FI119209B - Laserlaitteisto - Google Patents

Description

119209

Laserlaitteisto Keksinnön ala Tämän keksinnön kohteena on uusi laserlaitteisto, jossa lasersäde ohjataan työpis-5 teeseen ilman optista siirtokuitua tai optisia suurteholiittimiä.

Tekniikan taso

Laserteknologia on edistynyt huomattavasti viime vuosina ja nykyisin pystytään jo tuottamaan erittäin korkealla hyötysuhteella toimivia puolijohdekuitupohjaisia la-seijärjestelmiä, mikä on ehdoton edellytys muun muassa niin kutsutuissa kylmäab-10 laatiomenetelmissä.

Kuitulaserien kuidut eivät kuitenkaan mahdollista suuritehoisten, pulssimuotoon kompressoitujen lasersäteiden siirtoa työpisteeseen. Ne eivät yksinkertaisesti kestä suuritehoisen pulssin siirtoa. Yksi syy, miksi optisia kuituja on päädytty käyttämään lasersäteen siirtämiseen on se, että jo yhdenkin lasersäteen siirtäminen paikasta toi-15 seen vapaan ilmatilan kautta peilien avulla työpisteeseen on jo itsessään erittäin vaikeaa ja melko mahdotonta soveltaa teollisessa mittakaavassa. Vapaassa ilmatilassa liikkuvat lasersäteet ovat luonnollisesti myös merkittävä työturvallisuusriski.

Täysin kuitupohjaisen diodipumpatun puolijohdelaserin rinnalla kilpailee lamppu-pumpattu laserlähde, jossa siinäkin lasersäde johdetaan ensin kuituun ja siitä edel-:·. 20 leen työpisteeseen. Nämä kuitupohjaiset laseijäijestelmät ovat tällä hetkellä ainoat .*···. tavat saada aikaan laserablaatioon perustuvaa tuotantoa teollisessa mittakaavassa.

• « • · · • · · Nykyisten kuitulasereiden kuidut ja sitä kautta matala sädeteho aiheuttavat rajoituk- :)*]: siä siihen, mitä aineita on mahdollista höyrystää. Alumiinin höyrystäminen onnistuu pienelläkin pulssiteholla, kun taas vaikeammin höyrystyvien aineiden kuten kupari, : ;*: 25 wolframi jne. vaativat huomattavasti korkeamman pulssitehon. Sama koskee tilan- ··· .···. netta, jossa samaisella tekniikalla tahdotaan valmistaa uusia yhdisteitä. Esimerkkejä *·* tällaisesta ovat timantin valmistaminen suoraan hiilestä tai alumiinioksidin valmis- taminen suoraan hapesta ja alumiinista laseroinnin jälkeisessä höyryfaasissa tapah-tuvan reaktion avulla.

• · · • · · Σ \ 30 Myös lasersäteen vieminen laserlaitteesta työpisteeseen optisen kuidun avulla on ai- * * noa tunnetun tekniikan toimiva vaihtoehto.

/ 2 119209 / /

Suurin este kuitulaserteknologian eteenpäin menemiselle on siis se, että optisella kuidulla ei voida siirtää suuria energiamääriä ilman, että kuitu hajoaa tai että lasersäteen laatu heikkenisi oleellisesti.

Koska yhden pulssin sisältämä energiamäärä lisääntyy pulssin lyhentyessä, on ky-5 seinen ongelma on tietenkin sitä suurempi, mitä lyhyempi laserpulssi on. Ongelma ilmenee jo nanosekunttipulssilasereissa, vaikka kysymyksessä ei sinänsä ole edes vielä niin kutsuttu kylmäablaatiomenetelmä.

Pulssin pituuden lyhetessä edelleen femto-, tai jopa attosekunttien mittaiseksi tulee ongelmasta lähestulkoon ylitsepääsemätön. Esimerkiksi pikosekunttilaseijäijestel-10 mässä, jossa pulssin pituus on 10-15 ps, tulisi pulssienergian olla 5 pJ 30 nm:n spottia kohti, kun laserin kokonaisteho on 100 W ja toistotaajuus on 20 MHz. Kuitua, joka kestäisi edes kyseiset 5 pJ ei ole tällä hetkellä saatavissa.

Kuitulaserin tärkeällä sovellutusalueella laserablaatiossa, on kuitenkin olennaisen tärkeää aikaansaada mahdollisimman suuri, optimaalinen pulssiteho ja pulssiener-15 gia. Mitä lyhyempi pulssi on, sen suurempi on energia, mikä määrätyssä ajassa menee siitä läpi. Aikaisemmin mainitussa tilanteessa, jossa pulssin pituus on 15 ps ja pulssienergia on 5 pj ja edelleen kokonaisteho on 100W, on pulssin tehotaso n. 400 000 W (400 kW). Sellaisen kuidun, jossa edes 200 kW:n pulssi menisi läpi 15 ps:n pulssinpituudella ja missä pulssin muoto pysyisi optimaalisena, valmistami-20 nen ei ole tämän hetkisen tietotaidon perusteella mahdollista.

• · • * · ··· Viitejulkaisussa 6,063,455 on esitetty lähinnä itsenäisten patenttivaatimuksien joh- ··* · danto-osan mukaista tekniikkaa. Viitejulkaisussa 5,693,146 on esitetty lähinnä itse- i · · ·. näisten patenttivaatimuksien johdanto-osan mukaista tekniikkaa.

• · • · · » · : Mikäli kuitenkin tahdotaan rajattomat mahdollisuudet tuottaa aineplasma mistä ta- • · * 25 hansa aineesta tai aineista, on pulssin energiatason oltava vapaasti valittavissa, esimerkiksi 200 kW:n ja 40 MW;n välillä.

• · · • * ·

Nykyisiin kuitulasereihin liittyvät ongelmat eivät kuitenkaan rajoitu ainoastaan kui-**;·* tuun, vaan erillisten diodipumppujen liittämiseen yhteen optisten liittimien avulla *"‘i halutun kokonaistehon saavuttamiseksi. Tällainen koottu säde johdetaan sitten yh- *:··: 30 dellä kuidulla työpisteeseen.

