CN115555706A - 激光控制装置及激光脉冲切取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提高激光脉冲的能量利用效率的激光控制装置。激光振荡器输出脉冲激光束。脉冲激光束入射到切取光学系统。切取光学系统具有如下特性：在输入切取指令之后经过了一定的动作延迟时间的时刻，开始从脉冲激光束中切取一部分激光脉冲。激光控制装置在激光脉冲的上升时刻之前的时刻向切取光学系统输出切取指令，并且以使从输出切取指令的时刻起经过了动作延迟时间的时刻在激光脉冲的上升时刻之后的方式输出切取指令。

Description

激光控制装置及激光脉冲切取方法

本申请主张基于2021年7月2日申请的日本专利申请第2021-110774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

本发明涉及一种激光控制装置及激光脉冲切取方法。

背景技术

已知有一种使用激光束对印刷基板等进行钻孔加工的激光加工装置(参考专利文献1)。专利文献1中所公开的激光加工装置包括输出脉冲激光束的激光振荡器及从激光脉冲切取一部分的声光调制器。在激光脉冲上升之后，向声光调制器施加切取指令，从而从激光脉冲切取一部分激光脉冲。切取的激光脉冲入射到加工对象物，而剩余的激光脉冲则输入到光束截止器。

专利文献1：日本特开2017-159317号公报

在声光调制器等切取光学系统中，在从输入切取指令到实际进行激光脉冲的切取为止产生动作延迟。因此，从激光脉冲的上升到输入切取指令为止的期间及从输入切取指令到实际进行切取为止的期间的激光脉冲的能量会被白白浪费掉。换言之，激光脉冲的能量的利用效率会降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高激光脉冲的能量利用效率的激光控制装置及激光脉冲切取方法。

根据本发明的一观点，提供一种激光控制装置，其控制激光振荡器及切取光学系统，其中，所述激光振荡器，输出脉冲激光束，所述切取光学系统具有如下特性：在所述脉冲激光束入射且输入切取指令之后经过了一定的动作延迟时间的时刻，开始从所述脉冲激光束中切取一部分激光脉冲，

所述激光控制装置进行如下控制：

在所述激光脉冲的上升时刻之前的时刻，向所述切取光学系统输出所述切取指令，并且以使从输出所述切取指令的时刻起经过了所述动作延迟时间的时刻在所述激光脉冲的上升时刻之后的方式输出所述切取指令。

根据本发明的另一观点，提供一种激光脉冲切取方法，其使激光振荡器输出激光脉冲入射到切取光学系统，从而从所述激光脉冲中切取一部分激光脉冲，其中

所述切取光学系统具有如下特性：在输入切取指令之后经过了一定的动作延迟时间的时刻，开始从所述激光脉冲中切取一部分激光脉冲，

在所述激光脉冲的上升时刻之前的时刻，向所述切取光学系统输出所述切取指令，并且以使从输出所述切取指令的时刻起经过了所述动作延迟时间的时刻在所述激光脉冲的上升时刻之后的方式输出所述切取指令。

若以上述条件输出切取指令，则从激光脉冲的上升到开始切取为止的时间变得比动作延迟时间更短。因此，能够提高激光脉冲的能量利用效率。

附图说明

图1是搭载有基于一实施例的激光控制装置的激光加工机的概略图。

图2是表示存储于存储部的相关信息的一例的图表。

图3是表示存储于存储部的相关信息的另一例的曲线图。

图4中(A)及(B)分别是本实施例及比较例的激光控制装置动作的情况下的振荡指令trg、激光脉冲LP0、切取指令chp及激光脉冲LP1的时序图。

图5是表示基于本实施例的激光控制装置所执行的激光脉冲的切取步骤的流程图。

图6是表示确定脉冲输出延迟时间td的步骤的流程图。

图7是搭载有基于其他实施例的激光控制装置的激光加工机的概略图。

图8是使基于其他实施例的激光控制装置动作的情况下的振荡指令trg、激光脉冲LP0、路径选择指令sel、切取指令chp及激光脉冲LP1、LP2的时序图。

图中：10-激光振荡器，11-光束分离器，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-可移动反射镜，18Y-可移动反射镜，19-透镜，20-光检测器，30-工作台，31-移动机构，40-激光控制装置，41-存储部，50-输入装置，60-加工对象物，trg-振荡指令，chp-切取指令，det-检测信号，sel-路径选择指令，sig1、sig2-控制信号。

