TWI761081B - 波長變換雷射裝置及波長變換雷射加工機 - Google Patents

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Abstract

本案之課題在於解決以往的波長變換裝置的問題點，亦即使雷射光的脈衝頻率變化時，波長變換後的平均輸出就會變化，從非線性介質射出的雷射光的角度就會變化之問題點。本發明具備有：使雷射光3產生之脈衝雷射光源1；控制脈衝頻率之脈衝頻率控制手段2；將雷射光3的一部分變換為不同波長的雷射光9之非線性介質8；使雷射光3聚焦之聚焦透鏡7；調整雷射光9的發散角之準直用透鏡10；讓通過準直用透鏡10的雷射光9入射並透射過而射出之平行平面板13；以及控制入射至平行平面板13之雷射光9的入射角度之角度調整機構14。

Description

波長變換雷射裝置及波長變換雷射加工機
本發明係關於使用非線性介質將雷射光變換為不同的波長之波長變換雷射裝置及波長變換雷射加工機。
使雷射光入射至非線性介質，藉此使具有不同於所入射的雷射光之波長的波長的雷射光射出之波長變換雷射裝置為已知者。此波長變換雷射裝置係使作為基波之雷射光入射至第一非線性介質，來使具有基波的一半波長之二次諧波產生，再使基波及二次諧波入射至第二非線性介質，來使具有基波的三分之一波長之三次諧波產生。用來使波長變換之固體狀的非線性介質稱為波長變換晶體。在非線性介質的內部，波長變換前的雷射光的波數向量(wave number vector)的和與波長變換後的雷射光的波數向量一致之時，會產生強的波長變換。在三次諧波的產生上若滿足下式，會得到最強的三次諧波。
Figure 02_image001
kω 、k2ω 、k3ω 分別為基波、二次諧波、三次諧波的波數向量。此條件稱為相位匹配條件。波數向量的方向為與雷射光的等相位面垂直之方向，通常為雷射光的行進方向。波數向量的大小係以下式表示。
Figure 02_image003
k為波數向量的大小，n為非線性介質的折射率，λ為雷射光的波長。非線性介質的折射率n係依非線性介質的溫度而定，所以波數向量會隨著非線性介質的溫度而變化。因此，為了滿足相位匹配條件必須控制非線性介質的溫度。
波長變換雷射裝置係用作為微細加工用的光源。為了提高加工速度，有時會在加工的途中變更雷射光的脈衝頻率，基波的脈衝頻率一旦改變，三次諧波的脈衝頻率也會變化。波長變換的變換效率，係與入射至非線性介質的雷射光的脈衝能量有關係。基波的平均輸出為一定的情況，提高脈衝頻率時，一個脈衝所含有的脈衝能量就會變低，所以波長變換後的雷射光的平均輸出會變低。
在高輸出的雷射裝置中，構成雷射裝置之光學零件及固定光學零件之支架(holder)會吸收雷射光而發熱，此發熱會使得雷射光的光軸產生變化。為了抑制雷射光的光軸變化，揭示了一種雷射裝置，其係使用搭載有致動器的可調整角度的支架。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2014-170839號公報(第12頁，第2圖)
[發明所欲解決之課題]
在非線性介質會吸收雷射光之情況，若變更雷射光的脈衝頻率，波長變換之後的平均輸出就會變化，在非線性介質吸收的熱量就會變化，所以非線性介質的溫度會變化。非線性介質的溫度一旦變化，非線性介質的折射率就會隨著溫度變化而變化，波數向量就會變化。結果，滿足相位匹配條件之雷射光的行進方向就會變化，從非線性介質射出的雷射光的出射角度就會變化。由於從非線性介質射出的雷射光的出射角度的變化係依非線性介質的溫度變化而定者，所以並非瞬間的變化，需要數秒至數十秒之程度的時間。因此，想要使用在以往的雷射裝置所揭示的搭載有致動器的可調整角度的支架來進行雷射光的角度調整時，只用一個可調整角度的支架並無法應付，必須使用兩個以上的可調整角度的支架，而有會造成雷射裝置的大型化及高成本化之問題點。
本揭示係為了解決如上述的問題點而提出者，其目的在得到一種波長變換雷射裝置，其可應付因為變更雷射光的脈衝頻率所導致的波長變換之後的雷射光的輸出變化，且只用一軸的光軸調整機構就可抑制雷射光的光軸變化。 [解決課題之手段]
本揭示之波長變換雷射裝置係具備有：使第一雷射光產生之脈衝雷射光源；控制由脈衝雷射光源以脈衝振盪方式產生的第一雷射光的脈衝頻率之脈衝頻率控制手段(means)；將第一雷射光的一部分變換為不同波長的第二雷射光之非線性介質；使第一雷射光聚焦之聚焦透鏡；調整第二雷射光的發散角之準直用透鏡；讓通過準直用透鏡的第二雷射光入射並透射過而射出之平行平面板；以及控制入射至平行平面板之第二雷射光的入射角度之角度調整機構。 [發明的效果]
本揭示係利用準直用透鏡將隨著非線性介質的溫度變化而產生的從非線性介質射出的雷射光的出射角度的變化變換為光軸的平行移動。並且，利用經角度調整機構調整過角度的平行平面板所造成的光軸移動來修正平行移動後的雷射光的光軸。結果，能達成：即使利用脈衝頻率控制手段變更脈衝雷射光源的脈衝頻率，也可抑制從非線性介質射出的雷射光的光軸移動的量之效果。
實施例1. 圖1為顯示本揭示的實施例1之波長變換雷射裝置的構成圖。圖1所示的波長變換雷射裝置50係具備有：脈衝雷射光源1、脈衝頻率控制手段2、聚焦透鏡4、屬於非線性介質之二次諧波產生晶體5、聚焦透鏡7、屬於非線性介質之三次諧波產生晶體8、準直用透鏡10、平行平面板13、及平行平面板的角度調整機構14。脈衝雷射光源1係輸出屬於第一雷射光之作為基波的雷射光3。進行脈衝振盪之脈衝雷射光源1的脈衝頻率，可利用脈衝頻率控制手段2加以變更。從脈衝雷射光源1輸出的雷射光3為單模(single mode)者。
