CN1671504A - 使用超短脉冲激光的激光加工法和激光加工装置 - Google Patents
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Abstract
一种激光加工装置(101)，包括一个用于输出超短脉冲激光束(107)的激光生成装置(105)，一个用于控制激光生成装置(107)的激光控制装置，一个光学系统(106)，一个用于测量光学系统(106)的光学系统控制装置，和一种用于测量超短脉冲激光束(107)的测量装置(109)。超短脉冲激光束中的最大噪音分量脉冲的强度被控制为超短脉冲激光束(107)中主脉冲强度的2.5％或更少。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用超短脉冲激光束的激光加工法和激光加工装置，一种使用激光加工法制造喷嘴，喷墨头和喷墨记录装置的方法以及用激光加工法制造的喷嘴板，喷墨头和喷墨记录装置。
背景技术
近年来，喷墨记录装置通过减小墨滴的尺寸和增加墨滴飞行的精确性而被不断改进，并且喷墨打印机作为价格便宜并能形成高分辨率图像的打印装置在办公室，SOHO，家庭等场所被广泛应用。
喷墨头包括用于促使墨水飞行的驱动器，喷嘴，墨水室等，并且这些部件的大小和尺寸精度将影响打印性能。具体来说，喷嘴精确度对图像质量和打印速度有显著的影响。
在本领域内众所周知的是，如果喷嘴孔的圆度或直径精确度较差，墨滴的释放方向会偏离或改变。此外，墨滴释放的速率基本上取决于喷嘴的深度。如果喷嘴深度在多个喷嘴中不相同，墨滴的释放速度可能会不均匀。考虑到这一点，在现有技术中需要精确地设计喷嘴的规格，并且制造这样的喷嘴需要较高的加工精度。此外，急需一种能够以较低成本满足此类精确规格的喷嘴制造技术来降低制造成本。
现存在有各种喷嘴制造方法。典型的方法包括蚀刻，电镀，冲孔和激光加工。本发明的发明人采用了使用超短脉冲激光的能够进行微加工和精加工的激光加工方法。与通常使用的CW激光束不同，超短脉冲激光束具有相当短的脉宽。在超短脉冲激光加工中，即使脉宽很短，每个脉冲的能量仍被设为很大以便加工物件。这样具有短脉冲和高单位脉冲能量的激光加工通常称为“烧蚀加工”，且其加工原理与使用热加工的激光加工的原理全然不同。在烧蚀加工中，重复频率设为不是很大的适当数值，使得只有工件的表面层在不加热的情况下被烧蚀。因此，烧蚀加工是一种所谓的“冷切割”加工，并且其特征在于不在工件上施加明显的热影响。
然而，实际上使用超短脉冲激光束加工工件时，输出的激光束除了包含主脉冲外，还会有一个具有更长脉宽的噪音分量脉冲或CW噪音分量，例如如果存在不完全Q转换引起的光泄露。然而，尽管这样的不必要噪音分量具有低强度，其具有与主脉冲相比大一个量级的脉宽，因而具有更大的能量。因此，大量热施加在工件上。所以，如果包含此种噪音分量，则不再可能进行冷切割加工，而工件会象在热加工中一样熔化。在热加工过程中，工件的表面不可能被充分整平，并且不可能实现精密和精确的加工。
另一方面，将噪音分量完全去除并不实际，因为这样会给加工装置增加不必要的成本。因此，在本技术领域中急需一种确定噪音分量的技术，以该上限基本上能够进行冷切割加工，并且在该上限以内进行超短脉冲激光加工。
发明内容
本发明的一个目的是实现可基本上作为冷切割加工的使用超短脉冲激光束的加工。
本发明的另一个目的是在进行精加工时确定一个用于确定噪音分量等级容许度的指标，并基于该指标对材料进行加工。
本发明的激光加工方法是这样一种激光加工法，其包括使用超短脉冲激光束加工材料的步骤，其中超短脉冲激光束中最大噪音分量脉冲的强度为超短脉冲激光束中主脉冲的强度的2.5％或更少。
在本方法中，进行基本上可看作冷切割加工的激光加工，因此实现高精确度和高精强度的加工。
在该激光加工方法中，优选地，在超短脉冲激光束穿过偏光镜和以预定转速旋转的1/2波片之后，材料被超短脉冲激光束照射。
这样，可以抑制在材料加工表面上条纹的出现，即所谓的“条纹”。
在激光加工方法中，优选地，在超短脉冲激光束穿过偏光镜和1/4波片后，材料被超短脉冲激光束照射。
这样，更有效地抑制条纹的出现。
超短脉冲激光束的主脉冲的脉宽可以在0.1ps到100ps之间。
材料可以由含铁材料制成。
在激光加工方法中，材料可以通过超短脉冲激光束相对于材料摆动来加工。
该激光加工方法可以为下述方法：其中材料为用于喷墨头的喷嘴板；并通过使用超短脉冲激光束在喷嘴板中成形喷嘴。
