DE4310409A1

DE4310409A1 - Verfahren und Vorrichtung zur definierten Laserbestrahlung

Info

Publication number: DE4310409A1
Application number: DE4310409A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Menzel; Klaus Prof Wetzig; Uwe Rossek
Original assignee: Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2013-04-01
Also published as: DE4310409C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur definierten Laserbestrahlung von Werk stoffen. Sie ist beispielsweise anwendbar bei der Thermoschock-Laserbehand lung von Werkstoffproben oder beim Laserbeschuß von Targets bei der Schichtherstellung mittels Laser-Dampfphasenabscheidung (LPVD).

Bei den bekannten Verfahren der Laserbestrahlung werden die Laserstrahlen im allgemeinen direkt oder über einen geeigneten Lichtleiter bzw. ein Lichtleiterbündel auf die Werkstoffoberfläche geführt. Die Einkopplung des Laserstrahls in eine Vakuumkammer erfolgt je nach Lasertyp über ein entsprechendes Schauglas, welches einerseits den Zweck der vakuummäßigen Abdichtung der Vakuumkammer erfüllen und andererseits eine sehr hohe Transparenz für die Wellenlänge des Lasers aufweisen muß. In den Fällen, wo der Laserstrahl fokussiert auf die Werkstoffoberfläche auftreffen soll, wird ein entsprechendes Linsensystem zwischen dem Laser und dem Schauglas bzw. zwischen Schauglas und Probe angeordnet. Um die maximal zulässige Leistungsdichte der Gläser beim Einsatz von Hochleistungslasern nicht zu überschreiten, muß dabei der unfokussierte Laserstrahl das Schauglas passieren.

In diesen Fällen besteht die akute Gefahr der Verschmutzung des Schauglases bzw. der Linse, was zur sofortigen Zerstörung dieser kostspieligen optischen Bauelemente führt. Deshalb werden verschiedenartige Blenden eingesetzt, die einen möglichen Dampfstrahl von Probenmaterial "abfangen" sollen.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Standes der Technik besteht darin, daß es nicht möglich ist, die tatsächlichen Belastungsparameter am Bestrahlungsobjekt zu bestimmen. Die bekannten Lösungen gehen vielmehr meist von der Messung der Laserparameter aus, wie beispielsweise von der Energie bzw. der Leistung oder der zweidimensionalen Energie bzw. Leistungsdichte im unfokussierten La serstrahl; eine nichtsimultane Messung der Laserparameter am Bestrahlungsob jekt ist wegen der hohen Energiedichte im allgemeinen nicht möglich und für eine exakte Bestimmung der Belastung unter Berücksichtigung einer gewissen Instabilität von Impulslasern auch nicht sinnvoll.

Ferner muß in den bekannten Fällen, wo ein Werkstoff innerhalb einer Vakuum kammer bestrahlt wird, der Werkstoff entsprechend zu dem - durch ein spe zielles Schauglas einfallenden - Laserstrahl in seiner Position ausgerichtet wer den. Dies ist nicht in jedem Fall möglich, beispielsweise dort nicht, wo man den Werkstoff innerhalb der Vakuumkammer und ohne Vakuumunterbrechung einer weiteren gleichzeitigen und/oder nachfolgenden Bearbeitung bzw. Untersuchung unterziehen will. Aufgrund der geometrischen Bedingungen in einer derartigen Vakuumkammer, wie z. B. in einem Rasterelektronen- oder Rastertunnelmikro skop, ist eine einzige Position der Probe, in der sowohl bestrahlt als auch abge bildet werden kann, im allgemeinen nicht möglich. Die Führung des Laserstrahls außerhalb und innerhalb der Vakuumkammer über entsprechende Spiegel ist im allgemeinen nur begrenzt möglich.

Bei den bekannten Verfahren, bei denen Werkstücke außerhalb eines Vakuums mit Laserstrahlen bearbeitet werden, z. B. beim Trennen, Schweißen oder Polie ren, werden die Prozeßparameter am Bestrahlungsobjekt mittels indirekter Verfahren bestimmt. Ausgewertet werden dabei zum Beispiel:

- das Emissionsspektrum des Materialdampfes bzw. Dampfplasmas (DE-OS 39 08 187)
- die akustischen Wellen, die vom laserbestrahlten Werkstück emittiert werden (DE-OS 37 05 182),
- die vom laserbestrahlten Werkstück emittierte Wärmestrahlung (DE-OS 37 26 466),
- die vom Laserstrahl im Werkstück bewirkte mechanische Stoßwelle (DE-OS 39 35 528),
- das Absorptionsspektrum und damit der Abschirmeffekt des Materialdampfes bzw. -plasmas,
- die flächenhafte Detektion der bestrahlten Materialoberfläche mittels einer CCD-Kamera.

