WO2001083155A1 - Laser-bearbeitung von materialien - Google Patents

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WO2001083155A1
WO2001083155A1 PCT/EP2001/004629 EP0104629W WO0183155A1 WO 2001083155 A1 WO2001083155 A1 WO 2001083155A1 EP 0104629 W EP0104629 W EP 0104629W WO 0183155 A1 WO0183155 A1 WO 0183155A1
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WO
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laser pulses
pulses
laser
sequence
processing
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Application number
PCT/EP2001/004629
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English (en)
French (fr)
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Holger Lubatschowski
Alexander Heisterkamp
Gero Maatz
Original Assignee
Laser Zentrum Hannover E.V.
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Priority to EP01943283A priority patent/EP1284839B1/de
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Priority to DE50108759T priority patent/DE50108759D1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for laser processing of materials such as metallic materials (metals, alloys) ⁇ ceramics, glasses, plastics, cellulose materials (paper, cardboard, etc.), biological tissues, fluids.
  • ultra-short laser pulses i.e. Pulses with a pulse duration in the range between approximately 10 s and 5 x 10 s for the purpose of high-precision laser microstructuring are known.
  • Femtosecond pulses with energy sufficient for material processing are usually generated by means of the so-called "chirped pulse” amplification. Compare D. Strickland, G. Mourou. Opt. Commun. 56.21.9 (1 985) and WO99 / 67048. With this amplification technique, pulses with a duration of around 100 fs, for example, are first generated in a mode-locked oscillator generated. The pulses are first stretched in time.
  • the pulse is reversibly stretched by more than three orders of magnitude from 1 00 fs to a few 1 00 ps. Because of the reduced intensity in this way, the subsequent amplification takes place while avoiding non-linear effects which would result in a disturbance of the spatial pulse profile and could lead to the destruction of the amplifier medium.
  • the amplified pulse is then compressed again to almost its original duration by a component called a "compressor”, which also consists of dispersion gratings.
  • a typical mode-locked oscillator for generating fs laser pulses is described by C. Momma et al, Laser- und Optoelektronik 29 (3) / 1 997, p. 85 with reference to F. Salin et al, Opt. Lett. 1 6. 1 674 (1 991).
  • ultrashort laser pulses can be used for cutting material (eg metallic materials), for removing and structuring material (eg biological tissue) and for changing material properties (eg changing refractive indices in glass) ,
  • focusing in materials transparent to the laser radiation can also achieve a cutting effect inside the transparent material (tissue).
  • the use of fs laser pulse technology to process materials has so far been rather uncomfortable. So far, no suitable means for online control of the processing result are available.
  • the machining result for example a cutting depth achieved, is currently only determined after processing, for example with light or electron microscopy. If post-processing of the material is required, the material sample must be repositioned, which, however, is usually no longer possible with the desired or even required precision.
  • the depth of cut per is therefore often determined semi-empirically Pulse determined and the depth of cut in the sample to be processed then prospectively estimated by counting the laser pulses. This approach is increasingly perceived as unsatisfactory.
  • the device and the method should preferably be designed so that an online control is possible.
  • the object is achieved by a device for processing a material with ultra-short laser pulses, comprising
  • a conversion device for converting a first set of the sequence of first laser pulses into a sequence of second laser pulses for application to and for processing the material, the second laser pulses each having a duration of less than 300 picoseconds and the repetition rate for the second laser pulses in the range between 1 Hz and 1 MHz, as well
  • the object is achieved by a method for processing a material with ultra-short laser pulses, with the following steps:
  • the invention is based on the surprising finding that laser systems for fs material processing, which use chirped pulse amplification technology and have corresponding laser pulse conversion devices, in the period between two successive amplified pulses (previously called “second pulses") a variety of emit unreinforced pulses (referred to above as “first pulses”) which have so far not been considered as superfluous ballast, but can be used excellently for examining the material to be processed.
  • the unamplified (first) laser pulses generally have a repetition rate that is several orders of magnitude higher than the amplified (second) laser pulses. currency While the repetition rate of the unamplified pulses is typically in the MHz range, the repetition rate of the amplified (second) pulses will in most cases be in the kHz range.
  • the pulse energy of the unamplified (first) laser pulses is usually in the range of 1 pJ - 1,000 nJ
  • the pulse energy of amplified (second) laser pulses is usually in the range between 1 ⁇ J and 100 mJ.
