CN1658997A - 利用连续优化聚焦深度的激光钻孔系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种在激光切削系统中调节聚焦深度的方法，包括产生具有焦平面的激光束(107)，将工件(112)在焦平面中定位，从而使工件(112)的表面在与焦平面的相交点处暴露于激光束，以及调节工件和焦平面中的至少一个位置，从而在整个钻孔加工过程中保持工件(112)暴露表面上的恒定烧蚀速率。

Description

利用连续优化聚焦深度的激光钻孔系统和方法

相关申请的交叉引证

本申请要求2002年7月25日申请的、申请号为60/398,469的美国临时申请的权益，并在此将该申请作为参考。

技术领域

本发明一般涉及利用脉冲光源烧蚀材料，尤其涉及激光切削系统中的聚焦深度控制。

背景技术

自从激光发明以来，一直在研究利用脉冲光源烧蚀材料。1982年利用紫外线(UV)激光辐射蚀刻聚合物的报告刺激了微加工方法的广泛研究。从那以后，本领域中的科学和工业研究一直在不断增加——主要是由于能够通过使用激光器钻、切削和复制细小零件引起的。

超快激光器产生持续时间大约为10^-11秒(10皮秒)到10^-14秒(10飞秒)的强烈激光脉冲。短脉冲激光器产生持续时间大约为10^-10秒(100皮秒)到10^-11(10皮秒)的强烈激光脉冲。超快和短脉冲激光器在医学、化学、和通信领域中各种各样的潜在使用价值正在开发和实现。这些激光器也是在各种材料中切削或钻孔的有用工具。钻孔的尺寸可以很容易地小至数微米，甚至达到微米级以下。它们可以在坚硬材料中钻深宽比较高的孔，例如，蜗轮叶片中的冷却槽，喷墨打印机中的喷嘴，或印刷电路板中的通孔。

可以设计超快和短脉冲激光系统，用于实现薄材料(50至100微米)的钻孔和切削；但是，在激光显微机械加工领域中，需要钻和切削更大厚度范围的材料。烧蚀较厚的材料存在一些特定的技术挑战，包括在材料的整个厚度上保持激光器的控制，以及提供满足客户规定和已建立的质量标准的最终产品。

在利用脉冲光源烧蚀材料的领域中，仍然存在着几个问题，其中一个问题涉及到激光钻孔最终产品的质量规范控制。激光钻孔领域中最近取得的进展在提高根据客户要求的最终产品的质量(即，形状、外形、和可重复性)方面发挥了作用。但是，越来越多的客户需要提高他们产品设计的几何复杂性。利用惯用的工业技术，很难满足日益增加的质量市场需求。因此，需要有一种控制激光钻孔最终产品的质量规范的方法。

利用脉冲光源烧蚀材料的领域中所存在的另一个问题涉及控制厚工件上的激光钻孔。在典型的加工薄材料的激光钻孔应用中，仅要在薄材料工件范围(例如，50至100微米)上控制烧蚀。但是，随着材料厚度的增加，必须在更大的厚度范围和更多的烧蚀层上控制烧蚀。由于在更厚的表面上执行钻孔，保持激光器的参数变得越来越困难。因此，需要对所有激光参数保持更大的控制，在整个加工过程中，这些激光参数控制着烧蚀速率和孔的几何形状。因此，需要有一种在厚工件上激光钻孔的控制方法。

利用脉冲光源烧蚀材料领域中所存在的另一个问题涉及在整个钻孔过程中保持厚工件表面上的恒定烧蚀速率。在激光钻孔的一个层的烧蚀过程中，工件表面的接触点上产生材料空隙，即激光点尺寸与材料表面相交的点上产生材料空隙。一旦在材料中产生空隙，由于材料的烧蚀，预期的接触点不再与工件上的位置重合。由于接触点上激光束强度和光斑尺寸的改变，烧蚀速率发生改变。因此，需要有一种在整个钻孔过程中保持厚工件表面上恒定烧蚀速率的方法。

利用脉冲光源烧蚀材料领域中存在的又一个问题涉及在整个钻孔过程中保持厚工件表面上恒定的激光束强度和恒定的光斑尺寸。激光束光斑尺寸是在聚焦激光束与工件材料表面的相交点测量的。从已知的激光束强度和已知的光斑尺寸，可以计算烧蚀速率，从而预测烧蚀速率以便满足客户规范。但是，在厚工件中，随着材料层的烧蚀，工件表面不再位于激光钻孔系统的聚焦平面。这意味着在烧蚀点的激光束强度和光斑尺寸不再与原来计划的相同，因此，降低了烧蚀控制程度。需要恒定的光斑尺寸，以防止由于缺乏烧蚀控制而造成孔的几何变形和不一致的几何形状。因此，需要有一种在整个钻孔过程中保持厚工件表面上恒定激光束强度和恒定光斑尺寸的方法。

