WO1998046391A1 - Method for removing one or several layers selectively - Google Patents

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WO1998046391A1
WO1998046391A1 PCT/DE1998/000952 DE9800952W WO9846391A1 WO 1998046391 A1 WO1998046391 A1 WO 1998046391A1 DE 9800952 W DE9800952 W DE 9800952W WO 9846391 A1 WO9846391 A1 WO 9846391A1
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layer
laser
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PCT/DE1998/000952
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Günther WIEDEMANN
Michael Panzner
Jan Hauptmann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
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    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced

Definitions

  • the invention relates to a method for the selective removal of one or more layers.
  • the technical field of application of the invention comprises tasks for removing layers from a substrate to be preserved in the technical and restoration area.
  • the aim is to remove layers, if necessary locally delimited, but in any case without adversely affecting the properties of the surface on which the layer to be removed is located.
  • Laser ablation can be carried out using several mechanisms. Some of the mechanisms described below work in the complex.
  • the dominant process is removal by slice-wise evaporation of the layer to be removed by means of short laser pulses.
  • the number of pulses is selected depending on the layer thickness and the removal rate (e.g. volume / time to be removed) so that the surface is exposed (Fig. 1).
  • laser ablation can also be carried out by thermally induced shock waves, e.g. in the case of brittle materials, or are supported thereby (FIG. 2).
  • This process is the subject of EP 0 380 387 B and DE 690 16 051 T2.
  • the chance of low-damage erosion is reduced if the optical and / or thermal properties of the layer and the substrate approach each other more and more.
  • the disadvantage here is that at such high intensities, as are required to produce erosion-generating shock waves, the absorption properties of a material compared to light of lower intensity play an increasingly minor role, since light of such high intensity due to non-linear processes when interacting with material from almost everyone Material is absorbed and there is no longer any selectivity between the layer and the substrate.
  • Another disadvantage is that, even with the current state of the art, the dye laser principle is unable to produce sufficient average powers for technical applications of laser cleaning. Even pulse peak outputs, such as those required to generate a shock wave, are not possible with dye lasers or only with great effort.
  • the object of the invention is in particular to provide a method of the type mentioned, with which the removal rate is increased and the selectivity between the layer or layers to be removed and the substrate or the one or more further layers to be obtained is significantly improved.
  • the object is achieved with a method according to one or more of claims 1 to 25.
  • the method is carried out using lasers or laser systems with self-regulating process limitation.
  • This method is characterized according to the invention in that the removal is carried out during short (preferably in the ⁇ s range or below) interaction times with laser light of such a wavelength that the laser light from one part of the overall composite (either the layer or layers to be removed or the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained) is absorbed so strongly that the removal threshold (preferably evaporation and / or decomposition threshold) of the respective material is exceeded and that the absorption of the laser light at the same intensity by the respective other Part of the overall network (either the subsoil to be preserved or the one or more layers to be preserved or the layer or layers to be removed) is so small that this removal threshold is not reached.
  • the removal threshold preferably evaporation and / or decomposition threshold
  • the specific advantage of laser ablation is that there is a self-regulating process limitation and thus prevention of damage to the substrate to be obtained if it absorbs the wavelength of the incident laser radiation less than the layer to be removed and the energy density of the laser beam is set so that it lies between the threshold energy densities of the layer and the subsurface ⁇ E L , ser ⁇ E SchweMUterground ).
  • the evaporation threshold e.g. of the subsurface, is therefore no longer reached, since the majority of the incident radiation is either absorbed in such a large volume that the energy densities related to the subsurface material volume are no longer sufficient for ablation, or the majority of the incident laser light reflects off the subsurface or is let through.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the optical properties of the layer or layers to be removed and the respective substrate to be obtained or the one or more layers to be obtained are first determined as a function of the wavelength of the laser light, for example by determination the wavelength-dependent optical constants using spectroscopic methods. From the absorption coefficients calculated from this, the wavelength range is determined for which the conditions set out for a self-regulating process limitation apply. Then the removal takes place with very short interaction times with laser light of this wavelength.
  • Short alternation times of action can be achieved by short pulse lasers and / or by very high relative speeds between the laser beam and the material surface.
  • a special embodiment variant of the method is the generation of the short light pulses by means of a wavelength-tunable laser system, e.g. of a Nd: YAG OPO system.
  • a variant of the method according to the invention provides that at the boundary between the layer or layers to be removed and the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained, a small amount of material of the layer to be removed or the surface properties which does not lead to any disadvantageous change in properties
  • the substrate is suddenly evaporated by high-energy laser radiation with short exposure times of preferably ⁇ 1 ⁇ s.
  • the layer above is blown off by the expanding steam at the boundary between the surfaces of the layer and the substrate. Thin layers can also only be evaporated.
  • the lateral extent of the active site can be determined by the size of the working spot of the laser beam (active spot diameter), for example by focusing or defocusing, so that, depending on the thickness of the layer to be removed, very filigree structures can also be removed. It is advantageous here that both a small volume of the layer to be removed and of the substrate to be preserved can be used for removal. Only one component of the layer system needs to have a higher transmission than the other for the laser radiation used, ie it must be more transmissive for some of the laser radiation. This is achieved by selecting suitable laser systems, the wavelength of which meets this condition.
  • wavelength-tunable systems such as Nd: YAG lasers with OPO, can also be used to advantage here.
  • the explosive effect in the principle of the removal according to FIG. 6 is possibly further increased by the heating of the steam which takes place as a result of absorption of part of the laser pulse energy.
  • the advantage of the solution according to the invention is, in particular, that the conditions for completely low-risk laser ablation can be set for almost all technical layer systems, that the method can be carried out in a much larger parameter range and that the effort for one-line process control can be eliminated.