  • the intensity of the second laser pulses is usually set to a value that is greater than 10 1 0 W / cm 2.
  • the unamplified first laser pulses each have a duration of less than 300 picoseconds, preferably between 10 femtoseconds and 300 picoseconds. Pulse durations below 10 femtoseconds cannot currently be easily achieved, but would be useful for the purposes of the invention. Longer pulse durations lead to a deterioration in the processing result and generally do not allow a good spatial resolution during the examination.
  • the short coherence lengths of the preferred unreinforced (first) laser pulses allow resolutions that essentially correspond to the removal depth during material removal using amplified (second) pulses of the same length. They therefore allow optimal online processing control.
  • the conversion device comprises a selective pulse amplifier, e.g. a regenerative amplifier, for example as a chirped pulse amplifier, in which only a small fraction of the first pulses (high) is amplified.
  • the amplified and the unamplified oscillator pulses then generally arrive at the output of the amplifier system in the same way and are directed at the material to be processed and examined.
  • the amplified (second) laser pulses which emerge from the amplifier system at a significantly lower repetition rate than the unreinforced (first) laser pulses, contribute to material processing (eg, material ablation).
  • material processing eg, material ablation
  • the unreinforced laser pulses do not, or do not significantly, contribute to material processing.
  • the examination device preferably comprises a detector which is arranged and set up in such a way that the information it provides about the result of the application of the first laser pulses is a response to the radiation reflected by the material, advantageously the radiation reflected in the opposite direction of the beam.
  • the information provided by the detector changes here with the signal of the reflected and detected light, that is to say in particular depending on the optical properties of the material to be processed or already processed.
  • the information provided can be evaluated in a manner known to the person skilled in the art.
  • the (also partially reflected) amplified (second) laser pulses are regularly masked out by a pulse selector, e.g. acousto-optically, electronically or in any other way, in particular to avoid overloading the (photo) detector.
  • a pulse selector e.g. acousto-optically, electronically or in any other way, in particular to avoid overloading the (photo) detector.
  • the material can be examined online (i.e. time-embedded in the material processing process) or offline (before and / or after the material processing).
  • a control and / or regulating device which interacts both with the examination device and with the conversion device, wherein the control and / or regulating device information is transmitted from the examination device and the control and / or regulating device controls or regulates the conversion of first laser pulses into second laser pulses and / or the application of the second laser pulses to the material depending on this information.
  • the gain factor i.e. the energy of the second laser pulse
  • a switching device can be provided in order to stop the conversion (amplification) of the first to second laser pulses before, after or during the material processing manually or automatically (for example after reaching a specific processing result or in the event of a deviation from specific operating parameters) or to prevent.
  • the material or the progress of material processing can be examined or determined, for example, by time-of-flight measurements.
  • the preferred form of examining the material is an interferometric exam as it is e.g. is known from optical coherence tomography (OCT).
  • OCT optical coherence tomography
  • Interferometric examinations and corresponding examination facilities are particularly suitable for online material examinations. Particular preference is given to (a) linking the OCT technique with imaging methods for visualizing the material area to be processed or already processed, and (b) using the OCT results to control the material processing.
  • a preferred device comprises an OCT device and a laser system for material processing with ultra-short laser pulses in an integrated design.
  • integrated construction means here that essential components of the preferred invention Device, among them the device for generating the sequence of first laser pulses (the fs oscillator system), can be used both for performing the OCT and for material processing. In comparison with a separate construction, the preferred device is therefore very compact and considerable costs are saved due to the small number of components.
  • the preferred wavelengths (frequencies) for laser radiation used in the context of the present invention are in the visible (VIS) or near-infrared (NIR) range because the optics that can be used and the devices for pulse generation are comparatively inexpensive for this purpose.
  • a preferred device comprises an fs oscillator system for generating the sequence of first laser pulses.
  • the radiation generated in this oscillator system (first laser pulses) is fed to a regenerative amplifier in which a fraction of the first laser pulses is amplified in a predetermined manner. Then appear at the output of the amplifier
  • the first and second laser pulses emerging from the amplifier are advantageously separated into two beams by means of a beam splitter / coupler in order to enable interferometric analysis (OCT).