本发明的激光加工装置为一种包括超短脉冲激光束的激光加工装置，其中超短脉冲激光束中的最大噪音分量脉冲的强度为超短脉冲激光束中主脉冲的强度的2.5％或更少。
在本方法中，进行可以看作冷切割加工的激光加工，因此实现了精确度和高精强度的加工。
优选地，激光加工装置还包括一个偏光镜，一个1/2波片，以及一个用于将1/2波片以预定转速进行旋转的旋转机构。
可选择地，该激光加工装置可以还包括一个偏光装置，和一个1/4波片。
这样，可以在材料的加工表面上抑制条纹的出现，即所谓的“条纹”。
本激光加工装置还包括一个用于将超短脉冲激光束相对于材料进行摆动的摆动机构。
优选地，该激光加工装置还包括一个测量装置，其包括一个用于测量超短脉冲激光束中的噪音分量脉冲的强度与超短脉冲激光束中主脉冲的强度的比例的光探测器和示波器。
该超短脉冲激光可以还包括：一个激光产生装置，其包括一个泵激光二极管(pump laser diode)，一个Q开关元件，一个激光介质和一个反射镜；一种基于测量装置的示波器的输出值的来控制激光产生装置的激光控制装置；一个包括了波片，偏光镜，多个透镜，和反射镜的光学系统。
本发明的喷嘴板是这样一种喷嘴板，其使用最大噪音分量脉冲的强度为主脉冲的强度的2.5％或更少的超短脉冲激光来在其中加工成形喷嘴。
该喷嘴板可以由含铁材料制成。
本发明的喷墨头包括喷嘴管，该喷嘴板是通过使用最大噪音分量脉冲的强度为主脉冲的强度的2.5％或更少的超短脉冲激光来在其中形成喷嘴。
本发明的一种喷墨记录装置，其包括一个带有喷嘴板的喷墨头，该喷嘴板使用最大噪音分量脉冲为主脉冲的强度的2.5％或更少的超短脉冲激光束来在其中加工形成喷嘴。
附图说明
图1表示激光加工系统的配置。
图2表示振荡器的配置。
图3表示再生式放大器的配置。
图4为表示喷嘴板的截面图。
图5为表示喷墨头的截面图。
图6为表示喷墨打印机重要部分的透视图。
图7A为表示振荡器中脉冲波形的波形图，图7B为表示放大器中普克耳斯单元的控制信号的波形图，并且图7C为表示放大器中脉冲波形的波形图。
8A和图8B为例2的实验中获得的激光输出的脉冲波形的波形图，其中图8A表示示例1的波形，图8B表示示例10的波形。
图9A和图9B分别表示例2实验中的加工表面，其中图9A表示示例1的加工表面，图9B表示示例10的加工表面。
图10为表示例2实验中强度比和加工缺陷比之间关系的图。
图11为表示例3中的实验中加工表面的图。
图12为表示例3中的实验中强度比和加工缺陷比之间关系的图。
图13为表示例4中的实验中强度比和加工缺陷比之间关系的图。
具体实施方式
以下将参照附图详细说明本发明的实施例。
图1表示本实施例的超短脉冲激光加工系统101的配置。本激光加工系统101包括用来输出超短脉冲激光束的激光生成装置105，用于控制激光生成装置105的激光控制装置(未显示)，光学系统106，用于控制光学系统106的光学系统控制装置(未显示)，以及用于测量超短脉冲激光束的测量装置109。
该光学系统106包括第一反射镜180，用来反射激光产生装置105输出的超短脉冲激光束107，光闸110，衰减器115，第二反射镜108，光束放大器120，波片125，扫描镜130，DOE(衍射光学元件)135，以及远心镜140。工件155安置在激光束107通路的末端。包括波片和偏光镜的衰减器115用来调整激光束107的强度。
从激光生成装置105输出的激光束107的一部分由第一反射镜180反射。被第一反射镜180反射的激光束107穿过光闸110，并随后穿过衰减器115。穿过衰减器115的激光束107被第二反射镜108反射并由光束放大器120以适当的放大率放大以使其成为平行光束。随后，平行光束107穿过波片125以调整偏振方向并被扫描镜130反射，随后其穿过DOE135。该激光束107被DOE135衍射成为多个光束。
衍射光束是通过远心镜140会聚并到达工件155处，从而对工件155进行加工。当工件155被加工时，光束可以通过摆动扫描镜130而相对于工件155运动。因此，工件的表面155可以被烧蚀成层状，而工件155可以加工成所需的三维形状。
下面将详细说明激光生成装置105的配置。该激光生成装置105包括图2中说明的振荡器200以及图3中说明的再生式放大器300。在激光生成装置105中，振荡器200生成一个脉冲激光束，而再生式放大器300从脉冲激光束以预定频率截取一个脉冲，并且将截取的脉冲放大以输出放大的脉冲。
