CN115889976A - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制由热影响导致的声光元件的应变的激光加工装置。分支光学元件使脉冲激光束分支为至少两个路径。在通过分支光学元件分支的各路径上分别配置有声光元件。声光元件根据从外部接收到的指令将所入射的脉冲激光束的时间轴上的一部分转向朝向加工对象物的加工用路径。

Description

激光加工装置
本申请主张基于2021年08月03日申请的日本专利申请第2021-127562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加工装置。
背景技术
已知有一种激光加工装置，其将一个脉冲激光束分支从而用双轴进行钻孔加工(专利文献1等)。该激光加工装置包含激光光源和声光元件(AOM)。声光元件将从激光光源输出过来的脉冲激光束的时间轴上的一部分转向朝向加工对象物的第1加工路径，将另一部分转向第2加工路径，并使其余部分入射于光束截止器。转向第1加工路径及第2加工路径的脉冲激光束通过加尔瓦诺扫描仪进行扫描之后入射于加工对象物的目标位置。
专利文献1：日本特开2015-186822号公报
若在加工时使用高功率的脉冲激光束，则有时会受到热影响而在声光元件中产生应变。若在声光元件中产生应变，则在通过声光元件衍射的脉冲激光束的截面形状、光束分布等会产生变形。若在脉冲激光束中产生此类变形，则无法获得所期望的加工品质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制由热影响导致的声光元件的应变的激光加工装置。
根据本发明的一观点，提供一种激光加工装置，其具备：
分支光学元件，使脉冲激光束的功率分支为至少两个路径；及
至少两个声光元件，分别配置于通过所述分支光学元件分支的各个路径上，并根据从外部接收到的指令将所入射的脉冲激光束的时间轴上的一部分转向朝向加工对象物的加工用路径上。
分别入射于至少两个声光元件的脉冲激光束的功率小于通过分支光学元件分支前的脉冲激光束的功率。因此，各声光元件所受的热影响减少。由此，声光元件不易产生由热影响导致的应变。
附图说明
图1是基于一实施例的激光加工装置的概略图。
图2是由控制装置输出的振荡指令trg、切取指令chp1、chp2、脉冲激光束L0、L11、L12、L21、L22的时序图。
图3是表示基于另一实施例的激光加工装置的光学系统的一部分的概略俯视图。
图4是配置于比图3所示的激光加工装置的第2声光元件更靠下游侧的光束路径上的光学零件的概略侧视图。
图5中(A)是表示基于又一实施例的激光加工装置的一部分的概略俯视图，图5中(B)是表示偏振方向调整光学系统的概略立体图。
图6是基于又一实施例的激光加工装置的概略图。
图中：10-激光振荡器，11-光束扩展器，12-光圈，13-分支光学元件，13A-偏振方向调整光学系统，13B-偏振光束分离器，14-折返镜，20A、20B-声光元件，21A、21B-光束截止器，22A、22B-折返镜，23A、23B-光束扫描器，24A、24B-聚光透镜，25-折返镜，26-偏振方向调整光学系统，26A、26B-折返镜，27A、27B-半透反射镜，28A、28B-光检测器，30A、30B-移动机构，40-控制装置，45-光学平台，50A、50B-加工对象物。
具体实施方式
参考图1及图2，对基于一实施例的激光加工装置进行说明。
图1是基于一实施例的激光加工装置的概略图。该激光加工装置例如用于对印刷基板的钻孔加工等。
激光振荡器10从控制装置40接收振荡指令trg从而输出脉冲激光束L0。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L0经由光束扩展器11及光圈12后入射于分支光学元件13。光束扩展器11改变脉冲激光束L0的扩展角及光束直径中的至少一方。光圈12对脉冲激光束L0的光束截面进行整形。
