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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David Dr.rer.nat. Ashkenasi
Norbert Dipl.-Ing. Müller
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Abstract

Apparatus and method for producing structures in materials using laser beams comprises setting up a high speed of rotation of the beam and imposing on this an oscillating motion so that the beam is offset (S) to one side of the optical axis.

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 (1) auf das Werkstück (10) fokussiert wird und über eine Kombination von Bewegungen, von der mindestens eine Bewegung eine hohe Geschwindigkeit aufweist, geführt wird. Eine solche Ausführungsvariante in der Laser-Mikrobearbeitung zur Einbringung von Löchern, zur Strukturierung von Oberflächen oder zum Trennen wird in dieser Erfindung als Laserstrahlfräse bezeichnet.The invention presented here describes a method and a device for realizing a rapid circular deflection of optical radiation about the original propagation direction or optical axis. Such a circular deflection can be used when using bundled laser radiation for micromaterial processing of any materials, after which the laser beam ( 1 ) on the workpiece ( 10 ) and is guided over a combination of movements of which at least one movement has a high speed. Such an embodiment in the laser micromachining for the introduction of holes, for the structuring of surfaces or for separating is referred to in this invention as Laserstrahlfräse.

Bereits bekannt hierzu ist aus der DE 100 54 853 A1 ein Verfahren zum Einbringen von Mikrobohrungen in vorwiegend metallische Werkstoffe, bei dem mittels rotierender Keilplatten ein Strahl in taumelnde Bewegung um die optische Achse versetzt wird. Hohe Drehgeschwindigkeiten sind bei diesem Verfahren durch die ungleiche Massenverteilung ausgeschlossen. Zudem stellt der beschriebene Laser ein System dar, welches mit Pulsbreiten im Nanosekunden-Bereich und moderaten Repetitionsraten ausgestattet ist und in Kombination mit der langsamen Bewegung des taumelnden Strahls für die Bearbeitung von spröden Materialien ungeeignet ist. Auch läuft der ausgelenkte Strahl nicht parallel zur optischen Achse, was dazu führt, dass ein Schutz vor Bearbeitungsrückständen nicht realisiert werden kann, ohne den Strahlweg und die Strahlqualität zu beeinflussen. Dies ist in der Lasermikrobearbeitung ein wesentlicher Punkt, der in die Qualität des Bearbeitungsergebnisses einfließt.Already known this is from the DE 100 54 853 A1 a method for introducing microbores in mainly metallic materials, in which by means of rotating wedge plates, a beam is placed in tumbling motion about the optical axis. High rotational speeds are excluded in this method by the uneven mass distribution. In addition, the described laser is a system which is equipped with pulse widths in the nanosecond range and moderate repetition rates and, in combination with the slow movement of the tumbling beam, is unsuitable for the processing of brittle materials. In addition, the deflected beam does not run parallel to the optical axis, which means that protection against machining residues can not be achieved without influencing the beam path and the beam quality. This is an essential point in laser micro machining, which influences the quality of the processing result.

Des weiteren aus der DE 101 05 346 A1 bekannt ist eine Vorrichtung zum Wendelschneiden von Löchern in Werkstücke, bei der mittels Keilplatten ein Strahl so aus der optischen Achse ausgelenkt wird, das er beim Drehen der Keilplattenkombination um die optische Achse rotiert. Zusätzlich werden hier λ½- bzw. λ¼- Plättchen mit in Drehung gebracht, um die Polarisationsrichtung bezüglich der Bearbeitung mitzuführen. Auch dieses System dient der Herstellung von kleinen Bohrungen in überwiegend metallischen Werkstoffen mit hoher Effizienz. Jedoch sind auch hier die für die Herstellung von Mikrogräben notwendigen Parameter wie Rotationsgeschwindigkeit, planparalleler Versatz und Wellenlängen-Unabhängigkeit nicht gegeben.Furthermore from the DE 101 05 346 A1 Known is a device for helically cutting holes in workpieces, in which by means of wedge plates, a beam is deflected from the optical axis, which he rotates when turning the wedge plate combination about the optical axis. In addition, here λ½- or λ¼- platelets are brought into rotation to carry the polarization direction with respect to the processing. This system also serves to produce small holes in predominantly metallic materials with high efficiency. However, here too, the parameters necessary for the production of micro trenches such as rotational speed, plane-parallel offset and wavelength independence are not given.

