CN1714982A - 为材料加工的生成和控制多条独立可操纵的激光束的系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种具有多条独立可操纵的激光细束的激光加工系统，包括：激光器与光束成形器，用于生成成形源束；分束器级，用于由该成形源束生成多条细束；包括用于和对应于每条细束的独立可操纵细束操纵镜的细束控制器，用于独立地引导相应的细束；小镜控制器，用于控制每块细束操纵镜；和包含一扫描镜的光路，用于把每条受操纵的细束导向工件目标区。每块细束操纵镜都是一块多轴微机电小镜，系统还包括一位于光路内的束流收集器，可用相应的细束操纵镜把受操纵的细束拦入束流收集器。

Description

为材料加工的生成和控制多条独立 可操纵的激光束的系统与方法

技术领域

本发明涉及一种生成和引导用于材料加工的多条独立激光束的方法与设备。

背景技术

聚焦定向激光束普遍用于各种处理，诸如钻出盲孔、通孔与微通路，激光成像，切割基片和修整或定制集成电路，钻孔、切割与选择性材料去除以及其它复杂的机加工与精机加工操作，其中涉及薄金属、聚合物、集成电路与基片等材料。有些处理称为“焦点机加工”，目的一般是把一条或多条激光束能量聚集起来会聚于一期望的点，或称为“激光成像”，目的是把激光束的孔径面积成像到目标表面上。这类处理极其复杂，通常涉及在同时发生或连续的操作中，同时或连续地应用单个或多个激光器或者多类激光器，诸如可见光、红外(IR)和紫外(UV)激光器。

然而，这类处理面对若干重现和相关的问题，例如某一指定的操作，诸如钻出通路或精机加工集成电路或机械部件，往往只需要一部分激光束功率，许多激光功率未被充分利用。该问题又与另一问题相关，即对指定工件加工所需的时间。就是说，许多应用激光的处理，诸如在电路板、基片或集成电路中钻通孔或者对集成电路或机械部件作机加工操作，操作次数极多，完成指定工件的时间相当长。

这两个问题的一般解决方法已经众所周知，包括把单一的激光束分为多条子束或细束，平行地同时作多个同样的操作。

在应用这些方法的原有技术的典型激光加工系统中，激光器产生的源束通过一个或多个分束器级，每个分束器级包括一分束器和一与之关联的准直棱镜，前者把单条源束分成两条或多条细束，后者把来自该分束器的细束引导聚集成一组平行细束。连续重复分束与准直过程，在每一组中生成所需数量的细束和所需数量的细束组。然后每组细束通过一“路径均衡器”，而每个“路径均衡器”包括一条通过多个检流计控制型小镜的传输路径，小镜被安排控制成均衡各小波到达目标即工件所通过的长度。于是，每组细束最后一对可操纵小镜和一各组细束共用的扫描镜允许各组平行细束被平行地“操纵”和聚集到期望的工件目标区上。最后该均衡路径还包括“细”，据此操纵每组平行细束，使一组的一条或多条细束被掩模或吸收元件拦截，从该组里被“收集”即消除。

虽然这些方法在普遍应用，但是这类系统长期存在一个问题，例如虽然光束传输路径中可操纵小镜一般允许每组细束独立于其它各组而受操纵，但是每组内的细束图案一般被限于那种像一个或多个分束器级所产生的固定的平行细束图案。就是说，虽然传输路径中的可操纵小镜能把组内的细束之间的间隔控制到某一个程度，而且通过把某些细束投入束流收集器而把它们从组内消除掉，但是不能把组内诸细束逐一操纵到期望的目标。

因此，除非目标图案诸如要钻出的通路布局与组内现有的细束图案相符，否则必须通过束流收集法消除组内至少某些细束，以免钻出不想要的通路。结果，由于要“收集”很大一部分细束，因而就有效激光功率的利用而言，会使系统很大一部分效率无效。而且，由于减少了各加工步骤有效的细束数量并因此而增加了所需的加工步骤数量，就明显增加了加工工件所需的时间。

