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JENar™ Fθ対物レンズ:中・高倍率アプリケーション用レーザー加工

JENar™ Fθ対物レンズは広範囲の材質における高精度マイクロ構築化、マーキング、ラベリングに使用することが出来ます。

Fθレンズ
JENar Fθ対物レンズは、キロワット範囲における中出力、高出力アプリケーションでのマイクロマシーニングに特に適してきます。標準対物レンズは紫外から可視、赤外のレーザー波長で使用できます。1080 ~ 266 ナノメートルの波長の対物レンズが同梱されています。

Jenoptik の標準型Fθ対物レンズは抜群の耐久性を提供し、高精度レーザー加工の実現を可能にします。対物レンズは広範囲の材質におけるマイクロ構造化、マーキング、ラベリングに使用することが出来ます。対物レンズには保護ガラスが付属しています。特別ご奉仕として、STEPファイルを提供しています。これにより、あらゆるシステムと JENar Fθ対物レンズの素早く簡単な統合を可能にします。

対物レンズはそれぞれ、標準化されたアプリケーション試験手順を経ます。これにより、連続生産を通じて高度に一貫した光学特性を達成しています。対物レンズの取り換えが簡単なので、ライフサイクル安定性が高まるというメリットもあります。

こうした標準設計品加えて、レーザービーム成形からレーザービームの拡張及び分割に至るまでのコンポーネントを使用して、個別のお客様用の完全なシステムも開発しています。ファイバーレーザーや短パルスレーザーなどの高出力アプリケーション向けに、当社専門家は純石英対物レンズを開発しました。Silverline™ Fθ製品シリーズです。

特長

  • 極めて高い耐久性:特殊な低汚染取り付け技術、接着剤と潤滑剤の使用回避、認証済みのクリーンルームでのアセンブリー
  • 高精度:広範囲の材質におけるマイクロ構造化、マーキング、ラベリングに最適
  • 柔軟性:あらゆる既存のシステムに素早く簡単に統合
  • カスタム設計:標準モデルとして、または個別の要件に適用させたモデルも提供しています。
  • 効率的:光学系アセンブリーの熱応力、機械適応力におけるFEM分析での節約
  • 系列の安定性:包括的な試験は現場での繰り返し性を保証

アプリケーション分野

  • マイクロエレクトロニクス:例: ガラスのマイクロ構造化など
  • セミコンダクター業界:例: マイクロマシーニングなど
  • 自動車業界構成部品の切断や構造など
  • 医薬:例: 治療用途におけるガーゼの除去など
  • 一般的なアプリケーション例: ガラスのマシーニング、バッテリー溶接など

製品の概要

Fθ対物レンズJENar™ 波長 発注番号 PDF
 03-90FT-125-1030...1080  1030...1080 nm  017700-003-26 データシート
 03-424FT-350-1030...1080  1030...1080 nm  017700-009-26 データシート
 100-1030...1080-93  1030...1080 nm  017700-024-26 データシート
 160-1030...1080-170  1030...1080 nm  017700-019-26 データシート
 170-1030...1080-170  1030...1080 nm  017700-018-26 データシート
 255-1030...1080-239  1030...1080 nm  017700-017-26 データシート
 347-1030...1080-354  1030...1080 nm  017700-022-26 データシート
 420-1030...1080-420  1030...1080 nm  017700-021-26 データシート
 03-75FT-100-532  532 nm  017700-202-26 データシート
 03-75FT-108-532  532 nm  017700-203-26 データシート
 100-532-90  532 nm  017700-209-26 データシート
 170-532-160  532 nm  017700-206-26 データシート
 255-532-233  532 nm  017700-205-26 データシート
 330-532-336  532 nm  017700-208-26 データシート
 420-532-420  532 nm  017700-207-26 データシート
 53-355-22  355 nm  017700-401-26 データシート

JENar™:欧州、中国、日本、シンガポールで商標登録済み  |  Silverline™:ドイツ、日本、シンガポールで商標登録済み
Fθ:欧州、中国、韓国、インド、シンガポールで意匠登録済み

