提高激光机加工除材速率的方法与设备.pdf

材料变化方法与设备利用包含合理定时的激光脉冲(702、704)的激光(302)脉冲串增强材料(314，366)的变化。在一实施法中，材料变化方法包括步骤：提供激光脉冲串，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲间的时间10ps～100ns，各脉冲串每个激光脉冲间的时间为5ns～5μs；连续脉冲串间的时间大于含各脉冲串的每个激光脉冲间的时间；以及把脉冲串引到工件(314、366)上，其中各脉冲串的主激光脉冲(702)强度超过工件的损坏阈值(802)。

1.  一种材料变化方法，其特征在于包括：
提供激光脉冲的脉冲串，其中每一脉冲串包括至少两个激光脉冲，每个激光脉冲的脉冲持续时间为10ps～100ns，各脉冲串的每一激光脉冲间的时间为5ns～5μs；
连续脉冲串间的时间大于构成各脉冲串的每一激光脉冲间的时间；和
把脉冲串引到工件上，其中各脉冲串主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，各脉冲串的激光脉冲含分立的激光脉冲。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，各脉冲串包含重叠的激光脉冲。

4.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，脉冲串内一对重叠激光脉冲间的中间激光发射具有与工件互作用时不产生附加消融等离子体的强度。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含基本相同的持续时间。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含不同的持续时间。

7.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲具有基本相等的能量。

8.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含的能量不同。

9.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含基本相同的空间分布。

10.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含不同的空间分布。

11.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，把两个或更多的脉冲串反复地引到工件上。

12.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲包括波长基本上相同的光。

13.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲包括波长不同的光。

14.  一种材料变化方法，其特征在于包括：
提供激光脉冲的脉冲串，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲，连续脉冲串间的时间大于构成各脉冲串的每个激光脉冲间的时间；
把脉冲串引到工件上，其中各脉冲串主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值；
其中各脉冲串的主脉冲产生消融等离子体和喷出物；和
其中各脉冲串的副脉冲定时成在基本上耗散了消融等离子体后出现并与喷出物互作用，从而形成与工件互作用的加热的材料。

15.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，各激光脉冲的脉冲持续时间为10ps～100ns，各脉冲串每一激光脉冲间的时间为5ns～5μs。

16.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，各脉冲串的激光脉冲含分立的激光脉冲。

17.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，各脉冲串含重叠的激光脉冲。

18.  如权利要求17所述的方法，其特征在于，脉冲串的一对重叠激光脉冲间的中间激光发射具有与工件互作用时不产生附加消融等离子体的强度。

19.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含基本相等的持续时间。

20.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含不同的持续时间。

21.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含基本相等的能量。

22.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含不同的能量。

23.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含基本上相同的空间分布。

24.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲含不同的空间分布。

25.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，把两个或更多脉冲串反复地引到工件上。

26.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲包括波长基本上相同的光。

27.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，构成脉冲串的激光脉冲包括波长不同的光。

28.  一种材料变化方法，其特征在于包括：
提供激光脉冲的脉冲串，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲，连续脉冲串间的时间大于构成各脉冲串的每个激光脉冲间的时间；
把脉冲串引到工件上，其中各脉冲串的主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值；
其中各脉冲串的主脉冲产生温度大于20,000K的第一材料相和温度小于10,000K的第二材料相；和
各脉冲串的副脉冲定时成主要与第二材料相互作用。

29.  一种材料变化设备，其特征在于包括：
配置成产生激光脉冲的激光器，所述激光脉冲的脉冲持续时间为10ps～100ns，激光脉冲间的时间大于所述脉冲持续时间；
把各激光脉冲分成分裂激光脉冲的分束器；
每个分裂激光脉冲运行的激光路径，各激光路径的长度不同；
接收每个分裂激光脉冲并把这些分裂激光脉冲作为脉冲串引到工件上的合束器；
各激光路径不同的长度使分裂激光脉冲之间到达工件的时间为5ns～5μs；和
构成各脉冲串的分裂激光脉冲的主脉冲强度超过工件的损坏阈值。

30.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，还包括至少一个限定激光路径之一的反射器。

31.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，还包括把分裂激光脉冲聚焦到工件上的聚集组件。

32.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器和合束器用于产生分立的分裂激光脉冲。

33.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器和合束器用于产生重叠的分裂激光脉冲。

34.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器和合束器用于产生构成每个脉冲串的分裂激光脉冲，所述分裂脉冲的持续时间基本相等。

35.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器和合束器用于产生构成每个脉冲串的分裂激光脉冲，所述分裂脉冲的持续时间不等。

36.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器和合束器用于产生构成每个脉冲串的分裂激光脉冲，所述分裂脉冲的能量基本相等。

37.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器和合束器用于产生构成每个脉冲串的分裂激光脉冲，所述分裂脉冲的能量不等。

38.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器和合束器用于产生构成每个脉冲串的分裂激光脉冲，所述分裂脉冲的空间分布基本相同。

39.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器和合束器用于产生构成每个脉冲串的分裂激光脉冲，所述分裂脉冲的空间分布不同。

40.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器用于产生构成每个脉冲串的分裂激光脉冲，所述分裂脉冲的波长基本相同。

41.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，分束器用于产生构成每个脉冲串的分裂激光脉冲，所述分裂脉冲的波长不同。

42.  一种材料变化设备，其特征在于包括：
提供激光脉冲脉冲串的装置，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲，各激光脉冲的脉冲持续时间为10ps～100ns，各脉冲串中每个激光脉冲间的时间为5ns～5μs；
连续脉冲串间的时间大于构成各脉冲串的每个激光脉冲间的时间；和
把脉冲串引到工件上的装置，其中各脉冲串的主激光脉冲强度超过工件的损坏阈值。

