WO2000013837A1 - System for the multi-channel cutting and engraving of materials using laser beams - Google Patents

System for the multi-channel cutting and engraving of materials using laser beams Download PDF

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WO2000013837A1
WO2000013837A1 PCT/DE1999/002424 DE9902424W WO0013837A1 WO 2000013837 A1 WO2000013837 A1 WO 2000013837A1 DE 9902424 W DE9902424 W DE 9902424W WO 0013837 A1 WO0013837 A1 WO 0013837A1
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WO
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arrangement
laser
processing
fiber
end pieces
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PCT/DE1999/002424
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Inventor
Heinrich Jürgensen
Original Assignee
Heidelberger Druckmaschinen Ag
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    • B23K26/0884Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions in at least in three axial directions, e.g. manipulators, robots

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for multi-channel cutting and scribing of materials by means of laser beams.
  • the contact lines are very narrow, you can afford to cut more lines into the solar cell. This reduces the ohmic losses when discharging the charge carriers.
  • Around 60 contact fingers are printed on a conventional cell, while around 80 lines are cut into a Saturn cell. The total line width per cell is thus reduced from 12 mm (60x200 ⁇ m) to 1.6 mm (80x20 ⁇ m), although the number of contact lines has been increased. The area covered by the contact fingers is reduced accordingly, which leads to a higher energy yield.
  • the contact lines are usually cut in a step and repeat device with a YAG laser.
  • a YAG laser a single-channel cutting device will soon work at its performance limit and limit the production quantity. It is conceivable to have several such cutting devices work in parallel. However, this is associated with considerable costs.
  • Another disadvantage is the cumbersome meandering movement of the slide on which the cells are attached. As a result of this meandering movement, the drive mechanism for the slide is exposed to severe mechanical wear.
  • the object of the invention is therefore to create a multi-channel scoring and cutting device which avoids the disadvantages mentioned and works precisely.
  • a laser radiation source is used, such as that used in the parallel German patent application “Process and arrangement for material processing by means of laser beams", filed by the applicant 98/1035, and in the parallel one, simultaneously with the present application with the present application filed German utility model application “laser radiation source high power density and high energy for material processing", sign of the applicant 98/1036 GM, is described.
  • This laser radiation source consists of several diode-pumped fiber lasers, also called fiber lasers, the output beams of which impinge on the processing site next to one another and / or one above the other or in a point or bundle and thus generate a processing spot that is specifically variable in shape and size even at very high laser powers and extremely high power densities enables.
  • the material to be processed can be located on a plane that the laser radiation source or its output radiation is guided relatively past.
  • end piece for optical fibers is the sign of the applicant 98/1037
  • end piece for optical fibers filed by the applicant 98/1037 GM
  • a end piece which enables the beams of the individual lasers with defined values in The beam diameter, beam divergence, centering and angular direction can be grasped precisely and permanently in order to obtain a production and service-oriented arrangement and to guide the laser radiation in a targeted manner.
  • the beams can, depending on the application, for. B.
  • the end pieces are coupled out as parallel laser beams, diverge or, for example, be focused at a certain distance from the exit point.
  • the end pieces can be attached directly to the output of the fiber laser or to the output of coupled fibers or fiber fusion couplers, with which the radiation from one or more fiber lasers can be split or combined.
  • 1 is a schematic diagram of the laser radiation source
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a fiber laser (prior art)
  • FIG. 2a shows an abbreviated representation of the fiber of the fiber laser (prior art)
  • FIG. 3 shows an example of an embodiment of an end piece with a conical fit for use in a holder
  • FIG. 4 shows a modular embodiment of the fiber of the fiber laser according to FIG. 1
  • 5 shows an example of the coupling of the pump energy into the fiber of the fiber laser according to FIG. 13
  • FIG. 6 shows a basic arrangement of the cutting and scoring device
  • FIG. 6a further details on FIG. 6, Fig. 6b is a sectional drawing of Fig. 6a and
  • Fig. 7 shows an embodiment of the cutting and scoring device.
  • a laser radiation source 1 which consists of a plurality of diode-pumped fiber lasers (fiber lasers) (2) which are preferably designed as modules according to the invention and which are supplied with electrical energy by a preferably modular supply 32, some of which is converted into laser radiation becomes. Furthermore, a controller 33 is provided, via which the radiation is modulated and which ensures the interaction of the laser radiation source with its periphery.
  • the output beams of the lasers enter an optical unit 8 at the radiation input 9 and exit from the optical unit at the radiation output 10.
  • the task of the optical unit 8 is to shape the laser radiation into a processing spot 24 on a processing surface 81, but the laser radiation can also be directed directly onto the processing surface without an optical unit, for example by means of the end pieces 26, 94.
  • the laser radiation source is preferably accommodated in a housing, which also ensures the required laser safety.
  • the laser radiation source is preferably cooled by a cooling system.
  • FIGS. 2 and 2a The basic structure of a fiber laser (also called fiber laser) arrangement 2 is shown in FIGS. 2 and 2a.
  • a pump source such. B. a laser diode, here called pump source 18, formed via a coupling optics 3 to a suitable pump leak 4 and coupled into the laser fiber 5.
  • pump sources are described, for example, in the German patent application running in parallel with the file number P 196 03 704.
  • Typical pump cross sections of the laser fibers are between 100 ⁇ m and 600 ⁇ m in diameter, the numerical aperture is around 0.4.
  • the laser fiber 5 is provided on the coupling-in side 6 with a coupling-in mirror 7 which allows the pump radiation to pass through unhindered, but has a 100% reflection for the laser radiation.
  • the coupling mirror 7 can be attached to the fiber end with a suitable holder or by gluing, but it can also be attached directly vapor a suitable layer, such as is used in coupling mirrors for lasers, can be realized on the fiber end.
  • the coupling-out mirror 12 On the coupling-out side 11 of the laser fiber 5 there is a coupling-out mirror 12 which is partially transparent to the laser radiation and through which the laser radiation 13 is coupled out.
  • the decoupling mirror for the pump radiation advantageously has a 100% reflection. As a result, the remaining pump radiation is reflected back into the optical fiber, which is advantageous since the pump energy is better utilized and also does not interfere with the use of the laser radiation.
  • the coupling mirror can also be produced by vapor deposition.
  • the coupling process of the pump radiation into the pump cross section 14 of the laser fiber 5 is shown in more detail in FIG. 2a.
  • the energy in the pump spot 4 excites the laser radiation in the core 15 of the laser fiber 5 on its way through the fiber.
  • the pump core 16 is surrounded by a jacket 17.
  • the approximately 5 ⁇ m to 10 ⁇ m thick core of the laser fiber is mainly doped with rare earths.
  • the relatively large pump cross section 14 simplifies the coupling of the pump energy and enables the use of an easily detachable connection between the pump source and the laser fiber, as is shown in FIGS. 4 and 5.
  • the end piece of the laser fiber on the pump source side can be identical to the end piece on the outcoupling side, but it does not have to be.
  • a precise plug connection between the pump source and laser fiber offers considerable advantages in the manufacture of fiber lasers and in the event of service.
  • the laser fiber can, however, also be permanently connected to the pump source to form a laser module.
  • the fiber laser delivers a practically diffraction-limited laser radiation 13 at the exit.
  • this enables a very large depth of field; For example, with a size of the processing spot of 20 ⁇ m, a depth of field range of about 0.5 to 1 mm can be achieved, which is particularly advantageous if the material surfaces are uneven or cannot be positioned exactly, which is the case especially with large areas .
  • possible output powers of up to 100 W are mentioned in the literature for fiber lasers.
  • Passive optical fibers 28 can also be coupled to the active output of fiber lasers.
  • the excitation current of the pump source is supplied by the supply 32. If no excitation current flows through the pump source, the fiber laser does not emit any radiation.
  • the pump sources are only switched on if laser energy is required in the processing spot. A safety circuit permanently switches off the pump sources if there is a danger.
