DE4316360A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Schwingungen für einen Laserstrahl - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schwingungen für einen Laserstrahl, mit einem konkaven Spiegel zum Fokussieren des Strahls in eine Ablenkrichtung, die im wesentlichen senkrecht zur Einfallsrichtung ist, in welcher Vorrichtung der Spiegel auf einer Einheit befestigt ist, die um die Achse des einfallenden Strahls drehbar ist und die eine Halterung für den konkaven Spiegel aufweist, der in einem mit einem Gehäuse der Vorrichtung verbundenen Lager drehbar befestigt ist. Der Laserstrahl ist zum Abtasten bzw. Bestreichen einer Außenfläche eines Substrats bestimmt.

Laser werden seit einigen Jahren zu thermischen Behandlungen verwendet, weil mit ihnen eine genau lokalisierte metallische Oberfläche auf mehrere Arten verändert werden kann, ohne daß merkbare geometrische Abweichungen auftreten. Als thermische Oberflächenbehandlungen seien das Oberflächenhärten, das Oberflächenschmelzen und das Oberflächenlegieren erwähnt. Während das Oberflächenhärten sich in der festen Phase auswirken und nur für martensitische Materialien geeignet ist, wird Oberflächenschmelzen dazu verwendet, die Teile des Materials in Lösung zu versetzen, derart, daß die Struktur verfeinert wird, um auf der Oberfläche bessere mechanische Eigenschaften zu erhalten. Um das Oberflächenlegieren zu realisieren, wird ebenfalls ein Schmelzen des Materials an der Oberfläche vorgenommen, wobei Zusatzelemente (Pulver, Fasern oder elektrolytische Ablagerungen) im Schmelzbad eingebracht werden, um beispielsweise die Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion zu verbessern. Mit diesen Techniken kann vermieden werden, daß massive Bauteile aus Eisen oder speziellen Materialien verwirklicht werden, die somit sehr teuer sind, da eine Behandlung in den betreffenden Zonen und über eine geringe Tiefe hinweg vorgenommen wird. Um dieses Schmelzen durchzuführen, ist deshalb ein Laserstrahl großer Leistung notwendig.

Derzeit werden mehrere Mittel zum Realisieren dieser Oberflächenbehandlungen verwendet, wobei stets versucht wird, den Strahl zu vergrößern, um die in einem Durchgang behandelte Zone zu vergrößern. Dies soll Überlappungen vermeiden, die in gewissen Fällen eine Quelle metallurgischer Probleme sind und die Betriebszeiten zum Erhöhen der Produktivität reduzieren. Trotz dieser bekannten Mittel, beispielsweise Facettenlinsen, die ein Wiedererstellen und Fokussieren des Strahls auf einen quadratischen Querschnitt in der Größenordnung von 30 mm² ermöglichen, oder Zylinderlinsen, die den Strahl in ein Bündel wandeln, dessen Breite sich in der senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahles befindlichen Ebene auf dem Teil erstreckt, und Systemen zum Defokussieren, dank denen der Fokuspunkt vergrößert wird, die jedoch eine hohe Leistung oberhalb beispielsweise 3500 Watt erfordern.

Ferner sind Vorrichtung bekannt, bei denen der Strahl von einer Abtastbewegung angeregt wird; diese Vorrichtungen verbleiben jedoch im Bereich von Laboratorien. Man kennt Vorrichtungen, die polygone Spiegel verwenden, die man mit großer Geschwindigkeit dreht und auf denen der Strahl projiziert wird; der Hauptnachteil dieser Art von Spiegeln ist, daß sie nicht gekühlt werden können, daß sie sehr zerbrechlich sind und hohe Herstellungskosten verursachen. Bekannt sind auch optische Anordnungen von ebenen Spiegeln auf Spiegelgalvanometer mobiler Art, in denen der Strahl auf einen fokussierenden Spiegel projiziert wird und dann auf zwei ebenen Spiegeln reflektiert wird, die in zwei orthogonalen Richtungen schwingen, was zu einer Abtastung in Form eines Bogens führt. Diese Lösung bietet den Vorteil, daß hochfrequent schwingende Spiegel angeordnet werden können, um somit eine kontinuierliche Schmelzlinie zu schaffen, während ihre Nachteile darin bestehen, daß die Spiegel geringe Abmessungen haben und aus einem Spezialmaterial aufgrund der Trägheit haben müssen, was einen stark fokussierten Strahl bei einer erheblichen Energiekonzentration voraussetzt, was eine Zerstörungsgefahr dieser Spiegel in dem Falle bedeutet, in welchem Stöße auf die reflektierende Oberfläche gelangen. Darüber hinaus muß eine Vorrichtung zur Synchronisation der Schwingung der beiden Spiegel vorgesehen sein, was schwierig zu beherrschen ist und was hohe Kosten verursacht.

