DE102004062381B4

DE102004062381B4 - Vorrichtung zum Umschalten eines Laserstrahls, Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102004062381B4
Application number: DE102004062381A
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Mayer
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: US20060159151A1; TW200724275A; JP2006175517A; DE102004062381A1; KR20060073511A; CN1821859A

Abstract

Vorrichtung zum selektiven Schalten eines im wesentlichen linear polarisierten Eingangslaserstrahls (110a, 210a) in einen ersten Ausgangslaserstrahl (130a, 230a) oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl (160a, 260a), mit
• einem primären optischen Element (EOM) zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls (110a, 210a),
• einem dem primären optischen Element (EOM) nachgeschalteten primären polarisationsabhängigen Reflektor (R), welcher derart ausgebildet ist, dass
– ein in einer ersten Richtung (S) polarisierter Anteil des auftreffenden Laserlichts (110b, 210b) in einen ersten Strahlengang (120a, 220a) lenkbar ist und
– ein in einer zweiten Richtung (P) polarisierter Anteil des auftreffenden Laserlichts (110b, 210b) in einen zweiten Strahlengang (150a, 250a) lenkbar ist,
• einem im ersten Strahlengang (120a, 220a) angeordneten ersten sekundären optischen Element (EOM1) zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des in den ersten Strahlengang (120a, 220a) gelenkten Laserlichts,
• einem dem ersten sekundären optischen Element (EOM1) nachgeschalteten ersten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor (R1)...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selektiven Schalten eines im wesentlichen linear polarisierten Eingangslaserstrahls in einen ersten Ausgangslaserstrahl oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum schnellen Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eine oben genannte Laserstrahl-Umschaltvorrichtung aufweist.
Elektronische Baugruppen, welche in einer kompakten Bauform realisiert werden sollen, werden heutzutage häufig auf mehrschichtigen Schaltungsträgern, insbesondere auf mehrschichtigen Leiterplatten aufgebaut. Dabei ist es erforderlich, dass bestimmte leitfähige Schichten der Leiterplatte miteinander kontaktiert werden. Dies geschieht dadurch, dass in die miteinander zu kontaktierenden Schichten ein Blind- oder ein Durchgangsloch gebohrt wird und das Loch nachfolgend mit einer elektrisch leitenden Metallisierung versehen wird. Auf diese Weise können Leiterbahnen nicht nur zweidimensional, sondern auch in der dritten Dimension ausgebildet werden, so dass der Platzbedarf von elektronischen Baugruppen erheblich reduziert wird.
Das Bohren von Leiterplatten erfolgt üblicherweise mittels gepulster Laserstrahlung in speziellen Laserbearbeitungsvorrichtungen für den Elektronikbereich. Als Laserquellen werden üblicherweise CO₂- oder Festkörperlaser, wie beispielsweise Nd:YAG- oder Nd:YVO₄-Laser verwendet. Wichtige Merkmale für eine wettbewerbsfähige Laserbearbeitungsmaschine sind zum einen der Durchsatz, d. h. die Anzahl an Löchern, die innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit gebohrt werden kann, und zum an deren die Anschaffungskosten für die Laserbearbeitungsmaschine. Aus diesem Grund wurden Laserbearbeitungsmaschinen entwickelt, bei denen der von einer einzigen Laserquelle emittierte Laserstrahl mittels eines schnellen Schaltelements wahlweise in einen von zwei Teilstrahlengängen gelenkt werden kann. In jedem Teilstrahlengang ist eine Ablenkeinheit und eine Abbildungsoptik vorgesehen, mit denen der jeweilige Teilstrahl auf unterschiedliche Zielpunkte auf einem oder auf mehreren zu bearbeitenden Werkstücken gelenkt wird. Bei einer derartigen Strahlschaltung wird eine Erhöhung des Durchsatzes dadurch erreicht, dass die Zeitspanne, die zum Bohren eines Loches mit einem ersten Laserstrahl erforderlich ist, zur Positionierung von Ablenkspiegeln einer Ablenkeinheit für den zweiten Laserstrahl genutzt wird. Somit kann unmittelbar nach der Beendigung des Bohrvorgangs mit dem ersten Laserstrahl durch ein entsprechendes Umschalten auf den zweiten Laserstrahl die Laserbearbeitung durch den zweiten Laserstrahl beginnen. Auf diese Weise werden nicht nutzbare Nebenzeiten eliminiert, in denen eine Positionierung von Ablenkeinheiten auf unterschiedliche und auf ggf. weit voneinander beabstandete Zielpunkte des Laserstrahls erfolgt. Eine entsprechende Vorrichtung zum wechselseitigen Bohren einer Leiterplatte mit einem Laserstrahl und Positionieren einer Ablenkeinheit für den anderen Laserstrahl ist beispielsweise aus der JP 2002011584 A bekannt.
