等能量脉波同步运动的雷射装置

摘要

一种等能量脉波同步运动的雷射装置，包含：共振腔，输出脉宽时间及能量稳定的多个脉波；光束开关调制器，选择性地让其中一脉波通过；光束能量调制器，依据功率回授信号调整脉波的能量；光功率传感器，感测脉波的能量及脉宽时间；运动控制器，提供加工运动信息；光回授控制器，依据脉波能量及加工运动信息，输出功率回授信号至光束能量调制器；触发控制器，量测脉波自触发至光功率传感器检测到的时间差，并校正光束开关调制器开启时间点。藉此，可稳定加工质量，而应用于各雷射工业制程。

权利要求

1.一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，包含：一共振腔，输出脉宽时间及能量稳定的多个脉波；

一光束开关调制器，选择性地让该共振腔输出的该多个脉波其中之一通过；

一光束能量调制器，依据一功率回授信号调整通过该光束开关调制器的脉波的能量后，输出该脉波以进行加工；

一光功率传感器，感测该光束能量调制器输出的该脉波的能量及脉宽时间；

一光回授控制器，电连接于该光功率传感器及该光束能量调制器之间，依据一加工运动信息及该光功率传感器感测的能量，而输出该功率回授信号至该光束能量调制器，其中，该加工运动信息包含该脉波与一加工件的相对运动参数；

一触发控制器，电连接至该光功率传感器及该光束开关调制器，该触发控制器触发该光束开关调制器开启并量测自触发至该光功率传感器检测到该脉波的一时间差，并根据该时间差与加工运动信息而校正该光束开关调制器开启时间点；及一运动控制器，电连接至该光回授控制器及该触发控制器，传送该加工运动信息至该光回授控制器及该触发控制器。

2.如权利要求1所述的一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，还包含：一光束侦检器，检测该共振腔输出的该多个脉波的光形而取得至少一光质量参数；及一光束质量控制器，依据该至少一光质量参数而调校该共振腔，并且，控制该共振腔内温度，而使该共振腔内达到热平衡。

3.如权利要求1所述的一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，该共振腔还包含至少一非线性晶体。

4.如权利要求1所述的一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，该共振腔还包含一孔径光栅，使该脉波为单模态。

5.如权利要求1所述的一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，该共振腔还包含一质量开关，该质量开关为声光调制器。

6.如权利要求1所述的一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，该光束开关调制器选自声光调制器及电光调制器的群组。

7.如权利要求1所述的一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，该光束能量调制器为声光调制器。

8.如权利要求1所述的一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，还包含：一偏振器，将该光束能量调制器输出的该脉波圆极化后输出至该光功率传感器。

9.如权利要求1所述的一种等能量脉波同步运动的雷射装置，其特征在于，还包含：一选波器，位于该光束开关调制器与该光束能量调制器之间，选择仅该光束开关调制器输出的该脉波的P波与S波其中之一通过该选波器。

说明书

等能量脉波同步运动的雷射装置

技术领域

[0001] 本发明有关于一种雷射装置，特别是一种等能量脉波同步运动的雷射装置。

背景技术

[0002] 雷射的用途广泛，在工业应用可作为雕刻(marking)、刻划(scribing)、破裂(fracturing)等加工用途。为上述用途的雷射加工装置的设计，往往在于追求雷射共振腔能有高质量的光束输出，而追求雷射物理上的性能规格。

[0003] 然而，共振腔中激励源因功率的需求必须时而调整，造成共振腔中热平衡不稳定，而共振腔内组件产生热飘移现象，使得雷射输出能量不稳定。

[0004] 再者，共振腔内质量开关(Q-switch)随输出脉波的频率变化而调整开关频率，造成能量累积输出不稳定，使得共振腔内热平衡维持不易，亦影响雷射输出能量的稳定度。

[0005] 又，雷射加工时，通常配合运动系统，而使雷射与加工件间相对移动而达到雕刻、切割等加工。因此，雷射触发与运动系统之间若不同步，将产生随机的加工落点不稳定，而影响加工的质量。

