CN1969433A - 用脉冲激光辐射加工工件的激光源和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括激光谐振器的激光源(110)，激光谐振器的长度可以用光束切换单元(113)改变，使得所发射的激光辐射的脉冲持续时间可以根据相应设置的谐振器长度调整。光束切换单元(113)可以用机械式反光镜系统(213)实现。光束切换单元(113)还可以用光电或声光调制器实现，使得光束切换可以很快执行。这使得谐振器长度的切换甚至在高脉冲重复频率的情况下也可以在两个连续的激光脉冲之间完成。此外，本发明还提供了一种用脉冲激光辐射加工工件(150)的方法，激光束用偏转单元(130)二维偏转后通过成像光学系统(140)投射到工件(150)上。特别是，激光脉冲的脉冲持续时间通过选择在激光谐振器内的光径调整成可以保证对材料的最佳烧蚀。

Description

用脉冲激光辐射加工工件的激光源和方法
本发明涉及激光源，特别是涉及在用脉冲激光辐射对电子电路载体进行钻孔和/或构造电子电路载体的激光加工设备内使用的激光源。此外，本发明还涉及用所述激光源通过脉冲激光辐射对工件进行加工的方法。
现在，以紧凑形态实现的电子组件通常构成在多层电路载体特别是多层印刷电路板上。为此，必须使电路板的一些特定的导电层接触。通常，这是通过在这些要接触的层上钻盲孔或通孔再以已知的方式用导电材料对孔金属化形成镀层来实现的。这样，所形成的电路通路不仅可以是二维的而且还可以是三维的，从而可以大大减小安装电子组件所需的空间。
通常，电子电路的基片通过专用于电子领域的激光加工设备的脉冲激光辐射钻孔。例如，用CO2或固态激光器作为激光源，通过以已知方式执行的频率倍增发射具有可见或近紫外光谱范围内的激光辐射。紫外光谱范围内的激光辐射特别适合精确烧蚀多层印刷电路板的金属层。
取决于需加工的相应材料，钻出的孔的质量主要由所用激光源的激光束的脉冲能量、脉冲宽度、重复频率、横向强度分布这些特性参数确定。因此，对于每个钻孔操作就有大量可能的激光参数组合。
为了能以最佳方式，即以高的加工速度和尽可能高的质量，对材料进行加工，在每种情况下有一组具体的参数是最为适合的。因此，对于不同的材料最好考虑不同的参数组，而通常一个激光源达不到使所有的参数都满足最佳钻孔操作的要求。这个问题可以通过在激光加工设备内按照需加工的相应材料安装不同的激光源来解决。然而，这样改造激光加工设备或使用包括几个不同类型的激光器的激光加工设备是很费时间和不经济的。
本发明的目的是提供一种发射激光脉冲和确保对多种不同材料的最佳材料烧蚀的激光源。此外，本发明的目的是提供用脉冲激光辐射加工工件的对多种不同的材料都可产生最佳材料烧蚀的方法。
涉及设备的目的是用具有独立权利要求1的特征的激光源来实现的。按照本发明设计的激光源包括具有部分反射输出镜和端镜的激光谐振器。此外，该激光源还包括都配置在激光谐振器内的有效激光媒质和光束切换单元。光束切换单元和激光谐振器设置成使得在激光谐振器内所引导的激光束可以在通过第一光径和通过长度与第一光径不同的第二光径之间切换。
本发明基于这样一种认识，可以通过改变谐振器的长度以简单的方式改变所产生的激光脉冲的脉冲宽度和脉冲持续时间，从而可以使脉冲宽度和脉冲持续时间适合各种不同的材料，达到最佳材料烧蚀，即既快又精确。精确材料烧蚀的特征为在经烧蚀的材料的区域与未烧蚀的材料的区域之间有陡峭的空间边界。
脉冲持续时间取决于谐振器长度的物理原因可以简单地解释为光脉冲需要通过有效激光媒质指定次数以降低在有效激光媒质内的反转的行进时间在较大的谐振器长度的情况下相应具有较大的长度。因此，激光脉冲的长度取决于在激光谐振器内部的行进时间。
虽然优选的是本发明的激光源的端镜是反射率尽可能高的反光镜，但应注意的是，端镜也可以是部分反射镜，以便用本发明的激光源产生两个激光束，其中一个激光束从输出镜射出而另一个激光束从部分反射的端镜射出。