具体实施方式

参考图1～图6，对基于一实施例的激光控制装置及激光脉冲切取方法进行说明。

图1是搭载有基于本实施例的激光控制装置40的激光加工机的概略图。该激光加工机例如使用于印刷基板的钻孔加工中。

激光振荡器10从激光控制装置40接收振荡指令trg从而输出脉冲激光束。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输出的脉冲激光束被光束分离器11分支成两个路径。作为光束分离器11，例如使用部分反射镜。

被光束分离器11分支的两个脉冲激光束中的一个经由照射光学系统12、光圈13而入射到切取光学系统14，而另一个则入射到光检测器20。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个。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。

光检测器20在激光脉冲入射的期间输出检测信号det。作为光检测器20，例如使用能够高速响应的光敏元件等。从光检测器20输出的检测信号det输入到激光控制装置40。

切取光学系统14根据从激光控制装置40输入过来的切取指令chp从入射的激光脉冲LP0中切取时间轴上的一部分，从而生成用于加工的激光脉冲LP1。从切取指令chp的输入时刻到切取激光脉冲LP1为止产生一定的动作延迟。将从切取指令chp的输入时刻到切取激光脉冲LP1为止的时间称为动作延迟时间tdo。激光脉冲LP0中的除了激光脉冲LP1以外的部分则入射到光束截止器15。从激光脉冲LP0切取的激光脉冲LP1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)。

由切取光学系统14切取的激光脉冲LP1经由折返镜16、扫描光学系统17及透镜19入射到加工对象物60。扫描光学系统17根据来自激光控制装置40的控制信号sig1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移动反射镜18X、18Y的加尔瓦诺扫描仪。透镜19将通过扫描光学系统17使进行方向摆动的脉冲激光束聚光到加工对象物60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，能够将脉冲激光束入射到加工对象物60的表面的一部分区域(扫描区域)内的任意位置。

加工对象物60例如为印刷基板，并且水平地保持于工作台30上。移动机构31根据来自激光控制装置40的控制信号sig2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60的表面内的任意区域配置于扫描光学系统17能够扫描的扫描区域内。

激光控制装置40控制激光振荡器10、切取光学系统14、扫描光学系统17及移动机构31。控制这些的功能通过软件与硬件的组合来实现。激光控制装置40包括存储用于实现这些功能的程序和各种数据的存储部41。以下，对激光控制装置40的功能进行简单说明。另外，对于激光控制装置40的详细功能，稍后参考图4中(A)的时序图、图5及图6的流程图进行说明。

确定激光照射条件的各种参数从输入装置50输入于激光控制装置40。确定激光照射条件的参数包括从激光振荡器10输出的脉冲激光束的脉冲的重复频率f、脉冲宽度(以下，称为原始脉冲宽度pw0)及从激光脉冲LP0切取的激光脉冲LP1的脉冲宽度等。作为输入装置50，例如使用键盘、触控面板、定点设备、通信装置、可移动介质读取装置等。

激光控制装置40接收来自光检测器20的检测信号det从而检测激光脉冲的上升及下降。激光控制装置40根据确定脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0的信息向激光振荡器10输出振荡指令trg。例如，振荡指令trg的上升及下降分别相当于振荡开始指令及振荡停止指令，从上升到下降为止的时间相当于原始脉冲宽度pw0。输出振荡指令trg的频率相当于脉冲的重复频率f。

而且，测定从输出振荡指令trg的时刻到检测到激光脉冲上升的时刻为止的延迟时间。将该延迟时间称为“脉冲输出延迟时间td”。而且，激光控制装置40将脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0与脉冲输出延迟时间td建立对应关联的相关信息存储于存储部41中。

