CN106232283A - 使用不同波长和/或脉冲持续时间的多个激光束的多光束激光加工 - Google Patents

Abstract

可以使用具有不同特性(例如，波长和/或脉冲持续时间)的至少第一和第二激光光束，在工件上执行多光束激光加工。在一些应用中，将辅助激光光束引导至工件上或工件中的目标位置，以便修改非吸收型材料的特性。将加工激光光束引导至目标位置，并将其耦合到形成在非吸收型材料中的吸收中心，以便完成对非吸收型材料的加工。例如，多光束激光加工可以用于在由氧化铝或其他透明陶瓷制成的衬底中钻孔。在其他应用中，多光束激光加工可以用于熔接应用，诸如微熔接、焊合和形成激光烧蚀触点。在这些应用中，辅助激光光束可以用于修改所述材料的特性或改变所述部分的几何形状。

Description

使用不同波长和/或脉冲持续时间的多个激光束的多光束激 光加工

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年2月28日递交的美国临时专利申请序列号NO.61/945,911的权益，其中通过引用的方式将其整体合并于此。

技术领域

本公开涉及激光加工，更具体地，涉及使用具有不同波长和/或脉冲持续时间的多个激光束的多光束激光加工。

背景技术

激光器已被用于执行广泛的材料加工，以便例如通过烧蚀、熔接和退火来从某种程度上改变材料。具体地，材料由于吸收激光能量而被加热，直到该材料蒸发、液化或改变其状态或结构。对于诸如对激光透明或反射的材料的一些类型材料，难以进行激光加工。这种透明和反射型材料不会吸收足以令激光能量改变和加工所述材料的特定波长的激光。例如，难以使用在约1064nm的波长下运行的激光器来对透明材料(诸如，氧化铝和蓝宝石)进行激光加工，这是由于大部分激光光线透射通过所述材料，而不是被所述材料吸收。

当使用激光器在透明材料中钻孔时，例如，可以将激光光束传送到目标，但是如果大部分激光穿过所述材料而没有充分吸收，则不产生孔。可以增加激光器的脉冲能量和峰值功率和/或平均功率以便确保对这些材料的加工，但是增加的能量和功率是不足的，且通常导致不希望地增大所钻的孔的尺寸且所述孔的质量较差。其他技术需要诸如能够实现加工透明材料的涂覆层的耦合增强剂，这可能是不希望的。

同样难以使用激光器来加工其他类型的非吸收型材料，诸如反射型材料。例如，用1064nm IR激光器来焊接诸如铜的反射型材料通常需要足够大的脉冲能量/功率来克服材料的反射性。例如当对薄箔进行微焊接时，这种大功率可以使其难以控制侵蚀(affectation)深度。因此，激光加工应用有时面临使用大功率激光器来执行所期望的加工而不引起其他损坏的独特挑战。

因此，需要一种用于增强激光加工的方法，特别是针对非吸收型材料，所述方法具有较低的脉冲能量/平均功率和较高的质量。

发明内容

根据一个实施例，提供了一种用于对由非吸收型材料制成的工件进行多光束激光加工的方法。所述方法包括：产生具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，其中所述工件的非吸收型材料充分吸收具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，以便修改非吸收型材料的特性；产生具有第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束，其中所述第一和第二波长以及第一和第二脉冲持续时间中的至少一个是不同的，且其中所述加工激光光束单独地不会在所述非吸收型材料中被充分吸收以加工所述非吸收型材料；以及将辅助激光光束和加工激光光束引导至工件上的目标位置，使得辅助激光光束修改所述工件的非吸收型材料在形成吸收中心的目标位置处的特性，且使得加工激光光束被耦合到在目标位置处的非吸收型材料中形成的吸收中心，以便完成对在目标位置处的非吸收型材料的加工。

根据另一实施例，提供了一种用于对由非吸收型材料制成的工件进行加工的多光束激光加工系统。所述多光束激光加工系统包括辅助激光器，用于产生具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束。所述工件的非吸收型材料充分吸收具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，以便修改非吸收型材料的特性。所述多光束激光加工系统还包括加工激光器，用于产生具有第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束。所述第一和第二波长以及第一和第二脉冲持续时间中的至少一个是不同的，且所述加工激光光束单独地不会在所述工件的非吸收型材料中被充分吸收以加工所述非吸收型材料。所述多光束激光加工系统还包括合束器，用于将来自辅助激光器的辅助激光光束和来自加工激光器的加工激光光束引导至工件上的目标位置，使得具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束修改所述工件在形成吸收中心的目标位置处的非吸收型材料的特性，且使得具有第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束被耦合到形成于目标位置处的非吸收型材料中的吸收中心，以便完成对在目标位置处的非吸收型材料的加工。

根据另一实施例，提供了一种用于对包括至少一层材料的工件进行多光束激光加工的方法。所述方法包括：产生具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，其中所述第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束本身不能完成对工件的加工；产生具有第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束，其中所述第一和第二波长以及第一和第二脉冲持续时间中的至少一个是不同的，且其中所述第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束本身不能完成对工件的加工；以及将辅助激光光束和加工激光光束引导至工件上的目标位置，使得辅助激光光束修改所述至少一层材料的特性和/或几何结构，以便有助于加工激光光束完成对目标位置处的工件的加工。

根据另一实施例，提供了一种用于对工件进行加工的多光束激光加工系统。所述多光束激光加工系统包括第一激光器，用于产生具有第一波长和第一脉冲持续时间的第一激光光束，其中所述第一波长和第一脉冲持续时间的第一激光光束本身不能完成对工件的加工。所述多光束激光加工系统还包括第二激光器，用于产生具有第二波长和第二脉冲持续时间的第二激光光束。所述第一和第二波长以及所述第一和第二脉冲持续时间中的至少一个是不同的。第二波长和第二脉冲持续时间的第二激光光束本身不能完成对工件的加工。合束器将来自辅助激光器的第一激光光束和来自加工激光器的第二激光光束引导至工件上的目标位置，使得具有第一波长和第一脉冲持续时间的第一激光光束修改所述至少一层材料的特性和/或几何形状，以便有助于第二激光光束完成对目标位置处的工件的加工。