发明综述

根据本发明，一种激光切削系统中调节聚焦深度的方法，包括：产生具有聚焦平面的激光束，并将工件定位在聚焦平面中，其中工件表面在与聚焦平面相交的点暴露于激光束，以及调节工件和焦平面中的至少一个位置，从而在整个钻孔过程中保持工件暴露表面上的恒定烧蚀速率。

从以下的详细说明中，可以了解本发明更多的可用领域。应当知道，表述本发明优选实施例的详细说明和特定示例仅仅是为了说明的目的，而不是要限制本发明的范围。

附图说明

从详细说明和附图中，可以更充分地理解本发明，其中：

图1是激光钻孔系统中光斑尺寸对准的透视图；

图2是激光钻孔系统的简化示意图；

图3A-C是利用活动载物台调节聚焦深度的放大视图；

图4是说明激光钻孔系统中调节聚焦深度的方法的流程图。

具体实施方式

以下的优选实施例的说明仅仅是性质上的举例说明，绝不是要限制本发明及其应用或用途。

本发明提供了一种利用活动工件载物台连续地优化激光钻孔系统的聚焦深度，以便在整个切削过程中提供一致的、受控的烧蚀系统和方法。

参考图1，激光钻孔系统内光斑尺寸对准100的透视图包括工件112，光束107，聚焦区的深度110，以及光轴150。聚焦区深度110是一个沿光束107的光轴150方向的区域，在这个区域中光束107的光斑尺寸保持可以量化确定的相对恒定的半径。

对于光束107或工件112沿光束107的光轴150的光路的调节，可以将聚焦区的深度110调节到最佳点。计算光束107的光斑尺寸，以使光束107的光斑尺寸处于聚焦区深度110内的中心位置，从而将光束107对准工件112上的指定表面接触点。

图2示出了激光钻孔系统200的简化示意图，包括如图所述排列的激光器205，快门210，衰减器215，光束扩展器220，旋转半波片225，第一反射镜208，第二反射镜217，第三反射镜221，第四反射镜222，压电换能器(PZT)扫描镜230，扫描透镜240，以及活动载物台257。尽管本发明使用了皮秒激光系统，但是，可以利用其它激光系统一般化本发明的应用，例如，准分子、CO₂、铜汽化等激光系统。

尽管激光钻孔系统200的所有元件都是常用的，但是，下面提供激光钻孔系统200的操作的简要说明。在可选实施例中，可能需要改变激光钻孔系统200中的元件。本发明不限于激光钻孔系统200中元件的当前选择和布置。

在操作中，皮秒激光器205沿图2中所示的光轴发射光束107。光束107沿光路传播，入射到第一反射镜208上。第一反射镜208沿光路改变光束107的方向，使光束107入射到快门210。快门210通过打开和关闭来有选择地照射工件材料。光束107穿过快门210，并且沿光路传播到衰减器215。衰减器215过滤皮秒激光器205的能量，以便精确地控制烧蚀参数。光束107穿过衰减器215，并且沿光路传播，直到它入射到第二反射镜217。第二反射镜217沿光路改变光束107的方向，使它入射到光束扩展器220。

光束扩展器220增大光束107的尺寸，以便匹配扫描透镜240的光瞳尺寸。光束107穿过光束扩展器220，并且沿光路传播，直到它入射到第三反射镜221。第三反射镜221沿先路改变光束107的方向，使得它入射到第四反射镜222。第四反射镜222沿光路改变光束107的方向，使得它入射到旋转半波片225。旋转半波片225改变光束107的偏振。当通过旋转半波片225时，光束107沿光路穿过，入射到PZT扫描镜230。PZT扫描镜230以用钻孔算法(未示出)预定义的图形移动，在工件112上钻孔。PZT扫描镜230沿光路改变光束107的方向，使得它入射到扫描透镜240。扫描透镜240确定光束107在工件112上的光斑尺寸。光束107穿过扫描透镜240，并且沿光路传播，使得它入射到工件112上。光束107以根据预定义的钻孔算法形成的图形烧蚀工件。在垂直轴上调节活动载物台257，以在烧蚀过程中保持光束107在工件112的接触表面上的准确聚焦深度和光斑尺寸。容易理解的是，为了保持准确的聚焦深度，也可以沿垂直轴调节扫描透镜240，从而将工件112保持在固定的位置上。

图3A-C示出了利用活动载物台257进行聚焦深度调节300的放大视图，并且图中包括一个聚焦点310和一个烧蚀区312。为了清楚起见，在图3A-C中示出了激光钻孔系统200的附加元件。

如图3A中所示，扫描透镜240将光束107对准工件112表面上的聚焦点310，以烧蚀材料。图3B示出了如何通过光束107形成烧蚀区312，从而造成聚焦点310的位移等于烧蚀层的深度。在本发明中，将活动活动载物台257的馈进距离和方向标识为ΔZ。

