DE4310409C2

DE4310409C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Strahldiagnose bei der definierten Laserbestrahlung

Info

Publication number: DE4310409C2
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: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2013-04-01
Also published as: DE4310409A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahldiagnose bei der 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 08 182)
- 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.

Es ist auch bereits ein Verfahren zur Strahldiagnose bei der definierten Laserbestrahlung von Werkstoffen bekannt, bei dem aus dem vom Laser generierten Lasergesamtstrahl auf seinem Weg zum Bestrahlungsobjekt ein Laserteilstrahl ausgekoppelt und einer Strahldiagnoseeinrichtung geführt wird (US 5 192 846) Bei der zugehörigen Vorrichtung befindet sich zwischen dem Laser und dem Bestrahlungsobjekt ein optisches Element zur Auskopplung des Laserteilstrahls. Nach dem optischen Element ist für den ausgekoppelten Laserteilstrahl eine optische Strahlführungseinrichtung angeordnet, an deren Ende eine Strahldiagnoseeinrichtung angeordnet ist.

Nachteilig hierbei ist, daß der aus dem Lasergesamtstrahl ausgekoppelte Teilstrahl durch eine Strahlführungseinrichtung geführt wird, deren optische Parameter sich wesentlich von denen der zur Führung des verbleibenden Arbeitsstrahls dienenden Strahlführungseinrichtung unterscheiden. Damit ist die Energiedichteverteilung auf dem Detektor eine völlig andere als die auf dem Bestrahlungsobjekt.

Es ist auch ein Verfahren zur Diagnostik von CO₂-Laserstrahlung bekannt, bei dem ein ausgekoppelter Laserteilstrahl mit einer CCD-Kamera erfaßt wird (P. Loosen, u. a., Laser und Optoelektronik, 1958, H. 3, S. 278-281). Hierbei ist jedoch die Energieverteilungsstruktur am Bestrahlungsobjekt nicht ermittelbar, da sich die Strahlführungseinrichtung für den Laserteilstrahl wesentlich von der Strahlführungseinrichtung für den Laserarbeitsstrahl unterscheidet.

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

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

Bei dem dargestellten 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. Erfindungsgemäß werden an der Strahldiagnoseeinrichtung wie am Bestrahlungsobjekt gleiche Energieverteilungsstrukturen erzeugt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungseinrichtung für den Laserleitstrahl M die gleichen optischen Parameter aufweist, wie sie die Strahlführungseinrichtung für den auf das Bestrahlungsobjekt geführten verbleibenden Laserarbeitsstrahl A besitzt, wobei am Ende der Strahlführungseinrichtung für den ausgekoppelten Laserteilstrahl M eine CCD-Kamera zur Strahldiagnose angeordnet ist.

In vorteilhafter Weise ist die CCD-Kamera auf Führungsstangen in Strahlrichtung kontinuierlich ver schiebbar angeordnet.

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 und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert, das ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Thermoschock-Laserbehandlung von Werkstoffproben in einer Vakuumkammer betrifft.

Das in der Zeichnung 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 Laserteilstrahl 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.

Claims

1. Verfahren zur Strahldiagnose bei der definierten Laserbestrahlung von Werkstoffen, beispielsweise bei der Thermoschock-Laserbehandlung von Werkstoffproben oder beim Laserbeschuß von Targets zur Schichtherstellung mittels Laser- Dampfphasenabscheidung, bei dem 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 der zu einer Strahldiagnoseeinrichtung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Strahldiagnoseeinrichtung wie am Bestrahlungsobjekt gleiche Energieverteilungsstrukturen erzeugt werden.

2. Vorrichtung zur Strahldiagnose bei der definierten Laserbestrahlung von Werkstoffen, beispielsweise bei der Thermoschock-Laserbehandlung von Werkstoffproben oder beim Laserbeschuß von Targets zur Schichtherstellung mittels Laser- Dampfphasenabscheidung, bei der zwischen dem Laser und dem Bestrahlungsobjekt ein optisches Element zur Auskopplung eines Laserteilstrahls M niedriger Energie aus dem vom Laser generierten Lasergesamtstrahl G angeordnet ist, dessen Strahlenergie maximal 10% des Lasergesamtstrahls G beträgt und bei der nach dem optischen Element im Strahlgang des ausgekoppelten Laserteilstrahls M eine optische Strahlführungseinrichtung angeordnet ist, an deren Ende eine Strahldiagnoseeinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungseinrichtung (4) für den Laserstrahl M die gleichen optischen Parameter aufweist, wie sie die Strahlführungseinrichtung (3) für den auf das Bestrahlungs objekt geführten verbleibenden Laserarbeitsstrahl A besitzt, wobei am Ende der Strahlführungseinrichtung (4) für den ausgekoppelten Laserteilstrahl M eine CCD-Kamera (6) zur Strahldiagnose angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kamera (6) auf Führungsstangen (7) in Strahlrichtung kontinuierlich verschiebbar angeordnet ist.