雷射處理設備的製作方法
2023-11-07 22:27:47 1
專利名稱：雷射處理設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射處理設備的「巨脈衝」技術，更具體地說，本發明涉及對Q開關雷射振蕩器輸出的第一個脈衝的控制。
鑑於這種情況，需要有一種更高速的處理辦法來提高雷射處理設備的產率。但是，用於獲取具有最佳峰值的雷射的Q開關頻率是根據雷射振蕩器的激勵方法(例如，燈(Lamp)激勵方法或雷射二極體激勵方法)或諧振器的結構而改變的，即使當振蕩波長相同時也如此。
具體來說，在Q開關固態雷射振蕩器中具有第一個脈衝(即，暫停處理之後的第一次發射)的峰值過大的問題。
這種問題的發生源於以下原因當儲存光能的時間(被稱為激勵周期)因諸如處理暫停等而持續很長時，儲存在雷射介質內的能量密度將達到飽和狀態。當短周期的Q開關雷射振蕩在這種情況下形成時，達到飽和值的能量將在第一個脈衝中被釋放。但是，跟隨此第一脈衝之後被發射的每個雷射脈衝所釋放的能量都是其各個短周期的激勵周期內所儲存的沒有達到飽和值的能量。結果，在能量密度達到飽和值之後的第一脈衝峰值將高於能量密度達到飽和之前被釋放的雷射脈衝的峰值。
圖1的框圖顯示出了根據現有技術的一個典型例子的一種Q開關振蕩器的主要組成單元。計算機1為控制單元2提供Q開關的導通/截止周期數據以作為I/O數據(指定用於對待被雷射脈衝處理的目標進行照射的周期的數據)，即，一個處理周期(對要用一系列雷射脈衝處理的目標進行照射的時間)，Q開關頻率，以及Q開關頻率脈衝的脈衝寬度。控制單元2響應I/O數據而產生Q開關控制脈衝信號，並將此信號提供給Q開關驅動器4。雷射振蕩器6的光諧振器7之內的Q開關單元8響應其接收到的脈衝信號而導通或截止。
在上述說明中，所謂Q開關單元8的導通指的是光諧振器的Q值的快速減小，這樣就抑制了雷射的諧振。相反，當Q開關單元8處於截止狀態時，光諧振器的Q值恢復至正常值，由此產生了正常的雷射振蕩。
當Q開關單元從導通狀態切換到截止狀態時，Q開關單元8在導通狀態期間儲存在雷射介質中的光能急劇釋放，由此發出了具有較高峰值的雷射脈衝。此具有高峰值的雷射脈衝被稱為「巨脈衝」(以下將參考圖3進行說明)。
圖2的框圖顯示了圖1所示控制單元2中的雷射控制單元3的結構。雷射控制單元3配備有解碼器12、可編程分頻電路13、參考時鐘振蕩器15以及定時器電路16。
解碼器12對計算機1所提供的I/O數據進行解碼。可編程分頻電路13對來自參考時鐘振蕩器15的參考時鐘信號進行分頻，並產生由解碼的I/O數據所指定的頻率的Q開關頻率脈衝(周期T3)。定時器電路16接收Q開關頻率脈衝並將一脈衝寬度為T4的Q開關控制脈衝提供給Q開關驅動器4。
圖3是一個時序圖，它顯示了雷射脈衝的發射時序。該圖所示的例子中，在第一個Q開關控制脈衝被輸入至Q開關單元8之前，Q開關單元8已保持處於導通狀態一段時間，此時間段比Q開關周期T3要長，從而使被儲存於雷射介質的光能上升到達飽和狀態。
當第一Q開關控制脈衝在時刻t0上被加載給Q開關單元8時，對振蕩器振蕩的抑制被解除，從而使在較長的激勵周期內上升達到飽和狀態的光能被急劇釋放，進而發出一個巨脈衝。在較長激勵周期之後的第一個巨脈衝被稱為是「第一脈衝」。
當第一脈衝被發射出去之後，在接收到下一個Q開關控制脈衝之前的激勵周期#T1相對較短，而且此周期#T1中保存在雷射介質內的光能未達到飽和狀態，在這種情況下，隨後的巨脈衝的峰值將低於第一脈衝的峰值。由於Q開關控制脈衝在時刻t0之後以固定時間間隔被提供給Q開關單元8，因而使激勵周期具有相同的持續時間，所以從第二巨脈衝開始所發射的巨脈衝都具有相同的峰值。第一脈衝和其後的巨脈衝之間的脈衝高度差通常會使處理出現不均勻的情況，而這是我們不希望看到的。
如日本未決專利N0.354876/99(以下稱為「參考文獻1」)中所述的雷射處理設備和方法已得到採用以消除由於產生具有過大脈衝高度的第一脈衝而妨礙了理想條件下的處理的問題。
