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【发明授权】激光加工装置以及激光加工方法_住友重机械工业株式会社_201710816128.9 

申请/专利权人:住友重机械工业株式会社

申请日:2017-09-12

公开(公告)日:2020-07-28

公开(公告)号:CN107866639B

主分类号:B23K26/382(20140101)

分类号:B23K26/382(20140101);B23K26/70(20140101)

优先权:["20160926 JP 2016-186850"]

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.07.28#授权;2018.05.01#实质审查的生效;2018.04.03#公开

摘要:本发明提供一种能够抑制进行聚光加工时的加工品质的劣化的激光加工装置。在激光束的路径上配置有可变孔。透过可变孔的激光束被聚光成在加工对象物的表面上形成光束腰。在激光光源和可变孔之间的激光束的路径上配置有光束扩展器,该光束扩展器具有改变激光束的发散会聚角的功能。控制装置获取将可变孔的开口部的大小设为第1大小时的激光束的功率的测量值和将可变孔的开口部的大小设为第2大小时的激光束的功率的测量值,并根据判定条件来判定测量值之间的关系是否合适。当判定为不合适时,控制光束扩展器来改变激光束的发散会聚角,以使激光束的功率的测量值之间的关系判定为合适。

主权项:1.一种激光加工装置,其特征在于,具有:激光光源,输出激光束;可变孔,配置于从所述激光光源输出的激光束的路径上,且能够改变开口部的大小;聚光透镜,使透过所述可变孔的激光束聚光以便在加工对象物的表面上形成光束腰;光束扩展器,配置于所述激光光源和所述可变孔之间的激光束的路径上,且具有改变激光束的发散会聚角的功能;测量器,测量被所述聚光透镜聚光后的激光束的功率;以及控制装置,控制所述可变孔以及所述光束扩展器,所述控制装置从所述测量器获取将所述可变孔的开口部的大小设为第1大小时的激光束的功率的测量值和将所述可变孔的开口部的大小设为第2大小时的激光束的功率的测量值,所述控制装置根据判定条件来判定将所述可变孔的开口部的大小设为所述第1大小时的激光束的功率的测量值与将所述可变孔的开口部的大小设为所述第2大小时的激光束的功率的测量值之间的比率是否合适,当判定为激光束的功率的测量值之间的比率不合适时,所述控制装置控制所述光束扩展器来改变激光束的发散会聚角,以使激光束的功率的测量值之间的比率判定为合适。

