DE102011114287A1 - System useful for irradiating and processing substrates with high-performance ultra-short pulse laser, comprises laser beam source, energy modulation unit, beam forming- or beam focusing unit, rotational axis, linear axis and cylinder - Google Patents

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Abstract

System comprises a laser beam source (1), a power or energy modulation unit (21), a beam forming- or beam focusing unit (31), at least a rotational axis, a linear axis (37) and a cylinder (71). The rotational axis and the linear axis are arranged coaxially to one another. The substrate to be processed is mounted on the outer or inner circumferential surface of the cylinder or at the end face of the cylinder. The surface of the substrate is scanned through the rotational axis and the linear axis of the laser spot.

Description

Stand der TechnikState of the art

Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern ist in der Regel für keine bzw. sehr geringe thermische Beeinflussung und die Möglichkeit, jede Art von Material unabhängig von Härte und Verdampfungstemperatur Ablation bekannt. Diese Eigenschaften ermöglicht die Herstellung von hoch präzisen Komponenten mit gut angepassten Materialeigenschaften, wo herkömmliche Methoden wie Erodieren und Fräsen nicht verwendet werden können. Allerdings setzt eine effektive und produktive Verwendung von ultrakurzpulsen Laser in der Herstellung von High-End-Produkten voraus:

  • – Kurzer bzw. ultrakurze Pulsdauer
  • – Pulsenergie um einige 10 μJ
  • – Hohe Pulswiederholrate
  • – Hohe mittlere Leistung
  • – Schnelle relative Bewegung zwischen Laserspot und Werkstück, so dass keine bzw. geringe Strahlüberlappung vorliegt
  • – Schnelle Modulation der Laserpulsenergie
Material processing with ultrashort pulse lasers is usually known for no or very little thermal impact and the ability to ablate any type of material regardless of hardness and evaporation temperature. These features enable the production of high-precision components with well-adapted material properties, where conventional methods such as eroding and milling can not be used. However, effective and productive use of ultra-short pulses in the production of high-end products requires:
  • - Short or ultra-short pulse duration
  • - Pulse energy by a few 10 μJ
  • - High pulse repetition rate
  • - High average power
  • Fast relative movement between the laser spot and the workpiece so that there is no or little beam overlap
  • - Fast modulation of the laser pulse energy

Durch die Entwicklung von effizienten Verstärkern wie INNOSLAB-Verstärker sind heute kurze und ultrakurze Pulslaser mit einer mittleren Leistung von über 400 W kommerziell verfügbar. Die Pulswiederholrate geht in den Bereich von Multi 10 MHz. Die Pulsdauer beträgt einige 100 fs bis in den Nanosekundenbereich. Damit sind die Voraussetzungen für produktive und wirtschaftliche Anwendung von kurzen und ultrakurzen Pulslaser geben. Der Flaschenhals besteht in Einrichtung, mit der eine so schnelle relative Bewegung zwischen Laserspot und Werkstück realisiert werden kann, dass die Laserspots von jedem Laserpuls in Ganz bzw. im Wesentlichen voneinander getrennt werden.Through the development of efficient amplifiers such as INNOSLAB amplifiers, short and ultra-short pulsed lasers with an average power of more than 400 W are commercially available today. The pulse repetition rate is in the range of Multi 10 MHz. The pulse duration is a few 100 fs down to the nanosecond range. Thus, the conditions for productive and economical use of short and ultrashort pulse lasers are given. The bottleneck consists of a device with which such a fast relative movement between the laser spot and the workpiece can be realized that the laser spots of each laser pulse are completely or essentially separated from one another.

