DD157685A1

DD157685A1 - BEAM FORMING FOR LASER MATERIAL PROCESSING

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..D. inventive Loesg. refers to d. Material processing, u.a. Cutting, drilling, welding, removing layers, etc. by means of laser beams. D. Target d. Erfindg. It is to achieve a more economical Materialbearbeitg., At high processing speed by means of laser beams. D. Task is to exploit the full energy of the laser pulse to reach lines in the micrometer range in the material. An arrangement is described in which, with a variable cylindrical lens telescope, the divergence of a laser beam in only one direction perpendicular to the optical axis is reduced, and by a successive sequence of Wollaston prisms and quarter-wave delay plates the beam in different directions subtending an angle within the original Divergence to each other, is split. With a spherical focusing optics, the split beam is focussed, creating an elongated focal spot by overlapping or lining up oval patches. The possible fields of application of the invention are i.a. in the removal of material, e.g. when matching layer resistances, mech. Filter etc.

Description

Titel der Erfindung ·.Title of the invention.

Strahlformung für die Laser-MaterialbearbeitungBeam shaping for laser material processing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die. erfinderische Lösung bezieht sich auf die Materialbearbeitung, wie u_sa, Trennen, Bohren, Schweißen, Schichten abtragen mittels Laserstrahlen*The. inventive solution relates to material processing, such as u _s a, cutting, drilling, welding, ablation layers with laser beams *

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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»Methods are known in which materials are processed in a line-like manner by overlapping circular focal spots or by projection or imaging of a laser-irradiated opening, z, and rectangle, with the aim of ensuring that the processing obj ect relative to Machining jet moves as fast as possible »

Die Punktüberlappungsmethode erfordert für hohe Bearbeitung sgeschwindigkeiten auch hohe Pulsfolgefrequenzen des Lasers·The point overlapping method also requires high pulse repetition frequencies of the laser for high processing speeds.

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,When imaging an irradiated rectangle or Qiiadrates the pulse repetition frequency can be rapidly reduced by the juxtaposition of the surfaces, but a very large proportion of the energy of the laser beam, usually circular cross-section, dimmed by the free opening and is lost for the removal of material,

Λ- 4L. KJ i f -M *JΛ- 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)Another method is that the beam cross section in the working plane is changed by two rotating raid focusing cylindrical lenses · (DOS 1565 I44)

Je nach Entfernung von.der letzten Zylinderlinse und Drehung der ZyIinderlinsen zueinander erhält man ovale ELekken mit verschiedenem Seitenverhältnis,Depending on the distance of the last cylindrical lens and rotation of ZyIinderlinsen each other to obtain oval ELekken with different aspect ratio,

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„However, this method is only suitable for relatively powerful lasers and large processing spots. Another disadvantage of this method is the shift of the maximum energy concentration level "

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*DAS 2527 622 describes an arrangement according to which an elliptical beam is formed by means of prisms and the band beams are dimmed by reflection, so that when focused with a spherical optics, a focal spot approximates the shape of an octagon *

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«The disadvantage of this arrangement is that essentially only one focal spot size is generated and an imde ~? the focal spot size entails a great deal of technical effort «

Ziel der ErfindungObject of the invention

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«The beneficial effect of using the invention is the utilization of the total energy of the laser pulse. In materials lines with widths in Fiikromet erbereich can be generated while a high processing speed can be achieved. This means a higher labor productivity «

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Mir die Erzeugung von Linien, infolge·'Materialabtrags durch Laserstrahlbearbeitung, ist die Punktüberlappungsmethode die gebräuchlichste» Aus ökonomischen Gründen wird eine möglichst hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit angestrebt. DiesFor me, the production of lines, as a result of · material removal by laser beam processing, the point overlap method is the most common »For economic reasons, the highest possible processing speed is sought. This

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.requires a high pulse repetition frequency when overlapping rows of very small focal spots. Lasers with low pulse repetition frequency, but higher pulse energy, long pulses and other favorable properties are unevaluiseh.

Wendet man bei diesen Lasern die Methode der Projektion von laserbestrahlten Rechtecken an, so geht bei schmalen Rechtecken sehr viel Energie durch Abblenden verloren.If one uses the method of projection of laser-irradiated rectangles with these lasers, then with narrow rectangles a lot of energy is lost through dimming.

