DE3714504A1 - Verfahren zum bearbeiten von materialien mit laserstrahlen - Google Patents

Verfahren zum bearbeiten von materialien mit laserstrahlen

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bearbeiten von Materialien mit Laserstrahlen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.
Der Strahlung im Infrarot-Bereich (IR) emittierende CO2-Laser hat sich in vielen Anwendungsbereichen als vorteilhaftes In­ strument zum Schneiden und Schweißen von verschiedensten metal­ lischen und auch nichtmetallischen Werkstoffen bewährt.
Einige Materialien haben sich aufgrund ihrer Absorptionseigen­ schaften und ihrer Wärmeleitung aber der Bearbeitung durch CO2- Laser entzogen. Dies gilt insbesondere für Edelmetalle wie Kupfer, Silber oder Gold, deren Oberfläche die IR-Strahlung des CO2-Lasers wesentlich stärker reflektiert als beispielsweise gut bearbeitbare Stähle. Die Absorption der IR-Laserstrahlung in den genannten Edelmetallen ist zu schwach, um brauchbare Schneid- und Schweißergebnisse zu ermöglichen.
Die Absorption der Strahlung im zu bearbeitenden Metall läßt sich in erster Näherung in zwei Stufen aufteilen:
In der ersten Stufe koppelt der Laserstrahl mit der Metallober­ fläche. Bei dieser Koppelung wird aus dem Strahlungsfeld Ener­ gie von den Leitungselektronen des Metalls und/oder den Gitter­ schwingungen aufgenommen, so daß eine lokale Erhitzung erfolgt. Diese Koppelung in der ersten Stufe hängt im wesentlichen von der Leistungsdichte der Laserstrahlung sowie den Oberflächen­ eigenschaften des Metalls ab.
In der zweiten Stufe wird die aus dem Strahlungsfeld in die Metalloberfläche übergegangene Energie durch Wärmeleitung in das Innere des Materials verteilt.
Kupfer (und andere Edelmetalle) hat bezüglich beider Stufen Eigenschaften, die ein Schneiden und Schweißen mit CO2-Laser­ strahlung bisher weitgehend verhindert haben. Zum einen ist der Absorptionskoeffizient bei der CO2-Laserwellenlänge von 10,6 µm sehr gering, so daß der Wirkungsgrad der Energieübertragung in der ersten Stufe sehr schlecht ist, und zum anderen ist die Wärmeleitung in Kupfer bei Raumtemperatur sehr groß, so daß in der zweiten Stufe eine schnelle Abfuhr der Energie aus dem Koppelungsbereich an der Oberfläche stattfindet, wodurch eben­ falls der Schweiß- oder Schneidvorgang behindert wird.
In der Zeitschrift "LASERS & APPLICATIONS", März 1986, S. 59-64, wird ein Verfahren zum Schneiden von Kupferscheiben mit CO2-Laserstrahlung beschrieben. Das bekannte Verfahren zeigte aber bisher nur bei deoxidiertem, stark phosphorhaltigem Kupfer brauchbare Ergebnisse. Derartiges Kupfer hat aber im Vergleich zu anderen Kupferarten eine sehr geringe thermische Leitfähig­ keit und auch der Absorptionskoeffizient ist wesentlich günsti­ ger als bei anderen Kupferarten. Überdies ist das bekannte Ver­ fahren hinsichtlich der Schweiß- und Schneidleistung begrenzt und verlangt die Einhaltung sehr spezifischer Prozeßparameter.
In dem Buch "LASER/OPTOELEKTRONIK IN DER TECHNIK", Herausgeber: W. Waidelich, Springer-Verlag 1986, S. 480-485, werden Modelle zum Verständnis der bei der Wechselwirkung intensiver IR-Laser­ strahlung mit Metalloberflächen auftretenden Phänomene entwic­ kelt. Es wird dort erläutert, daß sich dann im Wechselwirkungs­ bereich zwischen Strahlung und Festkörper ein Plasma bilden kann, wenn die in der oben erwähnten ersten Stufe im Metall ab­ sorbierte Energie größer ist als die in der zweiten Stufe er­ folgende Wärmeabfuhr. Im Bereich des derart erzeugten Plasmas verliert die Metalloberfläche ihre nachteiligen Reflexions­ eigenschaften und der Energieübergang aus dem Strahlungsfeld in das Metall wird verbessert. Dabei darf allerdings das Plasma nicht so dicht werden, daß es den Großteil der Strahlungsener­ gie des Lasers bereits absorbiert, bevor dieser zum darunter­ liegenden Metall durchdringen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum kostengünstigen, wirksamen Bearbeiten von im IR-Bereich stark reflektierenden Metallen, wie Kupfer, Silber oder Gold, mittels IR-Laserstrahlung zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 be­ schrieben.