发明内容

本发明针对一种用多条独立可操纵的激光细束加工工件的激光加工系统，该系统包括生成成形源束的激光器与束成形器、由成形源束生成多条细束的分束器级和细束控制器，其中包含用于和对应于各细束以便独立引导该对应细束的独立可操纵细束操纵镜、控制各细束操纵镜的小镜控制器和含有扫描镜以把各受操纵细束导向工件目标区的光路。

各细束操纵镜是一种多轴微机电镜，能绕至少一根轴操纵，一般能绕双轴操纵。该激光加工系统还包括一位于光路内的束流收集器，可用相应的细束操纵镜把受控细束拦入该束流收集器。

附图说明

下面参照附图举例描述本发明，其中：

图1A图示一原有技术的激光加工系统；

图1B图示一后接光束准直器的激光分束器；

图1C图示一一般的分束器级；

图1D是原有技术的激光加工系统生成的一般细束图案；

图2A图示一本发明的激光加工系统；

图2B是图2A中激光加工系统的修正；

图3A图示原有技术的激光加工系统中的光束操纵法；

图3B图示本发明激光加工系统中的光束操纵法；和

图4图示本发明激光加工系统的另一实施例。

具体实施方式

A、原有技术系统简介(图1A与1B)

参照图1A～1D说明原有技术激光加工系统的一般结构与操作以及原有技术与本发明系统间的差别。

如图1A～1D所示，原有技术的激光加工系统10包括激光器12，它在可见光或者紫外(UV)或红外(IR)范围内产生源束14。源束14通过一个或多个成形级16，后者成形与构成源束14，再通过一个或多个分束器级18。各分束器级18包括分束器20，把各输入光束诸如源束14分成两条或更多细束22，它包括例如图示的棱镜或半反射镜，可产生反射束与发射束，每个束都是细束22。分束器级18一般还包括一关联的准直棱镜24，可将细束20从分束器20再导入平行细束22组26。如图1A所示，系统10包括两个或更多分束器级18，每个分束器级18对接收自例如激光器12或前一分束器级16的一个或多个输入光束进行分束与准直，在每组26中产生所需数量的细束22和所需细束22的组26的数量。

这方面参照图1C，必须指出，此时一般的分束器级18沿输入轴30接收可能是源束14或细束22的输入光束28，并产生含多条输出光束34的输出组32。每条输出束34的轴线平行于单一输出轴36，因而平行于各其它输出光束34的轴线，在通过输出轴36的图案平面40内形成图案38，如图1C所示。正如下面要讨论的，每一组32的输出光束34即每组26的细束22，通过系统10的光学元件被导成一组平行细束而不是一条条细束，明显限制了细束22的图案38对工件目标区各种图案的适应性。

再参照图1A，每组26的细束22自分束器级18通过一路径均衡器42，后者包括两条均衡支路44，标为均衡支路44A与44B。各自受控于检流计48的多块可操纵镜46通过均衡支路44A或44B操纵各组26的细束22。如相关领域所公知，路径均衡器42的功能是平衡各细束20到达工件52目标区50所通过的路径长度。

最后，沿均衡支路44A与44B的最后一对可操纵镜46和扫描镜54把组26的细束操纵聚集到工件52的目标区50上，而扫描镜54被均衡支路44A与44B共用，也是均衡支路44的公共终端。这方面如图所示，运用x-y工作台54，工件52一般沿水平面对细束22的最后图案38作横向定位，而工作台54也肯定能沿垂向正轴作定位。

最后，每条均衡支路44A与44B都包括一束流收集器56，据此操纵通过均衡支路44的各组26的平行细束22，使组26的一条或多条细束22被束流收集器40的掩摸或吸收元件拦截，从而从组26里“收集”或消除细束22。

现在必须指出，一块或作为一组的多块可操纵镜46沿一路径把每一组导向目标区34，即各组26的所有细束22从各可操纵镜46成组反射，而且有同样的入射与反射角，因而保持相互平行并在图案平面40内相互处于同样的相对位置。可操纵镜46每次再引导组26的细束22的唯一作用，是沿新的轴线再引导整个组26的细束20，并可改变穿过图案平面40的细束20之间的间隔，这从小镜的入射与反射角几何形状知道。还可知道，组26穿过图案平面40的诸细束22之间的任何间隔变化，在组26所有细束22之间的方向与幅值上呈线性比例关系。换一种话法，组26为成组“可操纵”，其图案38的尺度按比例变化，但组26内各个细束22在组26内不可操纵。

