CN1881064B - 用于转换激光束的装置和激光加工装置 - Google Patents

Abstract

提供用于选择性地引导输入激光束至第一输出激光束和/或至第二输出激光束的装置，包括射束分裂元件，用于空间地分裂输入激光束为第一部分束和第二部分束；射束叠加元件，用于空间地和相干地叠加两个部分束，并转换两个部分束为第一输出激光束和/或第二输出激光束。两个输出激光束的强度取决于射束叠加元件处两个部分束之间的相对相位迁移。该装置还包括光学执行器，其被设置在第一部分束中并被调整，使得第一部分束的光学路径长度可在射束分裂元件和射束叠加元件之间变化。还提供一种用于加工工件的激光加工装置，包括用于生成输入激光束的激光光源；上述装置；设置在第一输出光程上的第一偏转单元；以及设置在第二输出光程中的第二偏转单元。

Description

用于转换激光束的装置和激光加工装置

技术领域

本发明涉及选择性地将输入激光束引导至第一输出激光束和/或至第二输出激光束的装置。而且，本发明涉及用于加工工件的激光加工装置，特别用于对电路载体钻孔和/或结构化，激光加工装置包括如上所述的激光束转向装置。

背景技术

目前，要以紧凑构型实现的电子组件通常在多层电路载体上构造，特别在多层电路板上。因此，需要让电路板的特定导电层接触。这是通过在要接触的层中钻盲孔或通孔，且随后用导电金属化涂覆孔而实现的。以这种方式，电路可不仅被两维地形成，而且也在第三维上形成，使得电子组件所要求的空间可相当程度地减小。

通常，电路衬底是借助于电子领域的特定激光加工装置中的脉冲激光辐射钻孔的。通常，二氧化碳或固态激光器，如Nd:YAG或Nd:YVO₄激光器，被用作激光源。有竞争力的激光加工装置的重要特征一方面是生产量，即可在特定时间单位内钻的孔的数量，另一方面是激光加工装置的购买成本。因此，开发了激光加工装置，其中从单个激光源发射的激光束可通过光学切换元件被任意地引导到两个输出光程中的一个。每个输出光程中设置有偏转单元和成像光学系统，通过它们，各输出射束被引导到要加工的一个或几个工件的不同目标点。例如从JP 2002011584A中已知使用几个激光束互相钻电路板的相应装置。

可机械旋转的反射器也是公知用于选择性地将激光束引导到空间上隔开的不同光程上。在该过程中，根据反射器的相应倾斜，输入激光束被偏转到不同方向。可这样机械旋转的反射器的不足在于，由于反射器的质量惯性，转换时间相对较长。通常，至少是100μs，使得在脉冲重复频率为10kHz的情况下，两个输出激光束之间的定义的转换在两个连续激光脉冲之间的时间跨度中已经不再可能。

JP 2003053576A公开了一种装置和方法，其中激光束可通过声光调制器(AOM)偏转到不同方向。这里，在晶体中生成声学驻波，晶体用作入射到晶体上的激光束的衍射光栅。AOM的不足在于，晶体的鲁棒性和寿命是有限的，并且通常仅能生成小偏转角。另一个不足是，激光束的整个强度不被偏转到对应于特定衍射级的特定方向。相反，不被忽略的激光辐射强度总是被引导到不同衍射级。

JP 2003126982A公开了一种激光加工装置，其包括作为射束转换元件的电光调制器(EOM)，电光调制器(EOM)与偏振相关反射器联合工作。通过相应地电气控制EOM，可以有针对性地影响入射到偏振相关反射器的激光束偏振方向，使得激光束可被任意地引导到串接偏振相关反射器的两个输出光程中的一个上。然而，由于入射到EOM上的激光辐射不是完全线性偏振的，而且，EOM所产生的偏振方向的旋转角总是具有一定程度的不清晰性，所以某些剩余强度总会进入关断的激光束的光程中。而且，使用EOM的不组在于，(a)要求相对高的电压来操作EOM，(b)EOM的预期使用寿命是未知的，特别是在高功率强度激光束要被偏转的情形下，和(c)EOM是相对昂贵的光学元件。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置，用于选择性地将输入激光束引导至第一输出激光束和/或至第二示出激光束，该装置使得可以简单方式精确地在两个输出激光束之间快速并同时转换激光束。而且，本发明的目的是提供一种激光加工装置，其以有利的方式使用上述激光束转向装置，从而快速和精确地加工工件。

