专利名称：用激光脉冲切除材料的方法及设备，其单个激光脉冲能量低于切除材料用的激光脉冲的能量的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用激光切除材料的方法，其中，产生激光脉冲序 列，并且用该激光脉冲序列照射待切除的材料区域。本发明的另一方面涉及一种切除材料的设备，包括 -用于产生激光脉冲序列的装置 -用于将激光脉冲引导至材料的待切除区域上的装置背景技术已知将激光脉冲，特别是脉冲宽度在约10"5s到5x 10^s范围内 的超短激光脉沖应用于高精度的激光微加工。在美国专利US 5，656，186(欧洲专利0 754 103 B1,申请日为1994 年4月8日，"用于控制激光诱导击穿和烧蚀的结构的方法")中， G， Mourou描述了超短单激光脉冲适用于加工材料的基本性能。在Cuvillier Verlag Goettingen1999年发表的名为"用超短激光脉 冲进行材料的微加工，，的论文中，S.Nolte对使用毫微微秒激光脉冲 进行材料加工的问题进行了研究。一般而言，也就是说在本发明的范围内，超短激光脉沖可以用于 材料(例如金属材料)的切除、烧蚀和加工，以及用于改变材料的 特性(如改变玻璃的折射率)。采用超短激光脉冲(毫微微秒激光脉沖)进行材料加工显示出独 特的优势，尤其是在进行精度极高的材料切除和/或烧蚀时产生的热 力或机械损伤小于许多其它的材料加工方法。通过对超短激光脉冲 进行聚焦，能量产生微等离子体，在非常有限的空间内聚集在焦点 上，并且通过"光裂效应，，实现切除效果和材料的烧蚀。可以以小 于500nm (纳米)的切除宽度实现m m (微米)以下范围内的烧蚀率。由于光裂效应中的非线性作用机理，对材料的烧蚀基本上与材料的 特性无关。通过采用毫微微秒激光脉冲可以实现特别是对高热导性 材料(例如金属)和低激光吸收率材料(例如聚合物)的加工。采用激光加工材料的 一 个问题是，激光能量不仅使受到激光照射 的区域材料被切除，而且通常情况下还会导致周围的区域产生不希 望的材料改动。这些材料改动的范围和程度关键取决于激光束能量 有多高和在这个过程中能量如何分布。在欧洲专利EP 1 284 839 Al和美国专利US 6,787,733中，描述 了 一种用激光加工材料的方法，其中对加工效果进行在线控制以使 材料加工最优化并且使任何不希望的边效应最小化。尽管可以对加 工操作进行在线控制，并且用这种方法可以监测到产生的任何副作 用，但是这种方法无法使待加工区域周围的材料区域免于受到激光 辐射影响。采用短而密集的激光脉冲加工材料的作用机理是基于当光聚焦 在IO"到10"W/cn^的强度范围内时产生的"光裂效应"。在如此高 的强度之下，几乎任何类型的材料都会由于多光子吸收(等离子体 的产生)而迅速发生电离。当在透明材料中产生这个过程时，称之 为"光学击穿，，。激光诱导的等离子体的爆炸性膨胀引起很强的压力波前，如果这 个过程发生在流体环境中，则会产生空泡。这种压力波前和空泡很 可能对周围的材料造成机械损伤。然而，这种由单激光脉沖造成损 伤的可能性与激光脉冲能量成比例。然而，高强度是产生光学击穿的必要条件。激光脉冲越短，在相 同强度下传输的能量就越少。因此，要实现高精度且机械副作用最 小的光裂效应，采用短激光脉沖是必要的先决条件。然而，激光脉冲的宽度，即激光辐射的反应时间对于受辐射材料 的热损伤也极其重要。如果激光辐射的宽度非常短，以至于在辐射 的过程中，大量的热能没有从吸收的能量中散失到热扩散中，这种 现象被称为"热约束"。维持"热约束"现象的最大辐射时间(即激光脉沖宽度)也称为热松弛时间tr,并由下列关系式定义:其中，5 :为穿入受辐射材料的光深度；对于透明介质的裂解，5与非线性吸收区域的延伸程度相对应； k:为受辐射材料或组织的热扩散常数；如果反应时间(即激光脉沖宽度)明显短于tr,被辐射材料上受到激光脉冲作用的热影响区域主要由光穿透深度5所决定。