DE19744368A1 - Ultra-short pulse laser beam micro-engineering for drilling symmetrical recess - Google Patents
Ultra-short pulse laser beam micro-engineering for drilling symmetrical recessInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Ober begriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie eine Vor richtung der im Oberbegriff des Anspruchs 18 genannten Art zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laser strahlung, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in Werkstücken.The invention relates to a method in the upper Concept of claim 1 mentioned type and a pre direction of those mentioned in the preamble of claim 18 Type for micromachining workpieces using lasers radiation, especially for forming essentially rotationally symmetrical recesses in workpieces.
Durch Momma et al, "Präzise Mikro-Bearbeitung mit Femtosekunden-Laserpulsen", Laser und Optoelektronik 29 (3/1997), ist ein Verfahren der betreffenden Art be kannt, bei dem Laserstrahlung aus einem ultrakurzge pulsten Laser, beispielsweise einem im Femtosekunden bereich gepulsten Laser, auf ein Werkstück gerichtet wird, um beispielsweise in dem Werkstück eine im we sentlichen rotationssymmetrische Ausnehmung, beispiels weise eine Bohrung, zu bilden. Die hierfür erforderli che Intensitätsverteilung auf dem Werkstück, beispiels weise bei einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Bohrung eine kreis- oder ringförmige Intensitätsver teilung, wird bei dem bekannten Verfahren in abbilden der Geometrie erzeugt. Mit dem bekannten Verfahren las sen sich beispielsweise in 100 µm dicke Werkstücke aus Stahl Bohrungen einbringen, die in guter Näherung rota tionssymmetrisch sind.By Momma et al, "Using Precise Micromachining Femtosecond laser pulses ", lasers and optoelectronics 29 (3/1997), is a procedure of the type concerned knows the laser radiation from an ultrashort pulsed lasers, for example one every femtosecond pulsed laser area, aimed at a workpiece is used, for example, in the workpiece substantial rotationally symmetrical recess, for example a hole to form. The necessary for this che intensity distribution on the workpiece, for example wise with an essentially rotationally symmetrical Drilling a circular or ring-shaped intensity ver division, will map in the known method of geometry. Read with the known method work out in 100 µm thick workpieces, for example Drill steel holes that are rota are symmetrical.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens besteht je doch darin, daß insbesondere bei dickeren Werkstücken mit zunehmender Bearbeitungstiefe die Geometrie der gebildeten Ausnehmung von der gewünschten Geometrie, beispielsweise einem kreisförmigen Querschnitt, ab weicht, so daß sich mit zunehmender Tiefe der Bearbei tung die Gleichmäßigkeit der Bearbeitung verschlech tert.There is a disadvantage of the known method but in that especially with thicker workpieces with increasing machining depth the geometry of the formed recess of the desired geometry, for example a circular cross section gives way, so that with increasing depth the machining the processing uniformity deteriorate tert.
Durch US 4 547 651 ist eine Vorrichtung zur Be arbeitung eines Werkstückes mittels Laserstrahlung be kannt, bei der die Polarisationsrichtung der Laser strahlung, beispielsweise beim Schneiden eines Werk stücks mittels Laserstrahlung, derart verändert wird, daß die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung mit der Richtung des Schnittes in dem Werkstück überein stimmt. Die bekannte Vorrichtung ist jedoch zur Mikro bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausnehmungen in einem Werkstück, nicht geeignet.A device for loading is described in US Pat. No. 4,547,651 processing of a workpiece using laser radiation knows the direction of polarization of the laser radiation, for example when cutting a work piece by means of laser radiation, is changed in such a way that the direction of polarization of the laser radiation with the direction of the cut in the workpiece Right. However, the known device is for micro machining of workpieces, in particular for forming of essentially rotationally symmetrical recesses in one workpiece, not suitable.
Ferner sind durch US 4 908 493, US 5 057 664 und US 5 223 692 Vorrichtungen zur Bearbeitung von Werk stücken mittels Laserstrahlung bekannt, bei denen die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung während des Bearbeitungsvorgangs verändert wird. Auch diese bekann ten Vorrichtungen sind jedoch zur Mikrobearbeitung von Werkstücken nicht geeignet.Furthermore, US 4,908,493, US 5,057,664 and US 5 223 692 Devices for machining work known by means of laser radiation, in which the Direction of polarization of the laser radiation during the Machining process is changed. This also got However, devices are for micromachining Workpieces not suitable.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der betref fenden Art anzugeben, bei dem bzw. bei der die Gleich mäßigkeit des Bearbeitungsergebnisses verbessert ist.The object of the present invention is therein, a method or a device of the to specify the type in which the same the processing result is improved.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre und hinsicht lich der Vorrichtung durch die im Anspruch 18 angegebe ne Lehre gelöst.With regard to the method, this task by the teaching and with regard to claim 1 Lich the device specified in claim 18 ne teaching solved.
Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lehre be steht darin, die Polarisationsrichtung der Laserstrah lung während des Bearbeitungsvorganges zu drehen. Es hat sich überraschend gezeigt, daß sich auf diese Weise besonders gleichmäßige Bearbeitungsergebnisse erzielen lassen. Beispielsweise ist es mittels des erfindungs gemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrich tung möglich, auch in dickere Werkstücke Bohrungen ein zubringen, bei denen der gewünschte, im wesentlichen kreisförmige Querschnitt der Bohrungen über die gesamte Bearbeitungstiefe erhalten bleibt, ohne daß nennens werte Abweichungen von dem gewünschten Querschnitt auf treten.The basic idea of the teaching according to the invention be is the polarization direction of the laser beam to rotate during the machining process. It has surprisingly been shown to work in this way achieve particularly uniform machining results to let. For example, it is by means of the invention according to the method and the device according to the invention possible, even in thicker workpieces bring in where the desired, essentially circular cross section of the holes over the entire Machining depth is retained without mentioning value deviations from the desired cross-section to step.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundelie genden Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens im An spruch 11 und hinsichtlich der Vorrichtung im Anspruch 26 angegeben.Another solution of the basis of the invention task is with regard to the procedure in the saying 11 and with respect to the device in claim 26 specified.
Der Grundgedanke dieser Lehre besteht darin, zir kular polarisierte Laserstrahlung zu verwenden. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls besonders gleichmäßi ge Bearbeitungsergebnisse erzielen, so daß sich diesel ben Vorteile wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem bzw. bei der die Polarisationsrichtung gedreht wird, erge ben. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfin dungsgemäße Vorrichtung, bei dem bzw. bei der zirkular polarisierte Laserstrahlung verwendet wird, ist weiter vereinfacht, da Mittel zur Drehung der Polarisations richtung der Laserstrahlung, wie sie beispielsweise bei der Verwendung von linear polarisierter Laserstrahlung erforderlich sind, vermieden sind.The basic idea of this teaching is zir to use kular polarized laser radiation. On this way can also be particularly uniform achieve machining results so that diesel ben advantages as in the inventive method or the device according to the invention, in which or at which the direction of polarization is rotated ben. The method according to the invention and the inventions device according to the invention, in which or in the circular polarized laser radiation is used is further simplified, since means for rotating the polarization direction of the laser radiation, such as in the use of linearly polarized laser radiation are avoided.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zum Bilden von im wesentlichen rotationssymmetrischen Aus nehmungen, sondern auch in anderer Weise vielfältig einsetzbar, beispielsweise zum Schneiden von Werkstücken, zur Herstellung von Mikrobauteilen, zum Bilden beliebiger Ausnehmungen sowie in anderer Weise zur Mi krobearbeitung von Werkstücken.The method according to the invention is not only for Forming essentially rotationally symmetrical responses, but also diverse in other ways applicable, for example for cutting workpieces, for the production of micro components, for forming any recesses and in another way to Wed. co-machining of workpieces.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und schnell durchführbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach im Aufbau und kostengünstig herstellbar.The method according to the invention is simple and can be carried out quickly. The device according to the invention is simple in construction and inexpensive to manufacture.
Ferner eröffnen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung neue Anwendungen bei der Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laser strahlung, die bei dem bekannten Verfahren aufgrund der dort bestehenden Einschränkungen hinsichtlich der nicht ausreichenden Gleichmäßigkeit des Bearbeitungsergeb nisses, insbesondere bei zunehmender Bearbeitungstiefe, nicht möglich waren.Furthermore, the method and according to the invention open up the device according to the invention in new applications the micromachining of workpieces using lasers radiation in the known method due to the restrictions existing there with regard to not sufficient uniformity of the processing result nisses, especially with increasing processing depth, were not possible.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des er findungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Polarisa tionsrichtung während eines Bearbeitungsvorganges, bei spielsweise beim Bilden einer im wesentlichen rota tionssymmetrischen Ausnehmung, wenigstens einmal um wenigstens etwa 180°, vorzugsweise um wenigstens etwa 360°, um eine zur Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Achse gedreht wird. Auf diese Weise läßt sich ein besonders gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis erzielen.A particularly advantageous further training of the inventive method provides that the Polarisa direction during a machining operation, at for example when forming an essentially rota tionally symmetrical recess, at least once at least about 180 °, preferably at least about 360 ° to one to the plane of polarization essentially vertical axis is rotated. That way a particularly uniform processing result achieve.
Die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung kann beliebig gedreht werden, beispielsweise zufällig. Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens sieht jedoch vor, daß die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander kontinuierlich gedreht werden. Auf diese Weise ist die Gleichmäßigkeit des Bearbeitungsergebnisses weiter verbessert.The direction of polarization of the laser radiation can be rotated arbitrarily, for example randomly. A advantageous embodiment of the Ver However, driving provides that the direction of polarization and the workpiece is continuous relative to each other to be turned around. In this way, the uniformity the processing result further improved.