  • the laser fibers 5 and the pump sources 18 can be connected to one another via a detachable connection.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of a terminating piece 26 (terminator) for a fiber.
  • Such end pieces can advantageously be used for coupling out the laser radiation from a fiber, as described in the German patent application "End piece for optical fibers", sign of the applicant 98/1037, filed in parallel with the present application, and in the parallel one, simultaneously with the present application filed German utility model application “end piece for optical fibers", sign of the applicant 98/1037 GM is described.
  • This end piece 26 can in principle be used for all applications in which it is important to precisely couple the rays of light emerging from a fiber 28 or a laser fiber 5 belonging to a fiber laser with a detachable connection.
  • the end piece consists of an elongated housing 132 which has a continuous, cylindrical opening 130 which extends in the axial direction.
  • the housing is preferably made of prefabricated, for example drawn material.
  • the laser fiber 5 of the fiber laser is preferably freed from its cladding at its last end and roughened on its outer surface, so that the remaining pump radiation leaves the laser fiber before the laser fiber enters the end piece.
  • the laser fiber can additionally be surrounded by a protective cover 131 which is connected to the housing 132 of the end piece.
  • the housing 132 has fits 134 with which the Housing in a socket 29 can be used exactly.
  • the end of the fiber 28 or the laser fiber 5 is received at one end of the housing 132 and guided in the opening 130 within the housing.
  • a short focal length lens 133 is attached to the other end of the housing 132.
  • Means for adjusting the position of the fiber 28 or laser fiber 5 within the closure piece can be provided in order to adjust the position of the fiber 28 or laser fiber 5 relative to the lens 133 within the closure piece and with respect to the fits 134.
  • the position of the lens relative to the fiber can also be adjusted.
  • the adjustments are advantageously carried out using an adjusting device. Adjustment screws 135 (FIG. 3b) or balls 137 can be provided for adjusting the position of the fiber 28 or the laser fiber 5 in the housing 132.
  • the fiber 28 or laser fiber 5 can also be axially displaced within the opening 130 or within the adjusting screws or balls.
  • the lens 133 can also be either correctly assembled with respect to the fits 134 during assembly or adjusted and fixed axially and / or radially by suitable means, not shown, with respect to the fibers 5, 28 held in position by the opening 130. The aim of the adjustment is to ensure that the beam 144 emerging from the lens 133 is brought into a predetermined axis and focus position with a defined cone.
  • Fig. 4 shows an application example for the end piece 26, 94 in a fiber 28 or a laser fiber 5, which are provided at both ends with a respective end piece according to the invention. It is fundamentally possible to combine several of the end pieces described above in several tracks next to one another and in several levels one above the other to form a package. It is also possible to design the shape of the end pieces differently than shown in FIG. B. that a cylindrical shape according to Fig. 3 receives trapezoidal or rectangular fits.
  • the 5 shows a coupling of the laser fiber 5 to a pump source by means of the end piece 26 via the housing 152, in which the pump source 18 is preferably accommodated in an airtight manner in a recess 153.
  • the end piece 26 is also airtight, so that no dirt particles can penetrate into the recess from outside and it can be evacuated or filled with a protective gas if necessary.
  • a constant flow of a protective gas can also flow through the recess 153, in particular when the end piece 26 is temporarily removed.
  • the radiation from the pump source 18 is focused on the pump cross section of the laser fiber 5 via a lens 154.
  • the pump source can consist of one or more laser diodes, but it can also consist of an arrangement of one or more lasers, in particular also fiber lasers, the output radiation of which has been combined with suitable means so that a suitable pump leak occurs.
  • the end pieces 26, 94 of the fibers or fiber lasers F a to F n have beams 144 which are focused by means of the lens 133 at a predetermined distance from the end piece.
  • the diameter of the processing points B. to B n is, for example, 20 ⁇ m, but it can also be below or above.
  • the end pieces are arranged on a profile rail 256 described in more detail in FIGS. 6a and 6b in such a way that their mutual distance "A" can be set to any values until the end pieces abut one another.
  • the profile rail is preferably attached to an arm of a robot (FIG.
  • the profile rail can be rotated relative to the table by an angle ⁇ with the axis z '(FIG. 7), which can also be used to determine the mutual distance between the machining tracks.
  • the table can be moved in the x, y, z directions and rotated through an angle ⁇ with the axis z.
  • the material to be processed for example one or more so-called “wafers” separated from a drawn semiconductor ingot, can be fastened on the table 225 by means of clamping or suction devices, not shown.
  • the laser energy in the individual processing points B ⁇ is B-, for example, in the semiconductor material Cut fine parallel tracks, such as those required for contacting photovoltaic cells.
  • fine bores can also be made in the semiconductor material or cut by means of the laser in order to separate electrical circuits, for example.
  • An arrangement for removing the material removed from the processing surface is arranged separately for each processing track 224 or for several processing tracks 224 together according to the invention near the processing surface 81. If the profile rail with the end pieces is rotated relative to the table in order to change the distance between the processing tracks, it is expedient according to the invention that the distortion of the pattern to be recorded caused by the relative rotation by predistortion of the pattern to be applied and / or a timing of the To compensate for data flow.
  • the parallel arrangement of several fiber laser outputs can considerably reduce the time required for processing, for example 10 laser outputs can be used in parallel for scoring the photovoltaic elements, which increases the output by a factor of 10.
  • the described arrangement for cutting and scribing is not only suitable for the processing of semiconductor materials, but can also be used for all materials in which the precise generation of patterns, such as e.g. arrives at the printing plate production.
  • Fig. 6a and the associated sectional drawing Fig. 6b show how the end pieces 26 of the individual fiber lasers F a to F n are attached.
  • the profile rail 256 is fastened to a carrier 260 by means of connections 261, which can be the arm of a robot, for example.
  • the end pieces 26 are received in sockets 257 and fixed with screws 259.
  • the sockets 257 are provided with a profile that matches the profile rail 256, are lined up on the profile rail 256, are set at predetermined distances “A” from one another and are fixed by means of the screws 259. end pieces 26 and the mounts 257 a very small distance "A” is possible.
  • the profiled rail with the end pieces can be guided over the machining surface for the purpose of material processing, as shown in FIG. 6 and described in detail 6 can be carried out by the table 225 described in Fig. 6, but can also be carried out by the arm of the robot or in a combined form by both, preferably the arm of the robot can also be rotated about that with the axis of the end pieces make approximately parallel axis of rotation z 'of the arrangement With this rotation and a relative displacement between the arm of the robot and the table 225, it is possible to change the distance of the machining tracks generated on the machining surface 81, and preferably less set as it corresponds to the set dimension "A" right
  • FIG. 7 shows an example of the robot as it can be assembled, for example, from components from Montech-Deutschland GmbH, Postfach 1949, 79509 Lörach.
  • a horizontal linear unit 263 is fastened on a stand system “Quickset” 262, which in turn accommodates a vertical linear unit 264 with a rotary drive 265.
  • Another horizontal linear unit is possible, but not shown ..
  • the housing for accommodating individual components, the cooling system, the control for the lasers, the pump sources for the fiber lasers, are from - - /.
  • the arrangement for cutting and scoring is preferably carried out fully automatically under computer control, as is known from machine tools and / or industrial robots.

Abstract

The invention relates to a system for processing materials using a laser, comprising a housing for receiving components of said system; a table (225) for receiving the material to be processed; servo-drives with which the table can be displaced in relation to a carriage along the space coordinates x, y, z and rotated at an angleζ-about an axis of rotation z which is substantially vertical to the surface to be processed; at least two fiber laser outputs for producing several processing traces which are positioned on a shaped rail and fitted with end pieces (26, 94) by means of which the laser beams can be directed at the surface (81) to be processed and focused. Said end pieces are arranged on the carriage in such away that the distance between the processing traces (224) produced by the end pieces can be modified. The system also comprises a cooling system, a control for the laser and a machine control for the drives which produce the relative and rotational movements.