圖2為顯示本揭示的實施例1之脈衝雷射光源的構成圖。圖2所示的脈衝雷射光源1為Q開關(Q-switch)雷射。脈衝雷射光源1具備有：使雷射光110全反射之高反射鏡101、以及使雷射光110之中的一部分反射而讓其餘的部分透射過之部分反射鏡102。在高反射鏡101與部分反射鏡102之間，配置有雷射介質103、激發光結合鏡104、及聲光元件105。在屬於半導體雷射之光源106所產生並通過光纖107而輸出的激發光108，係通過激發光學系統109及激發光結合鏡104而照射到雷射介質103。
雷射介質103吸收激發光108，使具有基波的波長之自然放出光產生。自然放出光在高反射鏡101與部分反射鏡102之間來回反射，在通過雷射介質103之際放大，藉此而進行振盪，在高反射鏡101與部分反射鏡102之間產生具有基波的波長之雷射光110。當雷射光110入射至部分反射鏡102，其一部分會被擷取出而成為作為基波之雷射光3。光源106的波長為808 nm或879 nm或888 nm，雷射光3的波長為1064 nm。
雷射介質103為將稀土族元素或鈦添加入晶體、玻璃、或陶瓷而成的固體狀的雷射介質。構成雷射介質103之雷射晶體為YAG(Yttrium Ａluminum Garnet；釔鋁石榴石)、YVO4 (Yttrium Vanadate；釩酸釔)、GdVO4 (Gadolinium Vanadate；釩酸釓)、藍寶石(Al2 O3 )、KGW (鎢酸鉀釓)、或KYW (鎢酸鉀釔)。稀土族元素為Nd (釹)、Yb (鐿)、Er (鉺)、Ho (鈥)、Tm (銩)、或Pr (鐠)。
聲光元件(acousto-optic device) 105係接收RF驅動器112所輸出的RF訊號，在有RF訊號輸入之時與沒有RF訊號輸入之時，使雷射光110的光軸變化。因為輸入聲光元件105的RF訊號被設為ON因而光軸產生變化後的雷射光110無法在高反射鏡101與部分反射鏡102之間來回反射，所以振盪會停止。在振盪停止的期間，雷射介質103仍會吸收激發光108，並藉由吸收而蓄積能量。在雷射介質103蓄積有來自激發光108的能量之狀態，藉由將輸入聲光元件105之RF訊號設為OFF，使雷射光110再度在高反射鏡101與部分反射鏡102之間振盪時，所蓄積的能量會一口氣釋出，而輸出高強度的雷射光3。
脈衝產生裝置113係藉由控制RF驅動器112所輸出的RF訊號的ON及OFF的時序，來控制雷射光3的脈衝頻率。雷射光3的脈衝頻率係從數十kHz到數百kHz，脈衝的寬度從數ns到數百ns。在如此的Q開關雷射中，只要以脈衝頻率的倒數表示之脈衝間隔時間比雷射介質103的上能級壽命短，雷射光3的平均輸出就由激發光108的輸出所決定，所以在激發光108的輸出大致一定之情況，即使雷射光3的脈衝頻率有變化，雷射光3的平均輸出的變化也很小。亦即，屬於Q開關雷射之脈衝雷射光源1即使變更其脈衝頻率，也可擷取出大致為一定的平均輸出的雷射光3。
圖3為顯示本揭示的實施例1之脈衝雷射光源的另一型態的構成圖。脈衝雷射光源200具備有半導體雷射201、光源205、光纖放大器206、及固體放大器220。半導體雷射201為InGaAs之半導體雷射。半導體雷射201係由驅動電源202對之進行脈衝驅動，使之產生作為種光La之微弱的雷射光產生。驅動電源202係使電流流至半導體雷射201，且可藉由變更所流通的電流的脈衝頻率而控制種光La的脈衝頻率。種光La的脈衝的寬度在10 ps至100ns左右，平均輸出與脈衝頻率大致成比例，在100 nW至10 mW左右。
半導體雷射201與光纖203結合，使種光La在光纖203的內部進行傳輸。結合器204係使從光源205發出的激發光Le與種光La以同軸做結合，並將之導引到光纖放大器206。光纖放大器206係吸收從光源205發出的激發光Le，將種光La放大10倍至1000倍，成為放大光Lb並從端面207射出。光纖放大器206為添加有Yb (鐿)、Er (鉺)、Ho (鈥)、Tm (銩)、或Pr (鐠)之類的稀土族元素之光纖。
放大光Lb的平均輸出在1 μW至10W左右。放大光Lb由具有固體狀的雷射介質之固體放大器220加以放大，成為放大光Lc而從固體放大器220射出。本揭示中，放大光Lc係成為作為基波的雷射光3。固體放大器220係具有雷射介質803、激發光結合鏡804、光源806及光纖807，在光源806產生並通過光纖807而射出的激發光808，係穿透過激發光學系統809及激發光結合鏡804而由雷射介質803加以吸收。吸收了激發光808之雷射介質803將放大光Lb放大到飽和的程度。放大到飽和的放大光Lb在激發光結合鏡804反射而成為放大光Lc並射出。固體放大器220因為使放大光Lb放大到飽和，所以即使放大光Lb的平均輸出有變動，放大光Lc的平均輸出也大致為一定。放大光Lc的平均輸出在1W至數百W左右，比種光La的平均輸出高。因此，即使因為驅動電源202導致種光La的脈衝頻率有所改變，使種光La的平均輸出有所變化，放大光Lc的平均輸出也實質上不會變化，因而可擷取出大致一定的平均輸出的作為基波的放大光Lc。