如果 激光脉冲宽度明显长于tr,由于热扩散作用，热影响区域将延伸超 出光穿透深度。当加工金属的光穿透深度只有几个毫微米，并且其中的热扩散率 较高时，若要保持热影响区域足够小，必须要采用微微秒甚至毫微 微秒的宽度。然而，激光脉沖宽度的减少通常会受技术所限，并且也不能防止 周围的区域免受非期望的辐照的影响。为了实现材料的切除，主要需要由激光脉冲将特定量的能量传送 到被切除的区域。所述能量的量由材料所决定。当沿着一直线或者 平面来切除材料时，使具有适当的激光脉冲能量的大量激光脉冲彼 此相邻排列以获得分离线或面。根据材料的特性，独立激光脉冲的 裂解作用可以导致材料中的不希望发生的物理变化。这些变化包括 材料的撕裂，由此产生不规则的切除面，或是形成气泡，这同样会 对切除的几何形状产生不好的效果。材料的不期望的变化程度与独 立激光脉冲的能量成比例。因此，需要提供一种加工材料的方法，使被加工区域的相邻区域 受到的影响进一步减小，或者在理想情况下完全消除。发明内容本发明通过开始时所述的方法满足上述的要求，其中，在激光脉 冲序列中的单激光脉冲照射的区域内，激光脉冲序列中的单脉沖能 量低于使用单独的激光脉沖切除材料所需的激光脉沖能量。本发明利用了这个结论，即切除材料所需的总能量不必由同一位 置的单个激光脉沖来导入。这些总能量可以由生成的大量的激光脉 冲所导入，例如，可以由一个个相同的激光连续施加待切除区域内 的的同 一位置。这样就可以通过低脉冲能量的多个连续的激光脉冲 来实现对材料的切除，并且，由此也避免了受辐射材料的周围区域 遭到损伤。已经发现，用于切除材料的能量，也就是实现材料切除所需的最 小总能量是随着重复频率的升高而降低的。因此，在高重复频率下 用于实现材料切除的激光脉冲能量比在低重复频率下更低。特别地，可以通过减小激光脉沖强度和/或宽度来减少激光脉沖 能量。这意味着，以本发明的方法实现材料切除所需的激光脉沖强 度和/或激光脉冲宽度小于传统技术中所需的激光脉冲强度和/或激 光脉冲宽度。以这种方式，就可以用简单的方法来实现激光脉冲能 量的降低。当激光脉冲序列的两个或更多的连续激光脉沖空间叠加在受照 射的区域上时是非常有利的。由于是空间重叠，两个或更多的激光 脉冲所产生的激光脉冲能量被引入到叠加区域中，并另外由此实现 用于材料分离的总能量的叠加。这个结论和先前的方法不同，在以 往的方法中，为了使各个单独激光脉冲的热影响与随后的激光脉沖 的热影响之间相互分隔，使得激光脉冲在空间和时间上尽可能相互 远离，通过这种重叠方法来降低不希望产生的机械及热影响，其中 各个单独的激光脉冲的激光脉冲能量被同时减小。当激光脉冲序列的至少两个连续激光脉冲空间叠加在受照射区域上的重叠率为100%时，或者在10%到100%的范围内，优选在 70 %到99 %之间，尤其是在92 %到99 %的范围内时是十分有益的。 激光脉冲的重叠主要取决于焦点的激光束直径(即聚焦光束直径)、切除的材料与激光之间的相对进给速度，重叠率由下列/>式定义重叠率100x (l-_进给速度_)激光脉沖重复频率x聚焦光束直径上述规定值适用于大多数不同材料的切除。以这样一种方式实施100%的空间重叠率，例如两个或者更多的激光务P中100%叠加，随 后相对已加工的材料移动激光束，然后提供两个或更多100%叠加的激光脉沖。作为这种不连续进给的另一种变换，在许多应用中适宜 选用连续的进给运动，并在给定的激光脉冲重复频率和焦点处的激光束直径下，将重叠率调到70%到99%,特别是92%到99%。冲强度、聚焦区域大小和/或激光脉沖宽度、激光脉冲序列的激光脉 冲重复频率和/或激光束与待加工的材料之间的进给速度。聚焦区域 关键的待定尺寸通常例如是焦点处的激光束直径，或者是聚焦区域 沿光束方向的长度，在各种因素当中，该尺寸由孔径来决定。光学 参数取决于待加工材料的特性，尤其是材料的热扩散常数和松弛时 间。