Description

Anordnung zum mehrkanaligen Schneiden und Ritzen von Materialien mittels LaserstrahlenArrangement for multi-channel cutting and scoring of materials using laser beams
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum mehrkanaligen Schneiden und Ritzen von Materialien mittels Laserstrahlen. In der Halbleiterindustrie besteht ein großer Bedarf an neuen Techniken zum Schneiden und Ritzen und der sonstigen Bearbeitung von Materialien, insbesondere von Halbleitermaterialien.The invention relates to an arrangement for multi-channel cutting and scribing of materials by means of laser beams. There is a great need in the semiconductor industry for new techniques for cutting and scribing and other processing of materials, in particular semiconductor materials.
Beispielsweise gibt es bei der Herstellung von Photovoltaik- Zellen zur Stromer- zeugung aus Solarenergie, den sogenannten Solarzellen, eine Notwendigkeit, in die Oberfläche des Halbleitermaterials feine Spuren einzuschneiden, wie es in einem Sonderdruck der Zeitschrift „Sonnenenergie & Wärmetechnik", 4/1997 von Dipl.- Ing. Stefan Müller, beschrieben ist. Solarzellen benötigen Kontaktierungen für die elektrischen Anschlüsse. Um den Innenwiderstand der Zellen zu erniedri- gen und damit den Wirkungsgrad zu verbessern, werden solche Kontaktierungen in geringen Abständen angebracht. Bei herkömmlichen Solarzellen werden Kontaktfinger in einem Siebdruckverfahren aufgebracht, wobei eine Metallpaste durch eine Maske auf den vorbehandelten Silicium- Wafer gepreßt wird. Die Kontaktfinger sind etwa 200 μm breit. Bei der in der vorgenannten Literaturstelle beschrie- benen Saturn- Technologie wird diese Kontaktlinie mit einem Laser eingeschnitten, die Breite verringert sich dadurch auf etwa 20 μm. Da die Kontaktlinien sehr schmal sind, kann man es sich leisten, in die Solarzelle mehr Linien einzuschneiden. Dadurch vermindern sich die ohmschen Verluste beim Ableiten der Ladungsträger. Auf eine herkömmliche Zelle werden etwa 60 Kontaktfinger aufgedruckt, in eine Saturn- Zelle dagegen rund 80 Linien geschnitten. Die gesamte Linienbreite pro Zelle reduziert sich somit von 12 mm (60x200 μm) auf 1 ,6 mm (80x20 μm), obwohl die Anzahl der Kontaktlinien erhöht wurde. Entsprechend vermindert sich die durch die Kontaktfinger abgedeckte Fläche, was zu einer höheren Energieausbeute führt.For example, in the production of photovoltaic cells for generating electricity from solar energy, the so-called solar cells, there is a need to cut fine traces into the surface of the semiconductor material, as described in a special print of the magazine "Sonnenenergie & Wärmetechnik", 4/1997 by Dipl.-Ing. Stefan Müller, solar cells require contacts for the electrical connections. To lower the internal resistance of the cells and thus improve efficiency, such contacts are made at short intervals. In conventional solar cells, contact fingers are in one Screen printing process applied, a metal paste is pressed through a mask onto the pretreated silicon wafer. The contact fingers are about 200 μm wide. In the Saturn technology described in the aforementioned reference, this contact line is cut with a laser, the width is reduced thereby on about 20 μm. Since the contact lines are very narrow, you can afford to cut more lines into the solar cell. This reduces the ohmic losses when discharging the charge carriers. Around 60 contact fingers are printed on a conventional cell, while around 80 lines are cut into a Saturn cell. The total line width per cell is thus reduced from 12 mm (60x200 μm) to 1.6 mm (80x20 μm), although the number of contact lines has been increased. The area covered by the contact fingers is reduced accordingly, which leads to a higher energy yield.
In bekannter Weise wird das Einschneiden der Kontaktlinien üblicherweise in einer Step- and Repeat Einrichtung mit einem YAG-Laser vorgenommen. Man kann leicht einsehen, daß eine solche einkanalige Schneideinrichtung sehr bald an ihrer Leistungsgrenze arbeitet und die Produktionsmenge begrenzt. Es ist denkbar, mehrere solcher Schneideinrichtungen parallel arbeiten zu lassen. Dies ist aber mit erheblichen Kosten verbunden. Nachteilig ist auch die umständliche mään- derförmige Bewegung des Schlittens, auf dem die Zellen befestigt sind. Durch diese mäanderförmige Bewegung ist die Antriebsmechanik für den Schlitten einem starken mechanischem Verschleiß ausgesetzt.In a known manner, the contact lines are usually cut in a step and repeat device with a YAG laser. One can easily see that such a single-channel cutting device will soon work at its performance limit and limit the production quantity. It is conceivable to have several such cutting devices work in parallel. However, this is associated with considerable costs. Another disadvantage is the cumbersome meandering movement of the slide on which the cells are attached. As a result of this meandering movement, the drive mechanism for the slide is exposed to severe mechanical wear.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine mehrkanalige Ritz- und Schneideinrich- tung zu schaffen die die genannten Nachteile vermeidet und präzise arbeitet.The object of the invention is therefore to create a multi-channel scoring and cutting device which avoids the disadvantages mentioned and works precisely.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Anordnung zur Materialbearbeitung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 7 hervor.This object is achieved according to the invention by the arrangement for material processing according to claim 1. Advantageous developments of the invention emerge from subclaims 2 to 7.
In vorteilhafter Weise wird für die Zwecke der Erfindung eine Laserstrahlungsquelle verwendet, wie sie in der parallellaufenden, gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten deutschen Patentanmeldung "Verfahren und Anordnung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen", Zeichen der Anmelderin 98/1035, und in der parallellaufenden, gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten deutschen Gebrauchsmusteranmeldung "Laserstahlungsquelle hoher Leistungsdichte und hoher Energie zur Materialbearbeitung", Zeichen der Anmelderin 98/1036 GM, beschrieben ist. Diese Laserstrahlungsquelle besteht aus mehreren diodengepumpten Fiberlasern, auch Faserlaser genannt, deren Ausgangsstrahlenbündel am Bearbeitungsort nebeneinander, und/oder übereinander oder in einem Punkt oder Bündel auftreffen und somit die Erzeugung eines in Form und Größe gezielt variablen Bearbeitungsflecks auch bei sehr hohen Laserleistungen und extrem hohen Leistungsdichten ermöglicht. Das zu bearbeitende Material kann sich in einer Ebene befinden, an der die Laserstrahlungsquelle oder ihre Ausgangsstrahlung relativ vorbeigeführt wird. Weiterhin wird in der parallellaufenden, gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten Patentanmeldung "Abschlußstück für Lichtleitfasern", Zeichen der Anmelderin 98/1037, und in der parallellaufenden, gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten deutschen Gebrauchsmusteranmeldung "Abschlußstück für Lichtleitfasern", Zeichen der Anmelderin 98/1037 GM, ein Abschlußstück beschrieben, das es ermöglicht, die Strahlenbündel der einzelnen La- ser mit definierten Werten in Strahldurchmesser, Strahldivergenz, Zentrierung und Winkelrichtung genau und dauerhaft zu fassen, um eine fertigungs- und servicegerechte Anordnung zu erhalten und die Laserstrahlung gezielt zu führen. Die Strahlenbündel können dabei je nach Anwendungsfall z. B. als parallele Laserstrahlen ausgekoppelt werden, divergieren oder z.B. in einem gewissen Abstand von der Austrittsstelle fokussiert sein. Die Abschlußstücke können dabei direkt an den Ausgang der Fiberlaser oder an den Ausgang angekoppelter Fasern oder Fa- serschmelzkoppler, mit denen die Strahlung eines oder mehrerer Fiberlaser aufgespalten oder zusammengefaßt werden kann, angebracht werden. Mit einer gemäß der Erfindung entsprechend räumlich kleinen Ausführung der Abschlußstük- ke, die zudem noch besonders einfach aneinandergereiht werden können, wird es möglich, die Strahlenbündel mehrerer Ausgänge der Fiberlaser in Abständen von weniger als 2,5 mm zusammenzufassen, so daß die gestellte Aufgabe gelöst wird und gleichzeitig eine wirtschaftliche Fertigung sowie eine kostengünstige Wartung der Laserstrahlungsquelle ermöglicht wird. Die