DD157685A1

DD157685A1 - Strahlformung fuer die laser-materialbearbeitung

Info

Publication number: DD157685A1
Application number: DD22877181A
Authority: DD
Inventors: Heinz Kieburg
Original assignee: Heinz Kieburg
Priority date: 1981-03-31
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1982-12-01

Abstract

D. erfinderische Loesg. bezieht sich auf d. Materialbearbeitg., u.a. Trennen, Bohren, Schweissen, Schichten abtragen usw. mittels Laserstrahlen. D. Ziel d. Erfindg. ist es, eine wirtschaftlichere Materialbearbeitg., bei hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit mittels Laserstrahlen zu erreichen. D. Aufgabe ist es, die gesamte Energie des Laserimpulses auszunutzen, um im Material Linien im Mikrometerbereich zu erreichen. Es wird eine Anordnung beschrieben, bei der mit einem veraenderbaren Zylinderlinsenteleskop die Divergenz eines Laserstrahlenbuendels in nur einer Richtung senkrecht zur optischen Achse verringert und durch eine nachfolgende Sequenz von Wollaston-Prismen und Viertelwellen-Verzoegerungsplatten das Strahlenbuendel in verschiedene Richtungen, die einen Winkel innerhalb der urspruenglichen Divergenz zueinander haben, aufgespalten wird. Mit einer sphaerischen Fokussierungsoptik wird das aufgespaltene Strahlenbuendel fokussiert und es entsteht durch Ueberlappung oder Aneinanderreihung ovaler Flecken ein langgezogener Brennfleck. Die moeglichen Anwendungsgebiete der Erfindung liegen u.a. im Abtragen von Material, so z.B. beim Abgleichen von Schichtwiderstaenden, mech. Filtern usw..

Description

Titel der Erfindung ·.

Strahlformung für die Laser-Materialbearbeitung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die. erfinderische Lösung bezieht sich auf die Materialbearbeitung, wie u_sa, Trennen, Bohren, Schweißen, Schichten abtragen mittels Laserstrahlen*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

3Ss sind Methoden bekannt, bei denen durch Überlappung aneinandergereihter kreisförmiger Brennflecken' oder durch Projektion bzw. Abbildung einer mit -Laser bestrahlten Öffnung·, z, B· Rechteck, Materialien linienförmig bearbeitet werden, wobei angestrebt wird, daß sich das Bearbeitungsob^ekt relativ zum Bearbeitungsstrahl möglichst schnell bewegt»

Die Punktüberlappungsmethode erfordert für hohe Bearbeitung sgeschwindigkeiten auch hohe Pulsfolgefrequenzen des Lasers·

Bei der Abbildung eines bestrahlten Rechtecks oder Qiiadrates kann die Pulsfolgefrequenz durch die Aneinanderreihung der Flächen rapide gesenkt werden, aber ein sehr großer Anteil der Energie des Laserstrahlenbündels, mit meistens kreisförmigem Querschnitt, wird durch die freie Öffnung abgeblendet und geht für den Materialabtrag verloren,

Λ- 4L. KJ i f -M *J

Eine andere Methode besteht darin, daß der Strahlquerschnitt in der Bearbeitungsebene durch zwei rotierende raid fokussierende Zylinderlinsen verändert wird· (DOS 1565 I44)

Je nach Entfernung von.der letzten Zylinderlinse und Drehung der ZyIinderlinsen zueinander erhält man ovale ELekken mit verschiedenem Seitenverhältnis,

Diese Methode ist aber nur für relativ leistungsstarke laser und große Bearbeitungsflecken geeignet. Ein anderer Nachteil dieser Methode ist die Verschiebung der Ebene maximaler Energiekonzentration„

In der DAS 2527 622 wird eine Anordnung beschrieben, nach der mittels Prismen ein elliptisches Strahlenbündel geformt wird und die Bandstrahlen durch !Reflexion abgeblendet werden,, so daß bei Fokussierung mit einer sphärischen Optik ein der Eechteckform angenäherter Brennfleck entsteht*

Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß im wesentlichen nur eine Brennfleckgröße erzeugt wird und eine imde~? rung der Brennfleckgröße einen hohen technischen Aufwand nach sich zieht«

Ziel der Erfindung

Der nützliche Effekt, der bei Anwendung der Erfindung zu verzeichnen ist, liegt in der Ausnutzung der gesamten Energie des Laserimpulses. In Materialien können Linien mit Breiten im Fiikromet erbereich erzeugt und dabei eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden. Dies bedeutet eine höhere Arbeitsproduktivität«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Mir die Erzeugung von Linien, infolge·'Materialabtrags durch Laserstrahlbearbeitung, ist die Punktüberlappungsmethode die gebräuchlichste» Aus ökonomischen Gründen wird eine möglichst hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit angestrebt. Dies

erfordert bei der überlappenden Aneinanderreihung von sehr kleinen Brennflecken eine hohe Impulsfolgefrequenz. laser mit geringer Impulsfolgefrequenz, aber höherer Impulsenergie, langen Impulsen und anderen günstigen Eigenschaften werden dabei unükonomiseh.

Wendet man bei diesen Lasern die Methode der Projektion von laserbestrahlten Rechtecken an, so geht bei schmalen Rechtecken sehr viel Energie durch Abblenden verloren.

Eine Fokussierung mit zueinander verdrehten-Zylinderlinsen ermöglicht bei vertretbarem Aufwand nur die Erzeugung von relativ breiten linien.

