DE102007012695A1 - Apparatus and method for producing structures in materials using laser beams comprises setting up high speed of rotation of beam and imposing on this oscillating motion so that beam is offset to one side of optical axis - Google Patents
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Abstract
Description
Aufgabenstellungtask
Die Erfindung erlaubt eine möglichst hohe Rotationsgeschwindigkeit der Ablenkung zur Realisierung einer Laserstrahlfräse bei der Materialbearbeitung insbesondere bei Anwendungen, bei der die wirksame Laserenergie in einer engen Kreisbahn mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf einem Werkstück verteilt werden soll. Mit der beschriebenen Erfindung können zur Erzielung einer schonenden Materialbearbeitung kurze und ultra-kurze Laserimpulse mit sehr hoher Repetitionsrate auf eine definierte Kreisbahn so auf dem zu bearbeiteten Werkstück geführt werden, dass bei einem möglichst optimalen Impuls-zu-Impuls-Überlapp präzise Kreisausschnitte, Mikrogräben oder Längsschnitte realisiert werden können.The Invention allows the highest possible rotational speed the deflection for the realization of a Laserstrahlfräse at Material processing, especially in applications where the effective laser energy in a narrow circular path with as possible high speed on a workpiece to be distributed. With the described invention, to achieve a Gentle material processing short and ultra-short laser pulses with very high repetition rate on a defined circular path like that be guided on the workpiece to be machined, that at the best possible pulse-to-pulse overlap precise circular cutouts, micro trenches or longitudinal cuts can be realized.
Stand der TechnikState of the art
Die
hier vorgestellte Erfindung beschreibt ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
zur Realisierung einer schnellen kreisförmigen Umlenkung
von optischer Strahlung um die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung
bzw. optische Achse. Eine solche kreisförmige Umlenkung
kann beim Einsatz von gebündelter Laserstrahlung zur Mikromaterialbearbeitung
von beliebigen Werkstoffen verwendet werden, wonach der Laserstrahl
(
Bereits
bekannt hierzu ist aus der
Des
weiteren aus der
In
Erfindungsgemäße LösungInventive solution
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige, rotationssymmetrische Massenverteilung vorliegt, so dass mit sehr hohen Drehzahlen eine Ablenkung des Lichtstrahls, der zudem in allen Stellungen parallel zur optischen Achse rotiert, über das Werkstück erfolgen kann. Besonders bei der Bearbeitung von spröden Werkstoffen, wie z. B. Glas oder Keramik, ergibt sich durch diese Art der Strahlführung eine hohe Bearbeitungsqualität, die sich in der guten Kantenqualität (Minimierung der Ausmuschelung und Rissbildung) widerspiegelt.The solution according to the invention has the advantage that a uniform, rotationally symmetric Mass distribution is present, so that with very high speeds a Distraction of the light beam, which is also parallel in all positions rotated to the optical axis, over the workpiece can be done. Especially when working on brittle Materials such. As glass or ceramic, results from this Type of beam guidance high quality machining, resulting in the good edge quality (minimization of musseling and cracking).
Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
ist, dass der Strahlengang bis auf den gewünschten Strahlversatz
nicht weiter verändert oder gestört wird, was
zu Folge hat, das die optimale Fokussierung (mit Sammellinse und
Laserstrahlung hoher Qualität) erhalten bleibt. Insbesondere
ist die erfindungsgemäße Lösung nicht
durch Einschränkungen hinsichtlich der Pulsdauer oder Wellenlänge
beschränkt. Es sind für alle Pulsdauern von Dauerstrich
(cw) bis hin zu Femtosekunden-Pulsen geeignete Anordnungen im Strahlweg oder
Materialien bekannt, die als planparallele Versatzplatte (
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass durch die gezielte Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit und damit die Festlegung einer Impuls-zu-Impuls-Überlappung der Laserstrahlung auf dem zu bearbeiteten Werkstück, die Applikation gesteuert werden kann, ohne in das Parameterfeld des Lasers, z. B. die Repetitionsrate, einzugreifen, was wiederum nicht nur eine möglichst schonende Bearbeitung liefert, sondern auch eine Maximierung der Bearbeitungseffizienz bedeutet.One Another significant advantage is that through the targeted Control of the rotational speed and thus the determination a pulse-to-pulse overlap of the laser radiation the workpiece to be machined, the application controlled can be, without entering the parameter field of the laser, z. B. the repetition rate, intervene, which in turn is not only as gentle as possible Machining but also maximizing machining efficiency means.
In
der Anwendung ist es außerdem von Vorteil, dass der Strahl
auch leicht exzentrisch auf die Optik treffen kann, ohne dass dies
eine Auswirkung auf den Strahlversatz hat. Ebenso lässt
sich die Fokuslänge durch die Auswahl einer geeigneten
Fokussieroptik bzw. deren räumlichen Lage zur planparallelen
Platte (
Ein
weiterer Vorteil ist die Möglichkeit einer Verstellung
des Strahlversatzes (S) während der Bearbeitung oder auch
in ruhender Lage. Dies ermöglicht, durch einen motorischen
X-Y-Antrieb an die Vorrichtung gekoppelt (etwa an einer CNC-Verfahreinheit),
eine komplexe, programmgestützte Applikationen der Laserstrahlfräse.
