球面透鏡、衍射透鏡、折射率分布透鏡或非球面鏡。當使用非球面透鏡時，改變作為透鏡的各種規(guī)格之一的曲率半徑，由此調(diào)節(jié)峰值功率的傳播特性的非對稱性。當使用衍射透鏡時，改變相位分布，由此調(diào)節(jié)峰值功率的傳播特性的非對稱性。圖35是示出由非球面透鏡施加于激光束的峰值功率密度變化的實例的圖示。圖36是示出具有如圖35所示的峰值功率密度變化的激光束的截面強度分布的圖示。在圖35中，橫軸標繪出距透鏡的傳播距離，縱軸標繪出峰值功率密度。在圖35的實例中，透鏡的焦距(激光束的焦距)為50.18mm。在此位置(焦點位置)處，峰值功率密度的最大值為27.2MW/cm、圖36的(a)示出了傳播50.13mm之后的光強分布，(b)示出了傳播50.18mm之后的光強分布，(c)示出了傳播50.23mm之后的光強分布。參照圖35，在激光束通過非球面透鏡之后激光束的峰值功率密度的變化關(guān)于焦點位置非對稱。具體而言，峰值功率密度在相對于作為中心軸的焦點位置的透鏡側(cè)(圖35中的左側(cè))變化急劇，并且從焦點位置朝向透鏡側(cè)迅速下降。相反，與透鏡側(cè)相比，峰值功率密度在相對于作為中心軸的焦點位置的透鏡遠側(cè)(圖35中的右側(cè))變化緩和，并且即使當與透鏡的距離增大時，也保持高的峰值功率密度。峰值功率密度的非對稱性可以由指標X1/X2即X1與X2之比表示，其中XI是當峰值功率密度關(guān)于作為中心軸的焦點位置而下降到半峰值時與焦點位置的距離中的較大者，而X2是當峰值功率密度關(guān)于作為中心軸的焦點位置而下降到半峰值時與焦點位置的距離中的較小者。在圖35所示的實例中，表示13.6MW/cm2(即峰值功率密度的最大值27.2MW/ci^的半峰值)的線與表示峰值功率密度變化的曲線的交點的X坐標為50.14和50.25。因此，X1為0.07，X2為0.04。Xl/X2之比為1.75。作為另一種選擇，取代當峰值功率密度變?yōu)榘敕逯禃r與焦點位置的距離，可以使用當峰值功率密度變?yōu)?/e2(—0.135)時與焦點位置的距離以獲得非對稱性的指標。在圖35所示的實例中，表示3.7MW/cm2(即峰值功率密度的最大值27.2MW/cm2的0.135倍)的線與表示峰值功率密度變化的曲線的交點的X坐標為50.12和50.34。因此，XI為0.16，X2為0.06。Xl/X2之比為2.67。比率(Xl/X2)可優(yōu)選處在1<X1/X2《10的范圍內(nèi)。在此范圍內(nèi)，當根據(jù)用于加工脆性材料的強度保持峰值功率密度并且峰值功率密度關(guān)于焦點位置非對稱時，可以進行對脆性材料的高速和高質(zhì)量加工。關(guān)于峰值功率的傳播特性的非對稱性，例如，當峰值功率密度非對稱以使得在激光束的焦點位置的后側(cè)(透鏡的遠側(cè))較頻繁地出現(xiàn)具有高峰值功率密度的狀態(tài)時，相對于焦點位置在接近脆性材料的內(nèi)部的區(qū)域中保持具有高峰值功率密度的狀態(tài)。因此，脆性材料可以有效地吸收激光束的能量。結(jié)果，例如，當進行切割時，與利用傳統(tǒng)的聚光透鏡進行切割的速度相比，可以以更髙的速度進行切割。此外，可以通過調(diào)節(jié)峰值功率密度的非對稱性來調(diào)節(jié)能量到脆性材料內(nèi)部的進入長度。從而，可以抑制不必要的能量進入到材料內(nèi)部?？梢栽诩す獬錾鋫?cè)可靠地防止諸如崩裂、錐度或鈍化等問題?？梢砸愿呔燃庸げ牧媳砻?。結(jié)果，例如可以僅僅通過激光加工來制造具有預(yù)定形狀的工具。即使在后續(xù)工藝中需要加工，也可以減少一定的加工量，由此提高生產(chǎn)率。相反，當峰值功率密度非對稱以使得在相對于脆性材料的透鏡側(cè)較頻繁地出現(xiàn)具有高峰值功率密度的狀態(tài)時，可以獲得功率密度的迅速增大。例如，可適當?shù)剡M行諸如在透明材料中打孔或形成微觀裂縫等使能量局部地吸收到脆性材料表面或內(nèi)部的加工。此外，通過調(diào)節(jié)峰值功率密度變化的非對稱性，本構(gòu)造可以應(yīng)用于脆性材料表面的改質(zhì)、半導(dǎo)體退火或分割。在半導(dǎo)體的退火中，調(diào)節(jié)峰值功率密度變化的非對稱性，因此可以調(diào)節(jié)摻雜劑的深度分布。鑒于設(shè)計，即使當設(shè)計成獲得對稱的峰值功率密度時，但由于制造誤差或材料的不均勻性而使峰值功率密度從某種意義上來講也可能表現(xiàn)出非對稱性，而不是嚴格意義上的對稱。注意到，上述情況與本發(fā)明完全不同。通過如上所述的切割，并且必要時通過研磨，可以制造由脆性材料制成的各種部件。