Heutzutage werden Scanner für die relative Bewegung verwendet. Ein schneller Scanner lenkt einen Laserstrahl typischerweise 4 m/sec ab. Angenommen wird, dass der Laserstrahl hat einen Spot von 20 μm. Dann ist max. Pulswiederholrate auf 400 kHz limitiert, wenn eine 50%-Überlappung zulässig ist. Wenn die Pulsenergie um 40 μJ beträgt, so ist die max. nutzbare mittlere Leistung auf 16 W limitiert. Das bedeutet, dass die Leistung eines 400 W Lasers nicht annährend benutzt werden kann.Today, scanners are used for relative movement. A fast scanner deflects a laser beam typically 4 m / sec. It is assumed that the laser beam has a spot of 20 μm. Then max. Pulse repetition rate limited to 400 kHz if a 50% overlap is allowed. If the pulse energy is around 40 μJ, the max. usable average power limited to 16W. This means that the power of a 400 W laser can not be used almost anywhere.

Demgegenüber kann eine Liniengeschwindigkeit auf dem Umfang eines rotierenden Zylinders von über 50 m/sec erreicht werden.In contrast, a line speed on the circumference of a rotating cylinder of over 50 m / sec can be achieved.

Die Aufgabe dieser vorliegenden Erfindung darin, basierend auf schnell rotierender Achse Anlagen anzugeben, mit denen Bearbeitung mit Laser hoher Pulswiederholrate und hoher mittlere Leistung unter Beibehaltung hoher Qualität möglich wird.The object of this present invention is to provide, based on a fast rotating axis equipment with which processing with laser high pulse repetition rate and high average power while maintaining high quality is possible.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Kernidee dieser vorliegenden Anmeldung besteht darin, dass in der Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser, eine Laserstrahlquelle (1), eine Leistung/Energie-Modulationseinheit (21), eine Strahlformungs- bzw. Strahlfokussierungseinheit (31), mindesten eine Drehachse (72), eine lineare Achse (37) und einem Zylinder (71) verwendet werden. Auf den Innen- bzw. Außenmantelfläche des Zylinders (71) wird das zu bearbeitende Substrat (78) angebracht. Der Laserspot (17) wird auf das zu bearbeitende und auf dem Zylinder angebrachte Substrat eingestrahlt. Der Laserstrahl (11), die Drehachse (72) und die lineare Achse (32) werden koaxial zueinander angeordnet. Durch die Rotation und die lineare Bewegung können das Substrat vollflächig mit dem Laserspot (17) abgescannt werden. Der Scanprozess mehrfach wiederholt. Zur Variation z. B. der axialen Lage des Laserspots kann eine weitere lineare Achse (33) integriert werden. Damit können z. B. tiefe 3D-Strukturen durch schichtenweise Ablation in das Substrat eingraviert werden.The core idea of this present application is that in the installation for the irradiation or for the processing of substrates with a high-performance ultrafast pulse laser, a laser beam source ( 1 ), a power / energy modulation unit ( 21 ), a beam-shaping or beam-focusing unit ( 31 ), at least one axis of rotation ( 72 ), a linear axis ( 37 ) and a cylinder ( 71 ) be used. On the inner or outer circumferential surface of the cylinder ( 71 ) the substrate to be processed ( 78 ) appropriate. The laser spot ( 17 ) is irradiated on the substrate to be processed and mounted on the cylinder. The laser beam ( 11 ), the axis of rotation ( 72 ) and the linear axis ( 32 ) are arranged coaxially with each other. Due to the rotation and the linear movement, the substrate can be completely covered with the laser spot ( 17 ) are scanned. The scanning process is repeated several times. For variation z. B. the axial position of the laser spot can be another linear axis ( 33 ) to get integrated. This can z. B. deep 3D structures are engraved by layered ablation in the substrate.

