激光系统的脉冲控制技术方案

一种脉冲激光系统，包括一激光泵浦源（１４）；一激光棒（１２）；一反射镜（１８），置于激光泵浦源与激光棒之间，来自激光泵浦源的能量通过它进入激光棒；一输出镜（２４），通过其来自激光棒的能量发出；一开关（２０），置于激光棒与输出镜之间；和一控制装置。该控制装置允许从激光棒发出的主激光脉冲在发射期间照射在一工件上，并且阻止在主脉冲发射之后在发射期间发生的次级激光发射照射在该工件上。在一重复频率范围内运转该脉冲激光系统，使得在每一重复频率下激光能量在多个发射期间发出。所发出的一部分激光能量射向目标结构。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及激光系统的脉冲控制，并且更具体地说，涉及在例如电阻修整(trimming)或电容修整等微加工工艺中对不同重复频率脉冲的宽度和能量进行控制。激光的脉冲宽度一般随重复频率(即激光器所发射脉冲的频率)的增加而增大。这是因为在较高重复频率时每次脉冲之前激光棒中存储能量的时间较短，而在较低重复频率时每次脉冲之前激光棒中存储能量的时间较长。因此，对于每次脉冲，其能量输出和瞬态脉冲宽度随着重复频率的变化而发生很大变化。此现象缘于激光棒中可能提取的能量取决于其中所存储能量的事实。例如，在30kHz的重复频率时只有约33微秒能用于存储并打开Q-开关以允许激光脉冲发射，而在1kHz的重复频率时有约1000微秒能用于存储并进行Q-开关。激光增益正比于棒中所存储的能量大小。因此，当以降低的重复频率激发激光脉冲时，由于其棒中存储有较多的能量，使得其除清(sweep up)比以较高频率激发激光脉冲时迅速地多，从而产生较短的瞬态脉冲宽度。对于每个脉冲的给定能量，其峰值功率反比于激光脉冲宽度。因此，300纳秒脉冲的峰值功率比具有相同总能量的100纳秒脉冲的峰值功率小得多。输送给工件的每脉冲总能量通常由一个用于衰减光束的装置加以控制；为了使每个时刻的脉冲具有相同的总能量，对1kHz的激光脉冲比对10kHz的激光脉冲进行更多的衰减。可以通过在激光器以较低重复频率工作时降低激光棒中存储的能量来展宽较低重复频率给定激光束提供的激光脉冲。这可以通过降低从激光泵浦进入棒的能量来实现。Light Wave Electronics Model 110激光器即是根据该原理工作。也可以通过在每激光脉冲之前不管重复频率以大约相同的存储时间将能量泵浦进入激光棒来确保不同重复频率下类似的脉冲宽度。在该高能量存储时间之后但是在打开Q-开关之前，泵浦进入激光棒的能量被降低至仅仅在用于补偿激光棒中存储能量的损耗所需的阈值之上的水平。可以保持该降低的能量水平直到打开Q-开关以允许脉冲从激光棒中射出。General Scanning’s M320脉冲激光系统是一个不能保证不同重复频率下类似脉冲宽度的系统。在该系统中，在激光器与工件之间设置有声光调制器(AOM)。随着激光沿着工件的扫描，除了需要激光脉冲去除工件上的链接之外，声光调制器阻止激光脉冲照射在工件上。为了去除链接，声光调制器允许Q-开关打开即刻后发出的单个脉冲照射在该链接上。声光调制器可以根据需要只允许脉冲的一部分能量照射在该链接上。Togari等人的美国专利US 5,719,372描述了一种激光标记系统，其中激光脉冲在工件中产生孔从而形成标记。Q-开关断开(打开)时的每个发射期间都足够长以允许激光器发射一个主发射脉冲和多个次级发射脉冲，所有这些脉冲都照射在工件上。这些主发射脉冲和次级发射脉冲的强度都小于在发射期间较短且重复频率相同时所发射的单个发射脉冲的强度。这些低功率次级发射向工件输送额外的能量。该专利指出低功率次级发射可以使包括含碳树脂薄膜的工件中的标记线具有改善的清晰度。专利技术概述本专利技术的一个方面其特征在于一种脉冲激光系统，其包括一激光泵浦源〔例如，连续波(CW)泵浦源〕；一激光棒；一反射镜，置于激光泵浦源与激光棒之间，来自激光泵浦源的能量通过其进入激光棒；一输出镜，来自激光棒的能量通过其发出；和一开关(例如，Q-开关)，置于激光棒与输出镜之间。还有一个控制装置，可以在激光谐振腔的外部。所述Q-开关当其关闭时使能量存储在激光棒中，并且当其打开时可以使能量在发射期间从激光棒发出。所述控制装置允许从激光棒发出的主激光脉冲在发射期间照射在一工件上，并且阻止在发射期间在主脉冲之后发生的次级激光发射的至少一部分照射在该工件上。