DD275425A1 - ROTATABLE RADIATION FOCUSING DEVICE FOR THE INTRODUCTION OF LOUDS IN MATERIALS BY MEANS OF LASER PULSES - Google Patents

ROTATABLE RADIATION FOCUSING DEVICE FOR THE INTRODUCTION OF LOUDS IN MATERIALS BY MEANS OF LASER PULSES Download PDF

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Werner Ross
Harald Beyer
Detlef Wieseler
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Akad Wissenschaften Ddr
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Abstract

Die Strahlungsfokussiereinrichtung dient zur Herstellung praeziser zylindrischer Bohrungen in schwer zu bearbeitende Materialien. Die Aufgabe, eine rotierende Fokussiereinrichtung fuer Laserstrahlung anzugeben, wird durch eine aus Strahlablenkeinheit und Fokussierungseinheit bestehende Vorrichtung geloest, bei der die Strahlablenkeinheit ein prismatischer Koerper ist. Die Fokussierungseinheit (Fokussierungslinse) ist senkrecht zur Drehachse der Vorrichtung verschoben und gegen die Drehachse geneigt, so dass die schraeg zur Rotationsachse laufende Laserstrahlung senkrecht auf die Linsenmitte trifft. Bei Veraenderung des Abstandes zwischen Prisma und Fokussierungseinheit veraendert sich der Durchmesser des Bohrloches.The Strahlungsfokussiereinrichtung used to produce precise cylindrical holes in difficult to work materials. The object of providing a rotating focusing device for laser radiation is achieved by means of a device comprising a beam deflection unit and a focusing unit, in which the beam deflection unit is a prismatic body. The focusing unit (focusing lens) is displaced perpendicular to the axis of rotation of the device and inclined against the axis of rotation, so that the laser beam running obliquely to the axis of rotation hits perpendicular to the lens center. As the distance between prism and focusing unit changes, the diameter of the borehole changes.

Description

Aus dem Prismenwinkel und dem Brechungsindex des Prismas ergibt sich der Kegelwinkel der um die Drehachse rotierenden Laserstrahlung, die dem bei senkrechtem Stmhlungseinfall entstehenden Konuswinkel der Bohrung entspricht. Bei Veränderung des Abetandes zwischen Prisma und Fokussierungslinse verändert sich der Abstand der Spitze des Strahlenkegels von der Substratoberfläche. Der entstehende Kreis hinter der Spitze des Strahlenkegels auf der Substratoberfläche bestimmt den Durchmesser des Bohrloches. Um eine richtungsabhängige Absorption der Laserstrahlung an der Bohrlochwand auszuschließen, ist die Laserstrahlung zirkulär polarisiert.The prism angle and the refractive index of the prism result in the cone angle of the laser radiation rotating around the axis of rotation, which corresponds to the cone angle of the bore which arises when vertical incidence occurs. When changing the Abetandes between prism and focusing lens, the distance of the tip of the beam cone changes from the substrate surface. The resulting circle behind the tip of the cone on the surface of the substrate determines the diameter of the hole. In order to exclude a direction-dependent absorption of the laser radiation at the borehole wall, the laser radiation is circularly polarized.