此外，应注意的是本发明当然不局限于激光谐振器内部只有两个不同的光径。原则上，按照光束切换单元切换位置的数目，可以存在任意多个长度不同的光径。可以串联地安排几个各具有多个切换位置的光束偏转单元来代替一个具有多个不同的切换位置的光束切换单元。
在按照权利要求2所述的激光源内，为两个光径各设置一个端镜，可以用光束切换单元有选择地激活该端镜。这意味着激光谐振器内部在光束切换单元与输出镜之间的光径不取决于光束切换单元的位置被确定。对于光束切换单元与端镜之间的光径，提供了两个取决于光束切换单元的位置的光径，由光束切换单元相应确定沿这两个光径中究竟哪个光径引导激光谐振器内的激光束。在这种情况下，不仅可以使用两个端镜而且可以使用几个端镜，从而基本上可以由一个具备相应数目的切换位置的光束切换单元激活任意多个不同的光径。
此外，光径的确切长度从而也就是所得到的脉冲持续时间可以通过改变相应端镜的终端位置予以调整。通过移动输出镜，可以类似地改变所有光径的长度。
按照权利要求3所述的激光源包括两个配置在激光谐振器内的光束切换单元。在两个光束切换单元之间配置有光束引导器，光束引导器与两个光束切换单元配合使当前的光径偏移，从而与所谓的零光束的光径相比当前光径被延长。在这里，零光束定义为在激光谐振器内从光束切换单元的特定初始位置而得到的光径。
因此，这样的使激光谐振器的部分区域内的光径偏离零光束的“旁路解决方案”导致使所发射的激光脉冲的脉冲持续时间延长，所延长的脉冲持续时间取决于光束引导器的附加长度。甚至在这种情况下，基本上也可能做到有任意多个“旁路光径”，因此所得到的脉冲持续时间可最佳地适于要加工的多种不同的材料。
在按照权利要求4所述的实施例中，光束引导器包括至少一个反射镜，用来帮助引导偏离零光束的光径的激光束再回到零光束的光径。在这个过程期间，反射镜的空间配置确定了光径的延长程度，使所得到的脉冲持续时间可以通过相应的反射镜空间配置以简单的方式被适配。
在按照权利要求5所述的实施例中，通过两个光束切换单元中的第一光束切换单元，使得在激光谐振器内引导的激光束偏离零光束，并耦合入光波导的第一端。通过光波导后光束从光波导的另一端离开，在两个切换单元处在对称的切换位置时通过两个切换单元中的第二切换单元再传送入零光束的光径。在这里，光波导的长度确定了激光谐振器的光径的延长程度，因此通过比较少的调整就可以获得所需的“旁路光径”。
按照权利要求6，光束切换单元分别包括被可转动支持的反光镜和截光器。用这些器件，就可以通过传统的光学器件的机械运动改变激光谐振器内的光径。通常，对于这种在激光谐振器内各个光径之间的机械切换至少在高重复频率的情况下需要比两个连续激光脉冲之间的时间间隔还要长的时间。因此，不能逐个而只能隔连续多个激光脉冲改变所得到的各个激光脉冲的脉冲持续时间。然而，使用这种机械光束切换单元容易实现，而且对于许多应用来说完全足够，因为材料通常是要用多个连续的脉冲持续时间不变的激光脉冲加工的。
例如，将交替包括透明和反射区域的配置在光径内从而交替地引起透射和反射的被可转动支持的玻璃板作为截光器是适当的。如果使用被可转动支持的反光镜，用可以使反光镜在各个精确限定的角位置之间切换的转动机构是特别合适的。
按照权利要求7所述的实施例包括光电调制器或声光调制器，作为光束切换单元。在光束用光电调制器切换时，调制器实现光束的偏振转动。然后用例如所谓Brewster(布鲁斯特角)窗那样的对偏振灵敏的反射镜执行对经不同偏振的激光束的空间分离。声光调制器例如为CdTe晶体，其通过频率在兆赫范围的机械振荡激励。晶体内在这个过程期间形成的驻波构成投射激光束的衍射光栅。
用光电调制器或声光调制器的光束切换是有益的，因为切换操作可以很快执行，基本上使激光谐振器甚至在激光脉冲重复频率在几千赫的范围内的情况下也可以在两个连续的激光脉冲之间完成在各个光径之间的切换。对一单个激光脉冲这样有效的改变使材料的最佳加工有许多新的可能。例如，可以用多个连续的激光脉冲投射到同一个部位执行材料加工，而每个激光脉冲的脉冲持续时间可以与上一个投射到同一个部位上的激光脉冲的脉冲持续时间不同。
