CN100496856C - 用于通过由包括压电偏转板的偏转单元引导的激光束加工材料的装置 - Google Patents

用于通过由包括压电偏转板的偏转单元引导的激光束加工材料的装置 Download PDF

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Abstract

一种加工材料的装置，包括产生激光束(11)的激光源(1)；偏转单元，该偏转单元设置在激光束(11)的光程中，并且具有至少两个反射镜(35，45)，这两个反射镜可以绕彼此成一定角度的反射轴(38，48)旋转；以及透镜(5)形式的成像单元。每个偏转单元(2)的驱动单元由压电偏振板(3，4)形成，该压电偏振板交替地通过域反转具有相对偏振的区域，使得在施加具有交替相对极性的电压时，导致偏振板的相应自由端(35，45)以及反射轴(38，48)的扭转。这样，可以以非常高的速度极精确地加工基片(6)，如电路基片和电路板。

Description

用于通过由包括压电偏转板的偏转单元引导的激光束加工材料的装置
技术领域
本发明涉及一种用于通过激光束加工材料的装置，包括：
-发射激光束的激光源，
-设置在该激光束的光程中的偏转单元，该偏转单元具有至少两个相对的、依次设置在激光束的光程中的镜面，这些镜面分别可以通过驱动单元绕彼此成一定角度的反射轴旋转，以及
-成像单元，该成像单元将激光束相应地聚焦到工件的由偏转单元确定的位置。
背景技术
例如在DE10145184A1中描述了一种这样的装置，其中特别涉及在电路板中钻孔。同样，也可以将这种装置用于在电子工业中对材料进行结构化、修整、标记、焊接、钎焊以及切削。此外，这种材料加工的速度和精度受到射束偏转技术的限制。为了能够一方面在激光器和串接的光学系统之间的特定相对位置处、另一方面在固定在加工台上的基片处加工尽可能大的表面区域，偏转单元必须能够将激光束偏转一个很大的角度。因此，加工台上的基片的运动量应该保持尽可能低，以保证经济的操作。因此，目前在这种装置中使用传统的具有Galvo电机的偏转单元。典型地，这些电机具有高达±25°的光学偏转角。然而，Galvo电机可实现的偏转速度受到抑制或限制因素-如磁饱和、反射镜质量的惯性等-限制。如果不想容忍精度降低，在Galvo电机中，由于它们的结构以及操作方式，不可能将速度以及动力进一步提高超过当前可能的值。
虽然已经建议使用典型的压电元件来偏转光或激光束。但是，在中等到高的角速度和角加速度时，这些压电元件只实现小的偏转角度，典型为±2°到±5°。
然而，DE10031877C1中也已经公开了一种使用压电板偏转光束的装置，其中压电板的没有电极的端部用作反射段，用于偏转光束。该文献还描述了，通过所谓的域反转(domain inversion)获得具有相对自发极化的相邻压电范围。
发明内容
本发明的目的是提供前面所述类型的一种用于加工材料的装置，特别用于加工电路基片，其中偏转单元能够实现与Galvo电机所能实现的相同等级的偏转角度，但是具有更高的偏转速度以及至少相同的精度。
根据本发明，该目的是这样实现的，即分别通过压电偏转板形成偏转单元的驱动单元，该压电偏转板在一端被夹住，并且在其自由端具有支持镜面的、没有电极的反射段，其中偏转板分别通过域反转这样包括具有交替的相对偏振方向的区域，使得在将具有交替偏振的电压施加到各个区域时，导致相应偏转板的相应自由端绕沿其纵向延伸通过镜面的扭转轴扭转。
本发明利用这样的认识，即在通过DE10031877C1中描述的域反转而得到的压电板中，通过扭转可以获得比传统压电元件中高很多的偏转角。由此，这种偏转板还可以经济地用在激光器装置中，用于加工电路板，其中以这种方式可以高速高精度地加工相对大的加工区域。因此，通过适当的、例如焦阑的聚焦光学系统，偏转的激光束可以完全精确地定位在要加工的物体上。与传统的Galvo电机相比，该扭转偏转器的优点在于，可以在非常的高精度时获得非常高的速度，而不必容忍在弯曲偏转器中可能出现的光束位置偏移。
根据本发明使用的扭转偏转器实现±20°至±25°的光学偏转角度。相对于Galvo偏转器的优势尤其在于高的可达到速度-该速度在以激光钻孔、结构化、修整和标记或示踪等中可能实现。而且，根据本发明的偏转单元耐由机械摩擦和/或由加热造成的磨损，这例如在Galvo电机中经常出现。
优选地，两个扭转偏转器彼此成90°角地被设置。这意味着，第一偏转元件通过其扭转轴垂直切割从激光源入射的光束以及工件的加工表面，第二偏转元件包括扭转轴，该扭转轴与从激光源射出的光束一起限定平行于工件的加工平面的平面。
而且，在一种优选实施方式中，偏转板分别包括多个在纵向上延伸、平行相邻设置的域，这些域具有交替的相对定向的偏转，并且由交替的相对的电压加压。
在根据本发明装置的另一实施方式中，压电偏转板在其镜面范围内分别涂有具有与待偏转的激光束的预定波长匹配的反射能力的涂层。而且，反射段在其与镜面相对的背面也可以具有反射表面，该反射表面用于偏转控制光束。这些反射表面也可以在其涂层中被特别调整以适应控制光束的波长。
特别有利的是，本发明与激光波共同使用，该激光波达到>200kHz或者优选>500kHz的高脉冲频率，并且在这些高频率中具有非常窄的脉冲宽度，例如<20ns，优选<5ns。这样，可以相当地简化利用激光器的加工过程；在许多应用中，只有这样才能非常高速地加工。
通过根据本发明使用的偏转单元的快速反应时间和非常高的可实现速度，例如如果激光器提供不同的脉冲频率，则脉冲序列可以根据布局(layout)而变化。由此，脉冲重叠与激光器布局无关，即，在利用激光器进行结构化时，两个连续脉冲的脉冲重叠可以始终被保持相同，而与激光器是否表现出直线或锐曲线无关。
而且，在激光钻孔时，不同钻孔方法-如环钻、螺旋钻或者所谓的冲孔-可以无问题地相互结合或叠加，以便理想地将热负荷分配到要钻的孔。
附图说明
下面参照附图通过实施例更详细地描述本发明，其中
附图1表示根据本发明的装置的基本结构，以及
附图2表示根据本发明设计的压电偏转板。
具体实施方式
附图1中示意性地表示的加工装置包括激光源1，激光源的激光束11通过具有两个彼此垂直平面中的两个压电偏转板3和4的偏转单元2被偏转，并且通过焦阑(F-Theta)透镜5偏转到基片6的表面，基片被固定到加工台7上，并且可以通过加工台、至少在两个水平方向上-但是优选地也在相对于激光器和辐射光学(未示出)的垂直方向上-被调整。
激光板3和4分别固定地夹在偏转单元的支撑壁21或22的端31或41上。中间部分32或42包括交替相对偏转的域，这些域在施加特定电压时导致压电板的扭转。各压电板的相应自由端35或45没有电极，但是分别具有反射层36或46，以形成反射镜表面。其中，将反射层36或46调整适应激光的波长，以得到最佳反射。
附图2通过例子示意性地更详细地表示压电板3的结构。压电板3的中间部分32包括多个条状的、在该中间部分32的整个长度上并排延伸的域33和34，这些具有其自发极化的域通过域反转被交替地调整，使得它们的y和z轴交替地相对。每个域33或34在上侧和下侧分别具有电极37。这些电极同样被交替地施加以相对的电压。因为压电板的端部31被固定地夹住，所以在将交替电压施加到各个域33或34时，压电效应导致该中间部分32的自由端扭转。没有压电电极的连接端35受到相同的扭转运动，但是自身没有变形。因此，入射到镜面36的点13的激光束11可以被准确地偏转，而不出现偏移。只需要确保，扭转轴38在反射层36中，并且激光束11被准确地偏转到该扭转轴上。
由此实现了根据附图1的整个装置的功能。激光束11被偏转到压电板3的点13上。其从那里被反射，并且在偏转反射端部35时，激光束在压电板4的反射层46上的线14上移动，该线又在压电板4的扭转轴48上。从那里，通过压电板4的扭转，激光束可以被偏转到透镜5中区域15的每个点上，并且被该透镜成像到基片6的对应区域16上。
而且，如图2所示，与具有反射层36的镜面相对的背面也可以覆盖有反射层39，以便例如偏转控制光束或控制激光束，并通过未示出的传感器阵列检测相应的光束位置。