作为基本原则，此处在高热扩散常数下设定的激光脉冲频率适 宜高于在较低的热扩散常数下设定的激光脉沖重复频率。松弛时间 和激光脉冲重复频率之间的关系相反在松弛时间长的情况下选用 的激光脉沖重复频率低于在松弛时间短的情况下选用的激光脉沖重 复频率。适宜使激光脉沖序列所产生的激光脉冲重复频率这样高，以至于 在待切除材料的材料特定的脉冲宽度范围内，例如热松弛时间内， 至少在待切除材料上施加两个激光脉沖。以这种方式，这两个在材 料特定的脉冲宽度内施加的激光脉冲的激光脉沖能量积聚在一起并 将材料切除。通过一下措施可以降低热损伤和机械损伤，即通过在 材料特定的脉冲宽度内将大量的激光脉冲发射到待切除的材料区 域，并且使这些脉冲中的各个脉沖的能量相应地低，从而借助于这些大量的脉沖精确地产生材料切除所需的总的积累能量。已经发现，如果激光脉冲重复频率大于10Hz，特别是大于50Hz， 并优选在100Hz到50MHz之间是十分有利的。这些激光脉沖重复频 率的范围已经使各个激光脉冲所需的激光脉沖能量明显降低，并由 此显著减小了机械损伤。在上述实施例中特别需要注意的是，在重叠率、激光脉沖重复频 率、聚焦面积尺寸，例如聚焦激光束直径和进给速度之间存在着一 定数学关系。在上述分析中，关键的变量，即传导到材料加工的同 一位置上的激光脉沖数以及重叠率受其它各个参数的变化的影响。 例如，如果其它两个参数在各种情况下保持恒定，可以通过降低进给速 度、增大焦点处的激光束直径或提高激光脉沖重复频率而单独增加脉冲 数。通过减小聚焦激光束直径、提高进给速度和降低激光脉沖重复频率， 可以使材料加工沿线上各定位点上的激光脉沖数减少。同样有利的是，在加工操作过程中改变激光脉沖能量、激光脉沖 强度、聚焦面积尺寸、单激光脉冲的激光脉冲宽度、激光脉沖序列 的激光脉沖重复频率和/或激光束与待加工材料之间的进给速度这些 参数值。在本实施例中，可以例如这样设定单激光脉冲的激光脉沖 能量，即根据激光脉冲之间的重叠率，将为了材料切除正在加工的 位置所需的能量精确地导入到材料中。此处适宜根据预定或预设的 激光脉沖重复频率和/或进给速度设定激光脉冲能量。可以自动执行 这些预i殳，也可以由用户人工设定。在包括可调节的激光脉沖重复频率和可调节的激光脉沖能量的 改进方法中，特别适宜用第 一激光脉冲重复频率设定第 一脉冲能量， 而用高于第 一脉冲重复频率的第二脉冲重复频率设定低于第一脉冲 能量的第二脉冲能量。以这种方式，激光脉冲能量自动适应于激光 脉沖重复频率，从而产生材料切除所需的各个累积能量。此处尤其有利的是-根据激光脉沖能量自动设定激光脉冲重复频率，或 -根据激光脉沖重复频率自动设定激光脉沖能量-根据进给速度自动设置激光脉冲能量和/或激光脉沖重复频 率，或-根据待切除材料的至少一个材料特性自动设定激光脉沖重复 频率、激光脉冲能量和/或进给速度。这种改进的方法允许用于材料切除的大多关键参数可以相互独 立地进行设置，或者根据待加工的材料准确的自动设置。根据本发 明的这个方法，可以例如参照包4舌针对各种典型材冲+的理想加工参 数的数据库，然后可以通过选择一种材料来设定这些参数。作为一 种变化，可以从数据库中读出材料切除所需的总能量，并且基于用 户所选的参数，选择其它各参数使得可以达到所需的总能量。本发明的另外一方面包括开始所述或上述说明的方法，其中，在 切除操作的开始区域中，施加在材料待加工位置上的总能量大于在 后续切除操作过程的区域中施加的总能量。这种改进所基于的理论为，为了在材料上进行初始材料切除，需 要较大的总能量以产生初始的材料切除作用，而随后需要较少的总 能量以对初始的材料切除进行维持和延伸。因此有利的是在开始切 除区域内为了实现初始材料切除而采用很高的初始激光脉沖能量 后，随后将激光脉冲能量降低到足以保持和继续初始材料切除的较 低水平，从而以这种方式使沿切除线或面的损伤最小化。