图2是表示存储于存储部41的相关信息的一例的图表。脉冲输出延迟时间td与脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0的每个组合建立有对应关联。例如，在脉冲的重复频率f＝f₁且原始脉冲宽度pw0＝pw₁时，脉冲输出延迟时间td＝td₁₁。

图3是表示存储于存储部41的相关信息的另一例的曲线图。横轴表示脉冲的重复频率f，纵轴表示脉冲输出延迟时间td。图表中的曲线表示原始脉冲宽度pw0恒定时的脉冲的重复频率f与脉冲输出延迟时间td之间的关系。脉冲输出延迟时间td在原始脉冲宽度pw0恒定的条件下被定义为脉冲的重复频率f的函数。存储部41中存储有该函数的定义式。

在图3所示的例子中，在原始脉冲宽度pw0恒定时，脉冲输出延迟时间td随着脉冲的重复频率f提高而变短。并且，在脉冲的重复频率f为恒定的条件时，脉冲输出延迟时间td随着原始脉冲宽度pw0变长而变短。

激光控制装置40(图1)在从输出振荡指令trg的时刻起经过了一定时间之后输出切取指令chp。从输出振荡指令trg的时刻到输出切取指令chp为止的时间称为“切取指令延迟时间tdc”。激光控制装置40根据脉冲输出延迟时间td等来计算出切取指令延迟时间tdc。

而且，激光控制装置40向扫描光学系统17输出控制信号sig1，从而对脉冲激光束的入射位置进行定位。而且，激光控制装置40向移动机构31输出控制信号sig2，从而使加工对象物60移动。

图4中(A)是振荡指令trg、激光脉冲LP0、切取指令chp及激光脉冲LP1的时序图。在时刻t0，激光控制装置40输出振荡指令trg。例如，振荡指令trg的上升相当于振荡开始指令，下降相当于振荡结束指令。振荡指令trg的上升到下降为止的经过时间相当于原始脉冲宽度pw0。

激光振荡器10在从振荡指令trg的上升(时刻t0)起经过了一定时间之后输出激光脉冲LP0(时刻t2)。从振荡指令trg的上升到激光脉冲LP0的上升为止的经过时间相当于脉冲输出延迟时间td(图2、图3)。若振荡指令trg下降(时刻t6)，则激光脉冲LP0的强度开始降低，最终激光脉冲LP0完全下降(时刻t7)。

激光控制装置40在从振荡指令trg的上升时刻(时刻t0)起经过了切取指令延迟时间tdc的时刻(时刻t1)输出切取指令chp。切取指令chp的上升相当于切取开始指令，下降(时刻t4)相当于切取结束指令。将从切取指令chp的上升到下降为止的经过时间称为切取脉冲宽度pw1。

由于切取光学系统14(图1)的动作延迟，在从切取指令chp的上升(时刻t1)起经过了动作延迟时间tdo的时刻(时刻t3)，开始从激光脉冲LP0的切取，激光脉冲LP1上升。同样地，在从切取指令chp的下降(时刻t4)经过了动作延迟时间tdo的时刻(时刻t5)，结束从激光脉冲LP0的切取，激光脉冲LP1下降。

图5是表示基于本实施例的激光控制装置所执行的激光脉冲的切取步骤的流程图。

首先，激光控制装置40根据从激光振荡器10输出的脉冲激光束的脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0(图4中(A))以及存储于存储部41的相关信息(图2、图3)来计算出脉冲输出延迟时间td(图4中(A))(步骤SA1)。指定脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0的信息预先从输入装置50(图1)输入到激光控制装置40。

激光控制装置40根据在步骤SA1中计算出的脉冲输出延迟时间td及切取光学系统14的动作延迟时间tdo来计算出从振荡指令trg的输出时刻(时刻t0)到输出切取指令chp的时刻(时刻t 1)为止的切取指令延迟时间tdc(图4中(A))(步骤SA2)。例如，以使切取指令延迟时间tdc比从脉冲输出延迟时间td减去动作延迟时间tdo而得的值更长(td-tdo＜tdc)并且比脉冲输出延迟时间td更短(tdc＜td)的方式确定切取指令延迟时间tdc。