附图说明

通过结合附图阅读以下详细描述，将更清楚上述和其他特征和优点，附图中：

图1是根据本公开一个实施例的多光束激光加工系统的示意图。

图2是根据本公开另一实施例的多光束激光加工系统的示意图。

图3A-3C是示出了用于增强在氧化铝工件中的激光耦合的多光束激光加工的一个示例的图像。

图4A-4H是示出了用于在氧化铝工件中冲击钻孔相对较小的孔的多光束激光加工的另一示例的图像。

图5A-5L是示出了用于在氧化铝工件中进行单射孔钻孔的多光束激光加工的再一示例的图像。

图6是示出了根据本公开实施例的当使用辅助激光光束和加工激光光束时有可能发生的激光功率减小的脉冲宽度图。

图7是根据本公开一个实施例的将使用单个激光光束和使用多光束激光加工的激光焊接结果进行比较的铜带的照片。

图7A-7E是示出了图7所示的铜带上的焊接线的显微图。

图8是根据本公开一个实施例的通过在使用多光束激光加工的焊接操作中使用的在铜箔中加工的一系列狭缝的示意图。

图8A和8B是示出了根据本公开一个实施例的通过使用多光束激光加工分别在铜箔中形成的狭缝和焊点的显微图。

图8C是示出了根据本公开一个实施例的通过使用多光束激光加工成功焊接的铜箔的照片。

图8D和8E分别是根据本公开一个实施例的通过使用多光束激光加工焊接的铜箔的顶部和底部的显微图。

图9是根据本公开一个实施例的通过使用多光束激光加工正形成激光烧蚀触点(laser fired contact)的示意图。

图9A-9C是示出了根据本公开一个实施例的通过使用单个激光光束和使用多光束激光加工形成的激光烧蚀触点的显微图。

具体实施方式

可以使用具有不同特性(例如，波长和/或脉冲持续时间)的至少第一和第二激光光束，在工件上执行根据本公开实施例的多光束激光加工。在一些应用中，工件由非吸收型材料制成，且将辅助激光光束引导至工件上或工件中的目标位置，以便修改非吸收型材料的特性，这样形成吸收中心。将加工激光光束引导至目标位置，并将其耦合到形成在非吸收型材料中的吸收中心，以便完成对材料的加工。辅助激光光束和加工激光光束每个都不能完全加工所述工件的非吸收型材料，而是一起(无论同时地或依次地)提供使能加工非吸收型材料的协同作用(synergy)。

例如，多光束激光加工可以用于在由透明材料(诸如，氧化铝或其他透明陶瓷)制成的衬底中钻孔。在其他应用中，多光束激光加工可以用于熔接应用，诸如微熔接、焊合和形成激光烧蚀触点。在这些应用中，辅助激光光束可以用于修改正熔接的材料的特性或改变所述部分的几何形状。

尽管示例实施例描述了在氧化铝中钻孔，然而本文所述的多光束激光加工系统和方法可以用于加工其他类型的透明材料，包括且不限于蓝宝石和玻璃。由于作为非吸收型的反射型材料反射某个波长的激光，本文所述的多光束激光加工系统和方法还可以用于加工所述反射型材料。本文所述的多光束激光加工系统和方法还可以用于各种加工技术和应用，包括且不限于钻孔、切割、划线、铣削、焊接等。

如本文所用，“加工”和“处理”是指通过烧蚀、熔接、退火，或通过使用激光器来改变或修改工件的材料的特性或特征，来在工件上执行的激光操作(包括从固态阶段到再熔化的所有类型重结晶)，且包括但不限于钻孔、切割、划线、铣削和焊接。如本文所用，“非吸收型”是指例如由于材料是对某个波长的光是反射型的或透明的，导致对该波长下的激光能量吸收较少的材料的特性。如本文所用，“透明”是指允许某个波长范围内的光线透过而不会吸收足以加工所述材料的能量的材料的特性。如本文所用，“吸收中心”是指在非吸收型材料中的位置，其中已修改在所述位置中的材料的特性(例如，弹坑、粗化、光学损坏、内部材料缺陷、色心、体材料特性改变或温度增加)，使得相较于所述材料的未修改区域，光线更有可能被吸收。如本文所用，“波长”是指激光器的近似辐射波长，且可以包括在所述波长周围的波带或波长范围。如本文所用，“紫外(UV)光谱范围”是指10nm到380nm的光谱范围，“可见光光谱范围”是指380nm到700nm的光谱范围，且“红外光谱范围”是指700nm到10.3μm的光谱范围。

参考图1，根据本公开实施例的多光束激光加工系统100用于加工由非吸收型材料(诸如，透明材料或反射型材料)制成的工件102。多光束激光加工系统100通常包括用于产生辅助激光光束111的辅助激光器110以及用于产生加工激光光束121的加工激光器120。激光器110、120可以产生单个脉冲用于执行加工操作(例如，钻孔)的脉冲激光光束；或多个脉冲的突发执行加工操作的脉冲激光光束。

所述多光束激光加工系统100还包括用于将激光光束111、121引导至工作件102上或工作件102中的相同目标位置108的合束器130。所述多光束激光加工系统100可以将辅助激光光束111和加工激光光束121合束，并同时(如图所示)地或不同时地引导辅助激光光束111和加工激光光束121。同时引导激光光束111、121可以包括在激光光束111、121的突发或脉冲之间任意交叠量，且不必要求激光束具有相同的突发或脉冲持续时间。辅助激光光束111可以在加工激光光束121之前或在其期间开始。还可以在不同时间将激光光束111、121引导至工作件102，例如，辅助激光光束111在处理激光光束121之前。