*· · : V Tällaisen optisen liittimen tulisi kestää yhtä paljon tehoa kuin itse optisen kuidun, jolla suuritehoinen pulssi viedään työpisteeseen. Lisäksi pulssimuodon tulisi tässäkin lasersäteen siirtovaiheessa pysyä muodoltaan optimaalisena. Nykyisiäkin teho- 119209 3 arvoja kestävät optisten liittimien valmistaminen on erittäin kallista, niiden toimintavarmuus on heikkoa ja ne muodostavat kuluvan osan, eli ne pitää uusia määrätyin ajoin.

• · * · * · · * · · • 1 · · · • m • · · • · · m • · • · · • · • · ♦ • · · • · · · • · · · • · * · « * • 4 · • · · • · · • 1 · • 1 · * · · * · • · * * 1 · • · · • · • f 4 119209

Keksinnön yhteenveto Tämän keksinnön kohteena on uusi laserlaitteisto jossa yksi tai useampi diodipum-pattu lasersäde ohjataan optisen säteenlaajentajan kautta skannerille ja siitä korjaus-optiikan kautta työpisteeseen.

5 Nyt tehty keksintö perustuu siihen yllättävään havaintoon, että lasersäde voidaan ohjata työpisteeseen ilman optista siirtokuitua tai optisia suurteholiittimiä. Tällaisessa laserlaitteessa diodipumpattu lasersäde ohjataan siis optisen säteenlaajentajan kautta skannerille ja siitä korjausoptiikan kautta edelleen työpisteeseen. Optinen sä-teenlaajentaja voidaan integroida joko osaksi diodipumppua tai sitten kyseinen sä-10 teenlaajentaja voidaan liittää diodipumppuun tehokuidun välityksellä. Diodipump-pujen määrä voidaan valita tarvittavan tehon mukaan. Tämä ratkaisee täysin kaikki aikaisemmin esitetyt ongelmat ja mahdollistaa tämän hetkiseen tilanteeseen nähden käytännössä rajattoman lasertehon noston ja sen viemisen työpisteeseen.

Uusi laserlaitteisto perustuu olennaisilta osin siihen, että laseijärjestelmä on hajau-15 tettu, ja varsinainen lasersäde muodostetaan täydellisessä muodossaan vasta käyttökohteessa.

Kuvat

Kuva 1. Keksinnön mukainen laserlaitteisto, jossa laseijärjestelmä on ΜΟΡΑ :*.tm (modular oscillator power amplifier) diodipumpattu kuitulaser, jossa la- .·, 20 serteho muodostuu vasta työpisteessä.

ι««* ·· : '· Kuva 2. Keksinnön mukainen laserlaitteiston osa, jossa laserpulssin päätevahvis- ··· :...ϊ timet, kuten diodipumput, on sijoitettu osaksi höyrystysjäijestelmää ja : jossa ei enää tarvita suuritehoisen laserpulssin optista siirtokuitua tai opti- :***· siä suurteholiittimiä.

··« 25 Kuva 3. Keksinnön mukaisen laserlaitteiston osa, jossa diodipumpattu lasersäde • · « *···* ohjataan turbiiniskannerille.

♦ *· • · . Kuva 4. Keksinnön mukaisen laserlaitteiston osa, jossa diodipumpattu lasersäde | ohjataan turbiiniskannerista koijausoptiikan kautta höyrystettävään mate riaaliin.

»· · • · · • · )##\ 30 Kuva 5. Keksinnön mukainen laserlaitteiston osa, jossa tyhjiöhöyrystyslaite sisäl tää neljä laseryksikköä.

5 119209

Kuva 6. Keksinnön mukainen tyhjiöhöyrystyslaite.

Kuva 7. Keksinnön mukainen VHVS S-laserjärjestelmä (vaiheistettu hajautettu vahvistettu suorasuuntaus-laseijärjestelmä), jossa diodipumpattu lasersäde ohjataan turbiiniskannerille diodipumppuun kiinteästi liitetyn ekspan-5 derin (korjausoptiikan) kautta.

Kuva 8. Keksinnön mukaisen tyhjiöhöyrystyslaitteen yksi laserhöyrystinyksikkö.

Kuva 9. Keksinnön mukainen laserlaitteisto, jossa koko laserlaitteisto on sijoitettu tyhjiöhöyrystyslaitteen sisään.

Kuva 10. Keksinnön mukainen laserlaitteisto, jossa useampi diodipumpattu laser-10 säde ohjataan turbiiniskannerin ja ekspanderin kautta yhteen höyrystys- pisteeseen.

Kuva 11. Keksinnön mukainen diodipumppusetti, jossa jokaisella diodipumpulla on oma optinen säteenlaajentaja (ekspanderi).

Kuva 12. Keksinnön mukainen kuvaus epäsymmetrisen valokuvion syntymisestä.

15 Kuva 13. Keksinnön mukainen kuvaus symmetrisen valokuvion syntymisestä.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus • » • · : *’ Keksintö koskee laserlaitteistoa, jossa yksi tai useampi diodipumpattu lasersäde oh- • · * ;··: jataan optisen säteenlaajentajan kautta skannerille ja siitä korjausoptiikan kautta : '** työpisteeseen. Lasersäde voi olla myös lamppupumpattu tai mikä tahansa muu la- ··· 20 sersäde.

• ♦ * · · • · · .’••V Työpiste on edullisesti jotain höyrystettävää materiaalia. Tällaiset materiaalit voivat • * olla helposti höyrystyviä materiaaleja, kuten orgaanisia yhdisteitä tai materiaaleja , tai alhaisissa lämpötiloissa höyrystyviä metalleja, kuten alumiini. Keksintö mahdol- • · · *;L* listaa myös korkealla höyrystettävien aineiden ja materiaalien ablaation. Tällaisia 25 ovat useat metallit ja metalliyhdisteet sekä esimerkiksi hiili, josta muodostuvasta ·:··· höyrystä voidaan valmistaa esimerkiksi timantteja. Höyrystettävät yhdisteet voivat siis olla yhtä ainetta tai yhdistettä tai samanaikaisesti useampaa ainetta tai yhdistet-tä. Tämä mahdollistaa aikaisemmin tuntemattomien, kokonaan uusien aineiden • · · : ·' valmistamisen. Aineita voidaan valmistaa sellaisenaan tai sitten niillä voidaan pääl- 1 lystää erilaisia pintoja, yhteen tai useampaan kertaan.

