TW201630285A - 氣體放電雷射功率及能量控制技術 - Google Patents

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Abstract

本發明係針對在氣體放電雷射中同時控制峰值脈衝功率和脈衝能量。在一方面，被耦合到一氣體放電雷射之一射頻電源被開啟(ON)以啟動一雷射脈衝的遞送。該射頻電源被調變ON/OFF以保持該雷射脈衝的該振幅在大約一所欲或預定值。此外，當累積的能量已達到一預定的能量臨界值時，該射頻電源被關閉(OFF)以終止遞送該雷射脈衝。

Description

氣體放電雷射功率及能量控制技術
本發明係有關於氣體放電雷射功率及能量控制技術。
交互參照到相關的申請
本申請對在2015年1月9日提交且標題為CONTROL OF PEAK PULSE-POWER AND PULSE-ENERGY IN A GAS-DISCHARGE LASER之U.S.Prov.Pat.App.Ser.No.62/101,950主張優先權，其全部的內容茲被併入本文作為參考用於所有的意圖和目的。本申請也對在2015年4月6日提交且標題為CO2 LASER POWER AND ENERGY CONTROL之U.S.Prov.Pat.App.Ser.No.62/143,738主張優先權，其全部的內容茲被併入本文作為參考用於所有的意圖和目的。
發明背景
脈衝氣體放電雷射被使用於若干嚴格的雷射加工應用中，諸如在印刷電路板中鑽盲孔和雕刻圖案在各種材料中，舉例來說。在這種系統中，一射頻(RF)電源被使用來激勵一種雷射-氣體混合物來產生雷射光。一種典型的雷射-氣體混合物包含有大約80：10：10比例的氦(He)、氮(N2) 和CO2。該RF電源可以被施以脈衝使得該雷射產生一系列個別的雷射脈衝。該RF電源也可在一個別的雷射脈衝期間被調變以控制雷射脈衝特性。因為氣體溫度瞬變、氣體老化、腔調諧等等，雷射脈衝到脈衝的不一致性可能在雷射脈衝串中會是一個問題。該不一致性可能會導致在一雷射脈衝串中個別的雷射脈衝(或該雷射脈衝串本身)其具有一或多個參數不適合用於一特定的加工操作。
本發明涉及在氣體放電雷射中同時控制峰值脈衝功率和脈衝能量。
在一實施例中，一氣體放電雷射系統包含有：一氣體放電雷射；一RF電源耦合到該氣體放電雷射並被組配成基於一驅動信號來激勵該氣體放電雷射；一檢測器被組配來取樣該氣體放電雷射的一雷射脈衝輸出並產生代表該雷射脈衝瞬間功率的一檢測信號；一分束器被組配來提供該雷射脈衝的一個樣本給該檢測器；以及耦合到該檢測器的一控制器。在一實施例中，該控制器包含有：一能量控制電路被組配來基於該檢測信號監測由該氣體放電雷射輸出之該雷射脈衝的累積能量，該能量控制電路被組配成輸出一能量信號以指出何時該雷射脈衝的積累能量已達到一能量臨界值；一功率控制電路被組配成基於用於該雷射脈衝和該檢測信號的一目標瞬間功率輸出一調變信號；以及被耦合到該能量控制電路和該電源控制電路的一驅動控制電路，該驅動控制電路被組配為輸出該驅動信號，其中該 驅動控制電路被組配成基於該調變信號來調變該驅動信號當該能量信號指出累積的能量低於該能量臨界值時，並關閉該驅動信號當該能量信號指出累積的能量大於該能量臨界值時。
在一實施例中，一用於一雷射的控制器包含有：一能量控制電路被組配來基於代表該雷射脈衝瞬間功率的一檢測信號監測由該雷射輸出之一雷射脈衝的累積能量，該能量控制電路被組配成輸出一能量信號以指出何時該雷射脈衝的積累能量已達到一能量臨界值；一功率控制電路被組配成基於用於該雷射脈衝和該檢測信號的一目標瞬間功率輸出一調變信號；以及被耦合到該能量控制電路和該電源控制電路的一驅動控制電路，該驅動控制電路被組配來輸出用於該雷射的一驅動信號，其中該驅動控制電路被組配成基於該調變信號來調變該驅動信號當該能量信號指出累積的能量低於該能量臨界值時，並關閉該驅動信號當該能量信號指出累積的能量大於該能量臨界值時。
在一實施例中，一種用於操作一氣體放電雷射的方法包含有：檢測由該氣體放電雷射啟動一雷射脈衝輸出的一命令；回應於檢測到該命令，提供一信號給該氣體放電雷射以由該氣體放電雷射啟動該雷射脈衝輸出；監測由該氣體放電雷射輸出之該雷射脈衝的累積脈衝能量；在該監測期間，基於用於該雷射脈衝的一目標瞬間脈衝功率調變提供給該氣體放電雷射的該信號；以及終止提供給該氣體放電雷射的該信號以回應於判定由該氣體放電雷射輸出 之該雷射脈衝的累積脈衝能量已達到一能量臨界值。
其他的實施例係有可能的。
100‧‧‧氣體放電雷射設備
102‧‧‧CO2雷射
104‧‧‧RFPS
106‧‧‧分束器
108‧‧‧樣本
110‧‧‧雷射脈衝
112‧‧‧檢測器
114‧‧‧電壓信號
116‧‧‧控制器
118‧‧‧命令信號
120‧‧‧驅動信號
200‧‧‧第一實施例
202、804‧‧‧前置放大器
204、812‧‧‧第一比較器
206、806‧‧‧積分器
208‧‧‧第一正反器
210‧‧‧時脈信號
212、820‧‧‧第二比較器
214‧‧‧第二正反器
216、816、1111‧‧‧AND閘
218‧‧‧第一輸入
220‧‧‧第二輸入
222‧‧‧第三輸入222
302、304、702、704、1002、1302、1502、1602a、1602b、1602b、1602d‧‧‧曲線圖
402a、402b、402c、402d‧‧‧圖
500‧‧‧第二實施例
502‧‧‧差動放大器
504‧‧‧精密整流器
506、602、814‧‧‧PWM電路
600‧‧‧第三實施例
604‧‧‧脈衝參數電路
800‧‧‧第四實施例
802‧‧‧主機電腦介面
808‧‧‧ADC
810‧‧‧微處理器
818‧‧‧命令信號電路
822、1100、1114、1115、1116、1705‧‧‧正反器
824‧‧‧第一DAC
826‧‧‧第二DAC
828‧‧‧可規劃系統單晶片
900、1100‧‧‧實施例
902、1112、1113‧‧‧反相器
904‧‧‧第一鎖存器
906‧‧‧第二鎖存器
908‧‧‧微處理器讀取信號
1101‧‧‧PWM週期預載暫存器
1102‧‧‧DC預載暫存器
1103、1104、1105‧‧‧計數器
1106、1107、1108、1118、1120、1121‧‧‧比較器
1109‧‧‧查詢表
1117‧‧‧多工器
1119‧‧‧鎖存器
1122‧‧‧PID邏輯
1202‧‧‧時序圖
1202a‧‧‧信號MOD_In
1202b‧‧‧信號PCOMPS
1202c‧‧‧信號CEn
1202d‧‧‧信號PLn
1202e‧‧‧給RFPS 104的信號
1202f‧‧‧雷射
1400‧‧‧電路
1701‧‧‧定時器電路
1702‧‧‧時間間隔計數器
1704‧‧‧下降邊緣檢測器
圖1係一示例氣體放電雷射設備的示意圖。
圖2係圖1之控制器電路的一第一實施例的示意圖。
圖3係由圖2的該電路所輸出的一調變信號曲線圖，和由圖1之檢測器所輸出的一電壓信號曲線圖。
圖4示出圖1該設備之該開迴路和閉迴路響應圖。
圖5係圖1之控制器電路的一第二實施例的示意圖。
圖6係圖1之控制器電路的一第三實施例的示意圖。
圖7A係根據本發明一第一示範模擬的曲線圖。
圖7B係根據本發明一第二示範模擬的曲線圖。
圖8係圖1之控制器電路的一第四實施例的示意圖。
圖9係圖8該電路之一示例命令信號電路的示意圖。
圖10係根據本發明一第三示範模擬的曲線圖。
圖11係圖8該電路之一示例脈衝寬度調變器的示意圖。
圖12係圖11該電路之循序操作的示意圖。
圖13係根據本發明一第四示範模擬的曲線圖。
圖14係對圖11該電路之一部分作修改的示意圖。
圖15係根據本發明一第五示範模擬的曲線圖。
圖16A係圖1該設備之該氣體相依性反應的一第一曲線圖。
圖16B係圖1該設備之該氣體相依性反應的一第二曲線圖。
圖17係圖6該電路之一示例脈衝參數電路的示意圖。
較佳實施例之詳細說明
脈衝氣體放電雷射被使用於若干個嚴格的雷射加工應用中，諸如在印刷電路板中鑽盲孔和雕刻圖案在各種材料中，舉例來說。對於這種雷射傳統的脈衝參數監測和控制安排可能不足以防止雷射脈衝到脈衝的不一致性，該不一致性肇因於脈衝到脈衝氣體溫度瞬變、氣體老化、腔調諧、等等。雷射脈衝不一致性可能會導致在一雷射脈衝串中個別的雷射脈衝或該雷射脈衝串本身具有一或多個參數不適合用於一特定的加工操作。為了解決這個問題和其他問題，一種控制方案被因此設想為在一雷射脈衝的該遞送期間峰值脈衝功率和脈衝能量被同時監測。可從以下的討論中配合附圖來體會這一種實現方式的好處及/或優點。
