TW201301695A - 脈衝式雷射波形回饋控制裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係一種脈衝式雷射波形回饋控制裝置，係包含有一雷射共振腔、一檢測件組及一分析暨控制器；其中該雷射共振腔係用以週期性發出一雷射光，該檢測件組係用以分析該雷射光並輸出一雷射光模態資料，該分析暨控制器係電連接至該檢測件組並接收雷射光模態資料，以取得雷射能量分布模態，判斷本週期的雷射能量分布中雷射光功率衰減至功率臨界值的時間點，於下個週期相同時間點產生一能量裁截脈波，使該雷射光功率低於至功率衰減臨界值後可加速衰減，以裁截該雷射光中不必要的能量，提高雷射加工之精密度，減少不良品產生。

Description

脈衝式雷射波形回饋控制裝置

本發明係關於一種雷射裝置，尤指一種脈衝式雷射波形回饋控制裝置，係可監控雷射光的能量分布，並於能量分布集中度不足時自動改善提高雷射光能量集中度。

雷射加工技術係為現今產業界常用於在各種元件上形成穿孔、凹槽等的加工技術，由於雷射加工技術的精密度遠高於一般銑削、鑽孔的加工技術，因此被廣泛用於精密度高的產業(如半導體產業)，然而隨著科技發展，各種精密產業的產品體積越來越小，使得雷射加工的精密度成為各種精密產業的一項重要考量。

而現有一種脈衝式雷射裝置係如圖6所示，其包含有：一雷射共振腔50，係於接收外部之雷射能量增益後激發出一雷射光51，且設置有一品質因素開關52，且該品質因素開關係具有一輸入端，並依據輸入端的輸入準位高低決定該雷射共振腔內能量耗損的高低；一脈衝驅動器60，係電連接至該雷射共振腔的品質因素開關52，並輸出一驅動訊號，該驅動訊號各週期係產生一脈波61。

以下簡述上述脈衝式雷射裝置的運作原理，請進一步參閱圖7A，當該脈衝驅動器輸出脈波61時，該雷射共振腔能量耗損轉為高耗損，雷射共振腔內的雷射能量增益便無法激發出該雷射光，雷射能量增益會儲存在該雷射共振腔50內，而於脈波61結束後，會使該雷射共振腔50的能量耗損降低，經過一段時間後即可激發出該雷射光51。

又，誠如圖7B所示，係以雷射光模態資料呈現的雷射光能量分佈圖，由圖中可知，雷射光能量上升的速度快，但是到達到功率峰值之後的功率衰減卻相對減緩，使得雷射光的能量分布不集中，將直接影響到雷射加工的精密度，且當該雷射光能量衰減低於一功率臨界值E₀後，將會以熱的形式釋放在加工品上，而造成熱效應影響加工品的良率。

有鑑於上述技術缺陷，中華民國公告第M404532號新型專利揭示一種可監側雷射加工的精密度的雷射狀態即時監控裝置，該裝置主要係使該雷射光通過一檢測件組，以對該雷射光微量分光後進行檢測，以檢測出該雷射光能量分布的情形，並於檢測出的雷射光能量分布不夠集中時，以一雷射主控裝置停止雷射器或雷射控振腔發出雷射光，避免製作出不良品；然而，上述雷射狀態即時監控裝置僅能於雷射光集中度不足時消極地停止發出該雷射光，並無法改善雷射光能量的集中度，對於提高雷射加工的精密度無任何幫助，因此，為因應各種產業精密化的產業發展，此種雷射裝置實有需要改良之。

有鑑於上述現有雷射裝置之技術缺陷，本發明的主要目的係提出一種脈衝式雷射波形回饋控制裝置。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該脈衝式雷射波形回饋控制裝置包含有：一雷射共振腔，係於接收外部之雷射能量增益後激發出一雷射光，且設置有一品質因素開關，且該品質因素開關係具有一輸入端，並依據輸入端的輸入準位高低決定該雷射共振腔內能量耗損的高低；一檢測件組，係設於該雷射光的光學路徑上，並檢測出該雷射光的能量分布模態，輸出一雷射光模態資料；一分析暨控制器，係電連接至該雷射共振腔的品質因素開關及該檢測件組，且輸出一驅動訊號予該品質因素開關，該分析暨控制器接收雷射光模態資料，並在雷射光模態資料對應的雷射光的能量分布模態中，取得雷射光在對應驅動訊號週期時間內，其能量衰減低於功率臨界值的時間點，作為預估下一個週期雷射光能量衰減至功率臨界值之時間點，並在下個週期對應該時間點輸出一高準位的能量裁截脈波予該品質因素開關，使該雷射共振腔轉為高耗損，快速消耗該雷射光的能量。

