專利名稱：用于轉(zhuǎn)換激光束的裝置和激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及選擇性地將輸入激光束引導至第一輸出激光束和/或至第二輸出激光束的裝置。而且，本發(fā)明涉及用于加工工件的激光加工裝置，特別用于對電路載體鉆孔和/或結(jié)構(gòu)化，激光加工裝置包括如上所述的激光束轉(zhuǎn)向裝置。
背景技術(shù)：
目前，要以緊湊構(gòu)型實現(xiàn)的電子組件通常在多層電路載體上構(gòu)造，特別在多層電路板上。因此，需要讓電路板的特定導電層接觸。這是通過在要接觸的層中鉆盲孔或通孔，且隨后用導電金屬化涂覆孔而實現(xiàn)的。以這種方式，電路可不僅被兩維地形成，而且也在第三維上形成，使得電子組件所要求的空間可相當程度地減小。
通常，電路襯底是借助于電子領域的特定激光加工裝置中的脈沖激光輻射鉆孔的。通常，二氧化碳或固態(tài)激光器，如Nd:YAG或Nd:YVO4激光器，被用作激光源。有競爭力的激光加工裝置的重要特征一方面是生產(chǎn)量，即可在特定時間單位內(nèi)鉆的孔的數(shù)量，另一方面是激光加工裝置的購買成本。因此，開發(fā)了激光加工裝置，其中從單個激光源發(fā)射的激光束可通過光學切換元件被任意地引導到兩個輸出光程中的一個。每個輸出光程中設置有偏轉(zhuǎn)單元和成像光學系統(tǒng)，通過它們，各輸出射束被引導到要加工的一個或幾個工件的不同目標點。例如從JP 2002011584A中已知使用幾個激光束互相鉆電路板的相應裝置。
可機械旋轉(zhuǎn)的反射器也是公知用于選擇性地將激光束引導到空間上隔開的不同光程上。在該過程中，根據(jù)反射器的相應傾斜，輸入激光束被偏轉(zhuǎn)到不同方向?？蛇@樣機械旋轉(zhuǎn)的反射器的不足在于，由于反射器的質(zhì)量慣性，轉(zhuǎn)換時間相對較長。通常，至少是100μs，使得在脈沖重復頻率為10kHz的情況下，兩個輸出激光束之間的定義的轉(zhuǎn)換在兩個連續(xù)激光脈沖之間的時間跨度中已經(jīng)不再可能。
JP 2003053576 A公開了一種裝置和方法，其中激光束可通過聲光調(diào)制器(AOM)偏轉(zhuǎn)到不同方向。這里，在晶體中生成聲學駐波，晶體用作入射到晶體上的激光束的衍射光柵。AOM的不足在于，晶體的魯棒性和壽命是有限的，并且通常僅能生成小偏轉(zhuǎn)角。另一個不足是，激光束的整個強度不被偏轉(zhuǎn)到對應于特定衍射級的特定方向。相反，不被忽略的激光輻射強度總是被引導到不同衍射級。
JP 2003126982 A公開了一種激光加工裝置，其包括作為射束轉(zhuǎn)換元件的電光調(diào)制器(EOM)，電光調(diào)制器(EOM)與偏振相關(guān)反射器聯(lián)合工作。通過相應地電氣控制EOM，可以有針對性地影響入射到偏振相關(guān)反射器的激光束偏振方向，使得激光束可被任意地引導到串接偏振相關(guān)反射器的兩個輸出光程中的一個上。然而，由于入射到EOM上的激光輻射不是完全線性偏振的，而且，EOM所產(chǎn)生的偏振方向的旋轉(zhuǎn)角總是具有一定程度的不清晰性，所以某些剩余強度總會進入關(guān)斷的激光束的光程中。而且，使用EOM的不組在于，(a)要求相對高的電壓來操作EOM，(b)EOM的預期使用壽命是未知的，特別是在高功率強度激光束要被偏轉(zhuǎn)的情形下，和(c)EOM是相對昂貴的光學元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種裝置，用于選擇性地將輸入激光束引導至第一輸出激光束和/或至第二示出激光束，該裝置使得可以簡單方式精確地在兩個輸出激光束之間快速并同時轉(zhuǎn)換激光束。而且，本發(fā)明的目的是提供一種激光加工裝置，其以有利的方式使用上述激光束轉(zhuǎn)向裝置，從而快速和精確地加工工件。
