DE112006001842T5

DE112006001842T5 - Einheit und Verfahren für Hochleistungs-Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE112006001842T5
Application number: DE112006001842T
Authority: DE
Inventors: David Northborough Brown
Original assignee: GSI Group Corp
Current assignee: Novanta Inc
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-07-08
Also published as: DE112006001842B4; US20070029289A1; GB2442650A; WO2007008727A2; US7672343B2; WO2007008727A3; GB0800500D0

Abstract

Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, umfassend eine Laserquelle für ein Hochleistungslaserlicht einer ersten Wellenlänge und mindestens ein optisches Element, beinhaltend ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig ist für das Licht der ersten Wellenlänge, mindestens eine stark reflektierende Beschichtung auf der ersten Substratseite und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung auf der zweiten Substratseite.

Description

Diese Anmeldung nimmt in Anspruch die Prioritäten der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/698,592 vom 12. Juli 2005 und der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/779,780 vom 7. März 2006.
Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungseinheit und im Einzelnen die optischen Elemente zur Benutzung in einer Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit.
Der Leistungsausgang eines konventionellen kommerziellen Lasers kann eine Höhe von mehreren Kilowatt erreichen. Weil Laser einen geringen Wirkungsgrad aufweisen, erwärmen sie sich durch die Eingangsleistung, die nicht in eine nützliche Ausgangsleistung verwandelt wird. Bei einer typischen Gesamtwirkung von 10% entstehen große Mengen an Wärme, und diese Wärme wird normalerweise durch einen Wasserkreislauf oder durch eine Luftkühlung oder eine Kombination von beidem entfernt. Die stationären oder halb-stationären optischen Elemente, die den Laserstrahl biegen, fokussieren und lenken, erwärmen sich auch durch die überschüssige Wärme im Laser, werden aber vor allem vom Laserstrahl selbst bestrahlt. Weil diese optischen Elemente weder komplett transparent, noch perfekt reflektierend sein können, absorbieren und verwandeln sie einen kleinen Bruchteil der Leistung des Lasers in zusätzliche Wärme, die auch abgeführt werden muss. Die Hohlspiegel, die Faltoberflächen und das Prüffernrohr u.ä. sind normalerweise Teil der Lasereinheit und können so einfach mit der gleichen Methode gekühlt werden, die auch für den Laser benutzt wird.
Allerdings ist die Einheit, mit der der Laserstrahl auf die Arbeitsfläche gelenkt wird, gemeinhin auch „Scankopf" genannt, oft abseits vom Laser selbst angebracht, kann sogar die Form eines Roboterendeffektors haben oder anders dynamisch mit dem Laser selbst verbunden sein. Durch diese abseitige und dynamische Verbindung zwischen dem Laser und dem Prozess ist es sehr schwer, die Scaneinheit mit demselben Kühlsystem zu kühlen, das auch den Laser kühlt; und es ist im Allgemein schwer und teuer, ein gleichwertiges Kühlsystem für den Scankopf bereitzustellen.
Die Ursache, warum die Scaneinheit gekühlt werden muss, ist wie folgt. Der Laserstrahl bestrahlt die Optik, die normalerweise ein oder zwei Spiegel und eine Fokussierungslinse beinhaltet. Obwohl diese Optik sich außerhalb des heißen Lasers befindet und obwohl der Laserstrahl an der Optik ausgeweitet wird, um die Leistungsdichte des Strahls zu reduzieren, wird nicht die Gesamtleistung, die den Spiegel trifft, auch reflektiert. Ein kleiner Bruchteil der Leistung des Laserstrahls, normalerweise zwischen 0,3% und 0,5%, erhitzt jeden einzelnen Spiegel. Bei einer Strahlenleistung von 6 kW betragen 0,3% 30 Watt, welche, wenn aufgenommen, die Masse des Spiegels schnell soweit erwärmen würden, dass er zerstört würde.
Die Spiegel im Laser selbst haben eine feste Position und erlauben deshalb einen robusten Thermalkontakt mit dem Gehäuse des Lasers, das, wenn gekühlt, einen Konduktionsweg mit niedrigem Thermalwiderstand zu dem Kühlsystem darstellt. Andererseits sind die Spiegel, die den Laserstrahl auf die Arbeitsfläche lenken, normalerweise an einem dünnen Regler angebracht, normalerweise dem Regler eines Drehmotors zur begrenzten Rotation. Wegen der Wärmeanfälligkeit eines solchen Motors ist der Regler absichtlich aus einem Material mit hohem Thermalwiderstand hergestellt, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl. Aus diesem Grund ist die einzige wirksame Kühlungsmethode für den Spiegel die natürliche Konvektion.
Es kann bewiesen werden, dass der Wärmeverlust bei freier Konvektion von einer flachen Oberfläche etwa 6,6 × 10^–2 W/cm² Oberfläche beträgt, wenn die umgebende Luft z. B. etwa 20°C beträgt und die Oberflächentemperatur z. B. etwa 50°C. Dadurch gibt es eine Obergrenze für die Leistung, die die Oberfläche, in diesem Falle der Spiegel, aufnehmen kann, wenn die Temperatur unter 50°C betragen soll. Dies ist erforderlich, weil sonst die Oberfläche des Spiegels sich wahrscheinlich von der Idealform entfernt und auch weil sich die Leistung des Reglers, an dem er angebracht ist, oft durch Wärme verringert.
Die konventionelle Methode zum Entwurf eines Laserbearbeitungsspiegels ist, die Strahlenöffnung und die Spiegelgröße so festzulegen, dass sie groß genug sind eine fokussierte Punktgröße zu erzielen, die angebracht ist für die gewollte Verwendung. Der minimale Strahlendurchmesser beträgt D = (1,22λ) (F)/Punktdurchmesser, wo F die Brennweite der Linse darstellt und λ die Wellenlänge des Lasers. So beträgt z. B., bei der Wellenlänge eines CO₂-Lasers (10,6 μm oder 1,06 × 10^–3 cm) und einer Brennweite von 20 cm, die minimale Öffnungsgröße, die erforderlich ist, um einen Punkt mit Durchmesser 1 × 10^–2 cm zu schaffen, (1,22) (1,06 × 10^–3) (20)/(1 × 10^–2) = 2,59 cm Durchmesser. Die Oberfläche eines Spiegels mit dieser Öffnung, ausgelegt um bei einem nominalen Einfallswinkel von 45° zu funktionieren und mit Rücksichtnahme auf einen Abstand rund um die Öffnung, wäre etwa 1,65 D² oder, in diesem Falle etwas über 11 cm², und könnte bei einer Temperatur von 50°C und einer den Spiegel umgebenden Lufttemperatur von 20°C eine Leistung von 6,6 × 10^–2 W/cm² × 11cm² = 0,73 W ableiten (ein Temperaturanstieg von 30°C und eine absolute Temperatur von 50°C). Angenommen die reflektierende Beschichtung reflektiert 99,7% des Strahles, dann kann dieser Spiegel bei etwa 0,73/0,003 = 244 W Strahlenleistung benutzt werden, was bis vor kurzer Zeit angemessen war. Allerdings besteht der Bedarf für eine neue, effizientere Bauweise für solche Spiegel wenn, wie oben beschrieben, Laserleistungen in einer Kilowatt-Größenordnung (also bis zu 25mal stärker als die erlaubte Wärme, die durch so einen Spiegel aufgenommen werden könnte) benutzt werden, wenn die Komplexität, die hohen Ausgaben und die Abnutzung vermieden werden sollen, die durch ein aktives Kühlsystem entstehen würden. Wir nennen einen solchen Spiegel ab jetzt einen Niedrigabsorbtionsspiegel.
Deshalb besteht der Bedarf für eine wirtschaftliche und effiziente Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, die eine verbesserte Leistung in der Laserbearbeitung bereitstellt, ohne auf ein aktives Kühlsystem zurückgreifen zu müssen.