提高激光机加工除材速率的方法与设备
发明领域
本发明涉及用脉冲激光器处理材料的方法，尤其涉及提高脉冲激光辐射去除材料的速率与精度的方法。
发明背景
在1毫米量级深度下把材料钻/切到约100微米截口宽度(纵横比＜10∶1)，可用普通的机械车床和机床(如开槽锯)。超过这一级别，一般用电子束或激光机床切割或高精度机加工(雕刻、钻孔)。大多数电子束与现有的工业激光技术都通过局部热处理，将要去除的材料加热到熔点或沸点而把它去除。紫外激光器利用有机(以及某些无机)材料中的分子分解作用而实现激光加工，但这种光分解作用并不适用于所有的材料。
用电子束或当前技术水平的激光实现的局部热处理的基本互作用，是在有关材料中入射束能量以热形式的淀积(晶格振动)。连续式或脉冲式激光束被导向一组光学元件，后者把束聚焦到工件上。用脉冲激光时，束100包括一串独立的脉冲102，其持续时间一般在150～500纳秒之间，如100ns，重复频率为0.1～100千赫(见图1)。各种材料的束能量吸收可很不相同，取决于金属的热机机特性。激光吸收还依赖于有关材料的光学特性，例如金属与电介质的激光能量吸收完全不同。
被吸收的激光能量造成吸收地点及附近的温度上升，当温度升至熔点或沸点时，材料通过常规的熔融或蒸发被除去。根据激光的脉冲持续时间，辐射区温升极快，造成热消融与热冲击。辐射区被蒸发或直接消融掉的原因在于，局部热应力变得大于材料的屈服强度(热冲击)。在所有这些场合中，在材料通过热机理被除去的地方，在除去材料地点周围的材料受到影响。周围材料将经历大的温度突增或冲击，往往造成材料特性的明显变化，包括粒结构的变化，微细裂口或实际的成分变化。这类成分变化包括氧化(若在空气中切割或者是合金，就改变合金成分)。根据材料的热机械特征、激光脉冲的持续时间与其它因素(如有效冷却)，受影响区域可从数微米到几毫米。在众多场合中，受发热或冲击影响的区域要严加限制，因为该区域的材料特征与整块材料的特性完全不同。
普通的激光或电子束加工在高精密应用中的另一限制因素是存在再淀积或再固化的材料。如前所述，通过熔化或蒸发有关材料，会发生切割或钻孔。除去区附近的表面经受的重大热负载，通常引起熔融，而熔融在固化前会伴有流动，并在截口周围淀积渣。在许多高精密应用中，不允许有渣。而且，截口的壁上或上部表面常有蒸发材料的再淀积。这种凝结物常常降低了切割质量，降低了切割效率，因为束与下面的块料互作用前，必须再除去这种凝结物。
用辅助技术帮助切割过程，可减少许多这类局限性。其中最常见的是在激光脉冲期间或紧接在其之后有效地冷却有关材料，而且用高压气射流除去切口附近的蒸发或熔融材料以防再淀积。这类技术以明显增大系统复杂性为代价而有效地改善了截口，但切割效率通常降低了。
在材料的极高精密加工方面，近来应用了使用极短脉冲(小于10^-10秒)的激光器，诸如美国专利No.5,720,894所描述所那样。该专利于1998年2月24日颁布，题为Ultrashort pulse，High Repetitim Rate Laser System for MaterialProcessing。该技术利用非热机理除去材料，诸如美国专利No.6,150,630所述(2000年11月21日颁布，题为Laser Machining of High Explosives)。尽管该机理具有极高的精密度，对其余材料的间接损伤可略而不计，但是脉冲加工速率(每一激光脉冲除去的材料量)与加工效率(每焦耳激光能量除去的材料克数)有限。
在大多数工业加工中，一旦达到了可接受的精密度与间接损伤，注意力便转向优化加工速率与效率。提高加工速率有若干技术，包括调整对特定材料的激光波长、束整形、开孔、气体辅助装置等。这些技术几乎都与材料有关，而且激光机加工系统变得相当复杂。
发明内容
本发明通过提供一种应用激光脉冲脉冲串的材料变化方法与设备，很好地解决了上述要求与其它要求，其中脉冲持续时间与脉冲串之间的时序经控制而提高了除材速率。
在一实施例中，本发明以材料变化法与该法的实现装置为特征。该方法包括以下步骤：提供激光脉冲的脉冲串，其中每个脉冲串包括至少两个激光脉冲，各脉冲的持续时间为10ps～100ns，各脉冲串每一激光脉冲之间的时间为5ns～5μs；连续脉冲串之间的时间大于构成各脉冲串的每个激光脉冲之间的时间；以及脉冲串引到工件上，其中各脉冲串的主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值。
在另一实施例中，本发明以材料变化的方法为特征，包括步骤：提供激光脉冲的脉冲串，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲，连续脉冲串之间的时间大于构成每个脉冲串的每个激光脉冲之间的时间；把脉冲串引到工件上，其中各脉冲串主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值，各脉冲串的主脉冲产生消融等离子体与喷出物，各脉冲串的副脉冲在基本上耗散了消融等离子体后定时出现并与喷出物互作用，由此形成与工件互作用的加热材料。