該目的是通過用于選擇性地將輸入激光束引導至第一輸出激光束和/或至第二輸出激光束的裝置而實現(xiàn)的，包括獨立權(quán)利要求1的特征。根據(jù)本發(fā)明的裝置包括射束分裂元件，用于空間地分裂輸入激光束為第一部分束和第二部分束；射束疊加元件，用于空間地疊加兩個部分束，以及將兩個部分束變換為第一輸出激光束和/或第二輸出激光束。兩個部分束被疊加，使得兩個輸出激光束的強度取決于射束疊加元件處兩個部分束之間的相對相移。這是通過以下方式實現(xiàn)的，即兩個部分束被相干地疊加，使得根據(jù)本發(fā)明的裝置表示干涉計，其中通過將部分束的光學路徑長度改變僅僅半個波長而可自由調(diào)整兩個輸出激光束之間的強度分布。按照本發(fā)明，通過安置在第一部分束中的光學執(zhí)行器改變光學路徑長度，光學執(zhí)行器被這樣設置，使得第一部分束的光學路徑長度可在射束分裂元件和射束疊加元件之間改變。
本發(fā)明基于這樣的認識，即通過用干涉計相干地疊加兩個部分束，可以自由地調(diào)整兩個輸出光程之間的強度分布。例如，兩個部分束之間的相干疊加使輸入激光束被引導到第一輸出激光束，只要它們具有精確相同的光學路徑長度。沒有強度被引導到第二輸出激光束，因為兩個部分束在該方向上彼此相消干涉。如果第一部分束的光學路徑長度僅改變半個激光波長，則兩個部分束的相干疊加不在第一輸出激光束中產(chǎn)生任何輸出功率，這是由于相消干涉。在第二輸出激光束的方向上，在兩個部分束之間出現(xiàn)相長干涉，使得輸入激光束的整個強度被轉(zhuǎn)移到第二輸出激光束。
應該理解，作為當然的事實，只有兩個部分束的路徑長度差小于激光束的相干長度，兩個部分束的相干疊加才是可能的。
而且，應該理解，按照本發(fā)明的裝置也可以用來選擇性地將輸入激光束引導至多于兩個的輸出激光束上。這可通過幾個根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)向單元的聯(lián)合工作實現(xiàn)，這些轉(zhuǎn)向單元以級連的形式串聯(lián)。以該方式，可以有針對性地將輸入激光束引導至三個、四個或更多輸出激光束。
按照權(quán)利要求2，附加提供第一光接收器，其光耦合到第一輸出激光束。為了調(diào)節(jié)第一輸出激光束的強度，光接收器而且例如經(jīng)由電線耦合到執(zhí)行器。優(yōu)選地，光耦合到第一輸出激光束是經(jīng)射束解耦元件實現(xiàn)的，射束解耦元件優(yōu)選地僅引導第一輸出激光束的小部分強度至光接收器。光接收器例如是傳統(tǒng)的光電二極管。優(yōu)選地，將光接收器耦合至執(zhí)行器是經(jīng)由光接收器的電氣輸出來執(zhí)行的，該輸出在光接收器操作過程中輸送輸出電壓，該電壓的大小直接與當前入射到光接收器上的光強度成比例。
按照權(quán)利要求3，附加地提供第二光接收器，其光耦合至第二輸出激光束并耦合到執(zhí)行器，以便調(diào)節(jié)第二輸出激光束的強度。這使得可以特別精確地調(diào)節(jié)執(zhí)行器，并因此可以以明確定義的方式在兩個不同操作條件之間轉(zhuǎn)換。在第一操作條件中，輸入激光束的完整強度被引導到第一輸出激光束，而第二輸出激光束的強度至少接近零。在第二操作條件中，第一輸出激光束的強度幾乎為零，而輸入激光束的整個強度被引導到第二輸出激光束。