Ausfuhrungsbeispielexemplary

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt den Strahlengang in der erfindungsgemäßen drehbaren Strahlungsfokussiereinrichtung für den minimalen Abstand von Fokussierungslinse 2 und Prisma 1 (Fig. 1 a) und einen größeren Abstand von Prisma und Fokussierungslinse (Fig. 1 b). Fig. 2 zeigt den Gesamtaufbau der Strahlungsfokussiereinrichtung, bestehend aus dem Prisma 1, der Strahlfokussierungslinse 2, einer Linsenhalterung 3, einem Halterungsrohr 5, einer Verschiebungseinheit, gebildet aus dem Führungsrohr 5 und dem beweglichen Rohr 4 mit der P-ismenhalterung 6, zwei Kugellagern 7, der Kugellagerhalterung 8, und einer Dreheinrichtung 9.Für die Bearbeitung von Aluminiumoxydkeramik mittels zirkulär polarisierter Strahlung eines COj-lmpulslasers wird ein Prisma aus NaCI mit einer Dicke von 30mm und einem Prismenwinkel von 10° verwendet, das einen Strahl mit einer seitlichen Strahlversetzung von etwa 6mm und einen Kegelwinkel von etwa 5° gegen die Drehachse erzeugt. Die Richtung und die Lage des einfallenden Laserstrahls stimmt mit der Drehachse überein. Die Fokussiarungslinse hat eine Bronnweite von 50mm, ist um 5° gekippt und in ihrer Ebone seitlich versetzt, damit der abgelenkte Laserstrahl die Fokussierungslinse senkrecht in der Linsenmitte trifft. Bei Rotation der Fokussierungseinrichtung entsteht ein Strahlenkegel, der bei kleinem Abstand von Prisma und Fokussierungslinse mit seiner Spitze die Substratoberfläche trifft. Der Abstand zwischen Prisma und Fokussierungslinse läßt sich bis auf 20mm vergrößern, womit kontinuierlich zylindrische Bohrlöcher mit Lochdurchmessern zwischen 150pm und 2 mm hergestellt werden können. Die Fokussierungslinse wird dabei seitlich verschoben, so daß die Laserstrahlung in der Linsenmitte bleibt.The invention will be explained in more detail with reference to a schematic drawing. Fig. 1 shows the beam path in the rotatable Strahlungsfokussiereinrichtung invention for the minimum distance between the focusing lens 2 and prism 1 (Fig. 1 a) and a greater distance from the prism and focusing lens (Fig. 1 b). 2 shows the overall structure of the radiation focusing device consisting of the prism 1, the beam focusing lens 2, a lens holder 3, a support tube 5, a displacement unit formed of the guide tube 5 and the movable tube 4 with the P-ism retainer 6, two ball bearings 7 9. For the machining of aluminum oxide ceramics by means of circularly polarized radiation of a COj pulse laser, a prism of NaCI with a thickness of 30 mm and a prism angle of 10 ° is used, which has a beam with a lateral beam displacement of approximately 6mm and a cone angle of about 5 ° generated against the axis of rotation. The direction and the position of the incident laser beam coincide with the axis of rotation. The focusing lens has a beam width of 50 mm, is tilted by 5 ° and laterally offset in its ebone so that the deflected laser beam hits the focusing lens vertically in the center of the lens. Upon rotation of the focusing device creates a cone of rays, which hits the substrate surface at a small distance from the prism and focusing lens with its tip. The distance between the prism and the focusing lens can be increased up to 20mm, which allows continuous cylindrical holes with hole diameters between 150pm and 2mm. The focusing lens is displaced laterally, so that the laser radiation remains in the center of the lens.

Claims (3)