圖1係根據本發明之一示例氣體放電雷射設備100的一方塊圖。在實務中，一個二氧化碳氣體放電雷射 (CO2雷射)102係由一射頻電源(REPS)104來脈衝激勵，和一分束器106引導(從一分束器反射或透射的光束可任選地被使用)該CO2雷射102輸出的一雷射脈衝110的一樣本108到一檢測器112。該檢測器112提供一電壓信號114，它代表該雷射脈衝110的即時或瞬間脈衝功率，給一控制器電路116。該控制器電路116係反應於代表該雷射脈衝110之請求遞送的一命令信號118。一般而言，該雷射脈衝110可被「請求」作為手動或自動過程的一部分，諸如當該雷射脈衝110明確地由一末端使用者命令或當雷射脈衝110係由該設備100來命令作為預定義程序或演算法的一部分。
該控制器電路116也反應於該電壓信號114。更具體地說，在檢測到該命令信號118的一前緣，並且同時該命令信號118係數位高時，舉例來說，該控制器電路116輸出一驅動信號120來振幅調變該RFPS 104，例如把該RFPS 104開啟和關閉，並透過擴展該控制器電路116在該雷射脈衝110的遞送期間控制或保持該雷射脈衝110的峰值脈衝功率在約為所欲或規定的峰值功率值。如在以下會詳細討論的，由該控制器電路116所輸出的該驅動信號120有一種該電壓信號114之一函數的形式。此外，該控制器電路116把該電壓信號114對時間積分以即時地判定或推導出由該雷射脈衝110所遞送出之該能量之量的一種執行中總和，稱為一累積的能量。該控制器電路116終止遞送該雷射脈衝110，或等效地停止調變該RFPS 104，當由該雷射脈衝110所遞送的該累積能量達到一預定或預先定義的能量臨界 值。圖1該設備100之該控制器電路116的一第一實施例會結合圖2來討論。
圖2係圖1該設備100之該控制器電路116的一第一實施例200的一電路圖。在實務中，該電壓信號114，其由該檢測器112輸出(參照圖1)，被提供作為給一前置放大器202的輸入，該前置放大器202的該輸出被同時提供為一第一比較器204和一積分器206的輸入。該第一比較器204的該輸出被提供為一第一正反器208的輸入，並且該第一正反器208係由一時脈信號210以高頻率被驅動，諸如1MHz、或16MHz、或48MHz，舉例來說。該積分器206的該輸出被提供為一第二比較器212的輸入，而該第二比較器212的該輸出被提供為一第二正反器214的輸入。該等第一正反器208和第二正反器214每一個的輸出被提供為一個三輸入端AND閘216的輸入。其他的實施例係有可能的。例如，該AND閘216可以被實現為一NAND閘，或數位邏輯之任何適當或特定實現方式的組合，如將由本領域之習知技藝者可理解的。該命令信號118也被提供為該AND閘216的輸入，以及作為輸入給該積分器206和該第二正反器214兩者。
該AND閘216輸出該驅動信號120給該RFPS 104(參照圖1)，只有當該AND閘216所有的輸入處於相同的數位狀態(例如，數位高)時。例如，當該前置放大器202的該輸出小於參考電壓VREF1時，該AND閘216的一第一輸入218是數位高，該參考電壓係被提供給該第一比較器204的輸入。該參考電壓VREF1可被認為是代表一目標瞬間功率或 者一上限瞬間功率值的一設定點，並可根據所欲的以一逐一脈衝的基礎來被選擇或限定。如在以下被詳細說明的，包含有該前置放大器202、該第一比較器204、以及該第一正反器208的該信號路徑對應於該控制器電路116的一峰值脈衝功率控制分支或電路，等效地，在一些實施例中，一功率控制電路可以包括或包含有該控制器電路116的一或多個其他的元件或組件。例如，當該積分器206的該輸出小於參考電壓VREF2時，該AND閘216的一第二輸入220是數位高，該參考電壓係被提供給該第二比較器212的輸入。該參考電壓VREF2可被認為是代表一能量臨界值的一設定點，並可根據所欲的以一逐一脈衝的基礎來被選擇或限定。如在以下被詳細說明的，包含有該前置放大器202、該積分器206、該第二比較器212、以及該第二正反器214的該信號路徑對應於該控制器電路116的一脈衝能量控制分支或電路，等效地，在一些實施例中，一能量控制電路可以包括或包含有該控制器電路116之一或多個其他的元件或組件。該AND閘216的一第三輸入222等效地為一驅動控制電路，其在一些實施例中可以包括或包含有該控制器電路116之一或多個其他的元件或組件，其為數位高當該命令信號118也係數位高時。現在另外地參照圖3，圖1該設備100的操作，特別是，圖1該設備100之該控制器電路116的操作，被詳細地說明。
圖3係一調變信號曲線圖302，其係由圖1該設備100之該控制器電路116輸出；以及係該電壓信號114的曲線 圖304，其係由圖1該設備100之該檢測器112輸出。在實務上，該命令信號118(參見圖1-2)最初係數位低，該積分器206被清除，並且該第二正反器214的該輸出被設置為數位高。在命令信號118的該前緣或上升邊緣時，該積分器206被釋放，該AND閘216所有的輸入係在數位高，並且該RFPS 104由該驅動信號120開啟為ON。很快地在RFPS 104被ON之後，該雷射脈衝110的瞬間脈衝功率開始增加或升高，而該檢測器112輸出代表該雷射脈衝110之即時或瞬間功率的該電壓信號114給該控制器電路116，如結合圖1於以上所述。
當雷射脈衝110的瞬間脈衝功率是如此使得該電壓信號114到達VREF1其跟著該CO2雷射102的該初始激勵(見圖3)，該第一比較器204的該輸出被設置為數位低，該第一正反器208的該輸出在時脈信號210的下一個或後續週期被設置為數位低，該RFPS 104被關閉為OFF，並且該雷射脈衝110的瞬間脈衝功率開始減小或下降。當雷射脈衝110的瞬間脈衝功率是如此使得該電壓信號114下降到低於VREF1，該第一比較器204的該輸出設置為數位高，該第一正反器208的該輸出在時脈信號210的下一個或後續週期被設置為數位高，而該RFPS 104再次被開啟為ON。可選擇性地，該第一比較器204可具有一種滯後，使得在該第一正反器208的該輸出在時脈信號210的下一個或後續週期被設置為數位高之前要讓電壓信號114下降到低於VREF1的某移位值，而該RFPS 104再次被開啟為ON。
接下來，當雷射脈衝110的瞬間脈衝功率是如此 使得該電壓信號114再次地到達VREF1，該RFPS 104被再次被關閉為OFF，一直下去，當該RFPS 104的調變持續地進行時。然而，該RFPS 104的該調變不會無限期地發生。具體而言，在該RFPS 104的調變期間，該雷射脈衝110中的能量或其能量由該積分器206來判定或量化，並且被提供為該第二比較器212的輸入(參照圖2)。當雷射脈衝110中的累積能量或其累積能量到達VREF2時，該第二比較器212的該輸出被設置為數位高，造成一數位低將被時脈在該第二正反器214的該輸出。這導致該雷射脈衝110的終止，因為該AND閘216的該第二輸入220不再為數位高(即，該AND閘216的所有輸入不再表現出相同的數位狀態)。一隨後的雷射脈衝不能遞送直到該命令信號118先進入數位低為止。這將清除該積分器206，並設置該第二正反器214的該輸出返回到數位高。當該命令信號118再次變為數位高，另一雷射脈衝可以被發起和由該設備100輸出，而該104 RFPS以一種參照該雷射脈衝110所討論的方式被調變。
圖3描繪了圖1該RFPS 104的一示例調變方案，和由該示例調變方案所產生之該雷射脈衝110的一呈現。曲線302描繪了四個調變信號子脈衝SP1、SP2、SP3和SP4。曲線304依據由一檢測器所測量之檢測到的瞬間雷射脈衝功率描繪了該雷射脈衝110(例如，由該檢測器112所產生的該電壓信號114)。曲線302的子脈衝SP1具有最長的持續時間，因為它需要一有限的時間量用於該雷射脈衝110的該瞬間脈衝功率從零上升使得該電壓信號114到達VREF1。子脈衝 SP2、SP3、和SP4的持續時間比SP1短，因為上升到VREF1不是從零開始而是大致由一低電壓極限，如在曲線圖304中被稱為VREF3者。該電壓下限VREF3可被認為是一設定點並根據需要可以以一種一脈衝一脈衝的基礎來選擇或限定。然而，在一些實施例中，該電壓下限VREF3可以是該第一比較器204的滯後及/或該時脈信號210該頻率的一函數。在實務中，在該雷射脈衝110的該瞬間脈衝功率最初到達VREF1同時該雷射脈衝110的該累積能量小於或等於一預定或預先定義的能量臨界值之後，該控制器電路116一般把該雷射脈衝110的瞬間脈衝功率保持在大約VREF1和VREF3之間。值得注意的是，子脈衝SP1-SP3係由該控制器電路116的該峰值脈衝功率控制分支或電路來啟動和終止，子脈衝SP2和SP3有大約相同的持續時間。子脈衝SP4的持續時間比子脈衝SP2和SP3更短，係由該控制器電路116的該峰值脈衝功率控制分支或電路啟動，但係由該控制器電路116的該脈衝能量控制分支或電路來終止。在本文中所討論之同時控制圖1該控制器電路116所連結的峰值脈衝功率和脈衝能量，在許多方面係有利及/或有好處的。脈衝到脈衝的均勻性僅是一個例子而已。這被圖示於圖4中。
