DE112005003088T5

DE112005003088T5 - Effiziente Mikrobearbeitungsvorrichtung und Verfahren, das mehrere Laserstrahlen verwendet

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Publication number: DE112005003088T5
Application number: DE112005003088T
Authority: DE
Inventors: Donald R. Portland Cutler; Brian W. Oregon Baird; Richard S. Portland Harris; David M. Beaverton Hemenway; Ho Wai Portland Lo; Brady E. Beaverton Nilsen; Yasu Lake Oswego Osako; Lei Portland Sun; Yunlong Beaverton Sun; Mark A. Portland Unrath
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-10-18
Also published as: KR20070085548A; GB0710285D0; WO2006062766A2; WO2006062766A3; GB2434560A

Abstract

System, das dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl selektiv in mehrere Strahlausbreitungsrichtungen in einer koordinierten Weise zu richten, um eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Material in verschiedenen Bereichen eines Zielprüfstücks zu erreichen, welches umfasst:
eine Laserquelle, die einen Laserstrahl emittiert, der eine Reihe von Laserimpulsen umfasst;
eine Strahlumschaltvorrichtung, die die Reihe von Laserimpulsen empfängt und in Reaktion auf ein Strahlumschaltsignal erste und zweite Gruppen der Laserstrahlimpulse zur Ausbreitung entlang jeweiliger erster und zweiter Strahlachsen richtet;
einen ersten Positionierungsmechanismus, der auf ein erstes Steuersignal reagiert, um eine relative Bewegung der ersten Strahlachse und des Zielprüfstücks vorzusehen, um die erste Strahlachse selektiv in verschiedenen ersten Zielbereichen des Zielprüfstücks zu positionieren und Material in den ersten Zielbereichen des Zielprüfstücks zu bearbeiten;
einen zweiten Positionierungsmechanismus, der auf ein zweites Steuersignal reagiert, um eine relative Bewegung der zweiten Strahlachse und des Zielprüfstücks vorzusehen, um die zweite Strahlachse selektiv in verschiedenen zweiten Zielbereichen des...

Description

Verwandte Anmeldungen
Dies ist eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung Nr. 11/000 330, eingereicht am 29. November 2004, und eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung Nr. 11/000 333, eingereicht am 29. November 2004, die eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung Nr. 10/611 798, eingereicht am 30. Juni 2003, ist.
Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft Laser und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhöhen des Werkstückbearbeitungsdurchsatzes durch abwechselndes Umschalten eines einzelnen Laserstrahls unter zwei oder mehr Strahlwegen, so dass einer der Strahlwege zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet wird, während der andere Strahlweg zur Bearbeitung eines anderen Werkstücks positioniert wird.
Hintergrund der Erfindung
Laser werden in einer Vielfalt von Forschungs-, Entwicklungs- und industriellen Vorgängen, einschließlich Prüfen, Bearbeiten und Mikrobearbeiten einer Vielfalt von elektronischen Materialien und Substraten, umfangreich verwendet. Um beispielsweise einen dynamischen Direktzugriffsspeicher ("DRAM") zu reparieren, werden Laserimpulse verwendet, um elektrisch leitende Verbindungen zu durchtrennen, um fehlerhafte Speicherzellen von einem DRAM-Bauelement zu trennen und dann redundante Speicherzellen zu aktivieren, um die fehlerhaften Speicherzellen zu ersetzen. Da fehlerhafte Speicherzellen, die Verbindungsentfernungen benötigen, willkürlich angeordnet sind, sind die Verbindungen, die durchtrennt werden müssen, willkürlich angeordnet. Während des Laser-Verbindungsreparaturprozesses werden folglich die Laserimpulse in willkürlichen Impulsintervallen abgefeuert. Mit anderen Worten, die Laserimpulse laufen vielmehr mit einem breiten variablen Bereich von Impulswiederholungsfrequenzen ("PRFs") als mit einer konstanten PRF. Damit industrielle Prozesse einen größeren Produktionsdurchsatz erreichen, wird der Laserimpuls ohne Stoppen des Laserstrahl-Abtastmechanismus auf die Zielverbindung abgefeuert. Dieses Herstellungsverfahren wird in der Industrie als Verbindungsbearbeitung "im Fluge" ("OTF") bezeichnet. Andere übliche Laseranwendungen verwenden Laserimpulse, die nur dann abgefeuert werden, wenn sie zu willkürlichen Zeiten erforderlich sind.
Die Laserenergie pro Impuls nimmt jedoch typischerweise mit zunehmender PRF ab, während die Laserimpulsbreite mit zunehmender PRF zunimmt, Eigenschaften, die insbesondere für gütegeschaltete Festkörperlaser gelten. Obwohl viele Laseranwendungen willkürlich zeitverschobene Laserimpulse auf Verlangen erfordern, erfordern diese Anwendungen auch, dass die Laserenergie pro Impuls und die Impulsbreite im Wesentlichen konstant gehalten werden. Für die Verbindungsbearbeitung an einem Speicher oder anderen IC-Chips führt eine unangemessene Laserenergie zu einer unvollständigen Verbindungsdurchtrennung, während eine übermäßige Laserenergie eine unannehmbare Beschädigung an der Passivierungsstruktur oder am Siliziumsubstrat verursacht. Der annehmbare Bereich von Laserimpulsenergien wird häufig als "Prozessfenster" bezeichnet. Für viele praktischen IC-Bauelemente erfordert das Prozessfenster, dass die Laserimpulsenergie um weniger als 5 Prozent von einem ausgewählten Impulsenergiewert abweicht.
Verschiedene Methoden wurden implementiert, um einen Betrieb innerhalb eines Prozessfensters sicherzustellen oder das Prozessfenster zu erweitern. Das US-Pat. Nr. 5 590 141, über METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING AND EMPLOYING A HIGH DENSITY OF EXCITED IONS IN A LASANT, das auf den Anmelder dieser Patentanmeldung übertragen wurde, beschreibt beispielsweise Festkörperlaser mit laseraktiven Materialien, die einen verringerten Impulsenergieabfall als Funktion einer zunehmenden PRF und daher eine höhere verwendbare PRF aufweisen. Solche Laser sind daher in der Lage, stabilere Impulsenergiepegel zu erzeugen, wenn sie unter ihren maximalen PRFs betrieben werden.
Das US-Pat. Nr. 5 265 114 über SYSTEM AND METHOD FOR SELECTIVELY LASER PROCESSING A TARGET STRUCTURE OF ONE OR MORE MATERIALS OFA MULTIMATERIAL, MULTILAYER DEVICE, das auch auf den Anmelder dieser Patentanmeldung übertragen wurde, beschreibt die Verwendung einer längeren Laserwellenlänge wie z.B. 1320 Nanometer ("nm"), um das Verbindungsprozessfenster zu erweitern, um eine breitere Variation der Laserimpulsenergie während des Prozesses zu ermöglichen.
Das US-Pat. Nr. 5 226 051 über LASER PUMP CONTROL FOR OUTPUT POWER STABILIZATION beschreibt ein Verfahren zum Ausgleichen der Laserimpulsenergie durch Steuern des elektrischen Stroms der Pumpdioden. Das Verfahren arbeitet in praktischen Anwendungen gut, die eine Laser-PRF unterhalb etwa 25 kHz oder 30 kHz verwenden.
Die vorstehend beschriebenen Laserbearbeitungsanwendungen verwenden typischerweise Infrarot- ("IR") Laser mit Wellenlängen von 1047 nm bis 1324 nm, die mit PRFs nicht über etwa 25 bis 30 kHz laufen. Die Produktionsbedürfnisse verlangen jedoch einen viel höheren Durchsatz, so dass die Laser in der Lage sein sollten, mit PRFs zu arbeiten, die viel höher sind als etwa 25 kHz, wie z.B. 50 kHz bis 60 kHz oder höher. Außerdem werden viele Laserbearbeitungsanwendungen unter Verwendung von Ultraviolett- ("UV") Energiewellenlängen verbessert, die typischerweise geringer als etwa 400 nm sind. Solche UV-Wellenlängen können erzeugt werden, indem ein IR-Laser einem Oberwellenerzeugungsprozess unterzogen wird, der die zweite, dritte oder vierte Oberwelle des IR-Lasers stimuliert. Aufgrund der Art der Oberwellenerzeugung sind die Energiepegel solcher UV-Laser von Impuls zu Impuls leider gegen Zeitvariationen in der PRF und im Laserimpulsintervall besonders empfindlich.
Das US-Pat. Nr. 6 172 325 über LASER PROCESSING POWER OUTPUT STABILIZATION APPARATUS AND METHOD EMPLOYING PROCESSING POSITION FEEDBACK, das auch auf den Anmelder dieser Patentanmeldung übertragen wurde, beschreibt ein Verfahren zum Betreiben des Lasers mit einer konstanten hohen Wiederholungsrate in Verbindung mit einer durch Positionsrückkopplung gesteuerten Laserimpulsaussuch- oder -torsteuervorrichtung, um ein Laserimpulsaussuchen auf Verlangen in einem willkürlichen Zeitintervall bereitzustellen, das ein Vielfaches des Laserimpulsintervalls ist. Dieses Verfahren bietet eine gute Laserimpulsenergiestabilität und einen hohen Durchsatz.
Eine typische Laserimpulsaussuch- oder -torsteuervorrichtung ist ein akustischoptischer Modulator ("AOM") oder elektrooptischer Modulator ("EOM", auch als Pockels-Zelle bezeichnet). Typisches EOM-Material wie z.B. KD*P oder KDP leidet unter einer relativ starken Absorption bei den UV-Wellenlängen, was zu einer niedrigeren Beschädigungsschwelle des Materials bei der verwendeten Wellenlänge und zu einer lokalen Erhitzung entlang des Laserstrahlweges innerhalb der Vorrichtung führt, was Änderungen der Halbwellenplattenspannung der Vorrichtung verursacht. Ein weiterer Nachteil des EOM ist seine fragliche Fähigkeit, bei einer Wiederholungsrate über 50 kHz gut zu arbeiten.
Ein AOM-Material ist andererseits für UV-Licht mit 250 nm bis zu IR-Licht mit 2000 nm ziemlich durchlässig, was ermöglicht, dass der AOM über die ganzen typischen Laserwellenlängen innerhalb des Bereichs gut arbeitet. Ein AOM kann sich auch leicht auf die erwünschte Torsteuerung von Impulsen mit einer Wiederholungsrate von bis zu einigen hundert kHz einstellen. Ein Nachteil des AOM ist sein begrenzter Beugungswirkungsgrad von etwa 75-90 Prozent.
1 zeigt einen typischen AOM 10 des Standes der Technik, der durch einen Hochfrequenz- ("HF") Treiber 12 angesteuert wird und für eine Laserimpulsaussuch- oder -torsteueranwendung verwendet wird, und 2A bis 2D (gemeinsam 2) zeigen entsprechende Zeitsteuergraphen des Standes der Technik für eingehende Laserimpulse 14, AOM-HF-Impulse 15 und AOM-Ausgangsimpulse 16 und 20. 2A zeigt Laserimpulse 14a-14k mit konstanter Wiederholungsrate, die von einem Laser (nicht dargestellt) emittiert und zum AOM 10 ausgebreitet werden. 2B demonstriert zwei beispielhafte Schemen zum Anlegen von HF-Impulsen 15 an den AOM 10, um auszuwählen, welche der Laserimpulse 14a-14k, die in entsprechenden Zeiträumen 22a-22k auftreten, in Richtung eines Ziels ausgebreitet werden. In einem ersten Schema wird ein einzelner HF-Impuls 15cde (in gestrichelten Linien dargestellt) so erweitert, dass er die Zeiträume 22c-22e abdeckt, die den Laserimpulsen 14c, 14d und 14e entsprechen; und in einem zweiten Schema werden getrennte HF-Impulse 15c, 15d und 15e erzeugt, um die jeweiligen Zeiträume 22c, 22d und 22e für die Laserimpulse 14c, 14d und 14e einzeln abzudecken. 2C und 2D zeigen den jeweiligen Strahl 20 erster Ordnung und Strahl 16 nullter Ordnung, die vom AOM 10 ausgebreitet werden, wie durch die Anwesenheit oder Abwesenheit der HF-Impulse 15, die an den AOM 10 angelegt werden, bestimmt.