Aus der JP 2003126982 A ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt, welche als Strahlumschaltelement einen elektrooptischen Modulator aufweist, der mit einem polarisationsabhängigen Reflektor zusammenwirkt. Durch eine entsprechende Ansteuerung des elektrooptischen Modulators kann die Polarisationsrichtung des auf den polarisationsabhängigen Reflektor auftreffenden Laserstrahls gezielt beeinflusst werden, so dass der Laserstrahl wahlweise in einen von zwei dem polarisationsabhängigen Reflektor nachgeschalteten Ausgangsstrahlengängen gelenkt werden kann. Da jedoch die auf den elektrooptischen Modulator auftreffende Laserstrahlung nie perfekt line ar polarisiert ist und zudem der durch einen elektrooptischen Modulator erzeugte Drehwinkel der Polarisationsrichtung stets eine gewisse Unschärfe aufweist, dringt immer eine bestimmte Restintensität in den Strahlengang des abgeschalteten Laserstrahls. Um eine unerwünschte Beschädigung des Werkstücks durch diese Reststrahlintensität zu verhindern, sind bei der Laserbearbeitungsvorrichtung zusätzliche Polarisatoren vorgesehen, welche die Leckrate an unerwünschter Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Werkstück minimieren. Diese Laserbearbeitungsvorrichtung hat den Nachteil, dass die Intensität der beiden zu bearbeitenden Laserstrahlen auf dem Werkstück nicht für jeden Laserstrahl unabhängig gesteuert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum selektiven Schalten eines Eingangslaserstrahls in einen ersten Ausgangslaserstrahl oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl zu schaffen, welche zum einen eine schnelle Schaltzeit und zum anderen eine individuelle Anpassung der jeweils auf ein Werkstück gerichteten Laserleistung ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, bei der eine oben genannte Laserstrahl-Umschaltvorrichtung auf vorteilhafte Weise zum schnellen und präzisen Bearbeiten von Werkstücken eingesetzt ist.
Die vorstehend beschriebenen Aufgaben werden jeweils gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und eine Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein primäres optisches Element zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls und einen dem primären optischen Element nachgeschalteten polarisationsabhängigen Reflektor. Dieser ist derart ausgebildet, dass ein in einer ersten Richtung polarisierter Anteil des auftreffenden Laserlichts in einen ersten Strahlengang und ein in einer zweiten Richtung polarisierter Anteil in einen zweiten Strahlengang lenkbar ist.
Im ersten Strahlengang ist ein erstes sekundäres optisches Element zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des in den ersten Strahlengang gelenkten Laserlichts sowie ein dem ersten sekundären optischen Element nachgeschal teter erster sekundärer polarisationsabhängiger Reflektor zum räumlichen Trennen von zwei in unterschiedlichen Richtungen polarisierten ersten Strahlenanteilen angeordnet, wobei einer der ersten beiden Strahlanteile den ersten Ausgangslaserstrahl darstellt. Im zweiten Strahlengang ist in analoger Weise ein zweites sekundäres optisches Element zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des in den zweiten Strahlengang gelenkten Laserlichts und ein dem zweiten sekundären optischen Element nachgeschalteter zweiter sekundärer polarisationsabhängiger Reflektor vorgesehen. Dieser dient der räumlichen Trennung von zwei unterschiedlich polarisierten zweiten Strahlanteilen, wobei einer der beiden zweiten Strahlanteile den zweiten Ausgangslaserstrahl darstellt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein primäres optisches Umlenkelement, welches das primäre optische Element und den primären polarisationsabhängigen Reflektor aufweist, die Intensität eines einfallenden Laserstrahls durch eine gezielte Ansteuerung des primären optischen Elements wahlweise in einen von zwei Strahlengängen lenkt. Die sekundären Umschaltelemente, welche jeweils ein sekundäres optisches Element und einen nachgeschalteten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor aufweisen, erfüllen auf vorteilhafte Weise zwei Zwecke.
Der erste Zweck besteht darin, dass eine in den jeweiligen Strahlengang eindringende unerwünschte Leckintensität, welche beispielsweise durch eine nicht perfekte lineare Polarisation des Eingangslaserstrahls oder ein nicht perfektes Schalten der Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls verursacht ist, aus dem jeweiligen Strahlengang ausgeblendet wird. Somit dringt durch den jeweils nicht aktivierten Strahlengang keine oder zumindest eine sehr stark unterdrückte unerwünschte Laserintensität auf ein zu bearbeitendes Werkstück.
Der zweite Zweck besteht darin, dass durch eine entsprechende Ansteuerung des sekundären optischen Elements, welches sich in dem aktivierten Strahlengang befindet, die auf das zu bearbeitende Werkstück treffende Lichtintensität mit hoher Genauigkeit an den jeweiligen Bearbeitungsvorgang angepasst werden kann. Somit sind zur Leistungsanpassung keine zusätzlichen Elemente wie beispielsweise steuerbare optische Abschwächer erforderlich und die Leistungsanpassung kann auf einer kurzen Zeitskala erfolgen.