Erfindung wird im folgenden an- hand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Es zeigen:Advantageously, for the purposes of the invention, a laser radiation source is used, such as that used in the parallel German patent application "Process and arrangement for material processing by means of laser beams", filed by the applicant 98/1035, and in the parallel one, simultaneously with the present application with the present application filed German utility model application "laser radiation source high power density and high energy for material processing", sign of the applicant 98/1036 GM, is described. This laser radiation source consists of several diode-pumped fiber lasers, also called fiber lasers, the output beams of which impinge on the processing site next to one another and / or one above the other or in a point or bundle and thus generate a processing spot that is specifically variable in shape and size even at very high laser powers and extremely high power densities enables. The material to be processed can be located on a plane that the laser radiation source or its output radiation is guided relatively past. Furthermore, in the parallel patent application filed at the same time as the present application, "end piece for optical fibers" is the sign of the applicant 98/1037, and in the parallel German utility model application "End piece for optical fibers", filed by the applicant 98/1037 GM, filed at the same time with the present application, a end piece which enables the beams of the individual lasers with defined values in The beam diameter, beam divergence, centering and angular direction can be grasped precisely and permanently in order to obtain a production and service-oriented arrangement and to guide the laser radiation in a targeted manner. The beams can, depending on the application, for. B. are coupled out as parallel laser beams, diverge or, for example, be focused at a certain distance from the exit point. The end pieces can be attached directly to the output of the fiber laser or to the output of coupled fibers or fiber fusion couplers, with which the radiation from one or more fiber lasers can be split or combined. With a design of the end pieces that is spatially small in accordance with the invention and that can also be strung together in a particularly simple manner, it becomes possible to combine the beams of several outputs of the fiber lasers at intervals of less than 2.5 mm, so that the object is achieved is and at the same time economical production and cost-effective maintenance of the laser radiation source is made possible. The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 7. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Laserstrahlungsquelle,1 is a schematic diagram of the laser radiation source,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Fiberlasers (Stand der Technik),2 shows a schematic diagram of a fiber laser (prior art),
Fig. 2a eine verkürzte Darstellung der Fiber des Fiberlasers (Stand der Technik), Fig. 3 ein Beispiel einer Ausführung eines Abschlußstücks mit einer konischen Passung zum Einsatz in eine Halterung, Fig. 4 eine modulare Ausführung der Fiber des Fiberlasers gemäß Fig. 1 , Fig. 5 ein Beispiel für die Einkopplung der Pumpenergie in die Fiber des Fiberla sers gemäß Fig. 13, Fig. 6 eine Prinzipanordnung der Schneid- und Ritzeinrichtung, Fig. 6a weitere Details zu Fig. 6, Fig. 6b eine Schnittzeichnung zu Fig. 6a und2a shows an abbreviated representation of the fiber of the fiber laser (prior art), FIG. 3 shows an example of an embodiment of an end piece with a conical fit for use in a holder, FIG. 4 shows a modular embodiment of the fiber of the fiber laser according to FIG. 1, 5 shows an example of the coupling of the pump energy into the fiber of the fiber laser according to FIG. 13, FIG. 6 shows a basic arrangement of the cutting and scoring device, FIG. 6a further details on FIG. 6, Fig. 6b is a sectional drawing of Fig. 6a and
Fig. 7 eine Ausführungsform der Schneid- und Ritzeinrichtung.Fig. 7 shows an embodiment of the cutting and scoring device.
In Fig. 1 ist eine Laserstrahlungsquelle 1 dargestellt, die aus mehreren, gemäß der Erfindung vorzugsweise als Module ausgeführten, diodengepumpten Fiberlasern (Faserlaser) (2) besteht, die von einer vorzugsweise modularen Versorgung 32 mit elektrischer Energie beaufschlagt werden, die teilweise in Laserstrahlung umgesetzt wird. Weiterhin ist eine Steuerung 33 vorgesehen, über die die Modulation der Strahlung vorgenommen wird und die für das Zusammenwirken der Laser- Strahlungsquelle mit ihrer Peripherie sorgt. Die Ausgangsstrahlen der Laser treten am Strahlungseingang 9 in eine optische Einheit 8 ein und am Strahlungsausgang 10 aus der optischen Einheit aus. Die Aufgabe der optischen Einheit 8 ist die Formung der Laserstrahlung zu einem Bearbeitungsfleck 24 auf einer Bearbeitungsfläche 81 , es kann aber auch die Laserstrahlung ohne optische Einheit, beispiels- weise mittels der Abschlußstücke 26, 94 direkt auf die Bearbeitungsfläche gerichtet werden. Die Laserstrahlungsquelle ist vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht, das auch für die erforderliche Lasersicherheit sorgt. Die Laserstrahlungsquelle wird vorzugsweise durch ein Kühlsystem gekühlt.1 shows a laser radiation source 1 which consists of a plurality of diode-pumped fiber lasers (fiber lasers) (2) which are preferably designed as modules according to the invention and which are supplied with electrical energy by a preferably modular supply 32, some of which is converted into laser radiation becomes. Furthermore, a controller 33 is provided, via which the radiation is modulated and which ensures the interaction of the laser radiation source with its periphery. The output beams of the lasers enter an optical unit 8 at the radiation input 9 and exit from the optical unit at the radiation output 10. The task of the optical unit 8 is to shape the laser radiation into a processing spot 24 on a processing surface 81, but the laser radiation can also be directed directly onto the processing surface without an optical unit, for example by means of the end pieces 26, 94. The laser radiation source is preferably accommodated in a housing, which also ensures the required laser safety. The laser radiation source is preferably cooled by a cooling system.
In den Figuren 2 und 2a wird der prinzipielle Aufbau einer Fiberlaser- (auch Faserlaser genannt) Anordnung 2 gezeigt. In Fig. 2 wird die Energie einer Pumpquelle wie z. B. einer Laserdiode, hier Pumpquelle 18 genannt, über eine Einkoppeloptik 3 zu einem geeigneten Pumpfleck 4 geformt und in die Laserfiber 5 eingekoppelt. Solche Pumpquellen sind z.B. in der parallellaufenden deutschen Pa- tentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 196 03 704 beschrieben. Typische Pumpquerschnitte der Laserfibern liegen etwa zwischen 100 μm und 600 μm Durchmesser, die numerische Apertur bei etwa 0,4. Die Laserfiber 5 ist auf der Einkoppelseite 6 mit einem Einkoppelspiegel 7 versehen, der die Pumpstrahlung ungehindert durchläßt, für die Laserstrahlung aber eine 100 %ige Reflexion auf- weist. Der Einkoppelspiegel 7 kann mit einer geeigneten Halterung oder durch Kleben an dem Faserende befestigt sein, er kann aber auch durch direktes Auf- dampfen einer geeigneten Schicht, wie sie bei Einkoppelspiegeln für Laser verwendet wird, auf das Faserende realisiert werden.The basic structure of a fiber laser (also called fiber laser) arrangement 2 is shown in FIGS. 2 and 2a. In Fig. 2, the energy of a pump source such. B. a laser diode, here called pump source 18, formed via a coupling optics 3 to a suitable pump leak 4 and coupled into the laser fiber 5. Such pump sources are described, for example, in the German patent application running in parallel with the file number P 196 03 704. Typical pump cross sections of the laser fibers are between 100 μm and 600 μm in diameter, the numerical aperture is around 0.4. The laser fiber 5 is provided on the coupling-in side 6 with a coupling-in mirror 7 which allows the pump radiation to pass through unhindered, but has a 100% reflection for the laser radiation. The coupling mirror 7 can be attached to the fiber end with a suitable holder or by gluing, but it can also be attached directly vapor a suitable layer, such as is used in coupling mirrors for lasers, can be realized on the fiber end.
