DE10231969B4 - Optical element for shaping a light beam and method for processing objects using laser beams - Google Patents
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Abstract
Optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls (211), insbesondere zur gezielten Formung des transversalen Intensitätsprofils eines Laserstrahls von einem gaußförmigen Eingangsprofil hin zu einem Ausgangsprofil, mit
– einer optischen Achse,
– einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Eingangsoberfläche (224a, 324a) und
– einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Ausgangsoberfläche (325a),
– wobei die Eingangsoberfläche (224a, 324a) innerhalb eines Eingangsbereiches (227) um die optische Achse und die Ausgangsoberfläche (325a) innerhalb eines Ausgangsbereiches (228) um die optische Achse derart gekrümmt sind, dass ein entlang der optischen Achse auf die Eingangsoberfläche (224a, 324a) gerichteter Lichtstrahl (211) mit einem gaußförmigen Eingangsprofil
aufgrund der Refraktion durch das optische Element (220, 320) gerade so geformt wird, dass
der Lichtstrahl (221, 321) in einem vorbestimmten Abstand hinter dem optischen Element (220, 320) ein Ausgangsprofil mit einer innerhalb eines Zielbereiches um die optische Achse im wesentlichen konstanten Intensitätsverteilung aufweist, und...Optical element for changing the transverse intensity distribution of a light beam (211), in particular for specifically shaping the transverse intensity profile of a laser beam from a Gaussian input profile to an output profile
- an optical axis,
- An input surface (224a, 324a) which is rotationally symmetrical to the optical axis and
An output surface (325a) which is rotationally symmetrical to the optical axis,
- The input surface (224a, 324a) within an input area (227) around the optical axis and the output surface (325a) within an output area (228) around the optical axis are curved such that a along the optical axis on the input surface (224a , 324a) directed light beam (211) with a Gaussian input profile
due to the refraction by the optical element (220, 320) is just shaped such that
the light beam (221, 321) at a predetermined distance behind the optical element (220, 320) has an initial profile with an essentially constant intensity distribution within a target area around the optical axis, and ...
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls, insbesondere zur gezielten Formung des transversalen Intensitätsprofils eines Laserstrahls von einem Eingangsprofil hin zu einem Ausgangsprofil. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Bohren von Löchern in Substrate unter Verwendung des optischen Elements.The invention relates to an optical Element for change the transverse intensity distribution of a Light beam, in particular for the targeted shaping of the transverse intensity profile a laser beam from an input profile to an output profile. The invention further relates to a method for processing objects by means of laser beams, in particular for drilling holes in Substrates using the optical element.
Standardmäßige Laserbearbeitungsmaschinen umfassen eine Laserlichtquelle, eine Kollimationsoptik, eine Ablenkeinheit und eine Foküssieroptik. Die Kollimationsoptik weist üblicherweise einen sog. Strahlaufweiter auf, mittels welchem der Querschnitt des Laserstrahls vergrößert wird, so dass der bearbeitende Laserstrahl bei einem kleineren Fokusdurchmesser auf das zu bearbeitende Objekt fokussiert werden kann. Die Ablenkeinheit weist üblicherweise zwei beweglich gelagerte Spiegel auf, mittels welchen der bearbeitende Laserstrahl gezielt auf ein Bearbeitungsfeld gelenkt werden kann. Die Fokussieroptik ist im allgemeinen eine sog. Planfeldoptik oder f-Theta-Linse mit einer Brennweite von ungefähr 50 bis 150 mm. Laserbearbeitungsmaschinen mit diesen Standardkomponenten können bei unterschiedlichen Wellenlängen der bearbeitenden Laserstrahlen betrieben werden.Standard laser processing machines comprise a laser light source, collimation optics, a deflection unit and a focusing optics. The collimation optics usually have a so-called beam expander, by means of which the cross section the laser beam is enlarged, so that the machining laser beam with a smaller focus diameter can be focused on the object to be processed. The deflection unit usually points two movably mounted mirrors, by means of which the processing Laser beam can be directed onto a processing field. The focusing optics is generally a so-called plan field optics or f-theta lens with a focal length of approximately 50 to 150 mm. Laser processing machines with these standard components at different wavelengths of the processing laser beams are operated.