Die polarisationsabhängigen Reflektoren sind bevorzugt derart ausgebildet und in geeigneter Weise angeordnet, dass zwei zueinander senkrecht stehende Polarisationsrichtungen voneinander separiert werden. Üblicherweise ist die eine Polarisation parallel und die andere Polarisation senkrecht zu einer Ebene orientiert, in welcher sämtliche Strahlengänge der erfindungsgemäßen Laserstrahl-Umlenkvorrichtung liegen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum selektiven Schalten eines Eingangslaserstrahls in mehr als zwei Ausgangslaserstrahlen verwendet werden kann, sofern weitere Umschaltelemente mit jeweils einem optischen Element und einem nachgeschalteten polarisationsabhängigen Reflektor in geeigneter Weise hintereinander geschaltet werden. In diesem Fall wirken mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen kaskadenförmig zusammen, so dass der Eingangslaserstrahl gezielt in einen von drei, von vier oder auch von mehreren Ausgangslaserstrahlen gelenkt werden kann.
Im Falle einer kaskadenförmig aufgebauten Anordnung aus mehr als zwei hintereinander geschalteten optischen Schaltelementen mit jeweils einem optischen Element und einem polarisationsabhängigen Reflektor, kann auch die Leckrate, das heißt die Laserintensität, die durch einen eigentlich nicht aktivierten Strahlengang tritt, weiter reduziert werden.
Des Weiteren werden erfindungsgemäß von dem ersten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor bzw. von dem zweiten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor aus dem jeweiligen Strahlengang ausgeblendete Strahlanteile in eine erste bzw. in eine zweite Strahlenfalle gelenkt. Dies hat den Vorteil, dass die ausgeblendeten Strahlanteile keinerlei unerwünschte Streustrahlung erzeugen, welche beispielsweise eine optische Positionsvermessung von zu bearbeitenden Werkstücken beeinflussen könnten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 1 weist zusätzlich eine Steuereinheit auf, welche mit dem primären optischen Element, dem ersten sekundären optischen Element und dem zweiten sekundären optischen Element gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine individuelle Ansteuerung sämtlicher optischer Elemente, wobei die Steuereinheit zusätzlich zur Steuerung des Laseroszillators und/oder der beiden Ablenkeinheiten vorgesehen sein kann.
Gemäß Anspruch 2 ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass die Vorrichtung in einen ersten Betriebszustand geschaltet werden kann. Dabei wird der Eingangslaserstrahl im wesentlichen in den ersten Strahlengang überführt und ein in den zweiten Strahlengang überführter verbliebener erster Rest der Intensität des Eingangslaserstrahls wird hinsichtlich seiner Polarisation von dem zweiten sekundären optischen Element derart beeinflusst, dass dieser erste Rest von dem zweiten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor aus dem Strahlengang des zweiten Ausgangslaserstrahls entfernt wird. Außerdem ist die Polarisation des in den ersten Strahlengang überführten Laserstrahls durch eine entsprechende Ansteuerung des ersten sekundären optischen Elements derart einstellbar, dass der erste Ausgangslaserstrahl mit einer vorgegebenen Strahlungsleistung auf das zu bearbeitende Werkstück trifft. Somit kann sowohl eine unerwünschte in den zweiten Strahlengang überführte Restintensität von dem Werkstück ferngehalten als auch die Intensität des auf das zu bearbeitende Werkstück treffenden ersten Ausgangslaserstrahls optimal auf die jeweilige Materialbearbeitung angepasst werden. Somit können sowohl einzelne Pulse als auch mehr oder weniger lange Pulsreihen (sog. Bursts) mit unterschiedlicher Leistung bzw. Pulsenergie erzeugt werden, so dass sich eine Vielfalt von neuen Anwendungsmöglichkeiten ergibt.
Gemäß Anspruch 3 kann in analoger Weiser ein zweiter Be triebszustand eingestellt werden, bei dem die Intensität des zweiten Ausgangslaserstrahls optimal eingestellt werden kann und eine Restintensität aus dem ersten Strahlengang nahezu vollständig entfernt wird.