Auf der Auskoppelseite 11 der Laserfiber 5 ist ein für die Laserstrahlung teildurch- lässiger Auskoppelspiegel 12 angebracht, durch den die Laserstrahlung 13 ausgekoppelt wird. In vorteilhafter Weise weist der Auskoppelspiegel für die Pumpstrahlung eine 100%ige Reflexion auf. Hierdurch wird die restliche Pumpstrahlung wieder zurück in die Lichtleitfaser reflektiert, was vorteilhaft ist, da die Pumpenergie besser ausgenutzt wird und außerdem nicht bei der Anwendung der Laserstrah- lung stört. Der Auskoppelspiegel kann wie beim Einkoppelspiegel, ebenfalls durch Aufdampfen hergestellt werden.On the coupling-out side 11 of the laser fiber 5 there is a coupling-out mirror 12 which is partially transparent to the laser radiation and through which the laser radiation 13 is coupled out. The decoupling mirror for the pump radiation advantageously has a 100% reflection. As a result, the remaining pump radiation is reflected back into the optical fiber, which is advantageous since the pump energy is better utilized and also does not interfere with the use of the laser radiation. As with the coupling mirror, the coupling mirror can also be produced by vapor deposition.
In Fig. 2a ist der Einkoppelvorgang der Pumpstrahlung in den Pumpquerschnitt 14 der Laserfiber 5 näher dargestellt. Die Energie im Pumpfleck 4 regt auf ihrem Weg durch die Faser die Laserstrahlung im Kern 15 der Laserfiber 5 an. Der Pumpkern 16 ist von einem Mantel 17 umgeben. Der etwa 5 μm bis 10 μm starke Kern der Laserfiber ist vorwiegend mit Seltenenen Erden dotiert. Der relativ große Pumpquerschnitt 14 vereinfacht das Einkoppeln der Pumpenergie und ermöglicht den Einsatz einer einfach lösbaren Verbindung zwischen Pumpquelle und Laserfiber, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt wird. Dabei kann das pumpquellenseitige Abschlußstück der Laserfiber baugleich sein mit dem Abschlußstück auf der Auskoppelseite, es muß es aber nicht. Eine präzise Steckverbindung zwischen Pumpquelle und Laserfiber bietet erhebliche Vorteile bei der Fertigung der Fiberlaser und im Servicefall. Die Laserfiber kann aber auch fest mit der Pumpquelle zu ei- nem Lasermodul verbunden sein. Infolge des gezielt hergestellten, sehr geringen Faserkerndurchmessers liefert der Fiberlaser am Austritt eine praktisch beu- gungsbegrenzte Laserstrahlung 13. Dadurch ist gemäß der Erfindung eine sehr große Schärfentiefe möglich; beispielsweise kann man bei einer Größe des Bearbeitungsflecks von 20 μm einen Schärfentiefebereich von etwa 0,5 bis 1 mm errei- chen, was besonders vorteilhaft ist, wenn die Materialoberflächen uneben sind oder nicht exakt positioniert werden können, was besonders bei großen Flächen der Fall ist. Es werden in der Literatur für Fiberlaser prinzipiell mögliche Ausgangsleistungen von bis zu 100 W genannt. Man kann an den aktiven Ausgang von Fiberlasern auch passive Lichtleitfasern 28 ankoppeln. Der Erregerstrom der Pumpquelle wird von der Versorgung 32 geliefert. Wenn kein Erregerstrom durch die Pumpquelle fließt, gibt der Fiberlaser keine Strahlung ab. Die Pumpquellen werden nur dann eingeschaltet, wenn im Bearbeitungsfleck Laserenergie benötigt wird. Eine Sicherheitsschaltung schaltet die Pumpquellen dauerhaft ab, wenn Gefahr droht. Wie in Fig 4 und Fig. 5 näher erläutert, können die Laserfibern 5 und die Pumpquellen 18 über eine lösbare Verbindung miteinander verbunden sein.The coupling process of the pump radiation into the pump cross section 14 of the laser fiber 5 is shown in more detail in FIG. 2a. The energy in the pump spot 4 excites the laser radiation in the core 15 of the laser fiber 5 on its way through the fiber. The pump core 16 is surrounded by a jacket 17. The approximately 5 μm to 10 μm thick core of the laser fiber is mainly doped with rare earths. The relatively large pump cross section 14 simplifies the coupling of the pump energy and enables the use of an easily detachable connection between the pump source and the laser fiber, as is shown in FIGS. 4 and 5. The end piece of the laser fiber on the pump source side can be identical to the end piece on the outcoupling side, but it does not have to be. A precise plug connection between the pump source and laser fiber offers considerable advantages in the manufacture of fiber lasers and in the event of service. The laser fiber can, however, also be permanently connected to the pump source to form a laser module. As a result of the deliberately produced, very small fiber core diameter, the fiber laser delivers a practically diffraction-limited laser radiation 13 at the exit. According to the invention, this enables a very large depth of field; For example, with a size of the processing spot of 20 μm, a depth of field range of about 0.5 to 1 mm can be achieved, which is particularly advantageous if the material surfaces are uneven or cannot be positioned exactly, which is the case especially with large areas . In principle, possible output powers of up to 100 W are mentioned in the literature for fiber lasers. Passive optical fibers 28 can also be coupled to the active output of fiber lasers. The excitation current of the pump source is supplied by the supply 32. If no excitation current flows through the pump source, the fiber laser does not emit any radiation. The pump sources are only switched on if laser energy is required in the processing spot. A safety circuit permanently switches off the pump sources if there is a danger. As explained in more detail in FIGS. 4 and 5, the laser fibers 5 and the pump sources 18 can be connected to one another via a detachable connection.
