DE2319776A1 - METHOD FOR PRECISE MACHINING OF WORKPIECES USING LASER RADIOS AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD - Google Patents
METHOD FOR PRECISE MACHINING OF WORKPIECES USING LASER RADIOS AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHODInfo
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Description
A 156 73-ib ' B.3.73 HF/juA 156 73-ib 'B.3.73 HF / ju
eingereicht am: 18. April I973Submitted on: April 18, 1973
»ΙΡΙ,.-ΠΜΟ. KXAtIS BEHN DIPL.-J'HYS. HOHERT MiWZHUBEH»ΙΡΙ, .- ΠΜΟ. KXAtIS BEHN DIPL.-J'HYS. HOHERT MiWZHUBEH
β München aaβ Munich aa
PiBrres Holding SA, Rue du Rüschli B, 2500 Biel/BJBnna (Schweiz)PiBrres Holding SA, Rue du Rüschli B, 2500 Biel / BJBnna (Switzerland)
Verfahren zur präzisen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensProcess for the precise processing of workpieces by means of laser beams and device for carrying out the process
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur präzisen Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, bei welchem man eine aus einem Laserresonator austretende Laserstrahlung auf das Werkstück auftreffen lässt. Beispielsweise kann es sich darum handeln, Uhrensteine oder Metalle zu bohren. Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, dass dabei genau reproduzierbare Laserstrahlen notwendig sind, deren zeitlicher und räumlicher Intensitätsverlauf der gewünschten Lochgrösse und Lochform entspricht.The invention relates to a method for the precise machining of workpieces by means of laser beams, in which one from laser radiation emitted by a laser resonator impinges on the workpiece. For example, it can be Drill watch stones or metals. In-depth investigations have shown that precisely reproducible laser beams are necessary, their temporal and spatial intensity progression corresponds to the desired hole size and shape.
Es ist schon gelungen, vorgegebene Impulsformen zu erzielen; bei der Bearbeitung von Werkstücken, namentlich metallischen Werkstücken mit Laserimpulssn traten aber immer wieder unerklärliche Verzerrungen des zeitlichen und räumlichen Verlaufes dieser Impulse auf, welche die gewünschte Genauigkeit der Bearbeitung stark beeinträchtigten. Die Erfindung geht aus der im Verlaufe der Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis hervor,It has already been possible to achieve predetermined pulse shapes; when machining workpieces, especially metallic ones Workpieces with laser impulses, however, repeatedly resulted in inexplicable distortions of the temporal and spatial course these impulses, which severely impaired the desired accuracy of the machining. The invention is based on knowledge gained in the course of the investigations,
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dass BS die Natur des Werkstückes selbst sain müsse, welche die Impulsverzerrungen hervorruft.that BS must consider the nature of the workpiece itself, which which causes impulse distortion.
Das Verfahren nach der Erfindung, durch das die erwähnten Mängel vollkommen behoben werden, zeichnet sich dadurch aus, dass man eine Rückwirkung von am Werkstück oder an in dessen Nähe befindlichen Medien reflektierter Strahlung auf den Laserresonator verhindert.The method according to the invention, by which the mentioned shortcomings are completely eliminated, is characterized by the fact that there is a reaction from on the workpiece or in its vicinity Prevents media from reflected radiation on the laser resonator.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, Diese Vorrichtung zeichnet, sich dadurch aus, dass zwischen dem Laserresonator und dem Werkstück eine Sperrvorrichtung für am Werkstück oder an in dessen Nähe befindlichen Medien reflektierte Strahlung vorgesehen ist.The invention also relates to a device for implementation This procedure, This device is characterized by it from that between the laser resonator and the workpiece a Locking device for on the workpiece or in its vicinity Media reflected radiation is provided.
In dar Zeichnung ist fin Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es ist?In the drawing, there is an exemplary embodiment of the subject matter of the invention shown. It is?
