JP5638054B2 - 材料加工のためのパルス列を生成する方法及びシステム - Google Patents
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Description
上述のように、従来のRF励起CO2レーザは、あるPRFより高い離散的なレーザパルスを生成せず、一般的に、パルス間のエネルギーの不安定性の度合いが高い。したがって、このようなレーザでは、一貫した加工品質を達成できないことがある。更に、ターゲット材料に印加されるエネルギーの全てが熱剥離(thermal ablation)加工における使用のために変換されるわけではない。材料に印加されるエネルギーの供給量と、アブレーションのために用いられるエネルギーとの間の差分は、熱エネルギーとして材料内に部分的に残ることがある。この余分な熱エネルギーは、例えば、過度の溶解、剥離、熱影響部、リキャスト酸化層、過度のデブリ、チッピング及びクラッキングを引き起こすことがある。
安定したレーザパルス列を生成することに加えて、又は他の実施の形態において、AOM(又はEOM等の他の高速スイッチングデバイス)は、レーザ加工品質を向上させるためにレーザパルス列内の1つ以上のパルスを整形する。レーザビームに曝された材料が加熱され、又は材料に固相から液相への相転移が生じると、材料の吸収断面積が変化することがある。レーザビームの1つ以上の特性を調整することによって、より効率的なレーザ/材料の結合(coupling)が実現される。
以下の具体例は、説明の目的だけのために示し、本発明を限定するものではない。図10A及び図10Bは、従来のCW CO2レーザを用いた場合と、AOMによって提供される安定したパルス列を用いた場合とに達成される加工品質の相異を図式的に示している。図10Aは、従来のCW CO2レーザを用いてプラスチック材料に掘られた溝1000を図式的に示している。図10Bは、ある実施の形態に基づき、ここに開示するように、RFトリガによって駆動されるAOMが提供する高い繰返し速度の安定したレーザパルス列を用いてプラスチック材料に掘られた溝1001を図式的に示している。
十分なピークパワーを有さないレーザでは、レーザビームを分割することは、複数のビームパスにビームを供給するための好ましい手法ではない。したがって、一実施の形態では、単一のパルス又はCW CO2レーザから複数の加工ヘッドにレーザビームを供給することによって加工スループットを向上させる。従来の手法では、パルス列内の異なるパルス又は異なるパルスの単一の部分は、異なるビームパスに沿って異なる加工ヘッドに振り分けられる。例えば、図12は、従来のRFパルス励起レーザによって生成された時間的レーザビーム1210について、第1の加工ヘッド(ヘッド1)に振り分けられた第1のパルス1212と、第2の加工ヘッド(ヘッド2)に振り分けられた第2のパルス1214と、ビームダンプに振り分けられた結果的なレーザビーム1216とに関するタイミングチャートを図式的に示している。この図に示すように、第1の加工ヘッドに振り分けられた第1のパルス1212は、レーザビーム1210の第1のパルス1218から時間的に「スライスされ」、第2の加工ヘッドに振り分けられた第2のパルス1214は、レーザビーム1210の第2のパルス1220から時間的にスライスされている。
他の実施の形態においては、ビーム分配/時間整形デバイス(例えば、AOM及び/又はEOM)と共にCW又は準CWレーザを用いて、複数の加工ヘッドに亘ってパルスを分配する。ここに示すシステム及び方法では、従来の手法による複数のビームの供給より速い複数のビームの供給が可能になる。ある実施の形態では、マルチ加工システム(multiple machining system)内のビーム分配/時間整形デバイスの数も低減される。したがって、加工スループットが向上する。
Claims (17)
- 高い繰返し速度で安定したレーザパルス列を生成するレーザ加工システムであって、
レーザパルス列によって材料のターゲット位置を照射するように構成された加工ヘッドと、
連続波(continuous wave:CW)又は準CWレーザビームを生成するように構成されたレーザ光源と、
前記レーザ光源の外部に配置され前記レーザ光源から分離された光学シャッタと、
を備え、
前記光学シャッタは、
前記レーザ光源からCW又は準CWレーザビームを受光し、