Es ist jedoch auch möglich, die Polarisationsrich tung und das Werkstück relativ zueinander schrittweise zu drehen, wie dies eine andere Weiterbildung der er findungsgemäßen Lehre vorsieht. So ist es beispiels weise möglich, bei Verwendung eines gepulsten Lasers die Polarisationsrichtung jeweils nach einem Laserpuls um einen vorbestimmten Winkelschritt zu drehen.However, it is also possible to use the polarization direction tion and the workpiece gradually relative to each other to turn like this is another training he provides teaching according to the invention. For example wise possible when using a pulsed laser the direction of polarization after a laser pulse to rotate a predetermined angular step.
Grundsätzlich können die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander in einer wechselnden Drehrichtung gedreht werden. Es ist jedoch zweckmäßig, die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander in einer konstanten Drehrichtung zu drehen. Auf diese Weise ist die Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens vereinfacht.Basically, the direction of polarization and the workpiece is changing relative to each other Direction of rotation. However, it is advisable the polarization direction and the workpiece relative to each other in a constant direction of rotation. In this way, the implementation of the Invention simplified procedure.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß das Werkstück während des Bearbei tungsvorganges gegen laterale Verschiebungen in einer zur Polarisationsebene parallelen Ebene verschiebefest angeordnet ist. Auf diese Weise ist beispielsweise beim Bilden von rotationssymmetrischen Ausnehmungen vermie den, daß aufgrund von unerwünschten lateralen Verschie bungen des Werkstücks während des Bearbeitungsvorganges Abweichungen von der gewünschten Geometrie der Ausneh mung auftreten.Another development of the invention The teaching stipulates that the workpiece during machining tion process against lateral displacements in one fixed to the plane parallel to the polarization plane is arranged. In this way, for example Avoid forming rotationally symmetrical recesses that that due to undesirable lateral displacement exercises of the workpiece during the machining process Deviations from the desired geometry of the recess occur.
Grundsätzlich können zur Erzielung einer Drehung von Polarisationsrichtung und Werkstück relativ zuein ander die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung und/oder das Werkstück während des Bearbeitungsvorgan ges gedreht werden. Eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht jedoch vor, daß während des Bearbeitungsvorganges das Werkstück relativ zu der Laserstrahlung fest angeordnet ist und die Pola risationsrichtung der Laserstrahlung durch Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung gedreht wird. Bei dieser Ausführungsform ist eine Drehung des Werkstücks nicht erforderlich, was die Durchführung des Verfahrens vereinfacht.Basically, you can achieve a rotation of polarization direction and workpiece relative to each other the polarization direction of the laser radiation is different and / or the workpiece during the machining process be rotated. An expedient embodiment However, the method according to the invention provides that the workpiece relatively during the machining process to the laser radiation is fixed and the pola direction of risk of laser radiation by means of Rotation of the polarization direction is rotated. At this embodiment is a rotation of the workpiece not required what to do the procedure simplified.
Bei der vorgenannten Ausführungsform wird die Po larisationsrichtung zweckmäßigerweise durch eine im Ausbreitungsweg der Laserstrahlung angeordnete, drehan treibbare Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/2- Platte (Halbwellenplatte) gedreht. Auf diese Weise ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wei ter vereinfacht.In the aforementioned embodiment, the bottom larization direction expediently by an im Propagation path of the laser radiation arranged, rotating drivable delay plate, in particular a λ / 2- Plate (half-wave plate) rotated. That way the implementation of the method according to the invention simplified.
Es ist jedoch auch möglich, daß während des Be arbeitungsvorganges die Polarisationsrichtung der La serstrahlung fest ist und das Werkstück um eine zur Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Achse ge dreht wird, wie dies eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorsieht. However, it is also possible that during loading the polarization direction of the La radiation is fixed and the workpiece by one Polarization plane ge substantially vertical axis is rotated as this is another embodiment of the provides method according to the invention.
Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Ver fahren beliebig polarisierte Laserstrahlung verwendet werden. Eine Ausführungsform sieht jedoch vor, daß li near polarisierte Laserstrahlung verwendet wird.Basically, the Ver drive any polarized laser radiation used become. However, one embodiment provides that li near polarized laser radiation is used.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens, bei der zirkular polarisierte Laserstrahlung verwendet wird, wird die Laserstrahlung zweckmäßiger weise mittels einer λ/4-Platte zirkular polarisiert. Auf diese Weise ist die Durchführung des Verfahrens einfach gestaltet.In the embodiment of the Ver driving, with circularly polarized laser radiation is used, the laser radiation is more appropriate circularly polarized by means of a λ / 4 plate. This is how the procedure is carried out simply designed.