接着或者与此同时，对扫描光学系统17输出控制信号sig1并对移动机构31输出控制信号s ig2，使得激光脉冲入射到加工对象物60的目标位置(步骤SA3)。

激光控制装置40对激光振荡器10输出振荡指令trg(步骤SA4)。然后，待机至经过切取指令延迟时间tdc为止(步骤SA5)。若经过了切取指令延迟时间tdc，则激光控制装置40判定基于扫描光学系统18及移动机构31的激光脉冲的入射位置的定位是否完毕(步骤SA6)。

若定位尚未完毕，则在从输出振荡指令trg的时刻起经过了与原始脉冲宽度pw0相当的时间之后，停止振荡指令trg(步骤SA13)。

若定位完毕，则激光控制装置40对切取光学系统14输出切取指令chp(步骤SA7)。然后，待机至经过与切取脉冲宽度pw1(图4中(A))相当的时间为止(步骤SA8)。待机之后，停止切取指令chp(步骤SA9)。具体而言，使切取指令chp下降。然后，停止振荡指令trg(步骤SA10)。更具体而言，在从振荡指令trg的输出时刻起经过了原始脉冲宽度pw0的时刻，使振荡指令trg下降。

接着，判定对加工对象物60的所有被加工点的加工是否结束(步骤SA11)。若对所有被加工点的加工结束，则结束处理。若残留有尚未加工的被加工点，则激光控制装置40控制扫描光学系统18及移动机构31(步骤SA12)。另外，在不需要移动加工对象物60的情况下，不需要驱动移动机构31。

在步骤SA12或步骤SA13之后，待机与脉冲的重复频率f相对应的时间(步骤SA14)。在步骤SA4中输出振荡指令trg的时刻成为该待机时间的起始点。在待机了与脉冲的重复频率f相对应的时间之后，输出振荡指令trg(步骤SA4)，并重复步骤SA5之后的步骤。由此，图4中(A)所示的振荡指令trg、激光脉冲LP0、LP1及切取指令chp的波形以恒定频率重复。另外，在定位未完毕的周期中，不输出切取指令chp。

接着，参考图6，对存储于存储部41(图1)的脉冲输出延迟时间td(图2、图3)的确定方法进行说明。图6是表示确定脉冲输出延迟时间td的步骤的流程图。

首先，确定脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0的值(步骤SB1)。这些值从输入装置50输入。激光控制装置40以步骤SB1中确定的脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0的条件对激光振荡器10输出振荡指令trg(步骤SB2)。若激光脉冲LP0(图1)上升，则来自光检测器20的检测信号det会输入到激光控制装置40。测定从振荡指令trg的输出到接收到检测信号det为止的延迟时间(步骤SB3)。

在输出了规定的多个激光脉冲LP0的时刻，计算出从振荡指令trg的输出到接收到检测信号det为止的延迟时间的测定值的平均值(步骤SB4)。该平均值相当于脉冲输出延迟时间td。将脉冲输出延迟时间td与在步骤SB1中确定的脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0建立对应关联之后存储于存储部41(步骤SB5)。

接着，根据与图4中(B)所示的比较例的比较来对本实施例的优异效果进行说明。

图4中(B)是比较例中的振荡指令trg、激光脉冲LP0、切取指令chp及激光脉冲LP1的时序图。在比较例中，在从检测到激光脉冲LP0的上升的时刻(时刻t2)起经过了一定的切取指令延迟时间tdc1的时刻(时刻t1)，输出切取指令chp。在从切取指令chp的输出起经过了动作延迟时间tdo的时刻(时刻t3)，开始从激光脉冲LP0的切取，激光脉冲LP1上升。

