NL1020709C2

NL1020709C2 - Laser processing device fitted with an AOD.

Info

Publication number: NL1020709C2
Application number: NL1020709A
Authority: NL
Inventors: Johannes Ignatius Marie Cobben; Arnoud Augustinus
Original assignee: Ind Automation Integrators I A
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2003-12-02
Also published as: DE60311586T2; DE60311586T4; EP1542874B2; DE60311586T3; EP1542874A1; DE60311586D1; EP1542874B1; ATE353059T1; WO2003099580A1; AU2003273174A1

Abstract

The invention relates to a carrier provided with a perforation pattern arranged by a laser, which perforation pattern provides an image depending on the angle of view, wherein such an effect depending on the angle of view is likewise obtained by applying perforations with a different dimension in a different direction.

Description

VAN EEN AOD VOORZIENE LASERBEWERKINRICHTINGLASER PROCESSING DEVICE PROVIDED FOR

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het door middel van een laserlichtbundel bewerken van materiaal, omvattende: - een laserlichtbron voor het opwekken van de 5 laserlichtbundel; - tenminste één bestuurbare acoesto-optische afbuiginrichting (AOD) voor het afbuigen van de van de laserlichtbron afkomstige laserlichtbundel.The invention relates to a device for processing material by means of a laser light beam, comprising: - a laser light source for generating the laser light beam; - at least one controllable aceto-optical deflection device (AOD) for deflecting the laser light beam from the laser light source.

Een dergelijke inrichting is algemeen bekend, 10 bijvoorbeeld voor het in een waardedocument door middel van laser aanbrengen van perforaties.Such a device is generally known, for example for applying perforations in a value document by means of laser.

Akoesto-optische afbuiginrichtingen (Acousto Optical Deflectors) zijn optische bouwstenen welke een kristal van lichtdoorlatend materiaal omvatten, waarbij het betreffende 15 kristal de betreffende lichtbundel kan afbuigen als gevolg van een in het kristal opgewekte, en zich door het kristal heen voortplantende akoestische trilling met een zeer hoge frequentie. Hierbij hangt de mate van afbuiging, namelijk de afbuighoek, af van de frequentie van de akoestische trilling, 20 terwijl de hoeveelheid afgebogen licht afhangt van de amplitude van de trilling.Acousto-optical deflectors (Acousto Optical Deflectors) are optical building blocks that comprise a crystal of light-transmitting material, the crystal in question being able to deflect the relevant light beam as a result of an acoustic vibration generated in the crystal and propagating through the crystal with an acoustic vibration very high frequency. The degree of deflection, namely the deflection angle, herein depends on the frequency of the acoustic vibration, while the amount of diffracted light depends on the amplitude of the vibration.

Doordat bij deze AOD's geen mechanische bewegingen behoeven plaats te vinden, is de responsietijd van een dergelijke inrichting voor het laten afbuigen van een 25 laserlichtbundel ongeveer een factor duizend sneller dan die van een spiegel, in het bijzonder dan die van de veelal gebruikte galvanospiegel.Because no mechanical movements have to take place with these AODs, the response time of such a device for deflecting a laser light beam is about a thousand times faster than that of a mirror, in particular than that of the commonly used galvano mirror.

Aldus kan met een of een aantal van dergelijke AOD's een laserbewerkingsinrichting worden geconstrueerd met een 2 aanzienlijk kortere responsietijd en met een aanzienlijk hogere productiecapaciteit, in het bijzonder wanneer gecompliceerde patronen moeten worden aangebracht door middel van de bewerking.Thus, with one or more of such AODs, a laser processing device can be constructed with a considerably shorter response time and with a considerably higher production capacity, in particular when complicated patterns have to be applied by means of the processing.

5 De toepassing van AOD's voor het afbuigen van laserlichtbundels met een vermogen.dat voldoende groot is voor het uitvoeren van snelle bewerkingen leidt echter tot een aantal problemen.The use of AODs for deflecting laser light beams with a power that is sufficiently large for performing rapid operations, however, leads to a number of problems.

