TW201622278A - 雷射裝置及雷射加工機 - Google Patents
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Abstract
本發明之雷射裝置係具備:種子光源1,係輸出光;前置光放大器110,係將自種子光源1所輸出之光予以光學性地放大;後置光放大器120,係將自前置光放大器110所輸出之光予以光學性地放大,且包含具有熱透鏡功效之放大媒質;功率監視器部PM,係測定自前置光放大器110所輸出之光的平均功率;種子光源驅動器3;前置光放大器驅動器4;以及控制部2,係控制種子光源驅動器3、以及前置光放大器驅動器4。控制部2係控制種子光源1使之選擇性地輸出連續光或複數的脈衝,且根據功率監視器部PM的測定結果而控制前置光放大器110的增益,俾使自前置光放大器110所輸出之光的平均功率能成為固定。
藉由如此之構成,即便使用包含具有熱透鏡功效之放大媒質之光放大器時,亦能在抑制熱透鏡的特性變化之狀態下,將脈衝光的峰值功率或脈衝能量控制在寬廣範圍。
Description
本發明係有關於一種雷射裝置、以及使用該雷射裝置之雷射加工機,該雷射裝置係將自種子光源所輸出之光予以光學性地放大,並輸出高峰值功率(peak power)的脈衝(pulse)光者。
使用雷射之細微加工,例如小徑的穿孔、標記(marking)等係以高峰值功率而產生具有高脈衝能量(pulse energy)的光之雷射裝置為有效。而且,因應加工對象的材料、加工後的孔徑、孔深度等的加工要求,能夠將脈衝頻率、脈衝寬度、脈衝峰值功率等獨立地控制在涵蓋寬廣範圍之雷射裝置為理想。
就以高峰值功率而輸出高脈衝能量的光之習知的雷射光源而言,已知一種含有Nd:YAG結晶、Nd:YVO4結晶等之雷射媒質的固體雷射之Q開關(Q-switch)振盪器。雖然固體雷射之Q開關振盪器係自振盪器直接以高峰值功率而獲得高脈衝能量的雷射光,惟輸出脈衝的重複頻率、脈衝寬度則僅能控制在有限的範圍內。
此外,就作為以高峰值功率而輸出高脈衝能
量的光之雷射光源之另外的構成,已知一種具備產生比較弱功率的雷射光作為種子光的振盪器、以及用以將來自振盪器的種子光予以放大之光放大器之MOPA(Master Oscillator and Power Amplifier,主振盪器配功率放大器)方式之雷射裝置。例如,提案有使用半導體雷射(LD)作為種子光源,且以光纖(fiber)放大器予以放大之雷射裝置。作為種子光源而使用半導體雷射,控制注入於半導體雷射的電流,藉此能夠將輸出脈衝的重複頻率、脈衝寬度控制在較寬廣範圍。
例如,專利文獻1係在將自種子光源所輸出的脈衝叢發(burst)光予以在光放大器裡放大之雷射系統(system)中,藉由改變脈衝叢發內的脈衝和脈衝之間的種子光源的功率,使光放大器的激發功率保持固定之狀態下,控制放大後的個別的脈衝光的峰值功率或脈衝能量。此外,專利文獻2係在具備光纖放大器、作為種子光源的半導體雷射2、以及作為激發光源的半導體雷射之雷射光源裝置中,種子光源的半導體雷射係在主照射期間將脈衝光作為種子光而射出,而在預備照射期間係具有較脈衝光的峰值功率更小的功率,且將實質的連續光作為種子光而射出,藉此獲得具有在開始射出時所期望的峰值功率之脈衝光。
專利文獻:
專利文獻1:日本特表2013-500583號公報
專利文獻2:日本特開2010-171131號公報
以光纖放大器將種子光予以放大時,當放大後的峰值功率提高時,會有引起受激拉曼(Raman)散射、自相位調變等之不理想的非線性現象,或使光纖受損之情形。開始產生非線性現象的峰值功率,通常係根據使用之光纖的核心(core)直徑和長度而受限制。由於將光纖縮短係指將放大媒質予以縮短,故在保持放大率之狀態下將光纖縮短係具有一定的界限。當光纖的核心直徑變大時,已知為至較高的峰值功率雖不會產生非線性現象、以及光纖受損之情形,但,易使放大後的雷射光之橫向模態(mode)惡化。為了不使雷射光之橫向模態惡化,且獲得更高的峰值功率之一個方法,可想到追加使被放大光在雷射媒質中不進行波導路徑性之傳播的光放大器,亦即非波導路型之光放大器,也就是具有具備熱透鏡(lens)功效之放大媒質之光放大器。被放大光在光放大器中未進行波導路徑性傳播時,即使被放大光的截面積較大,亦不易使雷射之橫向模態惡化,且能夠在保持優良的光束(beam)品質之狀態下,放大至高峰值功率。
就該非波導路型之光放大器而言,亦即作為具有具備熱透鏡功效之放大媒質之光放大器係例如可使用經採用柱(rod)狀的Nd:YAG結晶、Nd:YVO4結晶等之光
放大器。然而,在前述之光放大器中,已知當產生的熱量有變動時,會有使熱透鏡的特性產生變化,且使放大後的雷射光束傳播產生變化之現象。
