CN105234556A - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开激光加工装置。本发明的激光加工装置的特征在于，包括：激光产生部，使多个波长同时振动，来产生具有激光啁啾特性的极超短波(Ultra？Short？Pulsed)的激光；激光放大部，用于放大在激光产生部所产生的激光；色散调节部，用于调节从激光放大部输出的激光的啁啾和脉冲宽度；以及光学集成部，用于调节在色散调节部中啁啾和脉冲宽度被调节的激光的焦点深度，并向加工体照射所调节的激光。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明涉及激光加工装置，更加详细地，涉及借助色差和色散来调节具有激光啁啾(chirpedlaser)特性的极超短波的激光的各波长的焦点的位置和各波长到达物体的时间，来可体现具有所希望的长度的焦点深度(DepthOfFocus)等的效果，并由于能够以符合加工工序的特性的方式调节焦点的移动方向和速度，因而可加工具有高纵横比的形状的激光加工装置。
背景技术
这部分所述的内容仅仅提供本发明的实施例的背景信息，并不构成现有技术。
通常，为了准确加工需要高精密度的微细结构的结构对象物，周知的方法有利用紫外线激光的激光加工方法。
准分子激光借助稀类气体及卤素的混合气体的放电，来可使单脉冲(15至35ns)的紫外线光振动。其振动能量为100mJ/pulse，脉冲重复频率为10Hz至500Hz。此时，当准分子激光等的高亮度紫外线光放射于树脂聚合物的表面时，实施烧蚀光分解(APD；ablativephotodecomposition)，来使得被照射的部分与等离子辐射及冲击噪音一同分散并被分解，从而可实施聚合物树脂的所谓的激光烧蚀(ablation)加工。
借助通常在激光加工中所使用的钇铝石榴石(YAG)激光，虽然能够进行钻削，但具有边缘面粗糙的倾向。并且，作为红外线的二氧化碳(CO2)激光，则具有在各孔的圆周形成弧坑的缺点。
在此情况下，激光加工的类型为将光能转换为热能来执行加工的所谓激光热加工。最终，所加工的形状容易被毁坏，因而难以形成精密的加工。相反，使用准分子激光的烧蚀加工则借助碳原子的共价键的沸腾的光化学反应来实施升华蚀刻。因此，所加工的形状不易被破损，能够实施非常精密的加工。
在此情况下，烧蚀加工意味着以不调整液相的状态的方式，基于使用激光来执行升华加工的方法。
尤其，在喷墨技术学及其技术领域，激光烧蚀加工的实际利用在近些年明显得到发展，并被该技术领域的技术人员视为崭新的方法。
并且，随着实施利用准分子激光的激光加工，以下事项被周知。即，在所辐射的激光的振动脉冲方面，准分子激光(即，前述的紫外线激光)的每脉冲的震动脉冲为数十毫微秒，钇铝石榴石激光的紫外线调和振动为约100微微秒至数毫微秒。但是，向作业片辐射的激光束的光能并不全部使用于切断原子的共价键。
此时，由于存在不使用于切断原子的共价键的光能，因而作业片中的进行激光加工的部分在完全被分解之前分散。因而，在进行激光加工的部分的圆周面形成副产物。
并且，不使用于切断原子的共价键的光能的一部分将转变为热能。按振动脉冲来讲，准分子激光的能量密度最大能够达到100兆瓦。因此，难以对具有高热传递率的金属、陶瓷及(如硅等)矿物以及具有低光吸收率的石英及玻璃进行加工。升华烧蚀方法可主要用于有机树脂材料。
这些成为了当使用准分子激光时有可能产生的必然现象。因此，提出了不对实际所使用的写磁头产生不利影响的多种技术。
并且，由于转变为热能的一部分光能，因而存在当作业片被加工时有可能膨胀或容易部分熔融的忧虑。因此，应使用具有高玻璃转化点的材料或具有低加工强度的材料。
韩国公开专利公报第2001-0007596号(2001.01.26.公开，发明名称：激光加工方法，利用该激光加工方法来制造喷墨写磁头的方法及借助该制造方法制造的喷墨写磁头)公开了本发明的背景技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供通过色差和色散调节具有激光啁啾(chirpedlaser)特性的极超短波的激光的各波长的焦点的位置和各波长到达物体的时间，来可体现如具有所希望的长度的焦点深度(DepthOfFocus)等的效果，并由于能够以符合加工工序的特性的方式调节焦点的移动方向和速度，因而可加工具有高纵横比的形状的激光加工装置。
(二)技术方案
本发明的一实施方式的激光加工装置的特征在于，包括：激光产生部，使多个波长同时振动，来产生具有激光啁啾特性的极超短波的激光；激光放大部，用于放大在激光产生部所产生的激光；色散调节部，用于调节从激光放大部输出的激光的啁啾和脉冲宽度；以及光学集成部，用于调节在色散调节部中啁啾和脉冲宽度被调节的上述激光的焦点深度，并向加工体照射所调节的激光。
本发明的特征在于，还包括脉冲拾取器，上述脉冲拾取器用于根据控制部的控制来选择从激光产生部和色散调节部输出的激光的脉冲数和间隔。
