DE19724061C2 - Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Vorrichtungen dieser Art werden dazu eingesetzt, von der Ober­ fläche eines Werkstückes in einem bestimmten geometrischen Muster Material zu entfernen, beispielsweise um ein bestimm­ tes Lochmuster als Durchgangs- oder Blindbohrung in das Werk­ stück einzubringen, oder um in der Oberfläche des Werkstückes in einem entsprechenden Muster eine chemische oder physikali­ sche Änderung der Materialeigenschaften hervorzurufen. Dieses Muster wird durch die Maske vorgegeben, die entweder direkt auf dem Werkstück aufliegt oder mit einem Objektiv auf das Werkstück abgebildet wird. Der Flächenanteil, den das Öffnungs­ muster an der Gesamtfläche der Maske einnimmt, ist verhältnis­ mäßig gering, so daß nur ein kleiner Prozentsatz des auf die Maske auftreffenden Laserstrahles tatsächlich durch die Maske durchtritt und auf dem Werkstück effektiv wird. Entsprechend gering wäre ohne Zusatzmaßnahmen der energetische Wirkungs­ grad der Gesamtvorrichtung.

Daher ist es bekannt, die der Laserlichtquelle zugewandte Fläche der Maske zu verspiegeln und das an dieser Oberfläche reflek­ tierte Licht (welches bei weitem den Hauptteil des einfallenden Laserstrahles ausmacht) einer Spiegeleinrichtung zuzuleiten, welche diesen Anteil des Laserlichtes erneut auf die Maske zurückwirft. Auf diese Weise läßt sich der energetische Wirkungs­ grad der Vorrichtung erhöhen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist in der US 5 601 733 beschrieben. Bei der hier als Spiegeleinrichtung verwendeten Lichtröhre gibt es innerhalb des primären Laserstrah­ les Teilstrahlenbündel, deren Öffnungswinkel so klein ist, daß es die Austrittsöffnung der Lichtröhre passiert, ohne zuvor auf die reflektierenden Innenwände der Lichtröhre zu treffen. Derar­ tige Teilstrahlenbündel gibt es nicht nur beim ersten Durchgang des vom Laser erzeugten Primärstrahlbündels sondern auch bei allen nachfolgenden Reflexionen. Die reflektierten, aus der Lichtröhre austretenden Strahlen haben also an der Spiegelein­ richtung nur eine einfache Reflexion erfahren. Neben diesen Teilstrahlenbündel gibt es in der Spiegeleinrichtung der US 5 601 733 A noch weitere Strahlen, die eine im einzelnen nicht vorhersehbare Anzahl von Reflexionen innerhalb der Spiegelein­ richtung durchlaufen: Es handelt sich um diejenigen Strahlen, deren Öffnungswinkel so groß ist, daß sie nicht direkt die Austrittsöffnung der Spiegeleinrichtung durchtreten können, sondern zuvor einfach oder mehrfach an den spiegelnden Innenwänden der Lichtröhre reflektiert werden. Die Spiegeleinrichtung der US 5 601 733 A reflektiert also das Laserstrahlbündel nicht vollflächig, sondern erzeugt einzelne, unterschiedliche Eigen­ schaften aufweisende Teilstrahlen. Durch die streifende Reflexion, welche bestimmte Teilstrahlen innerhalb des ursprünglichen Laserstrahlbündels erfahren, treten verhältnismäßig hohe Verluste auf. Außerdem entsteht ein Strahl mit hoher Divergenz.

In Fig. 7 der DE 41 06 423 C ist eine Strahlformungsoptik für einen Laserstrahl dargestellt, welche den Laserstrahl in eine schmale Durchgangsöffnung eines halbkugeligen Spiegels, der über die Maske gelegt ist, fokussiert. Der Laserstrahl trifft auf die Maske stark divergierend auf; die einzelnen, an der spiegelnden Oberfläche der Maske reflektierten Strahlen werden dann in unkontrollierter Weise auf den Spiegel zurück und an dessen halbkugeliger Spiegelfläche sowie der Maske hin- und herreflektiert, bis sie wieder in nicht vorherbestimmter Weise auf das Öffnungsmuster der Maske auftreffen und dieses - wieder nur zum geringen Teil - durchtreten. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist erneut, daß die Reflexionen an dem halb­ kugeligen Spiegel z. T. unter sehr flachem Winkel erfolgen, was zu hohen Verlusten führt. Die Anteile des Laserstrahles, welche das Öffnungsmuster in der Maske durchtreten können, weisen eine starke Divergenz auf. Hierdurch wird die Abbildung der Maske auf das Werkstück erschwert, da Objektive im allge­ meinen nur auf eine bestimmte Divergenz der Strahlen optimiert sind. Außerdem leidet die "Tiefenschärfe" des die Strukturen auf dem Werkstück erzeugenden Strahls.