圖4展示出圖1該設備100之該開迴路和閉迴路響應圖。特別的是，圖4的圖402a示出在圖1該設備100所遞送脈衝能量中的變化，以及圖402b示出在圖1該設備100所遞送峰值脈衝功率中的該變化，在一脈衝到脈衝的基礎上用1000個固定脈衝寬度但隨機變化的脈衝週期命令信號(例 如，命令信號118)脈衝。在圖402a和圖402b中所示的該等結果可被稱為圖1該設備100的該開迴路響應。對比的是，圖4的圖402c示出在圖1該設備100所遞送之總脈衝能量中的該變化，以及圖402d示出在圖1該設備100所遞送峰值脈衝功率中的該變化，在一脈衝到脈衝的基礎上用1000個雷射脈衝，其中該等個別脈衝的每一個的峰值脈衝功率和脈衝能量兩者都被監視和控制。換句話說，在採集如圖402c和圖402d中所示資料的過程中，無論是該控制器電路116的該峰值脈衝功率控制分支或電路還是該控制器電路116的脈衝能量控制分支或電路都被利用。在圖402c和圖402d中所示的該等結果可被稱為圖1該設備100的該閉迴路響應。本領域的習知技藝者將理解的是，圖4示出在本文中所討論之同時控制圖1該控制器電路116所連結的峰值脈衝功率和脈衝能量在許多方面的優點及/或好處。
具體而言，在一種僅有峰值脈衝功率和脈衝能量被監測但不進行控制的組配中(參見圖402a-b)，在遞送1000個脈衝期間，由該未受控制雷射所遞送的脈衝能量變化14.6%(見圖402a)而峰值脈衝功率變化11.4%(見圖402b)。在示例實施例中，該數學公式100%*(最大值-最小值)/最小值被使用來計算變化。然而，在一種峰值脈衝功率和脈衝能量都被監測和控制的組配中(參見圖402c-d)，和使用固定脈衝寬度但具隨機變化脈衝週期之該相同的命令序列樣式，在遞送1000個脈衝期間，脈衝能量變化3.3%(見圖402c)而峰值脈衝功率變化6.8%(見圖402d)。換句話說，當峰值 脈衝功率和脈衝能量兩者都以一種如本文中所討論方式被監測和控制時，脈衝到脈衝的均勻性被大大地改善。具體地在本實施例中，在被遞送總能量中的變化從14.6%被改善到3.3%，在峰值脈衝功率中的變化從11.4%被改善到6.8%。在只有脈衝能量控制或脈衝峰值控制被使用的測試中，發現雖然該受控制屬性的均勻性可以以類似上述的量被改善，但該不受控制的屬性則會惡化，相比於當兩個屬性都不受控制時的均勻性。峰值脈衝功率波動之較優的降低或最小化可由把在圖2該電路組配的該峰值脈衝功率控制分支中的該正反器調變器換成一脈衝寬度調變器(PWM)電路來實現。這一實現的示例子將結合圖5和圖6來討論。
圖5係圖1之該控制器電路116的一第二實施例500的電路圖。在圖5中所示該控制器電路116的架構一般來說類似於該控制器電路116如圖2中所示的架構，並透過擴展，如圖5中所示該控制器電路116的該功能一般來說類似於該控制器電路116如圖2中所示的該功能。然而，如圖2中所示的該第一比較器204被替換為一如圖5中所示的差動放大器502，並且如圖2中所示的該第一正反器208被置換為如圖5中所示的一精密整流器504和一PWM電路506。在實務中，該PWM電路506把該雷射的峰值脈衝功率保持約在對應於該參考電壓VREF1的一功率，而該雷射的脈衝能量如先前所描述的被監測和控制。更具體地說，該壓控PWM電路506的功能為藉由調變該RFPS 104以提供在持續期間或工作週期中被變化的子脈衝以維持該雷射輸出脈衝的峰值脈 衝功率為對應於該檢測器112輸出電壓約為VREF1的一功率。然而其他的實施例係有可能的。
具體地說，結合圖5(和圖2)如以上所展示和描述之該控制器電路116的該瞬間脈衝功率控制分支或電路可被一般化和擴展來提供數個操作模式。特別是，除了使用一種經調變的脈衝工作週期來控制雷射輸出脈衝振幅，同時使用一積分器來在一脈衝到脈衝的基礎上控制脈衝能量，其他的操作模式適用於要如何以改進和擴展該等以上所述的方式建構和使用該工作週期調變器以用於同時控制瞬間雷射脈衝振幅和能量。該調變資料路徑的該等操作模式，或等效的該控制器的該峰值脈衝功率控制分支或電路連同該控制器的該脈衝能量控制分支或電路，可在圖1該設備100的操作期間，由一不複雜的命令語言，在運行中，來被選擇和組配。這一實現方式的一示例將結合圖6進行討論。
圖6係圖1之該控制器電路116的一第三實施例600的電路圖。在圖6中所示該控制器電路116的架構一般來說類似於該控制器電路116如圖2中所示的架構，並透過擴展，如圖6中所示該控制器電路116的該功能一般來說類似於該控制器電路116如圖2中所示的該功能。然而，如圖2中所示的該第一正反器208被置換為如圖6中所示的一PWM電路602，以及一脈衝參數電路604被任選地包含(由圖6的斷續線來表示)在沿著包括該命令信號118的該信號路徑中。一般而言，該脈衝參數電路604為該操作者提供一構件 藉由把該目標值編碼到該命令信號(例如，命令信號118)中一脈衝一脈衝地傳送一或多個脈衝參數的一目標值。此外，它可以提供替代的構件用以檢測並通知一操作者或技師該CO2雷射102由於老化和其他的機制而劣化。該脈衝參數電路604的一示例實現方示將結合圖17進行討論。
在實務中，如圖6中所示的該電路藉由使用在一PWM工作週期比較暫存器中的一預定值，使用一最佳的、初始的PWM工作週期用於任何所欲的脈衝功率值。這個最佳的、初始的PWM工作週期判定緊接著圖2該前置放大器202的該輸出第一次穿越該VREF1臨界值的該子脈衝工作週期。這個工作週期值可被任選地保持在整個該雷射輸出脈衝的該持續期間中或替代地在整個該雷射輸出脈衝的該持續期間中使用該第一比較器204的輸出被連續地調整。該最佳的、初始的工作週期可被正確地判定的原理，以及據此實現的雷射脈衝控制的一電路，其可由類似於一較不複雜的系統，一RC低通電路來理解。
更具體地說，該類比使用一RC低通電路對於方波激勵的該響應來闡明以一單一時間常數來制約之一指數響應系統，諸如一RF脈衝泵浦CO2雷射(例如，CO2雷射102)如何在第一次到達對應於一功率設定點值之一所欲狀態時可以立即被迫進入平衡狀態。在這一類比中，該RC電路輸入節點上的該電壓代表遞送給該CO2雷射的該RF振幅，並且在該R-C節點上的該電壓代表該CO2雷射該輸出功率到第一階。類比於該CO2雷射之該驅動函數的該輸入節點電壓 波形是一具任意工作週期之固定振幅脈衝波形。RF泵工作週期是用來在傳統的RF脈衝泵浦CO2雷射中控制輸出功率的該獨立變量。
為進一步簡化起見，該輸入波形的該振幅可被正規化到一(單位的)。有了該輸入波形振幅被如此正規化和一所欲的輸出電壓，V，在該R-C節點處，該輸入波形之該所需要的工作週期正好為V。藉由在該所欲的輸出被達到的時刻瞬間地切換該輸入波形的該工作週期從1到V，該RC低通電路瞬間被迫使進入一從其在迫使函數中不需進一步變化之平衡狀態。這種行為被圖示於該等模擬曲線圖7A-B中。
圖7A係根據本發明一第一示範模擬的曲線圖702。圖7B係根據本發明一第二示範模擬的曲線圖704。在這些模擬中，一RF脈衝泵浦CO2雷射的該響應係由公式1來模擬，具有獨立變數時間其在泵送啟動或開始的時刻從t=0開始：雷射輸出=(1-e -t/τ)；τ=5微秒 (1)