為了抑制第一脈衝，參考文獻1中所述的設備配備了一個第一脈衝抑制控制電路以及一個光能釋放脈衝發生電路。第一脈衝抑制控制電路逐漸改變一Q開關控制脈衝(命令開關脈衝)，從而釋放處理暫停期間或處理之前儲存在雷射介質中的光能。光能釋放脈衝發生電路能夠控制Q開關以使釋放結束時剩餘的光能被完全釋放。
這種設備能夠抑制第一脈衝。但是，由於它需要一個預備時間以用於有效地釋放儲存在雷射介質中的光能，所以存在很多問題，例如，因為需要有預備時間以用於消除第一脈衝，所以它不能以最大速度進行處理。
日本未決專利申請公報NO.313145/98(以下稱為「參考文獻2」)中所揭示的雷射處理設備具有這樣一種結構，即雷射介質和極化分束鏡被排列成公用部件；雷射諧振器被排列成用於極化分束鏡所分開的各個光束；而Q開關單元被排列成位於兩個雷射諧振器的各諧振器的光軸上，從而使Q開關單元受到獨立的導通/截止控制。
這種雷射處理設備的特徵在於，通過獨立控制兩個具有一共用雷射介質的雷射諧振器的每一個的Q開關單元，就可隔離且單獨地獲取各個雷射諧振器的雷射輸出。因此，單元雷射諧振器就可由任何Q開關頻率的Q開關脈衝列的第一脈衝引起振蕩，而第二雷射諧振器則可由跟隨在第一脈衝之後的Q開關脈衝列引起振蕩。這樣，只利用第二諧振器的輸出就可獲取一個其中第一脈衝已被消除的巨脈衝列。
但是，這種方法具有結構複雜和成本較高的問題。
由本發明的發明人申請的日本專利申請2000-174490中揭示出了一種與現有技術中所使用的上述雷射處理設備的第一脈衝控制方法不相同的方法。這種方法構成了本發明的前提基礎，所以本文將在下面對其進行詳細說明。在下面的說明中，該參考文獻被稱為「參考文獻3」。
該現有技術與上述現有技術的不同之處在於，其Q開關單元被截止，而且連續振蕩狀態在兩個連續巨脈衝的發射時間之間的預定周期內一直保持，這樣就防止了光能儲存在雷射介質當中。當經過此連續振蕩周期之後，Q開關單元被導通，並且光能在一周期內被儲存起來，直到Q開關的下一個截止周期開始為止；而且在雷射振蕩器與待被處理的目標之間的雷射振蕩器外部的雷射脈衝的光路上配備了一個用於開啟和關閉光路的光開關。
圖4的框圖用於說明如參考文獻3中所述的雷射輸出設備的結構。
雷射輸出設備30配備有計算機38、測量單元35、Q開關驅動器33，光開關驅動器34、雷射振蕩器31以及光開關單元32。計算機38為測量單元35提供I/O數據。I/O數據不僅包括用於使Q開關導通和關閉的時序數據(一個控制Q開關的脈衝的脈衝頻率和脈衝寬度)，它還包括用於開啟和關閉光開關單元32的時序數據(控制光開關的脈衝的脈衝頻率和脈衝寬度)。測量單元35可根據I/O數據產生一Q開關控制脈衝和一光開關控制脈衝。Q開關驅動器33根據Q開關控制脈衝而實現對位於雷射振蕩器31的光諧振器11b內的Q開關單元11a的導通/截止控制。光開關驅動器34則根據光開關控制脈衝而執行對光開關單元32的導通/截止控制。
圖5是測量單元35的結構框圖，圖6是根據參考文獻3所述設備的操作的信號時序圖。
測量單元35配備有測量比較/判斷單元17和雷射控制單元26。測量比較/判斷單元17能夠測量要被處理的目標的處理量、將這些測量值與目標值進行比較並且確定上述處理是否已經完成，當上述處理尚未完成時(當需要更多的雷射脈衝照射時)，它將向雷射控制單元26提供一個(邏輯1)脈衝信號表明這種情況(需要更多的雷射照射)，作為判斷的結果。
雷射控制單元26配備有解碼器20，可編程分頻電路21，參考時鐘振蕩器22，邏輯電路23，定時器電路24，以及可編程定時器電路25。
解碼器20對來自計算機38的用於Q開關單元11a和光開關單元32的I/O數據進行解碼，並將經解碼的I/O數據提供給可編程分頻電路21和可編程定時器電路25。
可編程分頻電路21接收到由參考時鐘振蕩器22產生的參考時鐘信號，根據I/O數據對參考時鐘信號進行分頻，並產生一個Q開關頻率脈衝(圖6(A))，然後將該Q開關頻率脈衝提供給邏輯電路23。此時分頻比可被修正為適當的值。