如圖1所示，從脈衝雷射光源1射出的作為基波的雷射光3，係由聚焦透鏡4聚焦於二次諧波產生晶體5。二次諧波產生晶體5將雷射光3的一部分變換為具有雷射光3的一半波長之二次諧波6。二次諧波6、及未變換為二次諧波6的其餘的雷射光3，係由聚焦透鏡7聚焦於三次諧波產生晶體8的包含表面在內之內部。三次諧波產生晶體8利用二次諧波6及雷射光3，使屬於第二雷射光之具有雷射光3的三分之一波長之三次諧波9產生。二次諧波產生晶體5及三次諧波產生晶體8為LBO晶體(LiB3 O5 )、KTP晶體(KTiPO4 )、BBO晶體(β－BaB2 O4 )、CBO晶體(CsB3 O5 )、CLBO晶體(CsLiB6 O10 )等非線性介質。如此之使用非線性介質來使與作為基波的雷射光3有不同波長的雷射光產生之方法稱為波長變換，此時所使用的非線性介質稱為波長變換晶體。如圖1所示之使具有作為基波的雷射光3的三分之一波長的雷射光產生之過程係稱為三次諧波產生。
將入射至三次諧波產生晶體8之雷射光3及二次諧波6、以及在三次諧波產生晶體8產生的三次諧波9的波數向量分別表示成kω 、k2ω 、k3ω 的話，在三次諧波產生中的相位失配Δk可表示成下式，相位失配Δk變小之際，會得到較強的三次諧波9。
Figure 02_image005
波數向量kω 、k2ω 、k3ω 的大小，可使用作為基波之雷射光3的波長λ而分別以如下的式子表示。
Figure 02_image007
Figure 02_image009
Figure 02_image011
n1 、n2 、n3 分別為雷射光3、二次諧波6、三次諧波9之在三次諧波產生晶體8的折射率。
二次諧波產生晶體5及三次諧波產生晶體8的折射率，也與晶體的溫度有關係。溫度控制器16及溫度控制器17通常將二次諧波產生晶體5及三次諧波產生晶體8的溫度控制成能夠讓相位失配Δk減小，讓三次諧波9的平均輸出為最高。
波長變換的變換效率係與要被變換的雷射光的峰值強度有關係，要被變換的雷射光的峰值強度越高變換效率越高。作為基波之雷射光3及二次諧波6，係由聚焦透鏡4及聚焦透鏡7聚焦，來以高強度入射至二次諧波產生晶體5及三次諧波產生晶體8，因而可做到高效率的波長變換。另外，因為雷射光3為進行脈衝振盪者，所以具有比具有相同的平均輸出之連續波振盪的雷射光高的峰值強度，因而可做到高效率的波長變換。
要得到較強的三次諧波9，只要使相位失配Δk變小即可，因此並不需要使入射至三次諧波產生晶體8之雷射光3及二次諧波6、以及在三次諧波產生晶體8產生的三次諧波9的波數向量kω 、k2 ω 、k3 ω 都在相同的方向。圖4為顯示本揭示的實施例1之各雷射光在三次諧波產生晶體的內部行進之光路圖。雷射光3及二次諧波6及三次諧波9的行進方向分別為波數向量kω 、k2 ω 、k3 ω 的方向。如圖4所示，雷射光3及二次諧波6係同軸地入射至三次諧波產生晶體8，但雷射光3與二次諧波6其波長及偏光狀態不相同，所以在三次諧波產生晶體8的內部會以不同的折射率行進。因而，在三次諧波產生晶體8的內部，波數向量kω 與k2 ω 的方向並不相同。
相位失配Δk為最小(亦即為0)時，式3可表示成下式，三次諧波9的波數向量k3 ω 會為雷射光3的波數向量kω 與二次諧波6的波數向量k2 ω 之間的方向。
Figure 02_image013
雷射光3及二次諧波6由聚焦透鏡7聚焦於三次諧波產生晶體8的內部，所以所產生的三次諧波9在三次諧波產生晶體8上有光束腰部(beam waist)，從三次諧波產生晶體8射出後，三次諧波9會呈以發散角發散的型態行進。準直用透鏡10為用來使發散的三次諧波9的發散角成為平行之透鏡，係配置成其焦點位置會位於三次諧波產生晶體8的包含表面在內之內部。準直用透鏡10為對於光軸有旋轉對稱性的平凸形狀的球面或非球面的透鏡。
或者，準直用透鏡10為曲率的方向相互正交的兩片平凸形狀的圓柱形透鏡。可使兩片圓柱形透鏡的焦點距離彼此不相同，且配置成讓兩片圓柱形透鏡的焦點位置位於三次諧波產生晶體8的包含表面在內之內部的位置，來使得三次諧波9在各圓柱形透鏡的曲率的方向中的發散角成為平行者。在此情況，即使從三次諧波產生晶體8射出的三次諧波9的發散角在各圓柱形透鏡的曲率的方向為不同者，但藉由選擇適當的焦點距離的圓柱形透鏡，可使得從兩片圓柱形透鏡射出的三次諧波9成為平行且真圓度高的光束形狀。
三次諧波9、與未在三次諧波產生晶體8經波長變換的其餘的雷射光3及二次諧波6，係由波長分離鏡11進行分離。如圖1所示，三次諧波9會透射過波長分離鏡11，未經波長變換的其餘的雷射光3及二次諧波6會在波長分離鏡11反射。另外，雖未圖示，但亦可為三次諧波9在波長分離鏡11反射，未經波長變換的其餘的雷射光3及二次諧波6透射過波長分離鏡11。
利用波長分離鏡11而與三次諧波9分離之未經波長變換的其餘的雷射光3及二次諧波6係由阻尼器(damper) 12加以擋住，而被阻尼器12吸收。圖1中，雖然將波長分離鏡11配置於未經波長變換的其餘的雷射光3及二次諧波6透射過準直用透鏡10之後，但亦可配置於三次諧波產生晶體8與準直用透鏡10之間。波長分離鏡11為設計成具有讓三次諧波9的波長的光透射過的特性，且具有讓雷射光3及二次諧波6的波長的光反射的特性之介電質多層膜鏡。波長分離鏡11並不限於鏡之類的光學元件，只要可依波長而將雷射光分離者即可，亦可為稜鏡或繞射光柵等之類的會依波長而使光軸變化者。
三次諧波9係透射過平行平面板13，然後從波長變換雷射裝置50射出。平行平面板13的供三次諧波9入射的面與射出的面為相互平行者，且對於三次諧波9的波長而言為實質地透明者。平行平面板13為施加了防止三次諧波9的波長的光反射的防反射膜之合成石英或BK7等光學玻璃。平行平面板13可利用角度調整機構14控制其在旋轉方向15的角度，可控制三次諧波9相對於平行平面板13的入射角度。
