NL1020709C2 - Van een AOD voorziene laserbewerkinrichting. - Google Patents

Description

VAN EEN AOD VOORZIENE LASERBEWERKINRICHTING

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het door middel van een laserlichtbundel bewerken van materiaal, omvattende: - een laserlichtbron voor het opwekken van de 5 laserlichtbundel; - tenminste één bestuurbare acoesto-optische afbuiginrichting (AOD) voor het afbuigen van de van de laserlichtbron afkomstige laserlichtbundel.

Een dergelijke inrichting is algemeen bekend, 10 bijvoorbeeld voor het in een waardedocument door middel van laser aanbrengen van perforaties.

Akoesto-optische afbuiginrichtingen (Acousto Optical Deflectors) zijn optische bouwstenen welke een kristal van lichtdoorlatend materiaal omvatten, waarbij het betreffende 15 kristal de betreffende lichtbundel kan afbuigen als gevolg van een in het kristal opgewekte, en zich door het kristal heen voortplantende akoestische trilling met een zeer hoge frequentie. Hierbij hangt de mate van afbuiging, namelijk de afbuighoek, af van de frequentie van de akoestische trilling, 20 terwijl de hoeveelheid afgebogen licht afhangt van de amplitude van de trilling.

Doordat bij deze AOD's geen mechanische bewegingen behoeven plaats te vinden, is de responsietijd van een dergelijke inrichting voor het laten afbuigen van een 25 laserlichtbundel ongeveer een factor duizend sneller dan die van een spiegel, in het bijzonder dan die van de veelal gebruikte galvanospiegel.

Aldus kan met een of een aantal van dergelijke AOD's een laserbewerkingsinrichting worden geconstrueerd met een 2 aanzienlijk kortere responsietijd en met een aanzienlijk hogere productiecapaciteit, in het bijzonder wanneer gecompliceerde patronen moeten worden aangebracht door middel van de bewerking.

5 De toepassing van AOD's voor het afbuigen van laserlichtbundels met een vermogen.dat voldoende groot is voor het uitvoeren van snelle bewerkingen leidt echter tot een aantal problemen.

De laserlichtbundel welke door het kristal wordt 10 afgebogen wordt voor een deel in het kristal geabsorbeerd, terwijl het opwekken van de hoogfrequente trilling ook leidt tot dissipatie van in dit geval akoestische energie. Als gevolg van beide effecten zal de temperatuur van het kristal oplopen, zodat het met water zal moeten worden gekoeld, zelfs 15 bij toepassingen waarin kleine vermogens moeten worden afgebogen, zoals bij meettoepassingen.

Deze bij het afbuigen van laserlichtbundels met een klein vermogen reeds optredende problemen, worden sterk verergerd bij het afbuigen van grotere vermogens. Men is dan ook niet 20 genegen AOD's te gebruiken voor dergelijke grote vermogens.

In het bijzonder zijn de gevolgen van grotere vermogens van de laserlichtbundel het feit dat er nog meer vermogen in het kristal wordt gedissipeerd, en het feit dat er een grotere lichtbundeldoorsnede moet worden toegepast om de 25 vermogensdichtheid binnen de toelaatbare grenzen van het kristal te houden. Aldus moeten grotere kristallen worden toegepast waardoor er weer meer akoestische energie in het kristal moet worden gebracht, hetgeen de hierboven genoemde nadelen sterk vergroot.

30 Een te zware thermische belasting van het kristal kan leiden tot een verslechtering van de aanhechting van de trillingsopwekkende actuatoren aan het kristal en een aan de andere zijde van het kristal aangebrachte absorptie element 3 voor het absorberen van de het kristal doorlopende hebbende trilling en dus tot een verkorting van de levensduur van de AOD.

Verder is de warmteontwikkeling niet gelijkmatig over het 5 kristal verdeeld, hetgeen leidt tot temperatuurgradiënten. Hierdoor gaat het kristal zich optisch anders en ongecontroleerd gedragen waardoor de laserlichtbundel niet meer goed gefocusseerd kan worden.

Het doel van de uitvinding is het verschaffen van een 10 dergelijke inrichting, geschikt voor toepassing van C02 laserlichtbronnen,' waarbij de hierboven genoemde problemen worden vermeden of worden verminderd tot een waarde waarbij de warmteontwikkeling in het kristal toelaatbaar is.

