JP7384349B2

JP7384349B2 - レーザ照射方法及びレーザ照射装置

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Publication number: JP7384349B2
Application number: JP2022006521A
Authority: JP
Inventors: 進野田; かおり臼田
Original assignee: Amada Co Ltd; Kyoto University NUC; Amada Weld Tech Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd; Kyoto University NUC; Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2042-01-19
Also published as: EP4467274A1; KR20240115325A; WO2023140217A1; EP4467274A4; CN118695916A; US20250093631A1; JP2023105595A

Description

本発明は、レーザ照射方法及びレーザ照射装置に関する。

レーザ光とはんだとを使用して、半導体チップ等の電子部品をプリント基板にはんだ付けする技術が知られている。特許文献１には、電子部品をプリント基板にはんだ付けする方法が記載されている。

特許文献１の方法では、例えば、ＹＡＧレーザ等のレーザ光が、レーザ発振器から光ファイバを通じてレーザ照射部に入射される。入射されたレーザ光は、偏向ミラーによって向きを変更されて、プリント基板上を等速度で走査する。プリント基板におけるレーザ光の走査軌跡上の箇所には、電子部品がはんだ付けされる複数のはんだ付けポイントが配置されている。各はんだ付けポイントでは、Ｑスイッチによりレーザ光の出力がオンされてレーザ光が照射される。各はんだ付けポイントへのレーザ光の照射により、電子部品がプリント基板にはんだ付けされる。

特開昭６３－１６８０８６号公報

特許文献１の方法では、ＹＡＧレーザが例示されているが、偏向ミラーを用いない場合、一般的なレーザはんだ装置では、ファブリペロー共振器を用いたダイオードレーザ（半導体レーザ）がレーザ光源に用いられる。ファブリペロー共振器から放射されるレーザ光は、レーザ光の射出径及びビーム拡がり角が縦方向と横方向とで異なるので、楕円形状のビーム断面となる。そこで、ダイオードレーザに光ファイバをカップリングしたファイバ結合ダイオードレーザ（ＦＣＬＤ：Fiber Coupled Laser Diode ）によって、レーザ光のビーム断面を円形に整形している。

一般的なレーザはんだ付け装置では、ＹＡＧレーザの他に、ファイバレーザのポンプ光源であるダイオードレーザを使ったダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）も、加工用のレーザ光源として市場に出回っている。ビーム整形用の光ファイバの終端から射出された先拡がり状のレーザ光を、偏向ミラーよりも光ファイバ側の箇所で、コリメートレンズによりコリメート光に変換する。コリメートレンズでコリメートしたレーザ光は、集束レンズで集束されて、はんだ付け箇所に照射される。集束レンズで集束されるレーザビームのエネルギ密度は、コリメートレンズによるコリメートの前後を通じてガウシアン分布となる。はんだ付け箇所では、高いエネルギ密度のレーザビームを照射する必要があるので、集束レンズには、ガウシアン分布のエネルギ密度を有するレーザビームのビーム径を小さく絞る焦点距離の短いものが用いられる。焦点距離の短い集束レンズでビーム径を絞ったレーザビームのレイリー長は、集束レンズの焦点距離に応じて短い長さとなる。

レーザビームのレイリー長が短いと、はんだ付け箇所の位置が正規の位置から高さ方向にずれた場合に、必要なエネルギ密度のレーザビームをはんだ付け箇所に照射できなくなる。はんだ付け箇所の位置は、例えば、プリント基板の反りが原因で、正規の位置から高さ方向にずれることがある。プリント基板に事前に配置されたはんだの盛り状態等によって、はんだ付け箇所の位置が正規の位置から高さ方向にずれることもある。はんだ付け箇所の位置が高さ方向にずれて、レーザビームを照射したい位置が、集束させたレーザビームのレイリー長の範囲内の位置にならなくなると、必要なエネルギ密度のレーザビームをはんだ付け箇所に照射できなくなる。

本発明の１つの態様によるレーザ照射方法は、
フォトニック結晶面発光レーザ素子から射出されるレーザビームを、空間伝搬により集束レンズに入射させ、
前記集束レンズにより集束された前記レーザビームを、前記レーザビームの光軸方向における前記レーザビームのビームウエスト位置に拘わらずレイリー長範囲内のいずれかの照射位置において、前記レーザビームの照射対象物に照射する。

本発明の１つの態様によるレーザ照射装置は、
レーザビームを射出するフォトニック結晶面発光レーザ素子と、
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子から射出される前記レーザビームの、空間伝搬による光伝送路において、前記レーザビームを集束レンズにより集束するレーザヘッドと、
前記レーザビームの照射対象物に対する前記集束レンズの、前記レーザビームの光軸方向に沿った相対移動により、前記レーザビームの前記光軸方向におけるビームウエスト位置に拘わらずレイリー長範囲内のいずれかの照射位置において、前記レーザビームを前記照射対象物に照射させる移動機構と、
を備える。

本発明の１つの態様では、フォトニック結晶面発光レーザ素子から射出されるレーザビームが、集束レンズで集束され、レイリー長範囲内のいずれかの照射位置において、照射対象物に照射される。フォトニック結晶面発光レーザ素子から射出されるレーザビームは、ビーム径方向においてガウシアン波形の強度分布を有しており、ワット級の素子サイズになると、光軸方向におけるビーム拡がり角が実質的になくコリメートされている。このため、フォトニック結晶面発光レーザ素子から射出されるレーザビームをコリメートレンズによりコリメートする必要がない。コリメートレンズが不要になるので、コリメートレンズにレーザビームを入射させる光伝送路が不要となり、空間伝搬によってレーザビームを集束レンズに入射させることができる。

一般的に、ガウシアン波形の強度分布を有するレーザビームは、例えコリメート光と言えども、レーザ光源からレーザビームの光軸方向に遠ざかるほど、自然に放射し発散する。ガウシアン波形の裾部分、つまり、レーザビームのビーム径方向における周縁部では、レーザビームの強度が低いため、レーザ光源から光軸方向に遠ざかるほどレーザビームが減衰する。しかしながら、本開示におけるレーザはんだ付け装置のレーザ光の伝搬距離では、コリメート光は実質的に発散したり減衰したりしない。

また、レーザ光源におけるレーザビームの放射領域の面積が拡がれば、回折効果が抑制されて平面波により近づくため、実質的に、光軸方向におけるビーム拡がり角がないコリメート光となる。

つまり、フォトニック結晶面発光レーザ素子の放射領域の面積がコリメート光の面積となるため、集束レンズで集束されたレイリー長は、一般的なレーザはんだ付け装置のものと比較して長くできる。

本発明の１つの態様に係るレーザ照射方法及びレーザ照射装置によれば、レーザビームの光軸方向における広い範囲の位置において、照射対象物にレーザビームを必要なエネルギ密度で照射することができる。

