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1、(10)申请公布号 CN 102334249 A (43)申请公布日 2012.01.25 CN 102334249 A *CN102334249A* (21)申请号 201080009654.0 (22)申请日 2010.01.07 12/354,373 2009.01.15 US H01S 3/10(2006.01) B23K 26/36(2006.01) H01L 21/82(2006.01) (71)申请人 伊雷克托科学工业股份有限公司 地址 美国俄勒冈州 (72)发明人 彭晓原 安德鲁虎柏 (74)专利代理机构 北京银龙知识产权代理有限 公司 11243 代理人 许静 赵爱军 (54。
2、) 发明名称 用于微加工的脉冲时间可程序化超快突发模 式激光 (57) 摘要 本发明提供了一种激光处理系统， 提供一超 快激光脉冲的突发， 其具有选择性成形的突发波 封。 一突发式脉冲激光包含一高重复率超快激光， 以发出一脉冲串列， 该串列中的每一脉冲均具有 一独立控制的振幅。在脉冲群集中每一超快脉冲 的个别振幅界定出一突发波封。除了独立控 制突发波封内每一超快脉冲的振幅之外， 此系统 同时也可以提供介于每一超快脉冲间的间隔及 / 或突发波封的整体时间宽度的选择性控制。 因此， 该系统提供用于特定激光处理应用的突发波封的 选择性成形。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 20。
3、11.08.26 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2010/020364 2010.01.07 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/083091 EN 2010.07.22 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 5 页 CN 102334266 A1/2 页 2 1. 一种使用超快激光脉冲的选择性成形突发来处理材料的激光系统， 该系统包含 ： 一突发式脉冲激光， 配置以发射一由一选择性成形的突发波封所界定的三或多个激光 脉冲的突发， 其中该突发式脉冲激光更进一步配置以选择性地在该突发波封内。
4、调整介于该 三或多个激光脉冲间的时间间隔和该突发波封的时间宽度 ； 以及 一或多个放大器， 配置以放大该三或多个激光脉冲群组以获得该突发波封的一预定形 状， 其中该突发式脉冲激光包含 ： 一第一激光源， 配置以在一第一重复率发射一连串激光脉冲 ； 以及 一光学调变器， 接收该连串激光脉冲， 该光学调变器配置以在振幅上调变该连串激光 脉冲， 以产生由该选择性成形的突发波封所界定的该三或多个激光脉冲的突发。 2. 如权利要求 1 所述的激光系统， 其特征在于， 该第一激光源包含一超快激光源且该 第一激光源所发射的该连串激光脉冲中的每一脉冲均包含一范围介于大约 300 飞秒及大 约 1 纳秒之间的时。
5、间脉冲宽度。 3. 如权利要求 2 所述的激光系统， 其特征在于， 该突发式脉冲激光更进一步配置以选 择性地在介于大约 1 纳秒及大约 1 微秒的范围内调整该突发波封的时间宽度。 4. 如权利要求 2 所述的激光系统， 其特征在于， 该选择性成形的突发波封包含一范围 介于大约 10 微微秒及大约 1 纳秒间的上升时间。 5. 如权利要求 2 所述的激光系统， 其特征在于， 该第一重复率的范围介于 1Hz 和大约 100kHz 之间。 6. 如权利要求 2 所述的激光系统， 其特征在于， 该第一重复率的范围介于大约 100kHz 和大约 10GHz 之间。 7. 如权利要求 2 所述的激光系统，。
6、 其特征在于， 该超快激光源包含一分散式回馈二极 管。 8. 如权利要求 2 所述的激光系统， 其特征在于， 该超快激光源包含一光纤锁模主振荡 器， 其包含一单模光纤形成一激光谐振器， 该激光谐振器在一端终结于一半导体饱和吸收 镜而在另一端终结于一波长选择器。 9. 如权利要求 1 所述的激光系统， 其特征在于， 该突发式脉冲激光更包含一脉冲选择 器， 配置以提供该突发波封内介于该三或多个激光脉冲间的选择性可调整时间脉冲间隔。 10. 如权利要求 9 所述的激光系统， 其特征在于， 该脉冲选择器选择自包含一声光式元 件和一光电式元件的群组中。 11. 如权利要求 1 所述的激光系统， 其特征在。