Hiertoe stelt de onderhavige uitvinding voor dat de C02 15 laserlichtbron gemodificeerd is voor het opwekken van laserlicht met een kortere golflengte dan de voor dit type laser gebruikelijke golflengte van 10,6 μπι.

Uit proefnemingen en materiaalgegevens is gebleken dat de warmteontwikkeling in het kristal bij een kortere golflengte 20 van de laserlichtbundel teruggebracht kan worden tot aanzienlijk lagere waarden.

Het is bekend dat C02laserlichtbronnen op een aantal binnen een beperkt frequentiespectrum gelegen frequenties laserlicht kunnen uitzenden. Binnen dat frequentiespectrum 25 ligt een aantal frequentiegebieden, in elk waarvan een lokaal maximum is gelegen, waarbij de amplitude van de uitgezonden laserlichtbundel maximaal is.

Door het modificeren van de laserlichtbron is het mogelijk de golflengte van de laserlichtbundel te veranderen 30 tot bijvoorbeeld een lokaal maximum van een ander frequentiegebied.

Deze maatregel biedt de mogelijkheid de golflengte van de laserlichtbundel te verkorten.

4

Volgens een eerste voorkeursuitvoeringsvorm wordt de laserlichtbron gevormd door een C02 laser die is gemodificeerd voor het opwekken van een laserlichtbundel met een golflengte kleiner dan 10,4 μτη.

5 Bij deze modificatie wordt de golflengte van het uitgezonden laserlicht verkleind tot binnen een ander frequentiegebied.

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de laserlichtbron gemodificeerd voor het opwekken van een 10 laserlichtbundel met een golflengte tussen 9,1 pm en 9,4 μπι.

Dit blijkt het bij een C02 laser laagst mogelijk golflengtegebied te zijn, zodat de nadelige effecten bij de AOD worden geminimaliseerd.

Binnen dit golflengtegebied zal het het minste moeite 15 kosten de golflengte op het lokale maximum te handhaven. Dit blijkt bij circa 9,27 μιη te liggen.

Verder is uit de optica bekend, dat licht met een kortere golflengte zich tot een kleiner brandpunt laat focusseren dan licht met een langere golflengte. Bij bepaalde 20 laserbewerkingen heeft dit tot gevolg dat de bewerking uitgevoerd kan worden met minder laservermogen dan bij toepassing van de gebruikelijke, langere golflengte, hetgeen eveneens tot minder opwarming leidt, omdat de door het kristal te sturen laserlichtbundel minder vermogen behoeft.

25 Een voorbeeld van een dergelijke bewerking is het aanbrengen van een verzwakking in materialen, bijvoorbeeld in verpakkingsmateriaal. Bij een dergelijke bewerking 'schrijft' de laserspot een groef in het materiaal. De mate van verzwakking hangt daarbij af van de diepte van de groef, doch 30 niet van de breedte ervan. Bij een kleinere laserspot is alle laservermogen op een kleiner oppervlak geconcentreerd, waardoor een gewenste groefdiepte reeds met een klein laservermogen kan worden bereikt.

/1 A /"s y· —^ ^ 5

Een AOD wordt niet alleen gebruikt voor het richten van de laserlichtbundel naar de plaats waarop deze zijn effect moet uitoefenen, maar ook voor het moduleren van de laserlichtbundel. Hieronder wordt het in- en uitschakelen van 5 de laserlichtbundel verstaan. Dit kan worden bereikt door het door middel van een AOD, tijdelijk, naar een energie-absorptie-element leiden van de laserlichtbundel. Gezien de snelheid waarmee deze afbuiging moet plaatsvinden, is het ook hier aantrekkelijk gebruik te maken van een AOD en bij 10 voorkeur van dezelfde AOD welke voor het afbuigen wordt gebruikt.

Een ander voorbeeld is het aanbrengen van groef- of perforatiepatronen in de vorm van kleine gaatjes of groeven in waardedocumenten zoals bankbiljetten. Een dergelijk 15 zichtbaar patroon wordt aangebracht ter bescherming tegen namaak en fraude. Het effect van een kleinere golflengte in een dergelijke toepassing is dat de aangebrachte gaatjes of groefjes fijner van diameter of breedte worden. Aldus behoeft de laserbewerking minder materiaal te verwijderen, zodat 20 minder laservermogen noodzakelijk is. Bovendien werpt de toegenomen fijnheid een nog hogere drempel op tegen namaak en fraude.