作为分支光学元件13，例如使用半透半反镜。一个脉冲激光束L0分支为透射分支光学元件13的脉冲激光束L11和被分支光学元件13反射的脉冲激光束L21。脉冲激光束L11的功率与脉冲激光束L21的功率相同。
其中一个脉冲激光束L11入射于第1声光元件(AOM)20A，而另一个脉冲激光束L21则被折返镜14反射后入射于第2声光元件20B。第1声光元件20A根据来自控制装置40的切取指令chp1使脉冲激光束L11衍射，由此将脉冲激光束L11的时间轴上的一部分转向加工用路径。如图1中的虚线所示，脉冲激光束L11中的未转向加工用路径的部分在第1声光元件20A中直线前进而入射于光束截止器21A。将转向加工用路径的脉冲激光束标记为L12。在本说明书中，有时将脉冲激光束L11的时间轴上的一部分转向加工用路径的情况称为“切取”。
同样地，第2声光元件20B根据来自控制装置40的切取指令chp2使脉冲激光束L21衍射，由此将脉冲激光束L21的时间轴上的一部分转向加工用路径。如图1中的虚线所示，脉冲激光束L21中的未被切取的部分在第2声光元件20B中直线前进而入射于光束截止器21B。将转向加工用路径的脉冲激光束标记为L22。
脉冲激光束L11的偏振方向相对于与入射于第1声光元件20A的脉冲激光束L11的行进方向和衍射后的脉冲激光束L12的行进方向平行的平面(在图1中，与纸面平行的平面)平行。同样地，脉冲激光束L21的偏振方向相对于与入射于第2声光元件20B的脉冲激光束L21的行进方向和被衍射的脉冲激光束L22的行进方向平行的平面(在图1中，与纸面平行的平面)平行。
其中一个加工用脉冲激光束L12经由折返镜22A、光束扫描器23A及聚光透镜24A而入射于加工对象物50A。加工对象物50A保持在可动工作台30A上。光束扫描器23A根据来自控制装置40的扫描指令scn1来将入射的脉冲激光束L12沿二维方向进行扫描。作为光束扫描器23A，例如使用加尔瓦诺扫描仪。可动工作台30A根据来自控制装置40的移动指令mov1来使加工对象物50A沿水平面上的两个方向移动。作为可动工作台30A，例如可以使用XY工作台。聚光透镜24A使脉冲激光束L12聚光于加工对象物50A的表面。作为聚光透镜24A，例如可以使用fθ透镜。
通过使光束扫描器23A动作，能够使脉冲激光束L12入射于加工对象物50A的表面上的一部分区域(扫描区域)内的任意位置。可动工作台30A能够将加工对象物50A的待加工区域配置于光束扫描器23A的扫描区域内。
同样地，另一个加工用脉冲激光束L22经由折返镜22B、光束扫描器23B及聚光透镜24B而入射于加工对象物50B。加工对象物50B保持在可动工作台30B上。从控制装置40向光束扫描器23B发出扫描指令scn2，并向可动工作台30B发出移动指令mov2。
控制装置40控制激光振荡器10、第1声光元件20A、第2声光元件20B、光束扫描器23A、23B、可动工作台30A、30B。控制这些的功能通过软件与硬件的组合来实现。
图2是由控制装置40输出的振荡指令trg、切取指令chp1、chp2、脉冲激光束L0、L11、L12、L21、L22的时序图。若振荡指令trg上升(时刻t0)，则在经过了一定的延迟时间td之后，脉冲激光束L0的激光脉冲上升(时刻t1)。脉冲激光束L0通过分支光学元件13(图1)分支为脉冲激光束L11和脉冲激光束L21。由于脉冲激光束L0的功率被一分为二，因此脉冲激光束L11、L21的功率成为脉冲激光束L0的功率的约1/2。其中，“功率”是指：脉冲激光束的各瞬间的功率而不是平均功率。
从脉冲激光束L0的上升(时刻t1)稍微延迟后，切取指令chp1、chp2上升(时刻t2)。切取指令chp1、chp2的上升相当于切取开始指令。两个切取指令chp1、chp2的上升时刻一致。若切取指令chp1、chp2上升，则分别从脉冲激光束L11、L21切取的脉冲激光束L12、L22上升。与切取指令chp1、chp2的下降(时刻t3)同步地，脉冲激光束L12、L22下降。切取指令chp1、chp2的下降相当于切取结束指令。
