一种脉冲错位激光加工方法、装置和系统与流程

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种脉冲错位激光加工方法、装置和系统。

背景技术：

目前，采用激光对材料进行切割、表面改性及内部改质等加工时，基本都是使激光对材料进行激光脉冲高重叠度扫描，也就是使依次照射在材料上的激光光斑保持较高的重叠度，从而使激光加工轨迹，也就是激光加工获得的切缝边缘较为光滑。但是，较高的光斑重叠度会在激光切割时候引入过多的等离子体火花和激光切割热量，特别是对于含胶的多层线路板材料的激光加工，较高光斑重叠度的激光切割方式会导致切缝内部胶缩，切缝两边布满粉尘，而这些粉尘可能导致线路微短路，严重影响线路板质量。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种脉冲错位激光加工方法、装置和系统。

第一方面，本发明提供了一种脉冲错位激光加工方法，该方法包括如下步骤：

获取激光加工图档。

根据所述激光加工图档确定加工光束的加工路径以及所述加工光束沿所述加工路径进行单次扫描的次数n，其中，n≥2，在每次所述单次扫描的过程中，所述加工光束的激光脉冲沿所述加工路径形成互不重叠的多个光斑。

控制所述加工光束沿所述加工路径进行n次所述单次扫描，完成对加工材料的激光加工，其中，令n次所述单次扫描中相邻的两次单次扫描分别为在先单次扫描和在后单次扫描，所述在先单次扫描中的任一在先光斑和所述在后单次扫描中的与所述在先光斑对应的在后光斑部分重叠。

第二方面，本发明提供了一种脉冲错位激光加工装置，该装置包括：

获取模块，用于获取激光加工图档。

处理模块，用于根据所述激光加工图档确定加工光束的加工路径以及所述加工光束沿所述加工路径进行单次扫描的次数n，其中，n≥2，在每次所述单次扫描的过程中，所述加工光束的激光脉冲沿所述加工路径形成互不重叠的多个光斑。

加工模块，用于控制所述加工光束沿所述加工路径进行n次所述单次扫描，完成对加工材料的激光加工，其中，令n次所述单次扫描中相邻的两次单次扫描分别为在先单次扫描和在后单次扫描，所述在先单次扫描中的任一在先光斑和所述在后单次扫描中的与所述在先光斑对应的在后光斑部分重叠。

第三方面，本发明提供了一种脉冲错位激光加工装置，该装置包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上所述的脉冲错位激光加工方法。

第四方面，本发明提供了一种脉冲错位激光加工系统，该系统包括机台、激光器以及如上所述的脉冲错位激光加工装置，所述脉冲错位激光加工装置分别与所述机台和所述激光器电连接。

所述机台，用于放置加工材料。

所述激光器，用于生成加工光束，完成对所述加工材料的激光加工。

本发明提供的脉冲错位激光加工、装置和系统的有益效果是，在激光单次扫描过程中，加工光束的激光脉冲沿加工路径形成的多个光斑在加工材料表面上是空间分离的，则相邻前后光斑对加工材料所产生的热量没有累积或者基本没有累积，可消除或者减少前后离散光斑之间的热量耦合，不会造成激光加工路径内加工材料过热，且在前光斑加工材料产生的等离子体不会阻挡在后光斑与加工材料的相互作用，从而使得在后光斑可保持良好的光束传输状态与加工材料进行能量耦合，以保障激光加工的稳定性。在连续两次的单次扫描过程中，在后单次扫描过程中所形成的各在后离散光斑与在先单次扫描过程中所形成在先离散光斑依次在加工路径上错位排列，则加工光束沿着加工路径重复加工多次后，所有离散光斑将最终在激光加工路径上错位填充成连续的激光加工轨迹，采用较低的脉冲重复频率激光便可获得与传统激光加工方法相同的边缘光滑程度。不仅可实现激光冷加工的高品质加工效果，同时可有效抑制微短路等缺陷的产生，保证线路板激光加工的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中激光加工示意图；