7、于， 该光学调变器包含一光电式调变器。 12. 如权利要求 1 所述的激光系统， 其特征在于， 该光学调变器包含一马赫 - 任德光干 涉仪。 13. 如权利要求 1 所述的激光系统， 其特征在于， 该突发式脉冲激光更包含一第一脉冲 选择器， 配置以将该第一激光源所发射的该连串激光脉冲选择性地自该第一脉冲重复率改 变至一第二脉冲重复率。 14. 如权利要求 13 所述的激光系统， 其特征在于， 该突发式脉冲激光更包含 ： 一第二激光源， 配置以在一第三重复率发射一连串激光脉冲 ； 一第二脉冲选择器， 配置以将该第二激光源所发射的该连串激光脉冲选择性地自该第 权 利 要 求 书 CN 102334。
8、249 A CN 102334266 A2/2 页 3 三重复率改变至一第四重复率 ； 一光束结合器， 配置以结合该第一脉冲选择器在该第二脉冲重复率提供的该连串激光 脉冲与该第二脉冲选择器在该第四脉冲重复率提供的该连串激光脉冲， 以在一结合的第五 脉冲重复率提供结合的激光脉冲串列至该光学调变器 ； 以及 一控制器， 连接该第一脉冲选择器与该第二脉冲选择器， 该控制器配置以使该第一脉 冲选择器与该第二脉冲选择器同步， 从而选择性地调整该突发波封内介于该三或多个激光 脉冲间的时间间隔， 其中该控制器选择该第二脉冲重复率和该第四脉冲重复率。 15. 如权利要求 1 所述的激光系统其特征在于， 该一或。
9、多个放大器包含 ： 一或多个前置放大器， 选择自包含一增益光纤放大器和一固态放大器的群组 ； 以及 一或多个功率放大器， 配置以进一步放大该一或多个前置放大器的输出， 该一或多个 功率放大器选择自包含一增益光纤放大器和一固态放大器的群组。 16. 如权利要求 1 所述的激光系统， 其特征在于， 更包含一谐振产生器以提供该突发波 封内的脉冲的波长转换。 17. 一种使用超快激光脉冲的选择性成形突发处理材料的方法， 该方法包含 ： 在一第一重复率提供一连串激光脉冲 ； 基于一选择性成形的突发波封调变该连串激光脉冲， 其中该调变包含针对振幅调整该 突发波封内的三或多个激光脉冲 ； 以及 选择性地调整。
10、该突发波封内介于该三或多个激光脉冲间的间隔。 18. 如权利要求 17 所述的方法， 其特征在于， 该调变更包含选择性地调整该突发波封 的一时间宽度。 19. 如权利要求 17 所述的方法， 其特征在于， 更包含选择性地将该连串激光脉冲自该 第一重复率改变至一第二重复率。 20. 如权利要求 17 所述的方法， 其特征在于， 更包含将该突发波封内的脉冲波长转换 成不同的波长。 权 利 要 求 书 CN 102334249 A CN 102334266 A1/9 页 4 用于微加工的脉冲时间可程序化超快突发模式激光 技术领域 0001 本发明揭示有关于激光微加工(laser micromachi。
11、ning)。 特别是关于使用超快激 光脉冲的突发 (burst) 的激光系统及方法。 背景技术 0002 在半导体存储器阵列晶片制造完成之后， 晶片曝光表面上的集成电路 (IC) 图案 是以一钝化材料 (passivating material) 的电性绝缘层密封。典型的钝化材料包括合 成树脂 (resin) 或者诸如聚亚酰胺 (polyimide) 的热塑性塑胶聚合物 (thermoplastic polymer)。此最后钝化 (passivation)层的目的在于防止晶片表面与周遭湿气产生 化学反应、 防护表面受环境微粒影响、 以及吸收机械应力。钝化密封之后， 晶片被安置于一 电子封装之中。
12、， 该电子封装内嵌允许该存储器单元被以探针检测及功能性测试的金属连 接。当一备用存储器单元被判定故障之时， 其通过切断该单元连接其在阵列中的邻接单元 的金属连接， 或称导线， 以禁能该单元。通过连接处理或者连接烧断对个别存储 器单元加以禁能系利用能够控驭激光光束能量的激光微加工设备达成， 以选择性地在范围 高度集中的小区域内移除连接材料而不致损伤移除标的邻近、 下方、 或上方的材料。选择 性地处理一指定连接的实行可以是通过改变激光光束波长、 光斑尺寸、 脉冲重复率 (pulse repetition rate)、 脉冲形状、 或者影响能量传送的其他空间或时间射束参数。 0003 需要对存储器阵。