Bei diesen bekannten Verfahren wird ein in Folge der Bestrahlung generierter Effekt ausgewertet und in einen funktionalen Zusammenhang mit den ande renorts gemessenen Laserparametern gebracht. Eine exakte Bestimmung der Laserparameter am Belastungsort ist damit nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur definierten Laserbestrahlung von Werkstoffen zu schaffen, bei denen eine simultane und äquivalente Ermittlung der Laserstrahlparameter am Bestrah lungsobjekt möglich ist.

Die Aufgabe ist nach der Erfindung mit den in den Patentansprüchen dargestell ten Mitteln gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus dem vom Laser generierten La sergesamtstrahl G auf seinem Weg zum Bestrahlungsobjekt ein Laserteilstrahl M ausgekoppelt, dessen Strahlenergie maximal 10% des Lasergesamtstrahls G beträgt. Der Laserteilstrahl M wird zu einer Strahldiagnoseeinrichtung geführt, wobei für die Führung des Laserteilstrahls M optische Mittel verwendet werden, deren Parameter identisch mit denen der Strahlführung für den auf das Bestrah lungsobjekt gerichteten Laserarbeitsstrahl A sind.

In zweckmäßiger Weise wird ein Laserteilstrahl M ausgekoppelt, dessen Lei stungsdichte zwischen der Nachweisgrenze einerseits und der maximal zulässi gen Laserleistungsdichte für die Strahldiagnoseeinrichtung andererseits liegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) zwischen dem Laser und dem Bestrahlungsobjekt ein optischer Keil zur Aus kopplung eines Laserteilstrahls M niedriger Energie aus dem vom Laser generier ten Lasergesamtstrahl G angeordnet ist,
b) nach dem optischen Keil im Strahlgang des ausgekoppelten Laserteilstrahls M eine optische Strahlführungseinrichtung angeordnet ist, welche die gleichen optischen Parameter aufweist, wie sie die Strahlführungseinrichtung für den auf das Bestrahlungsobjekt geführten Laserarbeitsstrahl A besitzt,
c) am Ende der Strahlführungseinrichtung für den Laserteilstrahl M eine Ein richtung zur Strahldiagnose angeordnet ist.

In vorteilhafter Weise ist als Einrichtung zur Strahldiagnose eine CCD-Kamera verwendet. Diese kann auf Führungsstangen in Strahlrichtung kontinuierlich ver schiebbar angeordnet sein.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung enthält die Strahlfüh rungseinrichtung für den zum Bestrahlungsobjekt geführten Laserarbeitsstrahl A einen flexiblen, definiert ausrichtbaren Lichtleiter , vorzugsweise einen Gradientenlichtleiter.

Der Lichtleiter kann mittels einer Hülse aus einem Hochtemperatur-Werkstoff, vorzugsweise aus einem temperaturfesten Keramikwerkstoff, vakuumdicht in eine Vakuumkammer geführt sein, in der sich das Bestrahlungsobjekt befindet, wobei der Abstand der Hülse von der laserseitigen Stirnfläche sowie vom Mantel des Lichtleiters so gewählt ist, daß die Laserleistungsdichte an der Hülse und am Mantel unterhalb der Schädigungsgrenze liegt. Statt dessen kann der Lichtleiter jedoch auch unter Verwendung einer PTFE-Muffe vakuumdicht in die Vakuumkammer geführt sein.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik vor allem dadurch aus, daß eine simultane äquivalente Bestimmung der Laser strahlparameter am Belastungsort möglich ist. Daneben ergibt sich in vorteilhaf ter Weise die Möglichkeit einer definierten lateralen Probenbestrahlung bei einer breiten Variation der Bestrahlungsparameter und einer flexiblen Strahlführung.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Thermoschock-Laserbehandlung von Werkstoffproben in einer Vakuumkammer betrifft.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Lasereinkopplungsmodul in teilweiser Längsschnittdarstellung,

Fig. 2 und 3 Varianten von Strahlführungseinrichtungsteilen.

Das in Fig. 1 dargestellte Laserkopplungsmodul dient zur Laserbestrahlung eines Bestrahlungsobjekts 1 und ist in der Wandung 2 einer Vakuumkammer va kuumdicht angeordnet. Das Modul besteht im wesentlichen aus einer ersten Strahlführungseinrichtung 3 für den Laserarbeitsstrahl A, einer zweiten Strahl führungseinrichtung 4 und einem optischen Keil 5. Mittels dieses Keils 5 wird aus dem vom Laser generierten Lasergesamtstrahl G ein Laserteilstrahl M nied riger Energie ausgekoppelt und über die zweite Strahlführungseinrichtung 4 einer Einrichtung 6 zur Strahldiagnose, die eine CCD-Kamera ist, zugeführt. Der La sergesamtstrahl G weist hierbei eine Leistungsdichte von 7 kW/cm² auf. Die Leistungsdichte des Laserteilstrahls M beträgt 280 W/cm² und die des Laserarbeitsstrahls A 6,44 kW/cm².

Die CCD-Kamera ist an Führungsstangen 7 angeordnet und kann in Richtung des Laserteilstrahls M kontinuierlich verschoben werden.