在圖7A的曲線圖702中該總模擬時間是25μs對應於一25μs的RF振幅脈衝寬度。未被示出的是當RF泵送被關閉時該CO2雷射的該衰減響應，或下降時間響應。另外參照圖1和圖6，該PWM_OUT跡線表示該PWM電路602的該輸出。PWM_OUT被切換到一數位低狀態因此在雷射輸出達到參考電壓VREF1之後立即以一種如以上所討論的方示由該RFPS 104關閉該CO2雷射102的RF泵送。該第一比較器204該輸出處的該下降邊緣被該PWM電路602的邏輯使用來啟 動該PWM週期。該PWM電路602係由一固定週期的一UP計數器、一工作週期或DC比較暫存器、和一數位比較器所構成。當該UP計數器值等於該DC比較暫存器值時，該PWM_OUT信號被返回到數位高直到該PWM計數器週期的末端被達到為止，在該點該PWM週期計數週期重複從下一個或後續時脈週期開始。在該所欲的雷射輸出準位與實際的雷射輸出準位之間的該誤差係由該雷射輸出脈衝的該時間常數(例如5微秒)和該調變週期所掌控。對於圖7A的該模擬，該峰谷誤差，或漣波，在該雷射輸出信號中，其代表該雷射脈衝110，為17%。在該模擬中所使用的時脈為16MHz而該PWM計數器週期係導致出250kHz的PWM_OUT信號頻率之64計數。該漣波可透過增加該PWM時脈頻率被任意地降低。等效地，該雷射脈衝110的該瞬間脈衝功率可被維持在一目標瞬間脈衝功率的一百分比臨界值之內，諸如在該目標瞬間功率例如+/-10%之內。在本實施例中，該控制器電路116會防止該雷射脈衝110的瞬間脈衝功率到達一個比該目標瞬間功率大於+/-10%的值。然而，該控制器電路116會允許該雷射脈衝110的瞬間脈衝功率達到在該+/-10%範圍內的一特定值，諸如該目標瞬間功率之例如為+/-8%的一個值。其他的示例也是有可能的。這被圖示於圖7B中，其中該PWM_OUT頻率被增加至750kHz，當一48MHz的時脈頻率被使用時，漣波從17%減少到5%。在一些實施例中，一合意的輸出或該時脈的基本頻率(也在本文中被稱為PWM_CLK)係包含在250kHz至 750kHz之間。可被預期的是該輸出的一精確值或該時脈的基本頻率可基於具體實現方式的細節來被選擇並進一步可以在一雷射脈衝到雷射脈衝的基礎上做變化。
由於該功率控制信號VREF1和該PWM工作週期控制值DC的該縮放比例可以是不同的，並且因為製造的變異諸如檢測器靈敏度和放大器增益和偏移，可被設想的是一種不複雜的兩點校準程序可被用來判定該最佳的DC值為該所欲輸出功率的一函數。若絕對功率校準也是所欲的，則一校準程序可被利用以教示該電路有該關係式Pabsolute=k * VREF1，其中k是一恆定整數值。該(等)校準步驟會導致該等校準關係：VREF1=k1 * Pdesired和DC=k2 * VREF1+k3，其中k1-3的每一個係一恆定整數值。然而，可以預期的是，這種校準細節的知識和維護對於該雷射加工工具設計者和技術員來說是不必要的複雜事務，因為要追踪一複雜的指令集和校準方程式。更具體地說，保有如此的複雜性和專業知識會在機器設計、配方或程式開發、以及雷射加工工具的生產操作的生產率和成本上有不利的影響。在圖8中所示的該調變資料路徑擴展引入了附加物來解決這個問題和本發明的其他目的。
圖8係圖1之該控制器電路116的一第四實施例800的電路圖。在圖8中所示該控制器電路116的架構一般來說類似於該控制器電路116如圖6中所示的架構，並透過擴展，如圖8中所示該控制器電路116的該功能一般來說類似於該控制器電路116如圖6中所示的該功能。然而，該控制 器電路116的該第四實施例800包含有一主機電腦介面802、一前置放大器804(例如，類似於圖6的前置放大器202)、一積分器806(例如，類似於圖6的該積分器206)、一類比-數位轉換器(ADC)808、至少一個微處理器810、一第一比較器812(例如，類似於圖6的該第一比較器204)、一PWM電路814(例如，類似於圖6的該PWM電路602)、一個三輸入端AND閘816(例如，類似於圖6的該AND閘216)、一命令信號電路818、一第二比較器820(例如，類似於圖6的該第二比較器212)、一正反器822(例如，類似於圖6的該第二正反器214)、一第一數位-類比轉換器(DAC)824、和一第二DAC 826。如在圖8中所示，可預期的是一些個別組件可被併入或實現為一微控制器或可規劃系統單晶片828。其他的實施例係有可能的。
如在圖8中所示的該微處理器810和該主機電腦介面802啟用如圖8所示之該控制器電路116的該調變資料路徑的操作，或等效的該控制器電路116之該峰值脈衝功率控制分支或電路一起與該控制器電路116的脈衝能量控制分支或電路，容易地和自動地可在一大範圍內的雷射輸出功率和用數個操作模式來產生預定振幅、能量、形狀、以及機器控制定時的脈衝，如將在以下環境中進行說明的。這樣的附加物，以及額外的週邊裝置或組件，諸如在8圖中所示的ADC 808，可被容易地製做出或以低成本取得，例如使用可規劃系統單晶片裝置，諸如可從CypressSemiconductor購得的PSoC5LP。儘管這一種特定於 實現方式的特徵會隨著技術發展來進展。此外，該ADC 808被使用來用於性能監測和預防性維護程序。這種性能監控和程序作為具連續脈衝索引之即時雷射功率資料採集且可以大大地加快新材料工藝開發的開發時間，因為這種性能監控和程序啟用了一特定工件結果的相關性，諸如由一顯微鏡所測量的一盲孔的直徑和深度，具有被使用來形成該特定工件結果之一特定雷射脈衝的該等屬性。此外，雷射輸出特性的持續監測和記錄，諸如上升/下降時間、峰值脈衝功率和脈衝能量、以及比較當前值的過去及/或參考值，可被使用來判定何時預防性維護程序應可被使用來防止一老化的雷射導致意外的停機時間。這些額外操作的詳細說明在以下被依序進行說明。
仍參考圖8，該PWM電路814、DAC 824、和DAC 826係由該微處理器810的記憶體映射控制暫存器來控制。該等暫存器包含有暫存器用於經由作為輸入提供給該第一比較器812之該參考信號VREF1來設定和保持所欲的脈衝功率準位，經由提供給該PWM電路814該比較值之該所欲的PWM工作週期、以及經由作為輸入提供給該第二比較器820之該參考信號VREF2之該所欲的脈衝能量值。可被預期的是，該微處理器命令集包含有諸如一PXXX命令和一EXXX命令的命令。在這些示例中，該「P」的命令指出一所欲的或規定的雷射脈衝功率而「E」的命令指出一所欲的或規定的雷射脈衝能量，例如每一個到3位數的精確度。在接收到來自該主電腦介面802的這些命令時，該微處理器810把該 等命令值轉換成數位暫存器值並且也使用一工作週期校正公式(例如，VREF1=k1 * Pdesired；DC=k2 * VREF1+k3)把該適當的工作週期控制值寫入到該PWM比較暫存器。從這個時間點開始，該命令信號118，以下也稱為「MOD_In」信號，之每一個隨後週期的該調變資料路徑的行為會正如以上使用圖7A-B的示範模擬結果被解釋的那樣。
此外，可以預期的是該MOD_In信號的該前邊緣會標記出該雷射脈衝將被發出的時間。然而，該MOD_In信號的該後邊緣並不需要如在傳統的CO2雷射中所做的被使用來控制脈衝振幅和能量。相反的是，該MOD_In信號的該後邊緣可被使用來標記出在該所欲的脈衝能量或劑量被預期已經被傳遞到一工件上的該最大時間。另外，在一稍經修改的操作模式中，由此該微處理器810已知道該MOD_In信號的即時或瞬間狀態，可被設想的是該調變資料路徑可以使用MOD_In信號的該後邊緣來解決本發明的其他的目的，諸如診斷和預防性維護。由於該CO2雷射102的老化效應(參照圖1)可能會隨著時間的推移變得效率較低，並且寄生效應會影響個別的雷射脈衝。在這樣的情況下，遞送所欲的脈衝能量所需要的時間可能變得更長並最終超過由該MOD_In信號的該後邊緣所分配的該時間。
為了實現這種模式，可被設想的是該命令信號電路818(參照圖8)可被使用來或被利用來告知該微處理器810何時該MOD_In信號的該後邊緣發生並且該第二比較器820還沒有觸發該正反器822。圖9係圖8所示之該命令信號電路 818之一示例實施例900的一電路圖。該命令信號電路818包含有一反相器902、一第一鎖存器904、以及一第二鎖存器906。一微處理器讀取信號908被同時提供為該第一鎖存器904和該第二鎖存器906兩者的輸入。該MOD_In信號，或等效地為該命令信號118(參照圖1)，被同時提供為該第一鎖存器904和該反相器902兩者的輸入。接下來，該反相器902的該輸出被提供為該第一鎖存器904的輸入。此外，該正反器822的該輸出和該PWM_CLK被提供為該第一鎖存器904的輸入。
