脈沖的產(chǎn)生與束位置同步。
[0049]在一個實施例中,同步制程用于將束內(nèi)105的一系列的連續(xù)的激光脈沖(例如,“激光脈沖串”)以相對于工件102束位置同步輸送至工件102。常見的激光脈沖串內(nèi)的激光脈沖可以具有(至少基本上)相同的脈沖能量以及借由脈沖間周期(這里也稱為簡單地作為“脈沖周期”)而(至少基本上)在時間上彼此間隔開的,使得激光脈沖串可以通過(至少基本上)均勻PRF為特征。制程區(qū)段可能開始在任意時刻,并且可能不一定被同步到由激光系統(tǒng)104產(chǎn)生的現(xiàn)有的脈沖串(例如,基于激光系統(tǒng)104本身的特征或者基于由系統(tǒng)控制器114的外部控制)。制程區(qū)段通常與期望的激光脈沖PRF和束速度相關(guān)聯(lián),以保持在工件102束位置的所期望的間隔(“咬口尺寸(bite size)”)。激光脈沖串可以在激光系統(tǒng)104內(nèi)而內(nèi)部地產(chǎn)生,或者從激光系統(tǒng)104的外部產(chǎn)生。制程區(qū)段的持續(xù)時間可以被設(shè)計成使得發(fā)射整數(shù)個激光脈沖,其具有發(fā)射到所希望的工件位置(在一些可接受的容差內(nèi),例如,〈光斑直徑的5%-25% )的第一和最后一個激光脈沖。因此,在某些實施例中,第一激光脈沖(在時間上)相對于制程區(qū)段的開始同步。
[0050]在一個實施例中,第一激光脈沖是借由修改激光脈沖指令串而相對于制程區(qū)段的開始來同步,使得有效的激光脈沖以相對于制程區(qū)段的開始的正確時間被發(fā)出。將會理解的是,許多激光器產(chǎn)生最小值的PRF的激光脈沖,以避免由于過大的脈沖能量(通常是正比于脈沖間周期)而損壞激光系統(tǒng)104。為了避免不希望有的大的脈沖周期,用于新的制程區(qū)段(在用于所述制程區(qū)段所期望的PRF)的激光脈沖串的開始可以相對于先前產(chǎn)生的脈沖串的結(jié)束來延遲,使得一個脈沖間周期被插入在兩個相繼地產(chǎn)生的激光脈沖串之間,其中,所述插入的脈沖間周期比與過大的能量脈沖相關(guān)聯(lián)的不期望地大的脈沖間周期還小。延遲一新的制程區(qū)段的上述制程可以在本文中被稱為“激光脈沖串再同步”。激光脈沖串再同步可以發(fā)生在當激光脈沖的脈沖能量如上述被消隱的期間(例如,可能當束位置從經(jīng)加工后的特征移動到工件上的新的特征將被形成的另一個區(qū)域上時典型地發(fā)生,本文中被稱為“特征間移動”)。在此再同步期間,激光脈沖能量被衰減至零或接近零。在另一個實施例中,例如,激光脈沖串是外部地生成的,制程區(qū)段之間的時間周期可以被調(diào)整以同步激光脈沖和制程區(qū)段時序。
[0051]E.束調(diào)整協(xié)調(diào)與脈沖生成
[0052]根據(jù)本文公開的實施例,AO裝置RF指令(振幅和頻率)可與入射到束調(diào)整系統(tǒng)112的激光脈沖串同步。AO裝置RF波形的指令更新時序可以相對于由激光系統(tǒng)104所產(chǎn)生的激光脈沖為任意的。在一些實施例中,當激光脈沖穿過AO晶體時,針對AO晶體內(nèi)的聲波(由所施加的RF指令而生成)不含有瞬變?yōu)槔硐氲?。這樣的瞬變可能扭曲激光脈沖的振幅或波前,并且有害地影響在工件102處的激光加工的質(zhì)量。為了避免這樣的瞬變,借由激光系統(tǒng)104的激光脈沖的生成和束調(diào)整系統(tǒng)112的AO裝置內(nèi)所產(chǎn)生的激光脈沖的調(diào)整可以被同步。在一個實現(xiàn)中,AO裝置RF指令可以針對圍繞每一個激光脈沖的時間封包內(nèi)的可配置的時間周期而保持恒定。這允許AO裝置RF指令變?yōu)楠毩⒌厣?,而不考慮激光脈沖生成的時序的細節(jié)。在一個實施例中,激光脈沖的生成和調(diào)整的同步可能直接發(fā)生在與激光系統(tǒng)104和束調(diào)整系統(tǒng)112相關(guān)聯(lián)的控制器(未示出)之間。
[0053]F.示例性激光功率控制系統(tǒng)
