CN111496386A - 用于从工件剥除材料的方法和激光加工设备 - Google Patents

用于从工件剥除材料的方法和激光加工设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于从工件(200)剥除材料的方法，借助激光加工设备(100)从工件(200)剥除材料，其中，通过激光加工设备(100)产生激光脉冲序列(170)，其中，该激光脉冲序列(170)内的单个激光脉冲(150)的单脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz，在此，激光脉冲序列(170)作用到工件(200)的表面(205)上，使得从工件(200)上剥除材料，以及通过以下方式设置每个激光脉冲序列(170)的剥除深度，即确定a)激光脉冲序列(170)的时长，和/或b)激光脉冲序列(170)中激光脉冲(150)的数量。

Description

用于从工件剥除材料的方法和激光加工设备
技术领域
本发明涉及一种用于从工件剥除材料的方法以及一种激光加工设备。
背景技术
在这种方法中借助激光加工设备从工件、尤其是从工件表面剥除材料。在此，借助多个激光脉冲将能量引入表面中，使得最终将材料剥除。
在这种方法中可在作用时间恒定的情况下通过射入能量的变化来控制待剥除材料的量、尤其是剥除体积。但是这要求非常复杂的过程控制，因为在射入的能量和剥除体积之间的关系通常不是线性的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于从工件剥除材料的方法以及一种激光加工设备，其中没有所提到的缺点。
本发明的目的通过根据本发明的用于从工件剥除材料的方法和激光加工设备来实现。
本发明的目的尤其是通过以下方式实现，在此提及类型的方法中通过激光加工设备产生激光脉冲序列，其中，激光脉冲序列内的单个激光脉冲的单脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz，其中，激光脉冲序列作用到工件表面上，以从工件、尤其是从工件的表面剥除材料。在此，通过确定激光脉冲序列的时长来设置每个激光脉冲序列的剥除深度。替代地或附加地，通过确定激光脉冲序列中激光脉冲的数量设置每个激光脉冲序列的剥除深度。就此而言已经发现，每个激光脉冲序列的剥除深度与激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量线性相关或至少近似线性相关。由此可通过使剥除深度在作用时间上、即激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量上的线性变化、尤其是调节，明显简化了控制过程。此外，借助单脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz的激光脉冲序列从表面剥除材料具有的优点是，可在所谓的烧蚀冷却激光材料系统中进行作业，其中，在激光脉冲序列内的单个脉冲之间的时间可以小到使得实际上可通过引入周围材料中的热传导冷却目标区域。由此使后续的激光脉冲始终射到已经非常热的材料上，从而明显降低了用于除去材料的脉冲能量的阈值。这实现了非常有效的材料加工、尤其是还可以借助光纤组件。
至少直至特定的边界剥除深度，每个激光脉冲序列剥除的材料量、尤其是每个激光脉冲序列剥除的材料体积与激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量线性相关。这尤其适用于直至10μm的边界剥除深度。
优选地，通过确定激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量设置每个激光脉冲序列待剥除的材料量。
优选将每个激光脉冲序列的剥除深度选择为最高10μm，尤其是小于10μm。替代地或附加地，优选将激光脉冲序列在工件的表面上的光斑大小、尤其是光斑直径选择为最大100μm、优选小于100μm。替代地或附加地，将激光脉冲序列在表面上的光斑的宽高比选择为＜1。
优选利用该方法来实施从构件、尤其是半导体工业、印刷工业、汽车工业或在其他的材料加工工业分支中的构件的表面剥除材料。
激光脉冲序列一般理解为一系列单个激光脉冲、其也称为单脉冲，激光脉冲以特定的单脉冲重复率依次连续。这种激光脉冲序列可为单个脉冲序列或脉冲组。
单个脉冲序列相应地理解为各个激光脉冲的序列，其以特定的单脉冲重复率依次连续，在此，对单脉冲没有为定义脉冲组而分组。如果产生多个单个脉冲序列，则这些单个脉冲序列尤其是最高偶然地具有相同的时间间隔、但是优选具有彼此不同的时间间隔。也就是单个脉冲序列不是以特定的脉冲组重复率产生的。
