專利名稱：用激光脈沖切除材料的方法及設(shè)備，其單個激光脈沖能量低于切除材料用的激光脈沖的能量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用激光切除材料的方法，其中，產(chǎn)生激光脈沖序 列，并且用該激光脈沖序列照射待切除的材料區(qū)域。本發(fā)明的另一方面涉及一種切除材料的設(shè)備，包括 -用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置 -用于將激光脈沖引導(dǎo)至材料的待切除區(qū)域上的裝置背景技術(shù)已知將激光脈沖，特別是脈沖寬度在約10"5s到5x 10^s范圍內(nèi) 的超短激光脈沖應(yīng)用于高精度的激光微加工。在美國專利US 5，656，186(歐洲專利0 754 103 B1,申請日為1994 年4月8日，"用于控制激光誘導(dǎo)擊穿和燒蝕的結(jié)構(gòu)的方法")中， G， Mourou描述了超短單激光脈沖適用于加工材料的基本性能。在Cuvillier Verlag Goettingen1999年發(fā)表的名為"用超短激光脈 沖進(jìn)行材料的微加工，，的論文中，S.Nolte對使用毫微微秒激光脈沖 進(jìn)行材料加工的問題進(jìn)行了研究。一般而言，也就是說在本發(fā)明的范圍內(nèi)，超短激光脈沖可以用于 材料(例如金屬材料)的切除、燒蝕和加工，以及用于改變材料的 特性(如改變玻璃的折射率)。采用超短激光脈沖(毫微微秒激光脈沖)進(jìn)行材料加工顯示出獨(dú) 特的優(yōu)勢，尤其是在進(jìn)行精度極高的材料切除和/或燒蝕時產(chǎn)生的熱 力或機(jī)械損傷小于許多其它的材料加工方法。通過對超短激光脈沖 進(jìn)行聚焦，能量產(chǎn)生微等離子體，在非常有限的空間內(nèi)聚集在焦點(diǎn) 上，并且通過"光裂效應(yīng)，，實(shí)現(xiàn)切除效果和材料的燒蝕?？梢砸孕?于500nm (納米)的切除寬度實(shí)現(xiàn)m m (微米)以下范圍內(nèi)的燒蝕率。由于光裂效應(yīng)中的非線性作用機(jī)理，對材料的燒蝕基本上與材料的 特性無關(guān)。通過采用毫微微秒激光脈沖可以實(shí)現(xiàn)特別是對高熱導(dǎo)性 材料(例如金屬)和低激光吸收率材料(例如聚合物)的加工。采用激光加工材料的 一 個問題是，激光能量不僅使受到激光照射 的區(qū)域材料被切除，而且通常情況下還會導(dǎo)致周圍的區(qū)域產(chǎn)生不希 望的材料改動。這些材料改動的范圍和程度關(guān)鍵取決于激光束能量 有多高和在這個過程中能量如何分布。在歐洲專利EP 1 284 839 Al和美國專利US 6,787,733中，描述 了 一種用激光加工材料的方法，其中對加工效果進(jìn)行在線控制以使 材料加工最優(yōu)化并且使任何不希望的邊效應(yīng)最小化。盡管可以對加 工操作進(jìn)行在線控制，并且用這種方法可以監(jiān)測到產(chǎn)生的任何副作 用，但是這種方法無法使待加工區(qū)域周圍的材料區(qū)域免于受到激光 輻射影響。采用短而密集的激光脈沖加工材料的作用機(jī)理是基于當(dāng)光聚焦 在IO"到10"W/cn^的強(qiáng)度范圍內(nèi)時產(chǎn)生的"光裂效應(yīng)"。在如此高 的強(qiáng)度之下，幾乎任何類型的材料都會由于多光子吸收(等離子體 的產(chǎn)生)而迅速發(fā)生電離。當(dāng)在透明材料中產(chǎn)生這個過程時，稱之 為"光學(xué)擊穿，，。激光誘導(dǎo)的等離子體的爆炸性膨脹引起很強(qiáng)的壓力波前，如果這 個過程發(fā)生在流體環(huán)境中，則會產(chǎn)生空泡。這種壓力波前和空泡很 可能對周圍的材料造成機(jī)械損傷。然而，這種由單激光脈沖造成損 傷的可能性與激光脈沖能量成比例。然而，高強(qiáng)度是產(chǎn)生光學(xué)擊穿的必要條件。激光脈沖越短，在相 同強(qiáng)度下傳輸?shù)哪芰烤驮缴?。因此，要?shí)現(xiàn)高精度且機(jī)械副作用最 小的光裂效應(yīng)，采用短激光脈沖是必要的先決條件。然而，激光脈沖的寬度，即激光輻射的反應(yīng)時間對于受輻射材料 的熱損傷也極其重要。如果激光輻射的寬度非常短，以至于在輻射 的過程中，大量的熱能沒有從吸收的能量中散失到熱擴(kuò)散中，這種 現(xiàn)象被稱為"熱約束"。維持"熱約束"現(xiàn)象的最大輻射時間(即激光脈沖寬度)也稱為熱松弛時間tr,并由下列關(guān)系式定義:其中，5 :為穿入受輻射材料的光深度；對于透明介質(zhì)的裂解，5與非線性吸收區(qū)域的延伸程度相對應(yīng)； k:為受輻射材料或組織的熱擴(kuò)散常數(shù)；如果反應(yīng)時間(即激光脈沖寬度)明顯短于tr,被輻射材料上受到激光脈沖作用的熱影響區(qū)域主要由光穿透深度5所決定。如果 激光脈沖寬度明顯長于tr,由于熱擴(kuò)散作用，熱影響區(qū)域?qū)⒀由斐?出光穿透深度。當(dāng)加工金屬的光穿透深度只有幾個毫微米，并且其中的熱擴(kuò)散率 較高時，若要保持熱影響區(qū)域足夠小，必須要采用微微秒甚至毫微 微秒的寬度。