Ähnliches gilt für die in der US 5 011 253 A dargestellte Laser­ bearbeitungsvorrichtung. Hier befindet sich vor der Maske eben­ falls eine hohle, in diesem Falle zylindrisch ausgebildete, Spiegeleinrichtung, welche eine verhältnismäßig kleine Eintritts­ öffnung für den Laserstrahl aufweist. Erneut werden von den Wänden dieser hohlen Spiegeleinrichtung die von der spiegelnden Oberfläche der Maske zurückreflektierten Strahlen in einer im einzelnen nicht vorherbestimmten Weise und unter flachem Winkel hin- und herreflektiert, bis sie in diesem Sinne "zufällig" wieder auf das Öffnungsmuster der Maske treffen. Die Nachteile, die mit dieser Ausgestaltung verbunden sind, entsprechen den­ jenigen, die oben für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 der DE 41 06 423 C genannt wurden.

In den Fig. 10 bis 13 der DE 41 06 423 sind Vorrichtungen schematisch dargestellt, bei denen der Maske ein Planspiegel im wesentlichen parallel gegenübergestellt ist und der Laser­ strahl so unter schrägem Winkel auf die Maske eingestrahlt wird, daß er unter Mehrfachreflexion zwischen der Maske und dem Spiegel hin- und herläuft und so zeilenweise die Maske "beschreibt". Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, daß sie sich bei Verwendung eines Laserstrahles mit normal großem Quer­ schnitt nur für vergleichsweise große Masken eignet. Wenn der Laserstrahl dagegen zur Verwendung bei kleinen Masken auf einen kleineren Querschnitt gebracht wird, verschlechtert sich die Strahldivergenz.

Gleiches gilt für die in der DE 42 17 811 C beschriebene Vor­ richtung, bei welcher die Maske "zeilenweise" durch die mehr­ fache Reflexion des einfallenden Laserlichtstrahles an der Spiegeleinrichtung beleuchtet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unter Aufrecht­ erhaltung eines hohen energetischen Wirkungsgrades die Diver­ genz des die Maske durchtretenden Anteils der Laserstrahlen möglichst gering ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird also das beim Stande der Technik eingesetzte "Zufallsprinzip" bei der Mehrfachbeleuchtung der Maske ver­ lassen. Stattdessen wird der an der Oberfläche der Maske reflek­ tierte Laserstrahl in vorherbestimmter Weise so geführt, daß er vollflächig wieder auf die Maske zurückkehrt. Hierzu wird auf dem Wege zwischen der Spiegeleinrichtung und der Maske ein abbildendes optisches Element eingesetzt. Durch die so stattfindende kontrollierte Führung des Laserstrahles zur Spie­ geleinrichtung hin und von dieser wieder zurück zur Maske kann gewährleistet werden, daß die Reflexionen an der Spiegeleinrich­ tung im wesentlichen unter einem Winkel stattfinden, der nur wenig von 90° abweicht, und daß auch nur ganz wenige Reflexionen an der Spiegeleinrichtung, im Extremfall eine einzige Reflexion, ausreicht, um den Laserstrahl wiederum auf die Maske zurückzufüh­ ren. Der von der Spiegeleinrichtung zur Maske zurückkehrende Laserstrahl leuchtet diese Maske stets komplett aus, während beim Stande der Technik Teilausleuchtungen stattfinden. Zwar läßt sich die Zahl der Reflexionen an der Spiegeleinrichtung bei einem solchen Strahlengang nicht beliebig vergrößern, kann also deutlich unter der (undefinierten) Zahl von Reflexionen liegen, die bei den bekannten Spiegeleinrichtungen stattfinden.

Gleichwohl hat sich herausgestellt, daß der energetische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung schon bei den diesbezüglich noch nicht optimierten einfachen Ausfüh­ rungsformen nicht unter demjenigen beim Stande der Technik liegt, die Divergenz der die Maske durchtretenden Laser­ strahlen dagegen erheblich günstiger ist. Dies hat bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größere "Schärfen­ tiefe" des die Strukturen im Werkstück erzeugenden Strahles zur Folge.

Besonders einfach ist es, wenn die Spiegeleinrichtung mindestens einen Hohlspiegel umfaßt, der gleichzeitig als abbildendes optisches Element dient. Die Zahl der im Strahlengang befindlichen optischen Elemente wird auf diese Weise verringert, was den Justiervorgang einfacher macht und auch aus Platzgründen günstig ist.

Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Ausgestaltung der Er­ findung, bei welcher die Spiegeleinrichtung mindestens einen Planspiegel umfaßt und als optisches abbildendes Element zusätzlich eine Linse vorgesehen ist.

Die Strahlformungsoptik kann so eingestellt sein, daß die von ihr erzeugte Strahltaille hinter der Maske liegt. Die Maske wird dann an einer solchen Stelle im Strahlengang angeordnet, daß ihre Fläche dem Querschnitt des Laser­ strahles an dieser Stelle entspricht. Die Strahlformungs­ optik erzeugt dann zwischen der reflektierenden Oberfläche der Maske und der Spiegeleinrichtung eine Strahltaille.

Günstiger ist es jedoch noch, wenn die Strahlformungsoptik so eingerichtet ist, daß die von ihr erzeugte Strahltaille in einem Abstand f vor der Maske liegt, und wenn vor der Maske eine Kondensorlinse angeordnet ist, deren Brenn­ weite f ist. Unter diesen Bedingungen werden die divergent auf die Kondensorlinse auftreffenden Laserstrahlen durch die Kondensorlinse parallel gerichtet und durch­ treten das Öffnungsmuster in der Maske parallel. Der Ein­ fallswinkel, unter dem der Laserstrahl auf die Maske ge­ richtet wird, kann hierbei besonders klein gehalten wer­ den, was die Gesamtdivergenz der die Maske durchtretenden Anteile der aus verschiedenen Richtungen auf die Maske treffenden Strahlen deutlich verringert.

Bereits mit einem einzigen Spiegel als "Spiegeleinrich­ tung" im Sinne der vorliegenden Erfindung läßt sich eine deutliche Steigerung der energetischen Ausbeute gegenüber einer Vorrichtung ohne Spiegel, nämlich eine annähernde Verdoppelung erzielen. Das geschilderte Prinzip läßt sich jedoch mehrfach wiederholen. Hierzu wird eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt, bei welcher die Spiegeleinrichtung eine Mehrzahl von Spiegelpaaren umfaßt, von denen jeweils der eine den von der Maske reflektierten Laserstrahl auf den anderen umlenkt, der dann den Laserstrahl unter einem anderen Winkel auf die Maske zurückwirft. Wieviele derartige Spiegelpaare im Einzelfall vorgesehen werden können, hängt ausschließlich von den geometrischen Bedingungen ab, also von der Frage, wieviele Spiegelpaare geometrisch untergebracht werden können. Je mehr Spiegelpaare, umso höher der energetische Wirkungsgrad der Vorrichtung.

Besonders günstig ist dabei diejenige Ausführungsform der Erfindung, bei welcher am Ende des Lichtweges durch die verschiedenen Spiegelpaare ein einzelner Spiegel vor­ gesehen ist, der den Laserstrahl in sich zurückreflektiert. Der Laserstrahl durchläuft also den optischen Weg zwischen Maske und den verschiedenen Spiegelpaaren doppelt, wodurch der energetische Wirkungsgrad noch einmal um annäherend den Faktor 2 erhöht werden kann.

Die Maske sollte aus verständlichen Gründen in einer Weise ausgeleuchtet werden, daß die Energiedichte überall im wesentlichen konstant ist. Viele Laserlichtquellen er­ zeugen einen Laserstrahl, der in einer Richtung ein ver­ hältnismäßig konstantes Energiedichteprofil aufweist, in einer Richtung senkrecht hierzu jedoch stark von einem konstanten Energiedichteprofil abweicht; sehr häufig zeigt das Energiedichteprofil in dieser Richtung eine Gauß- Kurvenverteilung. In diesem Falle läßt sich eine Homoge­ nisiereinrichtung, der Laserlichtquelle nachgeschaltet, verwenden, welche in der einen Richtung den Laserstrahl so umformt, daß er im Ergebnis dann auch hier eine im wesentlichen konstante Energiedichte aufweist. Schwieriger zu handhaben sind jedoch diejenigen Laserlichtquellen, bei denen in beiden senkrecht zueinander stehenden Rich­ tungen kein konstantes Energiedichteprofil des Laserstrah­ les vorhanden ist. In diesen Fällen schafft eine Ausge­ staltung der Erfindung Abhilfe, bei welcher

• a) die Homogenisiereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie nur auf das Energiedichteprofil des Laserstrahles in einer Richtung einwirkt und dieses so verändert, daß es im wesentlichen komplementär zum unveränderten Energiedichteprofil der anderen Richtung ist, und
• b) die beiden Spiegel in dem oder den Spiegelpaaren so eingestellt sind, daß der Laserstrahl, der von der Maske zu dem Spiegelpaar verläuft, gegenüber dem von dem Spiegelpaar kommenden, auf der Maske auftretenden Laserstrahl um 90° verdreht ist.