角度調整機構14係由轉台及伺服馬達所構成。在三次諧波9相對於平行平面板13以垂直入射以外的斜入射的角度入射之情況，三次諧波9透射過平行平面板13之際，三次諧波9會在入射到平行平面板13之面與射出之面折射，所以在入射至平行平面板13之前及射出之後，三次諧波9的光軸會做平行移動。
圖5為顯示本揭示的實施例1之表示在透射過平行平面板的過程中之三次諧波的光軸移動之說明圖。三次諧波9以入射角度θ1 入射至平行平面板13的入射面S1，而且在平行平面板13的入射面S1折射。將平行平面板13的折射率表示成n，將折射角度表示成θ2 時，折射角度θ2 滿足以下的式子。
Figure 02_image015
平行平面板13因為其入射面S1與出射面S2相互平行，所以因為在入射面S1折射而變化了的三次諧波9的光軸，會相對於出射面S2以θ2 之角度入射。將從出射面S2射出的三次諧波9的出射角度表示成θ3 ，則出射角度θ3 滿足以下的式子。
Figure 02_image017
結果，θ1 ＝θ3 ，入射至平行平面板13之三次諧波9的光軸18、與從平行平面板13射出的三次諧波9的光軸19平行，但光軸18與光軸19為偏移了相應於三次諧波9在平行平面板13的內部折射的份量之狀態。將三次諧波9的光軸18與光軸19的平行移動的量表示成d，將平行平面板13的入射面S1與出射面S2的距離表示成t的話，下式成立。
Figure 02_image019
即使利用脈衝頻率控制手段2變更脈衝雷射光源1的脈衝頻率，也以大致一定的平均輸出使雷射光3射出之情況，一旦變更脈衝雷射光源1的脈衝頻率，一個脈衝所包含的脈衝能量就會變化。因而，雷射光3的峰值強度會變化，所以波長變換的變換效率會變化。使脈衝頻率增高的話波長變換的效率會變低，所以三次諧波9的平均輸出會變低。另一方面，使脈衝頻率減低的話波長變換的效率會變高，所以三次諧波9的平均輸出會變高。
在三次諧波9的波長會為三次諧波產生晶體8所吸收之情況，當三次諧波9的平均輸出有變化，三次諧波產生晶體8所吸收的熱量就會變化，結果，三次諧波產生晶體8的溫度就會變化。用於波長變換的非線性介質係存在有數ppm至數千ppm左右的吸收，且大多是波長越短吸收的比率越高。因此，有相較於作為基波之雷射光3及二次諧波6而言，波長較短之三次諧波9被非線性介質吸收的比率較高的傾向。
當三次諧波產生晶體8的溫度變化，三次諧波產生晶體8的折射率就會變化，所以相位失配Δk會變化。如圖4所示，雷射光3及二次諧波6相對於三次諧波產生晶體8以垂直入射之外的斜入射的角度入射之情況，雷射光3及二次諧波6的折射角度也會變化，所以波數向量kω 及k2 ω 的方向會變化。在此情況，三次諧波9的波數向量k3 ω 的方向會成為有最小的相位失配Δk之方向。
利用脈衝頻率控制手段2使脈衝雷射光源1的脈衝頻率變化時，三次諧波9的光軸的方向就會隨著脈衝頻率的變化而變化。三次諧波9的光軸的方向發生變化的面，係由相對於三次諧波產生晶體8之雷射光3及二次諧波6的入射方向、及三次諧波產生晶體8的特性等所決定。因為三次諧波9的光軸的方向的變化係以三次諧波產生晶體8為起點而發生，所以藉由將準直用透鏡10的焦點位置配置成位於三次諧波產生晶體8的包含表面在內之內部，來使三次諧波9的光軸的方向回到與變更脈衝頻率之前相同的方向。隨著脈衝頻率的變更而發生的通過三次諧波產生晶體8之後的三次諧波9的光軸的方向的變化，係藉由準直用透鏡10而變換為三次諧波9的光軸的平行移動。在本揭示的實施例1中，準直用透鏡10係以一個光學元件構成，除了用來使發散的三次諧波9變為平行之透鏡的作用之外，也發揮將變更脈衝頻率時的三次諧波9的光軸的方向的變化變換為平行移動之作用。
圖6為顯示本揭示的實施例1之表示由準直用透鏡所造成之通過三次諧波產生晶體後的三次諧波的光軸的移動之說明圖。光軸9a係變更脈衝頻率之前的三次諧波9的光軸，光軸9b係變更脈衝頻率之後的三次諧波9的光軸。通過三次諧波產生晶體後的光軸9a與光軸9b的方向不相同，但通過準直用透鏡10之後，光軸9a與光軸9b變為平行。
圖7為顯示本揭示的實施例1之變更脈衝頻率之際的三次諧波的光軸的時間變化的測定結果。雖然可利用脈衝頻率控制手段2瞬間切換脈衝雷射光源1的脈衝頻率，但三次諧波9的平行移動的量係依三次諧波產生晶體8的溫度而定。三次諧波產生晶體8的溫度變化係與三次諧波產生晶體8的熱傳導率及熱容量等有關係，溫度變化的時間常數比脈衝頻率的變更所需的時間長，所以從變更脈衝頻率起到三次諧波9的平行移動的量變穩定為止，需要一定的時間。如圖7所示，從變更脈衝頻率起到三次諧波9的平行移動的量變穩定為止需要約30秒的時間。
角度調整機構14係藉由控制平行平面板13的角度，來使光軸往與因脈衝頻率的變更所致的通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸移動相反的方向移動，來修正通過平行平面板13後的三次諧波9的光軸變化。角度調整機構14的角度調整的軸只一軸即可。
圖8為顯示本揭示的實施例1之表示利用平行平面板的角度調整所進行的三次諧波的光軸變化的修正之說明圖。變更脈衝頻率之前，平行平面板13係位於位置13a的位置，變更脈衝頻率之後，角度調整機構14調整平行平面板13的角度使之變到位置13b的位置。以此方式，角度調整機構14進行控制以使變更脈衝頻率的前後通過平行平面板13之三次諧波9的光軸不會變化。
