CN105414749B - 激光加工装置以及脉冲激光束的输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置以及脉冲激光束的输出方法。所述激光加工装置能够按每一个激光脉冲调整激光功率从而改变脉冲能量。激光电源按照所输入的激振指令信号的占空因数向激光振荡器的放电电极施加高频电压。包含占空因数信息的激振模式指令信号输入至激光控制装置。激光控制装置根据激振模式指令信号所包含的占空因数信息，向激光电源发出激振指令信号。加工机控制装置向激光控制装置发出指示脉冲激光束的输出时刻的脉冲输出时刻信号以及激振模式指令信号。载物台保持加工对象物。光学系统将从激光振荡器输出的脉冲激光束导光至保持于载物台的加工对象物。

Description

激光加工装置以及脉冲激光束的输出方法

本申请主张基于2014年9月17日申请的日本专利申请第2014-188369号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种将脉冲激光束入射到加工对象物来进行加工的激光加工装置以及应用于激光加工装置的脉冲激光束的输出方法。

背景技术

专利文献1～3中公开了通过施加供给给二氧化碳激光器的放电电极的高频电压来控制激光输出的电源装置。

在专利文献1所公开的电源装置中，根据按照被加工物的加工条件进行脉冲频率调制的指令脉冲，对逆变器的导通和断开进行控制。从逆变器输出脉冲频率调制后的电压脉冲，并施加至放电电极。由此，能够实现加工质量的提高。

在专利文献2所公开的电源装置中，对逆变器的输出电压的脉冲宽度进行控制，以使放电电流的检测值与设定值一致。为了使逆变器的输出电流的上升比逆变器的输出电压的上升慢，根据放电电流的减少而增加逆变器的开关频率。由此，能够实现激光用电源的高效率化以及低干扰化。

在专利文献3所公开的电源装置中，为了对气体放电激光器的RF电源的输出进行控制，采用了脉冲宽度调制。通过使提供至RF电源的数字脉冲序列内的数字脉冲的持续时间以递增方式变动，选择性地改变数字脉冲序列的平均功率。

专利文献1：日本特开2013-089788号公报

专利文献2：日本特许第03496369号公报

专利文献3：日本特表2013-507790号公报

为了提高激光加工质量，要求对脉冲激光束的脉冲能量进行控制。脉冲能量通过将激光功率的瞬时值从上升时刻至下降时刻为止进行时间积分来求出。想要增大脉冲能量时，可以考虑加长脉冲宽度的方法和增大激光功率的方法。在将二氧化碳激光器用于激光光源的情况下，以往通过改变激光脉冲的脉冲宽度来改变脉冲能量。这是因为很难按每一个激光脉冲改变激光功率，而改变脉冲宽度却比较容易。

但是，明确了一点就是即使脉冲能量相同，若脉冲宽度以及激光功率不同，则加工质量也不同。若仅采用通过调整脉冲宽度来改变脉冲能量的方法，则不足以进行高质量的加工，期待一种通过调整激光功率来改变脉冲能量的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够按每一个激光脉冲调整激光功率从而改变脉冲能量的激光加工装置。本发明的另一目的在于提供一种应用于激光加工装置的脉冲激光束的输出方法。

根据本发明的一个观点，提供一种激光加工装置，其具有：

激光振荡器，包括一对放电电极，且输出脉冲激光束；

激光电源，按照所输入的激振指令信号的占空因数向所述放电电极施加高频电压；

激光控制装置，若输入有包括占空因数信息的激振模式指令信号以及指示脉冲激光束的输出时刻的脉冲输出时刻信号时，所述激光控制装置根据所述激振模式指令信号所包含的所述占空因数信息，向所述激光电源发出所述激振指令信号；

加工机控制装置，向所述激光控制装置发出所述脉冲输出时刻信号以及所述激振模式指令信号；

载物台，保持加工对象物；以及

光学系统，将从所述激光振荡器输出的所述脉冲激光束导光至保持于所述载物台的加工对象物。

根据本发明的另一观点，提供一种激光加工装置，其具有：

激光振荡器，包括一对放电电极，且输出脉冲激光束；

激光电源，按照所输入的激振指令信号的占空因数向所述放电电极施加高频电压；

控制装置，若输入有占空因数信息，则所述控制装置根据所输入的所述占空因数信息，向所述激光电源发出所述激振指令信号；

输入装置，向所述控制装置输入所述占空因数信息；

载物台，保持加工对象物；以及

光学系统，将从所述激光振荡器输出的所述脉冲激光束导光至保持于所述载物台的加工对象物。

根据本发明的又一观点，提供一种脉冲激光束的输出方法，经H桥电路以脉冲方式向气体激光振荡器的放电电极施加高频电压，从而激发等离子体并输出脉冲激光束，其中，

按每一个激光脉冲改变所述H桥电路的导通时间的占空因数，从而改变所述激光脉冲的脉冲宽度内平均功率。

通过按照激振指令信号的占空因数向放电电极施加高频电压，能够改变脉冲激光束的脉冲宽度内平均功率。通过按每一个激光脉冲改变激振指令信号的占空因数，能够按每一个激光脉冲改变脉冲宽度内平均功率。