Bovendien vertoont een aantal materialen, in het bijzonder kunststoffen grote verschillen in absorptie bij de 25 diverse golflengtes in het genoemde golflengtegebied. Voor die materialen die bij een bepaalde golflengte, bijvoorbeeld 9,27 ]im een grotere absorptie vertonen dan bij 10,6 μπ\, geldt dus dat deze met minder laservermogen te bewerken zijn bij 10,6 μπ». Anderzijds zijn er echter ook materialen die bij 30 10,6 μπι een hogere absorptie vertonen.

Er zijn dus tenminste drie en mogelijkerwijs vier voordelen te behalen bij het werken met een kortere golflengte en welke alle resulteren in minder opwarming van s ^ - 6 het kristal. Deze verminderde opwarming kan op verschillende manieren benut worden.

Allereerst kan een verbetering van de, levensduur van de AOD bereikt worden doordat er aanzienlijk minder opwarming 5 van het kristal plaats vindt, waardoor genoemde storingen minder snel optreden.

Ten tweede kan men de verminderde opwarming, wellicht slechts voor een deel, gebruiken voor het toestaan van een hoger bundelvermogen waardoor het mogelijk wordt sneller dan 10 voorheen te bewerken en een hogere productiecapaciteit gerealiseerd kan worden.

Ten derde bestaat de mogelijkheid om meer laserenergie kostende bewerkingen toe te passen, zoals het in waardedocumenten aanbrengen van elliptische of andere niet-15 ronde gaatjes in plaats van ronde gaatjes. Dergelijke niet-ronde gaatjes zijn met mechanische middelen moeilijker na te maken en zij vormen hiermee een hogere drempel tegen namaak.

Door toepassing van een modificatie op een C02-laser is het mogelijk gebleken een laserlichtbron te construeren 20 waarbij de golflengte verkort is ten opzichte is van de voor een C02-laser gebruikelijke golflengte van het uitgezonden laserlicht.

In het bijzonder wordt de laserbron dan ook gevormd door een laserbron welke normaliter geschikt is voor het opwekken 25 van een laserlichtbundel met een golflengte van 10,6 μπι, maar welke gemodificeerd is voor het opwekken van laserlicht met een golflengte van circa 9,27 μπι.

Hierbij wordt een bijzonder aantrekkelijke constructie verkregen, waarbij gebruik gemaakt kan worden van de 30 vermogens welke noodzakelijk zijn voor het uitvoeren van de gewenste bewerkingen, en waarbij een grote productiecapaciteit kan worden bereikt door toepassing van AOD's.

7

Deze voordelen komen in het bijzonder tot uitdrukking wanneer de inrichting is ingericht voor het door pyrolyse verwijderen van materiaal.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden 5 toegelicht aan de hand figuur 1 waarin een schema is afgeheeld van een inrichting volgens de uitvinding.

In figuur 1 is een werkstuk 1 afgeheeld, dat geplaatst is op een werktafel 2. Een gebied 3 van het werkstuk 1 moet worden bewerkt, bijvoorbeeld door het aanbrengen van 10 perforaties in een bepaald patroon.

Hiertoe wordt 'gebruik gemaakt van een door een laserlichtbron 4 opgewekte laserbundel, welke vanaf de laserlichtbron 4 door een laserlichtgeleiding 5 gevoerd wordt naar een eerste acoesto-optische afbuiginrichting (AOD)6 voor 15 het afbuigen van de laserlichtbundel in de x-richting. Voor het in de andere richting, de y-richting afbuigen van de laserlichtbundel wordt gebruik gemaakt van een tweede acousto-optische afbuiginrichting 7.

De uit de tweede acousto-optische inrichting 7 20 uittredende laserlichtbundel 8 wordt gebruikt voor het bewerken van het te bewerken deel 3 van het werkstuk 1. Beide acousto-optische afbuiginrichtingen 6, 7 zijn voorzien van een transducent 9 voor het in het betreffende kristal opwekken van een mechanische trilling. Beide transducenten 9 25 worden gevormd door een piëzo-electrisch kristal. Aan de andere zijde van het kristal is een trillings absorberend element 10 geplaatst.