例如，當使用單晶金剛石時，將其切割成具有預(yù)定尺寸的預(yù)定形狀。從而，可以制造吸熱部件、模具部件、打磨部件、刀具部件等。圖37所示的光學系統(tǒng)用于切割單晶金剛石。單晶金剛石11的厚度為0.8mm。單晶金剛石11是通過在高于或等于5GPa的超高壓和高于或等于130(TC的高溫下將原料碳熔融在金屬溶劑中并且通過溫差法使原料碳在金屬溶劑中的種晶上生長而形成的合成單晶金剛石。將單晶金剛石11放置在厚度為3mm的玻璃基板12上。使用輸出為7W的YAG激光振蕩器13作為激光振蕩器。由YAG激光振蕩器13生成的激光束17a是重復(fù)周期為3kHz的脈沖激光，其具有1064nm的基波波長。所生成的激光束17a的直徑由光束擴展器14增大五倍，由此提供直徑為10mm的激光束17b。折疊式反射鏡15將激光束17b的方向改變90°，并且非球面透鏡16會聚該激光束17b。然后，利用激光束17b照射單晶金剛石11的預(yù)定位置以進行切割(參照圖37，激光束沿著垂直于圖面的方向掃描并且切割工件)。非球面透鏡16由折射率為1.44963099@1064nm的合成石英制成。非球面透鏡16的焦距為50.18mm，并且利用厚度為1064nm的AR(增透)膜對非球面透鏡的表面進行處理。表II示出了非球面透鏡16的其他規(guī)格。在表II中，附圖標記D表示透鏡直徑(mm)，CA表示透鏡有效直徑(mm)，CT表示透鏡中心厚度(mm)，ET表示透鏡邊緣厚度(mm)，A2A2。表示非球面系數(shù)。D30CA25CT10ET6.87A2-1.94362778632000E-02A4-4.23897523122300E-06A69.35323567885700E-09A8-5.64949597661100E-11Aio-1.33458247423900E-13A125.54141910024600E-15A14-5.15461557614000E-17A162.63319077719600E-19A18-7.51740724741500E-22A209.40654471362200E-25可以由如下式1來表示非球面透鏡的曲面。[式1]10在式1中，附圖標記r表示沿透鏡徑向的距離(透鏡半徑)。由于透鏡具有中心對稱性，因此第奇數(shù)階的系數(shù)為0。因此，僅可得到第偶數(shù)階的非球面系數(shù)。比較例與實例的不同之處在于使用焦距為50.18的平凸透鏡(其表面用厚度為1064nm的AR膜進行處理)以取代非球面透鏡16。其他結(jié)構(gòu)與實例類似，進而切割單晶金剛石ll。圖38和39示出了在實例和比較例中切割的單晶金剛石的截面。在圖38和39中，(a)是從切割表面的前側(cè)即當沿著圖37中的箭頭X所示方向看去時的說明圖，且(b)是從切割表面的橫側(cè)即當從圖37的圖面近側(cè)看去時的說明圖。在圖38和39中，從箭頭Y所示的方向發(fā)出激光束。通過圖38中的(a)與圖39中的(a)之間的比較發(fā)現(xiàn)，在利用非球面透鏡16會聚激光束的實例中，在激光出射側(cè)的截面lla處幾乎未出現(xiàn)異常，而在利用傳統(tǒng)的平凸透鏡會聚激光束的比較例中，在激光出射側(cè)出現(xiàn)明顯的崩裂18。此外，通過圖38中的(b)與圖39中的(b)之間的比較發(fā)現(xiàn)，在實例中在切割表面llb未出現(xiàn)鈍化或錐度，而在比較例中出現(xiàn)鈍化19(在激光入射側(cè)和出射側(cè))和錐度20(激光入射側(cè))。此外，關(guān)于加工速度，在實例中用120秒完成對單晶金剛石11的切割，而在比較例中切割用時150秒。在實例中，以約為比較例的加工速度的1.4倍的加工速度進行切割。權(quán)利要求1.一種以預(yù)定的焦距會聚由激光源生成的激光束的聚光光學系統(tǒng)，其中，所述聚光光學系統(tǒng)產(chǎn)生球面像差。2.如權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)，其中，滿足如下表達式(a)和(b):(a)|Z8|>0.R或IZhD0.05X，并且(b)Z8/Z15>3或Z8/Z15<1,其中，X是波長，Z8是波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中與第三階球面像差對應(yīng)的第八項系數(shù)，Z,5是波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中與第五階球面像差對應(yīng)的第十五項系數(shù)。3.如權(quán)利要求2所述的聚光光學系統(tǒng)，其中，還滿足如下表達式(c)和(d):(c)|Z8|<1.4X，并且(d)|Z15|<0.5L4.