DE4310409C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Strahldiagnose bei der definierten Laserbestrahlung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Strahldiagnose bei der definierten LaserbestrahlungInfo
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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 (3)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4310409A DE4310409C2 (de) | 1993-03-31 | 1993-03-31 | Verfahren und Vorrichtung zur Strahldiagnose bei der definierten Laserbestrahlung |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4310409A1 DE4310409A1 (de) | 1994-10-06 |
DE4310409C2 true DE4310409C2 (de) | 1998-01-15 |
Family
ID=6484282
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