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TWI490068B - 用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統及應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法 - Google Patents

用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統及應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法 Download PDF

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TWI490068B
TWI490068B TW101119916A TW101119916A TWI490068B TW I490068 B TWI490068 B TW I490068B TW 101119916 A TW101119916 A TW 101119916A TW 101119916 A TW101119916 A TW 101119916A TW I490068 B TWI490068 B TW I490068B
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Chan Shan Yang
Alexey Zaytsev
yu liang Cai
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Nat Univ Tsing Hua
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    • B23K26/36—Removing material
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Description

用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統及應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法
本發明係有關一種雷射系統及方法，詳而言之，係涉及一種用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統及應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法。
近年來由於微奈米科技及光電產業蓬勃發展，具有快速、精確及高品質的高能光束加工技術已逐漸應用在微機電系統、光電產品或生醫微流體晶片的製作上，例如高分子材料與矽晶片加工、電子封裝接合及電路板鑽孔等製程。
一般而言，高能光束加工機制可分為兩大類。第一類為光熱作用(photo-thermal)，主要使用高功率密度之高能光束作為熱源，在極短時間內將光束聚焦在加工物表面，加工物表面因吸收光束能量而產生熱能並經由熱傳導作用傳至加工物內部，當熱量足夠時會瞬間將加工物局部熔化或汽化，再利用掃描光束或移動工作平台，以達各種加工之目的。第二類為光化作用(photo-chemical)，主要為使用光子能量較大之高能光束，直接將待加工材料之鍵結打斷而達到加工目的，當波長愈短時愈容易將高分子或光阻等材料的鍵結直接打斷，進而達到材料剝蝕加工之目的。此外，光化剝蝕機制主要係利用分子材料直接吸收高能光束時，光子會導致電子在能階上的躍遷，造成分子鍵的直接斷裂，此時藉由內部高壓強迫材料以微小爆破方式排出，故材料可被精確的剝蝕。
鑑於雷射高能光束加工的過程主要是藉由光束與材料之間產生交互作用，因而依據材料對光束能量的吸收性及材料本身的熱擴散性或熔點等物理性質，即能決定該光束對材料的可加工性。例如，不同的材料可利用不同頻率之光束來進行剝蝕，而利用不同波形之光束來剝蝕相同材料亦可產生不同的剝蝕效率。因此，目前的雷射加工機制仍需一種依據不同材料或加工需求提供對應之雷射，並提升雷射加工效率之技術。
為解決前述習知技術之種種問題，本發明提供一種用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統及應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法。
本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統係包括：雷射源係提供單一雷射波；轉換器係將該單一雷射波轉換成複數個具有不同頻率之諧波；以及調節器係調節該複數個諧波之間的相對相位及振幅，以將經調節之複數個諧波合成以產生單一合成雷射波，其中，該單一合成雷射波係匯聚至標的物上以執行雷射加工。
此外，本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統可進一步包括光路，藉由該光路將該單一合成雷射波聚焦至標的物上。再者，所述之轉換器可包括複數個非線性晶體，以將該單一雷射波轉換成包括基頻諧波及基於該基頻諧波的複數個倍頻諧波。另外，所述調節器係包括振幅調節器和相位調節器，係分別調節該複數個諧波之間的振 幅及相對相位。
本發明之應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法，係包括以下步驟：(1)提供單一雷射波；(2)將該單一雷射波轉換成複數個諧波；(3)調節該複數個諧波之間的相對相位及振幅，以將經調節之複數個諧波合成以產生單一合成雷射波；以及(4)將該單一合成雷射波聚焦至標的物上。
本發明之由轉換器所轉換出之複數個諧波係同調和共線且其相位彼此相關。
相較於習知技術，由於複數個諧波是根據單一雷射波所轉換而成，因而調節該複數個諧波之間的相對相位及振幅係相對簡單，故能依據不同材料或加工需求提供所需的合成雷射。
以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
請參閱第1A圖，第1A圖為本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統之架構示意圖。
本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統主要包括雷射源10、轉換器11、振幅調節器12、相位調節器13。本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統進一步包括光學架構14及光路15。
雷射源10係提供單一雷射波。
轉換器11係將該單一雷射波轉換成複數個具有不同頻率之諧波ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 (於第1A圖中例如有五個諧波，但不限於此)。該複數個諧波ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 係同調和共線且其相位彼此相關。具體而言，轉換器11包括複數個非線性晶體11a、11b、11c和11d(在此舉例四個非線性晶體)，該單一雷射波經這些非線性晶體11a、11b、11c和11d可轉換成基頻諧波ω1 以及基於該基頻諧波之倍頻諧波ω2 、ω3 、ω4 、ω5 。詳言之，二階諧波ω2 的功率來自基頻諧波ω1 ；三階諧波ω3 的功率來自基頻諧波ω1 和二階諧波ω2 ；四階諧波ω4 的功率二階諧波ω2 ；五階諧波ω5 的功率來自基頻諧波ω1 和四階諧波ω4 。振幅調節器12調節該複數個諧波ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 之間的振幅。相位調節器13調節該複數個諧波ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 之間的相對相位。根據傅立葉理論可知，任何平滑而有限的週期函數皆可表示成正弦級數或餘弦級數，其中正弦級數與餘弦級數皆為基頻的倍數。因此，藉由調節諧波ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 間的相對相位及振幅可合成不同波形的單一合成雷射波，則於執行雷射加工時會有不同的雷射剝蝕效率。
光學架構14及光路15可將該單一合成雷射波聚焦至標的物2上，進行雷射加工。
接著參閱第1B圖，第1B圖為本發明之應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法。於步驟S21中，提供單一雷射波。於步驟S22中將該單一雷射波轉換成複數個諧波。於 步驟S23中調節該複數個諧波之間的相對相位及振幅，以將經調節之複數個諧波合成以產生單一合成雷射波。本發明之單一合成雷射波的波形可藉由調整複數個諧波之間的相對相位及振幅而具體實現。
由第1A和1B圖所示之實施例可知，雷射源10所提供之單一雷射波經複數個非線性晶體11a、11b、11c和11d之後轉換成複數個諧波ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 ，接著振幅調節器12和相位調節器13調節複數個諧波ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 之間的相對相位和振幅，再藉由光學架構14及光路15以將所產生的單一合成雷射波聚焦至標的物2上。
參閱第2A~2B圖，其為根據本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統之一實施例表示不同相對相位之單一合成雷射波之峰值強度。
例如，於本實施例中，轉換器11將單一雷射波轉換成兩個諧波ω1 和ω2 ，藉由調制兩個諧波ω1 和ω2 之間的相對相位和振幅可合成不同波形的單一合成雷射波，且會有不同的尖峰功率。第2A~2D圖分別描述相對相位△φ=0、0.5 π、π、1.5 π的單一合成雷射波之尖峰功率。如第2D圖所示，相對相位為1.5 π的單一合成雷射波具有較高的峰值強度，表示於進行雷射加工時會有較高的剝蝕效率。
接著參閱第3和4圖，其表示根據第2A~2B所述之本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統之一實施例。
由第2A~2D圖可知，由諧波ω1 和ω2 所合成之數個不同波形的單一合成雷射波中，相對相位為1.5 π時具有較高的峰值強度。例如，於標的物為150μm的銅片時，利用由相對相位為1.5 π的諧波所合成之單一合成雷射波對該標的物執行雷射剝蝕，於第3圖中可知，相對相位為1.5 π時有較大的鑽蝕孔徑，且於第4圖可知，相對相位為1.5 π時有較大的剝蝕效率。
綜上所述，本發明可藉由調節這些來自單一雷射波之基頻諧波及基於該基頻諧波的複數倍頻諧波之間的振幅及相對相位，以視標的物材料或加工後尺寸等因素合成出具所需特定波形的單一合成雷射波，則此單一合成雷射波具有增加的尖峰功率，俾增加雷射加工的效率。
上述實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧雷射源
11‧‧‧轉換器
11a、11b、11c、11d‧‧‧非線性晶體
ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 ‧‧‧諧波
12‧‧‧振幅調節器
13‧‧‧相位調節器
14‧‧‧光學架構
15‧‧‧光路
2‧‧‧標的物
S21~S23‧‧‧步驟
第1A圖係為本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統之架構示意圖；第1B圖係為本發明之應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法流程圖； 第2A圖至2D圖係為本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統之一實施例之不同相對相位之單一合成雷射波之峰值強度；第3圖係為本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統之一實施例之單一合成雷射波之鑽孔孔徑；第4圖係為本發明之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統之一實施例之單一合成雷射波之剝蝕效率。
10‧‧‧雷射源
11‧‧‧轉換器
11a、11b、11c、11d‧‧‧非線性晶體
ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 ‧‧‧諧波
12‧‧‧振幅調節器
13‧‧‧相位調節器
14‧‧‧光學架構
15‧‧‧光路
2‧‧‧標的物