根据本专利技术的二极管泵浦激光技术提供了脉冲宽度以及重复频率的弹性选择以及控制，从而优化了其性能。本专利技术使得可以采用在高重复频率具有短脉冲宽度的激光来在低重复频率下加工工件(例如，进行电阻修整)，而不发射过度的短脉冲。对于某些应用例如修整高质量电阻，这种低重复频率会特别有用。本专利技术不需要以激光泵浦输出的任何降低来提供低重复频率的宽脉冲。因此，不必重新设计或者安装用以确保激光泵浦源稳定输出的电源电路和反馈电路。而且，本专利技术不需要在主激光脉冲发射之后的发射期间部分使能量以减小的水平泵浦进入激光棒。因此，本专利技术不需要考虑在主激光脉冲发射之后存储在激光棒中的总能量中可能引入的误差，而这种误差在低衰减时是特别显著的。因为设置有控制装置来阻止在主脉冲发射之后在发射期间发出的不利输出照射在工件上，所以这部分激光输出不会影响工件的温度，从而不会影响在各主脉冲之前可能进行的温度敏感的测量，并且不会影响工件的性能。例如，在厚膜电阻的修整中，可能在各主脉冲即刻之前进行电阻测量。在硅基片上半导体电路的微加工中，消除次级发射和连续波输出可以防止对硅基片的过度加热，从而保护硅基片不受损坏。本专利技术的另一个方面其特征在于一种方法，其中在一重复频率范围运转所述脉冲激光系统，从而在每个重复频率下使激光能量在多个发射期间发出。发射期间发出的至少一部分激光能量被射向目标结构。在所述重复频率范围内使所述开关在各发射期间之前关闭与主激光脉冲重复频率无关的固定的予定时间。以恒定的功率连续地运转泵浦源。从下面结合附图的详细说明可以清楚地了解本专利技术的许多其它特色、目的和优点。附图的简要说明附图说明图1是一个方框图，表示根据本专利技术的激光系统的主要部件。图2是一个方框图，表示根据本专利技术的另一激光系统的主要部件。图3是一组波形，说明图1的激光系统在较高固定重复频率时以及在较低重复频率时的操作。图4表示在没有声光调制器的情况下图1的激光系统输出功率随时间变化的函数。图5与图4相似，具有缩小的时间标度。图6表示在采用声光调制器使激光器的连续波输出排出在散热器上时图1的激光系统输出功率随时间变化的函数。因此图6与图4相似，但是去除了不需要的次级脉冲。详细说明在厚膜电阻的修整过程中，最佳峰值激光脉冲功率、脉冲宽度，和脉冲能量取决于电阻涂料(paste)材料的类型和厚度。例如，高欧姆涂料一般比低欧姆涂料含有较少的金属并且一般较厚。因为半绝缘高欧姆涂料中的热传导比低欧姆涂料中所需时间要长，所以高欧姆涂料一般比低欧姆涂料需要较长的激光脉冲宽度。相反，低欧姆涂料一般含有大量的金属。这些涂料易于从激光脉冲所产生的切缝将热量横向传导开。短激光脉冲会限制这些低欧姆涂料中这种横向传导的可能性。厚膜电阻一般为大约5微米厚，因此激光脉冲需要时间通过热扩散来加热整个电阻。一般地说，对于该电阻100纳秒是较好的脉冲宽度，但是70纳秒以下则可能不具有足够的时间在所有方向穿透电阻，因而可能会使某些电阻材料残留在切缝的底部。该材料可能会提高漏电流并且降低电阻的性能。另一方面，在300纳秒的脉冲宽度电阻可能被完全穿透，但是因为脉冲时间太长而使热量可能会通过电阻横向消散。该横向热传导会在电阻切缝的边缘产生一熔化的区域和残余，这会改变电阻温度系数(TCR)并且导致微裂纹。微裂纹反过来可以导致长期电阻漂移。除了脉冲宽度，激光脉冲的能量也很重要，因为蒸发电阻材料需要一定量的能量。而且，修整速度也很重要，且高修整速度一般是有利的。修整速度的极限是输送给电阻的每脉冲能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲激光系统，包括： 一激光泵浦源； 一激光棒； 一反射镜，置于激光泵浦源与激光棒之间，来自激光泵浦源的能量通过它进入激光棒； 一输出镜，来自激光棒的能量通过其发出； 一开关，置于激光棒与输出镜之间，当其关闭时使能量在激光棒中存储所需的时间间隔，并且当其打开时可以使能量在发射期间从激光棒发出； 一控制装置，其构造是使在发射期间从激光棒发出的主激光脉冲可以照射在一工件上，并且阻止在发射期间在主脉冲之后发生的次级激光发射的至少一部分照射在该工件上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐纳德V斯玛特，
申请(专利权)人：通用扫描公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]