CN102144182B - 于激光加工系统中的适合的光学光束整型 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种激光加工系统，其会针对一特殊的应用(或是该应用的子集)来快速且弹性地修正一加工光束，以便决定且施行一经改良或最佳的光束轮廓。该系统会降低光束整型子系统受到激光加工系统中的变异影响的敏感性，其包含因为下面所造成的变异：制造公差、热漂移、构件效能变异以及其它系统变异源。特定实施例还会调变较低质量的激光束(有较高的M2数值)来提供可接受的经过整型的光束轮廓。

Description

于激光加工系统中的适合的光学光束整型
技术领域
本发明关于激光加工。更明确地说，本发明是关于使用适合的光学组件于材料加工期间快速地改变一激光束的空间强度轮廓的形状。
背景技术
许多激光加工系统皆使用一在工作表面处具有指定空间强度轮廓的加工光点来最佳化一特殊的激光加工结果。举例来说，用于产生所希望的空间强度轮廓的光束整型方法包含使用绕射式与折射式光学组件。不过，由于为保持可接受的输出光束特征而大体上必须用到的受约束输入激光束公差(举例来说，在位置、直径、模式质量以及其它参数之中)的关系，该些方式皆会造成设计上的难度。尽管输入激光束特征及/或激光束传送光学组件中会有变异，生产激光加工系统大体上仍会设计成用以符合此等输出激光束特征。举例来说，此等变异可能会随着时间流逝、在温度改变时及/或随着系统构件变异(举例来说，从一系统至另一系统)而发生。
用于产生一具有所希望的空间强度轮廓的激光束的典型方式会使用事先设计的硬式光学组件，该等硬式光学组件依赖于适当操作的特定光束特征。举例来说，当配合一具有特殊质心、X与Y直径、空间模式内容以及波前误差的高斯光束来使用时，一绕射式光学组件(diffractive optical element，DOE)便会产生一具有所希望的特征(举例来说，尖峰强度变异、空间截止频带、最大旁瓣振幅以及其它特征)工件。然而，当输入光束特征偏离用来设计该DOE的规格时，该等输出整型光束特征便会变差。
因为DOE通常是用于一特殊应用，所以，DOE一旦设计之后，输出光束形状便无法轻易地修正。因此，倘若一特殊的激光加工使用新的输出光束形状或是各式各样输出光束形状以达最佳的加工质量或速度的话，那么，使用事先设计的硬式光学组件的既有方法便会显得麻烦及/或不切实际。例外的情况是可藉由缩放(举例来说，经由变动放大倍数)及旋转(举例来说，经由Dove棱镜之类的装置)来调变输出光束。该些方法在某些应用中足以胜任，但是却无法适用在其它应用或在其它应用中会受到约束。
发明内容
因此，本文所揭示的特定实施例包含一激光加工系统，其会针对一特殊的应用(或是该应用的子集)来快速且弹性地修正该加工光束，以便决定且施行一经改良或最佳的光束轮廓。该系统会降低光束整型子系统受到激光加工系统中的变异影响的敏感性，其包含因为下面所造成的变异：制造公差、热漂移、构件效能变异以及其它系统变异源。特定实施例还会调变较低质量的激光束(有较高的M2数值)来提供可接受的经过整型的光束轮廓。
于其中一实施例中，一种用于加工一工件的方法是使用一具有经过选择性整型的空间强度轮廓的激光束。该方法包含让该工件的第一部分和第一组加工特征产生关联并且让该工件的第二部分和第二组加工特征产生关联。该方法还包含让第一空间强度轮廓和第一组加工特征产生关联并且让第二空间强度轮廓和第二组加工特征产生关联。一或多个适合的光学组件会调变一输入激光束的相位与振幅中至少其中一者，用以产生一具有第一空间强度轮廓的输出激光束。具有第一空间强度轮廓的输出激光束接着会加工该工件的第一部分。该方法还包含藉由使用该等一或多个适合的光学组件来调整该输入激光束的调变作用而在预设的切换时间内从该输出激光束的第一空间强度轮廓动态地切换至该输出激光束的第二空间强度轮廓，并且利用该具有第二空间强度轮廓的输出激光束来加工该工件的第二部分。根据某些实施例的预设切换时间的范围是介于约100微秒和约5毫秒之间。
于另一实施例中，一激光加工系统会使用一经过选择性整型的空间强度轮廓来加工一工件。该系统包含：一激光源，用以产生一输入激光束；以及一空间滤波器，用以将该输入激光束空间地分离成一具有低阶横向模式的第一光束组成和一具有较高阶横向模式(相较于第一光束组成的低阶横向模式)的第二光束组成。该系统还包含：一第一适合的光学组件，用以调变该第一光束组成的相位与振幅中至少其中一者；一第二适合的光学组件，用以调变该第二光束组成的相位与振幅中至少其中一者；以及用以将该经过调变的第一光束组成和该经过调变的第二光束组成重新组合成一用于加工该工件的输出激光束的光学组件。
从下面较佳实施例的详细说明中，其会参考随附图式来作说明，便会明白本发明的额外观点与优点。
附图说明
图1所示的是根据其中一实施例包含一相位/振幅调变器的激光加工系统的方块图；