Unter "komplementären" Energiedichteprofilen werden hier solche verstanden, deren Addition ein im wesentlichen konstantes Energiedichteprofil ergibt. Mit der vorlie­ genden Erfindung wird ausgenutzt, daß bei der Ausgestal­ tung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Spie­ gelpaaren durch diese Spiegelpaare ohne weiteres eine Drehung des Laserstrahles um 90° erzielt werden kann. Wenn daher die Homogenisiereinrichtung den einfallenden Laserstrahl so bearbeitet, daß das Energiedichteprofil in einer Richtung nun nicht mehr konstant sondern kom­ plementär zu dem Energiedichteprofil in der anderen Rich­ tung ist, dann überlagern sich die auf die Maske auftre­ tenden, von der Laserlichtquelle oder von Spiegelpaaren kommenden Laserstrahlen so, daß in beiden Richtungen auf der Maske ein im wesentlichen konstantes Energiedichte­ profil erzeugt wird.

Dies setzt allerdings voraus, daß der Laserstrahl quadra­ tisch ist. Sofern dies von Hause aus nicht der Fall ist, wird eine Ausführungsform der Erfindung eingesetzt, bei welcher die Strahlformungsoptik ein optisches Element enthält, welches aus einem Laserstrahl mit ursprünglich rechteckigem Querschnitt einen Laserstrahl mit quadrati­ schem Querschnitt erzeugt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen

Fig. 1: schematisch den Strahlengang bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungs­ vorrichtung in der Nähe der Maske und des Werk­ stückes;

Fig. 2: eine Darstellung, ähnlich der Fig. 1, bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Laserbearbei­ tungsvorrichtung;

Fig. 3: den Strahlengang der Laserbearbeitungsvorrich­ tung von Fig. 2, jedoch mit verringertem Ein­ falls- und Ausfallswinkel;

Fig. 4: schematisch die Gesamtdarstellung eines Ausfüh­ rungsbeispieles einer Laserbearbeitungsvorrich­ tung mit mehreren Reflexionsspiegeln;

Fig. 5 und 6: in vergrößertem Maßstab perspektivisch eine reale Anordnung der Reflexionsspiegel bei der Vorrichtung von Fig. 4.

Die grundsätzlichen Verhältnisse der Maskenbeleuchtung bei einer ersten Vorrichtung zur Laserbearbeitung sind in Fig. 1 dargestellt. Diese zeigt als im wesentlichen horizontalen Strich eine Maske 1, welche in bekannter Weise mit einem Öffnungsmuster (nicht dargestellt) versehen ist. Die Gesamttransmission dieser Maske liegt üblicher­ weise unter 1%. Die Maske 1 wird von einem Objektiv, im vorliegenden Falle von einer einzelnen Objektivlinse 2, auf das Werkstück 3 abgebildet. Das die Maske 1 durch­ tretende Laserlicht erzeugt ein Muster, welches dem Öffnungsmuster der Maske 1 entspricht, in dem durch das Objektiv 2 vorgegebenen Abbildungsmaßstab in dem Werkstück 3.

Die Maske 1 ist in an und für sich bekannter Weise an ihrer in Fig. 1 nach oben zeigenden Fläche verspiegelt, so daß der einfallende Laserstrahl, dessen Randstrahlen mit 4a und 4b und dessen optische Achse mit 4c bezeichnet sind, an der Oberfläche der Maske 1 reflektiert wird, so­ weit er nicht die in der Maske 1 enthaltenen Öffnungen durchtritt.

Eine in Fig. 1 nicht dargestellte Strahlformungsoptik läßt die Randstrahlen 4a, 4b des einfallenden Laserstrahles unter einem Winkel β zur Achse 4c hin konvergieren. Die Strahltaille der Strahlformungsoptik liegt, in Einfalls­ richtung des Laserstrahles gesehen, hinter der Maske, derart, daß die Randstrahlen 4a und 4b auf die seitlichen Begrenzungslinien der Maske 1 fallen, der einfallende Laserstrahl also die Maske 1 vollständig ausleuchtet.

Die Randstrahlen des die Maske 1 direkt durchtretenden Laserstrahles sind in Fig. 1 mit 4a' und 4b' bezeichnet.