Ein allgemein bekanntes Problem bei dem Bohren von Löchern (Sacklöcher oder Durchgangslöcher) oder beim Strukturieren bzw. Abtragen von Materialien mittels Laserstrahlen besteht darin, dass die Energie bzw. die Intensität des bearbeitenden Laserstrahls über dem Querschnitt nicht gleichmäßig, sondern i.a. gaußförmig oder zumindest annähernd gaußförmig verteilt ist und somit ein im wesentlichen, gaußförmiges Strahlungspro fil vorliegt. Dies bedeutet, dass beim Bohren von Löchern in der Mitte eines gebohrten Lochs eine größere Bohrtiefe erreicht wird als an dem Rand des Lochs. Ferner bewirkt der Randbereich des gaußförmigen Laserstrahls ein unerwünschtes Aufheizen, Schmelzen und/oder eine unerwünschte chemische Veränderung des umgebenden, nicht abgetragenen Materials.A common problem with drilling holes (Blind holes or through holes) or when structuring or removing materials using laser beams is that the energy or intensity of the editing Laser beam over the cross-section is not uniform, but i.a. gaussian or at least approximately distributed in a Gaussian shape is and thus an essentially Gaussian radiation pro fil is present. This means that when drilling holes in the middle of a drilled one Lochs a greater drilling depth is reached as at the edge of the hole. Furthermore, the edge area causes of the Gaussian laser beam an undesirable Heating, melting and / or an undesirable chemical change in the surrounding, not removed material.
Aus der
Aus der WO 00/73013 ist ein weiteres Verfahren zur Homogenisierung der Intensitätsverteilung eines bearbeitenden Laserstrahls bekannt. Dabei wird eine komplexe und kostenintensive diffraktiv wirkende Vorrichtung eingesetzt, welche aus mehreren optischen Komponenten besteht. Dabei werden einzelne durch Diffraktion erzeugte Teilstrahlen selektiert und anschließend fokussiert. Die einzelnen Komponenten müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein und in dem Strahlengang an genau bestimmten Positionen angeordnet werden. Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass ca. 15 bis 20% der Strahlungsenergie verloren geht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Vorrichtung nur bei einem festen Strahldurchmesser eingesetzt werden kann und dass sich Abweichungen von der optimalen Strahlqualität unmittelbar und stark auf die resultierende Fokussierung des bearbeitenden Laserstrahls auswirkt.Another is from WO 00/73013 Process for homogenizing the intensity distribution of an editing Laser beam known. Doing so becomes complex and costly diffractive device used, which consists of several optical components. Individuals are diffraction generated partial beams selected and then focused. The single ones Components need to be careful of each other be coordinated and in the beam path at precisely defined positions to be ordered. The disadvantage of this device is that about 15 to 20% of the radiation energy is lost. Another Disadvantage is that the device only with a fixed Beam diameter can be used and that there are deviations of the optimal beam quality directly and strongly on the resulting focus of the editing Laser beam affects.
Aus der WO 95/18984 ist eine zwei Prismen aufweisende Anordnung bekannt, bei der die beiden Prismen derart in den Strah lengang eines entlang einer optischen Achse gerichteten Laserstrahls mit einem gaußförmigen Intensitätsprofil positioniert sind, dass der Laserstrahl durch das erste Prisma symmetrisch in zwei Hälften geteilt wird und durch das zweite Prisma die beiden Hälften wiederum symmetrisch in zwei weitere Hälften geteilt werden. Die dadurch erzeugten vier Teile des Laserstrahls werden infolge der Brechung durch die Prismen seitenverkehrt zu der optischen Achse abgebildet, so dass in einem bestimmten Abstand von den Prismen die vier Teile des Laserstrahls derart überlappen, dass eine weitgehend homogene Intensitätsverteilung entsteht.From WO 95/18984 one is two Arrangement comprising prisms is known, in which the two prisms thus in the beam path directed along an optical axis Laser beam with a Gaussian intensity profile are positioned so that the laser beam is symmetrical through the first prism in two halves is divided and by the second prism the two halves in turn symmetrically in two more halves to be shared. The four parts of the laser beam generated thereby are reversed due to the refraction through the prisms mapped the optical axis so that at a certain distance of the prisms overlap the four parts of the laser beam in such a way that a largely homogeneous intensity distribution is created.