  • Laser ablation and laser cleaning is also possible with little risk in the area of monument preservation.
  • Devices suitable for the preservation of historical monuments should be equipped with an articulated arm or with one or more optical fibers for beam transmission for the free movement of the laser beam according to the surface topography of the object to be processed.
  • the need to adapt the beam guidance to the different wavelengths must be taken into account, e.g. through interchangeable mirror sets in the articulated arm or through several optical fibers.
  • FIG. 7 The principle of this exemplary embodiment is outlined in FIG. 7.
  • an Nd: YAG pulse laser beam (5) with a pulse length of 6 ns, a pulse energy of 300 mJ, a frequency of 20 Hz and a working spot diameter (6) of d w 4 mm according to that in this exemplary embodiment (exclusively 7)
  • the layer is removed in slices after a number of approx. 30 pulses, ie in a time of approx. 1.5 s, up to the surface (7) of the wooden panel.
  • FIGS. 7 and 8 The principle of this exemplary embodiment is outlined in FIGS. 7 and 8.
  • a glass pane (1) with the thickness (2) there is an applied layer (3) with the layer thickness (4).
  • the layer is removed in slices after a number of approx. 20 pulses, ie in a time of approx. 1 s, up to the surface (7) of the glass pane.
  • the diameter of the removed surface (8) corresponds approximately to the working spot diameter.
  • the glass surface is not removed due to the high transmission of the glass for the wavelength of the Nd: YAG laser.
  • the laser treatment takes place through the glass pane with the same beam parameters as in FIG. 7, but only with a pulse energy of 250 mJ.
  • the evaporation of a small amount of material between the layer above the glass surface (7) and the glass surface causes the entire layer to break off in a diameter range (9) which, depending on the brittleness of the layer, is slightly or even significantly above that of the working spot diameter (6) ( see Fig. 8).
  • the removal rate is consequently increased by more than a factor of 20 with the same quality.

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Abstract

The invention relates to a method for removing one or several layers by laser, with self-regulating process limitation. According to the invention, the removal takes place during short periods of interaction with laser light of such a wavelength that it is so heavily absorbed by one part of the total composite (either the part which is being removed or the part which is being retained), that the removal threshold of the material concerned is exceeded, and the absorption of laser light of the same intensity by the other part of the total composite (the part which is being retained or the part which is being removed) is so low that this removal threshold is not reached.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer SchichtenProcess for the selective removal of one or more layers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer Schichten.The invention relates to a method for the selective removal of one or more layers.
Das technische Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt Aufgaben zum Entfernen von Schichten von einem zu erhaltenden Untergrund im technischen und restauratorischen Bereich. Insbesondere geht es darum, Schichten, wenn nötig lokal begrenzt, aber in jedem Falle ohne nachteilige Beeinträchtigung der Eigenschaften der Oberfläche, auf der sich die zu entfernende Schicht befindet, abzutragen.The technical field of application of the invention comprises tasks for removing layers from a substrate to be preserved in the technical and restoration area. In particular, the aim is to remove layers, if necessary locally delimited, but in any case without adversely affecting the properties of the surface on which the layer to be removed is located.
Das Abtragen mittels Laser kann nach mehreren Mechanismen erfolgen. Teilweise wirken die nachfolgend geschilderten Mechanismen im Komplex.Laser ablation can be carried out using several mechanisms. Some of the mechanisms described below work in the complex.
Dominierender Prozeß ist das Abtragen durch scheibchenweises Verdampfen der zu beseitigenden Schicht mittels kurzer Laserimpulse. Die Pulszahl wird in Abhängigkeit von der Schichtdicke und der Abtragrate (z.B. abzutragendes Volumen / Zeit) so gewählt, daß die Oberfläche freigelegt wird (Fig. 1). Das Laserabtragen kann jedoch auch durch thermisch induzierte Schockwellen, z.B. bei spröden Materialien, erfolgen bzw. dadurch unterstützt werden (Fig. 2). Dieses Verfahren ist Gegenstand der EP 0 380 387 B bzw. DE 690 16 051 T2.The dominant process is removal by slice-wise evaporation of the layer to be removed by means of short laser pulses. The number of pulses is selected depending on the layer thickness and the removal rate (e.g. volume / time to be removed) so that the surface is exposed (Fig. 1). However, laser ablation can also be carried out by thermally induced shock waves, e.g. in the case of brittle materials, or are supported thereby (FIG. 2). This process is the subject of EP 0 380 387 B and DE 690 16 051 T2.
Weitere Möglichkeiten der Entschichtung sind bei einer Reihe vorkommender Schichtsysteme dann gegeben, wenn sich die thermischen Eigenschaften, insbesondere die Ausdehnungskoeffizienten der zu entfernenden Schicht und des Untergrundes stark voneinander unterscheiden. Der Abtrag bzw. das Entschichten erfolgt dann durch Abplatzen von Teilen der Schicht infolge der mittels Laser erzeugten Thermospannungen (Fig. 3).In a number of layer systems that occur, further options for stripping are given if the thermal properties, in particular the expansion coefficients, of the layer to be removed and of the substrate differ greatly from one another. The removal or stripping then takes place by chipping off parts of the layer as a result of the thermal voltages generated by means of laser (FIG. 3).