发明内容

[0006] 现有的雷射装置仍无法维持稳定的能量输出且雷射触发与运动控制不同步。鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种等能量脉波同步运动的雷射装置，藉此有利于雷射加工质量的提升。

[0007] 本发明提供一种等能量脉波同步运动的雷射装置，包含共振腔、光束开关调制器、光束能量调制器、光功率传感器、光回授控制器、触发控制器及运动控制器。

[0008] 共振腔输出脉宽时间及能量稳定的多个脉波(Pulse)。光束开关调制器选择性地让共振腔输出的该些脉波其中之一通过。光束能量调制器依据一功率回授信号调整通过光束开关调制器的脉波能量后，输出脉波以进行加工。光功率传感器感测光束能量调制器输出的脉波的能量及脉宽时间。光回授控制器电连接于光功率传感器及光束能量调制器之间，依据一加工运动信息及光功率传感器感测的能量，而输出功率回授信号至光束能量调制器。其中，加工运动信息包含脉波与加工件的相对运动参数。触发控制器电连接至光功率传感器及光束开关调制器。触发控制器触发光束开关调制器开启并量测自触发至光功率传感器检测到脉波的一时间差，并根据该时间差与加工运动信息而校正光束开关调制器开启时间点。运动控制器电连接至光回授控制器及触发控制器，传送加工运动信息至光回授控制器及触发控制器。

[0009] 透过本发明，因共振腔维持热平衡而可稳定输出固定能量的脉波，并通过共振腔外的光束开关调制器依所需求的频率选择脉波使其通过，达到等能量输出雷射脉波的功效。且配合运动系统补偿脉波触发至输出间的时间差，而可准确于预设加工处进行加工。

附图说明

[0010] 图1为本发明实施例的雷射装置示意图。

[0011] 图2为本发明实施例的方块示意图。

[0012] 图3为本发明实施例中共振腔的方块示意图。

[0013] 图4为本发明实施例的另一方块示意图。

[0014] 符号说明

[0015] 100：雷射装置 110：雷射模块

[0016] 112：雷射光路 114：雷射头

[0017] 120：运动平台 130：控制台

[0018] 140：电源模块 150：冷却模块

[0019] 200：加工件 300：脉波

[0020] 310：共振腔 311：雷射二极管

[0021] 312：雷射晶体 313：品质开关

[0022] 314：倍频模块 3141：倍频晶体

[0023] 3142：和频晶体 315：孔径光栅

[0024] 316：光纤 317：光路镜组

[0025] 320：光束开关调制器 330：光束能量调制器

[0026] 340：光功率传感器 342：功率讯息

[0027] 350：光回授控制器 352：功率回授信号

[0028] 360：触发控制器 370：运动控制器

[0029] 372：加工运动信息 380：第一分光镜

[0030] 390：反射器 410：第二分光镜

[0031] 420：光束侦检器 430：光束质量控制器

[0032] 440：选波器 450：虚负载

[0033] 460：反射器

具体实施方式

[0034] 以下举出具体实施例以详细说明本发明的内容，并以图式作为辅助说明。说明中提及的符号系参照附图符号。

[0035] 请参照图1所示，系为本发明实施例的雷射装置示意图，用以揭示雷射装置100与加工件200进行加工时的实际位置关系。雷射装置100包含雷射模块110、运动平台120、控制台130、电源模块140及冷却模块150。

[0036] 如图1所示，雷射模块110包含雷射光路112及雷射头114。雷射光路112用以生成雷射光。雷射头114用以输出该雷射光而进行加工。运动平台120承载加工件200，并可水平及垂直移动加工件200，而使加工件200与雷射光相对运动，进行雕刻、切割等加工。控制台130用以设定有关雷射模块110的雷射参数以及有关运动平台120的运动参数。并且，控制台310亦用以控制冷却模块150。电源模块140用以提供雷射模块110与控制台
130所需电力。冷却模块150连接至雷射模块110，用以对雷射模块110进行降温。冷却模块150较佳地可包含电子致冷器(Thermoelectric cooling，TEC)、水冷器、冷气压缩机或其组合，用以作为恒温控制。

