用于处理材料的激光系统和方法
阅读说明：本技术 用于处理材料的激光系统和方法 (Laser system and method for processing materials ) 是由 潘乔·察内科夫 乔纳森·埃尔曼 杰弗里·克迈蒂克 阿列克谢·阿夫多欣 安德瑞·巴布什金 于 2018-11-20 设计创作，主要内容包括：多波长激光处理系统配置有多波长激光源,用于产生多波长的同轴激光处理光束。激光处理系统还包括多波长光学系统,以将同轴激光处理光束递送到工件表面上的激光-材料相互作用区,使得处理光束中的第一激光波长和第二激光波长中的每个激光波长作为相应的第一同心激光斑和第二同心激光斑至少照射相互作用区的一部分。多波长光学系统包括多波长光束准直器、可配置的色差光学器件和激光处理聚焦透镜,其中可配置的色差光学器件提供对第一激光波长和第二激光波长的相对焦距的调整。(A multi-wavelength laser processing system is configured with a multi-wavelength laser source for generating a multi-wavelength coaxial laser processing beam. The laser processing system also includes a multi-wavelength optical system to deliver the coaxial laser processing beam to a laser-material interaction region on the workpiece surface such that each of a first laser wavelength and a second laser wavelength in the processing beam illuminates at least a portion of the interaction region as respective first and second concentric laser spots. The multi-wavelength optical system includes a multi-wavelength beam collimator, configurable chromatic aberration optics, and a laser processing focusing lens, wherein the configurable chromatic aberration optics provide adjustment of relative focal lengths of the first and second laser wavelengths.)
技术领域
本公开涉及一种成本高效的、用于用同轴地通过产生色差的透镜系统传播的基波波长和谐波波长的光束来处理材料的光纤激光系统和方法。本发明还涉及照射在材料上的光束，其中光束的相应光束焦点间隔开使得光束的通量比至少等于材料对这些光束的吸收比的倒数，其中谐波波长的光束提供材料状态变化，该材料状态变化增加了材料对基波波长的光束的吸收系数。
背景技术
激光处理与包括聚合物、金属、玻璃和陶瓷的各种材料相关联。选择用于每种材料的激光类型以匹配材料的光学吸收特性。然而，这对于许多材料来说并不简单，这是因为它们具有显著不同的性质。一些材料具有反射某些波长的表面，但是在特定热条件下，允许本应被反射的光束传播通过。其他材料还选择性地吸收特定波长。此外，另外一些其他材料只是不能由一组波长有效地进行处理，但是另一组波长对于处理这些材料是非常有效的。
许多产品由表征为在紫外(UV)到红外(IR)波长范围内具有高反射率的材料制成。该组材料包括硅(Si)、铜(Cu)、青铜、黄铜、铝(Al)、具有镜面抛光的不锈钢、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)和上述材料的合金。这些材料在室温下可以反射高达92％的可见光和高达98％的红外辐射。不用言明的是上述材料以及其他类似材料在许多工业应用中是至关重要的。