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Abschlußstücks 26 (Terminator) für eine Faser gezeigt. Solche Abschlußstücke können mit Vorteil für die Auskopplung der Laserstrahlung aus einer Faser verwendet werden, wie es in der parallellaufenden, gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten deutschen Patentanmeldung "Abschlußstück für Lichtleitfasern", Zeichen der Anmelderin 98/1037, und in der parallellaufenden, gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten deutschen Gebrauchsmusteranmeldung "Abschlußstück für Lichtleitfasern", Zeichen der Anmelderin 98/1037 GM beschrieben ist. Dieses Abschlußstück 26 kann grundsätzlich für alle Anwendungsfälle benutzt werden, bei denen es darauf ankommt, das aus einer Faser 28 oder einer zu einem Fiberlaser gehörenden Laserfiber 5 austretende Strahlenbündel mit einer lösbaren Verbindung präzise anzukoppeln. Ebenso ist es die Aufgabe des Abschlußstücks, eine präzise lösbare Verbindung des Fiberlasers oder der Faser mit der übrigen Optik zu ermöglichen. Das Abschlußstück besteht aus einem länglichem Gehäuse 132, das eine durchgehende, sich in axialer Richtung erstreckende, zylindrische Öffnung 130 aufweist. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus vorgefertigtem, beispielsweise gezogenem Material hergestellt. Die Laserfiber 5 des Fiberlasers ist vorzugsweise auf ihrem letzten Ende von ihrem Mantel befreit und an ihrer Außenfläche aufgerauht, so daß die restliche Pumpstrahlung vor dem Eintritt der Laserfiber in das Abschlußstück die Laserfiber verläßt. Die Laserfiber kann zusätzlich noch mit einer Schutzhülle 131 umgeben sein, die mit dem Gehäuse 132 des Abschlußstücks verbunden ist. Das Gehäuse132 weist Passungen 134 auf, mit denen das Gehäuse in einer Fassung 29 genau eingesetzt werden kann. An einem Ende des Gehäuses 132 wird das Ende der Faser 28 bzw. der Laserfiber 5 aufgenommen und innerhalb des Gehäuses in der Öffnung 130 geführt. Am anderen Ende des Gehäuses 132 ist eine kurzbrennweitige Linse 133 befestigt. Es können Mittel zum Justieren der Lage der Faser 28 bzw. Laserfiber 5 innerhalb des Abschlußstückes vorgesehen sein, um die Lage der Faser 28 bzw. Laserfiber 5 zu der Linse 133 innerhalb des Abschlußstückes und in Bezug auf die Passungen 134 zu justieren. Es kann auch die Lage der Linse zu der Faser justiert werden. Die Justierungen werden vorteilhaft mit einer Justiervorrichtung vorgenommen. Dabei können für die Justierung der Lage der Faser 28 bzw. der Laserfiber 5 im Gehäuse 132 Justierschrauben 135 (Fig. 3b) oder Kugeln 137 vorgesehen sein. Innerhalb der Öffnung 130 bzw. innerhalb der Justierschrauben oder Kugeln kann die Faser 28 bzw. Laserfiber 5 auch axial verschoben werden. Es kann auch die Linse 133 in Bezug auf die Passungen 134 entweder bei der Montage korrekt montiert oder durch nicht dargestellte geeignete Mittel in Bezug auf die durch die Öffnung 130 in der Position gehaltene Faser 5, 28 axial und/oder radial justiert und fixiert werden. Durch die Justierung soll erreicht werden, daß das aus der Linse 133 austretende Strahlenbündel 144 in eine vorgegebene Achs- und Fokuslage mit einem definierten Kegel gebracht wird.FIG. 3 shows a preferred embodiment of a terminating piece 26 (terminator) for a fiber. Such end pieces can advantageously be used for coupling out the laser radiation from a fiber, as described in the German patent application "End piece for optical fibers", sign of the applicant 98/1037, filed in parallel with the present application, and in the parallel one, simultaneously with the present application filed German utility model application "end piece for optical fibers", sign of the applicant 98/1037 GM is described. This end piece 26 can in principle be used for all applications in which it is important to precisely couple the rays of light emerging from a fiber 28 or a laser fiber 5 belonging to a fiber laser with a detachable connection. It is also the task of the end piece to enable a precisely detachable connection of the fiber laser or the fiber with the rest of the optics. The end piece consists of an elongated housing 132 which has a continuous, cylindrical opening 130 which extends in the axial direction. The housing is preferably made of prefabricated, for example drawn material. The laser fiber 5 of the fiber laser is preferably freed from its cladding at its last end and roughened on its outer surface, so that the remaining pump radiation leaves the laser fiber before the laser fiber enters the end piece. The laser fiber can additionally be surrounded by a protective cover 131 which is connected to the housing 132 of the end piece. The housing 132 has fits 134 with which the Housing in a socket 29 can be used exactly. The end of the fiber 28 or the laser fiber 5 is received at one end of the housing 132 and guided in the opening 130 within the housing. A short focal length lens 133 is attached to the other end of the housing 132. Means for adjusting the position of the fiber 28 or laser fiber 5 within the closure piece can be provided in order to adjust the position of the fiber 28 or laser fiber 5 relative to the lens 133 within the closure piece and with respect to the fits 134. The position of the lens relative to the fiber can also be adjusted. The adjustments are advantageously carried out using an adjusting device. Adjustment screws 135 (FIG. 3b) or balls 137 can be provided for adjusting the position of the fiber 28 or the laser fiber 5 in the housing 132. The fiber 28 or laser fiber 5 can also be axially displaced within the opening 130 or within the adjusting screws or balls. The lens 133 can also be either correctly assembled with respect to the fits 134 during assembly or adjusted and fixed axially and / or radially by suitable means, not shown, with respect to the fibers 5, 28 held in position by the opening 130. The aim of the adjustment is to ensure that the beam 144 emerging from the lens 133 is brought into a predetermined axis and focus position with a defined cone.
Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel für das Abschlußstück 26, 94 bei einer Faser 28 bzw. einer Laserfiber 5, die an beiden Enden mit je einem Abschlußstück gemäß der Erfindung versehen sind. Es ist grundsätzlich möglich, mehrere der im vorangehenden beschriebenen Abschlußstücke in mehreren Spuren nebeneinan- der und in mehreren Ebenen übereinander zu einem Paket zusammenzufassen. Es ist weiterhin möglich, die Form der Abschlußstücke anders als in Figur 3 dargestellt auszuführen, z. B. daß eine zylindrische Form nach Fig. 3 trapezförmige oder rechteckförmige Passungen erhält.Fig. 4 shows an application example for the end piece 26, 94 in a fiber 28 or a laser fiber 5, which are provided at both ends with a respective end piece according to the invention. It is fundamentally possible to combine several of the end pieces described above in several tracks next to one another and in several levels one above the other to form a package. It is also possible to design the shape of the end pieces differently than shown in FIG. B. that a cylindrical shape according to Fig. 3 receives trapezoidal or rectangular fits.
Fig. 5 zeigt eine Ankopplung der Laserfiber 5 an eine Pumpquelle mittels des Abschlußstückes 26 über das Gehäuse 152, in dem die Pumpquelle 18 in einer Ausnehmung 153 vorzugsweise luftdicht untergebracht ist. Durch eine Dichtung 146 ist sichergestellt, daß das Abschlußstück 26 ebenfalls luftdicht abschließt, so daß in die Ausnehmung von außerhalb keine Schmutzpartikel eindringen können und sie bei Bedarf evakuiert oder mit einem Schutzgas gefüllt werden kann. Es kann auch ein ständiger Strom eines Schutzgases durch die Ausnehmung 153 fließen, insbesondere bei vorübergehender Entfernung des Abschlußstücks 26. Über eine Linse 154 wird die Strahlung der Pumpquelle 18 auf den Pumpquerschnitt der Laserfiber 5 fokussiert. Die Pumpquelle kann aus einer oder mehreren Laserdioden bestehen, sie kann aber auch aus einer Anordnung von einem oder mehreren Lasern, insbesondere auch Fiberlasern bestehen, deren Ausgangsstrahlung mit ge- eigneten Mitteln so vereinigt wurde, daß ein geeigneter Pumpfleck entsteht.5 shows a coupling of the laser fiber 5 to a pump source by means of the end piece 26 via the housing 152, in which the pump source 18 is preferably accommodated in an airtight manner in a recess 153. Through a seal 146 It is ensured that the end piece 26 is also airtight, so that no dirt particles can penetrate into the recess from outside and it can be evacuated or filled with a protective gas if necessary. A constant flow of a protective gas can also flow through the recess 153, in particular when the end piece 26 is temporarily removed. The radiation from the pump source 18 is focused on the pump cross section of the laser fiber 5 via a lens 154. The pump source can consist of one or more laser diodes, but it can also consist of an arrangement of one or more lasers, in particular also fiber lasers, the output radiation of which has been combined with suitable means so that a suitable pump leak occurs.