图2为现有技术中激光加工示意图；

图3为本发明实施例的脉冲错位激光加工的流程示意图；

图4为本发明实施例的脉冲错位激光加工示意图；

图5为本发明实施例的脉冲错位激光加工示意图；

图6为本发明实施例的脉冲错位激光加工示意图；

图7为本发明实施例的脉冲错位激光加工示意图；

图8为本发明实施例的脉冲错位激光加工示意图；

图9为本发明实施例的脉冲错位激光加工示意图；

图10为本发明实施例的脉冲错位激光加工示意图；

图11为本发明实施例的脉冲错位激光加工示意图；

图12为本发明实施例的脉冲错位激光加工装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，在对加工材料2进行激光加工时，控制加工光束(图中未示出)沿加工路径1运动，并释放脉冲激光形成光斑，每个脉冲沿加工路径1形成对应的激光光斑，激光光斑之间具备一定重叠度以形成连续加工轨迹。目前，由于激光光斑通常为圆形，为了获得如图2所示的边缘较为光滑的加工轨迹，相邻光斑的重叠较高，图1中的阴影区域121便为相邻两个光斑的重叠区域，常见的光斑重叠度高达75％，甚至超过90％。但是，这种为了获得边缘光滑的加工轨迹的传统激光加工方式，需要以非常高的激光脉冲重叠度为代价，而较高的激光脉冲重叠度，会带来极高的激光加工热效应，使得前一个或者几个激光脉冲的加工热量会累积到后续激光脉冲加工材料的过程中，从而产生较大热影响，前一个或者几个激光脉冲加工产生的激光等离子体也会对后续激光脉冲产生屏蔽作用，将进一步加大材料表面的热量，影响后续脉冲耦合到材料内的能量比例，影响激光加工效率和效果。

如图3所示，本发明实施例提供的脉冲错位激光加工方法包括如下步骤：

获取激光加工图档。

根据所述激光加工图档确定加工光束的加工路径以及所述加工光束沿所述加工路径进行单次扫描的次数n，其中，n≥2，在每次所述单次扫描的过程中，所述加工光束的激光脉冲沿所述加工路径形成互不重叠的多个光斑。

控制所述加工光束沿所述加工路径进行n次所述单次扫描，完成对加工材料的激光加工，其中，令n次所述单次扫描中相邻的两次单次扫描分别为在先单次扫描和在后单次扫描，所述在先单次扫描中的任一在先光斑和所述在后单次扫描中的与所述在先光斑对应的在后光斑部分重叠。

具体地，以如图4至图9所示的示例进行说明。

加工光束波长为355nm，脉冲重复频率为100khz，激光平均功率为10w@100khz，激光脉冲周期为10μs，激光加工时的激光扫描速度为2.5m/s。根据激光加工图档和加工光滑度的要求，确定需要进行6次单次扫描，即n＝6。

在单次扫描过程中，加工光束的激光脉冲落在加工路径上形成离散光斑串，即互不重叠的多个光斑。在加工光束的连续两次的单次扫描过程中，使在后单次扫描过程中所形成在后离散光斑串中的各离散光斑，与在先单次扫描过程中所形成在先离散光斑串的各离散光斑，依次在加工路径上错位排列。在后离散光斑串中的各离散光斑与在先离散光斑串中的各离散光斑，依次在加工路径上错位排布，在时间上可以描述为激光加工光束的脉冲周期除以n-1，获得错位时间；在空间上可以描述为激光加工光束扫描速度乘以错位时间，获得错位距离。

本实施例中，在先单次扫描和在后单次扫描，起点开光延时差为2μs(10μs除以5)。这种开激光延时差就是错位时间，乘以激光扫描速度2.5m/s，就是错位距离，在本实施例是5μm。