相对地，脉冲组是至少两个单个脉冲的组，至少两个单个脉冲以也称为微观重复率的特定的单脉冲重复率依次连续，在此，多个依次连续的脉冲组以也称为宏观脉冲重复率的特定单脉冲重复率依次连续。由此脉冲组彼此具有恒定的时间间隔。
为一系列脉冲组中的一个脉冲组的激光脉冲序列也称为GHz脉冲串(GHz-Burst)。
激光加工设备优选具有超短脉冲激光器，其中，由超短脉冲激光器产生的脉冲的脉冲长度优选在飞秒(Femtosekunden)到皮秒(Pikosekunden)的范围中、特别优选至少为100fs至最高100ps。
激光脉冲序列内的单个激光脉冲的单脉冲重复率优选至少1GHz至最高5GHz、优选至少2GHz至最高4GHz、优选3.5GHz。
每个激光脉冲序列待剥除的材料量尤其为每个激光脉冲序列待剥除的材料体积，或每个激光脉冲序列待剥除的表面部分尤其由待剥除的表面横截面给出。
如果通过确定激光脉冲序列的时长设置每个激光脉冲序列的剥除深度，则优选激光脉冲序列内的单脉冲重复率为恒定的。在这种情况下激光脉冲序列的时长同时确定激光脉冲序列中激光脉冲的数量。尤其是激光脉冲序列内的激光脉冲的数量随其时间长短线性缩放。
如果必要时单脉冲重复率不是恒定的，则激光脉冲序列中的激光脉冲的数量也可通过激光脉冲序列的时间长短来确定，但是在此不再有线性关系，但是尽管如此仍可通过当时的单脉冲重复率来简单地换算。
根据本发明的改进方案，通过改变激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量，可改变每个激光脉冲序列的剥除深度。由此可以非常简单和可重现的方式改变每个激光脉冲序列的剥除深度。这尤其可快速地且基于线性关系在没有复杂计算的情况下来进行。
根据本发明的改进方案，使单个激光脉冲的脉冲能量和/或脉冲通量保持为恒定的。这尤其表示，在改变激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量时将脉冲能量和/或脉冲通量保持恒定。就此而言已经发现，关于脉冲能量和/或脉冲通量在材料剥除效果方面得到效用最大值，从而基于脉冲能量和/或脉冲通量的效用最大值将每通量或能量单位剥除的材料量再次调节至较低的能量/通量以及较高的能量/通量。因此特别有利地，在脉冲能量/脉冲通量的剥除效应的效用最大值或至少接近该效用最大值的情况下进行作业，在此，即使在其他参数、这里尤其为激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量变化时脉冲能量和/或脉冲通量也保持恒定。
脉冲能量和/或脉冲通量尤其选择为，通过单个激光脉冲就能实现材料剥除。尤其是将脉冲能量和/或脉冲通量设定在材料剥除的剥除阈值之上的一个值。在这种情况下尤其是产生每个激光脉冲序列的剥除深度与激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中激光脉冲数量的线性或近似线性的相关性。而与激光脉冲序列中单个脉冲的脉冲持续时间没有关系，从而无需特别再次调节该脉冲持续时间，这使得激光加工设备的结构更简单运行也更简单。由于缺少每个激光脉冲序列的剥除深度与激光脉冲序列内单个脉冲持续时间的相关性特别是取消了补偿在加强激光脉冲序列时的频散/非线性效应的必要性。
根据本发明的改进方案，使激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量与每个激光脉冲序列的预设剥除深度线性相关地改变。尤其以这种方式可利用每个激光脉冲序列的剥除深度与激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量的线性相关性来设置预设的剥除深度以及优选同时设置待剥除的材料量、尤其是待剥除的材料体积。尤其可由激光加工设备的使用者或自动地、例如通过前置的工序或根据特定的参数来预先给定预设的剥除深度。优选通过激光器的使用者输入或从表格中或菜单中选出每个激光脉冲序列的预设剥除深度。但是也可从文件中读取或由单独的计算装置、例如通过有线或无线的通信装置接收预设的剥除深度。在任何情况下，每个激光脉冲序列的预设剥除深度都是需要通过预设或预先确定达到的剥除深度，在此，通过确定激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量确保，剥除每个激光脉冲序列的预设剥除深度。在此该线性关系使得能够特别简单地控制该方法和激光加工设备。
根据本发明的改进方案，通过激光加工设备产生多个激光脉冲序列作为脉冲组，其中，脉冲组的脉冲组重复率为至少1kHz直至最高20MHz、优选从100kHz至最高2MHz。在此给出的值已经证实特别适用于表面的材料加工。由此激光脉冲序列尤其可产生具有定义的脉冲组重复率的脉冲组。