激光脉冲LP0中的激光脉冲LP1上升之前的时间的激光能量被白白浪费掉。在比较例中，白白浪费掉激光能量的时间tw比切取光学系统14的动作延迟时间tdo更长。

相对于此，在上述实施例中，由于在激光脉冲LP0的上升时刻(时刻t2)之前输出切取指令chp，因此从激光脉冲LP0的上升到激光脉冲LP1的切取开始为止的时间tw变得比切取光学系统14的动作延迟时间tdo更短。因此，能够减少被白白浪费掉的激光能量，从而能够提高激光脉冲LP0的利用效率。

而且，在上述实施例中，由于在存储部41中按照脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0存储有脉冲输出延迟时间td，因此，即使在实际加工中使用的脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0改变的情况下，也能够在步骤SA2(图5)中使用与实际的加工条件相对应的适当的脉冲输出延迟时间td计算出切取指令延迟时间tdc。

在与实际加工中使用的脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0相对应的脉冲输出延迟时间td并未存储于存储部41的情况下，可以按照图6所示的步骤求出脉冲输出延迟时间td。另外，在与实际加工中使用的脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0相对应的脉冲输出延迟时间td并未存储于存储部41的情况下，也可以使用已存储的脉冲输出延迟时间td进行插值运算从而求出脉冲输出延迟时间td。

接着，对上述实施例的变形例进行说明。

在上述实施例中，在存储部41(图1)中存储有将脉冲的重复频率f及原始脉冲宽度pw0这两者与脉冲输出延迟时间td建立对应关联的相关信息(图2、图3)。例如，在即使改变原始脉冲宽度pw0脉冲输出延迟时间td也几乎不会变化的情况下，也可以将脉冲输出延迟时间td仅与脉冲的重复频率f建立对应关联。相反，在即使改变脉冲的重复频率f脉冲输出延迟时间td也几乎不会变化的情况下，也可以将脉冲输出延迟时间td仅与原始脉冲宽度pw0建立对应关联。

接着，对基于上述实施例的激光控制装置40(图1)的步骤的激光脉冲切取方法进行说明。

如图4中(A)所示，切取光学系统14(图1)具有如下特性：在从输入切取指令chp之后经过了动作延迟时间tdo的时刻，开始从激光脉冲LP0中切取一部分。在激光脉冲LP0的上升时刻之前的时刻，向切取光学系统14输出切取指令chp。此时，以使从输出切取指令chp的时刻起经过了动作延迟时间tdo的时刻成为激光脉冲LP0的上升时刻之后的方式输出切取指令chp。

通过如此控制切取指令chp的输出时刻，能够减少白白浪费掉的激光能量，从而能够提高激光脉冲LP0的利用效率。

接着，参考图7及图8，对基于其他实施例的激光控制装置进行说明。以下，省略对与参考图1～图6进行说明的实施例相同结构的说明。

图7是搭载有基于本实施例的激光控制装置的激光加工机的概略图。在图1所示的实施例中，加工路径为一条。相对于此，在本实施例中，加工路径为两条。切取光学系统14将从激光脉冲LP0切取的激光脉冲LP1转向其中一条加工路径上，将激光脉冲LP2转向另一条加工路径上。两条加工路径上均配置有折返镜16、扫描光学系统17、透镜19、工作台30及移动机构31。

除了切取指令chp从激光控制装置40输入到切取光学系统14以外，路径选择指令sel也从激光控制装置40输入到切取光学系统14。路径选择指令sel指示要从两条加工路径中选择的加工路径。切取光学系统14朝向所指示的加工路径切取激光脉冲。

图8是振荡指令trg、激光脉冲LP0、路径选择指令sel、切取指令chp及激光脉冲LP1、LP2的时序图。与图4中(A)所示的实施例相同地，在从振荡指令trg的上升(时刻t0)起经过了脉冲输出延迟时间td的时刻(时刻t2)，激光脉冲LP0上升。激光控制装置40在从振荡指令trg的上升起经过了切取指令延迟时间tdc的时刻(时刻t1)输出第1次的切取指令chp。此时，路径选择指令sel选择激光脉冲LP1的路径。因此，在从第1次的切取指令chp的输出时刻起经过了动作延迟时间tdo的时刻(时刻t3)，从激光脉冲LP0切取激光脉冲LP1。