図１Ａは、本発明の実施形態に係るレーザ照射装置の全体的な構成例を示す図である。図１Ｂは、図１Ａの集束レンズによる集束後のレーザビームのビームウエスト位置とレイリー長の位置との関係を示す図である。図２Ａは、図１Ａのレーザ照射装置におけるレーザ発振器内のフォトニック結晶面発光レーザ素子アレイの構成例を示す図である。図２Ｂは、図２Ａの各フォトニック結晶面発光レーザ素子の詳細な構成例を示す斜視図である。図３は、加工用のレーザ光源に用いるファブリペロー型ダイオードレーザによるレーザビームの射出原理を示す図である。図４Ａは、ファイバ結合ダイオードレーザをレーザ光源に用いた一般的なレーザはんだ付け装置による、プリント基板のはんだ付け動作の一例を示す図である。図４Ｂは、図４Ａのレーザはんだ付け装置において、ライン状のレーザビームによりプリント基板のはんだ付けを行う際の動作の一例を示す図である。図５Ａは、ファブリペロー型ダイオードレーザにおける光共振器の共振器長を大きくすることで、レーザビームの出力を増やす場合を示す図である。図５Ｂは、ファブリペロー型ダイオードレーザにおける発光部の幅を拡げることで、レーザビームの出力を増やす場合を示す図である。図５Ｃは、図４Ａのレーザはんだ付け装置においてファイバ結合ダイオードレーザが射出するレーザビームの集束光路の一例を示す図である。図６Ａは、ファイバ結合ダイオードレーザが射出するレーザビームをコリメートした後に集束レンズにより集束した場合の、集束レンズの焦点距離と集束したレーザビームのビーム径との関係の一例を示すグラフである。図６Ｂは、図６Ａに示す集束レンズの焦点距離と集束されたレーザビームのレイリー長との関係の一例を示すグラフである。図７は、図１Ａのレーザ照射装置において図２Ｂのフォトニック結晶面発光レーザ素子が射出するレーザビームの集束光路の一例を示す図である。図８Ａは、図２Ｂのフォトニック結晶面発光レーザ素子がフォトニック結晶により面内方向に光を閉じ込め、垂直方向に光を放射していることを示す図である。図８Ｂは、図２Ｂのフォトニック結晶面発光レーザ素子におけるレーザビームの放射面積を増大させて高出力化する例を示す図である。図９Ａは、図１Ａのレーザ照射装置において図２Ｂのフォトニック結晶面発光レーザ素子が射出するシングルモードのレーザビームを集束する集束レンズの焦点距離と集束したレーザビームのビーム径との関係の一例を示すグラフである。図９Ｂは、図９Ａに示す集束レンズの焦点距離と集束されたレーザビームのレイリー長との関係の一例を示すグラフである。図１０は、図１Ａのレーザ発振器が有する図２Ｂの２つのフォトニック結晶面発光レーザ素子がそれぞれ放射するレーザビームの光路の一例を示す図である。図１１は、図１０の２つのレーザビームの集束レンズによる焦点からの距離とビーム間隔との関係の一例を示すグラフである。図１２Ａは、図１０の２つのレーザビームを焦点距離が１２０ｍｍの１つの集束レンズで集束した場合のレイリー長の範囲における各レーザビームの位置を集束レンズの焦点面からの距離毎に示す図である。図１２Ｂは、図１０の２つのレーザビームを焦点距離が２００ｍｍの１つの集束レンズで集束した場合のレイリー長の範囲における各レーザビームの位置を集束レンズの焦点面からの距離毎に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。各図面を通じて同一あるいは同等の部位、又は構成要素には、同一の符号を付している。

以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置等を例示するものである。この発明の技術的思想は、各構成要素の材質、形状、構造、配置、機能等を下記のものに特定するものでない。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ照射方法を実施するレーザ照射装置を説明する。図１Ａは、本発明の実施形態に係るレーザ照射装置の全体的な構成例を示す図である。図１Ｂは、図１Ａの集束レンズによる集束後のレーザビームのビームウエスト位置とレイリー長の位置との関係を示す図である。図２Ａは、図１Ａのレーザ照射装置におけるレーザ発振器内のフォトニック結晶面発光レーザ素子アレイの構成例を示す図である。

図１Ａに示すように、実施形態に係るレーザ照射装置１００は、
レーザビームＬＢを射出する図２Ａのフォトニック結晶面発光レーザ素子１１０と、
フォトニック結晶面発光レーザ素子１１０から射出されるレーザビームＬＢの、空間伝搬による光伝送路２５，３０において、レーザビームＬＢを集束レンズ２７により集束するレーザヘッド２４と、
レーザビームＬＢの照射対象物Ｗに対する集束レンズ２７の、レーザビームＬＢの光軸方向に沿った相対移動により、レーザビームＬＢの光軸方向における図１ＢのビームウエストＢＷ位置に拘わらず図１Ｂのレイリー長Ｚ_Ｒの範囲内のいずれかの照射位置において、集束レンズ２７により集束されたレーザビームＬＢを照射対象物Ｗに照射させる移動機構２２，２３，２４と、
を備える。

以下、本発明の実施形態に係るレーザ照射装置１００の詳細について説明する。

図１Ａに示すレーザ照射装置１００は、レーザ光によって照射対象物にはんだ付けするレーザはんだ付け装置である場合の例とする。レーザ照射装置１００は、レーザ光によって照射対象物を切断加工するレーザ切断加工機、溶接加工するレーザ溶接加工機、照射対象物の表面を改質する表面改質装置、照射対象物にマーキングするマーキング装置であってもよい。

図１Ａに示すように、レーザ照射装置１００は、レーザ発振器１１と、レーザ加工ユニット１５と、レーザ発振器１１より射出されてレーザ加工ユニット１５へと伝送されるレーザビームＬＢを保護する保護ユニット３０とを備える。

レーザ発振器１１は、図２Ａのフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ：Photonic Crystal Surface Emitting Lasers）素子１１０（以下、「ＰＣＳＥＬ素子１１０」と略記する。）を備えている。ＰＣＳＥＬ素子１１０は、レーザビームＬＢを射出する。ＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢは、レーザビームＬＢのビーム径方向においてガウシアン波形の強度分布を有している。

また、レーザ光源におけるレーザビームの放射領域の面積が拡がれば、回折効果が抑制されて平面波により近づくため、実質的に、光軸方向におけるビーム拡がり角がないコリメート光となる。以下の説明では、この「実質的に、光軸方向におけるビーム拡がり角がないコリメート光」を、「コリメート光」又は「実質的なコリメート光」と言うものとする。

ＰＣＳＥＬ素子１１０が射出する、ガウシアン波形の強度分布を有するレーザビームＬＢは、図１Ａに示すように、集束レンズ２７により集束された後に、照射対象物Ｗに照射される。ガウシアン波形の強度分布を有するレーザビームＬＢが集束されると、図１Ｂに示すように、集束されたレーザビームＬＢの集束点におけるスポットサイズ（半径）Ｗ（Ｚ）は、光軸上のある点で最小値Ｗ_０をとる。集束されたレーザビームＬＢにおける、スポットサイズＷ（Ｚ）が最小値Ｗ_０となる点は、ビームウエストＢＷと呼ばれる。集束されたレーザビームＬＢのスポットサイズＷ（Ｚ）は、ビームウエストＢＷからレイリー長Ｚ_Ｒの位置において、ビームウエストＢＷにおけるレーザビームＬＢのスポットサイズＷ_０の√２倍となる。