图3C示出了为使光束107重新在工件112的接触表面聚焦而进行的调节(示为ΔZ)。活动载物台257移动的距离(ΔZ)是根据计算的烧蚀速率预定的。

在操作中，聚焦设置的初始深度是为了光束107在工件112接触表面上的聚焦点310而确定的。随着烧蚀区312的形成，控制单元(未示出)机械地调节活动载物台257的馈进距离ΔZ，以将光束107的聚焦点310重新对准到要烧蚀的下一层的深度。这种技术提供工件112内材料的连续烧蚀，同时在选定聚焦区110的深度范围内给聚焦点310提供了恒定的激光强度。

图4示出了激光钻孔系统200中调节聚焦深度的方法400，现在参考图1-3说明方法400的各个步骤。

在步骤410，确定希望得到的孔几何形状。在该步骤中，操作人员或技术人员使用诸如CAD文件之类的客户指定的信息和技术注解，确定包括圆锥角、出口孔直径和进入孔直径在内的希望的孔几何形状。在本发明中，希望得到的形状和尺寸是圆形孔。但是，本发明不限于指定的形状，并且也可以用于钻一般图形几何形状，例如，直线、曲线、方形、等等。

在步骤420，激光烧蚀速率是根据经验来确定的。在本步骤中，操作人员或技术人员利用一组给定的激光钻孔参数确定烧蚀速率(或材料去除速率)。烧蚀速率的控制参数包括重复率，光斑尺寸和激光器功率。在切削工件112之前，进行多次试验切削，以测量和调节影响激光钻孔系统200烧蚀速率的参数。

在步骤430，设定工件孔的最终深度。在本步骤中，操作人员或技术人员利用工件112的材料厚度和从步骤410得到的希望的孔形状来确定工件112最终希望得到的孔深度。

在步骤440，确定馈进速率。在本步骤中，操作人员、技术人员或自动工具使用从步骤410、420和430得出的计算结果确定活动载物台257的馈进速率。对于任何特定的钻孔应用，馈进速率等于以每单位时间烧蚀深度表示的确定的烧蚀速率。例如，如果根据一种特定材料以及一组给定激光器参数的尺寸和形状确定了烧蚀速率为1μm/秒，那么馈进速率是1μm/秒。

在步骤450，将数据输入到控制单元。在本步骤中，操作人员、技术人员、或自动工具将从步骤420、430、和440得到的数据输入到控制单元，以便能够调节活动载物台257。

在步骤460，烧蚀工件。在本步骤中，激光钻孔系统200将聚焦深度参数调节至适于工件112表面。然后，激光钻孔系统200执行切削算法，以便烧蚀工件112内的材料。工件112根据步骤420中确定的烧蚀速率，在整个烧蚀区312内进行预定烧蚀深度的烧蚀。

在步骤470，确定是否已经达到希望得到的孔深度。在这个决定步骤中，切削算法判断是否已经达到希望得到的切削形状。当切削算法已经完成预设的烧蚀层数，并且活动载物台257已经达到步骤430中确定的希望得到的孔深度的预定设置点时，认为完成了切削形状。如果是这样，那么方法400结束。如果不是，那么方法400返回到步骤420。

本发明具有几个优点。本发明的第一个优点是，提供了一种控制激光钻孔最终产品的质量规范的方法。本发明的第二个优点是，提供了一种在厚工件上激光钻孔的控制方法。本发明的第三个优点是，提供了一种在整个钻孔过程中保持厚工件表面上的恒定烧蚀速率的方法。本发明的第四个优点是，提供了一种在整个钻孔过程中保持厚工件表面上恒定的激光束强度和恒定光斑尺寸的方法。本发明的第五个优点是，提供了一种仅利用一个活动元件调节聚焦深度的方法。本发明的第六个优点是，允许加工简单的图形，而不必考虑材料厚度。

本发明也具有一些缺点。本发明的一个缺点是，如果活动载物台的馈进速率太慢，那么本发明可能难于保持一致的孔几何形状。但是，显微机加工领域中加工硬件、软件、和微控制装置的进一步发展可以很快地缓解所述的问题。

也存在另一种解决本发明提出的相同问题的方式。解决同一问题的一种其它方式是，通过人工调节各个激光系统元件(例如，扫描透镜)，来调节激光钻孔系统的聚焦深度。但是，这种技术要花费许多时间且十分麻烦，还可能在本激光钻孔系统中引起光学对准的问题。

本发明的说明仅仅是举例说明性质的，因此，没有脱离本发明要旨的各种改变应包括在本发明的范围内。这些改变不应被认为是脱离了本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种用于激光钻孔系统的聚焦深度控制系统，包括：