Zweckmäßigerweise wird die Laserstrahlung durch einen gepulsten Laser erzeugt.The laser radiation is expediently transmitted through generates a pulsed laser.
Eine außerordentlich vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Laserstrahlung durch einen ultra kurzgepulsten, insbesondere einen im Piko- und/oder Femtosekundenbereich gepulsten Laser, erzeugt wird. Auf diese Weise ist ein unerwünschtes Aufschmelzen des Werkstücks im Bearbeitungsbereich, das zu einem un gleichmäßigen Bearbeitungsergebnis führen könnte, zu verlässig vermieden.An extremely advantageous embodiment stipulates that the laser radiation by an ultra short pulsed, especially one in the pico and / or Femtosecond range pulsed laser, is generated. On this is an undesirable melting of the Workpiece in the machining area, which leads to a un uniform machining result could lead to reliably avoided.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vielfältiger Weise zur Mikrobearbeitung von Werkstücken geeignet, beispielsweise zum Bilden von beliebig geformten Aus nehmungen in Werkstücken oder zum Erzeugen von Mikro- Bauteilen, beispielsweise Mikro-Zahnrädern. Zweckmäßi gerweise wird jedoch das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet, in dem Werkstück mittels der Laser strahlung eine im wesentlichen rotationssymmetrische Bohrung zu bilden, wie dies eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorsieht.The method according to the invention is diverse Suitable for micromachining workpieces, for example to form any shape in workpieces or to create micro- Components, such as micro gears. Expedient However, the method according to the invention is also used used in the workpiece by means of the laser radiation is essentially rotationally symmetrical Hole to form as this is an embodiment of the provides method according to the invention.
Zur Erzeugung einer definierten Intensitätsver teilung auf dem Werkstück, beispielsweise einer kreis- oder ringförmigen Intensitätsverteilung, können bei spielsweise fokussierende oder abbildende Verfahren eingesetzt werden. Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht jedoch vor, daß auf dem zu bearbeitenden Werkstück de finierte Intensitätsverteilungen mit hoher Effizienz mittels diffraktiver Optiken erzeugt werden. Mit Hilfe diffraktiver Optiken lassen sich praktisch beliebige, sehr definierte Intensitätsverteilungen auf der Werk stückoberfläche ohne das Auftreten des für die ultra kurzen Laserpulse kritischen Zwischenfokus erzeugen. Auf diese Weise ist es möglich, beliebige, definierte schmelz- und gratfreie Strukturen in allen Werkstoffen, insbesondere in Metallen, transparenten und organischen Materialien zu erzeugen ohne die Notwendigkeit einer Bearbeitung in einer Vakuumkammer.To generate a defined intensity ver division on the workpiece, for example a circular or ring-shaped intensity distribution, can at for example focusing or imaging processes be used. An extremely beneficial one Further development of the method according to the invention however, before that on the workpiece to be machined de Finished intensity distributions with high efficiency are generated by means of diffractive optics. With help diffractive optics can be practically any very defined intensity distributions on the work piece surface without the appearance of for the ultra short laser pulses generate critical intermediate focus. In this way it is possible to define any structures free of melting and burrs in all materials, especially in metals, transparent and organic Create materials without the need for one Processing in a vacuum chamber.
Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungs form sieht vor, daß die diffraktiven Optiken Hologramme sind. Derartige Hologramme lassen sich in vielfältiger Weise einfach und kostengünstig herstellen.A training of the aforementioned execution form provides that the diffractive optics holograms are. Such holograms can be varied Manufacture way easily and inexpensively.
Die diffraktiven Optiken können hierbei computer generierte, geätzte oder laserstrukturierte Hologramme sein, wie dies eine weitere Ausführungsform vorsieht.The diffractive optics can be computer generated, etched or laser structured holograms be how this provides for a further embodiment.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Ausführungs formen mit den Hologrammen sind die Hologramme in transparente Kunststoffe, Polymere, Gläser, Quarz oder Salz oder in reflektierende Materialien eingebracht. Auf diese Weise sind die Hologramme einfach handhabbar.According to another development of the execution shape with the holograms, the holograms are in transparent plastics, polymers, glasses, quartz or Salt or in reflective materials. In this way, the holograms are easy to handle.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrich tung sieht vor, daß die Mittel zur Drehung der Polari sationsrichtung und des Werkstücks relativ zueinander die Polarisationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander während eines Bearbeitungsvorganges, bei spielsweise beim Bilden einer im wesentlichen rota tionssymmetrischen Ausnehmung, wenigstens einmal um wenigstens etwa 180°, vorzugsweise um wenigstens etwa 360° um eine zur Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Achse drehen. Auf diese Weise läßt sich ein besonders gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis erzielen.A further development of the device according to the invention tion provides that the means for rotating the polar direction and the workpiece relative to each other the polarization direction and the workpiece relative to each other during a machining process, at for example when forming an essentially rota tionally symmetrical recess, at least once at least about 180 °, preferably at least about 360 ° essentially to the plane of polarization turn the vertical axis. In this way, one can achieve a particularly uniform machining result.