Mit Bezug auf 1 und 2 wird der AOM 10 durch einen HF-Treiber 12 angesteuert. Wenn keine HF-Impulse 15 an den AOM 10 angelegt werden, laufen eingehende Laserimpulse 14 durch den AOM 10 im Wesentlichen entlang ihres ursprünglichen Strahlweges und treten als Strahl 16 aus, der typischerweise als Strahl 16 nullter Ordnung bezeichnet wird. Wenn HF-Impulse 15 an den AOM 10 angelegt werden, wird ein Teil der Energie der eingehenden Laserimpulse 14 vom Weg des Strahls 16 nullter Ordnung zu einem Weg eines Strahls 20 erster Ordnung gebeugt. Der AOM 10 besitzt einen Beugungswirkungsgrad, der als Verhältnis der Laserenergie im Strahl 20 erster Ordnung zur Laserenergie in den eingehenden Laserimpulsen 14 definiert ist. Entweder der Strahl 20 erster Ordnung oder der Strahl 16 nullter Ordnung kann in Abhängigkeit von verschiedenen Anwendungserwägungen als Arbeitsstrahl verwendet werden. Der Einfachheit halber werden die in den AOM 10 eintretenden Laserimpulse 14 nachstehend als "Laserimpulse" oder "Laserausgang" bezeichnet, und Impulse, die zum Ziel geliefert werden, werden, da sie vom AOM 10 ausgesucht werden, als "Arbeitslaserimpulse" oder "Arbeitslaserausgang" bezeichnet.
Wenn der Strahl 20 erster Ordnung als Arbeitsstrahl verwendet wird, kann die Energie der Arbeitslaserimpulse dynamisch von 100 Prozent ihres Maximalwerts bis auf im Wesentlichen Null gesteuert werden, wenn sich die Leistung der HF- Impulse 15 von ihrer maximalen Leistung auf im Wesentlichen Null ändert. Da der praktische begrenzte Beugungswirkungsgrad eines AOM unter einer zulässigen maximalen HF-Leistungslast etwa 75 Prozent bis 90 Prozent ist, ist der maximale Energiewert der Arbeitslaserimpulse etwa 75 Prozent bis 90 Prozent des Energiewerts in den Laserimpulsen 14. Wenn jedoch der Strahl 16 nullter Ordnung als Arbeitsstrahl verwendet wird, kann die Energie der Arbeitslaserimpulse dynamisch von 100 Prozent der maximalen Energie in den Laserimpulsen 14 bis auf 15 Prozent bis 20 Prozent des Maximalwerts gesteuert werden, wenn sich die Leistung der HF-Impulse 15 von im Wesentlichen Null auf ihre maximale Leistung ändert. Für eine Speicherverbindungsbearbeitung wird beispielsweise, wenn kein Arbeitslaserimpuls verlangt ist, kein Austritt von Systemlaserimpulsenergie zugelassen, d.h. die Arbeitslaserimpulsenergie sollte Null sein, so dass der Laserstrahl 20 erster Ordnung vorzugsweise als Arbeitsstrahl verwendet wird.
Mit erneutem Bezug auf 2 werden HF-Impulse 15 an den AOM 10 in willkürlichen Zeitintervallen und nur dann, wenn Arbeitslaserimpulse verlangt werden, in diesem Fall in willkürlichen ganzzahligen Vielfachen des Laserimpulsintervalls, angelegt. Die willkürliche Ausgabe von Arbeitslaserimpulsen führt zu einer willkürlichen variablen Wärmebelastung am AOM 10. Die variable Wärmebelastung verursacht eine geometrische Verzerrung und Temperaturgradienten im AOM 10, die Gradienten in seinem Brechungsindex verursachen. Die Konsequenzen der Wärmebelastung verzerren einen durch den AOM 10 hindurchtretenden Laserstrahl, was zu einer verschlechterten Laserstrahlqualität und einer Instabilität im Laserstrahlweg oder zu einer schlechten Strahlpositionierungsgenauigkeit führt. Diese Verzerrungen könnten in einem gewissen Grad korrigiert werden, wenn sie konstant gehalten werden könnten. Wenn jedoch die Systemlaserimpulse willkürlich verlangt werden, wie z.B. bei der Laserverbindungsbearbeitung, weisen diese Verzerrungen dieselbe willkürliche Art auf und können nicht praktisch korrigiert werden.
Testergebnisse an einer AOM-Vorrichtung, wie z.B. einem Modell N23080-2-1.06-LTD, das von NEOS Technologies, Melbourne, FL., hergestellt wird, zeigten, dass mit nur zwei Watt HF-Leistung die Laserstrahl-Zeigegenauigkeit nicht weniger als ein Milliradian abweichen kann, wenn die HF willkürlich ein und aus an den AOM angelegt wird. Diese Abweichung ist einige hundert Mal größer als die für das typische Speicherverbindungs-Bearbeitungssystem zulässige maximale Abweichung. Die Laserstrahlqualitätsverzerrung, die sich aus der willkürlichen Wärmebelastung am AOM 10 ergibt, verschlechtert auch die Fokussierbarkeit des Laserstrahls, was zu einer größeren Laserstrahl-Fleckgröße am Brennpunkt führt. Für Anwendungen wie z.B. die Speicherverbindungsbearbeitung, die erfordern, dass die Laserstrahl-Fleckgröße so klein wie möglich ist, ist diese Verzerrung sehr unerwünscht.
Was daher erforderlich ist, ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum willkürlichen Aussuchen von Arbeitslaserimpulsen von einer Laserimpulsfolge mit hoher Wiederholungsrate, ohne eine Verzerrung des Laserstrahls zu verursachen und die Positionierungsgenauigkeit nachteilig zu beeinflussen, was durch die willkürliche Wärmebelastungsveränderung am AOM verursacht wird. Was auch erforderlich ist, ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Arbeitslaserimpulsen mit einer konstanten Laserenergie pro Impuls und einer konstanten Impulsbreite auf Verlangen und/oder im Fluge mit einer hohen PRF und mit einer hohen Genauigkeit in verschiedenen Impulszeitintervallen für eine Vielfalt von Laseranwendungen wie z.B. Laserverbindungsbearbeitung an Speicherchips. Was überdies erforderlich ist, ist eine effiziente Vorrichtung mit hohem Durchatz und ein effizientes Verfahren zur Verwendung der Arbeitslaserimpulse.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht folglich darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aussuchen von Laserimpulsen auf Verlangen von einem gepulsten Laser mit hoher Wiederholungsrate bereitzustellen.
Das Folgende sind mehrere der Vorteile der Erfindung. Ausführungsbeispiele dieser Erfindung führen ein solches Impulsaussuchen mit minimaler Veränderung der Wärmebelastung am AOM durch, um die Verzerrung des Laserstrahls und der Positionierungsgenauigkeit zu minimieren. Sie umfassen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Systemlaserimpulsen auf Verlangen mit stabilen Impulsenergien und stabilen Impulsbreiten bei ausgewählten Wellenlängen von UV bis nahes IR und mit hohen PRFs für Laserbearbeitungsanwendungen mit hoher Genauigkeit wie z.B. Speicherverbindungsdurchtrennung. Die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung stellen eine effiziente Vorrichtung mit hohem Durchsatz und ein effizientes Verfahren zur Verwendung der Arbeitslaserimpulse bereit.
Ein Werkstückbearbeitungssystem dieser Erfindung verwendet einen Laser, der mit einer Strahlumschaltvorrichtung gekoppelt ist, die bewirkt, dass ein Laserstrahl oder Laserimpulse zwischen einem ersten und einem zweiten Strahlpositionierungskopf umschalten, so dass, wenn der erste Strahlpositionierungskopf den Laserstrahl zum Bearbeiten eines ersten Werkstücks richtet, der zweite Strahlpositionierungskopf sich zu einer nächsten Zielstelle auf einem zweiten Werkstück oder einem zweiten Satz von Stellen auf dem ersten Werkstück bewegt. Wenn der erste Strahlpositionierungskopf die Bearbeitung des ersten Werkstücks vollendet und der zweite Strahlpositionierungskopf seine Zielposition erreicht, bewirkt die Strahlumschaltvorrichtung, dass der Strahl zum zweiten Strahlpositionierungskopf umschaltet, und dann richtet der zweite Strahlpositionierungskopf den Laserstrahl auf Zielstellen auf dem zweiten Werkstück, während sich der erste Strahlpositionierungskopf zu seiner nächsten Zielstelle bewegt.
Ein Vorteil des vorliegenden Laserstrahl-Umschaltsystems besteht darin, dass das erste und das zweite Werkstück fast die volle Leistung des Laserstrahls für die Bearbeitung empfangen. Die Gesamtzeitnutzung des Laserstrahls wird in Abhängigkeit vom Bearbeitungs-Bewegungs-Zeitverhältnis um fast einen Faktor von zwei erhöht. Dies erhöht den Systemdurchsatz erheblich, ohne die Systemkosten signifikant zu steigern.
Eine bevorzugte Strahlumschaltvorrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten AOM, die benachbart zueinander angeordnet sind, so dass der Laserstrahl (oder die Laserimpulse) normalerweise unabgelenkt durch die AOMs hindurchtritt und an einem Strahlblocker endet. Wenn HF-Energie an den ersten AOM angelegt wird, werden etwa 90 Prozent des Laserstrahls als erster Laserstrahl gebeugt und 10 Prozent bleiben als Restlaserstrahl, der im Strahlblocker endet. Wenn HF-Energie an den zweiten AOM angelegt wird, werden ebenso etwa 90 Prozent des Laserstrahls als zweiter Laserstrahl gebeugt und 10 Prozent bleiben als Restlaserstrahl, der im Strahlblocker endet. In diesem Ausführungsbeispiel läuft der Laser, der den Laserstrahl erzeugt, konstant mit seiner gewünschten Impulswiederholungsrate.
Die Verwendung der Strahlumschaltvorrichtung ist vorteilhaft, da ein konstanter Betrieb des Lasers die thermische Abweichung des Laserausgangs beseitigt. Durch Betreiben des ersten und des zweiten AOMs mit Impulsaussuchverfahren dieser Erfindung werden überdies Wärmebelastungsschwankungen in den AOMs minimiert, wodurch die Laserstrahl-Positionierungsgenauigkeit erhöht wird.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung des ersten und des zweiten AOMs als Strahlumschaltvorrichtung besteht darin, dass sie als Laserleistungs-Steuervorrichtung arbeiten können, was einen Bedarf für eine separate Laserleistungs-Steuereinheit in einem typischen Werkstückbearbeitungssystem auf Laserbasis beseitigt. Die Leistungssteuerung ist möglich, da die Ansprechzeiten der AOMs für die Programmierung der Laserimpulsamplituden des umgeschalteten Laserstrahls während der Bearbeitung von einzelnen Zielstellen auf den Werkstücken ausreichend schnell sind. Eine typische Laserbearbeitungsanwendung ist die Blindkontaktlochausbildung in geätzten Leiterplatten, in denen es häufig erforderlich ist, die Laserimpulsenergie zu verringern, wenn der Laserstrahl die Unterseite des ausgebildeten Kontaktlochs erreicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Lasersystems implementieren eine Strahlmultiplexierung innerhalb des Hohlraums, die zwei Ausgangsstrahlen von hinsichtlich des Polarisationszustandes modulierten Lichtemissionsimpulsen für die Verwendung in Laserbearbeitungsanwendungen bereitstellt.