亦可為：以與隨著脈衝頻率的變更之通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸移動的時間變化連動的方式，利用角度調整機構14控制平行平面板13的角度，來使通過平行平面板13之三次諧波9的光軸不會有隨時間的變化。可預先測定通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸移動的量，然後決定出要使光軸以與變更脈衝頻率之後相同的光軸移動的量往相反方向移動所需之平行平面板13的角度的調整量，來控制角度調整機構14。此外，可設置用於測定通過平行平面板13後的三次諧波9的位置之測定器，並以即使變更脈衝頻率時通過平行平面板13後的三次諧波9的位置不會變化的方式，利用角度調整機構14對於平行平面板13的角度調整進行回授控制。
圖9為顯示本揭示的實施例1之表示變更脈衝頻率之後的利用平行平面板所進行的光軸的平行移動量的隨著時間的變化之圖。此外，圖10為顯示本揭示的實施例1之利用平行平面板的角度調整來修正通過準直用透鏡後產生的三次諧波的光軸移動的情況的修正量的計算結果。如圖9及圖10所示，利用角度調整機構14進行平行平面板13的角度調整，可抑制三次諧波9的光軸移動的量。
根據本揭示的實施例1，即使利用脈衝頻率控制手段2變更脈衝雷射光源1的脈衝頻率，也可只利用一軸之角度調整機構14使三次諧波9的光軸保持一定。本揭示的實施例1雖然以三次諧波的產生作為一例而進行說明，但並不限於三次諧波的產生。再者，本揭示的實施例1所說明的平行平面板13及角度調整機構14雖然是配置於容置波長變換雷射裝置50的殼體之中，但亦可設置於波長變換雷射裝置50的外部。
如上所述，根據本揭示的實施例1，由於三次諧波產生晶體8的溫度變化所導致的三次諧波9的出射角度的變化，係利用三次諧波9通過三次諧波產生晶體8之後的準直用透鏡10，將之變換為光軸的平行移動。平行移動後的三次諧波9的光軸再利用經角度調整機構14調整角度後的平行平面板13的使光軸移動的作用予以修正回來，因而即使利用脈衝頻率控制手段2變更脈衝雷射光源1的脈衝頻率，也可抑制三次諧波9的光軸移動的量。
實施例2. 圖11為顯示本揭示的實施例2之波長變換雷射裝置的構成圖。波長變換雷射裝置300係具備有屬於反射型鏡之反射型波長分離鏡301、及作為第一平行移動機構之平行移動機構302，來替代圖1所示的波長分離鏡11、平行平面板13及角度調整機構14。如圖11所示，反射型波長分離鏡301係使屬於第二雷射光之三次諧波9的光軸的方向改變90°而反射，並且讓通過三次諧波產生晶體8之未經波長變換的其餘的屬於第一雷射光之作為基波的雷射光3及二次諧波6透射過。透射過反射型波長分離鏡301之雷射光3及二次諧波6由阻尼器12加以擋住，而被阻尼器12吸收。反射型波長分離鏡301係配置成能夠使得在反射型波長分離鏡301反射的三次諧波9的光軸在脈衝頻率的變更的前後都存在於包含通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸之面內。
利用脈衝頻率控制手段2變更脈衝雷射光源1的脈衝頻率時，三次諧波9的光軸會平行移動。隨著三次諧波9的光軸的平行移動，平行移動機構302係使反射型波長分離鏡301朝移動方向303的方向做平行移動，以該平行移動的移動量及方向成為與由於脈衝頻率的變更而產生的通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸做平行移動的移動量相同的移動量及方向之方式，控制三次諧波9的入射位置。因為通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸做平行移動的方向為確定者，所以平行移動機構302只要是可做一軸的平行移動之移動機構即可。
圖12為顯示本揭示的實施例2之表示利用平行移動機構的平行移動所做的三次諧波的光軸變化的修正之說明圖。如圖12所示，變更脈衝頻率前，反射型波長分離鏡301係位於位置301a之位置。變更脈衝頻率之後，利用平行移動機構302使反射型波長分離鏡301的位置移動到位置301b，使得在脈衝頻率的變更的前後，在反射型波長分離鏡301反射的三次諧波9的光軸不會變化。可預先測定隨著脈衝頻率的變更之通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸的移動量，然後控制成以與脈衝頻率的變更連動之方式使反射型波長分離鏡301移動相同的移動量即可。或者，亦可設置用於測定在反射型波長分離鏡301反射的三次諧波9的光軸的位置之測定器，並以即使變更脈衝頻率時在反射型波長分離鏡301反射的三次諧波9的位置也不會變化的方式，透過平行移動機構302對於反射型波長分離鏡301的位置進行回授控制。
如上所述，根據本揭示的實施例2，即使變更脈衝頻率也可只用一軸的平行移動機構302使所射出的三次諧波9的光軸的位置保持一定。而且，用一個反射型波長分離鏡301就可做到雷射光3及二次諧波6與三次諧波9的波長分離以及所射出的三次諧波9的光軸移動的修正。
實施例3. 圖13為顯示本揭示的實施例3之波長變換雷射裝置的構成圖。波長變換雷射裝置400係具備有屬於第一稜鏡之稜鏡401、屬於第二稜鏡之稜鏡402、及屬於第二平行移動機構之平行移動機構403，來替代圖1所示的平行平面板13及角度調整機構14。