ビームウエストＢＷからレイリー長Ｚ_Ｒの位置は、集束されたレーザビームＬＢの、ビームウエストＢＷの位置よりも図１Ａの集束レンズ２７側と集束レンズ２７とは反対側とにそれぞれ存在する。図１Ｂに示す、集束されたレーザビームＬＢの焦点深度ｂは、ビームウエストＢＷから集束レンズ２７側にレイリー長Ｚ_Ｒ離れた位置と、ビームウエストＢＷから集束レンズ２７とは反対側にレイリー長Ｚ_Ｒ離れた位置との距離となる。図１Ｂでは、ビームウエストＢＷから集束レンズ２７側にレイリー長Ｚ_Ｒ離れた位置を、インナーフォーカス位置Ｐｉとして示し、ビームウエストＢＷから集束レンズ２７とは反対側にレイリー長Ｚ_Ｒ離れた位置を、アウターフォーカス位置Ｐｏとして示している。集束されたレーザビームＬＢの集束点をビームウエストＢＷとする場合、レーザビームＬＢの断面積は、インナーフォーカス位置Ｐｉ及びアウターフォーカス位置Ｐｏにおいて、ビームウエストＢＷにおけるレーザビームＬＢの断面積の２倍になる。図１Ｂ中のθは、集束レンズ２７により集束されたレーザビームＬＢの発散角を示す。

以下の説明により開示される本発明のレーザ照射方法及びレーザ照射装置では、図１Ａの集束レンズ２７により集束されたレーザビームＬＢのうち、図１ＢのビームウエストＢＷからレイリー長Ｚ_Ｒの範囲内を、照射対象物Ｗのはんだ付けにおける使用範囲とする。

図２Ａでは、レーザ発振器１１が複数のＰＣＳＥＬ素子１１０を備えている場合を示している。複数のＰＣＳＥＬ素子１１０は、２次元のアレイ状に配置することができる。２次元のアレイ状の配置は、図２Ａに示す正方格子形状でもよく、例えば、六方格子、三角格子、直交格子等の他の格子形状、あるいは、同心円状でもよい。

図２Ａに示す例では、同一基板の複数個のＰＣＳＥＬ素子１１０が共通の回路基板１１１上に実装されている。複数のＰＣＳＥＬ素子１１０を共通の回路基板１１１上に実装すると、各ＰＣＳＥＬ素子１１０を電気的に並列駆動にすることができる。各ＰＣＳＥＬ素子１１０を電気的に並列駆動することで、各ＰＣＳＥＬ素子１１０にレーザビームＬＢを同じ強度で射出させることができる。もっとも、各ＰＣＳＥＬ素子１１０の個体差を調整するために、各ＰＣＳＥＬ素子１１０の入力電流を個別に調整できる構成としてもよい。その場合は同一基板上にＰＣＳＥＬを実装せずともよく、個別の基板に実装してもよい。

回路基板１１１は、図２Ａ中に破線で示すように、複数に分割してもよい。回路基板１１１を複数に分割する場合は、個別の回路基板１１１にそれぞれ実装された複数のＰＣＳＥＬ素子１１０が、２次元のアレイ状に配置される。各ＰＣＳＥＬ素子１１０を個別の回路基板１１１に実装すると、各ＰＣＳＥＬ素子１１０の入力電流を個別に設定することもできる。各ＰＣＳＥＬ素子１１０の入力電流を個別に設定すれば、各ＰＣＳＥＬ素子１１０がそれぞれ射出するレーザビームＬＢの強度を、各レーザビームＬＢの照射箇所に応じて調整することができる。

レーザ発振器１１が備える複数のＰＣＳＥＬ素子１１０は、１次元のアレイ状に配置されたものであってもよい。レーザ発振器１１が備えるＰＣＳＥＬ素子１１０は、複数でなく単一であってもよい。レーザ発振器１１が備えるＰＣＳＥＬ素子１１０の数及び配置は、例えば、照射対象物における、レーザビームＬＢの照射によりはんだ付け等の加工を行う箇所のレイアウトに応じて決定することができる。

図２Ｂは、図２Ａの各ＰＣＳＥＬ素子１１０の詳細な構成例を示す斜視図である。図２Ｂに示すように、ＰＣＳＥＬ素子１１０は、基板１１２、ｎ型クラッド層１１３、活性層１１４、キャリアブロック層１１５、フォトニック結晶層１１６、ｐ型クラッド層１１７、ｐ型コンタクト層１１８、裏面電極１１９を積層して構成されている。図２Ｂでは、フォトニック結晶層１１６の構造を見やすくするために、キャリアブロック層１１５とフォトニック結晶層１１６とを離間させて示している。

ｐ型クラッド層１１７とｐ型コンタクト層１１８との間には、不図示の分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector ）層が設けられている。分布ブラッグ反射層は、裏面電極１１９側に向かう光を出射方向に反射させる。フォトニック結晶層１１６には複数の空孔１２１が形成されている。

基板１１２の表面には、リング形状の窓状電極１２２が設けられている。窓状電極１２２の内側には、無反射（ＡＲ：Anti Reflection ）コート層による窓部１２３が設けられている。窓部１２３は、ＰＣＳＥＬ素子１１０におけるレーザビームＬＢの射出面となる。

各ＰＣＳＥＬ素子１１０では、裏面電極１１９及び窓状電極１２２間の通電により活性層１１４で発生した光が、この光に対して束縛作用を示すフォトニック結晶層１１６の空孔１２１において、９０゜又は１８０゜の方向に回折される。フォトニック結晶層１１６の内部には、回折光同士の干渉により結晶方向に沿った定在波が発生する。

空孔１２１内での光の回折は、フォトニック結晶層１１６の平面内の方向だけでなく、この平面と直交する方向でも生じる。

フォトニック結晶層１１６から取り出される光のうち、基板１１２側に進行する光は、窓状電極１２２の内側の窓部１２３を透過しＰＣＳＥＬ素子１１０の外に放射される。フォトニック結晶層１１６から取り出される光のうち、裏面電極１１９側に進行する光は、分布ブラッグ反射層で反射される。分布ブラッグ反射層で反射された光は、基板１１２側に進行する光と共に窓部１２３を透過し、ＰＣＳＥＬ素子１１０の外に放射される。ＰＣＳＥＬ素子１１０の窓部１２３から放射される光は、コヒーレント光となる。

各ＰＣＳＥＬ素子１１０は、窓部１２３から放射されるコヒーレント光をレーザビームＬＢとして射出する。各ＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢは、ワット級では実質的なコリメート光である。各ＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢは、ビーム径方向においてガウシアン波形の強度分布を有している。

図１Ａのレーザ発振器１１は、通電されたＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢを出力する。複数のＰＣＳＥＬ素子１１０が通電されてレーザビームＬＢを射出する場合、レーザ発振器１１が出力するレーザビームＬＢはマルチビームとなる。

レーザ加工ユニット１５は、加工テーブル２１と、Ｘ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２３に固定された加工ヘッド２４と、レーザ発振器１１から加工ヘッド２４に伝搬されるレーザビームＬＢの保護ユニット３０とを有する。レーザビームＬＢにより加工する加工対象のプリント基板Ｗは、加工テーブル２１に載せられる。

Ｘ軸キャリッジ２２は、門形に形成されており、プリント基板Ｗを跨いで加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。Ｘ軸キャリッジ２２、Ｙ軸キャリッジ２３は、ノズル２６を含む加工ヘッド２４の全体を、加工テーブル２１上のプリント基板Ｗに対してプリント基板Ｗの面に沿ってＸ軸方向、Ｙ軸方向、又は、Ｘ軸とＹ軸との任意の合成方向に、相対的に移動させることができる。

なお、加工ヘッド２４をプリント基板Ｗの面に沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる代わりに、加工ヘッド２４の位置を固定し、プリント基板Ｗ又はプリント基板Ｗが搭載された加工テーブル２１がＸ軸方向及びＹ軸方向に移動するように構成してもよい。