  • OCT interferometric analysis
  • the laser pulses of the one (partial) beam are - as is customary in OCT devices - irradiated into a reference arm in which they strike a reference mirror.
  • the corresponding laser pulses of the second (partial) beam (hereinafter also: target pulses) are aimed at the material to be examined (the target).
  • Parts of the reference or target pulses are reflected back from the reference mirror within the reference arm or from the surface of the material to be examined and are superimposed in the beam splitter / coupler.
  • the superimposed unamplified pulses (unreinforced reference and target pulses) are fed to a photodetector, in which the interference of the superimposed unamplified pulses can be detected as a periodic variation of the detector signal, e.g. when the reference mirror is moved at a substantially constant speed.
  • the superimposed amplified laser pulses are eliminated after exiting the beam splitter / coupler by means of a pulse selector (chopper, AOM, EOM or the like) in order to rule out overdriving of the detector.
  • a pulse selector chopper, AOM, EOM or the like
  • the detector signal of the photodetector can be demodulated by a demodulator, the demodulated signal can be converted into a digital signal by means of an A / D converter, and this digital signal can in turn be fed to a computer (an evaluation unit) for the purpose of OCT analysis. Imaging methods can be integrated into the evaluation process in a manner that is conventional per se.
  • the scanning or positioning technology known from the field of fs micromaterial processing can also be used in the context of the present invention for scanning the material when carrying out the OCT material examination (the interferometric analysis). It is known to the person skilled in the art that the interference signal disappears as soon as the optical path length difference between the radiation reflected by the material and that reflected by the reference mirror becomes greater than the coherence length of the radiation source for the first laser pulses.
  • the unreinforced (first) laser pulses partially penetrate the material to be processed or has already been processed and are reflected by deeper layers of material that differ in their reflectivity.
  • scanning the material
  • a (spatial) material examination in three dimensions is possible.
  • the three-dimensional material information can be used to control the fs micro material processing.
  • cutting material for example, the remaining (still to be removed) material thickness can be determined shortly before the material is actually cut.
  • the energy of the second (amplified) laser pulse can be adjusted based on this knowledge and other subsequent steps can be initiated.
  • the device for generating the sequence of first laser pulses can be understood both as a component of the integrated OCT device and as a component of the integrated laser material processing device.
  • parts of the device for the interferometric (OCT) examination of the material that emit the second laser pulses are usually integrated into the beam path within the scope of the present invention applied the material to be processed. In this way, online control and, if necessary, control of the processing progress is possible.
  • OCT interferometric
  • OCT optical coherence tomography
  • U.S. Patent 6,004,31,4 discloses "optical coherence tomography assisted surgical apparatus".
  • a system is also described which, in addition to an OCT device, comprises a treatment laser which can be used for photoablation.
  • the OCT device and treatment laser interact with a control computer in such a way that results of the OCT analysis are used to control the operation of the treatment laser.
  • the treatment laser does not work with ultrashort laser pulses and the treatment laser radiation is not generated by the same laser source as the laser radiation used to perform the OCT.
  • EP 0 956 809 A1 and DE 1 99 04 565 A1 are also part of the present text by reference insofar as they relate to methods and devices for carrying out optical coherence tomography with ultrashort laser pulses.
  • FIG. 1 schematic representation of the overall structure of an inventive device in an integrated design
  • Fig. 2 representation of the operation of an fs laser system with a regenerative amplifier
  • the device for processing a material with ultra-short laser pulses shown in FIG. 1 comprises an fs oscillator 1 as a device for generating a sequence of first laser pulses.
  • the first laser pulses are generated in this fs oscillator, with a duration between 1 0 femtoseconds and 300 picoseconds and a repetition rate in the range between 100 kHz and 1 GHz.
  • the energy of the first laser pulses is approximately in the range between 100 pJ and 10 nJ.
  • first laser pulses generated in the fs oscillator 1 is fed to a selective pulse amplifier 2, in which a fraction of the first laser pulses is amplified in a predetermined manner and is thus converted into second laser pulses.
  • a selective pulse amplifier 2 At the output of amplifier 2 emerge:
  • the first and second laser pulses emerging from the amplifier 2 are separated into two beams by means of a beam splitter / coupler 3.