Soweit der einfallende Laserstrahl an der spiegelnden Oberfläche der Maske 1 reflektiert wird, sind die ent­ sprechenden Randstrahlen in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 5a und 5b gekennzeichnet. Die optische Achse des reflek­ tierten Laserstrahles trägt das Bezugszeichen 5c.

Durch die nicht dargestellte Strahlformungsoptik wird der Laserstrahl in der Strahltaille F zusammengeführt, wonach die Randstrahlen 5a und 5b divergieren. Der reflektierte Laserstrahl fällt sodann hinter der Strahltaille F auf einen Hohlspiegel 6, dessen Abbildungseigenschaften so gewählt sind, daß der Laserstrahl in sich zurückreflek­ tiert wird, also erneut in der Strahltaille F gebündelt wird und sodann erneut so divergiert, daß er auf seinem "Rückweg" die Maske 1 erneut vollständig ausleuchtet. Die Randstrahlen dieses Strahls, soweit sie die Maske 1 durchtreten, sind in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 5a' und 5b' gekennzeichnet. Alle zwischen den Randstrahlen 5a' und 5b' liegenden, die Maske 1 durchtretenden Strahlen werden von dem Objektiv 2 auf das Werkstück 3 abgebildet.

Der vom Hohlspiegel 6 zurückreflektierte Strahl wird selbstverständlich ebenfalls an der Oberfläche der Maske 1 zum größeren Teil reflektiert, wobei seine Randstrahlen wieder mit den Randstrahlen 4a, 4b des einfallenden Laserstrahles zusammenfallen.

Aus den obigen Betrachtungen folgt, daß durch die gezielte Abbildung des an der Oberfläche der Maske 1 reflektierten Laserstrahles durch den Hohlspiegel 6 eine annäherende Verdoppelung des auf die Oberfläche des Werkstückes 3 gelangenden Laserstrahlanteiles erzielt werden kann, dies mit einer äußerst geringen Strahldivergenz.

Der in Fig. 2 dargestellte Strahlengang entspricht weit­ gehend demjenigen von Fig. 1; entsprechende Teile sind daher mit demselben Bezugszeichen zuzüglich 100 gekenn­ zeichnet. In Fig. 2 sind wieder zu erkennen die Maske 101, das Objektiv 102, das Werkstück 103 sowie der abbil­ dende Hohlspiegel 106. Zusätzlich ist, direkt der Maske 101 benachbart, eine Kondensorlinse 107 vorgesehen. Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Strahlengang die Strahltaille der in der Zeichnung nicht dargestellten Strahlformungsoptik hinter der Maske 1 lag, ist die zu dem Strahlengang von Fig. 2 gehörende Strahlformungsoptik so ausgelegt, daß eine Strahltaille F erzeugt wird, die im Abstand f vor der Maske liegt. f ist die Brennweite der Kondensorlinse 107. Die Randstrahlen 104a' und 104b' verlaufen somit nach dem Durchtritt durch die Kondensor­ linse 107 parallel; sie sind unter dem Einfallswinkel α gegen die optische Achse 108 des Gesamtsystemes geneigt.

Die an der spiegelnden Oberfläche der Maske 101 reflek­ tierten, parallelen Strahlen durchtreten die Kondensor­ linse 107 ein zweites Mal und werden von dieser in einer Strahltaille F' gesammelt, welche der Strahltaille F des einfallenden Laserstrahles symmetrisch gegenüberliegt. Die Strahltaille F' entspricht der Strahltaille F des Strahlenganges von Fig. 1, wie überhaupt der Strahlengang des an der Maske 101 reflektierten Strahlanteils zwischen der Kondensorlinse 107 und dem Hohlspiegel 106 vollständig identisch dem Strahlengang von Fig. 1 ist.

Dies bedeutet insbesondere, daß der vom Hohlspiegel 106 reflektierte Strahl erneut in die Strahltaille F' gesam­ melt wird, die Kondensorlinse 107 durchtritt und von dieser parallelisiert wird. Die entsprechenden, die Maske 101 durchtretenden Strahlanteile weisen also parallele Rand­ strahlen 105a' und 105b' auf, wobei deren Neigung zur optischen Achse 108 des Gesamtsystemes erneut dem Ein­ fallswinkel α des einfallenden Laserstrahles entspricht.

Soweit der vom Hohlspiegel 106 zurückreflektierte Laser­ strahl an der spiegelnden Oberfläche der Maske 101 erneut reflektiert wird, deckt sich dieser Strahlengang mit dem Strahlengang des einfallenden Laserstrahles.