一个或更多个聚焦透镜140可以用于对辅助激光光束111和加工激光光束121进行聚焦，或一起同时地用作合束的激光光束131或在不同的时间单独使用。聚焦透镜140可以根据加工技术或应用，对例如在工件102的表面的上方、在工件102的表面上、或在工件102中的光束进行聚焦。

尽管所示实施例示出了多个激光器110、120产生辅助激光光束111和加工激光光束121，然而还可以通过使用产生辅助激光光束111和加工激光光束121二者的同一激光源来执行根据本公开实施例的多光束激光加工方法。例如，可以从激光源产生具有一组参数(例如，较短波长和/或脉冲持续时间)的辅助激光光束，且可以从同一激光光源产生具有不同参数组(例如，较长波长和/或脉冲持续时间)的加工激光光束。还可以通过使用不同的光束传输系统来对由激光源产生的单个激光光束进行分束和修改，以便产生具有不同特征的辅助激光光束和加工激光光束。

多光束激光加工系统100还可以包括其他组件，包括但不限于光束传输系统、工间支撑、移动台、控制系统和/或监控系统。在多光束激光加工系统100中使用的激光器、光束传输系统和其他组件的类型可以取决于具体加工应用和/或由多光束激光加工系统100正处理的材料。

辅助激光光束111和加工激光光束121单独不能加工具有期望质量的工件102，且二者具有不同特征，其中当无论同时地还是依次地一同使用所述激光光束111、121时，所述不同特性提供协同作用。辅助激光光束111具有能够修改工件102在目标位置108处的材料的特性以便形成吸收中心的波长和/或脉冲持续时间，其中吸收中心改变所述材料的光耦合特性。辅助激光光束111可以通过在所述材料中诱导损坏或影响吸收性的其他修改(例如，温度改变)，来修改材料的特性。尽管辅助激光光束111可以能够诱导一部分损坏，然而辅助激光光束111不具有足够的脉冲能量和功率来完成加工。加工激光光束121具有能够耦合到吸收中心以便完成对工件102的材料的加工的波长和/或脉冲持续时间，即使加工激光光束121可能从工件102的未修改材料反射或透射通过工件102的未修改材料而没有发生用于加工所述材料的充分吸收。

尽管加工激光光束121可以本身能够以较高的脉冲能量和峰值/平均功率来加工工件102的非吸收型材料，然而较高的脉冲能量和峰值/平均功率是效率低的，且还可能具有不希望的效果，诸如过度地去除材料和/或热损坏，这样对加工控制和质量造成不利影响。因此，使用辅助激光光束111形成吸收中心目的是为了加工激光光束121的耦合，并允许加工激光光束121以较低的脉冲能量和峰值/平均功率完成加工，从而改善加工的效率和控制与质量，下文将对此进行详细描述。在在381微米厚的氧化铝中钻50微米孔的一个示例中，当结合辅助激光器使用时加工激光器的峰值功率可以小于200W，相较于当单独使用加工激光器自身来执行相同的加工操作时需要大于1kW的峰值功率。

辅助激光光束111和加工激光光束121的特性是不同的但是互补的，且取决于材料的类型以及加工应用的类型。在一些应用中，辅助激光光束111的波长和/或脉冲持续时间短于加工激光光束121的波长和/或脉冲持续时间。这样允许辅助激光光束111更好地耦合到工件102的非吸收型材料中，以便修改该材料，使得较长的波长和/或脉冲持续时间的加工激光光束121可以接着耦合到修改后的材料中并进行大部分的材料移除。在用于在氧化铝工件中钻孔的一个具体应用中，例如，辅助激光光束可以具有约532nm的波长(即，绿光激光器)和约1ns的脉冲持续时间，且加工激光光束可以具有约1070nm的波长(即，IR激光器)且100ns或更长的脉冲持续时间(例如，大于10μs)。下文将更详细地描述用绿光辅助激光器和IR加工激光器进行激光加工的具体示例。

在其他实施例中，可以使用辅助激光光束和加工激光光束的各种组合。辅助激光光束波长可以在UV频谱范围内(266或355nm)且加工激光光束波长可以在可见光光谱范围内(例如，532nm)。辅助激光光束波长可以在UV频谱范围内(266或355nm)且加工激光光束波长可以在IR光谱范围内(例如，1064或1070nm)。辅助激光光束和加工激光光束波长还可以是在同一光谱范围内的不同波长，诸如，在UV频谱范围内(例如，266nm和355nm)。具有不同波长的辅助激光光束和加工激光光束还可以具有不同脉冲持续时间，例如，辅助激光光束可以具有短于加工激光光束的脉冲持续时间。在其他示例中，辅助激光光束和加工激光光束波长可以是具有不同脉冲持续时间的相同波长(例如，IR波长)，诸如辅助激光器具有较短脉冲(例如，小于10ns)而IR激光器具有较长的脉冲持续时间(例如，大于1μs)。例如，辅助激光器可以是具有较短脉冲的IR激光器(例如，1ns或皮秒IR激光器)，且加工激光器可以是100ns IR激光器或QCW IR激光器。

参考图2，更详细地示出了多光束激光加工系统200的另一实施例。多光束激光加工系统200的这种实施例包括：用于产生辅助激光光束211的辅助激光器210(例如，约532nm的绿色激光器)以及用于产生加工激光光束221的加工激光器220(例如，约1060到1070nm的IR激光器)。在将辅助激光光束和加工激光光束合束之前，辅助激光器和加工激光器210、220分别与用于修改辅助激光光束和加工激光光束211、221的对应光束传输系统212、222光学耦接。多光束激光加工系统200还包括：合束器230、聚焦透镜240、激光加工头260以及一个或更多个反射器或反射镜252、254、256，用于将辅助激光光束和加工激光光束211、221作为合束的激光光束231引导至工件202上或工件202中的同一目标位置208。尽管所示实施例示出了同时对辅助激光光束和加工激光光束211、221进行合束，然而还可以在不同时间将所述光束引导至同一目标位置208来对所述光束211、221进行合束。