In US 4,461,947 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels einer exzentrisch der optischen Achse angeordneten Linse durch deren Drehung der Strahl in eine rotierende Bewegung zur optischen Achse versetzt wird. Auch hier besteht nach den beschriebenen Ausführungen das Problem der ungleichen Masseverteilung, die hohe Drehzahlen nicht zulässt.In US 4,461,947 a method is described in which is arranged by means of an eccentrically arranged the optical axis lens by the rotation of the beam in a rotating movement to the optical axis. Again, according to the described embodiments, the problem of unequal mass distribution that does not allow high speeds.

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 (3) in der beschriebenen Art genutzt werden können. Auch ist die Strahlrotation verschiedener Wellenlängen durch geeignete Materialauswahl von UV-Anwendungen bis hin zu Infrarot-Laserstrahlung mit dem beschriebenen Prinzip nutzbar.Another advantage of the solution according to the invention is that the beam path is not further changed or disturbed except for the desired beam offset, with the result that the optimum focusing (with converging lens and high-quality laser radiation) is maintained. In particular, the solution according to the invention is not limited by restrictions with regard to the pulse duration or wavelength. It's for everyone Pulse durations from continuous wave (cw) to femtosecond pulses suitable arrangements in the beam path or materials known as a plane-parallel displacement plate ( 3 ) can be used in the described manner. The beam rotation of different wavelengths can also be used with the described principle by suitable selection of materials from UV applications to infrared laser radiation.

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 (3) bestimmen. Es kann sogar die gleiche Fokussieroptik verwendet werden, die auch vor dem Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung im Einsatz war.In the application, it is also advantageous that the beam can also be slightly eccentric to the optics, without this having an effect on the beam offset. Likewise, the focal length can be determined by selecting a suitable focusing optics or their spatial position relative to the plane-parallel plate (FIG. 3 ). It is even possible to use the same focusing optics which were also used before the use of the solution according to the invention.

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 (3) kann der Strahl in einer Achse bewegt werden, was sehr schmale Mikrogräben oder einen schlitzförmigen Durchbruch oder die Trennung von dünnen Bauteilen ermöglicht.Another advantage is the possibility of adjusting the beam offset (S) during processing or in a stationary position. This allows, coupled by a motorized XY drive to the device (such as a CNC track unit), a complex, program-based applications of the laser beam milling machine. Thus, also free-form removal tracks with adjustable width can be generated with the device according to the invention. Even with non-rotating offset plate ( 3 ), the beam can be moved in one axis, which allows very narrow micro trenches or a slot-shaped breakthrough or the separation of thin components.

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:

1 zeigt das physikalische Wirkprinzip der Erfindung mit ihren notwendigen Komponenten sowie ihren Bewegungsrichtungen. 1 shows the physical action principle of the invention with its necessary components and their directions of movement.

2 zeigt eine Schnittdarstellung einer möglichen Realisierungsvariante mit Stellring zur Verkippung der planparallelen Platte. 2 shows a sectional view of a possible implementation variant with adjusting ring for tilting the plane-parallel plate.

3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werkstücks mit Abtragsspur und Andeutung des taumelnden Laserstrahls 3 shows a perspective view of a machined workpiece with Abtragsspur and hint of the tumbling laser beam

Die in 1 schematisch skizzierte Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstoffen weist eine Anordnung auf, die auf dem physikalischen Prinzip der Brechung von Licht an einer planparallelen Platte (3) beruht. Die planparallele Platte (3) kann in Rotation versetzt werden, gekippt werden und der Abstand von der Fokussieroptik (2) kann verändert werden. Dies wird durch Pfeile in der Zeichnung verdeutlicht.In the 1 schematically outlined device for micromachining of materials has an arrangement based on the physical principle of refraction of light on a plane-parallel plate ( 3 ). The plane-parallel plate ( 3 ) can be rotated, tilted and the distance from the focusing optics ( 2 ) can be changed. This is illustrated by arrows in the drawing.

