CN104289812A - 使用多个激光器加工脆性基底的设备和方法 - Google Patents

使用多个激光器加工脆性基底的设备和方法 Download PDF

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Abstract

在此公开了一种使用多个激光器加工脆性基底的设备。所述设备包括皮秒激光器，其产生具有皮秒级脉冲宽度的第一激光脉冲；飞秒激光器，其产生具有飞秒级脉冲宽度的第二激光脉冲；激光控制器，其计算在所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲之间的时间差，根据所述时间差延迟所述第一激光脉冲或者所述第二激光脉冲，并且分别输出第一激光脉冲和第二激光脉冲作为第三激光脉冲和第四激光脉冲；反射镜，其改变第三激光脉冲或者第四激光脉冲的方向；以及透镜，所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲穿过所述透镜，并且所述透镜使所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲重叠。

Description

使用多个激光器加工脆性基底的设备和方法
技术领域
本发明通常涉及在激光微加工中使用多个激光器加工脆性基底的设备和方法，更具体地，涉及使用皮秒激光器和飞秒激光器一起加工脆性基底的设备和方法，从而提高加工速度并使缺陷率最低。
背景技术
通常，例如划线、划片和刀刃方法的切割方法被用于切割例如玻璃基底、硅基底和陶瓷基底的基底。在加工这样的基底的过程中，特别地，激光加工是非接触加工，其优点在于：激光加工便于加工高硬度和脆性材料，降低加工中噪音的发生，使得易于加工复杂形状例如自由曲线。因此，激光加工被投入到各种领域中使用。
在这样的激光加工技术中，脉冲宽度是确定加工精度的重要因素之一。脉冲宽度是确定激光脉冲和材料之间的相互作用时间的因素。随着脉冲宽度增加，由激光束产生的HAZ(热影响区)变得更宽，从而降低了加工精度。为了解决这样的问题，已经进行研究以降低激光的脉冲宽度并且最近开始开发具有十分短的脉冲宽度的超短脉冲激光。
此外，激光加工是基于热传递的非接触切割方法并且其问题在于：当工件被加工时，从工件产生切屑并且在工件中发生裂痕，缺陷率较高，并且加工时间相当长。
发明内容
因此，本发明已经考虑了现有技术中发生的上述问题，并且本发明的目的是提供使用多个激光器加工脆性基底的设备和方法。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供使用多个激光器加工脆性基底的设备。脆性基底加工设备包括：皮秒激光器，其产生具有皮秒级脉冲宽度的第一激光脉冲；飞秒激光器，其产生具有飞秒级脉冲宽度的第二激光脉冲；激光控制器，其计算在所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲之间的时间差(Δt)，所述激光控制器根据所述时间差延迟所述第一激光脉冲或者所述第二激光脉冲，并且分别输出所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲作为第三激光脉冲和第四激光脉冲；反射镜，其改变所述第三激光脉冲或者所述第四激光脉冲的方向；以及透镜，所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲穿过所述透镜，所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲彼此重叠同时穿过所述透镜。
根据本发明的设备调节在两个激光脉冲之间的时间差并且使两个激光脉冲同步，从而产生了峰值功率最大化的重叠的激光束。进而，可以促进取决于目标类型的能量变化，并且能够不管加工条件更容易并更精确地进行加工脆性基底的操作。
时间差可以是当第一激光脉冲的振幅最大时的时间和当第二激光脉冲的振幅最大时的时间之间的最小时间差。激光控制器可以接收两个或者多个激光脉冲，调节它们之间的时间差，并且输出两个或者多个调节后的激光脉冲。激光控制器可以根据时间差调节第一激光脉冲或者第二激光脉冲。可替换地，激光控制器可以根据时间差调节第一激光脉冲和第二激光脉冲两者。
第一激光脉冲的幅度可以小于第二激光脉冲的幅度。时间差可以小于第一激光脉冲的脉冲宽度。第一激光脉冲和第三激光脉冲的脉冲宽度和振幅可以彼此相等。第二激光脉冲和第四激光脉冲的脉冲宽度和振幅可以彼此相等。
另一方面，本发明提供使用多个激光器加工脆性基底的方法，所述方法包括：使用皮秒激光器产生第一激光脉冲，所述第一激光脉冲具有皮秒级脉冲宽度；使用飞秒激光器产生第二激光脉冲，所述第二激光脉冲具有飞秒级脉冲宽度；计算在所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲之间的时间差(Δt)；根据所计算的时间差延迟所述第一激光脉冲或者第二激光脉冲，并且分别输出所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲作为第三激光脉冲和第四激光脉冲；改变所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲的方向；并且使所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲穿过透镜并且使所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲重叠。