如專利文獻1,藉由將光放大器的激發功率保持固定之狀態下使種子光源的輸出波形產生變化,來控制放大後脈衝的峰值功率或脈衝能量時,會有使放大後的平均功率產生變化之情形。然而其中所敘述之平均功率係指在較脈衝叢發中的脈衝和脈衝的間隔更充分長的時間,將瞬間的頻率予以平均時的功率。此外,此處所敘述之脈衝叢發並非僅為具有相同波形之連續的脈衝,而可含有複數的脈衝,亦可為各種不同的脈衝波形。如前述,可推想當在光放大器的後段存在有非波導路型之光放大器時,射入於後段之光放大器的被放大光的平均功率不同,故使自後段之光放大器所取出放大光的功率產生變化,且使在後段之光放大器所產生的熱量產生變動,據此而使熱透鏡的特性產生變化,並使放大後的雷射光束傳播產生變化之問題。
本發明之目的係提供一種雷射裝置、以及使用該雷射裝置之雷射加工機,其中即使採用非波導路型之光放大器,亦即使用具有具備熱透鏡功效之放大媒質之光放大器時,亦能在抑制熱透鏡的特性變化之狀態下,能將脈衝光的峰值功率或脈衝能量控制在寬廣範圍者。
為了達成上述之目的,本發明之雷射裝置係
具備:種子光源,係輸出光;前置光放大器,係將自前述種子光源所輸出之光予以光學性地放大;後置光放大器,係將自前述前置光放大器所輸出之光予以光學性地放大,且包含具有熱透鏡功效之放大媒質;功率監視器(monitor)部,係測定自前述前置光放大器所輸出之光的平均功率;種子光源驅動器(driver),係驅動前述種子光源;前置光放大器驅動器,係驅動前述前置光放大器;以及控制部,係控制前述種子光源驅動器、以及前述前置光放大器驅動器;前述控制部係透過前述種子光源驅動器而控制前述種子光源,俾使之選擇性地輸出連續光或複數的脈衝,前述控制部係根據前述功率監視器部的測定結果,並透過前述前置光放大器驅動器而控制前述前置光放大器的增益,俾使自前述前置光放大器所輸出之光的平均功率能成為固定。
此外,本發明之雷射裝置係具備:種子光源,係輸出光;前置光放大器,係將自前述種子光源所輸出之光予以光學性地放大;後置光放大器,係將自前述前置光放大器所輸出之光
予以光學性地放大,且包含具有熱透鏡功效之放大媒質;功率監視器部,係測定自前述前置光放大器所輸出之光的平均功率;種子光源驅動器,係驅動前述種子光源;後置光放大器驅動器,係驅動後置光放大器;以及控制部,係控制前述種子光源驅動器、以及前述後置光放大器驅動器;前述控制部係透過前述種子光源驅動器而控制前述種子光源,俾使之選擇性地輸出連續光或複數的脈衝,前述控制部係根據前述功率監視器部的測定結果,並透過前述後置光放大器驅動器而控制前述後置光放大器的增益,俾使自前述後置光放大器後之光束的傳播狀態成為固定。
此外,本發明之雷射裝置係具備:種子光源,係輸出光;前置光放大器,係將自前述種子光源所輸出之光予以光學性地放大;後置光放大器,係將自前述前置光放大器所輸出之光予以光學性地放大,且包含具有熱透鏡功效之放大媒質;光束監視器部,係測定自前述後置光放大器所輸出之光的光束之光束直徑;種子光源驅動器,係驅動前述種子光源;後置光放大器驅動器,係驅動前述後置光放大器;以及
控制部,係控制前述種子光源驅動器、以及前述後置光放大器驅動器;前述控制部係透過前述種子光源驅動器而控制前述種子光源,俾使之選擇性地輸出連續光或複數的脈衝,前述控制部係透過前述前置光放大器驅動器來控制前述前置光放大器的增益,或透過前述後置光放大器驅動器來控制前述後置光放大器的增益,俾使根據前述光束監視器部所計算的光束直徑不會產生變化。
在本發明當中,前述種子光源較佳係半導體雷射。
在本發明當中,前述前置光放大器較佳係包含光纖型放大媒質、以及對該光纖型放大媒質供應激發光之激發光源,前述控制部係控制前述前置光放大器之激發光功率及激發光波長的至少一方。
在本發明當中,前述後置光放大器較佳係包含具備熱透鏡功效之柱狀放大媒質、以及對該柱狀放大媒質供應激發光之激發光源。
在本發明當中,前述後置光放大器較佳係包含具備熱透鏡功效之柱狀放大媒質、以及對該柱狀放大媒質供應激發光之激發光源,前述控制部係控制前述後置光放大器之激發光功率及激發光波長的至少一方。
在本發明當中,前述前置光放大器較佳係包含光纖型放大媒質、以及對該光纖型放大媒質供應激發光之激發光
源為理想。
在本發明當中,較佳係前述後置光放大器之後,包含波長變換器。
此外,本發明之雷射加工機係具備:上述雷射裝置;聚光光學系統,係將自前述雷射裝置所輸出的雷射光束予以聚光;以及掃描機構,係將集光之雷射光束及被加工物進行相對性的掃描。
在本發明當中,前述雷射光束的波長較佳係紫外線區域者。
根據本發明,藉由控制前置光放大器的增益,俾使自前置光放大器所輸出之光的平均功率能成為固定,藉此即使種子光源所輸出之光的波形產生變化時,亦能抑制後置光放大器之熱透鏡的特性變化。結果,不使輸出光束的傳播產生變化,亦能將脈衝光的峰值功率或脈衝能量控制在寬廣範圍。
此外,根據本發明,藉由控制後置光放大器的增益,俾使後置光放大器的熱透鏡成為固定,藉此即使種子光源輸出之光的波形產生變化時,亦能抑制後置光放大器的熱透鏡的特性變化。結果,不使輸出光束的傳播產生變化,亦能將脈衝光的峰值功率或脈衝能量控制在寬廣範圍。