全文数据:激光加工装置以及激光加工方法[0001]本申请主张基于2016年9月26日申请的日本专利申请第2016-186850号的优先权。该曰本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。技术领域[0002]本发明涉及一种利用光束腰进行加工的激光加工装置以及激光加工方法。背景技术[0003]对加工对象物进行开孔加工的方法已知有:将光学掩模的开口部缩小投影在加工对象物的表面上来进行加工的方法(以下,称作缩小投影加工)以及在光束腰的位置进行加工的方法(以下,称作聚光加工)。在缩小投影加工中,通常使光学掩模位置处的光束分布均匀化,从而使加工对象物表面上的光束分布成为顶部平坦的形状并进行加工参考专利文献1。[0004]加工对象物例如为在树脂基板上粘结有铜箔的复合基板。在进行缩小投影加工时,为了提高激光能量的吸收效率,通常对铜箱表面进行黑化处理、表面粗糙化处理。在对未进行黑化处理、表面粗糙化处理的镜面状态的铜箔表面直接进行激光加工时,需要更大的功率密度。在对未进行黑化处理等的铜箱进行加工时,例如对封装基板的铜箔进行开孔加工时,为了提高激光束的功率密度,采用聚光加工方法。[0005]在利用聚光加工方法来进行开孔加工时,加工孔的形状和尺寸依赖于光束腰的光束直径最小光斑直径)。[0006]专利文献1:日本特开2015-188890号公报[0007]聚光透镜对激光束进行聚光后的最小光斑直径取决于衍射极限。然而,若入射于聚光透镜的激光束的光束分布散乱,则无法将光束点缩小至衍射极限。若激光振荡器的特性的经时变化或光学组件的劣化等引起入射于聚光透镜的激光束的光束分布散乱,则无法将光束点缩小至目标尺寸。若在最小光束直径未缩小至目标尺寸的状态下进行加工,则会导致加工品质的劣化。例如,会导致孔的形状或深度脱离容许范围。发明内容[0008]本发明的目的在于提供一种能够抑制进行聚光加工时的加工品质的劣化的激光加工装置。[0009]根据本发明的一种观点,提供一种激光加工装置,其具有:[0010]激光光源,输出激光束;[0011]可变孔,配置于从所述激光光源输出的激光束的路径上,且能够改变开口部的大小;[0012]聚光透镜,使透过所述可变孔的激光束聚光以便在加工对象物的表面上形成光束腰;[0013]光束扩展器,配置于所述激光光源和所述可变孔之间的激光束的路径上,且具有改变激光束的发散会聚角的功能;[0014]测量器,测定被所述聚光透镜聚光后的激光束的功率;以及[0015]控制装置,控制所述可变孔以及所述光束扩展器,[0016]所述控制装置从所述测量器获取将所述可变孔的开口部的大小设为第1大小时的激光束的功率的测量值和将所述可变孔的开口部的大小设为第2大小时的激光束的功率的测量值,[0017]所述控制装置根据判定条件来判定将所述可变孔的开口部的大小设为所述第1大小时的激光束的功率的测量值与将所述可变孔的开口部的大小设为所述第2大小时的激光束的功率的测量值之间的关系是否合适,[0018]当判定为激光束的功率的测量值之间的关系不合适时,所述控制装置控制所述光束扩展器来改变激光束的发散会聚角,以使激光束的功率的测量值之间的关系判定为合适。[0019]根据本发明的另一种观点,提供一种使激光束经过能够改变开口部的大小的可变孔后,使激光束聚光以在加工对象物的表面上形成光束腰,从而进行激光加工的方法,在所述方法中,[0020]对所述可变孔的开口部的大小设为第1大小时透过所述可变孔的激光束的功率与所述可变孔的开口部的大小设为第2大小时透过所述可变孔的激光束的功率之间的比率进行调整,由此控制所述加工对象物表面上的光束分布,[0021]在控制所述光束分布之后,将所述可变孔的开口部的大小设定成进行加工时适用的大小,从而进行激光加工。[0022]当判定为激光束的功率的测量值之间的关系不合适时,调整光束扩展器,从而能够以适当的条件继续进行激光加工。由此,能够抑制进行聚光加工时的加工品质的劣化。并且,通过控制加工对象物表面上的光束分布,能够进行所希望的加工。附图说明[0023]图1A以及图1B是基于实施例的激光加工装置的示意图。[0024]图2是基于实施例的激光加工装置的控制装置所执行的处理的流程图。[0025]图3是表示评价比率A和加工面上的光束分布之间的关系的图表。[0026]图4是基于另一实施例的激光加工装置的示意图。[0027]图5A〜图5C分别是在评价比率A为30%、50%以及70%的状态下进行了加工的孔的截面照片。[0028]图6是表示评价比率A、加工出的孔的开口部的直径以及加工出的孔的深度之间的关系的坐标图。[0029]图中:10-激光光源,11-光束扩展器,12-可变孔,13-光束扫描器,14-聚光透镜,15-测量器,17-光学掩模,18-折返镜,19-准直透镜,20-控制装置,21-输入装置,30-加工对象物,31-载物台,35-中继透镜。