在再一实施例中，本发明以材料变化的方法为特征，包括步骤：提供激光脉冲的脉冲串，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲，连续脉冲串之间的时间大于构成各脉冲串的每个激光脉冲之间地时间；把脉冲串引到工件上，其中各脉冲串主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值，各脉冲串的主脉冲产生温度大于200,000K的第一材料相和温度小于10,000K的第二材料相；而且各脉冲串的副脉冲被定时为主要与第二材料相互作用。
在又一实施例中，本发明以材料变化的设备为特征，包括：配置成产生激光脉冲的激光器，脉冲持续时间为10ps～100ns，激光脉冲之间的时间大于脉冲持续时间；配置成把每个激光脉冲分成分裂激光脉冲的分束器；各分裂激光脉冲运行的激光路径，各激光路径长短不一；和配置成接收每个分裂激光脉冲并把它们作为脉冲串引到工件上的合束器。各激光路径配置成不同长度，使分裂激光脉冲之间到达工件的时间为5ns～5μs；而构成每个脉冲串的分裂激光脉冲主脉冲的强度超过工件损坏阈值。
附图简介
图1示出引到工件上的常规脉冲格式。
图2A示出本发明脉冲串格式的一实施例。
图2B示出本发明脉冲串格式的另一实施例。
图2C示出本发明脉冲串格式的再一实施例。
图3A示出本发明一实施例实行图2A脉冲格式的、有均匀波长的系统。
图3B示出实行双波长脉冲格式的图3A系统的变种。
图4曲线示出用本发明一实施例方法在钢中钻孔的增强情况。
图5照片示出与常规方法和本发明一实施例方法比较的开孔“铝槽”截面图。
图6A-6E的曲线示出本发明一实施例受激光脉冲照射的工件密度的演化和得到的喷出物与相对工件表面位置的关系。
图7是本发明一实施例方法的阶段1：主激光脉冲之前。
图8是图7方法的阶段2：主脉冲互作用。
图9是图7与图8方法的阶段3：在主与副脉冲之间。
图10是图7-9方法的阶段4：副脉冲互作用。
图11曲线示出本发明一实施例由主脉冲产生的压力。
图12曲线示出本发明一实施例由副脉冲产生的压力。
图13曲线示出本发明一实施例由主脉冲形成的表面温度历史。
图14是本发明一实施例中工件受单一激光脉冲照射后11ns的表面照相图像。
图15是图14工件表面受激光脉冲照射后37ns的照相图像。
图16是图15工件表面受激光脉冲照射后30秒的照相图像。
图17曲线示出本发明一实施例的密度与温度等压线。
图18曲线示出本发明一实施例在铝与钢中钻孔的性能增强比。
图19曲线示出本发明一实施例中铝等离子体三种密度的热导率。
图20～22示了本发明附加实施例的脉冲串格式。
在所有附图中，相应的标号指示相应的元件。
发明的详细描述
本发明的目的是以显著提高的处理速度与效率对材料作高度精密的激光加工，而系统复杂性增加得最小。
在一实施例中，本发明是一种提高激光机加工处理速率与效率的方法，其做法是产生入射于工件的短持续时间激光脉冲的脉冲串，用于例如钻孔、切割与雕刻。脉冲串中脉冲间的时序使脉冲串内副(次)脉冲与主脉冲产生的喷出物发生互作用。这里的喷出物指蒸汽、等离子体或混合材料相(包括液体、气体与等离子体)的任何组合。
参照图2A，工件受激光脉冲204、206的脉冲串202辐射。在一实施例中，含每个脉冲串202的各个脉冲204、206的持续时间为10ps～100ns，脉冲串202内各脉冲204、206之间的时间为5ns～5μs。脉冲串202间的时间决定于激光的脉冲重复频率，后者为几赫到100千赫；然而，脉冲串202间的时间明显大于各脉冲串202内脉冲204、206间的时间(如比脉冲204、206间的持续时间大10倍或100倍或1000倍)。实施本方法可使用所有的激光波长和工件材料。当根据该实施例，脉冲204、206可配置成同一波长或不同的波长。
按照本发明若干实施例，主脉冲如脉冲204的强度超过工件或目标的损坏阈值，从而产生喷出物。可以理解，与主激光脉冲互作用产生的“喷出物”源自工件的固体密度状态，以及等离子体、气体、低密度液体或其它相混合物的多种相中的转变、压力、温度与密度的梯度，直至最终消失。参照下面的图6A-6E可作出更详尽的说明。但通常可以理解，这种喷出物以两种主相产生，包括消融等离子体相和慢移喷出物相。为简明起见，这些相通常称为消融等离子体(相1)和慢移喷出物(或直呼喷出物或相2)。按照本发明若干实施例，各脉冲串202的副脉冲如脉冲206的时序使得消融等离子体在副脉冲之前已基本上耗散；但副脉冲主要作用于慢移喷出物而非工件表面。因此，副脉冲作用于慢移喷出物，于是后者形成再作用于工件表面的加热等离子体或材料。副脉冲的这种互作用提高了除材速率，下面再详细描述。
在一些实施例中，任一给定脉冲串里的各激光脉冲被引到目标或工件上某一位置，在空间上与至少一部分主脉冲焦斑重叠。因而在有些实施例中，副脉冲(如脉冲206)的焦斑配置成具有主脉冲(如脉冲204)几乎同样的空间分布，而在另一些实施例中，副脉冲则配置成与主脉冲具有不同的空间分布。可以理解，不要求脉冲串中的各脉冲准确的空间重叠，只须把脉冲串里的后面脉冲聚集成主要与主脉冲产生的喷出物发生互作用。各脉冲串里主脉冲(如脉冲204)的能量、持续时间、波长与焦点几何尺寸要能超过工件材料的损坏阈值，而工件材料在焦斑某一部分上面喷出。各脉冲串202里的副脉冲和后续脉冲(如脉冲206)的持续时间、波长与焦点几何尺寸，可以是给定参数内的任意组合，但要注意，在使用钢、铝与硅的实施例中，当能量接近或超过主脉冲能量时，除材速率就更高。注意，虽然在图2A的脉冲串内示出了两个激光脉冲，但在有些实施例中，有两个以上含脉冲串的激光脉冲。还要注意，虽然图2A的脉冲被示为方形脉冲，但是可将脉冲配置成高斯图形、曲线形、三角形或任何其它已知的脉冲形状。