附图说明

图1是根据实施例的激光加工装置的光学系统的示意图以及控制系统的框图。

图2是激光振荡器的剖视图。

图3是高频电源的等效电路图。

图4是激振模式指令信号、脉冲输出时刻信号、激振指令信号、高频电压、放电电流、脉冲激光束的时序图。

图5A是示出激振模式指令信号、激振指令信号以及脉冲激光束的波形的一例的图表，图5B是示出激振模式指令信号、激振指令信号以及脉冲激光束的波形的另一例的图表。

图6是示出开关频率与脉冲激光束的脉冲宽度内平均功率之间的关系的一例的图表。

图中：10-激光振荡器，11-激光电源，12-放电电极，13-直流电源，14-高频电源，14a-开关元件，14A、14B-电桥臂，14C-变压器，15-激光控制装置，20-光检测器，21-半透反射镜，22-光点位置稳定化光学系统，23-非球面透镜，24-准直透镜，25-掩膜，26-场透镜，27-折回镜，28-射束扫描器，29-fθ透镜，30-载物台，31-加工对象物，35-加工机控制装置，36-输入装置，40-鼓风机，42-放电空间，43-导电部件，44-陶瓷部件，46-热交换器，50-激光腔室，51-端子，52-腔室内电流路，55-腔室外电流路，Cv-控制值，Dcc-占空因数，Dv-检测值，Ec-激振指令信号，Ep-激振模式指令信号，Ie-放电电流，Lp-脉冲激光束，Pt-脉冲输出时刻信号，Ve-高频电压，Wa-脉冲宽度内平均功率，fr-共振频率，fs-开关频率。

具体实施方式

在图1中示出根据实施例的激光加工装置的光学系统的示意图以及控制系统的框图。激光电源11以脉冲方式向激光振荡器10的放电电极12施加高频电压Ve。激光电源11包括直流电源13以及高频电源14。激光振荡器10例如使用二氧化碳激光振荡器。激光控制装置15根据来自加工机控制装置35的指令向直流电源13提供控制值Cv，向高频电源14提供激振指令信号Ec。

直流电源13根据控制值Cv对施加于高频电源14的直流电压进行控制。高频电源14根据激振指令信号Ec对放电电极12施加高频电压Ve。具体而言，根据控制值Cv对脉冲激光束的脉冲宽度内平均输出进行控制。在此，“脉冲宽度内平均输出”是指在输出激光脉冲的期间内对激光输出进行平均化而得到的值，与脉冲能量除以脉冲宽度而得到的值相等。而通常使用的“脉冲激光的平均输出”是指在包括不输出激光脉冲的时间在内的期间内以单位时间对激光输出进行平均化而得到的值。脉冲激光的平均输出小于脉冲宽度内平均输出。

例如，在对印刷基板等进行钻孔加工时，脉冲宽度内平均输出、脉冲宽度、脉冲的重复频率等被控制成与目标值一致。

高频电源14包括多个开关元件14a，该多个开关元件14a对从直流电源13供给过来的直流电流进行开关操作而将直流电流转换成交流电流。通过从激光控制装置15输入的激振指令信号Ec对该开关元件14a进行导通和断开控制。关于高频电源14的详细结构，在后面参考图3进行说明。

作为激光振荡器10的激光介质气体，例如使用二氧化碳与氮气的混合气体。若从激光电源11向放电电极12施加高频电压Ve，则在放电电极之间等离子体被激发，从激光振荡器10输出脉冲激光束Lp。

从激光振荡器10输出的脉冲激光束Lp通过半透反射镜21被分支成透射光束和反射光束。反射光束入射到光检测器20。当光检测器20检测到光时，向激光控制装置15发送与光强度相对应的检测值Dv。光检测器20例如包括在二氧化碳激光的波长域内具有灵敏度的汞镉碲(MCT)光导电元件。

透过半透反射镜21直线前进的透射光束通过导光光学系统入射到加工对象物31。导光光学系统包括光点位置稳定化光学系统22、非球面透镜23、准直透镜24、掩膜25、场透镜26、折回镜27、射束扫描器28以及fθ透镜29。加工对象物31保持于载物台30。