此外,根據本發明,藉由控制前置光放大器
或後置光放大器的增益,俾使自後置光放大器所輸出之光的光束的光束直徑不會產生變化,藉此即使種子光源所輸出之光的波形產生變化時,亦能抑制後置光放大器的熱透鏡的特性變化。結果,不使輸出光束的傳播產生變化,亦能將脈衝光的峰值功率或脈衝能量控制在寬廣範圍。
1‧‧‧種子光源
2‧‧‧控制部
3‧‧‧種子光源驅動器
4‧‧‧前置光放大器驅動器
5‧‧‧輸出提取手段
6、8‧‧‧光
7‧‧‧功率監視器電路
9‧‧‧後置光放大器驅動器
10‧‧‧光束提取手段
11‧‧‧光束監視器
100‧‧‧雷射裝置
110‧‧‧前置光放大器
120‧‧‧後置光放大器
130‧‧‧波長變換器
111‧‧‧半導體雷射
112‧‧‧結合器
113‧‧‧光纖型放大媒質
121a、121b‧‧‧二向分光反射鏡
122‧‧‧放大媒質
123a、123b‧‧‧激發光源
124a至124d‧‧‧傳遞光學系統
130‧‧‧波長變換器
131、133‧‧‧透鏡
132‧‧‧波長變換元件
135‧‧‧波長選擇元件
201‧‧‧光束調整光學系統
202‧‧‧導光反射鏡
203‧‧‧聚光透鏡
204‧‧‧基座台
205‧‧‧雷射光束
206‧‧‧被加工物
207‧‧‧基座掃描方向
208‧‧‧加工孔
lambda1至lambda3‧‧‧光束
B1、B2‧‧‧光束傳播
BM‧‧‧光束監視器部
PM‧‧‧功率監視器部
第1圖係表示本發明之實施形態1、3的雷射裝置之構成圖。
第2圖係表示前置光放大器110的一例之構成圖。
第3圖係表示後置光放大器120的一例之構成圖。
第4圖(a)至(d)係表示種子光源的輸出之瞬時功率、前置光放大器的激發功率、前置光放大器後的瞬時功率、以及前置光放大器後的平均功率之時間變化之一例的曲線圖(graph)。
第5圖(a)至(d)係比較例,並顯示前置光放大器的激發功率為固定時,種子光源之瞬時功率、前置光放大器的激發功率、以及放大後的功率之時間變化之一例的曲線圖。
第6圖係表示射入於後置光放大器之信號光的平均功率、與能自後置光放大器所取出之功率的關係之一例的曲線圖。
第7圖係表示放大媒質的熱透鏡的變化之信號光的光束傳播的變化之一例的說明圖。
第8圖係表示於二次諧波產生中之基本波的峰值功率
與波長變換後之平均功率的關係之一例的曲線圖。
第9圖係表示波長變換器130的一例之構成圖。
第10圖係表示本發明之實施形態2、4的雷射裝置之構成圖。
第11圖係表示Yb(鐿)的吸收光譜(spectrum)的曲線圖。
第12圖係表示本發明之實施形態5的雷射裝置之構成圖。
第13圖係表示本發明之實施形態6的雷射加工機之構成圖。
本專利申請案係將2014年8月29日於日本提案之日本特願2014-175240號作為優先權的基礎,據此參考其揭示內容而編入本專利申請案。
以下,參考圖式而說明最佳的實施形態。
第1圖係表示本發明之實施形態1的雷射裝置之構成圖。雷射裝置100係具備:種子光源1、前置光放大器110、後置光放大器120、波長變換器130、控制部2、種子光源驅動器3、前置光放大器驅動器4、後置光放大器驅動器9、以及功率監視器部PM等。又,雖未特別明示,但,雷射裝置100亦可在光信號通過的路徑上含有用以控制折回光的光隔離體(isolator)、以及用以傳遞光信號的透鏡、反射鏡(mirror)等之傳遞光學系統等。
種子光源1係藉由種子光源驅動器3驅動而輸出種子光。種子光源1係由可將輸出脈衝的重複頻率及/或脈衝寬度控制在較寬廣範圍的半導體雷射而構成者為佳,例如可使用分佈反饋型(DFB)雷射、分佈反射繞射(Bragg)型(DBR)雷射、法布里-伯羅(Fabry-Perot)型(FP)雷射、外部空腔(cavity)型雷射、以及垂直共振器面發光雷射(VCSEL)等。種子光源1的發光波長之一例為1064nm,但,並不限定為該值,亦可為另外的波長。種子光源1亦可為藉由外部共振器等的構造性控制或外部的溫度控制而使發光波長產生變化的波長可變型雷射。
前置光放大器110係與種子光源1作光學性的連接,藉由前置光放大器驅動器4而驅動,且將自種子光源1所輸出的光予以光學性地放大。
第2圖係表示前置光放大器110的一例之構成圖。前置光放大器110係含有:光纖型放大媒質113;半導體雷射111,係用以對光纖型放大媒質113供應激發光;以及結合器112,係用以將激發光導入於光纖型放大媒質113。
光纖型放大媒質113係使被放大光進行波導路徑性傳播之波導路型,並不需熱透鏡、或不受熱透鏡的影響而能放大,由在玻璃(glass)光纖的核心部添加希土類元素,例如,Yb(鐿)、Er(鉺)、Nd(釹)、Tm(銩)、Ho(硼)、Pr(鐠)等而構成。光纖型放大媒質113亦可作為雙包層(double clad)光纖及/或偏光保持光纖而構成。又,第2圖
