DE102005027898A1 - Vorrichtung zum Umschalten eines Laserstrahls, Laserbearbeitungsvorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum Umschalten eines Laserstrahls, Laserbearbeitungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum selektiven Lenken eines Eingangslaserstrahls (110) in einen ersten Ausgangslaserstrahl (140a) und/oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl (140b), mit einem Strahlteilelement (115), eingerichtet zum räumlichen Aufspalten des Eingangslaserstrahls (110) in einen ersten Teilstrahl (120a) und in einen zweiten Teilstrahl (120b), mit einem Strahlüberlagerungselement (135), eingerichtet und angeordnet zum räumlichen kohärenten Überlagern der beiden Teilstrahlen (120a, 120b) und zum Überführen der beiden Teilstrahlen (120a, 120b) in den ersten Ausgangslaserstrahl (140a) und/oder in den zweiten Ausgangslaserstrahl (140b). Die Intensität der beiden Ausgangslaserstrahlen (140a, 140b) hängt von einer relativen Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen (120a, 120b) am Strahlüberlagerungselement (135) ab. Die Vorrichtung umfasst ferner ein optisches Stellglied (170), welches in dem ersten Teilstrahl (120a) angeordnet ist und welches derart eingerichtet ist, dass die optische Weglänge des ersten Teilstrahls (120a) zwischen dem Strahlteilelement (115) und dem Strahlüberlagerungselement (135) variierbar ist. Die Erfindung schafft ferner eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit einer Laserlichtquelle (105) zum Generieren eines Eingangslaserstrahls (110), einer oben genannten Vorrichtung (100), einer ersten Ablenkeinheit (180a), welche im ersten Ausgangsstrahlengang (140a) angeordnet ist, und einer zweiten ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selektiven Lenken eines Eingangslaserstrahls in einen ersten Ausgangslaserstrahl und/oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eine oben genannte Laserstrahl-Umlenkvorrichtung 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 erforderliche Platzbedarf für elektronische 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 anderen die Anschaffungskosten für die Laserbearbeitungs maschine. Aus diesem Grund wurden Laserbearbeitungsmaschinen entwickelt, bei denen der von einer einzigen Laserquelle emittierte Laserstrahl mittels eines optischen Schaltelements wahlweise in einen von zwei Ausgangsstrahlengänge gelenkt werden kann. In jedem Ausgangsstrahlengang ist eine Ablenkeinheit und eine Abbildungsoptik vorgesehen, mit denen der jeweilige Ausgangsstrahl auf unterschiedliche Zielpunkte auf einem oder auf mehreren zu bearbeitenden Werkstücken gelenkt wird. Eine entsprechende Vorrichtung zum wechselseitigen Bohren einer Leiterplatte mit mehreren Laserstrahlen ist beispielsweise aus der JP 2002011584 A bekannt.
  • Zum selektiven Lenken eines Laserstrahls in verschiedene räumlich voneinander getrennte Strahlengänge sind auch mechanisch schwenkbare Reflektoren bekannt. Dabei wird abhängig von dem jeweiligen Neigungswinkel des Reflektors ein Eingangslaserstrahl in unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Derartige mechanisch schwenkbare Reflektoren haben den Nachteil, dass infolge der Massenträgheit der Reflektoren die Umschaltzeit relativ lang ist. Diese beträgt typischerweise zumindest 100 μs, so dass bereits bei einer Pulswiederholfrequenz von 10 kHz ein definiertes Umschalten zwischen zwei Ausgangslaserstrahlen in der Zeitspanne zwischen zwei aufeinander folgenden Laserpulsen nicht mehr möglich ist.
  • Aus der JP 2003053576 A ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, wobei mittels eines Akusto Optischen Modulators (AOM) ein Laserstrahl in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden kann. Dabei wird in einem Kristall eine stehende akustische Welle erzeugt, die als Beugungsgitter für den in den Kristall einfallenden Laserstrahl wirkt. AOM's haben den Nachteil, dass die Robustheit und die Lebensdauer der Kristalle beschränkt ist und dass üblicherweise nur kleine Ablenkwinkel erzeugt werden können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass nie die ganze Intensität eines Laserstrahls in eine bestimmte Richtung abgelenkt wird, welche einer bestimmten Beugungsordnung entspricht. Vielmehr wird stets eine nicht zu vernachlässigte Intensität an Laserstrahlung in unterschiedliche Beugungsordnungen gelenkt.
