CN111715996A - 激光控制装置及脉冲激光输出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够减少激光脉冲的强度偏差的激光控制装置。激光控制装置与从激光振荡器输出的激光脉冲的上升定时同步地，对从输出自激光振荡器的激光脉冲切取一部分的切取光学系统指示开始切取。

Description

激光控制装置及脉冲激光输出装置
技术领域
本申请主张基于2019年3月19日申请的日本专利申请第2019-051470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。
本发明涉及一种激光控制装置及脉冲激光输出装置。
背景技术
已知有一种使用脉冲激光束对印刷基板进行钻孔加工的技术(专利文献1)。在下述专利文献1中所公开的激光加工装置中，关于多个激光振荡指示，测量从激光振荡指示时刻到激光脉冲的能量达到规定强度的时刻为止的经过时间，以求出其平均值。将声光调制器控制成如下：在从激光振荡指示时刻起经过了对其平均值追加了恒定时间的时间之后，使激光脉冲开始向使用于加工中的方向进行分叉(切取激光脉冲)。
专利文献1：日本特开2018-99692号公报
从对激光振荡器赋予开始振荡的指示到输出激光脉冲(激光脉冲上升)为止的时间，在每个激光脉冲中产生偏差。并且，通常，激光脉冲的强度从激光脉冲的上升时刻起不恒定，随着时间的经过而发生变动。若在从振荡开始的指示时刻经过了恒定时间的时刻开始激光脉冲的切取，则致使从激光脉冲的上升时刻到切取开始时刻为止的经过时间产生偏差。其结果，致使被切取的激光脉冲的强度在激光脉冲之间产生偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减少激光脉冲的强度偏差的激光控制装置及脉冲激光输出装置。
根据本发明的一观点，提供一种激光控制装置，其与从激光振荡器输出的激光脉冲的上升定时(timing)同步地，指示从自所述激光振荡器输出的激光脉冲切取一部分的切取光学系统开始切取。
根据本发明的另一观点，提供一种脉冲激光输出装置，其具有：
激光振荡器，输出脉冲激光束；
传感器，检测从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的光强度；
切取光学系统，从自所述激光振荡器输出的脉冲激光束的激光脉冲切取一部分；及
控制装置，从所述传感器获取检测结果，以检测激光脉冲的上升时刻，并与激光脉冲的上升定时同步地，指示所述切取光学系统开始切取激光脉冲。
发明效果
由于与激光脉冲的上升定时同步地从激光脉冲切取一部分，因此能够减少所切取的激光脉冲的强度偏差。
附图说明
图1是基于实施例的脉冲激光输出装置的概略图。
图2是表示基于实施例的脉冲激光输出装置的触发信号trg、激光脉冲LP1、切取信号chp及激光脉冲LP2的波形的图表。
图3是表示基于比较例的脉冲激光输出装置的触发信号trg、激光脉冲LP1、切取信号chp及激光脉冲LP2的波形的图表。
图4是基于另一实施例的脉冲激光输出装置的概略图。
图5是表示基于另一实施例的脉冲激光输出装置的触发信号trg、激光脉冲LP1、切取信号chp及激光脉冲LP2的波形的图表。
图中：10-激光振荡器，11-分束镜，12-照射光学系统，13-光圈，14-切取光学系统，15-光束截止器，16-折返镜，17-扫描光学系统，18X、18Y-可动反射镜，19-透镜，20-传感器，30-工作台，31-移动机构，40-控制装置，41-输入装置，50-加工对象物。
具体实施方式
参考图1及图2，对基于实施例的脉冲激光输出装置进行说明。
图1是基于实施例的脉冲激光输出装置的概略图。基于实施例的脉冲激光输出装置例如使用于印刷基板的钻孔加工中。