邏輯電路23接收到來自可編程分頻電路31的Q開關頻率脈衝，同時也接收到來自測量比較/判斷單元17的判斷結果，然後產生兩個輸入信號的AND(「與」)並將AND信號提供給定時器電路24和可編程定時器電路25。在需要對被處理的目標進行更多的雷射脈衝照射的情況下，該AND信號變為與Q開關頻率脈衝同步的脈衝信號。但是，當不需要對目標進行更多的雷射脈衝照射時，邏輯電路23將沒有信號輸出。
根據邏輯電路23的輸出信號，定時器電路24向光開關驅動器34提供一個光開關脈衝以作為雷射發射命令信號，該脈衝中含有脈衝寬度為T4的一系列與Q開關頻率脈衝同步的脈衝(圖6(E))。
根據來自解碼器20的各個信號，參考時鐘振蕩器22和邏輯電路23以及可編程定時器電路25將利用參考時鐘信號作為時序信號，向Q開關驅動器33提供一個脈寬為T1的Q開關脈衝，上述脈寬T1由與邏輯電路23的輸出信號相同步的經解碼的I/O數據指定(圖6(B))。在圖6所示的例子中，Q開關脈衝的邏輯1的間隔T1對應於Q開關的導通間隔(即，雷射振蕩器的振蕩暫停間隔)。因此，該間隔成為激勵周期(或激發間隔)，在此周期內，光能在雷射介質中累積起來。受激發射隨著Q開關脈衝的下降而急劇產生，積累下來的能量被釋放，並且發出一個巨脈衝(圖6(C)和(D))。如果激勵周期T1被加長，巨脈衝的峰值也會相應增加。因此，通過使Q開關脈衝變量的脈寬可變化就可改變巨脈衝的高度。
在Q開關脈衝的邏輯0的間隔內，保持連續振蕩的狀態，並且實現了與一振蕩閾值電平相對應的持續低電平的振蕩(圖6(C)和(D))。這種維持振蕩防止了光能在雷射介質中累積至飽和值的情況，從而解決了現有技術中所存在的第一脈衝的問題。光開關單元32阻擋了這種持續振蕩的雷射，以使待被處理的目標不被照射。光開關單元32在其中發出一個與Q開關脈衝的下降相同步的巨脈衝的間隔T4中開啟，然後再關閉以阻擋連續振蕩的雷射，直到下一個Q開關周期開始為止。
從圖5所示的框圖可以看出，參考文獻3中所述設備的定時器電路24和可編程定時器25在接收到邏輯電路23的輸出之後是完全獨立操作的。兩電路24和25隨後通過單獨與Q開關頻率脈衝進行同步化而被「間接地」同步化。為了用更為具體的形式來說明這個過程，在圖6中，Q開關脈衝的後沿被與Q開關頻率脈衝的前沿t0同步，而且，如圖6(E)所示，光開關脈衝的前沿被與Q開關頻率脈衝的前沿t0同步，由此，Q開關脈衝的後沿(一個巨脈衝的發射開始時刻)與光開關脈衝的前沿(光開關導通的起始時刻)是同步的。但是，如果需要考慮使一光開關脈衝的上升沿與一Q開關脈衝的下降沿同步，則從控制的角度出發，本設備中的間接同步化處理就不能被認為是理想的。以下把這一點稱為是參考文獻3所述技術中的第一個問題。
為了在參考文獻3所述的設備中實現間接同步化方法，Q開關脈衝的上升沿必須比Q開關頻率脈衝的前沿t0精確地提前時間T1。為達到這個目的，Q開關脈衝必須在從緊接於與有關的Q開關脈衝相關的第二個Q開關脈衝之前的第一個Q開關頻率脈衝測起的時刻T2之後上升(見圖6B)。作為結果，第一個巨脈衝的發射被與第二個Q開關頻率脈衝同步地實現。換句話說，在得到處理命令後，巨脈衝的第一次發射不與第一個Q開關頻率脈衝同步執行，而是在延遲一個Q開關周期T3之後才被執行。以下把這一點稱為是參考文獻3所述技術中的第二個問題。
本發明的目的是提供一種雷射處理設備，這種雷射處理設備能夠解決參考文獻3中存在的上述問題，並可以利用簡單的結構和穩定的控制來解決第一脈衝的問題，另外，它還能夠自由地修改輸出雷射脈衝的峰值。
Q開關驅動器，其接收Q開關控制脈衝，以根據Q開關控制脈衝來控制Q開關單元；以及光開關驅動器，其接收光開關脈衝以根據光開關脈衝來控制光開關單元。
此雷射處理設備中的「用於產生與Q開關控制脈衝同步的光開關脈衝的控制單元」的結構保證了光開關脈衝與Q開關控制脈衝的直接同步。