屬於第一雷射光之作為基波的雷射光3及二次諧波6就算在三次諧波產生晶體8內為圓形狀的雷射光，在三次諧波產生晶體8內接受波長變換之際的雷射光3及二次諧波6及三次諧波9的波數向量所成的容許角度也會依方向而不同。因而，從三次諧波產生晶體8產生的屬於第二雷射光之三次諧波9的發散角會依行進方向而不同，成為橢圓形狀的雷射光。雷射光3及二次諧波6係由聚焦透鏡7聚焦於三次諧波產生晶體8，所以在從三次諧波產生晶體8產生的三次諧波9的各行進方向中，三次諧波9的光束腰部的位置會在三次諧波產生晶體8的位置，準直用透鏡10會在將三次諧波9保持為橢圓形狀的情況下在各行進方向將三次諧波9形成為平行者。
如圖13所示，利用準直用透鏡10形成為平行者之三次諧波9，會通過三角柱形狀的稜鏡401及稜鏡402。稜鏡401及稜鏡402係將三次諧波9調整成只使三次諧波9的一方向的光束直徑變化，使三次諧波9的另一方向的光束直徑不變，利用稜鏡401及稜鏡402將以橢圓形狀入射的三次諧波9變換成圓形。因為稜鏡401及稜鏡402而變化的方向的光束直徑比另一方向的光束直徑小之情況，稜鏡401及稜鏡402係使要變化的方向的光束直徑擴大。
圖14為顯示本揭示的實施例3之表示利用稜鏡使光束直徑擴大的情形之說明圖。入射至稜鏡401之雷射光405在通過稜鏡401及稜鏡402之際會折射而使得光束直徑擴大，成為擴大後的雷射光406而射出。光束直徑的擴大率係與稜鏡401及稜鏡402的折射率及入射角度有關係，與稜鏡401及稜鏡402配置的間隔的距離沒有關係。
如圖13所示，利用脈衝頻率控制手段2變更脈衝雷射光源1的脈衝頻率時，平行移動機構403就使稜鏡402朝移動方向404之方向做平行移動。移動方向404為與從稜鏡402射出的三次諧波9的光軸平行之方向。平行移動機構403係以讓通過準直用透鏡10後之三次諧波9的光軸之平行移動的移動量得到修正之方式，控制稜鏡402的移動量從而控制三次諧波9的入射位置。因為通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸之平行移動的方向為確定者，所以平行移動機構403只要是可做一方向的平行移動之移動機構即可。
圖15為顯示本揭示的實施例3之表示利用平行移動機構的平行移動所做的三次諧波的光軸變化的修正之說明圖。變更脈衝頻率之前，稜鏡402係位於位置402a之位置。以與脈衝頻率的變更連動之方式，利用平行移動機構403控制稜鏡402使之移動到位置402b之位置，來使得脈衝頻率的變更的前後通過稜鏡402的三次諧波9的光軸不會變化。可預先測定出隨著脈衝頻率的變更之通過準直用透鏡10後的三次諧波9的光軸的移動量，然後計算出能夠使得通過稜鏡402後的三次諧波9的光軸的位置不會變化之稜鏡402的位置即可。或者，亦可設置用於測定通過稜鏡402後的三次諧波9的光軸的位置之測定器，並以即使變更脈衝頻率時通過稜鏡402後的三次諧波9的光軸的位置也不會變化之方式，透過平行移動機構403對稜鏡402的位置進行回授控制。
如上所述，根據本揭示的實施例3，即使變更脈衝頻率也可只用一方向的平行移動機構403使所射出的三次諧波9的光軸的位置保持一定。而且，可做到雷射光3及二次諧波6及三次諧波9的波長分離、以及將所射出的三次諧波9的光束形狀從橢圓形變換為圓形。
實施例4. 圖16為顯示本揭示的實施例4之波長變換雷射加工機的構成圖。波長變換雷射加工機500係如圖16所示，具備有：本揭示的實施例1至實施例3之波長變換雷射裝置的任一個之波長變換雷射裝置501以及支持被加工對象物509之被加工對象物支持部508。波長變換雷射加工機500還具備有：遮罩(mask) 504、將從波長變換雷射裝置501射出的屬於第二雷射光之雷射光502照射至被加工對象物509之加工頭505、使加工頭505與被加工對象物支持部508相對地移動之相對移動部512、以及控制相對移動部512及波長變換雷射裝置501的動作之控制裝置513。
被加工對象物支持部508係讓被加工對象物509載置於其上，對被加工對象物509進行支持。在本揭示的實施例4中，被加工對象物509為軟性印刷電路基板(FPC：Flexible Printed Circuits)、或將印刷電路板(PCB：Printed Circuit Board)多層化而成的多層基板。軟性印刷電路基板及印刷電路板係由樹脂及銅所構成。因此，從本揭示的實施例4所示的波長變換雷射裝置501射出的雷射光502的波長，以會被樹脂及銅雙方吸收的紫外光域的波長較佳。
加工頭505係具備有導光鏡506及聚焦透鏡507。從波長變換雷射裝置501射出的雷射光502經過光束調整光學系統503調整其光束直徑及發散角後，入射至遮罩504。遮罩504具有圓形或矩形的開口，通過遮罩504後的雷射光502的形狀會成為與遮罩504的開口的形狀相同的形狀。通過遮罩504的雷射光502再通過導光鏡506及聚焦透鏡507，而照射於被加工對象物509。聚焦透鏡507係將雷射光502在通過遮罩504後的位置的形狀轉映到被加工對象物509。
相對移動部512係使從加工頭505照射出的雷射光502與被加工對象物支持部508沿著圖16所示的X方向及Y方向的至少一方向相對地移動。在本揭示的實施例4中，相對移動部512係使被加工對象物支持部508沿著X方向及Y方向的至少一方向移動，但亦可使加工頭505沿著X方向及沿著Y方向雙方而移動，或使加工頭505及被加工對象物支持部508雙方沿著X方向及Y方向的至少一方向而移動。