  • the laser pulses of a first of the two beams are - as is customary in OCT devices - irradiated into a reference arm 5, in which they meet a reference mirror 15 that can be moved back and forth in a defined manner in the beam direction.
  • the laser pulses of the second beam (hereinafter also: target pulses) are directed at the material 4 to be examined (the target, only indicated in FIG. 1).
  • a focusing imaging optics 1 4 is used, which is set up in such a way that only the highly amplified (second) pulses result in nonlinear absorption and thus material removal.
  • the unreinforced pulses essentially do not change the material.
  • Parts of the reference or target pulses are reflected back by the reference mirror 15 within the reference arm 5 or from the surface of the material 4 to be examined and are superimposed in the beam splitter / coupler 3.
  • the superimposed unreinforced pulses (unreinforced reference and target pulses) are fed to a photodetector 6, in which the interference of the superimposed unreinforced pulses can be detected as a periodic variation of the detector signal if the reference mirror 15 with essentially constant speed is moved.
  • the superimposed amplified laser pulses are eliminated after exiting the beam splitter / coupler 3 by means of a chopper 7 in order to rule out overdriving of the detector 6.
  • the detector signal of the photodetector 6 is fed to an evaluation device 8, where it is evaluated interferometrically in the usual way and (further) processed using imaging methods.
  • the evaluation device 8 is connected to a control device 9, which controls the operation of the selective amplifier 2 as a function of the result of the evaluation.
  • FIG. 2 shows the mode of operation of an fs laser system with a regenerative amplifier suitable for use in the device according to the invention.
  • a sequence of ultra-short (first) laser pulses of low energy is generated in an fs oscillator (oscillator pulses).
  • the energy of these pulses is not suitable for material processing, their repetition rate is in the MHz range.
  • the amplification of the energy is therefore carried out in a downstream regenerative amplifier. Since the power of the amplifier is limited, individual ones are picked out and amplified in a defined manner from the sequence of first laser pulses.
  • the repetition rate of the amplified (second) pulses is in the kHz range.
  • the components fs oscillator and amplifier shown in FIG. 2 correspond to the components fs oscillator 1 and amplifier 2 in FIG. 1.

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Materials mit ultrakurzen Laserpulsen. Diese Vorrichtung umfasst: (a) eine Einrichtung (1) zum Erzeugen einer Abfolge erster Laserpulse, wobei die ersten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Repetitionsrate für die ersten Laserpulse im Bereich zwischen 100 kHz und 1 GHz liegt, (b) eine Umwandlungseinrichtung (2) zum Umwandeln eines ersten Satzes der Abfolge erster Laserpulse in eine Abfolge zweiter Laserpulse zur Applikation auf das und zur Bearbeitung des Materials, wobei die zweiten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Repetitionsrate für die zweiten Laserpulse im Bereich zwischen 1 Hz und 1 MHz liegt, sowie (c) eine Untersuchungseinrichtung (3, 5, 6, 7, 15), die dazu eingerichtet ist, erste Laserpulse, die nicht zum ersten Satz gehören, auf das Material zu applizieren, bestimmte Resultate dieser Applikation zu detektieren und diese detektierten Resultate als Information bereitzustellen.

Description

Laser-Bearbeitung von Materialien
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laser- Bearbeitung von Materialien wie z.B. metallischen Werkstoffen (Metalle, Legierungen)'^ Keramiken, Gläsern, Kunststoffen, Cellulose-Werkstoffen (Papier, Pappe etc.), biologischen Geweben, Flüssigkeiten.
Die Anwendung von ultrakurzen Laserpulsen, d.h. Pulsen mit einer Pulsdauer im Bereich zwischen ungefähr 10 s und 5 x 10 s zum Zwecke hochpräziser Laser- Mikrostrukturierungen ist bekannt.
So beschreiben C. Momma etal' "Präzise Mikro-Bearbeitung mit Femtosekunden- Laserpulsen/Precise Micromachining with Femtosecond Laser Pulses", Laser- und Optoelektronik 29(3)/1 997, Untersuchungen zur Laser-Ablation von metallischen Werkstoffen mit Pulsdauern von 1 50 fs bis in den Nanosekunden-Bereich. S. Nolte setzt sich in seiner Dissertation zur "Mikromaterialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen", Cuvillier Verlag Göttingen, 1 999 mit Aspekten der Materialbearbeitung unter Einsatz von Femtosekunden-Laserpulsen auseinander.
