DE19925801A1 - Process for changing the point sizes during laser engraving, e.g. of glass comprises applying energy in the form of a focused laser beam to the workpiece transparent for a laser - Google Patents

Process for changing the point sizes during laser engraving, e.g. of glass comprises applying energy in the form of a focused laser beam to the workpiece transparent for a laser

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Abstract

Process for changing the point sizes during laser engraving comprises applying energy in the form of a focused laser beam to the workpiece transparent for a laser. For each laser type, the effective pulse length is regulated beginning with the time for the ignition of the plasma up to the plasma effect has ended in the material at each point of the workpiece depending on the required point sizes. AN Independent claim is also included for a device for carrying out the process comprising a x, y -galvoscanner and a motorized z-table.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Lasertechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Veränderung des optischen Verhaltens an der Oberfläche und/oder innerhalb eines Werkstückes mittels eines Lasers, wie es z. B. für die Herstellung von Schriftzeichen oder Bildern an der Oberfläche eines Werkstückes und/oder im Inneren eines Werkstückes angewandt werden kann.The invention relates to the field of laser technology and relates to a method and a device for changing the optical behavior on the surface and / or within a workpiece by means of a laser, as z. B. for the Production of characters or pictures on the surface of a workpiece and / or can be applied inside a workpiece.

Das Strukturieren von Oberflächen mittels gepulster Laser zum Zwecke der Beschriftung und Markierung ist ein bekanntes und vielfach angewendetes Verfahren. Besonders geeignet sind dafür Laser mit Pulslängen im Nanosekunden-Bereich (z. B. Nd-YAG-Laser mit 100 ns, Excimer-Laser mit 30 ns). Durch die hohe Laserpulsleistung und durch eine geeignete Fokussierung lassen sich Leistungsdichten im Bereich von 107 bis 109 W/cm2 auf der Werkstückoberfläche erreichen.The structuring of surfaces by means of pulsed lasers for the purpose of lettering and marking is a known and widely used method. Lasers with pulse lengths in the nanosecond range are particularly suitable for this (e.g. Nd-YAG laser with 100 ns, excimer laser with 30 ns). Due to the high laser pulse power and a suitable focusing, power densities in the range of 10 7 to 10 9 W / cm 2 can be achieved on the workpiece surface.

Derartige Leistungsdichten bewirken die Zündung eines dichten Plasmas auf der Oberfläche, das neben der eigentlichen Laserstrahlung einen hohen Energieeintrag in das Werkstück realisiert. Die absorbierte Energie führt zu einer starken lokalen Aufheizung sowie zum Abtragen von Material aus der Werkstückoberfläche. Der gewünschte optische Kontrast wird durch die modifizierte Oberflächentopographie und - morphologie oder durch thermisch induzierte Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung erzeugt.Such power densities cause the ignition of a dense plasma on the Surface which, in addition to the actual laser radiation, has a high energy input realized the workpiece. The absorbed energy leads to a strong local Heating and for removing material from the workpiece surface. The  The desired optical contrast is achieved through the modified surface topography and morphology or by thermally induced changes in chemical Composition created.

Auch die Laser-Innengravur ist ein bekanntes Verfahren mit Hilfe dessen für einen Laser transparente Materialien, insbesondere Glas, unter der Oberfläche, d. h. im Volumen markiert werden können (DE 44 07 547 C2). Dafür wird durch eine entsprechende Fokussierung des Laserstrahls im Material ein Plasma gezündet, das die Entstehung von Mikrorissen zur Folge hat. Punktweise - ähnlich wie bei einem Matrixdrucker - lassen sich zwei- und auch dreidimensionale Objekte und Strukturen darstellen. Die erreichbare Auflösung ergibt sich aus der Größe der Mikrorisse. Diese Größe hängt wiederum vor allem von der Lebensdauer des Plasmas und damit von der Dauer des Laserpulses ab.Laser internal engraving is also a well-known process for one Laser transparent materials, especially glass, under the surface, i.e. H. in the Volume can be marked (DE 44 07 547 C2). For this, a appropriate focusing of the laser beam in the material ignited a plasma that the formation of microcracks. Point by point - similar to one Matrix printers - can be two- and three-dimensional objects and structures represent. The resolution that can be achieved depends on the size of the microcracks. This Size in turn mainly depends on the life span of the plasma and thus on the Duration of the laser pulse.