1. Drehbare Strahlungsfokussiereinrichtung zum Einbringen von Löchern in Werkstoffe mittels Laserimpulsen, bestehend aus einer Strahlablenkeinheit und einer Fokussierungseinheit, wobei der abgelenkte Laserstrahl die Rotationsachse innerhalb der Fokuslänge der Fokussierungseinheit oder im Fokus schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinheit ein Prisma ist, daß eine Fokussierungslinse parallel zur Rotationsachse seitlich versetzt und so verkippt ist, daß der Laserstrahl senkrecht auf die Mitte der Fokussierungslinse trifft, daß Prisma und Fokussierungslinse gegen unerwünschte Verkippung und Verdrehung gesichert miteinander verbunden sind, und daß der verwendete Laserstrahl zirkulär polarisiert ist.A rotatable Strahlungsfokussiereinrichtung for introducing holes into materials by means of laser pulses, consisting of a beam deflecting unit and a focusing unit, wherein the deflected laser beam intersects the axis of rotation within the focal length of the focusing unit or in focus, characterized in that the beam deflecting unit is a prism that a focusing lens is laterally offset parallel to the axis of rotation and tilted so that the laser beam is perpendicular to the center of the focusing lens that prism and focusing lens secured against unwanted tilting and twisting are interconnected, and that the laser beam used is circularly polarized. 2. Strahlungsfokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pi isma parallel zur Rotationsachse gegen die Fokussierungslinse verschiebbar in einer als Halterung dienenden Hülse angeordnet ist.2. Strahlungsfokussiereinrichtung according to claim 1, characterized in that the Pi isma parallel to the axis of rotation against the focusing lens slidably disposed in a sleeve serving as a holder. 3. Strahlungsfokussiereinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadmch gekennzeichnet, daß das Prisma den Laserstrahl so ablenkt, daß der Anlenkwinkel gleich dem bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls auf die Werkstoffoberfläche entstehenden Konuswinkel der Bohrung ist.3. Strahlungsfokussiereinrichtung according to claim 1 and 2, dadmch characterized in that the prism deflects the laser beam so that the angle of articulation is equal to the resulting at normal incidence of the laser beam on the material surface cone angle of the bore. Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung wird vorzugsweise eingesetzt zum Laserbohren von mechanisch schwer bearbeitbaren Materialien, insbesondere von Aluminiumoxydkeramik, Bornitrit und Saphir, sowie zum Herstellen von Löchern mit Durchmessern kleiner als 0,5mm, die mit mechanischer Bearbeitung schwierig zu fertigen sind. Diese Anwendungen erfordern oft präzise zylindrische Bohrungen und variable Bohrlochdurchmesser im Bereich von 150μπι bis 2mm.The invention is preferably used for laser drilling of mechanically difficult to work materials, in particular of alumina ceramics, boron nitride and sapphire, as well as for producing holes with diameters smaller than 0.5 mm, which are difficult to manufacture with mechanical processing. These applications often require precise cylindrical bores and variable borehole diameters in the range of 150μπι to 2mm. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt (DE 1790128), bei dem eine Bohrung in Werkstoffe mit einer Anzahl von Laserimpulsen eingebracht wird, wobei die fokussierte Laserstrahlung um eine Drehachse rotiert. Damit sind Bohrungen zeitsparend und preisgünstiger als mit einem Koordinatentisch realisierbar. In dieser Anordnung wird die Laserstrahlung durch eine geneigte Planscheibe parallel verschoben und trifft danach auf eine Fokussierungslinse. Wenn die Strahlrichtung der Laserimpulse parallel zur Rotationsachse liegt, entstehen jedoch konische Löcher mit einem bestimmten materialabhängigen Konuswinkel. Unterhalb dieses Konuswinkels ist die Absorption der Laserstrahlung an der Bohrlochwand zu niedrig, um das Material in der Bohrlochwand bis zur Verdampfungstemperatur aufzuheizen. Durch eine nicht zentrische Lage der Laserstrahlung in der Fokussierungslinse kann eine Neigung des fokussieren Laserstrahls erreicht werden, womit dio Laserstrahlung die Rotationsachse vor oder auf der Substraiöberiiäche i.chneidet. Durch diese Neigung des Laserstrahls kann erreicht werden, daß die Bohrung zylindrisch wird. Wegen der nicht zentrischen Lage der Laserstrahlung in der Fokussierungslinse treten jedoch Abbildungsfehler bei der Strahlfokussierung auf, die die Bohrqualität beeinträchtigen, da die Qualität der Bohrung weitgehend durch die Laserstrahlgeometrie im Bohrloch bestimmt wird.It is a method and a device known (DE 1790128), in which a