De laserlichtbundel welke door het kristal wordt 10 afgebogen wordt voor een deel in het kristal geabsorbeerd, terwijl het opwekken van de hoogfrequente trilling ook leidt tot dissipatie van in dit geval akoestische energie. Als gevolg van beide effecten zal de temperatuur van het kristal oplopen, zodat het met water zal moeten worden gekoeld, zelfs 15 bij toepassingen waarin kleine vermogens moeten worden afgebogen, zoals bij meettoepassingen.The laser light beam that is diffracted by the crystal is partially absorbed in the crystal, while the generation of the high-frequency vibration also leads to dissipation of acoustic energy in this case. As a result of both effects, the temperature of the crystal will rise, so that it will have to be cooled with water, even in applications in which small powers must be deflected, such as in measurement applications.

Deze bij het afbuigen van laserlichtbundels met een klein vermogen reeds optredende problemen, worden sterk verergerd bij het afbuigen van grotere vermogens. Men is dan ook niet 20 genegen AOD's te gebruiken voor dergelijke grote vermogens.These problems which already occur when deflecting laser light beams with a low power are greatly exacerbated when deflecting larger power. One is therefore not inclined to use AODs for such large powers.

In het bijzonder zijn de gevolgen van grotere vermogens van de laserlichtbundel het feit dat er nog meer vermogen in het kristal wordt gedissipeerd, en het feit dat er een grotere lichtbundeldoorsnede moet worden toegepast om de 25 vermogensdichtheid binnen de toelaatbare grenzen van het kristal te houden. Aldus moeten grotere kristallen worden toegepast waardoor er weer meer akoestische energie in het kristal moet worden gebracht, hetgeen de hierboven genoemde nadelen sterk vergroot.In particular, the effects of greater powers of the laser light beam are the fact that even more power is dissipated in the crystal, and the fact that a larger light beam cross-section must be applied to keep the power density within the allowable limits of the crystal. Thus, larger crystals must be used, so that again more acoustic energy must be introduced into the crystal, which greatly increases the abovementioned disadvantages.

30 Een te zware thermische belasting van het kristal kan leiden tot een verslechtering van de aanhechting van de trillingsopwekkende actuatoren aan het kristal en een aan de andere zijde van het kristal aangebrachte absorptie element 3 voor het absorberen van de het kristal doorlopende hebbende trilling en dus tot een verkorting van de levensduur van de AOD.Excessive thermal stress on the crystal can lead to a deterioration of the adhesion of the vibration-inducing actuators to the crystal and an absorption element 3 arranged on the other side of the crystal for absorbing the vibration that has the crystal continuing and thus to a shortening of the lifespan of the AOD.

Verder is de warmteontwikkeling niet gelijkmatig over het 5 kristal verdeeld, hetgeen leidt tot temperatuurgradiënten. Hierdoor gaat het kristal zich optisch anders en ongecontroleerd gedragen waardoor de laserlichtbundel niet meer goed gefocusseerd kan worden.Furthermore, the heat development is not evenly distributed over the crystal, which leads to temperature gradients. This causes the crystal to behave optically differently and in an uncontrolled manner, as a result of which the laser light beam can no longer be properly focused.

Het doel van de uitvinding is het verschaffen van een 10 dergelijke inrichting, geschikt voor toepassing van C02 laserlichtbronnen,' waarbij de hierboven genoemde problemen worden vermeden of worden verminderd tot een waarde waarbij de warmteontwikkeling in het kristal toelaatbaar is.The object of the invention is to provide such a device, suitable for the use of CO2 laser light sources, wherein the above-mentioned problems are avoided or reduced to a value at which the heat development in the crystal is permissible.

Hiertoe stelt de onderhavige uitvinding voor dat de C02 15 laserlichtbron gemodificeerd is voor het opwekken van laserlicht met een kortere golflengte dan de voor dit type laser gebruikelijke golflengte van 10,6 μπι.To this end, the present invention proposes that the CO2 laser light source be modified to generate laser light with a shorter wavelength than the usual wavelength of 10.6 μπι for this type of laser.

Uit proefnemingen en materiaalgegevens is gebleken dat de warmteontwikkeling in het kristal bij een kortere golflengte 20 van de laserlichtbundel teruggebracht kan worden tot aanzienlijk lagere waarden.Experiments and material data have shown that the heat development in the crystal with a shorter wavelength of the laser light beam can be reduced to considerably lower values.