Die Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung und des Werkstücks relativ zueinander können die Pola risationsrichtung und das Werkstück relativ zueinander kontinuierlich oder schrittweise drehen, wie dies zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vor richtung vorsehen.The means to rotate the direction of polarization and the workpiece relative to each other, the pola direction of risk and the workpiece relative to each other rotate continuously or gradually like this expedient further developments of the invention provide direction.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung und des Werkstückes relativ zu einander das Werkstück und die Polarisationsrichtung relativ zueinander in einer konstanten Drehrichtung drehen. Diese Ausführungsform ist einfach und kosten günstig herstellbar.Another development of the invention The device provides that the means for rotating the Direction of polarization and the workpiece relative to the workpiece and the direction of polarization relative to each other in a constant direction of rotation rotate. This embodiment is simple and costly cheap to manufacture.
Die Mittel zur Drehung des Werkstücks und der Po larisationsrichtung relativ zueinander können in viel fältiger Weise ausgebildet sein. Eine besonders vor teilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrich tung sieht jedoch vor, daß die Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung und des Werkstücks relativ zuein ander durch eine im Ausbreitungsweg der Laserstrahlung angeordnete Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/2- Platte (Halbwellenplatte), gebildet sind, die um eine zur Polarisationsebene senkrechte Drehachse mittels einer Drehantriebseinrichtung drehantreibbar ist. Der artige Verzögerungsplatten sind einfach und kostengün stig herstellbar. Außerdem ist diese Ausführungsform einfach und robust im Aufbau.The means for rotating the workpiece and the bottom Larization direction relative to each other can be in a lot be more wrinkled. One especially before partial development of the device according to the invention tion, however, provides that the means for rotating the Polarization direction and the workpiece relative to each other another by one in the path of the laser radiation arranged delay plate, in particular a λ / 2- Plate (half-wave plate) are formed around a axis of rotation perpendicular to the plane of polarization by means of a rotary drive device can be driven in rotation. The like delay plates are simple and inexpensive producible. This embodiment is also simple and robust in construction.
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung mit den Mitteln zur zirkularen Polarisation der Laserstrahlung sind diese Mittel zweckmäßigerweise durch eine λ/4-Platte gebildet. Mit einer derartigen λ/4-Platte läßt sich auf besonders einfache Weise eine zirkulare Polarisation der Laserstrahlung erzielen.In the embodiment of the invention direction with the means for circular polarization these agents are expedient for laser radiation formed by a λ / 4 plate. With such a λ / 4 plate can be a particularly simple achieve circular polarization of the laser radiation.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungs gemäßen Vorrichtung sind Mittel zur gegen laterale Ver schiebungen während des Bearbeitungsvorganges in einer zur Polarisationsebene im wesentlichen parallelen Ebene verschiebefesten Halterung des Werkstücks vorgesehen. Auf diese Weise sind unerwünschte laterale Verschiebun gen des Werkstück während des Bearbeitungsvorganges, die zu Abweichungen von der gewünschten Bearbeitungs geometrie führen können, zuverlässig vermieden.According to another development of the invention according device are means for against lateral Ver shifts during the machining process in one plane substantially parallel to the plane of polarization non-displaceable mounting of the workpiece is provided. In this way there are undesirable lateral displacements workpiece during the machining process, the deviations from the desired machining geometry can be reliably avoided.
Eine andere Ausführungsform sieht eine Positio niereinrichtung zur Positionierung von Laser und Werk stück relativ zueinander vor. Auf diese Weise ist es möglich, das Werkstück relativ zu dem Laser vor dem Bearbeitungsvorgang genau zu positionieren oder, bei spielsweise beim Schneiden mittels Laserstrahlung, wäh rend des Bearbeitungsvorganges zur Erzielung des ge wünschten Schnittes zu positionieren.Another embodiment sees a position nier device for positioning laser and work piece relative to each other. That way it is possible to position the workpiece relative to the laser To position the machining process precisely or at for example when cutting with laser radiation, wuh rend the machining process to achieve the ge to position the desired cut.
Eine andere Weiterbildung sieht eine Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Intensitätsverteilung auf dem zu bearbeitenden Werkstück vor.Another institution sees an institution to generate a certain intensity distribution on the workpiece to be machined.
Gemäß einer Weiterbildung der vorgenannten Aus führungsform ist die Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Intensitätsverteilung eine diffraktive Op tik. Auf diese Weise lassen sich praktisch beliebige, sehr definierte Intensitätsverteilungen auf der Werk stückoberfläche erzielen, ohne daß beispielsweise bei ultrakurzen Laserpulsen ein kritischer Zwischenfokus auftritt.According to a development of the aforementioned Aus management form is the device for generating a a diffractive op tik. In this way, practically any very defined intensity distributions on the work achieve piece surface without, for example ultra-short laser pulses are a critical intermediate focus occurs.