与振荡指令trg的下降(时刻t4)同步地，脉冲激光束L0的功率开始下降，经过一定时间之后功率变成零(时刻t5)。在时刻t1～t2的期间及时刻t3～t5的期间，脉冲激光束L11、L21入射于光束截止器21A、21B(图1)。在图2中，用虚线表示了脉冲激光束L11、L21中的入射于光束截止器21A、21B的部分。
接着，对本实施例的优异效果进行说明。
在本实施例中，分别入射于第1声光元件20A及第2声光元件20B的脉冲激光束L11、L21的功率成为分支前的脉冲激光束L0的功率的约1/2。因此，与利用一个声光元件从脉冲激光束L0切取加工用脉冲激光束的结构相比，第1声光元件20A及第2声光元件20B所受的热影响减少，不易产生由热引起的应变。由此，能够抑制由第1声光元件20A及第2声光元件20B的温度上升引起的加工用脉冲激光束L12、L22的品质下降。
接着，对上述实施例的变形例进行说明。
在上述实施例中，将从激光振荡器输出的脉冲激光束L0分支为两束，但也可以分支为四束。例如，通过利用分支光学元件将分支后的脉冲激光束L11、L21(图1)分别进一步分支为两束，从而能够生成四个脉冲激光束。优选在四个脉冲激光束的各路径上配置声光元件而切取加工用脉冲激光束。在该结构中，分别入射于四个声光元件的脉冲激光束的功率成为分支前的脉冲激光束L0的约1/4。因此，声光元件所受的热影响进一步减少。
并且，在上述实施例中，通过第1声光元件20A及第2声光元件20B分别切取了一个加工用脉冲激光束L12、L22，但也可以设为第1声光元件20A及第2声光元件20B分别切取两个加工用脉冲激光束的结构。例如，优选从入射于第1声光元件20A的脉冲激光束L11的一个激光脉冲朝向衍射角互不相同的两个加工路径切取两个激光脉冲。由此，能够使用四个脉冲激光束进行加工。
并且，在上述实施例中，分别向第1声光元件20A及第2声光元件20B发出的切取指令chp1、chp2(图2)的上升及下降时刻一致，但也可以设为两者不一致。例如，在脉冲激光束L12的最佳加工条件与脉冲激光束L22的最佳加工条件不同的情况下，优选错开切取指令chp1、chp2(图2)的上升及下降时刻，从而使脉冲激光束L12、L22的脉冲宽度变得不同。
接着，参考图3及图4，对基于另一实施例的激光加工装置进行说明。以下，省略对与基于参考图1及图2进行说明的实施例的激光加工装置相同结构的说明。
图3是表示基于本实施例的激光加工装置的光学系统的一部分的概略俯视图。在光学平台45上支承有分支光学元件13、第1声光元件20A、第2声光元件20B、光束截止器21A、21B、折返镜22A、22B、25。
在图1及图2所示的实施例中，分支光学元件13使用半透半反镜，但在本实施例中，分支光学元件13包括偏振方向调整光学系统13A及偏振光束分离器13B。偏振光束分离器13B以其分离面垂直于光学平台45的姿势被支承。脉冲激光束L0经由偏振方向调整光学系统13A后以入射角45°入射于偏振光束分离器13B。偏振方向调整光学系统13A调整脉冲激光束L0的偏振光，以使P偏振光成分与S偏振光成分的功率相等。作为偏振方向调整光学系统13A，例如可以使用1/4波阻片等。P偏振光透射偏振光束分离器13B，S偏振光被偏振光束分离器13B反射。
透射了偏振光束分离器13B的脉冲激光束L11的偏振方向与光学平台45平行。被偏振光束分离器13B反射的脉冲激光束L21的偏振方向垂直于光学平台45。
脉冲激光束L11及脉冲激光束L21分别入射于第1声光元件20A及第2声光元件20B。比第1声光元件20A更靠下游侧的脉冲激光束的路径与图1所示的实施例的激光加工装置中的路径相同。加工用脉冲激光束L12被折返镜22A朝向下方反射，并经由设置于光学平台45的开口而入射于配置在光学平台45的下方的光束扫描器23A(图1)。