根据本发明的改进方案，通过光学调制器确定激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量。这对于激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量的变化是同样合适的、例如可简单实现的设计方案。尤其可通过光学调制器以简单的方式通过相应地设置、尤其有针对性地调制光学调制器的也称为打开持续时间的时间输出窗来确定激光脉冲序列的时间长短。如果单脉冲重复率恒定，在此可同时设置激光脉冲序列中激光脉冲的数量。由此预设、优选改变光学调制器的时间输出窗，以设置、尤其是改变激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量。借助光学调制器可尤其有针对性地划分激光脉冲序列。光学调制器也能够产生具有限定的脉冲组重复率的脉冲组。
激光加工设备优选具有用于产生激光脉冲序列的激光装置。优选激光加工设备还具有扫描装置，扫描装置用于使激光装置的激光辐射朝工件的表面上的预定的和/或可变化的位置偏转。优选地，扫描装置用于以激光装置的激光掠过、尤其扫描工件的表面；特别优选用于以激光在多个不同位置上作用到工件的表面上。
光学调制器优选布置在激光装置之内或激光装置之外。尤其可使光学调制器布置在激光装置和扫描装置之间的光路中。
替代地或附加地，通过合适地操控激光二极管产生激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量。尤其操控激光二极管来产生特定数量的具有特定的单个脉冲重复率的单个激光脉冲。以这种方式可通过激光二极管直接产生具有特定的时间长短和/或在激光脉冲序列中的激光脉冲的特定数量的激光脉冲序列。因此，如果使用激光二极管产生激光脉冲序列，则优选无需额外的光学调制器。当然也可设置尤其是额外用于其他目的的光学调制器。
根据本发明的改进方案，使用声光调制器作为光学调制器。这是非常合适且同时成本有利的光学调制器设计。替代地，也可使用电光调制器作为光学调制器。这具有的优点是，可非常快速地切换光学调制器。
根据本发明的改进方案，根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度、尤其是预设的待剥除的材料量来操控光学调制器。尤其根据预设的剥除深度、优选预设的待剥除的材料量设置光学调制器的时间输出窗的持续时间或光学调制器的打开持续时间。
根据本发明的改进方案，根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度、尤其待剥除的材料量从技术表格或特征曲线中读取用于光学调制器的时间输出窗或打开持续时间。就此而言，可以非常简单、可快速进行且计算量很小的方式根据预设的剥除深度固定存储打开持续时间或时间输出窗的值，尤其绘制表格。可使这些值彼此还额外地根据待加工的材料、待加工的构件几何结构和/或待加工的表面的其他特性进行存储。因此这种技术表格或这种特征曲线尤其也可构造成多维度的。
根据本发明的改进方案，优选以至少10ns至最高1μs、优选至少15ns至最高900ns、优选至少50ns至最高900ns、优选至少100ns至最高500ns、优选至少150ns至最高400ns、优选至少200ns至最高300ns的时间长短产生激光脉冲序列。这是对激光脉冲序列的时间长短的有利的时间窗，尤其在该时间窗内激光脉冲序列的时间长短可变化以改变预设的剥除深度。
根据本发明的改进方案，针对每个激光脉冲序列的最大剥除深度得出或使用激光脉冲序列的时间长短的上限。由此得出在多长时间的激光脉冲序列中每个激光脉冲序列的剥除深度相应于最大值，其中，此时相应的时间长短称为时间长短的上限。对此该最大值实际上可为每个激光脉冲序列的剥除深度取决于激光脉冲序列的时间长短的极值。但是替代地也可使每个激光脉冲序列的最大剥除深度作为固定值预先给定，在此实际上无需有极值。每个激光脉冲序列的最大剥除深度例如可作为固定值如此选择，使得没有不期望或不必要的超出的剥除深度。在任何情况下都得出激光脉冲序列的时间长短作为时间长短的上限，其对应于每个激光脉冲序列的最大剥除深度，其可为极值或选择的固定值。为了设置每个激光脉冲序列的预设剥除深度，此时根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度与每个激光脉冲序列的最大剥除深度的比例通过缩放时间长短的上限确定激光脉冲序列的时间长短。尤其在此可简单地线性缩放、尤其是通过简单的三分律(Dreisatz-Rechnung)计算，从而可特别简单地实施该方法。