Zusätzliche Aspekte und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen ersichtlich, die mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen vor sich geht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte schematische Ansicht einer AOM-Vorrichtung des Standes der Technik und eines HF-Treibers, die einen Strahl nullter Ordnung, einen Strahl erster Ordnung oder beide von ihnen durchlässt.
2A-2D sind entsprechende Zeitsteuergraphen des Standes der Technik von Laserimpulsen, HF-Impulsen bzw. AOM-Ausgangslaserimpulsen erster und nullter Ordnung.
3A-3C sind entsprechende beispielhafte Zeitsteuergraphen von Laserausgängen, HF-Impulsen bzw. Arbeitslaserausgängen, wie in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet.
4A-4C sind alternative entsprechende beispielhafte Zeitsteuergraphen von Laserausgängen, HF-Impulsen bzw. Arbeitslaserausgängen, die die Verwendung des AOM für die Energiesteuerung der Arbeitslaserimpulse demonstrieren.
5 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines Laserstrahl-Umschaltsystems dieser Erfindung.
6 ist ein Wellenform-Zeitsteuerdiagramm, das Betriebszeitsteuerbeziehungen unter verschiedenen Komponenten des Laserstrahl-Umschaltsystems von 5 darstellt.
7 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm, das eine bevorzugte Doppel-AOM-Laserstrahl-Umschaltvorrichtung zur Verwendung bei dieser Erfindung darstellt.
8 ist ein Wellenformzeitsteuerdiagramm, das Betriebszeitsteuerbeziehungen unter verschiedenen Komponenten eines Laserstrahl-Umschaltsystems darstellt, das die Doppel-AOM-Umschaltvorrichtung von 7 verwendet.
9 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines typischen Werkstückbearbeitungssystems, das die Laserstrahl-Umschaltvorrichtung von 7 verwendet.
10 ist ein Wellenformzeitsteuerdiagramm, das Betriebszeitsteuerbeziehungen unter verschiedenen Komponenten des Werkstückbearbeitungssystems von 9 darstellt.
11A und 11B sind vereinfachte Blockdiagramme, die Werkstückbearbeitungssysteme dieser Erfindung darstellen, die einen gemeinsamen optischen Bearbeitungsweg für mehrere Laserstrahlen, die sich von einer bzw. zwei Laserquellen ausbreiten, verwenden.
12 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm, das ein alternatives Werkstückbearbeitungssystem dieser Erfindung darstellt, das einen schnellen EOM und einen Polarisationsstrahlteiler verwendet, um eine Laserstrahl-Umschaltvorrichtung dieser Erfindung zu implementieren.
13 ist ein vereinfachtes bildhaftes Blockdiagramm, das ein alternatives Laserstrahl-Umschaltsystem darstellt, das einen schnellen Lenkspiegel zum Umschalten eines Laserstrahls entlang abwechselnder erster und zweiter Wege verwendet.
14 ist ein Lasersystem, das dazu ausgelegt ist, eine Lichtstrahlmultiplexierung innerhalb des Hohlraums zu implementieren, die selektiv entweder abwechselnd oder gleichzeitig zwei Grundwellenausgangsstrahlen von im Polarisationszustand modulierten Lichtemissionsimpulsen liefert.
15 ist ein Lasersystem, das dazu ausgelegt ist, eine Lichtstrahlmultiplexierung innerhalb des Hohlraums zu implementieren, die gleichzeitig zwei Ausgangsstrahlen der dritten Oberwelle von im Polarisationszustand modulierten Lichtemissionsimpulsen liefert.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Die Wärmebelastungsschwankungen in AOMs, wie z.B. im AOM 10 des Standes der Technik, können unter Verwendung von Impulsaussuch- und Laserleistungs-Steuerverfahren, die mit Bezug auf 3A-3C bzw. 4A-4C gezeigt werden, gemildert werden. 3A-3C (gemeinsam 3) zeigen entsprechende Zeitsteuergraphen von Laserausgängen 24a-24k (gemeinsam Laserausgang 24), HF-Impulsen 38a-38k (gemeinsam HF-Impulse 38), die an den AOM 10 des Standes der Technik angelegt werden, und Arbeitslaserausgängen 40a, 40c, 40d, 40e und 40i (gemeinsam Arbeitslaserausgänge 40). Insbesondere zeigt 3A Laserausgänge 24a-24k, die von einem Laser (nicht dargestellt) mit einer konstanten Wiederholungsrate emittiert werden und durch im Wesentlichen identische Laserausgangsintervalle 41 getrennt sind. In typischen Ausführungsbeispielen kann die Laserausgangswiederholungsrate im Bereich von etwa 1 kHz bis zu etwa 500 kHz liegen. Beispielhafte Laserausgangswiederholungsraten liegen im Bereich von etwa 25 kHz bis größer als etwa 100 kHz. Für Verbindungsbearbeitungsausführungsbeispiele umfasst jeder der Arbeitslaserausgänge 40 vorzugsweise einen einzelnen Laserimpuls mit einer Impulsbreite von mehreren Nanosekunden. Fachleute werden jedoch erkennen, dass jeder der Arbeitslaserausgänge 40 ein Bündel von einem oder mehreren Laserimpulsen, wie z.B. im US-Pat. Nr. 6 574 250 über LASER SYSTEM AND METHOD FOR PROCESSING A MEMORY LINK WITH A BURST OF LASER PULSES HAVING ULTRASHORT PULSE WIDTHS, das auf den Anmelder dieser Patentanmeldung übertragen ist, offenbart, oder Bündel von einem oder mehreren Impulsen mit Impulsbreiten im Bereich von etwa 10 Pikosekunden bis etwa 1000 Pikosekunden umfassen kann.
3B zeigt ein bevorzugtes HF-Impulsaussuchschema, das HF-Impulse 38 mit Impulsdauern, wie z.B. 42a und 42b (gemeinsam HF-Impulsdauern 42), die durch HF-Impulsintervalle 43a-43j (gemeinsam HF-Impulsintervalle 43) getrennt sind, die im Wesentlichen regelmäßig oder gleichmäßig sind, verwendet, um die Wärmebelastungsschwankungen am AOM 10 innerhalb einer vorab zugewiesenen Betriebstoleranz zu halten. Eine solche Toleranz kann ein spezielles Wärmebelastungsfenster sein, aber die vorab zugewiesene Toleranz kann auch oder alternativ Fenster mit einer Fleckgrößen- oder Strahlpositionsgenauigkeit sein. In einem Ausführungsbeispiel wird die Wärmebelastungsschwankung innerhalb 5 Prozent gehalten und/oder die Strahlzeigegenauigkeit wird innerhalb 0,005 Milliradian gehalten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mindestens einer der HF-Impulse 38 so erzeugt, dass er jedem der Laserausgänge 24 entspricht.
Sobald verlangt wird dass einer der Arbeitslaserausgänge 40 auf ein Ziel wie z.B. eine elektrisch leitende Verbindung auftrifft, wird einer der HF-Impulse 38 an den AOM 10 in Übereinstimmung mit einem der Laserausgänge 24 derart angelegt, dass er durch den AOM 10 durchgelassen wird und zum Verlangten der Arbeitslaserausgänge 40 wird.
In 3B sind die übereinstimmenden HF-Impulse 38 HF-Impulse 38a, 38c, 38d, 38e und 38i. 3C zeigt die resultierenden entsprechenden Arbeitslaserausgänge 40a, 40c, 40d, 40e und 40i. Wenn nicht verlangt wird, dass ein Arbeitslaserausgang den Laserausgängen 24 entspricht, werden die HF-Impulse 38 an den AOM 10 nicht in Übereinstimmung mit entsprechenden der Laserausgänge 24 angelegt. In 3B sind die nicht übereinstimmenden HF-Impulse 38 die HF-Impulse 38b, 38f, 38g, 38h, 38j und 38k. 3C zeigt, dass keine Arbeitslaserausgänge 40 den nicht übereinstimmenden HF-Impulsen 38 entsprechen.
Die nicht-übereinstimmenden HF-Impulse 38 sind vorzugsweise von den Einleitungen von jeweiligen Laserausgängen 24 um Zeitversätze 44 versetzt, die länger sind als etwa 0,5 Mikrosekunden. Fachleute werden erkennen, dass, obwohl die Zeitversätze 44 als den Laserausgängen 24 folgend gezeigt sind, die Zeitversätze 44 alternativ den Laserausgängen 24 um eine ausreichende Zeit vorangehen könnten, um ein Zielen der Laserarbeitsausgänge 40 zu verhindern. Folglich können HF-Impulsintervalle 43, die einen der nicht-übereinstimmenden HF-Impulse 38 umgeben, kürzer (wie z.B. HF-Impulsintervalle 43b und 43h) als das gesamte mittlere HF-Impulsintervall 43 (wie z.B. 43c, 43d, 43f, 43g und 43j) oder länger (wie z.B. die HF-Impulsintervalle 43a, 43e und 43i) als die mittleren HF-Impulsintervalle 43 sein.
Mit erneutem Bezug auf 3C sind die Nicht-Auftreff-Intervalle 46b und 46c zwischen den Arbeitslaserausgängen 40c und 40d bzw. zwischen den Arbeitslaserausgängen 40d und 40e etwa dieselben wie das Laserausgangsintervall 41. Die Nicht-Auftreff-Intervalle 46a und 46d zwischen den Arbeitslaserausgängen 40a und 40c bzw. zwischen den Arbeitslaserausgängen 40e und 40i sind ungefähr ganzzahlige Vielfache des Laserausgangsintervalls 41.
Fachleute werden erkennen, dass, selbst wenn die Arbeitslaserausgänge 40 vorzugsweise für die meisten Anwendungen wie z.B. Verbindungsbearbeitung ein Strahl 20 erster Ordnung sind, die Arbeitslaserausgänge 40 ein Strahl 16 nullter Ordnung sein können, wobei der Streuverlust tolerierbar ist und eine höhere Arbeitslaser-Ausgangsleistung erwünscht ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwenden die übereinstimmenden und nicht-übereinstimmenden HF-Impulse 38 nicht nur etwa dieselbe HF-Energie, die das Produkt eines HF-Leistungswerts und einer HF-Dauer ist, sondern verwenden auch etwa denselben HF-Leistungswert und etwa dieselbe HF-Dauer.
4A-4C (gemeinsam 4) zeigen entsprechende Zeitsteuergraphen der Laserausgänge 24, HF-Impulse 38, die an den AOM 10 angelegt werden, und Arbeitslaserausgänge 40, die demonstrieren, wie der AOM 10 zusätzlich verwendet werden kann, um die Ausgangsleistung der Arbeitslaserausgänge 40 zu steuern. 4A ist identisch zu 3A und ist nur der Zweckmäßigkeit halber gezeigt. 4B und 4C zeigen HF-Impulse 38' und Arbeitslaserausgänge 40', wobei die entsprechenden HF-Impulse 38 und Arbeitslaserausgänge 40 der Zweckmäßigkeit halber in gestrichelten Linien auf sie überlagert gezeigt sind. Die Energiewerte der Arbeitslaserausgänge 40' werden durch Anlegen von weniger HF-Leistung an den AOM 10 für die HF-Impulse 38' als für die HF-Impulse 38 gedämpft; die HF-Impulsdauern 42' sind jedoch für die HF-Impulse 38' gegenüber den HF-Dauern 42, die für die HF-Impulse 38 verwendet werden, verlängert, um ein im Wesentlichen konstantes Produkt des HF-Leistungswerts und der HF-Dauer aufrechtzuerhalten, um eine im Wesentlichen konstante Wärmebelastung am AOM 10 aufrechtzuerhalten. Dieses Verfahren ermöglicht eine Auswahl für ein Kontinuum von Ausgangsleistungen zwischen den Arbeitslaserausgängen 40 oder 40' auf Verlangen ohne wesentliche Varianz der Wärmebelastung am AOM 10. Fachleute werden erkennen, dass die HF-Leistungswerte und HF-Dauern 42 der nicht-übereinstimmenden HF-Impulse 38 wie ursprünglich gehalten werden können oder so geändert werden können, dass sie innerhalb einer festgelegten Toleranz der HF-Belastungsschwankung der übereinstimmenden HF-Impulse 38' liegen.