Bild 1 zeigt eine Ausführung der Anlagen gemäß dieser vorliegenden Erfindung. Dabei wird ein Umlenkspiegel (37) auf der Drehachse (72) montiert. Für die lineare Bewegung wird der Hohlzylinder auf der linearen Achse (32) montiert werden. Das dünne Substrat (78) wird auf der Innenfläche des Zylinders, vorzugsweise konzentrisch zur inneren Zylindermantelfläche, angebracht. Durch die Rotation und die lineare Bewegung wird eine vollflächige Bearbeitung des Substrates realisiert.Figure 1 shows an embodiment of the plants according to this present invention. In this case, a deflection mirror ( 37 ) on the axis of rotation ( 72 ) assembled. For the linear movement of the hollow cylinder on the linear axis ( 32 ) to be assembled. The thin substrate ( 78 ) is mounted on the inner surface of the cylinder, preferably concentric with the inner cylindrical surface. Through the rotation and the linear movement, a full-surface processing of the substrate is realized.

Vorausgesetzt, dass die Drehachse eine 30.000 Umdrehung pro Minute schafft und die Substratoberfläche auf einem Radius von 20 mm liegt, so ergibt sich eine Oberflächengeschwindigkeit von 30.000/60·2·pi·20 mm/sec = 62,83 m/sec. Wenn der Laserspot einen Durchmesser von 10 μm hat, ermöglicht so eine Anlage Laserspots mit einer Wiederholrate von 6,283 MHz ohne Überlappung über die Substratoberfläche zu scannen.Provided that the axis of rotation provides 30,000 revolutions per minute and the substrate surface is at a radius of 20 mm, the result is a surface speed of 30,000 / 60 × 2 × pi × 20 mm / sec = 62.83 m / sec. If the laser spot has a diameter of 10 μm, this allows a system to scan laser spots at a repetition rate of 6.283 MHz without overlapping the substrate surface.

Bild 2 zeigt eine Ausführung, bei der der Zylinder (78) auf der Drehachse (72) montiert wird und das Substrat (78) auf der Außenmantelfläche des Zylinders (71) angebracht wird. Die Lasereinheit (1, 11, 21, 31) wird auf der linearen Achse (32) montiert. Zur Nachführung des Laserspotes (17) wird die Strahlformungs- bzw. Strahlfokussierungseinheit (31) auf einer weiteren linearen Achse (33) montiert.Figure 2 shows an embodiment in which the cylinder ( 78 ) on the axis of rotation ( 72 ) and the substrate ( 78 ) on the outer circumferential surface of the cylinder ( 71 ) is attached. The laser unit ( 1 . 11 . 21 . 31 ) is on the linear axis ( 32 ) assembled. For tracking the laser spot ( 17 ), the beam-shaping or beam-focusing unit ( 31 ) on another linear axis ( 33 ) assembled.

In Fall, dass die Substrate nach Bearbeitung Löcher aufweisen, ist es vorteilhaft, dass vor Bearbeitung die Substrate auf der den Laserstrahl abwendeten Fläche entsprechend beschichtet wird, um den Zylinderfläche vor Beschädigung zu schützen.In the case that the substrates have holes after processing, it is advantageous that before processing the substrates on the surface facing away from the laser beam is coated accordingly to protect the cylinder surface from damage.

Auch um die ausgearbeiteten und isolierten Strukturen aufzubewahren, ist es vorteilhaft, die Substrate auf einer Trägerfolie zu laminieren.Also, to preserve the elaborated and isolated structures, it is advantageous to laminate the substrates on a carrier sheet.

Bei brüchigen dünnen Substraten wie Glasfolien können die Substrate mit z. B. Polymer beschichtet werden. Damit werden sie biegsam und können auf dem Zylinderumfang für die Bearbeitung aufgespannt werden, ohne dabei zu brechen.For brittle thin substrates such as glass films, the substrates with z. B. polymer coated. This makes them flexible and can be clamped on the cylinder circumference for machining, without breaking.

Die dünnen Substrate können auf dem Zylinderumfang geklebt werden. Im Fall dünner Stahlsubstrate ist es vorteilhaft einen magnetisierten Zylinder zu verwenden. Damit wird mittels magnetischer Kraft die dünnen Substrate auf dem Zylinder aufgespannt.The thin substrates can be glued to the cylinder circumference. In the case of thin steel substrates, it is advantageous to use a magnetized cylinder. Thus, the thin substrates are clamped on the cylinder by means of magnetic force.