Die Erfindung stellt eine Hochleistungs-Lasereinheit bereit, umfassend eine Laserquelle und mindestens ein optisches Element in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung. Die Laserquelle stellt ein Hochleistungs-Laserlicht von einer ersten Wellenlänge bereit. Das optische Element beinhaltet ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig für diese erste Wellenlänge ist und mindestens eine stark reflektierende Beschichtung an einer ersten Substratseite und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung an einer zweiten Substratseite. In weiteren Ausführungsformen bietet die Erfindung auch ein Verfahren zur Ausführung von Hochleistungs-Laserbearbeitung.
In einer weiteren Ausführungsform bietet die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, die den Schritt der Bereitstellung eines Hochleistungs-Laserlichts in einer ersten Wellenlänge beinhaltet, und stellt bereit mindestens ein optisches Element, umfassend ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig für die Beleuchtung der ersten Wellenlänge ist. Mindestens eine stark reflektierende Beschichtung wird auf der ersten Substratseite bereitgestellt und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung wird auf einer zweiten Substratseite bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit bereit, umfassend eine Laserquelle für ein Hochleistungs-Laserlicht einer ersten Wellenlänge und mindestens ein optisches Element, umfassend ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig für die erste Wellenlänge ist, mindestens eine stark reflektierende Beschichtung auf der ersten Substratseite und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung auf einer zweiten Substratseite. Energie, die den Spiegel durchläuft, wird in einer wärmeableitenden Struktur abgefangen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Es wird nun die Erfindung anhand von Beispielen, und mit Bezug auf die anliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine zeichnerische Darstellung einer Laserbearbeitungseinheit in Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung, welche Niedrigabsorbtionsspiegel benutzt.
2 eine zeichnerische Darstellung von einem Spiegel- und Rotorgefüge für eine Einheit in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
3 eine zeichnerische Darstellung eines Schnitts durch die Linie 3-3 des Spiegel- und Rotorgefüges aus 2.
4-6 zeichnerische Darstellungen von Schnitten von Spiegeln zur Benutzung in Einheiten in Übereinstimmung mit weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
7 eine zeichnerische Darstellung eines Drehmotors zur begrenzten Rotation in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
8 und 9 zeichnerische Darstellungen von Schnitten von weiteren Drehmotoren zur begrenzten Rotation von weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
Die Figuren sind nur zu illustrativen Zwecken inbegriffen.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER GEZEIGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wurde gefunden, dass Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheiten so aufgebaut werden können, dass sie ohne aktives Kühlsystem auskommen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die optischen Elemente, vor allem die Spiegel, so gestaltet sind, dass nur sehr wenig der einfallenden Laserleistung von den Spiegeln aufgenommen wird. In der Tat ist die Kombination der Unterlage und der Beschichtung so ausgewählt, dass die Energie, die nicht reflektiert wird, den Spiegel durchläuft, ohne absorbiert zu werden, so dass sie in einer Struktur gefangen wird, wo sie in Wärme umgewandelt wird und diese Wärme durch natürliche Konvektion, durch Konduktion oder eine Kombination davon, abgeleitet werden kann.
Ein Verfahren zur Konstruktion eines Niedrigabsorptionsspiegels, der in einer bestimmten Laserbearbeitungsanwendung benutzt werden kann, ist wie folgend. Zuerst werden die Betriebswellenlänge und die Strahlenleistung des Lasers festgelegt. Das Material für die Unterlage des Spiegels wird dann so ausgewählt, dass es so durchsichtig als möglich bei dieser Wellenlänge ist. Die Strahlenleistung in Watt wird dann mit (1-R) multipliziert, wo R das erwartete Reflexionsvermögen des Spiegels darstellt. Dies ist die Leistungsmenge, die durch die Beschichtung dringt. Das Resultat wird dann mit (1-T) multipliziert, wo T die zu erwartende Transparenz des Substrats darstellt. Dies ist die Menge der Leistung (P_A), die durch die Beschichtung läuft und die in einem Durchgang von der Spiegelunterlage absorbiert wird. Dieses Resultat wird dann von der Leistungsmenge, die durch die Beschichtung geströmt ist abgezogen: (1-R)-(1-T). Dies ist die Restleistung, die durch die Beschichtung geflossen ist und kann durch interne Reflexion im Spiegel entweder teilweise oder komplett absorbiert werden oder durch die Rückseite des Spiegels fließen. Der Grad, zu welchem sie durchfließt, wird bestimmt durch die Fresnel-Reflexion auf der Rückseite. Das Resultat wird dann multipliziert mit (F), wo F die Fresnel-Reflexion auf der Rückseite des Spiegels darstellt, wenn diese Rückseite poliert ist. Ist die Rückseite nicht poliert, dann wird ein Großteil des Lichts zurück in den Spiegel gestreut und nach mehreren Aufprallen absorbiert. Zum Beispiel kann F = 0,5 betragen. Dieses Resultat wird mit P_A addiert. Dies stellt die Gesamtleistung dar, die vom Spiegel absorbiert wird. Die minimale Spiegeloberfläche in cm² wird dann erhalten, durch die Division des oben genannten Resultats durch 6,6 × 10^–2 W/cm². Mit Benutzung von wohlbekannten Feinfilmbeschichtungstechniken wird dann ein dielektrischer Reflektor gebildet, um R auf der Vorderseite zu erzielen. Mit wohlbekannten Feinfilmbeschichtungstechniken werden auch auf der Rückseite dielektrische nicht reflektiernde Beschichtungen gebildet, um F auf der Rückseite zu erreichen.
Die Vorteile der Erfindung zeigen sich in dem folgenden Beispiel. Ein konventioneller Spiegel wird erwägt und seine Leistung verglichen mit der eines Spiegels, der nach dem oben genannten Verfahren konstruiert wurde. Um die Anzahl der Variablen gering zu halten, erwägen wir in beiden Fällen einen CO₂-Laser mit einer Strahlenstarke von 6 kW und auch in beiden Fällen ein Siliciumsubstrat. Der konventionelle Spiegel hat eine polierte Oberfläche und eine fein geschliffene Rückseite. Die reflektierende Beschichtung ist aus Gold mit einer Schutzbeschichtung die so ausgewählt ist, dass das Reflexionsvermögen bei einer Wellenlänge von 10,6 μm am Höchsten ist, und deshalb beträgt das Reflexionsvermögen 99,7%. Bei dieser Wellenlänge hat Silicium eine interne Transparenz von etwa 0,900. Wenn wir durch die Verfahrensschritte gehen, finden wir heraus, dass der Spiegel 9,9 Watt Leistung absorbiert. Natürlich kann der Spiegel, wenn er groß genug ist, diese 9,9 Watt durch natürliche Konvektion abbauen. Normalerweise würden 150 cm² (fast 100 mm Durchmesser) Spiegeloberfläche benötigt, um diese Wärme auf natürlichem Weg abzubauen, und das wäre zu groß, um in einen Laserlenkkopf zu passen, und die Leistung die aufgebracht werden müsste um ihn zu regeln, wäre wirtschaftlich sinnlos. In einem Spiegel mit demselben Substrat, der auf beiden Seiten poliert ist, und unter Annahme eines etwas niedrigeren Reflexionsvermögens von 0,995 bei einer ganz dielektrischen Reflektoranordnung und 0,5% Fresnel-Verlust auf der Rückseite, finden wir heraus, dass nur 1,808 Watt von dem gleichen Spiegel absorbiert werden. Das führt zu einer benötigten Oberfläche von 27 cm², also weniger als 20% der oben genannten Größe, und im Bereich der Größe von normalerweise benützten Spiegeln in Laserlenkköpfen. In diesem Falle wurden 18 Watt Leistung des Laserstrahls am Spiegel verloren, wovon 1,8 Watt absorbiert wurden und 16,2 Watt durch den Spiegel gelaufen sind, in eine Energiefalle die groß genug ist, um diese Leistung aufnehmen zu können. Es sei auch bemerkt, dass die Spiegelöffnung, (27/1,65)^½ = 4,04 cm, größer ist als die Minimalgröße die benötigt wird um die erforderliche Punktgröße zu erzielen.
