DE102007029242A1 - Laser beam source for generating pulsed laser beam has solid body as laser active medium working as thermal lens, which is arranged in resonator, where crystal disk is provided as laser active medium - Google Patents

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Richard Steinbrecht
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    • H01S3/08072—Thermal lensing or thermally induced birefringence; Compensation thereof

Abstract

The laser beam source has a solid body as laser active medium (2) working as a thermal lens, which is arranged in a resonator. Length (L) is provided between an end mirror with a curvature radius (R-1) and a coupling mirror with another curvature radius (R-2). Main levels (8,10) of the thermal lens have gaps (d-1,d-2) from the resonator. A laser active medium is pumped into diodes, where a crystal disk is provided as the laser active medium.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls mit einem als thermische Linse wirkenden Festkörper als laseraktives Medium.The The invention relates to a laser beam source for generating a pulsed laser beam with a thermal lens acting as a solid as a laser-active medium.

Zum Bearbeiten eines Werkstückes mit einem Laserstrahl haben sich insbesondere bei der Mikrostrukturierung, beispielsweise beim Vereinzeln von Halbleiterbauelementen (wafer-dicing) oder beim Abtragen dünner Schichten sowie beim Feinschneiden insbesondere Festkörperlaser als besonders vorteilhaft herausgestellt. Bei solchen Festkörperlasern handelt es sich in der Regel um mit Übergangsmetallatomen oder Seltenerdmetallatomen dotierte Wirtskristalle, wobei in industriellen Applikationen am häufigsten Nd:YAG-Laser mit einem stabförmigen laseraktiven Medium eingesetzt werden. Für die Mikrobearbeitung von Werkstücken werden dabei insbesondere gepulste Laserstrahlen verwendet. Mit konventionellen und für den industriellen Einsatz vorgesehenen, kommerziell verfügbaren Festkörperlasern lassen sich jedoch mit vertretbarem technischen Aufwand nur Laserstrahlpulse erzeugen, deren Pulsdauern bei Repetitionsraten bis 200 kHz zwischen 50 ns bis 200 ns betragen. Dabei gilt grundsätzlich die Regel, dass hohe Pulsdauern nur mit niedriger Repetitionsrate und niedriger Pumpleistung erzielt werden können.To the Edit a workpiece with a laser beam especially in microstructuring, for example in the Separation of semiconductor devices (wafer-dicing) or ablation thin layers as well as fineblanking in particular Solid-state laser has been found to be particularly advantageous. Such solid-state lasers are usually with transition metal atoms or rare earth metal atoms doped host crystals, being the most common in industrial applications Nd: YAG laser with a rod-shaped laser-active medium be used. For the micromachining of workpieces in particular pulsed laser beams are used. With conventional and intended for industrial use, commercially available solid state lasers However, with reasonable technical effort only laser beam pulses generate their pulse durations at repetition rates up to 200 kHz between 50 ns to 200 ns. In principle, the Rule that high pulse durations only with low repetition rate and low pumping power can be achieved.

Für bestimmte Applikationen sind aber hohe Pulsdauern bei zugleich hoher Pulsleistung von Vorteil. Dieser besteht einerseits darin, dass mit Zunahme der Pulsdauer eine Zunahme der Bearbeitungstiefe einhergeht, weil die Zeitdauer der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Materie vergrößert ist und dementsprechend der durch Verdampfen bewirkte Materialabtrag pro Laserstrahlpuls zunimmt. Für die Mikrobearbeitung haben sich insbesondere Pulsdauern bis maximal 10000 ns, insbesondere bis etwa 3000 ns als besonders vorteilhaft herausgestellt. Eine weitere Zunahme der Pulsdauer ist dabei nicht erstrebenswert, da dann anstelle eines Abtragens ein großvolumiges Aufschmelzen des Werkstückes beginnt.For However, certain applications are high pulse durations at the same time high Pulse power of advantage. This consists on the one hand in that as the pulse duration increases, the depth of processing increases, because the time duration of the interaction between laser beam and matter is enlarged and accordingly by evaporation caused material removal per laser beam pulse increases. For In particular, micromachining has pulse durations up to a maximum 10000 ns, in particular to about 3000 ns as particularly advantageous exposed. A further increase in the pulse duration is not desirable, because then instead of abrading a large volume Melting of the workpiece begins.