图2所示的是根据其中一实施例利用不同的空间强度轮廓来激光加工一工件的不同部分的方法的流程图；
图3所示的是根据其中一实施例可当作相位/振幅调变器来使用的可变形面镜的剖面侧视图的概略示意图；
图4所示的是根据其中一实施例包含回授的激光加工系统的方块图；
图5所示的是根据其中一实施例使用回授的激光加工方法的流程图；
图6所示的是根据其中一实施例的激光加工系统的方块图，其会配置成用以分开修正高质量光束模式和低质量光束模式；
图7所示的是根据其中一实施例显示在图6中的激光加工系统的空间滤波作用的概略示意图；
图8所示的是根据其中一实施例的激光加工方法的流程图，其会分开地修正高质量光束模式和低质量光束模式；
图9所示的是根据其中一实施例用以将一线性偏振加工光束分离成高质量组成和低质量组成的空间滤波器的方块图。
具体实施方式
本发明中会将多个适合的光学组件整合成一激光加工系统中的一光学串行，以便弹性且快速地调整加工光束的空间强度轮廓的形状。该等适合的光学组件会配置成用以对该激光束进行相位调变及/或振幅调变，俾使会在两个空间强度轮廓之间快速地进行切换。在本文所讨论的实施例中虽然可以使用相位调变及/或振幅调变两者；不过，于特定实施例中可能以相位调变为宜，因为相较于振幅调变所能够保持的光学效率，相位调变能够保持比较高的光学效率。该激光加工系统将其输出从第一空间强度轮廓改变成第二空间强度轮廓所使用的时间于本文中可称为「切换时间」。于其中一实施例中，举例来说，该激光加工系统的切换时间的范围是介于约100微秒和约5毫秒之间。熟习技术的人士从本文的揭示内容中便会了解，以针对一特殊应用所选定的适合的光学组件的响应为基础，亦可以使用其它的切换时间。
根据其中一实施例的激光加工系统会配置成用以产生一具有可被选择性修正的特征的经过整型的加工光束。举例来说，该系统可能会产生一具有椭圆形空间强度轮廓的激光束，用于在一工件中切割一沟槽的直线部分。接着，该系统可能会切换至具有圆形空间强度轮廓的激光束，用于在该工件中切割该沟槽的弯曲部分。于另一范例中，该系统可能会利用一具有较大形状的光束来加工一工件特征图案的一部分，且该系统可能会利用一确实聚焦的高斯光点来加工该特征图案的另一部分。以另一范例为例，该系统可能会利用一特殊尺寸与能量密度的第一形状的光束来加工一低密度区域。该系统接着可能会利用一第二较小形状的光束来加工一较密集的区域，该第二较小形状的光束和该第一形状的光束具有等效的功率，但却有较高的能量密度。于又一范例中，该系统可能会在该工件的加工期间改变一经过整型的光束的配向。举例来说，当切割一工件中的一沟槽的角落区段时，该系统可能会将一矩形光束的轴线旋转约90°(举例来说，从X轴旋转至Y轴)。
此外，或者于另一实施例中，该激光加工系统会提供回授至该适合的光学组件，以便对所希望的空间强度轮廓进行额外或矫正性调整。举例来说，加工光束的最佳特征(举例来说，形状、分辨率、切趾作用(apodization)、波前以及其它特征)事先可能并不熟知。于此等实施例中，该系统会配置成用以快速地修正加工光束轮廓并且评估它们在该工件上的效能。如上面讨论，经由一连串的硬式光学光束整型器的反复操作来评估所造成的轮廓虽然可能会受到禁制且是非所希望的；不过，本文所揭示的实施例却会大幅简化此过程。
此外，或是于另一实施例中，该激光加工系统包含一空间滤波分离器，用以分离高质量光束模式(举例来说，TEM00模式)和低质量光束模式(举例来说，非TEM00模式)。举例来说，该系统会利用二或多个适合的光学构件来分开修正该等高质量光束模式和该等低质量光束模式。接着，该系统会组合该等经过修正的高质量模式和经过修正的低质量模式，以便进行工件加工。一般来说，使用空间滤波的现有系统实质上会从输出光束中移除该等较低质量光束模式。这会提高输出光束的分辨率，付出的代价则是会降低该输出光束的功率。如本文所揭示般藉由利用多个适合的光学组件来分开修正该等高质量模式与低质量模式，该系统能够重新组合该等模式用以产生具有低功率损失的高分辨率轮廓。
因此，该激光加工系统能够使用或是调整于不良或低质量输入激光束。举例来说，利用具有所希望的特征(举例来说，脉冲能量、脉冲频率、脉冲宽度、波长以及其它特征)但是具有不良光束质量(举例来说，M2光束质量)的激光源可能会有好处。现有的光束整型光学组件可能会要求及/或假设输入光束为高质量(低M2)光束。倘若该输入光束质量变差的话，输出光束形状通常会变差，有时候会无法有效或适度地使用在所希望的应用中。于某些情况中，个别光束的特征虽然可以接受(倘若在光束整型设计过程期间为已知的话)，但是在激光加工期间却会改变，致使无法轻易达到一致效能的目的。不过，本文所揭示的特定实施例则可以让该系统分开修正输入光束的高质量组成与低质量组成，因此，即使低质量或不良的输入光束仍可被用来加工该工件。