Die Erfindung stellt deshalb ein Verfahren bereit, um ein Maximum an Energie, die dem Laserstrahl entweicht, durch den Spiegel in eine Falle zu leiten, anstatt dass sie vom Spiegel absorbiert wird. Im Allgemeinen wird immer ein Strahlendurchmesser produziert der angemessen ist, um die erforderliche Punktgröße zu erreichen, während gleichzeitig die Größe des Spiegels und des angeschlossenen Reglers möglichst klein bleibt.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Benutzung von bestimmten Substraten und nicht reflektierenden Beschichtungen erreicht. Optische Elemente der Erfindung können mit einer Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit benutzt werden (siehe 1). Eine solche Laserleseeinheit 10, in welcher ein Spiegel dieser Erfindung benutzt werden kann, beinhaltet ein Laseruntersystem 12, das einen Laserstrahl durch die Optik 13 zum ersten Spiegel 14 leitet, der um eine erste Rotationsachse 16 rotieren kann (siehe Punkt A). Der Großteil der Energie des Laserstrahls (99,5%-99,8%) wird auf dem ersten Spiegel 14 reflektiert und wird vom ersten Spiegel 14 zu einem zweiten Spiegel 18 geleitet, der um eine zweite Rotationsachse 20 rotieren kann (siehe Punkt B). Der Rest der Energie des Laserstrahls wird zum Teil vom Spiegel 14 absorbiert und läuft zum Teil durch Spiegel 14. Es ist eines der Ziele der Erfindung, den Anteil der nicht reflektierten Energie des Laserstrahls, die von Spiegel 14 absorbiert wird, so klein wie möglich zu halten und so ein Maximum der Energie zur Lichtfalle 15 zu leiten. Lichtfalle 15 besteht aus Materialien, die so ausgewählt sind, dass sie das Licht von der Wellenlänge des Lasers absorbieren, und die Materialien sind in einer bestimmten Weise angeordnet, zum Beispiel als integrierende Kugel, die die Eigenschaft hat, dass das Licht mehrere Male intern reflektiert wird, bis es praktisch ganz absorbiert ist. Bei optimaler Benutzung ist die Lasereinheit nicht von der Temperatur der Falle abhängig, so dass die Falle fähig ist auf die Absorption der Energie mit einer steigenden Temperatur zu reagieren, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht wird, auf welchem die absorbierte Energie durch natürliche Konvektion abgeführt wird. In anderen Worten, die Erfindung verlegt die überflüssige Wärme vom Spiegel, von wo aus sie nicht abgeführt werden kann, ohne dass der Spiegel überhitzt wird, zu einer Falle, von wo aus sie abgeführt werden kann. Die Falle kann so konstruiert sein, dass sie aktiv gekühlt wird wenn das nötig ist, oder sie kann einfach die benötigte Oberfläche haben (z. B. mit Lamellen o.ä.), über welche die Wärme natürlich abgeführt werden kann. Die zweite Rotationsachse 20 ist orthogonal zu der ersten Rotationsachse 16 angeordnet. Der Laserstrahl wird dann, von einer reflektierenden Oberfläche 24 auf dem Spiegel 18, durch Optik 21 auf eine Projektionsfläche 22 geleitet (die auf der Brennebene liegen kann oder nicht). Auch hier wird die überwältigende Mehrheit der Energie des Laserstrahls reflektiert und die Mehrheit des Restes läuft durch den Spiegel und wird durch eine andere Falle 19 gefangen. Die Position des Laserstrahls auf der Abbildungsoberfläche 22 kann in einer ersten Richtung geregelt werden (siehe Punkt C), indem die Rotationsposition des ersten Spiegels 14 geregelt wird (siehe Punkt A), und kann auf einer rechtwinklig dazu angelegten zweiten Position geregelt werden (siehe Punkt D), indem die Rotationsposition des zweiten Spiegels 18 geregelt wird (siehe Punkt B).
In weiteren Ausführungsformen können die Spiegel 14 und 18 auf einem Laufwagen angebracht sein, der gegenüber der Projektionsoberfläche 22 beweglich ist, und der Laser kann abseits des und/oder feststehend im Vergleich zu besagtem Laufwagen sein. Die Laserenergie kann über eine Fokussierungslinse oder über eine Lichtleitfaser oder über andere Mittel, die zwischen dem Laser und dem Spiegel 14 angebracht sind, zum Spiegel 14 geleitet werden. Auch kann eine oder können mehrere Linsen zwischen dem Spiegel 18 und der Projektionsoberfläche angebracht sein.
Es wurde gefunden, dass der Temperaturanstieg eines Spiegels durch die richtige Auswahl der Spiegelmaterialien um oder unter einem bestimmten Maximum gehalten werden kann, zum Beispiel um oder unter 30°C. Eines der Ziele ist es, die Menge der Wärme die der Spiegel absorbiert zu begrenzen. Normale reflektierende Beschichtungen erreichen eine Reflexion zwischen 99,5% und 99,7%, wodurch zwischen 0,3 und 0,5% der Energie auf das Substrat einschlägt. Die Menge der Wärme, die durch natürliche Konvektion abgeführt wird, bei einem Temperaturunterschied von 30°C, beträgt in etwa 6,6 × 10^–2 W/cm² der Spiegeloberfläche. Der Spiegel absorbiert den Rest der Laserenergie, wenn nicht die Erfindung benutzt wird, dank welcher die Mehrheit der nicht reflektierten Energie durch den Spiegel läuft.
Bei einem typischen 15 mm Spiegel beträgt die Oberfläche in etwa 4,2 cm², also beträgt die Leistung, die durch Konvektion abgeleitet werden kann, nicht mehr als 4,2 cm² × 6,6 × 10^–2 Watt/cm² = 0,28 Watt. Beträgt die Laserleistung 300 Watt, treffen nur 0,3% davon auf dem Substrat ein (0,003 × 300 W = 0,9 W). Das bedeutet, dass das Substrat nicht mehr als 0,28/0,9 = 31% der nicht reflektierten Energie absorbieren kann. Ist die Rückseite des Substrats nicht poliert, wie das normalerweise der Fall ist, wird die Gesamtheit der 0,9 W schlussendlich nach mehreren internen Reflexionen absorbiert werden. Ist die Rückseite poliert, dann wird ein Großteil der Energie absorbiert werden durch interne Reflexion wegen des hohen Refraktionsindex von Silicium, da die vordere Seite stark reflektierend ist.
Siehe 2 und 3: Der Spiegelaufbau 30 zur Benutzung in einer Einheit in Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung umfasst einen querlaufenden Spalt, in den ein Spiegel geklebt, gelötet oder anders befestigt werden kann, und eine kegelförmige Fassung 38, die in einer kegelförmigen Öffnung 36 in einer Rotorantriebswelle 34 angebracht sein kann. Bevorzugt wird dieser Spiegelaufbau in der Fassung festgelötet. Die Einheit kann einen möglichst genau übereinstimmenden Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Spiegelmaterial und dem Fassungsmaterial benötigen. So kann zum Beispiel ein Quarzsubstrat (UV oder nah-IR) eine Fassung aus einer Legierung 32-5 haben während das Silicium eine Fassung aus Molybdän hat.