  • Aus der JP 2003126982 A ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt, welche als Strahlumschaltelement einen Elektro Optischen Modulator (EOM) aufweist, der mit einem polarisationsabhängigen Reflektor zusammenwirkt. Durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung des EOM 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 EOM auftreffende Laserstrahlung nie perfekt linear polarisiert ist und zudem der durch einen EOM erzeugte Drehwinkel der Polarisationsrichtung stets eine gewisse Unschärfe aufweist, dringt immer eine bestimmte Restintensität in den Strahlengang des abgeschalteten Laserstrahls. Die Verwendung eines EOM hat zudem die Nachteile, dass (a) zum Betrieb des EOM relativ hohe elektrische Spannungen erforderlich sind, dass (b) die zu erwartende Lebensdauer eines EOM insbesondere bei hohen Leistungsdichten des abzulenkenden Laserstrahls nicht bekannt ist und dass (c) ein EOM eine relativ teure optische Komponente darstellt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum selektiven Lenken eines Eingangslaserstrahls in einen ersten Ausgangslaserstrahl und/oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl zu schaffen, welche Vorrichtung auf einfache Weise ein schnelles und gleichzeitig ein präzises Umschalten eines Laserstrahls zwischen beiden Ausgangslaserstrahlen ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, bei der eine oben genannte Laserstrahl-Umlenkvorrichtung auf vorteilhafte Weise zum schnellen und präzisen Bearbeiten von Werkstücken eingesetzt ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum selektiven Lenken eines Eingangslaserstrahls in einen ersten Ausgangslaserstrahl und/oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Strahlteilelement, eingerichtet zum räumlichen Aufspalten des Eingangslaserstrahls in einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl, ein Strahlüberlagerungselement, eingerichtet und angeordnet zum räumlichen Überlagern der beiden Teilstrahlen und zum Überführen der beiden Teilstrahlen in den ersten Ausgangslaserstrahl und/oder in den zweiten Laserausgangsstrahl. Die Überlagerung der beiden Teilstrahlen erfolgt derart, dass die Intensität der beiden Ausgangslaserstrahlen von einer relativen Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen am Strahlüberlagerungselement abhängt. Dies wird dadurch realisiert, dass beide Teilstrahlen kohärent überlagert werden, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Interferometer darstellt, bei dem durch Veränderung der optischen Weglänge eines Teilstrahls um lediglich eine halbe Wellenlänge die Intensitätsverteilung zwischen beiden Ausgangslaserstrahlen frei eingestellt werden kann. Die Variation der optischen Weglänge erfolgt gemäß der Erfindung durch ein optisches Stellglied, welches in dem ersten Teilstrahl angeordnet ist und welches derart eingerichtet ist, dass die optische Weglänge des ersten Teilstrahls zwischen dem Strahlteilelement und dem Strahlüberlagerungselement variierbar ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine kohärente Überlagerung zweier Teilstrahlen mittels eines Interferometers die Intensitätsverteilung zwischen zwei Ausgangslaserstrahlengängen frei eingestellt werden kann. So bewirkt beispielsweise die kohärente Überlagerung zwischen beiden Teilstrahlen, sofern diese eine exakt gleich lange optische Weglänge aufweisen, ein Lenken des Eingangslaserstrahls in den ersten Ausgangslaserstrahl. In den zweiten Ausgangslaserstrahl wird keinerlei Intensität gelenkt, da in dieser Richtung die beiden Teilstrahlen destruktiv miteinander interferieren. Bei einer Variation der optischen Weglänge des ersten Teilstrahls um lediglich eine halbe Laserwellenlänge bewirkt die kohärente Überlagerung beider Teilstrahlen infolge einer destruktiven Interferenz keinerlei Ausgangsleistung in den ersten Ausgangslaserstrahl. In Richtung des zweiten Ausgangslaserstrahls erfolgt eine konstruktive Interferenz zwischen beiden Teilstrahlen, so dass die gesamte Intensität des Eingangslaserstrahls in den zweiten Ausgangslaserstrahl überführt wird.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass eine kohärente Überlagerung der beiden Teilstrahlen selbstverständlich nur dann möglich ist, wenn der Weglängen-Unterschied der beiden Teilstrahlen kleiner ist als die Kohärenzlänge des Laserstrahls.
  • Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum selektiven Lenken eines Eingangslaserstrahls in mehr als zwei Ausgangslaserstrahlen verwendet werden kann. Dies kann durch das Zusammenwirken von mehreren erfindungsgemäßen Umlenkvorrichtungen erreicht werden, welche kaskadenförmig hintereinander geschaltet sind. Auf diese Weise kann der Eingangslaserstrahl gezielt in drei, in vier oder in mehrere Ausgangslaserstrahlen gelenkt werden.
  • Gemäß Anspruch 2 ist zusätzlich ein erster Lichtempfänger vorgesehen, welcher mit dem ersten Ausgangslaserstrahl optisch gekoppelt ist. Zum Zwecke der Regelung der Intensität des ersten Ausgangslaserstrahls ist der Lichtempfänger zudem mit dem Stellglied beispielsweise über eine elektrische Leitung gekoppelt. Die optische Kopplung mit dem ersten Ausgangslaserstrahl erfolgt bevorzugt über ein Strahlauskoppelelement, welches bevorzugt einen lediglich geringen Teil der Intensität des ersten Ausgangslaserstrahls auf den Lichtempfänger lenkt. Der Lichtempfänger ist beispielsweise eine herkömmliche Photodiode. Die Kopplung des Lichtempfängers mit dem Stellglied erfolgt bevorzugt über einen elektrischen Ausgang des Lichtempfängers, welcher Ausgang während des Betriebes des Lichtempfängers eine Ausgangsspannung liefert, deren Höhe zu der Intensität des momentan auf den Lichtempfänger auftreffenden Lichtintensität direkt proportional ist.
  • Gemäß Anspruch 3 ist zusätzlich ein zweiter Lichtempfänger vorgesehen, welcher mit dem zweiten Ausgangslaserstrahl optisch gekoppelt ist und welcher mit dem Stellglied zum Zwecke der Regelung der Intensität des zweiten Ausgangslaserstrahls gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine besonders genaue Regelung des Stellglieds und somit ein genau definiertes Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen Betriebszuständen. Bei einem ersten Betriebszustand wird die volle Intensität des Eingangslaserstrahls in den ersten Ausgangslaserstrahl gelenkt und die Intensität des zweiten Ausgangslaserstrahls ist zumindest annähernd Null. Bei dem zweiten Betriebszustand ist die Intensität des ersten Ausgangslaserstrahls nahezu Null und die gesamte Intensität des Eingangslaserstrahls wird in den zweiten Ausgangslaserstrahl gelenkt.
  • Gemäß Anspruch 4 weist das Stellglied einen mechanisch verstellbaren Spiegel auf. Wie oben bereits dargelegt, sind zum Umschalten des Eingangslaserstrahls zwischen den Strahlengängen von zwei räumlich voneinander getrennten Ausgangslaserstrahlen lediglich sehr kurze Spiegelbewegungen in der Größenordnung der Laserwellenlänge erforderlich. Dies bedeutet, dass bei einer translatorischen Verschiebung des Spiegels ein mit der Spiegelbewegung verbundener Strahlversatz des ersten Teilstrahls so gering ist, dass die beiden Teilstrahlen unabhängig von der aktuellen Stellung des Spiegels immer noch so stark räumlich miteinander überlappen, dass eine kohärente Überlagerung zwischen den beiden Teilstrahlen gewährleistet ist. Der Strahlversatz kann somit in guter Näherung vernachlässigt werden.