Die HF-Impulsdauer 42' wird vorzugsweise von etwa einer Mikrosekunde bis etwa einem halben Laserausgangsintervall 41, bevorzugter kürzer als 30 Prozent des Laserausgangsintervalls 41 ausgewählt. Wenn beispielsweise die Laserwiederholungsrate 50 kHz ist und das Laserausgangsintervall 41 20 Mikrosekunden ist, kann die HF-Impulsdauer 42' irgendwo zwischen einer Mikrosekunde und zehn Mikrosekunden liegen. Die minimale HF-Impulsdauer 42 oder 42' wird durch die Laserimpuls-Jitterzeit und die Ansprechzeit des AOM 10 festgelegt. Es ist bevorzugt, entsprechende der HF-Impulse 38 und 38', die die Mittelpunkte der Laserausgänge 24 umgeben, einzuleiten. Ebenso ist es bevorzugt, dass die HF-Impulse 38 und 38' um etwa die Hälfte der minimalen HF-Impulsdauer von der Einleitung entsprechender Laserausgänge 24 verzögert oder versetzt werden.
Es ist zu erkennen, dass die HF-Leistung der an den AOM 10 angelegten HF-Impulse 38 eingestellt werden kann, um die Energie der Arbeitslaserausgänge 40 und 40' so zu steuern, dass sie die Zielbearbeitungsbedürfnisse erfüllt, während die HF-Impulsdauern 42 und 42' der HF-Impulse 38 und 38' dementsprechend gesteuert werden können, um eine im Wesentlichen konstante HF-Energie oder ein im Wesentlichen konstantes arithmetisches Produkt der HF-Leistungen und Dauern der HF-Impulse 38 und 38' aufrechtzuerhalten.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Verwendung eines AOM in einer Werkstückbearbeitungsanwendung wenden sich der Strahllenkgenauigkeit und den Prozessfensteranforderungen zu, wenden sich jedoch nicht dem Werkstückbearbeitungsdurchsatz und den Effizienzbelangen zu. Die Verwendung eines einzelnen Lasers für die Werkstückbearbeitung ist zeitineffizient, da signifikante Zeit und Laserleistung verschwendet wird, während der Laserausgang und die Werkstückzielstelle relativ zueinander bewegt werden. Die Verwendung eines Laserstrahls für eine Anwendung, wie z.B. die Kontaktlochausbildung in einer geätzten Leiterplatte, führt typischerweise nur zu einer Laserstrahlnutzungszeit von 50 Prozent aufgrund der Zeit, die zum Bewegen des Strahls zwischen Zielstellen erforderlich ist. Die Strahlteilung korrigiert dieses Problem der niedrigen Zeitnutzung nicht. Frühere Arbeiter haben mehrere Laserstrahlen verwendet, um den Bearbeitungsdurchsatz zu verbessern, aber die zusätzlichen Kosten und die verschwendete Laserleistung sind immer noch eine Sorge.
Diese Erfindung stellt eine Vorrichtung und Verfahren zum Verbessern des Durchsatzes und der Effizienz eines Werkstückbearbeitungssystems mit einzelnem Laser bereit. In dieser Erfindung werden AOMs, die Impulsaussuchverfahren verwenden, in Kombination mit einem Laserstrahl-Umschalt- oder -Multiplexierungsverfahren verwendet, um die Werkstückbearbeitung und Effizienz zu verbessern.
5 und 6 stellen ein Laserstrahl-Umschaltsystem 50 und zugehörige Zeitsteueraspekte dieser Erfindung dar, wobei ein Laser Laserimpulse 54 emittiert, die von einem optionalen Knickspiegel 56 auf eine Strahlumschaltvorrichtung 58 reflektiert werden. Die Strahlumschaltvorrichtung 58 bewirkt, dass die Laserimpulse 54 zwischen einem ersten und einem zweiten Strahlpositionierungskopf 60 und 62 umschalten, so dass, wenn der erste Strahlpositionierungskopf 60 bewirkt, dass die Laserimpulse 54 eine Zielstelle auf einem ersten Werkstück 64 bearbeiten, der zweite Strahlpositionierungskopf 62 sich zu einer Zielstelle auf einem zweiten Werkstück 66 bewegt. Die Laserimpulse 54 werden von der Strahlumschaltvorrichtung 58 zum Strahlpositionierungskopf 62 durch einen optionalen Knickspiegel 68 gerichtet. Wenn der erste Strahlpositionierungskopf 60 die Bearbeitung des Werkstücks 64 beendet, schaltet entweder eine optionale Verschlussblende (nicht dargestellt) wie z.B. ein Güteschalter den Laser 52 aus, wie in 6 gezeigt, oder die Laserimpulse 54 werden auf einen Strahlblocker (nicht dargestellt) abgeladen. Wenn der zweite Strahlpositionierungskopf 62 seine Zielposition erreicht, werden die Laserimpulse 54 durch die Verschlussblende eingeschaltet und der zweite Strahlpositionierungskopf 62 richtet die Laserimpulse 54 auf Zielstellen auf dem Werkstück 66, während sich der erste Strahlpositionierungskopf 60 zu seiner nächsten Zielposition bewegt. 6 stellt Werkstückbearbeitungszeiten als Intervalle P und die Positionierungseinrichtungs-Bewegungszeiten zwischen den Zielpositionen als Intervalle M dar.
Ein Vorteil des Laserstrahl-Umschaltsystems 50 besteht darin, dass das erste und das zweite Werkstück 64 und 66 abwechselnd fast die vollständige Leistung der Laserimpulse 54 für die Bearbeitung empfangen. Die Gesamtzeitnutzung der Laserimpulse 54 ist in Abhängigkeit vom Bearbeitungs-Bewegungs-Zeitverhältnis um fast einen Faktor von zwei erhöht. Die erhöht den Systemdurchsatz erheblich, ohne die Systemkosten signifikant zu erhöhen.
7 und 8 zeigen eine bevorzugte Strahlumschaltvorrichtung 70 und zugehörige Zeitsteuerbeziehungen. Die Strahlumschaltvorrichtung 70 umfasst einen ersten und einen zweiten AOM 72 und 74, die in optischer Reihenbeziehung angeordnet sind, so dass ein Laserstrahl oder Laserimpulse 76 normalerweise ungebeugt durch die AOMs 72 und 74 hindurchtreten und als Laserstrahl 76A auf einem Strahlblocker 78 enden. Wenn jedoch ein erster HF-Treiber 80 etwa 6 Watt eines HF-Signals mit 85 MHz an den ersten AOM 72 anlegt, werden etwa 90 Prozent des Laserstrahls 76 als Laserstrahl 76B gebeugt und 10 Prozent bleiben als Laserstrahl 76A. Wenn ein zweiter HF-Treiber 82 etwa 6 Watt eines HF-Signals mit 85 MHz an den zweiten AOM 74 anlegt, werden ebenso etwa 90 Prozent des Laserstrahls 76 als Laserstrahl 76C gebeugt und 10 Prozent bleiben als Laserstrahl 76A. In diesem Ausführungsbeispiel läuft der den Laserstrahl 76 erzeugende Laser konstant mit seiner gewünschten Impulswiederholungsrate.
Wenn die Strahlumschaltvorrichtung 70 verwendet wird, ist keine Verschlussblende oder kein Güteschalter erforderlich, wenn Zeitintervalle erforderlich sind, wenn zwischen den Laserstrahlen 76B und 76C umgeschaltet wird, da es erforderlich ist, nur die an sowohl den ersten als auch den zweiten AOM 72 und 74 angelegten HF-Signale abzuschalten, wodurch der ganze Laserstrahl 76 am Strahlblocker 78 abgeladen wird.
Die Strahlumschaltvorrichtung 70 ist vorteilhaft, da ein konstanter Betrieb des Lasers die Wärmeabweichung des Laserausgangs beseitigt. Durch Betreiben der AOMs 72 und 74 mit den mit Bezug auf 3 und 4 beschriebenen Impulsaussuchverfahren werden überdies die Wärmebelastungsschwankungen minimiert, wodurch die Laserstrahl-Positionierungsgenauigkeit erhöht wird. Jeder des ersten und des zweiten AOM 72 und 74 ist vorzugsweise ein Modell N30085, das von NEOS Technologies, Inc., in Melbourne, Florida, hergestellt wird. Der N30085 AOM hat einen spezifizierten Beugungswirkungsgrad von 90 Prozent, wenn er mit zwei Watt HF-Leistung mit 85 MHz angesteuert wird.
Ein weiterer Vorteil der Strahlumschaltvorrichtung 70 besteht darin, dass sie als Laserleistungs-Steuervorrichtung arbeiten kann, was einen Bedarf für eine separate Laserleistungs-Steuereinheit in einem typischen Werkstückbearbeitungssystem auf Laserbasis beseitigt. Die Leistungssteuerung ist möglich, da die Ansprechzeiten der AOMs 72 und 74 für die Programmierung von Laserimpulsamplituden der Laserstrahlen 76B und 76C während der Bearbeitung von einzelnen Zielstellen in Werkstücken ausreichend schnell sind.
Eine typische Laserbearbeitungsanwendung ist die Blindkontaktlochausbildung in geätzten Leiterplatten, in denen es häufig erforderlich ist, die Laserimpulsenergie zu verringern, wenn der Laserstrahl die Unterseite des ausgebildeten Kontaktlochs erreicht.
9 bzw. 10 zeigen ein typisches Werkstückbearbeitungssystem 90, das die Strahlumschaltvorrichtung 70 verwendet, und zugehörige Betriebszeitsteuerbeziehungen. Ein Laser 92 und eine variable Strahlaufweitungsvorrichtung 94 wirken zusammen, um den Laserstrahl 76 zu erzeugen, der sich durch die Strahlumschaltvorrichtung 70 ausbreitet, die wie mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben arbeitet, um die Laserstrahlen 76A, 76B und 76C zu erzeugen. Der Laserstrahl 76A endet im Strahlblocker 78. Der Laserstrahl 76B wird durch einen optionalen Knickspiegel 96 reflektiert und durch einen ersten XY-Abtaster 98 auf Zielstellen 1, 2, 3 und 4 auf einem ersten Werkstück 100 gerichtet. Ebenso wird der Laserstrahl 76C durch einen optionalen Knickspiegel 102 reflektiert und durch einen zweiten XY-Abtaster 104 auf Zielstellen 1, 2, 3 und 4 auf einem zweiten Werkstück 106 gerichtet. Der erste und der zweite XY-Abtaster 98 und 104 sind an jeweiligen ersten und zweiten X-Positionierungstischen 108 und 110 montiert und das erste und das zweite Werkstück 100 und 106 sind an einem Y-Positionierungstisch 112 montiert. Fachleute werden verstehen, dass die Abtaster und Werkstücke an einem mit einer Teilungsachse konfigurierten Positionierungssystem montiert sind, aber dass planare und gestapelte Konfigurationen alternativ verwendet werden können. Fachleute werden auch verstehen, dass die Zielstellen auf dem ersten und dem zweiten Werkstück auf einem gemeinsamen Substrat liegen können und/oder sich nicht entsprechende Zielstellen teilen können.