Die Rückseite des Spiegels kann mit einem sehr niedrigen Reflektor beschichtet sein; z. B. mit einer nicht reflektierenden Beschichtung. Bei den Einfallswinkeln von Belang liegt jetzt der Fresnel-Verlust auf der Rückseite unter 0,5%, und die interne Transmission von Silicium bei einer Wellenlänge von 10,6 μm beträgt etwa 90%. Dies bedeutet, dass 10% der 0,9 Watt durch die klassische Absorption des Siliciums absorbiert werden und 0,5% des Restes wird durch Fresnel-Reflektion auf der Rückseite absorbiert. Das ist ein Total von 0,09 W + 0,004 W = 0,094 W, was viel weniger ist als die 0,28 Watt die bei einem Temperaturanstieg von 30°C abgeführt werden können und so ist der Temperaturanstieg am Spiegel um etwa die Hälfte niedriger. Folglich kann die Wärme die vom Spiegel absorbiert wird durch natürliche Konvektion abgeführt werden, ohne dass die Temperaturgrenze des Spiegels überschritten wird. Konventionelle Spiegel absorbieren dreimal so viel Energie in ihrem Substrat als die von bestimmten Ausführungsformen der Erfindung, und zehnmal so viel als die bevorzugte Ausführungsform, die wie folgt aussieht: CO₂-Laser (10,6 μm Wellenlänge) Konventioneller Spiegel, Quarzsubstrat, feingeschliffene Rückseite