在有些实施例中，副脉冲(如脉冲206)相对主脉冲(如脉冲204)的时序对加工很重要。工件在主激光脉冲204开始的时段内喷出材料，并继续到主激光脉冲结束，时间从小于10^-12秒到大于10^-7秒，视材料、主激光脉冲204和激光焦点与工件的几何尺寸而定。在这些实施例中，因喷出物的成分和物理特性随材料、环境和激光参数以及喷出物形成时间而变，因而为确保消融等离子体基本上耗散，使副激光脉冲主要与慢移喷出物互作用而优化除去工件材料、副脉冲206与主脉冲204的时序很重要。
本发明方法若干实施例与已知原有技术的主要差异在于，本方法认为初始激光-工件互作用造成的喷出物是有利的，而且是加工中的主要组成，并不试图在工件附近将它完全除去或者根本不产生喷出物。
即使在至今为止研究的相关技术中涉及激光脉冲脉冲串的方法中(如图1的方法)，工件的喷出物未被用于加强材料处理。而通过连续应用激光脉冲以利材料处理的研究工作，注重用脉冲串的初始脉冲对工件进行熔化、弱化、粗糙或改变其它固态特征，使后续的激光脉冲能产生用作标记的光洁表面(如参见1996年9月10日颁布的题为Procoss for Engraving Ceramic Surfaces Using LocalLaser Vicrification的美国专利No.5,554,335)，或者除去工件弱化的材料(如参见2001年1月2日颁布的题为Process for seguential Multi Beam Laser Processingof Materials的美国专利No.6,168,744)。这些例子都将后续激光脉冲直接作用于工件表面，其范围限于材料标记与钻石加工。
另一种应用飞秒激光脉冲串的技术(如2001年1月26日发表的题为Burst-Ultrafast Laser Machining Method的美国专利申请No.2001 0009250A1)，通过应用快得足以使在脉冲串的激光脉冲之间基底保持发热且材料保持软化的激光脉冲而得益。据作者称，软化的工件材料被除去的速率比原始工件材料的更高；而且应用飞秒脉冲很重要，因为消融等离子体小得在各脉冲间耗散，允许激光直接作用于工件，故后续的飞秒脉冲直接作用于工件表面本身。相比之下，本发明若干实施例的后续纳秒脉冲(持续时间比飞秒脉冲长百万倍)被定时为主要作用于所产生的材料喷出物相，不作用于工件本身。
图2B示出本发明若干实施例的另一脉冲串格式。本例中，脉冲串210包括一组集结的脉冲212、214，如包括重叠的或邻接的定时脉冲。在一些实施例中，脉冲串看起来是几个界限模糊处在一起的独立脉冲。在该实施例中，脉冲212、214设计成把一些最小的脉冲能量(如中间的激光发射216)留在脉冲212、214之间。脉冲212、214的作用等同于图2A的分立(即单独的)激光脉冲。与图2A的分立脉冲204、206相似，图2B的脉冲212、214的持续时间为10ps～100ns，脉冲串210内各脉冲212、214间的时间为5ns～5μs。同样地，连续脉冲串210间的时间也取决于激光的脉冲重复频率(其范围为几赫～100千赫)，例如为0.05～1.0ms。但如上所述，脉冲串210间的时间远远大于各脉冲串210内尖峰212、214间的时间。
注意，虽然脉冲212、214被示成略微重叠，但最好把脉冲212、214设计成在脉冲212、214峰间的任何中间激光发射216的能量不足以在照射喷出物时产生附加的消融等离子体。由图6A-6E可见，在众多实施例中，除材速率在消融等离子体最外区域被耗散时增高，因而允许进入的光(副脉冲如脉冲214的)达到较高密度的材料靠近工件的喷出物。若主副脉冲间不产生附加消融等离子体，则以前标识为消融等离子体的迅速耗散的最外面等离子体将最快耗散。因此，主副激光脉冲间无激光辐射是本方法的有效实施，如图2A所示。
但如图2B所示，为实现下面图6D和10所述的状况，不一定消除主副脉冲间的所有激光辐射。存在以足够低的强度历足够长的持续时间基本上耗散消融等离子体的中间激光发射(如中间激光发射216)，会损害本方法的效率，但不一定消除除材速率方面的所有优点。因此，中间激光发射具有足够低的强度，与工件互作用后不会产生附加的消融等离子体。不产生附加消融等离子体的最大中间激光发射量，视材料、气氛与激光参数而定。
这样，根据本发明众多实施例，在涉及到含两个或更多激光脉冲的脉冲串时就可理解，这些激光脉冲一般为任何脉冲类结构，诸如图2A的分立脉冲204、206或图2B的重叠或邻接定时的脉冲212、214，只要脉冲212、214间的任何中间发射216不足以形成附加消融等离子体。另几例脉冲串格式示于图2C和图20-22。
