[发明专利]于激光加工系统中的适合的光学光束整型

说明书

技术领域

本发明关于激光加工。更明确地说，本发明是关于使用适合的光学组件于材料加工期间快速地改变一激光束的空间强度轮廓的形状。

背景技术

许多激光加工系统皆使用一在工作表面处具有指定空间强度轮廓的加工光点来最佳化一特殊的激光加工结果。举例来说，用于产生所希望的空间强度轮廓的光束整型方法包含使用绕射式与折射式光学组件。不过，由于为保持可接受的输出光束特征而大体上必须用到的受约束输入激光束公差(举例来说，在位置、直径、模式质量以及其它参数之中)的关系，该些方式皆会造成设计上的难度。尽管输入激光束特征及/或激光束传送光学组件中会有变异，生产激光加工系统大体上仍会设计成用以符合此等输出激光束特征。举例来说，此等变异可能会随着时间流逝、在温度改变时及/或随着系统构件变异(举例来说，从一系统至另一系统)而发生。

用于产生一具有所希望的空间强度轮廓的激光束的典型方式会使用事先设计的硬式光学组件，该等硬式光学组件依赖于适当操作的特定光束特征。举例来说，当配合一具有特殊质心、X与Y直径、空间模式内容以及波前误差的高斯光束来使用时，一绕射式光学组件(diffractive optical element，DOE)便会产生一具有所希望的特征(举例来说，尖峰强度变异、空间截止频带、最大旁瓣振幅以及其它特征)工件。然而，当输入光束特征偏离用来设计该DOE的规格时，该等输出整型光束特征便会变差。

因为DOE通常是用于一特殊应用，所以，DOE一旦设计之后，输出光束形状便无法轻易地修正。因此，倘若一特殊的激光加工使用新的输出光束形状或是各式各样输出光束形状以达最佳的加工质量或速度的话，那么，使用事先设计的硬式光学组件的既有方法便会显得麻烦及/或不切实际。例外的情况是可藉由缩放(举例来说，经由变动放大倍数)及旋转(举例来说，经由Dove棱镜之类的装置)来调变输出光束。该些方法在某些应用中足以胜任，但是却无法适用在其它应用或在其它应用中会受到约束。

发明内容

因此，本文所揭示的特定实施例包含一激光加工系统，其会针对一特殊的应用(或是该应用的子集)来快速且弹性地修正该加工光束，以便决定且施行一经改良或最佳的光束轮廓。该系统会降低光束整型子系统受到激光加工系统中的变异影响的敏感性，其包含因为下面所造成的变异：制造公差、热漂移、构件效能变异以及其它系统变异源。特定实施例还会调变较低质量的激光束(有较高的M²数值)来提供可接受的经过整型的光束轮廓。

于其中一实施例中，一种用于加工一工件的方法是使用一具有经过选择性整型的空间强度轮廓的激光束。该方法包含让该工件的第一部分和第一组加工特征产生关联并且让该工件的第二部分和第二组加工特征产生关联。该方法还包含让第一空间强度轮廓和第一组加工特征产生关联并且让第二空间强度轮廓和第二组加工特征产生关联。一或多个适合的光学组件会调变一输入激光束的相位与振幅中至少其中一者，用以产生一具有第一空间强度轮廓的输出激光束。具有第一空间强度轮廓的输出激光束接着会加工该工件的第一部分。该方法还包含藉由使用该等一或多个适合的光学组件来调整该输入激光束的调变作用而在预设的切换时间内从该输出激光束的第一空间强度轮廓动态地切换至该输出激光束的第二空间强度轮廓，并且利用该具有第二空间强度轮廓的输出激光束来加工该工件的第二部分。根据某些实施例的预设切换时间的范围是介于约100微秒和约5毫秒之间。

于另一实施例中，一激光加工系统会使用一经过选择性整型的空间强度轮廓来加工一工件。该系统包含：一激光源，用以产生一输入激光束；以及一空间滤波器，用以将该输入激光束空间地分离成一具有低阶横向模式的第一光束组成和一具有较高阶横向模式(相较于第一光束组成的低阶横向模式)的第二光束组成。该系统还包含：一第一适合的光学组件，用以调变该第一光束组成的相位与振幅中至少其中一者；一第二适合的光学组件，用以调变该第二光束组成的相位与振幅中至少其中一者；以及用以将该经过调变的第一光束组成和该经过调变的第二光束组成重新组合成一用于加工该工件的输出激光束的光学组件。

从下面较佳实施例的详细说明中，其会参考随附图式来作说明，便会明白本发明的额外观点与优点。

附图说明

图1所示的是根据其中一实施例包含一相位/振幅调变器的激光加工系统的方块图；

图2所示的是根据其中一实施例利用不同的空间强度轮廓来激光加工一工件的不同部分的方法的流程图；

图3所示的是根据其中一实施例可当作相位/振幅调变器来使用的可变形面镜的剖面侧视图的概略示意图；