6 119209

Keksinnön yhdessä edullisessa suoritusmuodossa laserlaitteisto on sellainen, että materiaalin höyrystäminen tehdään tyhjiössä. Tällöin laserlaitteisto on osa tyhjiö-höyrystyslaitteistoa. Tyhjiöhöyrystyslaitteistoa on kuvattu hakemuksen esimerkeissä. Keksinnön eräässä edullisessa suoritusmuodossa sekä diodipumppu tai diodi-5 pumput, skanneri(t), koijausoptiikka (yksi tai useampi yksikkö) sekä höyrystettävä materiaali tai materiaalit ovat kaikki tyhjiöhöyrystyslaitteen sisällä. Eräässä toisessa edullisessa suoritusmuodossa diodipumppu tai -pumput ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen ulkopuolella, kun taas skanneri(t) ja koijausoptiikka sekä höyrystettävät materiaalit ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen sisäpuolella. Edelleen, eräässä keksinnön edullisessa 10 suoritusmuodossa sekä diodipumput että skanneri(t) ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen ulkopuolella kun taas koijausoptiikka sekä höyrystettävät materiaalit ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen sisäpuolella. Vielä eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa sekä diodipumput, skanneri(t) sekä koijausoptiikka ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen ulkopuolella kun taas höyrystettävät materiaalit ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen si-15 säilä.

Diodipumppuun kytkettävä optinen säteenlaajentaja voi olla integroitu osaksi diodi-pumppua. Keksinnön toisessa sovellutusmuodossa optinen säteenlaajentaja on yhdistetty diodipumppuun tehokuidun kautta.

Laserlaitteistossa käytettävä skanneri on edullisesti turbiiniskanneri. Tällainen liik- 20 keessä oleva skanneri kestää hyvin suuria pulssitehoja vaurioitumatta ja mahdollis- taa siten käytännössä rajattoman lasertehon noston. Nyt esillä oleva laserlaitteisto ··· voi sisältää yhden tai useamman skannerin, edullisesti turbiiniskannerin. Turbiinis- • ** · kannerit ovat kaupallisesti saatavia, ja niiden nopeus on nykyisin tyypillisesti n.

.···. 5000 m/s • * «·· • a : 25 Keksinnön yhdessä edullisessa suoritusmuodossa diodipumpuista optisen säteenlaa- • · · :...i jentajan välityksellä saatavat lasersäteet voidaan ohjata skannerin ja korjausoptiikan kautta yhteen höyrystettävän materiaalin työpisteeseen. Eräässä toisessa edullisessa suoritusmuodossa keksinnön mukaisen laserlaitteiston diodipumpuista optisen sä-;***: teenlaajentajan välityksellä saatavat lasersäteet ohjataan kukin oman skannerin ja * . 30 korjausoptiikan kautta höyrystettävässä materiaalissa oleviin erillisiin työpisteisiin.

[ Edelleen, diodipumpuista optisen säteenjakajan välityksellä saatavat lasersäteet voi daan ohjata yhden tai useamman skannerin ja koijausoptiikan kautta sekä höyrystet-j * Λ tävään materiaaliin että jo höyrystettyyn materiaaliin.

♦ ·#·# • * 119209 7

Keksinnön mukainen laserlaitteisto on edullisesti pulssilaser. Laserlaitteisto voi olla lämpötyöstölaser, kuten mikro- tai nanosekunttilaseri. Laserlaitteisto on erityisen edullisesti kylmätyöstölaseri. Tällöin se voi olla piko-, femto-, tai attosekunttilaseri.

Keksinnön mukainen laserlaitteisto voi olla myös jatkuvatoiminen laserlaitteisto.

5 Nyt tehdyn keksinnön pääasiallisia etuja ovat siis se, että nyt keksitty laserlaitteisto välttää kokonaan optisten siirtokuitujen ja/ tai optisten suurteholiittimien käytön niissä laserlaitteiston osissa, joissa ne rajoittavat lasertehon nostoa ja edelleen sen viemistä työpisteeseen. Tällä hetkellä kuidun teoreettinen kestoraja on 5 pj. Erityisen suuri harppaus eteenpäin tapahtuu kylmätyöstölaserien alueella, jossa yhden 10 pulssin sisältämää energiamäärää voidaan siis nyt nostaa lyhentämällä pulssin pituutta. Diodipumppujen ja samalla niistä saatavan tehon määrää ei enää tarvitse rajoittaa, kun laitteen rakenteessa ei enää kriittisiä kuiturakenteita. Tämä johtaa entistä suurempiin pulssitehoihin ja työstölämpötiloihin, mikä puolestaan avaa rajattomat mahdollisuudet tuottaa aineplasma mistä tahansa aineesta tai aineista. Kun pulssin 15 leveyttä voidaan säätää, voidaan höyrystettävään materiaaliin tehdä syvempiä reikiä. Tällöin syntyy vähemmän heijastuksia, mikä tuottaa sekin enemmän höyrystet-tyä materiaalia.

Suuritehoinen laserpulssi voidaan nyt tuottaa, skannata ja käyttää yhdessä ja samassa työpisteessä. Diodipumppu, optinen säteenlaajentaja, skanneri, koijausoptiikka .. 20 ovat samassa paikassa ja ne voidaan siis sijoittaa esimerkiksi yhteiseen runkoon.

• m : *' Laservalo siis syntyy työpisteen äärellä.

• * • ·· ·

Nykyisissä kuitulasereissa käytettävät kuituratkaisut ovat kalliita. Kun nämä kuidut • .·*·. jätetään pois, laskee laserlaitteiston hinta jopa viidesosaan nykyisestä. Erityisen kal- •'' [ ·, liitä osia ovat optiset suurteholiittimet.