Fig. 1 eine parallBlperspektivische, schematische Darstellung einer mit Laserstrahlen arbeitenden Bearbeitungsvorrichtungj 1 shows a parallel perspective, schematic illustration a processing device operating with laser beams j
Fig. 2 ein Diagramm, das den Verlauf eines mit dieser Vorrichtung erzeugten Laserimpulses zaigtjundFig. 2 is a diagram showing the course of a with this device generated laser pulse zaigtjund
Fig. 3 ein der Fig. 2 entsprechendes Diagramm, das sich bei Benützung einer bisher üblichen Vorrichtung ergeben kann.FIG. 3 shows a diagram corresponding to FIG. 2, which is located at Use of a previously common device can result.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung umfasst einen Laserresonator 1, der in üblicher Weise zwei Spiegel 2 und 3 aufweist, zwischen denen sin aktives Lasermedium 4,The device shown schematically in Fig. 1 comprises a laser resonator 1, which in the usual way has two mirrors 2 and 3, between which sin active laser medium 4,
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z.B. ein Rubinstab, angeordnet ist, der durch nicht dargestellte Mittel, z.B. eine Blitzlichtlampe, impulsweise erregt werden kann. Zwischen dem Lasermedium 4 und dem Spiegel 3, der zur Auskoppelung des Nutzstrahlenbündels s dient, ist eine Brewsterplatte 5 angeordnet.-Darunter ist in .üblicher Weise eine planparallele Glasplatte zu verstehen, deren Oberflächen-Normale mit der Strahlenrichtung den Brewsterwinkel o£ einschliesst, für welchen die bekannte Gleichung tgot =■ η gilt, wobei η der Brechungsindex der Glasplatte ist. Durch diese Massnahme wird bekanntlich eine lineare Polarisation der zwischen den Spiegeln 2 und 3 hin- und herreflektierten Strahlung erzielt. Die Polarisationsrichtung ist durch den Pfeil 6 angegeben; sie liegt in der durch die Strahlenrichtung und die Oberflächennormale der Brewsterplatte 5 im Strahlenauftreffpunkt bestimmten Ebene.e.g. a ruby stick, is arranged by the not shown Means, e.g. a flashlight lamp, can be energized in pulses. Between the laser medium 4 and the mirror 3, the A Brewster plate 5 is arranged for decoupling the useful beam. Below it is in the usual way to understand a plane-parallel glass plate, the surface normal of which corresponds to the Brewster angle o £ with the direction of the rays includes, for which the well-known equation tgot = ■ η applies, where η is the refractive index of the glass plate. As is known, this measure results in a linear polarization that reflected back and forth between mirrors 2 and 3 Radiation achieved. The direction of polarization is indicated by arrow 6; it lies in the direction of the rays and the surface normal of the Brewster plate 5 in the plane determined at the point of incidence of rays.
Im Wege des Nutzstrahlenbündels s befindet sich hintereinander ein Polarisations-Analysator 7, z.B. ein Polarisationsfilter, eine \/4 - Platte B und eine Fokussierungsoptik 9, z.B. eine einfache Linse, welche das Strahlenbündel auf ein zu bearbeitendes Werkstück 10 fokussiert, wobei sich der Brennpunkt B, bzw. der engste Querschnitt des fokussierten Strahlenbündels, nicht auf der Oberfläche des Werkstückes liegen muss, sondern z.B. etwas hinter,derselben liegen kann. Beispielsweise kann angenommen werden, dass mit dem Laserstrahl ein Loch in einen Edelstein oder in eine Hartmetallplatte gebohrt werden soll.In the path of the useful beam s there is a polarization analyzer 7, e.g. a polarization filter, one behind the other. a 1/4 plate B and focusing optics 9, e.g. simple lens which focuses the beam on a workpiece 10 to be machined, the focal point B, or the narrowest cross-section of the focused beam, does not have to lie on the surface of the workpiece, but e.g. something behind, the same can be. For example, can It can be assumed that a hole is to be drilled in a precious stone or in a hard metal plate with the laser beam.
In Ermangelung der Elemente 7 und 8 würde ein Teil des auf das Werkstück 10 auftreffenden Strahles von demselben reflektiert und über die Linse 9 wieder zum Auskoppelungsspiegel 3 gelangen. Das Werkstück 10 und der Spiegel 3 bilden dann zusammen einenIn the absence of elements 7 and 8, part of the beam impinging on workpiece 10 would be reflected by the same and return to the coupling-out mirror 3 via the lens 9. The workpiece 10 and the mirror 3 then together form one
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zweiten optischen Resonator, der mit dem Laserresonator 1 gekoppelt ist und dadurch auf die Intensität, die Frequenz und die Modenstruktur dieses Laserresonators 1 zurückwirkt. Dieser Effekt ist es, der die Reproduzierbarkeit der vom Laserresonator 1 abgegebenen Laserimpulse verhindert, indem er dieselben vom zu bearbeitenden Werkstück abhängig macht.second optical resonator, which is coupled to the laser resonator 1 is and thereby on the intensity, the frequency and the mode structure of this laser resonator 1 acts back. This effect is what makes the reproducibility of the laser resonator 1 prevents laser pulses emitted by making them dependent on the workpiece to be machined.