本发明的特征在于，激光产生部利用单模光纤来使多个波长同时振动，并以多个波长之间的相位差作为设定值来进行锁模，从而产生具有微微秒以下的脉冲宽度的极超短波的激光。
本发明的特征在于，色散调节部为透射型色散介质或光栅装置中的至少一个。
本发明的特征在于，色散调节部用于调节激光的各波长到达物体的时间。
本发明的特征在于，光学集成部为包括色散介质的光学系统。
本发明的特征在于，光学集成部通过调节透镜的色差或激光的光学数值孔径来调节激光的焦点深度。
(三)有益效果
如上所述，本发明的实施例的激光加工装置通过色差和色散调节具有激光啁啾特性的极超短波的激光的各波长的焦点的位置和各波长到达物体的时间，来可体现如具有所希望的长度的焦点深度等的效果，并能够以符合加工工序的特性的方式调节焦点的移动方向和速度，从而不仅可加工具有高纵横比的形状，还可防止在进行激光加工的过程中生成副产物。
附图说明
图1为本发明的一实施例的激光加工装置的结构框图。
图2为用于说明在本发明的一实施例的激光加工装置中的基于色差的焦点深度的调节状态的图。
图3为用于说明在本发明的一实施例的激光加工装置中的基于激光束的大小的焦点深度的变化的图。
附图标记说明:
10：激光产生部20：激光放大部
30：光学集成部37：光学系统
40：色散调节部50：脉冲拾取器
60：控制部70：加工体
80：伺服台
具体实施方式
本发明的目的在于，提供通过色差和色散调节具有激光啁啾(chirpedlaser)特性的极超短波的激光的各波长的焦点的位置和各波长到达物体的时间，来可体现如具有所希望的长度的焦点深度(DepthOfFocus)等的效果，并由于能够以符合加工工序的特性的方式调节焦点的移动方向和速度，因而可加工具有高纵横比的形状的激光加工装置。
以下，参照附图，对本发明的一实施例的激光加工装置进行说明。在此过程中，为了明确及便于进行说明，附图中所示出的线的厚度或结构要素的大小有可能被夸张。
并且，后述中的术语作为考虑本发明中的功能而定义的术语，可根据使用人员、应用人员的意图或惯例而不同。因此，对于这种术语的定义应基于本说明书的全部内容来定义。
图1为本发明的一实施例的激光加工装置的结构框图，图2为用于说明在本发明的一实施例的激光加工装置中的基于色差的焦点深度的调节状态的图，图3为用于说明在本发明的一实施例的激光加工装置中的基于激光束的大小的焦点深度的变化的图。
如图1所示，本发明的一实施例的激光加工装置的特征在于，包括激光产生部10、色散调节部40及光学集成部30等，以及包括激光放大部20、脉冲拾取器50及控制部60。
激光产生部10使多个波长同时振动，来产生具有激光啁啾特性的极超短波激光。
此时，激光产生部10利用单模光纤，通过相对长的腔长(cavitylength)来使多个波长同时振动，并以多个波长之间的相位差作为设定值来进行锁模(modelocking)，从而产生具有微微秒以下的脉冲宽度的极超短波的激光。
并且，对极超短波(UltraShortPulsed)的激光进行拉伸(Stretching)或过压缩(Over-Compression)，来使激光具有激光啁啾特性。
激光啁啾是指存在于激光的脉冲宽度内的多个波长在长波长中按短波长的顺序排列(Up-Chirp)或在短波长中按长波长的顺序排列(Down-Chirp)的状态。因此，在向物体照射具有激光啁啾特性的激光的情况下，根据所排列的波长的顺序，波长到达物体的时间将产生差异。
激光放大部20通过放大光纤维来放大在激光产生部10所产生的激光。
色散调节部40调节从激光产生部10所输出的激光的啁啾(chirp)和脉冲宽度。
此时，作为色散调节部40，可适用透射型色散介质或光栅装置。
即，由于从激光产生部10所输出的激光具有激光啁啾特性，因而若经由透射型色散介质或光栅装置，则由于在介质或装置中所产生的色散(chromaticdispersion)现象，将产生各波长的速度差。
因此，在色散调节部40，调节在透射型色散介质中产生的色散现象或通过光栅装置调节光的反射及前进路径，来调节存在于激光的脉冲宽度内的多个波长的照射顺序或波长之间的时间间隔，从而可调节啁啾和脉冲宽度。
即，色散调节部可调节激光的各波长到达物体的时间。
光学集成部30对在色散调节部40中啁啾和脉冲宽度被调节的激光进行集光，并向加工体70照射所调节的激光。
此时，通过光学集成部30以包括色散介质的光学系统的方式构成，从而在具有激光啁啾特性的激光经由色散介质的情况下，如图2所示，多个波长的焦点借助光学系统37的色差来集成于不同的位置。
即，由构成脉冲宽度的代表性波长λ0、λ1、λ2形成的焦点31、32、33以在时间上形成时间差的方式形成于相异的位置。并且，各焦点31、32、33上的能量为基于各波长λ0、λ1、λ2的能量之和，除该波长之外的波长在空间上分布于周边，因而直接对加工造成的影响甚微。