Die- besonderen Merkmale der Erfindung sind ein aus Zylinderlinsen bestehendes Teleskop, mit dem das Laserstrahlenbündel in einer Richtung -lateral zur Strahlr.ichtung, bei abnehmender Divergenz, aufgeweitet wird und eine nachfolgende Sequenz von Wollaston-Prismen und Yiertelv/ellen-Yerzögerungsplatten, die das Strahlenbündel in mehrere Strahlenbündel verschiedener Richtung aufspalten. Das Objektiv des Zylinderlinsenteleskops kann durch Verschiebung einzelner Linsen verschiedene Brennweiten annehmen und damit die Divergenz des Strahlenbündels im fokalen Schnitt variieren. Im afokalen Schnitt bleibt die ursprüngliche Divergenz des Strahlenbündels erhalten. Wird dieses.Strahlenbündel mit einer sphärischen Linse oder einem optischen System fokussiert, so entsteht ein ovaler Brennfleck, dessen Breite gegenüber der Länge um den Aufweitungsfaktor im fokalen Schnitt des Zylinderllnsenteleskops verkleinert wird. . . . .

Bringt man ein Wollaston-Prisma so in den Strahlengang zwischen Zylinderlinsenteleskop und Fokussierungsoptik, . daß das Strahlenbündel im afokalen Schnitt symmetrisch zur optischen Achse in zwei senkrecht zueinander linear polarisierte Bündel aufgespalten wird, so erhält man durch .Fokussierung zwei in-Längsrichtung zueinander versetzte ovale Brennflecken. Ist'der Aufspaltungswinkel des WoIIa-.

ston-Prismas größer als die. Divergent des Strahlenbündel im afokalen Schnitt, so werden die Brerraflecken getrennt.

Im entgegengesetzten Fall kommt; es zu einer Berührung oder Überlappung der Brennflecken. Sollen vier Strahlenbündel erzeugt vrerden, so müssen die senkrecht zueinander polarisierten Teilbündel durch eine Vierte 1 we" Ilen-Verzögerungsplatte in zirkulär polarisierte' Bündel umgewandelt werden, um dann von einem nachfolgenden Wollaston-Prisma weiter aufgespaltet zu werden * Dieser Vorgang kann fortgesetzt · werden.

Ausführungsbeispiel

In der Abbildung ist die beschriebene Anordnung zum Zwecke der besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt worden« Das veränderbare. Zylinderlinsenteleskop besteht aus einem Okular 1 und einem Objekt 2, das durch Veränderung des Abstandes zweier Linsen zueinander eine unterschiedliche Brennweite im fokalen Schnitt annehmen kann. Das Produkt der Brennweiten.des Okulars und des Objektivs gibt bei zusammenfallenden Brennlinien die Vergrößerung Γ* des Strahlenbündels in der fokalen Schnittebene bzw. die Verringerung der Divergenz des Bündels in dieser Ebene an. Die Fokussierung des Bündels mit einer sphärischen Linse 4 der Brennweite f ergibt einen ovalen Brennfleck mit den Halbachsen

und b =

Oo ist die ursprüngliche Divergenz des kreisrunden Strahlenbündels 3. . .

Über die Vergrößerung Π kann die Breite des Brennflecks variiert werden. Bringt man- zwischen Linse und Teleskop ein Wo11aston-Brisma 5,. welches das unpolarisierte Laserlicht in zwei senkrecht zueinander polarisierte Bündel aufspaltet, so erhält man in der Brennebene der. Linse bzw. Bearbeitungsebene 8 zwei ovale Brennflecken. Wird der Auf-

spaltungswinkel des Prismas' :-= (δ?_σ gewählt, so werden die Brennflecke durch Überlappung oder Berührung aneinandergereiht «,

Wandelt man durch eine Viertelwellen-Verzögerungsplatte 6 das linear polarisierte Licht in zirkulär polarisiertes Licht um, so können mit einem zweiten Wollaston-Prisma 7 mit einer Strahlaufspaltung ^. 2 ©o vier aneinandergereihte Brennflecken erzeugt werden. Diese Sequenz kann fortgesetzt werden, so daß man nach dem η-ten Wollaston-Prisma mit einer Strahlaufspaltung von ^ 2 ~ ©_o eine Aneinanderreihung von 2ⁿ Brennflecken erhält..

Die erfinderische Lösung ermöglicht quasielliptische und länggezogene Bearbeitungsflecken, deren Größe von der nachfolgenden sphärischen Fokussierungsoptik abhängt, ohne daß Energie durch Abblenden"verloren geht. Diese Anordnung ist unabhängig von der nachfolgenden Fokussierüngsoptik und gestaltet die Verwendung beliebiger, dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßter Pokussierungsoptiken.

Claims

Erfindungsansprach

_β Strahlformung für die Laser-Materialbearbeitung, bei der durch Fokussierung ovale Brennflecke erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein kreisrundes Laserstrahlenbündel mit einem aus Zylinderlinsen bestehendes Teleskop in eine Richtung lateral zur Ausbreitungsrichtung aufgeweitet, mit einer Vorrichtung in verschiedene. Richtungen aufgespaltet, und mit einer normalen sphärischen Optik fokussiert wirdβ .
2« Strahlformung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verschiebung von Zylinderlinsen die Aufweitung des Teleskops variiert werden kann·
3· Strahlformung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennaeich-' net, daß das aufgeweitete Strahlenbündel durch eine . Folge von Wollaston-Prismen und Viertelwellen-Verzögerungsplatten in verschiedene Richtungen aufgespaltet wird und bei der Pokussierung eine Aneinanderreihung oder Überlappung ovaler Brennflecken ergibt*
4« Strahlformung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Zylinderlinsenteleskop und Strählauf- · spaltung bestehende System um die optische Achse drehbar ist*

Hierzu 1 Seite Zeichnungen