在所示实施例中，辅助激光器210可以是掺杂稀土元素的光纤激光器，诸如IPG光子公司提供的GLP系列脉冲型绿光光纤激光器。加工激光器220还可以是掺杂稀土元素的光纤激光器，诸如IPG光子公司提供的YLP系列脉冲型掺镱光纤激光器或QCW系列单模掺镱光纤激光器。在其他实施例中，激光器210、220可以包括而激光泵浦固态(DPSS)激光器、准分子激光器、气体激光器和本领域技术人员熟知的其他类型激光器。

辅助激光光束传输系统212可以包括可变望远镜以便提供对辅助激光光束211的扩束和发散控制。具体地，可以控制辅助激光光束211的发散，以便具有优化的数值孔径(NA)，从而在将激光光束211、221合束之后，创建与加工激光光束221实质上相同的焦平面。加工激光光束传输系统222可以包括准直器，诸如焦距为100mm的准直透镜。备选地或附加地，光束传输系统212、222还可以包括用于修改和/或将激光光束引导至希望位置的其他光学器件。这种光学器件可以包括但不限于扩束器、光束准直器、光束成形透镜、反射镜、掩模、分束器和扫描仪(例如，电流计)。

在所示实施例中，合束器230包括用于分别有选择性地反射辅助激光光束和加工激光光束211、221的波长的反射器或反射镜232、234，使得沿着相同光轴引导所述光束211、221。第一反射镜232是镀膜的以便反射加工激光光束221的波长，且第二反射镜234在一侧是镀膜的以便反射加工激光光束221的波长，并在另一侧是未镀膜的以便允许辅助激光光束211的至少一部分透过。因此，第二反射镜234将这两个光束211、221进行合束。在使用绿光辅助激光光束211和IR加工激光光束221的实施例中，例如，第一反射镜232可以是IR镀膜的，且第二反射镜234可以在一侧上是IR镀膜的且在另一侧是未镀膜的。第二反射镜234的未镀膜侧依然可以将辅助激光光束211的一部分反射到束流收集器(beam dump)250。合束器230的其他配置也在本公开的范围内。

反射镜252、254、256可以是镀膜的，以便反射期望波长的激光光束211、221。在使用绿光辅助激光光束211和IR加工激光光束221的实施例中，例如，反射绿光激光光束的反射镜252、254可以是532nm或绿光镀膜的反射镜，能够反射绿光辅助激光光束211，且反射镜256可以是IR-绿光双镀膜的反射镜，能够反射绿光辅助激光光束211和IR加工激光光束221二者。在至少一个实施例中，多光束激光加工系统200的透射率对于辅助激光光束211可以是40％，且对于加工激光光束221可以是90％.

尽管所示实施例示出了使用反射镜的自由空间传输，然而还可以使用其他光学组件来传送和/或合并所述激光。例如，可以将一个或更多个光纤用于向激光加工头260传送激光光束。在该实施例中，可以通过将激光聚焦到工件202上或工件202中的同一位置208，来对所述激光合束。

聚焦透镜240可以是单个聚焦透镜，诸如例如焦距为88mm且IR镀膜的透镜。聚焦透镜240可以能够将激光光束聚焦为直径或尺寸在约30到40μm的范围内的光点。在其他实施例中，光束传送系统212、222和聚焦透镜240可以能够将激光211、221聚焦为甚至更小的光点，例如，15μm或更小。

在所示实施例中，激光加工头260包括气体辅助喷嘴262，以便将加压的气体介质连同激光光束引导至工件202，从而例如当使用气体来帮助排除熔融材料的热切割工艺时，方便激光加工。气体介质可以包括例如氧气(O₂)。在其他实施例中，气体介质可以是惰性气体，诸如氮、氩或氦。

图3A-3B示出了使用用于增强耦合到氧化铝工件中的图2所示的系统200进行多光束激光加工的一个示例。在该示例中，辅助激光器是1ns绿光光纤激光机(532nm)，具有100μJ最大脉冲能量，在重复率为100kHz下有10W最大功率(“绿光激光器”)，且加工激光器是100ms掺镱光纤激光器(1064nm)，具有1mJ最大脉冲能量且在重复率为100kHz下有100W最大功率(“IR激光器”)。在1ms突发中，将绿光激光器和IR激光器单独地引导至和一起引导至氧化铝。

图3A示出了在1ms突发之后的氧化铝工件，所述1ms突发只将40kHz下7W的IR激光置在目标上，且在目标上为40μm的光斑大小。如图所示，在该较低功率等级下的IR激光不能与氧化铝相耦合，且在表面上不发生任何损坏。图3B示出了在1ms突发之后的氧化铝工件，所述1ms突发仅将100kHz下4W的绿光激光置在目标上，且在目标上为15μm的光斑大小。如图所示，在该功率等级下的绿光激光始终如一地以约8μm直径和几微米深的浅坑的形式在氧化铝上产生表面损坏。图3C示出了在绿光激光和IR激光二者的1ms突发之后的氧化铝工件。如图所示，一起应用的绿光激光和IR激光始终如一地耦合到氧化铝的表面，以便形成约35-40μm直径和约30μm深的坑。因此，用1ns绿光激光同时进行加工明显增强了100ns IR激光对氧化铝的耦合。

图4A-4H示出了使用图2所示的系统200进行多光束激光加工以便在380μm的氧化铝工件中冲击钻探相对较小孔的另一示例。在该示例中，辅助激光器是1ns绿光光纤激光机(532nm)，具有100μJ最大脉冲能量，在重复率为100kHz下有10W最大功率(“绿光激光器”)，且加工激光器是100ms掺镱光纤激光器(1064nm)，具有1mJ最大脉冲能量且在重复率为100kHz下有100W最大功率(“IR激光器”)。在该实例中，激光器是用60psi的O₂气辅助的气体。