Gute Voraussetzungen für ein selektives Entschichten ohne Beeinträchtigung des Untergrundes bestehen auch dann, wenn die Schmelz- bzw. Verdampfungstemperaturen der mittels Laser abzutragenden Schicht deutlich unter der Schmelz- bzw. Verdampfungstemperatur des zu erhaitenden Untergrundes liegt (Fig. 4). Darauf basiert z.B. das im US-Patent 4,756,765 beschriebene Verfahren. Eine weitere Möglichkeit des Laserabtragens von Schichten, z.B. organischer Substanzen von Metalloberflächen besteht darin, Laser kurzer Wellenlänge (UV-Bereich) einzusetzen. Das Abtragen der Schicht basiert dann auf dem Aufbrechen chemischer Bindungen (Photonenenergie ist größer als die Bindungsenergie der chemischen Bindung) (Fig. 5). Dieses Prinzip liegt z.B. dem Patent EP-A-0 233 755 zugrunde.There are also good prerequisites for selective decoating without affecting the substrate if the melting or evaporation temperatures of the layer to be removed by means of a laser are significantly below the melting or vaporization temperature of the substrate to be preserved (Fig. 4). The method described in US Pat. No. 4,756,765 is based on this. Another option for laser ablation of layers, eg organic substances from metal surfaces, is to use lasers of short wavelength (UV range). The removal of the layer is then based on breaking chemical bonds (photon energy is greater than the binding energy of the chemical bond) (Fig. 5). This principle is based, for example, on patent EP-A-0 233 755.
Die Nachteile des Standes der Technik liegen in der geringen Abtragrate (Volumen oder Masse/Zeit bzw. Fläche/Zeit), da das Abtragen vor allem bei im Verhältnis zur Wellenlänge des Lasers dicken Schichten immer eine Vielzahl von Laserimpulsen je Wirkstelle voraussetzt.The disadvantages of the prior art lie in the low ablation rate (volume or mass / time or area / time), since ablation always requires a large number of laser pulses per active site, especially in the case of layers thick in relation to the wavelength of the laser.
Desweiteren verringert sich die Chance des schädigungsarmen Abtrages, wenn sich die optischen und/oder thermischen Eigenschaften von Schicht und Untergrund immer mehr annähern.Furthermore, the chance of low-damage erosion is reduced if the optical and / or thermal properties of the layer and the substrate approach each other more and more.
Diesem Nachteil versucht man teilweise mit On-Line Prozeßkontrolle, wie beispielsweise in der DE 43 20 895 A1 beschrieben, zu begegnen. Neben der Erhöhung des technischen Aufwandes sind Einschränkungen in der Anwendungsbreite als Nachteile zu nennen.One tries to counter this disadvantage partly with on-line process control, as described for example in DE 43 20 895 A1. In addition to increasing the technical effort, limitations in the range of applications are to be mentioned as disadvantages.
Keine Möglichkeiten für ein selektives Entschichten, und ganz und gar nicht mit selbstregulierender Prozeßbegrenzung gibt es immer dann, wenn der Untergrund gegenüber der verfügbaren Wellenlänge des Lasers eine höhere Absorption und/oder eine niedrigere thermische Zerstörschwelle aufweist, als die zu entfernende Schicht. Dieser Nachteil kommt sehr häufig zum Tragen, da die verfügbaren Laserwellenlängen sehr beschränkt sind. Auf dieses Problem wird auch in den Patentschriften EP 0 380 387 B bzw. DE 690 16 051 hingewiesen und der Einsatz eines wellenlängenabstimmbaren Farblasers zur Erzeugung von Schockwellen zum Abtragen vorgeschlagen. Nachteilig ist dabei, daß bei solch hohen Intensitäten, wie sie zum Hervorrufen von abtragserzeugenden Schockwellen erforderlich sind, die Absorptionseigenschaften eines Materials gegenüber Licht geringerer Intensität eine immer geringere Rolle spielen, da Licht solch hoher Intensität durch nichtlineare Prozesse bei der Wechselwirkung mit Material von nahezu jedem Material absorbiert wird und damit eine Selektivität zwischen Schicht und Untergrund nicht mehr gegeben ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß das Farbstofflaserprinzip auch beim heutigen Stand der Technik nicht in der Lage ist, für technische Anwendungen des Laserreinigens ausreichende mittlere Leistungen zu erzeugen. Auch Pulsspitzenleistungen, wie sie das Erzeugen einer Schockwelle erfordern, sind mit Farbstofflasern nicht bzw. nur mit hohem Aufwand möglich. Desweiteren wird in der Patentschrift DE 690 16 051 vorausgesetzt, daß die Absorptionsspektren von Schicht und verschmutztem Material bekannt sind, was jedoch für viele Materialien in den in Frage kommenden Wellenlängenbereichen gegenwärtig jedoch meist nicht der Fall ist. Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer Schichten vorzuschlagen, mit dem die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.There are no possibilities for selective stripping, and there is absolutely no self-regulating process limitation if the substrate has a higher absorption and / or a lower thermal destruction threshold than the layer to be removed compared to the available wavelength of the laser. This disadvantage is very common because the available laser wavelengths are very limited. This problem is also referred to in the patents EP 0 380 387 B and DE 690 16 051 and the use of a wavelength-tunable color laser for generating shock waves for removal is proposed. The disadvantage here is that at such high intensities, as are required to produce erosion-generating shock waves, the absorption properties of a material compared to light of lower intensity play an increasingly minor role, since light of such high intensity due to non-linear processes when interacting with material from almost everyone Material is absorbed and there is no longer any selectivity between the layer and the substrate. Another disadvantage is that, even with the current state of the art, the dye laser principle is unable to produce sufficient average powers for technical applications of laser cleaning. Even pulse peak outputs, such as those required to generate a shock wave, are not possible with dye lasers or only with great effort. Furthermore, the patent specification DE 690 16 051 presupposes that the absorption spectra of the layer and contaminated material are known, but this is usually not currently the case for many materials in the wavelength ranges in question. It is the object of the invention to propose a method for the selective removal of one or more layers with which the disadvantages of the prior art mentioned are overcome.
Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, mit dem die Abtragrate erhöht und die Selektivität zwischen abzutragender Schicht bzw. Schichten und zu erhaltendem Untergrund bzw. zu erhaltender einer oder mehreren weiteren Schicht deutlich verbessert wird.Accordingly, the object of the invention is in particular to provide a method of the type mentioned, with which the removal rate is increased and the selectivity between the layer or layers to be removed and the substrate or the one or more further layers to be obtained is significantly improved.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25 gelöst.According to the invention, the object is achieved with a method according to one or more of claims 1 to 25.
Dabei wird das Verfahren mittels Laser bzw. Lasersystemen mit selbstregulierender Prozeßbegrenzung durchgeführt. Dieses Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß das Abtragen während kurzer (vorzugsweise im μs-B ereich oder darunter) Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht einer solchen Wellenlänge durchgeführt wird, daß das Laserlicht von dem einen Teil des Gesamtverbundes (entweder der abzutragenden Schicht bzw. Schichten oder dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht) so stark absorbiert wird, daß die Abtragsschwelle (vorzugsweise Verdampfungs- und/oder Zersetzungsschwelle) des jeweiligen Materials überschritten wird und daß die Absorption des Laserlichtes bei gleicher Intensität von dem jeweiligen anderen Teil des Gesamtverbundes (entweder dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen Schicht oder mehreren weiteren Schichten oder der abzutragenden Schicht bzw. Schichten) so gering ist, daß eben diese Abtragsschwelle nicht erreicht wird.The method is carried out using lasers or laser systems with self-regulating process limitation. This method is characterized according to the invention in that the removal is carried out during short (preferably in the μs range or below) interaction times with laser light of such a wavelength that the laser light from one part of the overall composite (either the layer or layers to be removed or the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained) is absorbed so strongly that the removal threshold (preferably evaporation and / or decomposition threshold) of the respective material is exceeded and that the absorption of the laser light at the same intensity by the respective other Part of the overall network (either the subsoil to be preserved or the one or more layers to be preserved or the layer or layers to be removed) is so small that this removal threshold is not reached.
Der spezifische Vorteil des Laserabtragens, der hierbei genutzt wird ist der, daß es zu einer selbstregulierenden Prozeßbegrenzung und damit zur Verhinderung einer Schädigung des zu erhaltenden Untergrundes kommt, wenn dieser die Wellenlänge der einfallenden Laserstrahlung weniger absorbiert als die zu entfernende Schicht und die Energiedichte des Laserstrahles so eingestellt wird, daß sie zwischen den Schwellenergiedichten der Schicht und des Untergrundes liegt <EL,ser <ESchweMUntergrund). Die Verdampfungsschwelle, z.B. des Untergrundes, wird somit nicht mehr erreicht, da der überwiegende Anteil der einfallenden Strahlung entweder in einem so großen Volumen absorbiert wird, daß die auf das Untergrundmaterialvolumen bezogenen Energiedichten zum Abtrag nicht mehr ausreichen oder der Hauptanteil des eingestrahlten Laserlichtes vom Untergrund reflektiert bzw. durch diesen hindurchgelassen wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß man zunächst die optischen Eigenschaften der abzutragenden Schicht bzw. Schichten und des jeweiligen zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen Schicht oder mehreren weiteren Schichten in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Laserlichtes ermittelt, z.B. durch Bestimmung der wellenlängenabhängigen optischen Konstanten mittels spektroskopischer Methoden. Aus den daraus berechneten Absorptionskoeffizienten wird der Wellenlängenbereich ermittelt, für den die dargelegten Bedingungen für eine selbstregulierende Prozeßbegrenzung zutreffen. Anschließend erfolgt der Abtrag bei sehr kurzen Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht dieser Wellenlänge.The specific advantage of laser ablation, which is used here, is that there is a self-regulating process limitation and thus prevention of damage to the substrate to be obtained if it absorbs the wavelength of the incident laser radiation less than the layer to be removed and the energy density of the laser beam is set so that it lies between the threshold energy densities of the layer and the subsurface <E L , ser <E SchweMUtergrund ). The evaporation threshold, e.g. of the subsurface, is therefore no longer reached, since the majority of the incident radiation is either absorbed in such a large volume that the energy densities related to the subsurface material volume are no longer sufficient for ablation, or the majority of the incident laser light reflects off the subsurface or is let through. An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the optical properties of the layer or layers to be removed and the respective substrate to be obtained or the one or more layers to be obtained are first determined as a function of the wavelength of the laser light, for example by determination the wavelength-dependent optical constants using spectroscopic methods. From the absorption coefficients calculated from this, the wavelength range is determined for which the conditions set out for a self-regulating process limitation apply. Then the removal takes place with very short interaction times with laser light of this wavelength.
Die genannten Prozeßschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können diskontinuierlich oder auch kontinuierlich erfolgen.The process steps mentioned in the process according to the invention can be carried out batchwise or continuously.
Kurze Wechsel Wirkungszeiten können durch Kurzpulslaser und/oder durch sehr hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserstrahl und Materialoberfläche erreicht werden.Short alternation times of action can be achieved by short pulse lasers and / or by very high relative speeds between the laser beam and the material surface.