因此，基于本发明的具有激光啁啾特性的激光的焦点借助构成脉冲宽度的多个波长，形成焦点的位置相异的焦点深度34。并且，以在时间上具有时间差的方式形成焦点。
并且，如图3所示，通过调节构成光学集成部30的透镜的色差或激光的束的大小，来调节激光的焦点深度34、38。
即，在将如图3的(a)中所示的光学系统37中的激光扩展直径35变更为如图3的(b)中所示的光学系统37的激光扩展直径36的情况下，察看两个光学系统37的焦点的扩展度，通过图3的(a)中的光学系统37来形成的焦点深度38与通过图3的(b)中的光学系统37来形成的焦点深度38之间相隔相当于焦点移动距离39的距离。
此时，可通过选择并调节用于光学系统37的透镜的色差程度来调节焦点深度34、38。
并且，也可通过调节形成于光学系统37的内部的激光扩展直径35、36，即，也可通过变更激光数值孔径(LaserNumericalAperture)来调节焦点深度34、38的焦点移动距离39(stroke)。
像这样，通过色差和色散来对具有激光啁啾特性的激光调节各波长的焦点位置和各波长到达物体的时间，来可体现如具有所希望的长度的焦点深度等的效果，并且，由于能够以符合加工工序的特性的方式调节焦点的移动方向和速度，因而可加工具有高纵横比的形状。
假设一种线宽(linewidth)为1060nm～1070nm,脉冲宽度为250fs的极超短波的激光。利用色散可以生成脉冲宽度为1ns的up啁啾波长或者down啁啾波长，利用色像差可使1060nm和1070nm波长成分的聚焦位置相差100μm。通过组合色散和色像差，1ns内可生成聚焦位置为100μm的移动的光学系.聚焦位置的移动方向基于波长序列的up啁啾或者down啁啾而决定。如此，可调整焦点的stroke、移动方向、移动时间，从而可以有效地加工100μm长度的长孔。以上实施例仅用于举例说明，本发明不限于此。
脉冲拾取器50(PulsePicker)通过选择从激光产生部10和色散调节部40输出的激光的脉冲数和间隔，来可向加工体70选择性地照射激光。
控制器60通过使伺服台80移动，上述伺服台80为放置所要进行加工的加工体70的工作台，来在自由调节放置于伺服台80的加工体70与激光之间的相对位置后，通过控制脉冲拾取器50来控制激光的照射时间，从而对加工体进行加工70。
如上所述，本发明的实施例的激光加工装置通过色差和色散调节具有激光啁啾特性的极超短波的激光的各波长的焦点的位置和各波长到达物体的时间，来可体现如具有所希望的长度的焦点深度等的效果，并能够以符合加工工序的特性的方式调节焦点的移动方向和速度，从而不仅可加工具有高纵横比的形状，还可防止在进行激光加工的过程中生成副产物。
以上，参考附图中所示出的实施例来对本发明进行了说明，但这仅仅是例示性的，本发明所属技术领域的普通技术人员应该能够理解，能够对本发明实施多种变形及以其他等同实施例来实施本发明。
因此，本发明的技术保护范围应根据发明要求保护范围来规定。

Claims (7)

1.一种激光加工装置，其特征在于，包括：
激光产生部，使多个波长同时振动，来产生具有激光啁啾特性的极超短波的激光；
激光放大部，用于放大在上述激光产生部所产生的上述激光；
色散调节部，用于调节从上述激光放大部输出的上述激光的啁啾和脉冲宽度；以及
光学集成部，用于调节在上述色散调节部中上述啁啾和上述脉冲宽度被调节的上述激光的焦点深度，并向加工体照射所调节的上述激光。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，上述激光产生部利用单模光纤来使上述多个波长同时振动，并以上述多个波长之间的相位差作为设定值来进行锁模，从而产生具有微微秒以下的脉冲宽度的极超短波的激光。
3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，上述色散调节部为透射型色散介质或光栅装置中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，上述色散调节部用于调节上述激光的各波长到达物体的时间。
5.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，上述光学集成部为包括色散介质的光学系统。
6.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，上述光学集成部通过调节透镜的色差或激光的光学数值孔径来调节上述激光的焦点深度。
7.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还包括脉冲拾取器，上述脉冲拾取器用于根据控制部的控制来选择从上述激光产生部和上述色散调节部输出的上述激光的脉冲数和间隔。
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