如图2所说明的，振荡器200包括泵激光器204，用于控制泵激光器204的温度的控制装置(未显示)，透镜205，激光介质202，Q开关元件207，脉冲展宽器209，输出连接器208，以及反射镜201，203和206。
如图3所述，再生式放大器300包括泵激光器304，激光介质302，Q开关元件303，偏振镜307，输出连接器309，反射镜305和306，和透镜301和308。
尽管未显示，该激光控制装置包括泵激光驱动器，泵激光温控制驱动器，Q开关元件驱动器，Q开关延迟时间控制装置，光闸驱动器，和扫描镜驱动器。该泵激光驱动器通过控制供给泵激光器的电流来调整泵激光器的输出。泵激光器温控驱动器控制泵激光器的温度，并将泵激光器维持在恒定温度。Q开关元件驱动器向Q开关元件提供信号电压。Q开关延迟时间控制装置控制Q开关元件驱动器运行的延迟时间。光闸驱动器关闭/打开光闸110以阻挡/传输激光束107。扫描镜驱动器给扫描镜130的驱动部分提供信号，以便将扫描镜130调整到期望的角度。
测量装置109包括扩散器158，光检测器160和示波器162。在测量装置109中，穿过了第一反射镜180的激光束被扩散器158扩散为各向同性的激光束。随后，光检测器160测量激光束中光子的数目。将光子的数目转变为电压值，并由示波器162测量。该示波器162输出电压值的波形。
激光加工系统101待加工的工件类型并不限制为任何具体的工件类型。例如，该激光加工系统101可以用来加工喷墨头的喷嘴板，如下所述，以在其中形成喷嘴。
在本实施例中，该工件为如图4所示的喷嘴板8。喷嘴板8的喷嘴9的上部为锥形，其内径沿着向上的方向增加，其下部为具有恒定内径的通孔。尽管喷嘴板8和喷嘴9的形状及尺寸并不限制为任何具体的形状或尺寸，在一个可适当使用的喷嘴板8和喷嘴9示例中，喷嘴板8的厚度L1为50μm，具有恒定内径的通孔的长度L2为10μm，通孔的内径d1为20μm，锥形部分的最大内径d2为85μm，锥度角φ为80°。
如图5所示，喷墨头1包括喷嘴板8，通过将多层不锈钢板层压在一起的得到的喷墨头本体4，光敏玻璃制成的压力室形成板3，和一个层压在一起的压电执行元件2。尽管未显示在图5中，该喷嘴板8包括多个在与图5的纸面垂直的方向上排列的喷嘴9。
在喷墨头1的内部提供了通过墨水通道7与各个喷嘴9相通的多个压力室6，以及与压力室6相通的公共墨水室5。
图6表示了在其中使用了喷墨头1的喷墨打印机31的大体构造。喷墨头30固定在配置有滑动架电机(未显示)的滑动架32上。该滑动架32通过滑动架发动机沿着主扫描方向X往复运动，同时有沿着主扫描方向延伸的滑动架轴所引导。因此，喷墨头30也沿着主扫描方向X往复运动。
记录纸34被夹在由运送架发动机(未显示)旋转的两个运送辊35之间，并通过运送架电机和运送辊在与主扫描方向垂直的副扫描方向上被运送。
但是需要注意，本发明的记录装置不限于上述的打印机31，本发明也可以应用在其它类型的打印机中。此外，本发明的记录装置并不限制为打印机，也可以是在其中具有喷墨头的其它类型的记录装置，例如复印机或传真机。
例1
在例1中，一个1W的半导体激光二极管被用作振荡器200的泵激光204，一个Nd:YLF棒作为激光介质202，一个SESAM(半导体可饱和吸收镜)作为Q开关元件207，一个熔融石英校准器(fused silicaetalon)作为脉冲展宽器209。以这种构造，振荡器200以波长为1053nm，频率为80MHz，脉宽为15ps(皮秒)以及35mW的输出来实现激光振荡。
在再生式放大器300中，一个16W半导体激光二极管被用作泵激光304，一个Nd:YLF棒被用作激光介质302，一个普克耳斯单元被用作Q开关单元303。此外，一个TFP(薄膜偏光镜)被用作偏光镜307，一个99％反射镜被用作输出连接器309。TFP和普克耳斯单元结合使得能够将来自振荡器200的仅仅一个特定脉冲激光束放大，从而最终获得1W的输出。该普克耳斯单元的工作频率被设置为1kHz，最终输出的重复频率被设置为1kHz。
在激光控制装置中，一种由斯坦福研究系统公司(Stanford ResearchSystems Inc.)生产的数字延迟/脉冲生成器DG535(Digital Delay/PulseGenerator DG535)被用作普克耳斯单元驱动器的延迟时间控制装置。在本发明中，普克耳斯单元的ON信号和OFF信号的延迟时间由该装置所控制。
以下参照图7A到图7C的时序图对控制方法进行说明。图7A表示振荡器200的脉冲波形。振荡器200中的SESAM生成一个重复频率为80MHz脉宽为15ps的脉冲。