替代地或附加地，为每个激光脉冲序列的最大剥除深度确定或使用激光脉冲的数量的上限。在此每个激光脉冲序列的最大剥除深度实际上也可为极值或预设的固定点。为了设定每个激光脉冲序列的预设剥除深度，此时根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度与每个激光脉冲序列的最大剥除深度的比例通过缩放激光脉冲的数量的上限确定激光脉冲序列中的激光脉冲的数量。就此而言也可实施简单的线性缩放，尤其是三分律计算。就此而言也可简单地实施该方法。
在此在缩放范围内尤其是计算每个激光脉冲序列的预设剥除深度与每个激光脉冲序列的最大剥除深度的比例作为因数，其中，由此获得的因数根据定义小于1且与时间长短的上限和/或激光脉冲的数量的上限相乘，从而为每个激光脉冲序列的预设剥除深度确定时间长短和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量。
以优选的方式根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度与每个激光脉冲序列的最大剥除深度的比通过缩放确定时间输出窗或光学调制器的打开持续时间，以设置每个激光脉冲序列的预设剥除深度。
根据本发明的改进方案，从玻璃构件，半导体构件，硅构件，印刷构件、尤其是印刷电路板或印刷辊，和/或具有需要通过材料剥除设置或影响的摩擦特性的构件的表面剥除材料。尤其该方法以特殊的方式适用于该应用。
在此印刷构件尤其理解为在印刷工业中用于印刷图像、字母数字、文字等和/或用于压印表面的构件。尤其该方法优选用于在印刷工业中对圆柱辊进行结构化。
材料的摩擦特性尤其可用于改变摩擦副。以特别优选的方式借助该方法将表面结构引入表面中，该表面例如用作油保持结构、例如用在内燃机的燃烧室的燃烧室壁上。
最后根据本发明的改进方案，通过剥除材料在表面中产生盆形凹口、尤其是小盆凹口。尤其是借助该方法将盆形凹口、尤其小盆凹口引入表面中，特别优选挖入表面中。对此各个盆形凹口优选彼此间隔开地被引入。以这种方式特别是可提供特别适合于在表面上保持流体介质、例如印刷颜料或润滑油的表面构型。
在此尤其可以优选的方式通过设置激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量设置小盆凹口深度。
本发明的目的还通过一种激光加工设备实现，该激光加工设备具有激光装置以及控制装置，控制装置用于产生激光脉冲序列，其中，激光脉冲序列内的单个激光脉冲的单脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz，在此，控制装置还用于通过确定激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量来设置每个激光脉冲序列的预设剥除深度。尤其激光加工设备、优选控制装置用于实施根据本发明的用于从工件剥除材料的方法或用于实施该方法的前述优选实施方式中的任一个。与激光加工设备结合尤其实现了已经结合该方法阐述的优点。
激光装置优选构造成超短脉冲激光器。由超短脉冲激光器产生的脉冲的脉冲长度优选在在飞秒到皮秒的范围中、特别在至少100fs至最高100ps。
为激光装置优选配备光学调制器、尤其声光调制器或电光调制器，其中，光学调制器可集成到激光装置中或设置在激光装置的外部。
替代地或附加地，激光装置优选构造成激光二极管或具有至少一个激光二极管。
控制装置尤其与激光装置有效连接以对其进行操控。
特别优选地，控制装置与光学调制器或与激光二极管有效连接，以确定激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量。
优选地，激光装置具有扫描装置，扫描装置用于将激光装置的激光辐射引导或偏转到工件、尤其是工件的表面上，优选用激光辐射掠过工件的表面或用激光辐射扫描表面。
如果激光加工设备具有光学调制器，光学调制器优选布置在激光装置和扫描装置之间的光路中。
如果激光装置具有激光二极管，或激光装置构造成激光二极管，为激光二极管优选配备放大器单元，从而放大激光二极管的激光辐射。激光二极管优选用于直接产生单个脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz、优选至少1GHz至最高5GHz、优选至少2GHz至最高4GHz、优选3.5GHz的单个激光脉冲。
附图说明
下面根据附图详细阐述本发明。在此示出：
图1示出了激光器的示意图，激光器设置用于实施从表面剥除材料的方法的实施方式，以及
图2示出了方法的实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出了激光加工设备100的示意图，该激光加工设备用于从工件200、尤其是从工件200的表面205剥除材料。为此激光加工设备100具有激光装置110，激光装置110用于产生单脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz、优选至少1GHz至最高5GHz、优选至少2GHz至最高4GHz、优选为3.5GHz的激光脉冲。