Die vorliegende Erfindung schlägt ein optisches Schwingungssystem für einen Laserstrahl vor, das aus einer einfachen Anpassung an eine existierende Vorrichtung zum Fokussieren eines Strahles hoher Leistung besteht, die nur auf den optischen Flächen konzentriert ist, durch welche er reflektiert wird und von der Abtastbewegung stimuliert wird.

Aus dem Dokument JP-A-3 018 494 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schwingungen eines Laserstrahls bekannt, die einen konkaven Spiegel zum Fokussieren des Strahls in eine Ablenkrichtung senkrecht zur einfallenden Richtung besitzt, welche Vorrichtung auf einer Einheit befestigt ist, die um die Achse des einfallenden Strahls schwenkbar ist, wobei der treibende Teil dieser Einheit relativ zum einfallenden Strahl über dem Spiegel angeordnet ist und einen Antrieb aufweist, der in wechselnden Drehungen gesteuert wird und eine Reihe von Zapfen aufweist, die die Übertragung zwischen Antrieb und Spiegel sicherstellen. Diese Montage, die den Spiegel, der einen nicht konzentrierten Strahl aufnimmt, alle Möglichkeiten der Kühlung durch Wasserumlauf bewahrt, besitzt demgegenüber den Nachteil eines komplizierten Antriebsmechanismus zum Erzeugen und Aufrechterhalten der alternierenden Schwenkbewegung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Vorrichtung der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Gemäß vorliegender Erfindung ist in einfacher Weise die bewegliche Einheit durch eine Halterung des konkaven Spiegels gebildet, die in einem festen Lager eines Gehäuses der Vorrichtung drehen kann. Die elastische Verbindung der drehenden Halterung mit dem festen Gehäuse bietet dem System eine Eigenschwingungsfrequenz, die geregelt werden kann, die durch Errechnen oder Messen bekannt ist und die durch den Impulsgenerator mit minimalem Aufwand aufrechterhalten werden kann. Es ist darüber hinaus möglich, die Frequenz des Impulsgenerators zu erhöhen, um das System zum Schwingen mit einer höheren Frequenz zu veranlassen.

Bevorzugt sind bei einer derartigen Vorrichtung die im Anspruch 2 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung vorliegender Erfindung ergibt sich mit den Merkmalen gemäß Anspruch 3.

Mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 ist es möglich, auf einfache Weise die Schwingungsfrequenz des Laserstrahl einzustellen und dabei dem zu behandelnden Material, der zu verwirklichenden Eindringtiefe, der Geschwindigkeit des Durchlaufs des Teils unter dem Strahl senkrecht zu den Schwingungen, usw. Rechnung zu tragen.

Eine Steuereinheit ermöglicht in einfacher Weise, verschiedene Parameter vorzugeben und insbesondere die Amplitude der Abtastung festzulegen.

Um die Energiekonzentrationen in Punkten der Richtungsumkehr des Strahles zu vermeiden, sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Merkmale gemäß Anspruch 5 vorgesehen. Das Erhalten dieser Information wird auf derartig einfache Weise verwirklicht, daß als Impulsgenerator ein Gleichstrommotor verwendet wird, dessen Speisespannung mittels einer an sich bekannten elektronischen Vorrichtung gesteuert wird, wobei ein inkrementaler Zähler mit der Welle des Motors durch eine homokinetische Kupplung verbunden ist. Eine besondere Regelung erlaubt das Modulieren der Leistung derart, daß das Teil zu jedem Zeitpunkt eine konstante Energie erhält, die eine ebenfalls konstante Behandlungsdicke bestimmt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert ist.

Die einzige Figur zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Oszillationsvorrichtung gemäß einem der bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt im wesentlichen zwei Teile, einen an sich bekannten ersten Teil, der einen Träger 1, der an eine nicht dargestellte Laserquelle ankuppelbar ist, die einen vertikalen Laserstrahl 2 abgibt, dessen Durchmesser mehrere 10 mm ist, und einen ebenen Spiegel 3 aufweist, der eine Halterung 4 am Träger 1 und eine Kühlanordnung, von der nur Anschlußstücke 5 angedeutet sind, besitzt. Der ebene Spiegel 3 lenkt den vertikalen Strahl 2 in einen horizontalen Strahl 6 um.

Die Einheit gemäß vorliegender Erfindung, die sich an diesen bekannten Teil anschließt, ist insgesamt mit der Bezugsziffer 7 versehen und besitzt einen konkaven Spiegel M (parabolisch oder zylindrisch), der einerseits eine Ablenkung des horizontalen Strahls 6 um 90° und andererseits dessen Fokussierung (bei einem Fokusabstand von beispielsweise 150 mm) ermöglicht.