图7B表示放大器300中普克耳斯单元的控制信号。在本例中，当一个待放大的脉冲进入放大器300中时，ON信号被送给普克耳斯单元。因此，只有那些在进入放大器300时使普克耳斯单元从OFF状态转换到ON状态的脉冲才能被放大器300捕获并放大。对于在进入放大器300时普克耳斯单元状态并不改变的其它脉冲，这样的脉冲一旦进入放大器300，不会被放大器300捕获和放大，而是被输出到外部。
图7C表示放大器300中的脉冲波形。由放大器300捕获的脉冲在放大器300中往返多次，其强度被增大。随后在普克耳斯单元变为OFF时，该脉冲从放大器300被输出到外面。
在测量装置109中，使用由THORLABS公司生产的高速硅检测器DET210作为光检测器160。检测器的上升时间少于1ns，其二极管电容为1.8pF。在检测器的上升时间对激光束107中的光子计数，并在与上升时间对应的张驰时间转换为电信号。
光检测器160获得的电信号通过50ΩBNC电缆输入到振荡器162中。激光输出对时间的依从关系被表示为示波器162的波形。使用由Sony/Tektronix公司生产的数字示波器TDS3052B和LeCroy公司生产的数字示波器LT372作为示波器162。前一个示波器TDS3052B的取样频率为5GHz，其频带宽度为500MHz。另一方面，后一个示波器LT372的取样频率为4GHz，并且其频带宽度为500MHz。
来自光检测器160的电信号根据每个数字示波器的频带宽度被表示为张驰时间的时间函数。由两个示波器测量的激光输出值(电压值)基本相同。
使用COHERENT公司生产的Thermal SmartSensors SandardSensors33-1025来测量激光的功率。当由瓦特计测量的功率为1W时，对于两个示波器的任何一个，光检测器中脉冲波形的最大值为1900mV。
例2
通过在例1的激光加工系统101中使用一个1/2波片作为波片125，并使用用来旋转1/2波片的旋转机构来进行实验。
在本实验中，1/2波片以600rpm的恒定转速旋转。送给普克耳斯单元的OFF信号的延迟时间(“C”延迟)是固定的，而ON信号的延迟时间(“A”延迟)是改变的。需要注意的是，“A”延迟是将捕获待放大的脉冲的定时延迟的时间量。主皮秒脉冲的峰值(Vp)和示波器中最大噪音分量的峰值(Vn)被记录，以便检测峰值比例和加工部分的熔融之间的关联性。
采用由SUS304(由日本Hirai Semitsu Kogyo公司生产)制成的喷嘴板作为工件。激光束107被DOE135衍射为152个光束，并且通过摆动扫描镜130来旋转每个光束，以便通过所谓的“铣削法”在喷嘴板上同时加工形成152个喷嘴孔。
尽管在以下说明中使用了由Sony/Tektronix公司生产的数字示波器TDS3052B所测量的数据，利用LeCroy公司生产的数字示波器LT372也得到相似的结果。
实验结果在表1中列出
表1
| 样本# | A延迟(ns) | C延迟(ns) | Vp(mV) | Vn1(mV) | Vn1/Vp | 熔融 | 缺陷喷嘴数目 |
| 1 | 11.6 | 273.3 | 1400 | 60 | 0.042857 | 观察到 | 152 |
| 2 | 11.4 | 273.3 | 1480 | 53 | 0.03581 | 观察到 | 152 |
| 3 | 11.2 | 273.3 | 1500 | 42 | 0.028 | 观察到 | 152 |
| 4 | 10.8 | 273.3 | 1600 | 35 | 0.02188 | 几乎没有 | 2 |
| 5 | 10.6 | 273.3 | 1700 | 30 | 0.017647 | 几乎没有 | 1 |
| 6 | 9.6 | 273.3 | 1900 | 20 | 0.010526 | 没有 | 0 |
| 7 | 8.6 | 273.3 | 1900 | 12 | 0.006316 | 没有 | 0 |
| 8 | 7.6 | 273.3 | 1900 | 10 | 0.005263 | 没有 | 0 |
| 9 | 6.6 | 273.3 | 1900 | 8 | 0.004211 | 没有 | 0 |
| 10 | 5.6 | 273.3 | 1900 | 5 | 0.002632 | 没有 | 0 |
由于“A”延迟从样本1到10逐渐减少，皮秒脉冲的强度Vp增加，而最大噪音分量Vn1的强度逐渐减小。