图3A是本发明一实施例的系统，用于实施图2A中具有均匀波长的脉冲格式。如在本例中，激光器302产生持续时间为3纳秒、波长为532nm的单—激光脉冲，虽然可以理解，在本发明若干实施例中，激光脉冲可以有其它的持续时间与另一种波长。激光器302以可调重复频率10～100KHz(例如在10～10KHz之间)产生这些单脉冲，脉冲撞击设计成反射成50％入射光的分束器304，在该点分为两个脉冲(也称为分裂脉冲)。从分束器304反射的脉冲导向合束器306和聚焦组件308。第二脉冲(即通过分束器304发射的分裂脉冲)通过延迟线传播，而延迟线包括一对置于离分束器304几米的高反射镜310与312。穿过延迟线后，分裂脉冲即第二脉冲就撞击合束器306。分束器304和合束器306包括若干合束光学元件之一：分束器、偏振器、含孔镜等。撞击了合束器306后，第二脉冲导向聚焦光学元件308。第一和第二脉冲的路径接近得足以使它们聚集在工件314的几乎同一位置，即第一和第二脉冲具有几乎同样的空间分布，因而第一第二脉冲对应于上述的主副脉冲。注意，第一和第二脉冲可以聚集成具有基本上同样的或不同的空间分布，而后者仍使第二脉冲与第一脉冲产生的喷出物互作用。还要注意，选择不同的分束器304或合束器306设计或元件，可改变脉冲串内脉冲之间的能量分布和/或空间分布。这一作用是期望的，因为脉冲间的优化能量分布随材料与应用场合而变化。因而在一些实施例中，可把主副脉冲配置成具有基本相等的能量和/或强度或者不同的能量和/或强度。
因此，图3A的系统示出一种产生含2个脉冲的脉冲串的简易结构，该两脉冲具有合适的脉冲持续时间和脉冲间的时间。可以理解，改变分束器304/合束器306和反射镜310与312的距离，即改变第二脉冲传播路径的长度，即可方便地修正脉冲间的持续时间。
本例的脉冲串由两个脉冲组成。另在本例中，脉冲串内各脉冲具有相同的能量，入射在目标上分开90ns。注意，脉冲间延迟是对材料与应用优化的，在一实施例中，焦斑直径为100μm，聚焦组件308使用f:10的平凸透镜。各脉冲的能量为0.25mj～7mj，各脉冲串的能量相应为05mj～14mj；但应理解，脉冲和脉冲串准确的能量值可按应用要求而变化。
注意，脉冲串可以包括两个以上脉冲，本领域技术人员很容易对此配置图3A的设备。图2C示出含三个连续激光脉冲222、224与226的这种脉冲串格式220。如上所述，较佳地主脉冲222形成快移消融等离子体相与慢移喷出物相，而辅助脉冲224和226主要作用在慢移喷出物相。脉冲串220的脉冲定时为在连续脉冲之间有5ns～5μs。注意，虽然图2C的脉冲图示为分立脉冲，但很容易把脉冲串格式改为具有重叠脉冲212、214的脉冲串格式，如图2B所示。
还得注意，为了产生诸如图2B的具有重叠或邻接定时的脉冲串212、214的脉冲串格式，可以更换成修改图3A系统的分束器304和合束器306。
图4示出机加工速度的改善。图4是在0.7mm厚的不锈钢中，总能量/发射与除去厚度/发射的关系曲线图，发射指含两个或更多脉冲的单一脉冲串。显然，应用本发明方法提高了钻孔速率，例如线402代表图2A的方法，而线404代表图1的普通方法。还应理解，本文描述的方法也适用于切割、雕刻或其它材料变化。
在另一实施例中，在硅片钻孔方面有一明显的附加优点。若通过增大各激光脉冲的功率来提高普通激光钻孔技术的速度，硅片会破裂而劣化孔的质量。但本发明若干实施例可使钻孔速度明显提高而不造成类似大小的破裂。在迄今为止的研究中，速度提高了5～10倍。如下所述，该现象与副激光脉冲加热喷出物而不是工件而产生的消融压力减轻有关。
不仅钻切速度提高了，质量也有改进。图5示出在0.4mm厚铝中开孔的槽截面的照相图像502与504。本发明一实施例的技术(图像502)的切速提高了2倍以上，而且与已知技术(图像504)相比，减小了槽进出口边缘的变形。注意，在图5中，副脉冲能量是主脉冲的3倍。
第二实施例应用了多个波长，如图3B所示。该例中，激光器352产生的单一激光脉冲，持续时间约3ns，同时包含532nm与1064nm波长的光。激光器352以10～100KHz可调的重复频率产生这些单一的双波长脉冲。脉冲撞击晶体354(如8mm厚的KD*P晶体)，后者通过非线性频率转换产生包括1064nm、532nm与355nm的输出光。该三波长脉冲通过波长分离器356(通常称为分束器)折射，产生三个输出波长分离(如形成三个分裂脉冲)。分离器356包括棱镜或涂膜后优先反射有关波长的小镜或者波板与偏振器等。本例中，532nm光穿过一延迟线，后者包括一对位于离分离器356几米远的高反射镜358与360。穿过延迟线后，532nm光撞击合束器362，而后者包括若干合束光单元件之一：分束器、棱镜、编振器、含孔镜等。355nm光从分离器356进到合束器362而不穿过延迟环。各光脉冲撞击合束器362后被导入聚焦组件364。第一(355nm)与第二(532nm)脉冲的路径很接近，足以将它们聚集到工件366的几乎同一位置。应该理解，根据系统配置，可以修改精确的参数，如脉冲持续时间、波长等。在其它实施例中，1064nm光(即第三分裂脉冲)穿过不同的延迟路径后在合束器362合束，构成另一种脉冲串格式(如图2C)。另如上述所述，该分束器和合束元件经修改，可产生分立或重叠/邻接定时的脉冲，且具有基本上相同或不同的能量、基本上相同或不同的空间分布和/或基本上相同或不同的脉冲持续时间。
在迄今为止的硅研究中，以这种方式应用355nm光和532nm光，对普通技术的钻速的提高幅度与应用单一波长脉冲的新方法至少一样(如图4)。
还应理解，产生副脉冲的延迟线可用小镜358、360以外的物件构成，例如光可以穿过光纤而不是小镜规定的延迟环路。
还应理解，分束器与合束器元件可以配置成产生2个以上的脉冲，例如分束器(分离器356)可将初始脉冲分成三个脉冲，各脉冲穿过不同的延迟路径回到合束器。在另一例中，对延迟线引入另一分束器，把副脉冲分成两个要被引回合束器的副脉冲。