通過使Q開關控制脈衝的後沿與光開關脈衝的前沿同步，就可具體實現光開關脈衝與Q開關控制脈衝的直接同步。
參考文獻3所述技術的第一個問題由此得到解決。
另外，通過本發明所述控制單元的「產生在Q開關頻率脈衝的各個周期中都與Q開關頻率脈衝同步的Q開關控制脈衝」功能，從而使參考文獻3的第二個問題也得到了解決。換句話說，在雷射處理開始時刻之後，Q開關控制脈衝與Q開關頻率脈衝在含有第一Q開關頻率脈衝的「各個」Q開關頻率脈衝的周期中都同步。
因此，在雷射處理開始時刻之後，就會產生與初始的Q開關頻率脈衝同步的初始Q開關控制脈衝。作為結果，在雷射處理暫停周期之後，就會產生與第一Q開關頻率脈衝同步的雷射處理開始周期或第一脈衝。
通過「使Q開關控制脈衝的前沿與Q開關頻率脈衝的後沿同步，並使Q開關控制脈衝的後沿與光開關脈衝的前沿同步」，就可實現控制單元的這個功能。也就是說，Q開關控制脈衝是隨著Q開關頻率脈衝的下降而同步上升的。因此，在與各Q開關頻率脈衝下降精確地偏移Q開關控制脈衝寬度的時刻，就可產生一雷射脈衝。
本發明的下述內容解決了第一脈衝的問題。
由本發明的控制單元產生的Q開關控制脈衝在被I/O數據指定作為激勵間隔的周期內具有一第一邏輯電平，並且在其它周期內具有一第二邏輯電平。其它周期是指除被I/O數據指定作為激勵期間的周期以外的周期。
由於處理開始周期之前或處理暫停期間的周期明顯屬於「其它周期」，所以在處理開始周期之前或處理暫停期間的周期內，Q開關控制脈衝變成第二邏輯電平。因此Q開關單元在這些周期內持續保持截止狀態，進而使雷射振蕩器保持一種連續的振蕩狀態。按照這種方式，就可防止光能在處理開始周期之前或處理暫停期間在雷射介質中累積起來。
作為結果，就可以防止第一脈衝具有高於其後的巨脈衝的峰值。
由於第一定時器電路所產生的Q開關控制脈衝的脈寬是可編程的，所以激勵間隔內累積在雷射介質中的光能也是可編程的。因此其產生的巨脈衝峰值也是可編程的。
通過在本發明的雷射處理設備的控制單元中增加參考文獻3中的測量比較/判斷單元，並在本發明所述雷射處理設備的雷射控制單元中增加參考文獻3中的邏輯電路，就可創造出一種將參考文獻3所述設備和本發明所述雷射處理設備的功能結合在一起的雷射處理設備。
在本實施例中，根據本發明所述的雷射處理設備的控制單元還含有一個測量比較/判斷單元，它能夠測量待被處理的目標的規定項，將這些測得的值與目標值進行比較，並確定是否需要進行更多的雷射處理。
另外，本發明所述雷射處理設備的雷射控制單元配備有一個邏輯電路，它被置於可編程分頻電路與第一定時器電路之間。該邏輯電路可接收Q開關頻率脈衝以及測量比較/判斷單元的判斷結果。在測量比較/判斷單元確定出需要有另外的雷射處理的情況下，該邏輯電路會將Q開關頻率脈衝發送給第一定時器，並且可在測量比較/判斷單元確定出不需要更多雷射處理的情況下阻止Q開關頻率脈衝的發送。
通過利用上述結構，使本發明具有以下優點通過在處理開始周期之前或處理暫停期間的一個周期內使光諧振器處於一種連續振蕩狀態，就可將第一脈衝的峰值控制成位於第一脈衝之後的脈衝的一個電平。
提供一個能夠對激勵間隔進行可編程設定的電路，就可實現輸出雷射脈衝峰值的可編程設定。
Q開關控制脈衝前沿與Q開關頻率脈衝後沿的同步、以及Q開關控制脈衝後沿與光開關脈衝前沿的同步使得巨脈衝發射時刻與光開關單元開啟時刻能夠實現穩定可靠的同步，並可以為各個Q開關頻率脈衝產生具有設定峰值的單雷射脈衝列。
提供能夠對參考時鐘信號進行可編程分頻的電路就可實現對作為用於雷射處理設備操作的參考時間的Q開關頻率的可編程修改。作為結果，可以在T3＞T1+T4的範圍內任意選擇一個適用於正確處理半導體元件或電子元件的Q開關周期T3。
通過以下的文字說明並參考附圖，本發明的上述及其它目的、特徵和優點將變得更加清晰易懂，在附圖中描繪出了多個本發明優選實施例的例子。
圖1是根據現有技術的一個典型例子所述的Q開關控制雷射振蕩器的主要部件框圖。