H. Lubatschowski et al beschreiben in einem Artikel zur "Application of ultrashort laser pulses for intrastromal refractive surgery", Graefe's Arch. Clin. Exp. Ophthalmol 238:33-39, 2000 den Einsatz von Lasersystemen, die ultrakurze Laserpulse mit einer Dauer von 100-200 Femtosekunden erzeugen, im Bereich der intrastromalen refraktiven Chirurgie.
Kurtz etal, "Optimal Laser Parameters for Intrastromal Corneal Surgery", SPIE, Vol. 3255, 56-66, Januar 1 998, verwenden ebenfalls ultrakurze Laserpulse zur Gewebebearbeitung.
Loesel et al, "Non-thermal ablation of neutral tissue with femtosecond laser pulses", Appl.Phys. B , 66, 121 -8, 1998, befassen sich mit vergleichbaren Aufgabenstellungen.
In der WO 99/67048 beschreiben Michael D. Perry and Brent C. Stuart Verfahren zum "Ultrashort Pulse Laser Machining of Metals and Alloys". Sie erläutern dabei den Einsatz von Laserpulsen mit einer Repetitionsrate, die größer ist als 1 Hz und sogar über 2 kHz liegen kann, wobei die Laserstrahlen eine Wellenlänge im Bereich zwischen 0, 1 8 und 10 μm besitzen und die Pulsdauer zwischen 10 f s und 100 ps liegt; für die Intensität ( = Leistungsdichte) werden Werte oberhalb 1 0 W/cm angegeben.
Üblicherweise werden Femtosekunden-Pulse mit zur Materialbearbeitung ausreichender Energie (im μJ- bis mJ-Bereich) im Wege der sogenannten "chirped-pulse"- Verstärkung erzeugt. Vergleiche hierzu D. Strickland, G. Mourou. Opt. Commun. 56. 21 9 (1 985) und die WO99/67048. Bei dieser Verstärkungstechnik werden in einem modengekoppelten Oszillator zunächst Pulse mit einer Dauer von beispielsweise rund 100 fs erzeugt. Die Pulse werden zunächst zeitlich gedehnt. Dies erfolgt in einer "Stretcher" genannten Baueinheit, die eine spezielle Anordnung von Dispersionsgittern umfaßt und bewirkt, daß die unterschiedlichen Wellenlängenanteile des Pulses (die Bandbreite eines 1 00 fs-Pulses beträgt ca. 1 0 nm bei einer Mittenwellenlänge von 800 nm) verschieden lange optische Wege zurücklegen. Der Puls wird um mehr als drei Größenordnungen von 1 00 fs auf einige 1 00 ps reversibel gestreckt. Aufgrund der so reduzierten Intensität erfolgt die nachfolgende Verstärkung unter Vermeidung nicht-linearer Effekte, die eine Störung des räumlichen Pulsprofils zur Folge haben würden und zur Zerstörung des Verstärkermediums führen könnten. Der verstärkte Puls wird anschließend durch ein " Kompressor" genanntes Bauelement, welches ebenfalls aus Dispersionsgittern besteht, wieder auf nahezu seine ursprüngliche Dauer komprimiert.
Ein typischer modengekoppelter Oszillator zur Erzeugung von fs-Laserpuls wird von C. Momma et al, Laser- und Optoelektronik 29(3)/1 997, S. 85 unter Bezugnahme auf F. Salin et al, Opt. Lett. 1 6. 1 674 ( 1 991 ) angegeben.
H. Lubatschowski et al, Graefe's Arch. Clin. Exp. Ophthalmol 238:33-39, 2000, verwenden für ihre Untersuchungen ein "Kerr-Lens"-modengekoppelten Titan-Saphir- Lasersystem mit nachfolgender "chirped pulse" - Verstärkung und verweisen insoweit auf Morou G ( 1 997) "The ultra high-peak power laser: present and future" Appl. Phys. B 65:205-21 1 .
Weitere Systeme zur definierten Erzeugung ultrakurzer Laserpulse (fs-Laserpulse) sind dem Fachmann aus der einschlägigen Literatur bekannt.