Die Einheit 7 besitzt einen zylindrischen Mantel 8, der mit der Halterung (oder Gehäuse) 4 des Spiegels 3 derart verbunden ist, daß die Achse 9 dieses Mantels 8 mit der Achse des horizontalen Strahls 6 zusammenfällt. Der Mantel 8 trägt an seinem Ende ein Rollenlager 10 für eine Innenhülse 11, auf welcher eine Halteplatte 12 des konkaven Spiegels M festgeschraubt oder aufgesteckt ist. Der konkave Spiegel M selbst ist mit der Platte 12 derart verbunden, daß nach der Montage die Längsachse 13 des Spiegels M mit der Achse 9 des Mantels 8 und des Strahles 6 zusammenfällt. In Richtung des abgelenkten Strahles L besitzt der Mantel 8 eine Durchgangsöffnung T für den Strahl L.

Ein hinterer Flansch 14 verschließt den Mantel 8 und bildet den Halter für einen Gleichstrommotor 15, dessen Welle 16 mit der Platte 12 über Mittel (beispielsweise nach Art einer konisch aufweitbaren Einsteckverbindung) verbunden ist, die gleichzeitig die Koaxialität zwischen dieser Welle 16 und der Längsachse 13 des Spiegels M sicherstellen. Diese Montagevorgänge sind mit einer derartigen Sorgfalt ausgeführt, daß das Entstehen von Unwuchten und parasitären (von außen angeregten) Schwingungen vermieden ist.

Der konkave Spiegel M besitzt Ansatzstücke 17, die die Platte 12 zum Verbinden seines internen Kühlkreises mit einer externen Wasserzirkulationsvorrichtung durchdringen. Leitungen 18 die mit den Ansatzstücken 17 verbunden sind, durchdringen die Wand des Mantels 8 durch eine Öffnung 19 und die Wand des Lagers 11 durch eine Öffnung 20. Diese letztere Öffnung besitzt eine ausreichende Abmessung derart, daß dann, wenn Schwingungen der in den Lagern 10 drehbar gehaltenen Einheit 8, 11, 12 auftreten, die Leitungen 18 diese Wand nicht berühren. Es ist vorgesehen, die Hülse 11 unter Berücksichtigung der Ausnehmung 20 um ihre Längsachse im Gleichgewicht zu halten bzw. auszuwuchten, wobei in der Praxis weitere Aussparungen um die Wand herum vorgesehen sind.

Eine Metallstange 21, die sich an der Innenseite des Mantels 8 parallel zur Richtung des horizontalen Strahles 6 erstreckt, ist an ihrem einen Ende in die Platte 12 eingesteckt und im Bereich ihres anderen Endes in ein Kopplungsstück 22 eingeschoben, das mit dem Mantel 8 fest verbindbar ist. Dieses Kopplungsstück 22 ist längs des Mantels 8 in einem Schlitz 23 derart verschiebbar, daß der Abstand zwischen dem eingesteckten Ende der Stange 21 und diesem Kopplungsstück 22 verstellbar ist.

Die Stange 21 bildet ein elastisches Verbindungsmittel zwischen der Einheit 8, 12, 11, die sich in den Lagern 10 dreht, und dem ortsfesten Mantel 8. Sie bestimmt die Eigenfrequenz der hin- und hergehenden Schwingung dieser drehenden Einheit, einer Frequenz, die durch Festhalten der Position des Verbindungsstücks 22 längs des Schlitzes 23 geregelt werden kann. Beispielsweise kann mit einer Stange 21 von 3 mm Durchmesser die Eigenfrequenz des Systems zwischen 10 Hz, wenn das Verbindungsstück eine Länge von 140 mm zur Platte 12 besitzt, bis etwa 60 Hz, wenn sie sich nur über 60 mm bis zur Platte hin erstreckt, verändert werden.

Wird in an sich bekannter Weise die Impulsfrequenz des Speisestroms für den Gleichstrommotor 15 im Bereich der Eigenfrequenz dieses Systems geregelt, kann eine stabile Schwingung (Oszillation) des Spiegels M um seine Achse 13 erreicht werden, und dies mit einem minimalen Aufwand an Energie. Es ist möglich, die Schwingung des Systems bei höheren Frequenzen zu erzwingen oder die Größe der Abtastung beim Speisen des Motors 15 unterhalb dieser höheren Frequenz zu erhöhen.