13、列或者其他形式 IC 晶片中的导电连接进行后处理的激光微加工 制程是运用具有快速上升前缘 ( 例如， 具有 1 至 2 纳秒 (nanosecond) 上升时间 ) 的陡峭脉 冲以达成预定的品质、 良率、 以及可靠度。为了干净俐落地切断一连接， 激光脉冲在切穿金 属连接之前先穿透上方叠覆钝化层。 现有固态激光的典型脉冲的上升缘随着脉冲宽度而改 变。在连接处理中使用一具有 5 至 20 纳秒脉冲宽度和一和缓倾斜上升前缘的传统高斯型 态激光脉冲往往在钝化层中造成一过度凹陷 (over crater)， 特别是若其厚度太大或 不均匀时。过度凹陷降低了 IC 晶片的可靠度。 0004 上方叠覆钝化层的。
14、破裂反应已由Yunlong Sun在其题为半导体式元件的激光处 理最佳化(Laser processing optimization of semiconductor based devices)的博士 论文 (1997， Oregon 研究院 ) 中充分地加以分析。由于钝化层厚度是一重要的参数， 一特定 钝化层材料的最佳厚度可以由基于 Sun 的分析的模拟而决定。在 IC 生产期间， 维持钝化层 晶圆层次制程控制的困难度可能导致非最佳化的厚度以及晶圆与晶圆间较差的厚度一致 性。因此， 在后处理中所使用激光脉冲的最佳化特性可以有助于钝化层的错置尺寸以及变 异源头的补偿。 0005 编号 No.。
15、6,281,471 的 Smart 所提的美国专利案提出在连接处理中使用大致方 波形状的激光脉冲。此一陡峭信号缘脉冲可以通过将一主振荡器激光连接一光纤放大 器 (MOPA) 而产生。此低功率主振荡器运用一二极管激光， 其能够产生一具有快速上升时 间的方波形状脉冲。另一方面， 受让予本专利申请案受让人， 由 Yunlong Sun 等人提申的 编号 No.7,348,516 的美国专利案指出， 虽然一大致方波形状的激光脉冲具有一垂直上升 说 明 书 CN 102334249 A CN 102334266 A2/9 页 5 缘， 但其并非用于连接处理的最佳激光脉冲形状。反之， Sun 等人在一实施。
16、例中揭示使用 一形状类似椅子的特制激光脉冲形状， 其具有一快速上升的峰值或者多重峰值以有效地处 理连接， 且信号强度之后急遽下降， 而在关闭之前平稳维持于一较低的功率位准。此一特 制激光脉冲， 具有高峰值功率但低平均功率， 经由所谓的脉冲分截 (pulse slicing) 技术 成功产生， 可以通过光电式调变 (electro-optical modulation ； 简称 EOM) 或声光式调变 (acousto-optical modulation ； 简称 AOM) 实施。举例而言， 一传统的主动式 Q 型开关固态 激光提供具有高强度及高脉冲能量的纳秒级种子脉冲， 且随后一光回圈分截装。
17、置将一标准 激光脉冲转换成一预定的特制脉冲形状。 0006 由 Xiaoyuan Peng 等人提申， 受让予本专利申请案受让人的编号 No.12/057,264 美国专利申请案教示一光回圈分截机制， 实施于一诸如用于半导体连接处理的紫外线 (UV) 激光系统。或者， 一特制激光脉冲可以由使用一增益光纤 (gain fiber) 做为功率放大器的 MOPA 产生。使用 MOPA 的优点在于其在一特定的固定频率下构建出一稳定的信号源。 0007 由 Pascal Deladurantaye 提申的美国专利申请案 No.2006/0159138 描述一种成 形脉冲激光， 其中二调变器塑造一连续波 。
18、(continuous wave ； 简称 CW) 光射束的形状以产 生各种不同形状的脉冲。然而， 从一 CW 光射束产生脉冲激光相当没有效率， 且因此需要更 多的放大动作。 由于此一低峰值信号可以被杂讯影响， 其造成脉冲与脉冲间的不稳， 故该二 调变器最好彼此同步以维持脉冲稳定性和能量稳定性， 从而进一步增加复杂度和成本。 0008 以上的系统及方法基本上使用具有纳秒范围脉冲宽度的激光脉冲。 但脉冲宽度在 纳秒范围的 1m 和 1.3m 激光波长具有许多缺点。举例而言， 此种红外线 (IR) 激光光束 对一高导电性金属连接的能量耦合效率极差。此外， 用于切断连接的 IR 激光光束实际可达 成。