具体实施方式[0030]下面,参考图1A〜图4,对基于实施例的激光加工装置进行说明。[0031]图1A以及图1B是基于本实施例的激光加工装置的示意图。激光光源10输出脉冲激光束。作为激光光源10,例如可以使用二氧化碳激光振荡器。[0032]从激光光源10输出的脉冲激光束经由光束扩展器11、可变孔12、光束扫描器13以及聚光透镜14入射于测量器15。光束扩展器11例如由3片透镜构成,通过改变3片透镜的相对位置,能够改变激光束的光束直径以及发散会聚角。具有这种功能的透镜光学系统有时称作“扩束望远镜”。[0033]可变孔12具有大小可变的圆形的开口部。作为可变孔12,例如可以使用设置有各种大小的开口部的旋转圆盘。可变孔12的开口部的中心与激光束的中心轴一致。若将开口部设为大于激光束的射束截面,则如图1A所示,激光束的所有成分均透过可变孔12。若将开口部设为小于激光束的射束截面,则如图1B所示,只有激光束的中心轴及其周围的一部分成分透过可变孔12。透过可变孔12的开口部的激光束入射于光束扫描器13。[0034]光束扫描器13沿二维方向扫描激光束。光束扫描器13例如可以使用包含一对电流镜的加尔瓦诺扫描仪。被光束扫描器13扫描后的激光束被聚光透镜14聚光在加工对象物30的表面。聚光透镜14例如可以使用f0透镜。聚光透镜14和加工对象物30之间的相对位置被调整为在加工对象物30的表面上形成光束腰。加工对象物30例如为可拆分为多个封装基板的铜箔叠层板。[0035]在图1A以及图1B中示出了测量器15配置在激光束的聚光位置上的状态。测量器15测量所入射的激光束的平均功率。测量器15例如可以使用测量激光束的功率的光功率计。通过将测量器15配置在聚光位置上,能够测量脉冲激光束的平均功率。[0036]由测量器15测量出的测量值输入于控制装置20。控制装置20向激光光源10发送脉冲激光束的输出指令。而且,控制装置20通过控制光束扩展器11来改变激光束的发散会聚角以及光束直径,并且通过控制可变孔12来改变该可变空12的开口部的大小。并且,控制装置20使测量器15移动至激光束的聚光位置或使测量器15从聚光位置退避。[0037]另外,可以从输入装置21向控制装置2〇输入激光加工所需的各种数据或指令。输入装置21例如可以使用键盘、触控面板、显示装置及定点设备等。[0038]接着,参考图2,对使用基于实施例的激光加工装置的激光加工方法进行说明。[0039]图2是基于实施例的激光加工装置的控制装置20图1A所执行的处理的流程图。[0040]在对加工对象物30图1A进行激光加工之前,在步骤S01中判定控制装置20是否进行光束分布的调整。例如,控制装置20在刚启动激光加工装置之后以及每经过预先设定的一定时间时,执行光束分布调整处理。在不进行光束分布的调整时,在步骤S09中,将加工对象物30配置于激光束的聚光位置。[0041]接着,对进行光束分布的调整时的情况进行说明。首先,在步骤S〇2中,将测量器15图1A配置于激光束的聚光位置。之后,在步骤S03中,将可变孔12的开口部的大小调整为第1大小。在步骤S04中,从激光光源10输出脉冲激光束,并获取由测量器15测量出的脉冲激光束的平均功率的测量值。[0042]之后,在步骤S05中,将可变孔I2的开口部的大小调整为第2大小。在步骤S06中,从激光光源10输出脉冲激光束,并获取由测量器15测量出的脉冲激光束的平均功率的测量值。[0043]在步骤S07中,根据规定的判定条件来判定将可变孔12的开口部设为第1大小时的平均功率的测量值和将可变孔丨2的开口部设为第2大小时的平均功率的测量值之间的关系是否合适。关于判定条件,将在后面进行说明。当判定结果为“不合适”时,在步骤SOS中调整光束扩展器11图1A,从而改变激光束的发散会聚角以使判定结果成为“合适”。之后,再次执行步骤S03至步骤S07为止的处理。[0044]当步骤S07中的判定结果为“合适”时,在步骤S〇9中,将加工对象物30配置于激光束的聚光位置。并且,将可变孔12的开口部的大小调整为规定的加工时的大小。之后,在步骤S10中实施激光加工。在步骤S10中,控制装置20使光束扫描器13动作,从而使激光束入射于加工对象物30表面内的待形成孔的位置。由此,可在预先确定的位置上形成孔。[0045]接着,对在步骤S07的判定中使用的判定条件进行说明。在本实施例中,可变孔12的开口部的第1大小(步骤S03大于第2大小(步骤S05。将可变孔12的开口部设为第1大小时的平均功率的测量值表示为P1,将可变孔12的开口部设为第2大小时的平均功率的测量值表示为P2。并且,将P2P1定义为评价比率A。当评价比率A在容许范围内时,判定结果成为“合适”,当评价比率A不在容许范围内时,判定结果成为“不合适”。