激光振荡器10根据来自控制装置40的指示来输出脉冲激光束。作为激光振荡器10，例如使用二氧化碳激光振荡器等气体激光振荡器。从激光振荡器10输出的脉冲激光束通过分束镜11分叉为两个路径。作为分束镜11，例如使用部分反射镜。
通过分束镜11而分叉的两个脉冲激光束中的一方，经由照射光学系统12、光圈13而入射于切取光学系统14中，另一方入射于传感器20中。照射光学系统12改变脉冲激光束的束散角及光束直径中的至少一者。作为照射光学系统12，例如使用光束扩展器。光圈13对脉冲激光束的光束截面进行整形。
切取光学系统14从所入射的激光脉冲LP1切取时间轴上的一部分，并产生加工中所使用的激光脉冲LP2。在激光脉冲LP1中，除了激光脉冲LP2以外的部分入射于光束截止器15中，所切取的激光脉冲LP2沿着加工路径而传播。作为切取光学系统14，例如使用声光调制器(AOM)。
从激光脉冲LP1切取的激光脉冲LP2经由折返镜16、扫描光学系统17及透镜19入射于加工对象物50中。扫描光学系统17使脉冲激光束的行进方向在二维方向上摆动。作为扫描光学系统17，例如使用包括一对可动反射镜18X、18Y的加尔瓦诺扫描仪(Galvoscanner)。透镜19将通过扫描光学系统17使行进方向摆动的脉冲激光束聚光于加工对象物50的表面。作为透镜19，例如使用fθ透镜。通过使扫描光学系统17进行动作，能够使脉冲激光束入射于加工对象物50的表面的一部分区域(扫描区域)内的任意的位置。
加工对象物50例如是印刷基板，并且水平地保持于工作台30上。移动机构31使工作台30在平行于水平面的彼此正交的两个方向上移动。通过使工作台30移动，能够将加工对象物50的表面内的任意的区域配置于能够由扫描光学系统17进行扫描的扫描区域内。
传感器20检测所入射的脉冲激光束的光强度，并输出与光强度对应的电信号。作为传感器20，例如使用能够高速响应的光电元件等。从传感器20输出的电信号输入于控制装置40中。
控制装置40输出触发信号trg，该触发信号trg对激光振荡器10指示激光脉冲的输出开始及输出结束。此外，控制装置40输出切取信号chp，该切取信号chp对切取光学系统14指示激光脉冲LP2的切取开始及切取结束。并且，控制装置40控制扫描光学系统17及移动机构31的动作。
在输入装置41中输入规定激光输出条件的各种参数。作为输入装置41，例如使用键盘、触摸面板、定点设备、通讯装置及可移动介质读取装置等。输入到输入装置41中的各种参数值被输入于控制装置40中。
图2是表示触发信号trg、激光脉冲LP1、切取信号chp及激光脉冲LP2的波形的图表。图2表示输入两个激光脉冲LP1的期间。
触发信号trg的上升相当于激光脉冲的输出开始的指示，下降相当于激光脉冲的输出停止的指示。切取信号chp的上升相当于来自激光脉冲LP1的开始切取的指示，下降相当于来自激光脉冲LP1的切取结束的指示。
若控制装置40(图1)通过使触发信号trg上升而指示激光振荡器10(图1)开始输出激光脉冲LP1，则在从触发信号trg的上升时刻t11仅经过了延迟时间td11的时刻t12开始输出激光脉冲LP1(激光脉冲LP1上升)。若控制装置40通过使触发信号trg下降而指示停止输出激光脉冲LP1，则激光脉冲LP1从触发信号trg的下降时刻t15下降(激光脉冲LP1的波形下降)。从触发信号trg的上升时刻t11到下降时刻t15为止的经过时间，预先从输入装置41(图1)被输入，并储存于控制装置40。
激光脉冲LP1的波形依赖于激光振荡器10(图1)的特性，在从激光脉冲LP1的上升时刻t12到下降时刻t15为止的期间，激光脉冲LP1的光强度随时间的经过而发生变动。例如，在激光脉冲LP1的上升时刻t12上波形急剧上升而形成尖峰之后，持续光强度大致恒定的期间，然后，光强度缓慢地下降。并且，还有具有如下特性的激光振荡器，即，从激光脉冲LP1的上升时刻t12起，光强度缓慢地上升，然后，输出持续光强度大致恒定的期间的激光脉冲。