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und leicht zu handhabendes optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls zu schaffen, welches die Intensität der Zentralstrahlen des zu formenden Lichtstrahls möglichst wenig schwächt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen zu schaffen, welches aufgrund einer möglichst homogenen Strahlintensität eine präzise Bearbeitung ermöglicht.The invention is therefore the object underlying an inexpensive and easy-to-use optical element for change the transverse intensity distribution to create a beam of light that reflects the intensity of the central rays of the light beam to be formed if possible little weakens. Another object of the invention is a method to create objects using laser beams, which because of a possible homogeneous beam intensity a precise Processing enabled.
Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine weitgehend homogene Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls dadurch erzeugt werden kann, dass für denjenigen Teil des Lichtstrahls, welcher die größte Intensität aufweist, eine zusätzliche Divergenz generiert wird, so dass zumindest ein' Teil dieser Intensität in die äußeren Bereiche des Lichtstrahls gelenkt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das optische Element derart ausgerichtet wird, dass die optische Achse des optischen Elements mit dem Strahlengang des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls zusammenfällt. Das optische Element zeichnet sich dadurch aus, dass die Stärke der Refraktion des einfallenden Lichtstrahls von dem Abstand von der optischen Achse abhängt. Auf diese Weise kann in einem vorbestimmten Abstand hinter dem optischen Element ein Lichtstrahl mit einem nahezu homogenen Intensitätsprofil erzeugt werden. Gemäß der Erfindung sind ferner die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche derart gekrümmt, dass die auf das optische Element treffenden Randstrahlen des einfallenden Lichtstrahls von der optischen Achse weggebrochen werden. Dies wird am einfachsten dadurch realisiert, dass die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche in dem Bereich der auftreffenden Randstrahlen keine Krümmung, d.h. eine Krümmung mit einem unendlich großen Radius, aufweisen. Alternativ kann die Krümmung in diesem Bereich auch ein unterschiedliches Vorzeichen als die Krümmung in dem achsennahen Bereich aufweisen. Das Eliminieren der Randstrahlen durch Refraktion hat den Vorteil, dass die Zentralstrahlen des zu formenden Lichtstrahls praktisch nicht geschwächt werden, so dass die Effizienz des optischen Elements vergleichbar ist mit der Effizienz einer Lochblende. Das erfindungsgemäße optische Element hat eine Reihe von weiteren Vorteilen. So ist beispielweise zur Erzeugung eines Lichtstrahls mit einer im wesentlichen konstanten Intensitätsverteilung lediglich ein einziges refraktives optisches Element erforderlich, welches prinzipiell für jede Art von Laserlicht mit beliebiger Wellenlänge einsetzbar ist. Die Erfindung hat ferner den Vorteil, dass die Homogenisierung des Lichtstrahls unabhängig von der Polarisation des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfindung einfach in existierende oder zukünftige Laserbearbeitungsmaschinen implementiert werden kann.The device-related task will be solved by an optical element with the features of the independent claim 1. The invention is based on the finding that a largely homogeneous intensity distribution of a light beam can be generated for that Part of the light beam that has the greatest intensity, an additional Divergence is generated so that at least part of this intensity is in the outer areas of the light beam is directed. This is achieved in that the optical element is aligned such that the optical Axis of the optical element with the beam path of the optical Element of incident light beam coincides. The optical element stands out in that the strength the refraction of the incident light beam from the distance of depends on the optical axis. In this way, at a predetermined distance behind the optical Element a light beam with an almost homogeneous intensity profile be generated. According to the invention are also the entrance surface and / or the starting surface so curved that the marginal rays of the incident on the optical element Light beam are broken away from the optical axis. this will easiest realized by the entrance surface and / or the starting surface in no curvature in the area of the incident marginal rays, i.e. a curvature with an infinitely large Radius. Alternatively, the curvature can also be in this area a different sign than the curvature in the area near the axis exhibit. The elimination of the marginal rays by refraction has the advantage that the central rays of the light beam to be shaped practically not weakened so that the efficiency of the optical element is comparable to the efficiency of a pinhole. The optical according to the invention Element has a number of other advantages. For example for generating a light beam with a substantially constant intensity distribution only a single refractive optical element is required, which in principle for any type of laser light with any wavelength can be used. The invention also has the advantage that the homogenization of the light beam independently on the polarization of the light beam incident on the optical element is. Another advantage is that the invention is simple in existing or future Laser processing machines can be implemented.
