TW201513958A - 以脈衝雷射光束加工工件的方法及雷射裝置 - Google Patents
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Abstract
一種以脈衝雷射光束(L)加工工件(12)的方法及雷射裝置，其特徵為其中在加工期間，在一個雷射脈衝期間及/或至少兩個在工件(12)上至少部分彼此重疊的雷射脈衝之間，光譜相位的橫向分佈是以非線性的方式變化。
Description
本發明涉及以脈衝雷射光束加工工件的方法及雷射裝置。
DE 103 33 770 A1提出一種以脈衝雷射光束加工工件的方法。
以脈衝雷射光束加工工件時，如果雷射光束的雷射脈衝的脈衝接續時間小於20ps，尤其是位於飛秒(femto-second)範圍，則會出現以較長的雷射脈衝加工時不會觀察到的現象。如果以這種超短的雷射脈衝進行剝蝕材料的工作，一種可能發生的現象是在工件的加工表面產生所謂的奈米波紋的結構，其中波紋之間的距離大約與所使用的波長相當。產生這種結構的原因是入射輻射及出射輻射之間的干涉，以及與固體的交互作用。入射輻射首先與固體內的電子發生交互作用，使靠近表面的電子發生密度變動(電漿-偏極子交互作用)。反射的輻射部分可能會因為以這種方式激發的密度變動而被進一步調制。這導致一個橫向改變的吸收，以及一個橫向改變的相位波前(phrase front)。與此相應的，雷射輻射可能具有一個橫向干涉圖案。如果使用的雷射脈衝的脈衝接續時間小於20ps，而且持續將雷射光束導引到加工表
面，就會發生這種效應，這是因為雷射光束在一般或現有技術可實現的進給速度下會被移動一段明顯小於雷射光束之波長的距離。
此外，從M.Zukamoto et al.,Journal of physics：Conference Series 59(2007),S.666-669可以得知：這種現象會持續出現，且如果有多個這種高相干的雷射脈衝在很短的距離及很短的時間間隔內彼此重疊，例如在進行表面結構形成、切割及鑽孔等加工時，則可能對表面品質造成負面影響。結果證明只要是個別的雷射脈衝未精確的出現在同一個位置，就會形成這樣的結構。造成這個結果的原因是，第一個脈衝形成的結構會改變下一個脈衝的橫向吸收，並因為與部分擴散之反射輻射的干涉(因不同的結構及脈衝通過改變的電漿-偏極子交互作用導致連續的脈衝之間橫向改變的吸收，以及脈衝內的斑點形成)，使入射輻射形成的斑點變大。此種結構會以這種方式繼續顯現在工件上。
本發明的目的是提出一種以脈衝雷射光束加工工件的方法，這種方法可以有效防止像是微結構的出現，或根據需要的加工結果影響微結構的出現。此外，本發明的另一個目是提出一種以這種方法工作的雷射裝置。
採用具有請求項1之特徵的方法即可達到上述目的。根據這些特徵，在加工工件期間，在單一個雷射脈衝期間及/或至少兩個在工件上至少部分彼此重疊
的雷射脈衝之間，光譜相位的橫向分佈是以非線性的方式變化。
