TWM536991U - 雷射加工系統 - Google Patents

Description

雷射加工系統

本創作關於一種加工系統，尤指一種雷射加工系統。

雷射加工是利用雷射光聚焦形成的高功率光斑以移除材料，屬於一種常見的非接觸式的加工方式，其中雷射光依據其輸出方式可區分為連續波形式與脈衝形式。當雷射光以連續波形式或是長脈衝形式輸出以加工材料時，材料會吸收雷射光之能量，經由固態、液態、氣態之相變化形成缺口，然而連續波形式或是長脈衝形式的輸出方式雖加工速度快，但於加工過程中，雷射光之能量會使得材料溫度提升，熱效應所造成之材料熔化變形降低了加工精度；當雷射光以短脈衝形式輸出以加工材料時，雷射光可直接打斷材料原子或分子間的鍵結，使得材料來不及將熱傳遞出去就被汽化，因此有效地避免了材料熔化變形以提升加工精度，然而相較連續波形式或是長脈衝形式之雷射，短脈衝形式之雷射單次脈衝所能移除之材料較少，因此加工速度較慢。

因此，本創作之目的在於提供一種雷射加工系統，可同時兼顧加工速度以及加工精度，以解決上述問題。

為達成上述目的，本創作揭露一種雷射加工系統，包含有一第一雷射光源、一第二雷射光源、一偏振片以及一光耦合元件，該第一雷射光源用以發射一第一雷射光，該第二雷射光源用以發射一第二雷射光，該偏振片用以偏振由該第二雷射光源所發出之該第二雷射光，該光耦合元件用以接收且耦合由該第一雷射光源所發出之該第一雷射光與被該偏振片所偏振之該第二雷射光，以輸出一第三雷射光，藉以加工一工件。

根據本創作其中之一實施例，該雷射加工系統另包含有一雷射擴束器以及一雷射加工頭，該雷射擴束器用以減少由該光耦合元件所發出之該第三雷射光之發散，該雷射加工頭用以聚焦由該雷射擴束器所發出之該第三雷射光，以加工該工件。

根據本創作其中之一實施例，該雷射加工系統另包含有一第一反射組件，該第一反射組件用以將由該第一雷射光源所發出之該第一雷射光反射至該光耦合元件。

根據本創作其中之一實施例，該雷射加工系統另包含有一第二反射組件，該第二反射組件用以將由該第二雷射光源所發出之該第二雷射光反射穿過該偏振片至該光耦合元件。

根據本創作其中之一實施例，該雷射加工系統另包含有一第三反射組件，該第三反射組件用以將由該光耦合元件所發射之該第三雷射光反射至該雷射擴束器。

根據本創作其中之一實施例，該光耦合元件為具有偏極性的一分光鏡。

根據本創作其中之一實施例，該第一雷射光具有一第一偏極特性，被該偏振片偏振後之該第二雷射光具有一第二偏極特性，該第一偏極特性與該第二偏極特性相異。

根據本創作其中之一實施例，該第一雷射光源以一第一脈衝發射該第一雷射光，該第二雷射光源以一第二脈衝發射該第二雷射光，該第二脈衝大於該第一脈衝。

綜上所述，本創作係利用偏振片以及光耦合元件來耦合具有短脈衝之第一雷射光以及長脈衝之第二雷射光，以形成第三雷射光來加工工件，因此第三雷射光同時具有短脈衝之第一雷射光之高峰值能量以及長脈衝之第二雷射光之高脈衝能量，因此本創作之雷射加工系統於加工時，尤其是於加工硬脆性材料時，可同時提升加工速度、優化加工品質且可增加材料吸收率，進而達到避免漏孔或錯位之效果，故可提高良率和生產率。有關本創作之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱第1圖，第1圖為本創作實施例雷射加工系統之元件配置圖。如第1圖所示，本創作之雷射加工系統1係用來加工一工件2，尤其適合用來加工由硬脆性材質（如陶瓷、藍寶石、玻璃等材料）所製成之工件2，雷射加工系統1包含有一第一雷射光源11、一第二雷射光源12、一偏振片13、一光耦合元件14、一雷射擴束器15、一雷射加工頭16、一第一反射組件17、一第二反射組件18以及一第三反射組件19。