图8A和图8B中的每一个均表示示波器测量到的光检测器的输出。图8A表示实验中样本1的激光束的脉冲波形，图8B表示实验中样本10的激光束的脉冲波形。在两图中，附图标记400表示第一皮秒脉冲，而随后的振荡波形由于皮秒脉冲的信号和示波器的内部阻抗之间的不匹配而呈现减幅振荡。在图8A中，在主脉冲400之前可以看到两个噪音分量，即第一脉冲401和第二脉冲402。在图8B中，在主脉冲400之前可以看到一个噪音分量，即第一脉冲401。
由于“A”延迟从样本1到10被减少，第一脉冲401也相应地逐渐减少。在本例中，最大噪音分量为第一脉冲401。因此，最大噪音分量强度Vn1与主脉冲400的强度Vp的比率(以下称为“强度比”)为Vn1/Vp。由于“A”延迟从样本1到样本10减少，强度比Vn1/Vp逐渐减少。
喷嘴板的喷嘴由扫描电镜(SEM)成像。图9A显示了样本1的喷嘴，图9B显示了样本10的喷嘴。如图9A所示，样本1的喷嘴具有大量的小孔，其被称做“针孔”，说明其加工质量较差。相反，如图9B所示，样本10的喷嘴具有非常平滑且被精密加工的不含有针孔的表面。
测量缺陷喷嘴的数目。在此具有任何针孔的喷嘴被定义为“缺陷喷嘴”。然后，检查强度比Vn1/Vp和加工缺陷率之间的关系。在此，术语“加工缺陷率”被定义为缺陷喷嘴的数目与喷嘴总数(即152)的比率。该结果示出在图10中。
如图10所示，从样本1到样本10中，在2.3％到2.8％的强度比Vn1/Vp范围内，加工缺陷率显著下降。这是由于以下原因所致。当噪音分量相对较大时，噪音分量带来软化喷嘴板内表面的热影响，随后第一脉冲到达被软化的表面，引起非正常蒸发或升华，从而可能产生不良的针孔。图10还说明，随着噪音分量的降低，热影响造成的熔融也会减少，并且降低熔融的效果是临界性的。它同时表明如果强度比为2.5％或更少，其实际上可能实现被称作冷切割的加工。
例3
在例3中，进行与例2相似的实验，其中使用了例1的激光加工系统101，只是省略了波片125。
图11表示本实验中出现不良针孔的喷嘴的SEM图。同样，在本发明中可以发现，如果强度比Vn1/Vp大于2.5％，则会出现大量数目的不良针孔。此外，在本例的整个喷嘴表面上，还可以观察到比针孔小的由表面不规则物形成的条纹。在图11中，该条纹从右上向左下方向延伸。
通常，这样的条纹在激光束偏振方向固定时出现。图12表示强度比Vn1/Vp和加工缺陷率之间的关系，这等同于例2中使用的图10。图10与图12之间的比较说明，在例3的实验中，即使采用在例2的实验中没有观察到针孔的强度比(2.5％或更少)，仍会有少量针孔产生。这说明针孔的产生不仅与强度比有关，在某种程度上还与条纹有关。一种可能的原因是，如果激光束的偏振方向固定，激光束的能量会在局部形成凹槽，产生针孔。因此，这就证明，如果连续改变激光束的偏振方向，则可以抑制条纹的产生，并因此抑制针孔的产生。
在例2中发现，通过增加1/2波片的旋转速度，可以增加条纹抑制作用，但以下不对此进行详细说明。考虑到这一点，也可以在例2中提供一个1/4波片，而不是1/2波片及其旋转机构。通过使用1/4波片，光束电场的振动平面可以以一个速度旋转，该速度大于当1/2波片以600rpm转动时的速度，从而可以更好地抑制条纹的产生。因此，可以通过使用1/4波片来获得与例2相似或者更好的效果。
例4
在例4中，使用例2的激光加工系统101，并且在固定普克耳斯单元的设置值时，改变普克耳斯单元的排列(alignment)。由于普克耳斯单元的排列被改变，偏振也相应地改变，因此开关状态也被改变。这样，本实例是开关状态改变的例子。实验结果显示在下面的表2和图13中。
表2
| 样本# | 排列 | A延迟(ns) | C延迟(ns) | Vp(mV) | Vn2(mV) | Vn2/Vp | 熔融 | 缺陷喷嘴数目 |
| 1 | A | 25.6 | 273.3 | 1900 | 8 | 0.004211 | 没有 | 0 |
| 2 | B | 25.6 | 273.3 | 1800 | 16 | 0.008889 | 没有 | 0 |
| 3 | C | 25.6 | 273.3 | 1800 | 32 | 0.017778 | 没有 | 0 |
| 4 | D | 25.6 | 273.3 | 1750 | 50 | 0.02857 | 几乎没有 | 3 |
| 5 | E | 25.6 | 273.3 | 1730 | 55 | 0.03179 | 观察到 | 152 |