レーザヘッドとしての加工ヘッド２４は、保護ユニット３０内を伝搬されたレーザビームＬＢを反射するベンドミラー２５と、ベンドミラー２５で反射されたレーザビームＬＢを加工テーブル２１のプリント基板Ｗに射出するノズル２６とを有している。加工ヘッド２４は、ベンドミラー２５で反射されたレーザビームＬＢを集束しノズル２６から射出させる集束レンズ２７をさらに有している。集束レンズ２７は、加工ヘッド２４内において、Ｘ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向に移動自在に構成されている。

なお、集束レンズ２７を加工ヘッド２４内でＺ軸方向に移動させる代わりに、集束レンズ２７は加工ヘッド２４内で位置が固定され、プリント基板Ｗ又はプリント基板Ｗが搭載された加工テーブル２１がＺ軸方向に移動するように構成されていてもよい。

Ｘ軸キャリッジ２２、Ｙ軸キャリッジ２３及び加工ヘッド２４は、照射対象物であるプリント基板Ｗを加工ヘッド２４に対して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に相対的に移動させる移動機構として機能する。すなわち、レーザ照射装置１００は、プリント基板Ｗの面に対して加工ヘッド２４を相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。

保護ユニット３０は、蛇腹状の光路カバー３１でレーザ発振器１１と連結されたミラー収納部３２と、蛇腹状の光路カバー３４でミラー収納部３２と連結されたミラー収納部３５とを有している。ミラー収納部３２にはＸ軸ベンドミラー３３が収納されており、ミラー収納部３５にはＹ軸ベンドミラー３６が収納されている。

光路カバー３１は、レーザ発振器１１のＰＣＳＥＬ素子１１０が射出しＸ軸ベンドミラー３３に向かうレーザビームＬＢを外部の要素から保護する。光路カバー３４は、Ｘ軸ベンドミラー３３が反射しＹ軸ベンドミラー３６に向かうレーザビームＬＢを外部の要素から保護する。Ｙ軸ベンドミラー３６が反射したレーザビームＬＢは、加工ヘッド２４のベンドミラー２５により反射されて、加工ヘッド２４のノズル２６から加工テーブル２１に向けて射出される。

保護ユニット３０では、レーザビームＬＢが、Ｘ軸ベンドミラー３３、Ｙ軸ベンドミラー３６及びベンドミラー２５での反射を除いて、レーザ発振器１１から加工ヘッド２４の集束レンズ２７まで空間伝搬により伝送される。この空間伝搬は、分光、集束、及び、光伝送路による伝送を伴わない無線伝送によって行われる。保護ユニット３０は、レーザ発振器１１と加工ヘッド２４とを蛇腹状の光路カバーで直接つなげるものであってもよい。この場合、ミラー収納部３２、３５、Ｘ軸ベンドミラー３３、及び、Ｙ軸ベンドミラー３６は省略可能である。

以上の構成によって、レーザ照射装置１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザビームＬＢを保護ユニット３０によって加工ヘッド２４へと伝送させ、高エネルギ密度の状態でプリント基板Ｗに照射して、プリント基板Ｗに対するはんだ付けを行う。

はんだ付けを始めとする加工用のレーザ光源は、ＣＯ２の気体レーザから、ＹＡＧ（イットリウムとアルミニウムとの複合酸化物によるガーネット構造の結晶）、スラブレーザ等の固体レーザ、ファイバレーザへと変遷している。また、ファイバレーザのポンプ光源であるダイオードレーザを使ったダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）も、加工用のレーザ光源として市場に出回っている。

ＤＤＬとしては、例えば、ファブリペロー型ダイオードレーザが存在する。図３は、加工用のレーザ光源に用いるファブリペロー型ダイオードレーザによるレーザビームの射出原理を示す図である。

図３に示すファブリペロー（Fabry-Perot 、以下、「ＦＰ」と略記する。）型ダイオードレーザ２００では、図中の左右端面２０１，２０２をミラーとして、両ミラー間を光が往復する光共振器を構成している。レーザビームＬＢ１が射出する右端面２０２の発光部２０３は細長いライン形状であり、例えば、横１００μｍ程度、縦１μｍ未満の寸法となる。発光部２０３から射出されるレーザビームＬＢ１の発散角は、例えば、横に全角１０度、縦に全角６０度である。このため、ＦＰ型ダイオードレーザ２００が射出するレーザビームＬＢ１のビーム品質は、縦方向と横方向とで大きく異なる。

以上から、加工用のレーザ光源にＦＰ型ダイオードレーザ２００を用いると、射出後のビーム形状を整形するために複雑な光学系が必要となる。また、加工用のレーザ光源にＦＰ型ダイオードレーザ２００を用いる場合は、エネルギ密度の分布が均一となるようにレーザビームＬＢ１を集束することが必要になる。

ビーム形状及びエネルギ密度の分布の各問題は、ＦＰ型ダイオードレーザ２００の発光部２０３から射出されたレーザビームＬＢ１を光ファイバに入力し、ファイバ結合ダイオードレーザ（以下、「ＦＣＬＤ」と略記する。）を構成することで、解決を図っている。ＦＣＬＤでは、光ファイバ内を伝送される間に、レーザビームＬＢ１を円形状のビーム断面に整形し、且つレーザビームＬＢのエネルギ密度の分布を均一にすることができる。

図４Ａは、ＦＣＬＤをレーザ光源に用いた一般的なレーザはんだ付け装置による、プリント基板のはんだ付け動作の一例を示す図である。図４Ｂは、図４Ａのレーザはんだ付け装置において、ライン状のレーザビームによりプリント基板のはんだ付けを行う際の動作の一例を示す図である。

ＦＣＬＤの光ファイバの端面から射出されるレーザビームは、ビーム断面の径が次第に大きくなる発散光となる。発散光を射出するＦＣＬＤをレーザ光源に用いたレーザはんだ付け装置では、図４Ａに示すように、ＦＣＬＤの光ファイバＬＦの端面から射出される発散光のレーザビームＬＢ１を、加工ヘッド２０４のコリメートレンズ２０５でコリメートする。コリメート後のレーザビームＬＢ１は、集束レンズ２０６で集束して、プリント基板Ｗにおける電装部品Ｄ１の端子のはんだ付けポイントＰ１に配置した不図示のはんだに照射する。

両サイドに端子がある電装部品Ｄ１をはんだ付けする場合、両サイドの端子を同時にはんだ付けポイントＰ１にはんだ付けしないと、片方のサイドだけ先にはんだ付けされた電装部品Ｄ１が片持ち固定され、プリント基板Ｗに対して傾いた姿勢となることがある。電装部品Ｄ１が傾くと、他の端子がプリント基板Ｗから離れて、はんだ付けポイントＰ１に端子をはんだ付けしにくくなってしまう。はんだ付けによる電装部品Ｄ１の傾きを回避するには、図４Ａに示すように、複数の加工ヘッド２０４からのレーザビームＬＢ１により、電装部品Ｄ１の両サイドの端子を同時にはんだ付けするのが効果的である。