於此實施例中，第一雷射光源11以一第一脈衝寬度（pulse width）發射一第一雷射光L1，第二雷射光源12以一第二脈衝寬度發射一第二雷射光L2，該第二脈衝寬度可大於該第一脈衝寬度，也就是說，第一雷射光L1之峰值能量（peak power）較第二雷射光為高，但第二雷射光L2之脈衝能量（pulse energy）較第一雷射光L1為高，第一雷射光源11可為一短脈衝雷射光發射裝置，第二雷射光源12可為一長脈衝雷射光發射裝置，然本創作並不侷限於此。舉例來說，於另一實施例中，第二雷射光源12亦可為一連續波雷射光發射裝置，端視實際需求而定。此外，使用者另可依據工件2之材料特性調整第一雷射光L1與第二雷射光L2之功率（power）、重複率（repetition rate）、波長（wave length）、占空比（duty cycle）等參數，以達到不同的加工效果。例如使用者可依據工件2之材料特性將第一雷射光L1以及第二雷射光L2之波長調整至特定波長，有助於材料吸收第一雷射光L1以及第二雷射光L2。

第一反射組件17設置於第一雷射光源11與光耦合元件14之間且用以改變第一雷射光L1之光路徑，以在特定的空間內將由第一雷射光源11所發出之第一雷射光L1反射至光耦合元件14。第二反射組件18設置於第二雷射光源12與偏振片13之間且用以改變第二雷射光L2之光路徑，以在特定的空間內將由第二雷射光源12所發出之第二雷射光L2反射至偏振片13。偏振片13用以偏振由第二反射組件18所反射之第二雷射光L2，光耦合元件14用以接收且耦合由第一反射組件17所反射之第一雷射光L1與被偏振片13所偏振之第二雷射光L2，以輸出一第三雷射光L3至第三反射組件19。第三反射組件19設置於光耦合元件14與雷射擴束器15之間且用以改變第三雷射光L3之光路徑，以在特定的空間內將由光耦合元件14所發出之第三雷射光L3反射至雷射擴束器15。由於從雷射光源所發出的雷射光具有一定的發散角，雷射擴束器15用以減少由光耦合元件14所發出之第三雷射光L3之發散，以使通過雷射擴束器15之第三雷射光近似於平行光束，雷射加工頭16用以聚焦由雷射擴束器15所發出之第三雷射光L3於工件2，而焦距端視實際加工需求而定。

於此實施例中，光耦合元件14為具有偏極性的一分光鏡，然本創作並不侷限於此。再者，於此實施例中，第一反射組件17、第二反射組件18、第三反射組件19分別可包含有至少一平面鏡M，以反射相對應之雷射光，然本創作之反射組件並不侷限於此。再者，於另一實施例中，雷射加工系統1亦可不包含有第一反射組件17，意即光耦合元件14與第一雷射光源11係沿第一雷射光L1之前進方向設置，使得第一雷射光源11所發出之第一雷射光L1可直接朝光耦合元件14直線前進，而不需要經過第一反射組件17反射。同理，於其他實施例中，雷射加工系統1亦可透過改變第二雷射光源12與偏振片13間之設置關係或光耦合元件14與雷射擴束器15間之設置關係而不包含有第二反射組件18或第三反射組件19。此外，本創作之第一反射組件17、第二反射組件18、第三反射組件19之設置位置以及其所包含之平面鏡M數量並不侷限本創作實施例圖式所繪示，其端視實際設計需求而定。舉例來說，當偏振片13與光耦合元件14並非沿第二雷射光L2之前進方向設置時，第二反射組件18可另包含有設置於偏振片13與光耦合元件14之間之至少一平面鏡，以使通過偏振片13之第二雷射光L2可再經由該至少一平面鏡反射而朝光耦合元件14前進。