图4A-4D示出了以较高功率使用绿光激光器以及IR激光器的效果。图4A和4B示出了在50ms突发之后的氧化铝工件的顶部和底部，所述50ms突发将100kHz下4W的绿光激光和90W功率的IR激光置在目标上，且约35-40μm的光斑大小。这样导致钻通氧化铝工件的孔，所述孔具有约86.4μm的入口(图4A)和14.25μm的出口(图4B)。图4C和4D示出了在50ms突发之后的氧化铝工件的顶部和底部，所述50ms突发仅将100kHz下90W功率的IR激光置在目标上，且约35-40μm的光斑大小。如图所示，这样导致钻通氧化铝工件的孔，所述孔与用绿光激光器和IR激光器钻探的孔(图4A和4B)没有显著不同。因此，在较高脉冲能量和平均功率的IR激光下，绿光激光的效果是不显著的。

图4E-4H示出了以较低功率使用绿光激光器以及IR激光器的效果。图4E和4F示出了在50ms突发之后的氧化铝工件的顶部和底部，所述50ms突发将40kHz重复率下4W的绿光激光和14W功率的IR激光置在目标上，且约35-40μm的光斑大小。这样导致钻通氧化铝工件的孔，所述孔具有约27.11μm的入口(图4E)和7.35μm的出口(图4F)。图4G和4H示出了在50ms突发之后的氧化铝工件的顶部和底部，所述50ms突发仅将40kHz下14W功率的IR激光置在目标上，且约35-40μm的光斑大小。如图所示，较低功率的IR激光不能与氧化铝工件相耦合。即使当较低功率的IR激光与氧化铝工件相耦合时，所述孔可能不会穿过氧化铝工件。因此，在较低脉冲能量和平均功率的IR激光下，绿光激光的效果是显著的，且导致IR激光与氧化铝相耦合，否则IR激光将不会始终如一地与氧化铝相耦合。这种示例还示出了使用绿光辅助激光以及较低功率的IR激光相较于使用较高功率IR激光本身，允许钻探较小的孔(例如，小于30μm)。通过使用绿光激光和较低功率IR激光的组合，可以重复地且始终如一地在所述氧化铝工件上钻探孔阵列，其中所述孔阵列具有一致的较小尺寸，其入口约27μm且出口约7.5μm±2μm。

图5A-5L示出了使用图2所示的系统200进行多光束激光加工以便在氧化铝工件中钻探单个弹孔的另一示例。在该示例中，辅助激光器是1ns绿光光纤激光机(532nm)，具有100μJ最大脉冲能量，在重复率为100kHz下有10W最大功率(“绿光激光器”)，且加工激光器是准连续波(QCW)单模掺镱光纤激光器(1064nm)，具有15J最大脉冲能量且有1500W最大峰值功率(“QCW IR激光器”)。在该示例中，传送QCW IR激光，其中所述QCW IR激光的单次注射具有0.2ms脉冲持续时间，约35-40μm的光斑大小，且用70psi.的O₂气辅助的气体，并且将绿光激光传送作为与QCW IR激光的单次注射同时运行的10ms突发。

图5A-5D示出了仅IR激光以不同功率等级在氧化铝工件上的效果。图5A和5B示出了在用30％的二极管电流的单个注射(0.2ms)的QCW IR激光之后氧化铝工件的顶部和底部。如图所示，IR激光在这种较低功率等级下不发生耦合。图5C和5D示出了在用50％的二极管电流的单个注射(0.2ms)的QCW IR激光之后氧化铝工件的顶部和底部。在该功率等级下，IR激光器开始于氧化铝进行耦合，如入口孔和出口孔所示；然而，所述耦合是不可重复的(例如，约30％的时间)。甚至在70％的二极管电流下，QCW IR激光器的耦合可以是不一致的。此外，当在这种较高功率等级下发生耦合时，所述孔更大，其中入口孔约65μm且出口孔约40μm。

图5E和5F示出了在仅绿光激光的10ms突发之后的氧化铝工件的顶部和底部。如图所示，绿光激光在氧化铝表面上引起一部分浅层损坏，但是不能钻孔到氧化铝的另一侧。图5G和5H示出了在10ms突发之后氧化铝工件的顶部和底部，所述10ms突发是在10％的二极管电流下的绿光激光以及单射的QCW IR激光。如图所示，QCW IR激光与氧化铝相耦合，但不在氧化铝上钻孔。

图5I和5J示出了在10ms突发之后氧化铝工件的顶部和底部，所述10ms突发是在15％的二极管电流下的绿光激光以及单个注射的QCW IR激光。如图所示，当与绿光激光相结合时，这种功率等级(约200W峰值功率)下的IR激光与氧化铝相耦合，并在氧化铝工件上钻孔，其中入口的尺寸约39.08μm(图5I)且出口(图5J)的尺寸约16.32μm。图5K和5L还示出了延伸通过380微米厚的氧化铝工件的孔。如图5L所示，在氧化铝工件上，所述孔具有相对一致的直径(例如，约20μm)。因此，较低功率且辅助有同时触发的1ns绿光激光的QCW Ir激光的单个注射能够钻较小的孔(例如，约40μm入口和16μm出口)，增加了耦合的可重复性。使用用QCW IR激光器和绿光辅助激光的单个钻粒钻孔(shot drilling)还使用允许以较高速度钻孔(例如，超过100个孔/秒)。

在另一示例中，本文所述的多光束激光加工系统和方法的实施例被用于在厚度为100微米的氧化铝工件上钻直径为10微米的孔。在再一示例中，本文所述的多光束激光加工系统和方法的实施例被用于在厚度为635微米的氧化铝工件上钻直径为30微米的孔。

图6示出了当使用辅助激光光束和加工激光光束时有可能发生的减小激光功率的一种情况。在该示例中，较短的辅助激光光束脉冲602(例如，来自绿光激光器)以及加工激光光束脉冲604(例如，来自IR激光器的10μs到50μs的脉冲)允许加工激光光束脉冲604如上所述地在工件中钻孔。在不使用辅助激光光束的情况下，较宽的激光光束脉冲606(例如，来自IR激光器的约400μs的脉冲)可能需要增加脉冲能量并提供足够的吸收以便在工件中钻孔。交叉阴影区域608表示当不使用辅助激光光束时用于吸收的附加脉冲能量的量。