控制装置40从传感器20获取激光脉冲LP1的光强度的检测结果，以检测激光脉冲LP1的上升。例如，将激光脉冲LP1的光强度达到规定的阈值的时刻，判定为激光脉冲LP1的上升时刻t12。该阈值例如可以将在激光脉冲刚上升之后出现的峰值的最大值、光强度成为大致恒定的期间的光强度的平均值等设定为基准。作为一例，可以将阈值设定为峰值的最大值的10％。控制装置40在从激光脉冲LP1的上升时刻t12起经过了恒定的待机时间tw11的时刻t13，通过使切取信号chp上升而指示切取光学系统14(图1)开始切取激光脉冲LP2。恒定的待机时间tw11的值预先从输入装置41(图1)被输入，并储存于控制装置40中。
控制装置40在从对切取光学系统14已指示开始切取激光脉冲LP2的时刻t13起经过了相当于规定的脉冲宽度的时间的时刻t14，通过使切取信号chp下降而指示切取光学系统14结束切取激光脉冲LP2。从切取信号chp的上升时刻t13到下降时刻t14为止的期间，从激光脉冲LP1切取激光脉冲LP2。
从指示开始切取的时刻t13到指示结束切取的时刻t14为止的期间，例如设定于激光脉冲LP1的光强度大致恒定地变化的期间内。
从指示开始输出第2次照射的激光脉冲LP1的触发信号trg的上升时刻t21到激光脉冲LP1的上升时刻t22为止的延迟时间td21，并不限定于与第1次照射的激光脉冲LP1的延迟时间td11相等。控制装置40在从检测到开始输出第2次照射的激光脉冲LP1的时刻t22起经过了恒定的待机时间tw21的时刻t23，通过使切取信号chp上升而指示切取光学系统14开始切取激光脉冲LP2。第2次照射的待机时间tw21与第1次照射的待机时间tw11相等。
从已指示开始切取的时刻t23到指示结束切取的时刻t24为止的经过时间，与从第1次照射中的指示开始切取的时刻t13到已指示结束切取的时刻t14为止的经过时间相等。从触发信号trg的上升时刻t21到触发信号trg的下降时刻t25为止的经过时间，与从第1次照射中的触发信号trg的上升时刻t11到下降时刻t15为止的经过时间相等。
其次，一边与图3所示的比较例进行比较，一边对上述实施例的优异的效果进行说明。
图3是表示基于比较例的脉冲激光输出装置中的触发信号trg、激光脉冲LP1、切取信号chp及激光脉冲LP2的波形的图表。触发信号trg及激光脉冲LP1的定时及波形与图2所示的实施例的情况相同。
在比较例中，在从触发信号trg的上升时刻t11经过了恒定的待机时间tw31的时刻t13，通过使切取信号chp上升而指示开始切取。第2次照射中以同样地，在从指示开始输出激光脉冲LP1的触发信号trg的上升时刻t21起经过了恒定的待机时间tw41的时刻t23，通过使切取信号chp上升而指示开始切取。第2次照射中的待机时间tw41与第1次照射中的待机时间tw31相等。
在第1次照射中，从已指示开始切取的时刻t13到已指示结束切取的时刻t14为止的期间，落入到激光脉冲LP1的光强度大致恒定地变化的期间内。然而，在第2次照射中，延迟时间td21比第1次照射的延迟时间td11更长，由此指示开始切取的时刻t23位于激光脉冲LP1刚上升之后的峰值内。因此，致使第2次照射的激光脉冲LP2的波形与第1次照射的激光脉冲LP2的波形明显不同。其结果，第2次照射的激光脉冲LP2的脉冲能量(每1个脉冲的能量)与第1次照射的激光脉冲LP2的脉冲能量不同。这是因为尽管在从指示开始输出激光脉冲LP1的触发信号trg的上升时刻t11、t21到激光脉冲LP1实际上升的时刻t12、t22为止的延迟时间td11、td21上存在偏差，也与触发信号trg的上升定时同步地发出切取开始的指示。