Eine spezielle Ausführungsvariante des Verfahrens ist die Erzeugung der kurzen Lichtpulse mittels eines wellenlängenabstimmbaren Lasersystems, z.B. eines Nd:YAG-OPO-Systems.A special embodiment variant of the method is the generation of the short light pulses by means of a wavelength-tunable laser system, e.g. of a Nd: YAG OPO system.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß an der Grenze zwischen abzutragender Schicht bzw. Schichten und zu erhaltendem Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht eine geringe, hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften zu keiner nachteiligen Eigenschaftsveränderung führende Materialmenge der zu entfernenden Schicht oder des Untergrundes schlagartig durch Laserstrahlung hoher Energie bei kurzen Einwirkzeiten von vorzugsweise < 1 μs verdampft wird.A variant of the method according to the invention provides that at the boundary between the layer or layers to be removed and the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained, a small amount of material of the layer to be removed or the surface properties which does not lead to any disadvantageous change in properties The substrate is suddenly evaporated by high-energy laser radiation with short exposure times of preferably <1 μs.
Durch den expandierenden Dampf an der Grenze zwischen den Oberflächen der Schicht und des Untergrundes wird die darüberliegende Schicht abgesprengt. Dünne Schichten können auch ausschließlich verdampft werden.The layer above is blown off by the expanding steam at the boundary between the surfaces of the layer and the substrate. Thin layers can also only be evaporated.
Ein Prinzip dieser Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist in Fig. 6 dargestellt. Die laterale Ausdehnung der Wirkstelle läßt sich durch die Größe des Arbeitsfleckes des Laserstrahles (Wirkfleckdurchmesser), z.B. durch Fokussierung bzw. Defokussierung festlegen, so daß in Abhängigkeit von der Dicke der zu entfernenden Schicht auch sehr filigrane Strukturen abgetragen werden können. Es ist dabei von Vorteil, daß sowohl ein geringes Volumen der zu entfernenden Schicht als auch des zu erhaltenden Untergrundes zum Abtrag genutzt werden kann. Lediglich eine Komponente des Schichtsystemes braucht für die benutzte Laserstrahlung eine höhere Transmission als die andere aufzuweisen, d.h. für einen Teil der Laserstrahlung durchlässiger sein. Dies wird durch Auswahl geeigneter Lasersysteme, deren Wellenlänge dieser Bedingung genügen, erreicht. Neben Lasern fester Wellenlänge können auch hier wellenlängenabstimmbare Systeme, z.B. Nd: YAG-Laser mit OPO, vorteilhaft zum Einsatz kommen. Die Sprengwirkung bei dem Prinzip des Abtrages nach Fig. 6 wird gegebenenfalls noch durch die infolge Absorption eines Teiles der Laserpulsenergie stattfindenden Aufheizung des Dampfes weiter verstärkt.A principle of this variant of the solution according to the invention is shown in FIG. 6. The lateral extent of the active site can be determined by the size of the working spot of the laser beam (active spot diameter), for example by focusing or defocusing, so that, depending on the thickness of the layer to be removed, very filigree structures can also be removed. It is advantageous here that both a small volume of the layer to be removed and of the substrate to be preserved can be used for removal. Only one component of the layer system needs to have a higher transmission than the other for the laser radiation used, ie it must be more transmissive for some of the laser radiation. This is achieved by selecting suitable laser systems, the wavelength of which meets this condition. In addition to fixed-wavelength lasers, wavelength-tunable systems, such as Nd: YAG lasers with OPO, can also be used to advantage here. The explosive effect in the principle of the removal according to FIG. 6 is possibly further increased by the heating of the steam which takes place as a result of absorption of part of the laser pulse energy.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, daß für nahezu alle technischen Schichtsysteme somit die Bedingungen für völlig risikoarmen Laserabtrag einstellbar sind, die Durchführung des Verfahrens in einem weit größerem Paramterbereich möglich ist und der Aufwand für one-line- Prozeßkontrolle wegfallen kann. Ebenso ist damit das Laserabtragen und Laserreinigen problemlos und risikoarm im Bereich der Denkmalpflege möglich. Für die Denkmalpflege geeignete Geräte sollten zur freien Bewegung des Laserstrahles entsprechend der Oberflächentopographie des zu bearbeitenden Gegenstandes mit einem Gelenkarm oder mit einer oder mehreren Lichtleitfasern zur Strahlübertragung ausgerüstet sein. Bei wellenlängenabstimmbaren Geräten ist dabei die Notwendigkeit der Anpassbarkeit der Strahlführung an die unterschiedlichen Wellenlängen zu beachten, z.B. durch auswechselbare Spiegelsätze im Gelenkarm oder durch mehrere Lichtleitfasern.The advantage of the solution according to the invention is, in particular, that the conditions for completely low-risk laser ablation can be set for almost all technical layer systems, that the method can be carried out in a much larger parameter range and that the effort for one-line process control can be eliminated. Laser ablation and laser cleaning is also possible with little risk in the area of monument preservation. Devices suitable for the preservation of historical monuments should be equipped with an articulated arm or with one or more optical fibers for beam transmission for the free movement of the laser beam according to the surface topography of the object to be processed. In the case of devices which can be tuned in wavelength, the need to adapt the beam guidance to the different wavelengths must be taken into account, e.g. through interchangeable mirror sets in the articulated arm or through several optical fibers.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.The method according to the invention is to be explained in more detail using the following exemplary embodiments.