雖為例示一段的光纖型放大媒質113,但,亦可作成串聯的複數段之光纖型放大媒質113的構成。此外,第2圖雖為例示一段的前置光放大器110,但,亦可將複數段串聯著半導體雷射111、結合器112、光纖型放大媒質113的組件(set)作為前置光放大器110而構成。
控制部2係透過前置光放大器驅動器4,改變半導體雷射111的激發光功率,藉此能控制前置光放大器110的增益。
回到第1圖,功率監視器部PM係具備:輸出提取手段5,係用以提取前置光放大器110的輸出之一部分;以及功率監視器電路7,係測定藉由輸出提取手段5所提取之光6的平均功率。輸出提取手段5係例如可使用將光的一部分予以反射之部分反射反射鏡、以及僅將光的一部分予以提取之纖維耦合器(coupler)等,其一例為提取前置光放大器110的輸出之1%程度。功率監視器電路7係含有將提取之光變換成電氣信號的元件,例如熱電堆(thermopile)或光二極體(photodiode)、以及低通濾波器(low-pass filter)等,測定自前置光放大器110所輸出之光的平均功率,且將該測定結果傳送給控制部2。
後置光放大器120係藉由後置光放大器驅動器9而驅動,且用以將自前置光放大器110所輸出且通過功率監視器部PM之光8予以光學性地放大。後置光放大器120係使被放大光在雷射媒質中不進行波導路徑性傳播之光放大器,亦即以非波導路型之光放大器所構成,為了
抑制受激拉曼散射(SRS)、自相位調變(SPM)等之不佳的非線性現象之發生、以及放大器的射出端面之光學性的損壞,而構成為使被放大光相較於前置光放大器110能以較大之截面積進行射出入。
第3圖係表示後置光放大器120的一例之構成圖。後置光放大器120係含有:放大媒質122、二向(dichroic)分光反射鏡121a、121b、傳遞光學系統124a、124b、124c、124d、以及激發光源123a、123b等。
放大媒質122係形成為使被放大光不進行波導路徑性傳播之非波導路型,亦即具有熱透鏡的功效之構成,例如,具有圓柱、角柱等的柱狀或棒狀的形狀,且例如在YAG(釔鋁石榴石)、YVO4、GdVO4、藍寶石(sapphire)、玻璃等之光學結晶或光學玻璃添加Nd、Yb、Er、Tm、Ho、Pr、Ti等的元素而構成。放大媒質122的側面係設有直接的或間接的冷卻用之冷卻機構。二向分光反射鏡121a、121b係構成為用以反射被放大光8的波長,且用以透射激發光的波長。
激發光源123a、123b係例如半導體雷射、固體雷射等,且用以分別從放大媒質122的兩端供應激發光。激發光的波長係以因應於放大媒質122的吸收波長之方式而設定,其一例為放大媒質122係Nd:YVO4時,則設定為例如808nm、880nm、888nm、914nm等。傳遞光學系統124a至124d係含有透鏡、反射鏡等,且將來自激發光源123a、123b的激發光傳遞給放大媒質122。
關於動作,自前置光放大器110所輸出之光8係以二向分光反射鏡121a加以反射,且通過放大媒質122時加以放大,此後,以二向分光反射鏡121b加以反射,且朝向後段輸出。放大媒質122當因吸收自激發光源123a、123b所輸出之激發光而產生熱時,則因應於該熱量的分佈而形成熱透鏡。當使前述之熱透鏡的強度產生變動時,則使放大後的光束傳播變化。
又,第3圖雖係例示一段的放大媒質122,但,亦可作成串聯複數段之放大媒質122而構成。此外,第3圖雖係例示一段的後置光放大器120,但,亦可將複數段串聯著二向分光反射鏡121a、121b、放大媒質122、激發光源123a、123b、傳遞光學系統124a至124d的組件作為後置光放大器120而構成。
回到第1圖,波長變換器130係例如含有非線性光學結晶等,且具有將自後置光放大器120所輸出之光的波長變換成另外的波長之功能。前述之波長變換係例如二次諧波產生、和頻產生、差頻產生、光參量(parametric)振盪、或此該等之組合。不需進行波長變換時,則可省略波長變換器130。
繼而說明全部動作。控制部2係透過種子光源驅動器3而控制種子光源1能切換CW模式與脈衝叢發模式,使種子光源1能選擇性地輸出連續光(CW)或脈衝叢發。脈衝叢發係能使脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間的功率控制為0、或較大於0之低於脈衝的峰值功率之值。此外,
亦能控制CW時的功率。