Gemäß Anspruch 4 ist zumindest eines der optischen Elemente ein elektrooptischer oder ein magnetooptischer Modulator. Unter dem Begriff elektrooptischer Modulator ist dabei jede Art von Modulator zu verstehen, der die Polarisationsrichtung eines Lichtstrahls durch den elektrooptischen Effekt, insbesondere durch den Kerr-Effekt oder durch den Pockels-Effekt beeinflusst. Unter dem Begriff magnetooptischer Modulator ist ein Modulator zu verstehen, der die Polarisationsrichtung eines Lichtstrahls durch den magnetooptischen Effekt, insbesondere durch den Faraday-Effekt beeinflusst. Elektrooptische und magnetooptische Modulatoren haben den Vorteil, dass sie ein äußerst schnelles Umschalten der Polarisationsrichtung ermöglichen, so dass selbst bei einem gepulsten Eingangslaserstrahl mit einer Wiederholfrequenz im Bereich von bis zu 100 kHz ein Umschalten zwischen zwei aufeinander folgenden Laserpulsen möglich ist. Somit kann auch bei einer hohen Wiederholfrequenz jeder Laserpuls für eine Materialbearbeitung verwendet werden. Darüber hinaus kann eine pulsbezogene Leistungs- bzw. Energiesteuerung erfolgen.
Gemäß Anspruch 5 ist zumindest einer der polarisationsabhängigen Reflektoren ein transparentes optisches Element mit einer Oberfläche, die relativ zu dem jeweils einfallenden Lichtstrahl in einem Brewsterwinkel orientiert ist. Im einfachsten Fall sind die polarisationsabhängigen Reflektoren jeweils einfache planparallele Glasplatten, wobei der Brewsterwinkel durch den Brechungsindex n des Glasmaterials bestimmt wird. Die einfachen Glasscheiben haben den Vorteil, dass sie sehr preiswerte optische Elemente sind und zudem eine hohe Laserleistung ohne eine Eintrübung oder eine sonstige Beschädigung aushalten können. Selbstverständlich sind jedoch auch andere polarisationsabhängigen Reflektoren wie beispielsweise doppelbrechende Kristalle einsetzbar.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum schnellen Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern, mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst eine Laserstrahl-Umschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, einen Laseroszillator, eingerichtet zum Aussenden des im wesentlichen linear polarisierten Eingangslaserstrahls, eine erste Ablenkeinheit, welche im ersten Ausgangslaserstrahl angeordnet ist, und eine zweite Ablenkeinheit, welche im zweiten Ausgangslaserstrahl angeordnet ist. Die beiden Ablenkeinheiten sind jeweils zur Positionierung von einem der beiden Ausgangslaserstrahlen auf vorgesehene Zielpunkte auf zumindest einem Werkstück vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung ermöglicht eine wechselseitige Materialbearbeitung auf zwei Bearbeitungsfeldern. Dabei wird während der Bearbeitung durch den ersten Ausgangslaserstrahl die zweite Ablenkeinheit auf einen Zielpunkt positioniert, welcher unmittelbar nach Beendigung der Bearbeitung durch den ersten Ausgangslaserstrahl durch ein Umschalten der Laserstrahl-Umschaltvorrichtung mit dem zweiten Ausgangslaserstrahl erreicht wird. Insbesondere bei der Verwendung von schnellen optischen Elementen zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung eines Laserstrahls kann somit eine Strahlumschaltung zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen eines gepulsten Laseroszillators erreicht werden. Auf diese Weise werden Nebenzeiten in der Materialbearbeitung, welche durch eine Sprungbewegung einer Ablenkeinheit zwischen verschiedenen Zielpositionen verursacht werden, vollständig eliminiert, sofern diese Zeitspannen zur Materi albearbeitung durch einen von der jeweils anderen Ablenkeinheit geführten Laserstrahl genutzt werden.
Die Ablenkeinheiten sind im allgemeinen so genannte Galvosysteme, bei denen zwei um zueinander senkrechte Achsen drehbar gelagerte Galvospiegel derart bewegt werden, dass ein über die beiden Galvospiegel geführter Laserstrahl innerhalb eines Bearbeitungsfeldes auf beliebige Zielpunkte gelenkt werden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen
1 eine Laserbearbeitungsvorrichtung in einem ersten Betriebszustand und
2 die in 1 dargestellte Laserbearbeitungsvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass in den 1 und 2 identische Komponenten mit gleichen Bezugszeichen oder mit einander entsprechenden Bezugszeichen versehen sind, die sich lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.
Bei dem in 1 dargestellten ersten Betriebszustand einer Laserbearbeitungsvorrichtung 100 emittiert ein Laseroszillator LO einen im wesentlichen linear polarisierten Eingangslaserstrahl 110a. Sofern der Laseroszillator LO einen Laserstrahl mit einem geringen Polarisationsgrad aufweist, müsste zusätzlich noch ein Polarisator verwendet werden, welcher dem Eingangslaserstrahl 110a die erforderliche lineare Polarisation verleiht. Die Polarisationsrichtung des Eingangslaser strahls 110a verläuft im wesentlichen senkrecht zu der Zeichenebene und weist deshalb einen starken Anteil an so genannter S-Polarisation und einen lediglich schwachen Anteil an so genannter P-Polarisation auf. Dies ist in der Zeichnung dadurch veranschaulicht, dass dem Buchstaben S ein nach oben gerichteter Pfeil und dem Buchstaben P ein nach unten gerichteter Pfeil vorangestellt ist. Die Systematik dieser schematischen Kennzeichnung wird im Folgenden beibehalten. Dabei geben die Buchstaben "S" bzw. "P" die jeweilige Polarisationsrichtung an. Ein vorangestellter Pfeil nach oben veranschaulicht einen starken Anteil und ein vorangestellter Pfeil nach unten veranschaulicht einen schwachen Anteil der jeweiligen Polarisationsrichtung.