[0054]已經(jīng)描述了與測量個別激光脈沖的脈沖能量(例如,用于質(zhì)量和控制的目的)、控制個別激光脈沖的脈沖能量以促進對脈沖能量和PRF的快速變化、協(xié)調(diào)個別激光脈沖的脈沖能量控制與束位置以及協(xié)調(diào)激光脈沖的生成和調(diào)整之相關(guān)聯(lián)的示例性實施例,激光功率控制系統(tǒng)600以及其操作的示例性實施例現(xiàn)在將參考圖6和7來討論。在有關(guān)圖6和7所討論的示例性實施例中,上述束調(diào)整系統(tǒng)112將提供以作為AOD裝置(例如,被建構(gòu)成偏轉(zhuǎn)激光脈沖束105以沿著X軸和Y軸中的一者或兩者在第三掃描場204內(nèi)掃描束位置),并且將在下文中被簡稱為“ AOD ”。
[0055]參考圖6和7,圖6所示的示例性激光功率控制系統(tǒng)600包括AOD功率和控制線性模塊614和系統(tǒng)光學組件615。系統(tǒng)光學組件615可以包括例如圖1中所示的激光系統(tǒng)104和圖7中所示的AOD光學組件711。激光脈沖能量表或者簡化的激光能量表(LET)710描述了在工件102處的脈沖能量相對于PRF的可用值。LET 710可以在加工工件102之間進行校準以建立激光系統(tǒng)104和任何補充系統(tǒng)的性能的模型。AOD衰減器610借由改變AOD光學組件711的傳輸而執(zhí)行校準的光學功率衰減。也包含在激光功率控制系統(tǒng)600內(nèi)的上述LEM 116和夾頭功率計(CPM) 612可以提供反饋以通過通用輸入/輸出(1)控制器(G1)(例如,實時的通用1控制器)校準和控制傳輸?shù)焦ぜ?02的個別激光脈沖的功率。G1可以被實現(xiàn)以作為圖1中所示的系統(tǒng)控制器114的一部分,或者可以是分開的。在這個例子中,G1包括其他組件之間的AOD控制和線性模塊614(在圖6和圖7所示)和可選的功率控制回路(PCL) 712 (在圖7中示出)。如圖6所示,AOD控制和線性模塊614包括實時功率控制器616和AOD線性表622。
[0056]在激光加工以在工件102內(nèi)形成特征期間,諸如LET 710、AOD衰減器610、LEM116,CPM 612以及功率控制器616的功率控制組件可以協(xié)調(diào)實時功率控制和監(jiān)測。LET 710是用來計算適合用于給定的脈沖能量(PE)和PRF設(shè)定點的標稱AOD傳輸。LEM 116及/或CPM 612驗證從所施加的AOD傳輸?shù)贸銮覀鬟f到工件102的激光脈沖的功率。當充分校準時,LET 710和AOD衰減器610允許功率控制器616以逐個脈沖地實現(xiàn)激光脈沖能量的開環(huán)控制,假如由激光系統(tǒng)104所產(chǎn)生的激光脈沖的激光功率(也在本文稱為“激光頭輸出功率”)在周期的LET校準和AOD校準更新之間保持(至少基本上)穩(wěn)定。在某些實施例中,PCL 712借由不斷地調(diào)整AOD傳輸指令來調(diào)整來自激光系統(tǒng)104的短期激光功率波動,以維持所指令的PE,不管在原始激光脈沖能量輸出的任何變化。上述功率控制組件的操作和校準如下所述。
[0057]1.激光脈沖能量表(LET)
[0058]在激光加工設(shè)備100中,激光頭輸出脈沖能量是PRF的函數(shù),并且這個函數(shù)隨激光老化而在時間上變化。LET 710表示對于任意的PRF在最大AOD傳輸?shù)墓ぜ?02處可用的激光脈沖能量(在此也稱為“工作PE”或“工件PE”)。LET 710是用來計算所需的AOD傳輸?shù)淖罴压烙嬕蕴峁┧谕腜RF的所要求的激光工件102PE。LET 710描述可用在工件102處的實際激光PE 613( g卩,由如圖1所示的鐳射系統(tǒng)104所產(chǎn)生的激光PE) (PElaser)。這不同于(并且可能高于)所指定的系統(tǒng)激光功率,其用于引導激光加工的安裝。所指定的系統(tǒng)激光功率限制可以通過分離的功率限制表來進行說明,這個表是針對給定的系統(tǒng)設(shè)計(激光和光學串配置)預(yù)先定義的并且既不進行校準也不更新。
[0059]所期望的AOD傳輸?shù)扔赑Ecmd/PElaser,其中PEcmd是經(jīng)選擇或指令的PE以及PElaser是在工件上的實際的激光PE (或真實的激光PE)。如果LET 710提供1/PE激光隨PRF的變化,所期望的傳輸可以借由簡單的乘法而計算,如圖7所示。LET 710表的縮放和實現(xiàn)可以借由分離出固定的縮放因子(Kpwr) 714而進一步簡化,使得LET 710查詢表包含衰減系數(shù)I)隨脈沖周期(1/PRF)的變化。Kpwr 714和LET 710表值的乘積然后導致所需要的傳輸以產(chǎn)生所要求的PE/PRF結(jié)合。