• · » ··· · «·· 25 Kuidut ovat myös rajoittaneet kuitulaserlaitteistojen kokoa. Kuitulaserlaitteistojen soveltuva kuidun pituus on rajallinen. Keksinnön mukaisen laserlaitteiston koko voi : t Γ: sen sijaan vaihdella vapaasti.

• · · • * *:*’ Esimerkit * • ·

Esimerkki 1 • · {’·]: 30 Kuvassa 1 on kuituoskillaattori (3) ja esivahvistin (2), ja se esittää ensimmäisen ··»·· vaiheen laservalon muodostumista diodin (4) ja sesam-hilan (5) avulla. Uusi laser- järjestelmä on vaiheistettu hajautettu vahvistettu suorasuuntaus laseijätjestelmän 119209 8 mukainen (VHVSS laseijäijestelmä). Tässä VHVSS laseijärjestelmän nk. esivah-vistusyksikössä (1), jossa sijaitsevat edellä mainitut olennaiset komponentit, on se laserlaitteiston osa missä määritellään pulssin pituus, tehoja muut ominaisuudet.

Kysymyksessä on digitaalisesti kontrolloidusta ohjauskeskuksesta millä koko laser-5 jäijestelmää ohjataan ja joka on täyskuitupohjainen.

Samassa keskusyksikössä (1) sijaitsee myös toisen vaiheen laserpulssin vahvistus (6), joita voi olla useita rinnakkain (7) ja (8) riippuen moneenko työpisteeseen esi-vahvistettua laserpulssia tarvitsee viedä.

Tässä edelleen viedään heikko tehoista laserpulssia (valopulssia) (9) haaroittimen 10 kautta vaikka kuvan mukaisesti kolmeen suuntaan (10), (11) ja (12) erillisiin työpisteisiin (13), (14) ja (15) jotka ovat kuvan 8:n mukaisia.

Diodipumppuja (18) eli ne missä suuritehoinen puhdas optimaalinen laserpulssi muodostetaan voi olla yksi tai useampia ja niihin on johdettu ko. heikko tehoinen laservalopulssi.

15 Diodipumpussa (18) heikkotehoinen ja laatuinen laservalopulssi vahvistetaan ja muutetaan suuritehoiseksi ja korkealaatuiseksi laservalopulssiksi, joka on kohdistettu optisen pulssin laajentajan (21) kautta skanneriin.

Diodipumpusta voidaan joko johtaa laserpulssi lyhyen tehokuidun (29) kautta opti- * '* seen pulssin säteen laajentajaan tai optinen pulssin laajentaja on osa itse diodi- 20 pumppua (18) suoraan.

• · • ··

Olennaista keksinnölle on siis se, että suurta lasertehoa tuottavat diodipumput (18) ··· :.·*·- eli päätevahvistimet on sijoitettu suoraan lopulliseen työpisteeseen kuva 8:n mukai- "'·] sesti ja näihin on johdettu yhdestä yhteisestä ohjauskeskuksesta heikkotehoinen la- • « serpulssi, joka vasta vahvistetaan lopulliseen tehoon, voimakkuuteen siellä missä si-. 25 tä käytetään.

9 9 · • 9 9 ··· Γ': Kysymyksessä on siis periaatteessa diodipumpattu täyskuitulaser, mutta missä la- serpulssin päätevahvistimet, mitkä pitää sisällään diodipumput, on sijoitettu osaksi 9 9 höyrystysjäijestelmää, eikä siis osaksi varsinaista laseryksikköä, kuten tänä päivänä.

• · 9 Täten ei siis enää tarvita suuritehoisen laserpulssin siirtokuitua eikä optista liitintä, 30 jotka ovat suurimmat ongelmat laserablaatioprosesseissa, koska ne eivät edes kestä • · nykyisiä pulssitehoja, puhumattakaan niistä tehoista mitä uudessa laserjärjestelmäs-sä on tarkoitus käyttää.

9 119209

Uuden laserlaitteen toimintaperiaatteessa olennaista on se, että laseijäqestelmä on puolijohde ΜΟΡΑ (modulary oscillated power amplifier) diodipumpattu täsykuitu-laser, jossa suuri laserteho muodostuu vasta työpisteessä, esimerkiksi kuvan 6 mukaisen tyhjiöhöyrystyslaitteen (89) luona osana siinä olevaa höyrystyskasettia (90) 5 ja (91). Kyseisessä laserjäijestelmässä ei siis ole optista kuitua, jossa tarvitsisi kuljettaa suuritehoista laserpulssia; tai optista liitintä, jossa olisi tarve koota näitä suuritehoisia pulsseja. VHVSS laserjärjestelmässä suuritehoinen laserpulssi tuotetaan tyypillisesti vasta siellä missä sitä käytetään eli käyttökohteessa.

Esimerkki 2 10 Kuvassa 2 on laserlaitteiston osa, jossa laserpulssin päätevahvistimet, kuten diodi-pumput, on sijoitettu osaksi höyrystysjäqestelmää ja jossa ei enää tarvita suuritehoisen laserpulssin optista siirtokuitua tai optisia suurteholiittimiä. Tässä esimerkissä myös diodipumput ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen sisällä. Lisäksi kuvan 2 mukaisessa laitteistossa optinen säteenlaajentaja on yhdistetty diodipumppuun tehokuidun kaut-15 ta.

Esimerkki 3

Kuvassa 3 on laserlaitteiston osa, jossa diodipumpattu lasersäde ohjataan turbiinis-kannerille. Tilanteessa on tuotettu erittäin suurta laserpulssitehoa, mutta koska kyseisessä tilanteessa ei ole mahdollista skannata yhdestä peilialueesta, on se tehty • · : ’·· 20 useammalla peilialueella.

* • · · ··“ Kuva 3 esittää siis tilannetta, jossa erittäin suuritehoista laserpulssia on tuotettu nel- • · · jällä [4] diodipumppuyksiköllä (52) mistä suuritehoinen laserpulssi on johdettu op- !1·;1 tisella kuidulla (47) tai edullisimmin ohjattu suoraan lasersäteen/pulssin laajentajaan • 1 » : (48) mistä laajennetun lasersäteen (50) ja (51) on ohjattu turbiiniskanneriin (52), jo- *··.1 25 ka pyörii oman keskiakselinsa (57) ympäri.