然而，激光脈沖寬度的減少通常會受技術(shù)所限，并且也不能防止 周圍的區(qū)域免受非期望的輻照的影響。為了實(shí)現(xiàn)材料的切除，主要需要由激光脈沖將特定量的能量傳送 到被切除的區(qū)域。所述能量的量由材料所決定。當(dāng)沿著一直線或者 平面來切除材料時，使具有適當(dāng)?shù)募す饷}沖能量的大量激光脈沖彼 此相鄰排列以獲得分離線或面。根據(jù)材料的特性，獨(dú)立激光脈沖的 裂解作用可以導(dǎo)致材料中的不希望發(fā)生的物理變化。這些變化包括 材料的撕裂，由此產(chǎn)生不規(guī)則的切除面，或是形成氣泡，這同樣會 對切除的幾何形狀產(chǎn)生不好的效果。材料的不期望的變化程度與獨(dú) 立激光脈沖的能量成比例。因此，需要提供一種加工材料的方法，使被加工區(qū)域的相鄰區(qū)域 受到的影響進(jìn)一步減小，或者在理想情況下完全消除。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明通過開始時所述的方法滿足上述的要求，其中，在激光脈 沖序列中的單激光脈沖照射的區(qū)域內(nèi)，激光脈沖序列中的單脈沖能 量低于使用單獨(dú)的激光脈沖切除材料所需的激光脈沖能量。本發(fā)明利用了這個結(jié)論，即切除材料所需的總能量不必由同一位 置的單個激光脈沖來導(dǎo)入。這些總能量可以由生成的大量的激光脈 沖所導(dǎo)入，例如，可以由一個個相同的激光連續(xù)施加待切除區(qū)域內(nèi) 的的同 一位置。這樣就可以通過低脈沖能量的多個連續(xù)的激光脈沖 來實(shí)現(xiàn)對材料的切除，并且，由此也避免了受輻射材料的周圍區(qū)域 遭到損傷。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于切除材料的能量，也就是實(shí)現(xiàn)材料切除所需的最 小總能量是隨著重復(fù)頻率的升高而降低的。因此，在高重復(fù)頻率下 用于實(shí)現(xiàn)材料切除的激光脈沖能量比在低重復(fù)頻率下更低。特別地，可以通過減小激光脈沖強(qiáng)度和/或?qū)挾葋頊p少激光脈沖 能量。這意味著，以本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)材料切除所需的激光脈沖強(qiáng) 度和/或激光脈沖寬度小于傳統(tǒng)技術(shù)中所需的激光脈沖強(qiáng)度和/或激 光脈沖寬度。以這種方式，就可以用簡單的方法來實(shí)現(xiàn)激光脈沖能 量的降低。當(dāng)激光脈沖序列的兩個或更多的連續(xù)激光脈沖空間疊加在受照 射的區(qū)域上時是非常有利的。由于是空間重疊，兩個或更多的激光 脈沖所產(chǎn)生的激光脈沖能量被引入到疊加區(qū)域中，并另外由此實(shí)現(xiàn) 用于材料分離的總能量的疊加。這個結(jié)論和先前的方法不同，在以 往的方法中，為了使各個單獨(dú)激光脈沖的熱影響與隨后的激光脈沖 的熱影響之間相互分隔，使得激光脈沖在空間和時間上盡可能相互 遠(yuǎn)離，通過這種重疊方法來降低不希望產(chǎn)生的機(jī)械及熱影響，其中 各個單獨(dú)的激光脈沖的激光脈沖能量被同時減小。當(dāng)激光脈沖序列的至少兩個連續(xù)激光脈沖空間疊加在受照射區(qū)域上的重疊率為100%時，或者在10%到100%的范圍內(nèi)，優(yōu)選在 70 %到99 %之間，尤其是在92 %到99 %的范圍內(nèi)時是十分有益的。 激光脈沖的重疊主要取決于焦點(diǎn)的激光束直徑(即聚焦光束直徑)、切除的材料與激光之間的相對進(jìn)給速度，重疊率由下列/>式定義重疊率100x (l-_進(jìn)給速度_)激光脈沖重復(fù)頻率x聚焦光束直徑上述規(guī)定值適用于大多數(shù)不同材料的切除。以這樣一種方式實(shí)施100%的空間重疊率，例如兩個或者更多的激光務(wù)P中100%疊加，隨 后相對已加工的材料移動激光束，然后提供兩個或更多100%疊加的激光脈沖。作為這種不連續(xù)進(jìn)給的另一種變換，在許多應(yīng)用中適宜 選用連續(xù)的進(jìn)給運(yùn)動，并在給定的激光脈沖重復(fù)頻率和焦點(diǎn)處的激光束直徑下，將重疊率調(diào)到70%到99%,特別是92%到99%。沖強(qiáng)度、聚焦區(qū)域大小和/或激光脈沖寬度、激光脈沖序列的激光脈 沖重復(fù)頻率和/或激光束與待加工的材料之間的進(jìn)給速度。聚焦區(qū)域 關(guān)鍵的待定尺寸通常例如是焦點(diǎn)處的激光束直徑，或者是聚焦區(qū)域 沿光束方向的長度，在各種因素當(dāng)中，該尺寸由孔徑來決定。光學(xué) 參數(shù)取決于待加工材料的特性，尤其是材料的熱擴(kuò)散常數(shù)和松弛時 間。作為基本原則，此處在高熱擴(kuò)散常數(shù)下設(shè)定的激光脈沖頻率適 宜高于在較低的熱擴(kuò)散常數(shù)下設(shè)定的激光脈沖重復(fù)頻率。松弛時間 和激光脈沖重復(fù)頻率之間的關(guān)系相反在松弛時間長的情況下選用 的激光脈沖重復(fù)頻率低于在松弛時間短的情況下選用的激光脈沖重 復(fù)頻率。