CN1859995A - 用于整形激光束的方法和激光处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对激光束整形的方法，其中将具有第一横向强度分布的第一激光束211定向到光束整形元件215上，并且通过光束整形元件215，第一激光束211被转换成具有第二横向强度分布的第二激光束216。根据本发明，第二强度分布具有垂直于第二激光束216的光轴的优先方向，并且这样操作光束整形元件215，使得优先方向绕光轴旋转。光束整形元件215可以是通过机械运动绕第一激光束211的光轴旋转的光学元件。优选地，光束整形元件215通过动态系统实现，该动态系统在避免机械旋转时，通过相应的控制，使得能够产生几乎任何具有任意强度分布的第二激光束216的光束横截面。本发明还涉及一种激光加工方法，其中以有利的方式使用用于对激光束整形的方法来对材料进行激光加工。

Description

用于整形激光束的方法和激光处理方法
技术领域
本发明涉及一种整形激光束的方法，其中通过光束整形元件改变激光束的横向强度分布。而且，本发明还涉及一种使用上述方法的激光处理方法。
背景技术
当在电子设备制造领域中对电路板进行钻孔时，所钻出的孔的形状对于形成在电路板上的电子组件的质量是一个重要因素。通过越来越大地提供激光功率，可以通过所谓的冲孔同时为不同电路板材料钻孔。这被认为钻一个孔，其中通过入射到同一位置的激光束脉冲实现材料烧蚀。为了在冲孔时钻孔-冲孔具有相比于最小聚焦直径较大的孔直径，不能简单地增大激光束的聚焦宽度，因为这样会使得所钻孔的边缘陡度由于激光束的高斯光束形状而变得平坦。除此之外，在许多情况下，激光功率不足以在增大的聚焦情况下实现大于许多用于电路板的材料的烧蚀阈值的功率密度。
根据现有技术，为了提高钻孔的边缘陡度，使用所谓的光束整形元件，光束整形元件被引入到激光束的光程中，并且这样整形激光束，使得入射到电路板上的激光束在更大聚焦直径的情况下也具有带有陡峭边缘和尽可能平坦的顶面的轮廓。在实际上不可能实现的理想情况下，在穿过理想的光束整形元件之后，横向强度分布的轮廓是矩形。实际上，所整形的激光束的横向强度分布特别具有波状顶面。图1示出了绘制在坐标系中的这种横向强度分布100，其中将到所钻孔的中心的距离d绘制在横坐标上，而将所整形的激光束的强度I绘制在纵坐标上。特别地，曲线变化以及特别是顶面不对称于纵坐标。
在冲孔时-其中将激光脉冲总是放置在相同的位置上，由横向强度分布的波动性而产生的局部强度分布因此累加起来，并且由此可以局部地导致非常不同的材料烧蚀。这最终导致，所钻孔的质量相比于通过理想整形的激光束所获得的质量降低了。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于整形激光束的方法，其中被整形的激光束的波动性不反映在材料烧蚀中。本发明的另一目的是提供一种激光处理方法，其中以有利的方式使用该用于整形激光束的方法。
通过一种具有独立权利要求1的特征的、用于整形激光束的方法来实现本发明的第一目的。
根据本发明，将具有第一横向强度分布的第一激光束定向到光束整形元件上，第一激光束由此被转换成具有第二横向强度分布的第二激光束。第二强度分布具有不对称性，具有垂至于激光束光轴的优先方向。通过适当地操作光束整形元件，可以实现，第二强度分布的优先方向绕激光束的光轴旋转。本发明基于以下认识，即在借助于冲孔的材料烧蚀中-其中将多个激光脉冲总是设置在相同位置，通过旋转不对称强度分布就可以均衡由被整形的激光束的非对称波动性所造成的局部强度分布。例如，可以使用衍射或折射光学元件作为光束整形元件。
应该注意的是，根据本发明，每种与旋转对称强度分布-如高斯分布-不同的强度分布具有至少一个优先方向。
根据权利要求2，第一激光束可以包括对称于激光束光轴的强度分布。于是，根据本发明的方法适合于任何激光器类型的光束整形，即也具有发射具有对称模式-例如TEM00模式-的激光束的激光器类型。
根据权利要求3的方法的优点在于，可以使用光束整形来减小光束横截面，并因此可以以有利的方式导致功率密度的增加，其可能超过用于所要处理的材料的材料烧蚀阈值。这样增加能量密度就要求，在激光脉冲期间，优先方向的旋转如此小，以至于由旋转所造成的第二强度分布的模糊相比于强度分布的有效表面可以忽略。
根据权利要求4的方法的优点在于，多个激光脉冲的时间平均总是导致被平均的横向强度分布的最优平滑。
根据权利要求5的方法的优点在于，在材料烧蚀的区域中，可以预先准确地确定入射到每一表面元件上的激光能量。
根据权利要求6的方法的优点在于，可以使用构造相对简单并且相对便宜的静态光束整形元件。