Zweckmäßigerweise ist die diffraktive Optik ein Hologramm. Derartige Hologramme sind einfach und ko stengünstig herstellbar.The diffractive optics is expediently one Hologram. Such holograms are simple and knockout inexpensive to manufacture.
Die diffraktive Optik kann auch ein in ein trans parentes Material eingebrachtes Hologramm sein, wie dies eine andere Weiterbildung der Ausführungsform mit der diffraktiven Optik vorsieht. Auf diese Weise ist das Hologramm einfacher handhabbar.The diffractive optics can also be converted into a trans parent material introduced hologram, such as this is another development of the embodiment with which provides diffractive optics. That way the hologram is easier to handle.
Bei der vorgenannten Ausführungsform kann das transparente Material aus Kunststoff, aus einem Poly mer, aus Glas, Quarz oder einem Salz bestehen.In the aforementioned embodiment, this can transparent plastic material, made of a poly always consist of glass, quartz or a salt.
Die diffraktive Optik kann jedoch auch ein in ein reflektierendes Material eingebrachtes Hologramm sein, wie dies eine andere Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Hologramm vorsieht.However, the diffractive optics can also be integrated into one reflective material introduced hologram, as this is another development of the embodiment with the hologram.
Gemäß einer anderen Weiterbildung sind die dif fraktive Optik und das Werkstück relativ zueinander positionierbar. Auf diese Weise läßt sich der zu be arbeitende Bereich des Werkstücks genau einstellen.According to another training, the dif fractive optics and the workpiece relative to each other positionable. In this way it can be Adjust the working area of the workpiece precisely.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dar gestellt ist, näher erläutert.The invention is described below with reference to the beige added drawing, in which an embodiment is explained in more detail.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 in schematischer Seitenansicht ein Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 shows a schematic side view of an inventive device from the management, for example for carrying out the OF INVENTION to the invention process,
Fig. 2 die Intensitätsverteilung auf dem Werk stück bei Verwendung eines Doughnut-Ho logrammes, Fig. 2 shows the intensity distribution on the workpiece using a donut-Ho logrammes,
Fig. 3 eine Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Bohrung in einem Werkstück aus Stahl im Eintrittsbereich der Laser strahlung, Fig. 3 is a scanning electron micrograph of a radiation with the apparatus of Fig. 1 produced by the inventive method bore in a workpiece made of steel in the entry region of the laser,
Fig. 4 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 den Austrittsbereich der Laserstrahlung bei der Bohrung gemäß Fig. 3, Fig. 4 in the same representation as FIG. 3, the exit region of the laser radiation in the bore of FIG. 3,
Fig. 5 eine Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer mit einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik erzeugten Bohrung in Stahl gleicher Dicke wie in den Fig. 3 und 4 im Eintrittsbereich der Laser strahlung und Fig. 5 is a scanning electron microscope image of a hole produced with a method according to the prior art in steel of the same thickness as in Figs. 3 and 4 in the entrance area of the laser radiation and
Fig. 6 den Austrittsbereich der Laserstrahlung bei der Bohrung gemäß Fig. 5. Fig. 6 shows the outlet area of the laser radiation in the bore of FIG. 5.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die ein Lasersystem 4 mit einem ultrakurz gepulsten Laser aufweist, der Laserimpulse im Femtose kunden-Bereich erzeugt. Im Ausbreitungsweg der durch das Lasersystem 4 erzeugten Laserstrahlung in Ausbrei tungsrichtung hinter dem Lasersystem 4 ist eine Halb wellenplatte 6 angeordnet, die zur Polarisationsebene der Laserstrahlung, die in Fig. 1 senkrecht zur Zei chenebene und in diese hinein verläuft und durch eine Linie P symbolisiert ist, parallel angeordnet ist und Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung der Laser strahlung und des Werkstücks relativ zueinander bildet. Die Halbwellenplatte 6 ist mittels einer in Fig. 1 nicht dargestellten Drehantriebseinrichtung um eine zur Polarisationsebene P im wesentlichen senkrechte Dreh achse kontinuierlich drehantreibbar. Die von dem Laser system 4 erzeugte Laserstrahlung ist linear polari siert.In Fig. 1, an apparatus according to the invention is shown, which has a laser system 4 with an ultra-short pulsed laser, which generates laser pulses in the femtose customer area. In the path of propagation of the laser radiation generated by the laser system 4 in the direction of expansion behind the laser system 4 , a half-wave plate 6 is arranged, which is perpendicular to the plane of polarization of the laser radiation in FIG. 1 and into this and is symbolized by a line P. , is arranged in parallel and forms means for rotating the direction of polarization of the laser radiation and the workpiece relative to each other. The half-wave plate 6 can be continuously driven in rotation by means of a rotary drive device (not shown in FIG. 1) about an axis of rotation essentially perpendicular to the polarization plane P. The laser radiation generated by the laser system 4 is linearly polarized.