Das Polarisationsfilter 7 und die \/4 - Platte B bilden nun eine Sperrvorrichtung 11 für die vom Werkstück 10 reflektierten Strahlen, so dass das Nutzstrahlenbündel s von der Art des Werkstückes 10 unabhängig ist. Die Sperrwirkung der Vorrichtung 11 kommt auf folgende Weise zustande.The polarization filter 7 and the \ / 4 - plate B now form a blocking device 11 for the beams reflected from the workpiece 10, so that the useful beam s from the Type of workpiece 10 is independent. The blocking effect the device 11 comes about in the following manner.
Das Polarisationsfilter 7 lässt nur Strahlen durch, die in seiner durch den Doppelpfeil 12 angegebenen Durchlassrichtung linear polarisiert sind. Die in Fig. 1 von links nach rechts gerichtete Strahlung ist oberhalb der Strahlenaxe noch durch volle Pfeile 13, 14 und 15 veranschaulicht und die von rechts nach links gerichtete, also die reflektierte Strahlung, durch gestrichelte Pfeile 16 und 17. Die Strahlung 13 vor dem Polarisationsfilter 7 und die Strahlung 14 nach demselben sind linear polarisiert, wie durch die zum Pfeil 6 parallelen Pfeile 18 und 19 dargestellt ist. Die Strahlung 15 hinter dem der \/4 - Platte ist dagegen zirkulär polarisiert, wie durch die Pfeilkombination 20 dargestellt ist. Eine Λ/4 Platte besteht bekanntlich aus doppelbrechendem Material, so dass sich das Licht in derselben in zwei Teile von verschiedener Geschwindigkeit aufspaltet, die nach dem Durchgang durch die Platte eine Phasenverschiebung von 90 zueinander haben. Eine linear polarisierte Strahlung wird dann in eine zirkulär polarisierte Strahlung umgewandelt, worin die optische C-AxeThe polarization filter 7 only allows rays to pass through that are in its transmission direction indicated by the double arrow 12 are linearly polarized. The in Fig. 1 from left to right Directed radiation is illustrated above the beam axis by solid arrows 13, 14 and 15 and that from the right radiation directed to the left, ie the reflected radiation, by dashed arrows 16 and 17. The radiation 13 in front of the polarization filter 7 and the radiation 14 after it are linearly polarized, as by those parallel to the arrow 6 Arrows 18 and 19 is shown. The radiation 15 behind that of the \ / 4 - plate is, however, circularly polarized, like is represented by the arrow combination 20. A Λ / 4 plate is known to consist of birefringent material, so that the light in the same is divided into two parts of different Speed splits that after going through the plate have a phase shift of 90 to each other. A linearly polarized radiation is then turned into a circular one converted into polarized radiation, in which the optical C-Ax
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der \/4 - Platte B mit der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahles einen Winkel von ^ VQn 4^0 einschliesst. Wenn der Winkel ψ ¥ 45° ist, ergibt sich anstelle der zirku- — laren eine elliptische Polarisation. Die durch die Linse 9 auf einem Punkt des Werkstückes 10 konzentrierte Strahlung ist somit zirkulär polarisiert und dass.elbe gilt für die reflektierte Strahlung 16. Wenn man die Drehrichtung der zirkulär polarisierten Strahlung wie üblich in Richtung dieser Strahlung betrachtet, so ist aber jetzt die durch die Pfeilkombination 22 dargestellte Drehrichtung umgekehrt. War die Strahlung 15 rechtsdrehend zirkulär polarisiert, so ist die Strahlung 16 linksdrehend zirkulär polarisiert. Die sich beim Durchgang der Strahlung 16 durch die /1/4-Platte B ergebende Strahlung 17 ist wieder linear polarisiert, aber in einer um SO gegenüber der ursprünglichen Richtung 6, bzw. 18 und 19, gedrehten Richtung 23. Da die Durchlassrichtung 12 des Polarisationsfilters 7 zur Polarisationsrichtung 23 senkrecht steht, lässt das Filter 7 von der Strahlung 17 überhaupt nichts durch, womit die Sperrwirkung der Vorrichtung 11 erklärt ist.the \ / 4 - plate B forms an angle of ^ VQn 4 ^ 0 with the direction of polarization of the incident beam. If the angle is ψ ¥ 45 °, there is an elliptical polarization instead of a circular one. The radiation concentrated by the lens 9 on a point of the workpiece 10 is thus circularly polarized and the same applies to the reflected radiation 16. If one looks at the direction of rotation of the circularly polarized radiation as usual in the direction of this radiation, it is now through the arrow combination 22 shown direction of rotation reversed. If the radiation 15 was circularly polarized to the right, the radiation 16 is circularly polarized to the left. The radiation 17 resulting when the radiation 16 passes through the / 1/4 plate B is again linearly polarized, but in a direction 23 rotated by SO relative to the original direction 6, or 18 and 19, respectively Polarization filter 7 is perpendicular to the polarization direction 23, the filter 7 does not allow any radiation 17 to pass through, which explains the blocking effect of the device 11.