透过光点位置稳定化光学系统22的脉冲激光束Lp入射到非球面透镜23。光点位置稳定化光学系统22包括多个凸透镜，即使从激光振荡器10输出的脉冲激光束Lp的行进方向出现偏离，也会使配置有非球面透镜23的位置处的射束点的位置稳定化。非球面透镜23改变脉冲激光束Lp的射束分布。例如，将高斯形状的射束分布改变成顶部平坦的形状的射束分布。

透过非球面透镜23的脉冲激光束Lp被准直透镜24校准之后，入射到掩膜25。掩膜25包括透射窗以及遮光部，该掩膜25对脉冲激光束Lp的射束截面进行整形。透过掩膜25的透射窗的脉冲激光束Lp经由场透镜26以及折回镜27而入射到射束扫描器28。射束扫描器28根据来自加工机控制装置35的指令在二维方向上对激光束进行扫描。作为射束扫描器28，例如使用检流计扫描振镜。

通过射束扫描器28扫描后的脉冲激光束Lp通过fθ透镜29聚光后入射到加工对象物31。场透镜26以及fθ透镜29使掩膜25的透射窗成像在加工对象物31的表面。载物台30能够根据来自加工机控制装置35的指令使加工对象物31沿着与其表面平行的方向移动。射束扫描器28以及载物台30中的至少一个作为用于使脉冲激光束Lp的入射位置在加工对象物31的表面移动的移动机构发挥作用。

加工机控制装置35向激光控制装置15提供脉冲输出时刻信号Pt以及激振模式指令信号Ep。激光控制装置15在输入有脉冲输出时刻信号Pt的期间，向激光振荡器10发出激振指令信号Ec。根据激振模式指令信号Ep指定激振指令信号Ec的占空因数以及脉冲的重复频率。激振指令信号Ec的脉冲的重复频率与高频电源14的开关频率一致。

在图2中示出激光振荡器10的剖视图。在激光腔室50的内部容纳有鼓风机40、一对放电电极12、热交换器46、激光介质气体。在一对放电电极12之间区划有放电空间42。通过在放电空间42产生放电，激发激光介质气体。在图2中示出了与放电电极12的长度方向正交的截面。每个放电电极12包括导电部件43和陶瓷部件44。陶瓷部件44用于隔离导电部件43与放电空间42。

在激光腔室50内形成有从鼓风机40经由放电空间42以及热交换器46而返回到鼓风机40的循环路径。热交换器46对通过放电成为高温的激光介质气体进行冷却。

一对端子51安装于激光腔室50的壁面。放电电极12的导电部件43分别通过腔室内电流路52与端子51连接。端子51通过腔室外电流路55与激光电源11连接。

在图3中示出高频电源14的等效电路图。高频电源14包括具有2个电桥臂14A、14B的H桥电路。电桥臂14A、14B分别包括相互串联连接的2个开关元件14a。放电电极12经由变压器14C与2个电桥臂14A、14B的中间点连接。直流电源13向H桥电路供给直流电压。根据来自激光控制装置15的激振指令信号Ec对开关元件14a进行导通和断开控制。

在所有开关元件14a断开的状态下，反复进行如下步骤：将一个电桥臂14A的高电位侧的开关元件14a和另一个电桥臂14B的低电位侧的开关元件14a切换成导通状态之后，恢复到断开状态，之后，将一个电桥臂14A的低电位侧的开关元件14a和另一个电桥臂14B的高电位侧的开关元件14a切换成导通状态之后，恢复到断开状态，从而向放电电极12施加高频电压。

在图4中示出激振模式指令信号Ep、脉冲输出时刻信号Pt、激振指令信号Ec、高频电压Ve、放电电流Ie、脉冲激光束Lp的时序图的一例。激振模式指令信号Ep包括占空因数信息以及开关频率信息。作为一例，激振模式指令信号Ep通过一般的串行通信或并行通信从加工机控制装置35(图1)传递至激光控制装置15(图1)。加工机控制装置35在发送激振模式指令信号Ep之后，使脉冲输出时刻信号Pt上升。想要在1个激光脉冲内改变占空因数或开关频率时，只要在激振模式指令信号Ep中包含多个占空因数信息以及开关频率信息，且包含指示切换时刻的信息即可。

根据脉冲输出时刻信号Pt的上升以及下降，指示开始输出以及停止输出激振指令信号Ec。若脉冲输出时刻信号Pt在时刻t1上升，则激光控制装置15开始向高频电源14输出激振指令信号Ec。若脉冲输出时刻信号Pt在时刻t3下降，则激光控制装置15停止向高频电源14输出激振指令信号Ec。