Fig. 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Laserstrahlungsquelle gemäß der Erfindung, wie sie für das mehrkanalige Schneiden und Ritzen von beispielsweise Halbleitermaterialien verwendet werden kann. Die Abschlußstücke 26, 94 der Fa- sern bzw. Fiberlaser Fa bis Fn haben Strahlenbündel 144, die mittels der Linse 133 in einem vorgegebenen Abstand von dem Abschlußstück fokussiert sind. Der Durchmesser der Bearbeitungspunkte B. bis Bn beträgt beispielsweise 20 μm, er kann aber auch darunter oder darüber liegen. Weiterhin sind die Abschlußstücke auf einer in den Fig. 6a und 6b näher beschriebenen Profilschiene 256 so ange- ordnet, daß ihr gegenseitiger Abstand "A" auf beliebige Werte eingestellt werden kann, bis die Abschlußstücke aneinanderstoßen. Die Profilschiene ist vorzugsweise an einem Arm eines Roboters (Fig. 7) befestigt und kann beispielsweise in den Richtungen x, y, z relativ zu einem Tisch 225 mittels Stellantrieben, die in Fig. 7 gezeigt sind, bewegt werden. Außerdem kann die Profilschiene relativ zu dem Tisch um einen Winkel φ mit der Achse z' (Fig. 7) verdreht werden, was auch dazu benutzt werden kann, den gegenseitigen Abstand der Bearbeitungsspuren zu bestimmen. Weiterhin kann der Tisch in den Richtungen x, y, z bewegt und um einen Winkel φ mit der Achse z verdreht werden. Auf dem Tisch 225 kann das zu bearbeitende Material, beispielsweise ein oder mehrere aus einem gezogenen Halb- leiterbarren abgetrennte sogenannte "Wafer", mittels nicht gezeigter Spann- oder Saugvorrichtungen befestigt werden. Mittels der Laserenergie in den einzelnen Bearbeitungspunkten B^is B- lassen sich in das Halbleitermaterial beispielsweise feine parallele Spuren schneiden, wie sie zum Beispiel zur Kontaktierung von Photovoltaik- Zellen benötigt werden. Man kann aber auch in das Halbleitermaterial feine Bohrungen einbringen oder es mittels des Lasers zerschneiden, um so beispielsweise elektrische Schaltkreise auseinander zu trennen. Nahe der Bear- beitungsfläche 81 ist für jede Bearbeitungsspur 224 getrennt oder für mehrere Bearbeitungsspuren 224 gemeinsam gemäß der Erfindung eine Anordnung zum Entfernen des von der Bearbeitungsfläche abgetragenen Materials angebracht. Wenn die Profilschiene mit den Abschlußstücken relativ gegenüber dem Tisch verdreht wird, um den Abstand zwischen den Bearbeitungsspuren zu verändern, ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, die durch die relative Verdrehung entstehende Verzeichnung des aufzuzeichnenden Musters durch eine Vorverzerrung des aufzubringenden Musters und /oder eine zeitliche Steuerung des Datenstroms zu kompensieren.6 shows a possible embodiment of the laser radiation source according to the invention, as can be used for the multi-channel cutting and scribing of, for example, semiconductor materials. The end pieces 26, 94 of the fibers or fiber lasers F a to F n have beams 144 which are focused by means of the lens 133 at a predetermined distance from the end piece. The diameter of the processing points B. to B n is, for example, 20 μm, but it can also be below or above. Furthermore, the end pieces are arranged on a profile rail 256 described in more detail in FIGS. 6a and 6b in such a way that their mutual distance "A" can be set to any values until the end pieces abut one another. The profile rail is preferably attached to an arm of a robot (FIG. 7) and can be moved, for example, in the directions x, y, z relative to a table 225 by means of actuators which are shown in FIG. 7. In addition, the profile rail can be rotated relative to the table by an angle φ with the axis z '(FIG. 7), which can also be used to determine the mutual distance between the machining tracks. Furthermore, the table can be moved in the x, y, z directions and rotated through an angle φ with the axis z. The material to be processed, for example one or more so-called “wafers” separated from a drawn semiconductor ingot, can be fastened on the table 225 by means of clamping or suction devices, not shown. By means of the laser energy in the individual processing points B ^ is B-, for example, in the semiconductor material Cut fine parallel tracks, such as those required for contacting photovoltaic cells. However, fine bores can also be made in the semiconductor material or cut by means of the laser in order to separate electrical circuits, for example. An arrangement for removing the material removed from the processing surface is arranged separately for each processing track 224 or for several processing tracks 224 together according to the invention near the processing surface 81. If the profile rail with the end pieces is rotated relative to the table in order to change the distance between the processing tracks, it is expedient according to the invention that the distortion of the pattern to be recorded caused by the relative rotation by predistortion of the pattern to be applied and / or a timing of the To compensate for data flow.
Durch die parallele Anordnung von mehreren Fiberlaserausgängen kann die zur Bearbeitung erforderliche Zeit erheblich reduziert werden, beispielsweise können für das Ritzen der Photovoltaikelemente 10 Laserausgänge parallel verwendet werden, was den Ausstoß um den Faktor 10 erhöht.The parallel arrangement of several fiber laser outputs can considerably reduce the time required for processing, for example 10 laser outputs can be used in parallel for scoring the photovoltaic elements, which increases the output by a factor of 10.
Die beschriebene Anordnung zum Schneiden und Ritzen ist nicht allein nur für die Bearbeitung von Halbleitermaterialien geeignet, sondern kann für alle Materialien angewendet werden, bei denen es auf die präzise Erzeugung von Mustern, wie z.B. bei der Druckformherstellung ankommt.The described arrangement for cutting and scribing is not only suitable for the processing of semiconductor materials, but can also be used for all materials in which the precise generation of patterns, such as e.g. arrives at the printing plate production.
Fig. 6a und die zugehörige Schnittzeichnung Fig. 6b zeigen, wie die Abschlußstücke 26 der einzelnen Fiberlaser Fa bis Fn befestigt sind. Die Profilschiene 256 ist mittels Verbindungen 261 an einem Träger 260 befestigt, der beispielsweise der Arm eines Roboters sein kann. Die Abschlußstücke 26 sind in Fassungen 257 aufgenommen und mit Schrauben 259 fixiert. Die Fassungen 257 sind mit einem zu der Profilschiene 256 passenden Profil versehen, auf die Profilschiene 256 aufgereiht, in vorgegebene Abstände „A" zu einander eingestellt und mittels der Schrauben 259 fixiert. Durch eine erfindungsgemäß kleine Bauweise der Ab- schlußstücke 26 und der Fassungen 257 wird ein sehr geringer Abstand „A" möglich. Mittels des Roboters kann die Profilschiene mit den Abschlußstücken zum Zweck der Materialbearbeitung über die Bearbeitungsfläche geführt werden, wie es in Fig. 6 dargestellt und ausführlich beschrieben ist. Die erforderlichen Bewe- gungen zur Erzeugung der Bearbeitungsspuren können von dem in Fig. 6 beschriebenen Tisch 225 ausgeführt werden, sie können aber auch von dem Arm des Roboters oder in einer kombinierten Form von beiden ausgeführt werden. Vorzugsweise kann der Arm des Roboters auch eine Drehbewegung um die zu der Achse der Abschlußstücke etwa parallele Drehachse z' der Anordnung vor- nehmen. Mit dieser Verdrehung und einer relativen Verschiebung zwischen dem Arm des Roboters und dem Tisch 225, ist es möglich, den Abstand der auf der Bearbeitungsfläche 81 erzeugten Bearbeitungsspuren zu verändern und vorzugsweise geringer einzustellen, als es dem eingestellten Maß „A" entspricht.Fig. 6a and the associated sectional drawing Fig. 6b show how the end pieces 26 of the individual fiber lasers F a to F n are attached. The profile rail 256 is fastened to a carrier 260 by means of connections 261, which can be the arm of a robot, for example. The end pieces 26 are received in sockets 257 and fixed with screws 259. The sockets 257 are provided with a profile that matches the profile rail 256, are lined up on the profile rail 256, are set at predetermined distances “A” from one another and are fixed by means of the screws 259. end pieces 26 and the mounts 257 a very small distance "A" is possible. By means of the robot, the profiled rail with the end pieces can be guided over the machining surface for the purpose of material processing, as shown in FIG. 6 and described in detail 6 can be carried out by the table 225 described in Fig. 6, but can also be carried out by the arm of the robot or in a combined form by both, preferably the arm of the robot can also be rotated about that with the axis of the end pieces make approximately parallel axis of rotation z 'of the arrangement With this rotation and a relative displacement between the arm of the robot and the table 225, it is possible to change the distance of the machining tracks generated on the machining surface 81, and preferably less set as it corresponds to the set dimension "A" right
In Fig. 7 ist ein Beispiel für den Roboter angegeben, wie er beispielsweise aus Komponenten der Firma Montech- Deutschland GmbH, Postfach 1949, 79509 Lör- rach zusammengestellt werden kann. Auf einem Ständersystem „Quickset" 262 ist ein Horizontal- Lineareinheit 263 befestigt, der wiederum eine Vertikal- Lineareinheit 264 mit einem Drehantrieb 265 aufnimmt. An dem Drehantrieb sitzt der ei- gentliche Roboterarm 260, an dem die Profilschiene 256 mittels der Verbindung 261 befestigt ist. Eine weitere Horizontal- Lineareinheit ist möglich, aber nicht dargestellt. Mit den gleichen Elementen lassen sich die verschiedenen Bewegungsrichtungen des Tisches 225 realisieren, wobei die Bewegungsrichtungen auch zum Teil dem Tisch und zum Teil der Profilschiene zugeordnet werden können. In der Nähe der Bearbeitungsfläche 81 ist eine Anordnung zum Entfernen des von der Bearbeitungsfläche abgetragenen Materials angeordnet, wie sie in der parallellaufenden, gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin, Aktenzeichen der Anmelderin 98/1035, beschrieben ist.7 shows an example of the robot as it can be assembled, for example, from components from Montech-Deutschland GmbH, Postfach 1949, 79509 Lörach. A horizontal linear unit 263 is fastened on a stand system “Quickset” 262, which in turn accommodates a vertical linear unit 264 with a rotary drive 265. The actual robot arm 260, to which the profile rail 256 is fastened by means of the connection 261, sits on the rotary drive Another horizontal linear unit is possible, but not shown .. The same elements can be used to implement the different directions of movement of the table 225, the directions of movement also being able to be assigned in part to the table and in part to the profile rail an arrangement is arranged for removing the material removed from the processing surface, as described in the applicant's patent application, filed concurrently with the present application, application number 98/1035.