1. Ausführungsbeispiel1st embodiment
Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels ist in Fig. 7 skizziert. Auf einer Holztafel (1) mit der Dicke (2) befindet sich eine aufgetragene Schicht (3) mit der Schichtdicke (4), die entfernt werden soll. Bei der Bestrahlung mit einem Nd:YAG-lmpulslaserstrahl (5) mit einer Pulslänge von 6 ns, einer Pulsenergie von 300 mJ, einer Frequenz von 20 Hz und einem Arbeitsfleckdurchmesser (6) von dw = 4 mm nach der in diesem Ausführungsbeispiel (ausschließlich Fig. 7) gezeigten Verfahrensvariante wird die Schicht nach einer Anzahl von ca. 30 Impulsen, d.h. in einer Zeit von ca. 1,5 s, scheibchenweise bis zur Oberfläche (7) der Holztafel abgetragen. Der Durchmesser der abgetragenen Fläche (8) entspricht etwa dem Arbeitsfleckdurchmesser. Ein Abtrag der Holzoberfläche erfolgt aufgrund der geringen Absorption und der hohen Reflexion des Holzes für die Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers (λ = 1064 nm) nicht. 2. AusführungsbeispielThe principle of this exemplary embodiment is outlined in FIG. 7. On a wooden board (1) with the thickness (2) there is an applied layer (3) with the layer thickness (4) that is to be removed. When irradiated with an Nd: YAG pulse laser beam (5) with a pulse length of 6 ns, a pulse energy of 300 mJ, a frequency of 20 Hz and a working spot diameter (6) of d w = 4 mm according to that in this exemplary embodiment (exclusively 7), the layer is removed in slices after a number of approx. 30 pulses, ie in a time of approx. 1.5 s, up to the surface (7) of the wooden panel. The diameter of the removed surface (8) corresponds approximately to the working spot diameter. Because of the low absorption and the high reflection of the wood for the wavelength of the Nd: YAG laser (λ = 1064 nm), the wood surface is not removed. 2nd embodiment
Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels ist in Fig. 7 und Fig. 8 skizziert. Auf einer Glasscheibe (1) mit der Dicke (2) befindet sich eine aufgetragene Schicht (3) mit der Schichtdicke (4). Bei der Bestrahlung mit einem Nd:YAG- Impulslaserstrahl (5) mit einer Pulslänge von 6 ns, einer Pulsenergie von 260 mJ, einer Frequenz von 20 Hz und einem Arbeitsfleckdurchmesser (6) von dw = 2 mm nach der in Fig. 7 gezeigten Verfahrensvariante, wird die Schicht nach einer Anzahl von ca. 20 Impulsen, d.h. in einer Zeit von ca. 1 s, scheibchenweise bis zur Oberfläche (7) der Glasscheibe abgetragen. Der Durchmesser der abgetragenen Fläche (8) entspricht etwa dem Arbeitsfleckdurchmesser. Ein Abtrag der Glasoberfläche erfolgt aufgrund der hohen Transmission des Glases für die Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers nicht.The principle of this exemplary embodiment is outlined in FIGS. 7 and 8. On a glass pane (1) with the thickness (2) there is an applied layer (3) with the layer thickness (4). When irradiated with an Nd: YAG pulse laser beam (5) with a pulse length of 6 ns, a pulse energy of 260 mJ, a frequency of 20 Hz and a working spot diameter (6) of d w = 2 mm according to that shown in FIG. 7 Process variant, the layer is removed in slices after a number of approx. 20 pulses, ie in a time of approx. 1 s, up to the surface (7) of the glass pane. The diameter of the removed surface (8) corresponds approximately to the working spot diameter. The glass surface is not removed due to the high transmission of the glass for the wavelength of the Nd: YAG laser.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Laserbehandiung durch die Glasscheibe hindurch mit den gleichen Strahlparametern wie in Fig. 7, jedoch nur mit einer Pulsenergie von 250 mJ. Durch das Verdampfen einer geringen Materialmenge zwischen der Schicht oberhalb der Glasoberfläche (7) und der Glasoberfläche erfolgt ein Absprengen der gesamten Schicht in einem Durchmesserbereich (9), der je nach Sprödigkeit der Schicht geringfügig oder sogar deutlich über dem des Arbeitsfleckdurchmessers (6) liegt (vgl. Fig. 8). Die Abtragrate wird folglich um mehr als den Faktor 20 bei gleicher Qualität gesteigert. When using the method according to the invention, the laser treatment takes place through the glass pane with the same beam parameters as in FIG. 7, but only with a pulse energy of 250 mJ. The evaporation of a small amount of material between the layer above the glass surface (7) and the glass surface causes the entire layer to break off in a diameter range (9) which, depending on the brittleness of the layer, is slightly or even significantly above that of the working spot diameter (6) ( see Fig. 8). The removal rate is consequently increased by more than a factor of 20 with the same quality.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen und BegriffeList of the reference symbols and terms used
1 - Grundsubstrat1 - base substrate
2 - Dicke des Grundsubstrates2 - thickness of the base substrate
3 - Schicht auf dem Grundsubstrat3 - layer on the base substrate
4 - Schichtdicke von 34 - layer thickness of 3
5 - Impulslaserstrahl5 - pulse laser beam
6 - Arbeitsfleckdurchmesser des Impulslaserstrahles6 - Working spot diameter of the pulse laser beam
7 - Oberfläche des Grundsubstrates7 - surface of the base substrate
8 - Durchmesser der abgetragenen Fläche8 - diameter of the removed surface
9 - Durchmesserbereich der abgesprengten Schicht 9 - diameter range of the stripped layer

Claims

Patentanspruche Claims
1. Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer Schichten von einem zu erhaltenden Untergrund oder einer oder mehrerer zu erhaltender weiterer Schichten mittels Laser mit selbstregulierender Prozeßbegrenzung, dad u rch geken nzeich net, daß das Abtragen während kurzer Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht einer solchen Wellenlänge durchgeführt wird, daß das Laserlicht von der einen abzutragenden Schicht oder mehreren abzutragenden Schichten oder dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen Schicht oder mehreren weiteren Schichten so stark absorbiert wird, daß die Abtragschwelle des jeweiligen Materials der abzutragenden Schicht bzw. Schichten oder des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schichten überschritten wird, und daß die Absorption des Laserlichtes bei gleicher Intensität von dem jeweiligen anderen Teil (entweder dem zu erhaltende oder dem abzutragende Teil) des Gesamtverbundes so gering ist, daß die Abtragschwelle dieses jeweiligen Materials nicht erreicht wird.1. Method for the selective removal of one or more layers from a substrate to be obtained or one or more additional layers to be obtained by means of a laser with self-regulating process limitation, so that removal is carried out during short interaction times with laser light of such a wavelength, that the laser light is so strongly absorbed by the one or more layers to be removed or the substrate to be obtained or the one or more layers to be obtained that the removal threshold of the respective material of the layer or layers to be removed or the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained is exceeded, and that the absorption of the laser light at the same intensity from the respective other part (either the part to be obtained or the part to be removed) of the overall assembly is so low that the Removal threshold of this material is not reached.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dad ur h gekennzeichnet, daß die optischen Kennwerte vor dem Abtrag am realen Objekt bestimmt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the optical characteristics are determined before the removal on the real object.