因此，虽然组26细束22的横向图案38可以绕横轴线扩展或收缩，但是图案38本身不能改变，除非用束流收集器56“收集”一条或多条细束22。所以，例如若组26细束22的图案38与细束22在其上工作的目标区50的图案不相配，就必须收集细束22减少组26的细束22，直到剩余细束22的图案38与至少某些目标区50相配。

这方面要指出，束流收集器56一般沿固定的线条“夹住”组26细束22的图案，因而仍限制了选择要收集的细束22的能力。而且，“夹住线条”不能与细束22的图案和目标区50的图案优化定向。因此，为使细束22的图案适合目标区50的图案而“收集”细束22，会造成使用的细束22比可能有用的细束少得多，相应减小了源束14有效功率的利用率，延长了完成所需操作所需的时间。

B、本发明的说明(图2A与2B)

现在说明本发明，应该指出，为便于描述本发明并与上述的原有技术相区分，下面的说明使用标号100和以上的标号，原有技术则使用10～56内的标号。

下面将描述本发明的激光加工系统100，它通过设置独立可操纵的细束22和其它特征而解决了上述原有技术的诸问题。

本发明一示例的激光加工系统100示于图2A与2B，其中图2A图示3激光加工系统100，图2B示出图2A中激光加工系统100的修正型。

如图2A与2B所示，至少一个激光器102例如是一种可见光、红外(IR)或紫外(UV)激光器。系统100包含多个不同类型的激光器102，或是提供用于加工的激光器类型的灵活性，或是允许用多于一种的激光器或多于一个的激光器进行同时或连续的操作。但为了简单明了，以下描述本发明所讨论的示例激光加工系统100只示出一个激光器102。

如图所示，激光器102产生的源束104通过一个或多个光束成形器106和可选孔径阵列110的孔径108，构成一成形的源束112，然后，成形源束112通过一多级分束器114，后者的每级根据源束112或来自前一分束器级的输入细束116产生多条细束116。

多级分束器114包括按分支序列排列的分束器级118，各分束器级118把来自前一级的输入光束分成两条或更多输出光束，级数取决于各级产生的细束116的数量和期望的细束116的数量。如在图2A与2B的示列系统100中，多级分束器114包括分束器级118A～118C，其中输入分束器级118A把成形源束112分成两条细束116，每一条输出细束116导向第二级分束即118B和118C中对应的一个，而第二级分束器级118B与118C都把各自的输入细束116生成两条输出细束116。

在图2A与2B的实施例中，各分束器级118包括分束器120和后接的准直棱镜122，分束器级118A输出的各第一级束116被相应的固定小镜124A或124B直角导向第二级分束器级118B和118C中对应的一个。但应理解，分束器级118可用多种方式构成，诸如配备一块或多块棱镜或者一块半反射镜，以反射和发射一部分束，或配用组合式棱镜与小镜。而且，还可将分束器级118设计和构成从单一输入光束产生多余输出细束，并用若干种元件诸如小镜或棱镜等导控成形源束112或细束116。还应理解，可将连续的分束器级118构成“直线”排列，不是通过连续的角度把光束从一级导向下一级，若输出细束之间有足够的横向分隔，则级间改向意味着不需要小镜或棱镜。

如图2A与2B所示，多级分束器114还包括由均衡路径126A与126B组成的路径均衡器126的入口段，如图所示，均衡路径126A与126B都包括细束控制器128，称为细束控制器128A与128B，对来自多级分束器114的细束116提供独立的操作与“收集”。

在图2A的激光加工系统100中，各细束控制器128A与128B输出的细束116被导向相应的固定镜130A与130B，后者通过若干角度把细束116导向操纵镜132A与132B，它们都是检流计控制的小镜。操纵镜132A与132B接着把细束116可操纵地导入单一扫描镜136的入口孔径134，后者把细束116准直并聚集到工件142工作面140上选择的目标区138上。