使用根据权利要求7的动态光束整形系统的优点在于，可以避免光束整形元件的机械旋转。动态光束整形系统支持有选择地转换光束整形元件的结构，使得原则上可以以可自由选择的切换频率产生具有可自由选择的局部强度分布的可自由选择的光束横截面。例如，基于LCD的光调制器适于作为动态可控光束整形元件。而且，所谓的薄膜反射镜、反射镜阵列或其它光学自适应元件也适于作为动态可控光束整形元件，特别是在高激光束强度的情况下。使用动态光束整形系统的优点在于，可以通过相应地控制动态系统来直接影响第二激光束的横向强度分布，使得原则上可以单独地整形第一激光束的每个脉冲。
在根据权利要求8的方法中，使用用于第二激光束的由两个子表面组成的截面形状。优选地，该两个子表面是三角形或圆弧形的，并且截面形状具有点对称性。
本发明的第二个目的是通过根据权利要求9的激光处理方法实现的，其中将根据权利要求1至8之一整形的激光束定向到要处理的物体。
根据权利要求10，通过光束整形元件这样整形激光束，使得第二激光束的强度高于第一激光束的强度。特别地，这通过以下方式实现，即这样改变激光束的横截面形状，使得在第一激光束中穿过光轴附近的表面元件的激光辐射被偏转到与光轴相距更远的其它表面元件。因此，可以通过光束整形来从总体上减少截面面积，其中以在与一个方向成角度或优选垂直的另一方向上的压缩为代价，增大截面面积在一个方向上的最大空间扩张。因此，即使未整形的激光束的功率或能量密度低于材料烧蚀阈值，整形后的激光束的功率或能量密度也可以超过材料烧蚀阈值。通过这种方式，通过旋转这个至少部分不对称的横截面，可以通过连续的激光脉冲处理比未整形的激光束能够处理的表面大的表面。因此，在许多应用情况下，可以以有利的方式不需要用于连续地将激光束偏转到比第一激光束的横截面积大的处理面积的偏转单元，或者在材料处理期间，可以将偏转单元相应地设置在固定位置上。例如伸长的矩形形状适于作为用于第二激光束的光束形状。
在根据权利要求11进行激光钻孔时，可用的激光功率密度或激光能量密度可以以特别优选地方式被用于借助于冲孔而钻孔。其中，可以钻出孔直径比未整形的光束由于有限脉冲能量而能够钻的最大孔直径大的孔。因此，尤其在钻更大的孔时，可以以有利的方式不需要所谓的环钻的方法，其中通过将多个优选位于圆形路径上的钻孔位置接连排列而钻孔。因此，在钻孔时，仅必须控制偏转单元，使得将激光束定位到孔中心，并因此偏转单元不必绕要钻的孔的中心进行小圆周移动。由此，通过偏转单元，通过避免附加控制的圆周运动，对于向要钻的不同孔的转移运动，优化了偏转。
特别有利的是，第二激光束的光束轮廓具有由两个子表面-尤其是两个三角形或两个圆弧形-形成的对称形状，其中这两个子表面分别在一个角处接触。当产生激光脉冲序列时，这种光束轮廓绕对称轴旋转。因此，得到了设置形成的脉冲的由优先方向的旋转速度和由激光束的重复率确定的空间距离。由这彼此接触的子表面描述的光束形状使得即使在几个连续激光脉冲的情况下也能够实现在要钻孔区域中均匀的能量输入，使得可以保证高的孔质量。
附图说明
可以通过下面对当前优选实施方式的示范性描述得到本发明进一步的优点和特征：
附图1表示通过已知的光束整形元件所产生的横向强度分布，
附图2示例性地表示具有动态可控光束整形元件的激光加工装置的构造，以及
附图3A和附图3B表示使用特定整形的激光束来钻大孔。
具体实施方式
附图2中所表示的激光加工装置200包括发射第一激光束211的激光光源210。根据这里所示的实施方式，第一激光束211-其是脉冲激光束-具有可以用高斯强度分布很好地近似表示的横向光束轮廓。第一激光束211入射到光束整形元件215，光束整形元件215将第一激光束211的横向强度分布转换成改变后的第二激光束216的横向强度分布。第二激光束216的强度分布不对称，使得第二激光束216的强度分布具有垂直于第二激光束216的光轴的优先位置。光束整形元件215连接到控制器250，光束整形元件215可以通过该控制器控制，使得第二激光束216的强度分布的优先方向绕第二激光束216的光轴转动。为了在需要时将这个转动与激光光源210所发射的第一激光束211的脉冲序列同步，控制器250也连接到激光光源210。
第二激光束216入射到偏转单元220，第二激光束在偏转单元中通常通过两个反射镜偏转元件绕两个彼此垂直的轴偏转。然后，通过成像光学仪器230-通常是F-Theta透镜，将光束偏转到要加工的物体240上的目标位置。
附图3A表示整形后的激光束310的横截面，其根据本发明的一个实施例优选地适于通过所谓的冲孔来钻孔。整形后的激光束310具有近似蝴蝶形的截面面积。在这种形状中，两个子表面的角彼此接触。子表面尤其是两个三角形或两个圆弧形。通过对具有圆形光束横截面的初始高斯形激光束整形，得到整形后的激光束310，其中这个第一激光束具有正好对应于材料烧蚀阈值的脉冲功率密度或脉冲能量密度，即每个面积的脉冲功率或脉冲能量。因此，通过未整形的激光束可以钻具有最大钻孔尺寸rmax的孔300。