Zur Veränderung der Größe der Mikrorisse ist also eine Änderung des Pulsdauer erforderlich. Damit ist es notwendig, bei jeder Änderung einen anderen Lasertyp einzusetzen, da jedem Lasertyp eine feste Pulslänge entspricht.To change the size of the microcracks is therefore a change in the pulse duration required. It is therefore necessary to change the type of laser with each change to be used because each laser type corresponds to a fixed pulse length.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur regelbaren Veränderung der Punktgröße bei der Laser-Innengravur anzugeben, bei dem die Punktgröße relativ unabhängig vom Lasertyp oder von Materialinhomogenitäten regelbar verändert werden kann.The invention has for its object a method and an apparatus for to specify the controllable change in the spot size for the laser engraving, at which the spot size is relatively independent of the laser type or of Material inhomogeneities can be changed in a controllable manner.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Further training is the subject of the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur regelbaren Veränderung der Punktgröße bei der Laser-Innengravur wird ein Lasertyp eingesetzt, der vorteilhafterweise einen hinreichend langen Laserpuls oder Laserpulszug aufweist.In the method according to the invention for controllably changing the point size in the case of laser internal engraving, a laser type is used which advantageously has one has a sufficiently long laser pulse or laser pulse train.

In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des für einen Laser transparenten Materials und aller äußeren Bedingungen erfolgt ein Energieeintrag in das Material, welcher zur Zündung des Plasmas führt. Der Zeitpunkt der Zündung des Plasmas ist dabei nicht identisch mit dem Zeitpunkt des Beginns des Laserpulses oder des Laserpulszuges. Eben in Abhängigkeit von den jeweils örtlich vorliegenden speziellen und möglicherweise jeweils unterschiedlichen Verhältnissen zündet das Plasma früher oder später. Der Zeitraum von der Zündung des Plasmas bis zu seinem Erlöschen ist die wirksame Pulslänge, die in den meisten Fällen kleiner ist als die Länge des Laserpulses oder des Laserpulszuges. In Abhängigkeit von der Länge der wirksamen Pulslänge entstehen Mikrorisse im Material, wobei je kürzer die Länge des wirksamen Pulses ist, um so kürzer sind die Mikrorisse und damit die räumliche Ausdehnung des Punktes.Depending on the composition of the material transparent to a laser and all external conditions there is an energy input into the material, which for Ignition of the plasma leads. The time of ignition of the plasma is not  identical to the time of the start of the laser pulse or the laser pulse train. Depending on the local special and possibly different conditions ignite the plasma earlier or later. The period from the ignition of the plasma to its extinction is the effective pulse length, which in most cases is smaller than the length of the laser pulse or the laser pulse train. Depending on the length of the effective pulse length microcracks occur in the material, the shorter the length of the effective pulse, the shorter are the microcracks and thus the spatial extent of the point.

Da eine möglichst kleine räumliche Ausdehnung der Punkte erreicht werden soll, was dann zu einer hohen Auflösung führt, ist also eine möglichst kurze Länge des wirksamen Pulses erforderlich.Since the smallest possible spatial expansion of the points is what then leads to a high resolution, the shortest possible length of the effective pulse required.

Um dies zu erreichen wird erfindungsgemäß die wirksame Länge eines Pulses oder eines Pulszuges auf eine gewünschte Länge verkürzt.In order to achieve this, the effective length of a pulse or a pulse train shortened to a desired length.

Dadurch kann bei einer je Lasertyp festgelegten Pulslänge oder Pulszuglänge unterschiedlich kürzere Pulslängen oder Pulszuglängen realisiert werden.This means that a pulse length or pulse train length can be defined for each laser type differently shorter pulse lengths or pulse train lengths can be realized.