US 2013/0134139公布申请(US‘139)是一种认识到上述问题的公布。它公开了一种光纤激光系统，用于通过激光产生的700-1200nm波长范围内的光来处理高反射材料。该参考文献公开了一种概念上的简单过程，包括用相应的基频和双频下的两个光束同时照射感兴趣的材料。处于倍频处的绿色光束熔化被照射的表面，导致在基频处更高效地吸收IR光。这种在两个不同频率下照射感兴趣的材料在本领域中是公知的，例如，US 5083007。
US‘139中公开的解决方案包括通过在每个脉冲的短的初始时间内抑制IR光强度来控制脉冲形状，这导致IR光束到绿色光束的更高的波长转换效率。所产生的绿色光束将被照射材料的温度升高到熔化温度，这增加了红光的吸收。通过最小化IR光的峰值功率到每个脉冲的结束来控制初始峰值功率尖峰之后的每个脉冲的功率分布。
考虑到US‘139的公开方法和设备的操作，对于评估其成本效率是有帮助的。在大的工业规模上，能够有效运转的相对低成本的设备转化为更高的利润。在对感兴趣的材料进行激光处理过程的背景下，低成本且有效运转的激光系统包括困扰设计者的许多考虑因素。例如，与US 5083007的钕YAG激光器相比，光纤激光器由于其低成本、低维护和提高的效率而对工业制造市场产生显著影响。教导准连续光纤激光器的US‘139可能有一些会抬升其成本效率的缺点。为了在短时间内实现高转换效率，该参考文献教导了一种与期望的高转换效率相关联的相干窄带激光器。然而，光谱宽度小于2nm的窄带光纤激光器可能具有高成本，并且峰值功率较低。控制脉冲功率分布需要复杂的控制电路，这可能仅增加所公开设备的成本。总之，所公开的设备对于大规模材料激光处理业务可能在经济上不具吸引力。
因此需要一种简单、成本高效的材料处理激光系统。
还需要一种简单、成本高效的材料处理光纤激光系统，以高效地处理在光纤激光器的基频下无法被良好处理或以过大的平均功率被处理的金属、电介质或复合材料。
还需要一种简单、成本高效的模块化材料处理光纤激光系统，其可操作为限制耦合到材料中且通常以热量形式消散的平均激光功率或脉冲能量。
还需要上述的光纤激光系统，其配置有可操作为提供用于能量高效处理的必要条件的光束引导光学器件。
发明内容
在其基本配置中，所公开的激光处理系统配置有激光源，该激光源输出基波波长的第一光束，光谱宽度至少2nm。利用高谐波波长发生器，第一光束被转换一次或多次，以产生至少一个谐波波长的至少一个第二光束。光束通过光学系统同轴传播，光学系统将它们传递到材料，其中至少部分吸收一个光束，通常是谐波波长的第二光束，以引起使对基波波长的光束的吸收增加的材料状态的改变。应当注意，在有限的情况下，对材料状态改变的诱因是由谐波波长的第二光束引起的。
可以在宏观水平上诱导材料状态改变，包括温度改变和被照射材料的固/液/气/等离子体相之间的转变。备选地，材料状态可以在微观水平上发生，将材料从基态或激发态切换到另一激发态或电离态或过渡态，从而导致化学上改性的改变。
通常，第二光束的焦点位于材料的表面上。然而，根据材料和/或谐波波长，第二光束的焦点可以在轴向方向上与表面紧密间隔开。一旦达到材料改变其状态的阈值，第一光束的吸收就显著增加，使得改善手头任务的效率。在基波波长的第一光束首先加热表面以增加第二光束的吸收系数的那些极少数情况下，各个光束的焦点之间的关系保持不变。
所公开的系统的一方面是产生色差，这在通常公开消色差透镜或透镜系统的激光材料处理领域中并不常见。因此，所公开的光束传递系统配置有色差性(chromatic)的透镜或透镜系统。
色差透镜被配置为收集多个不同波长的光并将它们聚焦在相对于表面的不同焦点高度处。色差通常是轴向的，即，沿着光束传播路径。横向色差可以是在色差系统中经校正的或可以保持校正。
所公开的系统的另一方面补偿了色差，并有利地将当前公开的结构与已知现有技术的结构区分开。简要地修改了US‘139，它教导了通过控制每个脉冲的功率分布来优化能量平衡。脉冲形状控制被设计为：起初增加IR峰值功率以高效地产生绿光，只要达到熔化温度，然后逐渐减小峰值功率到每个脉冲结束。换句话说，通过在每个脉冲期间改变波长转换效率来控制处理系统处理材料的效率。
因此，包括上述特征的本公开的另一方面强调控制在相应的基波波长和谐波波长处的两个或更多个同轴光束。在至少一个实施例中，所公开的系统配置有处理器，用于将光束之间的通量比控制为至少等于吸收系数比的倒数，在该通量比下，第二光束提供材料状态改变。在所公开系统的上述优点的简单说明中，现有技术系统典型的10kW光纤激光源被功率明显较小的激光器替换，例如1kW光纤激光器，其一小部分功率被转换为不同的谐波波长。