bore is introduced into materials with a number of laser pulses, wherein the focused laser radiation rotates about an axis of rotation. This makes drilling time-saving and cheaper than with a coordinate table feasible. In this arrangement, the laser radiation is displaced parallel by an inclined face plate and then impinges on a focusing lens. If the beam direction of the laser pulses is parallel to the axis of rotation, however, conical holes with a certain material-dependent cone angle arise. Below this cone angle, the absorption of the laser radiation at the borehole wall is too low to heat up the material in the borehole wall to the vaporization temperature. Due to a non-centric position of the laser radiation in the focusing lens, an inclination of the focusing laser beam can be achieved, whereby the laser radiation cuts the axis of rotation in front of or on the surface of the substrate. By this inclination of the laser beam can be achieved that the bore is cylindrical. Because of the non-centric position of the laser radiation in the focusing lens, however, aberrations occur in the beam focusing, which affect the quality of the drill, since the quality of the hole is largely determined by the laser beam geometry in the borehole. Ziel dar ErfindungAim of the invention Ziel der Erfindung ist die Herstellung von präzisen zylindrischen Bohrungen mittels Laserstrahlung bei gleichzeitiger Verringerung des Energieaufwandes.The aim of the invention is the production of precise cylindrical holes by means of laser radiation while reducing the energy consumption. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Aufgabe der Erfindung ist eine rotierende Fokusäierungseinrichtung, die präzise zylindrische Bohrungen mit höherem Wirkungsgrad ermöglicht.The object of the invention is a rotating Fokusäierungseinrichtung that allows precise cylindrical holes with higher efficiency. Die drehbare Strahlungsfokussiereinrichtung besteht aus einer Strahlablenkeinheit und einer Fokussierungseinheit. Die Strahlablenkeinheit ist erfindungsgemäß ein prismatischer strahlungsdurchlässiger Körper, im folgenden kurz Prisma genannt. Die strahlungsbrechenden Flächen des Prismas, die den Prismenwinkel bestimmen, sind gegen die Drehachse geneigt. Dicke des Prismas, Prismenwinkel und Abstand zur Fokussierungseinheit sind so dimensioniert, daß der Laserstrahl die Rotationsachse innerhalb der Fokuslänge der Fokussierungseinheit schneidet. Die Fokussierungseinheit ist im einfachsten Fall eine Fokussierungslinse, die sich zwischen dem Prisma und dem zu bearbeitenden Substrat befindet. Die Fokussierungslinse ist senkrecht zur Drehachse soweit verschoben, daß die Laserstrahlung durch das Zentrum der Fokussierungslinse geführt wird. . Außerdem ist die Fokussierungslinse um einen bestimmten Winkel gegen die Drehachse geneigt, so daß die schräg zur Rotationsachse laufende Laserstrahlung senkrecht auf die Linsenoberfläche t; äfft. Damit wird eine optimale Fokussierung erreicht. Prisma und Fokussierungslinse befinden sich in einem Rohr, das in einer Halterung befestigt ist. Die Fokussierungslinse ist mechanisch so mit dem Prisma verbunden, daß keine gegenseitige Verkippung oder Verdrehung möglich ist. Das Prisma ist jedoch parallel zur Drehachse gegen die Fokussierungslinse verschiebbar.The rotatable Strahlungsfokussiereinrichtung consists of a beam deflecting unit and a focusing unit. The beam deflection unit according to the invention is a prismatic radiation-transmissive body, called prism for short in the following. The refractive surfaces of the prism, which determine the prism angle, are inclined against the axis of rotation. The thickness of the prism, prism angle and distance to the focusing unit are dimensioned such that the laser beam intersects the axis of rotation within the focal length of the focusing unit. The focusing unit is in the simplest case a focusing lens, which is located between the prism and the substrate to be processed. The focusing lens is displaced so far perpendicular to the axis of rotation that the laser radiation is guided through the center of the focusing lens. , In addition, the focusing lens is inclined by a certain angle to the rotation axis, so that the oblique to the axis of rotation laser radiation perpendicular to the lens surface t; apes. This ensures optimal focusing. The prism and focusing lens are located in a tube which is mounted in a holder. The focusing lens is mechanically connected to the prism so that no mutual tilting or twisting is possible. However, the prism is displaceable parallel to the axis of rotation against the focusing lens.
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