Die Verkürzung der wirksamen Pulslänge wird mit einem schnelle optischen Schalter erreicht.The effective pulse length is shortened with a fast optical switch reached.

Dabei muß dieser schnelle optische Schalter im wesentlichen mindestens so schnell schalten, wie der ursprüngliche Puls oder Pulszug lang sind. Besser ist in jedem Fall, daß der schnelle optische Schalter so schnell und so vollständig wie möglich, den Energieeintrag an den Punkt in einem Material unterbricht.This fast optical switch must essentially be at least as fast switch as long as the original pulse or pulse train. In any case, it is better that the fast optical switch is as fast and as complete as possible Energy input to the point in a material stops.

Um den Zeitpunkt des Zündens des Plasmas festzustellen, ist erfindungsgemäß ein Plasmasensor vorhanden, der registriert, wann das Plasma zündet.In order to determine the point in time at which the plasma is ignited, an is according to the invention Plasma sensor available, which registers when the plasma ignites.

Das Feststellen des Zündzeitpunktes ist für das erfindungsgemäße Verfahren notwendig, um die wirksame Pulslänge wiederholbar an jedem Punkt des Materials realisieren zu können.The determination of the ignition point is for the method according to the invention necessary to make the effective pulse length repeatable at every point of the material to be able to realize.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrichtung einsetzbar, bei der von einem Laser ausgehend über einen elektro-optischen Deflektor, der als schneller optischer Schalter arbeitet, und einen x,y-Galvoscanner ein Laserstrahl in einen Glasblock gerichtet und fokussiert wird. Ein Plasmasensor zeigt den Zündzeitpunkt des Plasmas an und nach einer die Punktgröße bestimmenden wirksamen Pulsdauer lenkt der Deflektor den Laserstrahl aus. Die Schnelligkeit des optischen Schalters bestimmt damit die minimale wirksame Pulsdauer und die minimale Punktgröße.A device can be used to implement the method according to the invention, when starting from a laser via an electro-optical deflector, which as fast optical switch works, and an x, y galvo scanner turns a laser beam into  a glass block is directed and focused. A plasma sensor shows that Ignition time of the plasma on and after a point size determining effective pulse duration, the deflector deflects the laser beam. The speed of the optical switch thus determines the minimum effective pulse duration and the minimum Dot size.

Vorteilhafterweise kann die gewünschte wirksame Pulsdauer auch durch die Länge der Signalleitung vom Plasmasensor zum optischen Schalter realisiert sein.The desired effective pulse duration can advantageously also be determined by the length of the Signal line from the plasma sensor to the optical switch can be realized.

Weiterhin vorteilhafterweise wird zur Feststellung des Zündzeitpunktes des Plasmas das Plasma durch die Planfeldoptik des Galvoscanners auf einen Sensor abgebildet. Dazu wird nach dem x,y-Galvoscanner in den Weg des Laserstrahles vom elektro­ optischen Deflektor zum x,y-Galvoscanner ein dichroitischer Spiegel eingebaut, der das ursprüngliche Laserlicht hindurchläßt und das durch die Planfeldoptik aufgesammelte Plasmalicht aufgrund seiner anderen Wellenlänge auf einen entsprechenden Sensor leitet, der wiederum den Beginn des wirksamen Pulszuges darstellt und in Verbindung mit dem schnellen optischen Schalter steht.It is also advantageous to determine the ignition timing of the plasma the plasma is imaged on a sensor through the plane field optics of the galvo scanner. For this, after the x, y galvo scanner in the path of the laser beam from the electro optical deflector for the x, y galvo scanner a dichroic mirror built in, which lets the original laser light through and that collected through the flat field optics Plasma light due to its different wavelength on a corresponding sensor conducts, which in turn represents the beginning of the effective pulse train and in connection with the fast optical switch.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß unter Verwendung nur eines Lasertyps die regelbare Veränderung der Punktgrößen möglich ist. Die obere Grenze ist durch die Pulslänge oder die Pulszuglänge des Lasers gegeben. Die untere Grenze der Pulslängen wird durch die Schnelligkeit des optischen Schalters bestimmt. Die Punktgrößen können auch innerhalb eines Werkstücks individuell verändert werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Veränderungen im Material (Inhomogenitäten) und dem Umfeld der Bearbeitung durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeglichen und angepaßt werden können.The particular advantages of the method according to the invention are that under The use of only one laser type enables the controllable change of the point sizes is. The upper limit is the pulse length or the pulse train length of the laser given. The lower limit of the pulse lengths is determined by the speed of the optical Switch determined. The spot sizes can also be within a workpiece be changed individually. Another advantage is that the changes in the material (Inhomogeneities) and the processing environment by the inventive Procedures can be balanced and adjusted.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.