在图2B的激光加工系统100修正中，由固定镜130A与130B、操纵镜132A与132B和扫描镜136组成的组件，可被划分和复制为分开而平行的路径，是来自固定镜130A与130B的细束116被分别独立地“可收集”和分别独立地可操纵。这一修正允许通过固定镜130A与130B操纵的细束116被操纵和保持在工件142工作面140上不同的目标区138内、工件142不同工作面140上不同的目标区138内或不同工件142不同工作面上不同的目标区138内。

应该明白，这一修正明显提高了激光加工系统100的激光加工的灵活性，而且无论目标区138位于同样还是不同的工作表面140，或者甚至在不同的工件142上，激光加工系统100可在其上同时操作的目标区138的数量扩大了一倍。

再参照细束控制器128，各控制器128包括一用于和对应于来自多级分束器114的各输入细束116的独立可操纵的细束操纵镜144，它在图2A与2B中标为细束操纵镜144A～144D。各细束操纵镜144位于来自多级分束器114相应各个细束116的路径内，一般由微机电(MEM)镜组成。各细束控制器128的各个细束操纵镜144逐个分开地受控于相应细束控制器128的MEM控制器146，标为MEM控制器146A与146B，故可独立地操控各细束116。

这方面需指出，含细束操纵镜144的MEM镜的尺寸比检流计控制型小镜的尺寸小得多，使细束操纵镜144沿通过来自多级分束器114每组细束116轴线的一平面或若干平面间隔得足以紧靠在一起，而细束操纵镜位于每条这样的细束120的路径内。正如相关领域的技术人员所知，MEM小镜还通常构成可绕一根或两根轴线旋转或倾斜，因而可控制各细束116的入射角，相应细束操纵镜144的反射面相对这两根轴线而受控。这样又可精密地逐一控制各细束116的方向，因而细束操纵镜114能逐一操纵来自多级分束器114的相应的各条细束116，并由来自MEM控制器146A与146B相应的控制信号逐一决定各条细束116的角度与方向。

这方面还要指出，激光加工系统100的各束控制器128包括至少一个束流收集器148，而且一独立从束流收集器148用于并对应于光束控制器128处理的每条细束116。如讨论的那样，束流收集器148可以取吸收材料包围细束116路径的“掩蔽”形式，因而通过沿任一轴线作充分的偏移，就可把细束116导入“掩蔽”，即沿细束116的路径设置的吸收阱，只要细束116被操纵入该“陷阱”。如在图2B的实施例中，束流收集器148位于细束操纵镜114的“下游”并在各细束116正常可操纵路径之外，因而相应的细束操纵镜114可将各条细束116操纵入束流收集器148。图2A示出的实施例中，各细束116有一独立的束流收集器148，它位于光路旁边。在其它实施例中，被若干条细束116共用的束流收集器148包围每条光路，故细束46通过束流收集器148中的一“窗口”。

如前所述，束流收集器148用来减少细束116的数量，其方法例如是用“光闸”阻挡细束116的路径，或把细束116的路径导入吸收材料的“陷阱”。正如讨论的那样，在原有技术的系统中，细束116只被组成操纵，而且成组的细束116在组内排成固定图案，因而要通过沿掩蔽限定的一固定线条“夹住”细束116的图案从该图案中除去细束116。然而，由于激光加工系统100的细束116是逐一可操纵的，因此不仅能修改细束116的图案，还能通过把每条选出的细束116独立地操纵入一共同的“束流收集器”或对该选择的细束116各自专用的束流收集器148，逐一“收集”细束116。

总之，在原有技术的系统中，每组细束形成固定的平行细束图案，该图案只能组成操纵，而且只能通过沿固定的直线或曲线“夹住”一组光束的形式将光束收集，才能更改细束图案。相反地，在本发明的激光加工系统100中，可用细束操纵镜144逐一公开地操纵每条细束116，因而本发明激光加工系统100的细束116可以操纵到从细束操纵镜144延伸到扫描镜136的光路内的任一点并穿过孔径或横向平面，所以每条细束116可独立地逐一操纵到工件142工作面140上相应的自由选择的目标区138。以同样方式，可将每条细束116逐一分开地操纵入束流收集器148，因而可从一组细束116里消除各条细束116，这与细束116在组内的位置无关。