圖2的框圖顯示了圖1所示控制單元2內的雷射控制單元3的結構。
圖3的時序圖顯示了圖1所示設備中雷射脈衝的發射時序。
圖4的框圖用於解釋參考文獻3中所述的雷射處理設備的結構。
圖5的框圖顯示了圖4所示測量單元35的結構。
圖6的信號時序圖顯示了參考文獻3所述設備的操作。
圖7的框圖顯示了本發明所述雷射處理設備的第一實施例的結構。
圖8的框圖顯示了第一實施例中雷射控制單元的結構。
圖9是一個信號時序圖，該信號控制了第一實施例所述雷射處理設備的各個部分。
圖10的框圖顯示了本發明所述雷射處理設備的第二實施例的結構。
優選實施例接下來將參考附圖對本發明的各個實施例進行說明。
圖7的框圖顯示了本發明所述雷射處理設備的第一實施例的結構。
本實施例的雷射處理設備配備有計算機1，控制單元2，Q開關驅動器4，光開關驅動器5，雷射振蕩器6以及光開關單元9。雷射振蕩器6含有光諧振器7，其振蕩受到Q開關單元8的控制。Q開關單元8被包含入光諧振器7。
計算機1可向控制單元2提供I/O數據，該數據指定了Q開關單元8的操作模式和光開關單元9的操作模式。控制單元2含有雷射控制單元3。雷射控制單元3對I/O數據進行解碼，並在I/O數據所指定的周期上產生一用於控制Q開關單元8的Q開關控制脈衝、還有用於控制光開關單元9的光開關脈衝。雷射控制單元3分別向Q開關驅動器4和光開關驅動器5提供Q開關控制脈衝和光開關脈衝。Q開關驅動器4能夠響應Q開關控制脈衝而執行對Q開關單元8的導通/截止控制。Q開關單元8能夠在導通狀態下降低光諧振器7的Q值，而且能夠在截止狀態下使光諧振器7的Q值恢復正常值。因此，Q開關單元8的導通狀態對應於雷射振蕩器6的振蕩抑制狀態，其截止狀態則對應於雷射振蕩器6的正常振蕩狀態。
光開關驅動器5可根據光開關脈衝執行對光開關單元9的開啟/關閉控制。光開關單元9具有一閘門功能，它可響應光開關脈衝而通過或者阻擋雷射。雖然在本實施例中光開關單元9被置於雷射振蕩器的外面，但也可將其安排在雷射振蕩器的內部。
接下來將參考圖8對與雷射控制單元3的結構有關的細節進行說明，在圖8的框圖中顯示出了本實施例所述雷射控制單元3的結構。
雷射控制單元3配備有用於Q開關和光開關控制脈衝的解碼器12，可編程分頻電路13，可編程定時器電路14，參考時鐘振蕩器15以及定時器電路16。
解碼器12對接收到的I/O數據進行解碼，並將經解碼的I/O數據發送給可編程分頻電路13和可編程定時器電路14。
可編程分頻電路13還接收來自參考時鐘振蕩器15的參考時鐘信號，對此參考時鐘信號進行分頻，並產生一個具有解碼的I/O數據所指定的頻率的Q開關頻率脈衝。可編程分頻電路13將該Q開關頻率脈衝發送給可編程定時器電路14。Q開關頻率脈衝的周期為T3。
可編程定時器電路14接收來自參考時鐘振蕩器15的參考時鐘信號、來自可編程分頻電路13的Q開關頻率脈衝，以及來自解碼器12的解碼I/O數據；利用此參考時鐘信號作為時序信號(利用此參考時鐘信號作為時序標準)，產生一個具有I/O數據所指定的脈寬#T1的Q開關控制脈衝，該Q開關控制脈衝的前沿與Q開關頻率脈衝的後沿同步；並將生成的Q開關控制脈衝提供給Q開關驅動器4。#T1可根據I/O數據所指定的巨脈衝的峰值而相應改變。
定時器電路16接收參考時鐘信號和Q開關控制脈衝；利用參考時鐘信號作為時序信號，產生一個具有預定脈寬T4的光開關脈衝，該光開關信號的前沿與Q開關控制脈衝的後沿同步；並將生成的光開關脈衝提供給光開關驅動器5。
接下來，說明圖7和圖8所示電路的操作，用於雷射發射的Q開關頻率數據被首先設定在用於控制Q開關單元和光開關單元的解碼器12之中。可編程分頻電路13接著對來自參考時鐘振蕩器15的參考時鐘信號進行分頻，並根據解碼的輸出數據產生一個具有所需頻率的Q開關頻率脈衝。Q開關頻率脈衝的周期為T3(參考下面說明的圖9(A))。Q開關單元8和光開關單元9在此Q開關頻率脈衝的周期上執行操作。