10 zeigt den Laserstrahl 76B, der die Zielstelle 1 auf dem Werkstück 100 bearbeitet (bohrt), während der zweite XY-Abtaster 104 die Position des Laserstrahls 76C zur Zielstelle 1 auf dem Werkstück 106 bewegt. Wenn der Laserstrahl 76C die Zielstelle 1 auf dem Werkstück 106 bearbeitet, bewegt der erste XY-Abtaster 98 die Position des Laserstrahls 76B zur Zielstelle 2 auf dem Werkstück 100. Dieser Prozess fährt für die Zielstellen 2, 3 und 4 fort, bis die Bearbeitung der Zielstelle 4 auf dem Werkstück 106 vollständig ist, zu welcher Zeit der erste und der zweite X-Positionierungstisch 108 und 110 und der Y-Positionierungstisch 112 eine lange Bewegung ausführen, um den ersten und den zweiten XY-Abtaster 98 und 104 über den Zielstellen 5, 6, 7 und 8 der jeweiligen Werkstücke 100 und 106 zu positionieren. Die linearen X- und Y-Positionierungstische arbeiten mit einer konstanten Bewegung in Zusammenarbeit mit den XY-Abtastern. Positionierungssysteme, die zur Verwendung bei dieser Erfindung geeignet sind, sind im US-Pat. Nr. 5 751 585 über HIGH SPEED, HIGH ACCURACY MULTI-STAGE TOOL POSITIONING SYSTEM, beschrieben, das auf den Anmelder dieser Patentanmeldung übertragen wurde.
11A zeigt ein Werkstückbearbeitungssystem 120 dieser Erfindung, das eine gemeinsame modulare Abbildungsoptikanordnung 122 und eine variable Strahlaufweitungsvorrichtung 94 zum optischen Verarbeiten beider Laserstrahlen 76B und 76C verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel arbeiten der Laser 92 und eine optionale feste Strahlaufweitungsvorrichtung 124 zusammen, um den Laserstrahl 76 zu erzeugen, der sich durch die Strahlumschaltvorrichtung 70 ausbreitet, die wie mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben arbeitet, um die Laserstrahlen 76A, 76B und 76C zu erzeugen. Die Laserstrahlen 76B und 76C breiten sich entlang separater Ausbreitungswegabschnitte aus. Ein erster Drehspiegel 126 richtet den Laserstrahl 76B durch eine Halbwellenplatte 128, die den Polarisationszustand des Laserstrahls 76B um 90 Grad relativ zum Polarisationszustand des Laserstrahls 76C ändert. Der um 90 Grad phasenverschobene Laserstrahl 76B wird durch einen zweiten Drehspiegel 130 auf einen Polarisationsstrahlkombinator 132 gerichtet. Der Laserstrahl 76C wird durch einen dritten Drehspiegel 134 auf einen Polarisationsstrahlkombinator 132 gerichtet, der die separaten Wegabschnitte, entlang derer sich die Laserstrahlen 76B und 76C ausbreiten, zu einem gemeinsamen Ausbreitungswegabschnitt kombiniert. Die Laserstrahlen 76B und 76C vereinigen sich zu einem gemeinsamen Laserstrahl 76D, der sich entlang des gemeinsamen Wegabschnitts durch die Abbildungsoptikanordnung 122 und die optionale variable Aufweitungsvorrichtung 94 und in einen Polarisationsstrahlteiler 136 ausbreitet. Der zweite Polarisationsstrahlteiler 136 trennt den gemeinsamen Laserstrahl 76D in Laserstrahlen 76B und 76C auf. Der Laserstrahl 76B wird durch einen vierten Drehspiegel 138 beispielsweise in den ersten XY-Abtaster 98 gerichtet; und der Laserstrahl 76C wird beispielsweise in den zweiten XY-Abtaster 104 gerichtet.
Die Strahlaufweitungsvorrichtung 124 legt die Form der Laserstrahlen 76B und 76C in Form einer gaußartigen räumlichen Verteilung der Lichtenergie fest. Die Abbildungsoptikanordnung 122 formt die gaußartige räumliche Verteilung der Laser 76B und 76C, um Ausgangsstrahlen mit gleichmäßiger räumlicher Verteilung für die Abgabe an die XY-Abtaster 98 und 104 zu bilden. Eine bevorzugte Abbildungsoptikanordnung ist von einem Beugungsstrahlformungstyp, wie z.B. die im US-Patent Nr. 5 864 430 beschriebene.
11B zeigt ein alternatives Werkstückbearbeitungssystem 120', in dem die Strahlumschaltvorrichtung 70 entfernt ist und sich die Laserstrahlen 76B und 76C von separaten Laserquellen 92b bzw. 92c ausbreiten. Die Größe des Laserstrahls 76B wird durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung 124b festgelegt und die Größe des Laserstrahls 76C wird durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung 124c festgelegt. Die Verwendung von separaten Laserquellen 92b und 92c erleichtert die Konfigurationen der optischen Komponenten, in denen einer oder mehrere der Drehspiegel 126, 130 und 134 beseitigt werden können, wie in 11B gezeigt.
Jedes der Werkstückbearbeitungssysteme 120 und 120' ist vorteilhaft, da nur ein Satz einer teuren Strahlabbildungsoptik erforderlich ist. Für das Werkstückbearbeitungssystem 120, ermöglicht die Verwendung der Strahlumschaltvorrichtung 70 überdies die Implementierung mit kleineren optischen Komponenten, da das Umschalten mit einer kleineren Strahlbreite durchgeführt wird als jener, die bei Stromabwärts-Umschaltkomponenten zu finden wäre.
12 zeigt ein weiteres alternatives Werkstückbearbeitungssystem 140 dieser Erfindung, das einen schnellen EOM 142 und einen Polarisationsstrahlteiler 144 verwendet, um das Umschalten eines Laserstrahls 146 zwischen dem ersten und dem zweiten XY-Strahlabtastkopf 98 und 104 zu implementieren. Im Werkstückbearbeitungssystem 140 emittiert der Laser 92 den Laserstrahl 146, der sich durch ein Optikmodul 148 und eine Laserleistungs-Steuereinheit 150 ausbreitet und durch diese optisch verarbeitet wird. Der Laserstrahl 146 verlässt die Laserleistungs-Steuereinheit 150 und tritt in den schnellen EOM 142 ein, der abwechselnd den Laserstrahl 146 in jeweilige Laserstrahlen 146U und 146R mit ungedrehter Polarisation und gedrehter Polarisation polarisiert. Der Polarisationsstrahlteiler 144 empfängt den ungedrehten Laserstrahl 146U und richtet ihn auf einen Drehspiegel 152 auf den ersten XY-Abtastkopf 98. Der Polarisationsstrahlteiler 144 empfängt den gedrehten Laserstrahl 146R und richtet ihn auf den zweiten XY-Abtastkopf 104.
Ein Nachteil des Werkstückbearbeitungssystems 140 besteht darin, dass derzeitige praktische EOMs in den Laserimpuls-Wiederholungsraten begrenzt sind und außerstande sind, hohen Mengen an Ultraviolett-Laserstrahlleistung standzuhalten. Eine weitere Begrenzung besteht darin, dass das Abladen von unnötiger Laserstrahlenergie das Abschalten oder Ausschalten des Lasers 92 wie z.B. durch einen Güteschalter, der innerhalb des Hohlraums des Lasers 92 angeordnet ist, erfordert.
Andererseits ist das Werkstückbearbeitungssystem 140 vorteilhaft, da es einfacher ist als die Doppel-AOM-Strahlumschaltvorrichtung 70, die mit Bezug auf 7 beschrieben ist, und ein hohes Auslöschungsverhältnis aufweist, das ermöglicht, dass praktisch die ganze Leistung im Laserstrahl 146 als Laserstrahlen 146U und 146R auf Zielstellen auftrifft.
13 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Laserstrahl-Umschaltsystems 210, in dem ein Laser 212 einen Laserstrahl 214 emittiert, der durch einen schnellen Lenkspiegel ("FSM") 216 entlang abwechselnder erster und zweiter Wege 218 und 220 abgelenkt wird. Der FSM 216 verwendet vorzugsweise einen Spiegel mit einem Ablenkungswinkel, der durch Materialien gesteuert wird, die Spannungen in Winkelverschiebungen umsetzen. Der FSM 216 arbeitet ähnlich einem durch ein Galvanometer angetriebenen Drehspiegel, jedoch mit Winkelgeschwindigkeiten, die bis zu 10 mal schneller sind als Galvanometer, und über einen Winkelablenkungsbereich 222 von bis zu etwa 5 Milliradian. Die Ablenkung eines typischen Laserstrahldurchmessers mit einem solchen begrenzten Winkelablenkungsbereich erfordert eine Weglänge 224, die ausreichend lang ist, vorzugsweise etwa einen Meter, um den ersten und den zweiten Strahlweg 218 und 220 um einen ausreichenden Abstand 226, vorzugsweise etwa 10 Millimeter, zu trennen, um zwischen diese ein HF-beschichtetes rechtwinkliges Prisma 228 einzufügen, das den ersten und den zweiten Strahlweg 218 und 220 für die Reflexion durch jeweilige erste und zweite Drehspiegel 230 und 232 weiter trennt und auf zugehörige Laserstrahl-Abtastköpfe (nicht dargestellt) richtet. Das Umschalten des Laserstrahls 214 an einer Stelle, wo er einen kleinsten Durchmesser aufweist, wie z.B. vor irgendeiner Strahlaufweitungsvorrichtung, würde die Weglänge 224, die erforderlich ist, um den ersten und den zweiten Weg 218 und 220 ausreichend zu trennen, wo sie durch das rechtwinklige Prisma 228 reflektiert werden, minimieren.
Der FSM 216 kann eine zweiachsige Vorrichtung sein, die ferner ein Umschalten des Laserstrahls 214 in mehr als zwei Positionen vorsehen könnte. Der Laserstrahl 214 könnte beispielsweise während langer Bewegungen, wie mit Bezug auf 9 und 10 beschrieben, auf einen Strahlblocker gerichtet werden, um konstante thermische Bedingungen im Laser 212 aufrechtzuerhalten und den Tastgrad, der mit Laserstrahl-Leistungsstabilitätsproblemen in Beziehung steht, zu minimieren.
Das Laserstrahl-Umschaltsystem 210 ermöglicht die Implementierung eines Werkstückbearbeitungssystems mit einzelnem Laser mit demselben Werkstückbearbeitungsdurchsatz wie ein System mit zwei Lasern, vorausgesetzt, dass die Bewegungszeiten über 3 ms liegen und die Werkstückbearbeitungszeit und die Laserstrahl-Umschaltzeit geringer als 1,0 ms sind.
Das Laserstrahl-Umschaltsystem 210 ist vorteilhaft, da die Verwendung eines einzelnen Lasers und einer zugehörigen Optik die Kosten um 20 Prozent bis 40 Prozent in Abhängigkeit von der Art von erforderlichem Laser im Vergleich zu einem System mit zwei Lasern verringert.
14 zeigt ein Lasersystem 300, das dazu ausgelegt ist, eine Lichtstrahl-Multiplexierung innerhalb des Hohlraums zu implementieren, die selektiv entweder abwechselnd oder gleichzeitig zwei Ausgangsstrahlen von im Polarisationszustand modulierten Lichtemissionsimpulsen liefert. Das Lasersystem 300 umfasst einen Laserresonator 302, in dem ein Verstärkungs- oder Lasermedium 304 entlang eines Strahlweges 306 zwischen einem Güteschalter 308 und einer variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310 angeordnet ist. Eine Pumpquelle 312, die dem Lasermedium 304 optisch zugeordnet ist, stellt Pumplicht bereit, um eine Laserverstärkung des Lasermediums 304 zu stimulieren. Ein Diodenlaser ist eine bevorzugte Pumpquelle 312. Strahllenkspiegel 322 und 324 richten die Ausbreitungsrichtung des im Laserresonator 302 gebildeten Laserstrahls entlang eines Abschnitts des Strahlweges 306 zwischen dem Laserresonator 302 und der variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310. Ein Lichtpolarisationsstrahlteiler 326 ist an einem Ausgang 328 der variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310 angeordnet. Der Laserresonator 302 legt effektiv zwei Laserhohlräume fest, von denen der erste durch einen hinteren Spiegel 330 und eine dichroitische Spiegelfläche 332 eines ersten Ausgangskopplers 334 innerhalb des Hohlraums definiert ist, von dem sich ein erster Ausgangsstrahl ausbreitet, und von denen der zweite durch den hinteren Spiegel 330 und eine dichroitische Spiegelfläche 336 eines zweiten Ausgangskopplers 338 innerhalb des Hohlraums definiert ist, von dem sich ein zweiter Ausgangsstrahl ausbreitet. Die dichroitischen Spiegelflächen 332 und 336 empfangen einfallendes Licht, das sich von den jeweiligen Ausgängen 340 und 342 des Lichtpolarisationsstrahlteilers 326 ausbreitet. Beide Ausgangsstrahlen besitzen die Grundwellenlänge, die durch das Lasermedium 304 festgelegt wird.