In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung hinter der Halbwellenplatte 6 ist im Ausbreitungsweg der La serstrahlung eine diffraktive Optik angeordnet, die eine Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Inten sitätsverteilung auf einem zu bearbeitenden Werkstück 8 bildet und bei diesem Ausführungsbeispiel durch ein Hologramm 10 gebildet ist. Das Hologramm 10 ist an ei nem Positioniertisch angebracht, der in Fig. 1 durch einen Pfeil 12 symbolisiert ist und dazu dient, den Abstand zwischen dem Hologramm 10 und dem zu bearbei tenden Werkstück 8 einzustellen.In the direction of propagation of the laser radiation behind the half-wave plate 6 , a diffractive optic is arranged in the path of propagation of the laser radiation, which forms a device for generating a certain intensity distribution on a workpiece 8 to be machined and is formed by a hologram 10 in this exemplary embodiment. The hologram 10 is attached to a positioning table, which is symbolized in FIG. 1 by an arrow 12 and serves to set the distance between the hologram 10 and the workpiece 8 to be machined.
Das Werkstück 8 ist ebenfalls an einem Positio niertisch angeordnet, der in Fig. 1 durch einen Pfeil 14 symbolisiert ist und zur genauen Einstellung des zu bearbeitenden Bereichs des Werkstücks 8 dient.The workpiece 8 is also arranged on a positioning table, which is symbolized in FIG. 1 by an arrow 14 and is used for precise adjustment of the area of the workpiece 8 to be machined.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das Hologramm 10 ein Doughnut-Hologramm, so daß sich bei Betrieb der Vorrichtung 2 auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 8 eine kreisringförmige Inten sitätsverteilung 16 einstellt, wie dies aus Fig. 2 er sichtlich ist.In the embodiment shown in FIG. 1, the hologram 10 is a donut hologram, so that when operating the device 2 on the surface of the workpiece 8 to be machined, an annular intensity distribution 16 sets, as can be seen from FIG. 2.
Nachfolgend soll die Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens mittels der Vorrichtung 2 anhand eines Bearbeitungsvorganges näher erläutert werden, der im Bilden einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Bohrung in dem Werkstück 8 besteht.In the following, the implementation of the method according to the invention by means of the device 2 will be explained in more detail using a machining process which consists in forming an essentially rotationally symmetrical bore in the workpiece 8 .
Während des Bearbeitungsvorganges wird die Laser strahlung des Lasersystems 4 über die Halbwellenplatte 6 und das Hologramm 10 auf das zu bearbeitende Werk stück 8 gerichtet, so daß sich auf der Oberfläche des Werkstücks 8 die kreisringförmige Intensitätsverteilung 16 einstellt. Während des Bearbeitungsvorganges wird die Halbwellenplatte 6 durch die nicht dargestellte Drehantriebseinrichtung kontinuierlich drehangetrieben, so daß die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung während des Bearbeitungsvorganges kontinuierlich in einer einheitlichen Drehrichtung in der Polarisations ebene P gedreht wird. Durch die Laserstrahlung wird gemäß der kreisringförmigen Intensitätsverteilung 16 Material von dem Werkstück abgetragen, so daß sich eine Bohrung 18 mit im wesentlichen kreisförmigem Quer schnitt zu bilden beginnt.During the machining process, the laser radiation of the laser system 4 via the half-wave plate 6, and the hologram 10 on the piece to be machined 8 directed, so that the annular intensity distribution is adjusted to the surface of the workpiece 8 sixteenth During the machining process, the half-wave plate 6 is continuously driven in rotation by the rotary drive device, not shown, so that the polarization direction of the laser radiation is continuously rotated in the polarization plane P during the machining process in a uniform direction of rotation. The laser radiation removes 16 material from the workpiece in accordance with the annular intensity distribution, so that a bore 18 with a substantially circular cross section begins to form.
In Fig. 3 ist der Eintrittsbereich 20 der Laser strahlung an der Bohrung 18 dargestellt.In Fig. 3, the entrance area 20 of the laser radiation at the bore 18 is shown.
Während des Bearbeitungsvorganges wird dann weiter Material an dem Werkstück 8 abgetragen, bis ein Durch bruch gebildet ist und die Laserstrahlung auf der dem Eintrittsbereich 20 abgewandten Seite des Werkstücks 8 in einem Austrittsbereich 22 aus dem Werkstück 8 aus tritt.During the machining process, material is then removed from the workpiece 8 until a break is formed and the laser radiation on the side of the workpiece 8 facing away from the entry region 20 emerges from the workpiece 8 in an exit region 22 .
Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß die mit tels des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Bohrung 18 mit guter Näherung rotationssymmetrisch ist und daß auch im Austrittsbereich 22 der Laserstrahlung der ge wünschte kreisförmige Querschnitt beibehalten ist. Auf diese Weise ist ein besonders gleichmäßiges Bearbei tungsergebnis erzielt.From Figs. 3 and 4 it can be seen that the bore formed by means of the method according to the invention 18 with a good approximation, is rotationally symmetrical and that the ge desired circular cross-section is maintained in the outlet region 22 of the laser radiation. In this way, a particularly uniform machining result is achieved.
Im Vergleich hierzu sind in Fig. 5 der Eintritts bereich 20 und in Fig. 6 der Austrittsbereich 22 einer mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik herge stellten Bohrung in einem Material gleicher Dicke dar gestellt. Es ist ersichtlich, daß der Eintrittsbereich 20 der Bohrung zwar noch den gewünschten im wesentli chen kreisförmigen Querschnitt aufweist, daß bereits bei einer Materialdicke von einem Millimeter im Aus trittsbereich 22 jedoch erhebliche Abweichungen von der gewünschten, im wesentlichen kreisförmigen Geometrie der Bohrung 18 auftreten, so daß das bekannte Verfahren zum Bilden von präzisen Bohrungen bereits bei Material stärken von etwa 200 µm nicht geeignet ist. Demgegen über ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Bilden von Bohrungen in Materialien größerer Materialstärke geeignet.In comparison to this, in FIG. 5 the entry area 20 and in FIG. 6 the exit area 22 of a bore made with a method according to the prior art are provided in a material of the same thickness. It can be seen that the entry region 20 of the bore still has the desired circular cross section in wesentli, but that with a material thickness of one millimeter in the exit region 22, however, considerable deviations from the desired, essentially circular geometry of the bore 18 occur, so that the known method for forming precise holes is not suitable for material thicknesses of approximately 200 µm. In contrast, the method according to the invention is also suitable for forming bores in materials of greater thickness.
Falls anstatt linear polarisierter Laserstrahlung zirkular polarisierte Laserstrahlung verwendet wird, so wird anstatt der drehantreibbaren Halbwellenplatte 6 ein ortsfeste λ/4-Platte verwendet, die die Laserstrah lung zirkular polarisiert.If circularly polarized laser radiation is used instead of linearly polarized laser radiation, then a stationary λ / 4 plate is used instead of the rotationally drivable half-wave plate 6 , which circularly polarizes the laser radiation.
Claims (36)
bei dem die Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung eines im wesentlichen rotationssymme trischen Materialabtrages an dem Werkstück die Polari sationsrichtung der Laserstrahlung und das Werkstück relativ zueinander während des Bearbeitungsvorganges um eine zur Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Achse gedreht werden.1. Method for micromachining workpieces by means of laser radiation, in particular for forming essentially rotationally symmetrical recesses in workpieces,
in which the laser radiation is directed onto the workpiece to be machined,
characterized by
that to generate a substantially rotationally symmetrical material removal on the workpiece, the polarization direction of the laser radiation and the workpiece are rotated relative to one another during the machining operation about an axis substantially perpendicular to the plane of polarization.
bei dem die Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung eines im wesentlichen rotationssymme trischen Materialabtrages an dem Werkstück zirkular polarisierte Laserstrahlung verwendet wird.11. Method for micromachining workpieces by means of laser radiation, in particular for forming essentially rotationally symmetrical recesses in workpieces,
in which the laser radiation is directed onto the workpiece to be machined,
characterized,
that circularly polarized laser radiation is used to generate a substantially rotationally symmetrical material removal on the workpiece.
mit einem Laser,
gekennzeichnet durch
Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung der Laser strahlung und des Werkstücks (8) relativ zueinander während des Bearbeitungsvorgangs um eine zu der Polari sationsebene (P) im wesentlichen senkrechte Achse zur Erzielung eines im wesentlichen rotationssymmetrischen Abtrages an dem Werkstück (8).20. Device for micromachining workpieces by means of laser radiation, in particular for forming essentially rotationally symmetrical recesses in workpieces,
with a laser,
marked by
Means for rotating the direction of polarization of the laser radiation and the workpiece ( 8 ) relative to each other during the machining operation about an axis perpendicular to the polarization plane (P) to achieve a substantially rotationally symmetrical removal on the workpiece ( 8 ).
mit einem Laser,
gekennzeichnet durch
Mittel zur zirkularen Polarisation der Laserstrahlung.26. Device for micromachining workpieces by means of laser radiation, in particular for forming essentially rotationally symmetrical recesses in workpieces,
with a laser,
marked by
Means for circular polarization of the laser radiation.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19744368A DE19744368A1 (en) | 1997-10-08 | 1997-10-08 | Ultra-short pulse laser beam micro-engineering for drilling symmetrical recess |
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