根据本发明的加工脆性基底的设备调节在两个激光脉冲之间的时间差并且使所述两个激光脉冲同步，从而产生峰值功率最大化的重叠的激光束。进而，可以促进取决于目标类型的能量变化，并且能够不管加工条件更容易并更精确地进行加工脆性基底的操作。
另外，根据本发明的设备利用了两种类型激光的优点，从而使在微加工脆性基底中的热损害或者结构变形最小化，进而降低热扩散现象。
附图说明
由下面的详细描述结合附图，将更清楚地理解本发明的以上和其它目标、特征和优点。其中：
图1是示出了根据本发明实施例的使用多个激光器加工脆性基底的设备的框图；
图2A和图2B示出了根据本发明实施例的通过使皮秒激光器的脉冲和飞秒激光器的脉冲同步而实现的波形的实例。
具体实施方式
在下文中，参考附图将详细描述本发明的实施例。现在参考附图，其中贯穿不同的图使用相同的附图标记以指代相同或者相似的组件。如果在说明书中，公知功能或者配置的详细描述将不必要地混淆本发明的要点，那么这些详细描述将被省略。当使用“部件包括组件”的解释性短语时，这意味着只要没有给出特定解释，该部件进一步包括其它组件而非排除组件。
图1是示出了根据本发明实施例使用多个激光器加工脆性基底的设备的框图。参考图1，根据本发明的设备100包括皮秒激光器110、飞秒激光器120、激光控制器130、反射镜140和透镜150。尽管附图中没有示出，但根据本发明的设备100可以进一步包括加工脆性基底所需要的例如扩束器和光学透镜的组件。
皮秒激光器110是具有皮(10-12)秒级的脉冲宽度(例如，1皮秒至10皮秒)的激光器，并且因为当加工时形成的热影响区比通过现有的长脉冲激光形成的热影响区窄，因此具有高精度的微加工是可能的这样的优点。此处，尽管脉冲宽度通常是指在振幅是峰值的50％的点处的脉冲的前缘和后缘之间的时间间隔，但是测量脉冲宽度所在的点可以被改变。
飞秒激光器120是具有飞(10-15)秒级的脉冲宽度(例如，1飞秒至10飞秒)的激光器，使得进行与皮秒激光器相比更精确的加工成为可能。另外，由于高峰值功率，脉冲宽度比材料的热传递时间更短，以使得材料的热损害或者结构变形能够最小化。
然而，即使当脆性基底通过飞秒激光器来加工，也无法得到令人满意的精确的激光微加工结果。鉴于此，本发明提供了使用皮秒激光器110和飞秒激光器120两者的脉冲产生新脉冲的技术，从而增强两种激光的强度，因此促进了取决于目标类型的能量变化，并且使得能够不管加工条件而更容易并更精确地加工脆性基底。
为了实现上述目的，激光控制器130从皮秒激光器110和飞秒激光器120接收激光脉冲。如以上所述，皮秒激光器110输出包括皮秒级激光脉冲(在下文中，被称为第一激光脉冲)的波，并且飞秒激光器120输出包括飞秒级激光脉冲(在下文中，被称为第二激光脉冲)的波。例如，如果两个激光器使用相同的功率输出激光脉冲，第一激光脉冲的脉冲宽度比第二激光脉冲的脉冲宽度更宽。因此，第一激光脉冲的最大振幅可以小于第二激光脉冲的最大振幅。
在优选的实施例中，为了使根据本发明的脆性基底加工设备100的效果最大化，皮秒激光器的波长范围约是515纳米，飞秒激光器的波长范围约是1028纳米。
激光控制器130接收输出的激光脉冲并计算使两个激光脉冲同步所需要的时间差Δt。在根据本发明的实施例中，可以由第一激光脉冲的振幅被最大化所在的第一时间和第二激光脉冲的振幅被最大化所在的第二时间之间的最小差而计算出时间差Δt。例如，时间差Δt可以具有比第一激光脉冲的脉冲宽度小的值。在另一个实施例中，激光控制器130可以基于参考预设而计算时间差使得重叠激光脉冲不仅具有峰值功率或者振幅还具有最优的脉冲宽度和波形。
激光控制器130能够基于所计算的时间差调节第一激光脉冲或第二激光脉冲或者第一激光脉冲和第二激光脉冲两者。也就是，激光控制器130由所计算的时间差延迟第一激光脉冲和第二激光脉冲中的至少一个的激光脉冲输出。在此实施例中，激光控制器130在不改变第一激光脉冲或第二激光脉冲的振幅或者脉冲宽度的情况下，仅使用时间差来控制第一激光脉冲或者第二激光脉冲的输出。因此，激光控制器130可以将时间差应用至第一激光脉冲和第二激光脉冲的每一个并且输出第三激光脉冲(10；与第一激光脉冲相对应)并且第四激光脉冲(20；与第二激光脉冲相对应)。这样，激光控制器130接收两个激光脉冲并输出与各自的输入激光脉冲对应的两个激光脉冲。彼此对应的激光脉冲(也就是，第一激光脉冲和第三激光脉冲或者第二激光脉冲和第四激光脉冲)形成具有相同振幅和脉冲宽度的波形。这种用于激光脉冲的时间差控制在加工脆性基底中使通过重叠激光脉冲所产生的新激光脉冲最优化。
反射镜140设置为改变部分或者全部的两个输出的激光脉冲(也就是，第三激光脉冲10和第四激光脉冲20)的方向。反射镜140使得两个激光脉冲穿过一个单透镜。
已经被控制方向的两个激光脉冲彼此重叠同时穿过透镜150。为了实现这个目的，根据本发明的透镜150被配置为允许两个激光脉冲穿过该透镜150。两个激光脉冲穿过该透镜150的同时，两个激光脉冲彼此重叠。重叠的激光脉冲形成新的激光脉冲波形。