  • Gemäß Anspruch 5 ist das Stellglied ein mechanisch verstellbares refraktives optisches Element, bei dem die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen dadurch erzeugt wird, dass in den Strahlengang des ersten Teilstrahls ein optisch transparentes refraktives Medium gebracht wird. Dieses weist beispielsweise unterschiedliche Dicken auf, so dass durch eine Verschiebung oder eine Drehung des optischen Elements die relative Phasenlage zwischen beiden Teilstrahlen eingestellt werden kann. Sofern das optische Element derart geformt ist, dass sowohl eine Eingangsfläche als auch eine Ausgangsfläche des optischen Elements stets senkrecht zu dem Strahlengang des zweiten Teilstrahls orientiert sind, kann eine Phasenverschiebung erzeugt werden, ohne dass der Strahlengang des ersten Teilstrahls durch das optische Element beeinflusst wird. Somit können beide Teilstrahlen bei einer perfekten Justierung der Vorrichtung vollständig überlappen, so dass die räumliche Kohärenz der beiden Teilstrahlen im Strahlüberlagerungselement durch eine Verstellung des optischen Elements in keiner Weise beeinträchtigt wird. Der Eingangslaserstrahl kann somit mit hoher Präzision gezielt in genau einen Ausgangslaserstrahl oder mit einer genau definierten Intensitätsaufteilung in die beiden Ausgangslaserstrahlen gelenkt werden.
  • Gemäß Anspruch 6 weist das Stellglied einen piezoelektrischen Antrieb auf, welcher eine besonders schnelle Verstellung des Stellglieds ermöglicht. Somit kann auch bei hoher Repetitionsrate des Eingangslaserstrahls die Intensität des Ausgangslaserstrahls zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen zwischen den beiden Strahlengängen umgeschaltet werden.
  • Die zweite Aufgabe wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7. Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst eine Laserquelle zum Generieren eines Eingangslaserstrahls, eine Laserstrahl-Umlenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum selektiven Lenken des Eingangslaserstrahls in einen ersten Ausgangslaserstrahl und/oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl, eine erste Ablenkeinheit, welche im ersten Ausgangslaserstrahl angeordnet ist und eine zweite Ablenkeinheit, welche im zweiten Ausgangslaserstrahl angeordnet ist. Die beiden Ablenkeinheiten sind zur Positionierung der beiden Ausgangslaserstrahl 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-Umlenkvorrichtung mit dem zweiten Ausgangslaserstrahl erreicht wird. Da zum Umschalten der Ausgangsintensität zwischen dem Strahlengang des ersten Ausgangslaserstrahls und dem Strahlengang des zweiten Ausgangslaserstrahls lediglich eine kurze Bewegung des optischen Stellglieds in der Größenordnung der Lichtwellenlänge des Eingangslaserstrahls erforderlich ist, kann bei der Verwendung eines geeigneten Antriebs für das optische Stellglied 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 voneinander beabstandeten Zielpositionen verursacht werden, vollständig eliminiert.
  • 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 zeigt in schematischer Darstellung die einzige Figur eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Strahlumschaltvorrichtung, bei der zwei Teilstrahlen eines Mach-Zehnder-Interferometers kohärent überlagert und selektiv in einen ersten Ausgangslaserstrahl und/oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl gelenkt werden.
    •
  • Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst eine Laserlichtquelle 105, welche beispielsweise im nahen ultravioletten Spektralbereich, im sichtbaren Spektralbereich oder im nahen infraroten Spektralbereich einen bevorzugt gepulsten Eingangslaserstrahl 110 emittiert. Im Falle eines infraroten Laserstrahls wird als Laserlichtquelle insbesondere ein CO2-Laser, im Falle eines im sichtbaren oder im nahen ultravioletten Spektralbereich emittierende Laserlichtquelle wird bevorzugt ein diodengepumpter Festkörperlaser verwendet, dessen Grundwellenlänge mittels eines in der Laserlichtquelle 105 eingebauten nichtlinearen Kristalls durch Frequenzmultiplikation in bekannter Weise transformiert wird.