Der Eingangslaserstrahl 110a trifft auf einen primären elektrooptischen Modulator EOM, der bei einer entsprechenden Ansteuerung, welche an späterer Stelle erläutert wird, die Polarisationsrichtung des den Modulator EOM verlassenden Laserstrahls 110b um beliebige Winkel drehen kann. Im ersten Betriebszustand wird der primäre elektrooptische Modulator EOM derart angesteuert, dass die Polarisationsrichtung des Laserstrahls 110b im Vergleich zur Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls 110a nicht verändert wird. Dies bedeutet, dass der Eingangslaserstrahl 110b nach wie vor einen starken Anteil an S-Polarisation und lediglich einen geringen Anteil an P-Polarisation aufweist.
Dem primären optischen Modulator EOM ist ein primäres Brewsterfenster R nachgeschaltet. Das Brewsterfenster R ist bevorzugt eine planparallele Glasplatte, welche im Brewsterwinkel relativ zu dem Strahlengang des Laserstrahls 110b angeordnet ist. Dadurch wird der große Anteil an S-Polarisation in einen ersten Strahlengang 120a reflektiert. Der geringe Anteil an P-Polarisation durchdringt das primäre Brewsterfenster R mit einem von der Dicke der Glasplatte abhängigen Parallelversatz und wird in einen zweiten Strahlengang 150a gelenkt.
Der in den ersten Strahlengang 120a reflektierte Anteil an S-Polarisation trifft auf einen ersten sekundären elektrooptischen Modulator EOM1, welcher bei einer geeigneten Ansteuerung ebenfalls die Polarisationsrichtung des entsprechenden Laserstrahls drehen kann. Wie aus 1 ersichtlich, ist der Modulator EOM1 in dem ersten Betriebszustand derart angesteuert, dass der den Modulator EOM1 verlassende Laserstrahl 120b nun im wesentlichen eine P-Polarisation aufweist. Somit trifft ein im wesentlichen P-polarisierter auf ein erstes sekundäres Brewsterfenster R1.
Das erste sekundäre Brewsterfenster R1 ist derart eingerichtet, dass der P-polarisierte Anteil des auftreffenden Laserstrahls als erster Ausgangslaserstrahl 130a transmittiert und ein S-polarisierter Anteil reflektiert und als Laserstrahl 135 in eine erste Strahlenfalle BD1 gelenkt wird. Der erste Ausgangslaserstrahl 130a wird mittels einer ersten Ablenkeinheit DU1 innerhalb eines Bearbeitungsfeldes auf bestimmte Zielpunkte eines Werkstücks 190 gelenkt, welches sich auf einem Positioniertisch 195 befindet. Die aus der ersten Ablenkeinheit DU1 austretenden Laserstrahlen sind als erste Bearbeitungslaserstrahlen 130c in 1 schematisch dargestellt.
Durch eine gezielte Ansteuerung des ersten sekundären elektrooptischen Modulators EOM1 wird somit die Polarisationsrichtung des den Modulator EOM1 verlassenden Laserstrahls 120b gedreht und damit die Intensität des ersten Ausgangslaserstrahls 130a auf von der jeweiligen Materialbearbeitung abhängige Intensitäts- bzw. Leistungswerte gezielt reduziert. Die Differenzintensität wird als Laserstrahl 135 in die Strahlenfalle BD1 gelenkt. Dies ermöglicht eine schnelle Anpassung der Intensität der ersten Bearbeitungslaserstrahlen 130c an die jeweils erforderliche Materialbearbeitung.
Der durch das primäre Brewsterfenster R transmittierte P-Anteil trifft auf einen zweiten sekundären elektrooptischen Modulator EOM2, welcher im zweiten Strahlengang 150a angeordnet ist. In dem in 1 dargestellten ersten Betriebszustand wird durch den Modulator EOM2 die Polarisation des den Modulator EOM2 verlassenden Laserstrahls 150b hin zu einer S-Polarisation gedreht. Somit trifft im Ergebnis ein im wesentlichen S-polarisierter Laserstrahl mit einer schwachen Intensität auf ein zweites sekundäres Brewsterfenster R2. Dieses bewirkt, dass der S-polarisierte Strahl 150b als Laserstrahl 165 reflektiert und in eine zweite Strahlenfalle BD2 gelenkt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nicht versehentlich die in den zweiten Strahlengang 150a gelenkte restliche Laserintensität als zweiter Ausgangslaserstrahl 160a über einen Umlenkspiegel M auf eine zweite Ablenkeinheit DU2 trifft. Somit ist im ersten Betriebszustand eine versehentliche Materialbeschädigung durch einen über die zweite Ablenkeinheit DU2 geführten Laserstrahl ausgeschlossen.