使用一微處理器來讀取非同步數位信號狀態的方法利用了狀態暫存器並可能包含有耦合到中斷服務程序軟體和狀態暫存器輪詢軟體之由狀態暫存器狀態所觸發的中斷產生硬體。可以預期的是在圖9中所示出的該示例電路可以利用這樣的方法，並且例如可以使用在該PSoC5LP組件庫中可取得的狀態暫存器組件來實現。例如，如圖9中所示的該第一鎖存器904和該第二鎖存器906可被組配來在如圖9中所示的該等輸入信號之任一或無一上有數位高狀態時產生中斷，並保持該等Q輸出固定，直到一微處理器讀取週期重置該第一鎖存器904並傳遞該等Q值給該匯流排為止。使用這一組件的細節可在被包含在PSoC設計軟體工具包中的組件資料表中找到。可預期的是使用一PSoC5LP狀態暫存器或其等效者，連同所設想的和在下面表1中所示的邏輯，該微處理器810可判定何時從低到高和從高到低的轉變發生在該Mod_In信號上，並延伸到何時潛在的故障條件 發生，諸如當一從高到低的轉變發生在該Mod_In信號上時當遞送的脈衝能量尚未等於所欲的量時的該情況。在這種情況下或情景中，一錯誤信號可以由該微處理器810，或等效地，由本發明的該控制器電路116，來產生和輸出。
在表1中，Mod_In對應到該命令信號118的該數位狀態，Mod_In_Not對應到該命令信號118的該經反相的數位狀態，FF_狀態對應到在該第三輸入222(參照圖1)上的信號，該正反器822的該狀態，以及微處理器_訊息對應到由該微處理器810基於在如圖9中所示的資料匯流排上傳送給該微處理器810的該資料所作的該判定。其他的實施例是有可能的。
藉由使微處理器810意識到該MOD_In信號的前邊緣和後邊緣過渡兩者，額外的操作模式是可能的。傳統上，在印刷電路板上鑽出洞或盲孔的完成係藉由在整個面 板上完全掃過一次，該目標為在所有一單孔徑大小係所欲之所有的地方遞送出相同的CO2雷射劑量。當多種孔徑大小係所欲的，或當一給定的孔的類型或特徵最好可使用以不同劑量水平之多於一種的劑量和次數來製成時，在該面板上的多次掃過是有需要的。藉由把脈衝功率和脈衝能量值的一陣列預載到該微處理器810的該記憶體，並當每一次該MOD_In信號做出一從高到低的轉變時藉由使用該微處理器810來順序地把對應的數值載入到該等控制暫存器，具有精確功率和能量數值之雷射脈衝的一種任意序列或配方可以由圖1的該設備100來鋪設。有利的是，序列的改變可透過在該主機電腦介面802上下載循序峰值和能量數值的新陣列來完成。在實務中，該微處理器810計數該等MOD_In信號轉變，並使用該計數作為一索引以循序地步經該等陣列。這個序列可以在諸如印刷電路板面板鑽孔中無限地重複。印刷電路板面板包含該相同印刷電路板的好幾個實例，在它們上鑽孔相當於把孔洞位置的相同圖案以一種分步和重複方式多次循環，或者在一種光柵掃描型機器設計中，每一列的該脈衝資料檔可被下載不然在每一次掃描開始之前從記憶體中被選擇出。在所有類型的機器設計中，該脈衝序列最終可以被翻譯成會被重複的一循序脈衝陣列，而且這種重複的管理可以由該微處理器使用代表所欲脈衝性質的陣列和構件來計數MOD_In信號轉變，使得該計數可被用作該陣列的一索引。這種陣列可以描述脈衝功率和脈衝能量以及其他的特性。
此外，一RF脈衝泵浦CO2雷射(例如，CO2雷射102)的該性質可被描述以附加的、較長的時間常數和其他模型，其解釋了一些效果諸如氣體和電極溫度對脈衝振幅穩定性的影響。對於較長脈衝寬度和相當長持續時間脈衝串流由類比於上述的該單一時間常數模型解釋，這些影響會導致出不同的情況。在長的長雷射加工操作期間，諸如在印刷電路板的一面板上鑽盲孔或在平面顯示器漫射面板上做出光散射點，雷射的內部溫度會歷經大的變化。溫度增加的影響將降低該雷射的效率以及對於一給定的RF工作週期較小的輸出功率被遞送出。對於這種效果，一廣義的模型由公式2給出。在公式2中，熱或溫度影響的該收集係由在Tn上函數的乘積來代表，其模型化圖1該設備100之氣體、電極、和其他組件的溫度：
當溫度影響已經減少管效率例如10%時，在該雷射輸出上的該影響造成一雷射轉移函數變化成雷射輸出=0.9*(1-e-t/τ)，並且可被模擬用於說明，藉由使用也低10%的一DC暫存器值。保持一切相同除了把該DC暫存器值從55，如在圖7A-B中所示模擬中所使用的，降低為50，所得到的結果被示於圖10中。圖10係根據本發明一第三示範模擬的一曲線圖1002。忽略由於漣波效應的誤差，在該25μs脈衝寬度期間，該脈衝振幅下降了該所欲值的11%。這些結果類似於在CO2雷射氣體溫度已上升高於其平衡、非反相的溫 度之後所觀察者。氣體溫度上升係一不可避免的結果，肇因於一CO2雷射的該等離子體形成和粒子數反轉過程和在長時間雷射操作在其間內部溫度不恆定係所欲的期間中使得該等輸出脈衝特性可保持不變的修正。當在一雷射加工操作期間發生這種影響諸如溫度所引起的效率變化時，雷射輸出脈衝的可複製性的改善可藉由主動反饋來在每一個雷射脈衝的遞送過程中連續的調整PWM工作週期。允許這種額外操作模式之一種PWM電路實現被展示於圖11中，其中對僅使用一PWM週期計數器、一DC暫存器、以及一比較器來建構圖8的該PWM電路814之一種不太複雜的PWM實現已做了增加。
圖11係圖8該PWM電路814的一實施例1100的電路圖。在實務中，一高速時脈信號，例如設置為48MHz，被使用於圖11之電路1103、1104、1105、1109、1110、1115和1116的該等時脈輸入。被使用來載入該PWM週期預載暫存器1101和該工作週期預載暫存器1102之該微處理器匯流排被同步於該相同的高速時脈信號。該調變輸入信號，在圖11被標記為MOD_In，被同步到該高速時脈信號，PWM_CLK，利用該正反器1110。該正反器1110的該MODS信號輸出係該MOD_In信號的一個同步版本。MODS被使用作為圖11之各種電路的一控制信號。例如，MODS被使用來把該正反器1114的該輸出設置為數位高和迫使該正反器1115的該輸出CEn為數位高，每當該MOD_In輸入為數位低時。MODS也被連接到該計數器1105的該PLN輸入。每當 MOD_In係數位低時，MODS致使該計數器1105可預載該工作週期預載暫存器1102內容。
此外，該正反器1116被使用來產生如圖8所示的該第一比較器812之該輸出的一同步版本，PCOMPS。PCOMPS被使用作為該計數器1103之該上數/倒數計數器的方向控制輸入。該等計數器1103、1104的該等並列載入致能輸入PLn被連接到信號PLn。每當PLn係數位低時，在該時脈上升邊緣該等計數器1103、1104載入出現在它們各自的「D」輸入。PLn係產生自該MODS信號和該信號TC的反相的該邏輯AND(見在圖11中的正反器1110)。該信號TC也被連接到該查詢表1109。該查詢表1109使用該計數器1103的該等結果和信號TC來控制該計數器1105的該計數致能輸入和計數方向輸入，分別為信號CEn(DC)和UnD(DC)。CEn的(DC)和UnD(DC)被使用來調節該計數器1105的該等輸出，基於每當MODS係數位高時，在TC走向數字高之後在PWM_CLK的下一上升邊緣時計數器1103的內容。在圖11的左下方的該表係該計數器1103的一邏輯表，而在圖11的右下方的該表係該查詢表1109的一邏輯表。多工器1117的該輸出被提供為於圖8中所示該AND閘816的輸入。該多工器1117的該輸出等於PWM_OUT每當CEn係數位低時，每當CEn係數位高時一定為數位高。其他實施例係有可能的。
該計數器1104、該計數器1105、以及該比較器1106係一典型的脈衝寬度調變器的該等三個元件；該計數器元件、該工作週期比較暫存器元件以及該比較器元件分 別類似於上面至少與圖6-8所討論的。該計數器1104和該計數器1105兩者的該等輸出有相同的位元數寬，在本實例中為8位元。當CEn為低時該計數器1104上數。其預載值是在計數器1105的該終端值，此例為255，與以時脈週期為單位之該所欲PWM輸出信號週期之間的差。該計數器1104被預載自PWM週期預載暫存器1101每當該PLn信號係數位低且在該計數器1104的該時脈輸入一上升邊緣發生時。該計數器1105被預載自該工作週期預載暫存器1102只當該MODS為低時。該計數器1105的預載值是在該計數器1104的該終端值與以時脈週期為單位該PWM_OUT信號工作週期其所欲值之間的差。當該等計數器1104、1105的該等輸出分別等於它們的預載值時，該比較器1106的該輸出係數位低，若CEn係數位低關閉該RFPS 104(參照圖1)。當PLn走向數位高且CEn係數位低時，該計數器1104開始上數從其預載值朝向它的最終計數。當該計數器1104的該輸出等於該計數器1105的該輸出時，PWM_OUT變為數位高而該RFPS 104被開啟。每當TC走向數位高且MODS係數位高，PLn走向數位低致使該PWM週期可在TC走向數位高之後下一個PWM_CLK上升邊緣從該計數器1104預載值再次開始。每當CEn係數位高時，該多工器1117的該輸出變為數位高以當MOD_In的下一個上升邊緣時發生時致使RFPS 104開啟。