如專利文獻1所說明,在脈衝輸出的導通(on)和關斷(off)的轉換當中,調整輸出脈衝叢發之前的種子光之CW的功率,藉此能將包含於放大器後之脈衝叢發的全部脈衝的峰值功率作成標稱上固定狀態。此外,在脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間的期間當中,藉由改變種子光源的功率,而能控制放大後之個別的脈衝的峰值功率。另一方面,令放大器的激發功率為固定之狀態,切換CW模式和脈衝模式,或使脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間的種子光源的功率產生變化,藉此而使種子光源的輸出波形變化係會有引起使放大器後之平均功率變化的現象。專利文獻1之構成雖係藉由調整種子光之CW時的功率、或脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間的功率,而能控制放大器後之脈衝的峰值功率,但,放大器的激發功率為固定時,則亦無法同時控制放大後之平均輸出。
特別是,在第1段的光放大器(前置光放大器110)之後,存在有第2段的光放大器(後置光放大器120)時,當射入於後置光放大器的平均功率產生變化時,使在後置光放大器使用於雷射光的放大之功率產生變化,故使後置光放大器所產生的熱量產生變化。此時後置光放大器係不進行波導路徑性傳播之非波導路型,亦即包含具有熱透鏡之放大媒質時,當後置光放大器所產生的熱量產生變化時,則使後置光放大器之熱透鏡的強度產生變化,且使後置光放大器後的光束傳播產生變化。
本實施形態中,控制部2係根據功率監視器部PM的測定結果,並透過前置光放大器驅動器4而使半導體雷射111的激發光功率產生變化,而回授(feedback)控制前置光放大器110的增益,俾使前置光放大器110後的平均功率不會產生變化。據此而即使種子光源1的功率在時間上產生變化,亦能將前置光放大器110的平均功率保持固定。結果,未使後置光放大器120後的光束傳播產生變化,而能將脈衝的峰值功率或脈衝能量控制在寬廣範圍。
第4圖(a)至(d)係分別表示種子光源1的輸出之瞬時功率、前置光放大器110的激發功率、前置光放大器110後的瞬時功率、以及前置光放大器110後的平均功率之時間變化之一例的曲線圖。又,由於相對於典型的脈衝寬度係100ps至100ns左右的較短時間,脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間隔就典型而言係1μs至1ms左右之非常長的時間,故為了促進理解,圖中有關於脈衝和脈衝之間隔係以壓縮之方式加以表示。此外,有關相對於脈衝的峰值功率之CW的功率、以及脈衝和脈衝之間的功率,亦為了促進理解,圖中係以誇大之方式加以表示。
在第4圖(a)當中,脈衝叢發之前的CW的功率係調整成前置光放大器110後之脈衝的峰值功率為標稱上固定。因此,種子光源1的CW時的功率係隨後續之脈衝叢發中的放大後的峰值功率的大小而產生變化。因此,前置光放大器110的激發功率為固定時,CW時的放大後的平均功率係產生變化。有益於將前置光放大器110後之
平均功率保持固定係因應於種子光源1的功率而使前置光放大器的激發功率產生變化。
此外,脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間的功率係根據放大後的脈衝的峰值功率而決定。因此,前置光放大器110的激發功率為固定時,雖能使放大後的脈衝的峰值功率產生變化,但,無法控制放大後的平均功率。
因此,種子光的瞬時功率係如第4圖(a),使CW和脈衝叢發、或脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間的功率產生變化,進而如第4圖(b),控制前置光放大器110的激發功率。據此,即能夠如第4圖(c),控制前置光放大器110後之脈衝的峰值功率,且如第4圖(d),將前置光放大器110後之平均功率保持固定。結果,後置光放大器120之熱透鏡的特性實質上並未產生變化,且後置光放大器120後的光束傳播實質上亦未產生變化。
第5圖係比較例,顯示前置光放大器110的激發功率為固定時,種子光源1之瞬時功率、前置光放大器110的激發功率、以及放大後的功率之時間變化之一例的曲線圖。如第5圖(a),使種子光源1的瞬時功率產生變化,且如第5圖(b),將前置光放大器110的激發功率保持固定時,如第5圖(c),雖能控制前置光放大器110後之脈衝的峰值功率,但,如第5圖(d),可知前置光放大器110的平均功率係產生變化。如此之平均功率的變化係如前述,形成引起後置光放大器120之熱透鏡的變化,且使後置光放大器120後的光束傳播產生變化。
又,在第4圖及第5圖當中,雖記載種子光源1係輸出大致2種類的脈衝叢發,但,亦可輸出1種類或3種類以上的脈衝叢發。此外,脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間的功率亦可在各脈衝產生變化。
第6圖係表示射入於後置光放大器120之信號光的平均功率、與能夠自後置光放大器120所取出之功率的關係之一例的曲線圖。可得知當射入於後置光放大器120之平均功率變大時,能夠自後置光放大器120所取出之功率係呈飽和。射入於後置光放大器120之平均功率變小,且自後置光放大器120所取出之功率未呈飽和之區域,亦即在未飽和區域使用時,相對於射入於後置光放大器120之平均功率的變動,產生的熱量係較大的變化,故獲得使本發明的功效更為顯著。