Die Intensität bzw. Leistung der über die zweite Ablenkeinheit DU2 auf das Werkstück gelenkten Laserstrahlung kann folgendermaßen abgeschätzt werden: Die Polarisationsgüte von kommerziell erhältlichen Lasern liegt typischerweise im Bereich von 100:1. Entsprechendes gilt für ein aus einem elektrooptischen Modulator und einem Brewsterfenster bestehendes Umschaltelement, welches eine Schaltgüte von ebenfalls ungefähr 100:1 bis maximal 1000:1 aufweist. Dies bedeutet im Ergebnis, dass der "aktivierte" Laserstrahl im Vergleich zum nicht "aktivierten" Laserstrahl hinsichtlich seiner Intensität bzw. Leistung um einen Faktor 10⁵ bis maximal 10⁶ stärker ist. Damit beträgt die Intensität bzw. die Leistung des "abgeschalteten" Strahls lediglich 0,01% bis 0,001% der Intensität des Eingangslaserstrahls. Bei einer derartig starken Unterdrückung können auf dem Werkstück 190 durch den zweiten Ausgangslaserstrahl 160a keinerlei unerwünschte Bearbeitungseffekte erzeugt werden.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der gesamte Ablauf der Laserbearbeitung durch eine zentrale Steuereinheit μP gesteuert, welche über Steuerleitungen 180a, 180b, 180c, 180d, 180e, 180f und 180g mit dem Laseroszillator LO, mit dem primären elektrooptischen Modulator EOM, mit dem ersten und dem zweiten sekundären elektrooptischen Modulator EOM1 und EOM2, mit den beiden Ablenkeinheiten DU1 und DU2 sowie mit dem Positioniertisch 195 verbunden ist.
In dem in 2 dargestellten zweiten Betriebszustand der Laserbearbeitungsvorrichtung 200 wird durch den primären elektrooptischen Modulator EOM die Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls 210a um 90° gedreht. Der den Modulator EOM verlassende Laserstrahl 210b weist demzufolge einen starken Anteil an P-Polarisation und einen geringen Anteil an S-Polarisation auf. Nun wird ein im Vergleich zum ersten Betriebszustand starker Anteil an P-Polarisation in den zweiten Strahlengang 250a gelenkt, in dem durch eine geeignete Ansteuerung des zweiten sekundären elektrooptischen Modulators EOM2 die Polarisationsrichtung des den Modulator EOM2 verlassenden Laserstrahls 250b in geeigneter Weise eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann der zweite Ausgangslaserstrahl 260a hinsichtlich seiner Intensität optimal für eine Materialbearbeitung eingestellt werden. Dementsprechend wird abhängig von der jeweils eingestellten Polarisationsrichtung des Laserstrahls 250b somit ein entlang der S-Richtung polarisierter Laserstrahl 265 mit einer mehr oder weniger starken Intensität in die Strahlenfalle BD2 gelenkt.
Eine erhebliche Reduzierung der Intensität des in den ersten Strahlengang 220a gelenkten Laserstrahls wird durch das Zusammenwirken des Modulators EOM1 mit dem Brewsterfenster R1 erreicht. Im zweiten Betriebszustand wird nämlich die Polarisationsrichtung des in den ersten Strahlengang 220a gelenkten Laserlichts nicht gedreht, so dass der größte Teil des ohnehin bereits schwachen Laserlichts 220b an dem Brewsterfenster R1 reflektiert und als Laserstrahl 235 in die erste Strahlen falle BD1 gelenkt wird. Entsprechend der zuvor erläuterten quantitativen Intensitätsabschätzung wird somit im zweiten Betriebszustand die Intensität des über die Ablenkeinheit DU1 übertragenen Laserlichts auf einen Faktor 10^–4 abgeschwächt, so dass eine unbeabsichtigte Materialbearbeitung des Werkstücks 295 nicht zu besorgen ist. Gleichzeitig kann durch eine entsprechende Ansteuerung des zweiten sekundären elektrooptischen Modulators EOM2 die Lichtintensität der zweiten Bearbeitungslaserstrahlen 260c frei, d. h. für jeden Laserpuls individuell eingestellt werden.