An einem hochwertigen Glasquader mit einer Dicke von 70 mm wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine dekorative Bearbeitung vorgenommen. Dazu wird mit einem gütegeschalteten und modensynchronisierten Nd-YLF-Laser gearbeitet. On a high-quality glass block with a thickness of 70 mm, the The inventive method made a decorative processing. This will worked with a Q-switched and mode-synchronized Nd-YLF laser.  

Dieser Laser emittiert eine Pulsfolge von 300 ns mit Einzelpulsen von 60 ps und Pulspausen von 13 ns. Die Pulsenergie beträgt für die Pulsfolge 3 mJ und je Einzelpuls 0,1 mJ. Dieser Laser ist mit einem elektro-optischen Deflektor gekoppelt. Dieser Deflektor lenkt auf ein entsprechendes Signal hin den durchgehenden Laserstrahl aus der Arbeitsrichtung aus und beendet damit den wirksamen Energieeintrag in das Material. Dieser elektro-optische Deflektor schaltet innerhalb von < 10 ns. Über einen x,y-Galvoscanner wird der Laserstrahl in den Bleikristallquader geleitet. Dort entzündet sich durch den Energieeintrag ein Plasma. Die davon ausgehende Strahlung wird entweder durch einen Plasmasensor auf einer Oberfläche des Quaders aufgenommen und das Signal durch eine Signalleitung mit einer Länge von 0,5 m zum elektro­ optischen Deflektor geleitet, der nach Ankunft des Signals den Laserstrahl auslenkt. Es kann aber auch durch die im x,y-Galvoscanner befindliche Planfeldoptik die Rückstrahlung des Plasmas aufgenommen und auf einen dichroitischen Strahlteiler geleitet werden, der wiederum ein Signal an den elektro-optischen Schalter weiterleitet und die Auslenkung des Laserstrahls bewirkt.This laser emits a pulse sequence of 300 ns with individual pulses of 60 ps and Pulse pauses of 13 ns. The pulse energy for the pulse train is 3 mJ and per single pulse 0.1 mJ. This laser is coupled to an electro-optical deflector. This Deflector deflects the continuous laser beam in response to a corresponding signal the working direction and thus ends the effective energy input into the Material. This electro-optical deflector switches within <10 ns. About one x, y galvo scanner, the laser beam is guided into the lead crystal cuboid. Ignited there a plasma due to the energy input. The radiation emanating from it is either recorded by a plasma sensor on a surface of the cuboid and the signal through a signal line with a length of 0.5 m to the electro guided optical deflector, which deflects the laser beam after arrival of the signal. It but can also by the plan field optics located in the x, y galvo scanner Retroreflection of the plasma recorded and onto a dichroic beam splitter are passed, which in turn forwards a signal to the electro-optical switch and causes the deflection of the laser beam.

Mit dieser Vorrichtung können wirksame Pulslängen von minimal 60 ps regelbar eingestellt werden.Effective pulse lengths of at least 60 ps can be regulated with this device can be set.