Eine Fokussierung mit zueinander verdrehten-Zylinderlinsen ermöglicht bei vertretbarem Aufwand nur die Erzeugung von relativ breiten linien.Focussing with cylindrical lenses rotated with one another allows only relatively wide lines to be produced at a reasonable cost.

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. . . . . The particular features of the invention are a cylindrical lens telescope which expands the laser beam in a direction-lateral to the beam direction, with decreasing divergence, and a subsequent sequence of Wollaston prisms and quarter-wave retardation plates comprising the Split beams into several beams of different directions. The lens of the cylindrical lens telescope can take different focal lengths by shifting individual lenses and thus vary the divergence of the beam in the focal section. In the afocal section the original divergence of the beam remains. When this beam is focused with a spherical lens or an optical system, an oval focal spot is formed, the width of which is reduced in length relative to the length in the focal section of the cylindrical elliptical telescope. , , , ,

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-.Bringing a Wollaston prism so in the beam path between cylindrical lens telescope and focusing optics,. that the beam is split in the afocal section symmetrical to the optical axis in two perpendicular to each other linearly polarized bundle, we obtain by .Fokussierung two in-longitudinal direction staggered oval focal spots. Is'the splitting angle of the WoIIa.

ston-Prismas größer als die. Divergent des Strahlenbündel im afokalen Schnitt, so werden die Brerraflecken getrennt.ston prism larger than that. Divergent of the beam in the afocal section, so the Brerraflecken are separated.

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.In the opposite case comes; it causes a touch or overlap of the focal spots. If four beams are to be generated, the sub-beams polarized perpendicular to one another must be converted by a fourth one-retardation plate into circularly polarized bundles, in order to be further split by a succeeding Wollaston prism. This process can be continued.

Ausführungsbeispielembodiment

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 HalbachsenIn the figure, the arrangement described has been exaggerated for the purpose of better illustration. Cylindrical lens telescope consists of an eyepiece 1 and an object 2, which can adopt a different focal length in the focal section by changing the distance between two lenses to each other. The product of the focal lengths of the eyepiece and the objective indicates, when the focal lines coincide, the magnification Γ * of the beam in the focal sectional plane or the reduction of the divergence of the beam in this plane. The focusing of the bundle with a spherical lens 4 of focal length f gives an oval focal spot with the semi-axes

und b =and b =

Oo ist die ursprüngliche Divergenz des kreisrunden Strahlenbündels 3. . .Oo is the original divergence of the circular beam 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-The magnification Π can be used to vary the width of the focal spot. Bring one between the lens and telescope a Wo11aston Brisma 5 ,. which splits the unpolarized laser light into two mutually polarized bundles, one obtains in the focal plane of the. Lens or working plane 8 two oval focal spots. If the

spaltungswinkel des Prismas' :-= (δ?_σ gewählt, so werden die Brennflecke durch Überlappung oder Berührung aneinandergereiht «,cleavage angle of the prism ': - = (δ? _σ selected, then the focal points are lined up by overlapping or touching,

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..If the linearly polarized light is converted into circularly polarized light by means of a quarter-wave retardation plate 6, then a second Wollaston prism 7 with a beam splitting ^. 2 © o four juxtaposed focal spots are generated. This sequence can be continued, so that after the η-th Wollaston prism with a beam splitting of ^ 2 ~ © _o, a sequence of 2 ⁿ focal spots is obtained.

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.The inventive solution enables quasi-elliptical and elongated processing spots, the size of which depends on the subsequent spherical focusing optics, without loss of energy due to fading.) This arrangement is independent of the subsequent focusing optics and designs the use of arbitrary puzzling optics adapted to the particular application.

Claims

Erfindungsansprach

_β beam shaping for laser material processing, in which oval focal spots are produced by focusing, characterized in that a circular laser beam with a telescope consisting of cylindrical lenses widens in a direction lateral to the propagation direction, with a device in different. Splits directions and focuses with a normal spherical optic.

2 «beam shaping according to point 1, characterized in that the expansion of the telescope can be varied by displacement of cylindrical lenses ·

3 · beam forming according to item 1 and 2, characterized gekennaeich- 'net, that the expanded beam through a. Sequence of Wollaston prisms and quarter-wave retardation plates is split in different directions and results in a sequencing or overlapping of oval focal spots during the poking *

4 «beam shaping according to point 1 to 3, characterized in that the system consisting of cylindrical lens telescope and Strählauf- splitting is rotatable about the optical axis *

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