Claims (8)

1.一种用于通过激光束加工材料的装置，包括：
发射激光束(11)的激光源(1)，
设置在所述激光束(11)的光程中的偏转单元(2)，所述偏转单元具有至少两个相对的、依次设置在所述激光束(11)的光程中的镜面(36；46)，其中所述镜面分别借助于驱动单元(3，4)绕彼此成一定角度的扭转轴(38，48)旋转，以及
成像单元(5)，所述成像单元将所述激光束聚焦到工件(6)的由偏转单元确定的位置上，
其特征在于，所述偏转单元(2)的驱动单元(3，4)分别由压电偏转板(3，4)形成，所述压电偏转板在一端(31，41)被夹住，并且在其自由端具有支持所述镜面(36，46)的、没有电极的反射段(35，45)，
其中所述压电偏转板(3，4)通过域反转分别包括具有交替的相对偏振方向的域(33，34)，使得在将具有交替极性的电压施加到各个所述域(33，34)时，导致相应压电偏转板(3，4)的相应自由端绕沿其纵向延伸通过反射平面的所述扭转轴(38，48)扭转，
其中所述没有电极的反射段(35，45)受到相同扭转运动，而自身不变形。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电偏转板(3，4)分别具有多个沿纵向延伸的、平行并排设置的所述域(33，34)，所述域具有交替相对的偏振，并且被施加以交替相对的电压。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述压电偏转板中第一压电偏转板(3)以其所述扭转轴(38)垂直切割从所述激光源入射的所述激光束(11)以及工件的加工表面，所述压电偏转板中第二压电偏转板(4)具有与从所述激光源(1)入射的所述激光束(11)一起限定了平行于所述工件的加工平面的平面的所述扭转轴(48)。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述压电偏转板(3，4)的所述镜面分别具有与待偏转的激光束(11)的波长匹配的涂层(36，46)。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述反射段(35，45)分别还具有在其与所述镜面(36，46)相对的背面上的反射表面(39，49)，所述反射表面用于偏转控制光束。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述在其与所述镜面相对的背面上的反射表面具有与所述控制光束的波长匹配的涂层(39，49)。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置能够产生脉冲频率大于200kHz并且脉冲宽度小于20ns的激光束的激光源(1)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述激光源产生脉冲频率大于500kHz并且脉冲宽度小于5ns的激光束。
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