图6A-6E是本发明的一实施例的曲线图，表示受激光脉冲照射的工件密度的演化和得到的喷出物与相对工件表面位置的关系。工件材料从其原来的固态变换到等离子体、气体、低密度液体或各相混合物的整个过程中，最好把材料状态描述为包含各种梯度，包括密度、压力与温度。随着变换的材料不断演化，梯度也在变化。无外力时，该材料将最终消失，使工件保持其固态，失去被没有主要工件材料的环境气氛所包围的除去的材料，因而图6A-6E示意指出上述过程中作为位置函数的五个不同时间的密度演化。
图6A示出固态的原始工件602被激光脉冲撞击前的密度分布。图示的602是工件的最高密度，即处于其原始的固态。水平轴为线性位置，垂线606指示工件表面的原始位置。因此，垂线606左边为材料在工件表面下面的密度，故左移对应于在工件材料内进一步移离或移入表面。同样地，垂线606的右边是材料(即气氛)在离开工件表面各种位置的密度，故右移表示材料离工件表面更远。直线604代表零密度线，如在图6A中，不存在工件材料。直线608代表入射激光脉冲导至工件时的透光度。因此根据本发明若干实施例，把透光度用直线608指示的主激光脉冲如脉冲204引到工件表面上。
图6B示出主激光脉冲与工件在交互作用期间的密度分布。撞击后，一部分工件从工件表面除去而移入环境气氛，除去的材料图示为正好在垂线606左边的直线602中的小曲线。然而，该除去的材料变成等离子体610或喷出物扩散离开工件表面，它被图示为向垂线606右边扩展到零密度线604的阴影部分。由此可见，该等离子体610由多种不同密度的材料组成。若此时准备发射另一个激光脉冲，则水平箭头612代表激光进入等离子体610的透光度。对于一般皮秒、纳秒与微秒激光脉冲，该激光将穿透密度速度，直到等离子体频率等于该光频。根据等离子体的温度与质量密度，该等效性出现在第1/10～1/1000固态密度的密度。因此，当激光加热等离子体而后者扩展时，激光就开始与等离子体互作用，不再到达等离子体后面工件的高密度固体材料。
图6C示出等离子体610与来自目标的其它喷出物在主激光脉冲之后的演化。等离子体610外区域(即离图6C中垂线606右边最远的部分)比更接近目标表面的较高密度材料扩散得更快。随着外区域扩散，其密度和温度降低。同样地，若此时准备发射另一激光脉冲，直线614就代表激光进入等离子体610的透光度。同样地，该脉冲并不穿透等离子体610材料，故不与工件表面互作用。注意，与图6B相比，此时发射的激光脉冲将与离工件表面更远的喷出物互作用。
图6D示出本发明若干实施例在向工件发射副激光脉冲如激光脉冲206时的等离子体610和喷出物。此时，等离子体外区域经过充分的扩散，使激光能通过它们撞击还未耗散且相对靠近工件表面的密度较高的等离子体、蒸气、喷出物或它们的混合物。直线616对副脉冲代表激光进入等离子体610的透光度。有利的是，根据众多实施例，低密度等离子体基本上耗散了，留下离工件表面更近的密度较高的慢移喷出物。副脉冲主要与离工件表面更近的这密度较高的慢移喷出物(这里一般称为慢移喷出物)互作用，几乎不与低密度的快移喷出物相(这里称为消融等离子体)互作用。通过在该点及时地引导副脉冲，深信能提高除材速率。
图6E示出若不发射副脉冲的时间长得足以使工件上的材料处理停止演化(如约1毫秒)时的密度梯度。这里目标无密度梯度，经历了从固体到环境气氛的锐变，像激光脉冲撞击工件之前一样。然而，从固体到环境气氛的锐变已左移，说明材料被除去。另外，若以后准备发射附加脉冲，则直线618代表另一激光脉冲可能具备的透光度。例如根据本发明若干实施例，工件此时受另一脉冲串照射，使另一主脉冲204撞击工件表面。与之对照，一般方法在所有喷出物消失后，第二激光脉冲此时会射至工件(如见图1)。
应指出，上述作为单激光脉冲影响结果的工件与各种相变化的互作用，本领域的技术人员一般都理解。虽然完全准确地说明所涉及的物理过程要求描绘前面的梯度，但是一种有用的近似方法是将梯度按其主要物理特性分为三个区域或三个相。第一区域或相对应于固态密度物质，即工件与激光脉冲互作用之前，该区域包括可在熔化池里找到的液态的材料，通常具有与固态类似的密度。第二区域或相对应于接近目标而且耗散相对慢的喷出物，根据若干实施例，暴露于进入的光，如图6D所示，如前所述，该喷出物出现组合了若干可能的物理状态，包括液体、蒸气、气体、等离子体与特定物质。因该喷出物的耗散时间相对长，故该区域称为“慢移喷出物”。第三区域或相是移动相对迅速且耗散相对快的消融等离子体，被称为“消融等离子体”。
按其物质的特征状态与其演化的时标对这些梯度分类，是一种简便的说明本发明若干实施例得益于激光材料处理的机理的方法。另一个区分不同喷出物相的近似方法由得出的喷出物的温度来定义，例如慢移喷出物的温度通常小于是10,000K，而消融等离子体的温度一般大于20,000K。该近似法虽然排除了一部分梯度，但不影响有关实施本方法的讨论。