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基本的な仕組み

Fθ対物レンズ

Jenoptik のFθ対物レンズはレーザー加工用に最適化されています。秀逸な高額性能を発揮するように設計されている一方、像面湾曲や歪曲の小ささ、回折限界の焦点サイズを示しています。他方で、Fθレンズは入ってくるレーザービームの角度 θ と、焦点が当てられたワーク上のスポットの画像高さ h 間の線形依存性を実現しています。比例係数は焦点距離 f です。関係を数学的に表現すると 

h = f Θ

このため、特殊レンズの名前が Fθ となりました。

アプリケーションの適合性

優れた光学的性能のメリットは容易に見て取れることが出来る一方で、Fθ 関連は微妙であり、ポリゴンスキャナーを考慮して理解するのが最適です。ポリゴンスキャナーは一定した角運動速度で回転します。例として、画像高さがタンジェントθに比例する場合、ワーク上のスポットの速度は角度が高まるにつれて上昇するため、物質に蓄積されたエネルギーが低下し、その結果として不均質なアプリケーション性能となることがあります。しかし、Fθの対物レンズはポリゴンの一定した角速度をワーク上のスポットの一定した速度に変換するため、 この問題は解消されます。

焦点距離

理論上の分類における焦点距離とは、2番目の基準面から 対物レンズの近軸焦点までの距離を言います。つまり、対物レンズに消失点までの距離があるとすると、理想的なレンズから商店までの距離が焦点距離となります。

アプリケーションの適合性

Fθ関係 h = f * θから、画像の高さは焦点距離に比例します。つまりアプリケーション面積を増やしたい場合は、焦点距離が大きいレンズを使用することが出来ます。しかしながら、同じスポットサイズを維持したい場合、焦点サイズの定義に応じて、レーザー入力ビームサイズを増大させる必要があります。その他の特性としては、レンズとワーク間の距離があります。この距離を増やすには通常、焦点距離を増やす必要があります。

 

スキャン範囲

2Dガルバノスキャナー使用時、鏡の角度を変更することでワーク上のレーザースポットが移動します。その後、JenoptikのFθレンズは平方スキャン範囲用に最適化され、この正方形がスキャン範囲の対角線として示されます。

アプリケーションの適合性

ガルバノミラーが平方スキャン範囲エリアに対応する角度よりも大きい角度に傾けられた場合、2つの大きな効果が見られます。1つ目は、光学性能が回折限界を超えて劣化すること、2つ目はレーザービームが対物レンズ内でクリッピングされる可能性があるということです。

スキャナーの構造

2Dガルバノスキャナーの構造は効率的なレンズの設計に取って極めて重要です。スキャン鏡面2つの間に衝突を避けるために所定の距離を保つ必要があるので、アプリケーション性能は回転対象ではありません。その代わり、XとYで2重鏡面対象を示します。鏡面間の距離はパラメーター a1 となります。2番目の鏡から対物レンズの縁までの距離はパラメーター a2で示されます。鏡の分離により物理的な瞳の原理は適用できません。そのため、2つの鏡面の間に配置したものが有効な瞳の役割を果たすものと定義されます。実際の瞳が存在しないため、結果として2Dガルバノスキャンシステムは完全にテレセントリックにはなり得ません。

アプリケーションの適合性

異なる光学的特性を備えた既存のFθレンズは、スキャナー構造を変更することで変更することができます。しかし、対物レンズ中にレーザービームクリッピングを作り出さないように注意することが大切です。例えば、対物レンズと実質的な瞳の間の距離を増やすと、テレセントリック性角度が変わります(通常減少します)。しかし、クリッピングを防ぐため、最大スキャン角度、つまり最大領域サイズを減少させる必要があります。

 

テレセントリック性

テレセントリック性はスキャン範囲端でのレーザービームの重心を表します。たとえば、光軸に対してビーム全体が傾いた量の事です。

アプリケーションの適合性

テレセントリックレンズは通常、全領域にかけてより均一な焦点サイズ分布を示します。また、テレセントリックレンズでは、ワークの焦点がぼけている際の「スケール保存」性が高くなります。例として、ワークがレンズから離されたものの、レーザービームのチルトが消える場合、スポット位置は変更しません。このことは穴あけのアプリケーションにおいて重要です。テレセントリック角度が小さいことによる直接的な効果は、レンズ直径が範囲の対角とほぼ同じになることです。そのため、テレセントリックレンズは通常、非テレセントリックレンズよりも高価となります。