適宜使激光脈沖序列所產(chǎn)生的激光脈沖重復(fù)頻率這樣高，以至于 在待切除材料的材料特定的脈沖寬度范圍內(nèi)，例如熱松弛時間內(nèi)， 至少在待切除材料上施加兩個激光脈沖。以這種方式，這兩個在材 料特定的脈沖寬度內(nèi)施加的激光脈沖的激光脈沖能量積聚在一起并 將材料切除。通過一下措施可以降低熱損傷和機(jī)械損傷，即通過在 材料特定的脈沖寬度內(nèi)將大量的激光脈沖發(fā)射到待切除的材料區(qū) 域，并且使這些脈沖中的各個脈沖的能量相應(yīng)地低，從而借助于這些大量的脈沖精確地產(chǎn)生材料切除所需的總的積累能量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果激光脈沖重復(fù)頻率大于10Hz，特別是大于50Hz， 并優(yōu)選在100Hz到50MHz之間是十分有利的。這些激光脈沖重復(fù)頻 率的范圍已經(jīng)使各個激光脈沖所需的激光脈沖能量明顯降低，并由 此顯著減小了機(jī)械損傷。在上述實(shí)施例中特別需要注意的是，在重疊率、激光脈沖重復(fù)頻 率、聚焦面積尺寸，例如聚焦激光束直徑和進(jìn)給速度之間存在著一 定數(shù)學(xué)關(guān)系。在上述分析中，關(guān)鍵的變量，即傳導(dǎo)到材料加工的同 一位置上的激光脈沖數(shù)以及重疊率受其它各個參數(shù)的變化的影響。 例如，如果其它兩個參數(shù)在各種情況下保持恒定，可以通過降低進(jìn)給速 度、增大焦點(diǎn)處的激光束直徑或提高激光脈沖重復(fù)頻率而單獨(dú)增加脈沖 數(shù)。通過減小聚焦激光束直徑、提高進(jìn)給速度和降低激光脈沖重復(fù)頻率， 可以使材料加工沿線上各定位點(diǎn)上的激光脈沖數(shù)減少。同樣有利的是，在加工操作過程中改變激光脈沖能量、激光脈沖 強(qiáng)度、聚焦面積尺寸、單激光脈沖的激光脈沖寬度、激光脈沖序列 的激光脈沖重復(fù)頻率和/或激光束與待加工材料之間的進(jìn)給速度這些 參數(shù)值。在本實(shí)施例中，可以例如這樣設(shè)定單激光脈沖的激光脈沖 能量，即根據(jù)激光脈沖之間的重疊率，將為了材料切除正在加工的 位置所需的能量精確地導(dǎo)入到材料中。此處適宜根據(jù)預(yù)定或預(yù)設(shè)的 激光脈沖重復(fù)頻率和/或進(jìn)給速度設(shè)定激光脈沖能量。可以自動執(zhí)行 這些預(yù)i殳，也可以由用戶人工設(shè)定。在包括可調(diào)節(jié)的激光脈沖重復(fù)頻率和可調(diào)節(jié)的激光脈沖能量的 改進(jìn)方法中，特別適宜用第 一激光脈沖重復(fù)頻率設(shè)定第 一脈沖能量， 而用高于第 一脈沖重復(fù)頻率的第二脈沖重復(fù)頻率設(shè)定低于第一脈沖 能量的第二脈沖能量。以這種方式，激光脈沖能量自動適應(yīng)于激光 脈沖重復(fù)頻率，從而產(chǎn)生材料切除所需的各個累積能量。此處尤其有利的是-根據(jù)激光脈沖能量自動設(shè)定激光脈沖重復(fù)頻率，或 -根據(jù)激光脈沖重復(fù)頻率自動設(shè)定激光脈沖能量-根據(jù)進(jìn)給速度自動設(shè)置激光脈沖能量和/或激光脈沖重復(fù)頻 率，或-根據(jù)待切除材料的至少一個材料特性自動設(shè)定激光脈沖重復(fù) 頻率、激光脈沖能量和/或進(jìn)給速度。這種改進(jìn)的方法允許用于材料切除的大多關(guān)鍵參數(shù)可以相互獨(dú) 立地進(jìn)行設(shè)置，或者根據(jù)待加工的材料準(zhǔn)確的自動設(shè)置。根據(jù)本發(fā) 明的這個方法，可以例如參照包4舌針對各種典型材沖+的理想加工參 數(shù)的數(shù)據(jù)庫，然后可以通過選擇一種材料來設(shè)定這些參數(shù)。作為一 種變化，可以從數(shù)據(jù)庫中讀出材料切除所需的總能量，并且基于用 戶所選的參數(shù)，選擇其它各參數(shù)使得可以達(dá)到所需的總能量。本發(fā)明的另外一方面包括開始所述或上述說明的方法，其中，在 切除操作的開始區(qū)域中，施加在材料待加工位置上的總能量大于在 后續(xù)切除操作過程的區(qū)域中施加的總能量。這種改進(jìn)所基于的理論為，為了在材料上進(jìn)行初始材料切除，需 要較大的總能量以產(chǎn)生初始的材料切除作用，而隨后需要較少的總 能量以對初始的材料切除進(jìn)行維持和延伸。因此有利的是在開始切 除區(qū)域內(nèi)為了實(shí)現(xiàn)初始材料切除而采用很高的初始激光脈沖能量 后，隨后將激光脈沖能量降低到足以保持和繼續(xù)初始材料切除的較 低水平，從而以這種方式使沿切除線或面的損傷最小化。特別有利地，相比后續(xù)切除操作過程，在切除操作的開始區(qū)域內(nèi) 的激光脈沖能量、激光脈沖重復(fù)頻率和/或施加到材料一 個位置上的 激光脈沖數(shù)量更高，并且/或者激光束與待加工的材料之間的進(jìn)給速 度更低。激光脈沖能量由激光脈沖強(qiáng)度和激光脈沖寬度所決定。為 了在開始區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)初始切除，設(shè)定的激光脈沖強(qiáng)度高于為了保持 和繼續(xù)切除的初始切除的后續(xù)過程的區(qū)域中所需的激光脈沖強(qiáng)度。