TWI403376B - 等能量脈波同步運動之雷射裝置 - Google Patents

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Description

等能量脈波同步運動之雷射裝置
本發明係有關於一種雷射裝置，特別是一種等能量脈波同步運動之雷射裝置。
雷射之用途廣泛，在工業應用可作為雕刻(marking)、刻劃(scribing)、破裂(fracturing)等加工用途。為上述用途之雷射加工裝置之設計，往往在於追求雷射共振腔能有高品質的光束輸出，而追求雷射物理上的性能規格。
然而，共振腔中激勵源因功率之需求必須時而調整，造成共振腔中熱平衡不穩定，而共振腔內組件產生熱飄移現象，使得雷射輸出能量不穩定。
再者，共振腔內品質開關(Q-switch)隨輸出脈波之頻率變化而調整開關頻率，造成能量累積輸出不穩定，使得共振腔內熱平衡維持不易，亦影響雷射輸出能量之穩定度。
又，雷射加工時，通常配合運動系統，而使雷射與加工件間相對移動而達到雕刻、切割等加工。因此，雷射觸發與運動系統之間若不同步，將產生隨機的加工落點不穩定，而影響加工之品質。
現有的雷射裝置仍無法維持穩定的能量輸出且雷射觸發與運動控制不同步。鑑於上述問題，本發明之目的在於提供一種等能量脈波同步運動之雷射裝置，藉此有利於雷射加工品質之提升。
本發明提供一種等能量脈波同步運動之雷射裝置，包含共振腔、光束開關調制器、光束能量調制器、光功率感測器、光回授控制器、觸發控制器及運動控制器。
共振腔輸出脈寬時間及能量穩定之複數個脈波(Pulse)。光束開關調制器選擇性地讓共振腔輸出之該些脈波其中之一通過。光束能量調制器依據一功率回授信號調整通過光束開關調制器之脈波能量後，輸出脈波以進行加工。光功率感測器感測光束能量調制器輸出之脈波之能量及脈寬時間。光回授控制器電連接於光功率感測器及光束能量調制器之間，依據一加工運動資訊及光功率感測器感測之能量，而輸出功率回授信號至光束能量調制器。其中，加工運動資訊包含脈波與加工件之相對運動參數。觸發控制器電連接至光功率感測器及光束開關調制器。觸發控制器觸發光束開關調制器開啟並量測自觸發至光功率感測器檢測到脈波之一時間差，並根據該時間差與加工運動資訊而校正光束開關調制器開啟時間點。運動控制器電連接至光回授控制器及觸發控制器，傳送加工運動資訊至光回授控制器及觸發控制器。
透過本發明，因共振腔維持熱平衡而可穩定輸出固定能量之脈波，並藉由共振腔外的光束開關調制器依所需求之頻率選擇脈波使其通過，達到等能量輸出雷射脈波之功效。且配合運動系統補償脈波觸發至輸出間的時間差，而可準確於預設加工處進行加工。
以下舉出具體實施例以詳細說明本發明之內容，並以圖式作為輔助說明。說明中提及之符號係參照圖式符號。
請參照第1圖所示，係為本發明實施例之雷射裝置示意圖，用以揭示雷射裝置100與加工件200進行加工時之實際位置關係。雷射裝置100包含雷射模組110、運動平台120、控制台130、電源模組140及冷卻模組150。
如第1圖所示，雷射模組110包含雷射光路112及雷射頭114。雷射光路112用以生成雷射光。雷射頭114用以輸出該雷射光而進行加工。運動平台120承載加工件200，並可水平及垂直移動加工件200，而使加工件200與雷射光相對運動，進行雕刻、切割等加工。控制台130用以設定有關雷射模組110之雷射參數以及有關運動平台120之運動參數。並且，控制台310亦用以控制冷卻模組150。電源模組140用以提供雷射模組110與控制台130所需電力。冷卻模組150連接至雷射模組110，用以對雷射模組110進行降溫。冷卻模組150較佳地可包含電子致冷器(Thermoelectric cooling,TEC)、水冷器、冷氣壓縮機或其組合，用以作為恆溫控制。