第7圖係表示放大媒質的熱透鏡的變化之信號光的光束傳播的變化之一例的說明圖。實線係表示熱透鏡的變化前,虛線係表示熱透鏡的變化後。在放大媒質122的內部當中,受起因光吸收的發熱藉此形成某強度的熱透鏡時,通過放大媒質122的光束係以光束傳播B1之方式傳播。此後,使前置光放大器110的射出光之功率產生變化,藉此使在後置光放大器120之放大媒質122當中發生的熱量產生變化。例如,放大媒質122之熱透鏡的強度產生5%變化時,光束係以光束傳播B2之方式傳播。該對策係當前置光放大器110的輸出為固定,且控制前置光放大器110的激發功率時,由於後置光放大器120之熱透鏡實
質上未產生變化,故光束傳播係未產生變化。
第8圖係表示於二次諧波產生中之基本波的峰值功率、與波長變換後之平均功率的關係之一例的曲線圖。如第4圖(c)所示,種子光為CW的期間、以及脈衝叢發中的脈衝和脈衝之間的期間相較於脈衝的峰值時,功率係相當低,故實質上可忽視波長變換後的輸出。因此,使基本波的峰值功率變動,藉此即能控制波長變換後的平均功率。
第9圖係表示波長變換器130的一例之構成圖。後置光放大器後的光束lambda1係藉由透鏡131而聚光,且射入於第1波長變換元件132。波長變換元件132係將光束lambda1之功率的一部分變換成和光束lambda1不同波長的光束lambda2。光束lambda1及光束lambda2係藉由透鏡133而再聚光,且射入於第2波長變換元件134。波長變換元件134係將光束lambda1及光束lambda2之功率的一部分變換成波長和光束lambda1及光束lambda2不同的光束lambda3。光束lambda1、lambda2、lambda3係射入於波長選擇元件135,而選擇性地僅取出光束lambda3。例如,光束lambda1的波長為1064nm,光束lambda2的波長為532nm,而光束lambda3的波長為355nm。波長變換元件131、134係例如LBO、BBO、CLBO、CBO、KBBF、KTP的結晶。波長選擇元件135係例如反射/透射光束lambda3的波長,且透射/反射光束lambda1及光束lambda2的波長之反射鏡、以及稜鏡(prism)等。未使用本發明之構成,
當後置光放大器120後的光束之傳播產生變化時,則使波長變換元件132及134中的光束直徑產生變化。波長變換元件中的光束直徑的變化係對波長變換效率、波長變換元件的壽命造成影響。使用本發明之構成時,能抑制此等之影響,故具有波長變換器130時,更使本發明達成進一步的功效。
第10圖係表示本發明之實施形態2的雷射裝置之構成圖。雷射裝置100係具備:種子光源1、前置光放大器110、後置光放大器120、波長變換器130、控制部2、種子光源驅動器3、前置光放大器驅動器4、後置光放大器驅動器9、以及功率監視器部PM等。關於個別的構成要素係和實施形態1相同的構成,故省略重覆說明。
本實施形態中係在將前置光放大器110之激發光功率維持固定的狀態下,即使改變種子光源1的輸出狀態時,亦能藉由控制後置光放大器120的增益,來控制成使後置光放大器120的熱透鏡之強度不會產生變化。具體而言,控制部2係根據功率監視器部PM的測定結果,並透過後置光放大器驅動器9,以使後置光放大器120的熱透鏡能成為固定的狀態之方式,前饋(feedforward)控制後置光放大器120的增益,較佳前饋控制激發光功率。
在第10圖中,控制部2係對功率監視器部PM的測定結果,事前量測使後置光放大器120的熱透鏡成
為固定之後置光放大器120的激發光功率,且將兩者的關係作為資料庫(database)而保存於記憶體(memory)等。動作之時,種子光源1的輸出狀態產生變化,使前置光放大器110之輸出的平均功率產生變化,該狀態係由功率監視器部PM予以測定。控制部2係以不會使後置光放大器120的熱透鏡產生變化之方式,自資料庫讀取與變化之平均功率相對應的激發光功率目標值,且透過後置光放大器驅動器9而調整後置光放大器120的激發光功率。結果,能令前置光放大器110之激發光功率為固定之狀態,不使後置光放大器120後的光束之傳播產生變化,將脈衝光的峰值功率或脈衝能量控制在寬廣範圍。
本實施形態中係在第1圖的構成中以控制前置光放大器110的增益為手段,實質上未使前置光放大器110之激發光功率產生變化,而使前置光放大器110之激發光波長產生變化。當激發光波長產生變化時,則使前置光放大器110中的光纖型放大媒質113的激發光吸收率產生變化,且使前置光放大器110的增益產生變化。據此和實施形態1相同的,能控制前置光放大器110後的平均功率。