使用这种新形成的激光脉冲可以防止引起在传统的激光加工方法中在目标部分的周围已经发生的开裂，并且与传统技术的HAZ相比，可以降低HAZ(热影响区)的大小，进而降低缺陷率，并且使得精确的激光微加工成为可能。另外，使用新形成的激光脉冲可以提高所加工产品的质量并且增加加工速度，从而显著地提高了生成率。在下文中，将参考图2A和图2B详细地说明通过两个激光脉冲彼此结合形成的激光脉冲。
图2A和图2B示出了根据本发明实施例的通过使皮秒激光器的脉冲和飞秒激光器的脉冲同步而实现的波形的实例。图2A示出了使用由每种激光器产生的激光束加工脆性基底的操作。与图2A相对应，图2B示出了由各自的激光器产生的激光脉冲。
参考图2A，在仅使用具有较大的脉冲宽度的皮秒激光器的情况210中，由皮秒激光器产生的激光束是不适合于激光微加工的，当加工时裂痕围绕目标部分发生，并且由激光束产生的HAZ是相对大的。在仅使用飞秒激光器的情况220中，尽管与皮秒激光器相比减少了热损害或者结构变形，但是还是导致裂痕。
在图2B中，第一脉冲215是从皮秒激光器110输出的脉冲(例如，图1的第一激光脉冲)的实例。第二脉冲225是从飞秒激光器120输出的脉冲(例如，图1的第二激光脉冲)的实例。如以上所述，从皮秒激光器110输出的脉冲215是具有皮秒级脉冲宽度的脉冲，并且从飞秒激光器120输出的脉冲225是具有飞秒级脉冲宽度的脉冲。因此，第一激光脉冲215的脉冲宽度比第二激光脉冲225的脉冲宽度宽，并且第二激光脉冲225的最大振幅比第一激光脉冲215的最大振幅大。随着振幅增加，峰值功率增加。鉴于此，飞秒激光器120的脉冲宽度比材料的热传递时间短，从而减少损害或者结构变形。因此，使用飞秒激光器120比使用皮秒激光器110的激光加工更适合于用于激光微加工。
利用激光脉冲的这些特性，提供根据本发明的使用多个激光器的脆性基底加工设备以产生对于激光微加工最优的激光脉冲。为了实现这个目的，根据本发明的设备使皮秒激光器110和飞秒激光器120的激光脉冲同步并且重叠。如参考图1以上所描述的，根据本发明的激光控制器130使用时间差延迟激光脉冲中任意一个的输出，之后激光脉冲彼此重叠同时穿过透镜，进而形成重叠脉冲230。
如以上所述，激光控制器130在不改变第一激光脉冲或者第二激光脉冲的振幅或者脉冲宽度的情况下，仅使用时间差来控制第一激光脉冲或者第二激光脉冲的输出。换而言之，激光控制器130将时间差应用至第一激光脉冲或者第二激光脉冲或者应用至第一激光脉冲和第二激光脉冲两者，并且输出第三激光脉冲(10；与第一激光脉冲对应)或者第四激光脉冲(20；与第二激光脉冲对应)或者输出第三激光脉冲和第四激光脉冲两者。这样，激光控制器130接收两个激光脉冲并且输出与各自的输入激光脉冲对应的两个激光脉冲。彼此对应的激光脉冲(也就是，第一和第三激光脉冲或者第二和第四激光脉冲)形成具有如图2中的激光脉冲215或者225的振幅和脉冲宽度的相同振幅和脉冲宽度的波形。这种对于激光脉冲的时间差控制在加工脆化基底中使通过重叠激光脉冲产生的新激光脉冲最优化。时间差的计算和激光脉冲的输出的延迟通过激光控制器控制。所输出的激光脉冲(例如，图1中的第三激光脉冲10和第四激光脉冲20)通过反射镜140改变方向进而彼此重叠同时穿过透镜150，从而形成重叠的脉冲230。
图2B的右侧示出的脉冲245是通过使脉冲穿过透镜150并使其重叠形成的新脉冲。重叠的激光脉冲245可以以图2B中示出的波形形成，或者可替换地，以不同类型的波形形成。如在此实施例中所描述的，重叠的激光脉冲245可以形成为使得通过控制时间差使振幅(也就是，峰值功率)最大化。可替换地，重叠的激光脉冲245可以考虑例如脉冲宽度而非振幅的因素而形成。以上述方式形成的激光脉冲245具有比皮秒激光脉冲215或者飞秒激光脉冲225的脉冲宽度更大的脉冲宽度并且能够输出使得更精确的激光加工成为可能的激光束240。通过重叠的激光脉冲245形成的激光束的峰值功率远大于通过皮秒激光器或者飞秒激光器形成的激光束的峰值功率。因此，使围绕目标部分的裂痕的产生和HAZ的大小最小，因此更精确的激光微加工变得可能。
如以上所描述，根据本发明的加工脆性基底的设备通过调节两个激光脉冲之间的时间差使两个激光脉冲同步，从而产生了峰值功率最大化的重叠的激光脉冲，进而促进了取决于目标类型的能量变化，并且使得能够不管加工条件而更容易并更精确地加工脆性基底。
另外，根据本发明的设备仅利用了两种类型激光的优点，从而减小了在微加工脆性基底中的热损害和结构变形并减少热扩散现象。
尽管为了理解本发明已经公开本发明优选的实施例，但是在该说明书中已经描述的元件、连接以及元件和其功能之间的关系仅用于说明的目的。另外，当根据本发明的使用多个激光器加工脆性基底的设备的皮秒激光器110，飞秒激光器120、激光控制器130、反射镜140和透镜150已示为根据需要物理地集成为单体的同时，该设备可以物理地单独地提供元件的方式体现，或者仅一个或多个元件彼此集成的方式体现。例如，根据本发明的设备100可以通过改变皮秒激光器110和飞秒激光器120中的至少一个的激光脉冲的相并且彼此集成激光器110和120以单个激光器的方式体现。