スキャン角度

スキャン範囲に対応する全スキャン最大対角スキャン角度、つまり、最大角度を上回る対物レンズを使用する場合、ビームのクリッピングにつながります。

アプリケーションの適合性

Fθ関係より、大きなスキャン角度を採用することで範囲サイズを大きくすることが出来ます。この場合、ビームサイズが同一のまま留まるという利点があります。しかしながら、スキャン角度が大きい場合、Fθレンズのコスト効率的な設計に大きな問題を提示します。

 

入力ビーム径

迷光を制御するため、またレーザー加工アプリケーションでの光学系要素に必要とされるサイズを小さくするため、通常、強度が最大値の 1/e² に下がった場所における径で、入射ガウシアンレーザービームがクリッピングされます。対物レンズはこれらビームがどこにおいてもクリッピングされないようにビームが対物レンズを通過するように設計されています。

アプリケーションの適合性

入力ビーム径はスポットサイズ関係に逆比例して、スポットサイズに直接的に影響します。ビーム径が大きい場合、スポットサイズが小さくなり、その逆も当てはまります。最大許容ビームサイズを超えた径のビームを使用すると範囲端でビームがクリッピングされることにつながります(ビームクリッピング参照)。

焦点サイズ

集光時、σのスポットサイズは回折限界を超えることはできません。つまり、スポットサイズはレンズの収差に依存しなくなりますが、物理的プロパティ波長λ、入力ビーム径Ø、および焦点距離fのみに依存するようになります。レーザー入力ビーム径は通常、スポット中央の最大強度の1/e² に強度が下がる場所での焦点サイズを直径として定義します。「入力ビーム径」として定義された入力ビームについての焦点サイズは次で得られます

σ = 1.83 λ f / Ø

アプリケーションの適合性

焦点サイズを小さくすると、書き込まれるパターンの構造サイズが直ちに小さくなります。また、これによりスポット中央の最大強度が高まるため、強度が特定の材質のアプリケーション閾値を超えることになります。強度がアプリケーション閾値を大幅に超える場合、アプリケーションで加工するのに必要なエネルギーを超えた不要なエネルギーは材質に蓄積され、様々な制御不能な副作用につながり、 アプリケーション性能が下がる可能性があります。そのため、ユーザーは目的のアプリケーション用の最適な焦点サイズを見つける必要があります。

 

Beam-clipping

If the beam diameter of the incoming laser beam is toobig or the scan angle is above the maximum allowedangle, parts of the laser beam might hit mechanical partswhen passing through the objective. This is referred to asclipping of the laser beam.

Application-relevance

A laser beam being clipped inside the objective will generateunwanted stray light and might also heat up theobjective leading to thermal focus shift and even destructionof the lens. All JENar Standard and Silverline lensesare designed to show no beam clipping when used withthe scanner setup described on the datasheets.

Back working distance

Whereas the focal length is a rather theoretical construct,the back working distance describes the real distancebetween the end of the objective (the edge closest to theworkpiece) and the workpiece.

Application-relevance

The back working distance describes how much freespace there is between workpiece and lens. Sincefocal length and back working distance are closelyrelated, the need for a bigger free space between workpieceand objective usually results in the requirement ofusing lenses with bigger focal lengths.