特别有利地，相比后续切除操作过程，在切除操作的开始区域内 的激光脉沖能量、激光脉冲重复频率和/或施加到材料一 个位置上的 激光脉冲数量更高，并且/或者激光束与待加工的材料之间的进给速 度更低。激光脉沖能量由激光脉冲强度和激光脉沖宽度所决定。为 了在开始区域内实现初始切除，设定的激光脉冲强度高于为了保持 和继续切除的初始切除的后续过程的区域中所需的激光脉冲强度。以同样的方式，在激光脉冲强度恒定的情况下，激光脉冲宽度在 开始区域内增大而在后续切除过程中降低，并且/或者激光脉沖重复 频率在开始区域内被提高而在后续切除过程中降低。另外一种改进方法为，在切除操作的开始区域内的单个激光的激光13脉冲强度和/或激光脉沖宽度大于初始切除的后续切除操作过程中的激 光脉冲强度和/或单个激光脉沖宽度。以同样的方式，相比前述的实施 例，用这种改进方法能以较高的激光脉冲能量进行初始切除，而以较寸氐 的激光脉冲能进行后续切除操作，但其它参数也会改变。本发明中的方法特别适宜采用小于十微微秒的激光脉沖宽度，特 别是小于一微微秒。许多材料进行毫微微秒激光加工时，可以得到 特别有利的激光脉冲能量和激光脉冲重复频率，并通常避免了任何 不期望的损伤。根据本发明的方法有利的是，优选借助于具有数值孔径的光学系 统对激光束进行聚焦，所述数值孔径至少要大到可以在半透明或全 透明材料的表面下方实现对材料的切除，而且切除区域上方和下方 的材料区域没有受到损伤。这样可以产生激光束焦点并可以避免激 光束方向上的激光束焦点的前、后的材料被切除或损伤，而只有激 光束焦点处的材料被切除。最后，根据本发明的方法有利的是，可以对切除操作进行监测， 并且当切除能力下降时，可以通过调节前面列出的与切除操作相关 的参数中的一个参数来提高所施加的总能量。在本文中，"监测，， 应理解为对切除的直接视觉或传感观测，或者是人工或自动对技术 参数(例如设备执行数据)进行监测和控制，从而能够从这些参数 的变化中推断出材料切除过程中的变化。本发明还包括一种开始所述的设备，根据本发明对该设备进行 改进，从而以这样一种方式构造用于产生激光脉冲序列的装置，即 在受到激光脉冲序列中单激光脉沖辐射的区域内，激光脉沖序列中 单个激光脉冲产生的能量低于使用单独的激光脉冲进行材料切除所 需的激光脉冲能量。通过这种装置，可以将单个激光脉冲的能量保 持在一个较低的水平，由此根据本发明的方法实现材料的切除。对于该i殳备的优点和效果，可以参照前面所述的相应实施方式的在先 描述。根据本发明的设备可以改进为，将用于产生激光脉冲序列的装置构造为通过降低激光脉冲强度和/或激光脉冲宽度来减少激光脉沖能量。根据本发明的设备可以进一步改进为，还包括用于在激光束与 待切除材料之间产生相对移动的进给装置和用于生成激光脉沖重复 频率的装置，所述两个装置以这样的方式配合操作，即激光脉沖序 列中的两个时间上连续的激光脉沖区域叠加在受照射区域上。这就 实现了有利的本发明的至少两个连续激光脉沖的叠加。进给装置优 选设计为可以根据激光脉沖重复频率对其进行操作。同样有利的是，使进给装置和产生激光脉冲重复频率的装置以 这样的方式配合操作，即激光脉冲序列中两个时间上连续的激光脉冲区域叠加在受照射区域的重叠率为100%,优选在10%到100%之 间，或者在70%到99%之间的范围内，特别是在92%到99%之间。本发明的设备优选设置有控制机构，该控制装置可以根据材料 的特性来设定单个激光的激光脉冲能量、激光脉冲强度和/或激光脉 冲的宽度、激光脉沖序列的激光脉冲重复频率、激光束在加工位置 的聚焦面积尺寸，例如激光束在焦点处的直径，和/或激光束与待加工 材料之间的进给速度。该控制装置可以根据其它参数自动地设定参 数之一，也可以由用户手动地设定。特别适宜以这样的方式构造控制装置，即激光脉冲序列的激光 脉冲重复频率如此之高，以至于在待切除的材料特定的脉沖宽度(例 如其热松弛时间)内，至少有两个激光脉冲施加到待切除的材料上。 这样的优点在于，在材料特定的脉沖宽度内有两个或者更多的激光 脉冲聚集在一起，因此可以用非常柔和并小心的方式来切除材料。