. Tällöin jokaisesta diodipumpusta (52) synnytetty laajennettu lasersäde (51) ja (52) .···. tuottaa oman erillisen lasersäteen heijastuspinnan (53), (54), (55) ja (56).

* · • · « *:··· Näin siis on menetelty siitä syystä, että mikäli neljän suuritehoisen diodipumpun la- sersäde olisi kohdistettu jo tässä vaiheessa skanneriin (52) yhtenä lasersäteenä, olisi 30 se vaurioitunut. Kohta (58) esittää yleisti esivahvistetun pienitehoisen laserpulssin • · · : ·1 tuomista diodipumpuille (52) eli optisille päätevahvistimille ja (42) esittää yleisesti : elektronista piirikorttia.

10 1 1 9209

Esimerkki 4 Tässäkin esimerkissä on tuotettu erittäin suurta laserpulssitehoa, mutta koska kyseisessä tilanteessa ei ole mahdollista skannata yhdestä peilialueesta, on se tehty useammalla peilialueella.

5 Kuvassa 4 on siis esitetty kuvassa 3 esitetty toimenpiteen lopputulosta missä siis neljä [4] erillistä lasersädettä (64) on optisten linssien (67) avulla fokusoitu (65) yhteiseen pisteeseen (66).

Edelleen kuvassa 4 on esitetty miten neljä [4] erillistä lasersädettä (60), (61), (62) ja (63) on kohdistettu yhteen skanneriin (59), joka pyörii oman keskiakselinsa (67) 10 ympäri ja miten neljä erillistä lasersädettä on kohdistettu lei fokusoitu yhteen pisteeseen.

Esimerkki 5

Esimerkki 5 käy ilmi kuvasta 5, joka esittää työkappaleen tuotantolaitetta, missä pinnoitus tapahtuu hallitussa tilassa, joka voi olla tyhjö, ylipaine tai hallittu kaasuti-15 la.

Toimintaperiaate on muutoin ihan sama, kuin tähän asti esitellyistä, mutta sillä erolla, että esim. Kuvassa 9 höyrystyskasettijäijestelmä on täysin hallitun tilan sisäpuolella, mutta kuva 5:n mukaisessa höyrystyskasetti on jaettu kahteen [2] osaan siten, • . että osa on ko, hallitun tilan (64) ulkopuolella.

··· ···· 20 Keskusyksikkö (71), jossa sijaitsevat esivahvistin, tehonsyöttö ja ohjausyksiköt (72) on edelleen aivan sama, kuin tähän asti esitettyjä keskusyksiköstä (71) on johdettu • ·*. tarvittavat väylät (77) höyrystyskasettijäijestelmään.

··· · • · · ♦ · *···* Tässä kuvan 5 sovelluksessa diodipumput, eli optiset päätevahvistimet (73), (74), (75) ja (76) on sijoitettu hallitun tilan (64) ulkopuolelle, kuten myös optinen lasersä-25 teen laajentaja ja skannerikin (78).

• · · • · • · ·*, Laajennettu lasersäde on ohjattu peilin (79) kautta siten, että se (80) on kutistuva, " jolloin se fokusoituu haluttuun paikkaan ainesaihioon (81).

• · Tässä kuvan 5 sovelluksessa, kuten esim. kuvan 9 sovelluksessa on kyseessä aivan : \ sama teknologia, jossa VHVSS-laseqäijestelmän mukaisesti lopullinen suuri laser- ··«·· 30 teho tuotetaan siellä, missä sitä käytetään diodipumpuilla, eli optisilla päätevahvis-timilla, jotka on integroitu osa höyrystyskasettijäijestelmää.

11 1 1 9209

Uudessa menetelmässä on oikeastaan kysymyksessä ainakin kahdesta [2] uudesta keksinnöstä, ensinnäkin itse VHVSS-laseijäijestelmä ja toiseksi se, että sitä on sovellettu tyhjön tai hallitun kaasuatmosfaärin kanssa pinnoittamiseen tai materiaalin, kuten timantin, safiirin, piikarbidin jne. tuottamiseen.

5 Lisäksi uutta on se, että on sijoitettu enemmän, kuin yksi höyrystyskasettijärjestel-mää tuotantotilaa kohti, esimerkkinä tuotantotilasta tyhjötila.

Esimerkki 6

Esimerkki 6 käsittelee kuvan 6 mukaista tyhjiöhöyrystyslaitetta. Laitteella voidaan suorittaa pinnoitusta metalleilla, oksideilla, boorideilla, nitriideillä, keramiikalla tai 10 orgaanisilla aineilla suoraan tai työprosessissa luodaan uusia yhdisteitä kuten oksideja, nitridejä jne. Yhdistämällä perusaine, kuten alumiini ja happi, jolloin syntyy AI2O3 millä voidaan edelleen pinnoittaa työkappaletta.

Laitteisto soveltuu helposti myös timantin tuottamiseen suoraan hiilestä höyrystä-mällä. Lisäksi voidaan valmistaa timantin johdannaisia, kuten nitriditimanttia, joka 15 kovempi kuin luonnontimantti tai muita aivan uusia yhdisteitä, joita ei ole ennen ollut mahdollista tuottaa teknisesti tai kaupallisesti.

Uusi laitteisto perustuu olennaisilta osin siihen, että laseijäijestelmä on hajautettu, missä varsinainen lasersäde muodostetaan täydellisessä muodossaan vasta käyttö- :·. kohteessa.

• ·# 20 Uusi laitteisto perustuu täyskuitu puolijohde diodipumpattuun laserjäijestelmään, *· • *·· missä aivan uutta on se että, se on hajautettu siten että lasersäteen muodostaminen on tuotettu käyttökohteessa osana höyrystyskasettijäijestelmää, joka taas on osa itse : työkappaleen valmistuslaitetta.

m· · • · · • · *·*' Esitetty kuva 6:n työkappaleiden valmistuslaite voi olla kooltaan erittäin suuri, esi- 25 merkiksi itse tyhjökammio (89) voi olla jopa 5 m pitkä ja sisältää jopa 20 kpl (91) (92) höyrystyskasettia, missä jokaisessa on tyypillisesti 100 W tai yli oleva tehon • · · :.., · tarve esim. pikosekuntilaser sovelluksena.