In Fig. 2 wurde für den einfallenden Laserstrahl derselbe Einfallswinkel α wie in Fig. 1 gewählt. Während jedoch bei der Vorrichtung von Fig. 1 dieser Einfallswinkel nicht mehr nennenswert verkleinert werden kann, zeigt Fig. 2, daß bei dem gewählten Einfallswinkel α Platz "verschenkt" wird, daß also der Einfallswinkel α wesent­ lich reduziert werden kann. Dies ist - bei im übrigen unveränderter Vorrichtung - in Fig. 3 geschehen. Hier ist der Einfallswinkel α' deutlich kleiner als der Ein­ fallswinkel α in den Fig. 1 und 2. Entsprechend ist die Divergenz der die Maske 101 durchtretenden Strahlen­ bündel erheblich kleiner. Hieraus wird der Nutzen der in Fig. 2 und 3 gegenüber Fig. 1 zusätzlich vorhande­ nen Kondensorlinse 107 deutlich.

Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 war nur ein einziger Hohlspiegel 106 vorgesehen, der das an der spiegelnden Oberfläche der Maske 1 bzw. 101 reflek­ tierte Laserlicht ein einziges Mal zurück auf die Maske abbildete. Das hier dargestellte Prinzip läßt sich jedoch vervielfachen, indem eine entsprechende Anzahl zusätzli­ cher reflektierender Spiegel vorgesehen wird. Das Prinzip einer entsprechend ausgestalteten Laserbearbeitungsvor­ richtung ist in Fig. 4 dargestellt. Das von einer Laser­ lichtquelle 210 erzeugte Licht durchtritt einen "Homoge­ nisierer" 211, welcher dem Laserstrahl ein im wesentli­ chen über den gesamten Querschnitt hinweg konstantes Ener­ giedichteprofil verleiht. Der so "homogenisierte" Laser­ strahl durchläuft dann eine verschiedene Strahlformungs­ elemente umfassende Strahlaufbereitungsvorrichtung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 212 versehen ist und die oben bereits erwähnte Strahlformungsoptik umfaßt. Durch zwei Planspiegel 213 und 214 wird der Laserstrahl unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die Maske 201 gerichtet. Der das Öffnungsmuster in der Maske 201 durchtretende Strahlanteil wird in der schon erwähnten Weise von dem Objektiv 202 auf das Werkstück 203 abgebildet.

Der an der spiegelnden Oberfläche der Maske 201 reflek­ tierte Strahlanteil fällt auf einen Umlenkspiegel 215, welcher diesen Strahl zunächst in einer Richtung etwa senkrecht zur optischen Achse des Gesamtsystemes auf einen abbildenden Hohlspiegel 216 umlenkt. Der abbildende Hohlspiegel 216 ist so justiert, daß er ähnlich den Hohlspiegeln 6 und 106 der Fig. 1 bis 3 den Laser­ strahl zurück auf die Maske 201 leitet und diese ausleuch­ tet. Der die Maske 201 durchtretende Strahlanteil wird zur Bearbeitung des Werkstückes 203 genutzt; der an der Maske 201 reflektierte Strahlanteil fällt auf einen zweiten Umlenkspiegel 217, welcher das Laserlicht wiederum in einer Ebene annähernd senkrecht zur optischen Gesamtachse auf einen zweiten abbildenden Hohlspiegel 218 wirft. Dieser leuchtet erneut die Maske 201, wiederum aus einer anderen Richtung gegenüber der optischen Gesamtachse, aus. Ein Teil dieses Laserstrahles durchtritt die Maske 201 und gelangt auf das Werkstück 203, während der reflektierte Strahlanteil auf einen dritten Umlenkspiegel 219 und von diesem in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zur optischen Gesamtachse auf einen dritten abbildenden Hohlspiegel 220 fällt. Dieser leuchtet die Maske 201 ein viertes Mal, erneut aus einer anderen Richtung gegenüber der optischen Gesamtachse, aus, so daß ein vierter Strahl­ anteil auf das Werkstück 203 fallen kann. Der diesmal an der spiegelnden Oberfläche der Maske 201 reflektierte Strahl wird, ähnlich wie bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Strahlengängen, auf einen letzten abbil­ denden Hohlspiegel 221 gebracht, der den Laserstrahl in sich zurückspiegelt. Dieser reflektierte Strahlanteil durchläuft also alle oben erwähnten Spiegelpaare ein zweites Mal in der umgekehrten Richtung. Dies bedeutet, daß in der beschriebenen Anordnung die Maske 201 insgesamt (also einschließlich des einfallenden Laserstrahles) achtmal ausgeleuchtet, der von der Laserlichtquelle 210 erzeugte Laserstrahl also annähernd achtmal besser ausge­ nutzt wird als ohne Verwertung des an der spiegelnden Oberfläche der Maske reflektierten Strahlanteiles.