相對移動部512係由馬達、利用馬達的旋轉驅動力使被加工對象物支持部508移動之導螺桿、及導引被加工對象物支持部508的移動方向之線性導件所構成。相對移動部512的構成並不限定於由馬達、導螺桿、及線性導件所構成之構成。相對移動部512係由控制裝置513加以控制。另外，相對移動部512亦可為具備有電流計式反射鏡(galvanometer mirror)或多面鏡(polygon mirror)，利用電流計式反射鏡或多面鏡使雷射光502進行掃描。在此情況，聚焦透鏡507較宜以Fθ透鏡構成。
本揭示的實施例4所示的波長變換雷射加工機500係一邊利用相對移動部512使被加工對象物支持部508移動，一邊使通過加工頭505後之雷射光502進行照射，使雷射光502在被加工對象物509的表面進行掃描。波長變換雷射加工機500在被加工對象物509上的預先設定的希望的位置形成微細的加工孔510。加工孔510為盲孔或貫通孔。加工孔510的直徑可利用遮罩504的開口的直徑而適當地設定。在波長變換雷射裝置501係以特定的脈衝頻率驅動之際，遮罩504的開口的中心位置係調整成與雷射光502的光軸一致。
加工所必須的雷射光502的脈衝能量，係依要形成於被加工對象物509的加工孔510的深度及形狀、以及被加工對象物509的構成材料的不同，而為不同的值。波長變換雷射裝置501以高脈衝頻率驅動時，雷射光502的脈衝能量會變低，以低脈衝頻率驅動時脈衝能量會變高。另一方面，若雷射光502具有加工所必須的脈衝能量的話，則脈衝頻率越高越可進行高速的加工。因此，在確保有加工所必須的脈衝能量之下要進行高速的加工的情況，較宜按照各種加工的種類而調整脈衝頻率。
本揭示的實施例4所示的波長變換雷射加工機500因為具備有本揭示的實施例1至實施例3之波長變換雷射裝置的任一者，所以即使配合加工的種類而變更用於驅動波長變換雷射裝置501的脈衝頻率，雷射光502的光軸也不會變化。因此，即使波長變換雷射裝置501的脈衝頻率產生變化，通過遮罩504後的雷射光502的形狀也不會變化，在被加工對象物509的位置之雷射光502的形狀也不會變化。
圖17為顯示本揭示的實施例4之即將通過遮罩前的雷射光的強度分佈。圖18為顯示本揭示的實施例4之變更驅動波長變換雷射裝置的脈衝頻率之前的通過遮罩後的雷射光的強度分佈。變更驅動波長變換雷射裝置501的脈衝頻率之前，將遮罩504的中心位置調整成讓遮罩504的開口的中心位置與雷射光502的光軸一致。圖19為顯示本揭示的實施例4之通過遮罩後的雷射光的光軸偏離遮罩的中心位置的情況的雷射光的強度分佈。在以往的波長變換雷射加工機中，變更驅動波長變換雷射裝置501的脈衝頻率時，會使得雷射光502的光軸如圖19所示偏離，所以通過遮罩504後的雷射光502的強度分佈會發生相應於光軸偏離之變化。此變化後的強度分佈會轉映到被加工對象物509，所以無法做到當初所想要的加工，而會發生加工不良。
圖20為顯示本揭示的實施例4之變更驅動波長變換雷射裝置的脈衝頻率之後的通過遮罩後的雷射光502的雷射光的強度分佈。如圖18及圖20所示，即使變更驅動波長變換雷射裝置501的脈衝頻率，雷射光502的光軸也不會偏離，所以通過遮罩504後的雷射光502的強度分佈，會為與變更驅動波長變換雷射裝置501的脈衝頻率之前的通過遮罩504後的雷射光502的強度分佈相同的形狀，可進行如當初所預期的加工。因此，本揭示的實施例4所示的波長變換雷射加工機500可進行高速且高品質的被加工對象物509的加工。
1,200:脈衝雷射光源 2:脈衝頻率控制手段 3,110,405,406,502:雷射光 4,7,507:聚焦透鏡 5:二次諧波產生晶體 6:二次諧波 8:三次諧波產生晶體 9:三次諧波 9a,9b,18,19:光軸 10:準直用透鏡 11:波長分離鏡 12:阻尼器 13:平行平面板 13a,13b,301a,301b,402a,402b:位置 14:角度調整機構 15:旋轉方向 16,17:溫度控制器 50,300,400,501:波長變換雷射裝置 101:高反射鏡 102:部分反射鏡 103,803:雷射介質 104,804:激發光結合鏡 105:聲光元件 106,205,806:光源 107,203,807:光纖 108,808:激發光 109,809:激發光學系統 112:RF驅動器 113:脈衝產生裝置 201:半導體雷射 202:驅動電源 204:結合器 206:光纖放大器 207:端面 220:固體放大器 301:反射型波長分離鏡 302,403:平行移動機構 303,404:移動方向 401,402:稜鏡 500:波長變換雷射加工機 503:光束調整光學系統 504:遮罩 505:加工頭 506:導光鏡 508:被加工對象物支持部 509:被加工對象物 510:加工孔 511:載台掃描方向 512:相對移動部 513:控制裝置 S1:入射面 S2:射出面