電装部品Ｄ１の各サイドに複数の端子が存在する場合は、図４Ｂに示すように、各加工ヘッド２０４のコリメートレンズ２０５及び集束レンズ２０６の間にビーム整形素子２０７を配置し、ビーム整形素子２０７によりレーザビームＬＢ２をライン状に整形する。整形したライン状のレーザビームＬＢ２は、電装部品Ｄ１の各サイドの複数の端子に対応する複数のはんだ付けポイントＰ１に跨がって、はんだ付けポイントＰ１の不図示のはんだにそれぞれ照射する。

ところで、加工用途で使用するような高出力のＦＰ型ダイオードレーザ２００は、多くの縦モードが発振しており、発振スペクトルの波長幅は半値幅で２～４ｎｍに達する。また、高出力のＦＰ型ダイオードレーザ２００は、波長の温度依存が大きく、冷却部の温度変化、あるいは、出力の違いによる放熱量変化により、０．２５～０．３ｎｍ／℃の波長シフトが見られる。

図５Ａは、ＦＰ型ダイオードレーザ２００における光共振器の共振器長を大きくすることで、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２の出力を増やす場合を示す図である。図５Ｂは、ＦＰ型ダイオードレーザ２００における発光部２０３の幅を拡げることで、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２の出力を増やす場合を示す図である。

ＦＰ型ダイオードレーザ２００では、図５Ａに示すように、光共振器長を大きくするか、図５Ｂに示すように、発光部２０３の横幅を拡げることで、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２の出力を増やすことができる。

しかし、光共振器長を大きくすると、発光部２０３の幅が変わらないので発光部２０３から射出されるレーザビームの輝度が上がり、発光部２０３が光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic optical damage ）を起こすので、出力増には限界がある。また、発光部２０３の横幅を拡げると、縦方向よりも低い横方向のレーザビームのビーム品質がさらに低下し、また、レーザビームの集束やファイバへの入力が困難になる。

図５Ｃは、図４Ａのレーザはんだ付け装置においてＦＣＬＤが射出するレーザビームＬＢ１の集束光路の一例を示す図である。ＦＰ型ダイオードレーザ２００が射出するレーザビームＬＢ１は、コリメートレンズ２０５でコリメートされた後、集束レンズ２０６により集束されて、はんだ付けポイントＰ１に照射される。

コリメートレンズ２０５の焦点距離は、レンズ径による制限があるため、長くすることができない。必要なエネルギ密度がはんだ付けポイントＰ１で得られるように、はんだ付けポイントＰ１におけるレーザビームＬＢ１のビーム径を絞ることを優先する場合には、集束レンズ２０６の焦点距離を短くする必要がある。

集束レンズ２０６の焦点距離を短くすると、集束されたレーザビームＬＢ１のレイリー長が短くなる。レーザビームＬＢ１のレイリー長が短いと、例えば、プリント基板Ｗの反り等ではんだ付けポイントＰ１の位置がＺ軸方向にずれた場合に、はんだ付けポイントＰ１の位置がレーザビームＬＢ１のレイリー長の範囲を外れやすくなる。

ところで、レーザビームＬＢ１のレイリー長とは、よく知られているように、レーザビームＬＢ１のビーム断面積が集束点におけるビーム断面積の２倍となる位置とレーザビームＬＢ１の集束点との間の距離のことを言う。つまり、レイリー長の範囲は、レーザビームＬＢ１のビームウエスト位置から集束レンズ２０６側のインナーフォーカス側と、集束レンズ２０６の反対側のアウターフォーカス側との両方に及ぶ。

レイリー長の焦点深度は、集束レンズ２０６によるレーザビームＬＢ１の集束径が集束点の√２倍以下となる範囲を指すので、レイリー長の焦点深度内では、レーザビームＬＢ１のエネルギ密度が、最大で、最も高い集束点のエネルギ密度の半分に低下する。レーザビームＬＢ１のレイリー長の範囲内は、必ずしもすべてのレーザ加工に適応できる焦点深度であるとは限らない。しかし、少なくとも、はんだ付けポイントＰ１でのはんだ付け加工にレーザビームＬＢ１を利用する際は、焦点深度をレイリー長とすることで、必要なエネルギ密度のレーザビームＬＢ１をはんだ付けポイントＰ１に照射することができる。

ところが、上述したように、はんだ付けポイントＰ１の位置がレーザビームＬＢ１のレイリー長の範囲を外れると、必要なエネルギ密度のレーザビームＬＢ１をはんだ付けポイントＰ１に照射できなくなり、はんだ付けを適切に行えなくなる。

図６Ａは、ＦＣＬＤが射出するレーザビームＬＢ１をコリメートした後に集束レンズ２０６により集束した場合の、集束レンズ２０６の焦点距離と集束したレーザビームＬＢ１のビーム径との関係の一例を示すグラフである。図６Ｂは、図６Ａに示す集束レンズ２０６の焦点距離と集束されたレーザビームＬＢ１のレイリー長との関係の一例を示すグラフである。

図６Ａでは、ＦＰ型ダイオードレーザ２００から射出された波長λ＝９４８ｎｍのレーザビームＬＢ１を光ファイバに入力した場合の、ＦＣＬＤが射出するレーザビームＬＢ１について示している。ＦＣＬＤの光ファイバは、コア径φ＝１００μｍ、開口数ＮＡ（Numerical Aperture）＝０．２であり、ＦＣＬＤが射出するレーザビームＬＢ１をコリメートするコリメートレンズ２０５は、焦点距離ｆ＝４０ｍｍである。

一般に、はんだ付けに使うレーザビームのビーム径は、１００～４００μｍ程度とされる場合が多い。図６Ａに示す関係から、レーザビームＬＢ１のビーム径を１００～４００μｍに絞るには、焦点距離が４０～１６０ｍｍの集束レンズ２０６を用いる必要がある。４０～１６０ｍｍの焦点距離の集束レンズ２０６で集束したレーザビームＬＢ１のレイリー長は、図６Ｂに示す関係から、最長でも４ｍｍ程度しかない。

図４Ａ又は図４Ｂのレーザはんだ付け装置では、はんだ付けポイントＰ１がＺ軸方向に数ｍｍずれただけでも、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２のレイリー長の範囲を外れて、必要なエネルギ密度のレーザビームＬＢ１，ＬＢ２をはんだ付けポイントＰ１に照射できなくなる。

一方、レーザはんだ付け装置におけるスペース上の要求を満たすことを優先すると、別の問題が発生する。図５Ｃに示すコリメートレンズ２０５のレンズ径、及び、レーザビームＬＢ１の光軸方向における光ファイバＬＦの端面からコリメートレンズ２０５までの距離には、スペース上の制約がある。このため、コリメートレンズ２０５の焦点距離の長さには上限が発生する。

また、コリメートレンズ２０５に焦点距離の長いレンズを使えないため、集束レンズ２０６に対して、必要なエネルギ密度がはんだ付けポイントＰ１で得られるように焦点距離を短くする要求が発生する。しかし、レーザビームＬＢ１の光軸方向における集束レンズ２０６のレンズ面から、集束レンズ２０６の焦点位置上のはんだ付けポイントＰ１までの距離（ワーキングディスタンスとも言われる）には、必要な間隔を確保するために下限が発生する。

よって、レーザはんだ付け装置におけるスペース上の要求を満たすことを優先すると、必要なエネルギ密度がはんだ付けポイントＰ１で得られるように、はんだ付けポイントＰ１におけるレーザビームＬＢ１のビーム径を十分に絞ることが、難しくなる。