Claims (15)

1. Verfahren zur regelbaren Veränderung der Punktgröße bei der Laser-Innengravur, bei dem in ein für einen Laser transparentes Werkstück ein Energieeintrag mittels eines fokussierten Laserstrahls vorgenommen wird, wobei für jeden Lasertyp die wirksame Pulslänge beginnend mit dem Zeitpunkt der Zündung des Plasmas bis zu einer vorzeitigen Beendigung der Plasmaeinwirkung in dem Material an jedem beliebigen Punkt des Werkstücks in Abhängigkeit von der gewünschten Punktgröße geregelt wird.1. Procedure for controllable change of the spot size in the laser engraving, at energy input into a workpiece that is transparent to a laser focused laser beam is made, the effective for each type of laser Pulse length starting from the moment of ignition of the plasma up to one premature termination of plasma exposure in the material at any Point of the workpiece is regulated depending on the desired point size. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine programmierbare, und zwischen dem Bewegungsablauf und den Laserpulsen synchronisierte 2D- oder 3D-Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück realisiert wird.2. The method of claim 1, wherein a programmable, and between the Sequence of movements and 2D or 3D relative movement synchronized with the laser pulses between the laser beam and the workpiece. 3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein motorisierter x,y,z-Tisch mit Echtzeiterfassung der Position eingesetzt wird.3. The method of claim 1, wherein a motorized x, y, z table with Real-time position detection is used. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein x,y-Galvoscanner mit einer Planfeldoptik und ein motorisierter z-Tisch eingesetzt sind.4. The device according to claim 1, wherein an x, y galvo scanner with a plane field optics and a motorized z-table are used. 5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Pulsfolge von < 25 Pulszügen eingesetzt wird.5. The method of claim 1, wherein a pulse train of <25 pulse trains used becomes. 6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Pulsabstand < 13 ns eingesetzt wird.6. The method according to claim 1, in which a pulse interval <13 ns is used. 7. Vorrichtung zur regelbaren Veränderung der Punktgröße bei der Laser-Innengravur, bestehend aus einem Laser, einem schnellen Schalter, einer Vorrichtung zur Fokussierung des Laserstrahls an den gewünschten Punkt im Werkstück, einer Vorrichtung zur Ermittlung des Zündzeitpunktes des Plasmas und einer Signalleitung, deren Länge in Abhängigkeit von der gewünschten Pulslänge steht. 7. Device for controllably changing the spot size in the laser engraving, consisting of a laser, a fast switch, a device for Focusing the laser beam on the desired point in the workpiece, one Device for determining the ignition timing of the plasma and a signal line, the length of which depends on the desired pulse length.   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein modensynchronisierter und gütegeschalteter Festkörperlaser eingesetzt ist.8. The device according to claim 7, wherein a mode-synchronized and Q-switched solid-state laser is used. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein Pulszug durch Modensynchronisation erzeugt ist.9. The device according to claim 7, wherein a pulse train by mode synchronization is generated. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein diodengepumpter Festkörperlaser eingesetzt ist.10. The apparatus of claim 7, wherein a diode-pumped solid-state laser is inserted. 11. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der schnelle optische Schalter ein elektro­ optischer Deflektor ist.11. The apparatus of claim 7, wherein the fast optical switch is an electro is optical deflector. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der elektro-optische Deflektor eine Schaltzeit von < 10 ns hat.12. The apparatus of claim 11, wherein the electro-optical deflector has a switching time of <10 ns. 13. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Vorrichtung zur Ermittlung des Zündzeitpunktes des Plasma eine Photodiode ist, die Plasmastrahlung oder transmittierte Laserstrahlung detektiert.13. The apparatus of claim 7, wherein the device for determining the Ignition time of the plasma is a photodiode, the plasma radiation or transmitted laser radiation detected. 14. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Signalleitung ein Lichtleitkabel ist.14. The apparatus of claim 7, wherein the signal line is an optical fiber. 15. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der eine Planfeldoptik gleichzeitig zur Laserstrahlfokussierung und zur Abbildung des Plasmas auf einen Plasmasensor eingesetzt ist.15. The apparatus of claim 7, wherein a plan field optics simultaneously Laser beam focusing and for imaging the plasma on a plasma sensor is inserted.
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