现在要参考图式，图中相同的组件符号表示相同的组件。在下面的说明中会提出许多明确的细节，以便彻底了解本文所揭示的实施例。不过，熟习本技术的人士便会了解，没有该等明确细节中的一或多者，或是利用其它方法、构件或材料，仍可实行该等实施例。进一步言之，于某些情况中，并不会详细显示或说明众所熟知的结构、材料或是操作，以免混淆该等实施例的观点。再者，于一或多个实施例中可以任何合宜的方式来组合本文所述的特点、结构或是特征。
图1所示的是根据其中一实施例包含一相位/振幅调变器110的激光加工系统100的方块图。该激光加工系统100可能还包含一物镜112和一控制系统114。举例来说，该控制系统114可能包含一处理器以及一计算机储存媒体(图中未显示)，该计算机储存媒体会配置成用以储存用来实施本文所述的方法的计算机可执行指令与数据。该相位/振幅调变器110包含多个适合的光学组件，它们会被整合成该激光加工系统100中的光学串行，以便弹性且快速地调整输入加工激光束116的空间强度轮廓的形状。物镜112会将接收自该相位/振幅调变器110的经过调整的加工激光束118聚焦在一工件120之上(举例来说，用于进行削切、切晶、通道钻凿及/或其它材料加工)，用以产生所希的经过整型的加工光束。
如图1中所示，该相位/振幅调变器110会配置成用于以接受自控制系统114的控制讯号为基础来对输入加工光束116进行相位及/或振幅调变。该相位/振幅调变器110可能是以基础的傅立叶光学组件为基础，举例来说，该光束在一透镜的前方主平面处的傅立叶转换形式会产生在该透镜的后方聚焦平面处。因此，该相位/振幅调变器110会调变输入加工光束116的相位及/或振幅特征，用以在该输出聚焦平面处产生一任意形状的空间强度轮廓。熟习本技术的人士从本文的揭示内容中便会了解，该空间强度轮廓的形状可能会相依于该光学系统的绕射限制条件(举例来说，其和光束直径、焦距以及其它限制条件有关)。
于其中一实施例中，控制系统114提供一组预设的输入讯号给该相位/振幅调变器110，俾使产生该输出光束118的特殊的空间强度轮廓。举例来说，在已知输入光束116特征(举例来说，相位与振幅分布)以及所希望的输出光束118特征的前提下，该控制系统114可以事先计算出该相位/振幅调变器110的特征(在该光学系统的绕射限制条件的前提下假设有合理可行的解决方式存在)。于其中一实施例中，举例来说，可以使用反复的乔许伯格-萨科斯顿算法(Gerchberg-Saxton algorithm)来事先计算出该调变作用。举例来说，该相位/振幅调变器110的特征可能会以对应于一特殊空间强度轮廓的先前已实施的测试或实验为基础。
于其中一实施例中，该控制系统114会针对数个不同所希望的输出光束118特征来事先计算出该相位/振幅调变器110的输入讯号或特征。因此，该相位/振幅调变器110可以在加工期间切换其特征，用以提供如控制系统114所指定的各种输出光束。如上面讨论，该相位/振幅调变器110可能会以工件120之中正在被加工的特殊特征图案或部分(举例来说，从一沟槽的线性部份变成弯曲部分，或是从低密度区域变成高密度区域)为基础来切换其特征。
举例来说，图2所示的是根据其中一实施例利用不同的空间强度轮廓来激光加工一工件的不同部分的方法200的流程图。现在参考图1与2，方法200包含产生210一输入激光束116并且调变212该输入激光束116的相位及/或振幅，用以取得一第一空间强度轮廓。方法200还包含利用一具有该第一空间强度轮廓的输出激光束118来加工214该工件120的一第一部分。举例来说，该控制系统114可能会程序化成用以让该工件120的该第一部分和该第一空间强度轮廓产生关联。于其中一实施例中，该工件120的该第一部分可能会与某种类型的特征图案(举例来说，线性沟槽、弯曲沟槽或是有特殊密度的材料)或结构(举例来说，可熔化的连结线)相关联，而该类型的特征图案或结构又会与该第一空间强度轮廓相关联。
方法200还包含调变216该输入激光束116的相位及/或振幅，用以取得一第二空间强度轮廓。方法200进一步包含利用具有该第二空间强度轮廓的输出激光束来加工218该工件120的一第二部分。如同该第一空间强度轮廓，该控制系统114可能会程序化成用以让该工件120的该第二部分和该第二空间强度轮廓产生关联及/或和与该第二空间强度轮廓相关联的某种类型特征图案或结构产生关联。
使用适合的光学组件来调变输入加工光束116的相位及/或振幅，方法200可以在该第一空间强度轮廓与该第二空间强度轮廓之间提供快速的切换时间。举例来说，可以利用微镜数组来达成振幅调变的目的。不过，单独振幅调变可能仅会有有限的光学效率和光点尺寸。因此，于特定的实施例中，相位调变会结合(或是用来取代)振幅调变。如上面讨论，于其中一实施例中，该切换时间的范围是介于约100微秒和约5毫秒之间。熟习技术的人士从本文的揭示内容中便会了解，亦可以使用小于约100微秒以及大于约5毫秒的众多其它切换时间。举例来说，于其中一实施例中，当使用电光空间光调变器时，该等切换时间可能会低至约10微秒。