如图4所示，第一次单次扫描在加工材料2上获得的互不重叠的多个光斑包括沿加工路径1排列的连续的三个等间距布置的光斑11、12和13，斑11、12和13的直径均为20μm，光斑11和12，以及光斑12和13的中心间距均为30μm。

如图5所示，第二次单次扫描在加工材料2上获得的互不重叠的多个光斑包括沿加工路径1排列的连续的三个等间距布置的光斑21、22和23，光斑21、22和23的直径均20μm，光斑21和22，以及光斑22和23的中心间距均为30μm。其中，光斑21、22和23分别相对光斑11、12和13右移5μm，相当于四分之一光斑直径的距离。

如图6所示，第三次单次扫描在加工材料2上获得的互不重叠的多个光斑包括沿加工路径1排列的连续的三个等间距布置的光斑31、32和33，光斑31、32和33的直径均20μm，光斑31和32，以及光斑32和33的中心间距均为30μm。其中，光斑31、32和33分别相对光斑21、22和23右移5μm，相当于四分之一光斑直径的距离。

如图7所示，第四次单次扫描在加工材料2上获得的互不重叠的多个光斑包括沿加工路径1排列的连续的三个等间距布置的光斑41、42和43，光斑41、42和43的直径均20μm，光斑41和42，以及光斑42和43的中心间距均为30μm。其中，光斑41、42和43分别相对光斑31、32和33右移5μm，相当于四分之一光斑直径的距离。

如图8所示，第五次单次扫描在加工材料2上获得的互不重叠的多个光斑包括沿加工路径1排列的连续的三个等间距布置的光斑51、52和53，光斑51、52和53的直径均20μm，光斑51和52，以及光斑52和53的中心间距均为30μm。其中，光斑51、52和53分别相对光斑41、42和43右移5μm，相当于四分之一光斑直径的距离。

如图9所示，第六次单次扫描在加工材料2上获得的互不重叠的多个光斑包括沿加工路径1排列的连续的三个等间距布置的光斑61、62和63，光斑61、62和63的直径均20μm，光斑61和62，以及光斑62和63的中心间距均为30μm。其中，光斑61、62和63分别相对光斑51、52和53右移5μm，相当于四分之一光斑直径的距离。

可以看到，经过6次的单次扫描过程，对应的6组离散脉冲光斑串，即互不重叠的多个光斑，沿加工路径1错位排放，最终可加工形成连续光滑的激光加工轨迹。

需要注意的是，实际的加工顺序可以不完全是按照上述第一次至第六次的顺序进行的，换言之，上述6次单次扫描过程的执行顺序可以是任意的，只要各次单次扫描过程中形成的离散脉冲光斑串整体上是错位排布形式，且重叠后可获得如图9所示的最终效果即可。

与此同时，也可以对加工光束的扫描速度、激光脉冲重复频率等参数进行调整，只要单次扫描过程中相邻激光光斑空间离散即可。这样相邻离散光斑中心间距相应发生变化，此时可通过调整错位排布的离散脉冲光斑串的错位时间或者错位距离，以及离散光斑串的数量等，以获得边缘连续光滑的激光加工轨迹，实现激光冷加工的高品质加工效果。

另外，离散脉冲光斑串在错位排布时，可以单向排布，即始终从加工路径起点一侧向另一侧错位排布，也可以双向排布，即从加工路径起点扫描至终点，再从终点扫描至起点，以此循环，从而可以提高加工效率。

在本实施例中，在激光单次扫描过程中，加工光束的激光脉冲沿加工路径形成的多个光斑在加工材料表面上是空间分离的，则相邻前后光斑对加工材料所产生的热量没有累积或者基本没有累积，可消除或者减少前后离散光斑之间的热量耦合，不会造成激光加工路径内加工材料过热，且在前光斑加工材料产生的等离子体不会阻挡在后光斑与加工材料的相互作用，从而使得在后光斑可保持良好的光束传输状态与加工材料进行能量耦合，以保障激光加工的稳定性。在连续两次的单次扫描过程中，在后单次扫描过程中所形成的各在后离散光斑与在先单次扫描过程中所形成在先离散光斑依次在加工路径上错位排列，则加工光束沿着加工路径重复加工多次后，所有离散光斑将最终在激光加工路径上错位填充成连续的激光加工轨迹，采用较低的脉冲重复频率激光便可获得与传统激光加工方法相同的边缘光滑程度。不仅可实现激光冷加工的高品质加工效果，同时可有效抑制微短路等缺陷的产生，保证线路板激光加工的质量。