如權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)，其中，所述聚光光學系統(tǒng)是單個非球面透鏡或單個衍射聚光透鏡。5.如權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)，其中，所述聚光光學系統(tǒng)是復(fù)合光學系統(tǒng)。6.如權(quán)利要求5所述的聚光光學系統(tǒng)，其中，所述復(fù)合光學系統(tǒng)包括具有聚光功能的第一光學裝置和具有球面像差產(chǎn)生功能的第二光學裝置。7.如權(quán)利要求6所述的聚光光學系統(tǒng)，其中，所述第二光學裝置是非球面相位板或衍射相位板。8.如權(quán)利要求6所述的聚光光學系統(tǒng)，還包括激光束偏轉(zhuǎn)裝置，其是多面鏡或檢流計反射鏡，其中，所述第一光學裝置是fe透鏡。9.一種激光加工方法，其包括通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)利用激光束照射材料來加工所述材料的步驟，其中，表示所述激光束的聚光性的MM直為M2<2，并且所述激光束的波長X為100nm《<20000nm，并且所述激光束沿光軸方向的峰值功率密度變化關(guān)于通過所述聚光光學系統(tǒng)的激光束的焦點位置非對稱。10.如權(quán)利要求9所述的激光加工方法，其中，所述激光束的峰值功率密度變化成使得Xl/X2處在1<X1/X2《10的范圍內(nèi)，其中XI是當所述激光束的峰值功率密度關(guān)于作為中心軸的所述焦點位置而下降到半峰值時與所述焦點位置的距離中的較大者，X2是當所述激光束的峰值功率密度關(guān)于作為中心軸的所述焦點位置而下降到半峰值時與所述焦點位置的距離中的較小者。11.如權(quán)利要求IO所述的激光加工方法，其中，利用所述激光束切割所述材料，所述激光束的峰值功率密度變化為關(guān)于所述焦點位置非對稱，以使得X2位于透鏡側(cè)并且XI位于透鏡遠側(cè)。12.—種激光加工裝置，其通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)利用激光束照射材料來加工所述材料，其中，表示所述激光束的聚光性的M"直為M2<2，并且所述激光束的波長X為100nm<X<20000nm，并且其中，所述激光束沿光軸方向的峰值功率密度變化關(guān)于通過所述聚光光學系統(tǒng)的激光束的焦點位置非對稱。13.—種脆性材料坯件的制造方法，其包括通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光光學系統(tǒng)利用激光束照射脆性材料并且加工所述材料的步驟，其中，表示所述激光束的聚光性的M"直為M2<2，并且所述激光束的波長X為100nm4〈20000nm，并且其中，所述激光束沿光軸方向的峰值功率密度變化關(guān)于通過所述聚光光學系統(tǒng)的激光束的焦點位置非對稱。14.如權(quán)利要求13所述的脆性材料坯件的制造方法，其中，所述脆性材料是單晶金剛石、聚晶金剛石、燒結(jié)立方氮化硼、復(fù)合燒結(jié)體或硬質(zhì)合金，所述復(fù)合燒結(jié)體包括立方氮化硼層和硬質(zhì)合金層。全文摘要本發(fā)明公開了一種聚光光學系統(tǒng)，該聚光光學系統(tǒng)具有小尺寸的會聚光斑和大的焦深而不會引起會聚光斑的強度下降和在焦點位置的前后區(qū)域強度分布不連續(xù)的問題。該聚光光學系統(tǒng)以預(yù)定的焦距會聚由激光源生成的激光束并且設(shè)計成滿足表達式(a)～(d)，由此產(chǎn)生第三階和第五階球面像差(a)|Z₈|≥0.1λ或|Z₁₅|≥0.05λ，(b)Z₈/Z₁₅≥3或Z₈/Z₁₅＜1，(c)|Z₈|＜1.4λ，并且(d)|Z₁₅|＜0.5λ，其中，λ是波長，Z₈是波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中與第三階球面像差對應(yīng)的第八項系數(shù)，Z₁₅是波前像差的澤尼克條紋多項式系數(shù)中與第五階球面像差對應(yīng)的第十五項系數(shù)。文檔編號B23K26/08GK101541468SQ20078004432公開日2009年9月23日申請日期2007年11月29日優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日發(fā)明者小林豐,布施敬司,綿谷研一申請人:住友電氣工業(yè)株式會社;住友電工硬質(zhì)合金株式會社