参考图4，对比第2声光元件20B更靠下游侧的光束路径进行说明。图4是表示配置于比第2声光元件20B更靠下游侧的光束路径上的光学零件的高度方向上的位置关系的概略图。
入射于第2声光元件20B的脉冲激光束L21的偏振方向垂直于光学平台45。第2声光元件20B使脉冲激光束L21朝向相对于光学平台45斜上方的方向衍射。因此，加工用脉冲激光束L22朝向相对于光学平台45斜上方的方向传输。
在第2声光元件20B并未被衍射而直线前进的脉冲激光束(用虚线表示的脉冲激光束)和在第2声光元件20B被衍射的脉冲激光束L22均入射于折返镜25。脉冲激光束L22被折返镜22A反射，其传输方向与光学平台45平行。在第2声光元件20B直线前进的脉冲激光束被折返镜22A反射后朝向相对于光学平台45斜下方的方向传输从而入射于光束截止器21B。
被折返镜25反射的脉冲激光束L22被折返镜22B朝向下方反射，并经由光学平台45的开口而入射于配置在光学平台45下方的光束扫描器23B(图1)。
接着，对图3及图4所示的实施例的优异效果进行说明。在本实施例中，也与图1及图2所示的实施例相同地，能够减少第1声光元件20A及第2声光元件20B所受的热影响。
在第1声光元件20A和第2声光元件20B中，入射光的偏振方向与衍射方向之间的关系相同。更具体而言，与入射于声光元件的入射光的行进方向和衍射光的行进方向平行的平面与入射光的偏振方向平行。在第1声光元件20A中，与入射光的行进方向和衍射光的行进方向平行的平面相当于图3的纸面。在第2声光元件20B中，与入射光的行进方向和衍射光的行进方向平行的平面相当于图4的纸面。因此，在第1声光元件20A和第2声光元件20B中，能够在相同条件下使所入射的脉冲激光束衍射。
接着，参考图5中(A)及(B)，对基于又一实施例的激光加工装置进行说明。以下，省略对与基于图3及图4所示的实施例的激光加工装置相同结构的说明。
图5中(A)是表示基于本实施例的激光加工装置的一部分的概略俯视图。在参考图3进行说明的实施例中，为了使入射光的偏振方向与衍射方向之间的关系在第1声光元件20A和第2声光元件20B中相同，将与第2声光元件20B的入射光的行进方向和衍射光的行进方向平行的平面设定为垂直于光学平台45。相对于此，在本实施例中，利用偏振方向调整光学系统26使脉冲激光束L21的偏振方向变成与光学平台45平行之后，入射于第2声光元件20B。
图5中(B)是偏振方向调整光学系统26的概略立体图。偏振方向调整光学系统26包括两个折返镜26A、26B。具有垂直于光学平台45的偏振方向的脉冲激光束L21在入射面与偏振方向平行的条件下以45°的入射角入射于折返镜26A。被折返镜26A反射的脉冲激光束L21沿着垂直于光学平台45的方向行进。沿着垂直于光学平台45的方向行进的脉冲激光束L21的偏振方向与光学平台45平行。
被折返镜26A反射的脉冲激光束L21在偏振方向与入射面正交的条件下，以45°的入射角入射于折返镜26B。被折返镜26B反射的脉冲激光束L21的偏振方向与光学平台45平行。被折返镜26B反射的脉冲激光束L21入射于第2声光元件20B。如图5中(A)所示，与在第1声光元件20A衍射的脉冲激光束L12的行进方向相同地，在第2声光元件20B衍射的脉冲激光束L22的行进方向也与光学平台45平行。
接着，对本实施例的优异效果进行说明。
在本实施例中，也与参考图3及图4进行说明的实施例相同地，能够减少第1声光元件20A及第2声光元件20B所受的热影响。而且，在本实施例中，第1声光元件20A及第2声光元件20B两者的衍射光的行进方向与光学平台45平行。因此，能够获得光轴调整变得容易的优异效果。
接着，参考图6对基于又一实施例的激光加工装置进行说明。以下，省略对与基于图1及图2所示的实施例的激光加工装置相同结构的说明。
图6是基于本实施例的激光加工装置的概略图。在本实施例中，代替基于图1所示的实施例的激光加工装置中的折返镜22A、22B而使用半透反射镜27A、27B。各脉冲激光束L12、L22的功率的极少一部分成分透射半透反射镜27A、27B，从而入射于光检测器28A、28B。光检测器28A、28B检测所入射的脉冲激光束的功率。功率的测定值输入于控制装置40。