請參閱第2圖所示，係為本發明實施例之方塊示意圖。等能量脈波同步運動之雷射裝置100用以對加工件200進行加工。雷射裝置100包含共振腔310、光束開關調制器320、光束能量調制器330、光功率感測器340、光回授控制器350、觸發控制器360及運動控制器370。較佳地，共振腔310、光束開關調制器320、光束能量調制器330、光功率感測器340、光回授控制器350及觸發控制器360位於第1圖之雷射模組110中；運動控制器370位於第1圖之運動平台120。
請參閱第3圖所示，係為本發明實施例中共振腔310之方塊示意圖，係以半導體雷射為例。共振腔310包含雷射二極體311、雷射晶體312、品質開關(Q-switch)313及倍頻模組314。較佳地，雷射二極體312為二極體陣列；品質開關313實質為聲光調制器(Acoustic-Optic Modulator)；倍頻模組314包含至少一非線性晶體，舉例而言，透過倍頻晶體3141與和頻晶體3142之組合，可將雷射頻率轉變為原頻率的三倍。品質開關313可觸發共振腔310輸出脈波(Pulse)300，並決定脈波300之脈寬時間，因此，共振腔310可持續輸出脈寬時間相同之複數個脈波300。此外，透過讓共振腔310內維持熱平衡，可使共振腔310內組件不會有因熱飄移而造成脈波300功率不穩定之情形。藉此，每一脈波300之能量可保持穩定。於此，脈波300實質可為脈衝雷射光、近連續波雷射或長脈衝雷射光。
請參閱第3圖所示，共振腔310中更包含孔徑光柵315，位於品質開關313與倍頻晶體3141之間，用以產生單模態之脈波300，可避免脈波300因多模態造成之功率變化，使脈波300能量更為穩定。然，此領域中具有通常知識者應可理解，使脈波300為單模態可滿足高品質之加工需求，然本發明之脈波300若為多模態，亦足以產生穩定的輸出。此外，共振腔310內各組件之間更可具有光纖316及包含複數個透鏡之光路鏡組317，藉以調制光路。
為保持說明的流暢，有關共振腔310如何維持熱平衡，將留待第4圖進行說明。以下將繼續說明第2圖中除共振腔310外之其餘組件。
請復參閱第2圖所示，光束開關調制器320接收共振腔310輸出之複數脈波300，並選擇性地讓其中之一脈波300通過光束開關調制器320。於此，光束開關調制器320可為聲光調制器或電光調制器(Electro-Optic Modulator)。藉此，透過穩定能量輸出之共振腔310，配合共振腔310外部之光束開關調制器320，可隨需求生成脈波300外，該些脈波300之能量更可維持穩定。
如第2圖所示，光束能量調制器330依據一功率回授信號352調整通過光束開關調制器320之脈波300之能量後，雷射裝置100輸出脈波300以對加工件200進行加工。於此，雖前述共振腔310透過熱平衡控制使共振腔310輸出之脈波300能量穩定。但實際上，因共振腔310內各組件本身的穩定度限制，使得由共振腔310輸出之脈波300其能量仍有約3%至5%之變化幅度。故需另透過光束能量調制器330細部微調光束開關調制器320輸出之脈波300之能量。光束能量調制器330具有高位元數位類比電路，可進行高精度控制。光束能量調制器330較佳地可為聲光調制器。經由光束能量調制器330微調脈波300之能量，雷射裝置100輸出之每一脈波300均能維持相同的能量水準。
於此，雷射裝置100更包含第一分光鏡380，用以分光由光束能量調制器330輸出之脈波300，而分別由光功率感測器340及加工件200接收。使得脈波300對加工件200進行加工同時可透過光功率感測器340感測脈波300之能量及脈寬時間。較佳地，第一分光鏡380實質可為偏振器，特別是圓極化鏡，將脈波300圓極化(Circular polarization)而輸出至加工件200，使得脈波300之光斑及其能量分佈均勻。此外，雷射裝置100更包含複數個反射器(Reflectors)390，用以形成光路徑，以利於脈波300行進。