在第2圖的構成中,就用以對光纖型放大媒質113供應激發光的半導體雷射111而言,可使用波長可變型半導體雷射。其一例,使用帕耳帖(Peltier)元件而控制法布理-伯羅型半導體雷射的溫度,藉此可使振盪波長產生
變化。
控制部2係根據功率監視器部PM的測定結果,並透過前置光放大器驅動器4而使半導體雷射111的激發光波長產生變化,而回授控制前置光放大器110的增益,據此而能將前置光放大器110後的平均功率保持固定。
第11圖係表示Yb的吸收光譜的曲線圖。縱軸為吸收係數,橫軸為波長。例如,當添加Yb於前置光放大器110的光纖型放大媒質113時,使激發光的波長自吸收光譜的峰值之976nm產生達數nm的變化,而使吸收係數產生較大的變化。該情形時,由於使被吸收於光纖型放大媒質113之激發光的功率產生變化,故亦使前置光放大器110的增益產生變化,而能使前置光放大器110後的平均功率產生變化。
本實施形態中係在第10圖的構成中以控制後置光放大器120的增益為手段,實質上未使後置光放大器120之激發光功率產生變化,而使後置光放大器120之激發光波長產生變化。當激發光波長產生變化時,則使後置光放大器120中的放大媒質122的激發光吸收率產生變化,且使後置光放大器120的增益產生變化。據此和實施形態2相同的,能以使後置光放大器120的熱透鏡之強度未產生變化之方式進行控制。
在第3圖的構成中,就用以對放大媒質122
供應激發光的激發光源123a、123b而言,可使用波長可變型半導體雷射。其一例,使用帕耳帖元件而控制法布理-伯羅型半導體雷射的溫度,藉此可使振盪波長產生變化。
控制部2係根據功率監視器部PM的測定結果,並透過後置光放大器驅動器9而使激發光源123a、123b的激發光波長產生變化,而前饋控制後置光放大器120的增益,據此而能將後置光放大器120的熱透鏡之特性保持固定。
第12圖係表示本發明之實施形態5的雷射裝置之構成圖。雷射裝置100係具備:種子光源1、前置光放大器110、後置光放大器120、波長變換器130、控制部2、種子光源驅動器3、前置光放大器驅動器4、後置光放大器驅動器9、監視後置放大器後的光束的輪廓(profile)之光束監視器部BM、以及監視由光束提取手段10所提取的光束的輪廓之光束監視器11等。關於個別的構成要素係和實施形態1相同的構成,故省略重覆說明。
本實施形態中光束監視器部BM係由將後置放大器後的光束之一部分予以提取之光束提取手段10、以及測定射入的光束的輪廓之光束監視器11所構成,監視後置光放大器120後的光束的輪廓,且計算光束的直徑。光束提取手段10係例如僅反射或透射光束之一部分之部分反射反射鏡。光束監視器11係例如CCD影像感測器(image
sensor)、以及CMOS影像感測器等。當藉由後置光放大器120所產生的熱透鏡之強度產生變化時,則藉由光束監視器11所監視的光束的輪廓係產生變化,且計算之光束直徑亦產生變化。因此,根據由光束監視器部BM所計算之光束直徑的變化,而能觀測後置光放大器120所產生的熱透鏡之強度的變化。控制部2係透過前置光放大器驅動器4,且調整前置光放大器110的激發功率或激發波長來控制增益,或透過後置光放大器驅動器9,且調整後置光放大器120的激發功率或激發波長來控制增益,俾使藉由光束監視器部BM所計算之光束直徑不會產生變化。結果,不需監視前置光放大器110的輸出,而能使後置光放大器120所產生的熱透鏡之強度保持固定,且不使後置光放大器120後的光束之傳播產生變化,即能將脈衝光的峰值功率或脈衝能量控制在寬廣範圍。
第13圖係表示本發明之實施形態6的雷射加工機之構成圖。雷射加工機200係具備:雷射裝置100、光束調整光學系201、導光反射鏡202、聚光透鏡203、以及基座(stage)台204等。雷射裝置100係由本發明之實施形態1至5之中之任意一者所記載之方法所構成。自雷射裝置100所射出的雷射光束205係藉由光束調整光學系統201,調整及整形為期望的光束直徑及輪廓,且在藉由導光反射鏡202予以導光之後,藉由聚光透鏡203而聚光於被加工物206。
基座台204係朝基座掃描方向207的方向運動,掃描相對於雷射光束之被加工物206的位置,藉此在期望的位置形成細微的加工孔208。加工孔208的種類係例如有盲孔或貫穿孔等。加工孔208亦可分別為不同的大小。又,本實施形態雖係作成按基座掃描方向207掃描基座台204之構成,但,並不限定於該情形,由於亦可進行被加工物206和雷射光束205之間之相對性的掃描,故將基座台204予以固定,且藉由電流(galvano)反射鏡、多角形(polygon)反射鏡等掃描雷射光束205,亦能取得相同的功效。該情形時,可使用F θ透鏡203作為聚光透鏡203而進行照射。被加工物206係例如有可撓性(flexible)基板、多層基板等。由於此等之基板係由樹脂及銅箔所構成,故雷射光束205的波長係以具有吸收於樹脂及銅箔的雙方之紫外線區域為更佳。