根據本發明，在單一個雷射脈衝期間會發生光譜相位之橫向分佈的改變，或是另外會改變(或僅會改變)接下來在工件上至少部分彼此重疊的雷射脈衝的光譜相位的橫向分佈，因此雖然在單一個雷射脈衝內這個橫向分佈並未發生改變，但可以確定的是，並非所有用於加工且在工件上彼此重疊的雷射脈衝的光譜相位都具有相同的橫向分佈。在第二種情況下，並非所有至少部分彼此重疊的雷射脈衝的光譜相位的橫向分佈都一定要不一樣。原則上兩個或多個至少部分彼此重疊的雷射分佈的光譜相位可以具有相同的橫向分佈，但前提是加工處理是有多個雷射脈衝至少部分彼此重疊，例如衝擊鑽孔的情況。但原則上以彼此重疊程度很大的在時間上接在一起的雷射脈衝進行衝擊鑽孔或雷射加工是特別有利的，當然前提是光譜相位的橫向分佈在兩個前後連在一起且彼此重疊的雷射脈衝之間有發生改變。在以多路(multipass)法(多個至少部分彼此重疊的路徑)剝蝕材料時，在一個路徑上前後連在一起的雷射脈衝也會彼此重疊。但是在這種情況下，原則上一個路徑的所有雷射脈衝的光譜相位具有相同的橫向分佈，只有在改變路徑時會改變，而且也不是每一次改變路徑都一定會改變橫向分佈。
本發明的基本構想是，光譜相位的橫向分佈或超短雷射脈衝的相位譜會影響一個脈衝的入射與反射
雷射光束或雷射光束部分的相干性，進而影響微結構或奈米波紋的出現及形狀。與此相應的，光是一個雷射脈衝在脈衝-或接續時間內光譜相位的改變，就可能對這種奈米波紋的出現及形狀造成影響。此外，如果加上至少在至少部分彼此重疊且前後連在一起的雷射脈衝之間的光譜相位的橫向分佈的非線性變化，尤其是在所謂的多路法中，可以在很大程度上避免出現Zukamoto et al.描述及因累積效應產生的不利的結構。透過這種方式，可以達到高品質的剝蝕結果，以及完美符合各種應用要求的表面特性，例如配合應用需求達到或大或小的表面粗糙度。
例如，這樣的調整可以透過改變脈衝能量或是透過選擇位於光程上並與雷射光束非線性交互作用的光學介質獲得實現，以便在規定的處理參數下，根據要從事的應用產生所需要的表面品質。此外，這樣的調整也可以透過將光學成分加入光程獲得實現，其中光學成分可以對一個雷射脈衝內或前後連在一起的雷射脈衝之間的非線性光譜相位的橫向分佈造成特定且可控制的影響，例如在與雷射光束產生非線性交互作用的光學介質之前加寬或縮窄雷射光束，及/或使用可以在橫向(也就是垂直於光束軸)上調整並具有可橫向變化之非線性折射率的光學介質。
透過改變B積分的橫向分佈，使光譜相位的橫向分佈發生改變，可以特別地減少這種奈米波紋的出現。
B積分或B積分值的定義如下：
其中z代表雷射光束沿著光束軸(中心軸)走過的距離，I代表雷射光束的峰值強度，這個值是由雷射光束沿著光束軸走過的距離z及雷射光束與光束軸的橫向距離r決定，n2代表克爾係數或擴射率的非線性部分(以下簡稱為非線性折射率)，n2通常也是由z及r決定。在雷射光束通過光學介質後沿著路徑z行走一段距離後，雷射光束在一個橫向點r上的B積分值與其走過的距離及峰值強度成正比。因此B積分是雷射脈衝與光學介質之非線性交互作用的一個指標，同時也是累積的自相位調制的一個指標。由於在光束截面的一個點上的脈衝接續時間及脈衝形式與這個點上的光譜相位有關，因此橫向變化的B積分相當於一個在光束截面上變化的脈衝接續時間及脈衝形式。
例如，為了縮小光譜相位與強度有關的調制，美國專利6,141,342提出一種措施，以便在整個光束截面上達到一個最小且盡可能固定不變的B積分。其建議的作法是在雷射的光程上設置一種非線性折射率為負的半導體材料，以產生一個負的B積分，並以一個設置在光程上的雷射放大器產生的正的B積分將負的B積分抵銷掉。
本發明提出一種不同於這個美國專利建議的措施，目的是將B積分調整為彼此在光束截面上有不同的值，以透過這種方式影響入射及反射雷射光束的相干