Der Güteschalter 308 ändert den Gütewert des Laserresonators 302 in Reaktion auf ein angelegtes Güteschalter-Ansteuersignal 344 durch selektives Erzeugen von hohen und niedrigen Gütezuständen des Laserresonators 302. Der hohe Gütezustand bewirkt die Erzeugung von mehreren zeitlich verschobenen Lichtimpulsen und der niedrige Gütezustand bewirkt die Erzeugung von keinen Lichtimpulsen oder restlichen Lichtimpulsen mit sehr niedriger Intensität.
Das Lasersystem 300 ist dazu ausgelegt, die Schwingung im Laserresonator 302 selbst dann aufrechtzuerhalten, wenn ein Ausgangsstrahl von einem Laserhohlraum gewonnen wird. Wenn das Lasermedium 304 vom isotropen Typ ist, wie z.B. Nd:YAG, wird die Schwingung im Laserresonator 302 selbst dann aufrechterhalten, wenn die variable optische Verzögerungsvorrichtung 310 bewirkt, dass sich ein Polarisationszustand um 90 Grad ändert. Wenn das Lasermedium 304 vom anisotropen Typ ist, wie z.B. YLF oder YVO₄ (Vanadat), unterscheiden sich die Verstärkungen für die zwei orthogonalen Polarisationszustände und gefährden dadurch die Aufrechterhaltung der stabilen Schwingung. Um mit anisotropen Lasermedien zu arbeiten, wird ein zweites Lasermedium 304a (in Durchsichtlinien gezeigt) desselben Typs in den Laserresonator 302 in senkrechter Orientierung relativ zum Lasermedium 304 eingeführt, so dass sich die zwei orthogonalen Polarisationszustände nicht auf die Hohlraumverstärkung auswirken.
Die Funktionsweise der variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310 bestimmt die Erzeugung des ersten und des zweiten Ausgangsstrahls, die sich von den Ausgangskopplern 334 und 338 ausbreiten. Sobald ein Ansteuersignal 346, das an die variable optische Verzögerungsvorrichtung 310 angelegt wird, bewirkt, dass sie dem einfallenden Licht eine Verzögerung einer Viertelwelle verleiht, breitet sich zirkular polarisiertes Licht vom Ausgang 328 aus, wird durch den Polarisationsstrahlteiler 326 auf die dichroitischen Spiegelflächen 332 und 336 gerichtet und tritt gleichzeitig als separate Strahlkomponenten der Grundwellenlänge von den Ausgangskopplern 334 und 338 aus. Sobald ein Ansteuersignal 346, das an die variable optische Verzögerungsvorrichtung 310 angelegt wird, bewirkt, dass sie dem einfallenden Licht abwechselnd eine Verzögerung von Null und einer Halbwelle (oder ähnliche Vielfache einer Verzögerung einer Halbwelle) verleiht, breitet sich ein linear polarisierter Lichtstrahl vom Ausgang 328 aus, wird durch den Polarisationsstrahlteiler 326 auf die dichroitischen Spiegelflächen 332 und 336 gerichtet und tritt abwechselnd aus den Ausgangskopplern 334 und 338 aus. Die vorstehend beschriebenen verschiedenen Zustände des Ansteuersignals 346 sind an den Laserresonator 302 ungeachtet dessen anlegbar, ob er ein Lasermedium 304 vom isotropen Typ oder Lasermedien 304 und 304a des anisotropen Typs enthält. Das Ansteuersignal 346 stellt Informationen dar, die von einer Werkzeugwegdatei abgeleitet sind, die sich in einem Verarbeitungssystem befindet, und zur variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310 durch einen Impulsgenerator (nicht dargestellt) als Impulswellenform geliefert werden.
Es bestehen verschiedene Kopplungsverluste im Laserresonator 302 in Abhängigkeit davon, ob die Grundwelle einen oder beide der Ausgangskoppler 334 und 338 verlässt. Wenn der Kopplungswert zu groß ist und die Grundwelle gleichzeitig beide der Ausgangskoppler 334 und 338 verlässt, erzeugt der Laserresonator 302 keine Schwingung. Folglich ist die korrekte Auswahl des Kopplungswerts ein wichtiger Faktor, der zu einer aufrechterhaltenen Schwingung beiträgt.
Fachleute werden erkennen, dass die Anordnung von nicht-linearen Kristallen, die als Generatoren für die zweite Oberwelle, Generatoren für die dritte Oberwelle oder beide fungieren, an den Ausgängen der Ausgangskoppler 334 und 338 (für eine Infrarot-Grundwelle) Ultraviolettlichtstrahlen in abwechselnder oder gleichzeitiger Umschaltfähigkeit erzeugen würden.
15 zeigt ein Lasersystem 400, das dazu ausgelegt ist, die Lichtmultiplexierung innerhalb des Hohlraums zu implementieren, die gleichzeitig zwei Lichtausgangsstrahlen mit dritter Oberwelle von im Polarisationszustand modulierten Lichtemissionsimpulsen liefert. Das Lasersystem 400 unterscheidet sich vom Lasersystem 300 darin, dass der Laserresonator des Lasersystems 400 hinzugefügte Oberwellenfrequenzerzeugungs- und feste optische Verzögerungsvorrichtungen, dichroitische Strahlabladespiegel als Ersatzvorrichtungen für die Strahllenkspiegel 322 und 324 und unterschiedlich gekennzeichnete dichroitische Oberflächen von Ausgangskopplern 334 und 338 enthält. Die Komponenten des Lasersystems 400, die jenen des Lasersystems 300 entsprechen, sind durch identische Bezugsziffern, gefolgt von Strichen, identifiziert.
Ein Laserresonator 302' legt effektiv zwei Laserhohlräume fest, von denen der erste durch einen hinteren Spiegel 330' und eine dichroitische Spiegelfläche 332' des ersten Ausgangskopplers 334' definiert ist, und von denen der zweite durch den hinteren Spiegel 330' und eine dichroitische Spiegelfläche 336' des zweiten Ausgangskopplers 338' definiert ist. Die Spiegelflächen 332' und 336' reflektieren die der Grundfrequenz entsprechende Wellenlänge und lassen die der dritten Oberwelle der Grundfrequenz entsprechende Wellenlänge durch, die durch das Lasermedium 304' festgelegt wird. Der Laserresonator 302' enthält eine optische Verzögerungsvorrichtung oder Wellenplatte 402, einen nicht-linearen Kristall, der als Generator 404 für die dritte Oberwelle fungiert, und einen nicht-linearen Kristall, der als Generator 406 für die zweite Oberwelle fungiert, die alle zwischen der variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310' und einem dichroitischen Strahlablade-Spiegelpaar 408 angeordnet sind. Jedes Element des dichroitischen Strahlablade-Spiegelpaars 408 lässt Licht der zweiten und dritten Oberwellenfrequenz durch und reflektiert Licht der Grundfrequenz, um den Verstärkungswert des Laserresonators 302' bei der Wellenlänge von ungefähr 1 μm (IR), die der Grundfrequenz entspricht, bei der der Güteschalter 308' und das Lasermedium 304' arbeiten, zu halten.
Die Funktionsweise der variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310' in Zusammenarbeit mit der Wellenplatte 402 und den Oberwellengeneratoren 404 und 406 bestimmt die Erzeugung des Strahls der dritten (UV) Oberwelle, der sich als zwei separate Strahlkomponenten von den Ausgangskopplern 334' und 338' ausbreitet, und die Rückkehr des Grund- (IR) Strahls zum Lasermedium 304', um den Grundstrahl, der im Laserresonator 302' schwingt, beizubehalten. In dem Ausführungsbeispiel von 15 bestehen der Generator 404 für die dritte Oberwelle und der Generator 406 für die zweite Oberwelle aus einem LBO-Kristall, der für jeden der Prozesse für die Erzeugung der zweiten und der dritten Oberwelle anders geschnitten ist. Im Fall eines Prozesses für den Generator 406 für die zweite Oberwelle des Typs I sind die Laserstrahlen, die den Generator 406 für die zweite Oberwelle verlassen, Grund- und zweite Oberwellen mit orthogonalen Polarisationszuständen. Die Laserstrahlen, die den Generator 406 für die zweite Oberwelle verlassen und auf den Generator 404 für die dritte Oberwelle einfallen, verlassen ihn als Grund- und dritte Oberwellen mit gleichmäßig ausgerichteten Polarisationszuständen.
Um die Rückkehr der Grundwelle zum Lasermedium 304' zu erreichen und dadurch die Grundwellenschwingung innerhalb des Laserresonators 302' aufrechtzuerhalten, ist die Wellenplatte 402 von einem Typ, der, wenn seine optische Achse geeignet festgelegt ist, die Grundwelle um eine Viertelwellenlänge und die dritte Oberwelle um eine Wellenlänge für jeden Durchgang verzögert. Daher verleiht die Wellenplatte 402 der Grundwelle, die sich in einer Richtung von der Wellenplatte 402 in Richtung des Strahlteilers 326' ausbreitet, eine zirkulare Polarisation und hat keine Auswirkung auf den Polarisationszustand der dritten Oberwelle. Die Funktionsweise der variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310' bestimmt die Erzeugung des ersten und des zweiten Ausgangsstrahls, die sich von den Ausgangskopplern 334' und 338' ausbreiten. Das Anlegen eines Ansteuersignals 346' an die variable optische Verzögerungsvorrichtung 310', die der dritten Oberwelle nominal eine Verzögerung einer Dreiviertelwellenlänge und der Grundwelle eine Verzögerung einer Viertelwellenlänge verleiht, wandelt die zirkular polarisierte Grundwelle in eine linear polarisierte Welle um, die um 90 Grad relativ zu ihrem ursprünglichen linear polarisierten Zustand gedreht ist, der vor dem Einfall der Grundwelle auf die Wellenplatte 402 hergestellt wird. Die linear polarisierte Grundwelle, die sich von der variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310' ausbreitet, fällt entweder auf die dichroitische Oberfläche 332' oder 336' in Abhängigkeit von der Orientierung des Polarisationsstrahlteilers 326' ein und breitet sich zur variablen optischen Verzögerungsvorrichtung 310' zurück aus. Der Rückkehrdurchlauf durch die variable optische Verzögerungsvorrichtung 310' wandelt die linear polarisierte Grundwelle in eine zirkular polarisierte Grundwelle um und anschließend wandelt der Rückkehrdurchlauf durch die Wellenplatte 402 die zirkular polarisierte Grundwelle in eine linear polarisierte Grundwelle um, die in derselben Richtung wie jener der ursprünglichen Grundwelle orientiert ist. Die linear polarisierte Grundwelle kehrt dann zum Lasermedium 304' zur weiteren Schwingung zurück. Die Abstände zwischen dem Polarisationsstrahlteiler 326' und jedem der Ausgangskoppler 334' und 338' sind so festgelegt, dass sich die Polarisationszustände der Rückkehrstrahlen kombinieren, um einen im Wesentlichen perfekten zirkular polarisierten Strahl zu bilden.