Reflexionsvermögen auf der Vorderseite:	0,997
Interne Transmittanz:	0,2
Reflexionsvermögen auf der Rückseite:	Diffus (0,5)
Absorbierter Leistungsanteil:	(1 – 0,997)(1 – 0,2) = 2,4 × 10^–3 W/W
	((1 – 0,997) – (2,4 × 10^–3))(0,5) = 3 × 10^–4 W/W
	Total: 2,7 × 10^–3 W/W

Konventioneller Spiegel, Quarzsubstrat, polierte Rückseite

Reflexionsvermögen auf der Vorderseite:	0,997
Interne Transmittanz:	0,2
Reflexionsvermögen auf der Rückseite:	0,04
Absorbierter Leistungsanteil:	(1 – 0,997)(1 – 0,2) = 2,4 × 10^–3 W/W
	((1 – 0,997) – (2,4 × 10^–3))(0,04) = 2,4 × 10^–5 W/W
	Total: 2,42 × 10^–3 W/W

Konventioneller Spiegel, Siliciumsubstrat, feingeschliffene Rückseite

Reflexionsvermögen auf der Vorderseite:	0,997
Interne Transmittanz:	0,9
Reflexionsvermögen auf der Rückseite:	Diffus (0,5)
Absorbierter Leistungsanteil:	(1 – 0,997)(1 – 0,9) = 3 × 10^–4 W/W
	((1 – 0,997) – (3 × 10^–4))(0,5) = 1,35 × 10^–3 W/W
	Total: 1,65 × 10^–3 W/W

Konventioneller Spiegel, Siliciumsubstrat, polierte Rückseite

Reflexionsvermögen auf der Vorderseite:	0,997
Interne Transmittanz:	0,9
Reflexionsvermögen auf der Rückseite:	0,3
Absorbierter Leistungsanteil:	(1 – 0,997)(1 – 0,9) = 3 × 10^–4 W/W
	((1 – 0,997) – (3 × 10^–4))(0,3) = 8,1 × 10^–4 W/W
	Total: 1,1 × 10^–3 W/W

Niedrig absorbierender Spiegel, Siliciumsubstrat

Reflexionsvermögen auf der Vorderseite:	0,997
Interne Transmittanz:	0,9
Reflexionsvermögen auf der Rückseite:	0,005
Absorbierter Leistungsanteil:	(1 – 0,997)(1 – 0,9) = 3 × 10^–4 W/W
	((1 – 0,997) – (3 × 10^–4))(0,005) = 1,35 × 10^–5 W/W
	Total: 3,13 × 10^–4 W/W