Die Sperrvorrichtung 11 könnte anstelle des Polarisationsfilters auch irgend einen anderen Polarisations-Analysator 7 enthalten, z.B. ein Glan-Thompson-Prisma oder ein Wollaston-Prisma. Die Sperrwirkung kann praktisch schon sehr gut sein, auch wenn die sich bei den Durchgängen der Strahlung 11 bzw. 16 durch die 'X /4 - Platte keine genaue zirkuläre bzw. keine genaue lineare Polarisation ergeben.The blocking device 11 could instead of the polarization filter also contain any other polarization analyzer 7, e.g. a Glan-Thompson prism or a Wollaston prism. the The blocking effect can be very good in practice, even if the When the radiation 11 or 16 passes through the 'X / 4 plate, there is no exact circular or no exact linear one Polarization result.
Statt im Inneren des Resonators 1 die Brewsterplatte 5 vorzusehen, kann man auch durch andere resonatorinterne Massnahmen erreichen, dass in demselben praktisch nur linear polarisierteInstead of providing the Brewster plate 5 inside the resonator 1, can also be achieved by other measures inside the resonator that practically only linearly polarized in the same
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Strahlung verstärkt wird, z.B. durch bekannte Orientierung der Vorzugsrichtung eines als Lasermedium 4 dienenden Rubinstabes, Verzichtet man auf solche resonatorinterne Polarisations massnahmen, so wird dadurch die Wirkungsweise der Vorrichtung nicht geändert, aber ein Teil der aus dem Resonator austretenden Strahlung durch den Analysator 7 ddsgafangen, was eine Verschlechterung das Wirkungsgrades des Lcisarsystems zur Folge haben kann.Radiation is amplified, e.g. by the known orientation of the preferred direction of a ruby rod serving as laser medium 4, If such polarization measures inside the resonator are dispensed with, this will change the mode of operation of the device not changed, but some of the radiation emerging from the resonator is caught by the analyzer 7, which is a deterioration result in the efficiency of the Lcisarsystem can.
In einigen Fällen wird es bei ausreiohendsn resonatarinternen Polarisationsmassnahmen möglich SeIn4 auf den Analysator 7 zu verzichten, da die um 90° gedrehte vom Werkstück reflektierte Strahlung im Lsserreaonator aufgrund der hohen Strahlungsverluste durch die Poiarisatiansmassrshman für-diese Polarisa-"tionsrichtufig ksinr l.esertaiigkeii anfachen oder stören kann.In some cases, it is to dispense at ausreiohendsn resonatarinternen polarization measures can be 4 to the analyzer 7, as rotated 90 ° from the workpiece reflected radiation in Lsserreaonator due to the high radiation losses caused by the Poiarisatiansmassrshman for-this polarization "tionsrichtufig ksinr l.esertaiigkeii foment or can disturb.