In Analog können die Substrate und der Zylinder entsprechend elektrisch geladen werden und somit das Aufspannen der Substrate auf dem Zylinder elektrostatisch erfolgen kann.In analogy, the substrates and the cylinder can be electrically charged accordingly and thus the clamping of the substrates on the cylinder can be done electrostatically.

Des Weiteren können Zylinder mit Mikrostrukturen und Kanälen verwendet werden. Durch Ansaugen werden dann die Substrate auf dem Zylinder aufgespannt.Furthermore, cylinders with microstructures and channels can be used. By suction, the substrates are then clamped on the cylinder.

Im Fall von einem dicken Werkstück kann das Werkstück auf einer der Stirnfläche des rotierenden Zylinders montiert werden. Die schnelle Rotation des Zylinders in Relation zu einem im Sinn der azimutalen Richtung stehenden Laserspot erzeugt die nötige Hochgeschwindigkeitsbewegung zwischen dem Laserspot und dem Werkstück. Wird der Laser bzw. der Laserstrahl mittels eine linearen Achse in der radialen Richtung bewegt, so kann eine schnelle flächige Bearbeitung ermöglicht werden. Um die max. Geschwindigkeit zu erreichen, werden die zu bearbeitenden Komponenten nahe zum Zylinderumfang angeordnet.In the case of a thick workpiece, the workpiece can be mounted on one of the end faces of the rotating cylinder. The rapid rotation of the cylinder in relation to a laser spot in the sense of the azimuthal direction produces the necessary high-speed movement between the laser spot and the workpiece. If the laser or the laser beam is moved in the radial direction by means of a linear axis, rapid surface processing can be enabled. To the max. To achieve speed, the components to be machined are arranged close to the cylinder circumference.

Eine schnell rotierende Achse kann vorzugsweise eine luftgelagerte Achse bzw. eine hydraulische gelagerte Achse bzw. Spindel sein. Solche Achsen zeichnen sich u. a. durch große Drehzahl und stabilen Lauf aus.A fast rotating axle may preferably be an air bearing axle or a hydraulically supported axle or spindle. Such axes are u. a. due to high speed and stable running.

Als Strahlquellen werden vorzugsweise Laser mit einer Pulslänge unter 1 ns verwendet werden. Beispiele von solchen Laser sind die fs-Laser und die ps-Laser.As beam sources, lasers with a pulse length below 1 ns are preferably used. Examples of such lasers are the fs lasers and the ps lasers.

Um eine hohe Produktivität zu erreichen, werden Laser mit hoher Pulswiederholrate (> 500 kHz bis einige 10 MHz) verwendet.To achieve high productivity, lasers with high pulse repetition rate (> 500 kHz to several 10 MHz) are used.

Zur Bearbeitung von dicken bzw. nicht-biegsamen Substraten kann die im Bild 3 dargestellte Anlage verwendet werden. Bei dieser Ausführung wird das Substrat (77) an der Stirnfläche des Zylinders (71) fixiert. Der Zylinder wird auf der Drehachse (72) montiert. Die Lasereinheit aus (1, 11, 21 und 31) wird auf der linearen Achse (32) montiert, die parallel zur Radial Bewegung ausführt. Zur Nachführung des Laserspots (17) wird die Strahlformungs- bzw. Strahlfokussierungseinheit (31) auf einer weiteren linearen Achse (33) montiert.For processing thick or non-flexible substrates, the system shown in Figure 3 can be used. In this embodiment, the substrate ( 77 ) on the end face of the cylinder ( 71 ) fixed. The cylinder is on the axis of rotation ( 72 ) assembled. The laser unit from ( 1 . 11 . 21 and 31 ) is on the linear axis ( 32 ), which performs parallel to the radial movement. For tracking the laser spot ( 17 ), the beam-shaping or beam-focusing unit ( 31 ) on another linear axis ( 33 ) assembled.