按照權(quán)利要求4，執(zhí)行器包括機械可調(diào)整的反射鏡。如上面解釋的那樣，為了在兩個空間上隔開的輸出激光束的光程之間轉(zhuǎn)換輸入激光束，僅需要激光波長數(shù)量級的非常短的反射鏡運動。這意味著，在反射鏡的平移中，與反射鏡運動相關(guān)聯(lián)的第一部分束的射束偏移的量如此小，以至兩個部分束與反射鏡的當前位置無關(guān)地相互仍然空間地交疊，使得兩個部分束之間的相干疊加得到保證。因此，可以良好近似地忽略射束偏移。
按照權(quán)利要求5，執(zhí)行器是機械可調(diào)整的折射光學元件，其中兩個部分束之間的相對相移是由這樣的事實產(chǎn)生的，即光學透明的折射介質(zhì)被引入到第一部分束的光程中。這例如包括不同的厚度，使得兩個部分束之間的相對相移可通過移動或轉(zhuǎn)動光學元件而被調(diào)整。只要光學元件是這樣成形的，使得光學元件的輸入表面和輸出表面總是垂直于第二部分束的光程取向，則可以產(chǎn)生相移，而光學元件不影響第一部分束的光程。因此，如果裝置被準確地調(diào)整，兩個部分束可完全交疊，使得兩個部分束在射束疊加元件中的空間相干不會受光學元件調(diào)整的影響。因此，可以有針對性地高精度地引導輸入激光束至剛好一個輸出激光束，或以精確定義的強度分布引導至兩個輸出激光束。
按照權(quán)利要求6，執(zhí)行器包括壓電驅(qū)動，其使得能夠特別快地調(diào)節(jié)執(zhí)行器。因此，即使在輸入激光束的高重復率的情形中，也可以在兩個光程間的兩個連續(xù)脈沖之間轉(zhuǎn)換輸出激光束的強度。
第二目的是通過用于加工工件的激光加工裝置實現(xiàn)的，其特別用于對電路載體鉆孔和/或結(jié)構(gòu)化，其包括獨立權(quán)利要求7的特征。根據(jù)本發(fā)明的激光加工裝置包括用于生成輸入激光束的激光光源；按照權(quán)利要求1到6中任一條所述的激光束轉(zhuǎn)向裝置，用于選擇性地將輸入激光束引導至第一輸出激光束和/或至第二輸出激光束；第一偏轉(zhuǎn)單元，被設置在第一輸出光程上；以及第二偏轉(zhuǎn)單元，被設置在第二輸出光程上。兩個偏轉(zhuǎn)單元被設置，以便將兩個輸出激光束定位至至少一個工件上的規(guī)定的目標點上。
按照本發(fā)明的激光加工裝置使得兩個加工區(qū)域上的相互材料加工成為可能。在第一輸出激光束加工的過程中，第二偏轉(zhuǎn)單元被定位在這樣的目標點上，即通過激光束轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)換，第二輸出激光束在第一輸出激光束加工完成后馬上到達該目標點。由于為了轉(zhuǎn)換第一輸出激光束的光程和第二輸出激光束的光程之間的輸出強度，僅要求光學執(zhí)行器的、輸入激光束波長數(shù)量級的短距離運動，所以如果將合適的驅(qū)動用于光學執(zhí)行器，就可以實現(xiàn)脈沖激光振蕩器的兩個連續(xù)脈沖之間的射束轉(zhuǎn)換。以該方式，在材料加工中完全消除了非生產(chǎn)時間，該非生產(chǎn)時間是由于偏轉(zhuǎn)單元在不同的相互間隔的目標位置之間的轉(zhuǎn)移運動。
一般地，偏轉(zhuǎn)單元是所謂的Galvo系統(tǒng)，其中可繞相互垂直的軸旋轉(zhuǎn)地設置的兩個Galvo反射鏡這樣移動，使得經(jīng)由兩個Galvo反射鏡引導的激光束可被引導到加工區(qū)域內(nèi)的任意目標點上。


本發(fā)明進一步的優(yōu)點和特征可從下面優(yōu)選實施例的示例性描述中看出。
附圖中，唯一的圖示意地示出激光加工裝置，其包括射束轉(zhuǎn)換單元，其中馬赫-曾德(Mach Zehnder)干涉儀的兩個部分束被相干地疊加，并被選擇性地引導到第一輸出激光束和/或到第二輸出激光束。