藉由使用本發明之實施形態1至5之中之任意一者所記載之雷射裝置於雷射裝置100,在控制成用於對被加工物206形成加工孔208之最佳的脈衝能量及峰值功率之狀態下,不使光束之傳播產生變化而能將光束照射於被加工物206,故不需改變被加工物206的位置之光束直徑,即能穩定而形成加工孔208。
本發明雖以和最佳實施形態及檢附圖式相關連而說明,但,本發明所屬技術領域中具有通常知識者自當瞭解各種的變化或變更。如此之變化或變更係由檢附之申請專利範圍而定義,在不脫離本發明之範圍內應可理解。
1‧‧‧種子光源
2‧‧‧控制部
3‧‧‧種子光源驅動器
4‧‧‧前置光放大器驅動器
5‧‧‧輸出提取手段
6、8‧‧‧光
7‧‧‧功率監視器電路
9‧‧‧後置光放大器驅動器
100‧‧‧雷射裝置
110‧‧‧前置光放大器
120‧‧‧後置光放大器
130‧‧‧波長變換器
PM‧‧‧功率監視器部
Claims (11)
- 一種雷射裝置,係具備:種子光源,係輸出光;前置光放大器,係將自前述種子光源所輸出之光予以光學性地放大;後置光放大器,係將自前述前置光放大器所輸出之光予以光學性地放大,且包含具有熱透鏡功效之放大媒質;功率監視器部,係測定自前述前置光放大器所輸出之光的平均功率;種子光源驅動器,係驅動前述種子光源;前置光放大器驅動器,係驅動前述前置光放大器;以及控制部,係控制前述種子光源驅動器、以及前述前置光放大器驅動器;前述控制部係透過前述種子光源驅動器而控制前述種子光源,俾使之選擇性地輸出連續光或複數的脈衝,前述控制部係根據前述功率監視器部的測定結果,並透過前述前置光放大器驅動器而控制前述前置光放大器的增益,俾使自前述前置光放大器所輸出之光的平均功率能為固定。
- 一種雷射裝置,係具備:種子光源,係輸出光; 前置光放大器,係將自前述種子光源所輸出之光予以光學性地放大;後置光放大器,係將自前述前置光放大器所輸出之光予以光學性地放大,且包含具有熱透鏡功效之放大媒質;功率監視器部,係測定自前述前置光放大器所輸出之光的平均功率;種子光源驅動器,係驅動前述種子光源;後置光放大器驅動器,係驅動前述後置光放大器;以及控制部,係控制前述種子光源驅動器、以及前述後置光放大器驅動器;前述控制部係透過前述種子光源驅動器而控制前述種子光源,俾使之選擇性地輸出連續光或複數的脈衝,前述控制部係根據前述功率監視器部的測定結果,並透過前述後置光放大器驅動器而控制前述後置光放大器的增益,俾使前述後置光放大器後之光束的傳播狀態成為固定。
- 一種雷射裝置,係具備:種子光源,係輸出光;前置光放大器,係將自前述種子光源所輸出之光予以光學性地放大;後置光放大器,係將自前述前置光放大器所輸出 之光予以光學性地放大,且包含具有熱透鏡功效之放大媒質;光束監視器部,係測定自前述後置光放大器所輸出之光的光束之光束直徑;種子光源驅動器,係驅動前述種子光源;後置光放大器驅動器,係驅動前述後置光放大器;以及控制部,係控制前述種子光源驅動器、以及前述後置光放大器驅動器;前述控制部係透過前述種子光源驅動器而控制前述種子光源,俾使之選擇性地輸出連續光或複數的脈衝,前述控制部係透過前述前置光放大器驅動器來控制前述前置光放大器的增益,或透過前述後置光放大器驅動器來控制前述後置光放大器的增益,俾使根據前述光束監視器部所計算的光束直徑不會產生變化。
- 如申請專利範圍第1項至第3項之中之任意一項所述之雷射裝置,其中前述種子光源係半導體雷射。
- 如申請專利範圍第1項或第3項所述之雷射裝置,其中前述前置光放大器係包含光纖型放大媒質、以及對該光纖型放大媒質供應激發光之激發光源,前述控制部係用以控制前述前置光放大器之激發 光功率及激發光波長的至少一方。
- 如申請專利範圍第1項或第3項所述之雷射裝置,其中前述後置光放大器係包含具備熱透鏡功效之柱狀放大媒質、以及對該柱狀放大媒質供應激發光之激發光源。
- 如申請專利範圍第2項或第3項所述之雷射裝置,其中前述後置光放大器係包含具備熱透鏡功效之柱狀放大媒質、以及對該柱狀放大媒質供應激發光之激發光源,前述控制部係用以控制前述後置光放大器之激發光功率及激發光波長的至少一方。
- 如申請專利範圍第2項或第3項所述之雷射裝置,其中前述前置光放大器係包含光纖型放大媒質、以及對該光纖型放大媒質供應激發光之激發光源。
- 如申請專利範圍第1項至第3項之中之任意一項所述之雷射裝置,其中前述後置光放大器之後,係包含波長變換器。
- 一種雷射加工機,係具備:申請專利範圍第1項至第3項之中之任意一項所述之雷射裝置;聚光光學系統,係將自前述雷射裝置所輸出之光 的雷射光束予以聚光;以及掃描機構,係將聚光之雷射光束及被加工物進行相對性的掃描。
- 如申請專利範圍第10項所述之雷射加工機,其中前述雷射光束的波長為紫外線區域。
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