| 6 | F | 25.6 | 273.3 | 1700 | 69 | 0.040588 | 观察到 | 152 |
| 7 | G | 25.6 | 273.3 | 1500 | 80 | 0.053333 | 观察到 | 152 |
在本实验中，最大噪音分量脉冲为第二脉冲402。如本实验的结果所示，由于排列位置从A变到G，第二脉冲402的强度Vn2逐渐增加，并且强度比Vn2/Vp也逐渐增加。可以看到，当强度比超过3％时，针孔的数目迅速增加。因此，本发明的结果说明，如果强度比为3％或更少，实际上可以实现被看作冷切割加工的加工工艺。
使用GOODfellow公司的不锈钢SUS AISI302和SUS17-7PH进行与上述实验相似的另一实验，得到与上述实验大体相同的结果。因此可以知道，只要喷嘴板由不锈钢制成，就能获得上述结果。
此外，可以用其它金属进行相似的实验，可以观察到与上述实验结果相似的趋势。另外，对于含铁的材料，抑制出现针孔所需的强度比的上限值最小。换言之，只要强度比低于或等于2.5％，此时对于含铁材料可抑制针孔的出现，则可以在多种其它金属上进行不会产生热影响的脉冲激光微加工。
尽管上述例子是脉宽为15ps的情况，对于在0.1ps到100ps范围内的其它脉宽，也可以获得与上述实验结果相似的结果。因此，在这样的脉宽范围内，只要强度比为2.5％或更少，则可以对例如含铁材料等各种金属进行不会产生热影响的微加工和精加工。
本发明的激光加工装置和激光加工方法不限于喷嘴的加工，也可以应用在各种类型的工件。此外，本发明不限于通过上述的开关光束来进行的打孔加工，也可以应用于各种其它加工，包括扫描切削加工和点切削加工。
因此，以上仅在各方面对实施例和示例进行了说明性的阐述，不应该看作对本发明的限制。本发明的范围由所附的权利要求限定，并不是由上述的说明限制。此外，等同于权利要求的任何的变动和/或修改均包括在本发明的范围内。
Claims (17)
1.一种激光加工方法，包括使用超短脉冲激光束加工材料的步骤，其中该超短脉冲激光束的最大噪音分量脉冲的强度为超短脉冲激光束中主脉冲强度的2.5％或更少。
2.如权利要求1所述的激光加工方法，其中在所述超短脉冲激光束穿过偏光镜和以预定转速旋转的1/2波片之后，材料被所述超短脉冲激光束照射。
3.如权利要求1所述的激光加工方法，其中在所述超短脉冲激光束穿过偏光镜和1/4波片后，材料被所述超短脉冲激光束照射。
4.如权利要求1所述的激光加工方法，其中所述超短脉冲激光束的主脉冲的脉宽为0.1ps到100ps。
5.如权利要求1所述的激光加工方法，其中所述材料是用含铁材料制成。
6.如权利要求1所述的激光加工方法，其中所述材料是在所述超短脉冲激光束相对于所述材料摆动时被加工的。
7.如权利要求1所述的激光加工方法，其中：
所述材料是用于喷墨头的喷嘴板；并且
使用所述超短脉冲激光束在该喷嘴板上形成喷嘴。
8.一种激光加工装置，包括超短脉冲激光器，其中超短脉冲激光束中的最大噪音分量脉冲的强度为该超短脉冲激光束的主脉冲强度的2.5％或更少。
9.如权利要求8所述的激光加工装置，还包括偏光镜，1/2波片，以及用来以预定转速旋转1/2波片的旋转机构。
10.如权利要求8所述的激光加工装置，还包括偏光镜和1/4波片。
11.如权利要求8所述的激光加工装置，还包括用来将所述超短脉冲激光束相对于所述材料摆动的摆动机构。
12.如权利要求8所述的激光加工装置，还包括一个测量装置，该测量装置包括用于测量超短脉冲激光束中噪音分量脉冲的强度与超短脉冲激光束主脉冲强度的比率的光检测器和示波器。
13.如权利要求12所述的激光加工装置，所述超短脉冲激光器还包括：
激光生成装置，其包括泵激光二极管，Q开关元件，激光介质，和反射镜；
激光控制装置，其根据测量装置的示波器的输出值来控制激光生成装置；和
光学系统，其包括波片，偏光镜，多个透镜，和反射镜。
14.一种用于喷墨头的喷嘴板，该喷嘴板是用最大噪音分量脉冲强度为主脉冲强度的2.5％或更少的超短脉冲激光束来加工，以在其中形成喷嘴。
15.如权利要求14所述的用于喷墨头的喷嘴板，其中喷嘴板是由含铁材料制造的。
16.一种包括喷嘴板的喷墨头，该喷嘴板是用最大噪音分量脉冲强度为主脉冲强度的2.5％或更少的超短脉冲激光束来加工，以在其中形成喷嘴。