图7～10是本发明一实施例用两个适当定时的激光脉冲提供适合了除材条件的示意图。图中的脉冲由合适的激光与光学设备如参照图3A与3B描述的设备产生。图7示出经聚焦透镜706射至目标708(工件)的主脉冲702和副脉冲704，图8和9示出主脉冲与目标708的互作用，主脉冲702产生迅速耗散的消融等离子体802和慢移喷出物902。注意，消融等离子体和慢移喷出物是主脉冲702产生的所得喷出物的不同相，图6A-6E作了详细说明。可以看出，消融等离子体802是一种快移材料，例如移速至少为10⁶cm/s，也是迅速耗散的材料；但其速度随工件材料、周围环境与激光辐射参数而变。可以看出，慢移喷出物902或材料的扩散速度比消融等离子体802慢得多，如移速为10³～10⁵cm/s，但其速度视工件材料、周围环境与激光辐射参数而定。为了形成加热的等离子体或材料1002(即热的喷出物902)，副脉冲704主要作用于慢移喷出物902，一般不作用于工件708表面。简言之，该方法用副脉冲加热主脉冲702在工件中间附近产生的碎片场(如主脉冲702产生的喷出物的慢移喷出物902相)，于是该加热的材料1002(如加热的慢移喷出物)作用于工件及其喷出物，以除去工件材料。对压力、温度和喷出物速度作测量与分析，揭示了传导、压力、流体力学与相变的物理过程，并示明该新方法如何处理这些过程而提高除材速率。而且，这种新的数据与分析可指导开发基于该新方法的机加工技术。但在讨论详细技术前，注意主激光脉冲产生的喷出物以两种不同的相出现是有益的。首先，有一包括在本例气氛环境中在30ns内耗散的消融等离子体(即消融等离子体702)的初始相。注意，若环境处于真空等较低压力或压力箱等较高压力或者有助喷气体，则喷出物的消融等离子体相的耗散率可能改变。第二，有一喷出物(即喷出物903)的慢移体留在靶点附近，在副脉冲到达前不耗散。还得指出，在其它实施例中，使用了两个以上脉冲，例如用一个副脉冲和一个或多个附加脉冲来加热喷出物902或碎片场。应指出，主脉冲702和副脉冲704可以配置成具有相同或不同的波长、能级、强度和/或空间分布。还理解，图7-10中的脉冲702和704可以是任一种脉冲类结构，如参照图2A、2B、2C和20～22所描述的那些结构。
压力测量：
在一实施例中，测量压力时应用薄箔作为工件，用速度干涉系统用于任意反射器(VISAR)，其操作与功能为本领域共知，
VISAR使用加到10μm厚目标箔背面的光学探针(532nm激光)。机加工的激光脉冲撞击箔正面，而箔薄得足以让激光在正面产生的压力波通过箔传到背面而无衰减。因此，在背面的压力测量精确地代表了激光机加工脉冲(如脉冲702和704)产生的压力。图11和12对主激光脉冲(图11)和副激光脉冲(图12)二者比较了作为激光功率函数而测得的压力，上下压力曲线包括了测量的不确定性。
图11和12的曲线表明，根据本发明一实施例，在副脉冲与主脉冲产生的喷出物互作用期间，副脉冲产生的压力最多为主脉冲在其与工件互作用期间所产生的压力的1/4～1/2。比较说明副脉冲与喷出物的互作用基本不同于主脉冲的互作用。
温度测量：
温度测量基于用InGaAs光电二极管测得的热发射，其操作与功能为本领域共知。光电二极管的上升时间小于3ns。对于入射铝目标的3ns激光脉冲，图13示出了工件表面上方材料(包括慢移喷出物)的温度历史。图13说明，在远远超过90ns脉冲间延迟的时段内，温度保持比2520K的沸腾温度高得多。
根据参照图6A-6E描述的梯度及其演化，知道光学发射测量代表发射与吸收通过等离子体到工件背面冷材料沿视线的积分。从特性上讲，热区域比冷区域发射更多的光，但这一状态被等离子体吸收光的倾向和前述的稠密等离子体防止光传播的特征抵消了。这一情况适用于离开与进入等离子体的光。
因此，热的内部区域的发射被存在的外部等离子体或喷出物遮挡。时间消逝照相测量(图14～16)表明，消融等离子体耗散所需的时间约30纳秒。在此时间内，光电二极管捡出的发射经历了大的增大，然后稳定，再在以后上百纳秒内缓慢下降。在前30纳秒内，发射产生的温度并不代表慢移喷出物，可能源自通过消融等离子体的视线积分。
喷出物的时间消逝照相测量还表明，对于30ns后的时间，不存在中间的等离子体，慢移材料的扩散速度很慢。因此在激光脉冲入射30ns后的时间，光电二极管记录的发射由靠近目标表面的材料产生，并非通过空气传播离开激光焦点冲击波所为。
如前面参照图6A-6E所讨论的，消融等离子体的温度超过20,000K，而且从前述的发射测量可知，慢移喷出物在激光脉冲30ns后的温度为7000K量级(即小于10,000K)。该发射用铝靶测量，温度随所用的材料与激光器而变。在众多实施例中，消融等离子体超过20,000K。
还得注意，图13未示出消融等离子体的温度(如扩散的消融羽烟和任何与环境气氛互作用引起的现象如冲击波等)。还应指出，在前30ns内，若存在消融等离子体羽烟，冲击波遮蔽工件表面的热材料(包括慢移喷出物)；因此，图13未精确地示出慢移喷出物在前30ns的温度。
注意，不同材料得出不同结果，随主脉冲的能量、持续时间、波长等变化；但一般而言，发现主脉冲产生加热到至少20,000K温度的第一材料相(如消融等离子体)和加热到低于10,000K温度的第二材料相(如慢移喷出物)。这样，副脉冲被定时为主要用于第二材料，后者被加热后作用于工件表面，还要注意，在众多实施例中，第一材料相加热的温度为第二材料温度的5倍，更佳为10倍。
时间消逝照相(喷出物)测量：