如上面讨论，该相位/振幅调变器110包含能够施行根据本文所揭示的实施例的光束整型的适合的光学组件。此等适合的光学组件并未普遍地使用在激光加工应用之中，因为它们的成本较高而且欠缺工业级质量的构件。不过，近年来，随着成本下降至可接受水平，此等构件的选用已经扩大。进一步言之，由于高反射的介电涂层的应用，已经可以取得能耐受高功率位准的适合的光学构件。
举例来说，可以使用以液晶为基础的适合的光学构件作为相位/振幅调变器110。一液晶调变器(图中未显示)可能包含一位于两层电极之间的向列式(nematic)或铁电式(ferroelectric)液晶组件数组。其中一层电极可能会经过微图案设计用以形成一电极层。藉由在该等电极上施加不同的电压，该等液晶分子的定向便会随的改变。因此，每一个液晶组件中的折射率或吸收作用便可调整用来调变该输入激光束116的波前。
另一种类型的适合的光学构件为可变形的面镜。举例来说，图3所示的是根据其中一实施例可当作相位/振幅调变器110来使用的可变形面镜300的剖面侧视图的概略示意图。该可变形面镜300包含一位于硅晶圆面镜底座312之上的反射涂层310。反射涂层310和面镜底座312是位于一面镜薄膜314和导体涂层316的上方。举例来说，面镜薄膜314可能包含一薄的(大小等级约为1微秒厚)氮化硅层。面镜薄膜314和导体涂层316会藉由多个分隔体320而和一硅晶圆触垫数组基板318分开。一包括导体材料(举例来说，金)的致动器触垫数组322会形成在该硅晶圆触垫数组基板318之上。在操作中，多个控制电压会被施加至该致动器触垫数组322，以便以静电的方式该面镜薄膜314产生变形。因此，图1中所示的控制系统114可能会提供多个控制讯号给该致动器触垫数组322，以便提供面镜表面最佳化功能。
熟习技术的人士从本文的揭示内容中便会了解，上面所述的特殊液晶调变器和可变形面镜300仅具有解释的目的，并且亦可以使用其它配置或是其它的适合的光学构件。举例来说，可变形面镜可能包含由多个独立平面面镜区段所构成的分段式可变形面镜、微电机系统(microelectormechanical systems，MEMS)或是由二或多层不同材料所构成的双形可变形面镜。
和液晶调变器不同的是，可变形面镜通常不是能够产生任意形状的可自然程序化装置。某些可变形面镜技术可能会经过校正以使用在「开放回路(open-loop)」模式之中，用以产生任意形状(在指定精确性边界内)。举例来说，位于美国加州柏克莱市的Iris AO有限公司以及其它制造商便提供能够妥善校正的可变形面镜。当使用此可变形面镜时，输入光束特征可能会被感测且该可变形面镜会以开放回路的方式受命控制，而不需要来自该面镜的回授。虽然利用该输入光束116和该可变形面镜的特征的智识可以达成开放回路光束形状控制的目的；但是，此智识并一定可充分地取得。于某些情况中，该输入光束116及/或该可变形面镜的特征可能会偏离标称规格。于此等实施例中，该相位/振幅调变器110的该等输入控制讯号会经过修正以取得输出光束118的所希望的特征。于此情况中，可能会于该加工系统之中并入其它装置，用以监视该等输入及/或输出光束的特征。
此等监视装置可能包含一或多个度量装置，例如：波前传感器(举例来说，夏克-海特曼(Shack-Hartmann)波前传感器、角锥形波前传感器以及其它波前传感器)、点绕射干涉计、平面面镜干涉计以及其它度量装置。或者，可以利用下面组件来直接评估输出光束118的特征，例如：电荷耦合装置(charged-coupled device，CCD)相机、互补式金属-氧化物-半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)相机、热电堆数组、光二极管数组、刀缘侦测器、狭缝侦测器或是任何其它直接侦测装置。
举例来说，图4所示的是根据其中一实施例包含回授的激光加工系统400的方块图。该激光加工系统400包含：一相位/振幅调变器110，用以接收一输入加工光束116；以及一光束分岐器410，用以经由一物镜112将输出光束118的一部分导送至一工件120。该光束分岐器410还会经由一连串的透镜412、414将该输出光束118的一部分导送至一会与一控制系统114进行通讯的波前传感器416。该控制系统114会配置成用以比较由该波前传感器416所测量到的输出光束118的特征和一组所希望或预设的特征。该控制系统114会产生一目标函数数值，用以最佳化用来加工该工件120的输出光束118的特征。如下面讨论，于某些实施例中，该目标函数数值的形式为一误差讯号。透镜412、414会缩放该经过调变的输出光束118中通往该波前传感器416的通光孔径的分歧部分，并且导致该光束会与物镜的主平面产生共轭作用。利用该等透镜412、414来缩放光束直径会导致该控制系统114在最佳化该输出光束118的特征时会纳入考虑的波前的缩放作用。同样地，该控制系统114可能也会考虑由下面所讨论的透镜420、422所提供的输入光束的波前的缩放作用。