Het is bekend dat C02laserlichtbronnen op een aantal binnen een beperkt frequentiespectrum gelegen frequenties laserlicht kunnen uitzenden. Binnen dat frequentiespectrum 25 ligt een aantal frequentiegebieden, in elk waarvan een lokaal maximum is gelegen, waarbij de amplitude van de uitgezonden laserlichtbundel maximaal is.It is known that CO 2 laser light sources can emit laser light at a number of frequencies within a limited frequency spectrum. Within that frequency spectrum 25 lies a number of frequency ranges, each of which has a local maximum, the amplitude of the emitted laser light beam being maximum.

Door het modificeren van de laserlichtbron is het mogelijk de golflengte van de laserlichtbundel te veranderen 30 tot bijvoorbeeld een lokaal maximum van een ander frequentiegebied.By modifying the laser light source, it is possible to change the wavelength of the laser light beam to, for example, a local maximum of a different frequency range.

Deze maatregel biedt de mogelijkheid de golflengte van de laserlichtbundel te verkorten.This measure offers the possibility of shortening the wavelength of the laser light beam.

44

Volgens een eerste voorkeursuitvoeringsvorm wordt de laserlichtbron gevormd door een C02 laser die is gemodificeerd voor het opwekken van een laserlichtbundel met een golflengte kleiner dan 10,4 μτη.According to a first preferred embodiment, the laser light source is formed by a CO2 laser that has been modified to generate a laser light beam with a wavelength of less than 10.4 μτη.

5 Bij deze modificatie wordt de golflengte van het uitgezonden laserlicht verkleind tot binnen een ander frequentiegebied.With this modification, the wavelength of the emitted laser light is reduced to within a different frequency range.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de laserlichtbron gemodificeerd voor het opwekken van een 10 laserlichtbundel met een golflengte tussen 9,1 pm en 9,4 μπι.According to a further preferred embodiment, the laser light source is modified to generate a laser light beam with a wavelength between 9.1 µm and 9.4 μπι.

Dit blijkt het bij een C02 laser laagst mogelijk golflengtegebied te zijn, zodat de nadelige effecten bij de AOD worden geminimaliseerd.This appears to be the lowest possible wavelength range with a CO2 laser, so that the adverse effects with the AOD are minimized.

Binnen dit golflengtegebied zal het het minste moeite 15 kosten de golflengte op het lokale maximum te handhaven. Dit blijkt bij circa 9,27 μιη te liggen.Within this wavelength range, it will take the least effort to maintain the wavelength at the local maximum. This appears to be around 9.27 μιη.

Verder is uit de optica bekend, dat licht met een kortere golflengte zich tot een kleiner brandpunt laat focusseren dan licht met een langere golflengte. Bij bepaalde 20 laserbewerkingen heeft dit tot gevolg dat de bewerking uitgevoerd kan worden met minder laservermogen dan bij toepassing van de gebruikelijke, langere golflengte, hetgeen eveneens tot minder opwarming leidt, omdat de door het kristal te sturen laserlichtbundel minder vermogen behoeft.It is further known from optics that light with a shorter wavelength can be focussed to a smaller focal point than light with a longer wavelength. With certain laser operations, this has the consequence that the operation can be performed with less laser power than with the use of the usual, longer wavelength, which also leads to less heating, because the laser light beam to be controlled by the crystal requires less power.

25 Een voorbeeld van een dergelijke bewerking is het aanbrengen van een verzwakking in materialen, bijvoorbeeld in verpakkingsmateriaal. Bij een dergelijke bewerking 'schrijft' de laserspot een groef in het materiaal. De mate van verzwakking hangt daarbij af van de diepte van de groef, doch 30 niet van de breedte ervan. Bij een kleinere laserspot is alle laservermogen op een kleiner oppervlak geconcentreerd, waardoor een gewenste groefdiepte reeds met een klein laservermogen kan worden bereikt.An example of such a treatment is the application of a weakening in materials, for example in packaging material. In such an operation, the laser spot "writes" a groove in the material. The degree of weakening here depends on the depth of the groove, but not on its width. With a smaller laser spot, all laser power is concentrated on a smaller surface, so that a desired groove depth can already be achieved with a small laser power.