該計數器1103、該比較器1107、該比較器1108、以及該查詢表1109被使用來在該PWM_OUT信號的每一個週期調整PWM_OUT的該工作週期一次。當PLn為數位低 時，該計數器1103預載十六進制80(十進制128)，並開始計數當PLn走向數位高且CEn係數位低時。基於PCOMPS的該狀態，PCOMPS致使該計數器1103不是上數就是倒數。若在由該PWM週期所限定的該時間間隔期間該檢測器112的該電壓信號114的該平均值正好等於VREF1(參照圖1)，則在該PWM_OUT信號週期期間會產生相同數目的向上和向下計數。在這種情況下，計數器1103的該輸出將是十六進制80當TC下一次變為數位高且該查詢表1109送出CEn(DC)為數位高時，使該工作週期不變。在另一方面，若該檢測器112的該電壓信號114的該平均值不是大於VREF1就是低於VREF1，則當TC下次變為數位高時該計數器1103的該值將不會是十六進制的80。在這兩種之一的情況下，該查詢表1109使用CEn(DC)和UnD(DC)基於該計數器1103的該等輸出內容在該適當的方向中調整該工作週期。進一步地，在當該MOD_In信號係數位低的時段期間中，在圖11中所示的該等計數器全都由PLn被保持在之其預載狀態中。
圖12係圖11該電路之循序操作的一時序圖1202。在該時序圖中所示的是信號MOD_In 1202a、信號PCOMPS 1202b、信號CEn的1202c、信號PLn 1202d、被提供給RFPS 104的信號1202e(例如，如圖1中所示的驅動信號120)、以及該CO2雷射102的一雷射輸出單一(例如，如圖1中所示的雷射脈衝110)。另外參照圖1、圖8、以及圖11，在圖11中的該等電路的循序操作開始在當MOD_In 1202a作出一數位低到數位高的轉變時。當MOD_In 1202a係數位 低時，PCOMPS 1202b係數位高因為該CO2雷射102為OFF、CEn1202c係數位高、PLn 1202d係數位低、以及到該AND閘816的該信號係數位高。當MOD_in 1202a的該上升邊緣在t=0到達，PLn 1202d和MODS兩者都變成數位高讓計數器1103、1104、以及1105被預載。這狀態保持，直到該雷射輸出上升到對應於該第一比較器812的該VREF1輸入的功率為止。在這個時間點上，PCOMPS 1202b變為數位低、CEn1202c變為數位低、以及該計數器1104開始上數。該計數器1104的該輸出小於該計數器1105的該輸出，所以信號1202e變為數位低，關閉了該RFPS 104。當該計數器1104到達該計數器1105的該值時，信號1202e被返回到數位高，把該RFPS 104開啟回來。TC走向數位高當該計數器1104達到其終值並開始該預載且計數器重啟將把信號1202e帶回數位低的事件。在該第一和之後信號1202e之每一個完整的週期，在該信號1202e週期期間該計數器1103量測該雷射功率的平均值，並在下一個週期開始之前視需要的調整該工作週期。在一些實施例中，這個過程一直持續到MOD_In 1202a從數位高轉換到數位低為止，把圖11的該電路返回到在圖11中顯示於t=36μs的該初始化狀態，以及雷射功率開始下降或衰減到零。
圖11該電路的操作又另一種模式被設想為電路1103、1107、1108、以及1109未被利用和電路1105的CEn被綁定為數位高。在這種模式中，在雷射輸出(例如，雷射脈衝110)第一次到達VREF1之後信號1202e工作週期並沒有 做持續的調整。這裡，該計數器1104如上所述的當CEn1202c變為數位低時開始計數，但信號1202e的該工作週期保持固定在由該工作週期預載暫存器1102所決定的該值。這個模式可以，舉例來說，用於短脈衝，其中持續性的雷射功率控制不是必要的，因為該脈衝由該控制器電路116的脈衝能量控制分支或電路或由在MOD_In 1202a的一下降邊緣很快地會被終止。
圖13係根據本發明一第四示範模擬的一曲線圖1302。在圖13所示的該等模擬結果的獲得係當圖8(和圖11)的該PWM電路814被使用且該DC暫存器值比該實際所需值低10%時。忽略漣波影響之該峰谷振幅誤差從11%降低至6%，相比於在圖10曲線圖1002中所示的該資料。
圖11的該電路實際上係一比例-積分-微分(PID)控制器，其具有I=D=0以及有一限制器被使用來把該等工作週期調整限制為每一個PWM週期一個PWM比較暫存器位元。使用另外的暫存器、加法器和組合邏輯替換圖11之該計數器1105和其他元件，可以預期的是該經一般化的PID控制方法可被使用來在雷射輸出脈衝的遞送期間調整該PWM比較值。對圖11中所示該電路的示例改變被圖示於圖14中。圖14係一電路圖，其圖示出對圖11中所示該電路一部分的修改。更具體地說，一比較器1118、一鎖存器1119、一比較器1120、一比較器1121、以及一PID邏輯1122被示出成被納入到如圖11所示之該PWM電路814該實施例1100中。在如圖13相同模擬試驗的情況下使用P=D=2，該脈衝 振幅誤差(再次地忽略該漣波項)會被進一步地降低至3.5%，如圖15所示。
圖15係根據本發明一第五示範模擬的一曲線圖1502。在一般的情況下，P、I、和D係數被實現為主機介面命令(參見在圖8中的主電腦介面802)和對應的記憶體映射暫存器(參見在圖8中的微處理器810)。可被預期的是這些係數可被使用來組配進一步的數個模式，包含有平均功率控制模式，在效果上可被使用來產生恆定功率之任意長的脈衝，或者在該VREF1控制暫存器值的控制下故意變化的功率，具有主要取決於該雷射本身之該上升時間的建立時間，並且由該MOD_In信號所控制的開始時刻。如圖8所示該控制器電路116的該調變資料路徑因此提出了一種通用的使用者介面和不複雜的命令集，其可被使用來產生任意長的雷射輸出脈衝，和操作在CO2雷射的整個工作領域中，從該高速脈衝領域到RF泵浦CO2雷射的該虛擬連續波(CW)領域。使用調變資料路徑虛擬CW操作被獲得在控制的功率水平係藉由發送如上述的該等P命令和在該脈衝能量積分器禁用的情況下或等效的為該控制器電路116之該脈衝能量分支或電路被禁用的情況下在該MOD_In信號上的一上升邊緣。取決於該工序類型(例如，切割、退火、等等)，最佳權衡存在於該平均輸出功率和該漣波程度之間，其在某些加工過程中可以是類似於在一鋸條中鋸齒數目的該選擇。當平均功率和峰值對平均功率比和脈衝頻率為使用者可用的獨立控制項時，一些工序可產生較優異的結果。在 一種如上所述的方式，當該PID係數和該PWM週期暫存器兩者都是控制項被提供給機器工具設計者和技師來使用時，這種靈活性可被最佳化。藉由有意的降低該PWM週期和由使用適當的PID係數，更高或更大的峰均比可被實現。
如以上所述，檢測和通知操作員有一由於老化和其他機制的退化係本發明的一目的。圖16A係圖1該設備之該氣體相依性反應的一第一曲線圖。圖16B係圖1該設備之該氣體相依性反應的一第二曲線圖。特別的是，圖16A的曲線圖1602a和曲線1602b圖示出對於一單一20μs驅動信號(例如，驅動信號120)的該雷射響應，在該CO2雷射102的該增益媒體或氣體中的一改變之前(曲線1602a)和之後(曲線1602b)。類似的，圖16B所示的曲線1608a和曲線1608B圖示出回應於一命令信號1612的一雷射脈衝串1610，即10個雷射脈衝的序列每一個脈衝有20μs的持續時間，由圖1該設備100的該CO2雷射102輸出，在該CO2雷射102的該增益媒體或氣體中的一改變之前(曲線1608a)和之後(曲線1608b)。可以預期的是該CO2雷射102輸出之一特定雷射脈衝或脈衝序列的該形狀或形式可以作為一指標來判定何時應該執行預防性維護。自動指出何時應該進行預防性維護對於昂貴的、無計劃的雷射機具停機時間來說係一有價值的替代。