以同樣的方式，在激光脈沖強(qiáng)度恒定的情況下，激光脈沖寬度在 開始區(qū)域內(nèi)增大而在后續(xù)切除過程中降低，并且/或者激光脈沖重復(fù) 頻率在開始區(qū)域內(nèi)被提高而在后續(xù)切除過程中降低。另外一種改進(jìn)方法為，在切除操作的開始區(qū)域內(nèi)的單個激光的激光13脈沖強(qiáng)度和/或激光脈沖寬度大于初始切除的后續(xù)切除操作過程中的激 光脈沖強(qiáng)度和/或單個激光脈沖寬度。以同樣的方式，相比前述的實(shí)施 例，用這種改進(jìn)方法能以較高的激光脈沖能量進(jìn)行初始切除，而以較寸氐 的激光脈沖能進(jìn)行后續(xù)切除操作，但其它參數(shù)也會改變。本發(fā)明中的方法特別適宜采用小于十微微秒的激光脈沖寬度，特 別是小于一微微秒。許多材料進(jìn)行毫微微秒激光加工時，可以得到 特別有利的激光脈沖能量和激光脈沖重復(fù)頻率，并通常避免了任何 不期望的損傷。根據(jù)本發(fā)明的方法有利的是，優(yōu)選借助于具有數(shù)值孔徑的光學(xué)系 統(tǒng)對激光束進(jìn)行聚焦，所述數(shù)值孔徑至少要大到可以在半透明或全 透明材料的表面下方實(shí)現(xiàn)對材料的切除，而且切除區(qū)域上方和下方 的材料區(qū)域沒有受到損傷。這樣可以產(chǎn)生激光束焦點(diǎn)并可以避免激 光束方向上的激光束焦點(diǎn)的前、后的材料被切除或損傷，而只有激 光束焦點(diǎn)處的材料被切除。最后，根據(jù)本發(fā)明的方法有利的是，可以對切除操作進(jìn)行監(jiān)測， 并且當(dāng)切除能力下降時，可以通過調(diào)節(jié)前面列出的與切除操作相關(guān) 的參數(shù)中的一個參數(shù)來提高所施加的總能量。在本文中，"監(jiān)測，， 應(yīng)理解為對切除的直接視覺或傳感觀測，或者是人工或自動對技術(shù) 參數(shù)(例如設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù))進(jìn)行監(jiān)測和控制，從而能夠從這些參數(shù) 的變化中推斷出材料切除過程中的變化。本發(fā)明還包括一種開始所述的設(shè)備，根據(jù)本發(fā)明對該設(shè)備進(jìn)行 改進(jìn)，從而以這樣一種方式構(gòu)造用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置，即 在受到激光脈沖序列中單激光脈沖輻射的區(qū)域內(nèi)，激光脈沖序列中 單個激光脈沖產(chǎn)生的能量低于使用單獨(dú)的激光脈沖進(jìn)行材料切除所 需的激光脈沖能量。通過這種裝置，可以將單個激光脈沖的能量保 持在一個較低的水平，由此根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)材料的切除。對于該i殳備的優(yōu)點(diǎn)和效果，可以參照前面所述的相應(yīng)實(shí)施方式的在先 描述。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以改進(jìn)為，將用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置構(gòu)造為通過降低激光脈沖強(qiáng)度和/或激光脈沖寬度來減少激光脈沖能量。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以進(jìn)一步改進(jìn)為，還包括用于在激光束與 待切除材料之間產(chǎn)生相對移動的進(jìn)給裝置和用于生成激光脈沖重復(fù) 頻率的裝置，所述兩個裝置以這樣的方式配合操作，即激光脈沖序 列中的兩個時間上連續(xù)的激光脈沖區(qū)域疊加在受照射區(qū)域上。這就 實(shí)現(xiàn)了有利的本發(fā)明的至少兩個連續(xù)激光脈沖的疊加。進(jìn)給裝置優(yōu) 選設(shè)計為可以根據(jù)激光脈沖重復(fù)頻率對其進(jìn)行操作。同樣有利的是，使進(jìn)給裝置和產(chǎn)生激光脈沖重復(fù)頻率的裝置以 這樣的方式配合操作，即激光脈沖序列中兩個時間上連續(xù)的激光脈沖區(qū)域疊加在受照射區(qū)域的重疊率為100%,優(yōu)選在10%到100%之 間，或者在70%到99%之間的范圍內(nèi)，特別是在92%到99%之間。本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)選設(shè)置有控制機(jī)構(gòu)，該控制裝置可以根據(jù)材料 的特性來設(shè)定單個激光的激光脈沖能量、激光脈沖強(qiáng)度和/或激光脈 沖的寬度、激光脈沖序列的激光脈沖重復(fù)頻率、激光束在加工位置 的聚焦面積尺寸，例如激光束在焦點(diǎn)處的直徑，和/或激光束與待加工 材料之間的進(jìn)給速度。該控制裝置可以根據(jù)其它參數(shù)自動地設(shè)定參 數(shù)之一，也可以由用戶手動地設(shè)定。