Um Pulsdauern im Bereich zwischen 200 ns und 10000 ns zu erzielen, wird deshalb in der DE 102 32 124 A1 vorgeschlagen, einem gütegeschalteten Festkörperlaser-Oszillator wenigstens einen resonatorexternen Laserverstärker nachzuschalten, der es ermöglicht, den Festkörperlaser-Oszillator in einem niedrigen Leistungsbereich zu betreiben, in dem es möglich ist, derart hohe Pulsdauern zu realisieren. Eine solche Vorgehensweise ist aber mit einem hohen konstruktiven Aufwand verbunden.In order to achieve pulse durations in the range between 200 ns and 10000 ns, is therefore in the DE 102 32 124 A1 proposed to connect a Q-switched solid-state laser oscillator at least one resonator-external laser amplifier, which makes it possible to operate the solid-state laser oscillator in a low power range, in which it is possible to realize such high pulse durations. Such an approach is associated with a high design effort.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls mit einem als thermische Linse wirkenden Festkörper als aktives Medium anzugeben, mit der es möglich ist, ohne resonatorexterne Nachverstärkung Laserstrahlpulse mit Pulsdauern größer als 200 ns zu erzeugen.Of the Invention is now based on the object, a laser beam source for generating a pulsed laser beam with a thermal Specify lens-active solids as the active medium with which it is possible, without resonator-external amplification Laser beam pulses with pulse durations greater than 200 ns to produce.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Laserstrahlquelle mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält die Laserstrahlquelle als laseraktives Medium einen als thermische Linse wirkenden Festkörper, der in einem Resonator der Länge L zwischen einem Endspiegel mit dem Krümmungsradius R1 und einem Auskoppelspie gel mit dem Krümmungsradius R2 angeordnet ist, und dessen Hauptebenen der thermischen Linse einen von den Resonatorspiegeln – Endspiegel und Auskoppelspiegel – einen Abstand d1 bzw. d2 haben und die folgende Beziehung erfüllen: 1/d2 + 1/(R2 – d2) < 2 dptund |1/d1 – 1/d2 + 1/(R1 – d1) – 1/(R2 – d2)| < 5 dpt. The above object is achieved according to the invention with a laser beam source having the features of claim 1. According to these features, the laser beam source contains as laser active medium acting as a thermal lens solid, in a resonator of length L between an end mirror with the radius of curvature R 1 and a Auskoppelspie gel is arranged with the radius of curvature R 2 , and whose main planes of the thermal lens one of the resonator - end mirror and Auskoppelspiegel - have a distance d 1 or d 2 and meet the following relationship: 1 / d 2 + 1 / (R 2 - d 2 ) <2 dpt and | 1 / d 1 - 1 / d 2 + 1 / (R 1 - d 1 ) - 1 / (R 2 - d 2 ) | <5 dpt.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es mit einem derart dimensionierten Resonator oder Laserstrahl-Oszillator insbesondere möglich ist, Laserstrahlpulse mit Pulsdauern zwischen 200 und 3000 ns bei Repetitionsraten zwischen 5 und 50 kHz zu erzeugen.The The invention is based on the recognition that it is such dimensioned resonator or laser beam oscillator in particular is possible, laser pulses with pulse durations between 200 and 3000 ns at repetition rates between 5 and 50 kHz.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:to Further explanation of the invention will be made to the embodiments referred to the drawing. Show it:

1 und 2 alternative Ausführungsformen einer Laserstrahlquelle gemäß der Erfindung jeweils in einem schematischen Prinzipbild. 1 and 2 Alternative embodiments of a laser beam source according to the invention in each case in a schematic schematic diagram.

Gemäß 1 umfasst die Laserstrahlquelle ein im Ausführungsbeispiel stabförmiges laseraktives Medium 2 das zwischen zwei Resonatorspiegeln 4 und 6 angeordnet ist. Das laseraktive Medium 2 wird mit einer Diodenlaseranordnung optisch gepumpt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht dargestellt ist. Einer der Resonatorspiegel, im Beispiel der Resonatorspiegel 4, dient als Rückspiegel während der andere Resonatorspiegel 6 als Auskoppelspiegel dient. Die Krümmungsradien R1 und R2 der Resonatorspiegel 4 bzw. 6 sowie die Abstände d1 und d2 der Hauptebenen 8, 10 der beim Betrieb der Laserstrahlquelle entstehenden thermischen Linse erfüllen dabei folgende Beziehungen: 1/d2 + 1/(R2 – d3) < 2 dptund |1/d1 – 1/d2 + 1/(R1 – d1) – 1/(R2 – d2)| < 5 dpt. According to 1 the laser beam source comprises a rod-shaped laser-active medium in the exemplary embodiment 2 that between two resonator mirrors 4 and 6 is arranged. The laser-active medium 2 is optically pumped with a diode laser array, which is not shown in the figure for reasons of clarity. One of the resonator mirrors, in the example the resonator mirror 4 , serves as a rearview mirror while the other resonator mirror 6 serves as Auskoppelspiegel. The radii of curvature R 1 and R 2 of the resonator mirror 4 respectively. 6 and the distances d 1 and d 2 of the main planes 8th . 10 The resulting during operation of the laser beam source thermal lens meet the following relationships: 1 / d 2 + 1 / (R 2 - d 3 ) <2 dpt and | 1 / d 1 - 1 / d 2 + 1 / (R 1 - d 1 ) - 1 / (R 2 - d 2 ) | <5 dpt.