Gemäß Anspruch 2 weist das optische Element eine konkave Eingangsoberfläche und/oder eine konvexe Ausgangsoberfläche auf. Dies hat den Vorteil, dass das optische Element zumindest in der Nähe der optischen Achse die Form einer im allgemeinen nicht-sphärischen Linse aufweist, welche auf einfache Weise herstellbar ist.According to claim 2, the optical Element has a concave input surface and / or a convex output surface. This has the advantage that the optical element at least in the Near the optical axis the shape of a generally non-spherical Has lens, which is easy to manufacture.
Gemäß den Ansprüchen 4 und 5 wird die Krümmung der Eingangsoberfläche und/oder die Krümmung der Ausgangsoberfläche zumindest in der Nähe der optischen Achse durch eine Summe von verschiedenen Kosinusfunktionen beschrieben. Die einzelnen Kosinusfunktionen weisen dabei im allgemeinen unterschiedliche Periodizität und unterschiedliche Gewichtungsfaktoren auf.According to claims 4 and 5, the curvature of the input surface and / or the curvature of the output surface at least nearby the optical axis by a sum of different cosine functions described. The individual cosine functions generally point different periodicity and different weighting factors.
Gemäß Anspruch 6 wird eine besonders homogene Intensitätsverteilung eines geformten Lichtstrahls genau dann. erreicht, wenn der auf das optische Element gerichtete und zu formende Lichtstrahl eine im wesentlichen vernachlässigbare Divergenz aufweist. Dies ist insbesondere bei Laserstrahlen der Fall.According to claim 6, one is special homogeneous intensity distribution of a shaped beam of light just then. reached when the on the optical element is directed and shaped a light beam essentially negligible Has divergence. This is particularly the case with laser beams Case.
Das optische Element ist gemäß Anspruch 7 aufgrund der Dispersion des Materials, aus welchem das optische Element hergestellt ist, für einen Lichtstrahl mit relativ geringer spektraler Verteilung geeignet. Als optisches Material eignet sich insbesondere Quarz, welches für eine Vielzahl von verschiedenen Wellenlängen geeignet ist und welches kostengünstig in hoher Qualität herstellbar ist.The optical element is according to claim 7 due to the dispersion of the material from which the optical Item is made for a light beam with a relatively low spectral distribution. Quartz, which is suitable for a large number, is particularly suitable as the optical material of different wavelengths and which is inexpensive in high quality can be produced.
Der Wirkungsgrad des optischen Elements, d.h. das Verhältnis zwischen der Intensität des transmittierten, geformten Lichtstrahls zu der Intensität des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls wird gemäß Anspruch 8 dadurch erhöht, dass die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sind. Verluste durch unerwünschte Reflexionen können dadurch minimiert werden, dass die Antireflex-Beschichtung speziell für eine oder für mehrere Wellenlängen optimiert wird.The efficiency of the optical element, i.e. The relationship between the intensity of the transmitted, shaped light beam to the intensity of the the optical element incident light beam is according to claim 8 increased by that the entrance surface and / or the starting surface are provided with an anti-reflective coating. Losses through undesirable Reflections can minimized by making the anti-reflective coating special for one or for multiple wavelengths is optimized.
Gemäß Anspruch 9 werden die von der optischen-Achse weggebrochenen Randstrahlen auf einen Strahlabsorber gelenkt, so dass die relativ intensitätsschwachen Randstrahlen aus dem geformten Lichtstrahl zuverlässig eliminiert werden.According to claim 9, the marginal rays broken away from the optical axis are directed onto a beam absorber, so that the relatively low-intensity marginal rays from the shaped light beam be reliably eliminated.