] Laite soveltuu esimerkiksi nk. kylmäablaatioalueella toimiviin tehtäviin eli piko-, ** : femto- ja attosekuntilaserointeihin, missä pulssiteho on erittäin suuri -5-30 pJ/30nm ·*·*; 30 spotti, eli pulssienergia on niinkin valtava, kuin 200 kW - 50 MW.

• *

Laserablaatiossa on erittäin suuri merkitys sillä, missä kulmassa lasersäde on höy-rystettävään ainesaihioon, koska se vaikuttaa oleellisesti syntyneen plasmapilven n 119209 suuntaukseen. Tyypillisesti höyrystettävä ainesaihio on pyöreä ja lisäksi pyörii oman keskiakselinsa ympäri, mutta lopputulos ei ole niin tasainen ja hyvälaatuinen kuin tässä hakemuksessa käytetty vertikaaliliikkeisen aines aihion (121) kuva 8 liike (119) höyrystysmenetelmä.

5 Mikäli tilanne on esim. kuvan 6 mukainen, mihin on sijoitettu 4 kpl (91) ja (92) mukaisia höyrystyskasetteja, jotka lisäksi ovat vastakkain siten, että tuote kulkee näiden lävitse ja pinnoittuu samanaikaisesti molemmin puolin.

Mikäli tuotteet ovat makuuasennossa kun ne viedään höyrystyskasettiparin lävitse, niin toinen lasersäde pitäisi silloin tulla suoraan alhaalta ja toinen suoraan ylhäältä, 10 kukin omaan ainesaihioon käännettynä 90° niin, että lasersäde osuu kohtisuoraan kohti ainesaihiota ja lopputuloksena ainesplasman suuntautuminen kohti työkappa-letta.

On vaikeata ymmärtää, miten edellä esitetyn kaltaiseen laserablaatioon perustuva pinnoitus voitaisiin rakentaa vapaasti kulkevilla lasersäteillä.

15 Esimerkki 7

Esimerkki 7 kuvaa keksinnön mukaista VHVSS-laseijäqestelmää (vaiheistettu hajautettu vahvistettu suorasuuntaus-laseqäijestelmä), jossa diodipumpattu lasersäde ohjataan turbiiniskannerille diodipumppuun kiinteästi liitetyn ekspanderin (koqaus-:*. optiikan) kautta.

20 Esimerkki 8 • · • t • · · .···. Kuvassa 8 on VHVSS laseijäijestelmä, jossa suuritehoinen laserpulssi (115) tuote- taan diodipumpun (112) avulla työpisteessä, joka on tyhjiökammion (124) sisällä • · * osana itse höyrystysjäijestelmää, joka sisältää turbiiniskannerin (111), optiset koko-***** ajalinssit (116) ja höyrystyskasetin (119), ja missä lasersäde on kohdistettu itse höy- 25 rystettävään ainesaihioon (121).

• * « • · ♦ ·· · :***: Tällöin diodipumppuun (112), missä suuritehoinen lasersäde on muodostettu, on ··· | . johdettu vain heikkotehoinen -0,1-1 W esivahvistettu valopulssi optista kuitua ] myöten. Tuotettu suuritehoinen laservalo laajennetaan välittömästi diodipumpun (112) yhteydessä niin, että se voidaan skannata turbiiniskannerin avulla (111) koko-30 ajalinssien (116) avulla ainesaihioon. Skanneri (111) ja sitä pyörittävä moottori, ·;··· diodipumppu (112) ja tarvittava elektroniikka on voitu sijoittaa yhteiseen piirikort tiin (120), joka taas on sijoitettu kaikkia toimintoja sisältävään runkoon (123). Ku- 119209 13 van 8 mukainen järjestelmä on sijoitettu esimerkiksi kuvan 6 mukaiseen tyh-jiöhöyrystyslaitteeseen (89) sisäpuolelle (91) ja (92).

Esimerkki 9

Uuden menetelmän toimintaperiaate on myös esitetty kuvassa 9, jossa on myös esi-5 tetty tyypillinen tilanne kuva 6:n mukaisesta työkappaleitten tuotantolaitteistossa. Olennaista on s, että höyrystyskasetteja (135), mikä on esitetty tarkemmin kuvassa 8 on aina enemmän kuin yksi [1] kappale tuotantolaitteistossa, (esim. kuva 6). Työprosessit ovat aina identtiset höyrystyskaseteissa (135), (136), (137) ja (138) riippumatta montako niitä on, eli toistotaajuus [Hz], pulssinpituus [ns, ps, fs, as], puls-10 siteho [J], pulssienergia [W] jne. Silti voi olla tilanteita missä jossakin höyrystys-kasetissa (136), (137) tai (138) käytetään sellaisia aineita höyrystysprosessissa, että niihin ei voida soveltaa vakioparametrejä.

Uudessa menetelmässä voidaan säätää pulssitehoa ja pulssienergiaa yksilöllisesti höyrystyskasettikohtaisesti ilman, että sillä olisi vaikutusta VHVSS järjestelmään. 15 Se tapahtuu tällöin säätämällä diodipumpun, eli päätevahvistimen ulos menevää tehoa ja uudessa menetelmässä ei ole mitenkään rajoitettu päätevahvistimen tehoa mihinkään määrättyyn tasoon, jokainen voi olla yksilöllisesti tarkoituksenmukainen.