図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂに示す本実施形態のレーザ照射装置１００では、レーザ発振器１１に用いたＰＣＳＥＬ素子１１０がシングルモードで発振している。例えば、放射領域φ１ｍｍのＰＣＳＥＬ素子１１０は、実質的にコリメート光で発振している。ＰＣＳＥＬ素子１１０がコリメート光をレーザビームＬＢとして射出することから、レーザビームＬＢをコリメートするコリメートレンズが不要となる。よって、レーザ照射装置１００におけるスペース上の要求を満たす上で、コリメートレンズの存在及び焦点距離を考慮する必要がなくなる。

図７は、図１Ａのレーザ照射装置１００において図２ＢのＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢの集束光路の一例を示す図である。ＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢは、集束レンズ２７により集束されて、プリント基板Ｗのはんだ付けポイントＰに照射される。

ＰＣＳＥＬ素子１１０がシングルモードで発振することから、ＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢのビーム品質は、ＦＣＬＤが射出する図４Ａ又は図４ＢのレーザビームＬＢ１，ＬＢ２のビーム品質よりも良くなる。このため、焦点距離の長い集束レンズ２７を用いても、プリント基板Ｗのはんだ付けポイントＰにおいて必要なエネルギ密度を得るのに十分なビーム径に、レーザビームＬＢを絞ることができる。

集束レンズ２０６よりも焦点距離が長いレンズを集束レンズ２７に使え、集束レンズ２７への入射ビーム径が小さいので、集束レンズ２７で集束されたレーザビームＬＢのコヒーレント光のレイリー長Ｚ_Ｒを長くし、レイリー長Ｚ_Ｒの範囲を拡げることができる。コヒーレント光のレイリー長Ｚ_Ｒの範囲が拡がるので、プリント基板Ｗの反り等によりはんだ付けポイントＰ１の位置がＺ軸方向にずれても、はんだ付けポイントＰ１の位置がコヒーレント光のレイリー長Ｚ_Ｒの範囲の外に外れにくくなる。このため、はんだ付けポイントＰ１の位置がＺ軸方向にずれても、はんだ付けポイントＰ１にレーザビームＬＢのコヒーレント光が必要なエネルギ密度で照射されやすくすることができる。

例えば、図２Ｂに示すＰＣＳＥＬ素子１１０では、負極（アノード）側の窓状電極１２２の内側の窓部１２３からレーザビームＬＢが射出される。例えば、窓部１２３の径がφ＝１ｍｍであり、集束レンズ２７の焦点距離がｆ＝１００ｍｍである場合、集束レンズ２７の焦点位置におけるレーザビームＬＢのビーム径はφ＝２００μｍとなる。集束レンズ２７に入射されるレーザビームＬＢは、ビーム径φ＝１ｍｍの小さなビーム径のコヒーレント光であるため、長いレイリー長Ｚ_Ｒを確保できる。集束レンズ２７の径を小さくできるため、集束レンズ２７の配置に必要な空間を最小限にできる。

図８Ａは、図２ＢのＰＣＳＥＬ素子１１０がフォトニック結晶により面内方向に光を閉じ込め、垂直方向に光を放射していることを示す図である。図８Ｂは、図２ＢのＰＣＳＥＬ素子１１０におけるレーザビームの放射面積を増大させて高出力化する例を示す図である。

図２ＢのＰＣＳＥＬ素子１１０に電流を注入すると、図８Ａに示すように、ＰＣＳＥＬ素子１１０の窓部１２３からレーザビームＬＢが射出される。窓部１２３から射出されたレーザビームＬＢは、窓状電極１２２の中心を通る中心軸に対して放射状に出射される。ＰＣＳＥＬ素子１１０は窓部１２３の面積に関係なくシングルモード発振することが可能なため、図８Ｂに示すように、レーザビームＬＢの出力を上げるためにレーザビームＬＢの放射面積を大きくすると、レーザビームＬＢのビーム拡がり角が逆に小さくなる。

レーザ照射装置１００ではワット級レベルの出力を必要とすることから、ＰＣＳＥＬ素子１１０の放射領域が大口径となり、それに応じてレーザビームＬＢのビーム拡がり角が小さくなる。よって、レーザ照射装置１００のＰＣＳＥＬ素子１１０では、コリメートレンズを使わなくても集束レンズ２７により、十分に小さなビーム径にレーザビームＬＢを集束させることができる。

なお、ＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢは、縦モード特性も優れているため、レーザビームＬＢの発振スペクトルは半値幅で０．１ｎｍ未満であり、温度による波長シフトも０．１ｎｍ／℃未満となる。このため、レーザビームＬＢの出力の変化によるレーザビームＬＢの波長の変化が小さい。また、シングルモード発振のＰＣＳＥＬ素子１１０は、ガウシアン波形の強度分布を有する円形のビーム形状となるので、射出後のレーザビームＬＢを光学的に制御しやすくすることができる。このため、ＰＣＳＥＬ素子１１０は、レーザビームＬＢの出力増にも容易に対応できる構成とすることができる。

図９Ａは、図１Ａのレーザ照射装置１００において図２ＢのＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するシングルモードのレーザビームＬＢを集束する集束レンズ２７の焦点距離と集束したレーザビームＬＢのビーム径との関係の一例を示すグラフである。図９Ｂは、図９Ａに示す集束レンズ２７の焦点距離と集束されたレーザビームＬＢのレイリー長Ｚ_Ｒとの関係の一例を示すグラフである。図９Ａでは、例えば、レーザビームＬＢの波長λ＝９４８ｎｍ、ビーム品質Ｍ２＝１．５、窓部１２３の径がφ＝１ｍｍであるＰＣＳＥＬ素子１１０について、集束レンズ２７の焦点距離と集束したレーザビームＬＢのビーム径との関係を示している。

ＰＣＳＥＬ素子１１０が射出するレーザビームＬＢは、シングルモードであるため品質が高く、発散角が小さい実質的なコリメート光なので、コリメートレンズでコリメートしなくても、小さいビーム径で集束レンズ２７に入射される。例えば、焦点距離が６０ｍｍ～１１０ｍｍの集束レンズ２７を使えば、図９Ａに示すように、集束レンズ２７の焦点位置におけるレーザビームＬＢのビーム径を、１００～２００μｍとすることができる。また、焦点距離が６０ｍｍ～１１０ｍｍの集束レンズ２７で集束したレーザビームＬＢのレイリー長Ｚ_Ｒは、図９Ｂに示す関係から、５～２０ｍｍとなる。

図１Ａのレーザ照射装置１００では、はんだ付けポイントＰがＺ軸方向に数ｍｍずれても、レーザビームＬＢのレイリー長Ｚ_Ｒの範囲内で、レーザビームＬＢをはんだ付けポイントＰに照射することができる。例えば、集束レンズ２７に焦点距離が１２０ｍｍの集束レンズ２７を用いた場合、図９Ｂに示す関係によれば、集束レンズ２７の焦点位置からＺ軸方向に２０ｍｍ以上ずれた位置でも、レーザビームＬＢのコヒーレント光のレイリー長Ｚ_Ｒの範囲から外れない。

既述した図５ＣのレーザビームＬＢ１のレイリー長と同じく、図１Ｂに示すレーザビームＬＢのレイリー長Ｚ_Ｒは、レーザビームＬＢのビーム断面積が集束点におけるビーム断面積の２倍となる位置とレーザビームＬＢの集束点との間の距離のことを言う。つまり、レイリー長Ｚ_Ｒの範囲は、レーザビームＬＢのビームウエストＢＷ位置から集束レンズ２７側のインナーフォーカス側と、集束レンズ２７の反対側のアウターフォーカス側との両方に及ぶ。