在这里，应注意的是在激光谐振器内所引导的激光束还可以有选择地用串联的几个光束偏转单元偏转到长度不同的多个光径中的一个光径。在这里，可以将几个同样的光束偏转单元也可以将不同类型的光束偏转单元组合在一起。
按照权利要求8所述的实施例，其中有效激光媒质是固态材料，优选的是用通常发射基波波长为1064nm的激光束的Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:YLF激光器来实现。
在按照权利要求9所述的实施例中，有效激光媒质用半导体二极管以光泵浦。优选的是，将这些二极管配置在有效激光媒质的周围，使得在紧凑的结构内可以实现相应的二极管泵浦激光器，特别是二极管泵浦固态激光器。
按照权利要求10，激光源还包括用来执行频率倍增的非线性光媒质。这种非线性光媒质在激光技术内是众所周知的，其可以安置在谐振器内和谐振器外。在以上所提到的这些类型的激光器的基波波长为1064nm的激光器内，可以获得波长为532nm、355nm和266nm的频率倍增辐射。基波波长除以2、3或4的这种频率倍增只是一个例子。因子为5、6或者更大的频率倍增也是可以想象的，特别是用现代的激光系统。频率倍增是有益的，因为可以用简单的方式产生在可见或紫外光谱范围内的特别适合烧蚀诸如铜之类的金属层的激光辐射。
涉及本发明的所基于的方法的目的是用具有独立权利要求11的特征的用脉冲激光辐射加工工件的方法来达到的。在这种创造性的方法中，用激光源产生具有各自特定的脉冲持续时间的激光脉冲的激光束。所产生的激光束用偏转单元二维偏转后，通过成像光学器件投射到工件上的指定目标位置。脉冲持续时间根据工件的材料选择，使得可以保证对材料进行最佳烧蚀。所谓最佳材料烧蚀是指高速而且尽可能精确的材料烧蚀。精确材料烧蚀的结果是在经烧蚀的材料的区域与未烧蚀的材料的区域之间有陡峭的、精确限定的空间边界。最佳脉冲持续时间可以通过在实际激光加工前的一些实验确定，它取决于需加工的相应材料。
按照权利要求12，用按照权利要求1至10中任何一个权利要求所述的激光源来产生脉冲激光束。调整光束切换单元从而将激光谐振器内的激光束的光径，使得工件受到具有相应脉冲持续时间的激光脉冲的照射。因此，可以通过比较容易实现的改变激光谐振器的长度使到需加工的相应材料上的脉冲持续时间最佳化。在电子领域由于电子组件越来越小型化对材料加工的精度的要求是很高的，因此本发明特别适合对电子电路载体进行钻孔或构造电子电路载体。
从以下结合附图对所给出的优选实施例的示范性说明中可以看到本发明的其他优点和特征，在这些附图中：
图1示出了包括激光谐振器内具有不同长度的光径的激光源的激光加工设备；
图2a、2b和2c示出了激光谐振器内不同长度的光径用折叠式反光镜和相应设置的端镜实现的激光源；
图3示出了包括有选择地将激光束导向不同的端镜的光束切换单元的激光源；
图4示出了包括两个光束切换单元的激光源，这两个光束切换单元能将在两个光束切换单元之间的区域内的激光束引导到不同的各配置有一个光波导的光径；
图5示出了包括两个光束切换单元的激光源，这两个光束切换单元能将在两个光束切换单元之间的区域内的激光束引导到不同的各配置有一个反射镜的光径；以及
图6示意性地示出了包括光电调制器和Brewster窗的光束切换单元的结构。
这里应当注意在附图中相互对应的部件的附图标记仅其第一位不同。因此，已经说明的一些部件不再根其它附图再次描述。
图1所示的激光加工设备100包括激光源110，激光源110被设置成发射脉冲输出激光束121。这个光束照射到以常用方式配置的具有被可转动支持的反光镜(所谓Galvo镜)的偏转单元130上。偏转单元130可以对激光束进行二维偏转，使激光束通过成像光学器件140(例如F-θ光学器件)投射到需加工的基片150上。