特别地，该控制装置可以设置为，即激光脉沖重复频率的大小 可以设定为大于10Hz，特别是大于50Hz，并优选在100Hz到50MHz 之间。在这点上参照前面所述的方法的描述。同样有利的是，将控制装置构造为可以在加工过程中调节前面 列出的六个参数中的至少一个。以这种方式，可以根据材料特性或 者切除过程中的其它参数对总能量和/或激光脉冲能量进行设定。该控制装置优选构造为-可以根据激光脉冲能量自动设定激光脉冲重复频率，或 -可以根据激光脉冲重复频率自动设定激光脉沖能量， -可以根据运动速度自动设定激光脉冲能量和/或激光脉沖重复 频率，或-可以根据待切除材料的至少 一个特性自动设定激光脉冲重复 频率、激光脉冲能量和/或进给速度。特别地，本发明的设备适宜将控制装置构造为以这样一种方式控 制前面所列出的六个参数中的至少一个(激光脉沖重复频率、激光 脉冲能量、激光脉沖强度、激光脉冲宽度、聚焦面积尺寸和进给速 度)，即导入切除操作开始区域内的待加工材料一个位置上的总能 量大于后续切除操作过程的区域中的总能量。另外，有利的是，这样构造控制装置以改进本发明的设备，所述 控制装置构造为，相比后续切除操作过程，切除操作开始区域内设 定的激光脉冲能量、激光脉冲重复频率和/或施加到材料一个位置上 的激光脉冲数量更高，并且/或者激光束与待加工材料之间的进给速 度更低。控制装置优选构造为，相比后续切除操作过程，切除操作的开始 区域内设定的单个激光的激光脉沖强度更高，并且/或者单个激光脉 冲的脉冲宽度更长。特别地，适宜将所述用于产生激光脉冲序列的装置构造为可以产 生激光脉沖宽度小于十微微秒，优选小于一微微秒的激光脉冲。可以通过设置用于聚焦激光束的聚焦装置对本发明的设备进 行改进，该聚焦装置优选带有一个具有数值孔径的光学系统，该数 值孔径至少要大到可以在半透明或全透明材料的表面下方实现对材 料的切除，而且被切除区域上方和下方的材料区域不会受到损伤。最后，可以通过设置用于观测切除操作的监测装置，所述监测装 置与用于产生激光脉冲序列的装置、用于将激光脉沖导向待切除材 料上的装置和/或进给装置配合使用，当切除能力下降时，可以通过 调节前面所述的六个参数中的至少一个参数来提高引入的总能量。关于这一点参照前面对切除操作的监测方法的描述。关于本发明设备改进及其优点、执行机构和优选实施方式，请参 考前面对各改进方法的特征的描述。
现在基于特定的实施例和测试结果，并且参照附图对本发明做具 体说明，其中图1所示的图表说明了材料切除所需的脉沖能量与激光脉冲重复频率之间的关系；图2所示的图表说明了激光脉冲重叠率在-100%到+ 100%范 围内时，材料切除开始时所需的激光脉冲能量与维持材料切除所需 的最小激光脉冲能量之间的关系；图3所示的图表说明了切除材料所需的激光脉沖能量与重叠率 为92 %到100 %的激光脉冲之间的关系；图4所示为以重叠率为50%的激光脉沖进行线性材料切除的示 意图；图5所示为在切除操作的开始区域和后继过程中，以可变的激光 脉冲重叠率进行线性材料切除的示意图。
具体实施方式
如图1所示，从图表中可以看出，A部分是在激光脉沖宽度为 150fs,波长为780nm,并且孔径为0.6的情况下获得，而B部分是 由激光脉冲宽度约为15fs，波长为800nm,孔径为0.5的情况下获得， 由于激光脉冲重复频率为1Hertz(赫兹)，实现材料切除所需要的 能量大约为45nJ(纳焦)。所需能量随着激光脉沖重复频率升高而 降低，在激光脉冲重复频率为lMHz时达到小于5nJ。图2表示在开始进行材料切除("开始切割")时所需的激光脉冲 能量与维持材料切除("停止切割")时所需的激光脉沖能量在-100% 到+100%的范围内激光脉冲重叠率的关系。此处负脉沖重叠率表示两个相邻脉沖之间保留有未受辐照的材料区域；例如，当脉沖重叠率为-100% 时，表示所述没有受辐照的区域与聚焦直径完全相等。