Beim Durchlaufen des Lichtstrahls (1) durch eine planparallele Platte (3) tritt eine Parallelverschiebung (S) auf. Die Größe von (S) wird durch den Einfallswinkel (α) des einfallenden Strahls (1) auf die planparallele Platte (3), die Dicke (d) der planparallelen Platte (3) und dem Brechungsindex (n) der planparallelen Platte (3) bestimmt. Daraus folgt: S = f(α, d, n)

Figure 00030001
When passing through the light beam ( 1 ) by a plane-parallel plate ( 3 ), a parallel shift (S) occurs. The size of (S) is determined by the angle of incidence (α) of the incident beam ( 1 ) on the plane-parallel plate ( 3 ), the thickness (d) of the plane-parallel plate ( 3 ) and the refractive index (n) of the plane-parallel plate ( 3 ) certainly. It follows that S = f (α, d, n)
Figure 00030001

Versetzt man nun die unter dem Einfallswinkel (α) stehende und hinter der Fokussierlinse (2) angeordnete planparallele Platte (3) in Rotation, bewegt sich der Strahl auf Grund des Parallelversatzes (S) zentrisch um die optische Achse. Je nach Abstand bzw. Brennweite der Linse kann so der Fokusdurchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie der entsprechenden Bearbeitung angepasst werden. Durch Verkippung der planparallelen Platte (3) wird der Einfallswinkel (α) verändert, was im Parallelversatz (S) der Strahlung resultiert. Somit wird der Durchmesser des sich zentrisch um die optische Achse bewegenden Strahls verändert.If one adjusts now the standing below the angle of incidence (α) and behind the focussing lens ( 2 ) arranged plane-parallel plate ( 3 ) in rotation, the beam moves centrically around the optical axis due to the parallel offset (S). Depending on the distance or focal length of the lens so the focus diameter can be adapted to the respective working plane and the corresponding processing. By tilting the plane-parallel plate ( 3 ), the angle of incidence (α) is changed, which results in the parallel offset (S) of the radiation. Thus, the diameter of the beam moving centrically around the optical axis is changed.

Eine weitere Möglichkeit, den Planversatz (S) zu beeinflussen, wird über die Dicke (d), sowie den Brechungsindex (n) der planparallelen Platte (3) erreicht. Hiermit lässt sich eine Vorauswahl des Planversatzes (S) bestimmen, wobei die Verkippung der Feineinstellung dient. Auf Grund der Anordnung der sich bewegenden Teile, wodurch die optische Achse mit der mechanischen Achse zusammenfällt, sowie deren Gestaltung wird eine Ungleichverteilung der Massen exzentrisch der Achse vermieden, so dass eine sehr hohe Drehgeschwindigkeit und damit auch eine sehr hohe Umfangsgeschwindigkeit erreicht werden kann.Another way to influence the plan offset (S) is the thickness (d), and the Bre index (s) of the plane-parallel plate (s) ( 3 ) reached. Hereby a pre-selection of the plan offset (S) can be determined, whereby the tilting of the fine adjustment serves. Due to the arrangement of the moving parts, whereby the optical axis coincides with the mechanical axis, as well as their design, an uneven distribution of the masses eccentric axis avoided, so that a very high rotational speed and thus a very high peripheral speed can be achieved.