Zusammenfassend bleibt festzustellen:
Die Erfindung schafft eine Umschaltvorrichtung 100 zum selektiven Schalten eines linear polarisierten Eingangslaserstrahls 110a in einen ersten Ausgangslaserstrahl 130a oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl 160a. Die Umschaltvorrichtung umfasst ein primäres optisches Umschaltelement mit einem primären optischen Element EOM zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls 110a und einem nachgeschalteten primären polarisationsabhängigen Reflektor R, welcher den Eingangslaserstrahl abhängig von seiner Polarisationsrichtung in einen ersten Strahlengang 120a oder in einen zweiten Strahlengang 150a lenkt. In jedem der beiden Strahlengänge 120a bzw. 150a ist jeweils ein weiteres optisches Umschaltelement mit einem sekundären optischen Element EOM1 bzw. EOM2 zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des jeweiligen Laserstrahls 120b bzw. 150b und mit einem sekundären polarisationsabhängigen Reflektor R1 bzw. R2 vorgesehen, welcher den jeweiligen Laserstrahl abhängig von seiner Polarisationsrichtung in einen Ausgangslaserstrahl 130a bzw. 160a lenkt. Die Erfindung schafft ferner eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer oben genannten Laserstrahl-Umschaltvorrichtung.

100: Laserbearbeitungsvorrichtung (1. Betriebszustand)
LO: Laseroszillator
110a: Eingangslaserstrahl
S: Polarisationsrichtung
P: Polarisationsrichtung
↑: hohe Intensität/Leistung
↓: niedrige Intensität/Leistung
EOM: primärer elektrooptischer Modulator
110b: Laserstrahl (nach EOM)
R: primäres Brewsterfenster
120a: erster Strahlengang
EOM1: erster sekundärer elektrooptischer Modulator
120b: Laserstrahl (nach EOM1)
R1: erstes sekundäres Brewsterfenster
130a: erster Ausgangslaserstrahl
DU1: erste Ablenkeinheit
130c: erster Bearbeitungslaserstrahl
135: Laserstrahl (für Strahlenfalle)
BD1: erste Strahlenfalle
150a: zweiter Strahlengang
EOM2: zweiter sekundärer elektrooptischer Modulator
150b: Laserstrahl (nach EOM1)
R2: zweites sekundäres Brewsterfenster
160a: zweiter Ausgangslaserstrahl
M: Umlenkspiegel
165: Laserstrahl (für Strahlenfalle)
BD2: zweite Strahlenfalle
DU2: zweite Ablenkeinheit
μP: Steuereinheit
180a/b/c/d/e/f/g: Steuerleitung
190: Werkstück
195: Positioniertisch
200: Laserbearbeitungsvorrichtung (2. Betriebszustand)
LO: Laseroszillator
210a: Eingangslaserstrahl
S: Polarisationsrichtung
P: Polarisationsrichtung
↑: hohe Intensität/Leistung
↓: niedrige Intensität/Leistung
EOM: primärer elektrooptischer Modulator
210b: Laserstrahl (nach EOM)
R: primäres Brewsterfenster
220a: erster Strahlengang
EOM1: erster sekundärer elektrooptischer Modulator
220b: Laserstrahl (nach EOM1)
R1: erstes sekundäres Brewsterfenster
230a: erster Ausgangslaserstrahl
235: Laserstrahl (für Strahlenfalle)
BD1: erste Strahlenfalle
DU1: erste Ablenkeinheit
250a: zweiter Strahlengang
EOM2: zweiter sekundärer elektrooptischer Modulator
250b: Laserstrahl (nach EOM1)
R2: zweites sekundäres Brewsterfenster
260a: zweiter Ausgangslaserstrahl
M: Umlenkspiegel
DU2: zweite Ablenkeinheit
260c: zweiter Bearbeitungslaserstrahl
265: Laserstrahl (für Strahlenfalle)
BD2: zweite Strahlenfalle
μP: Steuereinheit
280a/b/c/d/e/f/g: Steuerleitung
290: Werkstück
295: Positioniertisch

Claims

Vorrichtung zum selektiven Schalten eines im wesentlichen linear polarisierten Eingangslaserstrahls (110a, 210a) in einen ersten Ausgangslaserstrahl (130a, 230a) oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl (160a, 260a), mit • einem primären optischen Element (EOM) zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls (110a, 210a), • einem dem primären optischen Element (EOM) nachgeschalteten primären polarisationsabhängigen Reflektor (R), welcher derart ausgebildet ist, dass – ein in einer ersten Richtung (S) polarisierter Anteil des auftreffenden Laserlichts (110b, 210b) in einen ersten Strahlengang (120a, 220a) lenkbar ist und – ein in einer zweiten Richtung (P) polarisierter Anteil des auftreffenden Laserlichts (110b, 210b) in einen zweiten Strahlengang (150a, 250a) lenkbar ist, • einem im ersten Strahlengang (120a, 220a) angeordneten ersten sekundären optischen Element (EOM1) zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des in den ersten Strahlengang (120a, 220a) gelenkten Laserlichts, • einem dem ersten sekundären optischen Element (EOM1) nachgeschalteten ersten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor (R1) zum räumlichen Trennen von zwei in unterschiedlichen Richtungen (S, P) polarisierten ersten Strahlanteilen, wobei einer der beiden ersten Strahlanteile