可以看出，当各个脉沖彼此间有足够的距离时(负脉沖重叠率)， 以相同的脉沖能量开始和停止切除作用，也就是说，脉冲相互不影 响。然而，选择的脉冲重叠率越大，开始切除所需要的脉冲能量和 停止切除所致的脉沖能量越低。脉冲重叠率越大，开始切除和停止 切除时所需的脉冲能量差的就越大。因此，选择的脉冲重叠率越大， 刚开始切除时所需的脉冲能量就越少并且维持切除操作所需的脉冲 能量也越少。图3是在高脉冲重叠率下进行切除操作的测量结果。图中绘制了 采用不同重叠率时得出的5组测试结果，并且取一条最合适的直线 将这些结果连起来。可以看出，当脉沖重叠率为92%时，必须以约 19nJ的单激光脉沖能量去实施本方法。所需的单激光脉沖能量随着 重叠率的增加而降低，并且当重叠率约为99.5M时会将低到仅2nJ。图4所示为待切除的材料10以及用于切除该材料的单激光脉冲 序列1-9。以其聚焦区域形状示意性地表示单激光脉冲。单激光脉 冲1-9从左到右连续地作用于材料。这时，激光脉冲在区域l-8a 内重叠。图4所示的本方法中，将激光脉冲重复频率、进给速度和 聚焦直径设置为使得重叠率为50% ，也就是说，激光脉沖1和2在 区域la内重叠，脉冲2和3在区域2a内重叠，等等。以这种方式， 沿切除线上的各个区域都受到两个激光脉冲的照射。图5是用于从材料块30上切除材料的激光脉沖序列11-22。激光脉冲11-22从左到右以递增的顺序作用。可以看出，激光 脉沖11 - 14的重叠度高于随后的激光脉冲15-22。这使得左边的切 除操作开始区域内的初始切除所必须的总能量大于切除线右边的后 继操作过程所需的总能量，其中切除区域仅需要较低的总能量以维 持初始切除。图5所示激光脉冲11-14的叠加可以例如通过在开始加工区域内 选择较高的激光脉冲重复频率或者通过降低进给速度来实现。
权利要求
1.一种用激光切除材料的方法，其中生成一个激光脉冲序列，并且以所述激光脉冲序列照射待加工的材料区域，其特征在于，所述激光脉冲序列中的单个激光脉冲的脉冲能量低于在受到激光脉冲序列中单个激光脉冲照射的区域内以单个激光脉冲对材料进行切除所需的激光脉冲能量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过降低激光脉 沖强度和/或激光脉沖宽度而减少所述的激光脉冲能量。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的受照 射区域由激光脉冲序列中至少两个时间上连续的激光脉沖在空间上 叠力口。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述受辐射区域 受到激光脉沖序列中至少两个时间上连续的激光脉沖在空间上重叠 的重叠率为100%,或者在10%到100%之间的范围内，优选约为70% 到99%,尤其在约92%到99%之间。
5. 根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，根据材料 的特性来预设激光脉冲能量、激光脉冲强度、聚焦面积大小、单激 光脉冲的脉冲宽度、激光脉冲序列的激光脉冲重复频率和/或激光束 与待加工材料之间的进给速度。
6. 根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述激光 脉冲序列的激光脉冲重复频率高到在待切除材料的材料特定的时间 周期内，至少有两个激光脉冲施加到待切除的材料上。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的激光脉冲 重复频率大于10Hz，特别是大于50Hz,优选在100Hz与50MHz之 间。