该目的是通过用于选择性地将输入激光束引导至第一输出激光束和/或至第二输出激光束的装置而实现的，包括独立权利要求1的特征。根据本发明的装置包括射束分裂元件，用于空间地分裂输入激光束为第一部分束和第二部分束；射束叠加元件，用于空间地叠加两个部分束，以及将两个部分束变换为第一输出激光束和/或第二输出激光束。两个部分束被叠加，使得两个输出激光束的强度取决于射束叠加元件处两个部分束之间的相对相移。这是通过以下方式实现的，即两个部分束被相干地叠加，使得根据本发明的装置表示干涉计，其中通过将部分束的光学路径长度改变仅仅半个波长而可自由调整两个输出激光束之间的强度分布。按照本发明，通过安置在第一部分束中的光学执行器改变光学路径长度，光学执行器被这样设置，使得第一部分束的光学路径长度可在射束分裂元件和射束叠加元件之间改变。

本发明基于这样的认识，即通过用干涉计相干地叠加两个部分束，可以自由地调整两个输出光程之间的强度分布。例如，两个部分束之间的相干叠加使输入激光束被引导到第一输出激光束，只要它们具有精确相同的光学路径长度。没有强度被引导到第二输出激光束，因为两个部分束在该方向上彼此相消干涉。如果第一部分束的光学路径长度仅改变半个激光波长，则两个部分束的相干叠加不在第一输出激光束中产生任何输出功率，这是由于相消干涉。在第二输出激光束的方向上，在两个部分束之间出现相长干涉，使得输入激光束的整个强度被转移到第二输出激光束。

应该理解，作为当然的事实，只有两个部分束的路径长度差小于激光束的相干长度，两个部分束的相干叠加才是可能的。

而且，应该理解，按照本发明的装置也可以用来选择性地将输入激光束引导至多于两个的输出激光束上。这可通过几个根据本发明的转向单元的联合工作实现，这些转向单元以级连的形式串联。以该方式，可以有针对性地将输入激光束引导至三个、四个或更多输出激光束。

按照权利要求2，附加提供第一光接收器，其光耦合到第一输出激光束。为了调节第一输出激光束的强度，光接收器而且例如经由电线耦合到执行器。优选地，光耦合到第一输出激光束是经射束解耦元件实现的，射束解耦元件优选地仅引导第一输出激光束的小部分强度至光接收器。光接收器例如是传统的光电二极管。优选地，将光接收器耦合至执行器是经由光接收器的电气输出来执行的，该输出在光接收器操作过程中输送输出电压，该电压的大小直接与当前入射到光接收器上的光强度成比例。

按照权利要求3，附加地提供第二光接收器，其光耦合至第二输出激光束并耦合到执行器，以便调节第二输出激光束的强度。这使得可以特别精确地调节执行器，并因此可以以明确定义的方式在两个不同操作条件之间转换。在第一操作条件中，输入激光束的完整强度被引导到第一输出激光束，而第二输出激光束的强度至少接近零。在第二操作条件中，第一输出激光束的强度几乎为零，而输入激光束的整个强度被引导到第二输出激光束。

按照权利要求4，执行器包括机械可调整的反射镜。如上面解释的那样，为了在两个空间上隔开的输出激光束的光程之间转换输入激光束，仅需要激光波长数量级的非常短的反射镜运动。这意味着，在反射镜的平移中，与反射镜运动相关联的第一部分束的射束偏移的量如此小，以至两个部分束与反射镜的当前位置无关地相互仍然空间地交叠，使得两个部分束之间的相干叠加得到保证。因此，可以良好近似地忽略射束偏移。

按照权利要求5，执行器是机械可调整的折射光学元件，其中两个部分束之间的相对相移是由这样的事实产生的，即光学透明的折射介质被引入到第一部分束的光程中。这例如包括不同的厚度，使得两个部分束之间的相对相移可通过移动或转动光学元件而被调整。只要光学元件是这样成形的，使得光学元件的输入表面和输出表面总是垂直于第二部分束的光程取向，则可以产生相移，而光学元件不影响第一部分束的光程。因此，如果装置被准确地调整，两个部分束可完全交叠，使得两个部分束在射束叠加元件中的空间相干不会受光学元件调整的影响。因此，可以有针对性地高精度地引导输入激光束至刚好一个输出激光束，或以精确定义的强度分布引导至两个输出激光束。

按照权利要求6，执行器包括压电驱动，其使得能够特别快地调节执行器。因此，即使在输入激光束的高重复率的情形中，也可以在两个光程间的两个连续脉冲之间转换输出激光束的强度。

第二目的是通过用于加工工件的激光加工装置实现的，其特别用于对电路载体钻孔和/或结构化，其包括独立权利要求7的特征。根据本发明的激光加工装置包括用于生成输入激光束的激光光源；按照权利要求1到6中任一条所述的激光束转向装置，用于选择性地将输入激光束引导至第一输出激光束和/或至第二输出激光束；第一偏转单元，被设置在第一输出光程上；以及第二偏转单元，被设置在第二输出光程上。两个偏转单元被设置，以便将两个输出激光束定位至至少一个工件上的规定的目标点上。