相对于此，在上述实施例中，与激光脉冲LP1的实际的上升时刻t12、t22同步地，控制装置40向切取光学系统14发出切取开始的指示。因此，不会受到从触发信号trg的上升时刻t11、t21到激光脉冲LP1实际上升的时刻t12、t22为止的延迟时间td11、td21的偏差的影响，而能够从已确定激光脉冲LP1的波形的位置切取激光脉冲LP2。由此，能够抑制激光脉冲LP2的脉冲能量的偏差。
其次，对待机时间tw11、tw21(图2)的优选的长度进行说明。若将待机时间tw11、tw21设为过短，则致使激光脉冲LP2的开头部分覆盖激光脉冲LP1的刚上升之后的峰值的一部分。若激光脉冲LP2的开头部分覆盖激光脉冲LP1的峰值的一部分，则致使激光脉冲LP2的脉冲能量以激光脉冲LP1的波形的微小变化例如以峰值宽度的微小变化大幅发生变动。为了抑制由激光脉冲LP1的波形的变化引起的激光脉冲LP2的脉冲能量的偏差，优选为待机时间tw11、tw21设为比激光脉冲LP1刚上升之后的峰值的时间宽度更长。
即使在激光脉冲LP1的光强度大致恒定地变化的期间，光强度也对应于激光振荡器10的特性而缓慢地发生变化。可以设定待机时间tw11、tw21，以使得从激光脉冲LP1的光强度的经时变化尽可能小的部分切取激光脉冲LP2。通过如此设定待机时间tw11、tw21，即使激光脉冲LP1的波形稍微发生变化，也不易产生激光脉冲LP2的脉冲能量的变动。
从而，关于基于上述实施例的脉冲激光输出装置中的待机时间tw11、tw21(图2)，观测实际的激光脉冲LP1的波形，可以以从光强度维持大致恒定的期间起切取激光脉冲LP2的方式进行设定。在上述实施例中，在激光脉冲LP1表示其他波形的情况下，例如光强度从输出开始时刻逐渐增大，也能够适用于此后成为大致恒定的情况。
其次，对上述实施例的变形例进行说明。
在上述实施例中，将脉冲激光输出装置使用于印刷基板的钻孔加工中。此外，基于实施例的脉冲激光输出装置使用于如下用途，即，使用通过从自激光振荡器输出的激光脉冲切取一部分而得到的激光脉冲来进行激光加工的用途。
其次，参考图4及图5，对基于其他实施例的脉冲激光输出装置进行说明。以下，关于与图1及图2所示的脉冲激光输出装置共用的结构，省略进行说明。
图4是基于本实施例的脉冲激光输出装置的概略图。在图1所示的实施例中，通过切取光学系统14从激光脉冲LP1切取一个激光脉冲LP2，并沿着一条加工路径传播。相对于此，在图4所示的脉冲激光输出装置中，通过切取光学系统14从激光脉冲LP1切取两个激光脉冲LP2、LP3，并沿着与激光脉冲LP2、LP3不同的加工路径传播。
在激光脉冲LP2、LP3传播的加工路径上，分别与图1所示的脉冲激光输出装置的加工路径同样地，配置有折返镜16、扫描光学系统17、透镜19、工作台30及移动机构31。通过激光脉冲LP2、LP3而能够同时加工两张加工对象物50。
图5是表示触发信号trg、激光脉冲LP1、切取信号chp及激光脉冲LP2、LP3的波形的图表。图5表示输入一个激光脉冲LP1的期间。
触发信号trg及激光脉冲LP1的波形及输出定时，与图2所示的实施例的情况相同。控制装置40若检测到激光脉冲LP1的上升，则在从激光脉冲LP1的上升时刻t12起经过了恒定的待机时间tw11的时刻t13，通过使切取信号chp上升而指示切取光学系统14(图4)开始切取激光脉冲LP2。在从对切取光学系统14已指示开始切取激光脉冲LP2的时刻t13起经过了相当于规定的脉冲宽度的时间的时刻t14，通过使切取信号chp下降而对切取光学系统14指示切取结束激光脉冲LP2。