性，以及透過對許多帶有徑向及時間變化的B積分的輻射取平均的措施，減低出現在表面上的結構反差。
根據本方法的一種有利的實施方式，使用雷射脈衝的脈衝接續時間小於20ps的雷射光束，並將雷射脈衝的光譜相位調整為使雷射脈衝的B積分在撞擊到工件上時發生垂直於光束軸的變化，也就是說不會是固定不變的，且其值在-50rad至+50rad之間，其中尤其是脈衝接續時間小於10ps，B積分的值在-20rad至+20rad之間，脈衝接續時間小於2ps，B積分的值在-5rad至+5rad之間。
透過對B積分的這種調整，可以在很大程度上避免奈米波紋，或減少其形成，因為在這種情況下，雷射輻射的相干性會受到影響，同時會因為對許多帶有不同的徑向及時間變化之光譜相位的脈衝取平均的措施，而減少結構形成。
尤其是在進行衝擊鑽孔時，前後連在一起的雷射脈衝的光譜相位的橫向分佈會發生變化，原則上所有雷射脈衝的光譜相位的橫向分佈都有可能是不一樣的，也就是說，每一個雷射脈衝都可能具有不同的光譜相位的橫向分佈。
在以多路法進行雷射剝蝕的過程中，雷射光束多次沿著彼此重疊的路徑移動，則只要使光譜相位的橫向分佈僅在更換路徑時發生變化即可，這樣就可以用雷射脈衝形成每一個路徑，其中雷射脈衝在這個路徑內具有相同的光譜相位的橫向分佈。
此外，還可以進一步減少出現不利的表面結構的機率，那就是進一步改變雷射脈衝的彼此重疊。
一種有利的實施方式是在至少一個與雷射光束產生非線性交互作用的光學介質之前加寬或縮窄雷射光束，以達到這樣的調整。
在雷射裝置的部分，採用具有請求項10之特徵的雷射裝置即可達到本發明的目的。透過設置一個適當的裝置，尤其是一個可控制的光束成形裝置，以改變雷射脈衝之光譜相位的橫向分佈，即可根據特定的應用需求優化加工處理。
這個產生非線性變化的裝置還具有一種可以垂直於光束軸移動的光學介質，而且此種光學介質具有橫向變化的非線性折射率，此外這個裝置還具有在與雷射光束產生非線性交互作用的光學介質之前使雷射光束加寬或縮窄的光學成分，以及具有一個相應的控制單元，其作用是控制脈衝能量或峰值強度，及/或具有光學介質，其非線性折射率會垂直於光束軸變化，例如透過摻雜使折射率發生變化。當然，根據其他的實施方式，也可以將上述裝置組合在一起。
附屬於請求項10的附屬項的內容為雷射裝置的其他有利的配置方式。
2‧‧‧雷射光束源
4‧‧‧拉伸器
6‧‧‧雷射放大器
8‧‧‧光學壓縮器
10‧‧‧聚焦-光束成形及轉向單元
12‧‧‧工件
14‧‧‧控制單元
16，18‧‧‧幫浦源
20‧‧‧脈衝拾取器
22，24‧‧‧光學介質
30‧‧‧光束成形裝置
31‧‧‧延遲板
L‧‧‧雷射光束
以下配合圖式中的實施例對本發明的內容做進一步的說明。其中：
第1圖至第3圖：執行本發明之方法用的雷射裝置的示意圖。