[0046]接着,参考图3,对评价比率A的容许范围进行说明。[0047]图3是表示评价比率A和加工面上的光束分布之间的关系的图表。可以认为,评价比率A越大接近1,可变孔12位置处的光强度分布越局限在激光束的中心轴附近。即,评价比率A变大意味着入射于聚光透镜14图1A的激光束的光束直径变小。若入射的激光束的光束直径变小,则被聚光透镜14聚光后的激光束的光束腰的光束直径加工面上的光束直径变大。在激光束的功率恒定的情况下,若光束腰的光束直径变大,则加工面上的峰值功率就会变小。[0048]相反,若评价比率A变小,则被聚光透镜14聚光后的激光束的光束腰的光束直径加工面上的光束直径变小。在激光束的功率恒定的情况下,若光束腰的光束直径变小,则加工面上的峰值功率就会变大。如此,评价比率A与加工面上的光束分布具有一定的关系。即,可知,评价比率A对加工品质带来影响。[0049]可以在评价比率A的值互不相同的各种条件下实际进行激光加工,并对加工结果进行评价,从而确定评价比率A的容许范围。[0050]接着,对基于上述实施例的激光加工装置的优异的效果进行说明。[0051]加工对象物3〇的材料、待形成孔的形状或加工类型(定尺寸加工、通孔加工等)不同,最佳的光束分布也不同。在基于实施例的激光加工装置中,通过改变评价比率A,能够控制加工面上的光束分布。通过设定评价比率A的容许范围以便按照加工对象物30的材料、待形成孔的形状或加工类型能够获得适当的光束分布,从而能够在适当的条件下进行开孔加工。[0052]并且,在本实施例中,每经过一定时间自动执行图2所示的步骤S02至步骤S07、S08为止的光束分布调整处理,因此加工品质的稳定性得到提高。[0053]接着,参考图4〜图6,对基于另一实施例的激光加工装置进行说明。以下,对与图1A〜图3所示的实施例不同的点进行说明,对于相同的结构省略说明。[00M]图4是基于本实施例的激光加工装置的示意图。在基于本实施例的激光加工装置中,在光束扩展器11和可变孔12之间的激光束的路径上配置有光学掩模1?、折返镜18以及准直透镜19。加工对象物3〇保持在载物台“上。测量器15安装于载物台31。测量器15与载物台31—同根据来自控制装置20的指令而移动。在激光光源1〇和光束扩展器11之间的激光束的路径上配置有中继透镜35。中继透镜35例如由2片凸透镜构成。[0055]光学掩模17对透过光束扩展器11的激光束的射束截面的外缘部的成分进行遮光,从而对射束截面进行整形。折返镜18朝向可变孔12反射透过光学掩模I7的激光束。例如,可变孔12配置于折返镜18的下方,折返镜18朝向下方反射激光束。透过光束扩展器11的激光束被光学掩模17衍射,因此透过光学掩模17的激光束成为发散光束。准直透镜19对发散光束进行准直。己被准直的激光束入射于可变孔12。载物台31使加工对象物30以及测量器15沿水平面内方向移动。[0056]光束扩展器11能够改变光学掩模17位置的入射侧的激光束的发散会聚角以及光束直径。[0057]本实施例的调整光束分布的步骤与图2所示的流程图的步骤相同。[0058]接着,参考图5A〜图5C以及图6,对使用图4所示的激光加工装置进行激光加工时的评价实验的结果进行说明。激光加工在评价比率A互不相同的多个条件下进行。作为加工对象物30使用了丙烯酸制的基板。[0059]在评价实验中,将光学掩模17的圆形开口部的直径设为4.8mm。可变孔12位置处的激光束的光束直径约为25mm。在此,光束直径定义为连接光强度成为峰值强度的1e2的位置的闭合曲线的直径。步骤S03图2中的可变孔12的开口部的第1大小的直径为40mm,步骤S05图2中的可变孔12的开口部的第2大小的直径为12mra。[0060]即,第1大小是可变孔12位置处的激光束的射束截面包含在内的大小,第2大小小于可变孔12位置处的激光束的射束截面。在可变孔12的开口部为第1大小时步骤S03,传播至可变孔12的激光束的几乎所有成分透过可变孔12。在可变孔12的开口部为第2大小时步骤S05,仅有传播至可变孔12的激光束的中心轴附近的成分透过可变孔12。在评价比率A为30%、50%以及70%的三个条件下进行了激光加工。[0061]图5A〜图5C分别是在评价比率A为30%、50%以及70%的状态下进行了加工的孔的截面照片。由此可知,评价比率A不同,孔的断面形状、开口部的大小、孔的深度也不同。[0062]图6是表示评价比率A、加工出的孔的开口部的直径以及加工出的孔的深度之间的关系的坐标图。横轴以单位“%”表示评价比率A,左纵轴以单位“Mi”表示加工出的孔的开口部的直径,右纵轴以单位“wn”表示加工出的孔的深度。图6中的三角记号以及圆形记号分别表示加工出的孔的开口部的直径以及加工出的孔的深度。[0063]由图6中可知,随着评价比率A变大,孔的开口部的直径变大而深度变浅。