  • Die Laserbearbeitungsvorrichtung weist ferner eine kohärente Strahlschaltvorrichtung 100 auf, welche den Eingangslaserstrahl 110 selektiv in den Strahlengang eines ersten Ausgangslaserstrahls 140a und/oder in den Strahlengang eines zweiten Ausgangslaserstrahls 140b lenkt. Die kohärente Strahlschaltvorrichtung 100 ist relativ zu der Laserlichtquelle 105 derart angeordnet, dass der Eingangslaserstrahl 110 auf einen Strahlteiler 115 trifft, welcher den Eingangslaserstrahl 110 in zwei Teilstrahlen, einen ersten Teilstrahl 120a und einen zweiten Teilstrahl 120b aufteilt. Dabei ist die Intensität der beiden Teilstrahlen in etwa gleich groß. Der zweite Teilstrahl 120b wird über einen ortsfesten Spiegel 121b auf einen weiteren Strahlteiler 135 gelenkt. Der erste Teilstrahl 120a wird über einen beweglichen Spiegel 121a ebenfalls auf den Strahlteiler 135 gelenkt. Die beiden Teilstrahlen 120a und 120b werden an dem Strahlteiler 135 kohärent überlagert, so dass abhängig von der Phasenbeziehung zwischen beiden Teilstrahlen 120a und 120b der überlagerte Laserstrahl in den Strahlengang eines ersten Ausgangslaserstrahls 140a und/oder in den Strahlengang eines zweiten Ausgangslaserstrahls 140b gelenkt wird.
  • Die Aufspaltung des Eingangslaserstrahls 110 in die beiden Teilstrahlen 120a und 120b sowie die nachfolgende kohärente Überlagerung der beiden Teilstrahlen 120a, 120b entspricht der Strahlaufteilung und der Strahlzusammenführung in einen Mach-Zehnder-Interferometer. Durch eine Verschiebung des beweglichen Spiegels 121a mittels eines piezoelektrischen Antriebs 171, welcher zusammen mit dem beweglichen Spiegel 121a ein optisches Stellglied 170 darstellt, wird die optische Weglänge in dem Strahlengang des ersten Teilstrahls 120a verändert. Durch eine Variation der optischen Weglänge wird automatisch die relative Phasenbeziehung zwischen den beiden Teilstrahlen 120a und 120b verändert, so dass im Ergebnis die Intensitätsverteilung der aus dem Interferometer austretenden Laserstrahlung zwischen den Strahlengängen des ersten Ausgangslaserstrahls 140a und dem Strahlengang des zweiten Ausgangslaserstrahls 140b frei eingestellt werden kann.
  • Bei der hier beschriebenen Anordnung verlaufen einzelne Abschnitte der beiden Teilstrahlen 120a und 120b jeweils paarweise zueinander parallel, so dass die beiden Ausgangslaserstrahlen unmittelbar nach dem Strahlteiler 135, an welchem die beiden Teilstrahlen 120a und 120b kohärent überlagert werden, in einem rechten Winkel zueinander verlaufen. Um die gesamte Laserbearbeitungsmaschine einfach justieren zu können, wird der zweite Ausgangslaserstrahl 140b an einem ortsfesten Spiegel 141b reflektiert. Dadurch wird erreicht, dass die beiden Ausgangslaserstrahlen 140a bzw. 140b in einem zueinander parallelen Strahlenverlauf auf Ablenkeinheiten 140a bzw. 140b treffen.