[0037] 请参阅图2所示，系为本发明实施例的方块示意图。等能量脉波同步运动的雷射装置100用以对加工件200进行加工。雷射装置100包含共振腔310、光束开关调制器320、光束能量调制器330、光功率传感器340、光回授控制器350、触发控制器360及运动控制器370。较佳地，共振腔310、光束开关调制器320、光束能量调制器330、光功率传感器340、光回授控制器350及触发控制器360位于图1的雷射模块110中；运动控制器370位于图1的运动平台120。

[0038] 请参阅图3所示，系为本发明实施例中共振腔310的方块示意图，系以半导体雷射为例。共振腔310包含雷射二极管311、雷射晶体312、质量开关(Q-switch)313及倍频模块314。较佳地，雷射二极管312为二极管数组；质量开关313实质为声光调制器(Acoustic-Optic Modulator)；倍频模块314包含至少一非线性晶体，举例而言，透过倍频晶体3141与和频晶体3142的组合，可将雷射频率转变为原频率的三倍。质量开关313可触发共振腔310输出脉波(Pulse)300，并决定脉波300的脉宽时间，因此，共振腔310可持续输出脉宽时间相同的多个脉波300。此外，透过让共振腔310内维持热平衡，可使共振腔310内组件不会有因热飘移而造成脉波300功率不稳定的情形。藉此，每一脉波300的能量可保持稳定。于此，脉波300实质可为脉冲雷射光、近连续波雷射或长脉冲雷射光。

[0039] 请参阅图3所示，共振腔310中更包含孔径光栅315，位于质量开关313与倍频晶体3141之间，用以产生单模态的脉波300，可避免脉波300因多模态造成的功率变化，使脉波300能量更为稳定。然，此领域中具有通常知识者应可理解，使脉波300为单模态可满足高质量的加工需求，然本发明的脉波300若为多模态，亦足以产生稳定的输出。此外，共振腔310内各组件之间更可具有光纤316及包含多个透镜的光路镜组317，藉以调制光路。

[0040] 为保持说明的流畅，有关共振腔310如何维持热平衡，将留待图4进行说明。以下将继续说明图2中除共振腔310外的其余组件。

[0041] 请复参阅图2所示，光束开关调制器320接收共振腔310输出的复数脉波300，并选择性地让其中之一脉波300通过光束开关调制器320。于此，光束开关调制器320可为声光调制器或电光调制器(Electro-Optic Modulator)。藉此，透过稳定能量输出的共振腔310，配合共振腔310外部的光束开关调制器320，可随需求生成脉波300外，该些脉波300的能量更可维持稳定。

[0042] 如图2所示，光束能量调制器330依据一功率回授信号352调整通过光束开关调制器320的脉波300的能量后，雷射装置100输出脉波300以对加工件200进行加工。于此，虽前述共振腔310透过热平衡控制使共振腔310输出的脉波300能量稳定。但实际上，因共振腔310内各组件本身的稳定度限制，使得由共振腔310输出的脉波300其能量仍有约3％至5％的变化幅度。故需另透过光束能量调制器330细部微调光束开关调制器320输出的脉波300的能量。光束能量调制器330具有高位数字模拟电路，可进行高精度控制。光束能量调制器330较佳地可为声光调制器。经由光束能量调制器330微调脉波300的能量，雷射装置100输出的每一脉波300均能维持相同的能量水平。

[0043] 于此，雷射装置100更包含第一分光镜380，用以分光由光束能量调制器330输出的脉波300，而分别由光功率传感器340及加工件200接收。使得脉波300对加工件200进行加工同时可透过光功率传感器340感测脉波300的能量及脉宽时间。较佳地，第一分光镜380实质可为偏振器，特别是圆极化镜，将脉波300圆极化(Circular polarization)而输出至加工件200，使得脉波300的光斑及其能量分布均匀。此外，雷射装置100更包含多个反射器(Reflectors)390，用以形成光路径，以利于脉波300行进。

[0044] 如图2所示，运动控制器370电连接至光回授控制器350。光回授控制器350电连接于光束能量调制器330及光功率传感器340之间。运动控制器370用以传送一加工运动信息372至光回授控制器350及触发控制器360。加工运动信息372包含脉波300与加工件200的相对运动参数，实质可为脉波300与加工件200的相对位置、相对运动速度、相对加速度或熟悉此技术者可轻易思及具有可表达二者运动关系的参数。光功率传感器340感测输出的脉波300功率，而传送有关脉波300功率的功率讯息342至光回授控制器350。