下面参照图14～16，图示为工件表面受单一激光脉冲(即主脉冲)撞击后在各个时间的照相图像。对这些测量，通过把靶点成像到照相机上来研究铝靶。靶用波长为532nm的3ns激光脉冲照射，如图7所示，波长为355nm的机加工激光器发出的单一脉冲被引到靶上。注意，图14～16的照相图像以相对工件60度角和相对入射激光脉冲30度角拍摄。照明激光的时序在机加工脉冲之后从10ns变到50ns，提供与机加工激光互作用后不同时间的靶像。拍摄后等较长时间(30秒)，第二次发射照明激光，在对靶的所有处理停止演化时，产生靶的后摄图像(见图16)。
由图14可见，结果表明，在主激光脉冲之后11ns探针激光延迟时间，靶右侧仍被主脉冲产生的等离子体羽烟1402遮蔽。图中还示出了密度较高而且更接近工件表面的慢移喷出物1404。照相汇集系统的斜入射角和铝箔固有的表面特征有助于披露这一特征。中央黑斑一侧(左侧)看得出在制造过程中埋入卷箔样品里的水平线1406，在另一侧(右侧)却看不出，因为出现消融等离子体1402时，冲击波从表面升起，斜入射的探针激光不能穿过它揭示激光斑右侧未受损的靶面。图中还示出了人为现象1408，它通过透镜加在图像上。图15示出主激光脉冲撞击靶37ns后的靶照片。此时，消融等离子体几乎已耗散，探针光照明激光斑两侧未损坏的靶，即表面两侧看得见水平线1406。激光斑自身全暗，说明靶面附近有慢移喷出物1404。图16示出激光照射后30秒的靶。直径与图15的暗斑相近的损坏区1410或损坏斑清晰可见，而且有更深的凹孔或具有陡壁的中心孔1412，示为中心的暗斑。
目前认为有三个显著的特征。首先是照明激光被延迟数十纳秒的图像(见图14)显示出全暗的靶区，认为是一种高度吸收或高度散射的媒体。第二特征是在机加工30秒之后摄取的图像(见图16)表明激光对靶的整体效果大小近似等于该暗区或损坏区1410。第三，本例中因汇集光学元件的轴线的入射角约为60°，故包括喷出的1404慢移相(如喷出物902)的“暗物质”范围，不超过靶面靶心上方100μm，在斑边缘小于10μm。若喷出物1404在表面上方高于该范围，就会遮蔽图15和图16可见而图14不可见的照片右侧可见的靶，这种现象认为是一种极慢的轴向扩散速度，最大为10⁴～10⁵cm/s。由于照片中未见30ns后的横向扩散迹象，故横向扩散速度不超过10³cm/s。
副脉冲与增大的机加工速率的互作用：
由诊断结果可得出与双脉冲激光机加工有关的四个结论。深信这四个结论构成了理解本发明若干实施例的基础，并被应用于范围广泛的各种材料、激光器与工艺。
结论1：在主脉冲后面出现的除材过程分两个相：快移消融等离子体(如消融等离子体802)和慢移喷出物体(如喷出物902)，后者保持在靶点附近，历时数百或数千纳秒。从时间消逝照片和压力测量得出该结论。
结论2：第二个结论是慢移喷出物可能是混合的液体—蒸气相。该结论归因于其低的扩展速度。低的扩展速度意味着低的流动压力。
计算和测量(如取自D.Bauerle的论文Laser，Processing andChemistry，pp.638-642，Springer-Verlag，New York，2000)表明，初始消融等离子体的扩散速度为106cm/s量级，目前研究中用铝靶作的压力测量表明，45Kbar压力对应于这些扩散速度。因慢移物质的扩散速度至多为消融等离子体速度的1/10～1/1000，故肯定压力至多为消融等离子体压力的1/10～1/1000，因而压力范围为50Bar～5KBar。(图17示出铝在三种压力下的密度与温度，压力由众所周知的普通状态议程(QEOS)算出，它与理想气体状态方程完全不同。因慢移喷出物温度为4000～8000K(虽然本实施例可达到10,000K)，故图17示出的慢移物质的密度为固体密体的1/10到小于1/100。密度与温度的这一组合对应于QEOS所预测的铝的液体-蒸汽共存区域。
结论3：副激光脉冲通常不直接与工件作用，而主要作用于慢移物质(即喷出物902)，以形成另一种然后与工件和喷出物互作用的等离子体(如材料1002)。
副脉冲与靶的互作用同主脉冲的互作用截然不一样。紧邻工件存在一经久不消的喷出物体，它与进入的激光(如副激光脉冲)强烈地互作用，而且副激光脉冲在固态靶内产生的压力为主激光脉冲产生的压力的一小部分。
结论4：慢移材料(即喷出物902)的容积、质量和成分影响着副脉冲互作用的特征。
副脉冲产生的等离子体与工件互作用的方式，可能组合了热传导、压力和离开工件的材料流的变化。
例如，假设热导率相等，产生大的厚慢移材料层的主脉冲互作用，将在副激光脉冲加热区域到工件的薄层提供比慢移材料的情况更少的热传导。
通过应用本发明一实施例方法比较在铝与不锈钢中钻孔，强调了这一现象。图18示出的性能增强比，是应用一双脉冲技术实施例如图2A的激光器每次发射移离靶的μm数除以应用单脉冲技术如图1的激光器每次发射移离靶的μm数。由于在一实施例中，双脉冲配置的每一激光发射分裂成主副脉冲，计算比值时把每次激光发射在靶上的总能量用作比较基础。例如，双脉冲技术在主副脉冲能量之和为2mj时的切割速率，将被单脉冲技术在单脉冲能量为2mj时的切割速率分隔，以得到在2mj的性能增强。
应用该双脉冲技术实施例的结果差异显然与材料有关，这从图18看出。虽然双脉冲钻孔在薄的或厚的钢板中得出大致相同的增强作用，但在薄铝板中不见增强，在厚铝板中却有增强。一种似是而非的解释认为铝与钢的扩散性不同。表1示出近似的热导率和蒸发掉等量的铝与不锈钢所需的能量。
                                      表1