因此，使用辅助激光光束和加工激光光束允许以较低功率(例如，比用单个IR激光所需功率至少少10％的功率)和较高质量(例如，较小钻孔)始终如一地加工非吸收型材料。此外，使用激光光束和加工激光光束允许始终如一的耦合(例如，用于钻孔)，而无需其他耦合增强剂，诸如，涂覆层。

尽管以上将多光束激光加工系统描述为以某种方式使用辅助激光光束和加工激光光束，然而多光束激光加工系统可以包括两个或更多个激光器以产生具有不同特性的激光光束，其中激光光束中的每一个不能自身完成加工，而是可以将所述激光光束一同用于执行激光加工操作。可以同时地或控制延迟地使用多光束激光光束，其中所述激光光束中的每一个以不同的方式修改工件的特性和/或几何形状，以便有助于对工件的激光加工。除了穿过透明材料钻孔之外，多光束激光加工系统和方法还可以用于针对其他应用增强激光加工，例如，针对其他类型的非吸收型材料(例如，反射型材料)和/或可能需要降低用于执行激光加工的激光功率的情况。这种应用包括但不限于熔接应用，诸如，微熔接、焊合并形成激光烧蚀触点，上述应用将在下文详细描述。

在一个应用中，多光束激光加工系统和方法可以用于对诸如铜的高反射型材料执行微焊接。具体地，铜对标准的接近IR的光束(例如，1064nm)具有较高的反射型，其中所述光束具有纳米级别且更长的脉冲持续时间。为了有助于对铜(以及其他类似高反射型材料)的微熔接，多个光束激光加工系统和方法可以使用较低波长和/或脉冲持续时间较短的第一或辅助激光光束来更方便与所述材料耦合。例如，通过使用绿光激光可以导致局部汽化，这样动态增加了材料的温度，并使该材料成为熔融状态，从而降低反射性。多光束激光加工系统和方法可以使用第二或加工激光光束(例如，IR激光光束)，以便横跨工件的厚度(例如，横跨正在焊接的材料的多层)执行熔接和焊接。用第一激光降低反射性允许在反射型材料中吸收更多部分的第二激光的强度(相较于使用第二激光自身)。

图7和7A-7G示出了将25μm的铜板与另一25μm的铜板微熔接的一个示例。在该示例中，第一激光器是最大峰值功率为1500W的准连续波(QCW)单模掺镱IR光纤激光器，诸如，IPG光子公司提供的YLM-150/1500-QCW激光器，且第二激光器是平均功率为10W的脉冲型绿光光纤激光器，诸如，IPG广子公司提供的GLP系列激光器。QCW IR光纤激光器连同85mm的准直器和80mm的物镜以及没有气体辅助的激光切割头一同使用。在该示例中，IR光纤激光器运行在门模式(gate mode)下，在该模式下，具有35％峰值功率、62W/1.8W的典型峰值/平均功率(激光器处)、40Hz的重复率且1.1ms-1.5ms的典型脉冲持续时间。在该示例中，运行绿光光纤激光器，其中电流为60％-70％的、重复率为100kHz、脉冲持续时间为～1s、且目标上有160mW-300mW。几乎同时地触发IR光纤激光器和绿光光纤激光器，并以约1mm/s的速度移动工件台。

图7示出了通过使用以下光源加工的25μm的铜带：(a)绿光激光和IR激光二者；(b)仅使用绿光激光；以及(c)仅使用IR激光。图7A-7C是更详细地示出了这些相应激光加工操作中的每一个的结果的显微图。如图所示，焊接仅发生在当使用绿光激光和IR激光二者时。绿光激光和QCW IR激光的组合在10mm长的片段上创建焊接线，在所述焊线上光斑尺寸变化最小，如图7D和7E所示。可以通过减少绿光激光功率减小多孔性。

在另一应用中，多光束激光加工系统和方法可以用于通过修改所述层的至少一层的几何形状来执行微熔接。在该应用中，可以将第一或辅助激光光束用于以一个或更多个狭缝或微孔的形式机械加工穿过该材料顶层(例如，铜箔)的较小或狭窄开口。这种开口允许足够的光穿过到达材料的另一层(例如，另一铜箔)，使得第一层焊接或熔断到所述开口，从而使所述开口闭合并允许焊接到材料的另一层。第一激光光束还可以用于穿过材料的上述两层切割狭缝(或一系列微孔)，且第二激光光束可以用于通过将该激光传播通过所述狭缝并横向导热，来焊接所述两层。在该应用中，绿光激光光束(355nm)或UV激光光束(266nm)可以用于机械加工狭缝/孔，且IR激光光束可以用于直接焊接。短波波长(即，266nm)可以有利于第一激光机械加工更狭窄的狭缝/孔。

图8和8A-8E示出了将25μm的铜箔与另一片25μm的铜箔相焊接的另一示例。在该示例中，使用具有15μm单模光纤的QCW IR光纤激光器以及UV激光器(266nm)。在该示例中，UV激光用于切割一系列具有1mm长度和10μm宽度的狭缝，如图8所示，且QCW IR光纤激光器用于通过伸入所述狭缝来执行焊接。图8A是示出了在焊接之前的狭缝的显微图。运行QCW IR光纤激光器，其中所述光纤激光器具有1.9ms的较长形状的脉冲，在脉冲之间具有变化的休息时间以改变频率，移动速度是500μm/s，且焊缝宽度是38μm。图8B是示出了在焊接之后所述狭缝的上侧的显微图。图8C示出了通过使用该技术将25μm铜箔成功焊接到另一片25μm铜箔。图8D和8E是分别示出了在两端上执行覆盖1.0mm狭缝的2.0mm焊接之后的顶箔和底箔的显微图。如图8E所示，最终到底箔的渗透仅与所述狭缝一样长。