[0045] 因此，光回授控制器350可依据功率讯息342及加工运动信息372，而输出功率回授信号352至光束能量调制器330。据此，使光束能量调制器330由功率回授信号352得知脉波300实际输出功率及实际加工运动情形，据以调整脉波300功率。

[0046] 如图2所示，运动控制器370电连接至触发控制器360。触发控制器360电连接至光束开关调制器320及光功率传感器340。触发控制器360用以触发光束开关调制器320开启，并量测自触发到光功率传感器340检测到脉波300的时间差。触发控制器360根据该时间差与的加工运动信息372，而校正光束开关调制器320开启时间点。藉此，可达到加工与运动同步的功效，特别是运动速度变化时。

[0047] 举例而言，当运动速度变慢时，若无上述加工与运动同步机制，加工脉波300将加工于原预定加工处之前；若透过上述加工与运动同步机制，可通过光束开关调制器320暂时关闭，根据前述触发至输出的时间差，预估雷射头114与加工件200的相对运动将运动至原预定加工处之前，触发控制器360触发光束开关调制器320开启，而输出脉波300以进行加工。

[0048] 请参阅图4所示，系为本发明实施例的另一方块示意图，系除图2所揭示之外，更包含第二分光镜410、光束侦检器(Beam profiler)420、光束质量控制器430、选波器440、虚负载(Dummy load)450及反射器460。

[0049] 如图4所示，多个反射器460形成光路径，以利于脉波300行进。第二分光镜410用以接收共振腔310输出的脉波300，并分光大部分脉波300行经反射器460而至光束开关调制器320；分光小部分脉波300至光束侦检器420。光束侦检器420用以检测该脉波300的光形，经由统计分析光形及损耗而取得至少一光质量参数。光束质量控制器430电连接光束侦检器420，并依据光品质参数而调校共振腔310。更确切的说，光束质量控制器430根据光质量参数调整共振腔310内雷射二极管311、雷射晶体312、质量开关313等组件，以预先补偿雷射的损耗，而可使共振腔310产生稳定能量且光斑质量良好的脉波300。

[0050] 除此之外，请合并参照图1及图4所示，光束质量控制器430亦监测及控制共振腔310内温度。通过感测共振腔内各组件的温度，结合冷却模块150进行降温，而使共振腔310内达到热平衡而维持恒温，以维持共振腔310内各组件处于最佳特性的温度范围内。较佳地，最佳特性的温度范围为摄氏22度，然本发明并非以此为限，可视实际加工需求进行调整。

[0051] 请续参照图4所示，选波器440位于光束开关调制器320与光束能量调制器330之间。脉波300行经光束开关调制器320后，由选波器440选择仅脉波300的P波(Parallel wave，P-wave)与S波(Perpendicular，S-wave)其中之一通过选波器440而到达光束能量调制器330。藉此，可依照加工件200的材料吸收特性而选择P波或S波，以满足加工需求。

[0052] 此外，因共振腔310首次触发的脉波300能量将会比设定值大，选波器440更可于首波脉波300进行时，与光束开关调制器320协作运用，而使首次触发的脉波300不输出。举例而言：若光束开关调制器320为电光开关。光束开关调制器320使脉波300的S波通过而输出至选波器440。选波器400使该脉波300的S波由经一分路径抵达虚负载450而被吸收。藉此，首波脉波300可不输出而维持加工质量。于此，上述选波仅为举例，本发明并非以此为限。本领域具有通常知识者应可理解光束开关调制器320与选波器的选波可经由控制选择通过脉波为P波或S波。

[0053] 综上所述，本发明的功能在于稳定雷射输出的能量，并透过与运动同步而触发雷射。使得每一经事先调制所产生的雷射脉波均携带相同能量，而作用于定点位置。藉此，本发明可稳定加工质量，而可应用于各雷射工业制程。

[0054] 虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术人员，在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当根据权利要求所界定的内容为准。