在整形后的激光束310绕其中心M旋转时，现在通过一系列连续的激光脉冲可以钻孔，其允许钻具有半径Rmax的孔，而无需提高初始激光束的功率密度。于是，激光束的展开角度α、连续的整形后的激光束脉冲之间的希望的重叠以及脉冲频率确定了光束整形元件的旋转频率。
要指出的是，在实际条件下，通过整形后的激光束310的几个脉冲的上述重叠，可能出现局部强度过高，这通过整形后的激光束310的光束横截面内的相应强度匹配而被补偿。特别地，所示的蝴蝶形状在中心M具有受衍射限制的宽度，因此不是精确地点形状，使得在中心M的区域中，必须通过相应地控制光束整形元件来实现强度的降低。
下面借助于具体实施例给出重要参数的尺寸：在蝴蝶形激光束310的展开角度α为40°、两个连续的整形后的激光脉冲之间希望的重叠为25％的情况下，光学元件在两个连续激光脉冲之间必须继续旋转30°。这意味着，正好需要十二个脉冲以实现360°的旋转。如果选择50kHz的脉冲频率，则整形后的激光束310的旋转频率必须正好是4167Hz。当然，在相互匹配时，可以自由选择上述参数：展开角、重叠和脉冲频率。
就此再次指出：整形后的激光束310的旋转不仅可以通过光束整形元件的机械旋转来实现，还可以通过动态光束整形系统的相应控制来实现。在动态光束整形系统的情况下，整形后的激光束310的旋转也不能完全连续地实现。在这种情况下，通过多个离散的角度位置之间逐次转接而实现旋转。
附图3B表示具有90°展开角的整形后的激光束320的横截面，该角度大于附图3A所示的展开角。假设整形后的激光束320的可用激光功率与附图3A所示的整形后的激光束310相同，则由于更大的展开a，在材料烧蚀阈值保持相同时，仅可以钻具有附图3B所示半径Rmax的孔。
总之，可以确定：本发明涉及一种用于对激光束整形的方法，其中将具有第一横向强度分布的第一激光束211定向到光束整形元件215上，并且通过光束整形元件215，第一激光束211被转换成具有第二横向强度分布的第二激光器216。根据本发明，第二强度分布具有垂直于第二激光束216的光轴的优先方向，并且光束整形元件215被这样操作，使得优先方向绕光轴旋转。光束整形单元215可以是通过机械运动绕第一激光束211的光轴旋转的光学元件。但是，优选地，光束整形元件215借助于动态系统实现，该动态系统在避免机械旋转时，通过相应的控制，使得能够产生几乎任何具有任意强度分布的第二激光束216的光束横截面。本发明还涉及一种激光加工方法，其中以有利的方式使用用于对激光束整形的方法用于材料的激光加工。

Claims (11)

1.一种用于对激光束整形的方法，其中
●将具有第一横向强度分布的第一激光束(211)定向到光束整形元件(215)上，
●通过所述光束整形元件(215)，将所述第一激光束(211)转化成具有第二横向强度分布的第二激光束(216)，
-其中所述第二强度分布具有垂直于所述激光束(216)的光轴的优先方向，以及
-其中这样操作所述光束整形元件(215)，使得所述第二强度分布的优先方向绕所述光轴旋转。
2.根据权利要求1的方法，其中使用具有对称于所述激光束的光轴的强度分布的第一激光束(211)。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中使用脉冲第一激光束(211)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中与所述激光脉冲的时间序列无关地操作所述光束整形单元(215)。
5.根据权利要求3所述的方法，其中将所述光束整形元件(215)的操作与所述激光脉冲的时间序列同步。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中将所述光束整形元件(215)绕所述光轴旋转。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中使用动态可控的光束整形元件(215)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述第二激光束(216)具有由两个彼此在一点接触的子表面组成的截面形状。
9.一种激光加工方法，其中将通过根据权利要求1至8中任一项所述的方法整形的激光束定向到要处理的物体(240)。
10.根据权利要求9所述的激光加工方法，其中所述第二激光束(216)具有偏离圆形的横截面积，并且所述第二激光束(216)的强度大于所述第一激光束(211)的强度。
11.根据权利要求9所述的激光加工方法，其中在所述要加工的物体(240)中钻孔。
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