  • Hinter den Ablenkeinheiten 140a bzw. 140b sind nicht dargestellte Optiken, insbesondere so genannte F-Theta-Optiken angeordnet. Diese bewirken eine Fokussierung der durch die Ablenkeinheiten 120a bzw. 120b abgelenkten Ausgangslaserstrahlen 140a bzw. 140b auf entsprechende Zielpunkte eines ebenfalls nicht dargestellten Werkstücks. Durch eine wechselseitige Laserbearbeitung zwischen den ersten Ausgangslaserstrahl 140a und den zweiten Ausgangslaserstrahl 140b kann während der Materialbearbeitung durch einen der beiden Laserstrahlen die dem anderen Laserstrahl zugeordnete Ablenkeinheit bereits auf einen neuen, gegebenenfalls von einem ersten Zielpunkt beabstandeten zweiten Zielpunkt eingestellt werden. Somit muss zur weiteren Laserbearbeitung durch den anderen Ausgangslaserstrahl lediglich die Phasenbeziehung zwischen den beiden Teilstrahlen 120a und 120b so verändert werden, dass nach Beendigung der Materialverarbeitung durch den einen Ausgangslaserstrahl die Intensität des einen Ausgangslaserstrahls auf Null reduziert wird und die Intensität des anderen Laserstrahls maximiert wird. Da zur Erzeugung der erforderlichen Phasenverschiebung lediglich sehr kurze Verfahrwege erforderlich sind, kann das Umschalten auch bei einem gepulsten Laser, welcher Laserstrahlung mit einer Wiederholrate im Bereich von einigen MHz emittiert, zwischen zwei aufeinander folgenden Pulsen erfolgen.
  • Um eine präzise Justierung des beweglichen Spiegels 120a zu gewährleisten, ist in jedem der beiden Ausgangslaserstrahlen 140a bzw. 140b ein Auskoppelstrahlteiler 145a bzw. 145b angeordnet, welcher jeweils einen geringen Teil der Intensität des jeweiligen Ausgangslaserstrahls auf einen Lichtdetektor 150a bzw. 150b lenkt. Die beiden Lichtdetektoren 150a und 150b sind beispielsweise so genannte Photodioden, die ein Ausgangssignal liefern, welches zur Intensität der auf die aktive Fläche der Photodiode auftreffenden Lichtintensität proportional ist. Die beiden Lichtdetektoren 150a bzw. 150b sind über jeweils eine Signalleitung 151a bzw. 151b mit einer Komparatorschaltung 160 gekoppelt, in der mittels einer analogen Schaltung die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden Lichtdetektoren 150a und 150b ermittelt wird. Der Komparatorschaltung 160 ist über eine Signalleitung 161 ein Verstärker 165 nachgeschaltet, welcher über eine weitere Signalleitung 166 mit dem piezoelektrischen Antrieb 171 gekoppelt ist. Um ein wahlweises Umschalten der Intensität des Eingangslaserstrahls 110 in entweder den ersten Ausgangslaserstrahl 140a oder in den zweiten Ausgangslaserstrahl 140b zu ermöglichen, wird der piezoelektrische Antrieb 171 durch den Verstärker 165 derart angesteuert, dass die Differenz zwischen dem Detektorsignal des Lichtdetektors 150a und dem Detektorsignal des Lichtdetektors 150b möglichst groß ist. Dies wird genau dann erreicht, wenn die Intensität in einem der beiden Ausgangslaserstrahlen maximal und gleichzeitig die Intensität des anderen Ausgangslaserstrahls minimal, bevorzugt Null ist.
  • Damit stellen die beiden Lichtdetektoren 150a und 150b, die Komparatorschaltung 160, die Verstärkerschaltung 165 und der piezoelektrische Antrieb 171 zusammen mit den entsprechenden Signalleitungen eine Regelschleife dar, welche die Aufteilung der Intensität des Eingangslaserstrahls 110 auf den ersten Ausgangslaserstrahl 140a und den zweiten Ausgangslaserstrahl 140b auf einen vorbestimmten Wert regelt.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden:
    Die kohärente Strahlschaltvorrichtung 100, welche ein Mach-Zehnder-Interferometer und eine Regelschleife zur optimalen Anpassung der Intensitäten der beiden Ausgangslaserstrahlen 140a und 140b aufweist, ermöglicht auf einfache Weise ein schnelles und präzises Umlenken des von der Laserlichtquelle 105 emittierten Eingangslaserstrahls 110 auf eine erste Ablenkeinheit 180a und/oder eine zweite Ablenkeinheit 180b.
  • Das Mach-Zehnder-Interferometer umfasst zwei Strahlteiler 115 und 135 sowie zwei Reflektoren, einen ortsfesten Reflektor 121b und eine verschiebbaren Reflektor 121a. Die Regelschleife umfasst zwei Auskoppelstrahlteiler 145a und 145b, zwei Lichtdetektoren 150a und 150b, elektronische Schaltungen 160 und 165 mit den zugehörigen Signalleitungen 151a, 151b, 161 und 166 sowie einen Antrieb 171 zum genauen Bewegen des verschiebbaren Reflektors 121a.