具體實施例方式
按照所示實施例的激光加工裝置包括激光光源105，其發(fā)射優(yōu)選的脈沖輸入激光束110，例如在近紫外譜范圍內(nèi)、在可見光譜范圍內(nèi)或在近紅外譜范圍內(nèi)。在紅外激光束的情形中，特別優(yōu)選CO2激光器作為激光光源，在激光光源在可見光譜或近紫外光譜范圍內(nèi)發(fā)射時，二極管泵浦(diode-pumped)固態(tài)激光器被優(yōu)選使用，其基本波長借助于激光光源105中安裝的非線性晶體以已知的方式通過倍頻被轉(zhuǎn)換。
而且，激光加工裝置包括相干束轉(zhuǎn)換裝置100，其選擇性地將輸入激光束110引導至第一輸出激光束140a的光程和/或至第二輸出激光束140b的光程中。相干束轉(zhuǎn)換裝置100相對于激光光源105設置，使得輸入激光束110入射到射束分裂器115，射束分裂器115將輸入激光束110分裂為兩個部分束，第一部分束120a和第二部分束120b。兩個部分束的強度基本相同。第二部分束120b經(jīng)固定反射鏡121b被引導到另一射束分裂器135。第一部分束120a經(jīng)可移動反射鏡121a也被引導到射束分裂器135。在射束分裂器135，兩個部分束120a和120b被相干地疊加，使得根據(jù)兩個部分束120a和120b之間的相位關(guān)系，疊加的激光束被引導到第一輸出激光束140a的光程中和/或到第二輸出激光束140b的光程中。
將輸入激光束110分裂為兩個部分束120a和120b以及隨后將這兩個部分束120a和120b相干地疊加對應于馬赫-曾德干涉儀中的射束分裂和射束組合。通過壓電驅(qū)動裝置171移動可移動反射鏡121a而改變第一部分束120a的光程中的光路長度，壓電驅(qū)動裝置171和可移動反射鏡121a一起表示光學執(zhí)行器170。光學路徑長度的改變自動地改變兩個部分束120a和120b之間的相對相位關(guān)系，使得作為結(jié)果，離開干涉儀的激光輻射在第一輸出激光束140a的光程和第二輸出激光束140b的光程之間的強度分布可被自由調(diào)整。
在當前描述的結(jié)構(gòu)中，兩個部分束120a和120b的各部分分別成對平行傳播，使得兩個輸出激光束在經(jīng)過射束分裂器135后彼此成直角傳播，這兩個部分束120a和120b在射束分裂器135處相干地疊加。為了能夠以簡單方式調(diào)整整個激光加工裝置，第二輸出激光束140b被反射到固定反射鏡141b上。這使得兩個輸出激光束140a和140b分別能夠以彼此平行的光程分別入射在偏轉(zhuǎn)單元180a和180b上。
在偏轉(zhuǎn)單元180a和180b之后，分別設置光學系統(tǒng)(未示出)，特別是所謂的F-theta光學裝置。它們導致由偏轉(zhuǎn)單元180a或180b偏轉(zhuǎn)的輸出激光束140a或140b聚焦到工件(也沒有示出)的相應目標點上。在這兩個激光束中的一個進行材料加工的過程中，依靠第一輸出激光束140a和第二輸出激光束140b之間的相互激光加工，與另一激光束相關(guān)聯(lián)的偏轉(zhuǎn)單元可以已經(jīng)被調(diào)整到新的第二目標點，如果需要，這個第二目標點與第一目標點隔開。因此，對于另一激光束的進一步激光加工，僅需要改變兩個部分束120a和120b之間的相位關(guān)系，使得在一個輸出激光束加工材料完成之后，這一個輸出激光束的強度被減小到零，而另一激光束的強度被提升到最大值。由于為了產(chǎn)生所需的相位偏移，僅需要非常短的移動路徑，所以在以一定重復率在幾MHz范圍內(nèi)發(fā)射激光輻射的脈沖激光器的情況下，可以在兩個連續(xù)脈沖之間執(zhí)行轉(zhuǎn)換。