Um die Ausbreitung von zwei separaten Strahlkomponenten der dritten Oberwelle durch die Ausgangskoppler 334' und 338' zu erreichen, wird die dritte Oberwelle beim ersten Einfall auf die variable optische Verzögerungsvorrichtung 310' in einen zirkular polarisierten Zustand umgewandelt, während die Grundwelle einer Verzögerung einer Viertelwelle unterzogen wird. Die zirkular polarisierte dritte Oberwelle fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 326' ein, der die dritte Oberwelle in zwei zirkular polarisierte Strahlkomponenten aufspaltet, von denen sich jede durch eine andere der dichroitischen Oberflächen 332' und 336' ausbreitet und ihren jeweiligen der Ausgangskoppler 334' und 338' verlässt. Diese Polarisationszustandsbeziehung bewirkt daher, dass der Polarisationsstrahlteiler 326' den linear polarisierten Grundstrahl auf eine der dichroitischen Oberflächen 332' und 336' und die zirkular polarisierten Strahlkomponenten der dritten Oberwelle auf die dichroitischen Oberflächen 332' und 336' richtet. Die dichroitische Oberfläche 332' reflektiert den Grundstrahl zurück auf das Lasermedium 304' für eine weitere Verstärkung, und die dichroitischen Oberflächen 332' und 336' lassen die zirkular polarisierten Strahlkomponenten der dritten Oberwelle durch die jeweiligen Ausgangskoppler 334' und 338' durch.
Fachleute werden erkennen, dass das Entfernen der Wellenplatte 402 und das Anlegen eines Ansteuersignals 346' an die variable optische Verzögerungsvorrichtung 310', die der Grundwelle abwechselnd eine Verzögerung von Null und einer halben Wellenlänge verleiht, eine Ausbreitung der dritten Oberwelle abwechselnd durch die Ausgangskoppler 334' und 338' bereitstellt.
In den Lasersystemen 300 und 400 sind die Lasermedien 304 und 304' vorzugsweise einer eines Nd:YAG-, Nd:YVO₄- oder Yb- (Ytterbium) Faserlasers. Der Faserlaser kann von einem Haupt-Oszillator-Leistungsverstärker- (MOPA) Typ und/oder gütegeschaltet sein. Güteschalter 308 und 308' sind vorzugsweise akustisch-optische Modulatoren. Güteschalter, die in der Lage sind, zwei orthogonal ausgerichtete Lasermedien zu unterstützen, sind kommerziell erhältlich. Die variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen 310 und 310' können ein BBO- oder KD*P-Kristall sein, wobei ein Beispiel des letzteren eine LINOS-RTP-Pockels-Zelle (355 nm) ist, die von einem elektrooptischen Umschaltmodul RVD angesteuert wird, die beide von LINOS Photonics GmbH & Co. KG, Planegg, Deutschland, hergestellt werden.
Fachleute werden erkennen, dass die Generatoren 404 und 406 für die dritte und die zweite Oberwelle, die den Strahl der dritten Oberwelle bei 355 nm im Lasersystem 400 erzeugen, nur eine Implementierung zum Erreichen der Oberwellenstrahlerzeugung innerhalb des Laserresonators 302' darstellen.
Facharbeiter werden erkennen, dass Teile dieser Erfindung von den vorstehend für bevorzugte Ausführungsbeispiele beschriebenen Implementierungen verschieden implementiert werden können. Galvanometer und Drehspiegelvorrichtungen können beispielsweise auch als Laserstrahl-Umschaltvorrichtungen verwendet werden; IR-, sichtbare und UV-Laser können verwendet werden; die Zielstellen können sich auf einzelnen oder mehreren Werkstücken befinden; das Laserstrahlumschalten kann auf mehr als zwei oder drei Strahlwege bewirkt werden; mehrere Laser können verwendet werden und jeder von ihren jeweiligen Laserausgängen unter mehreren Wegen umgeschaltet werden; die AOMs können durch einzelne oder mehrere HF-Quellen umgeschaltet werden; und die verwendeten Abtastköpfe können ferner Galvanometer, FSMs und andere als XY-Koordinaten-Positionierungsverfahren umfassen.
Für Facharbeiter ist es offensichtlich, dass viele weitere Änderungen an den Einzelheiten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne von den zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.
Zusammenfassung
Ein Laserstrahl-Umschaltsystem (50) verwendet einen Laser (52), der mit einer Strahlumschaltvorrichtung (58) gekoppelt ist, die bewirkt, dass ein Laserstrahl zwischen einem ersten und einem zweiten Strahlpositionierungskopf umschaltet, so dass, während der erste Strahlpositionierungskopf (60) den Laserstrahl zum Bearbeiten einer Werkstückzielstelle richtet, der zweite Strahlpositionierungskopf (62) sich zu einer anderen Zielstelle bewegt, und umgekehrt. Eine bevorzugte Strahlumschaltvorrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten AOM. Wenn eine HF an den ersten AOM (72) angelegt wird, wird der Laserstrahl in Richtung des ersten Strahlpositionierungskopfs gebeugt, und wenn eine HF an den zweiten AOM (74) angelegt wird, wird der Laserstrahl in Richtung des zweiten Strahlpositionierungskopfs gebeugt. Ein Werkstückbearbeitungssystem (120) verwendet eine gemeinsame modulare Abbildungsoptikanordnung (122) und eine optionale variable Strahlaufweitungsvorrichtung (94) zum optischen Verarbeiten von mehreren Laserstrahlen.
11A

Claims

System, das dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl selektiv in mehrere Strahlausbreitungsrichtungen in einer koordinierten Weise zu richten, um eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Material in verschiedenen Bereichen eines Zielprüfstücks zu erreichen, welches umfasst: eine Laserquelle, die einen Laserstrahl emittiert, der eine Reihe von Laserimpulsen umfasst; eine Strahlumschaltvorrichtung, die die Reihe von Laserimpulsen empfängt und in Reaktion auf ein Strahlumschaltsignal erste und zweite Gruppen der Laserstrahlimpulse zur Ausbreitung entlang jeweiliger erster und zweiter Strahlachsen richtet; einen ersten Positionierungsmechanismus, der auf ein erstes Steuersignal reagiert, um eine relative Bewegung der ersten Strahlachse und des Zielprüfstücks vorzusehen, um die erste Strahlachse selektiv in verschiedenen ersten Zielbereichen des Zielprüfstücks zu positionieren und Material in den ersten Zielbereichen des Zielprüfstücks zu bearbeiten; einen zweiten Positionierungsmechanismus, der auf ein zweites Steuersignal reagiert, um eine relative Bewegung der zweiten Strahlachse und des Zielprüfstücks vorzusehen, um die zweite Strahlachse selektiv in verschiedenen zweiten Zielbereichen des Zielprüfstücks zu positionieren, um Material in den zweiten Zielbereichen des Zielprüfstücks zu bearbeiten; eine Steuereinheit, die das Strahlumschaltsignal und das erste und das zweite Steuersignal erzeugt, um einen koordinierten Systembetrieb in einer ersten und einer zweiten Betriebssequenz zu bewirken; wobei die erste Betriebssequenz umfasst, dass die Strahlumschaltvorrichtung die erste Gruppe von Laserstrahlimpulsen zum Einfall auf einen ausgewählten der ersten Zielbereiche richtet, wobei der erste Positionierungsmechanismus die relative Bewegung vorsieht, um zu ermöglichen, dass die erste Gruppe von Laserimpulsen Material im ausgewählten ersten Zielbereich bearbeitet, und während der Materialbearbeitung durch die erste Gruppe von Laserimpulsen der zweite Positionierungsmechanismus die relative Bewegung vorsieht, um die zweite Strahlachse an einem ausgewählten der zweiten Zielbereiche zu positionieren; und wobei die zweite Betriebssequenz umfasst, dass die Strahlumschaltvorrichtung die zweite Gruppe von Laserstrahlimpulsen zum Einfall auf den ausgewählten zweiten Zielbereich richtet, wobei der zweite Positionierungsmechanismus die relative Bewegung vorsieht, um zu ermöglichen, dass die zweite Gruppe von Laserimpulsen Material im ausgewählten zweiten Zielbereich bearbeitet, und während der Materialbearbeitung durch die zweite Gruppe von Laserimpulsen der erste Positionierungsmechanismus die relative Bewegung vorsieht, um die erste Strahlachse vom ausgewählten ersten Zielbereich zu einem nächsten ausgewählten der ersten Zielbereiche zu positionieren.
Strahlumschaltvorrichtung, die einen Laserstrahl empfängt und Strahlausgänge bereitstellt, die sich selektiv entlang verschiedener Strahlachsen ausbreiten, welche umfasst: eine Steuereinheit, die ein Steueransteuersignal in einem ersten und einem zweiten Zustand erzeugt; einen ersten und einen zweiten optisch zugeordneten akustisch-optischen Modulator, wobei der erste akustisch-optische Modulator einen eingehenden Laserstrahl empfängt und der erste und der zweite akustisch-optische Modulator in Reaktion auf den ersten und den zweiten Zustand des Steuervorrichtungssignals zusammenwirken, um jeweilige erste und zweite Laserstrahlausgänge zu erzeugen, die sich vom zweiten akustisch-optischen Modulator ausbreiten; und wobei der erste Laserstrahlausgang eine Hauptkomponente, die sich entlang einer ersten Strahlachse ausbreitet, und eine Nebenkomponente, die sich entlang einer ersten Nebenkomponentenachse ausbreitet, umfasst und der zweite Laserausgang eine Hauptkomponente, die sich entlang einer zweiten Strahlachse ausbreitet, die in einem Winkel von der ersten Strahlachse versetzt ist, und eine Nebenkomponente, die sich entlang einer zweiten Nebenkomponentenachse ausbreitet, die mit der ersten Hauptkomponentenachse im Wesentlichen zusammenfällt, umfasst.
Strahlumschaltvorrichtung nach Anspruch 2, welche ferner einen Strahlblocker umfasst, der so angeordnet ist, dass er die Nebenkomponenten, die sich entlang der ersten und zweiten Nebenkomponentenachsen ausbreiten, beendet.
Strahlumschaltvorrichtung nach Anspruch 2, wobei: die Steuereinheit einen ersten und einen zweiten HF-Treiber umfasst, die den jeweiligen ersten und zweiten akustisch-optischen Modulatoren funktional zugeordnet sind; und im ersten Zustand des Steueransteuersignals der erste HF-Treiber bewirkt, dass der erste akustisch-optische Modulator den eingehenden Laserstrahl als unabgelenkten Strahl, der auf den zweiten akustisch-optischen Modulator einfällt, durchlässt, und der zweite HF-Treiber bewirkt, dass der zweite akustisch-optische Modulator den einfallenden unabgelenkten Strahl beugt, um die Hauptkomponente zur Ausbreitung entlang der ersten Strahlachse und die Nebenkomponente, die sich entlang der ersten Nebenkomponentenachse ausbreitet, zu bilden.
Strahlumschaltvorrichtung nach Anspruch 2, wobei: die Steuereinheit einen ersten und einen zweiten HF-Treiber umfasst, die funktional den jeweiligen ersten und zweiten akustisch-optischen Modulatoren zugeordnet sind; und im zweiten Zustand des Steueransteuersignals der zweite HF-Treiber bewirkt, dass der zweite akustisch-optische Modulator einfallendes Licht als unabgelenkten Strahl durchlässt, und der erste HF-Treiber bewirkt, dass der erste akustisch-optische Modulator den eingehenden Laserstrahl beugt, um die Hauptkomponente, die sich entlang der zweiten Strahlachse ausbreitet, und die Nebenkomponente zur Ausbreitung entlang der zweiten Nebenkomponentenachse zu bilden.
Strahlumschaltvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite optisch zugeordnete akustisch-optische Modulator in optischer Reihe angeordnet sind.