此外，控制装置40在从激光脉冲LP1的上升时刻t12起经过了恒定的待机时间tw12的时刻t16，通过使切取信号chp上升而指示切取光学系统14(图4)开始切取激光脉冲LP3。待机时间tw12比待机时间tw11与脉冲宽度(t14-t13)的和更长。关于激光脉冲LP2的切取开始的指示和激光脉冲LP3的切取开始的指示，通过使切取信号chp的大小例如电压值不同而被区分。在从对切取光学系统14已指示开始切取激光脉冲LP3的时刻t16起经过了相当于规定的脉冲宽度的时间的时刻t17，通过使切取信号chp下降而对切取光学系统14指示切取结束激光脉冲LP3。
从已指示开始切取激光脉冲LP2的时刻t13到已指示结束切取激光脉冲LP3的时刻t17为止的期间，设定于激光脉冲LP1的光强度大致恒定地变化的期间内。
其次，对图4及图5所示的实施例的优异的效果进行说明。
在本实施例中，由于与激光脉冲LP1的上升时刻t12同步地发出激光脉冲LP2、LP3的切取开始的指示，因此即使从触发信号trg的上升时刻t11到激光脉冲LP1的上升时刻t12为止的延迟时间td11中存在偏差，也能够从激光脉冲LP1的光强度维持大致恒定的期间起切取激光脉冲LP2、LP3。
此外，在本实施例中，在两个加工路径中能够同时进行两张加工对象物50的加工。由此，激光加工的处理能力提高。
其次，对本实施例的变形例进行说明。在本实施例中，将直至发出开始切取激光脉冲LP3的指示为止的待机时间tw12，以从激光脉冲LP1的上升时刻t12起所经过时间来进行指定，然而，也可以以从与激光脉冲LP2对应的切取信号chp的下降时刻t14起所经过时间来进行指定。在该情况下，由于预先设定有待机时间tw11及激光脉冲LP2的脉冲宽度值，因此可以说发出开始切取激光脉冲LP3的指示的定时与激光脉冲LP1的上升定时同步。
上述各实施例为示例，理所当然，不同实施例中所示出的构成能够部分替换或组合。关于基于多个实施例的相同构成的相同的作用效果，在各实施例中不逐一提及。此外，本发明并不限制于上述实施例。例如，能够进行各种变更、改进及组合等，这对本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (6)

1.一种激光控制装置，其特征在于，
与从激光振荡器输出的激光脉冲的上升定时同步地，指示从自所述激光振荡器输出的激光脉冲切取一部分的切取光学系统开始切取。
2.根据权利要求1所述的激光控制装置，其特征在于，
还指示所述切取光学系统结束切取。
3.根据权利要求1或2所述的激光控制装置，其特征在于，
还获取从激光脉冲的上升时刻到指示开始切取激光脉冲的时刻为止的待机时间值，在从检测到激光脉冲的上升的时刻起经过了相当于所获取的所述待机时间值的时间的时刻，指示所述切取光学系统开始切取激光脉冲。
4.一种脉冲激光输出装置，其特征在于，具有：
激光振荡器，输出脉冲激光束；
传感器，检测从所述激光振荡器输出的脉冲激光束的光强度；
切取光学系统，从自所述激光振荡器输出的脉冲激光束的激光脉冲切取一部分；及
控制装置，从所述传感器获取检测结果以检测激光脉冲的上升时刻，并与激光脉冲的上升定时同步地，指示所述切取光学系统开始切取激光脉冲。
5.根据权利要求4所述的脉冲激光输出装置，其中，
所述控制装置储存有应该切取的激光脉冲的脉冲宽度值，在指示所述切取光学系统开始切取激光脉冲之后，在经过了相当于应该切取的激光脉冲的脉冲宽度的时间的时刻，指示所述切取光学系统结束切取。
6.根据权利要求4或5所述的脉冲激光输出装置，其还具有输入装置，该输入装置被输入从激光脉冲的上升时刻到指示开始切取激光脉冲的时刻为止的待机时间值，
所述控制装置在从检测到激光脉冲上升的时刻起经过了相当于所获取的所述待机时间值的时间的时刻，指示所述切取光学系统开始切取激光脉冲。
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