Työprosessien identtisyydellä tarkoitetaan sitä, että työprosessi itsessään on aina samalla höyrystyskasetilla tuotettu ja, että kokonaisprosessin kannalta olennaiset j 1·. 20 parametrit ovat vakiot, primäärisessä kysymyksessä on tällöin toistotaajuus [Hz] ja ·:· pulssin pituus. Koska koko esivahvistusyksikkö ja ohjausyksikkö ovat yhteiset kai- ·1·., kille työpisteissä oleville höyrystyskaseteille, niin toistotaajuus [Hz], pulssin pituus t .1··. on aina kaikille vakio, muutoin näitä pitää olla yhtä monta, kuin on toistotaajuuksia ; ]·, ja pulssin pituuksia.

• 1 »

Ml · • · · 25 Täten on järkevämpää niin taloudellisesti, kuin teknillisestikin, että ne parametrit, jotka vaikuttavat itse laserjärjestelmän konstruktioon eivät muutu, vaan ovat aina : :1: vakioita.

··· · · • m “1 Edelleen kuva 9:n esittämän toimintaperiaatteen mukaisesti, työpisteitä eli höyrys- tyskasetteja (135) joiden työleveys voi olla esimerkiksi 150 mm, voi olla vierekkäin ·"1: 30 vaikka 5 kpl (136) ja peräkkäin vaikka 10 kpl (137), minkä lisäksi samassa järjes- •v. telmässä voi olla vielä samoja (136) ja (137) kokonaisuuksia (138). Höyrystyskaset- [ tien määrää ei tule rajoittaa tämän esimerkin antamiin lukuihin.

• · 14 1 19209

Jotta tuotantolaite olisi edullinen valmistaa ja että se olisi modulaarisesti skaalattavissa minkä kokoiseksi tahansa, on olennaista, että komponentit ja ne osat esim. höyrystyskasetti, etuvahvistin, ohjausyksikkö ovat identtiset niin, että laitekokoa eli järjestelmän kokoa muutetaan vain osioita lisäämällä.

5 Esimerkiksi VHVSS-laserjärjestelmän keskusyksikköön, joka voi sijaita missä tahansa, vaikka 20 m päässä erillisessä huoneessa, on sijoitettu ainakin >(A) teholähteet diodipumppuja eli päätevahvistimia varten mistä keskusyksiköstä lähtee vain yksi keskitetty väylä (126), joka haaroitetaan vasta työtilassa (139) jokaiselle työpisteelle esimerkiksi viiteenkymmeneen osaan (129). >(B) koko laseijärjestelmän 10 ohjausyksikkö millä ohjataan jokaista höyrystyskasettia, itse laserjäijestelmää jne.

Tällöin vakiona voi olla esim. 22 napainen läpivienti (127) millä voidaan ohjata 10 kpl höyrystyskasetin toiminta, mutta ohjauksen voi myös suorittaa täysin normaalisti yhden valokaapelin avulla, joka menee sarjassa jokaisen höyrystyskasetin kautta. Aivan yhtä hyvin voidaan soveltaa bluetoothia, IR- tai muuta tunnettua da-15 tansiirto formaattia.

Höyrystyskasetti (135) sisältää elektronisen piirikortin kuva 8 (120) mihin voidaan sijoittaa mitä tahansa tiedonsiirtoon tarvittavaa komponenttia.

Kuva 9:ssä tämä valokuitu (128) on edullisimmin haaroitettu vasta työtilan (139) sisäpuolella tarvittaviin osioihin (131) esim. 20 kappaleen erilliseen haaraan. Kuva • *.· 20 9:ssä on lisäksi esitetty, että jokaiseen höyrystyskasettiin (135) ja edullisimmin sen >tV piirikorttiin tulee siis ainakin seuraavat väylät, (134) höyrystyskasetin tarvitsema ·*·„ energia, (138) sen ohjaus ja (132) esivahvistettu laserpulssi.

··· • « /*;* Lisäksi jokaisesta höyrystyskasetista (135) lähtee väylä mikä kertoo keskusyksiköl- ϊ·ϊ : le oman tilansa, höyrystysprosessin tulokset ja vaiheet jne.

• · • · ·»· 25 Siis olennaista keksinnölle on se, että tuotettava laserpulssi on niin vahva, että se on . melko mahdotonta kuljettaa optisessa kuidussa ylipäänsä minnekään.

* · · ·*· ··· Täten VHVSS-periaatteen mukaisesti lopullinen suuriteho laserpulssi tuotetaan juu-ri siellä, missä se myös käytetään, eli integroituna osaksi höyrystyskasettia, kuva 9 ....: (135). 1 Tällöin on myös eliminoitu kuitulaserille kaksi olennaista ongelmaa, eli itse optisen *:··· laserpulssin siirtokuidun ja optisen teholiittimen osalta siten, että näitä ei enää edes tarvita uudessa VHVSS-laseijärjestelmässä.

15 1 1 9209

Esimerkki 10

Esimerkki 10 kuvaa keksinnön mukaista laserlaitteistoa, jossa useampi diodipum-pattu lasersäde ohjataan turbiiniskannerin ja ekspanderin kautta yhteen höyrystys-pisteeseen (kuva 10).

5 Esimerkki 11

Esimerkki 11 kuvaa keksinnön mukaista diodipumppusettiä, jossa jokaisella diodi-pumpulla on oma optinen säteenlaajentaja (ekspanderi). Tällä minimodulirakenteel-la saadaan aikaiseksi neljä erillistä lasersädettä.

Esimerkki 12 10 Esimerkki 12 (kuva 12) kuvaa epäsymmetrisen valokuvion syntymistä. Tällöin kuvan mukaisesti kun diodipumppu on tiellä voidaan tuloksena aikaansaada epäsymmetrinen valokuvio.

Esimerkki 13

Esimerkki 13 (kuva 13) kuvaa tilannetta, jossa voidaan tuottaa symmetrinen valo-15 kuvio. Kuvan mukaisesti kun säde tulee noin 60° kuvassa alhaalta, niin diodipumppu + ekspanderi voivat olla keskellä, jolloin on saatavissa kuvan mukainen symmetrinen valokuvio.