图3A与3B示出了本发明的激光加工系统100与原有技术的激光加工系统10的这种差别，即独立于组内其它细束116分开地操纵每条细束116的能力，与只能成组操纵一组26的细束22的能力成对照。

图3A是原有技术的激光加工系统10的局部简化图，示出了细束22的控制，其中组26的细束22只能成组控制。如图所示，组26的细束22被导向可操纵小镜46A，为简单明白起见，图中把可操纵小镜46A示为绕两条轴线转动。小镜46A通过一可选的角度把组26的细束22导向下一块小镜，后者也是一块如图示的可操纵小镜46B或一块固定的小镜。如已指出的那样，因可操纵小镜46A可绕x与y两根轴线操纵或旋转，故小镜46A可沿相对于组26法向中心线轴线任一或全部或任意组合的±x或±y坐标或轴线操纵或偏转组26的细束22。在沿组26的路径在图中示为与可操纵小镜46B关联的某一点，可设置束流收集器56，因而组26沿±x、+y或-y坐标或轴线之一作足够大的偏转，将导致一条或多条细束22被束流收集器56捕获而从组26中消除。组26的细束22级需通过剩下的一般还包含可操纵小镜46(图示为46C)和扫描镜54的光路而到达工件52。显然如前所述，组26的细束22只能作为具有固定图案38的组26来操纵。就是说，组26可沿任一±x、+y或-y坐标或轴线或者沿任意组合的±x、+y或-y坐标或轴线只能组成地偏移，而组26本身通过这样的偏移充分使这些细束22拦截束流收集器56，只能被改成“收集”或“夹住”某些细束22。

图3B是本发明激光加工系统100的局部简图，可以看出，激光加工系统100一般类似于激光加工系统10。但要指出，单块可操纵小镜46A已被多块独立可操纵的细束控制镜144取代，后者都是可通过双轴线操纵的微机电(MEM)小镜。如前所述，对应于每条细束116有一块独立的细束操纵镜114，因而能沿任一或全部或任意组合的+x、+y、-x或-y坐标或轴线逐一独立地操纵每条细束116，如图3B所示。因此，不仅能把每条细束116独立地定位在该组细束116内，还可将任一条细束116或任意组合的细束116分别独立地操纵入束流收集器148。这种情况示于图3B，图中把来自该组细束116当中的一条细束116示成被操纵入束流收集器148，这样就可把细束116逐一独立地操纵到工件142工作面140上目标区138内的任一位置。而且图3B还示出，细束116在不规则排列的目标区138中操纵，而这种排列包括四条细束116中的三条，组中间的一条细束116正被“收集”。

现在研究本发明激光加工系统100的其它实施列，图4示出应用分束器120的激光加工系统100的实施例，分束器120由例如一条输入成形源束112或一条输入细束116产生多条细束116。如在图3实施例中，分束器120由输入光束产生6条细束116，每条细束116被相应的准直棱镜122接收和定向，准直棱镜122例如包括相应的多块准直棱镜122或一块衍射镜，引导相应的双轴线细束操纵镜144。

还应理解，在其它激光加工系统100的实施例中，可用连续或级联的分束器120产生所需数量的细束116，还可用多块单轴线MEM小镜执行双轴线微机电(MEM)小镜所执行的操作。

因此，由于可对上述激光加工系统作一定变化而不违背本文所提及的本发明的精神与范围，所以上述说明或附图所示的所有主要内容只能被解释为示明本文创新理念的例子，不得认为限制本发明。

Claims (5)

1.一种用多条独立可操纵的激光细束加工工件的激光加工系统，其特征在于包括：生成成形源束的激光器与光束成形器，由成形源束生成多条细束的分束器级，细束控制器包括用于对应于每条细束以独立地引导该相应细束的独立可操纵的细束操纵镜，和控制每块细束操纵镜的小镜控制器，以及包括把每条操纵的细束导向工件目标区的扫描镜的光路。

2.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，每块细束操纵镜是一多轴微机电小镜。

3.如权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于，细束操纵镜可绕一根轴线操纵。

4.如权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于，细束操纵镜可绕至少两根轴线操纵。

5.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，还包括一位于光路内的束流收集器，用于用相应的细束操纵器把一受操纵的细束拦入该束流收集器。

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