8. 根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，可以在加 工过程中改变所述的激光脉冲能量、激光脉沖强度、聚焦面积尺寸、 单激光脉冲的脉冲宽度、激光脉冲序列的激光脉冲重复频率和激光束与加工材料之间的进给速度。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，由第一激光脉冲 重复频率设定所述第一脉冲能量，由高于所述第一脉冲重复频率的 第二脉冲重复频率设定低于所述第一脉沖能量的第二脉冲能量。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，a. 根据激光脉冲能量自动设定激光脉冲重复频率，或b. 根据激光脉冲重复频率自动设定激光脉沖能量，c. 根据进给速度自动设定激光脉沖能量和/或激光脉冲重复频 率，或d. 根据待切除材料的至少一个特性自动设定激光脉冲重复频率、 激光脉冲能量和/或进给速度。
11. ^4居任一前述^l利要求或^C利要求1的前述部分所述的方 法，其特征在于，在切除操作的开始区域中，施加在材料待加工位置上的总能量大于在后续切除操作过程的区域中施加的总能量。
12. 根据任一上述权利要求所述的方法，其特征在于，与后续切 除操作过程相比，在切除操作的开始区域内的激光脉冲能量和/或激 光脉冲重复频率更高和/或激光束和待加工材料之间的进给速度更 低。
13. 根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，在切除操: 作的开始区域内的激光脉冲强度高于后续切除操作过程和/或单激光 脉冲的脉沖宽度长于后续切除操作过程。
14. 根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述激光 脉冲宽度小于十微微秒，优选小于一微微秒。
15. 根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，优选借助 于光学系统对所述激光束进行聚焦，所述光学系统具有的数值孔径 至少要大到可以在半透明或全透明材料的表面下方实现对材料的切 除，而且不损伤切除区域上方或下方的材料区域。
16. 根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，可对所述 切除操作进行监测，并且当切除能力下降时，可以通过改变权利要求8中的一个参数来增加导入的总能量。
17. —种用于切除材料的设备，包括 -用于产生激光脉沖序列的装置-用于将激光脉冲引导至待切除材料上的装置，其特征在于，以这样一种方式构造用于产生激光脉冲序列的装置，即在受到激光脉沖序列中单激光脉沖辐射的区域内，激光脉冲 序列中单个激光脉冲产生的激光脉沖能量低于使用单独的激光脉冲进行材料切除所需的激光脉冲能量。
18. 根据权利要求17所述的设备，其特征在于，将用于产生激光脉沖序列的装置构造为通过降低激光脉沖强度 和/或激光脉冲宽度来减小激光脉冲能量。
19. 根据权利要求17或18所述设备，其特征在于，还包括用于 在激光束与待切除材料之间形成相对运动的进给装置，和用于生成 激光脉沖重复频率的装置，所述两个装置以这样一种方式配合操作， 即激光脉冲序列中两个时间上连续的激光脉冲空间叠加在受照射区 域上。
20. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述进给装置 和产生激光脉冲重复频率的装置以这样一种方式配合操作，即激光 脉沖序列中两个连续的激光脉冲空间叠加在受照射区域的重叠率为 100%,优选在10%到100%之间，或者在70%到99%之间的范围内， 特别是在92%到99%之间。
21. 根据权利要求17至20之一所述的设备，其特征在于，还包 括控制装置，该控制装置可以根据材料的特性来设定激光脉冲能量、 激光脉冲强度、单激光脉冲的脉冲宽度、激光脉冲序列的激光脉冲 重复频率、激光束在加工位置上形成的聚焦面积大小，例如激光束 在焦点处的直径，和/或激光束与待加工材料之间的进给速度。