Kostengünstigeres, kompaktes Laserstrahl-Umschaltsystem mit: einer ersten und einer zweiten Laserstrahlkomponente, die sich entlang jeweiliger erster und zweiter Ausbreitungswegabschnitte ausbreiten, wobei jede der ersten und der zweiten Laserstrahlkomponente durch einen Zustand einer optischen Eigenschaft gekennzeichnet sind; einem Satz von einer oder mehreren optischen Komponenten, die zusammenwirken, um eine relative Änderung der Zustände der optischen Eigenschaft der ersten und der zweiten Laserstrahlkomponente zu verleihen und den ersten und den zweiten Ausbreitungswegabschnitt zu einem gemeinsamen Ausbreitungswegabschnitt zu kombinieren, entlang dessen sich die erste und die zweite Laserstrahlkomponente ausbreiten; einer Abbildungsoptikanordnung, die entlang des gemeinsamen Ausbreitungswegabschnitts angeordnet ist, um eine strahlförmige erste und zweite Laserstrahlkomponente zu bilden, wobei die Abbildungsoptikanordnung räumliche Verteilungen der Lichtenergie der ersten und der zweiten Laserstrahlkomponente formt; und einem Strahlteiler, der zum Empfangen der strahlförmigen ersten und zweiten Laserstrahlkomponente angeordnet ist, die sich entlang des gemeinsamen Ausbreitungswegabschnitts ausbreiten, und sie gemäß ihren jeweiligen Zuständen der optischen Eigenschaft für die Ausbreitung entlang separater erster und zweiter Ausgangswegabschnitte zu richten.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, wobei die optische Eigenschaft die Phase und die relative Änderung der Zustände der Eigenschaft eine Änderung der Phasenverschiebung zwischen der ersten und der zweiten Strahlkomponente ist.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, wobei der Satz von einer oder mehreren optischen Komponenten eine Phasenänderungsvorrichtung, die in einem der ersten und zweiten Ausbreitungswegabschnitte angeordnet ist, und einen Polarisationsstrahlkombinator, der zum Kombinieren des ersten und des zweiten Ausbreitungswegabschnitts zum gemeinsamen Ausbreitungswegabschnitt angeordnet ist, umfasst.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 9, wobei die Phasenänderungsvorrichtung eine Halbwellenplatte umfasst.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, wobei die Strahlumschaltvorrichtung zwei optisch zugeordnete akustisch-optische Modulatoren umfasst, die selektiv in Reaktion auf das Steuersignal die erste und die zweite Laserstrahlkomponente liefern, die sich sequentiell entlang des jeweiligen ersten und zweiten Ausbreitungswegabschnitts ausbreiten.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 11, wobei die zwei optisch zugeordneten akustisch-optischen Modulatoren in optischer Reihe angeordnet sind.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, wobei der Strahlteiler einen Polarisationsstrahlteiler umfasst, der die strahlförmigen ersten und zweiten Laserstrahlkomponenten gemäß ihren Polarisationszuständen richtet.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, wobei die Formung der räumlichen Verteilungen der Lichtenergie durch die Abbildungsoptikanordnung zu einer gleichmäßigen räumlichen Verteilung führt.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, welches ferner eine Strahlaufweitungsvorrichtung umfasst, die zwischen der Abbildungsoptikanordnung und dem Polarisationsstrahlteiler entlang des gemeinsamen Ausbreitungswegabschnitts angeordnet ist, um den Strahldurchmesser der strahlförmigen ersten und zweiten Laserstrahlkomponente, die sich entlang des separaten ersten und zweiten Ausgangswegabschnitts ausbreiten, festzulegen.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 15, wobei die Strahlaufweitungsvorrichtung vom variablen Strahlaufweitungstyp ist.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, welches ferner einen ersten und einen zweiten Strahlpositionierungsmechanismus umfasst, der optisch der jeweiligen strahlförmigen ersten und zweiten Laserstrahlkomponente zugeordnet ist.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, welches ferner eine oder mehrere Strahlaufweitungsvorrichtungen umfasst, die der ersten und der zweiten Laserstrahlkomponente optisch zugeordnet sind, um zum Einfall auf die Abbildungsoptikanordnung Lichtstrahlen mit gewünschten räumlichen Lichtenergieverteilungen und gewünschten Durchmessern herzustellen.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 18, wobei die gewünschten räumlichen Lichtenergieverteilungen eine Gaußform aufweisen.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 18, wobei sich die erste und die zweite Laserstrahlkomponente von separaten Laserquellen ausbreiten, die verschiedenen Strahlaufweitungsvorrichtungen optisch zugeordnet sind.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 18, wobei die erste und die zweite Laserstrahlkomponente von einem Ausgangsstrahl abgeleitet sind, der von einer Laserquelle emittiert wird und sich durch die eine Strahlaufweitungsvorrichtung ausbreitet.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 7, welches ferner eine Strahlumschaltvorrichtung umfasst, die einen einfallenden Laserstrahl empfängt und in Reaktion auf ein Steuersignal selektiv den Laserstrahl richtet, um nacheinander die erste und die zweite Laserkomponente zu bilden, die sich entlang des ersten und des zweiten Ausbreitungswegabschnitts ausbreiten.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 22, welches ferner eine Strahlaufweitungsvorrichtung umfasst, die zum Empfangen des Laserstrahls vor seinem Einfall auf die Strahlumschaltvorrichtung angeordnet ist, um zum Einfall auf die Abbildungsoptikanordnung die erste und die zweite Strahlkomponente mit einer gewünschten räumlichen Lichtenergieverteilung und einem gewünschten Durchmesser herzustellen.
Strahlumschaltsystem nach Anspruch 23, wobei die gewünschte räumliche Lichtenergieverteilung eine Gaußform aufweist.
Laser, der mit mehreren Ausgangskopplern konstruiert ist, um mehrere Ausgangsstrahlen zu erzeugen, welcher umfasst: eine Pumpquelle, die einem Lasermedium optisch zugeordnet ist, das sich in einem Laserresonator befindet, der durch einen Gütewert gekennzeichnet ist, wobei die Pumpquelle Pumplicht liefert, um eine Laserverstärkung des Lasermediums zu stimulieren; einen Güteschalter, der innerhalb des Laserresonators angeordnet ist und arbeitet, um den Gütewert des Laserresonators in Reaktion auf ein Güteschalter-Ansteuersignal zu ändern, wobei selektiv hohe und niedrige Gütezustände des Laserresonators erzeugt werden, wobei die hohen und niedrigen Gütezustände einen Strahl von mehreren zeitlich verschobenen Lichtemissionsimpulsen erzeugen, die durch einen Lichtpolarisationszustand gekennzeichnet sind; eine variable optische Verzögerungsvorrichtung, die innerhalb des Laserresonators angeordnet ist und auf ein Ansteuersignal für die optische Verzögerungsvorrichtung reagiert, um dem Strahl von Lichtemissionsimpulsen ausgewählte Mengen von optischer Verzögerung zu verleihen, wobei die ausgewählten Mengen von optischer Verzögerung, die durch die variable optische Verzögerungsvorrichtung verliehen werden, den Lichtpolarisationszustand des Strahls von Lichtemissionsimpulsen selektiv ändern, um im Polarisationszustand modulierte Lichtemissionsimpulse zu erzeugen; und einen für die Polarisation empfindlichen Strahlteiler und eine erste und eine zweite Lichtempfangsfläche innerhalb des Hohlraums, die zusammenwirken, um die im Polarisationszustand modulierten Lichtemissionsimpulse zu empfangen und sie durch den ersten und den zweiten Ausgangskoppler gemäß den ausgewählten Mengen von Verzögerung, die durch die variable optische Verzögerungsvorrichtung den Lichtemissionsimpulsen verliehen werden, zu richten.
Laser nach Anspruch 25, wobei das Ansteuersignal bewirkt, dass die variable optische Verzögerungsvorrichtung eine Differenz einer halben Wellenlänge für die ausgewählten Mengen von optischer Verzögerung verleiht.
Laser nach Anspruch 26, wobei eine der ausgewählten Mengen von optischer Verzögerung ein Vielfaches von einer Viertelwellenlänge darstellt und die im Polarisationszustand modulierten Lichtemissionsimpulse sich gleichzeitig durch den ersten und den zweiten Ausgangskoppler ausbreiten.
Laser nach Anspruch 26, wobei eine der ausgewählten Mengen von optischer Verzögerung ein Vielfaches einer halben Wellenlänge darstellt und die im Polarisationszustand modulierten Lichtemissionsimpulse sich zu einer gegebenen Zeit durch den einen oder anderen des ersten und des zweiten Ausgangskopplers ausbreiten.
Laser nach Anspruch 25, wobei der Strahl von mehreren zeitlich verschobenen Lichtemissionsimpulsen einen ersten Strahl bildet, und welcher ferner einen ersten und einen zweiten Oberwellenlängengenerator und eine optische Verzögerungsvorrichtung umfasst, die innerhalb des Laserresonators angeordnet sind und dem Lasermedium optisch zugeordnet sind, um den ersten Strahl und einen zweiten Strahl von mehreren zeitlich verschobenen Lichtemissionsimpulsen zu bilden, die durch einen Lichtpolarisationszustand gekennzeichnet sind, wobei der erste und der zweite Strahl harmonisch in Beziehung stehende Wellenlängen aufweisen; wobei der erste und der zweite Ausgangskoppler jeweilige erste und zweite dichroitische Spiegel umfassen, die einen reflektieren und den anderen des ersten und des zweiten Lichtstrahls durchlassen; die optische Verzögerungsvorrichtung auf einen Verzögerungswert gesetzt ist; und die ausgewählten Mengen von optischer Verzögerung und der gesetzte Verzögerungswert zusammenwirken, um zu bewirken, dass einer des ersten und des zweiten Strahls im jeweiligen ersten und zweiten Nettolichtpolarisationszustand an einem des ersten und des zweiten Ausgangskopplers reflektiert und der andere des ersten und des zweiten Strahls in jeweiligen ersten und zweiten Nettolichtpolarisationszuständen durch den anderen des ersten und des zweiten Ausgangskopplers hindurchtritt.
Lasersystem nach Anspruch 29, welches ferner einen dritten und einen vierten dichroitischen Spiegel umfasst, die im Laserhohlraum angeordnet sind und dazu ausgelegt sind, Licht der Wellenlänge des reflektierten des ersten und des zweiten Lichtstrahls zur Verstärkung durch das Lasermedium zu reflektieren.
Laser nach Anspruch 25, wobei der Strahl von mehreren zeitlich verschobenen Lichtemissionsimpulsen einen ersten Strahl bildet, und welcher ferner einen ersten und einen zweiten Oberwellenlängengenerator und eine optische Verzögerungsvorrichtung umfasst, die innerhalb des Laserresonators angeordnet sind und dem Lasermedium optisch zugeordnet sind, um den ersten Strahl und den zweiten Strahl von mehreren zeitlich verschobenen Lichtemissionsimpulsen zu erzeugen, die durch einen Lichtpolarisationszustand gekennzeichnet sind, wobei der erste und der zweite Strahl harmonisch in Beziehung stehende Wellenlängen aufweisen; wobei der erste und der zweite Ausgangskoppler jeweilige erste und zweite dichroitische Spiegel umfassen, die einen reflektieren und den anderen des ersten und des zweiten Lichtstrahls durchlassen; die optische Verzögerungsvorrichtung auf einen Verzögerungswert gesetzt ist; und die ausgewählten Mengen von optischer Verzögerung und der gesetzte Verzögerungswert zusammenwirken, um zu bewirken, dass einer des ersten und des zweiten Strahls in jeweiligen ersten und zweiten Nettolichtpolarisationszuständen an einem des ersten und des zweiten Ausgangskopplers reflektiert und der andere des ersten und des zweiten Strahls in jeweiligen ersten und zweiten Nettolichtpolarisationszuständen durch einen des ersten und des zweiten Ausgangskopplers hindurchtritt.