3. Verfahren nach Anspruch 1,dadu rch gekennzeich net, daß die optischen Kennwerte während des Abtrages am realen Objekt bestimmt werden.3. The method according to claim 1, characterized in that the optical parameters are determined during the removal on the real object.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dad u rch geken nzeich net, daß die optischen Kennwerte mittels spektroskopischer Methoden und Verfahren bestimmt werden.4. The method according to claim 2 or 3, dad u rch geken nzeich net that the optical parameters are determined by means of spectroscopic methods and processes.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r ch geke n nze i ch net, daß die Abtragschwelle von den Verdampfungsbzw, thermischen Zersetzungsschwellen bestimmt wird.5. The method according to one or more of claims 1 to 4, d a d u r ch geke nze i ch net that the removal threshold is determined by the evaporation or thermal decomposition thresholds.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dad urch gekennzeich net, daß die Abtragschwelle von den Verdampfungsschwellen bestimmt wird. 6. The method according to claim 5, characterized by the fact that the removal threshold is determined by the evaporation thresholds.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wellenlänge des Laserlichtes auf die Absorptionseigenschaften des Schichtsystems und des Untergrundes durch den Einsatz eines oder mehrerer wellenlängenabstimmbarer Lasersyteme abgestimmt wird.7. The method according to one or more of claims 1 to 6, so that the wavelength of the laser light is matched to the absorption properties of the layer system and of the substrate by using one or more wavelength-tunable laser systems.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die kurzen Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht mittels eines Impulslasers erzielt werden.8. The method according to claim 7, characterized in that the short interaction times are achieved with laser light by means of a pulse laser.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u rch g e ke n n z e i c h n e t, daß Impulslaser mit einer Pulsdauer < 1 μs eingesetzt werden.9. The method according to claim 8, d a d u rch g e ke n n z e i c h n e t that pulse lasers are used with a pulse duration <1 μs.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß die kurzen Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht durch hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserstrahl und Material erreicht werden.10. The method according to one or more of claims 1 to 9, that the short interaction times with laser light are achieved by high relative speeds between the laser beam and the material.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß cw- Laser in Verbindung mit sehr hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserstrahl und Werkstückoberfläche zur Erzielung der notwendigen kurzen Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht eingesetzt werden.11. The method according to claim 7, characterized in that cw lasers are used in conjunction with very high relative speeds between the laser beam and workpiece surface to achieve the necessary short interaction times with laser light.
12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch geke n nze ich net, daß als welleniängenabstimmbares Lasersystem ein mittels Festkörperlaser gepumpter Optischer Parametrischer Oszillator (OPO) eingesetzt wird.12. The method according to claim 7, characterized geke n nze net that an optical parametric oscillator (OPO) pumped by means of a solid-state laser is used as the wavelength-tunable laser system.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r ch g e ke n n ze i c h n e t, daß die Abtragung der einen oder mehreren Schichten erreicht wird, indem während der Einwirkzeit des Lasers auf die Oberfläche der abzutragenden Schicht bzw. Schichten die Schicht bzw. die Schichten in einem oder mehreren Schritten durch Verdampfung abgetragen werden.13. The method according to one or more of claims 1 to 12, so that the removal of the one or more layers is achieved by the layer or layers during the exposure time of the laser to the surface of the layer or layers to be removed the layers are removed by evaporation in one or more steps.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung erreicht wird, indem der Laserstrahl auf die Oberfläche der abzutragenden Schicht bzw. Schichten mehrfach einwirkt und diese Schicht bzw. Schichten in mehreren Einzelschritten verdampft werden, dergestalt, daß mit jeder einzelnen Einwirkzeit des Lasers auf die Oberfläche der abzutragenden Schicht bzw. Schichten diese Schicht bzw. Schichten schrittweise mit Verdampfungstiefen im Submikrometerbereich abgetragen werden. 14. The method according to claim 13, characterized in that the removal is achieved by the laser beam acting repeatedly on the surface of the layer or layers to be removed and this layer or layers are evaporated in several individual steps, such that with each individual exposure time of the Lasers on the surface of the layer or layers to be removed, this layer or layers are gradually removed with evaporation depths in the submicron range.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht bzw. Schichten schrittweise mit Verdampfungstiefen < 20 μm abgetragen werden.15. The method according to claim 14, characterized in that the layer or layers to be removed are gradually removed with evaporation depths <20 microns.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß an der Grenze zwischen der einen oder mehreren abzutragenden Schichten und dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht eine kleine Materialmenge entweder der abzutragenden Schicht bzw. Schichten bzw. des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht schlagartig verdampft wird und die abzutragende Schicht bzw. Schichten, die die geringere Festigkeit als der zu erhaltende Untergrund haben muß, durch den expandierenden Dampf abgesprengt wird.16. The method according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that at the boundary between the one or more layers to be removed and the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained, a small amount of material either the layer to be removed or layers or the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained is suddenly evaporated and the layer or layers to be removed, which must have the lower strength than the substrate to be obtained, is blown off by the expanding steam.