特別適宜以這樣的方式構(gòu)造控制裝置，即激光脈沖序列的激光 脈沖重復(fù)頻率如此之高，以至于在待切除的材料特定的脈沖寬度(例 如其熱松弛時間)內(nèi)，至少有兩個激光脈沖施加到待切除的材料上。 這樣的優(yōu)點(diǎn)在于，在材料特定的脈沖寬度內(nèi)有兩個或者更多的激光 脈沖聚集在一起，因此可以用非常柔和并小心的方式來切除材料。特別地，該控制裝置可以設(shè)置為，即激光脈沖重復(fù)頻率的大小 可以設(shè)定為大于10Hz，特別是大于50Hz，并優(yōu)選在100Hz到50MHz 之間。在這點(diǎn)上參照前面所述的方法的描述。同樣有利的是，將控制裝置構(gòu)造為可以在加工過程中調(diào)節(jié)前面 列出的六個參數(shù)中的至少一個。以這種方式，可以根據(jù)材料特性或 者切除過程中的其它參數(shù)對總能量和/或激光脈沖能量進(jìn)行設(shè)定。該控制裝置優(yōu)選構(gòu)造為-可以根據(jù)激光脈沖能量自動設(shè)定激光脈沖重復(fù)頻率，或 -可以根據(jù)激光脈沖重復(fù)頻率自動設(shè)定激光脈沖能量， -可以根據(jù)運(yùn)動速度自動設(shè)定激光脈沖能量和/或激光脈沖重復(fù) 頻率，或-可以根據(jù)待切除材料的至少 一個特性自動設(shè)定激光脈沖重復(fù) 頻率、激光脈沖能量和/或進(jìn)給速度。特別地，本發(fā)明的設(shè)備適宜將控制裝置構(gòu)造為以這樣一種方式控 制前面所列出的六個參數(shù)中的至少一個(激光脈沖重復(fù)頻率、激光 脈沖能量、激光脈沖強(qiáng)度、激光脈沖寬度、聚焦面積尺寸和進(jìn)給速 度)，即導(dǎo)入切除操作開始區(qū)域內(nèi)的待加工材料一個位置上的總能 量大于后續(xù)切除操作過程的區(qū)域中的總能量。另外，有利的是，這樣構(gòu)造控制裝置以改進(jìn)本發(fā)明的設(shè)備，所述 控制裝置構(gòu)造為，相比后續(xù)切除操作過程，切除操作開始區(qū)域內(nèi)設(shè) 定的激光脈沖能量、激光脈沖重復(fù)頻率和/或施加到材料一個位置上 的激光脈沖數(shù)量更高，并且/或者激光束與待加工材料之間的進(jìn)給速 度更低?？刂蒲b置優(yōu)選構(gòu)造為，相比后續(xù)切除操作過程，切除操作的開始 區(qū)域內(nèi)設(shè)定的單個激光的激光脈沖強(qiáng)度更高，并且/或者單個激光脈 沖的脈沖寬度更長。特別地，適宜將所述用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置構(gòu)造為可以產(chǎn) 生激光脈沖寬度小于十微微秒，優(yōu)選小于一微微秒的激光脈沖。可以通過設(shè)置用于聚焦激光束的聚焦裝置對本發(fā)明的設(shè)備進(jìn) 行改進(jìn)，該聚焦裝置優(yōu)選帶有一個具有數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，該數(shù) 值孔徑至少要大到可以在半透明或全透明材料的表面下方實(shí)現(xiàn)對材 料的切除，而且被切除區(qū)域上方和下方的材料區(qū)域不會受到損傷。最后，可以通過設(shè)置用于觀測切除操作的監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝 置與用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置、用于將激光脈沖導(dǎo)向待切除材 料上的裝置和/或進(jìn)給裝置配合使用，當(dāng)切除能力下降時，可以通過 調(diào)節(jié)前面所述的六個參數(shù)中的至少一個參數(shù)來提高引入的總能量。關(guān)于這一點(diǎn)參照前面對切除操作的監(jiān)測方法的描述。關(guān)于本發(fā)明設(shè)備改進(jìn)及其優(yōu)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和優(yōu)選實(shí)施方式，請參 考前面對各改進(jìn)方法的特征的描述。
現(xiàn)在基于特定的實(shí)施例和測試結(jié)果，并且參照附圖對本發(fā)明做具 體說明，其中圖1所示的圖表說明了材料切除所需的脈沖能量與激光脈沖重復(fù)頻率之間的關(guān)系；圖2所示的圖表說明了激光脈沖重疊率在-100%到+ 100%范 圍內(nèi)時，材料切除開始時所需的激光脈沖能量與維持材料切除所需 的最小激光脈沖能量之間的關(guān)系；圖3所示的圖表說明了切除材料所需的激光脈沖能量與重疊率 為92 %到100 %的激光脈沖之間的關(guān)系；圖4所示為以重疊率為50%的激光脈沖進(jìn)行線性材料切除的示 意圖；圖5所示為在切除操作的開始區(qū)域和后繼過程中，以可變的激光 脈沖重疊率進(jìn)行線性材料切除的示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，從圖表中可以看出，A部分是在激光脈沖寬度為 150fs,波長為780nm,并且孔徑為0.6的情況下獲得，而B部分是 由激光脈沖寬度約為15fs，波長為800nm,孔徑為0.5的情況下獲得， 由于激光脈沖重復(fù)頻率為1Hertz(赫茲)，實(shí)現(xiàn)材料切除所需要的 能量大約為45nJ(納焦)。