Der Erfindungsgedanke, nämlich für den eigentlichen "Arbeits­ strahl" (also den CO2-Laserstrahl) noch einen "Hilfsstrahl" vorzusehen, läßt sich nicht nur bei der Bearbeitung von im IR-Bereich reflektierenden Metallen vorteilhaft anwenden, son­ dern auch beim Bearbeiten von Kunststoffen und biologischem Gewebe, wie Acrylglas (auch Plexiglas genannt) bzw. Augenhorn­ haut (cornea).
Für den Materialabtrag mittels Laserstrahlung bei Kunststoffen oder biologischem Gewebe ist besonders die Wellenlänge 193 nm (ArF) des Excimerlasers geeignet, siehe den Aufsatz von R. Srinivasan in der Zeitschrift "Journal Vac. Sci. Technol." B 1(4), Oct.-Dec. 1983, S. 923-926. Nur die Excimer-Laserstrah­ lung der Wellenlänge 193 nm wird von den in Rede stehenden Materialien gut absorbiert, um einen befriedigenden Materialab­ trag zu ermöglichen. Die anderen vom Excimer-Laser emittierten Wellenlängen sind weniger geeignet.
Allerdings hat die Laserstrahlung der Wellenlänge 193 nm gegen­ über den anderen Wellenlängen erhebliche Nachteile. Zum einen ist die Emission des Excimer-Lasers bei 193 nm wesentlich ge­ ringer als bei anderen Wellenlängen wie z.B. bei 308 nm (XeCl) und zum anderen hat ein Laserstrahl der Wellenlänge 193 nm den Nachteil, daß diese Strahlung im Sauerstoff der Luft absorbiert wird und daß die optischen Komponenten zur Strahlsteuerung aus Quarzglas oder noch teurerem Material gefertigt sein müssen.
Der Erfindung liegt deshalb weiterhin die Aufgabe zugrunde, auch ein Verfahren zum Bearbeiten von Kunststoffen oder biolo­ gischem Gewebe mittels Laserstrahlung anzugeben, welches im Vergleich mit dem Stand der Technik wirksamer und kostengünsti­ ger ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 5 gekennzeichnet.
In den Patentansprüchen 6 und 7 sind vorteilhafte Ausgestal­ tungen beschrieben.
Gemäß der Erfindung wird also der relativ leistungsschwache Laserstrahl mit 193 nm Wellenlänge zunächst als "Hilfsstrahl" auf das zu bearbeitende Material gerichtet, um dieses derart zu modifizieren, daß seine Absorptionseigenschaften bezüglich an­ derer Wellenlängen verbessert werden. Beispielsweise führt die Absorption der Strahlung von 193 nm zur Bildung von Farbzentren im Material, welche die Absorption bei einer längeren Wellen­ länge von z.B. 308 nm (XeCl) ermöglichen oder verbessern.
Alle Lösungsvarianten der Erfindung sind bezüglich beider je­ weils eingesetzten Laserstrahlen sowohl für gepulste als auch für kontinuierliche Lasertypen geeignet. Bei zwei gepulsten Strahlquellen müssen beide zeitlich (und selbstverständlich auch räumlich) koordiniert werden.
Wird ein gepulster Laserstrahl als "Hilfsstrahl" zusammen mit einem kontinuierlichen "Arbeitsstrahl" eingesetzt, so ist der Zeitpunkt des Auftreffens des gepulsten Strahles auf das Material jeweils maßgeblich für den Beginn der Materialbear­ beitung.
Werden zwei kontinuierliche Strahlquellen eingesetzt, so kommt es nur auf die räumliche Koordination an.
Anhand einer schematischen Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Die Figur zeigt ein Material, das mittels Laserstrahlung bear­ beitet werden soll.