需要注意的是，单次扫描过程中获得的离散脉冲光斑串，即互不重叠的多个光斑，可以是在空间上完全不重叠的光斑，也可以是相较现有高重叠度的光斑的重叠度较低的光斑，例如同一离散脉冲光斑串中相邻光斑的重叠度低于30％。

在后离散光斑与在先离散光斑依次在加工路径上错位排布。在时间上可以描述为加工光束的脉冲周期除以n-1，以获得错位时间，同时，在空间上可以描述为加工光束的扫描速度乘以错位时间，以获得错位距离。

在单次扫描过程中，加工光束的激光脉冲落在加工路径上形成离散脉冲光斑串，同一串内的离散光斑是空间分离的，不同串的离散光斑是空间错开的。在不同时间进行多次单次扫描，也就是各次扫描在时间上是错位的，且每次单次扫描的光斑均与其他时刻单次扫描的光斑错位。通过多次错位的单次扫描获得连续排列的激光光斑，最终可形成边缘连续光滑的激光加工轨迹。

优选地，令所述在先光斑与对应的所述在后光斑的重叠度为d，0＜d＜100％。

具体地，以图5为例，此时相邻的在先单次扫描的在先光斑与在后单次扫描的在后光斑的重叠度为d＝75％，或者说二者错位25％，可通过图中阴影区域122表示。该重叠度可根据实际需求在0与100％之间选择，例如可选择5％、50％或95％等。

需要注意的是，由于图4至图9所示的6次单次扫描过程的顺序可以是任意的，相邻的在先光斑与在后光斑可以理解为在空间上相邻的两次不同单次扫描过程中相应的两个光斑，而该两次不同单次扫描过程并不一定是连续进行的。

如果单次扫描的离散光斑串内的相邻光斑中心间距大于两个光斑直径，可以在该两个光斑之间插入一组或者多组光斑串，再进行光斑串错位排布，直到所有光斑串在空间上叠加形成连续的激光加工轨迹。

优选地，当所述加工路径包括多个不连续的加工子路径时，控制所述加工光束依次沿所有所述加工子路径进行任意一次的所述单次扫描，直至完成对所有所述加工子路径的n次所述单次扫描；或者，控制所述加工光束分别对任意一个所述加工子路径进行n次所述单次扫描，直至完成对所有所述加工子路径的n次所述单次扫描。

具体地，以如图10所示的示例进行说明。在同一个加工幅面内，加工材料2上具有三条相互平行的加工子路径1a、1b和1c。在对加工材料2进行激光加工时，可以采用如下两种加工方式。

对于每条加工子路径，均可按照如图4至图9的方式沿路径排布6组离散脉冲光斑串，以形成边缘连续光滑的激光加工轨迹。加工光束可以先沿加工子路径1a进行脉冲错位激光加工，再沿加工子路径1b进行脉冲错位激光加工，最后沿加工子路径1c进行脉冲错位激光加工，或者对于这三条加工子路径的加工顺序也可以任意排列。

或者，先选择一种顺序对加工子路径1a、1b和1c进行第一次单次扫描，扫描完毕后再按照原来的顺序或者其他顺序对加工子路径1a、1b和1c进行第二次单次扫描，以此类推，直至完成对所有加工子路径1a、1b和1c的6次单次扫描。

需要注意的是，沿每一条加工子路径进行扫描时候，对应的激光加工扫描速度、激光脉冲重复频率等参数都可以不同，因此，所需要扫描的离散光斑串的数量，离散光斑间的错位位移或者错位时间也会有相应不同。