Die in den vorgenannten Literaturstellen gegebenen Erläuterungen zu Apparaturen und Verfahren zur Herstellung ultrakurzer Laserpulse und zu deren Einsatz bei der Materialbearbeitung sind im Wege der Verweisung Bestandteil des vorliegenden Textes. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können Lasersysteme der in den vorgenannten Literaturstellen genannten Art eingesetzt werden. Allgemein, d.h. auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, lassen sich ultrakurze Laserpulse zum Schneiden von Material (z.B. metallischen Werkstoffen), zum Abtragen und Strukturieren von Material (z.B. biologischem Gewebe) und zum Ändern von Materialeigenschaften (z.B. der Änderung von Brechungsindizes in Glas) einsetzen.
Die besonderen Vorteile der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen (fs- Laserpulsen) zeigen sich insbesondere beim äußerst präzisen und sowohl thermisch als auch mechanisch minimal schädigenden Schneiden und/oder Abtragen von Materialien. Durch Fokussieren der ultrakurzen Laserpulse wird im Fokus auf sehr begrenztem Raum durch Zünden eines Mikroplasmas Energie deponiert und durch sog. Photodisruption eine Schnittwirkung bzw. Material-Ablation erreicht. Es lassen sich Abtragraten im sub-μm- Bereich mit Schnittbreiten von weniger als 500 nm erreichen. Aufgrund eines nichtlinearen Wechselwirkungsmechanismus bei der Photodisruption ist der Materialabtrag dabei weitgehend unabhängig von den Materialeigenschaften. Insbesondere können unter Einsatz von fs-Laserpulsen auch Materialien mit hoher Wärmeleitung (wie z.B. Metalle) und Materialien mit geringer Laser-Lichtabsorption (wie z.B. Polymere oder bestimmte biologische Gewebe) bearbeitet werden.
Alternativ zur Ablation auf der Oberfläche eines zu behandelnden Materials läßt sich durch Fokussieren in für die Laserstrahlung transparente Materialien (wie z.B. die Hornhaut eines Auges) auch ein Schneideffekt im Inneren des transparenten Materials (Gewebes) erreichen.
Die Anwendung der fs-Laserpuls-Technik zum Bearbeiten von Materialien ist allerdings bislang eher unbequem. So stehen bisher keine geeigneten Mittel zur Online- Kontrolle des Bearbeitungsergebnisses zur Verfügung. Im Regelfall wird deshalb derzeit bei derfs-Materialbearbeitung das Bearbeitungsresultat, z.B. eine erzielte Schnittiefe, erst nach der Bearbeitung ermittelt, z.B. licht- oder elektronenmikroskopisch. Ist eine Nachbearbeitung des Materials erforderlich, muß die Materialprobe neu positioniert werden, was mit der gewünschten oder sogar erforderlichen Präzision jedoch im Regelfall nicht mehr möglich ist. Es wird daher häufig auf semi-empirischen Wege zunächst die Abtragstiefe pro Puls bestimmt und die Schnittiefe in der zu bearbeitenden Probe dann prospektiv über das Zählen der Laserpulse geschätzt. Diese Vorgehensweise wird in zunehmendem Maße als unbefriedigend empfunden.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laser-Bearbeitung eines z.B. im festen oder flüssigen Aggregatszustand vorliegenden Materials mit ultrakurzen Laserpulsen anzugeben, welche bzw. welches auf einfachem Wege eine Kontrolle des Resultats einer Bearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen ermöglicht.