这对应于如图3所示的随着评价比率A变大加工面上的光束直径变大且峰值强度变小的情况。[0064]根据图6所示的实验结果,可以基于欲形成的孔的大小和深度确定评价比率A的容许范围。评价比率A的容许范围由操作人员通过输入装置21输入到控制装置20。例如,可以使控制装置20在显示装置上按照欲形成的孔的大小以及深度显示评价比率A的容许范围,并使操作人员从多个容许范围中选择一个。[0065]在图2的步骤S07中判定测量值之间的关系是否合适时,若测定出的评价比率A的值落在预先确定的容许范围之内,则将测量值之间的关系判定为“合适”,若测定出的评价比率A的值不在容许范围之内,则将测量值之间的关系判定为“不合适”即可。[0066]接着,对在图2所示的步骤S08中调整光束扩展器11的方法进行说明。[0067]光束扩展器11通过改变3片透镜的相对位置,能够在将光学掩模17图4位置处的射束尺寸保持为大致恒定的状态下改变激光束的发散会聚角。若激光束的发散会聚角变化,则可变孔12位置处的光束分布发生变化。其结果,评价比率A发生变化。[0068]通常,被调整为透过光束扩展器11的激光束成为稍微聚焦的射束。若改变聚焦射束的缩小角度,则评价比率A发生变化。在基于本实施例的激光加工装置中,若加大聚焦射束的缩小角度,即,若加强会聚的程度,则评价比率A会变小,这已通过实验得到确认。而且,缩小角度的变动幅度与评价比率A的变动幅度之间的关系可以通过实际进行评价实验来确定。这些关系预先存储于控制装置20中。[0069]控制装置20可以根据评价比率A的测定值与其容许范围之差来确定将聚焦射束的缩小角度朝向哪个方向改变何种程度比较好。[0070]接着,对基于本实施例的激光加工装置的优异的效果进行说明。[0071]与图1A〜图4中所示的实施例相同,在本实施例中,也可以通过设定评价比率A的容许范围来在适当的条件下进行开孔加工。而且,由于每经过一定时间自动执行图2所示的步骤S02至步骤S07、S08为止的光束分布的调整处理,因此能够得到提高加工品质的稳定性的效果。[0072]而且,在本实施例中,在可变孔12的前方配置有光学掩模17。通过利用光学掩模17对射束截面的外缘部的成分束散角较大的成分进行遮光,能够使加工形状稳定化。激光束被光学掩模17衍射,衍射的影响反映到可变孔12位置处的光束分布上。例如,受到光学掩模17的衍射的影响,可变孔12位置处的光束分布随着从中心位置沿径向远离而周期性地出现极大值。因此,在射束截面的边缘部出现光强度显示极大值的区域。若对该射束截面的边缘部进行遮光,则与对高斯光束的边缘部进行遮光时相比,平均功率的降低量变大。因此,激光振荡器的特性的经时变化或光学组件的劣化等引起的评价比率A的变化量变大。其结果,能够提高步骤S07图2中的测量值之间的关系是否合适的判定的精确度。[0073]接着,对图2的步骤S03以及步骤S05的处理中适用的可变孔12的开口部的第1大小以及第2大小进行说明。[0074]在实际进行激光加工时,为了有效地利用激光能量,将可变孔12的开口部设为大于该可变空12的位置处的射束尺寸。为了推断实际加工中使用的激光束的光束分布,第1大小优选设为与实际进行激光加工时的可变孔12的开口部的大小相等或更大。即,优选将第1大小设为可变孔12位置处的激光束的射束截面包含在内的大小。[0075]第2大小设定为小于第1大小。但是,若第2大小与第1大小之差过小,则,即使可变孔12位置处的光束分布变化,评价比率A的变化量也会变小。因此,基于评价比率A来判定光束分布是否合适的精确度会下降。为了避免判定精确度的下降,优选将第2大小的直径设为可变孔12位置处的光束直径的23以下,更优选设为12以下。在此,“光束直径”是指激光加工装置调校成最佳加工状态时的光束直径。[0076]接着,对上述实施例的各种变形例进行说明。[0077]在图2所示的实施例中,首先将可变孔12的开口部设为第1大小(步骤S03并测量光强度步骤S04,之后将可变孔12的开口部设为小于第1大小的第2大小(步骤S05并测量光强度步骤S06,但是,也可以颠倒顺序而在步骤S03以及S04之前执行步骤S05以及S06。[0078]在上述实施例中,加工对象物30设为其表面与激光束的光束腰的高度一致,但是,也可以在实际上能够进行相同程度品质的加工的范围内,使加工对象物30的表面从光束腰位置上下位移。例如,可以使加工对象物3〇的表面在焦深的范围内从光束腰位置上下位移。[0079]上述各实施例为示例,理所当然,可以将在不同的实施例中示出的结构中的一部分结构置换或组合。对于多个实施例中的相同结构的相同的作用效果,不作一一说明。另夕卜,本发明并不限定于上述实施例。例如,能够进行各种变更、改良、组合等,这对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