In 2 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen Realisierungsbeispiels dargestellt. Hierbei befindet sich die Fokussieroptik in einer Fassung, die mit Hilfe eines entsprechenden Tubus auf unterschiedliche Varianten angepasst werden kann. Die planparallele Platte (3) wird in einer zweiten Fassung geführt, die ihrerseits in einer Laufhülse (4) gelagert ist. Die Laufhülse (4) wiederum wird von einer extern einwirkenden Kraft, in diesem Ausführungsbeispiel ein Zahnriemen, in Drehung versetzt. Drehzahlbegrenzend wirkt hier nur die Lagerung der Laufhülse (4), die in Form von Kugellagern ausgeführt ist. Natürlich sind alle anderen Arten von Lagerungen denkbar, die eine weit höhere Drehzahl ermöglichen, beispielsweise mit Magnet-, Gleit- oder Luftlagerung.In 2 is a sectional view of a possible implementation example shown. Here, the focusing optics is in a version that can be adapted to different variants with the aid of a corresponding tube. The plane-parallel plate ( 3 ) is guided in a second version, which in turn in a barrel sleeve ( 4 ) is stored. The barrel sleeve ( 4 ) in turn is from an externally acting force, in this embodiment, a toothed belt, rotated. Speed limiting acts here only the storage of the barrel sleeve ( 4 ), which is designed in the form of ball bearings. Of course, all other types of bearings are conceivable that allow a much higher speed, for example, with magnetic, sliding or air storage.

Mit dem Stellring (7) lässt sich die planparallele Platte (3) sowohl im ruhenden Zustand als auch während der schnellen Rotation verkippen, um so einen Versatz des Strahls zu ermöglichen. Um die Werkstück-Bearbeitung zu unterstützen, bietet der Stellring (7) auch die Möglichkeit, einen Gasanschluss vorzusehen, um an der Bearbeitungsstelle eine entsprechende (Schutzgas-)Atmosphäre zu schaffen. Das Schutzglas (8) schützt die innenliegenden Bauteile vor Verschmutzung und Beschädigung durch die Rückstände der Bearbeitung, ohne den ausgelenkten Strahl zu beeinträchtigen.With the collar ( 7 ), the plane-parallel plate ( 3 ) both in the dormant state and during the fast rotation tilt, so as to allow a displacement of the beam. To support workpiece machining, the collar ( 7 ) also the possibility to provide a gas connection to create a corresponding (inert gas) atmosphere at the processing station. The protective glass ( 8th ) protects the internal components against soiling and damage due to the residues of machining, without affecting the deflected beam.

3 zeigt ein Werkstück (10), in dem ein frei geformter Graben (11) abgetragen ist. Hierbei beschreibt der taumelnde Strahl (9) eine kreisförmige Bewegung um die optische Achse und trägt so – ähnlich einem Fräskopf – Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags wird sehr stark durch den Impuls-zu-Impuls-Überlapp und somit von der Rotationsgeschwindigkeit der planparallelen Platte (3) bestimmt. Besonders bei Laserstrahlung mit hoher Repetitionsrate bzw. Pulsfolgefrequenz (z. B. 100 000 Impulse pro Sekunde) werden bei einer möglichst schonenden Bearbeitung extrem hohe Drehzahlen (bis zu 100 000 U/min) notwendig. 3 shows a workpiece ( 10 ), in which a free-form trench ( 11 ) is worn away. Here, the tumbling beam ( 9 ) performs a circular movement about the optical axis and thus carries - like a milling head - material from the workpiece. The efficiency of the removal is very strong by the pulse-to-pulse overlap and thus by the rotational speed of the plane-parallel plate ( 3 ) certainly. Particularly in the case of laser radiation with a high repetition rate or pulse repetition frequency (eg 100,000 pulses per second) extremely gentle speeds (up to 100,000 rpm) are required for gentle machining.

Die erforderliche Drehzahlen in U/min Ur bei einem vorgegebenen optimalen Impuls-zu-Impuls-Überlapp O lässt sich nach folgender Beziehung ermitteln:

Figure 00040001
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:
Figure 00040001
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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  • - DE 10105346 A1 [0004] - DE 10105346 A1 [0004]
  • - US 4461947 [0005] US 4461947 [0005]