Somit können auch freigeformte Abtragsspuren mit einstellbarer
Breite mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt
werden. Auch bei nicht-rotierender Versatzplatte (
Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Lösung ist anhand der Zeichnungen sowie in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert:One Embodiment of the invention Solution is based on the drawings and in the following Description explained in more detail:
Die
in
Beim
Durchlaufen des Lichtstrahls (
Versetzt
man nun die unter dem Einfallswinkel (α) stehende und hinter
der Fokussierlinse (
Eine
weitere Möglichkeit, den Planversatz (S) zu beeinflussen,
wird über die Dicke (d), sowie den Brechungsindex (n) der
planparallelen Platte (
In
Mit
dem Stellring (
Die erforderliche Drehzahlen in U/min Ur bei einem vorgegebenen optimalen Impuls-zu-Impuls-Überlapp O lässt sich nach folgender Beziehung ermitteln: wobei fr die Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate) bestimmt, dL der wirksame Laserstrahldurchmesser auf dem Werkstück ist und S die Parallelverschiebung nach Gleichung [1] ist. Der Kreisumfang der Strahlablenkung ist gleich 2·π·S.The required speeds in rpm U r at a given optimum pulse-to-pulse overlap O can be determined according to the following relationship: wherein f r is the number of laser pulses per second (repetition rate) determined, d L is the effective laser beam diameter on the work piece and S is the parallel displacement according to Equation [1]. The circumference of the beam deflection is equal to 2 · π · S.
Anwendungsbeispiel 1:Application Example 1
Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit kurz gepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung einer Mikrobohrung an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 50% ermittelt bzw. festgelegt, d. h. nach Einwirkung des Laserimpulses auf die zu bearbeitende Oberfläche soll der nachfolgende Laserimpulse beim Auftreffen nur knapp 50% der Fläche bedecken, die der vorangegangene Laserimpuls bestrahlt hat. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser dL = 100 μm, d. h. ein mittlerer Abstand von 50 μm soll zwischen den Laserimpulsen liegen. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 0,5 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von fr = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl Ur = 10 000 U/min.For gentle and precise micro-removal with short-pulsed laser radiation of a specific pulse duration and wavelength, an optimal pulse-to-pulse overlap of O = 50% is determined or determined to produce a microbore on a material to be machined, ie after the action of the laser pulse on the surface to be machined is to cover the subsequent laser pulses upon impact only about 50% of the area that has irradiated the previous laser pulse. The bundled laser beam has an effective diameter d L = 100 μm on the material, ie a mean distance of 50 μm should lie between the laser pulses. A circular machining with a radius S = 0.5 mm is determined. If the laser processing is carried out with a repetition rate of f r = 10 000 laser pulses per second, a required number of revolutions U r = 10,000 revolutions per minute is obtained according to equation [2].
Anwendungsbeispiel 2:Application Example 2:
Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit kurz gepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Präzisionsschnittes an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 70% ermittelt bzw. festgelegt. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser dL = 20 μm. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 0,1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von fr = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl Ur = 6 000 U/min.For gentle and precise micro-removal with short-pulsed laser radiation of a specific pulse duration and wavelength, an optimum pulse-to-pulse overlap of O = 70% is determined or determined to produce a precision cut on a material to be machined. The bundled laser beam has an effective diameter d L = 20 μm on the material. A circular machining with a radius S = 0.1 mm is determined. If the laser processing takes place with a repetition rate of f r = 10 000 laser pulses per second, the result is a required number of revolutions U r = 6 000 according to equation [2] U / min.
Anwendungsbeispiel 3:Application Example 3
Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit ultra-kurz gepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung einer Mikrostruktur an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 99% ermittelt bzw. festgelegt. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser dL = 5 μm. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von fr = 100 Millionen Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl Ur = 50 000 U/min.During gentle and precise micro-removal with ultra-short pulsed laser radiation of a specific pulse duration and wavelength, an optimum pulse-to-pulse overlap of O = 99% is determined or established for producing a microstructure on a material to be processed. The bundled laser beam has an effective diameter d L = 5 μm on the material. A circular machining with a radius S = 1 mm is determined. If the laser processing is carried out with a repetition rate of f r = 100 million laser pulses per second, the result is a required number of revolutions U r = 50,000 rev / min according to equation [2].
Wie diese Berechnungen zeigen, sind am Markt erhältliche CNC-Maschinen (spanende Bearbeitung) hinsichtlich der sich aus der Vorrichtung ergebenden Umfangsgeschwindigkeiten um Größenordnungen entfernt.As These calculations show that there are CNC machines available on the market (Machining) with respect to the device resulting circumferential speeds by orders of magnitude away.
- 11
- einfallender Strahlincident beam
- 22
- Fokussierlinsefocusing lens
- 33
- planparallele Plattecoplanar plate
- 44
- Laufhülserunning sleeve
- 55
- nicht benutztNot used
- 66
- nicht benutztNot used
- 77
- Stellringcollar
- 88th
- Schutzglasprotective glass
- 99
- taumelnder/rotierender Strahlnutating / rotating beam
- 1010
- Werkstückworkpiece
- 1111
- AbtragsspurAbtragsspur
- αα
- Einfallswinkelangle of incidence
- dd
-
Dicke
von (
3 )Thickness of (3 ) - fr f r
- Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate)number the laser pulses per second (repetition rate)
- nn
- Brechungsindexrefractive index
- OO
- Impuls-zu-Impuls-ÜberlappPulse-to-pulse overlap
- SS
- Parallelversatzes des Strahlesparallel offset of the beam
- Ur U r
- Drehzahl der Taumeloptik bei gegebenem Orotation speed the tumble optics at given O
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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