《Optics & Laser Technology》：Time efficiency comparison between step and synchronized scanning modes in hybrid Galvo-AOD scanning system for micro-hole array processing
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微孔阵列加工中混合Galvo-AOD扫描系统的时间效率模型建立与临界参数分析，通过数值计算揭示激光频率与单孔脉冲数对同步扫描和步进扫描模式时间消耗的影响规律，确定临界脉冲数Qs并验证其与激光频率的正相关性。
王浩然|朱光志|乐一涵|褚一航|孙胜凯|张博宇|张书琪|朱晓
华中科技大学光电子信息学院，中国湖北武汉430074
摘要
本文建立了一个数值模型，用于计算由振镜扫描仪（Galvos）和声光偏转器（AODs）组成的混合系统在微孔阵列加工过程中，分别在步进扫描模式和同步扫描模式下运行的时间效率。通过系统地分析激光频率和脉冲数对单孔加工的影响，确定了在给定激光频率下，两种扫描模式处理时间相等的临界脉冲数。当脉冲数超过该临界值时，步进扫描模式具有逐渐增加的时间优势；而在较低的脉冲数下，同步扫描模式更为优越。本研究为优化混合式Galvo-AOD扫描系统在微孔阵列精密激光加工中的扫描模式选择提供了理论框架。
引言
微孔阵列结构在现代消费电子设备的设计中起着关键作用，实现了诸如声学性能、热管理和光学效果等功能[1]、[2]、[3]、[4]。对于高温共烧陶瓷（HTCC）和聚酰亚胺（PI）薄膜等先进电子基板而言，精确的微孔阵列对于实现设备微型化、提高信号完整性和增强机械可靠性至关重要[5]、[6]、[7]。在微电子设备的激光加工中，高速高效的加工技术可以显著缩短工艺周期并降低制造成本，这对大规模生产的经济效益非常重要[8]、[9]。高峰值功率和高重复频率的激光器能够在降低潜在成本的同时提高钻孔效率[10]。
通常，这类微孔阵列结构的直径范围在50 μm到200 μm之间，对圆度均匀性和加工精度有严格的要求，以确保功能可靠性[10]、[11]、[12]、[13]。在高精度微孔阵列加工中，振镜扫描系统通过结合旋转扫描和高速跳跃运动展示了关键能力[14]、[15]。然而，振镜扫描系统的固有机械惯性对微孔阵列加工效率存在根本性限制，尤其是在处理数十个微孔时旋转扫描速度会急剧下降[8]、[16]、[17]。为了克服惯性扫描系统的限制，声光偏转器（AODs）实现了无惯性的高速激光束偏转，这种固态技术在微尺度光束转向应用中表现出优越的性能[18]、[19]、[20]、[21]。然而，AODs的扫描范围受到声光介质物理特性的限制，难以满足大面积加工的需求[18]、[19]。结合振镜扫描仪和AODs技术的混合式Galvo-AOD扫描系统实现了互补的优势，既保证了高加工精度，又提高了效率[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。它适用于微孔的激光微加工，并已成为研究热点[25]、[26]、[27]、[28]。对于混合式Galvo-AOD扫描系统，可以根据各自的扫描能力将复杂的微孔扫描轨迹分解为振镜扫描仪和AODs的运动[25]、[26]、[27]、[28]。这种协同工作模式不仅克服了单一扫描设备的固有限制，还为微孔加工提供了更灵活和优越的技术解决方案。
2013年，P. Bechtold采用同步扫描模式实现了在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底上高效加工微孔阵列。AODs的扫描速度达到26 m/s，超过了振镜扫描仪的速度限制，使扫描速度提高了13倍[25]。2018年，Electro Scientific Industries（ESI）的C. Yang及其同事使用同步扫描模式成功加工了不同直径的微孔阵列，实验表明总加工时间仅为使用振镜扫描仪的四分之一[26]。2022年，D. Franz及其同事采用步进扫描模式在110纳米厚的金属膜上钻出了微孔阵列，实验结果显示混合式Galvo-AOD扫描系统能够在较大加工区域内实现高度动态和极其精确的激光束定位[27]。2024年，T. Zhang等人利用步进扫描模式在聚酰亚胺（PI）薄膜上加工了非均匀微孔，并结合自适应离散灰狼优化（A-D-GWO）算法优化了振镜扫描仪的跳跃路径。实验结果表明，对于包含90个、286个和649个微孔的CAD文件，总加工时间分别减少了38.9%、53.6%和55.5%[28]。
上述研究表明存在两种主要的协作扫描模式：一种模式是振镜扫描仪在微孔中心之间跳跃，一旦稳定后，AODs进行高速旋转扫描；另一种模式是振镜扫描仪在加工过程中保持匀速运动，同时AODs同步偏转脉冲以加工微孔。这种模式被称为同步扫描模式。无论是在步进扫描模式还是同步扫描模式下，混合式Galvo-AOD扫描系统都能表现出比传统振镜系统更优越的扫描速率。然而，关于混合扫描系统中步进扫描模式和同步扫描模式之间的加工效率的比较研究尚未深入进行，尤其是在微孔阵列激光加工方面。
本文建立了混合式Galvo-AOD扫描系统在步进扫描和同步扫描模式下的时间消耗计算模型，以研究微孔阵列的激光加工效率。系统研究了激光频率和脉冲数对两种扫描模式总时间消耗的影响。结果表明，在给定激光频率下，存在一个用于单孔加工的临界脉冲数，此时两种扫描模式的总时间消耗相同；超过该临界值后，随着脉冲数的增加，步进扫描模式的时间优势逐渐增强；而低于该临界值时，同步扫描模式更优。此外，这个独特的临界脉冲数与激光频率呈正相关。实验平台的设计和系统验证结果与理论预测高度一致。这项研究为选择混合式Galvo-AOD扫描系统中的最佳扫描方法提供了重要的理论依据。
混合式Galvo-AOD扫描系统
图1展示了混合式Galvo-AOD扫描系统的示意图。激光束在进入两个正交的AODs之前被准直。经过AODs后，光束发生衍射，其中一级衍射光作为有效加工光束。在AODs和振镜扫描仪之间放置了一个由两个透镜组成的4-f光学系统，并在共焦平面上放置了一个光圈。经过4-f光学系统后，衍射光束被进一步处理。
结果与讨论
基于对两种加工模式的理论分析，研究了脉冲数和激光频率对微孔阵列总时间消耗的影响，同时考虑了表1中给出的实验设备参数。
根据方程（10）和方程（14），图8展示了脉冲数对两种加工模式总时间消耗的影响。
结论
本文详细研究了混合式Galvo-AOD扫描系统中不同扫描模式（步进扫描模式和同步扫描模式）下微孔阵列的加工效率。建立了两种扫描模式的时间消耗数值计算模型，以估算微孔阵列的加工时间。研究了脉冲数和激光频率等参数对总时间消耗的影响。
CRediT作者贡献声明
王浩然：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、数据管理。朱光志：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念构思。乐一涵：监督、软件开发、数据管理。褚一航：监督、形式分析。孙胜凯：监督、数据管理。张博宇：监督。张书琪：形式分析。朱晓：资源管理、项目管理、资金获取。
资助
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFB4609802）、中国国家重点研发计划（2024YFB4608901）和中国国家重点研发计划（2022YFB3605904）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