实际上，可以通过利用设置的且可能沿光路径放置的色差光学器件来设置或调整第一光束和第二光束的相对焦距来实现该控制。通过这样做，与表面处的相应第一光束和第二光束相关联的第一激光光斑和第二激光光斑的直径比被控制以改变通量比。可以将色差光学器件从同轴光束的路径移除，并且随后由配置为提供不同的焦距、不同的直径比的另一系统替换，从而提供不同的通量比。
在所公开的系统的又一方面，光束递送系统包括所提供的具有一个或多个反射表面的消色差准直器。已经发现该特征在所公开的具有基波波长的光束和多个谐波光束的系统中特别有用，例如绿色和紫外(UV)或绿色、UV和深UV(DUV)。保持光束的平行度在提供期望的通量比的色差透镜系统和期望的焦距差方面起着特别重要的作用。由于横向色差效应的极高公差，所以有利地配置准直器而无需折射元件。系统中任何期望的色差都可以容纳在直接在色差透镜上游的全光学系统中。
所公开的系统的又一方面提供了对每个入射光束的材料状态改变的能量阈值比的分析确定。能量阈值的确定是由J.M Liu在论文“Simple technique for measurementof pulsed Gaussian-beam spot size”Optics Letters，Vol.7，1982年5月中研究出的，其通过引用完全并入本文。特别地，递送到待处理工件的多个光束中的每个光束的能量被确定为：
Eth(λ)/Ethall(λ)＞1，
其中，Eth(λ)是在没有其他波长的帮助下独自处理工件所需的每个单独光束的能量阈值，且Ethall(λ)是本公开的组合光束(即，当所有波长同时存在时)中相同激光光束的能量阈值。
在本公开的所有方面中实现的波长转换器不限于非线性晶体(NLC)。它也可以是从光纤激光源接收基波波长的光束的拉曼晶体或甚至是拉曼光纤——拉曼光纤放大器和振荡器。备选地，也可以使用光学参量放大器或振荡器。将参量方案和拉曼转换方案结合允许产生光谱可调波长，其在改变一些处理材料的表面状态方面比在基波波长的光束的固定谐波波长处的有限数量的谐波更高效。
当激光光束照射在材料上时，能量耦合由吸收确定。材料的温度上升以增加其散热。对于强激光，温度可以升高超过熔化和蒸发温度，且材料变成电离等离子体。在这种情况下，随后的激光吸收由等离子体性质(例如，密度和温度)确定。在许多材料处理应用中，创建等离子体有助于吸收激光能量。这是本公开的另一方面的主题，其可以帮助以上讨论的每个方面的所公开系统的操作。
以上讨论的方面包括所公开的激光系统的具体特征，该激光系统实现所公开方法的各个步骤。因此，以下在具体描述中公开的所有上述方面和一些附加特征直接涉及所公开的方法。以上公开的方面中的每个方面包括可以利用所说明的方面的任何组合特征来实践的一个或多个特征。
附图说明
根据
具体实施方式
和权利要求以及附图，本公开的上述以及其他特征和优点将变得更容易显而易见，在附图中：
图1是示例性公开系统。
图2是依赖于波长的多种材料的吸收。
图3是示出多种材料的基波波长和谐波波长的光束的已知吸收比的表。
图4A至图4D示出IR、绿色、UV和DUV波长的光脉冲形状。
图5A至图5D和图6A至图6C示出依赖于波长转换效率的脉冲形状。
图7是表示已知的激光器处理工艺的流程图。
图8A和图8B是公开的激光器加工工艺的相应流程图。
图9至图11示出基于非线性晶体的且在图1中所公开的激光系统中使用的各个波长转换示意图。
图12和图13示出相应拉曼和参数波长转换示意图。
具体实施方式
本公开的基本概念包括用不同波长的两种或更多种激光光束对工件进行激光处理，所述激光光束在室温下被待处理材料不同地吸收。该光束中的某一波长的光束的能量被耦合到材料中，从而引起材料状态改变，该波长的光束的能量在室温下相较于另一光束的能量更有效地被吸收。随着材料发生改变，工件有效地吸收相应波长的所述另一光束。所公开的工艺的优化允许所公开的方法和系统成功地处理实际中的任何材料。例如，它可以是玻璃、蓝宝石、陶瓷、铜、腐蚀金属、薄金属、生物组织、PCB和硅晶片。
图1示出所公开的材料处理系统10的通常布局。所示出的配置包括激光源12，其输出基波波长的宽带非偏振光束18，光谱线范围在2nm和数百nm之间。虽然激光源12可以具有各种配置，但优选地，它是可以在所有以下三种制式下操作的光纤激光器：连续波(CW)、准CW(QCW)和脉冲。在QCW或脉冲方式中，激光源12输出脉冲串，每个脉冲具有μJ至J范围内的脉冲能量，在秒至飞秒范围内的脉冲持续时间，以及在个位数瓦特和数百千瓦之间的平均功率。虽然许多工业应用要求输出光束18具有为1的最高质量因子M2，但是所公开的方法和系统也可以在其他应用中利用具有高达100的M2的多模光束高效地操作。