Thermal focus shift

When the temperature of an optical material changes, the corresponding shape and index of refraction change. These two effects alter the optical properties of the system, mainly the focus position. This change in position is called the thermal focus shift. An objective can be optimized to withstand a global homogeneous temperature change (due to variations of room temperature and sufficient time of relaxation), for example by employing temperature dependent spacers. However, when used with a high power laser, the temperature distribution over the lens elements becomes non-homogeneous and also scan-pattern dependent. The only way to make objectives insensitive towards these effects is to reduce the change in temperature, for example reduce absorption in lens and coating material:

The induced thermal focus shifts for top-hat (Δz_T) and Gaussian (Δz_G) intensity distributions can be calculated analytically as

P_0 is the input power of the laser. f is the focal length of the lens. The sum is then over all optical elements in the system, indicated by the index i. n_i and dn/dT_i describe the index of refraction and its thermal derivative. alpha_i is the thermal expansion coefficient, lambda_i is the heat conduction coefficient, A_i and B_i describe the absorption coefficients of coating and material respectively. d_i is the thickness of the element, and phi_i is the diameter of the laser beam on element i.
For high power applications, the range of usable/affordable materials is small (fused silica or CaF2) which fixes most of the material coefficients (dn/dT, n, alpha, lambda). Furthermore, the application requirements determine the parameters input power (P_0) and focal length (f) and the beam sizes (phi) on and thickness (d) of the elements in an F-Theta lens usually constitute no powerful optimization parameters. I.e. optical designs which fulfill the optical specification usually do not differ very much in their respective lens shapes. Therefore, the most promising strategy to reduce the thermal focus shift of a system is to reduce the amount of energy being absorbed. This can be achieved by choosing low absorbing materials and coatings.

Application-relevance

A thermal focus shift, when uncompensated, changesthe application performance over time. A workpiece being in perfect focus at the beginning of the process might be considerably out of focus after some process time and the application result will look very different.

Silverline™

Fused silica exhibits extremely small material absorption and is therefore very well suited for being used for high power applications. For their NIR (1064 nm) Silverline™ F-Theta lenses, Jenoptik chooses low-absorbing fused silica material and an optimized lowest-absorbing high performance coating. The maximum absorption of 5 ppm of the coating is guaranteed by a standardized absorption measurement procedure for every coating batch. The manufacturing statistics is shown in the following graph.

Application-relevance

(see thermal focus shift)

Therefore, the following absorption values are specified:

NIR SilverlineTM F-theta Absorption specification
Material< 15 ppm/cm
Coating< 5 ppm (mean = 3ppm)

Damage threshold LIDT

The laser induced damage threshold (LIDT) describes the laser intensity (or fluence) above which damage of the lenses occurs. This threshold depends on several parameters like wavelength and pulse duration and involves different physical phenomena. For CW and long pulses (bigger than 10 ns) the main problem is the accumulation of energy inside the material and subsequent melting and evaporation. For ultra-short pulses (smaller than 10 ps), on the other hand, non-thermal processes like avalanche ionization and coulomb explosion are dominant reasons for damage.This variety of different processes makes an analytical description very difficult and for industrial purposes it seems to be advisable to test coatings and materials and derive phenomenological descriptions. Jenoptik tested its standard coatings and materials for the most common application parameters and expressed the pulse-duration dependent damage threshold fluence Φ in terms of a power law of the pulse duration τ.

Φ = c * τ ^ p

The parameters c and p of this law are wave length dependent. Being able to pass more energy per time through anoptical system allows a faster scanning and therefore a higher throughput.

パルスストレッチ GDD

光が非消失性分散の光学系材質を通過する場合、波長に依存する光位相が蓄積します。レーザーパルスでは、これはそれぞれ異なる波長の調波振動を線形的に重ね合わせたものと実質的に同様で、この蓄積はパルス波形に影響します。ガウス形パルスの2次近似でのレーザーパルスの光周波数に対する一時的伸長は、位相変化の2次導関数により決定され、これは群遅延分散とも呼ばれます(GDD/P2)。 

レーザーパルスの形状はガウス形に留まりますが、標準偏差として表された幅のスケールは次となります:P3。

アプリケーションの適合性

レーザーパルスの一時的伸長は最大強度を低下させます。これはアプリケーション性能に深刻な影響を及ぼす可能性があります。ワークでのパルスが長すぎる問題を解決するため、さらに短い出力パルスのレーザーを使用することもできます。これにより使用される光学系の損傷閾値を超える強度にまで強まることもあります。別の方法としては、回折格子、プリズム、光微小要素(P1)により誘発された GDD を前置補償することができます。 

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