此外，或是于另一实施例中，该输入光束116亦可能会受到监视。举例来说，于某些实施例中，系统400包含另一光束分岐器418，其会经由另外一连串的透镜420、422将该该输入光束116的一部分导送至一会与该控制系统114进行通讯的另一波前传感器424。该控制系统114可能会配置成用以比较由该波前传感器424所测量到的输入光束116的特征和一组所希望或预设的输入光束特征。该控制系统114接着可能会至少部分以此比较(举例来说，其可能会结合上面讨论的目标函数数值)为基础来控制该相位/振幅调变器110，用以最佳化输出光束118的特征。
藉由在一回授回路中检视该输入光束116及/或该输出光束118的特征并且修正该相位/振幅调变器110的特征，该控制系统114可以将该输出光束118的所希望的特征最佳化至由该光学系统和该输入光束116的特征所赋加的界限内。若合宜的话(举例来说，倘若不受限于该相位/振幅调变器的能力的限制条件或是因绕射或光展量(etendue)所赋加的实体界限的话)，该激光加工系统400会动态地矫正该输入光束116的特征的变异，这是优于硬式光学DOE组件(其并无法轻易地修正)的优点。即使是在无法达到所希望的输出光束特征的输入光束特征的情况中，最佳情况(确切的说为次佳)输出光束118仍足可使用于加工应用之中。
可让控制系统114用来最佳化该输出光束118的轮廓的算法包含以最佳化用来量化该输出光束118的所希望的特征的目标函数为基础的间接方法。举例来说，该控制系统114可以使用数值最佳化方法(举例来说，基因算法(geneticalgorithms)、局部凸形最佳化(local convex optimization)或是其它已知的数值方法)。于另一实施例中，该控制系统114可能会使用直接方法，明确地将该输入光束116的特征纳入考虑并且据以修正该相位/振幅调变器110的特征。举例来说，该控制系统114可以直接套用傅立叶转换算法来重新整型一给定输入光束116用以产生一所希望的输出光束118，以便顾及该输入光束的相位与振幅变形。于另一实施例中，如上面讨论，可以使用乔许伯格-萨科斯顿算法(Gerchberg-Saxton algorithm)来事先计算出该调变作用。
图5所示的是根据其中一实施例使用回授的激光加工方法500的流程图。参考图4与5，方法500包含产生510一输入激光束116并且调变512该输入激光束的相位及/或振幅，以便取得一用于加工一工件120的输出激光束118。方法500还包含监视514该输入光束116与该输出光束118中至少其中一者的一或多项特征。方法500进一步包含以该等监视的特征为基础来调整516该输入光束116的调变作用，俾使该输出光束118会具有所希望的空间强度轮廓。
如上面讨论，于特定的实施例中，一激光加工系统会藉由下面方式而包含配合非理想、高M2光束来运作的能力：分离光束模式(个别调变高质量(举例来说，TEM00)模式和其它(举例来说，非TEM00)模式)，以及将该等光束模式重新组合成一用于加工一工件的输出光束。由于较高阶光束组成有较大光展量的关系，所以，此等光束无法产生非常高分辨率的输出光束；举例来说，于输出光束分辨率需求为适中的情况中便可以套用此等实施例。
图6所示的是根据其中一实施例的激光加工系统600的方块图，其会配置成用以分开修正高质量光束模式和低质量光束模式。系统600包含一输入透镜610，其会将一输入加工光束116聚焦在一空间滤波分离器612之上，该空间滤波分离器612会空间地分离低阶光束模式614和其余较高阶光束模式616。该低阶光束模式614会藉由透镜618而重新准直并且提供至一第一相位/振幅调变器110(a)。该等较高阶光束模式616会藉由另一透镜620而重新准直并且提供至一第二相位/振幅调变器110(b)。
图7所示的是根据其中一实施例显示在图6中的激光加工系统600的空间滤波作用的概略示意图。于此范例中假设该输入光束116并非完美的平面波。因此，因为绕射的关系，输入透镜610并不会将该输入光束116聚焦至单一光点。确切地说，如图7中所示，该输入透镜610会产生一由一对应于该空间滤波分离器612的位置的聚焦平面(举例来说，XY平面中所示者)之中的多个亮区与暗区所组成的绕射图案710。于此范例中，该绕射图案710包含一中央亮光点712，其会被一连串的同心光环714(图中显示四个)包围。熟习技术的人士从本文的揭示内容中便会了解，亦可以使用许多其它绕射图案。
空间滤波分离器612可能包含一具有一孔径或「针孔」的倾斜面镜，以便让所希望的光通往该第一相位/振幅调变器110(a)。于此范例中，对应于TEM00模式的中央亮光点712会通过该空间滤波分离器612的针孔到达该第一相位/振幅调变器110(a)，而该空间滤波分离器612则会将该等非TEM00模式反射至该第二相位/振幅调变器110(b)。下面会参考图9来讨论图6中所示的特殊空间滤波分离器612的替代例。熟习技术的人士从本文的揭示内容中便会了解，亦可以使用其它类型的空间滤波器。