激光加工设备100用于产生激光脉冲序列，其中激光脉冲序列内的单个激光脉冲的单脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz，优选为至少1GHz至最高5GHz、优选至少2GHz至最高4GHz、优选3.5GHz。在此该激光脉冲序列作为示意性示出的激光束120作用到表面205上，以从表面205剥除材料。在此通过确定激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量，来设置每个激光脉冲序列的剥除深度。通过这种方式可以非常简单地控制剥除过程，因为每个激光脉冲序列的剥除深度随激光脉冲序列中的激光脉冲的作用时间和/或数量线性变化。激光脉冲序列可作为单个脉冲序列或一系列脉冲组的脉冲组以限定的脉冲组重复率来产生。
为了产生激光脉冲序列以及设置激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量，在此示出的实施例中激光加工设备100具有光学调制器130，光学调制器130优选构造成声光调制器或电光调制器。尤其是激光脉冲序列的时间长短和/或激光脉冲序列中的激光脉冲数量可通过选择光学调制器130的时间输出窗(zeitlichAuskoppelfenster)来确定。
激光加工设备100优选还具有控制装置180，控制装置180用于设置激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中的激光脉冲的数量，并且首先是借助操控光学调制器130通过合适地操控激光装置110或通过合适地影响激光装置110的激光辐射来产生激光脉冲序列。在此示出的实施例中，尤其是控制装置180与光学调制器130有效连接以对其进行操控。替代地可使控制装置180与激光二极管有效连接以对其进行操控，在此，激光二极管可为激光装置110的一部分，或者替代地也可与激光装置110相同或形成激光装置。
优选根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度来操控光学调制器130。尤其是根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度设置光学调制器130的时间输出窗的持续时间。可根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度从技术表格或特征曲线中读取时间输出窗。
此外，在此示出的实施例中，激光加工设备100还具有扫描装置140、尤其是加工头或激光扫描头，其用于使激光束120、尤其是至少一个激光脉冲序列、优选多个激光脉冲序列指向预定的目标位置210，尤其是随时间依次指向多个目标位置210，以最终至少局部地借助激光束120扫描表面205。
尤其是通过改变激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量可以改变每个激光脉冲序列的剥除深度。
有利地，使各个激光脉冲的脉冲能量和/或脉冲通量(Pulsfluenz)保持恒定。
产生的激光脉冲序列的时长优选为至少10ns至最高1μs、优选至少15ns至最高900ns、优选至少50ns至最高900ns、优选至少100ns至最高500ns、优选至少150ns至最高400ns、优选至少200ns至最高300ns。
优选一个或多个激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度而线性地变化。
优选根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度与每个激光脉冲序列的最大剥除深度的比通过缩放时长的上限来确定激光脉冲序列的时长，以剥除掉每个激光脉冲序列的预设剥除深度。为此确定，在多长时间的激光脉冲序列下每个激光脉冲序列的剥除深度相应于最大值，在此，将该相应的时长之后用作时长的上限。在此，该最大值实际上可为基于激光脉冲序列的时长的剥除深度的极值；但是替代地，也可将每个激光脉冲序列的最大剥除深度确定为可基本任意预设的固定值，例如作为材料剥除不期望或不需要超出的值。
以相应的方式可为每个激光脉冲序列的最大剥除深度确定或使用激光脉冲序列中激光脉冲数量的上限。为了剥除掉每个激光脉冲序列的预设剥除深度的材料，此时优选根据每个激光脉冲序列的预设剥除深度与每个激光脉冲序列的最大剥除深度的比通过缩放激光脉冲数量的上限来确定激光脉冲序列中激光脉冲的数量。
通过所述方式可简单地、线性地缩放激光脉冲序列的时长和/或激光脉冲序列中激光脉冲的数量。尤其优选相应地缩放光学调制器130的时间输出窗或相应地操控激光二极管。