根據第1圖，本發明的雷射裝置具有一個雷射光束源2，其作用是產生脈衝雷射光束L，其中雷射光束L是由在時間上前後連在一起的超短雷射脈衝所構成。為了避免光譜相位不受控制或發生過強的非線性調制，或是避免位於傳輸鏈上的光學成分發生光學破壞，從雷射光束源2發出的雷射脈衝被一個拉伸器(延伸器)4在時間範圍內被加寬，透過將雷射脈衝放大可以使雷射脈衝內的最大強度變小。這個拉伸器4可以是一個自由射束網格裝置，或是一個由其他擴散光學元件構成的裝置。以這種方式在時間上被拉長的雷射脈衝在一個雷射放大器6內被放大。接著放大的雷射脈衝進入光學壓縮器8在時間範圍內被壓縮，以產生脈衝接續時間小於20ps、小於10ps、或最好是小於2ps的雷射脈衝。接著將以這種方式產生的雷射脈衝導引到一個聚焦-光束成形及轉向單元10，在圖式中是以一個透鏡代表這個聚焦-光束成形及轉向單元。以這種方式聚焦的雷射脈衝撞到工件12，並在該處與很小的輸入的熱能共同作用，將材料蒸發，以達到剝蝕材料的目的，而且不會在工件上形成值得一提的熔化區。
由於脈衝接續時間很短，以及為達到剝蝕目的每一雷射脈衝所需的能量輸入可能達數百nJ至數mJ(視應用目的而定，例如在微米範圍的精密加工)，因
此雷射脈衝的峰值強度非常高，在這個峰值強度雷射光束能夠與位於傳輸鏈上的光學介質產生非線性交互作用，以產生光譜相位的非線性調制，也就是說產生雷射光束脈衝的相位譜的非線性調制。光譜相位的非線性調制的程度與雷射脈衝的峰值強度有關，且可以透過改變峰值強度影響光譜相位的非線性調制的程度。
為了改變峰值強度，且相應地改變光譜相位，具有一個控制單元14，其作用是控制雷射光束源2及雷射放大器6使用之幫浦源16、18的光學幫浦，以及控制設置在雷射放大器6之前的脈衝拾取器20及拉伸器4。視雷射放大器6使用的放大介質而定，理論上光束截面可能在放大介質內發生變化。通常是透過控制配屬於雷射放大器6之幫浦源18的幫浦功率，以及控制脈衝拾取器20，以改變及調制脈衝能量及峰值強度。透過控制或調整脈衝能量或峰值強度，可以一次性的使非線性光譜相位之橫向分佈的變化與所要達到的處理結果或處理目的配合，或是對不同的雷射脈衝進行不同的調整，以避免前面提及的在執行多路法或衝擊鑽孔時出現並導致微結構形成的累積效應。此外，控制單元14還可以控制聚焦-光束成形-及轉向單元10，以改變撞擊到同一個位置的雷射脈衝的重疊。
根據第2圖的實施例，在傳輸路徑上，例如在拉伸器4之前及光學壓縮器8之後，設有光學介質22、24，其中光學介質22、24分別具有不同的非線性折射率。光學介質22具有負的非線性折射率，光學介質24
具有正的非線性折射率。透過這種正及負的非線性折射率的光學介質的組合，可以將B積分調整到所需要的值。另一種不同於第2圖的替代方案是將光學介質22、24前後直接排列在一起，並形成一個構造單元。在這種情況下，從雷射光束的傳播方向看過去，兩種光學介質22、24不是位於拉伸器4之前，就是位於雷射放大器6之後，或是位於光學壓縮器8之後。
根據第3圖的實施例，在光學壓縮器8之後及光學介質22、24之前有設置一個受控制單元14控制的光束成形裝置30，其作用是改變射束形狀，尤其是將光束加寬或縮窄，此外，亦可利用光束成形裝置30改變雷射脈衝的峰值強度。一種不同於第3圖之實施例的方式是，另外在光學介質22、24之間亦設置光束成形裝置30。同樣的，光束成形裝置30及光學介質22、24也可以構成一個構造單元，而且可以將這個構造單元設置在拉伸器4之前，或是設置在雷射放大器6之後中任一者。透過這樣的裝置無需更換光學成分即可改變非線性光譜相位。
除了第3圖顯示的改變非線性光譜相位的方式外，一種和第3圖之實施例具有相同之構造的替代方式是使用一種光學介質，其非線性折射率N2垂直於光束軸(雷射光束L的中心軸)，例如透過摻雜、形成條紋或混合一種由多個段落組成的光學成分，以改變非線性折射率。利用一個設置在光學介質22、24之前的延遲板31，或光學介質(例如多晶固體)，以改變光束成形及/或