Der niedrigabsorbierende Spiegel absorbiert dreieinhalb mal weniger Leistung als die konventionellen Spiegel mit dem durchsichtigen Substrat und neunmal weniger Leistung als der konventionelle Spiegel mit dem undurchsichtigen Substrat.
Gemäß einem Beispiel kann eine Einheit der Erfindung eine Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit beinhalten, die eine Laserquelle und mindestens eine Strahlenlenkplatte enthält. Die Laserquelle produziert einen Ausgangsstrahl mit Laserenergie (z. B. CO₂, 10,6 μm, Ausgangsleistung). Die Lenkplatte empfängt (wenigstens teilweise) den Ausgangsstrahl der Laserenergie. Die Lenkplatte enthält ein Spiegelsubstrat (z. B. Silicium) das hochdurchlässig ist (bevorzugt nah am Maximum) für die Wellenlänge (z. B. bei CO₂ mit einer Wellenlänge von 10,6 μm), so dass eine nennenswerte Absorption des Strahls im Substrat abgewendet werden kann. Das Substrat hat eine stark reflektierende Beschichtung (z. B. dielektrischer Block) auf einer ersten (vorderen) Substratoberfläche um fast die Gesamtheit der Laserenergie zu reflektieren, und hat auch eine nicht reflektierende Beschichtung auf einer zweiten (hinteren) Oberfläche (z. B. Zinksulfid, Stärke = ¼ Welle = 2,5 μm) damit fast die gesamte nicht reflektierte Laserenergie die durch das Substrat fließt auch durch die hintere Oberfläche fließt und damit so eine nennenswerte Rückreflexion der nicht reflektierten Energie verhindert wird. Die Kombination der stark reflektierenden Beschichtung (HR), der Substrattransmission und der nicht reflektierenden Beschichtung (AR) begrenzt den Temperaturanstieg des Substrats und erlaubt die Laserbearbeitung ohne zusätzliche Kühlung des Spiegelsubstrats. In einer weiteren Ausführungsform kann die Laserquelle z. B. eine Hochleistungs-YAG-Laserquelle sein.
Das Substrat besteht z. B. aus Silicium, Germanium oder Zinksulfid (zur Benutzung im IR-Bereich) oder z. B. Quarz, Saphir oder Magnesiumfluorid (zur Benutzung im sichtbaren oder nahen IR-Bereich). Die reflektierende Beschichtung kann aus z. B. einer Kombination aus Titaniumdioxid, Siliciumdioxid, Thalliumfluorid oder Zinkselenid bestehen und die nicht reflektierende Beschichtung kann z. B. aus einer Verbindung aus Magnesiumfluorid, Aluminiumoxid oder Zinksulfid bestehen. Zum Beispiel in einer YAG-Lasereinheit (mit einer Zentralwellenlänge von etwa 1,06 μm) können zwei Sätze von abwechselnd TiO₂-und SiO₂-Filmen als reflektierende Beschichtung auf Kieselglas benutzt werden, und die nicht reflektierende Beschichtung kann aus fünf Sätzen MgF₂ und Al₂O₃ bestehen. Bei einer CO₂-Lasereinheit (mit einer Zentralwellenlänge von etwa 10,64 μm) können zwei Sätze von abwechselnd ThF₄ und ZnSe-Filmen als reflektierende Beschichtung auf Silicium benutzt werden und die nicht reflektierende Beschichtung kann zwei Sätze von abwechselnd ThF₄ und ZnS-Filmen beinhalten.
Das Leitsystem kann z. B. eine Drehmotoreinheit zur begrenzten Rotation beinhalten (z. B. eine Galvanometereinheit) und die Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit kann z. B. für Schweißen, Schneiden und Bohren usw. verwendet werden. Die Einheit kann weiter verschiedene optische und/oder mechanische Komponenten enthalten (z. B. Gelenkarme) um den Strahl von der Laserquelle zu mindestens einem Spiegel zu leiten. Das Lenksystem kann in einer vorobjektiven oder nachobjektiven Position angebracht sein (um die reflektierte Laserenergie auf die Arbeitsfläche zu fokussieren usw.).
Der Spiegel wird vorzugsweise gelötet, was das Benutzen von Klebstoff vermeidet. Das ist erforderlich, weil es vorkommen kann, dass der Laserstrahl auf die Kontaktfläche zwischen Spiegel und Fassung strahlt. Bei einem solchen Zwischenfall würde Klebstoff oder Kunstharz verdampfen und sich unweigerlich auf der oder den Spiegeloberfläche(n) absetzen. Diese Ablagerungen haben nachteilige optische Eigenschaften, z. B. eine starke Absorption der Laserenergie. Im besten Falle bewirken solche Ablagerungen eine Reduktion des lokalen Reflexionsvermögens des Spiegels und im schlimmsten Falle, wenn sie auf der Spiegeloberfläche festbacken, können sie die Zerstörung des Spiegels durch lokale Überhitzung bewirken. Lötmetall, wenn es richtig eingesetzt wird, hat eine glänzende, stark reflektierende Oberfläche, eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine gute thermische Verbindung mit der Fassung und eine Verdampfungstemperatur die Hunderte Grade über der von Klebstoffen oder Kunstharzen liegt. Dies bewirkt, dass geringfügige unabsichtliche Belichtung der Lötoberfläche mit dem Laserstrahl der Einheit keinen Schaden zufügt.
In einer Ausführungsform kann der Strahlendeflektor (Subsystem) auf einem Roboter oder einer anderen Gelenkeinheit angebracht sein und kann wahlweise aktiv gekühlt werden. Die Erfindung bietet auch ein Verfahren zum Bereitstellen von Hochleistungs-Laserbearbeitung durch das Benutzen von laserfrequenztransparenten Substraten und nicht reflektierenden Beschichtungen.
Konventionelle Spiegel funktionieren normalerweise bis zu einer Bestrahlungsstärke von etwa 22 W/cm² (100 W auf einem 15 mm Spiegel) mit etwa 0,003% absorbierte Leistung die durch natürliche Konvektion abgeleitet wird. Die Lösung mit dielektrischer Beschichtung, durchsichtigem Substrat und nicht reflektierender Beschichtung funktioniert bei Strahlungsdichten bis zu etwa 110 W/cm² (500 W auf einem 15 mm Spiegel) weil verglichen mit einem konventionellen Spiegel nur 1/5 der Leistung vom Substrat absorbiert wird. Danach funktioniert die Einheit bei erzwungener Konvektion bis zu etwa 100 W/cm² (500 W auf einem 15 mm Spiegel), beziehungsweise etwa 2,5 kW/cm² (10,5 kW auf einem 15 mm Spiegel). Bei höheren Leistungen wird Wasserkühlung benötigt um die Spiegel nah an die Umgebungstemperatur zu kühlen. Verschiedene Kühlmethoden können über bestimmte Bereiche von Laserstärken benutzt werden. Ein 60 mm Spiegel der konventionell aufgebaut ist könnte 6 kW mit erzwungener Konvektion bewältigen, während ein 56 mm Spiegel der nach dieser Erfindung konstruiert ist bis zu 6 kW ohne aktive Kühlung bewältigen könnte.
