DE19736110A1 - Verfahren und Vorrichtung zur grat- und schmelzfreien Mikrobearbeitung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur grat- und schmelzfreien Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels ultrakurzgepulster Laserstrah­ lung im Piko- und/oder Femtosekundenbereich.

Für die konventionelle Mikrobearbeitung von Werk­ stoffen mit Laserstrahlung - Pulsdauern im Nanosekun­ denbereich oder länger - gibt es äußerst problemati­ sche, kaum zu bearbeitende Werkstoffe. Dies sind u. a. Metalle, die aufgrund ihrer hohen Wärmeleitung und ver­ gleichsweise geringen Schmelztemperatur keine schmelz- und gratfreie Bearbeitung ermöglichen, und transparente Materialien, bei denen keine effiziente Einkopplung der Laserenergie möglich ist. In den vergangenen Jahren wurde bereits von mehreren Forschergruppen experimen­ tell gezeigt, daß unter Verwendung von ultrakurzen La­ serpulsen mit Dauern im Bereich von einigen hundert Femtosekunden (1 fs = 10^-15 s) eine äußerst schädigungs­ arme, schmelz- und gratfreie Mikrobearbeitung und -strukturierung praktisch aller Werkstoffe möglich ist, vgl. z. B. S. Küper, M. Stuke, Appl. Phys. Lett. 54, 4 (1989), W. Kautek, J. Krüger, SPIE Proc. 2207, 600 (1994), C. Momma et al. Opt. Commun 129, 134 (1996) (Abb. 1).

Sowohl für Bohrungen als auch für beliebige andere Strukturen, beispielsweise Beschriftung, Schnitt usw., bietet sich die abbildende Arbeitsweise an, um defi­ nierte Kanten und Strukturen zu generieren. Hierbei wird eine Blende oder eine beliebige Maske geometrisch auf die Werkstückoberfläche verkleinert abgebildet. Bei ultrakurzen Laser-Pulsen bedingt der bei der abbilden­ den Bearbeitung unvermeidliche Zwischenfokus jedoch, daß aufgrund der hohen, durch die äußerst kurzen Pulse bedingten Intensitäten im Fokusbereich und der daraus resultierenden nichtlinearen Effekte in der Luft oder in einem Prozeßgas, beispielsweise Kerr-Effekt und Plasmabildung, eine deutliche Beeinträchtigung der Strahl- bzw. Abbildungsqualität auftritt. Dieses Pro­ blem kann bekannterweise durch eine Bearbeitung in ei­ ner Vakuumkammer gelöst werden, vgl. Momma et al, Laser und Optoelektronik 29 (3), 82 (1997). Für praktische, mögliche industrielle Applikationen stellt jedoch die Notwendigkeit einer Bearbeitung im Vakuum ein großes Hindernis dar; für bestimmte Materialien ist eine Be­ arbeitung im Vakuum gar nicht möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur schmelz- und gratfrei­ en Mikrobearbeitung von Werkstücken mit ultrakurzen Laserimpulsen im Piko- und Femtosekundenbereich anzuge­ ben, welches nicht im Vakuum durchgeführt werden muß und welches einen Zwischenfokus nicht bedingt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Erfin­ dung gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 5 angege­ ben. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung schlägt vor, anstelle der bisher verwendeten abbildenden Geometrie diffraktive Optiken zur Strahlmanipulation und Strahlformung von Ultrakurz­ puls-Laserstrahlung einzusetzen ohne den bei der geome­ trischen Abbildung von Masken, Aperturen oder dgl. sich ergebenden Zwischenfokus. Mit Hilfe diffraktiver Opti­ ken lassen sich praktisch beliebige, sehr definierte Intensitätsverteilungen auf der Werkstückoberfläche ohne das Auftreten des für die ultrakurzen Laserpulse kritischen Zwischenfokus erzeugen. Die Erfindung er­ laubt es, beliebige, definierte schmelz- und gratfreie Strukturen in allen festen Werkstoffen, insbesondere in Metallen, transparenten und organischen Materialien zu erzeugen, ohne die Notwendigkeit einer Bearbeitung in einer Vakuumkammer. Die erzeugten Strukturen können beispielsweise schmelz- und gratfreie Bohrungen (Per­ kussions- und trepannierte Bohrungen), Schnitte, Mikro­ beschriftungen, Volumenmodifikationen bei transparenten Werkstoffen und Oberflächenmodifikationen usw. sein. Die verwendeten diffraktiven Optiken können beliebige, vorzugsweise computergenerierte, geätzte oder laser­ strukturierte Hologramme sein. Die Hologramme können in transparente Kunststoffe, Polymere, Gläser, Quarze und Salze (für Kurzpulsstrahlung im UV-Bereich) eingebracht sein.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung, in der schematisch ein Ausführungs­ beispiel einer Vorrichtung zur grat- und schmelzfreien Mikrobearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen dar­ gestellt ist, näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mit ultrakurzen Laserpulsen im Piko- und Femtosekundenbereich un­ ter Verwendung einer diffraktiven Optik (Hologramm),