·· • · • ·· • · · t ···· ·· * · • ·1 ··· • · • · ··· • · • · 1 • 1 1 • · # · ··1 • · • · ··· • • · e • t · ·«· ··· • · • · *·» • · • 1 e1 · • · · t · • · · ·· « • ·

Claims (23)

1. Laserlaitteisto, tunnettu siitä, että se on järjestetty käsittämään laserlaitteiston kussakin työpisteessä (13,14,15,124,135,136,137,138) ainakin erään diodi-pumpun (18,112), siten, että sille on johdettavissa ainakin yhden ohjauskeskuksen 5 (1) laserpulssi (10, 11, 12, 113) yhden tai useamman diodipumpatun lasersäteen (20,115) ohjaamiseksi optisen säteenlaajentajan (114) kautta skannerille (111) ja siitä kotjausoptiikan (116) kautta kunkin mainitun laserlaitteiston työpisteen (13,14,15,124,135,136.137,138) höyrystettävän materiaalin (121) työpisteeseen (118).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että työpiste- kohteessa (118) on höyrystettävää materiaalia (121).

3. Patenttivaatimusten 1-2 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että laserlaitteisto on osa tyhjiöhöyrystyslaitteistoa (89).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukaisen laserlaitteiston käyttö höyrystettäväksi tar-15 koitetun materiaalin (121) höyrystämiseksi tyhjiössä, joka laserlaitteisto on hajautettuna yhteen tai useampaan tyhjiöhöyrystyskasettiin, jossa kussakin on eräs höyrystettävän materiaalin (121) työpiste (118).

5. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siltä, että diodi- • · : ’** pumppu (112), skanneri (111), korjausoptiikka (116) ja höyrystettävä materiaali 20 (121) ovat kaikki tyhjiöhöyrystyslaitteen sisällä.

• · • ·· ]·*.. 6. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että diodi- • · .‘Ί pumppu (112) on tyhjiöhöyrystyslaitteen ulkopuolella ja skanneri (111), korjausop- ;.i.: tiikka (116) ja höyrystettävä materiaali (121) ovat kaikki tyhjiöhöyrystyslaitteen si- säliä. 1

7. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että diodi- • · .·*·. pumppu (112) ja skanneri (111) ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen ulkopuolella ja korja- /·’ usoptiikka (116) sekä höyrystettävä materiaali (121) ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen : sisällä.

·»» • · • · • · · . 8. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että diodi- | \ 30 pumppu (112), skanneri (111) ja korjausoptiikka (116) ovat tyhjiöhöyrystyslaitteen *· ’· ulkopuolella ja höyrystettävä materiaali (121) on tyhjiöhöyrystyslaitteen sisällä. 119209

9. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3, 5-7 ja/tai 8 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että optinen säteenlaajentaja (114) on integroitu osaksi diodipump-pua (112).

10. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3, 5-7 ja/tai 8 mukainen laserlaitteisto, 5 tunnettu siitä, että optinen säteenlaajentaja (114) on yhdistetty diodipumppuun (112) tehokuidun kautta.

11. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3, 5-7 ja/tai 8 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että skanneri on turbiiniskanneri (111).

12. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen laserlaitteisto, tun-10 nettu siitä, että diodipumpuista (112) optisen säteenlaajentajan (114) välityksellä saatavat lasersäteet (115) ohjataan skannerin (111) ja korjausoptiikan (116) kautta erääseen höyrystettävän materiaalin (121) työpisteeseen (118).

13. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3, 5-9 ja/tai 10 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että diodipumpuista (112) optisen säteenlaajentajan (114) välityk- 15 sellä saatavat lasersäteet (115) ohjataan kukin oman skannerin (111) ja korjaus-optiikan (116) kautta höyrystettävässä materiaalissa (121) oleviin erillisiin työpisteisiin (118).

14. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3, 5-9 ja/tai 10 mukainen laserlaitteisto, : *·· tunnettu siitä, että diodipumpuista (112) optisen säteenjakajan (114) välityksellä ..li* 20 saatavat lasersäteet (115) ohjataan yhden tai useamman skannerin (111) ja korja- usoptiikan (116) kautta sekä höyrystettävään materiaaliin (121) että jo höyrystet-tyyn materiaaliin. ··· • · • ♦ ♦

15. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että laseriait- • · ’···* teistossa on pulssilaseri.

16. Patenttivaatimuksen 1 tai 15 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että la- • · .···. seriaitteistossa on lämpötyöstölaseri, kuten mikro- tai nanosekunttilaseri.

··* : 17. Patenttivaatimuksen 1 tai 15 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että la- ··· · seriaitteistossa on kylmätyöstölaseri, kuten piko-, femto- tai attosekunttilaser. »M "**: 18. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että laseriait- 30 teistossa on jatkuvatoiminen laserlaitteisto.

18 1 1 9209

19. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että laserlaitteistossa on ainakin eräs diodipumppu (18), joka on sijoitettu laserlaitteiston työpisteeseen (13,14,15,124,135,136,137,138) mutta hajautetusti laserlaitteiston ohjauskeskuksen (1) laserpulssien (10,11,12,113) lähteeseen nähden.

20. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen laserlaitteisto, tun nettu siitä, että siinä on joukko diodipumppuja (18,122), joiden säteily on jäljestetty ohjattavaksi yhteisen skannerin pinnan (59) kautta höyrystettävän materiaalin (121) työpisteeseen (118).

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että siinä on 10 mainittu joukko diodipumppuja järjestettynä siten, että kuhunkin höyrystettävän materiaalin (121) työpisteeseen (118) on tuotavissa laser-säteily kultakin diodi-pumpulta plasman muodostamiseksi ja plasmasta muodostetun pinnoitteen aikaansaamiseksi rinnakkaisesti tai vaiheittain sarjassa eräälle pinnoitettavalle pinnalle.

22. Patenttivaatimuksen 21 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että maini tuista pumpuista eräät on järjestetty kerrostetun pinnoitteiden aikaansaamiseksi, joilla on ainakin osittaista päällekkäisyyttä.

23. Patenttivaatimuksen 21 mukainen laserlaitteisto, tunnettu siitä, että maini- ;.t tuista pumpuista eräät on järjestetty vierekkäisten pinnoitealueiden aikaansaami- : 20 seksi. *·» ·*·· ·· • · • M • · · · • · » • · · ··· «