改變雷射輻射的極性，及/或使光學介質垂直於光束軸移動，以改變光束軸在光學介質內的位置，或是使光學介質平行於光束軸移動，以改變光束在射入光學介質時的光束直徑，這些措施都可以動態調整橫向B積分分佈。在第3圖中以雙箭頭32、33或34、35標示這種橫向及縱向分佈。
本發明的範圍並不限於以上圖式中的實施方式。原則上未安裝拉伸器、光學壓縮器或雷射放大器的實施方式亦屬於本發明的範圍。
2‧‧‧雷射光束源
4‧‧‧拉伸器
6‧‧‧雷射放大器
8‧‧‧光學壓縮器
10‧‧‧聚焦-光束成形及轉向單元
12‧‧‧工件
14‧‧‧控制單元
16‧‧‧幫浦源
18‧‧‧幫浦源
20‧‧‧脈衝捨取器
Claims (14)
- 一種以脈衝雷射光束(L)加工工件(12)的方法，其中在加工期間，在一雷射脈衝期間及/或至少兩個在工件(12)上至少部分彼此重疊的雷射脈衝之間，光譜相位的橫向分佈係非線性的變化。
- 如請求項1的方法，其中透過改變B積分的橫向分佈，以改變該光譜相位的橫向分佈。
- 如請求項2的方法，其中脈衝接續時間小於20ps，且調整該光譜相位，使雷射脈衝的該B積分在撞擊到工件上時發生垂直於光束軸的變化，且其值在-50rad至+50rad之間。
- 如請求項2的方法，其中脈衝接續時間小於10ps，且調整該光譜相位，使雷射脈衝的該B積分在撞擊到工件上時發生垂直於光束軸的變化，且其值在-20rad至+20rad之間。
- 如請求項2的方法，其中脈衝接續時間小於2ps，且調整該光譜相位，使雷射脈衝的該B積分在撞擊到工件上時發生垂直於光束軸的變化，且其值在-5rad至+5rad之間。
- 如請求項1至5中任一項的方法，其中在前後連在一起的雷射脈衝具有不同的光譜相位的橫向分佈。
- 如請求項1至6中任一項的方法，其中以具有多個彼此重疊之路徑的多路法加工工件，其中前後連在一起且彼此重疊之路徑的雷射脈衝具有不同的光譜相位的橫向分佈。
- 如請求項1至7中任一項的方法，其中雷射脈衝的重疊會改變。
- 如請求項1至8中任一項的方法，其中藉由在至少一個位於光程上並與雷射光束產生非線性交互作用的光學介質之前加寬或縮窄雷射光束，以改變光譜相位的分佈。
- 一種雷射裝置，其用於執行如請求項1至9中任一項的方法，具有一雷射光束源(2)、至少一設置在雷射光束之光程上並與雷射脈衝非線性交互作用的光學介質(22、24)、一使雷射脈衝之光譜相位的橫向分佈發生非線性變化的裝置，其中雷射光束源(2)的作用是產生以雷射脈衝為形式的雷射光束(L)。
- 如請求項10的雷射裝置，其中設有一可控制的射束成形裝置(30)，以調整雷射脈衝之光譜相位的橫向分佈。
- 如請求項10或11的雷射裝置，其中在該至少一光學介質(22、24)之前連接一延遲板(31)，以改變雷射脈衝之光譜相位的橫向分佈。
- 如請求項10至12中任一項的雷射裝置，其中該至少一光學介質(22、24)的非線性折射率會垂直於光束軸改變。
- 如請求項10至13中任一項的雷射裝置，其中設置該至少一光學介質(22、24)可以對雷射光束(L)的中心軸垂直及/或水平移動。
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