Bei dem Material kann es sich um ein Edelmetall, wie Kupfer, Silber oder Gold handeln, welches geschweißt oder geschnitten werden soll. In diesem Falle wird ein erster Laserstrahl L 1 auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials fokussiert (Fokus F). Beim ersten Laserstrahl L 1 handelt es sich um einen Exci­ mer-Laserstrahl, wobei alle bekannten Excimerlaser-Wellenlängen gut geeignet sind, also z.B. 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl) und 351 nm (XeF). Die Oberfläche des Edelmetalls absor­ biert hinreichend UV-Strahlung, um die Oberfläche so zu ändern, daß ihre Absorption bezüglich des IR-Laserstrahls L 2 verbessert wird. Mittels des "Hilfs-Strahls" L 1 wird also die Oberfläche des Materials so präpariert, daß der IR-Strahl L 2 eines CO2-La­ sers mit hohem Wirkungsgrad in das Material eingekoppelt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann also der erste Laserstrahl L 1 in Form eines UV-Laserblitzes als Ini­ tiator für die Einkoppelung der z.B. kontinuierlichen IR-La­ serstrahlung angesehen werden.
Auch die zweite Variante der Erfindung, nämlich die Bearbeitung von Kunststoffen oder biologischem Gewebe soll anhand der glei­ chen Figur erläutert werden. In diesem Falle handelt es sich bei dem Material nicht um ein Edelmetall, sondern um einen Kunststoff, wie z.B. Acrylglas, oder ein biologisches Gewebe, wie z.B. die Augenhornhaut.
Der erste, das Material präparierende Laserstrahl L 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Excimer-Laserstrahl der Wellen­ länge 193 nm (ArF), welcher im Material gut absorbiert wird. Beim zweiten Laserstrahl L 2 handelt es sich um einen Excimer- Laserstrahl anderer Wellenlänge, z.B. bei 308 nm (XeCl), wel­ cher bei Abwesenheit des Laserstrahls L 1 vom Material nicht oder nur mit sehr geringem Wirkungsgrad absorbiert wird.
Der Laserstrahl der Wellenlänge 193 nm präpariert das Material derart, daß die Absorption des Materials beim wesentlich lei­ stungsstärken Laserstrahl mit geringerer Wellenlänge ermöglicht oder verbessert wird.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere zum Schweißen oder Schneiden, von solchen Metallen, deren Oberfläche IR-La­ serstrahlung stark reflektiert, wie Kupfer, Silber oder Gold, unter Verwendung eines IR-Laserstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum IR-Laserstrahl zumindest ein weiterer Laser­ strahl anderer Wellenlänge auf die zu bearbeitende Metallober­ oberfläche gerichtet wird, welcher die Absorption der IR-Laser­ strahlen im Metall erhöht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Laserstrahl eine Wellenlänge im UV-Bereich hat, bevorzugt eine oder mehrere der Excimerlaser-Wellenlängen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Laserstrahl gepulst ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch der IR-Laserstrahl gepulst ist, wobei der weitere Laserstrahl zeitlich und räumlich derart auf den IR-Laserstrahl abgestimmt ist, daß die Einkoppelung des IR-Laserstrahles in das Metall gefördert wird.
5. Verfahren zum Bearbeiten von Kunststoffen oder Gewebe, wie Acrylglas bzw. Augenhornhaut, unter Verwendung eines vom nicht modifizierten Kunststoff bzw. Gewebe gut absorbierbaren Laserstrahls, wie eines Excimer-Laserstrahls der Wellenlänge 193 nm (ArF), dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum gut absorbierbaren Laserstrahl zumindest ein weiterer Laserstrahl anderer Wellenlänge auf den zu bearbeiten­ den Kunststoff bzw. das Gewebe gerichtet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Laserstrahl ein Excimer-Laserstrahl ist, bevor­ zugt einschließlich der Wellenlänge 308 nm (XeCl).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gut absorbierbare Laserstrahl und der weitere Laser­ strahl als gepulste Strahlen zeitlich und räumlich derart auf­ einander abgestimmt werden, daß die Einkoppelung des weiteren Laserstrahls in der Kunststoff bzw. das Gewebe durch den gut absorbierbaren Laserstrahl gefördert wird.
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