レイリー長Ｚ_Ｒの焦点深度ｂ内では、レーザビームＬＢのエネルギ密度が、最大で、最も高い集束点のエネルギ密度の半分に低下する。しかし、少なくとも、本実施形態のはんだ付け加工に本発明のレーザ照射方法及びレーザ照射装置を適用する範囲内では、焦点深度をレイリー長Ｚ_Ｒとすることで、必要なエネルギ密度のレーザビームＬＢをはんだ付けポイントＰに照射することができる。

なお、はんだ付けポイントＰがＺ軸方向にずれると、プリント基板Ｗに照射されるレーザビームＬＢの位置が、はんだ付けポイントＰの位置からＸ軸方向及びＹ軸方向の少なくとも一方にずれる場合がある。この場合は、レーザビームＬＢがはんだ付けポイントＰの位置に照射されるように、プリント基板Ｗと加工ヘッド２４との相対的な位置を調整する。

本実施形態のレーザ照射装置１００では、集束レンズ２７により集束されたレーザビームＬＢのレイリー長Ｚ_Ｒを長くし、広いレイリー長Ｚ_Ｒの範囲内において、プリント基板Ｗに加工用のレーザビームＬＢを必要なエネルギ密度で照射することができる。

なお、窓部１２３からレーザビームＬＢを射出させるＰＣＳＥＬ素子１１０は、回路基板１１１に実装した全てのＰＣＳＥＬ素子１１０としてもよく、一部のＰＣＳＥＬ素子１１０としてもよい。一部のＰＣＳＥＬ素子１１０だけにレーザビームＬＢを射出させる場合は、他のＰＣＳＥＬ素子１１０から射出された不要なレーザビームＬＢをシャッタにより遮光してもよい。あるいは、レーザビームＬＢの射出が不要なＰＣＳＥＬ素子１１０への電流注入を停止させてもよい。

例えば、プリント基板Ｗの１つのはんだ付けポイントＰにレーザビームＬＢを照射する場合は、はんだ付けポイントＰの位置に対応する１つのＰＣＳＥＬ素子１１０に限ってレーザビームＬＢを射出させることもできる。また、複数のはんだ付けポイントＰに同時にレーザビームＬＢを照射する場合は、各はんだ付けポイントＰに対応する複数のＰＣＳＥＬ素子１１０から同時にレーザビームＬＢを射出させることもできる。複数のＰＣＳＥＬ素子１１０がレーザビームＬＢを射出する場合は、複数のレーザビームＬＢによるマルチスポットビームが、プリント基板Ｗの各はんだ付けポイントＰに照射される。

全てのＰＣＳＥＬ素子１１０から同時にレーザビームＬＢを射出させた場合は、プリント基板Ｗに照射されるマルチスポットビームが、複数のＰＣＳＥＬ素子１１０の配置を集束レンズ２７による集束により縮小したパターンとなる。

ＰＣＳＥＬ素子１１０に電流を注入する回路基板１１１は、全てのＰＣＳＥＬ素子１１０に共通の単一の基板としてもよく、各ＰＣＳＥＬ素子１１０に個別に対応した複数の基板としてもよい。回路基板１１１を単一の基板とすれば、各ＰＣＳＥＬ素子１１０に同じ大きさの電流を注入するのに有利である。回路基板１１１を各ＰＣＳＥＬ素子１１０に個別に対応した複数の基板とすれば、各ＰＣＳＥＬ素子１１０によるレーザビームＬＢの出力を個別に制御するのに有利である。

各ＰＣＳＥＬ素子１１０は、裏面電極１１９の面積に応じた出力でレーザビームＬＢを射出することができる。リング状の窓部１２３は、例えば、裏面電極１１９の面積に応じた出力のレーザビームＬＢを遮らずに射出させる大きさとすることができる。各ＰＣＳＥＬ素子１１０の裏面電極１１９の面積を大きくし、窓部１２３を裏面電極１１９に合わせた面積とすることで、レーザビームＬＢの放射面積を増大させてレーザビームＬＢの出力を増やすことができる。

図１０は、図１Ａのレーザ発振器１１が有する図２Ｂの２つのＰＣＳＥＬ素子１１０がそれぞれ放射するレーザビームＬＢの光路の一例を示す図である。図１０の２つのＰＣＳＥＬ素子１１０がそれぞれ放射するレーザビームＬＢを、集束レンズ２７による集束後にプリント基板Ｗの２つの照射箇所にそれぞれ照射する場合は、レーザビームＬＢの間隔を照射箇所の間隔に合わせる必要がある。

レーザビームＬＢの間隔は、集束レンズ２７の焦点位置（Ｚ＝０ｍｍ）からＺ軸方向にどれだけずれた位置で、レーザビームＬＢがプリント基板Ｗの照射箇所に照射されるかによって異なる。また、レーザビームＬＢの間隔は、集束レンズ２７の焦点距離によっても変わる。

図１１は、図１０の２つのレーザビームＬＢの集束レンズ２７による焦点からの距離とビーム間隔との関係の一例を示すグラフである。図１０では、２つのレーザビームＬＢの交差する位置をＺ＝０ｍｍとした時、そこからインナーフォーカス（集束レンズ２７）側あるいはアウターフォーカス（集束レンズ２７とは反対側）側にＺｍｍずれた位置でのビーム間隔を示している。

例えば、プリント基板Ｗの照射箇所の間隔が６ｍｍである場合、集束レンズ２７の焦点距離が１２０ｍｍならば、焦点の位置（Ｚ＝０ｍｍ）から４０ｍｍほどずれた位置で、２つのレーザビームＬＢの間隔が６ｍｍとなる。集束レンズ２７の焦点距離が２００ｍｍならば、焦点の位置（Ｚ＝０ｍｍ）から６０ｍｍほどずれた位置で、２つのレーザビームＬＢの間隔が６ｍｍとなる。

そこで、焦点距離が１２０ｍｍの集束レンズ２７を使っている場合は、集束したレーザビームＬＢのレイリー長Ｚ_Ｒが４０ｍｍ以上であるかどうかを確認する。また、焦点距離が２００ｍｍの集束レンズ２７を使っている場合は、集束したレーザビームＬＢのレイリー長Ｚ_Ｒが６０ｍｍ以上であるかどうかを確認する。

レイリー長Ｚ_Ｒが比較対象の長さ以上である場合は、レーザビームＬＢの照射箇所を集束レンズ２７の焦点位置から集束レンズ２７の焦点距離に応じた距離だけずらすことで、照射箇所と同じ間隔で２つのレーザビームＬＢをプリント基板Ｗに照射できる。プリント基板Ｗをずらす方向は、インナーフォーカス側とアウターフォーカス側とのどちらでもよい。プリント基板Ｗの代わりに加工ヘッド２４をずらしてもよい。

図１２Ａは、図１０の２つのレーザビームＬＢを焦点距離が１２０ｍｍの１つの集束レンズ２７で集束した場合のレイリー長Ｚ_Ｒの範囲における各レーザビームＬＢの位置を集束レンズ２７の焦点面からの距離毎に示す図である。図１２Ｂは、図１０の２つのレーザビームＬＢを焦点距離が２００ｍｍの１つの集束レンズ２７で集束した場合のレイリー長Ｚ_Ｒの範囲における各レーザビームＬＢの位置を集束レンズ２７の焦点面からの距離毎に示す図である。