例如，如圖16A的曲線1602a和曲線1602b所示，當該CO2雷射102的增益媒體或氣體被新更換或更新時，在該命令信號1606的該前邊緣和該雷射脈衝1604的該前邊緣之間的該延遲被降低。可被設想的是這種延遲可能被使用 作為一度量來判定何時該CO2雷射102的該增益媒體或氣體應被更換。例如，使用圖曲線1602b所示的該延遲作為一基線，當該延遲增加了一對應於在曲線1602a的該發射延遲和1602b的該發射延遲間差的½或50%的量時，可由圖1該控制器電路116產生一維護信號以自動排程用於預防性維護該CO2雷射102的一日期/時間。然而，可被設想的是這種「延遲」準則可被單獨使用或與一或多個其他準則一起使用來判定何時該CO2雷射102的預防性維護應被執行。
作為另一示例，如圖16A的曲線圖1602a和曲線圖1602b所示，當該CO2雷射102的增益媒體或氣體被新更換或更新時，該雷射脈衝1604的該上升時間被縮短。可被設想的是這種上升時間可能被使用作為一度量來判定何時該CO2雷射102的該增益媒體或氣體應被更換。例如，使用圖曲線1602b所示的該上升時間作為一基線，當該上升時間已減少到一接近但仍低於一已知將有害於特定類型的雷射機具性能品質量的上升時間值時，可由圖1該控制器電路116產生一維護信號以自動排程用於預防性維護該CO2雷射102的一日期/時間。然而，可被設想的是這種「上升時間」準則可被單獨使用或與一或多個其他準則一起使用來判定何時該CO2雷射102的預防性維護應被執行。
又作為另一示例，如圖16A的曲線圖1602a和曲線圖1602b所示，當該CO2雷射102的增益媒體或氣體被新更換或更新時，該雷射脈衝1604處於峰值脈衝功率的該時間量被延長。可被設想的是這種時間量可能被使用作為一度 量來判定何時該CO2雷射102的該增益媒體或氣體應被更換。例如，使用圖曲線1602b所示之該雷射脈衝1604處於峰值脈衝功率的該時間量作為一基線，當該時間量已減少到一接近但仍高於一已知將有害於特定類型的雷射機具性能品質量的時間量值時，可由圖1該控制器電路116產生一維護信號以自動排程用於預防性維護該CO2雷射102的一日期/時間。然而，可被設想的是這種「時間量」準則可被單獨使用或與一或多個其他準則一起使用來判定何時該CO2雷射102的預防性維護應被執行。
作為又一另一示例，如圖16A的曲線圖1602a和曲線圖1602b所示，當該CO2雷射102的增益媒體或氣體被新更換或更新時，該雷射脈衝1604的該下降時間被縮短。可被設想的是這種下降時間可能被使用作為一度量來判定何時該CO2雷射102的該增益媒體或氣體應被更換。例如，使用圖曲線1602b所示的該下降時間作為一基線，當該下降時間已減少到一接近但仍低於一已知將有害於特定類型的雷射機具性能品質量的下降時間值時，可由圖1該控制器電路116產生一維護信號以自動排程用於預防性維護該CO2雷射102的一日期/時間。然而，可被設想的是這種「下降時間」準則可被單獨使用或與一或多個其他準則一起使用來判定何時該CO2雷射102的預防性維護應被執行。
又作為一另一示例，如圖16A的曲線圖1602a和曲線圖1602b所示，當該CO2雷射102的增益媒體或氣體被新更換或更新時，在該雷射脈衝1604該曲線下的該面積，或 等效地由該雷射脈衝1604所遞送能量的該量被增加。可被設想的是在該雷射脈衝1604該曲線下的該面積可被使用作為一度量來判定何時該CO2雷射102的該增益媒體或氣體應被更換。例如，使用圖曲線1602b所示之在該雷射脈衝1604該曲線下的該面積作為一基線，當該面積已減少一預定的量時，可由圖1該控制器電路116產生一維護信號以自動排程用於預防性維護該CO2雷射102的一日期/時間。然而，可被設想的是這種「該曲線下的面積」準則可被單獨使用或與一或多個其他準則一起使用來判定何時該CO2雷射102的預防性維護應被執行。
在某些應用中，可能希望使用該命令信號118，或等效的該Mod_In信號，來傳送脈衝參數目標值，諸如脈衝能量，在一種脈衝到脈衝的基礎上。傳統上，CO2雷射機具使用類似於該命令信號118之一信號的寬度藉由使用嘗試錯誤法來調整脈衝能量到最佳值。該脈衝參數電路604可以提供如所本文中所討論之同時做脈衝能量控制和瞬間功率控制的優點其被最佳化用於向後相容性於使用該命令信號的該脈衝寬度來控制該雷射輸出之機具。具體而言，該脈衝參數電路604可讓瞬間脈衝功率和脈衝定時如以上所述的被控制，但是，脈衝到脈衝的能量可以使用該命令信號118的該脈衝寬度來被傳送，如以下所說明。
該脈衝參數電路604被插入到如圖6中所示之該命令信號118的該路徑中。對於操作的這種選項模式該命令信號118不傳給該AND閘216而是被替換為一預定的寬度的 脈衝，Ttimer，其將在下面做進一步詳細的討論。在實務中，該脈衝Ttimer的該預定寬度係由來自圖8的該微處理器810的寫入來控制且持續時間要比讓一雷射脈衝可達到該所欲脈衝能量值之一期望的必要寬度要長。如在圖17中所示的一計時器電路1701產生這個脈衝係使用該經同步的命令信號，MODS，其係由圖11的該正反器1110所產生，以及該PWM_CLK時脈信號。該脈衝參數電路604的目的是要直接從脈衝寬度編碼的能量命令傳送脈衝到脈衝的能量目標值。例如，5μs的脈衝寬度可被使用來對應於100mJ的一滿刻度的脈衝能量值(例如，所欲的脈衝能量=100mJ*PW[μs]/5[μs])。選擇一相對低滿刻度值諸如5μs讓一使用者可以及時傳送出該所欲的脈衝寬度來在一脈衝一脈衝的基礎上建立該控制電路，同時仍然允許有必要於高吞吐量之短的脈衝週期。該脈衝參數電路604的一示例實現方式將結合圖17進行討論。
圖17係圖6該脈衝參數電路604之一實施例1700的電路圖。該經同步的命令信號，MODS，如以上所討論的被使用來控制該定時器電路1701、一時間間隔計數器1702(其中一正反器1705的該Q輸出被提供為該間隔計數器1702的輸入)、以及一下降邊緣檢測器1704。當該時間間隔計數器1702在該命令信號118的該脈衝寬度中已完成計數該PWM_CLK週期數時，該下降邊緣檢測器1704致使該時間間隔計數器1702的該值被鎖存住。系統單晶片裝置諸如PSoC5LP具有DMA控制器其與微處理器共享資料匯流排和 仲裁在該匯流排上的流量。可被預期的是該PS0C5LP DMA傳輸可以被設計成每當該記憶體映射暫存器的內容被更新時從一記憶體映射的暫存器啟動傳輸。該DMA傳輸目的地可被指定為另一記憶體映射暫存器，諸如由圖8所示之該微處理器810所使用的暫存器以控制如圖6所示之該比較器參考電壓VREF2。該DMA傳輸通常可發生具小於1μs的延遲，以小於1μs的不確定性使用一般可用的時脈速度和透過規劃該DMA控制器可給予較高的優先權給暫存器到暫存器的傳輸，高於常規的微處理器流量。
該PWM_CLK頻率和滿刻度命令信號脈衝寬度決定該計數器的大小。例如，以5μs對應於滿刻度脈衝能量和一48MHz時脈，一8位元計數器可被使用，如公式3所示：
在實務中，由本發明的該控制器電路116和該脈衝參數電路604所提供的該操作序列可以包括或包含有以下步驟：(1)該命令信號118的一上升邊緣開啟該RFPS 104；(2)該命令信號118的該尾接邊緣或下降邊緣傳輸一個以PWM_CLK週期為單位的一命令脈衝寬度測量給一暫存器；(3)該暫存器更新啟動該命令信號脈衝寬度值的傳送給一記憶體映射暫存器，該記憶體映射暫存器控制被用來設置該VREF2信號的該DAC(參見圖6)。因為(1)-(3)可能被完成在由該CO2雷射102所輸出之一雷射脈衝啟動或開始上升之前，因為在大多數情況下，該CO2雷射102不會早於由該RFPS 104所提供之一RF振幅脈衝的該開始之後5μs產生雷 射，每一個新的脈衝能量目標值出現在該第二比較器212的輸入(參見圖6)在該第二比較器212啟動該第二正反器214以時脈激勵一數位低因此致使該AND閘216終止供給該驅動信號120之前。該脈衝參數電路604阻止該使用者使用該命令信號118的下降邊緣來傳送預期的脈衝持續時間。用於傳送此值的該信號路徑係透過圖8的該微處理器810至圖17的該定時器電路1701，以及如先前所述的當在一預期時間間隔內該CO2雷射102未能輸出該目標脈衝能量時，檢測的非複雜方法被保留。可替代地，以相同於如以上所述使用該命令信號脈衝寬度在一脈衝一脈衝的基礎傳送脈衝能量的方式，該同樣的方法可用於傳送脈衝瞬間功率。在這個替代方案中，不同脈衝縮放被使用來表示功率且DMA傳輸的該目的地從控制VREF2的該暫存器改變成控制VREF1的該暫存器。脈衝能量係使用該微處理器傳送。