在这些微焊接应用中，对于加工激光光束的IR激光光束，第一或辅助激光光束允许比在使用IR激光光束自身情况下所需的功率更小的IR激光功率。使用IR激光光束自身可能不足以执行一些焊接操作，或在使用克服正被焊接的材料的反射性所需的功率时，它可能难以控制侵蚀深度。多光束激光加工系统和方法可以用于在几百微米厚的板上或小于100微米的薄箔上执行微焊接应用。

在上述微焊接应用中，第一激光光束可以用于在所有位置中执行第一激光光束加工操作(即，进行耦合以便修改该材料的特性或进行机械加工以便修改该材料的几何形状)，然后，第二激光光束可以用于在所有位置中执行第二激光光束加工操作(即，焊接)。备选地，在在每个位置中的第一激光光束加工操作之后，可以在限定时间延迟之后，在该位置中执行第二激光光束加工。对于机械加工并接着焊接的技术，由于在通过机械加工形成的熔融材料中对IR激光的吸收更好，同时执行焊接与机械加工可以是有利的，因此需要较少的IR功率来克服反射性。还可以在焊接之前执行机械加工。

在另一应用中，例如，多光束激光加工系统和方法可以用于在太阳能电池上形成激光烧蚀触点。在该应用中，第一激光光束可以用于穿过介电层钻孔，然后第二激光光束可以用于填充在所述孔中。备选地，第一激光光束(例如，绿光激光光束)可以用于提供充分的吸收以便使温度接近熔接温度，且第二激光光束(例如，IR激光)可以用于通过驱动金属穿过介质层形成欧姆接触，以形成与硅片的接触。在该应用中使用第一激光光束允许较少的IR功率(相较于使用IR激光光束本身)，因此，减小了穿过所述介电层的损坏。同时执行钻探和熔接可以是有利的，这是由于通过钻探产生的熔融材料对IR激光光束具有较低的反射性且因此具有更好的吸收性。在该应用中，还可以在熔接之前，执行钻探。

图9和9A-9C示出了形成激光烧蚀触点的一个示例。在该示例中，第一激光器是QCWIR光纤激光器，诸如，IPG光子公司提供的YLM-150/1500激光器，且第二激光器是脉冲型绿光光纤激光器，诸如，IPG光子公司提供的GLPR-100/1/10激光器。如图9所示，具有较短脉冲的绿光光纤激光器用于引起金属渗透并接触c-Si，从而最小化钝化影响，且具有较长脉冲的QCW IR光纤激光器用于形成熔融金属和Si，以便重填在所述孔中，然后对熔融金属和Si进行冷却以形成金属/Si合金。绿光光纤激光器还提供比IR光纤激光器更小的光斑(例如，20μm)。图9A-9C是示出了仅使用脉冲型绿光激光器、仅使用QCW IR激光器和使用绿光激光器接着使用IR激光器在形成激光烧蚀触点时的尝试的显微图。使用多光束激光器加工来形成激光烧蚀触点可以引起较少寿命退化和最小化的损坏。

在另一应用中，多光束激光加工系统和方法可以用于穿过透明衬底(例如，蓝宝石或玻璃)执行焊合。在该应用中，第一激光光束可以用于穿过透明衬底诱导局部改变，从而提升温度，接着第二激光光束可以用于执行焊合。备选地，可以穿过透明衬底将第一激光光束用于拆开被绑定到载体的材料，然后立即用第二激光光束熔接或焊接所述材料。在该应用中，第一激光光束可以根据所述材料是绿光或UV激光光束，且第二激光光束可以是IR激光光束。

在一个示例中，第一衬底可以包括蓝宝石、GaN和非常薄的铝层(例如，仅若干微米厚)，且第二衬底可以包括非常薄的锡层(例如，仅若干微米厚)。可以将一个激光用于焊接所述铝层和锡层，且可以将一个激光用于将蓝宝石与GaN分离。在另一变型中，还可以使用附加激光光束。例如，绿光激光光束可以用于机械加工定位孔以便帮助熔接，可以将IR激光光束用于熔接，且可以将UV激光光束用于执行激光发射操作(例如，拆开GaN与蓝宝石)。可以同时使用这些激光光束中的两个或更多个，以便用减少数量的步骤来执行激光加工操作。

因此，通过使用具有不同特性的激光光束的多光束激光加工系统和方法可以用于针对各种应用(例如，钻探、切割和熔接应用)执行增强激光加工，特别在单个光束可能是不足以执行加工或单个光束可能需要会造成损坏的较高功率的情况下，可以在不同材料(例如，透明、高反射型和/或薄箔)上执行所述增强激光加工。

尽管本文描述了本发明的原理，然而本领域技术人员应理解这种描述仅是示例性地，而不是为了限制本公开的范围。除了本文所示和所述的示例性实施例之外，其他实施例也包括在本发明的范围内。本领域技术人员可以在本发明的范围内进行各种修改和替换，其中通过所附权利要求来限定本发明的范围。

Claims (32)

1.一种对由非吸收型材料制成的工件进行多光束激光加工的方法，所述方法包括：

产生具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，其中所述工件的非吸收型材料充分吸收具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，以便修改非吸收型材料的特性；

产生具有第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束，其中所述第一和第二波长以及第一和第二脉冲持续时间中的至少一个是不同的，且其中所述加工激光光束单独地不会在所述非吸收型材料中被充分吸收以完成对所述非吸收型材料进行加工；以及

将辅助激光光束和加工激光光束引导至工件上的目标位置，使得辅助激光光束修改所述工件的在目标位置处形成吸收中心的非吸收型材料的特性，且使得加工激光光束被耦合到在目标位置处的非吸收型材料中形成的吸收中心，以便完成对在目标位置处的非吸收型材料的加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其中由辅助激光器产生所述辅助激光光束，且其中由加工激光器产生所述加工激光光束。