[0060]LET條目是從激光功率數(shù)據(jù)所生成。圖8示出由示例性激光功率曲線的進展(例如,在激光功率和PE相對于PRF的方面來說),對著PE隨脈沖周期的變化,對著歸一化的I/PE值隨脈沖周期的變化。縮放因子Kpwr 714被計算以在包含最低激光PE (S卩,最大傳輸情況)的PRF處提供正確的傳輸。在激光PE較高的所有其他的脈沖周期,LET條目是〈1.0,并且傳輸可以適當?shù)匕幢壤s小。
[0061]在一個實施例中,LET 710可以被用于實現(xiàn)適應(yīng)速度加工,其中當借由激光系統(tǒng)104所產(chǎn)生的激光脈沖的激光功率隨時間降低,束位置相對于工件102進行掃描的速度和激光PRF可以(例如,自動地)調(diào)整,以維持期望的咬口尺寸和脈沖能量。適應(yīng)速度加工也可以允許相對新的激光系統(tǒng)104的較大功率,以最大限度地利用以在整個激光器的使用壽命中提尚廣量。
[0062]2.AOD 衰減器
[0063]通過被偏轉(zhuǎn)束105的光學傳輸?shù)乃p,AOD提供用于束偏轉(zhuǎn)和功率控制兩者。如上面所討論,傳輸可以借由改變施加至AOD單元的RF功率層級而進行調(diào)整。AOD的傳輸?shù)淖兓?即,傳輸618的衍射效率或AOD效率)是所施加的RF功率和頻率的非線性函數(shù)。這種非線性關(guān)系被校準以線性化實際傳輸相對于指令傳輸。
[0064]3.LEM 和 CPM
[0065]如上面所討論,LEM 116可以針對每個個別的激光脈沖讀取激光脈沖能量(PE)值,并從中產(chǎn)生PE數(shù)據(jù)。PE數(shù)據(jù)被同步到激光系統(tǒng)104的激光Q開關(guān)指令,其在指定的PRF處運行,且異步至數(shù)字信號處理器(DSP)采樣周期。LEM讀數(shù)針對偏移和縮放因子進行修正,以將它們轉(zhuǎn)換成PE數(shù)據(jù)。根據(jù)某些實施例,LEM 116提供與激光脈沖能量相關(guān)的數(shù)據(jù)-而不是激光功率。如果需要的話,LEM PE數(shù)據(jù)可以借由瞬時激光PRF乘以PE被轉(zhuǎn)換成激光功率。DSP(以及通過非實時指令的系統(tǒng)控制計算器(SCC)620)可以(通過數(shù)據(jù)記錄器)提供對單一采樣功率讀數(shù)或一連串的功率讀數(shù)的使用。
[0066]CPM 612是系統(tǒng)中用于功率測量的參考傳感器。LEM讀數(shù)可以相對于CPM 612來校正,以確保實時功率設(shè)置和監(jiān)控的準確性。
[0067]G.功率校準
[0068]為了測量激光能量和控制激光功率,激光加工設(shè)備的某些組件可能需要校準。在一般情況下,然而,校準和功率設(shè)置方法可以概括如下=(I)CPM 612相對于外部參考來校準;(2) LEM 116使用CPM 612來校準;(3) LET 710使用LEM 116來校準;(4) AOD衰減線性使用LEM 116來校準;(5)對于給定的PE/PRF設(shè)定點,標稱AOD傳輸(NomTrans)根據(jù)LET710來計算;(6)在應(yīng)用加工期間,LEM反饋被用來監(jiān)測功率錯誤情況,并且可以選擇性地用于微調(diào)實時的AOD傳輸指令;以及(7) LEM校準716可以隨著光學傳輸變化定期來更新,以保持LEM校準。校準步驟的詳細情況如下所述。
[0069]1.CPM 校準
[0070]在CPM校準期間,或者在后續(xù)操作中的CPM 612的任何使用期間,在允許功率變化之間的穩(wěn)定周期(如3秒)之后,CPM讀數(shù)(功率和偏移兩者)在時間周期(例如,2秒)上且在一個數(shù)量的讀數(shù)(例如,100個讀數(shù))上被平均。圖9顯示了可以根據(jù)本發(fā)明的實施例來產(chǎn)生的CPM讀數(shù)瞬態(tài)。CPM讀數(shù)可以用于CPM偏移而進行調(diào)整,其可以對功率計溫度為敏感的。偏移可以在每次使用CPM 612期間進行測量。為了最大限度地提高精確度,CPM偏移(具有所施加的零激光功率)可以在經(jīng)提供功率的讀數(shù)之后來讀取,減少由于CPM加熱的熱誤差。如上述的相同平均化制程可以使用。
[0071]2.激光能量監(jiān)控器(LEM)校準
[0072]脈沖能量的LEM讀數(shù)針對偏移和縮放進行修正,從而導致LEM PE讀數(shù)PElem (例如,以μ J為單位),根據(jù)以下內(nèi)容:
[0073]PEle