Claims (12)

1.一种用于使用多个激光器加工脆性基底的设备，所述设备包括：
皮秒激光器，其产生具有皮秒级脉冲宽度的第一激光脉冲；
飞秒激光器，其产生具有飞秒级脉冲宽度的第二激光脉冲；
激光控制器，其计算在所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲之间的时间差(Δt)，所述激光控制器根据所述时间差延迟所述第一激光脉冲或者所述第二激光脉冲，并且分别输出所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲作为第三激光脉冲和第四激光脉冲；
反射镜，其改变第三激光脉冲或者第四激光脉冲的方向；以及
透镜，所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲穿过所述透镜，所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲彼此重叠同时穿过所述透镜。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述时间差是当所述第一激光脉冲的振幅最大时的时间和当所述第二激光脉冲的振幅最大时的时间之间的最小时间差。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述激光控制器接收两个或者更多个激光脉冲，调节其之间的时间差，并且输出两个或者更多个调节过的激光脉冲。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述激光控制器根据所述时间差调节所述第一激光脉冲。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述激光控制器根据所述时间差调节所述第二激光脉冲。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述激光控制器根据所述时间差调节所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲两者。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一激光脉冲的振幅小于所述第二激光脉冲的振幅。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述时间差小于所述第一激光脉冲的所述脉冲宽度。
9.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一激光脉冲和所述第三激光脉冲在脉冲宽度和振幅上彼此相等。
10.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二激光脉冲和所述第四激光脉冲在脉冲宽度和振幅上彼此相等。
11.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一激光脉冲的波长是515纳米，并且所述第二激光脉冲的波长是1028纳米。
12.一种使用多个激光器加工脆性基底的方法，所述方法包括：
使用皮秒激光器产生第一激光脉冲，所述第一激光脉冲具有皮秒级脉冲宽度；
使用飞秒激光器产生第二激光脉冲，所述第二激光脉冲具有飞秒级脉冲宽度；
计算所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲之间的时间差(Δt)；
根据所计算的时间差延迟所述第一激光脉冲或者所述第二激光脉冲，并且分别输出所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲作为第三激光脉冲和第四激光脉冲；
改变所述第三和所述第四激光脉冲的方向；并且
使所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲穿过透镜并且使所述第三激光脉冲和所述第四激光脉冲重叠。
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