Claims (9)

  1. 一種用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統，係包括：雷射源，係提供單一雷射波以用於雷射加工；轉換器，係將該單一雷射波轉換成複數個具有不同頻率之諧波；以及調節器，係調節該複數個諧波之間的相對相位及振幅，以將經調節之複數個諧波合成以產生具有不同波形的單一合成雷射波，其中，該單一合成雷射波係匯聚至標的物上以執行該雷射加工，其中，該調節器根據該標的物之材料或加工需求來調節該複數個諧波之間的相對相位及振幅，以將該經調節之複數個諧波合成以產生該具有不同波形的單一合成雷射波，進而於利用該具有不同波形的單一合成雷射波執行該雷射加工時，獲得不同的雷射剝蝕效率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統，復包括光學架構及光路，藉由該光學架構及光路將該單一合成雷射波聚焦至該標的物上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統，其中，該轉換器係包括複數個非線性晶體，以將該單一雷射波轉換成包括基頻諧波及基於該基頻諧波的複數個倍頻諧波。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於雷射加工之多階諧 波合成雷射系統，其中，該調節器係包括振幅調節器和相位調節器，係分別調節該複數個諧波之間的振幅及相對相位。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統，其中，該複數個諧波係同調和共線且其相位彼此相關。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之用於雷射加工之多階諧波合成雷射系統，其中，該單一合成雷射波係對該標的物進行剝蝕。
  7. 一種應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法，係包括以下步驟：(1)提供用於執行雷射加工之單一雷射波；(2)將該單一雷射波轉換成複數個具有不同頻率之諧波；(3)調節該複數個諧波之間的相對相位及振幅，以將經調節之複數個諧波合成以產生具有不同波形的單一合成雷射波；以及(4)將該單一合成雷射波聚焦至標的物上，其中，根據該標的物之材料或加工需求來調節該複數個諧波之間的相對相位及振幅，以將該經調節之複數個諧波合成以產生該具有不同波形的單一合成雷射波，進而於利用該具有不同波形的單一合成雷射波執行該雷射加工時，獲得不同的雷射剝蝕效率。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之應用多階諧波合成雷射 之雷射加工方法，步驟(2)復包括將該單一雷射波轉換成包括基頻諧波及基於該基頻諧波的複數個倍頻諧波。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之應用多階諧波合成雷射之雷射加工方法，該複數個諧波係同調和共線且其相位彼此相關。
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