図１２Ａ及び図１２Ｂのどちらでも、プリント基板Ｗの位置を、レーザビームＬＢのレイリー長Ｚ_Ｒの範囲内で、集束レンズ２７の焦点面の位置からずらすことで、プリント基板Ｗの異なる位置において、レーザビームＬＢの照射によるはんだ付けを同時に行える。集束レンズ２７の焦点面の位置からずらしたプリント基板Ｗの位置は、インナーフォーカス側とアウターフォーカス側とのいずれでもよい。

図１Ａの集束レンズ２７による集束後のレーザビームＬＢのプリント基板Ｗに対する照射箇所は、図１ＢのビームウエストＢＷからインナーフォーカス位置Ｐｉまでの、図１Ａの集束レンズ２７側に存在するレイリー長Ｚ_Ｒの範囲内に限定してもよい。集束レンズ２７による集束後のレーザビームＬＢのプリント基板Ｗに対する照射箇所は、図１ＢのビームウエストＢＷからアウターフォーカス位置Ｐｏまでの、図１Ａの集束レンズ２７とは反対側に存在するレイリー長Ｚ_Ｒの範囲内に限定してもよい。

なお、レーザビームＬＢが一部重なる間隔となる位置では、プリント基板Ｗ上に、一部重なってライン状となったレーザビームＬＢを照射することもできる。

以上の実施形態は、レーザビームＬＢにより照射対象物に対して行う作業が、はんだ付けを始めとする加工作業である場合について説明した。しかし、レーザビームＬＢにより照射対象物に対して行う作業は、加工作業に限定されない。レーザビームＬＢにより照射対象物に対して行う作業は、例えば、顔認証システムにおける顔面検出、眼科診療におけるレーザ治療等であってもよい。

また、１つのＰＣＳＥＬ素子１１０がマルチビーム放射により複数の方向に同時にレーザビームＬＢを射出させてもよい。

以上に説明した構成により、
フォトニック結晶面発光レーザ素子から射出されるレーザビームを、空間伝搬により集束レンズに入射させ、
前記集束レンズにより集束された前記レーザビームを、前記レーザビームの光軸方向における前記レーザビームのビームウエスト位置に拘わらずレイリー長範囲内のいずれかの照射位置において、前記レーザビームの照射対象物に照射する、
レーザ照射方法の発明を開示することができる。

なお、レーザビームの照射位置は、集束レンズにより集束されたレーザビームのレイリー長の範囲内であればよい。したがって、レーザビームの照射位置は、ビームウエスト位置よりも集束レンズ側のインナーフォーカス位置、又は、ビームウエスト位置よりも集束レンズとは反対側のアウターフォーカス位置に設定されてもよい。アレイ状に配置された複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子からそれぞれ射出されたレーザビームが、複数の照射位置において照射対象物に照射されてもよい。レーザビームの照射位置は、アレイ状に配置された複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子からそれぞれ射出される複数のレーザビーム中の、レーザビームのビーム径方向において隣り合う２つのレーザビームの一部が重なる位置に設定されてもよい。

アレイ状に配置された複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子がそれぞれ射出するレーザビームの照射位置に対応して、複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子がそれぞれ射出するレーザビーム及び集束レンズのレンズ径が個別に設定されてもよい。

アレイ状に配置された複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子からそれぞれ射出される複数のレーザビームを、マルチスポットビームで照射対象物に照射してもよい。このマルチスポットビームは、複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子の配置を集束レンズによる集束により縮小したパターンとすることができる。複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子は、個別の回路基板上にそれぞれ実装されて１次元又は２次元のアレイ状に配置されてもよい。複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子は、単一の回路基板上に実装されていてもよい。複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子に対する入力は、個別に制御されてもよい。

２２Ｘ軸キャリッジ（移動機構）
２３Ｙ軸キャリッジ（移動機構）
２４加工ヘッド（レーザヘッド、移動機構）
２５ベンドミラー（光伝送路）
２７集束レンズ
３０保護ユニット（光伝送路）
１００レーザ照射装置
１１０フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）素子
ＢＷビームウエスト
Ｄ１電装部品
ＬＢレーザビーム
Ｐはんだ付けポイント
Ｐｉインナーフォーカス位置
Ｐｏアウターフォーカス位置
Ｗプリント基板（照射対象物）
Ｚ_Ｒレイリー長

Claims

複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子から射出される、レーザビームのビーム径方向において隣り合う複数のレーザビームを、空間伝搬により集束レンズに入射させ、
前記集束レンズにより集束された前記複数のレーザビームのそれぞれを、レーザビームの光軸方向におけるレイリー長の範囲内のいずれかの照射位置において、照射対象物に照射する、ことを含み、
前記レーザビームの光軸方向におけるレイリー長の範囲内に、前記複数のレーザビーム同士が間隔を空けて存在する領域が設けられている
レーザ照射方法。
前記集束レンズには、前記複数のレーザビーム同士が間隔を空けた状態で入射する
請求項１に記載のレーザ照射方法。
前記複数のレーザビームに対応する前記照射位置のそれぞれにおいて、前記複数のレーザビーム同士が間隔を空けて存在する
請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のレーザビームに対応する前記照射位置のそれぞれを、前記集束レンズの焦点位置から前記集束レンズの焦点距離に応じた距離だけずらすことで、前記照射対象物における複数の照射箇所と同じ間隔で前記複数のレーザビームを前記照射対象物に照射する
請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のレーザビームに対応する前記照射位置のそれぞれは、前記集束レンズにより集束された前記レーザビームの、ビームウエスト位置よりも前記集束レンズ側のインナーフォーカス位置、又は、前記ビームウエスト位置よりも前記集束レンズとは反対側のアウターフォーカス位置に設定される請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子は、１次元又は２次元状に配置される請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のレーザビームに対応する前記照射位置のそれぞれでは、前記複数のレーザビーム同士が部分的に重なる請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のレーザビームに対応する前記照射位置のそれぞれに対応して、前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子がそれぞれ射出する前記レーザビームが個別に設定される請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のレーザビームを、前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子の配置を前記集束レンズによる集束により縮小したパターンのマルチスポットビームで、前記照射対象物に照射する請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子は、個別の回路基板上にそれぞれ実装されて１次元又は２次元状に配置される請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子は、単一の回路基板上に実装されている請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子に対する入力を個別に制御する請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
複数のレーザビームを射出する複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子と、
前記複数のフォトニック結晶面発光レーザ素子から射出される、前記レーザビームのビーム径方向において隣り合う前記複数のレーザビームの、空間伝搬による光伝送路において、前記複数のレーザビームを集束レンズにより集束させるレーザヘッドと、
前記複数のレーザビームの照射対象物に対する前記集束レンズの、前記レーザビームの光軸方向に沿った相対移動により、前記レーザビームの光軸方向におけるレイリー長の範囲内のいずれかの照射位置において、前記集束レンズにより集束された複数のレーザビームを前記照射対象物に照射させる移動機構と、を備え、
前記レーザビームの光軸方向におけるレイリー長の範囲内に、前記レーザビームのビーム径方向において隣り合う２つのレーザビーム同士が間隔を空けて存在する領域が設けられているレーザ照射装置。