Mit Hilfe eines Kodierers 24, der mit der Welle des Motors 15 unter Zwischenfügen einer homokinetischen (Gleichgang-)Kupplung 25 verbunden ist, ist es möglich, die momentane Rotationsgeschwindigkeit der oszillierenden Einheit aufzunehmen. Mit Hilfe eines elektronischen Regelsystems, das durch den Wert dieser momentanen Geschwindigkeit gesteuert wird, kann in Realzeit die am Fokuspunkt abgegebene Leistung in Funktion dieser Geschwindigkeit geregelt werden, um Überhitzungen in den Richtungsumkehrpunkten dieses Strahlen zu vermeiden. Es ist ebenso möglich, über die gesamte Größe der Abtastung eine konstante Energie an der zu behandelnden Fläche zu erhalten.

Die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung besitzt mehrere Vorteile. Wie ersichtlich, empfangen die eingesetzten Spiegel und insbesondere der schwingende Spiegel im Gegensatz zu den bei bekannten Systemen verwendeten, schwingenden Spiegeln nicht einen fokussierten Laserstrahl, folglich eine Oberflächendichte geringer Energie. Darüber hinaus ist es möglich, diese Spiegel in einfacher Weise zu kühlen, so daß sie einen Strahl hoher Leistung oberhalb von 2 KW beispielsweise und bis 10 KW ohne eine wesentliche Gefahr von Beschädigungen behandeln bzw. aushalten können. Die Vorrichtung ist also weniger anfällig als die existierenden Systeme.

Darüber hinaus gibt es aufgrund der Abtastung keine Verformungen des fokalen bzw. Fokus-Punktes (des Punktes der Konzentration des Strahls), und zwar dank der Tatsache, daß der konkave Spiegel M sich um die Achse dreht, die durch seine Mitte geht. Vernachlässigt man die Tatsache, daß der fokale Punkt sich längs eines Kreisbogens bewegt, da diese sich unter Berücksichtigung der Amplitude der Oszillation (im Bereich von 10 mm) und der Verlängerung dieses Punktes gegenüber dem Spiegel (was sich zwischen 150 und 600 mm einpendeln kann) einer Geraden annähert, ist deshalb die Leistungsdichte, die am zu behandelnden Teil ankommt, praktisch konstant. Die Behandlung auf dem Substrat wird somit sehr gleichmäßig.

Ferner ist die Vorrichtung von einfachem Aufbau und kann in einfacher Weise geregelt werden, was einen sehr geringen Herstellungs- und Kostenaufwand bei dieser verwendeten aktuellen Technik ermöglicht.

Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, insbesondere was das elastische Verbindungsmittel anbetrifft, das dem oszillierenden System seine Eigenfrequenz verleiht, und was den Drehimpulserzeuger anbetrifft, wobei es sich versteht, daß alle mechanischen, elektrischen oder elektromechanischen Äquivalente diese Bauteile ersetzen können.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Schwingungen für einen Laserstrahl (L), mit einem konkaven Spiegel (M) zum Fokussieren des Strahls in eine Ablenkrichtung, die im wesentlichen senkrecht zur Einfallsrichtung (6) ist, in welcher Vorrichtung der Spiegel (8) auf einer Einheit (11, 12, 21) befestigt ist, die um die Achse (9) des einfallenden Strahls (6) drehbar ist und die eine Halterung (11, 12) für den konkaven Spiegel (8) aufweist, der in einem mit einem Gehäuse (4) der Vorrichtung verbundenen Lager (10) drehbar befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (11, 12) einerseits mit der Ausgangswelle (16) eines ein winkliges Pulsieren erzeugenden Bauteils und andererseits über ein elastisches Verbindungsmittel (21) mit einem Element (8), das bezüglich des Gehäuses (4) ortsfest ist, gekoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ortsfeste Element (8) durch einen Verbindungsmantel für das Gehäuse (4) und das Lager (10) für den Träger des konkaven Spiegels (M) gebildet ist, der den einfallenden Strahl (6) umgibt und mit einer seitlichen Öffnung (T) für den Abgang des oszillierenden reflektierten Strahles (L) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Verbindungsmittel (21) einen metallischen Stab (21) aufweist, der im wesentlichen parallel zur Achse des einfallenden Strahles (6) angeordnet ist, der mit seinem einen Ende in die um den einfallenden Strahl (6) drehbare Stirn des Trägers (12) des Spiegels (8), eingesteckt ist und der am Mantel (8) mit Hilfe eines Kopplungsteils (22) festgehalten ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsteil (22) für die Stange (21) am Mantel (8) beweglich und in seiner Stellung längs des Mantels verstellbar ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Strahls (L) von der Ausgangsinformation eines Zählers (24) der momentanen Winkelgeschwindigkeit der Halterung (11, 12) des konkaven Spiegels (M) abhängig ist.