22. 根据权利要求21所述的设备，其特征在于，以这样一种方 式构造所述控制装置，即由第一激光脉冲重复频率设定第一激光脉 冲能量，而由高于所述第 一脉冲重复频率的第二激光脉沖重复频率设定低于所述的第 一脉沖能量的第二激光脉沖能量。
23. 根据权利要求21或22所述的设备，其特征在于，以这样一 种方式构造所述控制装置，即激光脉冲序列的激光脉沖重复频率高 至在待切除的特定材料的松弛时间内，至少有两个激光脉沖施加到 待加工的材料上。
24. 根据前述权利要求21至23之一所述的设备，其特征在于， 所述控制机构以这样一种方式构造，即激光脉冲重复频率的大小可 以设定为大于10Hz,特别是大于50Hz，并优选在100Hz到50MHz 之间。
25. 根据前述权利要求21至24之一所述的设备，其特征在于， 所述控制机构构造为可以在加工过程中更改权利要求21中列出的至 少一个参凄t。
26. 根据前述权利要求21至25之一所述的设备，其特征在于， 所述控制才几构以这样一种方式构造，即a. 可以根据激光脉冲能量自动设定激光脉冲重复频率，或b. 可以根据激光脉沖重复频率自动设定激光脉冲能量，c. 可以根据进给速度自动设定激光脉冲能量和/或激光脉冲重复 频率，或d. 可以根据待切除材料的至少 一 个特性自动设定激光脉沖重复 频率、激光脉沖能量和/或进给速度。
27. 才艮据前述权利要求21至26之一所述的i殳备，进一步包括第 一控制装置，其特征在于，所述控制机构构造为以这样一种方式控 制至少一个权利要求21中所列的参数，即导入切除操作开始区域内 的待加工材料上同 一位置上的总能量大于后续切除过程的区域中的总能量。
28. 根据前述权利要求21至27之一所述的设备，其特征在于， 所述控制装置构造为，相比后续切除操作过程，切除操作的开始区 域内设定的激光脉冲能量和/或激光脉沖重复频率更高，并且/或者激 光束与待加工材料之间的进给速度更低。
29. 根据前述权利要求21至28之一所述的设备，其特征在于， 所述控制装置构造为，和后续切除操作过程相比，切除操作开始区 域内设定的激光脉冲强度更高，并且/或者单激光脉冲的脉沖宽度更 长。
30. 根据前述权利要求17至29之一所述的设备，其特征在于， 将所述用于产生激光脉冲序列的装置构造为可以产生激光脉冲宽度 小于十微微秒，优选小于一微微秒的激光脉沖。
31. 根据前述权利要求17至30之一所述的设备，其特征在于， 还包括用于聚焦激光束的聚焦装置，该聚焦装置优选带有一个具有 数值孔径的光学系统，该数值孔径至少要大到可以在半透明或全透 明材料的表面下方实现对材料的切除，而且切除区域上方和下方的 材料区域不会受到损伤。
32. 根据前述权利要求17至31之一所述的设备，其特征在于， 还包括一个用于观测切除操作的监测装置，所述监测装置与用于产 生激光脉沖序列的装置、用于将激光脉沖导向待切除材料上的装置 和/或进给装置配合使用，当切除能力下降时，可以通过改变权利要 求24中的至少一个参数来增加导入的总能量。
全文摘要
本发明涉及一种用激光切除材料的方法，其中生成一个激光脉冲序列(11至20)，并且以所述激光脉冲序列(11至20)照射待加工的材料区域。可以使用此种方法来切除许多不同材料。采用这种方法存在的一个问题是，被加工区域的周围会产生热损伤和机械损伤，并且导致被损伤的区域不能被再加工。本发明中通过使激光脉冲序列(11至20)单激光脉冲产生的能量低于在受到激光脉冲序列(11至20)中单激光脉冲照射的区域内以单个激光脉冲对材料进行切除所需的激光脉冲能量，解决了这一问题。
文档编号B23K26/00GK101257993SQ200680030734
公开日2008年9月3日 申请日期2006年8月21日 优先权日2005年8月22日
发明者克里斯蒂安·拉特延, 塔莫·里普肯, 霍尔格·卢巴乔夫斯基 申请人:罗威阿克有限公司