一个具有一个焦平面的激光束；

一个工件，其中工件的表面在与焦平面的相交点处暴露于激光束；以及

一个控制模块，可以对其进行操作以调节所述工件和焦平面中至少一个的位置，从而保持整个钻孔过程中所述工件的暴露表面上的恒定烧蚀速率。

2.根据权利要求1所述的系统，包括一个可对其操作以支撑工件的活动载物台，其中所述控制模块可以进行操作以调节所述活动载物台的位置。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制模块可以进行操作以便按照与所述激光束对应的所述工件材料的烧蚀速率函数对所述活动载物台的位置进行调节。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制模块可以进行操作以便按照作为钻孔加工结果而在所述工件中形成的形状函数对所述活动载物台的位置进行调节。

5.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制模块可以进行操作以便按照钻孔加工过程中在所述工件中形成形状的工具路径函数对所述活动载物台的位置进行调节。

6.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制模块可以进行操作以便按照通过在钻孔加工中使用一种工具路径以在所述工件中形成形状的算法函数对所述活动载物台的位置进行调节。

7.根据权利要求2所述的系统，其中所述模块可以进行操作以便将所述活动载物台的位置按照如下函数之一进行调节：

对应于所述激光束的所述工件材料的烧蚀速率函数；

作为钻孔加工结果在所述工件中形成的形状函数；

钻孔加工过程中在所述工件中形成所述形状的工具路径函数；以及

通过在钻孔加工过程中使用所述工具路径以在所述工件中形成所述形状的算法函数。

8.根据权利要求7所述的系统，其中工具路径基于解析的希望得到的孔几何形状进行确定。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制模块可以进行操作以便将所述工件和聚焦平面中的至少一个位置按照如下函数之一进行调节：

与所述激光束对应的所述工件材料的烧蚀速率函数；以及

作为钻孔加工的结果在所述工件中形成的形状函数。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制模块可以进行操作以便将所述工件和聚焦平面中的至少一个位置按照如下函数之一进行调节：

钻孔加工过程中在所述工件中形成所述形状的工具路径函数；以及

在钻孔加工过程中使用所述工具路径以在所述工件中形成所述形状的算法函数。

11.根据权利要求1所述的系统，包括一个适合于将激光束在工件表面上聚焦的活动扫描透镜，其中所述控制模块可以进行操作以调节扫描透镜的位置。

12.一种调节激光切削系统中聚焦深度的方法，包括：

产生具有一个焦平面的激光束；

将工件定位在焦平面中，其中工件的表面在与焦平面的相交点处暴露于激光束；以及

调节工件和焦平面中的至少一个位置，从而在整个钻孔加工过程中保持工件暴露表面上的恒定烧蚀速率。

13.根据权利要求12所述的方法，包括调节支撑工件的活动载物台的位置。

14.根据权利要求13所述的方法，包括按照对应于激光束的工件材料的烧蚀速率函数对活动载物台的位置进行调节。

15.根据权利要求13所述的方法，包括按照作为钻孔加工的结果在工件中形成的形状函数对活动载物台的位置进行调节。

16.根据权利要求13所述的方法，包括按照钻孔加工过程中用于在所述工件中形成形状的工具路径函数对活动载物台的位置进行调节。

17.根据权利要求13所述的方法，包括按照通过在钻孔加工过程中使用工具路径以在所述工件中形成形状的算法函数对活动载物台的位置进行调节。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述控制模块可以进行操作以便将所述活动载物台的位置按照如下函数之一进行调节：

对应于激光束的工件材料的烧蚀速率函数；

作为钻孔加工的结果在工件中形成的形状函数；

钻孔加工过程中在所述工件中形成形状的工具路径函数；以及

通过钻孔加工过程中使用工具路径以在所述工件中形成形状的算法函数。

19.根据权利要求18所述的方法，其中工具路径基于解析的希望得到的孔几何形状。

20.根据权利要求12所述的方法，包括将所述工件和焦平面中的至少一个位置按照如下函数之一调节：

对应于所述激光束的所述工件材料的烧蚀速率函数；以及

作为钻孔加工的结果在所述工件中形成的形状函数。

21.根据权利要求20所述的方法，包括将所述工件和焦平面中的至少一个位置按照如下函数之一进行调节：

钻孔加工过程中在所述工件中形成所述形状的工具路径函数；以及

在钻孔加工过程中使用所述工具路径以在所述工件中形成所述形状的算法函数。

22.根据权利要求12所述的方法，进一步包括使激光束穿过扫描透镜以形成焦平面，并通过移动扫描透镜调节焦平面的位置。

23.根据权利要求1所述的方法，其中将工件进一步定义为喷墨头的喷嘴板。

24.根据权利要求11所述的方法，其中将工件进一步定义为喷墨头的喷嘴板。

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