优选地，当所述加工材料包括多个层次时，在单独对任一层次完成n次所述单次扫描后，单独对按所述加工光束照射进深方向与所述任一层次相邻的下一层次进行n次所述单次扫描，直至完成对所述加工材料的多个所述层次的激光加工。

具体地，以如图11所示的示例进行说明，其中，若图10为俯视图视角，则图11为主视图视角。

对于较厚的，或者本身由多层材质组成的加工材料2，可对其进行分层激光加工。首先，将加工材料2分为例如4个层次，对应每个层次具有一条相应的加工路径，分别为1a、1b、1c和1d。以沿加工路径1a进行加工为例，均可按照如图4至图9的方式沿该加工路径排布6组离散脉冲光斑串，以形成边缘连续光滑的激光加工轨迹。取6组离散脉冲光斑串中前4组中的首个光斑，该4个光斑的中心线分别为图9中的101、201、301和401。在沿加工路径1a完成对加工材料2第一层次的脉冲错位激光加工后，可沿加工光束照射进深方向，或者说加工材料2厚度方向继续沿加工路径1b完成对加工材料2第二层次的脉冲错位激光加工，以此类推，直至完成对加工材料2的4个层次的激光加工。

液晶工程塑料(lcp，liquidcrystalpolymer)材料在5g天线线路板上广泛使用，这种天线板内部含有lcp、胶和铜等多层材料，由于lcp不能承受太大压力(压力过大变为液态)，因此这种线路板不可以模切，只能采用激光切割。传统的激光切割方式需采用15w紫外皮秒激光器进行切割加工，成本很高，相应激光器在原理上的可靠性也不高(腔外紫外波长转换，紫外晶体很容易被打坏)。由于lcp天线板较厚，将其分为多个层次，并采用上述脉冲错位激光加工方法分别对每一层次进行激光加工，采用10至15w纳秒脉宽的腔内紫外激光器，便可实现完美的激光冷切割，不仅激光切割设备性能可靠、稳定，且lcp天线板切割质量非常好，切割断面无碳化、无热熔、无分层。

优选地，当所述加工材料为对所述加工光束波长透明的多层次材料时，按照所述加工光束照射进深方向由远及近的顺序，依次分别对所述加工材料的各层次进行n次所述单次扫描。

具体地，继续以如图11所示的示例进行说明。若加工材料2对激光加工光束透明，加工光束可首先沿最下层的加工路径1d进行脉冲错位激光扫描，扫描完成后，再沿位于上层的加工路径1c进行脉冲错位激光扫描，以此类推，直至完成对加工材料2的所有层次的切割或者材料内部改质工作。

采用此种方式进行玻璃激光切割，可以避免传统的激光内雕刻切割方法固有的局部热量太大而导致玻璃局部爆点的问题，防止形成切割废品。

优选地，所述在先单次扫描和所述在后单次扫描之间设置有开激光延时差，所述开激光延时差可以设置在1ps到9ns之间，也就是1皮秒到9纳秒之间。

因为振镜或者机台在开始运动时的加速度较大，速度不均匀，激光扫描有一个参数叫开激光延时，使得振镜或者机台进入速度可控阶段后进行激光开光。为了比较方便地获得在先单次扫描和在后单次扫描之间的脉冲错位安排，可以对在先单次扫描和在后单次扫描分别设置不同的开激光延时，形成在先单次扫描和在后单次扫描的开激光延时差，完成在先单次扫描和在后单次扫描内部离散脉冲串之间的空间错位。

优选地，每一个所述光斑由一个激光脉冲照射完成或者由多个激光脉冲照射完成。

这种做法主要考虑到有些激光器有脉冲串功能，多个激光脉冲在极短时间爆发出来，比如皮秒激光器，多个皮秒脉冲串直接射入一个光斑位置，热效应不大，但是采用本发明技术方案进行光斑错位，可以实现飞秒激光加工效果，即，采用皮秒激光器可实现飞秒激光器的加工效果。