在图4中，当激振指令信号Ec为状态Ec0时，表示高频电源14(图3)的所有开关元件14a处于断开状态。当激振指令信号Ec为状态Ec1时，表示一个电桥臂14A的高电位侧的开关元件14a以及另一个电桥臂14B的低电位侧的开关元件14a处于导通状态，当激振指令信号Ec为状态Ec2时，表示一个电桥臂14A的低电位侧的开关元件14a以及另一个电桥臂14B的高电位侧的开关元件14a处于导通状态。

若激振指令信号Ec施加于高频电源14，则高频电源14按照激振指令信号Ec的占空因数以及开关频率向放电电极12施加高频电压Ve。若高频电压Ve施加于放电电极12，则在放电电极12之间等离子体被激发，流过放电电流Ie。在稍微慢于脉冲输出时刻信号Pt的上升时刻t1的时刻t2，开始输出脉冲激光束Lp。

若激振指令信号Ec在时刻t3停止，则向放电电极12施加的高频电压Ve也停止，放电电流Ie开始减少。由此，脉冲激光束Lp的输出功率也开始下降。

接着，参考图5A以及图5B，对激振模式指令信号Ep的占空因数信息、激振指令信号Ec以及脉冲激光束Lp之间的关系进行说明。

在图5A中示出激振指令信号Ec以及脉冲激光束Lp的波形的一例。在激振指令信号Ec的1个周期内，依次出现状态Ec1、Ec0、Ec2、Ec0。通过激振模式指令信号Ep(图4)指示状态Ec1以及状态Ec2各自的时间T1以及激振指令信号Ec的周期T2。高频电源14的开关频率fs是1/T2。激振指令信号Ec的占空因数Dcc即构成高频电源14(图3)的H桥电路的导通时间的占空因数表示为2×T1/T2。

当激振指令信号Ec的占空因数Dcc以及开关频率fs为图5A所示的条件时，脉冲激光束Lp的脉冲宽度内平均功率是Wa1。通过将脉冲宽度内平均功率Wa1和脉冲宽度相乘，求出脉冲能量。

在图5B中示出激振指令信号Ec以及脉冲激光束Lp的波形的另一例。图5B所示的激振指令信号Ec的状态Ec1以及状态Ec2各自的时间T1短于图5A所示的激振指令信号Ec的时间T1。激振指令信号Ec的周期T2与图5A所示的激振指令信号Ec的周期T2相等。因此，图5B所示的激振指令信号Ec的占空因数Dcc小于图5A所示的激振指令信号Ec的占空因数Dcc。图5B所示的激振指令信号Ec的开关频率fs与图5A所示的激振指令信号Ec的开关频率fs相等。若激振指令信号Ec的占空因数Dcc变小，则供给至放电电极12(图3)的高频电力减少，脉冲激光束Lp的脉冲宽度内平均功率下降。因此，激振指令信号Ec的占空因数Dcc以及开关频率fs为图5B所示的条件时的脉冲激光束Lp的脉冲宽度内平均功率Wa2小于图5A所示的脉冲激光束Lp的脉冲宽度内平均功率Wa1。

如图5A以及图5B所示，通过激振模式指令信号Ep改变指示给激光控制装置15的占空因数信息，从而能够改变脉冲激光束Lp的脉冲宽度内平均功率。

通过改变直流电源13(图1)的输出电压，也能够改变供给至放电电极12的高频电力，从而能够控制脉冲激光束Lp的脉冲宽度内平均功率。但是，直流电源13的输出电压通过平滑电容器等而被平滑化。因此，难以以脉冲激光束的脉冲间隔程度的较短的时间常数改变直流电源13的输出电压。

在上述实施例中，在将施加至高频电源14(图1)的直流电压维持恒定的状态下，改变激振指令信号Ec的占空因数Dcc，从而改变脉冲激光束的脉冲宽度内平均功率。能够在每次输出脉冲输出时刻信号Pt时改变激振指令信号Ec的占空因数Dcc。因此，能够按每一个激光脉冲对脉冲宽度内平均功率进行控制。

在图5A及图5B中，使激振指令信号Ec的开关频率fs恒定，而改变占空因数Dcc，从而改变了脉冲宽度内平均功率。相反，使占空因数Dcc恒定，而改变开关频率fs，也能够改变脉冲宽度内平均功率。

激振指令信号Ec的开关频率fs设定成接近图3所示的变压器14C以及包括放电电极12的共振电路的共振频率fr。由此，能够有效地向激光振荡器10供给高频电力。若开关频率fs偏离共振频率fr，则供给至激光振荡器10的高频电力就会下降。