Claims (10)

Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser, die aus einer Laserstrahlquelle (1), einer Leistung/Energie-Modulationseinheit (21), einer Strahlformungs- bzw. Strahlfokussierungseinheit (31), mindesten einer Drehachse (72), einer linearen Achse (37) und einem Zylinder (71) besteht. Die Drehachse und die lineare Achse werden koaxial zueinander angeordnet. Das zu bearbeitende Substrat wird an der Außen- oder Innenmantelfläche des Zylinders oder an der Stirnfläche des Zylinders angebracht. Durch die Drehachse und die lineare Achse wird der Laserspot die Fläche des Substrates gescannt.Apparatus for irradiation or for processing substrates with a high-power short-pulse pulse laser, consisting of a laser beam source ( 1 ), a power / energy modulation unit ( 21 ), a beam-shaping or beam-focusing unit ( 31 ), at least one axis of rotation ( 72 ), a linear axis ( 37 ) and a cylinder ( 71 ) consists. The axis of rotation and the linear axis are arranged coaxially with each other. The substrate to be processed is attached to the outer or inner circumferential surface of the cylinder or to the end face of the cylinder. Through the axis of rotation and the linear axis of the laser spot, the surface of the substrate is scanned. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder ein Vollzylinder ist und er auf der Drehachse montiert wird, dass das Substrat auf der Außenmantelfläche des Zylinders angebracht wird und dass die Strahlformungs- bzw. Strahlfokussierungseinheit auf der linearen Achse montiert wird, wobei durch die Rotation des Zylinders und die lineare Bewegung der Strahlformungs- bzw. Strahlfokussierungseinheit sich der Auftreffpunkt des Laserspots in Form von Ringen bzw. Spiralen auf der Außenmantelfläche des Zylinders bewegt und dabei das Substrat Punkt für Punkt und Schichte für Schichte abgestrahlt bzw. abgetragen wird.Plant for the irradiation or for the treatment of substrates with a high power ultrafast pulse laser according to claim 1, characterized in that the cylinder is a solid cylinder and it is mounted on the axis of rotation, that the substrate is mounted on the outer circumferential surface of the cylinder and that the Strahlformungs- or Beam focusing unit is mounted on the linear axis, wherein the rotation of the cylinder and the linear movement of the beam forming or Strahlfokussierungseinheit the impact point of the laser spot moves in the form of rings or spirals on the outer circumferential surface of the cylinder and thereby the substrate point by point and layer for layer is radiated or removed. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder ein Hohlzylinder (71) ist und er auf der Drehachse (72) montiert wird, dass eine strahlablenkende Komponente (37) verwendet wird, dass das Substrat auf der Innenmantelfläche der Zylinders angebracht wird und dass die Strahlformungs- bzw. Strahlfokussierungseinheit sowie die Strahlablenkende Komponente auf der linearen Achse (32) montiert wird, wobei durch die Rotation des Zylinders und die lineare Bewegung der Strahlformungs- bzw. Strahlfokussierungseinheit sowie die strahlablenkende Komponente sich der Auftreffpunkt des Laserspots in Form von Ringen bzw. Spiralen auf der Innenmantelfläche des Zylinders bewegt und dabei das Substrat Punkt für Punkt und Schichte für Schichte abgestrahlt bzw. abgetragen wird. Plant for irradiation or for processing of substrates with a high power ultrafast pulse laser according to claim 1, characterized in that the cylinder is a hollow cylinder ( 71 ) and he is on the axis of rotation ( 72 ), that a beam deflecting component ( 37 ) is used, that the substrate is mounted on the inner circumferential surface of the cylinder and that the beam shaping or beam focusing unit and the beam deflecting component on the linear axis ( 32 ), wherein the rotation of the cylinder and the linear movement of the Strahlformungs- or Strahlfokussierungseinheit and the beam deflecting component, the point of incidence of the laser spot in the form of rings or spirals on the inner surface of the cylinder moves while the substrate point by point and Layer for layer radiated or removed. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder ein Hohlzylinder ist, dass eine strahlablenkende Komponente verwendet wird, dass die strahlablenkende Komponente auf der Drehachse montiert wird, dass das Substrat auf der Innenmantelfläche der Zylinders angebracht wird und dass der Hohlzylinder auf der linearen Achse montiert wird, wobei durch die Rotation der strahlablenkenden Komponente und die lineare Bewegung des Zylinders sich der Auftreffpunkt des Laserspots in Form von Ringen bzw. Spiralen auf der Innenmantelfläche des Zylinders bewegt und dabei das Substrat Punkt für Punkt und Schichte für Schichte abgestrahlt bzw. abgetragen wird.Plant for irradiation or for processing of substrates with a high power ultrafast pulse laser according to claim 1, characterized in that the cylinder is a hollow cylinder, that a beam deflecting component is used, that the beam deflecting component is mounted on the axis of rotation, that the substrate on the inner surface the cylinder is mounted and that the hollow cylinder is mounted on the linear axis, wherein the rotation of the beam deflecting component and the linear movement of the cylinder, the point of incidence of the laser spot in the form of rings or spirals on the inner surface of the cylinder moves while the substrate Point by point and layer by layer is radiated or removed. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat auf einer der Stirnfläche des rotierenden Zylinders und nahe dem Umfang des Zylinders montiert werden, wobei die schnelle Rotation des Zylinders in Relation zu einem im Sinn der azimutalen Richtung stehenden Laserspot erzeugt die nötige Hochgeschwindigkeitsbewegung zwischen dem Laserspot und dem Werkstück, wobei der Laser bzw. der Laserstrahl mittels eine linearen Achse in der radialen Richtung bewegt wird, so dass eine schnelle flächige Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht wird.A plant for irradiation or processing of substrates with a high-performance ultrafast pulse laser according to claim 1, characterized in that the substrate are mounted on one of the end face of the rotating cylinder and close to the circumference of the cylinder, wherein the rapid rotation of the cylinder in relation to a The sense of the azimuthal direction laser spot generates the necessary high-speed movement between the laser spot and the workpiece, wherein the laser or the laser beam is moved by a linear axis in the radial direction, so that a rapid surface machining of the workpiece is possible. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach einem Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mittels magnetischer Kraft an der jeweiligen Fläche des Zylinders angebracht wird.Plant for irradiation or for processing of substrates with a high-performance short pulse laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate is attached by means of magnetic force to the respective surface of the cylinder. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach einem Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mittels elektrostatischer Kraft an der jeweiligen Fläche des Zylinders angebracht wird.Plant for the irradiation or for the processing of substrates with a high power ultrafast pulse laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate is attached by means of electrostatic force to the respective surface of the cylinder. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach einem Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat an der jeweiligen Fläche des Zylinders geklebt wird.Plant for the irradiation or for the processing of substrates with a high power ultrafast pulse laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate is glued to the respective surface of the cylinder. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach einem Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit auf einer Trägerfolie laminiert wird.Plant for the irradiation or for the processing of substrates with a Hochleistungsultrakurzpulslaser according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the substrate is laminated on a carrier film. Anlage zur Bestrahlung bzw. zur Bearbeitung von Substraten mit einem Hochleistungsultrakurzpulslaser nach einem Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Form von biegsamen Substraten das brüchige Substrat mit Polymer beschichtet wird bevor sie an den Zylinder angebracht wird.Plant for the irradiation or for the processing of substrates with a high-performance ultrafast pulse laser according to one of claims 1 to 9, characterized in that the brittle substrate is coated with polymer to the shape of flexible substrates before it is attached to the cylinder.
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