所需能量隨著激光脈沖重復(fù)頻率升高而 降低，在激光脈沖重復(fù)頻率為lMHz時達(dá)到小于5nJ。圖2表示在開始進(jìn)行材料切除("開始切割")時所需的激光脈沖 能量與維持材料切除("停止切割")時所需的激光脈沖能量在-100% 到+100%的范圍內(nèi)激光脈沖重疊率的關(guān)系。此處負(fù)脈沖重疊率表示兩個相鄰脈沖之間保留有未受輻照的材料區(qū)域；例如，當(dāng)脈沖重疊率為-100% 時，表示所述沒有受輻照的區(qū)域與聚焦直徑完全相等。可以看出，當(dāng)各個脈沖彼此間有足夠的距離時(負(fù)脈沖重疊率)， 以相同的脈沖能量開始和停止切除作用，也就是說，脈沖相互不影 響。然而，選擇的脈沖重疊率越大，開始切除所需要的脈沖能量和 停止切除所致的脈沖能量越低。脈沖重疊率越大，開始切除和停止 切除時所需的脈沖能量差的就越大。因此，選擇的脈沖重疊率越大， 剛開始切除時所需的脈沖能量就越少并且維持切除操作所需的脈沖 能量也越少。圖3是在高脈沖重疊率下進(jìn)行切除操作的測量結(jié)果。圖中繪制了 采用不同重疊率時得出的5組測試結(jié)果，并且取一條最合適的直線 將這些結(jié)果連起來?？梢钥闯觯?dāng)脈沖重疊率為92%時，必須以約 19nJ的單激光脈沖能量去實(shí)施本方法。所需的單激光脈沖能量隨著 重疊率的增加而降低，并且當(dāng)重疊率約為99.5M時會將低到僅2nJ。圖4所示為待切除的材料10以及用于切除該材料的單激光脈沖 序列1-9。以其聚焦區(qū)域形狀示意性地表示單激光脈沖。單激光脈 沖1-9從左到右連續(xù)地作用于材料。這時，激光脈沖在區(qū)域l-8a 內(nèi)重疊。圖4所示的本方法中，將激光脈沖重復(fù)頻率、進(jìn)給速度和 聚焦直徑設(shè)置為使得重疊率為50% ，也就是說，激光脈沖1和2在 區(qū)域la內(nèi)重疊，脈沖2和3在區(qū)域2a內(nèi)重疊，等等。以這種方式， 沿切除線上的各個區(qū)域都受到兩個激光脈沖的照射。圖5是用于從材料塊30上切除材料的激光脈沖序列11-22。激光脈沖11-22從左到右以遞增的順序作用?？梢钥闯觯す?脈沖11 - 14的重疊度高于隨后的激光脈沖15-22。這使得左邊的切 除操作開始區(qū)域內(nèi)的初始切除所必須的總能量大于切除線右邊的后 繼操作過程所需的總能量，其中切除區(qū)域僅需要較低的總能量以維 持初始切除。圖5所示激光脈沖11-14的疊加可以例如通過在開始加工區(qū)域內(nèi) 選擇較高的激光脈沖重復(fù)頻率或者通過降低進(jìn)給速度來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用激光切除材料的方法，其中生成一個激光脈沖序列，并且以所述激光脈沖序列照射待加工的材料區(qū)域，其特征在于，所述激光脈沖序列中的單個激光脈沖的脈沖能量低于在受到激光脈沖序列中單個激光脈沖照射的區(qū)域內(nèi)以單個激光脈沖對材料進(jìn)行切除所需的激光脈沖能量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過降低激光脈 沖強(qiáng)度和/或激光脈沖寬度而減少所述的激光脈沖能量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的受照 射區(qū)域由激光脈沖序列中至少兩個時間上連續(xù)的激光脈沖在空間上 疊力口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述受輻射區(qū)域 受到激光脈沖序列中至少兩個時間上連續(xù)的激光脈沖在空間上重疊 的重疊率為100%,或者在10%到100%之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選約為70% 到99%,尤其在約92%到99%之間。
5. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，根據(jù)材料 的特性來預(yù)設(shè)激光脈沖能量、激光脈沖強(qiáng)度、聚焦面積大小、單激 光脈沖的脈沖寬度、激光脈沖序列的激光脈沖重復(fù)頻率和/或激光束 與待加工材料之間的進(jìn)給速度。
6. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述激光 脈沖序列的激光脈沖重復(fù)頻率高到在待切除材料的材料特定的時間 周期內(nèi)，至少有兩個激光脈沖施加到待切除的材料上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述的激光脈沖 重復(fù)頻率大于10Hz，特別是大于50Hz,優(yōu)選在100Hz與50MHz之 間。
8. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，可以在加 工過程中改變所述的激光脈沖能量、激光脈沖強(qiáng)度、聚焦面積尺寸、 單激光脈沖的脈沖寬度、激光脈沖序列的激光脈沖重復(fù)頻率和激光束與加工材料之間的進(jìn)給速度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，由第一激光脈沖 重復(fù)頻率設(shè)定所述第一脈沖能量，由高于所述第一脈沖重復(fù)頻率的 第二脈沖重復(fù)頻率設(shè)定低于所述第一脈沖能量的第二脈沖能量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，a. 根據(jù)激光脈沖能量自動設(shè)定激光脈沖重復(fù)頻率，或b. 根據(jù)激光脈沖重復(fù)頻率自動設(shè)定激光脈沖能量，c. 根據(jù)進(jìn)給速度自動設(shè)定激光脈沖能量和/或激光脈沖重復(fù)頻 率，或d. 根據(jù)待切除材料的至少一個特性自動設(shè)定激光脈沖重復(fù)頻率、 激光脈沖能量和/或進(jìn)給速度。
11. ^4居任一前述^l利要求或^C利要求1的前述部分所述的方 法，其特征在于，在切除操作的開始區(qū)域中，施加在材料待加工位置上的總能量大于在后續(xù)切除操作過程的區(qū)域中施加的總能量。
12. 根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，與后續(xù)切 除操作過程相比，在切除操作的開始區(qū)域內(nèi)的激光脈沖能量和/或激 光脈沖重復(fù)頻率更高和/或激光束和待加工材料之間的進(jìn)給速度更 低。
13. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在切除操: 作的開始區(qū)域內(nèi)的激光脈沖強(qiáng)度高于后續(xù)切除操作過程和/或單激光 脈沖的脈沖寬度長于后續(xù)切除操作過程。
14. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述激光 脈沖寬度小于十微微秒，優(yōu)選小于一微微秒。
15. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，優(yōu)選借助 于光學(xué)系統(tǒng)對所述激光束進(jìn)行聚焦，所述光學(xué)系統(tǒng)具有的數(shù)值孔徑 至少要大到可以在半透明或全透明材料的表面下方實(shí)現(xiàn)對材料的切 除，而且不損傷切除區(qū)域上方或下方的材料區(qū)域。
16. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，可對所述 切除操作進(jìn)行監(jiān)測，并且當(dāng)切除能力下降時，可以通過改變權(quán)利要求8中的一個參數(shù)來增加導(dǎo)入的總能量。
17. —種用于切除材料的設(shè)備，包括 -用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置-用于將激光脈沖引導(dǎo)至待切除材料上的裝置，其特征在于，以這樣一種方式構(gòu)造用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置，即在受到激光脈沖序列中單激光脈沖輻射的區(qū)域內(nèi)，激光脈沖 序列中單個激光脈沖產(chǎn)生的激光脈沖能量低于使用單獨(dú)的激光脈沖進(jìn)行材料切除所需的激光脈沖能量。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，將用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置構(gòu)造為通過降低激光脈沖強(qiáng)度 和/或激光脈沖寬度來減小激光脈沖能量。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述設(shè)備，其特征在于，還包括用于 在激光束與待切除材料之間形成相對運(yùn)動的進(jìn)給裝置，和用于生成 激光脈沖重復(fù)頻率的裝置，所述兩個裝置以這樣一種方式配合操作， 即激光脈沖序列中兩個時間上連續(xù)的激光脈沖空間疊加在受照射區(qū) 域上。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述進(jìn)給裝置 和產(chǎn)生激光脈沖重復(fù)頻率的裝置以這樣一種方式配合操作，即激光 脈沖序列中兩個連續(xù)的激光脈沖空間疊加在受照射區(qū)域的重疊率為 100%,優(yōu)選在10%到100%之間，或者在70%到99%之間的范圍內(nèi)， 特別是在92%到99%之間。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17至20之一所述的設(shè)備，其特征在于，還包 括控制裝置，該控制裝置可以根據(jù)材料的特性來設(shè)定激光脈沖能量、 激光脈沖強(qiáng)度、單激光脈沖的脈沖寬度、激光脈沖序列的激光脈沖 重復(fù)頻率、激光束在加工位置上形成的聚焦面積大小，例如激光束 在焦點(diǎn)處的直徑，和/或激光束與待加工材料之間的進(jìn)給速度。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，以這樣一種方 式構(gòu)造所述控制裝置，即由第一激光脈沖重復(fù)頻率設(shè)定第一激光脈 沖能量，而由高于所述第 一脈沖重復(fù)頻率的第二激光脈沖重復(fù)頻率設(shè)定低于所述的第 一脈沖能量的第二激光脈沖能量。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的設(shè)備，其特征在于，以這樣一 種方式構(gòu)造所述控制裝置，即激光脈沖序列的激光脈沖重復(fù)頻率高 至在待切除的特定材料的松弛時間內(nèi)，至少有兩個激光脈沖施加到 待加工的材料上。