按照本发明的激光加工装置使得两个加工区域上的相互材料加工成为可能。在第一输出激光束加工的过程中，第二偏转单元被定位在这样的目标点上，即通过激光束转向装置的转换，第二输出激光束在第一输出激光束加工完成后马上到达该目标点。由于为了转换第一输出激光束的光程和第二输出激光束的光程之间的输出强度，仅要求光学执行器的、输入激光束波长数量级的短距离运动，所以如果将合适的驱动用于光学执行器，就可以实现脉冲激光振荡器的两个连续脉冲之间的射束转换。以该方式，在材料加工中完全消除了非生产时间，该非生产时间是由于偏转单元在不同的相互间隔的目标位置之间的转移运动。

一般地，偏转单元是所谓的Galvo系统，其中可绕相互垂直的轴旋转地设置的两个Galvo反射镜这样移动，使得经由两个Galvo反射镜引导的激光束可被引导到加工区域内的任意目标点上。

附图说明

本发明进一步的优点和特征可从下面优选实施例的示例性描述中看出。

附图中，唯一的图示意地示出激光加工装置，其包括射束转换单元，其中马赫-曾德(Mach Zehnder)干涉仪的两个部分束被相干地叠加，并被选择性地引导到第一输出激光束和/或到第二输出激光束。

具体实施方式

按照所示实施例的激光加工装置包括激光光源105，其发射优选的脉冲输入激光束110，例如在近紫外谱范围内、在可见光谱范围内或在近红外谱范围内。在红外激光束的情形中，特别优选CO₂激光器作为激光光源，在激光光源在可见光谱或近紫外光谱范围内发射时，二极管泵浦(diode-pumped)固态激光器被优选使用，其基本波长借助于激光光源105中安装的非线性晶体以已知的方式通过倍频被转换。

而且，激光加工装置包括相干束转换装置100，其选择性地将输入激光束110引导至第一输出激光束140a的光程和/或至第二输出激光束140b的光程中。相干束转换装置100相对于激光光源105设置，使得输入激光束110入射到射束分裂器115，射束分裂器115将输入激光束110分裂为两个部分束，第一部分束120a和第二部分束120b。两个部分束的强度基本相同。第二部分束120b经固定反射镜121b被引导到另一射束分裂器135。第一部分束120a经可移动反射镜121a也被引导到射束分裂器135。在射束分裂器135，两个部分束120a和120b被相干地叠加，使得根据两个部分束120a和120b之间的相位关系，叠加的激光束被引导到第一输出激光束140a的光程中和/或到第二输出激光束140b的光程中。

将输入激光束110分裂为两个部分束120a和120b以及随后将这两个部分束120a和120b相干地叠加对应于马赫-曾德干涉仪中的射束分裂和射束组合。通过压电驱动装置171移动可移动反射镜121a而改变第一部分束120a的光程中的光路长度，压电驱动装置171和可移动反射镜121a一起表示光学执行器170。光学路径长度的改变自动地改变两个部分束120a和120b之间的相对相位关系，使得作为结果，离开干涉仪的激光辐射在第一输出激光束140a的光程和第二输出激光束140b的光程之间的强度分布可被自由调整。

在当前描述的结构中，两个部分束120a和120b的各部分分别成对平行传播，使得两个输出激光束在经过射束分裂器135后彼此成直角传播，这两个部分束120a和120b在射束分裂器135处相干地叠加。为了能够以简单方式调整整个激光加工装置，第二输出激光束140b被反射到固定反射镜141b上。这使得两个输出激光束140a和140b分别能够以彼此平行的光程分别入射在偏转单元180a和180b上。

在偏转单元180a和180b之后，分别设置光学系统(未示出)，特别是所谓的F-theta光学装置。它们导致由偏转单元180a或180b偏转的输出激光束140a或140b聚焦到工件(也没有示出)的相应目标点上。在这两个激光束中的一个进行材料加工的过程中，依靠第一输出激光束140a和第二输出激光束140b之间的相互激光加工，与另一激光束相关联的偏转单元可以已经被调整到新的第二目标点，如果需要，这个第二目标点与第一目标点隔开。因此，对于另一激光束的进一步激光加工，仅需要改变两个部分束120a和120b之间的相位关系，使得在一个输出激光束加工材料完成之后，这一个输出激光束的强度被减小到零，而另一激光束的强度被提升到最大值。由于为了产生所需的相位偏移，仅需要非常短的移动路径，所以在以一定重复率在几MHz范围内发射激光辐射的脉冲激光器的情况下，可以在两个连续脉冲之间执行转换。