本發明的分析暨控制器會分析雷射光模態能量分布，以取得能量分布中功率衰減至功率臨界值的時間點，即可對應於該雷射光下個週期能量衰減至功率臨界值的時間點輸出一個能量裁截脈波，使雷射共振腔快速耗損該雷射光的能量功率，如此，即可令該雷射光能量低於功率臨界值後快速衰減，使能量分布集中，提高加工精密度，亦能避免熱效應的產生，提升加工品的良率。

請參閱圖1及圖2，本發明脈衝式雷射波形回饋控制裝置係包含有：一雷射共振腔10，係於接收外部之雷射能量增益後激發出一雷射光11，且設置有一品質因素開關12，且該品質因素開關12係具有一輸入端，並依據輸入端的輸入準位高低決定該雷射共振腔10內能量耗損的高低；一檢測件組20，係設於該雷射光11的光學路徑上，並檢測出該雷射光11的能量分布模態，輸出一雷射光模態資料；一分析暨控制器30，係電連接至該雷射共振腔10的品質因素開關11及該檢測件組20，且輸出一驅動訊號予該品質因素開關11，且該驅動訊號各週期係產生一脈波31，又，該分析暨控制器30接收雷射光模態資料，並在雷射光模態資料對應的雷射光的能量分布模態中，取得雷射光在對應驅動訊號週期時間內，其能量衰減低於功率臨界值E₀的時間點，作為預估下一個週期雷射光能量衰減至功率臨界值E₀之時間點，並在下個週期對應該時間點輸出一高準位的能量裁截脈波32予該品質因素開關12，使該雷射共振腔10轉為高耗損，快速消耗該雷射光11的能量，於本實施例中，該分析暨控制器30係執行如圖3所示之步驟：連續接收驅動訊號之複數週期所產生雷射光模態資料S11，並取得各雷射光11的能量分布模態；分析該複數雷射光的能量分布模態S12；係計算各週期脈波31結束時t₀與其雷射光的能量分布模態功率峰值出現時t₁之時間差，並取複數時間差的平均值作為一發起時間t_D；及計算各雷射光的能量分布模態之功率峰值t₁及其功率臨界值E₀所出現時間t₂之時間差，並取其平均後作為一延遲時間t_delay；計算一等待時間t_w，係將發起時間t_D與延遲時間t_delay予以加總後，於下一週期脈波結束後計數該等待時間t_w，並於等待時間t_w到達後，產生並輸出一能量裁截脈波32(S13)予該品質因素開關12，使該雷射共振腔10轉為高耗損，致雷射光11能量快速衰減，於本實施例中，可令該等待時間進一步減去該能量裁截脈波32上升緣所需的上升時間t_RQ以及驅動訊號傳輸至該品質因素開關12所需的傳輸時間t_ETD，即(t_D+t_delay)-(t_RQ+t_ETD)，可令該能量裁截脈波32提早輸出，使其到達該品質因素開關12時，高準位的起始點恰精準對準該雷射光11能量的功率臨界點E₀，而該上升時間t_RQ及該傳輸時間t_ETD可於出廠時檢測得知，又或可如圖5所示，該等待時間t_w又進一步扣掉分析暨控制器30計算等待時間之步驟所需之計算時間t_sd，即(t_D+t_delay)-(t_RQ+t_ETD)-t_sd，如此，可再進一步排除分析暨控制器30因執行計算等待時間之步驟所需時間造成的時間誤差，該計算所需時間t_sd亦可於出廠時檢測得知。

本發明於使用時，當該分析暨控制器30連續接收驅動訊號之複數週期所產生雷射光模態資料，即會以計算平均值的方式計算出一發起時間t_D，用以預估下一個週期的雷射光功率峰值出現的時間點，以及一延遲時間t_delay，用以預估下個週期雷射光能量拉升至功率峰值後隔多久會衰減至功率臨界值E₀；並依據發起時間t_D及延遲時間產生t_delay之總合，作為預估下個週期的雷射光衰減至功率臨界值E₀之時間點，並對應該時間點輸出輸出一能量裁截脈波32，使該能量裁截脈波32能對應於該雷射光衰減至功率臨界值E₀後使該雷射共振腔10轉為高耗損，令該雷射光能量快速衰減，即可去除雷射光低於功率臨界值E₀的能量，提高雷射加工的精密度，亦避免對加工品造成不良的熱效應影響；又，本發明又進一步考量該能量裁截脈波32上升緣所需的上升時間t_RQ，以及驅動訊號自分析暨控制器30傳輸至品質因素開關12所需的傳輸時間t_ETD，故進一步提早輸出該能量裁截脈波32，使該能量裁截脈波32高準位到達雷射共振腔10之時間更精準化；除此之外，本發明亦考量分析暨控制器30因運算所需時間造成的時間誤差，可再進一步使輸出的能量裁截脈波32到達時間的精準度再更提高。