19、的光斑尺寸相当大而限制了连接宽度和连接间距的关键尺寸。如同 Yunlong Sun 在用 于半导体式元件的激光处理最佳化(Laser Processing Optimization for Semiconductor Based Devices) ( 未公开发行的博士论文， Oregon 科技研究院， 1997) 中所详述， 具有纳 秒级脉冲宽度的传统激光连接处理可以依靠对连接进行加热、 熔化、 以及蒸发而建立一机 械式应力结构以利用单一激光脉冲爆开上方叠覆的钝化层。 此一传统式连接处理激光脉冲 产生一极大的热影响区(heat affected zone ； HAZ)， 其可能降低包含被切断连。
20、接的元件品 质。 举例而言， 当连接太厚或者连接材料的反射性太高而无法吸收足够的激光脉冲能量时， 相对于每一激光脉冲需要使用更多能量以切断连接。增加激光脉冲能量将增加 IC 晶片的 损伤风险， 包含在上方叠覆钝化层中的不规则或过大开孔、 在下方叠覆钝化层的裂缝、 对相 邻连接结构的损伤、 以及对硅 (Si) 基板的破坏。然而， 对厚连接使用一无风险范围内的激 光脉冲能量通常会造成连接的切断不完全。 0009 因此才产生关于使用超快激光 ( 微微秒 (picosecond) 或飞秒 (femtosecond) 激 光 ) 处理诸如 IC 晶片中的连接等半导体材料的研究。然而， 单一超快脉冲的高峰。
21、值功率可 以轻易地损伤叠覆于其下的 Si 基板， 此在许多应用中是无法接受的。由超快激光造成的 高峰值功率基板损伤问题的解决办法之一是使用具有较小峰值功率的超快脉冲的突发或 者串列。一脉冲串列同时也具有在材料中产生较小有效光斑尺寸的效应。使用一连串超 快脉冲的问题之一在于许多市面上可取得的使用脉冲选择器 (pulse picker) 的超快激光 具有千赫 (kilohertz) 范围的脉冲重复率。不使用脉冲选择器， 一锁模激光 (mode-locked laser) 运作于一基本上位于数十兆赫 (megahertz ； 即 MHz) 范围的固定重复率。此一重复 说 明 书 CN 1023342。
22、49 A CN 102334266 A3/9 页 6 率可能难以套用于连接， 因为平台移动的速度通常大约每秒 400 毫米 (mm/s)， 此使得激光 光斑可以在小于大约 500 纳秒内即飞越一目标连接。因此， 脉冲串列应用中所使用的激光 可能需要起码大约 100MHz 的脉冲重复率。 0010 由 Bo Gu 等人提申的美国专利申请案 No.2007/0199927 中， 其使用具有至少一脉 冲的激光， 该脉冲的脉冲持续时间的范围介于大约 10 微微秒与小于大约 1 纳秒之间。来 自 Lumera Laser GmbH 公司的 Achim Nebel 等人曾展示一种被动式锁模激光， 其使用数。
23、位 时序控制以产生脉冲序列或群集。参见产生用于微加工的微微秒脉冲串列 (Generation of Tailored Picosecond-Pulse-Trains for Micro-Machining)， 其发表于 Photonics West2006， LASE Conference ： 超快激光的商业及生医应用 (Commercial and Biomedical Applications of Ultrafast Lasers)VI Paper No.6108-37。由 Achim Nebel 等人所教示 的系统是基于通过高电压光电式 (EO) 脉冲选择器所产生的一种双开关机制， 其。
24、驱动 一通过一波克斯盒 (Pockels cell) 半波的电压并在一个周期中产生二个 HV 脉冲。介于脉 冲群集间的延迟时间是可以改变的。此功能对于材料处理提供一定程度的弹性。然而， 一 脉冲突发的波封 (envelope) 是无法改变的， 此限制了该系统在许多微加工应用上的使用。 此外， Achim Nebel 等人提出的解决办法既巨大又昂贵。由于腔体长度极长， 机械及热能上 的需求相当高， 一 80MHz 锁模腔通常超过 1 公尺。 发明内容 0011 在一实施例中， 一激光系统配置以利用超快激光脉冲的选择性成形突发 (selectively shaped burst) 处理一材料。此系。
25、统包含一突发式脉冲激光 (burst pulse laser)， 配置以发射一由一选择性成形突发波封所界定的三或多个激光脉冲的突发。上述 的突发式脉冲激光更进一步配置以选择性地在该突发波封内调整介于该三或多个激光脉 冲间的时间间隔以及该突发波封的时间宽度。此系统也包含一或多个放大器， 配置以放大 该三或多个激光脉冲群组以获得该突发波封的一预定形状。在某些实施例中， 该突发式脉 冲激光包含一用以发射一连串激光脉冲的激光源 (laser source)， 以及一接收该连串激光 脉冲的光学调变器 (optical modulator)。该光学调变器配置以在振幅上调变该连串激光 脉冲， 以产生上述由该。