在激光脉冲LP1下降(时刻t5)之后，激光控制装置40切换路径选择指令sel以选择激光脉冲LP2的加工路径(时刻t6)。而且，输出第2次的切取指令ch p(时刻t7)。在从第2次的切取指令chp的输出时刻起经过了动作延迟时间tdo的时刻(时刻t8)，从激光脉冲LP0切取激光脉冲LP2。在激光脉冲LP2下降(时刻t10)之后，停止振荡指令trg的输出(时刻t11)。而且，切换路径选择指令sel以选择激光脉冲LP1的路径(时刻t12)。

接着，对图7及图8中所示的实施例的优异效果进行说明。在本实施例中，由于在激光脉冲LP1的上升之前输出第1次的切取指令chp，因此能够减少浪费的激光能量，从而能够提高激光脉冲LP0的利用效率。

上述各实施例仅是例示，理所当然，不同实施例中所示出的结构能够部分替换或者组合。关于多个实施例的基于相同结构的相同的作用效果，在各实施例中不逐一提及。而且，本发明并不只限于上述实施例。例如，能够进行各种变更、改良及组合等，这对本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (4)

1.一种激光控制装置，其控制激光振荡器及切取光学系统，其中，所述激光振荡器输出脉冲激光束，所述切取光学系统具有如下特性：在所述脉冲激光束入射且输入切取指令之后经过了一定的动作延迟时间的时刻，开始从所述脉冲激光束中切取一部分激光脉冲，

所述激光控制装置的特征在于，进行如下控制：

在所述激光脉冲的上升时刻之前的时刻，向所述切取光学系统输出所述切取指令，并且以使从输出所述切取指令的时刻起经过了所述动作延迟时间的时刻成为所述激光脉冲的上升时刻之后的方式输出所述切取指令。

2.根据权利要求1所述的激光控制装置，其特征在于，

所述激光振荡器与振荡指令的输入同步地输出所述激光脉冲，

所述激光控制装置进一步进行如下控制：

向所述激光振荡器输出所述振荡指令；

将所述振荡指令所指示的脉冲的重复频率及脉冲宽度中的至少一个与脉冲输出延迟时间建立对应关联的相关信息进行存储；

根据从所述振荡指令所指示的脉冲的重复频率及脉冲宽度中的至少一个和所述相关信息获得的所述脉冲输出延迟时间及所述动作延迟时间，确定比所述脉冲输出延迟时间更短并且比从所述脉冲输出延迟时间减去所述动作延迟时间而得的值更长的切取指令延迟时间；

根据所确定的所述切取指令延迟时间，从所述振荡指令的输出时刻延迟向所述切取光学系统输出所述切取指令。

3.根据权利要求2所述的激光控制装置，其特征在于，进一步进行如下控制：

接收来自光检测器的检测信号，其中，所述光检测器检测从所述激光振荡器输出的所述激光脉冲；

测定从输出所述振荡指令到输入所述检测信号为止的延迟时间，并根据延迟时间的测定值来求出所述脉冲输出延迟时间；

将由所述振荡指令指示的脉冲的重复频率及脉冲宽度中的至少一个与根据延迟时间的测定值来求出的所述脉冲输出延迟时间之间的关系存储为所述相关信息。

4.一种激光脉冲切取方法，其使激光振荡器输出激光脉冲入射到切取光学系统，从而从所述激光脉冲中切取一部分激光脉冲，其特征在于，

所述切取光学系统具有如下特性：在输入切取指令后经过了一定的动作延迟时间的时刻，开始从所述激光脉冲中切取一部分激光脉冲，

在所述激光脉冲的上升时刻之前的时刻，向所述切取光学系统输出所述切取指令，并且以使从输出所述切取指令的时刻起经过了所述动作延迟时间的时刻成为所述激光脉冲的上升时刻之后的方式输出所述切取指令。

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