17.一种喷墨记录装置，包括具有喷嘴板的喷墨头，该喷嘴板是用最大噪音分量脉冲强度为主脉冲强度的2.5％或更少的超短脉冲激光束来加工，以在其中形成喷嘴。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4938085A (en) * | 1987-06-30 | 1990-07-03 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Power transmission system in a tractor |
| JP2006196645A (ja) * | 2005-01-13 | 2006-07-27 | Institute Of Physical & Chemical Research | パルスレーザーのレーザー発振制御方法およびパルスレーザーシステム |
| JP2006196638A (ja) * | 2005-01-13 | 2006-07-27 | Institute Of Physical & Chemical Research | パルスレーザーのレーザー発振制御方法およびパルスレーザーシステム |
| JP4838530B2 (ja) * | 2005-04-21 | 2011-12-14 | サイバーレーザー株式会社 | 出力安定化機構を有するフェムト秒レーザー装置 |
| JP2007118054A (ja) * | 2005-10-28 | 2007-05-17 | Aisin Seiki Co Ltd | レーザ加工方法及びレーザ加工装置 |
| KR101073563B1 (ko) | 2010-02-08 | 2011-10-14 | 삼성모바일디스플레이주식회사 | 표시 장치 및 이의 제조 방법 |
| JP5860228B2 (ja) * | 2011-06-13 | 2016-02-16 | 株式会社ディスコ | レーザー加工装置 |
| KR102209964B1 (ko) * | 2013-03-13 | 2021-02-02 | 삼성디스플레이 주식회사 | 피코초 레이저 가공 장치 |
| KR102166134B1 (ko) * | 2013-03-15 | 2020-10-16 | 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드 | 빔 포지셔너의 레이저 방출-기반 제어 |
| US9132623B2 (en) | 2013-03-27 | 2015-09-15 | Unipixel Displays, Inc. | Method of marking a transparent substrate for visual alignment |
| US9021952B2 (en) * | 2013-03-27 | 2015-05-05 | Uni-Pixel Displays, Inc. | Laser-assisted alignment of multi-station flexographic printing system |
| DE102014200633B3 (de) * | 2014-01-15 | 2015-05-07 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Bearbeitungsvorrichtung und -verfahren zur Laserbearbeitung einer Oberfläche |
| CN104646835B (zh) * | 2014-12-25 | 2016-10-05 | 深圳光韵达光电科技股份有限公司 | 一种柔性薄膜磁体的激光切割方法及系统 |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3264971B2 (ja) * | 1991-03-28 | 2002-03-11 | セイコーエプソン株式会社 | インクジェット記録ヘッドの製造方法 |
| US5656186A (en) * | 1994-04-08 | 1997-08-12 | The Regents Of The University Of Michigan | Method for controlling configuration of laser induced breakdown and ablation |
| US6016324A (en) * | 1994-08-24 | 2000-01-18 | Jmar Research, Inc. | Short pulse laser system |