Voor het besturen van de piëzo-electrische kristallen 9 wordt gebruik gemaakt van twee besturingsschakelingen 11, 30 respectievelijk 12, welke even als de laserlichtbron 4 worden bestuurd door een besturingsinrichting 13 welke bijvoorbeeld door een personal computer kan worden gevormd.

! · - b 8

Zoals in de aanhef reeds is genoemd, wordt de laserlichtbron 4 bij voorkeur gevormd door een laserlichtbron welke gemodificeerd is voor het verkorten van de golflengte naar een waarde welke in de AOD's 6,7, leidt tot minder 5 nadelige effecten als gevolg van dissipatie.

Claims (15)

1. Inrichting voor het door middel van een laserlichtbundel bewerken van materiaal, omvattende: -een laserlichtbron voor het opwekken van de laserlichtbundel; 5 -tenminste een bestuurbare acoustoroptische afbuiginrichting (AOD) voor het afbuigen van de van de laserlichtbron afkomstige laserlichtbundel; met het kenmerk, dat de laserlichtbron gemodificeerd is voor het opwekken van laserlicht met een kortere golflengte 10 dan de voor dit type laserbron gebruikelijke golflengte.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat laserlichtbron wordt gevormd door een C02 laser die is gemodificeerd voor het opwekken van een laserlichtbundel met een golflengte kleiner dan 10,4 μπι.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de laserlichtbron wordt gevormd door een CO, laser die is ingericht voor het opwekken van een laserlichtbundel met een golflengte tussen 10,1 Urn en 10,4 μπι.

4. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat 20 de laserbron wordt gevormd door een C02 laser die is ingericht voor het opwekken van een laserlichtbundel met een golflengte tussen 9,4 μπι en 9,8 μπι.

5. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de laserbron wordt gevormd door een C02 laser die is 25 ingericht voor het opwekken van een laserlichtbundel met een golflengte tussen 9,1 μπι en 9,4 μπι.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de laserbron wordt gevormd door een C02 laser die is ingericht voor het opwekken van een laserlichtbundel met een 30 golflengte tussen 9,25 μπι en 9,30 μπι.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de laserbron wordt gevormd door een C02 laser die is ingericht voor het opwekken van een laserlichtbundel met een golflengte van circa 9,27 μπι.

8. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting is ingericht voor het door pyrolyse verwijderen van materiaal.

9. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies met het kenmerk, dat de inrichting geschikt is voor het 10 aanbrengen van perforaties, groeven en andere bewerkingen, waarvan de kleinste afmeting kleiner is dan de kleinste afmeting die realiseerbaar is met laserlichtbron met de gebruikelijke golflengte van circa 10,6 urn.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat 15 de inrichting geschikt is voor het aanbrengen van perforaties met een ovaal oppervlak.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de inrichting geschikt is voor het aanbrengen van een perforatiepatroon van waarbij: een deel van het aantal tot 20 het perforatiepatroon behorende perforaties een van de rest van de perforaties afwijkende vorm heeft.

12. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting geschikt is voor het uitvoeren van bewerkingen die sneller zijn dan die 25 van een soortgelijke inrichting met een laserbron met een golflengte van circa 10,6 μπι.

13. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting geschikt is voor het uitvoeren van bewerkingen die meer energie vergen 30 dan de bij de gebruikelijke golflengte van 10,6 μιη op dat werkstuk uitvoerbare bewerkingen.

15. Document met een door een laserinrichting volgens bovengenoemde conclusies verkregen perforatiepatroon, met het * · kenmerk, dat het perforatiepatroon tenminste gedeeltelijk perforaties omvat met een ovaal oppervlak, waarvan de kleinste afmeting kleiner is dan de kleinste afmeting die zich laten realiseren met een iaserlichtbron met de 5 gebruikelijke golflengte van circa 10,6 pm.

15. Document met een door een inrichting volgens conclusie 11 verkregen perforatiepatroon, met het kenmerk, dat het door de perforaties met een afwijkende vorm gevormde patroon zichtbaar is bij waarneming onder een schuine hoek. t «Ό O . i, ; — / : ''· ' ·'