Obwohl sie oft benutzt werden und obwohl sie effizient zur Wärmeabführung von Spiegeln sind, müssen Zwangskonvektionskühlungen (Luftstrahl), um effizient zu sein, auf den Spiegel auftreffen. Eine oder mehrere Kräfte, die durch das Aufprallen verursacht werden, und Bernoulli-Effekte werden deshalb algebraisch mit den Spiegelreaktionskräften addiert, wie sie das Kontrollsystem in einer typischen Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit für die Geschwindigkeit und Position des Spiegels wahrnimmt. Die Amplitude und Richtung dieser Kräfte hängt von der Momenteinstellung von dem oder den Spiegel(n) gegenüber den Luftdüsen ab und ist nicht-linear und signifikant. Deshalb wird die Genauigkeit der Geschwindigkeit und der Position der Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit reduziert, wenn ein Druckluftkühlsystem für die Spiegel benutzt wird. Zusätzlich verursacht die Strömung von heißer Luft durch den Lichtstrahl optische Abweichungen, die die Tendenz haben, den Durchmesser des kleinstmöglichen fokussierten Punktes zu vergrößern, was weiter die Präzision der Einheit beeinträchtigt. Aus diesen Gründen werden sowohl die Leistung und die Kosten von Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheiten verbessert, wenn der Bedarf an Kühlung für die Spiegel wegfällt.
Siehe 4: Das optische Element 40 zur Benutzung in einer erfindungsgemäßen Einheit ermöglicht eine sehr hohe Reflektion des einfallenden Laserlichts 42 (siehe 44), während gleichzeitig refraktive Energie (siehe 46) größtenteils vom Element 40 entfernt wird (siehe 50), anstatt dass sie ins Element 40, wie auf 42 gezeigt, zurückreflektiert würde. Im Besonderen zeigt 5 ein optisches Element umfassend ein Substrat 50, eine stark reflektierende Beschichtung 42 und eine nicht reflektierende Beschichtung 54 auf der Rückseite. Einfallendes Hochleistungs-Laserlicht 56 wird größtenteils reflektiert (siehe 58), während anfallende refraktive Strahlung vom Element entfernt wird. Teil 60 des optischen Elements (inbegriffen in Substrat 50 und Beschichtung 54) ist so ausgewählt, dass es das Laserlicht nicht absorbiert und die nicht reflektierende Beschichtung sorgt dafür, dass nur wenig Licht zurück ins Substrat 50 reflektiert wird. Ein wesentlicher Teil des Lichts, das in das Element refraktiert wird, verlässt deshalb das Element (siehe 62).
In den erfindungsgemäßen Ausführungsformen können optische Elemente zum Einsatz kommen, die einen mehrschichtigen reflektierenden Teil enthalten, der z. B. mehrere Schichten von stark reflektierenden Beschichtungen enthält. Zum Beispiel zeigt 6 ein optisches Element, das ein Substrat 70 enthält, auf welchem eine Seite mit mehreren stark reflektierenden Beschichtungen beschichtet ist und die andere Seite eine nicht reflektierende Beschichtung 77 hat. Die stark reflektierenden Beschichtungen enthalten einen ersten Teil 74 der so konstruiert ist, dass er einen sehr hohen Anteil der einfallenden Laserstrahlen 72 reflektiert, während das Substrat 70 und die eine oder mehrere nicht reflektierende Beschichtung(en) 77 ein zweites Teil 76 bereitstellen das so konstruiert ist, dass es das Element von so viel wie möglich der refraktierten Laserstrahlung entledigt (siehe 78).
Siehe 7: Ein Scanneraggregat, umfassend eine Rotorwelle und eine Spiegelfassung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung, kann einen Lesemotor 80 enthalten. Lesemotor 80 umfasst einen rotierenden Rotor auf einer äußeren Achse 88 (wie oben gezeigt), mit einem Messfühler 82, um die Position der Achse zu bestimmen die an einem Ende des Rotors, und mit einem Leseelement 84, das einen Spiegel enthalten kann, und das angebracht ist auf der Ausgangsachse des Lesemotors 80, am gegenüberliegenden Ende des Messfühlers. In weiteren Ausführungsformen können das Leseelement 84 und der Messfühler 82 am selben Ende des Rotors befestigt sein. Die Einheit enthält auch eine Feedback-Kontrolleinheit 46 die an den Messfühler 82 und den Motor 80 angeschlossen ist, um die Geschwindigkeit und/oder die Position des Motors zu kontrollieren.
Siehe 8: In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann in einer Einheit 90 eine Spiegelfassung zum Einsatz kommen, umfassend ein Halteeisen 92, Ringwicklungen 94 und einen Magneten 96, der an die Achse 98 angebracht ist. Die Achse 98 ist durch Halterungen 104 an ein Gehäuse (nicht auf der Figur) so angebracht, dass es rotieren kann. Ein Leseelement, wie Spiegel 100, ist an einem Ende der Achse 98 angebracht, während ein Messfühler 102 an dem anderem Ende der Achse 98 angebracht ist.
Siehe 9: In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann ein Drehmotor-Aggregat zur begrenzten Rotation 110 ein Halteeisen 112, Ringwickler 114 und einen Magneten 116 enthalten, der an die Achse 118, so wie oben gezeigt, angebracht ist. Ein Spiegel 120 ist an die Achse angebracht über eine erfindungsgemäße Spiegelfassung, und die Achse ist über Halterungen 124 so an das Gehäuse (nicht auf der Figur) angebracht, dass es rotieren kann. Das Aggregat 110 kann weiter einen Messfühler beinhalten, wie oben gezeigt.
Die Erfindung ergibt sich im Übrigen aus den nachstehenden Ansprüchen:
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Hochleistungs-Laserbearbeitungssystem umfassend eine Laserquelle und mindestens ein optisches Element wird bereitgestellt. Die Laserquelle liefert ein Hochleistungs-Laserlicht von einer ersten Wellenlänge. Das optische Element umfasst ein Substrat das im Wesentlichen durchsichtig ist für das Licht der ersten Wellenlänge, und wenigstens eine stark reflektierende Beschichtung auf der ersten Substratseite und wenigstens eine nicht reflektierende Beschichtung auf der zweiten Substratseite.