26、选择性成形突发波封所界定的三或多个激光脉冲的突发。 0012 在另一实施例中， 一种以超快激光脉冲的选择性成形突发处理材料的方法包含在 一第一重复率提供一连串激光脉冲、 依据一选择性成形的突发波封调变该连串激光脉冲、 以及选择性地调整在该突发波封内的三或多个激光脉冲间的间隔。 上述的调变包含针对振 幅调整在该突发波封内的三或多个激光脉冲。 0013 参照以下较佳实施例的详细说明， 本发明的进一步特色及优点将更趋于明显， 该 等说明是配合所附的图式进行。 附图说明 0014 图 1 是依据一实施例的具有可程序化突发式脉冲激光的激光系统的功能方块图。 0015 图 2 是依据一实施例的一超快激光源。
27、的功能方块图， 其包含一高速分散式回馈二 极管 (distributed feedback diode)。 0016 图 3 是一典型光纤锁模主振荡器的功能方块图， 依据一实施例， 其可以被使用做 说 明 书 CN 102334249 A CN 102334266 A4/9 页 7 为图 1 的超快激光源。 0017 图 4 图绘式地例示可以依据某些实施例产生的示范性突发波封。 0018 图 5 是依据一实施例的可被上述激光系统使用以产生成形突发波封的一种子激 光的功能方块图。 0019 图 6 是依据一实施例的一激光系统的功能方块图， 其具有一种子激光， 该种子激 光选择性地结合一第一超快激。
28、光源与一第二超快激光源的输出。 0020 图 7A、 图 7B、 及图 7C 分别是依据某些实施例实施不同组态的前置放大器 (pre-amplifier)( 阶段 1) 以及功率放大器 ( 阶段 2) 的激光系统的功能方块图。 0021 图 8 是依据一实施例的激光系统的功能方块图， 其包含一用以进行波长转换的谐 振产生器 (harmonic generator)。 0022 图 9A、 图 9B、 图 9C 及图 9D 例示依据某些实施例的一激光光束与一工件间各种不 同的交互作用实例。 具体实施方式 0023 依据一实施例， 一激光处理系统以一时间可程序化突发模式产生超快激光脉冲。 一突发式。
29、脉冲激光包含一高重复率超快激光， 配置以发出一脉冲串列， 该串列中的每一脉 冲均具有一独立控制的振幅。在脉冲群集或突发中每一超快脉冲的个别振幅， 配合介 于脉冲间的间隔， 界定出一突发波封。除了脉冲突发中每一超快脉冲振幅的独立控制 之外， 该系统同时也可以提供针对介于每一超快脉冲间的间隔及 / 或突发波封的整体时间 宽度的选择性控制。 因此， 该系统提供用于特定激光处理应用的突发波封的选择性成形。 由 于脉冲群集内的每一超快脉冲均可以具有微微秒范围或者甚至飞秒范围的时间宽度， 故该 激光系统可以使用于诸如高效率及高品质的材料加工。 0024 在某些实施例中， 如以下所详述， 该激光系统包含一具。
30、有超快激光源的种子激光 以及一用以成形突发波封的高速光学调变器。 此激光系统也包含一或多个放大器级以在该 系统施加脉冲至一工作表面之前先放大激光脉冲的成形突发。 上述的超快激光源可以包含 一半导体激光、 一光纤激光、 或者一固态激光。在某些实施例中， 该超快激光源可以是一线 性偏极化的窄频宽激光源。因此， 该系统可以使用谐振产生以提供较短的波长及 / 或使用 拉曼光谱(Raman)和光学参数产生(optical parametric generation ； OPO)以提供较长的 波长。 其可以通过使用例如脉冲选择、 高速调变、 在半导体增益开关超快激光情形下的种子 源电性调变、 或者前述方式。
31、的组合以获得可程序化的形状。 一前置放大器可以包含， 举例而 言， 光子晶体 (photonic crystals)、 大模数区 (large mode area ； 简称 LMA) 增益光纤、 或 者一单模增益光纤。一后置放大器 ( 功率放大器 ) 可以包含， 举例而言， 一固态增益介质。 如以下所述， 在某些实施例中， 上述的前置放大器和后置放大器可以包含光纤或固态放大 器的任意组合。 揭示于本说明书的实施例提供多样性的超快激光源以套用于许多不同应用 中的高品质材料处理。 0025 以下的说明将参照所附的图式进行， 图式中相同的参考编号代表相同的构件。为 了清楚起见， 每一参考编号的第一个。