该激光加工系统600包含一控制系统114，其会独立地控制该第一相位/振幅调变器110(a)和该第二相位/振幅调变器110(b)，以便分开修正该TEM00模式和该等非TEM00模式的相位及/或振幅。半波板622会旋转该等经过调变光束中其中一者(举例来说，于图7中所示的范例中的高质量、低M2模式光束)的偏振，俾使偏振光束分岐器624能够重新组合该等经过调变的光束而形成一输出光束118。接着，物镜112便会将该输出光束118聚焦至该工件120。
该控制系统114会调整该等个别调变器110(a)、110(b)，用以最佳化该经组合的输出光束。一般来说，高阶(非TEM00、非高斯)光束即使在最佳化之后仍会形成比较大的光点，只要此光点大小落在所希望的经过整型的光点大小里面便可以接受。接着，便可以调变低阶光束(TEM00、高斯)，用以「填补」该光束轮廓的其余部分，以达较高的分辨率。利用低阶光束模式和较高阶光束模式两者，输出光束118的总质量及分辨率便会提高，且不会因舍弃较高阶光束模式而造成输出光束功率的下降。
图6中虽然并未显示；不过，一或多个传感器可能会提供回授至该控制系统114，用以调整该第一相位/振幅调变器110(a)及/或该第二相位/振幅调变器110(b)。举例来说，工件120之上的激光光点可能会成像或者该输出光束118的一部份可能会导送至一CCD相机，用于进行分析。该控制系统114可能会比较由该相机所感测到的输出光束的轮廓和所希望或目标参考光束的轮廓，以便取得一用于调整该第一相位/振幅调变器110(a)以及该第二相位/振幅调变器110(b)中至少其中一者的目标函数数值。
于其中一实施例中，该控制系统114所取得的目标函数数值为具有误差讯号Esignal的形式。目标参考光束的空间强度轮廓(目标光束轮廓Itarget)可以表示如下：
Itarget＝exp[-(a(x-x0))2m-(b(y-y0))2n]，
其中，a与b定义x方向与y方向中的光束宽度，m与n为规定光束侧边的陡峭度的整数，而x0与y0则是光束中心的坐标。对误差讯号Esignal来说，介于目标参考光束和由相机所获得的光束之间的RMS误差可以表示如下：
Esignal＝[∑x∑y(Itarget(x，y)-Icamera(x，y))2]1/2，
其中，Icamera为由相机所测得的空间强度轮廓。
该控制系统114会使用该误差讯号Esignal来调整该第一相位/振幅调变器110(a)以及该第二相位/振幅调变器110(b)中至少其中一者的输入(举例来说，施加至一可调整面镜的电极数组的电压)。
图8所示的是根据其中一实施例的激光加工方法800的流程图，其会分开修正高质量光束模式和低质量光束模式。参考图6与8，方法800包含产生810一输入激光束116，并且对该输入激光束116进行空间滤波用以产生一具有低阶横向模式的第一光束组成614以及一具有较高阶横向模式的第二光束组成616。
方法800还进一步包含以第一组调变参数为基础来调变814该第一光束组成614的相位及/或振幅。举例来说，可以所希望的空间强度轮廓及/或分辨率为基础来选择该第一组调变参数。方法800还包含以第二组调变参数为基础来调变816该第二光束组成616的相位及/或振幅。举例来说，可以所希望的空间强度轮廓为基础来选择该第二组调变参数。于特定的实施例中，该第二组调变参数不同于该第一组调变参数。
方法800还包含组合818该经过调变的第一光束和该经过调变的第二光束，用以取得一实质上位于物镜112的聚焦平面处具有所希望的分辨率和空间强度轮廓的输出激光束118。方法800还进一步包含利用该输出激光束118来加工820一工件120。
此方式可以让两个调变器110(a)、110(b)分开调变两道光束614、616并且善用每一道光束614、616的功能，而仅会有些微甚至没有任何折损(举例来说，不会因舍弃非TEM00模式而降低功率)。不过，另一种方式则是使用单一调变器来调变未经分离光束的相位及/或振幅特征，并且使用上面所述的最佳化方法来最佳化该等输出光束特征。端视该等高质量光束组成和低质量光束组成以及输出光束需求而定，此方式可能足供使用。
图9所示的是根据其中一实施例用以将一线性偏振加工光束116分离成高质量组成和低质量组成的空间滤波器900的方块图。图9中所示的空间滤波器900可以取代图6中所示的系统600中的空间滤波分离器612(以及透镜610、618、620之中的一或多者)。该空间滤波器900包含：一偏振感测光束分岐器910、一法拉第旋转器912、一第一透镜914、一具有孔径918的面镜916以及一第二透镜920。
偏振感测光束分岐器910会配置成用以让线性偏振加工光束116通往法拉第旋转器912。该法拉第旋转器912会旋转该线性偏振加工光束116的偏振(举例来说，旋转45°)。第一透镜914会将该经过旋转的光束聚焦在面镜916之中的孔径918上。该经过旋转的光束的低阶光束模式614会通过该孔径918而到达第二透镜920，该第二透镜920会重新准直该低阶光束模式并且使其通往上面所讨论的第一相位/振幅调变器110(a)。