制御信号を受信し、
前記制御信号に基づいて前記CW又は準CWレーザビームからレーザパルス列を生成し、
前記レーザパルス列のなかの1以上のレーザパルスを選択的に整形して前記材料に加えられるレーザエネルギー量を制御し、
前記加工ヘッドに前記レーザパルス列を振り分けるように構成されており、
前記選択的に整形する前記レーザパルスの形状は、前記レーザエネルギーと前記材料の結合効率を増加させるように構成されており、
前記整形は、所定の期間、閾値を上回るように前記レーザパルス列のCW成分を変更することを含む、
レーザ加工システム。 - 前記レーザ光源は、無線周波数(radio frequency:RF)パルスレーザを含み、当該システムは、前記RFパルスレーザの励起状態の緩和時間より実質的に速く前記RFパルスレーザを駆動して、前記CW又は準CWレーザビームを生成するRF源を更に備える請求項1記載のシステム。
- 前記RF源は、約80%から約100%の間のデューティサイクルを有するRF信号によってRFパルスレーザを駆動するように更に構成されている請求項2記載のシステム。
- 前記光学シャッタは、音響光学変調器(acousto-optic modulator:AOM)を含み、前記制御信号は、RFトリガを含み、前記AOMは、前記RFトリガの時間的パルス幅及びパルス繰り返し速度に基づいて、前記CW又は準CWレーザビームの複数の時間的な部分を選択して前記加工ヘッドに振り分けることによって、レーザパルス列を生成するように構成されている請求項1記載のシステム。
- 前記パルス繰り返し速度は、約1MHzまでの範囲内にある請求項4記載のシステム。
- 前記AOMは、前記RFトリガのパルス波形に基づいて前記レーザパルス列の1つ以上のパルスを整形するように更に構成されている請求項4記載のシステム。
- 前記整形は、前記レーザパルス列の特定のパルスの時間的パルス幅を変更することを含む請求項6記載のシステム。
- 前記整形は、前記レーザパルス列のデューティサイクルを選択的に調整することを含む請求項6記載のシステム。
- 前記光学シャッタは、電気光学変調器である請求項1記載のシステム。
- レーザ光源を用いて、連続波(continuous wave:CW)又は準CWレーザビームを生成する工程と、
前記レーザ光源の外部において前記レーザ光源から分離して前記CW又は準CWレーザビームの部分を時間的にスライスし、レーザパルス列を生成する工程と、
前記レーザパルス列のなかの1以上のレーザパルスを選択的に整形して前記材料に加えられるレーザエネルギー量を制御する工程と、
前記レーザパルス列を材料のターゲット位置に振り分ける工程と、
を有し、
前記選択的に整形する前記レーザパルスの形状は、前記レーザエネルギーと前記材料の結合効率を増加させるように構成されており、
前記整形は、所定の期間、閾値を上回るように前記レーザパルス列のCW成分を変更することを含む、
レーザ加工方法。 - 前記CW又は準CWレーザビームを生成する工程は、前記レーザの励起状態の緩和時間より実質的に速くパルスレーザを駆動する工程を含む請求項10記載の方法。
- 前記パルスレーザを駆動する工程は、約80%から約100%の間のデューティサイクルを有する無線周波数信号によって前記パルスレーザを駆動する工程を含む請求項11記載の方法。
- 前記CW又は準CWレーザビームの部分を時間的にスライスする工程は、
前記CW又は準CWレーザビームを音響光学変調器(acousto-optic modulator:AOM)に振り分ける工程と、
前記レーザパルス列に対応する時間的幅及びパルス繰り返し速度を有するパルスを含む無線周波数(radio frequency:RF)トリガによって前記AOMを駆動する工程とを含む請求項10記載の方法。 - 前記パルス繰り返し速度は、約1MHzまでの範囲内にある請求項13記載の方法。
- 前記RFトリガ内の1つ以上のパルスを整形することによって、前記レーザパルス列内の1つ以上のパルスを整形する工程を更に有する請求項13記載の方法。
- 前記整形は、前記レーザパルス列の特定のパルスの時間的パルス幅を変更することを含む請求項15記載の方法。
- 前記整形は、前記レーザパルス列のデューティサイクルを選択的に調整することを含む請求項15記載の方法。
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