由於Q開關控制脈衝的前沿與Q開關頻率脈衝的後沿同步(參考下面說明的圖9(B))，所以在處理命令被發出之後，第一個Q開關控制脈衝可與第一個Q開關頻率脈衝同步生成。這一點與先前所述的參考文獻3中的設備形成了對比，在後者中，第一個Q開關控制脈衝與第二個Q開關頻率脈衝同步。
本實施例中，Q開關控制脈衝的邏輯1使得Q開關單元8進入導通狀態，後者隨後使光諧振器7的振蕩受到抑制，從而允許光能在雷射介質中積聚。因此，在本實施例中，Q開關控制脈衝的脈寬周期(邏輯1的間隔)#T1是激發間隔或激勵周期(參考下面說明的圖9(B))。然後，Q開關單元8隨著Q開關控制脈衝的下降而進入截止狀態，進而使光振蕩器7的振蕩暫停被解除，並且積聚能量的受激發射立刻發生，即，發射一個巨脈衝。當Q開關單元8接收到下一個Q開關控制脈衝時，雷射介質開始積聚下一次的光能。
通過光開關驅動器5對光開關單元9產生作用的光開關脈衝的前沿與Q開關控制脈衝的後沿同步(參考圖9(E))。光開關單元9因此隨著一巨脈衝的上升而被同步導通。由於光開關脈衝的脈寬為T4，所以光開關單元9隻在間隔T4內處於導通狀態，然後就截止，從而阻擋住即使已發射出的雷射。
Q開關控制脈衝在除間隔#T1以外的其它間隔內，即，在間隔T3-#T1(參考圖9(B))內處於邏輯0狀態，Q開關單元8因此保持處於截止狀態。此刻，在雷射介質中，通過激勵躍遷至粒子數反轉狀態的原子數與通過受激發射而遠離粒子數反轉狀態的原子數處於平衡狀態，從而保持了一個穩定、連續的振蕩狀態，但是這種連續振蕩的雷射卻被處於截止狀態的光開關9阻擋住。
在連續振蕩狀態下，間隔T3-#T1期間內保存於雷射介質中的能量的密度極低。因此，巨脈衝的光能基本上等於在Q開關控制脈衝的脈寬#T1的間隔內積聚在雷射介質之中的能量。所以，如果脈寬#T1是常數，則巨脈衝的高度也是常數。另外，脈寬#T1的可編程修改使得能夠進行與巨脈衝相對應的峰值的可編程修改。
Q開關控制脈衝在處理命令被發出之前或暫停處理間隔期間的間隔內(即，在可編程分頻電路13發出第一個Q開關頻率脈衝之前)保持邏輯0狀態。因此，雷射振蕩器6在這些間隔內處於一種連續振蕩狀態，從而使雷射介質中不會積聚超過振蕩閾值的能量密度。所以，在本發明所述的設備中，其中第一個脈衝具有高於隨後的巨脈衝的峰值的第一脈衝問題得到了解決。
在本實施例中，可編程定時器電路14的輸出被提供給定時器電路16，以用於使Q開關控制脈衝的後沿與光開關脈衝的前沿同步。
這種方法可以和參考文獻3中所述設備的方法形成對比，在後者中，Q開關控制脈衝的後沿與光開關脈衝的前沿是通過使Q開關控制脈衝的後沿與一Q開關頻率脈衝同步再使一光開關脈衝的前沿與該Q開關頻率脈衝同步而被間接同步的。
本實施例的這種方法能夠比參考文獻3中的方法更加直接地實現同步，因此可以實現更加穩定的控制。
圖9是一個信號時序圖，該信號控制著本實施例所述雷射處理設備的各個部分。
在雷射處理的預備狀態下，一個具有一可將光開關單元9置於阻擋狀態的邏輯電平(本實施例中為邏輯0)的光開關脈衝被從雷射控制單元3提供給光開關驅動器5。另外，一個將Q開關單元8置於截止狀態的Q開關控制脈衝(邏輯0)被從雷射控制單元3提供給Q開關驅動器4，雷射振蕩器6由此被置於一種弱的連續振蕩狀態之下。光開關單元9阻擋住此弱雷射的輸出使其不能達到外面。
當雷射處理隨後開始時，可編程分頻電路13將根據來自計算機1並經解碼器12解碼的一個命令(I/O數據)而產生一個具有重複周期T3的Q開關脈衝列(圖9(A))。此脈衝列用作Q開關頻率脈衝。本發明中，Q開關頻率脈衝是雷射發射和脈衝控制操作時序的參考信號。
可編程定時器電路14產生一與該Q開關頻率脈衝同步的Q開關控制脈衝。這種同步是通過使Q開關頻率脈衝的後沿(本實施例中為下降沿)與Q開關控制脈衝的前沿(本實施例中為上升沿)同步而實現的。Q開關控制脈衝的脈寬(邏輯1的間隔)等於由解碼的I/O數據所指定的時間#T1(圖9(B))。