在图6中示出开关频率fs与脉冲激光束Lp的脉冲宽度内平均功率Wa之间的关系的一例。由于在开关频率fs与共振频率fr相等时，有效地向激光振荡器10供给高频电力，因此脉冲宽度内平均功率Wa显示最大值。若开关频率fs偏离共振频率fr，则供给至激光振荡器10的高频电力减少，脉冲宽度内平均功率Wa会下降。因此，通过改变开关频率fs，也能够改变脉冲宽度内平均功率Wa。

为了改变脉冲宽度内平均功率Wa，也可以改变激振指令信号Ec的占空因数Dcc以及开关频率fs这两者。通过从加工机控制装置35发送至激光控制装置15的激振模式指令信号Ep指示激振指令信号Ec的占空因数Dcc以及开关频率fs。

在将根据实施例的激光加工装置用于印刷基板的钻孔加工时，能够按每一个激光脉冲对脉冲宽度内平均功率进行控制，从而能够提高加工质量。占空因数信息以及开关频率信息经由输入装置36输入至加工机控制装置35。

在上述实施例中，作为激光振荡器10(图1)使用了二氧化碳激光振荡器，但也可以使用其他气体激光振荡器。

并且，在上述实施例中，利用不同的装置实现了激光控制装置15和加工机控制装置35，但是也可以使激光控制装置15和加工机控制装置35一体化而作为1个装置。在该情况下，被一体化的控制装置根据经输入装置36输入的占空因数信息向激光电源11发出激振指令信号Ec。

以上，通过实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于此。例如，本领域技术人员应该明白能够进行各种变更、改良、组合等。

Claims (8)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具有：

激光振荡器，包括一对放电电极，且输出脉冲激光束；

激光电源，按照所输入的激振指令信号的占空因数向所述放电电极施加高频电压；

激光控制装置，若输入有包括占空因数信息的激振模式指令信号以及指示脉冲激光束的输出时刻的脉冲输出时刻信号时，所述激光控制装置根据所述激振模式指令信号所包含的所述占空因数信息，向所述激光电源发出所述激振指令信号；

加工机控制装置，向所述激光控制装置发出所述脉冲输出时刻信号以及所述激振模式指令信号；

载物台，保持加工对象物；以及

光学系统，将从所述激光振荡器输出的所述脉冲激光束导光至保持于所述载物台的加工对象物，

在输入有所述脉冲输出时刻信号的期间的、所述激振指令信号的导通期间与非导通期间交替重复的周期中，所述加工机控制装置通过改变导通期间与非导通期间之间的比例，使所述脉冲激光束的脉冲宽度内平均功率发生变化。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，

所述激光加工装置还具有向所述加工机控制装置输入所述占空因数信息的输入装置，

所述加工机控制装置根据经所述输入装置输入的所述占空因数信息向所述激光控制装置发出所述激振模式指令信号。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其中，

在每次输出所述脉冲输出时刻信号时，所述加工机控制装置改变所述激振模式指令信号。

4.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其中，

所述激光振荡器是二氧化碳激光振荡器。

5.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其中，

所述激光电源包括：

H桥电路，包括2个电桥臂；以及

直流电源，向所述H桥电路施加直流电压，

每个所述电桥臂包括相互串联连接的2个开关元件，

所述一对放电电极分别与2个所述电桥臂的中间点连接，

所述激振指令信号对所述H桥电路的所述开关元件进行导通和断开控制。

6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其中，

所述激振模式指令信号还包括对所述H桥电路进行开关操作的开关频率信息，

所述激光控制装置根据所述激振模式指令信号所包含的所述占空因数信息以及所述开关频率信息，向所述激光电源发出所述激振指令信号。

7.一种脉冲激光束的输出方法，经激光电源的H桥电路以脉冲方式向气体激光振荡器的放电电极施加高频电压，从而激发等离子体并输出脉冲激光束，其特征在于，

每当输入指示脉冲激光束的输出时刻的脉冲输出时刻信号时，向所述激光电源发出激振指令信号，所述激光电源按照所输入的激振指令信号的占空因数向所述放电电极施加高频电压，

按每一个激光脉冲，在输入有所述脉冲输出时刻信号的期间的、所述激振指令信号的导通期间与非导通期间交替重复的周期中，改变导通期间与非导通期间之间的比例，从而改变所述激光脉冲的脉冲宽度内平均功率。

8.根据权利要求7所述的脉冲激光束的输出方法，其中，

所述脉冲激光束的输出方法还按每一个所述激光脉冲改变所述H桥电路的开关频率，从而改变所述激光脉冲的脉冲宽度内平均功率。