32、数字均表示其对应构件首次出现的图式编号。在以下 的说明中， 其提供许多特定的细节以对所揭示的实施例能有全盘了解。 然而， 本领域普通技 术人员应能体认， 此处所述的实施例均能在缺少一或多个上述细节下付诸实现， 或者是以 说 明 书 CN 102334249 A CN 102334266 A5/9 页 8 其他方法、 组件、 或者材料达成之。 此外， 在一些情况中， 现有的结构、 材料、 或动作均未显示 于图中或者不做详细的描述， 以免混淆实施例的特色。 另一方面， 所揭示的特征、 结构、 或者 特性均可以以任何适当的方式结合于一或多个实施例当中。 0026 图 1 是依据一实施例的一激光系统 。
33、100 的功能方块图。激光系统 100 包含一种子 激光 110、 一前置放大器 112、 以及一功率放大器 114。种子激光 110 包含一超快激光源 116 以及一高速光学调变器 118。超快激光源 116 提供一连串超快激光脉冲 120 至高速光学调 变器118。 在一实施例中， 每一超快激光脉冲120的时间脉冲宽度范围介于大约300飞秒与 大约 1 纳秒之间。 0027 超快激光源116以一高重复率提供该超快激光脉冲120。 在一实施例中， 超快激光 源116运作的重复率范围介于大约1Hz(赫兹)与大约100kHz(千赫兹)之间。 在其他实施 例中， 其重复率范围介于大约 100kHz。
34、 与大约 80MHz( 兆赫 ) 之间。由此处的揭示， 本领域普 通技术人员应能体认出其也可以使用更高的重复率。 举例而言， 在某些实施例之中， 其可以 使用高达 500MHz 或更高的重复率。在另一实施例中， 其重复率可以高达大约 10GHz( 千兆 赫 ) 或者更高。 0028 在一实施例中， 超快激光源 116 包含一高速超快半导体二极管。举例而言， 图 2 是 依据一实施例的一超快激光源 116 的功能方块图， 其包含一高速分散式回馈 ( 简称 DFB) 二 极管 210。该 DFB 二极管 210 是由一高速驱动器 214 产生的种子脉冲信号 212 调变以在一 高重复率提供该连串超。
35、快激光脉冲 120。在某些实施例中， 激光源 116 包含一光学调变器。 举例而言， 激光源 116 可以包含一 20GHz 频宽的调变器， 其能够提供 50 微微秒的脉冲宽度。 本领域普通技术人员应能由此处的揭示体认出上述的光学调变器可以运作于 20GHz 以上 或以下。举例而言， 在一实施例中， 该光学调变器可以运作于一高达大约 40GHz 的频宽。 0029 使用此 DFB 二极管 210 做为激光源 116 在一小巧且坚固的架构下提供宽可调性、 窄线宽、 以及高输出功率。举例而言， 该 DFB 二极管 210 内部的一频率选择构件 ( 未显示于 图中 )， 诸如一布雷格光栅 (Brag。
36、g grating)， 被整合入半导体的有效区段中。因此， 其在不 使用任何大型光学模组下达成单频率运作以及高同调性 (coherence， 例如， 其同调长度的 范围介于大约 50 米及大约 200 米之间 )， 使得该 DFB 二极管 210 特别适合使用于严酷的工 业环境下或者是用于空中传播的应用。 0030 依据某些实施例， 显示于图 2 中的 DFB 二极管 210 可以通过改变温度 ( 例如， 通常 其调整率大约是 25GHz/K) 或者运作电流 ( 例如， 通常其调整率是从大约 1GHz/mA 到大约 2GHz/mA) 而加以调整。虽然电流调整较适于快速调变的作业， 但热能调整具。
37、有提供极大的 免于模式跳跃(mode-hop free)的调整范围(例如， 高达大约1200GHz)的优点。 一般而言， 一 DFB 激光的波长是通过改变激光电流或者是晶片温度而加以调整。电性调变适合于在一 小范围内的快速频率扫描 ( 例如， 对于范围介于大约 0.1 纳米及大约 0.2 纳米之间的线宽， 而调变频率在 kHz 到 MHz 的范围内 )。高达大约 3 纳米的较大调整范围是通过改变激光温 度达成， 通常在一大约 40的区间中。 0031 举 例 而 言， 该 DFB 二 极 管 210 可 以 是 一 配 备 偏 极 化 保 持 (polarization maintaining。