Claims

Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, umfassend eine Laserquelle für ein Hochleistungslaserlicht einer ersten Wellenlänge und mindestens ein optisches Element, beinhaltend ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig ist für das Licht der ersten Wellenlänge, mindestens eine stark reflektierende Beschichtung auf der ersten Substratseite und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung auf der zweiten Substratseite.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei das Substrat Silicium enthält.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei die stark reflektierende Beschichtung ein Metalloxid enthält.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei die nicht reflektierende Beschichtung wenigstens eine Verbindung enthält aus Magnesiumfluorid, Aluminiumoxid, Thalliumfluorid oder Zinksulfid.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei das Substrat so ausgewählt ist, dass es im Wesentlichen durchsichtig ist für das Licht der ersten Wellenlänge.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei das optische Element eine Anzahl Beschichtungen aus nicht reflektierendem Material aufweist.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit zum Schweißen, Schneiden und Bohren verwendet wird.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit ferner eine wärmeableitende Falle enthält zum Aufnehmen des Lichts, das durch das optische Element läuft.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Einheit eine Anzahl wärmeableitender Fallen zum Aufnehmen von Licht enthält, die durch eine Vielzahl an optischen Elementen fließt.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Laserquelle einen CO₂-Laser enthält, und die erste Wellenlänge etwa 10,6 μm beträgt.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Laserquelle kein aktives Kühlsystem enthält.
Verfahren zur Bereitstellung einer Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, umfassend die Schritte: (1) Bereitstellen einer Hochleistungslaserlichts einer ersten Wellenlänge; (2) Bereitstellen von mindestens einem optischen Element, das ein Substrat enthält, welches im Wesentlichen durchsichtig ist für das Licht der ersten Wellenlänge, und mindestens eine stark reflektierende Beschichtung auf der ersten Seite des Substrats und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung auf der zweiten Seite des Substrats.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Substrat Silicium enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die stark reflektierende Beschichtung ein Metalloxid enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die nicht reflektierende Beschichtung wenigstens eine Verbindung enthält aus Magnesiumfluorid, Aluminiumoxid, Thalliumfluorid oder Zinksulfid.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Substrat so ausgewählt ist, dass es im Wesentlichen durchsichtig ist für das Licht der ersten Wellenlänge.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das optische Element eine Anzahl Beschichtungen mit nicht reflektierendem Material enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren zudem den Schritt aufweist des Umwandelns des Laserlichts zum Schweißen, Schneiden oder Bohren.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Laserquelle einen CO₂-Laser enthält und die erste Wellenlänge etwa 10,6 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren nicht den Schritt bedarf des aktiven Kühlens des optischen Elements.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit, umfassend eine Laserquelle für ein Hochleistungslaserlicht einer ersten Wellenlänge und mindestens ein optisches Element, beinhaltend ein Substrat, das im Wesentlichen durchsichtig ist für das Licht der ersten Wellenlänge, mindestens eine stark reflektierende Beschichtung auf der ersten Substratseite und mindestens eine nicht reflektierende Beschichtung auf der zweiten Substratseite, wobei die nicht reflektierte Energie durch den Spiegel läuft und in eine wärmeableitenden Struktur hinein.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 21, wobei die wärmeableitende Struktur durch natürliche Konvektion gekühlt wird.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 21, wobei die wärmeableitende Struktur durch erzwungene Konvektion gekühlt wird.
Hochleistungs-Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 21, wobei die wärmeableitende Struktur durch eine zirkulierende Kühlflüssigkeit gekühlt wird.