通过谐波频率生成器14实现与光束18的波长不同的相应波长的其他光束的产生。后者可以基于不同的物理机制操作，但最终不管配置如何，生成器14都可操作为将该波长的光束18部分地转换为不同波长的光束20，光束20的光谱线宽超过0.5nm。在本公开的范围内，频率谐波生成器14可操作为使用各种转换过程，包括非线性晶体中的倍频、和频及差频生成，非线性晶体材料中的参数振荡和放大，以及块状晶体或光纤中的拉曼转换。下面详细讨论具体光学示意图的示例。
以同轴方式沿光路径传播，光束18和20照射在配置有一个或多个透镜的色差调整器16上，如下所述。色差调整器16在第一光束和第二光束之间产生轴向色差，其同时进一步照射由材料22制成的工件。当使用色差调整器16时，较长波长的光束18在材料22表面上或其附近的焦点比较短波长的光束20的焦点更远。因此，在光束20的焦点处，光束18的光斑直径大于光束20的光斑直径。因此，较长波长的光束18在光束20的焦点处的强度显著低于在其自身焦点处的强度。因为光斑直径的差异，光束20和18之间的通量比通常是现有技术消色差透镜系统的情况的2至10倍高，这取决于色差系统16的材料，其中，通量是在QCW和脉冲激光器的情况下的每个光束区域的脉冲能量，且针对CW激光器的每个光束区域的功率。
通量比对于所公开的系统10是重要的，被配置为控制提供期望的材料状态改变从而引起增加光束18并更有效使用整个系统所需的光束20的最小量。注意，利用大功率激光源12，典型地诸如IR光束的光束18可以激光处理许多材料，但是仅使用一个IR光束18将导致不可接受的低效过程。这同样涉及原则上可以单独处理材料22但可能使激光处理过程低效的任何其他单波长光。使用多个光束而不是用一个光束来处理所述材料可以被分析地表示为：
Eth(λ)/Ethall(λ)＞1，
其中，Eth(λ)是在没有其他波长的帮助下独自处理工件所需的每个单独光束的能量阈值，Ethall(λ)是本公开的多光束(即，当所有波长同时存在时)中相同激光光束的能量阈值。当满足上述要求时，在一些应用中可以将利用所公开的系统的工艺的效率增强数个数量级。具有多个光束的应用中的典型脉冲能量是单脉冲阈值能量Eth的4-5倍。
基于在环境温度下根据针对各种材料的波长的充分记录的吸收依赖性获得系统10中的光束20和18之间的通量比，如图2所示。发明人发现，为了引起期望的材料状态改变，通量比应该至少等于或大于材料22中相同光束的吸收比的倒数。在图3中示出了一些吸光度比，其中IR是红外线，GR是绿色，UV是紫外线，DUV是深UV。用于测量和控制通量的许多技术对于本领域普通技术人员来说是已知的，本文不再详细公开。应注意，在所公开的系统中，相应光束的通量是分开测量的。
可以通过若干种技术调整通量比。技术包括通过用不同的透镜组替换当前安装的透镜组来操纵色差调整器16的色差，该不同的透镜组可以由不同材料制成，例如熔融石英(FS)、氟化镁(MGF2)、氟化钙(CAF2)或其他材料。还提供另一种技术用于调整转换效率。可以通过包括自动镜头递送机构的任何机械方法来实现对适合于手头任务的色差调整器16的选择。用于调整波长转换参数的技术对于激光领域的普通技术人员来说也是公知的，并且可以包括可控制地改变NL晶体的几何形状和温度或拉曼光纤的长度以及许多其它参数。虽然转换被可控地调整，但如图4A至图4D所示，脉冲的功率分布实际上保持不变。
通常，激光材料处理中使用的激光器被配置为窄带且是偏振的，以提供良好的谐波转换效率。然而，高转换效率伴随着基波光束分布的显著劣化，如图6A至图6C所示，其示出了通过随后的二次和三次谐波转换将高斯分布逐渐变换为环形分布。除了极少数应用之外，环形分布通常是有害的。大多数情况下，使用高斯分布光束。低转换效率和宽光谱线两者降低了效率，这导致相对未修改的高斯分布，如图5A至图5C所示。因此，如这里所公开的，低转换效率有利于从单个激光器产生多个光束，并且为所有光束提供良好的光束质量。为了本公开的目的，对于绿色光束20，低转换效率小于20％，而高效率可以大于50％；对于UV光，低于10％的任何效率被认为是低的，而高于30％的转化效率是高的。
图7示出在已知的现有技术中典型地使用的具有消色差的光学示意图。注意，照射工件的两个光束都聚焦在其表面上。