38、 ； PM) 光纤耦合器 ( 未显示于图中 ) 的 DFB 二极管， 其可以自德国 Munich 的 Toptica Photonics AG 公司取得。举另一实例， 二极管 210 可以包含一超快增益开关式二 极管， 具有一提供 50 微微秒脉冲宽度的直接调变源， 如德国 Berlin 的 PicoQuant GmbH 公 说 明 书 CN 102334249 A CN 102334266 A6/9 页 9 司所展示。 0032 回到图 1， 在其他实施例中， 上述的超快激光源 116 可以包含一固态超快激光、 一 被动式锁模光纤主振荡器、 一多重光纤主振荡器的组合、 一被动式锁模半导体激光。
39、、 或者 任何其他高重复率的超快激光。举例而言， 图 3 是一典型光纤锁模主振荡器的功能方块 图， 依据一实施例， 其可以被使用做为图 1 的超快激光源 116。在如图 3 所显示的实例之 中， 光纤锁模主振荡器包含一单模增益光纤 ( 简称 SMF)310， 其构成一激光谐振器 (laser resonator)， 该激光谐振器在一端终结于一半导体饱和吸收镜 (semiconductor saturable absorber mirror ； 简称 SESAM)312 而在另一端终结于诸如一光纤光栅 314 的波长选择器。 增益光纤310， 举例而言， 被一激光二极管(未显示于图中)所激发， 。
40、其输出经由一分波多工 器 (wavelength division multiplexer ； WDM)316 被导入该谐振器。运作之时， 图 3 所示的 光纤锁模主振荡器以一高重复率产生如前所述的该连串超快激光脉冲 120。光纤锁模主振 荡器的脉冲重复率是由谐振器的长度所决定。 0033 如图 1 所示， 该连串超快激光脉冲 120 被输入至上述高速光学调变器 118， 其独立 地调整每一脉冲的振幅， 以得到用于一特定材料处理应用的预定突发波封形状。高速光学 调变器 118 可以被程序设定以控制波封内的超快脉冲的时间间隔、 突发波封的时间宽度、 及 / 或突发波封的振幅和特定形状。其可以通过。
41、使用例如脉冲选择 ( 例如， 选择脉冲以控 制脉冲间的距离或者脉冲重复频率 )、 高速调变、 在半导体增益开关超快激光情形下的种子 源电性调变、 或者前述方式的组合以获得可程序化的突发波封。 在一实施例中， 高速光学调 变器 118 包含一马赫 - 任德光干涉仪 (Mach-Zehnder interferometer)( 未显示于图中 )， 其调变该连串超快激光脉冲的功率以得到一预定的突发波封。 0034 依据一实施例， 突发波封的时间宽度范围是介于大约10微微秒以及大约1纳秒之 间。在其他实施例中， 突发波封的时间宽度范围是介于大约 1 纳秒以及大约 10 纳秒之间。 在其他实施例中， 突。
42、发波封的时间宽度范围是介于大约 10 纳秒以及大约 100 纳秒之间。在 其他实施例中， 突发波封的时间宽度范围是介于大约 100 纳秒以及大约 1 微秒之间。取决 于特定应用， 突发波封可以具有其他时间宽度。 0035 在一实施例中， 突发波封的上升时间及 / 或下降时间小于 1 纳秒。例如， 其上升时 间及 / 或下降时间的范围可以是介于大约 10 微微秒及大约 1 纳秒之间。不同的应用也可 以使用较快或者较慢的上升 / 下降时间。例如， 其上升时间及 / 或下降时间的范围可以是 介于大约 1 纳秒及大约 5 纳秒之间。激光系统提供具有快速上升时间及 / 或下降时间的突 发波封的能力对于诸。
43、如连接切断等应用是相当有用的， 因为其降低了在上方叠覆钝化层产 生过度凹陷的风险。 0036 前置放大器 112 以及功率放大器 114 对高速光学调变器 118 输出端的超快激光脉 冲成形突发提供适当的放大。依据某些实施例， 前置放大器 112 可以包含光子晶体、 LMA 增 益光纤、 或者单模增益光纤。此外， 或者在其他实施例中， 功率放大器 114 包含一固态增益 介质。如以下所述， 在某些实施例中， 前置放大器 112 和功率放大器 114 可以包含光纤或固 态放大器的任意组合。 0037 图 4 图绘式地例示依据某些实施例可以产生的示范性突发波封。虽然图 4 仅例示 十种不同突发波封。