Mit den mittels der CCD-Kamera aus dem LaserteiIstrahl M gewonnenen Infor mationen ist eine simultane äquivalente Bestimmung der Strahlparameter des Laserarbeitsstrahls A an der Oberfläche des Bestrahlungsobjektes 1 möglich, da der Laserarbeitsstrahl A und der Laserteilstrahl M eine identische Energiever teilungsstruktur besitzen, da diese durch die optisch identischen Strahlführungseinrichtungen 3; 4 geleitet werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Teilanordnung einer Strahlführungseinrichtung 3 für den Laserarbeitsstrahl A ist ein flexibler Lichtleiter 8 mittels einer Hülse 9 aus einem hochschmelzenden Keramikwerkstoff in einem Führungsrohr 10 in der Wandung 2 einer Vakuumkammer vakuumdicht angeordnet. Der Abstand der Hülse 9 sowie des Mantels 11 von der laserseitigen Stirnfläche des Lichtleiters ist so gewählt, daß die Leistungsdichte an der Hülse 9 und am Mantel 11 unterhalb der Schädigungsgrenze liegt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung zur vakuumdichten Durchführung des Lichtleiters 8 für den Laserarbeitsstrahl A durch die Wandung 2 der Vakuum kammer wird eine PTFE-Muffe 12 verwendet, die sich in einem Flansch 13 be findet und mittels einer Spannmutter 14 und einer Scheibe 15 an den Mantel 11 des Lichtleiters 8 gepreßt wird.

Durch die Verwendung des Lichtleiters 8 für den Laserarbeitsstrahl A besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit einer flexiblen Strahlführung und damit einer Vervollkommnung der erfindungsgemäß realisierbaren definierten lateralen Pro benbestrahlung mit breiter Variation der Bestrahlungsparameter.

Claims

1. Verfahren zur definierten Laserbestrahlung von Werkstoffen, beispielsweise bei der Thermoschock-Laserbehandlung von Werkstoffproben oder beim Laserbeschuß von Targets zur Schichtherstellung mittels Laser-Dampfphasenabscheidung, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem vom Laser generierten Lasergesamtstrahl G auf seinem Weg zum Bestrahlungsobjekt ein Laserteilstrahl M ausgekoppelt wird, dessen Strahlenergie maximal 10% des Lasergesamtstrahls G beträgt und daß der Laserteilstrahl M zu einer Strahldiagnoseeinrichtung geführt wird, wobei für die Führung des Laserteilstrahls M optische Mittel verwendet werden, deren Parameter identisch mit denen der Strahlführung für den auf das Bestrahlungsobjekt gerichteten Laserarbeitsstrahl A sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserteilstrahl M ausgekoppelt wird, dessen Leistungsdichte zwischen der Nachweisgrenze einerseits und der maximal zulässigen Laserleistungsdichte für die Strahldiagnoseeinrichtung andererseits liegt.

3. Vorrichtung zur definierten Laserbestrahlung von Werkstoffen, beispielsweise bei der Thermoschock-Laserbehandlung von Werkstoffproben oder beim Laserbeschuß von Targets zur Schichtherstellung mittels Laser-Dampfphasenabscheidung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zwischen dem Laser und dem Bestrahlungsobjekt ein optischer Keil (5) zur Auskopplung eines Laserteilstrahls M niedriger Energie aus dem vom Laser generierten Lasergesamtstrahl G angeordnet ist,
b) nach dem optischen Keil (5) im Strahlgang des ausgekoppelten Laserteilstrahls M eine optische Strahlführungseinrichtung (4) angeordnet ist, welche die gleichen optischen Parameter aufweist, wie sie die Strahlführungseinrichtung (3) für den auf das Bestrahlungsobjekt geführten Laserarbeitsstrahl A besitzt,
c) am Ende der Strahlführungseinrichtung (4) für den Laserteilstrahl M eine Einrichtung (6) zur Strahldiagnose angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Strahldiagnose dienende Einrichtung (6 ) eine CCD-Kamera ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kamera auf Führungsstangen (7) in Strahlrichtung kontinuierlich verschiebbar angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungseinrichtung (3) für den zum Bestrahlungsobjekt geführten Laserarbeitsstrahl A einen flexiblen, definiert ausrichtbaren Lichtleiter (8), vorzugsweise einen Gradientenlichtleiter, enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (8) mittels einer Hülse (9) aus einem Hochtemperatur-Werkstoff, vorzugsweise aus einem temperaturfesten Keramikwerkstoff, vakuumdicht in eine Vakuumkammer geführt ist, in der sich das Bestrahlungsobjekt (1) befindet, wobei der Abstand der Hülse (9) von der laserseitigen Stirnfläche sowie vom Mantel (11) des Lichtleiters (8) so gewählt ist, daß die Laserleistungsdichte an der Hülse (9) und am Mantel (11) unterhalb der Schädigungsgrenze liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (8) unter Verwendung einer PTFE-Muffe (12) vakuumdicht in eine Vakuumkammer geführt ist, in der sich das Bestrahlungsobjekt (1) befindet.