作为第1声光元件20A及第2声光元件20B，使用衍射效率可变的声光元件。衍射效率受到来自控制装置40的指令的控制。
控制装置40调整第1声光元件20A及第2声光元件20B的衍射效率，以使基于光检测器28A、28B的脉冲激光束的功率的测定值相互接近。例如，使与光检测器28A、28B的测定值更大的脉冲激光束相对应的声光元件的衍射效率相对下降。
接着，对本实施例的优异效果进行说明。若分支光学元件13的分支比稍微偏离50:50，则会导致脉冲激光束L11与L21的功率产生差异。在本实施例中，即使脉冲激光束L11与L21的功率产生差异，也能够通过调整第1声光元件20A及第2声光元件20B的衍射效率来减少入射于加工对象物50A、50B的脉冲激光束的功率差。
接着，对基于本实施例的变形例的激光加工装置进行说明。
在图6所示的实施例中，光检测器28A、28B配置于在第1声光元件20A及第2声光元件20B衍射后的脉冲激光束的路径上。作为其他结构，也可以在从分支光学元件13与第1声光元件20A之间的路径分支的路径上及从分支光学元件13与第2声光元件20B之间的路径分支的路径上分别配置光检测器28A、28B。
在图6所示的实施例中，减少了入射于两个加工对象物50A、50B的脉冲激光束的功率差，但也可以调整入射于两个加工对象物50A、50B的脉冲激光束的功率的绝对值。例如，可以调整第1声光元件20A及第2声光元件20B的衍射效率，以使基于光检测器28A、28B的功率的测定值接近目标值。由此，能够使用于加工的脉冲激光束L12、L22的功率的绝对值接近目标值。
各实施例为例示，理所当然，在不同的实施例中示出的结构可以进行部分代替或组合。关于多个实施例中的基于相同结构的相同的作用效果，不在各个实施例中逐一提及。而且，本发明并不只限于上述实施例。例如，可以进行各种变更、改进、组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具备：
分支光学元件，使脉冲激光束分支为至少两个路径；及
至少两个声光元件，分别配置于通过所述分支光学元件分支的各个路径上，并根据从外部接收到的指令将所入射的脉冲激光束的时间轴上的一部分转向朝向加工对象物的加工用路径上。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
还具备支承所述分支光学元件及所述声光元件的光学平台，
所述分支光学元件包括偏振光束分离器，其将所入射的脉冲激光束分支为具有与所述光学平台平行的偏振方向的P偏振光和具有垂直于所述光学平台的偏振方向的S偏振光，
通过所述偏振光束分离器分支的P偏振光和S偏振光的传输方向与所述光学平台平行，
通过所述偏振光束分离器分支的P偏振光及S偏振光分别入射于所述声光元件中的一个的第1声光元件及另一个的第2声光元件，
所述第1声光元件以使所入射的P偏振光朝向与所述光学平台平行的方向衍射的姿势配置，
所述第2声光元件以使所入射的S偏振光朝向相对于所述光学平台倾斜的方向衍射的姿势配置。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
还具备对所述声光元件发出切取指令的控制装置。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制装置在相同时刻向所述声光元件发送相同期间的切取脉冲激光束的指令。
5.根据权利要求3或4所述的激光加工装置，其特征在于，
所述声光元件的衍射效率可变，
所述激光加工装置还具备测定通过所述分支光学元件分支后的各脉冲激光束的功率的光检测器，
所述控制装置调整所述声光元件的衍射效率，以使所述光检测器的功率的测定值相互接近。
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