/1 A /"s y· —^ ^ 5/ 1 A / "s y · - ^ ^ 5

Een AOD wordt niet alleen gebruikt voor het richten van de laserlichtbundel naar de plaats waarop deze zijn effect moet uitoefenen, maar ook voor het moduleren van de laserlichtbundel. Hieronder wordt het in- en uitschakelen van 5 de laserlichtbundel verstaan. Dit kan worden bereikt door het door middel van een AOD, tijdelijk, naar een energie-absorptie-element leiden van de laserlichtbundel. Gezien de snelheid waarmee deze afbuiging moet plaatsvinden, is het ook hier aantrekkelijk gebruik te maken van een AOD en bij 10 voorkeur van dezelfde AOD welke voor het afbuigen wordt gebruikt.An AOD is not only used for directing the laser light beam to the place where it should exert its effect, but also for modulating the laser light beam. This is understood to mean the switching on and off of the laser light beam. This can be achieved by temporarily guiding the laser light beam through an AOD to an energy-absorbing element. In view of the speed at which this deflection must take place, it is also attractive here to use an AOD and preferably the same AOD that is used for deflection.

Een ander voorbeeld is het aanbrengen van groef- of perforatiepatronen in de vorm van kleine gaatjes of groeven in waardedocumenten zoals bankbiljetten. Een dergelijk 15 zichtbaar patroon wordt aangebracht ter bescherming tegen namaak en fraude. Het effect van een kleinere golflengte in een dergelijke toepassing is dat de aangebrachte gaatjes of groefjes fijner van diameter of breedte worden. Aldus behoeft de laserbewerking minder materiaal te verwijderen, zodat 20 minder laservermogen noodzakelijk is. Bovendien werpt de toegenomen fijnheid een nog hogere drempel op tegen namaak en fraude.Another example is the application of groove or perforation patterns in the form of small holes or grooves in value documents such as banknotes. Such a visible pattern is provided for protection against counterfeiting and fraud. The effect of a smaller wavelength in such an application is that the holes or grooves provided become finer in diameter or width. The laser processing thus needs to remove less material, so that less laser power is required. Moreover, the increased fineness raises an even higher threshold against counterfeiting and fraud.

Bovendien vertoont een aantal materialen, in het bijzonder kunststoffen grote verschillen in absorptie bij de 25 diverse golflengtes in het genoemde golflengtegebied. Voor die materialen die bij een bepaalde golflengte, bijvoorbeeld 9,27 ]im een grotere absorptie vertonen dan bij 10,6 μπ\, geldt dus dat deze met minder laservermogen te bewerken zijn bij 10,6 μπ». Anderzijds zijn er echter ook materialen die bij 30 10,6 μπι een hogere absorptie vertonen.Moreover, a number of materials, in particular plastics, exhibit large differences in absorption at the various wavelengths in the said wavelength range. For those materials that exhibit greater absorption at a certain wavelength, for example 9.27 im than with 10.6 μπ, it applies that they can be processed with less laser power at 10.6 μπ ». On the other hand, there are also materials that show a higher absorption at 10.6 μπι.

Er zijn dus tenminste drie en mogelijkerwijs vier voordelen te behalen bij het werken met een kortere golflengte en welke alle resulteren in minder opwarming van s ^ - 6 het kristal. Deze verminderde opwarming kan op verschillende manieren benut worden.Thus, at least three and possibly four advantages can be achieved when working with a shorter wavelength and all of which result in less heating of the crystal. This reduced warming can be used in various ways.

Allereerst kan een verbetering van de, levensduur van de AOD bereikt worden doordat er aanzienlijk minder opwarming 5 van het kristal plaats vindt, waardoor genoemde storingen minder snel optreden.First of all, an improvement in the service life of the AOD can be achieved because considerably less heating of the crystal takes place, as a result of which said disturbances occur less quickly.

Ten tweede kan men de verminderde opwarming, wellicht slechts voor een deel, gebruiken voor het toestaan van een hoger bundelvermogen waardoor het mogelijk wordt sneller dan 10 voorheen te bewerken en een hogere productiecapaciteit gerealiseerd kan worden.Secondly, the reduced heating, perhaps only in part, can be used to allow a higher bundling capacity, which makes it possible to process faster than before and a higher production capacity can be realized.