优选地，在所述在先单次扫描和所述在后单次扫描的过程中，当沿同一所述加工路径进行激光加工时，所述加工光束的扫描方向相同或者相反。

对于封闭的激光加工路径而言，在先单次扫描和在后单次扫描沿同一激光加工路径进行激光加工，扫描方向可以相同，也可以相反，两种方式加工效率是一样的。

对于非封闭的激光加工路径而言，每一次单次扫描，可以从特定激光加工路径的起始端扫描到结束端，也可以在先单次扫描从激光加工路径起始端扫描到结束端，然后在后单次扫描从激光加工路径结束端扫描到起始端，或者，在先单次扫描从激光加工路径结束端扫描到起始端，然后在后单次扫描从激光加工路径起始端扫描到结束端。在先单次扫描和在后单次扫描对同一非封闭激光加工路径进行激光加工时扫描方向相反，主要考虑到非封闭的激光加工路径的激光加工效率问题，这种做法可以提高一倍的激光加工效率。

优选地，所述加工光束为激光冷加工光束。

具体地，通过在时间上与空间上使每次单次扫描的激光脉冲光斑形成错位，不仅可以获得最终的边缘连续光滑的激光加工轨迹，还可采用激光冷加工光束实现，在前激光脉冲对在后激光脉冲不形成热量累积与等离子体屏蔽，且可实现无碳化切割，从而完成激光切割加工、激光表面物质改性加工以及激光在透明材料内部的改质加工等。其中，可采用纳秒激光器实现激光冷加工，超越了超短脉冲激光材料加工的效果与效率，而纳秒激光器成本和可靠性远优于超短脉冲激光器。

以电子行业覆盖膜激光切割为例，覆盖膜典型材料是在纸上覆盖一层2μm胶，胶上面粘接一定厚度的聚酰亚胺材料。具体地，聚酰亚胺材料厚度50μm，干胶厚度2μm，加工激光波长355nm，平均功率7w@150khz，激光脉冲宽度30ns@150khz，激光光斑直径20μm，激光扫描速度3m/s，共进行6次上述相互错位的单次扫描过程，离散光斑错位时间1.1μs(150khz激光脉冲周期为6.7μs，离散光斑串6串)，可获得无碳化激光切割效果，且切割断面光滑。

如图12所示，本发明实施例提供的脉冲错位激光加工装置包括：

获取模块，用于获取激光加工图档。

处理模块，用于根据所述激光加工图档确定加工光束的加工路径以及所述加工光束沿所述加工路径进行单次扫描的次数n，其中，n≥2，在每次所述单次扫描的过程中，所述加工光束的激光脉冲沿所述加工路径形成互不重叠的多个光斑。

加工模块，用于控制所述加工光束沿所述加工路径进行n次所述单次扫描，完成对加工材料的激光加工，其中，令n次所述单次扫描中相邻的两次单次扫描分别为在先单次扫描和在后单次扫描，所述在先单次扫描中的任一在先光斑和所述在后单次扫描中的与所述在先光斑对应的在后光斑部分重叠。

在本发明另一实施例中，一种脉冲错位激光加工装置包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上所述的脉冲错位激光加工方法。该装置可以为工控机等计算机装置。

在本发明另一实施例中，一种脉冲错位激光加工系统包括机台、激光器以及如上所述的脉冲错位激光加工装置，所述脉冲错位激光加工装置分别与所述机台和所述激光器电连接。

所述机台，用于放置加工材料。

所述激光器，用于生成加工光束，完成对所述加工材料的激光加工。

优选地，所述激光器为用于实现激光冷加工的激光器。

具体地，该系统还可包括必要的用于对准的拍摄装置和位移装置、光路装置等。且激光器可为用于实现激光冷加工的激光器，例如纳秒激光器等。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。