图2示出了本发明方法的实施方式的示意图。在此，在a)中以三个上下布置的图表阐述了，如何通过激光加工设备100借助光学调制器130来产生激光脉冲序列。
在上部的第一图表中，在时间t上绘制出激光装置110的输出光功率PLE。在此可看出，激光装置110产生多个在时间上相继的单个激光脉冲150，为了清楚起见在此仅用相应的附图标记标出了其中一个。这些脉冲随着周期依次连续，该周期相应于至少0.5GHz至最高100GHz的单脉冲重复率frep的倒数1/frep。
在中间的第二图表中，在时间t上绘制出光学调制器130的切换状态S，其中，在此示出了三个时间输出窗160，即，具有第一时长或持续时间Δt1的第一时间输出窗161、具有与第一时间输出窗161的持续时间相同的持续时间的第二时间输出窗162，和具有第二持续时间Δt2的第三时间输出窗162，在此第二持续时间Δt2比第一持续时间Δt1大4/3倍。在输出窗160打开时，即在此切换状态S相应于示出的上部切换位置时，光学调制器130使光仅朝表面200的方向、尤其是朝向扫描装置140透过。
这使得根据上部的第一图表通过光学调制器130从各个激光脉冲150的顺序中选出激光脉冲并由此产生激光脉冲序列，该激光脉冲序列根据光学调制器130的操控为单个脉冲序列或脉冲组。这在下部的第三图表中示出，该第三图表示出了在时间t上绘出的激光100的输出光功率PL。在此可看出分别对应于输出窗160的构造成脉冲组的激光脉冲序列170，即，对应于第一输出窗161的第一激光脉冲序列171、对应于第二输出窗162的第二激光脉冲序列172，和对应于第三输出窗163的第三激光脉冲序列173。在此例如第一激光脉冲序列171和第二激光脉冲序列172分别具有三个单激光脉冲150，其中，第三激光脉冲序列173具有四个单激光脉冲150，这同时解释了在单脉冲重复率恒定时激光脉冲序列170中的单个激光脉冲150的数量与时间输出窗160的持续时间Δt1、Δt2的线性关系。在实践中，激光脉冲序列170通常具有明显更高数量的单个激光脉冲150。
激光脉冲序列170作为优选具有脉冲组重复率的脉冲组依次连续，脉冲组重复率优选至少为1kHz至最高20MHz、优选至少100kHz至最高2MHz。该脉冲组重复率也称为宏观脉冲重复率(Makropuls-Repetitionsrate)。
在此示意性地示出了第一脉冲组重复率fPZ,1，其中，通过双箭头表示由此得出的周期1/fPZ,1。此外，只是为了表示可选择不同的脉冲组重复率，在此还以相应的方式也示出了第二脉冲组重复率fPZ,2。
在b)中示例性地示出了可借助激光加工设备100在表面205上产生的结构。尤其优选通过剥除材料产生盆形的凹口220，优选为小盆凹口。在此，借助激光脉冲序列170的时长以及尤其是激光脉冲序列170的激光脉冲150的数量缩放剥除深度以及优选剥除的材料量、在此尤其为凹口220的垂直于表面205的深度T。
在A中示出了第一盆形凹口221，其对应于第一激光脉冲序列171。第一盆形凹口221具有第一深度T1。
在B中示出了第二盆形凹口222，其对应于第二激光脉冲序列172，并且相应地第二激光脉冲序列172与第一激光脉冲序列171具有相同的时长和单个激光脉冲150的数量，具有与第一盆形凹口221相同的第一深度T1。
在C中示出了第三盆形凹口223，其对应于第三激光脉冲序列173。该盆形凹口223具有第二深度T2，第二深度T2比第一深度T1大4/3倍，由此使得第三激光脉冲序列173的时长比第一激光脉冲序列171和第二激光脉冲序列172的时长大4/3倍，并且第三激光脉冲序列173具有的激光脉冲序列173中的激光脉冲150的数量比第一激光脉冲序列171和第二激光脉冲序列172中的单个激光脉冲150的数量大4/3倍。
因此附图中清楚示出，剥除的材料量、在此尤其是产生的盆形凹口220的深度T随着激光脉冲序列170的时长以及激光脉冲序列170中激光脉冲150的数量线性地缩放。这尤其适用于每个激光脉冲序列的剥除深度不大、特别是每个激光脉冲序列的剥除深度最高为10μm的情况，在此，剥除深度优选小于10μm。
在本发明方法的范围内，优选从玻璃构件，半导体构件，硅构件，印刷构件、尤其是印刷电路板或印刷辊，和/或具有需要通过材料剥除设置或影响的摩擦特性的构件的表面剥除材料。

Claims (14)

1.一种用于从工件(200)剥除材料的方法，其中，
借助激光加工设备(100)从所述工件(200)剥除材料，其中，
通过所述激光加工设备(100)产生激光脉冲序列(170)，其中，所述激光脉冲序列(170)内的单个激光脉冲(150)的单脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz，其中，所述激光脉冲序列(170)作用到所述工件(200)的表面(205)上，以从所述工件(200)剥除材料，以及其中，