Ir« Fig» 2 Ist beispielsweise ein gewünschter Verlauf dar Intensität i eines durch einen Blitzlichtimpulserregten LaserixGhtimpulsgs in Funktion der Zeit t dargestellt. Sind die Höhe und die zeitliehen Abstände des aufeinanderfolgenden Spikes 24 durch bekannte Massnahmen in Abwesenheit eines Werkstückes 10 eingestellt worden, beispielsweise mittels der Auskopplung» dar Pumpleistung, der Ausbildung des Rbsqnatores oder der Wahl des Lasermediums', und ändert man diese Einstellung zwischen aufeinanderfolgenden Bearbeitungen von Werkstücken 10 gleicher oder verschiedener Art nicht, so erhält man immer wieder dieselbe Impulsform» Entfernt man dagsgen die Sperrvorrichtung 11, so erhalt man bei jedem Werkstück eine andere Impulsform, auch wenn sich diese Werkstücks scheinbar nicht voneinander unterscheiden. Beispielsweise erhalt man statt dss bei der optischen Entkopplung des Resonators 1 undIr «Fig» 2, for example, shows a desired course of the intensity i of a laser pulse, excited by a flash light pulse, as a function of time t. Have the height and the time loan distances of successive spikes 24 is adjusted by known means in the absence of a workpiece 10, for example by means of the coupling-out "represents the pump power, the formation of the Rbsqnatores or a choice of the laser medium ', and to change this setting between successive operations of Workpieces 10 of the same or different types do not result in the same pulse shape over and over again. If, on the other hand, you remove the locking device 11, you get a different pulse shape for each workpiece, even if these workpieces do not seem to differ from one another. For example, instead of dss in the optical decoupling of the resonator 1 and
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des Werkstückes 10 erhaltenen Impulses nach Fig. 2 einen Impuls der in Fig. 3 gezeigten Art, wobei die Höhe der Spikes un ihre zeitlichen Abstände in gar keiner erkennbaren Beziehung zu deren früheren Werten stehen, und bei Wiederholung der Versuche mit anderen Werkstücken in ganz statistischer Art variieren, wobei dieser Effekt namentlich bei Bearbeitung von Werkstücken aus Metall mit infraroter Laserstrahlun-g sehr stark ist, weil alle Metalle in diesem Bereich nahezu 100 %-ig reflektieren. Die Sperrvorrichtung 11 ist nicht nur in bezug auf das Werkstück selbst wirksam, sondern auch in bezug auf eventuell in der Nähe dieses Werkstückes vorhandene reflektierende Medien irgendwelcher Art, namentlich Flüssigkeiten oder Dämpfe, die bei der Bearbeitung des Werkstückes entstehen, insbesondere die flüssige oder dampfförmige Phase seines eigenen Materials.of the workpiece 10 received pulse according to FIG. 2, a pulse of the type shown in FIG. 3, the height of the spikes and their time intervals in no discernible relationship to their previous values, and when the tests are repeated with other workpieces in a completely statistical way Kind vary, with this effect being named when editing of metal workpieces with infrared laser radiation is strong because all metals in this area reflect almost 100%. The locking device 11 is not only related effective on the workpiece itself, but also with regard to any reflective material that may be present in the vicinity of this workpiece Media of any kind, namely liquids or vapors, which arise during the machining of the workpiece, in particular the liquid or vapor phase of its own material.
Der durch die exakte Reproduzierbarkeit der Impulse in der präzisen Bearbeitung von Werkstücken,, namentlich bei Serienfabrikationen erzielte Fortschritt ist sehr gross, ob nun das Werkstück mit den Laserstrahlen gebohrt, geschnitten oder geschweisst werden muss, und ob es sich um ein metallisches, kristallinisches, keramisches oder andersartiges Werkstück handelt.Due to the exact reproducibility of the impulses in the precise Machining of workpieces, especially in series production The progress achieved is very great, whether the workpiece is drilled, cut or welded with the laser beams must be, and whether it is a metallic, crystalline, ceramic or other type of workpiece.
Um eine Rückwirkung der reflektierten Strahlung auf den Laserresonator zu verhindern, ist es nicht unbedingt nötig, eine Sperrvorrichtung vorzusehen. Wenn man das Werkstück schräg zum Strahl stellt, so wird letzterer nicht zum Laserresonator reflektiert und kann denselben somit nicht beeinflussen. Dieses Verfahren ist z.B. beim Schneiden von Metallen anwendbar, zum Bohren im allgemeinen aber nicht geeignet, weil man in der Regel senkrecht zur Oberfläche bohren will. Man kann ferner die Oberfläche des Werkstückes aufrauhen, damit die reflektierteA reaction of the reflected radiation on the laser resonator To prevent it, it is not absolutely necessary to provide a locking device. If you put the workpiece at an angle to the If the beam is positioned, the latter is not reflected to the laser resonator and can therefore not influence the same. This This method can be used, for example, for cutting metals, but is generally not suitable for drilling because it is usually wants to drill perpendicular to the surface. You can also roughen the surface of the workpiece so that the reflected
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Strahlung gestreut wird und somit praktisch keine Rückwirkung auf den Laserresonator hat: Dies ist allerdings nur dann vorteilhaft, wenn das Aufrauhen nicht zu mühsam ist und wenn das fertige Werkstück nicht eine glatte Oberfläche haben soll, weil sonst dieselbe wieder abgeschliffen werden muss. Beide Massnahmen wirken unter Umständen aber nur in der Phase vor dem Verflüssigen des Materials.Radiation is scattered and thus practically no retroactive effect on the laser resonator: However, this is only advantageous if the roughening is not too laborious and if that finished workpiece should not have a smooth surface because otherwise the same has to be sanded off again. Both measures may only work in the phase before the material liquefies.
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