| US5720894A (en) * | 1996-01-11 | 1998-02-24 | The Regents Of The University Of California | Ultrashort pulse high repetition rate laser system for biological tissue processing |
| US5781298A (en) * | 1996-11-26 | 1998-07-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Light mixing technique for isolation and amplification of laser signal from background noise due to scattering in turbid media |
| US6156030A (en) * | 1997-06-04 | 2000-12-05 | Y-Beam Technologies, Inc. | Method and apparatus for high precision variable rate material removal and modification |
| US6819698B1 (en) * | 1999-02-26 | 2004-11-16 | Lambda Physik Ag | Energy monitor for F2 molecular fluorine laser and method of energy stabilization |
| US6760973B1 (en) * | 1999-06-30 | 2004-07-13 | Canon Kabushiki Kaisha | Laser working method and method for producing ink jet recording head |
| JP2001071168A (ja) * | 1999-06-30 | 2001-03-21 | Canon Inc | レーザ加工方法、該レーザ加工方法を用いたインクジェット記録ヘッドの製造方法、該製造方法で製造されたインクジェット記録ヘッド |
| US6634734B1 (en) * | 1999-06-30 | 2003-10-21 | Canon Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing ink jet recording head, ink jet recording head manufactured by such method, and laser working method |
| US6281471B1 (en) * | 1999-12-28 | 2001-08-28 | Gsi Lumonics, Inc. | Energy-efficient, laser-based method and system for processing target material |
| US20020073544A1 (en) * | 2000-12-18 | 2002-06-20 | Konica Corporation | Manufacturing method of ink-jet haead |
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2005
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10556293B2 (en) | 2009-08-11 | 2020-02-11 | Hamamatsu Photonics K.K. | Laser machining device and laser machining method |
| CN109967865A (zh) * | 2018-12-20 | 2019-07-05 | 华中科技大学 | 一种基于注入式电离的超短激光脉冲加工系统及其应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080625 Termination date: 20120714 |