Fig. 2 die Intensitätsverteilung auf dem Werkstück bei Verwendung eines Doughnut-Hologrammes,

Fig. 3a, b Raster-Elektronenmikroskop-Aufnah­ men einer mit der Vorrichtung nach Fig. 1 erzeugten Bohrung in Stahl und

Fig. 4 im Vergleich zu Fig. 3 eine Raster- Elektronenmikroskop-Aufnahme einer Bohrung in Stahl, die mit einer Laserkurzpuls-Strahlung im Nanose­ kundenbereich in abbildender Ar­ beitsweise erzeugt wurde.

Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vor­ richtung weist ein Lasersystem 2 auf, das Laserimpulse im Piko- oder Femtosekundenbereich erzeugt. Die Ultra­ kurzpuls-Strahlung 4 des Lasersystems 2 wird senkrecht durch eine diffraktive Optik 6, hier durch ein Doughnut-Hologramm als Beispiel einer Ringstruktur für das in Fig. 3 dargestellte Bearbeitungsbeispiel (eine Bohrung in Stahl) geleitet. Die diffraktive Optik, hier das Hologramm, ist vorzugsweise an einem Positionier­ tisch angebracht, welcher durch den Pfeil 8 symbolisch dargestellt ist, um den Abstand der diffraktiven Optik zu einem zu bearbeitenden Werkstück 9 einzustellen.

Die Ultrakurzpuls-Strahlung wird durch die dif­ fraktive Optik (Hologramm) auf das zu bearbeitende Werkstück gelenkt, wobei durch das beispielhaft verwen­ dete Doughnut-Hologramm eine ringförmige Intensitäts­ verteilung 14 auf dem Werkstück erzeugt wird, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Das Werkstück ist eben­ falls auf einem Positioniertisch, der symbolisch dar­ gestellt ist durch die Pfeile 10, 12, zur genauen Ein­ stellung des zu bearbeitenden Bereichs des Werkstückes angeordnet.

Die Positioniertische können von Hand oder vor­ zugsweise rechnergesteuert motorisch eingestellt wer­ den.

Es sind beliebige Intensitätsverteilungen für die Mikrostrukturierung sämtlicher Werkstoffe anwendbar, z. B. homogene kreisrunde Struktur (Flat-Top), Ring­ struktur (Doughnut), homogene rechteckige oder beliebi­ ge geometrische Struktur, ein Fokus oder mehrere Foki, die nicht auf der Strahlachse liegen und somit durch Drehen des Hologrammes ein trepannierendes Bohren er­ möglichen, etc. Weitere Anwendungen von Hologrammen zur schmelz- und gratfreien Mikro-Bearbeitung von Werkstücken sind beispielsweise Schnitte, Mikro-Beschriftungen, Oberflächen- und Volumenmodifikationen usw.