In den Figuren sind das Gehäuse zur Aufnahme einzelner Komponenten, das Kühlsystem, die Steuerung für die Laser, die Pumpquellen für die Fiberlaser, von - - / .In the figures, the housing for accommodating individual components, the cooling system, the control for the lasers, the pump sources for the fiber lasers, are from - - /.
denen nur die Abschlußstücke 26, 94 gezeigt sind und die Maschinensteuerung für die Antriebe nicht dargestellt. Wenn die Profilschiene mit den Abschlußstücken relativ gegenüber dem Tisch verdreht wird, um den Abstand zwischen den Bearbeitungsspuren zu verändern, ist es gemäß der Erfindung zweckmäßig, die durch die relative Verdrehung entstehende Verzeichnung des aufzuzeichnenden Musters durch eine Vorverzerrung des aufzubringenden Musters und /oder eine zeitliche Steuerung des Datenstroms zu kompensieren.which only the end pieces 26, 94 are shown and the machine control for the drives is not shown. If the profiled rail with the end pieces is rotated relative to the table in order to change the distance between the processing tracks, it is expedient according to the invention that the distortion of the pattern to be recorded resulting from the relative rotation by predistortion of the pattern to be applied and / or a temporal Compensate control of the data stream.
Die Anordnung zum Schneiden und Ritzen ist vorzugsweise vollautomatisch com- putergesteuert ausgeführt, wie dies von Werkzeugmaschinen und/oder Industrierobotern bekannt ist. The arrangement for cutting and scoring is preferably carried out fully automatically under computer control, as is known from machine tools and / or industrial robots.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen, bestehend aus1. Arrangement for material processing using laser beams, consisting of
einem Gehäuse, zur Aufnahme von Komponenten der Anordnung,a housing for receiving components of the arrangement,
einem Tisch (225) zur Aufnahme des zu bearbeitenden Materials,a table (225) for receiving the material to be processed,
mindestens zwei Fiberlasern zur Erzeugung von mehreren Bearbeitungsspuren, die auf einer Profilschiene (256) angeordnet sind und mit Abschlußstücken (26, 94) versehen sind, durch das die Laser auf die Bearbeitungsfläche (81 ) ausrichtbar und fokussierbar sind, wobei die Abschlußstücke auf der Profilschiene so angeordnet sind, daß der gegenseitige Abstand der durch die Abschlußstücke erzeugten Bearbeitungsspuren (224) veränderbar ist,at least two fiber lasers for producing a plurality of processing tracks, which are arranged on a profile rail (256) and are provided with end pieces (26, 94) by means of which the lasers can be aligned and focused on the processing surface (81), the end pieces on the profile rail are arranged so that the mutual spacing of the machining tracks (224) generated by the end pieces can be changed,
Stellantrieben, mit denen der Tisch relativ zu der Profilschiene entlang mindestens einer der Raumkoordinaten x, y, z bewegbar ist und/oder um einen Winkel φ um eine etwa senkrecht durch die Bearbeitungsfläche verlaufende Drehachse z verdrehbar ist und/oder Stellantrieben, mit denen die Profilschiene relativ zu dem Tisch entlang mindestens einer der Raumkoordinaten x, y, z bewegbar ist,Actuators with which the table can be moved relative to the profile rail along at least one of the spatial coordinates x, y, z and / or can be rotated through an angle φ about an axis of rotation z running approximately perpendicularly through the machining surface and / or actuators with which the profile rail is movable relative to the table along at least one of the spatial coordinates x, y, z,
einem Kühlsystem,a cooling system,
einer Steuerung für die Laser unda controller for the lasers and
einer Maschinensteuerung für die Antriebe zur Erzeugung der Relativbewegungen und der Rotationsbewegungen.a machine control for the drives for generating the relative movements and the rotational movements.
2. Anordnung zur Materialbearbeitung nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, daß für jede Bearbeitungsspur eine Anordnung zum Entfernen des von der Bearbeitungsfläche abgetragenen Materials (249) vorgesehen ist. 2. Arrangement for processing material according to claim 1, characterized in that an arrangement for removing the material removed from the processing surface (249) is provided for each processing track.
3. Anordnung zur Materialbearbeitung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere Bearbeitungsspuren eine gemeinsame Anordnung zum Entfernen des von der Bearbeitungsfläche abgetragenen Materials (249) vorgesehen ist.3. Arrangement for material processing according to claim 1, characterized in that a common arrangement for removing the material removed from the processing surface (249) is provided for several processing tracks.
4. Anordnung zur Materialbearbeitung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilschiene zur Veränderung des Abstandes zwischen den Bearbeitungsspuren um eine Achse z' verdrehbar angeordnet ist.4. Arrangement for material processing according to claims 1 to 3, characterized in that the profile rail is arranged rotatable about an axis z 'to change the distance between the processing tracks.
5. Anordnung zur Materialbearbeitung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kompensation der durch die Verdrehung entstehenden Verzeichnungen in dem aufzuzeichnenden Muster vorgesehen sind, die aus einer Vorverzerrung des aufzubringenden Musters bestehen und/oder die zeitliche Steuerung des Datenstroms beeinflussen.5. Arrangement for material processing according to claims 1 to 4, characterized in that means for compensating for the distortions resulting from the distortion in the pattern to be recorded are provided, which consist of predistortion of the pattern to be applied and / or influence the timing of the data stream.
6. Anordnung zur Materialbearbeitung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fiberlaser als Module ausgebildet sind, die jeweils aus baugleichen Einheiten bestehen, die mit den Pumpquellen (18) verbunden sind.6. Arrangement for material processing according to claims 1 to 5, characterized in that the fiber lasers are designed as modules, each consisting of identical units that are connected to the pump sources (18).
7. Anordnung zur Materialbearbeitung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquellen (18) und die Laserfibern (5) mittels Abschlußstücken (26, 94) verbunden sind. 7. Arrangement for material processing according to claims 1 to 6, characterized in that the pump sources (18) and the laser fibers (5) are connected by means of end pieces (26, 94).
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