如第2圖所示，運動控制器370電連接至光回授控制器350。光回授控制器350電連接於光束能量調制器330及光功率感測器340之間。運動控制器370用以傳送一加工運動資訊372至光回授控制器350及觸發控制器360。加工運動資訊372包含脈波300與加工件200之相對運動參數，實質可為脈波300與加工件200之相對位置、相對運動速度、相對加速度或熟悉此技術者可輕易思及具有可表達二者運動關係之參數。光功率感測器340感測輸出之脈波300功率，而傳送有關脈波300功率之功率訊息342至光回授控制器350。
因此，光回授控制器350可依據功率訊息342及加工運動資訊372，而輸出功率回授信號352至光束能量調制器330。據此，使光束能量調制器330由功率回授信號352得知脈波300實際輸出功率及實際加工運動情形，據以調整脈波300功率。
如第2圖所示，運動控制器370電連接至觸發控制器360。觸發控制器360電連接至光束開關調制器320及光功率感測器340。觸發控制器360用以觸發光束開關調制器320開啟，並量測自觸發到光功率感測器340檢測到脈波300之時間差。觸發控制器360根據該時間差與之加工運動資訊372，而校正光束開關調制器320開啟時間點。藉此，可達到加工與運動同步之功效，特別是運動速度變化時。
舉例而言，當運動速度變慢時，若無上述加工與運動同步機制，加工脈波300將加工於原預定加工處之前；若透過上述加工與運動同步機制，可藉由光束開關調制器320暫時關閉，根據前述觸發至輸出之時間差，預估雷射頭114與加工件200之相對運動將運動至原預定加工處之前，觸發控制器360觸發光束開關調制器320開啟，而輸出脈波300以進行加工。
請參閱第4圖所示，係為本發明實施例之另一方塊示意圖，係除第2圖所揭示之外，更包含第二分光鏡410、光束偵檢器(Beam profiler)420、光束品質控制器430、選波器440、虛負載(Dummy load)450及反射器460。
如第4圖所示，複數個反射器460形成光路徑，以利於脈波300行進。第二分光鏡410用以接收共振腔310輸出之脈波300，並分光大部分脈波300行經反射器460而至光束開關調制器320；分光小部分脈波300至光束偵檢器420。光束偵檢器420用以檢測該脈波300之光形，經由統計分析光形及損耗而取得至少一光品質參數。光束品質控制器430電連接光束偵檢器420，並依據光品質參數而調校共振腔310。更確切的說，光束品質控制器430根據光品質參數調整共振腔310內雷射二極體311、雷射晶體312、品質開關313等組件，以預先補償雷射之損耗，而可使共振腔310產生穩定能量且光斑品質良好之脈波300。
除此之外，請合併參照第1圖及第4圖所示，光束品質控制器430亦監測及控制共振腔310內溫度。藉由感測共振腔內各組件之溫度，結合冷卻模組150進行降溫，而使共振腔310內達到熱平衡而維持恆溫，以維持共振腔310內各組件處於最佳特性之溫度範圍內。較佳地，最佳特性之溫度範圍為攝氏22度，然本發明並非以此為限，可視實際加工需求進行調整。
請續參照第4圖所示，選波器440位於光束開關調制器320與光束能量調制器330之間。脈波300行經光束開關調制器320後，由選波器440選擇僅脈波300之P波(Parallel wave,P-wave)與S波(Perpendicular,S-wave)其中之一通過選波器440而到達光束能量調制器330。藉此，可依照加工件200之材料吸收特性而選擇P波或S波，以滿足加工需求。
此外，因共振腔310首次觸發之脈波300能量將會比設定值大，選波器440更可於首波脈波300進行時，與光束開關調制器320協作運用，而使首次觸發之脈波300不輸出。舉例而言：若光束開關調制器320為電光開關。光束開關調制器320使脈波300之S波通過而輸出至選波器440。選波器400使該脈波300之S波由經一分路徑抵達虛負載450而被吸收。藉此，首波脈波300可不輸出而維持加工品質。於此，上述選波僅為舉例，本發明並非以此為限。本領域具有通常知識者應可理解光束開關調制器320與選波器之選波可經由控制選擇通過脈波為P波或S波。
綜上所述，本發明之功能在於穩定雷射輸出之能量，並透過與運動同步而觸發雷射。使得每一經事先調制所產生之雷射脈波均攜帶相同能量，而作用於定點位置。藉此，本發明可穩定加工品質，而可應用於各雷射工業製程。
雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．雷射裝置
110．．．雷射模組
112．．．雷射光路
114．．．雷射頭
120．．．運動平台
130．．．控制台
140．．．電源模組
150．．．冷卻模組
200．．．加工件
300．．．脈波
310．．．共振腔
311．．．雷射二極體
312．．．雷射晶體
313．．．品質開關
314．．．倍頻模組
3141．．．倍頻晶體
3142．．．和頻晶體
315．．．孔徑光柵
316．．．光纖
317．．．光路鏡組
320．．．光束開關調制器
330．．．光束能量調制器
340．．．光功率感測器
342．．．功率訊息
350．．．光回授控制器
352．．．功率回授信號
360．．．觸發控制器
370．．．運動控制器
372．．．加工運動資訊
380．．．第一分光鏡
390．．．反射器
410．．．第二分光鏡
420．．．光束偵檢器
430．．．光束品質控制器
440．．．選波器
450．．．虛負載
460．．．反射器
第1圖為本發明實施例之雷射裝置示意圖。
第2圖為本發明實施例之方塊示意圖。
第3圖為本發明實施例中共振腔之方塊示意圖。
第4圖為本發明實施例之另一方塊示意圖。
100．．．雷射裝置
200．．．加工件
300．．．脈波
310．．．共振腔
320．．．光束開關調制器
330．．．光束能量調制器
340．．．光功率感測器
342．．．功率訊息
350．．．光回授控制器
352．．．功率回授信號
360．．．觸發控制器
370．．．運動控制器
372．．．加工運動資訊
380．．．第一分光鏡
390．．．反射器

Claims (9)

  1. 一種等能量脈波同步運動之雷射裝置，包含：一共振腔，輸出脈寬時間及能量穩定之複數個脈波；一光束開關調制器，選擇性地讓該共振腔輸出之該些脈波其中之一通過；一光束能量調制器，依據一功率回授信號調整通過該光束開關調制器之該脈波之能量後，輸出該脈波以進行加工；一光功率感測器，感測該光束能量調制器輸出之該脈波之能量及脈寬時間；一光回授控制器，電連接於該光功率感測器及該光束能量調制器之間，依據一加工運動資訊及該光功率感測器感測之能量，而輸出該功率回授信號至該光束能量調制器，其中，該加工運動資訊包含該脈波與該加工件之相對運動參數；一觸發控制器，電連接至該光功率感測器及該光束開關調制器，該觸發控制器觸發該光束開關調制器開啟並量測自觸發至該光功率感測器檢測到該脈波之一時間差，並根據該時間差與加工運動資訊而校正該光束開關調制器開啟時間點；及一運動控制器，電連接至該光回授控制器及該觸發控制器，傳送該加工運動資訊至該光回授控制器及該觸發控制器。
  2. 如請求項1之雷射裝置，更包含：一光束偵檢器，檢測該共振腔輸出之該脈波之光形而取得至少一光品質參數；及 一光束品質控制器，依據該至少一光品質參數而調校該共振腔，並且，控制該共振腔內溫度，而使該共振腔內達到熱平衡。
  3. 如請求項1之雷射裝置，其中，該共振腔更包含至少一非線性晶體。
  4. 如請求項1之雷射裝置，其中，該共振腔更包含一孔徑光柵，使該脈波為單模態。
  5. 如請求項1之雷射裝置，其中，該共振腔更包含一品質開關，該品質開關為聲光調制器。
  6. 如請求項1之雷射裝置，其中，該光束開關調制器係選自聲光調制器及電光調制器之群組。
  7. 如請求項1之雷射裝置，其中，該光束能量調制器為聲光調制器。
  8. 如請求項1之雷射裝置，更包含：一偏振器，將該光束能量調制器輸出之該脈波圓極化後輸出至該光功率感測器。
  9. 如請求項1之雷射裝置，更包含：一選波器，位於該光束開關調制器與該光束能量調制器之間，選擇僅該脈波之P波與S波其中之一通過該選波器。
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