为了确保可移动反射镜121a的精确调整，解耦射束分裂器145a和145b分别设置在两个输出激光束140a和140b的每个中，解耦射束分裂器145a和145b分别引导各输出激光束的小部分强度至光检测器150a和150b。两个光检测器150a和150b是，例如所谓的光电二极管，其供应与入射在光电二极管活性表面上的光强度成比例的输出信号。两个光检测器150a和150b分别经信号线151a和151b耦合到比较器电路160，其中通过模拟电路获得两个光检测器150a和150b之间的输出信号的差。经信号线161，放大器165被连接到比较器电路160的下游，该放大器经另一信号线166耦合到压电驱动装置171。为了能够实现将输入激光束110任意地转换到第一输出激光束140a或第二输出激光束140b，通过放大器165控制压电驱动装置171，使得光检测器150a的检测信号和光检测器150b的检测信号之间的差尽可能地大。如果两个输出激光束中一个的强度变为最大，同时另一输出激光束的强度为最小，优选为零，则这可精确实现。

因此，两个光检测器150a和150b、比较器电路160、放大器电路165和压电驱动装置171以及相应的信号线表示调节回路，其调节将输入激光束110以预定值分到第一输出激光束140a和第二输出激光束140b中。

总之，可得到下面的结论：

包括马赫-曾德干涉仪的相干束转换装置100和用于最优调整两个输出激光束140a和140b强度的调节回路使得能够以简单方式快速并精确地将由激光光源105发射的输入激光束110转移至第一偏转单元180a和/或第二偏转单元180b。马赫-曾德干涉仪包括两个射束分裂器115和135以及两个反射器，固定反射器121b和可移动反射器121a。调节回路包括两个解耦射束分裂器145a和145b、两个光检测器150a和150b、电路160和165以及适当的信号线151a、151b、161和166，还有用于精确移动可移动反射镜121a的驱动装置171。

附图标记列表

100     相干束转换装置

105     激光光源

110     输入激光束

115     射束分裂器

120a    第一部分束

120b    第二部分束

121a    可移动反射镜

121b    固定反射镜

135     射束分裂器

140a    第一输出激光束

140b    第二输出激光束

145a    解耦射束分裂器

145b    解耦射束分裂器

150a    光检测器

150b    光检测器

151a    信号线

151b    信号线

160     比较器电路

161     信号线

165     放大器

166     信号线

170     光学执行器

171     压电驱动装置

180a    偏转单元

180b    偏转单元

Claims (8)

1.一种用于选择性地将输入激光束(110)引导为第一输出激光束(140a)和/或第二输出激光束(140b)的装置，包括：

射束分裂元件(115)，用于空间地将输入激光束(110)分裂为第一部分束(120a)和第二部分束(120b)，

射束叠加元件(135)，用于空间地叠加所述两个部分束(120a，120b)，以及将所述两个部分束(120a，120b)转化为所述第一输出激光束(140a)和/或所述第二输出激光束(140b)，其中所述两个输出激光束(140a，140b)的强度取决于所述射束叠加元件(135)处所述两个部分束(120a，120b)之间的相对相位偏移，以及

光学执行器(170)，其被设置在所述第一部分束(120a)中，并被这样调整，使得所述第一部分束(120a)在所述射束分裂元件(115)和所述射束叠加元件(135)之间的光学路径长度可变。

2.如权利要求1所述的装置，还包括

第一光接收器(150a)，其被光耦合至所述第一输出激光束(140a)，且被耦合至所述执行器(170)，用于调节所述第一输出激光束(140a)的强度。

3.如权利要求1所述的装置，还包括

第二光接收器(150b)，其被光耦合至所述第二输出激光束(140b)，且被耦合至所述执行器(170)，用于调节所述第二输出激光束(140b)的强度。

4.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其中所述执行器(170)包括可机械地调节的反射镜(121a)。

5.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其中所述执行器(170)包括可机械地调节的折射光学元件。

6.如权利要求4所述的装置，其中所述执行器(170)包括压电驱动装置(171)。

7.如权利要求5所述的装置，其中所述执行器(170)包括压电驱动装置(171)。

8.一种用于加工工件的激光加工装置，其特别用于对电路载体钻孔和/或结构化，所述激光加工装置包括：

用于生成输入激光束(110)的激光光源(105)，

按照权利要求1到6中任一项所述的装置(100)，用于选择性地将所述输入激光束(110)引导为第一输出激光束(140a)和/或至第二输出激光束(140b)，

第一偏转单元(180a)，其被设置在所述第一输出光程(140a)中，和

第二偏转单元(180b)，其被设置在所述第二输出光程(140b)中，

其中在至少一个工件上设置所述两个偏转单元(180a，180b)，用于将所述两个输出激光束(140a，140b)定位至规定的目标点。