    • 100
    kohärente Strahlschaltvorrichtung
    105
    Laserlichtquelle
    110
    Eingangslaserstrahl
    115
    Strahlteiler
    120a
    erster Teilstrahl
    120b
    zweiter Teilstrahl
    121a
    beweglicher Spiegel
    121b
    ortsfester Spiegel
    135
    Strahlteiler
    140a
    erster Ausgangslaserstrahl
    140b
    zweiter Ausgangslaserstrahl
    145a
    Auskoppelstrahlteiler
    145b
    Auskoppelstrahlteiler
    150a
    Lichtdetektor
    150b
    Lichtdetektor
    151a
    Signalleitung
    151b
    Signalleitung
    160
    Komparatorschaltung
    161
    Signalleitung
    165
    Verstärker
    166
    Signalleitung
    170
    optisches Stellglied
    171
    piezoelektrischer Antrieb
    180a
    Ablenkeinheit
    180b
    Ablenkeinheit

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum selektiven Lenken eines Eingangslaserstrahls (110) in einen ersten Ausgangslaserstrahl (140a) und/oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl (140b), mit • einem Stahlteilelement (115), eingerichtet zum räumlichen Aufspalten des Eingangslaserstrahls (110) in einen ersten Teilstrahl (120a) und in einen zweiten Teilstrahl (120b), • einem Strahlüberlagerungselement (135), eingerichtet und angeordnet zum räumlichen Überlagern der beiden Teilstrahlen (120a, 120b) und zum Überführen der beiden Teilstrahlen (120a, 120b) in den ersten Ausgangslaserstrahl (140a) und/oder in den zweiten Ausgangslaserstrahl (140b), wobei die Intensität der beiden Ausgangslaserstrahlen (140a, 140b) von einer relativen Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen (120a, 120b) am Strahlüberlagerungselement (135) abhängt, und • einem optischen Stellglied (170), welches in dem ersten Teilstrahl (120a) angeordnet ist und welches derart eingerichtet ist, dass die optische Weglänge des ersten Teilstrahls (120a) zwischen dem Stahlteilelement (115) und dem Strahlüberlagerungselement (135) variierbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich mit einem ersten Lichtempfänger (150a), welcher mit dem ersten Ausgangslaserstrahl (140a) optisch gekoppelt ist und welcher mit dem Stellglied (170) zum Zwecke der Regelung der Intensität des ersten Ausgangslaserstrahls (140a) gekoppelt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, zusätzlich mit einem zweiten Lichtempfänger (150b), welcher mit dem zweiten Ausgangslaserstrahl (140b) optisch gekoppelt ist und welcher mit dem Stellglied (170) zum Zwecke der Regelung der Intensität des zweiten Ausgangslaserstrahls (140b) gekoppelt ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Stellglied (170) einen mechanisch verstellbaren Spiegel (121a) aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Stellglied (170) ein mechanisch verstellbares refraktives optisches Element aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, bei der das Stellglied (170) einen piezoelektrischen Antrieb (171) aufweist.
  7. Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern, mit • einer Laserquelle (105) zum Generieren eines Eingangslaserstrahls (110), • einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum selektiven Lenken des Eingangslaserstrahls (110) in einen ersten Ausgangslaserstrahl (140a) und/oder in einen zweiten Ausgangslaserstrahl (140b), • einer ersten Ablenkeinheit (180a), welche im ersten Ausgangsstrahlengang (140a) angeordnet ist, und • einer zweiten Ablenkeinheit (180b), welche im zweiten Ausgangsstrahlengang (140b) angeordnet ist, wobei die beiden Ablenkeinheiten (180a, 180b) zur Positionierung der beiden Ausgangslaserstrahlen (140a, 140b) auf vorgesehene Zielpunkte auf zumindest einem Werkstück vorgesehen sind.
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