面镜916会将接收自该第一透镜914的经过旋转的光束中的较高阶光束模式616反射通过该第一透镜914和该法拉第旋转器912，该法拉第旋转器912会进一步旋转该等较高阶光束模式616的偏振(举例来说，旋转额外的45°)，俾使该等较高阶光束模式会被偏振感测光束分岐器910反设至上面所讨论的第二相位/振幅调变器110(b)。
本文所揭示的实施例会快速且弹性地修正一加工激光束的强度轮廓，以便决定与施行一特殊应用及/或该应用的子集的最佳光束轮廓。这会降低光束整型子系统受到激光加工系统中的变异影响的敏感性，其包含因为下面所造成的变异：制造公差、热漂移、构件效能变异以及其它系统变异源。特定实施例会调变较低质量的激光束(有较高的M2数值)来提供可接受的经过整型的光束轮廓。本文所述的实施例还同时提供额外的功能，例如：光束对齐、聚焦平面调整、加工光束波前矫正以及其它优点。
熟习本技术的人士便会理解，可以对上面所述实施例的细节进行许多改变，其并不会脱离本发明的基础原理。举例来说，于其中一实施例中，图4中所示的相位/振幅调变器110的经矫正输出可导送至一绕射式光学组件(DOE)，其会利用所希望的特征(举例来说，尖峰强度变异、空间截止频带、最大旁瓣振幅以及其它特征)来塑造该输出光束118的形状。该相位/振幅调变器110会考虑到输入光束116中的偏差，俾使该DOE会如预期般的操作。熟习本技术的人士从本文的揭示内容中便会了解该等已揭示实施例的其它变化例。所以，本发明的范畴应该由申请专利范围来决定。

Claims (20)

1.一种利用具有经过选择性整型的空间强度轮廓的激光束来加工一工件的方法，其特征在于，该方法包括：
让该工件的第一部分和第一组加工特征产生关联并且让该工件的第二部分和第二组加工特征产生关联；
让第一空间强度轮廓和第一组加工特征产生关联并且让第二空间强度轮廓和第二组加工特征产生关联，该等第一和第二空间强度轮廓对应于实质上入射在一物镜的聚焦平面上的输出激光束的个别形状；
调变一输入激光束的相位与振幅中至少其中一者，用以产生一具有第一空间强度轮廓的输出激光束，其中，该调变是由一或多个适合的光学组件来实施，以及其中该调变作用会个别地利用第一组调变特征来调变一具有低阶横向模式的第一光束组成和利用第二组调变特征来调变一具有高阶横向模式的第二光束组成，以便产生具有低功率损失的高分辨率的该第一空间强度轮廓；
利用该具有第一空间强度轮廓的输出激光束来加工该工件的第一部分；
藉由使用该等一或多个适合的光学组件来调整该输入激光束的调变作用而在预设的切换时间内从该输出激光束的第一空间强度轮廓动态地切换至该输出激光束的第二空间强度轮廓；以及
利用该具有第二空间强度轮廓的输出激光束来加工该工件的第二部分。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该切换时间的范围是介于10微秒和5毫秒之间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
测量该输入激光束和该输出激光束中至少其中一者的属性；
决定该第一空间强度轮廓的预设属性和该等被测量属性之间的目标函数数值；以及
以该目标函数数值为基础来调整该输入激光束的调变作用，用以最佳化该第一空间强度轮廓。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该等一或多个适合的光学组件是选择自包括下面的群之中：可变形面镜、液晶调变器以及电光空间光调变器。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将该输入激光束空间滤波成具有低阶横向模式的该第一光束组成以及具有高阶横向模式的该第二光束组成，其中具有高阶横向模式是相较于该第一光束组成的低阶横向模式而言。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：
重新组合该经过调变的第一光束组成和该经过调变的第二光束组成，用以产生具有低功率损失的高分辨率的该第一空间强度轮廓。
7.一种利用具有经过选择性整型的空间强度轮廓的激光加工系统，其特征在于，该系统包括：
一激光源，用以产生一输入激光束；
一空间滤波器，用以将该输入激光束空间地分离成一具有低阶横向模式的第一光束组成和一具有较高阶横向模式的第二光束组成，其中具有较高阶横向模式是相较于第一光束组成的低阶横向模式而言；
一第一适合的光学组件，用以调变该第一光束组成的相位与振幅中至少其中一者；
一第二适合的光学组件，用以调变该第二光束组成的相位与振幅中至少其中一者；以及