通过以下方式设置每个激光脉冲序列(170)的剥除深度，即确定
a)所述激光脉冲序列(170)的时长，和/或
b)所述激光脉冲序列(170)中激光脉冲(150)的数量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过改变所述激光脉冲序列(170)的时长和/或所述激光脉冲序列(170)中激光脉冲(150)的数量，来改变每个激光脉冲序列(170)的剥除深度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，单个激光脉冲(150)的脉冲能量和/或脉冲通量保持恒定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光脉冲序列(170)的时长和/或所述激光脉冲序列(170)中的激光脉冲(150)的数量与每个激光脉冲序列(170)的预设剥除深度线性相关地改变。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述激光加工设备(100)产生多个激光脉冲序列(170)作为脉冲组，其中，所述激光脉冲序列(170)的脉冲组重复率优选为至少1kHz至最高20MHz、优选从至少100kHz至最高2MHz。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过光学调制器(130)来确定和/或通过操控激光二极管产生所述激光脉冲序列(170)的时长和/或所述激光脉冲序列(170)中激光脉冲(150)的数量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用声光调制器或电光调制器作为光学调制器(130)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据每个激光脉冲序列(170)的预设剥除深度来操控所述光学调制器(130)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据每个激光脉冲序列(170)的预设剥除深度从技术表格或特征曲线中读取用于所述光学调制器(130)的时间输出窗(160)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，产生时长为至少10ns至最高1μs、优选至少15ns至最高900ns、优选至少50ns至最高900ns、优选至少100ns至最高500ns、优选至少150ns至最高400ns、优选至少200ns至最高300ns的激光脉冲序列(170)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
a)为每个激光脉冲序列(170)的最大剥除深度确定或使用所述激光脉冲序列(170)的时长的上限，其中，根据每个激光脉冲序列(170)的预设剥除深度与每个激光脉冲序列(170)的最大剥除深度的比通过缩放时长的上限来确定所述激光脉冲序列(170)的时长，以设置每个激光脉冲序列(170)的预设剥除深度，和/或
b)为每个激光脉冲序列(170)的最大剥除深度确定或使用激光脉冲(150)数量的上限，其中，根据每个激光脉冲序列(170)的预设剥除深度与每个激光脉冲序列(170)的最大剥除深度的比通过缩放激光脉冲(150)数量的上限来确定所述激光脉冲序列(170)中激光脉冲(150)的数量，以设置每个激光脉冲序列(170)的预设剥除深度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从
a)玻璃构件
b)半导体构件，
c)硅构件，
d)印刷构件、尤其是印刷电路板或印刷辊，和/或
e)具有需要通过材料剥除设置或影响的摩擦特性的构件的表面剥除材料。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过剥除材料在所述表面(200)中产生盆形凹口(220)。
14.一种激光加工设备(100)，所述激光加工设备具有激光装置(110)以及控制装置(180)，所述控制装置用于产生激光脉冲序列(170)，其中，所述激光脉冲序列(170)内的单个激光脉冲(150)的单脉冲重复率为至少0.5GHz至最高100GHz，其中，所述控制装置(180)还用于通过确定
a)所述激光脉冲序列(170)的时长，和/或
b)所述激光脉冲序列(170)中激光脉冲(150)的数量来设置每个激光脉冲序列(170)的预设剥除深度。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020111140A1 (de) 2020-04-23 2021-10-28 Bundesdruckerei Gmbh Verfahren zum Markieren mittels Laserpulsen