Die verfahrensbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere beim Bohren von Löchern in Substrate ein Lichtstrahl mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung erforderlich ist, um eine hohe Lochqualität, d.h. einen möglichst scharfen Übergang zwischen dem gebohrten Loch und dem umgebenden Randbereich des Lochs zu erreichen. Eine hohe Lochqualität wird erreicht, wenn das Substratmaterial in unmittelbarer Umgebung des Lochs möglichst wenig aufgeschmolzen wird. Durch die erfindungsgemäße Strahlformung wird ein derartiges unerwünschtes Aufschmelzen verhindert.The procedural task of Invention is solved by a method with the features of independent claim 10. The method according to the invention is based on the knowledge that especially when drilling holes a light beam with as homogeneous an intensity distribution as possible in substrates is required to ensure high hole quality, i.e. one if possible sharp transition between the drilled hole and the surrounding edge area of the hole to reach. A high hole quality is achieved when the substrate material is melted as little as possible in the immediate vicinity of the hole. Through the beam shaping according to the invention becomes such an undesirable Prevents melting.
Gemäß Anspruch 11 wird der zu formende Laserstrahl vor dem Durchdringen des optischen Elementes mittels eines Strahlaufweiters aufgeweitet. Dies hat den Vorteil, dass der bearbeitende Laserstrahl mit einem kleinen Fokusdurchmesser auf die Oberfläche oder das Innere des zu bearbeitenden Objekts abgebildet werden kann und dass der bearbeitende Laserstrahl zudem eine große Tiefenschärfe aufweist.According to claim 11 is to be molded Laser beam before penetrating the optical element of a beam expander expanded. This has the advantage that the processing laser beam with a small focus diameter the surface or the inside of the object to be processed can be mapped and that the processing laser beam also has a large depth of field.
Das optische Element ist besonders für die Formung von gepulsten Laserstrahlen geeignet, da die homogene Intensitätsverteilung im Zentrum des Laserstrahls und die Reduzierung der Lichtintensität außerhalb dieses zentralen Bereichs dazu führt, dass beispielsweise beim Bohren von Löchern die Randbereiche um die Löcher herum einer geringeren Wärmebelastung ausgesetzt sind und somit eine bessere Lochqualität erzielbar ist.The optical element is special for the Formation of pulsed laser beams is suitable because of the homogeneous intensity distribution in the center of the laser beam and reducing the light intensity outside of it central area leads to that, for example, when drilling holes, the edge areas around the holes a lower heat load are exposed and thus a better hole quality can be achieved is.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13 hat den Vorteil, dass durch die dynamische Variation des Abstandes zwischen dem optischen Element und der zu bearbeitenden Oberfläche ein Bohren von verschiedenartig geformten, beispielsweise konischen Löchern möglich ist. Ferner kann bei einer Variation des Abstandes zwischen dem optischen Element und der zu bearbeitenden Substratoberfläche durch ein Ändern der Expansions- und Divergenzfaktoren eines Strahlaufweiters eine Vielzahl von verschiedenen Intensitätsprofilen des geformten Laserstrahls erreicht werden.The method according to claim 13 has the advantage that by dynamically varying the distance between the optical Element and the surface to be machined, drilling variously shaped, for example conical holes possible is. Furthermore, with a variation of the distance between the optical element and the substrate surface to be processed a change of the expansion and divergence factors of a beam expander one Variety of different intensity profiles of the shaped laser beam can be achieved.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform, welche anhand der Zeichnung erläutert wird. An dieser Stelle bleibt anzumerken,. dass sich die Bezugszeichen einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.Other advantages and features of present invention will become apparent from the following exemplary Description of a currently preferred embodiment, which with reference to the drawing explained becomes. At this point it should be noted. that the reference numerals corresponding components only in their first digit differ.
Eine Laserbearbeitungsmaschine mit
einem optischen Element gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist einen Laser
Das optische Element
Nach dem Durchgang durch das optische
Element
Das dieser Formel zugrundeliegende
Koordinatensystem umfasst eine x-Achse, welche mit der optischen
Achse des optischen Elements
Die Ausgangsoberfläche des
optischen Elementes
In den angegebenen Formeln werden die Koordinaten x und y jeweils in der Einheit Millimeter angegeben. Der Faktor c1 entspricht einem Korrekturfaktor und hat gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Wert von 105,6.In the formulas given the coordinates x and y are given in millimeters. The factor c1 corresponds to a correction factor and has according to this here described embodiment a value of 105.6.
Es wird darauf hingewiesen, dass
die angegebenen Formeln die Krümmungen
der Eingangsoberfläche
Die weggebrochenen Randstrahlen
Zusammenfassend schafft die Erfindung
ein optisches Element
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