如第1圖所示，當欲利用雷射加工系統1加工由硬脆型材料所製成之工件2時，第一雷射光源11與第二雷射光源12分別朝第一反射組件17與第二反射組件18發出第一雷射光L1與第二雷射光L2，第一反射組件17將第一雷射光L1反射至光耦合元件14，第二反射組件18將第二雷射光L2反射至偏振片13。於此實施例中，由第一雷射光源11所發出之第一雷射光L1與由第二雷射光源12所發出之第二雷射光L2可皆具有一第一偏極特性，而被偏振片13偏振後之第二雷射光L2具有相異於該第一偏極特性之一第二偏極特性，以使光耦合元件14將由第一雷射光源11所發出且具有第一偏極特性的第一雷射光L1以及由第二雷射光源12所發出且具被偏振片13偏振後而具有第二偏極特性的第二雷射光L2耦合，其中該第一偏極特性與該第二偏極特性可分別為水平極化（P-polarized）與垂直極化（S-polarized），然本創作並不侷限於此。

當光耦合元件14接收來自第一反射組件17所反射之第一雷射光L1與被偏振片13偏振之第二雷射光L2時，由於第一雷射光L1與第二雷射光L2分別具有相異之該第一偏極特性與該第二偏極特性，因此具有該第一偏極特性之第一雷射光L1可直接被光耦合元件14反射至第三反射組件19，而被偏振片13偏振後之具有該第二偏極特性之第二雷射光L2則會穿透光耦合元件14朝第三反射組件19前進。換句話說，被光耦合元件14所反射之第一雷射光L1與穿透光耦合元件14之第二雷射光L2會互相重疊而耦合形成第三雷射光L3。接著，第三雷射光L3藉由第三反射組件19反射至雷射擴束器15，雷射擴束器15用以調整由第三反射組件19反射之第三雷射光L3，以使第三雷射光L3近似於平行光束，並將第三雷射光L3發射至雷射加工頭16，雷射加工頭16再將由雷射擴束器15所發出之第三雷射光L3聚焦於工件2，以進行加工。

請參閱第2圖，第2圖為本創作實施例第三雷射光L3之時間T-功率P關係圖。如第2圖所示，由於第三雷射光L3實質上係由第一雷射光L1與第二雷射光L2耦合而成，因此當使用者利用第三雷射光L3加工工件2時，第三雷射光L3中具有該較短之第一脈衝寬度之第一雷射光L1具有較高之峰值能量，其可突破材料剝蝕門檻（ablation threshold）AT，瞬間直接移除被加熱之材料以減少熱效應擴散至他處，進而對材料表面進行改質與粗化，而第三雷射光L3中具有該較長之第二脈衝寬度之第二雷射光L2具有較高脈衝能量，其透過熔蝕（melting）或汽化（vaporization）材料，來達到快速加工工件之目的，藉此本創作之雷射加工系統1可提升加工速度、優化加工品質且可增加材料吸收率，進而達到避免漏孔或錯位效果，故可提高良率和生產率。然本創作並不侷限於本實施例，請參閱第3圖，第3圖本創作另一實施例一第三雷射光L3’之時間T-功率P關係圖。如第3圖所示，於另一實施例中，第三雷射光L3’實質上係由具有高峰值能量、短脈衝寬度之一第一雷射光L1’與具有高能量連續波之一第二雷射光L2’耦合而成，相似地，第三雷射光L3’中具有高峰值能量、短脈衝寬度之第一雷射光L1’可對材料表面進行改質與粗化，使得材料表面在受到第一雷射光L1’破壞後可更有效地吸收第三雷射光L3’中具有高能量連續波之第二雷射光L2’，進而提升加工速度。