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010052659A1 (en) * 2000-06-16 2001-12-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd Method and apparatus for laser drilling
CN102091875A (zh) * 2009-10-22 2011-06-15 埃瓦格股份公司 用于在未完工产品上形成表面的激光加工设备及方法
CN102905839A (zh) * 2010-03-30 2013-01-30 Imra美国公司 基于激光的材料加工装置和方法
CN102939184A (zh) * 2010-05-04 2013-02-20 Esi-派罗弗特尼克斯雷射股份有限公司 用于使用激光脉冲序列钻孔的方法和装置
CN103477427A (zh) * 2011-03-31 2013-12-25 伊雷克托科学工业股份有限公司 使用多个量身定做的激光脉冲波形来激光处理工件的方法和系统
CN104308368A (zh) * 2014-09-03 2015-01-28 大连理工大学 多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法
CN105228789A (zh) * 2013-03-26 2016-01-06 弗劳恩霍弗实用研究促进协会 用于借助于激光辐射剥除脆硬材料的方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9166355B2 (en) * 2011-09-12 2015-10-20 Lawrence Livermore National Security, Llc Directly driven source of multi-gigahertz, sub-picosecond optical pulses
CA2874686A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-12 Royal Canadian Mint Laser-induced metallic surface colouration processes, metallic nanoscale structures resulting therefrom and metallic products produced thereby
GB2562236A (en) * 2017-05-08 2018-11-14 Uab Mgf Sviesos Konversija Device and method for generation of high repetition rate laser pulse bursts

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010052659A1 (en) * 2000-06-16 2001-12-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd Method and apparatus for laser drilling
CN102091875A (zh) * 2009-10-22 2011-06-15 埃瓦格股份公司 用于在未完工产品上形成表面的激光加工设备及方法
CN102905839A (zh) * 2010-03-30 2013-01-30 Imra美国公司 基于激光的材料加工装置和方法
CN102939184A (zh) * 2010-05-04 2013-02-20 Esi-派罗弗特尼克斯雷射股份有限公司 用于使用激光脉冲序列钻孔的方法和装置
CN103477427A (zh) * 2011-03-31 2013-12-25 伊雷克托科学工业股份有限公司 使用多个量身定做的激光脉冲波形来激光处理工件的方法和系统
CN105228789A (zh) * 2013-03-26 2016-01-06 弗劳恩霍弗实用研究促进协会 用于借助于激光辐射剥除脆硬材料的方法
CN104308368A (zh) * 2014-09-03 2015-01-28 大连理工大学 多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法

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