44、的形状 (a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)、 (f)、 (g)、 (h)、 (i)、 及 (j)， 本领域普通 技术人员应能体认此等例示的形状仅用于举例， 依据揭示于此的系统及方法， 其可以产生 说 明 书 CN 102334249 A CN 102334266 A7/9 页 10 任何数量的不同突发波封形状。 此外， 如上所述， 所选择的波封的形状可以是基于一特定的 材料处理应用。 0038 举例而言， 受让予本专利申请案受让人， 由 Yunlong Sun 等人提申的编号 No.7,348,516 的美国专利在其一实施例中描述其使用一形状类似椅子的特制激光脉冲形 状， 具有一快。
45、速上升的峰值或者多重峰值以有效地处理连接， 且信号强度之后急遽下降， 而 在关闭之前平稳维持于一较低的功率位准。此一椅子形状的脉冲对应至图 4 中所示的突发 波封形状 (h)。在其他材料处理应用中， 其可以使用多重峰值， 诸如显示于图 4 中的突发波 封形状 (c)、 (d)、 及 (e)， 以相继地对材料加热， 移除一部分材料以形成一切口， 并清理该切 口。由于超快激光源 116 结合高速光学调变器 118 能够提供在其波封内具有微妙结构的包 含超快脉冲的各种不同脉冲形状， 本领域普通技术人员基于本文中的实施例应能针对许多 不同应用领会出许多适用的其他突发波封形状。 0039 图5是依据一实。
46、施例的可被激光系统100使用以产生成形突发波封的一种子激光 110 的功能方块图。图 5 所示的种子激光 110 包含一超快激光源 116、 一脉冲选择器 510、 以 及一脉冲整形器 (pulse shaper)512。在此实施例中的超快激光源 116 是一光纤锁模主振 荡器， 如以上参照图 3 时所述其包含 SMF 310、 SESAM 312、 光纤光栅 314、 以及 WDM 316。 0040 举例而言脉冲选择器 510 可以包含一声光式 (AO) 调变器或一光电式 (EO) 调变 器， 用以改变该连串超快脉冲 120 的重复率。如前所述， 主要锁模频率是由谐振器的长度所 决定， 此。
47、对一特定振荡器而言是固定的。举例而言， 该锁模频率可以是大约 1GHz， 此对于某 些材料的处理可能不尽理想。因此， 脉冲选择器 510 使得由光纤锁模主振荡器提供的脉冲 以一选择速率通过以降低其重复率 ( 例如， 将其自大约 1GHz 改变成大约 500MHz 或更低的 频率， 诸如数个赫兹)， 如图5中的连串超快激光脉冲514所示。 举另一实例而言， 其可以在 一突发中的二个超快激光脉冲之间加入额外的时间延迟以利散热。因此， 脉冲选择器 510 可用以选择性地改变超快激光脉冲间的间隔以在材料处理期间控制热度。 0041 脉冲整形器 512 可以包含， 举例而言， 一 EO 调变器用以选择性。
48、地对该连串超快激 光脉冲514中的每一脉冲提供振幅调变。 因此， 脉冲整形器512选择性地塑造突发波封516 的形状， 如图 5 所示。如参照图 1 时所述， 激光脉冲的成形突发接着可以在被施加至一工件 之前被输出至前置放大器 112 及功率放大器 114。 0042 重复率可以被增加并通过选择性地结合二或多个超快激光源而进一步加以控制。 举例而言， 图6系依据一实施例的一激光系统100的功能方块图， 其具有一种子激光110， 种 子激光 110 选择性地结合一第一超快激光源 610 与一第二超快激光源 612 的输出。例如， 其可以结合该等输出以增加输出至高速光学调变器118的连串超快激光脉。
49、冲120的整体重 复率。 0043 上述的第一超快激光源610以及该第二超快激光源612可以各自包含本说明书实 施例所述的示范性超快激光源或者相关领域中所现有者。在一实施例中， 其可以使用一第 一脉冲选择器 614 以选择性地降低该第一超快激光源 610 的重复率， 且可以使用一第二脉 冲选择器 616 以选择性地降低该第二超快激光源 612 的重复率。种子激光 110 同时也可以 包含一控制器 618 连接该第一脉冲选择器 614 以及该第二脉冲选择器 616 以选择性地控制 各别的重复率。因此， 控制器 618 控制该连串超快激光脉冲 120 的整体重复率以及该连串 超快激光脉冲 120 内任意二脉冲间的时间间隔。如上所述， 该连串超快激光脉冲 120 接着 说 明 书 CN 102334249 A CN 102334266 A8/9 页 11 被输出至高速光学调变器 118 以进行突发波封的成形， 而后依序输出至前置放大器 112、 以 及功率放大器 114。 0044 图 7A、 图 7B、 及图 7C 分别是依据某些实施例实施不同组态的前置放大器 。