在本實施例中，Q開關控制脈衝的邏輯1將Q開關單元置於導通狀態。雷射振蕩器6的振蕩由此得到檢查，而且光能在雷射介質中的積聚隨著Q開關控制脈衝的上升而同步開始，由此使雷射介質中的能量密度被建立起來。能量密度會持續增大直至Q開關控制脈衝的後沿(本實施例中為下降沿)為止(圖9(C))。Q開關單元8在Q開關控制脈衝的下降沿上變換至截止狀態，作為結果，已積聚在雷射介質中的能量被作為一個巨脈衝而立刻全部釋放出去(圖9(D))。利用計算機1發出的命令可將Q開關控制脈衝的周期T3和Q開關控制脈衝的脈寬#T1設定成任意值。
定時器電路16使光開關脈衝隨著Q開關控制脈衝的下降而同步上升。在本實施例中，光開關脈衝的邏輯1作為光開關單元9的開啟信號。定時器電路16由此產生光開關脈衝，該光開關脈衝的上升沿與Q開關控制脈衝的下降沿同步，並且具有一設定的脈寬T4(圖9(E))。因此，光開關單元9隻在與巨脈衝的發射相同步的設定間隔T4內被開啟(圖9(D)和(E))。
巨脈衝的峰值(更確切地說，是巨脈衝強度曲線的時間積分)基本上與Q開關控制脈衝的下降時刻(後沿)上雷射介質中的能量密度成正比。在尚未達到飽和值時，雷射介質中的能量密度基本上與Q開關控制脈衝#T1的脈寬成正比。因此，通過將時間#T1設定成常數，就可使所有穿過光開關單元9的巨脈衝(包括第一脈衝)的峰值變得均勻。另外，通過對激勵時間#T1的可編程修改就可實現對巨脈衝峰值的可編程修改(圖9(F))。
如上所述，雷射介質發射出與激勵時間#T1相對應的巨脈衝，並在Q開關控制脈衝下降時釋放所存儲的能量。在發射出一個巨脈衝之後，雷射介質中的能量立刻急劇下降並且雷射振蕩停止，但是由於激勵是連續發生的，所有光諧振器7內的能量密度會立刻上升，當達到雷射的振蕩閾值時，將發生一個連續的振蕩，與巨脈衝相比，該振蕩較弱(圖9(C))。
當經過跟隨在光開關脈衝上升之後的間隔T4之後，光開關單元9被關閉，這樣就防止了被處理的目標進一步受到連續振蕩所產生的雷射的照射。
這種連續振蕩一直持續，直到Q開關控制脈衝下一次上升(前沿)的時刻，因而使能量密度在此間隔T2內不會上升到或超過振蕩閾值(圖9(B))。因此使巨脈衝輸出具有一與激勵時間#T1相對應的均勻峰值，進而防止了雷射處理開始後或暫停處理之後的第一脈衝比隨後的巨脈衝具有異常高峰值的情況。
圖10的框圖顯示了根據本發明的雷射處理設備的第二個實施例的結構。
在根據本實施例所述的雷射處理設備中，控制單元2還含有測量比較/判斷單元(MCDU)17，而且雷射控制單元3還配備有邏輯電路18，該邏輯電路18位於可編程分頻電路13與可編程定時器電路14之間。測量比較/判斷單元17對被處理的目標的預定項目進行測量，將測量結果與目標值進行比較，並確定是否需要另外的雷射處理。邏輯電路18接收Q開關頻率脈衝以及測量比較/判斷單元17的判斷結果，並在測量比較/判斷單元17已確定出需要另外的雷射處理的情況下，將Q開關頻率脈衝發送給可編程定時器14。在測量比較/判斷單元17已確定出不需要更多雷射處理的情況下，邏輯電路18可阻止向可編程定時器電路14發送Q開關頻率脈衝。
因此，在測量比較/判斷單元17已確定出需要更多雷射處理的情況下，設備的各個部分將根據圖9中所示的Q開關控制脈衝和光開關脈衝並根據參考圖9說明的過程進行操作。按照這種方式就產生了用於處理的巨脈衝。
在測量比較/判斷單元17已經確定出不需要更多的雷射處理的情況下，Q開關頻率脈衝將不被發送給可編程定時器電路14。因此，Q開關控制脈衝不會在未被發射的Q開關頻率脈衝所屬的Q開關周期中產生。結果，該周期的光開關脈衝也不會被產生。這樣，測量比較/判斷單元17確定不需要更多雷射處理的周期就變成了雷射處理的暫停周期。
應該明白，雖然以上對本發明的特徵和優點進行了說明，但這些說明只起到了說明性的作用，在由所附權利要求所確定的範圍之內，可以改變上述各部分的結構。
權利要求