綜上所述，本發明主要係檢測該雷射共振腔所發射出的雷射光能量分布後，預估雷射光衰減至功率臨界值所需時間，以對應該雷射光衰減至功率臨界值時產生一能量裁截脈波，使雷射共振腔快速消耗雷射光能量，使雷射光的能量集中度提高，進而提高雷射加工的精密度，亦可避免對產品產生熱效應，提高加工良率。

10．．．雷射共振腔

11．．．雷射光

12．．．品質因素開關

20．．．檢測件組

30．．．分析暨控制器

31．．．脈波

32．．．能量裁截脈波

50．．．雷射共振腔

51．．．雷射光

52．．．品質因素開關

60．．．脈衝驅動器

61．．．脈波

圖1：為本發明之電路方塊圖。

圖2：為本發明分析暨控制器發出之驅動訊號對應雷射能量分布波形圖。

圖3：為本發明分析暨控制器動作流程圖。

圖4：為本發明分析暨控制器發出之另一驅動訊號對應雷射能量分布波形圖。

圖5：為本發明分析暨控制器發出之又一驅動訊號對應雷射能量分布波形圖。

圖6：為既有脈衝式雷射裝置電路方塊圖。

圖7A：為圖6脈衝驅動器發出之驅動訊號波形圖。

圖7B：為對應圖7A驅動訊號之雷射能量分布波形圖。

10．．．雷射共振腔

11．．．雷射光

12．．．品質因素開關

20．．．檢測件組

30．．．分析暨控制器

Claims (4)

1. 一種脈衝式雷射波形回饋控制裝置，係包含有：一雷射共振腔，係於接收外部之雷射能量增益後激發出一雷射光，且設置有一品質因素開關，且該品質因素開關係具有一輸入端，並依據輸入端的輸入準位高低決定該雷射共振腔內能量耗損的高低；一檢測件組，係設於該雷射光的光學路徑上，並檢測出該雷射光的能量分布模態，輸出一雷射光模態資料；一分析暨控制器，係電連接至該雷射共振腔的品質因素開關及該檢測件組，且輸出一驅動訊號予該品質因素開關，該分析暨控制器接收雷射光模態資料，並在雷射光模態資料對應的雷射光的能量分布模態中，取得雷射光在對應驅動訊號週期時間內，其能量衰減低於功率臨界值的時間點，作為預估下一個週期雷射光能量衰減至功率臨界值之時間點，並在下個週期對應該時間點輸出一高準位的能量裁截脈波予該品質因素開關，使該雷射共振腔轉為高耗損，快速消耗該雷射光的能量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝式雷射波形回饋控制裝置，該分析暨控制器於接收雷射光模態資料，並計算該驅動訊號各週期所產生的雷射光能量衰減至功率臨界值的時間點係包含以下步驟：連續接收驅動訊號之複數週期所產生雷射光模態資料，並取得各雷射光的能量分布模態；分析該複數雷射光的能量分布模態；係計算各週期脈波結束時與其雷射光的能量分布模態功率峰值出現時之時間差，並取複數時間差的平均值作為一發起時間；及計算各雷射光的能量分布模態之功率峰值及其功率臨界值所出現時間之時間差，並取其平均後作為一延遲時間；計算一等待時間，係將發起時間與延遲時間予以加總後，作為下一週期的脈波結束後計數該等待時間，並於等待時間到達後，產生並輸出一能量裁截脈波予該品質因素開關。
3. 如申請專利範圍第2項所述之脈衝式雷射波形回饋控制裝置，該等待時間係進一步減去該能量裁截脈波上升緣的上升時間以及驅動訊號傳輸至該品質因素開關所需的傳輸時間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之脈衝式雷射波形回饋控制裝置，該等待時間進一步減去該分析暨控制器計算等待時間之步驟所需之計算時間。