Wie oben erläutert, wird beim Ausführungsbeispiel von Fig. 4 die an der Oberfläche der Maske 201 reflektierte Strahlung mehrfach über ein Spiegelpaar geleitet. Die Anordnung und Justierung sind dabei so gewählt, daß durch die beiden Spiegel jeden Paares der auf die Maske 201 zurückgeführte Strahl gegenüber dem von der Maske 201 ausgehenden Strahl um 90° verdreht wird. Dieser Effekt läßt sich vorteilhafterweise zur Homogenisierung der Energiedichte auf der Maske 201 in folgender Weise verwenden:
Die bekannten Bauarten von Homogenisierern, wie sie für das Bauteil 211 der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung eingesetzt werden, lassen zwar eine verhältnismäßig gute Homogenisierung des Laserstrahles in einer von zwei senk­ recht aufeinander stehenden Richtungen zu. Dies ist für viele Laserlichtquellen 210 durchaus ausreichend, da bei diesen der erzeugte Laserstrahl nur in einer Richtung ein inhomogenes Energiedichteprofil (z. B. eine gaußkurvenför­ mige Verteilung), in der hierzu senkrechten Richtung dagegen ein verhältnismäßig konstantes Energiedichteprofil von Hause aus aufweist. Es gibt jedoch Laserlichtquellen, für welche dies nicht gilt: Sie haben in beiden aufeinander senkrecht stehenden Richtungen ein inhomogenes Energiedich­ teprofil. In diesen Fällen kann bei der Anordnung von Fig. 4 wie folgt vorgegangen werden:
Der Homogenisierer 211 wird so ausgelegt, daß er den Laserstrahl in einer Richtung nicht vollständig homoge­ nisiert, sondern statt dessen ein Energiedichteprofil in dieser Richtung erzeugt, welches zu dem Energiedichte­ profil des Laserstrahles in der hierzu senkrechten Rich­ tung annähernd "komplementär" ist. Unter "komplementär" wird hier verstanden, daß durch die Addition der beiden Energiedichteprofile ein annähernd konstantes Energiedich­ teprofil erzielt wird.

Zur näheren Erläuterung sei nachfolgend der Fall betrach­ tet, bei welchem die Laserlichtquelle 210 einen Laser­ strahl erzeugt, der in einer Richtung das bereits ange­ sprochene, annähernd gaußkurvenförmige Energiedichteprofil aufweist, während er in der hierzu senkrechten Richtung ein Energiedichteprofil zeigt, welches von außen her ge­ sehen konvex gekrümmt ist, also seitlich etwas abfallende Flanken besitzt. Der Homogenisierer 211 formt den Laser­ strahl so um, daß er in der ersten, ursprünglich gauß­ kurvenförmiges Energiedichteprofil aufweisenden Rich­ tung eine Energiedichteverteilung erhält, welche, von außen her gesehen, etwas konkav ist, also seitlich anstei­ gende Flanken aufweist. In der zweiten Richtung ist der Laserstrahl nach dem Durchtritt durch den Homogenisierer 211 unverändert, weist also nach wie vor das "konvexe" Energiedichteprofil auf. In der Strahlaufbereitungsvor­ richtung 212 wird durch geeignete Zylinderlinsen erreicht, daß der Querschnitt des Laserstrahles quadratisch wird. Mit dem so erzielten Querschnitt und dem so erreichten Energiedichteprofil in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen trifft nun der Laserstrahl vom Umlenkspiegel 214 das erstemal auf die Maske 201. Der an der spiegelnden Oberfläche der Maske 201 reflektierte Strahlanteil wird von den beiden Spiegeln 215, 216 um 90° verdreht, so daß der vom abbildenden Hohlspiegel 216 auf die Maske 201 zurückgelangte Strahl dort den einfallenden Strahl in einer Weise überlagert, daß "komplementäre" Energiedichte­ profile übereinanderliegen und sich so zu einem im wesent­ lichen konstanten Energiedichteprofil addieren. Die entsprechende Drehung des Laserstrahles um 90° wird beim Passieren jedes Spiegelpaares 217, 218 und 219, 220 wiederholt. Im Ergebnis wird die Maske 201 so mit Laser­ licht mehrfach ausgeleuchtet, daß dort das Energiedichte­ profil über den gesamten Querschnitt im wesentlichen konstant ist.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine realistische Anordnung der verschiedenen Spiegel 215 bis 221 der Vorrichtung von Fig. 4 in etwas vergrößertem Maßstab. Tatsächlich haben die einzelnen Spiegel einen Durchmesser von etwas mehr als 1 cm. Die zu der Vorrichtung gehörende Maske 201 ist in den Fig. 5 und 6 nicht dargestellt. Sie besitzt von diesen Spiegeln einen Abstand in der Größenord­ nung von 1 m. Auf diese Weise wird eine Divergenz des Strahlenbündels erreicht, die in der Größenordnung von 25 mrad liegt.