3.根据权利要求2所述的方法，其中将来自辅助激光器的辅助激光光束与来自加工激光器的加工激光光束合束并同时引导至工件上的目标位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一波长短于所述第二波长，其中所述第一脉冲持续时间短于所述第二脉冲持续时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一波长在可见光光谱范围内，且其中所述第二波长在红外光谱范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一波长在紫外(UV)光谱范围内，且其中所述第二波长在可见光光谱范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一波长在紫外(UV)光谱范围内，且其中所述第二波长在红外光谱范围内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中第一脉冲持续时间在小于10ns的范围内，且第二脉冲持续时间在大于1微秒的范围内。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一波长和所述第二波长均在红外光谱范围内，其中所述第一脉冲持续时间在小于1ns的范围内，且所述第二脉冲持续时间在大于1微秒的范围内。

10.根据权利要求1所述的方法，其中非吸收型材料包括透明陶瓷。

11.根据权利要求1所述的方法，其中非吸收型材料包括蓝宝石或玻璃。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一波长在514-532nm的光谱范围内，且所述第二波长在1040-1070nm的光谱范围内，且其中所述第一脉冲持续时间约为1ns且所述第二脉冲持续时间大于10μs。

13.根据权利要求2所述的方法，其中所述辅助激光器和所述加工激光器是掺杂稀土元素的光纤激光器。

14.根据权利要求1所述的方法，其中引导辅助激光光束和加工激光光束包括将所述激光光束聚焦。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工激光光束在目标位置处穿过非吸收型材料钻孔。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述孔的直径小于30μm，且长度大于300μm。

17.根据权利要求1所述的方法，其中单个脉冲的加工激光光束在目标位置处穿过非吸收型材料在目标位置处钻孔。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述非吸收型材料是要被焊接到另一材料的反射型材料，其中所述辅助激光光束增加反射型材料的温度使得降低反射性，且其中所述加工激光光束完成将所述反射型材料焊接到所述另一材料。

19.一种用于对由非吸收型材料制成的工件进行加工的多光束激光加工系统，其中所述多光束激光加工系统包括：

辅助激光器，用于产生具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，其中所述工件的非吸收型材料充分吸收具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，以便修改非吸收型材料的特性；

加工激光器，用于产生具有第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束，其中所述第一和第二波长以及第一和第二脉冲持续时间中的至少一个是不同的，且其中所述加工激光光束单独地不会在所述工件的非吸收型材料中被充分吸收以完成对所述非吸收型材料的加工；以及

合束器，用于将来自辅助激光器的辅助激光光束和来自加工激光器的加工激光光束引导至工件上的目标位置，使得具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束修改所述工件的在目标位置处形成吸收中心的非吸收型材料的特性；且使得具有第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束被耦合到在目标位置处的非吸收型材料中形成的吸收中心，以便完成对在目标位置处的非吸收型材料的加工。

20.根据权利要求19所述的多光束激光加工系统，还包括用于将来自辅助激光器的辅助激光光束以及来自加工激光器的加工激光光束聚焦到目标位置处的聚焦透镜。

21.根据权利要求19所述的多光束激光加工系统，其中所述辅助激光器是绿光光纤激光器，且其中所述加工激光器是IR光纤激光器。

22.根据权利要求19所述的多光束激光加工系统，还包括辅助激光光束传输系统，用于控制辅助激光光束的发散使得辅助激光光束和加工激光光束具有相同的焦平面。

23.一种对包括至少一层材料的工件进行多光束激光加工的方法，所述方法包括：

产生具有第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束，其中所述第一波长和第一脉冲持续时间的辅助激光光束本身不能完成对工件的加工；

产生具有第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束，其中所述第一和第二波长以及第一和第二脉冲持续时间中的至少一个是不同的，且其中所述第二波长和第二脉冲持续时间的加工激光光束本身不能完成对工件的加工；以及

将辅助激光光束和加工激光光束引导至工件上的目标位置，使得辅助激光光束修改所述至少一层材料的特性和/或几何结构，以便有助于加工激光光束完成对目标位置处的工件的加工。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述工件至少包括第一和第二层材料，其中完成加工包括将第一层材料焊接到第二层材料。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述辅助激光光束通过增加第一层材料的温度并减小反射性来修改第一层材料的特性，且其中所述加工激光光束引起将第一层材料熔接并且焊接到第二层材料。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述辅助激光光束通过在第一层材料中形成开口来修改第一层材料的几何形状，且其中所述加工激光光束传播经过所述开口到达第二层材料,并引起将第一层材料和第二层材料相焊接。

27.根据权利要求23所述的方法，其中所述工件至少包括第一和第二层材料，其中完成加工包括在第一层材料到第二层材料之间形成至少一个激光烧蚀触点。

28.根据权利要求23所述的方法，其中所述工件至少包括第一和第二层材料，其中完成加工包括熔接第一层材料和第二层材料中的至少一个。

29.根据权利要求23所述的方法，其中将辅助激光光束和加工激光光束同时引导至目标位置。

30.一种用于对工件进行加工的多光束激光加工系统，其中所述多光束激光加工系统包括：

第一激光器，用于产生具有第一波长和第一脉冲持续时间的第一激光光束，其中所述第一波长和第一脉冲持续时间的第一激光光束本身不能完成对工件的加工；

第二激光器，用于产生具有第二波长和第二脉冲持续时间的第二激光光束，其中所述第一和第二波长以及第一和第二脉冲持续时间中的至少一个是不同的，且其中所述第二波长和第二脉冲持续时间的第二激光光束本身不能完成对工件的加工；以及

合束器，用于将来自辅助激光器的第一激光光束和来自加工激光器的第二激光光束引导至工件上的目标位置，使得具有第一波长和第一脉冲持续时间的第一激光光束修改所述至少一层材料的特性和/或几何结构，以便有助于第二激光光束完成对目标位置处的工件的加工。

31.根据权利要求30所述的多光束激光加工系统，其中所述第一激光器是绿光光纤激光器，且其中所述第二激光器是IR光纤激光器。

32.根据权利要求30所述的多光束激光加工系统，还至少包括第三激光器，用于产生具有第三波长和第三脉冲持续时间的第三激光光束。