為了確?？梢苿臃瓷溏R121a的精確調(diào)整，解耦射束分裂器145a和145b分別設置在兩個輸出激光束140a和140b的每個中，解耦射束分裂器145a和145b分別引導各輸出激光束的小部分強度至光檢測器150a和150b。兩個光檢測器150a和150b是，例如所謂的光電二極管，其供應與入射在光電二極管活性表面上的光強度成比例的輸出信號。兩個光檢測器150a和150b分別經(jīng)信號線151a和151b耦合到比較器電路160，其中通過模擬電路獲得兩個光檢測器150a和150b之間的輸出信號的差。經(jīng)信號線161，放大器165被連接到比較器電路160的下游，該放大器經(jīng)另一信號線166耦合到壓電驅(qū)動裝置171。為了能夠?qū)崿F(xiàn)將輸入激光束110任意地轉(zhuǎn)換到第一輸出激光束140a或第二輸出激光束140b，通過放大器165控制壓電驅(qū)動裝置171，使得光檢測器150a的檢測信號和光檢測器150b的檢測信號之間的差盡可能地大。如果兩個輸出激光束中一個的強度變?yōu)樽畲?，同時另一輸出激光束的強度為最小，優(yōu)選為零，則這可精確實現(xiàn)。
因此，兩個光檢測器150a和150b、比較器電路160、放大器電路165和壓電驅(qū)動裝置171以及相應的信號線表示調(diào)節(jié)回路，其調(diào)節(jié)將輸入激光束110以預定值分到第一輸出激光束140a和第二輸出激光束140b中。
總之，可得到下面的結(jié)論包括馬赫-曾德干涉儀的相干束轉(zhuǎn)換裝置100和用于最優(yōu)調(diào)整兩個輸出激光束140a和140b強度的調(diào)節(jié)回路使得能夠以簡單方式快速并精確地將由激光光源105發(fā)射的輸入激光束110轉(zhuǎn)移至第一偏轉(zhuǎn)單元180a和/或第二偏轉(zhuǎn)單元180b。馬赫-曾德干涉儀包括兩個射束分裂器115和135以及兩個反射器，固定反射器121b和可移動反射器121a。調(diào)節(jié)回路包括兩個解耦射束分裂器145a和145b、兩個光檢測器150a和150b、電路160和165以及適當?shù)男盘柧€151a、151b、161和166，還有用于精確移動可移動反射鏡121a的驅(qū)動裝置171。
附圖標記列表100相干束轉(zhuǎn)換裝置105激光光源110輸入激光束115射束分裂器120a 第一部分束120b 第二部分束121a 可移動反射鏡121b 固定反射鏡135射束分裂器140a 第一輸出激光束140b 第二輸出激光束145a 解耦射束分裂器145b 解耦射束分裂器150a 光檢測器150b 光檢測器151a 信號線151b 信號線160比較器電路161信號線165放大器166信號線170光學執(zhí)行器171壓電驅(qū)動裝置180a 偏轉(zhuǎn)單元180b 偏轉(zhuǎn)單元
權(quán)利要求
1.一種用于選擇性地將輸入激光束(110)引導至第一輸出激光束(140a)和/或第二輸出激光束(140b)的裝置，包括射束分裂元件(115)，用于空間地將輸入激光束(110)分裂為第一部分束(120a)和第二部分束(120b)，射束疊加元件(135)，用于空間地疊加所述兩個部分束(120a，120b)，以及將所述部分束(120a，120b)轉(zhuǎn)化為所述第一輸出激光束(140a)和/或所述第二輸出激光束(140b)，其中所述兩個輸出激光束(140a，140b)的強度取決于所述射束疊加元件(135)處所述兩個部分束(120a，120b)之間的相對相位偏移，以及光學執(zhí)行器(170)，其被設置在所述第一部分束(120a)中，并被這樣調(diào)整，使得所述第一部分束(120a)的光學路徑長度可在所述射束分裂元件(115)和所述射束疊加元件(135)之間變化。