從該揭露用於在一雷射脈衝的該遞送期間中同時監測峰值脈衝功率和脈衝能量的控制方案所流露出的益處及/或優點可以從上述討論結合附圖來獲得。例如，本發明的該控制器電路116可以迅速地獲得經最佳化的雷射控制演算法或配方，並顯著減少嘗試錯誤時間，減少或消除廢料，以及加速新的機器控制配方和新的基於雷射的材料加工系統的問市場時間。這些材料加工模式包括鑽孔、切割、劃片、成形和退火，所有的這些都可能需要從機器到機器和從時刻到時刻的可再製的雷射脈衝功率、脈衝能量、脈衝形狀、和脈衝定時。此外，本發明的該控制器電 路116可以使雷射操作模式擴展該脈衝操作領域，舉例來說約10μs到1000μs脈寬，一直到虛擬連續波領域都是在如上所述該雷射設備的操作範圍內。此外，這些雷射工作模式可被即時地和連續地混合和從一個改變到另一個，使得對時間之雷射輸出的一資料檔可以被任意且容易地由使用者操作者來指定，並同步到該材料處理機器狀態。
此外，本發明的該控制器電路116可以啟用脈衝的可重複序列：在一氣體放電雷射的改變熱狀態的期間；在該加工機器本身的系統變化期間，即，外部於該氣體放電雷射之機械組件的變化；在機器運行期間以一種系統式的和可重複式的方式做變化的工件特徵。此外，本發明的該控制器電路116可以啟用一雷射控制使用者介面，該介面基於一種使用最少、定制固線式控制信號之自然的、不複雜的脈衝特性描述語言。此外，本發明的該控制器電路116可自動地調整雷射老化的機制，該老化的機制改變把該等輸出脈衝特性關聯到該雷射控制輸入的轉移函數。這種老化的機制可以，例如，需要週期性的程序調整用於被降低的雷射輸出功率效率。這種程序可能是昂貴的停機時間，當這種程序不是以一種定期的基礎來執行時，會變得更加的昂貴。以非計劃停機時間和廢料該形式的成本會迅速地超過由本發明所解釋的該等方法使其更容易的預防性維護程序的成本。此外，本發明的該控制器電路116可以自動地檢測何時雷射老化條件已如此到需要週期性的預防性維護程序和當這種程序被需要提前以防止突然或不定期的停機 時間時可通知該使用者。
雖然只有特定的示例性實施例已在以上被詳細地描述，本領域的習知技藝者將容易地體認到在該等示例性實施例中許多的修改是有可能的，而且本質上不脫離本發明的新穎性教示和優點。以上所揭露之實施例的方面可以用其他的組合方式來組合，以形成另外的實施例。所有的這些修改旨在被包含在本技術的範圍之內。
100‧‧‧氣體放電雷射設備
102‧‧‧CO2雷射
104‧‧‧RFPS
106‧‧‧分束器
108‧‧‧樣本
110‧‧‧雷射脈衝
112‧‧‧檢測器
114‧‧‧電壓信號
116‧‧‧控制器
118‧‧‧命令信號
120‧‧‧驅動信號

Claims (22)

  1. 一種氣體放電雷射系統，其包含有：一氣體放電雷射；耦合到該氣體放電雷射並被組配成基於一驅動信號來激勵該氣體放電雷射的一RF(射頻)電源；組配來取樣該氣體放電雷射之一雷射脈衝輸出並產生代表該雷射脈衝瞬間功率之一檢測信號的一檢測器；組配來提供該雷射脈衝之一樣本給該檢測器的一分束器；以及耦合到該檢測器的一控制器；該控制器包含有：一能量控制電路，其被組配來監測由該氣體放電雷射輸出之該雷射脈衝的累積能量並基於該檢測信號，該能量控制電路被組配成輸出一能量信號來指出何時該雷射脈衝的積累能量已達到一能量臨界值；一功率控制電路，其被組配成基於該雷射脈衝的一目標瞬間功率和該檢測信號輸出一調變信號；以及一驅動控制電路，其被耦合到該能量控制電路和該電源控制電路，該驅動控制電路被組配為輸出該驅動信號，其中該驅動控制電路被組配成基於該調變信號來調變該驅動信號當該能量信號指出累積的能量低於該能量臨界值時，並關閉該驅動信號當該能量信號指出累積的能量大於該能量臨界值時。
  2. 如請求項1之系統，其中該驅動控制電路被組配來接收一指出何時該驅動控制電路將開始調變該驅動信號的命令信號。
  3. 如請求項2之系統，其中該控制器被組配來輸出一誤差信號或一維護信號，若由該命令信號所指出的一時間週期結束時累積的能量小於該能量臨界值。
  4. 如請求項1之系統，其中該控制器被組配來輸出一雷射脈衝參數，以及當該雷射脈衝參數係於合規性之外時輸出一誤差信號或一維護信號。
  5. 如請求項1之系統，其中該功率控制電路被組配來輸出該調變信號，使得該雷射脈衝的該瞬間脈衝功率被保持在該目標瞬間功率的10%之內。
  6. 如請求項1之系統，其中該功率控制電路被組配來以選自包含在250kHz至750kHz之間一範圍內的頻率輸出該調變信號，其中該雷射脈衝的瞬間脈衝功率在該目標瞬間功率周圍值之一範圍內波動，其中該值範圍的該大小反比於該頻率。
  7. 一種用於一雷射的控制器，其包含有：一能量控制電路，其被組配來監測由該雷射輸出之一雷射脈衝的累積能量並基於代表該雷射脈衝之衝瞬間功率的一檢測信號，該能量控制電路被組配成輸出一能量信號以指出何時該雷射脈衝的積累能量已達到一能量臨界值；一功率控制電路，其被組配成基於該雷射脈衝的一 目標瞬間功率和該檢測信號輸出一調變信號；以及一驅動控制電路，其被耦合到該能量控制電路和該功率控制電路，該驅動控制電路被組配來輸出用於該雷射的一驅動信號，其中該驅動控制電路被組配成當該能量信號指出累積的能量低於該能量臨界值時基於該調變信號來調變該驅動信號，並當該能量信號指出累積的能量已達該能量臨界值時關閉該驅動信號。
  8. 如請求項7之控制器，其中該驅動控制電路被組配來接收一指出何時該驅動控制電路將開始調變該驅動信號的命令信號。
  9. 如請求項8之控制器，其中該控制器被組配來輸出一誤差信號或一維護信號，若由該命令信號所指出的一時間週期結束時累積的能量小於該能量臨界值。
  10. 如請求項7之控制器，其中該控制器被組配來輸出一雷射脈衝參數，以及當該雷射脈衝參數係於合規性之外時輸出一誤差信號或一維護信號。
  11. 一種用於操作一氣體放電雷射的方法，其包含有：檢測一命令以由該氣體放電雷射啟動一雷射脈衝的輸出；回應於檢測到該命令，提供一信號給該氣體放電雷射以由該氣體放電雷射啟動一雷射脈衝的輸出；監測由該氣體放電雷射輸出之該雷射脈衝的累積脈衝能量；在該監測期間，基於該雷射脈衝的一目標瞬間脈衝 功率調變提供給該氣體放電雷射的該信號；以及終止提供給該氣體放電雷射的該信號以回應於判定由該氣體放電雷射輸出之該雷射脈衝的累積脈衝能量已達到一能量臨界值。
  12. 如請求項11之方法，其中調變提供給該氣體放電雷射的該信號包含有調變該信號，使得該雷射脈衝的瞬間脈衝功率被保持在該目標瞬間功率的10%之內。
  13. 如請求項11之方法，更包含有：判定在與該命令相關聯之一命令信號的一前緣和該雷射脈衝的一上升邊緣之間的一時間延遲；以及回應於判定該時間延遲大於或等於一預定值，輸出一錯誤信號或一維護信號。
  14. 如請求項11之方法，更包含有：測量該雷射脈衝的一脈衝參數；以及回應於判定該脈衝參數係於該脈衝參數的一限制之外，輸出一錯誤信號或一維護信號。
  15. 如請求項14之方法，其中該脈衝係參數係該雷射脈衝的一下降時間、該雷射脈衝的一上升時間、該雷射脈衝的瞬間脈衝功率達到一臨界值的一時間量、或該雷射脈衝的累積脈衝能量達到該能量臨界值的一時間量。
  16. 如請求項11之方法，更包含有：以一選自包含在250kHz至750kHz之間一範圍內的頻率調變該信號，其中該雷射脈衝的瞬間脈衝功率在該目標瞬間功率周圍值之一範圍內波動，其中該值範圍的 該大小反比於該頻率。
  17. 如請求項11之方法，更包含有：載入用於該雷射脈衝的一第一參數設定檔，其中調變該信號係基於來自該第一參數設定檔中的至少一個脈衝參數。
  18. 如請求項11之方法，更包含有：測量數個描述該雷射脈衝之形狀或形式的參數；以及記錄該等數個測得的參數，其中該等被記錄之數個測得的參數包含有確認該雷射脈衝的一指示。
  19. 如請求項11之方法，其中調變該信號包含有基於該氣體放電雷射之瞬間熱特性的一工作週期來調變該信號。
  20. 如請求項11之方法，更包含有：計算數個脈衝寬度調變值，各自基於與該氣體放電雷射相關聯的一校準值和一獨一無二之峰值脈衝功率與脈衝能量臨界值對；把該等數個脈衝寬度調變值儲存在一陣列中；以及藉由根據該等數個脈衝寬度調變值中之一特定值調變該信號來產生該雷射脈衝。
  21. 如請求項11之方法，更包含有：終止該信號以回應於檢測到要停止該雷射脈衝的輸出的一命令。
  22. 如請求項11之方法，更包含有回應於判定由該氣體放電雷射所輸出之該雷射脈 衝的累計脈衝能量尚未在終止該信號之前達到該能量臨界值，輸出一誤差信號或一維護信號。
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