Ten derde bestaat de mogelijkheid om meer laserenergie kostende bewerkingen toe te passen, zoals het in waardedocumenten aanbrengen van elliptische of andere niet-15 ronde gaatjes in plaats van ronde gaatjes. Dergelijke niet-ronde gaatjes zijn met mechanische middelen moeilijker na te maken en zij vormen hiermee een hogere drempel tegen namaak.Thirdly, there is the possibility of applying more laser energy-costing operations, such as inserting elliptical or other non-round holes instead of round holes in value documents. Such non-round holes are more difficult to imitate by mechanical means and thus form a higher threshold against counterfeiting.

Door toepassing van een modificatie op een C02-laser is het mogelijk gebleken een laserlichtbron te construeren 20 waarbij de golflengte verkort is ten opzichte is van de voor een C02-laser gebruikelijke golflengte van het uitgezonden laserlicht.By applying a modification to a CO2 laser, it has been found possible to construct a laser light source in which the wavelength is shortened compared to the usual wavelength of the emitted laser light for a CO2 laser.

In het bijzonder wordt de laserbron dan ook gevormd door een laserbron welke normaliter geschikt is voor het opwekken 25 van een laserlichtbundel met een golflengte van 10,6 μπι, maar welke gemodificeerd is voor het opwekken van laserlicht met een golflengte van circa 9,27 μπι.In particular, the laser source is therefore formed by a laser source which is normally suitable for generating a laser light beam with a wavelength of 10.6 μπι, but which is modified for generating laser light with a wavelength of approximately 9.27 μπι .

Hierbij wordt een bijzonder aantrekkelijke constructie verkregen, waarbij gebruik gemaakt kan worden van de 30 vermogens welke noodzakelijk zijn voor het uitvoeren van de gewenste bewerkingen, en waarbij een grote productiecapaciteit kan worden bereikt door toepassing van AOD's.A particularly attractive construction is hereby obtained, wherein use can be made of the powers that are necessary for carrying out the desired operations, and wherein a large production capacity can be achieved by using AODs.

77

Deze voordelen komen in het bijzonder tot uitdrukking wanneer de inrichting is ingericht voor het door pyrolyse verwijderen van materiaal.These advantages are particularly expressed when the device is adapted to remove material by pyrolysis.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden 5 toegelicht aan de hand figuur 1 waarin een schema is afgeheeld van een inrichting volgens de uitvinding.Next, the present invention will be elucidated with reference to figure 1 in which a diagram has been extracted from a device according to the invention.

In figuur 1 is een werkstuk 1 afgeheeld, dat geplaatst is op een werktafel 2. Een gebied 3 van het werkstuk 1 moet worden bewerkt, bijvoorbeeld door het aanbrengen van 10 perforaties in een bepaald patroon.In figure 1 a workpiece 1 has been lifted, which is placed on a work table 2. An area 3 of the workpiece 1 has to be processed, for example by making perforations in a certain pattern.

Hiertoe wordt 'gebruik gemaakt van een door een laserlichtbron 4 opgewekte laserbundel, welke vanaf de laserlichtbron 4 door een laserlichtgeleiding 5 gevoerd wordt naar een eerste acoesto-optische afbuiginrichting (AOD)6 voor 15 het afbuigen van de laserlichtbundel in de x-richting. Voor het in de andere richting, de y-richting afbuigen van de laserlichtbundel wordt gebruik gemaakt van een tweede acousto-optische afbuiginrichting 7.Use is made for this purpose of a laser beam generated by a laser light source 4, which beam is fed from the laser light source 4 through a laser light guide 5 to a first acoustical optical deflection device (AOD) 6 for deflecting the laser light beam in the x-direction. For deflecting the laser light beam in the other direction, the y direction, use is made of a second acousto-optical deflection device 7.