在这个例子中，如图所示，基片150包括介质层151，它的上、下面分别被金属层152覆盖。金属层152以未示出的方式构成，形成电路通路。为了形成微孔153，借助于跳转运动155使输出激光束121通过偏转单元130的偏转和成像光学器件140的聚焦得到的加工激光束141相应地集中到钻孔位置144上，再在钻孔位置154的区域内使经成像光学器件140调整的光斑F作圆周运动，分别形成微孔。按照给定的状况(基片的材料，孔的深度，激光功率，等等)，使加工激光束141沿一个圆周或几个接连的圆周运动。因此，在这样的称为环钻的钻孔方法中，将激光束141引导成只是沿着孔的边缘运动，从而切掉内侧中心部分。就此，所钻出的孔各大于光斑F。为了形成微孔，还需要使激光束141完成几个半径相同或不同的圆周运动。
本发明所提供的激光源被这样形成，即使得可在输出激光束121内形成脉冲持续时间不同的激光脉冲。这例如是通过将激光源110配置成如下所述来实现的：激光源110包括具有输出镜112以及第一端镜114a、第二端镜114b和第三端镜114c这几个端镜的激光谐振器。激光谐振器内部配置有有效激光媒质111，特别是诸如Nd:YAG或Nd:YVO4之类的固态物质。此外，在激光谐振器内还配置有光束切换单元113，它将激光谐振器内部的光径115任选地转到第一光径115a、第二光径115b和第三光径115c这三个光径中的一个光径。在这个过程期间，分别为光径115a、115b和116c中的一个光径被指配端镜114a、114b和114c中的一个相应端镜。端镜114a、114b和114c分别配置在离光束切换单元113不同的距离上，以便根据光束切换单元113的致动使光径115a、115b和115c中的一个光径激活。
光束切换单元113可以是机械反光镜系统，也可以是可高速电致动的调制器，诸如声光调制器，或特别是光电调制器。光束切换单元的可行配置稍后将结合图6说明。
在这一点上应注意的是，特别是在使用声光调制器作为光束切换单元时，还可以将一个反射镜连接在调制器的下游。在反射镜相对经偏移的光束的光径有一个相应角位置的情况下，所得到的偏移角因此能明显增大，而只用一个调制器可得到偏移角通常是非常小的。因此，即使用声光调制器也能获得在90°范围内的偏移角。
如从图1可看到的那样，光径115a、115b和115c具有不同的长度。因此，取决于光束切换单元113的位置，谐振器的有效长度能调整为3个不同的长度，从而使输出激光束121的脉冲持续时间取决于光束切换单元113的位置。
脉冲持续时间与谐振器的长度的这种相关性可以由激光脉冲要一直持续到有效激光媒质111内的反转已经减小为止这一事实解释。这意味着在有效激光媒质111内所发射的原子或分子大部分返回到它们的基本状态。由于需要光脉冲通过有效媒质111一定的次数以减小反转，不用说光脉冲通过这些次数所需的总时间取决于谐振器的长度。
图2a、2b和2c示出了本发明的另一个实施例，其中光束切换单元通过被可转动支持的反光镜213实现。通过输出镜212发射脉冲输出激光束221的激光源包括固态物质，特别是Nd:YAG或Nd:YVO4，作为有效激光媒质211。在图2a中所示的被可转动支持的反光镜213的第一位置，激光谐振器只由输出镜212和用作第一端镜214a的反光镜213组成。因此，在激光谐振器内激光束只取由用作第一端镜214a的被可转动支持的反光镜213和输出镜212限定的光径。
如果被可转动支持的反光镜213围绕与图面垂直的转动轴顺时针方向倾斜45°，光径215内的激光束由于在反光镜213上的反射被偏向静止的第二端镜214，使得激光谐振器内激光束沿着光径215和215b行进。因此，与图2a所示的谐振器长度相比，谐振器长度延长了光径215b的长度。
将被可转动支持的反光镜213从图2a中所示的反光镜位置开始逆时针转动45°的转角，可以在激光谐振器内得到图2c所示的光径。激光谐振器由输出镜212和离反光镜213比第二端镜214b的远的第三端镜214c形成。因此，所得到的谐振器长度由光径215的长度和第三光径215c的长度组成。