Die Pulsdauer des aus dem Resonator austretenden Laserstrahls L kann dann bei Einhalten der vorstehend genannten Beziehungen auf Werte zwischen 200 und 3000 ns eingestellt werden, indem mit Hilfe eines Güteschalters 12 die Repetitionsrate eingestellt wird.The pulse duration of the laser beam L emerging from the resonator can then be adjusted to values between 200 and 3000 ns while maintaining the above-mentioned relationships, by means of a Q-switch 12 the repetition rate is set.

Im Ausführungsbeispiel gem. 2 ist als laseraktives Medium 2 eine dünne, nur wenige Zehntelmillimeter dicke Kristallscheibe vorgesehen, deren verspiegelte Rückseite gleich als Endspiegel dient. Ein solcher Festkörperlaser ist beispielsweise aus der US 5,553,088 bekannt ist. Im Beispiel ist die Kristallscheibe in einem gefalteten Resonator mit zwei Faltspiegeln 14-1 und 14-2 angeordnet (Z-Faltung).In the embodiment gem. 2 is as a laser-active medium 2 a thin, only a few tenths of a millimeter thick crystal disc provided whose mirrored back immediately serves as an end mirror. Such a solid-state laser is for example from the US 5,553,088 is known. In the example, the crystal disk is in a folded resonator with two folding mirrors 14-1 and 14-2 arranged (Z-folding).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10232124 A1 [0004] DE 10232124 A1 [0004]
  • - US 5553088 [0012] US 5553088 [0012]

Claims (4)

Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls mit einem als thermische Linse wirkenden Festkörper als laseraktives Medium, der in einem Resonator der Länge L zwischen einem Endspiegel mit dem Krümmungsradius R1 und einem Auskoppelspiegel mit dem Krümmungsradius R2 angeordnet ist, und dessen Hauptebenen der thermischen Linse einen von den Resonatorspiegeln einen Abstand d1 bzw. d2 haben und die folgende Beziehung erfüllen: 1/d2 + 1/(R2 – d2) < 2 dptund |1/d1 – 1/d2 + 1/(R1 – d1) – 1/(R2 – d2)| < 5 dpt. A laser beam source for generating a pulsed laser beam having a thermally acting as a solid lens as a laser active medium, which is arranged in a resonator of length L between an end mirror with the radius of curvature R 1 and a Auskoppelspiegel with the radius of curvature R 2 , and whose main planes of the thermal lens one of the resonator mirrors have a distance d 1 or d 2 and satisfy the following relationship: 1 / d 2 + 1 / (R 2 - d 2 ) <2 dpt and | 1 / d 1 - 1 / d 2 + 1 / (R 1 - d 1 ) - 1 / (R 2 - d 2 ) | <5 dpt. Laserstrahlquelle nach Anspruch 1, bei der das laseraktive Medium diodengepumpt ist.Laser beam source according to claim 1, wherein the laser-active Medium diode pumped. Laserstrahlquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der als laseraktives Medium eine Kristallscheibe vorgesehen ist.Laser beam source according to claim 1 or 2, wherein as laser-active medium a crystal disk is provided. Laserstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Resonator gefaltet ist und zumindest einen Faltspiegel aufweist.Laser beam source according to one of the claims 1 to 3, wherein the resonator is folded and at least one Folding mirror has.
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US5553088A (en) 1993-07-02 1996-09-03 Deutsche Forschungsanstalt Fuer Luft- Und Raumfahrt E.V. Laser amplifying system
DE10232124A1 (en) 2002-07-12 2004-02-12 Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh Pulse laser arrangement and method for pulse length adjustment for laser pulses

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