相較於先前技術，本創作係利用偏振片以及光耦合元件來耦合具有短脈衝之第一雷射光以及長脈衝第二雷射光，以形成第三雷射光，再利用第三雷射光來加工工件，因此第三雷射光同時具有短脈衝之第一雷射光之高峰值能量以及長脈衝之第二雷射光之高脈衝能量，因此本創作之雷射加工系統於加工時，尤其是於加工硬脆性材料時，可同時提升加工速度、優化加工品質且可增加材料吸收率，進而達到避免漏孔或錯位之效果，故可提高良率和生產率。以上所述僅為本創作之較佳實施例，凡依本創作申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本創作之涵蓋範圍。

1‧‧‧雷射加工系統
11‧‧‧第一雷射光源
12‧‧‧第二雷射光源
13‧‧‧偏振片
14‧‧‧光耦合元件
15‧‧‧雷射擴束器
16‧‧‧雷射加工頭
17‧‧‧第一反射組件
18‧‧‧第二反射組件
19‧‧‧第三反射組件
2‧‧‧工件
L1、L1’‧‧‧第一雷射光
L2、L2’‧‧‧第二雷射光
L3、L3’‧‧‧第三雷射光
M‧‧‧平面鏡
P‧‧‧功率
T‧‧‧時間
AT‧‧‧材料剝蝕門檻

第1圖為本創作實施例雷射加工系統之元件配置圖。 第2圖為本創作實施例第三雷射光之時間-功率關係圖。 第3圖為本創作另一實施例第三雷射光之時間-功率關係圖。

1‧‧‧雷射加工系統

11‧‧‧第一雷射光源

12‧‧‧第二雷射光源

13‧‧‧偏振片

14‧‧‧光耦合元件

15‧‧‧雷射擴束器

16‧‧‧雷射加工頭

17‧‧‧第一反射組件

18‧‧‧第二反射組件

19‧‧‧第三反射組件

2‧‧‧工件

L1‧‧‧第一雷射光

L2‧‧‧第二雷射光

L3‧‧‧第三雷射光

M‧‧‧平面鏡

Claims (8)

1. 一種雷射加工系統，包含有： 一第一雷射光源，用以發射一第一雷射光； 一第二雷射光源，用以發射一第二雷射光； 一偏振片，用以偏振由該第二雷射光源所發出之該第二雷射光；以及 一光耦合元件，用以接收且耦合由該第一雷射光源所發出之該第一雷射光與被該偏振片所偏振之該第二雷射光，以輸出一第三雷射光，藉以加工一工件。
2. 如請求項1所述之雷射加工系統，另包含有： 一雷射擴束器，用以減少由該光耦合元件所發出之該第三雷射光之發散；以及 一雷射加工頭，用以聚焦由該雷射擴束器所發出之該第三雷射光，以加工該工件。
3. 如請求項2所述之雷射加工系統，另包含有： 一第一反射組件，用以將由該第一雷射光源所發出之該第一雷射光反射至該光耦合元件。
4. 如請求項3所述之雷射加工系統，另包含有： 一第二反射組件，用以將由該第二雷射光源所發出之該第二雷射光反射穿過該偏振片至該光耦合元件。
5. 如請求項4所述之雷射加工系統，另包含有： 一第三反射組件，用以將由該光耦合元件所發射之該第三雷射光反射至該雷射擴束器。
6. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該光耦合元件為具有偏極性的一分光鏡。
7. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該第一雷射光具有一第一偏極特性，被該偏振片偏振後之該第二雷射光具有一第二偏極特性，該第一偏極特性與該第二偏極特性相異。
8. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該第一雷射光源以一第一脈衝寬度發射該第一雷射光，該第二雷射光源以一第二脈衝寬度發射該第二雷射光，該第二脈衝寬度大於該第一脈衝寬度。