1.一種雷射處理設備，其特徵在於包括雷射振蕩器，其具有帶有Q開關單元的光諧振器，該Q開關單元的操作受到Q開關控制脈衝的控制，上述雷射振蕩器在當Q開關單元在Q開關控制脈衝的控制下被導通時振蕩受到抑制，並且通過激勵存儲光能，而當Q開關單元在Q開關控制脈衝的控制下截止時執行正常的振蕩；光開關單元，在光開關脈衝的控制下通過或阻擋雷射，上述光開關單元被置於雷射振蕩器與一目標之間的光路上，以利用從上述雷射振蕩器發出的雷射脈衝進行雷射處理；計算機，用於提供I/O數據，此I/O數據指定了雷射處理的起始時刻；在雷射處理的起始時刻之後上述Q開關單元進行周期性操作的重複頻率；以及上述Q開關被導通以指定一激勵期間的周期；控制單元，其產生Q開關頻率脈衝，具有由上述I/O數據指定的上述重複頻率；Q開關控制脈衝，其與Q開關頻率脈衝的各個周期內的Q開關頻率脈衝同步，上述Q開關控制脈衝在被I/O數據指定作為激勵期間的周期內具有第一邏輯電平，並且在其它周期內具有使上述Q開關單元截止的第二邏輯電平；以及與上述Q開關控制脈衝同步的光開關脈衝，其脈寬被指定作為雷射發射的周期；Q開關驅動器，接收上述Q開關控制脈衝，以根據上述Q開關控制脈衝來控制上述Q開關單元；以及光開關驅動器，其接收上述光開關脈衝，以根據上述光開關脈衝來控制上述光開關單元。
2.如權利要求1所述的設備，其中上述控制單元含有雷射控制單元，上述雷射控制單元包括解碼器，用於對上述計算機所提供的I/O數據進行解碼；參考時鐘振蕩器，用於產生參考時鐘信號；可編程分頻電路，用於對上述參考時鐘信號進行分頻，以產生具有上述解碼I/O數據所指定的重複頻率的Q開關頻率脈衝；第一定時器電路，其接收Q開關頻率脈衝，參考時鐘信號以及經解碼的I/O數據，以利用上述參考時鐘信號作為時序信號，產生與上述Q開關頻率脈衝同步的Q開關控制脈衝；以及第二定時器電路，其接收上述第一定時器電路所提供的上述Q開關控制脈衝以及上述參考時鐘信號，以利用上述參考時鐘信號作為時序信號，產生與上述Q開關控制脈衝同步的光開關脈衝。
3.如權利要求2所述的設備，其中上述Q開關控制脈衝的前沿與Q開關頻率脈衝的後沿同步，而Q開關控制脈衝的後沿與光開關脈衝的前沿同步。
4.如權利要求2所述的設備，其中由上述第一定時器電路所產生的Q開關控制脈衝的脈寬是可編程的。
5.如權利要求1所述的設備，其中上述Q開關控制脈衝在處理開始時刻之前或處理被暫停期間具有第二邏輯電平。
6.如權利要求2所述的設備，其中上述控制單元還含有一個測量比較/判斷單元，其測量被處理的目標的預定項目，將這些測得的值與目標值進行比較，並確定是否需要進行更多的雷射處理；而且上述雷射控制單元還配備有邏輯電路，其置於上述可編程分頻電路與上述第一定時器電路之間，該邏輯電路接收上述Q開關頻率脈衝以及上述測量比較/判斷單元的判斷結果；在上述測量比較/判斷單元確定出需要有更多雷射處理的情況下，上述邏輯電路將上述Q開關頻率脈衝傳達給上述第一定時器，並且可在上述測量比較/判斷單元確定不需要更多雷射處理的情況下阻止Q開關頻率脈衝送往第一定時器電路。
全文摘要
雷射振蕩器6配備有其操作受到Q開關控制脈衝控制的Q開關單元和光諧振器7,當Q開關單元在Q開關控制脈衝控制下導通時,抑制光諧振器7中的振蕩,當Q開關單元截止時,振蕩正常進行。光開關單元9置於雷射振蕩器與雷射脈衝處理目標之間的光路上,雷射脈衝從雷射振蕩器發出並在光開關脈衝的控制下通過或者被阻擋。計算機1提供的I/O數據指定了Q開關單元周期操作的重複頻率,並將Q開關單元的導通期間指定為激勵期間。控制單元2產生Q開關頻率脈衝、與Q開關頻率脈衝同步的Q開關控制脈衝及與Q開關控制脈衝同步的光開關脈衝。Q開關控制脈衝的脈寬與作為激勵期間的周期對應。光開關脈衝的脈寬與預定為雷射通過期間的時間對應。
文檔編號H01S3/00GK1347176SQ0114195
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月25日 優先權日2000年9月25日
發明者堀越聰, 大田孝二 申請人:日本電氣株式會社