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Vorrichtung und Verfahren zum Einbringen von Strukturen in beliebige Werkstoffe mit Laserstrahlung dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mit einer extrem hohen Rotationsgeschwindigkeit, und damit Umfangsgeschwindigkeit, unter einer taumelnden, bzw. rotierenden Bewegung seitlich versetzt um die optische Achse der Fokussieroptik bewegt auf das Werkstück fokussiert wird und damit hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzielt..Device and method for introducing structures in any materials with laser radiation, characterized in that the laser beam with an extremely high rotational speed, and thus peripheral speed, under a wobbling, or rotational movement laterally offset about the optical axis of the focusing optics moves focused on the workpiece and thus achieve high processing speeds .. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch für mehrere parallel und nicht parallel geführte Laserstrahlen gleichzeitig genutzt werden kann.Apparatus and method according to claim 1, characterized characterized in that the device is also parallel for several and non-parallel guided laser beams simultaneously can be used. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls-zu-Impuls-Überlapp und/oder die Rotationsgeschwindigkeit, und/oder die Repetitionsrate des Lasers und/oder die Verkippung der planparallelen Platte (3) bzw. deren Dicke (d) sowie Brechzahl (n) eingestellt werden kann.Device and method according to claim 1-2, characterized in that the pulse-to-pulse overlap and / or the rotational speed, and / or the repetition rate of the laser and / or the tilting of the plane-parallel plate ( 3 ) or whose thickness (d) and refractive index (n) can be adjusted. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die taumelnde Bewegung des Laserstrahls um die optische Achse in Kombination mit einer linearen Bewegung eine beliebige vorgewählte Strukturierung auf dem Werkstück entstehen durch Erzeugung von Gräben durch Abtrag, Formbohrungen durch Abtrag oder Aufschmelzungen, bzw. Aufschweißungen im Mikrobereich.Device and method according to claims 1-3, characterized in that by the tumbling motion of the laser beam around the optical axis in combination with a linear motion Any preselected structuring on the workpiece caused by the creation of trenches by erosion, mold holes by removal or melting, or welding in the micro range. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlversatz bezüglich der optischen Achse sowohl während der Rotation als auch im ruhenden Zustand verändert werden kann.Device and method according to claims 1-4, characterized in that the beam offset with respect the optical axis both during rotation and can be changed in the dormant state. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlversatz des einfallenden Strahls den Parallelversatz des Strahls nicht beeinflusst.Apparatus and method according to claims 1-5, characterized in that a beam offset of the incident Beam does not affect the parallel offset of the beam. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch geeignete Auswahl des Materials der planparallelen Platte (3) unabhängig von der Wellenlänge vom ultravioletten bis in den nahen infraroten Bereich genutzt werden kann.Device and method according to claim 1-6, characterized in that the device by suitable selection of the material of the plane-parallel plate ( 3 ) can be used regardless of the wavelength from the ultraviolet to the near infrared range. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung unabhängig der Impulsdauer der Laserstrahlung genutzt werden kann.Apparatus and method according to claims 1-7, characterized in that the device is independent the pulse duration of the laser radiation can be used. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch für Laserstrahlung im Dauerstrichbetrieb genutzt werden kann.Apparatus and method according to claims 1-8, characterized in that the device also for laser radiation can be used in continuous wave mode. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Fokus auf dem Werkstück über die Verwendung bzw. über die Lage der Fokussieroptik beeinflusst werden kann.Device and method according to claims 1-9, characterized in that the size of the focus on the workpiece over the use or over the position of the focusing optics can be influenced. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlverlauf parallel der optischen Achse verläuft.Apparatus and method according to claims 1-10, characterized in that the beam path parallel to the optical Axis runs. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der parallelversetzte Strahl das Schutzglas störungsfrei durchdringen kann.Device and method according to claims 1-11, characterized in that the parallel offset beam the protective glass can penetrate smoothly. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Möglichkeit bietet eine Gasatmosphäre in der Bearbeitungsebene zu schaffen.Apparatus and method according to claims 1-12, characterized in that the device has the possibility provides a gas atmosphere in the working plane to create. Verfahren nach Anspruch 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenfestigkeit durch die kombinierte Bewegung sowie die ausgewählten Laserparameter (Impulsdauer zwischen 100 fs und 100 ns, Wellenlänge zwischen 200 und 1100 nm) besonders bei spröden Materialien extrem hoch ist.Method according to claims 1-13, characterized that the edge strength by the combined movement as well as the selected laser parameters (pulse duration between 100 fs and 100 ns, wavelength between 200 and 1100 nm) especially extremely brittle in brittle materials.
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