den ersten Ausgangslaserstrahl (130a, 230a) darstellt, • einem im zweiten Strahlengang (150a, 250a) angeordneten zweiten sekundären optischen Element (EOM2) zum gezielten Drehen der Polarisationsrichtung des in den zweiten Strahlengang (150a, 250a) gelenkten Laserlichts, • einem dem zweiten sekundären optischen Element (EOM2) nachgeschalteten zweiten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor (R2) zum räumlichen Trennen von zwei in unterschiedlichen Richtungen (S, P) polarisierten zweiten Strahlanteilen, wobei einer der beiden zweiten Strahlanteile den zweiten Ausgangslaserstrahl (160a, 260a) darstellt, und • einer ersten Strahlenfalle (BD1), welche relativ zu dem ersten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor (R1) derart angeordnet ist, dass der andere der beiden ersten Strahlanteile der ersten Strahlenfalle (BD1) zuführbar ist und zusätzlich mit • einer zweiten Strahlenfalle (BD2), welche relativ zu dem zweiten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor (R2) derart angeordnet ist, dass der andere der beiden zweiten Strahlanteile der zweiten Strahlenfalle (BD2) zuführbar ist und • einer Steuereinheit (μP), welche mit dem primären optischen Element (EOM), dem ersten sekundären optischen Element (EOM1) und dem zweiten sekundären optischen Element (EOM2) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinheit (μP) derart ausgebildet ist, dass in einem ersten Betriebszustand • der Eingangslaserstrahl (110a) im wesentlichen in den ersten Strahlengang (120a) überführt wird, • ein in den zweiten Strahlengang (150a) überführter verbliebener erster Rest der Intensität des Eingangslaserstrahls (110a) hinsichtlich seiner Polarisation von dem zweiten sekundären optischen Element (EOM2) derart beeinflusst wird, dass dieser erste Rest von dem zweiten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor (R2) aus dem Strahlengang des zweiten Ausgangslaserstrahls (160a) entfernt wird, und • die Polarisation des in den ersten Strahlengang (120a) überführten Laserstrahls durch das erste sekundäre optische Element (EOM1) derart eingestellt wird, dass der erste Ausgangslaserstrahl (130c) mit einer vorgegebenen Strahlungsleistung auf das zu bearbeitende Werkstück (190) trifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die Steuereinheit (μP) derart ausgebildet ist, dass in einem zweiten Betriebszustand • der Eingangslaserstrahl (210a) im wesentlichen in den zweiten Strahlengang (250a) überführt wird, • ein in den ersten Strahlengang (220a) überführter verbliebener zweiter Rest der Intensität des Eingangslaserstrahls hinsichtlich seiner Polarisation von dem ersten sekundären optischen Element (EOM1) derart beeinflusst wird, dass dieser zweite Rest von dem ersten sekundären polarisationsabhängigen Reflektor (R1) aus dem Strahlengang des ersten Ausgangslaserstrahls (230a) entfernt wird, und • die Polarisation des in den zweiten Strahlengang (250a) überführten Laserstrahls durch das zweite sekundäre optische Element (R2) derart eingestellt wird, dass der zweite Ausgangslaserstrahl (260c) mit einer vorgegebenen Strahlungsleistung auf das zu bearbeitende Werkstück (290) trifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der • das primäre optische Element (EOM), • das erste sekundäre optische Element (EOM1) und/oder • das zweite sekundäre optische Element (EOM2) ein elektrooptischer Modulator oder ein magnetooptischer Modulator ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der • der primäre polarisationsabhängige Reflektor (R), • der erste sekundäre polarisationsabhängige Reflektor (R1) und/oder • der zweite sekundäre polarisationsabhängige Reflektor (R2) ein transparentes optisches Element ist und eine Oberfläche aufweist, die relativ zu dem jeweils einfallenden Lichtstrahl (110b, 210b, 120b, 220b, 150b, 250b) in einem Brewsterwinkel orientiert ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung zum schnellen Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern, mit • einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, • einem Laseroszillator (LO), eingerichtet zum Aussenden des im wesentlichen linear polarisierten Eingangslaserstrahls (110a, 210a), • einer ersten Ablenkeinheit (DU1), welche im ersten Ausgangslaserstrahl (130a, 230a) angeordnet ist, und • einer zweiten Ablenkeinheit (DU2), welche im zweiten Ausgangslaserstrahl (160a, 260b) angeordnet ist, wobei die beiden Ablenkeinheiten (DU1, DU2) zur Positionierung der beiden Ausgangslaserstrahlen (130c, 230c) auf vorgegebene Zielpunkte auf zumindest einem Werkstück vorgesehen sind.