Wesentliche Laserparameter, die das Bearbeitungs­ ergebnis beeinflussen und in geeigneter Art und Weise gewählt werden müssen, sind Pulsenergie, Pulsdauer, Repititionsrate, Laserwellenlänge und Bandbreite, Pola­ risationsrichtung und -zustand. Die Bearbeitung kann sowohl an Luft, unter Verwendung eines Prozeßgases als auch im Vakuum erfolgen.

Die Fig. 3a und b zeigen Raster-Elektronenmikro­ skop-Aufnahmen einer mit der Vorrichtung nach Fig. 1 erzeugten Bohrung in Federstahl, wobei die Fig. 3a die Laserstrahl-Eintrittsseite der Bohrung und die Fig. 3b die Laserstrahl-Austrittsseite der Bohrung zeigt. Man erkennt sehr deutlich anhand der Aufnahmen, daß wohlde­ finierte Ablationsstrukturen realisierbar sind; die erreichbare Präzision ist nicht mehr begrenzt durch thermische Prozesse und durch das Auftreten von Schmel­ ze, sondern nur noch durch optische Effekte (Beugung). Dadurch wird eine sehr gute Reproduzierbarkeit der geo­ metrischen Strukturen erreicht. Im Vergleich zu Fig. 3 zeigt die Fig. 4 eine Raster-Elektronenmikroskop-Auf­ nahme einer Bohrung in Federstahl, die erzeugt worden ist in abbildender Geometrie unter Verwendung einer Laserkurzpulsstrahlung im Nanosekundenbereich. Es ist deutlich die geringere Bearbeitungsqualität in bezug zum Ergebnis gemäß Fig. 3 zu erkennen. Man erkennt eine ausgeprägte Schmelzbildung, die am Bohrlochrand er­ starrt. Dies führt zu einer erheblichen Verschlechte­ rung der erreichbaren Präzision. Es sind besondere Maß­ nahmen erforderlich, um zu besseren Resultaten zu ge­ langen, beispielsweise Absaugen der Schmelze oder Nach­ bearbeitung. Dies ist bei Anwendung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens nicht notwendig.

Claims (12)

1. Verfahren zur grat- und schmelzfreien Mikrobearbei­ tung von Werkstücken mittels ultrakurzgepulster Laser­ strahlung im Piko- und/oder Femtosekundenbereich, da­ durch gekennzeichnet, daß auf den zu bearbeitenden Werkstück definierte Intensitätsverteilungen mit hoher Effizienz mittels diffraktiver Optiken erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktiven Optiken Hologramme sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktiven Optiken computergenerierte, geätz­ te oder laserstrukturierte Hologramme sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hologramme in transparente Kunststof­ fe, Polymere, Gläser, Quarze oder Salze oder in reflek­ tierende Materialien eingebracht sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Werkstück mit Druck oder Unterdruck (Vakuum) beaufschlagt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Lasersy­ stem zur Erzeugung ultrakurzgepulster Laserstrahlung im Piko- und/oder Femtosekundenbereich mit einer Einrich­ tung zur Erzeugung von bestimmten Intensitätsvertei­ lungen auf einem zu bearbeitenden Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Intensitätsverteilung eine diffraktive Optik (6) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktive Optik (6) durch ein Hologramm ge­ bildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktive Optik (6) ein in ein transparentes Material eingebrachtes Hologramm ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Kunststoff, aus einem Polymer, aus Glas, Quarz oder einem Salz besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die diffraktive Optik ein in ein reflektieren­ des Material eingebrachtes Hologramm ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die diffraktive Optik (6) und das Werkstück (9) relativ zueinander und zum Lasersy­ stem positionierbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das zu bearbeitende Werkstück (9) mit einer Vorrichtung zur Druck- oder Unterdruckbeaufschlagung (Vakuum) in Wirkverbindung steht.