由于改变被可转动支持的反光镜213的角位置的变化和相对反光镜213相应配置了第二端镜214b和第三端镜214c，因此就能以简单的方式改变激光源210的谐振器长度，从而可以将所得到的输出激光束221的激光脉冲的脉冲持续时间最佳地调整到适合要加工的相应材料。
图3所示的实施例与图2a、2b和2c所示的实施例不同之处在于配置了可以电致动的光束切换单元313来代替被可转动支持的反光镜213a。它将在光束切换单元313与输出镜212之间的光径315任选地转接至四个分别标为附图标记315a、315b、315c和315d的光径中的一个光径。为每个光径315a、315b、315c和315d分别配置一个端镜314a、314b、314c和314d，这四个端镜配置在离光束切换单元213不同的距离处。
图4所示的激光源410与激光源310不同之处在于只配置了一个端镜414，端镜414与输出镜412一起形成激光源410的激光谐振器。除了有效激光媒质411之外，在激光谐振器内配置了第一光束切换单元413a、第二光束切换单元413b这两个光束切换单元。如果两个光束切换单元413a、413b被相应致动，激光谐振器内所引导的激光束就可选择地在四个分别标为附图标记415a、415b、415c和415d的光径中的一个光径上行进。光径415b、415c和415d分别经过长度相互不同的光波导416b、416c和416d行进。因此，取决于两个光束切换单元413a和413b的始终相互对称切换的位置，就可以改变所得到的激光源410的谐振器长度，从而可以将输出激光束421的激光脉冲的脉冲持续时间最佳地调整到适合需加工的相应材料。
图5所示的激光源510与激光源410不同之处在于配置了静止的反光镜517b、517c和517d分别代替三个光波导416b、416c和416d。如果两个光束切换单元513a和513b被对称致动，就可以将在激光谐振器内的激光束有选择地引导至光径515a或经偏转的光径515b、515c或515d。
图6示出了包括光电调制器660和Brewster窗663的光束切换单元613的结构。入射激光束615被线性偏振。通过用控制单元(未示出)相应致动光电调制器660，离开调制器660的激光束662的偏振方向可以沿着转动方向661改变，使得激光束662在光电调制器660的第一位置平行于图面而在第二位置垂直于图面被偏振。
Brewster窗663以所属技术领域的专业人员所熟悉的Brewster几何结构配置在激光束662的光径内，使得在光电调制器660的第一位置激光束662以由Brewster窗663的厚度和折射率确定的平行偏移转至光径615b。在光电调制器660的第二位置将垂直于图面偏振的激光束662转至光径615a。通过相应致动光电调制器660因此就能有选择地将输入激光束615相应转至两个光径615a和615b中的一个光径。
当然，为了有选择性地将光束转至多于两个的输出光径，可以将几个光束切换单元613以级联形式串联连接。
在这一点上应注意的是，如果在光束切换单元内使用声光调制器，偏转角度通常是非常小的，因此不附加使用相应配置的偏转反射镜，谐振器长度的改变是很有限的。通过使用几个平行配置的反射镜使得各偏移的激光束可以在这些反光镜之间来回反射若干次，从而可以以有益的方式使长度得到大的改变。这样，就可以在一个很紧凑的光学结构内使所得到的谐振器长度有相当大的改变。
概括地说，可以看到：
本发明提供了一种包括激光谐振器的激光源110，激光谐振器的长度可以用光束切换单元113改变，使得所发射的激光辐射的脉冲持续时间可以根据相应设置的谐振器长度调整。光束切换单元113可以用机械式反光镜系统213实现。光束切换单元113还可以用光电或声光调制器实现，使得光束切换可以很快执行。这使得谐振器长度的切换甚至在高脉冲重复频率的情况下也可以在两个连续的激光脉冲之间完成。此外，本发明还提供了一种用脉冲激光辐射加工工件150的方法，激光束通过偏转单元130被二维偏转，并通过成像光学系统140投射到工件150上。特别是，激光脉冲的脉冲持续时间通过选择在激光谐振器内的光径被调整使得可以保证对材料的最佳烧蚀。