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括第一光接收器(150a)，其被光耦合至所述第一輸出激光束(140a)，且被耦合至所述執(zhí)行器(170)，用于調(diào)節(jié)所述第一輸出激光束(140a)的強度。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括第二光接收器(150b)，其被光耦合至所述第二輸出激光束(140b)，且被耦合至所述執(zhí)行器(170)，用于調(diào)節(jié)所述第二輸出激光束(140b)的強度。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項所述的裝置，其中所述執(zhí)行器(170)包括可機械地調(diào)節(jié)的反射鏡(121a)。
5.如權(quán)利要求1到3中任一項所述的裝置，其中所述執(zhí)行器(170)包括可機械地調(diào)節(jié)的折射光學元件。
6.如權(quán)利要求4或5所述的裝置，其中所述執(zhí)行器(170)包括壓電驅(qū)動裝置(171)。
7.一種用于加工工件的激光加工裝置，其特別用于對電路載體鉆孔和/或結(jié)構(gòu)化，所述激光加工裝置包括用于生成輸入激光束(110)的激光光源(105)，按照權(quán)利要求1到6中任一項所述的裝置(100)，用于選擇性地將所述輸入激光束(110)引導至第一輸出激光束(140a)和/或至第二輸出激光束(140b)，第一偏轉(zhuǎn)單元(180a)，其被設置在所述第一輸出光程(140a)中，和第二偏轉(zhuǎn)單元(180b)，其被設置在所述第二輸出光程(140b)中，其中在至少一個工件上設置所述兩個偏轉(zhuǎn)單元(180a，180b)，用于將所述兩個輸出激光束(140a，140b)定位至規(guī)定的目標點。
全文摘要
本發(fā)明提供用于選擇性地引導輸入激光束(110)至第一輸出激光束(140a)和/或至第二輸出激光束(140b)的裝置，包括射束分裂元件(115)，用于空間地分裂輸入激光束(110)為第一部分束(120a)和第二部分束(120b)；射束疊加元件(135)，用于空間地和相干地疊加兩個部分束(120a，120b)，并轉(zhuǎn)換兩個部分束(120a，120b)為第一輸出激光束(140a)和/或第二輸出激光束(140b)。兩個輸出激光束(140a，140b)的強度取決于射束疊加元件(135)處兩個部分束(120a，120b)之間的相對相位遷移。而且該裝置包括光學執(zhí)行器(170)，其被設置在第一部分束(120a)中并被調(diào)整，使得第一部分束(120a)的光學路徑長度可在射束分裂元件(115)和射束疊加元件(135)之間變化。而且，本發(fā)明提供一種激光加工裝置，其用于加工工件，包括用于生成輸入激光束(110)的激光光源(105)，上述裝置(100)，設置在第一輸出光程(140a)上的第一偏轉(zhuǎn)單元(180a)，以及設置在第二輸出光程(140b)中的第二偏轉(zhuǎn)單元(180b)。
文檔編號B23K26/06GK1881064SQ20061005144
公開日2006年12月20日 申請日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者毆內(nèi)斯特·阿夫爾特, 瓊-諾爾·費爾, 烏爾班·G·施內(nèi)爾 申請人:日立比亞機械股份有限公司