Fig. 5 zeigt die verschiedenen Spiegel im wesentlichen in Richtung der geometrischen Achse der Gesamtvorrichtung (Pfeil V in Fig. 4), während die Fig. 6 eine Ansicht von der Seite gemäß Pfeil VI von Fig. 5 darstellt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes mit

• a) einer Laserlichtquelle;
• b) mindestens einer ein bestimmtes Öffnungsmuster aufweisenden Maske, die an ihrer der Laserlichtquelle zugewandten Fläche verspiegelt ist;
• c) einer Strahlformungsoptik, welche aus dem von der Laserlicht­ quelle erzeugten Laserstrahl ein Laserstrahlbündel formt und dieses so auf die Maske wirft, daß die gesamte Maske ausge­ leuchtet wird;
• d) einer Spiegeleinrichtung, welche den von der verspiegelten Oberfläche der Maske reflektierten Anteil des Laserstrahlbün­ dels erneut auf die Maske zurückwirft;
• e) mindestens einem abbildenden optischen Element, welches das von der Spiegeleinrichtung zurückgeworfene Laserstrahlbün­ del auf die Maske wirft,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die vollflächige Reflexion aller im Laserstrahlbündel enthaltener Teilstrahlen an der Spiegeleinrichtung (6; 106; 215 bis 221) im wesentlichen unter einem Reflexionswinkel von 90° stattfindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinrichtung mindestens einen Hohl­ spiegel (6; 106; 216, 218, 220, 221) umfaßt, der gleich­ zeitig als abbildendes optisches Element dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinrichtung mindestens einen Plan­ spiegel umfaßt und als optisches abbildendes Element zu­ sätzlich eine Linse vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungsoptik so eingerichtet ist, daß die von ihr erzeugte Strahltaille (F) hinter der Maske liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungsoptik so einge­ richtet ist, daß die von ihr erzeugte Strahltaille (F) in einem Abstand (f) vor der Maske (101) liegt und daß unmittelbar vor der Maske (101) eine Kondensorlinse (107) angeordnet ist, deren Brennweite f ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinrichtung eine Mehrzahl von Spiegelpaaren (215/216, 217/218, 219/ 220) umfaßt, von denen jeweils der eine den von der Maske (201) reflektierten Laserstrahl auf den anderen umlenkt, der dann den Laserstrahl aus einer anderen Richtung auf die Maske (201) zurückwirft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Lichtweges durch die verschiedenen Spiegelpaare (215/216, 217/218, 219/220) ein einzelner Spiegel (221) vorgesehen ist, der den Laserstrahl in sich zurückreflektiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die Laserlichtquelle einen Laserstrahl erzeugt, der in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen ein inhomogenes Energiedichteprofil aufweist, mit einer der Laserlichtquelle nachgeschalteten Homogenisiereinrich­ tung, welche auf der Maske eine konstante Energiedichte­ verteilung des Laserstrahles erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Homogenisiereinrichtung (211) so ausgebildet ist, daß sie nur auf das Energiedichteprofil des Laserstrah­ les in einer Richtung einwirkt und dieses so verändert, daß es im wesentlichen komplementär zum unveränderten Energiedichteprofil der anderen Richtung ist, und
• b) die beiden Spiegel in den Spiegelpaaren (215/216, 217/ 218, 219/220) so eingerichtet sind, daß der Laserstrahl, der von der Maske (201) zu dem Spiegelpaar (215/216, 217/218, 219/220) verläuft, gegenüber dem von dem Spie­ gelpaar (215/216, 217/218, 219/220) kommenden, auf der Maske (201) auftreffenden Laserstrahl um 90° ver­ dreht ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungsoptik (212) ein optisches Element enthält, welches aus einem Laserstrahl mit ursprünglich rechteckigem Querschnitt einen Laserstrahl mit quadrati­ schem Querschnitt erzeugt.