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmenge, die an der Grenze zwischen der abzutragenden Schicht bzw. Schichten und dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht verdampft wird, nicht größer als 1 mg ist.17. The method according to claim 16, characterized in that the amount of material which is evaporated at the boundary between the layer or layers to be removed and the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained is not greater than 1 mg.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zu erhaltende Untergrund und/oder die zu erhaltende eine oder mehrere weitere Schicht für einen zur Verdampfung der geringen Materialmenge der abzutragenden Schicht bzw. Schichten ausreichenden Anteil der Laserstrahlung transparent ist und somit der Laserstrahl bzw. der ausreichende Anteil davon durch den zu erhaltenden Untergrund und/oder die zu erhaltende eine oder mehrere weitere Schicht auf die daran angrenzende Seite der abzutragenden Schicht bzw. Schichten geführt wird und dort für die Verdampfung der kleinen Materialmenge der abzutragenden Schicht bzw. Schichten sorgt.18. The method according to claim 16 or 17, characterized in that the substrate to be obtained and / or the one or more further layers to be obtained is transparent for a sufficient portion of the laser radiation to evaporate the small amount of material to be removed and thus the layer Laser beam or the sufficient portion thereof is guided through the substrate to be obtained and / or the one or more further layers to be obtained onto the adjacent side of the layer or layers to be removed and there for the evaporation of the small amount of material of the layer or layers to be removed worries.
19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht bzw. Schichten für einen zur Verdampfung der kleinen Materialmenge des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht ausreichenden Anteil der Laserstrahlung transparent ist und somit der Laserstrahl bzw. der ausreichende Anteil davon durch die abzutragende Schicht bzw. Schichten auf die daran angrenzende Seite des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht geführt wird und dort für die Verdampfung der kleinen Materialmenge des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der einen oder mehreren zu erhaltenden weiteren Schicht sorgt.19. The method according to claim 16 or 17, characterized in that the layer or layers to be removed is transparent to a portion of the laser radiation sufficient for evaporation of the small amount of material of the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained and thus the laser beam or the sufficient proportion thereof through the layer or layers to be removed on the adjacent side of the substrate to be preserved or the one or more further layers to be obtained is carried out and there ensures the evaporation of the small amount of material of the substrate to be obtained or the one or more further layers to be obtained.
20. Verfahren nach Anspruch 16, 17, 18 oder 19, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Dampf, der aus der verdampften kleinen Materialmenge resultiert, zusätzlich aufgeheizt und dadurch die Abtragrate weiter erhöht wird.20. The method according to claim 16, 17, 18 or 19, so that the steam resulting from the evaporated small amount of material is additionally heated, thereby further increasing the removal rate.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf durch einen Teil der im Dampf absorbierten Energie aufgeheizt wird.21. The method according to claim 20, characterized in that the steam is heated by a part of the energy absorbed in the steam.
22. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadur h gekennzeichnet, daß die zum Abtragen der Schicht bzw. Schichten erforderliche Verdampfung der kleinen Materialmenge durch Erwärmen einer für die Laserstrahlung nicht transparenten, aber gut wärmeleitenden Schicht, deren Verdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur deutlich höher als die der anderen Schicht bzw. Schichten bzw. des Untergrundes ist, erfolgt, die Wärmeenergie mittels Laser zugeführt, durch Wärmeleitung an die Schicht bzw. Untergrund mit der geringeren Verdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur transportiert und durch die Dampfbildung die abzutragende Schicht abgesprengt wird.22. The method according to claim 16 or 17, characterized in that the evaporation of the small amount of material required for removing the layer or layers by heating a layer which is not transparent to the laser radiation but is highly heat-conducting, and whose evaporation or decomposition temperature is significantly higher than that is the other layer or layers or the substrate, the thermal energy is supplied by laser, transported by thermal conduction to the layer or substrate with the lower evaporation or decomposition temperature and the layer to be removed is blown off by the formation of steam.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, d a d u r ch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer Schichten kontinuierlich geführt wird.23. The method according to one or more of claims 1 to 22, characterized in that the method for the selective removal of one or more layers is carried out continuously.
24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, d a d u r ch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit Lasersystemen durchgeführt wird, die zur Strahlübertragung feste und/oder um die Strahlachse drehbare Spiegel benutzen, deren Reflektivität auf die jeweilige Wellenlänge abgestimmt wird oder für die Wellenlänge optimierte Lichtleitfasern besitzen.24. The method according to one or more of claims 1 to 23, characterized in that the method is carried out with laser systems which use fixed and / or rotatable mirrors for beam transmission, the reflectivity of which is tuned to the respective wavelength or for which Have wavelength-optimized optical fibers.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Nd.YAG-Laser gepumpten OPO-System mit einem Welienlängenabstimmbereich von 400 < λ < 2000 nm mit Gelenkarm und auswechselbaren Spiegeln ohne Nachjustage durchgeführt wird. 25. The method according to claim 24, characterized in that the method is carried out by means of a Nd.YAG laser-pumped OPO system with a wavelength adjustment range of 400 <λ <2000 nm with an articulated arm and interchangeable mirrors without readjustment.
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