用以将该经过调变的第一光束组成和该经过调变的第二光束组成重新组合成一用于加工工件的输出激光束的光学组件。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，进一步包括一控制系统，用以控制该第一适合的光学组件与该第二适合的光学组件的调变作用，用以调整实质上位于一物镜的聚焦平面处的输出激光束的第一空间强度轮廓。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，该控制系统会进一步配置成用以：
在加工该工件的第一部分时，选择该输出激光束的第一空间强度轮廓；以及
在加工该工件的第二部分时，改变该第一适合的光学组件与该第二适合的光学组件的调变作用，用以从实质上位于该物镜的聚焦平面处的输出激光束的第一空间强度轮廓切换成第二空间强度轮廓。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，用以从该第一空间强度轮廓改变成该第二空间强度轮廓的切换时间的范围是介于10微秒和5毫秒之间。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，进一步包括一传感器，用以测量该输入激光束与该输出激光束中至少其中一者的特征，其中，该控制系统会决定该第一空间强度轮廓的预设特征和该等被测量特征之间的目标函数数值，且其中，该控制系统会以该目标函数数值为基础来调整该第一适合的光学组件与该第二适合的光学组件。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，该传感器是选择自包括下面的群之中：波前传感器、电荷耦合装置相机、互补式金属-氧化物-半导体相机、热电堆数组、光二极管数组、刀缘侦测器以及狭缝侦测器。
13.如权利要求7所述的系统，其特征在于，该第一适合的光学组件与该第二适合的光学组件中至少其中一者是选择自包括下面的群之中：可变形面镜、液晶调变器以及电光空间光调变器。
14.如权利要求7所述的系统，其特征在于，该低阶横向模式为TEM00模式。
15.一种利用具有经过选择性整型的空间强度轮廓的激光束来加工一工件的方法，其特征在于，该方法包括：
将一输入激光束空间地滤波成一具有低阶横向模式的第一光束组成和一具有较高阶横向模式的第二光束组成，其中具有较高阶横向模式是相较于第一光束组成的低阶横向模式而言；
利用第一组调变特征来调变该第一光束组成的相位与振幅中至少其中一者；
利用和第一组调变特征无关的第二组调变特征来调变该第二光束组成的相位与振幅中至少其中一者；
将该经过调变的第一光束组成和该经过调变的第二光束组成重新组合成一实质上位于一物镜的聚焦平面处具有第一空间强度轮廓的输出激光束；以及
利用该输出激光束来加工该工件的第一部分。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该工件的第一部分会与第一类型的特征图案相关联而且该工件的第二部分会与第二类型的特征图案相关联，该方法进一步包括：
调整该第一光束组成和该第二光束组成中至少其中一者，以便从该第一空间强度轮廓切换成和第二类型特征图案相关联的第二空间强度轮廓；
利用实质上位于该物镜的聚焦平面处具有第二空间强度轮廓的输出激光束来加工该工件的第二部分。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括在范围介于10微秒和5毫秒之间的切换时间期间从该第一空间强度轮廓切换成该第二空间强度轮廓。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括：
测量该输入激光束和该输出激光束中至少其中一者的特征；
决定该第一空间强度轮廓的预设特征和该等被测量特征之间的目标函数数值；以及
以该目标函数数值为基础来调整该第一光束组成与该第二光束组成中至少其中一者的调变作用，用以最佳化该第一空间强度轮廓。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，调变该第一光束组成与该第二光束组成中至少其中一者包括控制一选择自包括下面的群组之中的适合的光学组件的调变参数：可变形面镜、液晶调变器以及电光空间光调变器。
20.一种激光加工系统，其特征在于，包括：
一激光源，用以产生一输入激光束；
一适合的光学组件，用以调变该输入激光束的相位与振幅中至少其中一者，该调变作用会矫正该输入激光束的一或多项特征，以及该调变作用会个别地利用第一组调变特征来调变一具有低阶横向模式的第一光束组成和利用第二组调变特征来调变一具有高阶横向模式的第二光束组成；以及
一绕射式光学组件，用以塑造该经过矫正的输入激光束的形状，俾使用以产生一实质上位于一物镜的聚焦平面处具有经过选择的空间强度轮廓的输出激光束。
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