24. 根據(jù)前述權(quán)利要求21至23之一所述的設(shè)備，其特征在于， 所述控制機(jī)構(gòu)以這樣一種方式構(gòu)造，即激光脈沖重復(fù)頻率的大小可 以設(shè)定為大于10Hz,特別是大于50Hz，并優(yōu)選在100Hz到50MHz 之間。
25. 根據(jù)前述權(quán)利要求21至24之一所述的設(shè)備，其特征在于， 所述控制機(jī)構(gòu)構(gòu)造為可以在加工過程中更改權(quán)利要求21中列出的至 少一個參凄t。
26. 根據(jù)前述權(quán)利要求21至25之一所述的設(shè)備，其特征在于， 所述控制才幾構(gòu)以這樣一種方式構(gòu)造，即a. 可以根據(jù)激光脈沖能量自動設(shè)定激光脈沖重復(fù)頻率，或b. 可以根據(jù)激光脈沖重復(fù)頻率自動設(shè)定激光脈沖能量，c. 可以根據(jù)進(jìn)給速度自動設(shè)定激光脈沖能量和/或激光脈沖重復(fù) 頻率，或d. 可以根據(jù)待切除材料的至少 一 個特性自動設(shè)定激光脈沖重復(fù) 頻率、激光脈沖能量和/或進(jìn)給速度。
27. 才艮據(jù)前述權(quán)利要求21至26之一所述的i殳備，進(jìn)一步包括第 一控制裝置，其特征在于，所述控制機(jī)構(gòu)構(gòu)造為以這樣一種方式控 制至少一個權(quán)利要求21中所列的參數(shù)，即導(dǎo)入切除操作開始區(qū)域內(nèi) 的待加工材料上同 一位置上的總能量大于后續(xù)切除過程的區(qū)域中的總能量。
28. 根據(jù)前述權(quán)利要求21至27之一所述的設(shè)備，其特征在于， 所述控制裝置構(gòu)造為，相比后續(xù)切除操作過程，切除操作的開始區(qū) 域內(nèi)設(shè)定的激光脈沖能量和/或激光脈沖重復(fù)頻率更高，并且/或者激 光束與待加工材料之間的進(jìn)給速度更低。
29. 根據(jù)前述權(quán)利要求21至28之一所述的設(shè)備，其特征在于， 所述控制裝置構(gòu)造為，和后續(xù)切除操作過程相比，切除操作開始區(qū) 域內(nèi)設(shè)定的激光脈沖強(qiáng)度更高，并且/或者單激光脈沖的脈沖寬度更 長。
30. 根據(jù)前述權(quán)利要求17至29之一所述的設(shè)備，其特征在于， 將所述用于產(chǎn)生激光脈沖序列的裝置構(gòu)造為可以產(chǎn)生激光脈沖寬度 小于十微微秒，優(yōu)選小于一微微秒的激光脈沖。
31. 根據(jù)前述權(quán)利要求17至30之一所述的設(shè)備，其特征在于， 還包括用于聚焦激光束的聚焦裝置，該聚焦裝置優(yōu)選帶有一個具有 數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，該數(shù)值孔徑至少要大到可以在半透明或全透 明材料的表面下方實(shí)現(xiàn)對材料的切除，而且切除區(qū)域上方和下方的 材料區(qū)域不會受到損傷。
32. 根據(jù)前述權(quán)利要求17至31之一所述的設(shè)備，其特征在于， 還包括一個用于觀測切除操作的監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置與用于產(chǎn) 生激光脈沖序列的裝置、用于將激光脈沖導(dǎo)向待切除材料上的裝置 和/或進(jìn)給裝置配合使用，當(dāng)切除能力下降時，可以通過改變權(quán)利要 求24中的至少一個參數(shù)來增加導(dǎo)入的總能量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用激光切除材料的方法，其中生成一個激光脈沖序列(11至20)，并且以所述激光脈沖序列(11至20)照射待加工的材料區(qū)域?？梢允褂么朔N方法來切除許多不同材料。采用這種方法存在的一個問題是，被加工區(qū)域的周圍會產(chǎn)生熱損傷和機(jī)械損傷，并且導(dǎo)致被損傷的區(qū)域不能被再加工。本發(fā)明中通過使激光脈沖序列(11至20)單激光脈沖產(chǎn)生的能量低于在受到激光脈沖序列(11至20)中單激光脈沖照射的區(qū)域內(nèi)以單個激光脈沖對材料進(jìn)行切除所需的激光脈沖能量，解決了這一問題。
文檔編號B23K26/00GK101257993SQ200680030734
公開日2008年9月3日 申請日期2006年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月22日
發(fā)明者克里斯蒂安·拉特延, 塔莫·里普肯, 霍爾格·盧巴喬夫斯基 申請人:羅威阿克有限公司