De uit de tweede acousto-optische inrichting 7 20 uittredende laserlichtbundel 8 wordt gebruikt voor het bewerken van het te bewerken deel 3 van het werkstuk 1. Beide acousto-optische afbuiginrichtingen 6, 7 zijn voorzien van een transducent 9 voor het in het betreffende kristal opwekken van een mechanische trilling. Beide transducenten 9 25 worden gevormd door een piëzo-electrisch kristal. Aan de andere zijde van het kristal is een trillings absorberend element 10 geplaatst.The laser light beam 8 emerging from the second acousto-optical device 7 is used for processing the part 3 of the workpiece 1 to be processed. Both acousto-optical deflection devices 6, 7 are provided with a transducer 9 for generating in the crystal in question. of a mechanical vibration. Both transducers 9 are formed by a piezoelectric crystal. A vibration-absorbing element 10 is placed on the other side of the crystal.

Voor het besturen van de piëzo-electrische kristallen 9 wordt gebruik gemaakt van twee besturingsschakelingen 11, 30 respectievelijk 12, welke even als de laserlichtbron 4 worden bestuurd door een besturingsinrichting 13 welke bijvoorbeeld door een personal computer kan worden gevormd.For controlling the piezoelectric crystals 9, use is made of two control circuits 11, 30 and 12, which are controlled just like the laser light source 4 by a control device 13 which can be formed, for example, by a personal computer.

! · - b 8! · - b 8

Zoals in de aanhef reeds is genoemd, wordt de laserlichtbron 4 bij voorkeur gevormd door een laserlichtbron welke gemodificeerd is voor het verkorten van de golflengte naar een waarde welke in de AOD's 6,7, leidt tot minder 5 nadelige effecten als gevolg van dissipatie.As already mentioned in the preamble, the laser light source 4 is preferably formed by a laser light source which is modified to shorten the wavelength to a value which in the AODs 6,7 leads to fewer adverse effects as a result of dissipation.

Claims

Device for processing material by means of a laser light beam, comprising: a laser light source for generating the laser light beam; - at least one controllable acoustic-optic deflection device (AOD) for deflecting the laser light beam from the laser light source; characterized in that the laser light source is modified to generate laser light with a shorter wavelength than the usual wavelength for this type of laser source.

2. Device as claimed in claim 1, characterized in that the laser light source is formed by a CO2 laser which has been modified to generate a laser light beam with a wavelength of less than 10.4 μπι.

Device as claimed in claim 2, characterized in that the laser light source is formed by a CO, laser which is adapted to generate a laser light beam with a wavelength between 10.1 μn and 10.4 μπι.

4. Device as claimed in claim 2, characterized in that the laser source is formed by a CO2 laser which is adapted to generate a laser light beam with a wavelength between 9.4 μπι and 9.8 μπι.

5. Device as claimed in claim 2, characterized in that the laser source is formed by a CO2 laser which is adapted to generate a laser light beam with a wavelength between 9.1 μπι and 9.4 μπι.

6. Device as claimed in claim 5, characterized in that the laser source is formed by a CO2 laser which is adapted to generate a laser light beam with a wavelength between 9.25 μπι and 9.30 μπι.

Device as claimed in claim 6, characterized in that the laser source is formed by a CO 2 laser which is adapted to generate a laser light beam with a wavelength of approximately 9.27 μπι.

Device as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the device is adapted for removing material by pyrolysis.

9. Device as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the device is suitable for applying perforations, grooves and other operations, the smallest dimension of which is smaller than the smallest dimension that can be realized with laser light source with the usual wavelength of approximately 10.6 µm.

10. Device as claimed in claim 9, characterized in that the device is suitable for making perforations with an oval surface.

11. Device as claimed in claim 10, characterized in that the device is suitable for applying a perforation pattern of which: a part of the number of perforations belonging to the perforation pattern has a shape deviating from the rest of the perforations.

12. Device as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the device is suitable for carrying out operations that are faster than those of a similar device with a laser source with a wavelength of approximately 10.6 μπι.

13. Device as claimed in any of the foregoing claims, characterized in that the device is suitable for carrying out operations that require more energy than the operations that can be carried out on that workpiece at the usual wavelength of 10.6 μιη.

Document with a perforation pattern obtained by a laser device according to the above claims, characterized in that the perforation pattern comprises at least partially perforations with an oval surface, the smallest dimension of which is smaller than the smallest dimension which can be realized with an laser light source with the usual wavelength of approximately 10.6 µm.

Document with a perforation pattern obtained by a device according to claim 11, characterized in that the pattern formed by the perforations with a different shape is visible when viewed at an oblique angle. t «Ό O. i; - /: '' · '·'