圖1為顯示本揭示的實施例1之波長變換雷射裝置的構成圖。 圖2為顯示本揭示的實施例1之脈衝雷射光源的構成圖。 圖3為顯示本揭示的實施例1之脈衝雷射光源的另一型態的構成圖。 圖4為顯示本揭示的實施例1之各雷射光在三次諧波產生晶體的內部行進之光路圖。 圖5為顯示本揭示的實施例1之表示在透射過平行平面板的過程中之三次諧波的光軸移動之說明圖。 圖6為顯示本揭示的實施例1之表示由準直用透鏡所造成之通過三次諧波產生晶體後的三次諧波的光軸移動之說明圖。 圖7為顯示本揭示的實施例1之變更了脈衝頻率之際的三次諧波的光軸的時間變化的測定結果。 圖8為顯示本揭示的實施例1之表示利用平行平面板的角度調整所進行的三次諧波的光軸變化的修正之說明圖。 圖9為顯示本揭示的實施例1之表示變更脈衝頻率之後的利用平行平面板所進行的光軸的平行移動量的隨著時間的變化之圖。 圖10為顯示本揭示的實施例1之利用平行平面板的角度調整來修正通過準直用透鏡後產生的三次諧波的光軸移動的情況的修正量的計算結果。 圖11為顯示本揭示的實施例2之波長變換雷射裝置的構成圖。 圖12為顯示本揭示的實施例2之表示利用平行移動機構的平行移動所做的三次諧波的光軸變化的修正之說明圖。 圖13為顯示本揭示的實施例3之波長變換雷射裝置的構成圖。 圖14為顯示本揭示的實施例3之表示利用稜鏡使光束直徑擴大的情形之說明圖。 圖15為顯示本揭示的實施例3之表示利用平行移動機構的平行移動所做的三次諧波的光軸變化的修正之說明圖。 圖16為顯示本揭示的實施例4之波長變換雷射加工機的構成圖。 圖17為顯示本揭示的實施例4之即將通過遮罩前的雷射光的強度分佈。 圖18為顯示本揭示的實施例4之使驅動波長變換雷射裝置之脈衝頻率變更之前的通過遮罩後的雷射光的強度分佈。 圖19為顯示本揭示的實施例4之通過遮罩後的雷射光的光軸偏離遮罩的中心位置的情況的雷射光的強度分佈。 圖20為顯示本揭示的實施例4之使驅動波長變換雷射裝置之脈衝頻率變更之後的通過遮罩後的雷射光的強度分佈。
1:脈衝雷射光源
2:脈衝頻率控制手段
3:雷射光
4,7:聚焦透鏡
5:二次諧波產生晶體
6:二次諧波
8:三次諧波產生晶體
9:三次諧波
10:準直用透鏡
11:波長分離鏡
12:阻尼器
13:平行平面板
14:角度調整機構
15:旋轉方向
16,17:溫度控制器
50:波長變換雷射裝置

Claims (10)

  1. 一種波長變換雷射裝置，係具備有：使第一雷射光產生之脈衝雷射光源；控制由該脈衝雷射光源以脈衝振盪方式產生的前述第一雷射光的脈衝頻率之脈衝頻率控制手段；將前述第一雷射光的一部分變換為不同波長的第二雷射光之非線性介質；使前述第一雷射光聚焦之聚焦透鏡；調整前述第二雷射光的發散角之準直用透鏡；讓通過該準直用透鏡之前述第二雷射光入射並透射過而射出之平行平面板；以及控制入射至該平行平面板之前述第二雷射光的入射角度之角度調整機構，其中前述角度調整機構係以讓從前述平行平面板射出的前述第二雷射光的光軸保持一定之方式，控制入射至前述平行平面板之前述第二雷射光的入射角度。
  2. 如請求項1所述之波長變換雷射裝置，其中，前述角度調整機構係與利用前述脈衝頻率控制手段所做的前述脈衝頻率的變更連動而進行控制。
  3. 如請求項2所述之波長變換雷射裝置，其中，前述第一雷射光係相對於前述非線性介質以斜入射的角度入射。
  4. 一種波長變換雷射裝置，係具備有：使第一雷射光產生之脈衝雷射光源； 控制由該脈衝雷射光源以脈衝振盪方式產生的前述第一雷射光的脈衝頻率之脈衝頻率控制手段；將前述第一雷射光的一部分變換為不同波長的第二雷射光之非線性介質；使前述第一雷射光聚焦之聚焦透鏡；調整前述第二雷射光的發散角之準直用透鏡；讓通過該準直用透鏡之前述第二雷射光入射並反射而射出之反射型鏡；以及控制入射至該反射型鏡之前述第二雷射光的入射位置之第一平行移動機構其中，前述第一平行移動機構係以讓在前述反射型鏡反射的前述第二雷射光的光軸保持一定之方式，控制入射至前述反射型鏡之前述第二雷射光的入射位置。
  5. 如請求項4所述之波長變換雷射裝置，其中，前述第一平行移動機構係與利用前述脈衝頻率控制手段所做的前述脈衝頻率的變更連動而進行控制。
  6. 如請求項5所述之波長變換雷射裝置，其中，前述第一雷射光係相對於前述非線性介質以斜入射的角度入射。
  7. 一種波長變換雷射裝置，係具備有：使第一雷射光產生之脈衝雷射光源；控制由該脈衝雷射光源以脈衝振盪方式產生的前述第一雷射光的脈衝頻率之脈衝頻率控制手段；將前述第一雷射光的一部分變換為不同波長的第二雷射光之非線性介質；使前述第一雷射光聚焦之聚焦透鏡； 調整前述第二雷射光的發散角之準直用透鏡；讓通過該準直用透鏡之前述第二雷射光入射並透射過而射出之第一稜鏡；讓通過該第一稜鏡之前述第二雷射光入射並透射過而射出之第二稜鏡；以及控制入射至該第二稜鏡之前述第二雷射光的入射位置之第二平行移動機構其中，前述第二平行移動機構係以讓從前述第二稜鏡射出的前述第二雷射光的光軸保持一定之方式，控制入射至前述第二稜鏡之前述第二雷射光的入射位置。
  8. 如請求項7所述之波長變換雷射裝置，其中，前述第二平行移動機構係與利用前述脈衝頻率控制手段所做的前述脈衝頻率的變更連動而進行控制。
  9. 如請求項8所述之波長變換雷射裝置，其中，前述第一雷射光係相對於前述非線性介質以斜入射的角度入射。
  10. 一種波長變換雷射加工機，係具備有：請求項1至9中任一項所述的波長變換雷射裝置；支持被加工對象物之被加工對象物支持部；具有開口且讓從前述波長變換雷射裝置射出的前述第二雷射光之中的一部分從前述開口通過之遮罩；將通過前述遮罩的前述第二雷射光照射至前述被加工對象物之加工頭；以及使從該加工頭照射出的前述第二雷射光與前述被加工對象物支持部相對地移動之相對移動部。
TW110105904A 2020-03-10 2021-02-20 波長變換雷射裝置及波長變換雷射加工機 TWI761081B (zh)

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