权利要求:1.一种激光加工装置,其特征在于,具有:激光光源,输出激光束;可变孔,配置于从所述激光光源输出的激光束的路径上,且能够改变开口部的大小;聚光透镜,使透过所述可变孔的激光束聚光以便在加工对象物的表面上形成光束腰;光束扩展器,配置于所述激光光源和所述可变孔之间的激光束的路径上,且具有改变激光束的发散会聚角的功能;测量器,测量被所述聚光透镜聚光后的激光束的功率;以及控制装置,控制所述可变孔以及所述光束扩展器,所述控制装置从所述测量器获取将所述可变孔的开口部的大小设为第1大小时的激光束的功率的测量值和将所述可变孔的开口部的大小设为第2大小时的激光束的功率的测量值,所述控制装置根据判定条件来判定将所述可变孔的开口部的大小设为所述第1大小时的激光束的功率的测量值与将所述可变孔的开口部的大小设为所述第2大小时的激光束的功率的测量值之间的关系是否合适,当判定为激光束的功率的测量值之间的关系不合适时,所述控制装置控制所述光束扩展器来改变激光束的发散会聚角,以使激光束的功率的测量值之间的关系判定为合适。2.根据权利要求1所述的激光加工装置,其特征在于,还具有光学掩模,其配置于所述光束扩展器与所述可变孔之间的激光束的路径上,且对激光束的射束截面进行整形,所述光束扩展器具有改变入射于所述光学掩模的激光束的发散会聚角的功能。3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置,其特征在于,所述第1大小是所述可变孔位置处的激光束的射束截面包含在内的大小,所述第2大小小于所述可变孔位置处的激光束的射束截面。4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光加工装置,其特征在于,还具有输入装置,其输入所述判定条件,所述控制装置根据从所述输入装置输入的所述判定条件来判定激光束的功率的测量值之间的关系是否合适。5.—种激光加工方法,使激光束经过能够改变开口部的大小的可变孔后,使激光束聚光以在加工对象物的表面形成光束腰,从而进行激光加工,所述激光加工方法的特征在于,对所述可变孔的开口部的大小设为第1大小时透过所述可变孔的激光束的功率与所述可变孔的开口部的大小设为第2大小时透过所述可变孔的激光束的功率之间的比率进行调整,由此控制所述加工对象物表面上的光束分布,在控制所述光束分布之后,将所述可变孔的开口部的大小设定成进行加工时适用的大小,从而进行激光加工。6.根据权利要求5所述的激光加工方法,其特征在于,通过改变比所述可变孔更靠激光光源侧的路径上的激光束的发散会聚角,调整所述比率。

百度查询: 住友重机械工业株式会社 激光加工装置以及激光加工方法

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