图8A和图8B示出所公开的系统10的各个光学配置。如上所述，第一波长的光束18在谐波转换器14中被转换，使得在准直光学器件26中对相应较长波长和较短波长的至少两个同轴光束18、20进行准直。经准直的光束由色差调整器16接收。
利用具有多个激光波长的宽带激光源12，单色处理透镜设计通常会表现出所谓的色差。这些偏差是材料分散、折射率随波长变化的结果。对于不同的折射率，透镜的焦距取决于波长，并导致轴向色差，其中不同的波长聚焦在不同的焦距处。
色差调整器可以具有各种配置。例如，合适的光学材料的空气间隔的色差双重透镜可以用作色差校正器，以调整一个波长相对于另一个波长的光束准直，作为处理透镜的输入，以校正处理透镜的轴向色差或有意添加用于多个波长处的焦距分离的色差。
色差双重透镜可以在一个波长处具有长焦距或无限焦距(即，无焦点)以维持光束准直。双重透镜可以是空气间隔的并利用耐用的光学玻璃和结晶激光材料的组合。特别是对于大功率激光器和紫外波长，可以使用FS、MGF2和CAF2的组合。结合处理镜头的材料，两种材料可以在两个波长处进行校正或使两个波长的焦距分离，且三种材料可以在三个波长处进行校正或使焦距分离。例如，为了在1064nm处相对于较短波长增加焦距，双重透镜可以包括具有相对高色散的正元件和具有相对低色散的负元件。例如，双重透镜可以包括具有几乎相等焦距的正FS元件和负CAF2元件。应理解，可能需要具有多于2个光学元件的更复杂的色差校正器光学设计来校正其他光学偏差，例如球面偏差。
此后，光束18、20通过聚焦光学器件24进行聚焦，以具有各自期望的光束光斑直径。递送到工件22表面上的激光-材料相互作用区，光束18、20照射表面，分别作为同心的第一激光光斑和第二激光光斑。在图8A中，色差调整器16被配置成使得第一光束的第二光束20的焦点28位于工件22的表面的上游，而在图8B中焦点30位于表面下方。在两种配置中，经转换的光束20的焦点28在工件22的表面上。所公开的光束递送光学器件的又一配置可以具有与图7所示的相同的配置，但是现有技术示意图的聚焦光学器件被配置有色差。
通过配置色差调整器16来调整光束18和20之间的激光光斑直径比，使得较小同心光斑小于较大同心光斑的直径的1/2。色差调整器可以配置有可互换的多组色差光学器件16，每组光学器件16限定彼此不同的相应焦距。
图9至图13公开了谐波转换器14的各种配置。所示出的转换器14的架构可以包括如图9至图11中所示出的单通方案或如图12至图14中所示的多通转换方案。
具体参考图9至图10，转换器16可以操作为通过利用非线性I型晶体32和34(例如三硼酸锂(LBO))来产生二次谐波频率和三次谐波频率。在操作中，从激光器12发射的光束18入射在准直透镜36上，由半波长板旋转并聚焦在晶体32的主体内，使得光束18和20此后以同轴方式传播。容易理解，如果图9的方案只具有晶体32，则转换器14将只输出两个光束，如图12所示。但是因为结合了第二晶体34，所示的示意图也可操作为产生三次谐波，而晶体之间的透镜是为了方便而示出的，尽管实际上它是一个或多个球面镜。
所有光束都是同心的，外侧光束是光束18，最内光束是三次谐波光束。准直光学器件26沿着晶体34下游的光路径放置，并且可以配置为一个或多个球面镜。示出的色差调整器16直接位于准直器26的下游。图10具有与图9的结构相同的结构，但除了二次谐波和三次谐波之外，其可操作为通过第三晶体40产生四次谐波。
图11至图13示出了多通转换系统。在图11中，该示意图可操作为利用准直光学器件产生二次谐波，该准直光学器件被配置为消色差全反射准直器26。图12示出了通过利用光学参量放大器(OPA)44的备选谐波生成。通过改变系统的一个或多个参数而使其具有0.2-2μm的光谱可调性，举例而言，例如温度和/或晶体旋转和/或时间延迟。其通常在串联的多个非线性晶体中或在用作光学参量振荡器(OPO)的空腔中实现。图14示出了拉曼放大器，其可以被配置为拉曼光纤或拉曼晶体46或拉曼流体。与OPO类似，其可以在空腔中实现以用作拉曼振荡器。
参考附图描述了本发明的实施例，应理解本发明不限于这些精确的实施例。例如，系统10可以配置有长脉冲IR源，其具有同轴的、在时间上领先于IR/绿色/UV/DUV的高强度(ns/ps)脉冲、MM IR光束，MM IR光束具有同轴单模IR以在焦距和其他方面创建材料状态改变。因此，应理解，在不脱离所附权利要求中所限定的本发明的范围或精神的情况下，本领域技术人员可以在其中进行各种改变、修改和适应。