Claims (12)

1.一种激光源，特别是用于用脉冲激光辐射对电子电路载体钻孔和/或构造电子电路载体的激光加工设备的激光源，所述激光源包括
·包括部分反射的输出镜(112)和端镜(114a，114b，114c)的激光谐振器，
·配置在所述激光谐振器内的有效激光媒质(111)，以及
·也配置在所述激光谐振器内的光束切换单元(113)，
其中所述光束切换单元(113)和所述激光谐振器被设置，使得在所述激光谐振器内所引导的激光束可以在第一光径(115a)和第二光径(115b)之间转接，与所述第一光径(115a)相比所述第二光径(115b)的长度不同。
2.按照权利要求1所述的激光源，其中
所述激光谐振器包括第一端镜(114a)和第二端镜(114b)，所述第一端镜(114a)和第二端镜(114b)相对所述光束切换单元(113)被配置，使得
·所述第一光径(115，115a)在所述输出镜(112)与所述第一端镜(114a)之间行进，以及
·所述第二光径(115，115b)在所述输出镜(112)与所述第二端镜(114b)之间行进。
3.按照权利要求1所述的激光源，其中
·所述光束切换单元包括配置在所述激光谐振器内的第一光束切换单元(413a)和第二光束切换单元(413b)，以及
·其中还配置了光束引导器(415b，415c，415d)，所述光束引导器(415b，415c，415d)相对两个光束切换单元(413a，413b)被配置，使得在所述两个光束切换单元(413a，413b)被相应设置时，在所述输出镜(412)与所述端镜(414)之间引导的激光束被引导通过所述光束引导器(415b，415c，415d)。
4.按照权利要求3所述的激光源，其中所述光束引导器包括至少一个反射镜(517b，517c，517d)。
5.按照权利要求3至4中任何一个权利要求所述的激光源，其中所述光束引导器包括至少一个光波导(416b，416c，416d)。
6.按照权利要求1至5中任何一个权利要求所述的激光源，其中所述光束切换单元至少包括
·被可转动支持的反光镜(213)，和/或
·截光器。
7.按照权利要求1至6中任何一个权利要求所述的激光源，其中所述光束切换单元包括
·光电调制器(660)，和/或
·声光调制器。
8.按照权利要求1至7中任何一个权利要求所述的激光源，其中所述有效激光媒质处于固态(111)。
9.按照权利要求1至8中任何一个权利要求所述的激光源，其中配置了至少一个半导体二极管，用来泵浦所述有效激光媒质(111)。
10.按照权利要求1至9中任何一个权利要求所述的激光源，其中还配置了非线性光媒质，用来执行频率倍增。
11.一种用脉冲激光辐射加工工件特别是对电子电路载体钻孔和构造电子电路载体的方法，其中
·激光束(121)通过激光源被产生，所述激光束(121)具有相应确定的脉冲持续时间的激光脉冲，以及
·所述激光束(121)通过偏转单元(130)被二维偏转，并经成像光学器件(140)引到所述工件(150)上的预定目标位置，
所述脉冲持续时间根据所述工件(150)的材料被选择，使得确保最佳材料烧蚀。
12.按照权利要求11所述的方法，其中
所述激光束(121)通过按照权利要求1至10中任何一个权利要求所述的激光源(110)产生，以及
在所述激光谐振器内，所述光束切换单元(113)并且从而激光束的光径(115，115a，115b，115c)被调整，使得所述工件(150)受到相应脉冲持续时间的激光脉冲的照射。
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