Vorzugsweise sollten die Vorrichtung und das Verfahren dabei so ausgelegt sein, daß eine online-Kontrolle möglich ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Materials mit ultrakurzen Laserpulsen, umfassend
(a) eine Einrichtung zum Erzeugen einer Abfolge erster Laserpulse, wobei die ersten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Repetitionsrate für die ersten Laserpulse im Bereich zwischen 100 kHz und 1 GHz liegt,
(b) eine Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln eines ersten Satzes der Abfolge erster Laserpulse in eine Abfolge zweiter Laserpulse_zur Applikation auf das und zur Bearbeitung des Materials, wobei die zweiten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Repetitionsrate für die zweiten Laserpulse im Bereich zwischen 1 Hz und 1 MHz liegt, sowie
(c) eine Untersuchungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, erste Laserpulse, die nicht zum ersten Satz gehören, auf das Material zu applizieren, bestimm- te Resultate dieser Applikation zu detektieren und diese detektierten Resultate als Information bereitzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Materials mit ultrakurzen Laserpulsen, mit folgenden Schritten:
(a) Erzeugen einer Abfolge erster Laserpulse, wobei die ersten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Repetitionsrate für die ersten Laserpulse im Bereich zwischen 100 kHz und 1 GHz liegt,
(b) Umwandeln eines Satzes erster Laserpulse in eine Abfolge zweiter Laserpulse zur Bearbeitung des Materials, wobei die zweiten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Puls-Repetitionsrate im Bereich zwischen 1 Hz und 1 MHz liegt,
(c) Applizieren einer Abfolge ausgewählter zweiter Laserpulse auf das Material, um dieses zu bearbeiten,
(d) Applizieren eines zweiten Satzes erster Laserpulse auf das Material, um dieses zu untersuchen.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß Lasersysteme zur fs- Materialbearbeitung, die sich der Chirped-Pulse-Verstärkungstechnik bedienen und entsprechende Laserpuls-Umwandlungseinrichtungen besitzen, im Zeitraum zwischen je zwei aufeinanderfolgenden verstärkten Pulsen (vorstehend "zweite Pulse" genannt) eine Vielzahl von unverstärkten Pulsen (vorstehend "erste Pulse" genannt) emittieren, die bislang als überflüssiger Ballast nicht weiter beachtet wurden, sich aber hervorragend zur Untersuchung des zu bearbeitenden Materials einsetzen lassen.
Die unverstärkten (ersten) Laserpulse besitzen in der Regel eine um mehrere Größenordnungen höhere Repetitionsrate als die verstärkten (zweiten) Laserpulse. Wäh- rend die Repetitionsrate der unverstärkten Pulse typischerweise im MHz-Bereich liegt, wird die Repetitionsrate der verstärkten (zweiten) Pulse in den meisten Fällen im kHz-Bereich liegen.
Während sich die Pulsenergie der unverstärkten (ersten) Laserpulse üblicherweise im Bereich von 1 pJ - 1 000 nJ befindet, liegt die Pulsenergie verstärkter (zweiter) Laserpulse in der Regel im Bereich zwischen 1 μJ und 100 mJ. Zur Materialbearbeitung wird die Intensität der zweiten Laserpulse in der Regel auf einen Wert eingestellt, der größer ist als 101 0 W/cm2.
Erfindungsgemäß besitzen die unverstärkten ersten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden, vorzugsweise zwischen 10 Femtosekunden und 300 Pikosekunden. Pulsdauern unter 10 Femtosekunden lassen sich derzeit nicht ohne weiteres erzielen, wären aber für die Zwecke der Erfindung brauchbar. Längere Pulsdauern führen zu einer Verschlechterung des Bearbeitungsergebnisses und gestatten in der Regel keine gute Ortsauflösung bei der Untersuchung. Die geringen Kohärenzlängen der bevorzugten unverstärkten (ersten) Laserpulse erlauben hingegen Auflösungen, die der Abtragtiefe beim Materialabtrag mittels gleichlanger verstärkter (zweiter) Pulse im wesentlichen entspricht. Sie gestatten daher eine optimale Online-Bearbeitungskontrolle.
In bevorzugten Ausführungsformen dererfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßtdie Umwandlungseinrichtung einen selektiven Pulsverstärker wie z.B. einen regenerativen Verstärker, beispielsweise als Chirped-Pulse-Verstärker, in dem nur ein kleiner Bruchteil der ersten Pulse (hoch)verstärkt wird. Die verstärkten und die unverstärkten Oszillatorpulse gelangen dann in der Regel auf gleiche Weise zum Ausgang des Verstärkersystems und werden auf das zu bearbeitende und zu untersuchende Material gerichtet.
Die verstärkten (zweiten) Laserpulse, die mit einer deutlich geringeren Repetitionsrate als die unverstärkten (ersten) Laserpulse aus dem Verstärkersystem austreten, tragen zur Materialbearbeitung (z.B. zur Materialablation) bei. Die Strahlung der unverstärkten (ersten) Laserpulse im zu bearbeitenden Material wird hingegen teilweise absorbiert und teilweise reflektiert, wobei ein Anteil in Strahl- Gegenrichtung zurückreflektiert wird. Zur Materialbearbeitung tragen die unverstärkten Laserpulse nicht oder nicht wesentlich bei.
Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Untersuchungseinrichtung eine Detektor, der so angeordnet und eingerichtet ist, daß die von ihm bereitgestellte Information über das Resultat der Applikation der ersten Laserpulse eine Antwort auf die vom Material reflektierte, vorteilhafterweise die in Einstrahl-Gegenrichtung reflektierte Strahlung ist. Die vom Detektor bereitgestellte Information ändert sich hierbei mit dem Signal des reflektierten und detektierten Lichts, also insbesondere in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften des zu bearbeitenden oder bereits bearbeiteten Materials.
Die Auswertung der bereitgestellten Information kann auf dem Fachmann bekannte Weise vorgenommen werden.
Während sich die unverstärkten, teilweise in Strahlrichtung zurückreflektierten Laserpulsanteile also für die Zwecke der Untersuchung nutzen lassen, werden die (ebenfalls teilweise reflektierten) verstärkten (zweiten) Laserpulse regelmäßig durch einen Pulsselektor ausgeblendet, z.B. akusto-optisch, elektronisch oder auf sonstige Weise, insbesondere, um die Übersteuerung des (Photo-)Detektors zu vermeiden.
Die Untersuchung des Materials kann dabei Online (d.h. zeitlich eingebettet in den Vorgang der Materialbearbeitung) oder Offline (vor und/oder nach der Materialbearbeitung) erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist neben den Bauelementen (a)-(c) als weiteres relevantes Bauelement (d) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen, die sowohl mit der Untersuchungseinrichtung als auch mit der Umwandlungseinrichtung zusammenwirkt, wobei der Steuer- und/oder Regeleinrichtung Informationen aus der Untersuchungseinrichtung übermittelt werden und die Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Abhängigkeit von diesen Informationen die Umwandlung erster Laserpulse in zweite Laserpulse und/oder die Applikation der zweiten Laserpulse auf das Material steuert bzw. regelt.
Im Rahmen der Steuerung der Umwandlung erster in zweite Laserpulse kann insbesondere der Verstärkungsfaktor, d.h. die Energie der zweiten Laserpulse gesteuert werden.
Es kann alternativ oder zusätzlich eine Schalteinrichtung vorgesehen werden, um die Umwandlung (Verstärkung) erster in zweite Laserpulse vor, nach oder während der Materialbearbeitung manuell oder automatisch (z.B. nach Erreichen eines bestimmten Bearbeitungsergebnisses oder im Falle eines Abweichens von bestimmten Betriebsparametern) zu stoppen bzw. zu verhindern.
Das Material oder der Fortschritt der Materialbearbeitung läßt sich beispielsweise durch Time-of-flight-Messungen untersuchen bzw. bestimmen.
Die bevorzugte Form der Untersuchung des Materials ist aber eine interferome- trische Untersuchung wie sie z.B. aus der optischen Kohärenztomographie (OCT) bekannt ist. Interferometrische Untersuchungen und entsprechende Untersuchungseinrichtungen sind insbesondere für die Online-Materialuntersuchung geeignet. Besonders bevorzugt ist (a) die Verknüpfung der OCT-Technik mit bildgebenden Verfahren zur Visualisierung des zu bearbeitenden oder bereits bearbeiteten Materialgebiets und (b) die Verwendung der OCT-Ergebnisse zur Steuerung der Materialbearbeitung.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt in integrierter Bauweise eine OCT-Einrichtung und ein Lasersystem zur Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen. Wie unten noch anhand der Figuren näher erläutert, bedeutet der Begriff "integrierte Bauweise" hierbei, daß wesentliche Bauelemente der bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung, unter ihnen die Einrichtung zum Erzeugen der Abfolge erster Laserpulse (das fs-Oszillatorsystem), sowohl für die Durchführung der OCT als auch für die Materialbearbeitung verwendet werden. Im Vergleich mit einer separaten Bauweise ist die bevorzugte Vorrichtung daher sehr kompakt, und es werden aufgrund der geringen Anzahl von Bauelementen beträchtliche Kosten eingespart.
Die bevorzugten Wellenlängen (Frequenzen) für im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Laserstrahlung liegen im sichtbaren (VIS) oder nah-infraroten (NIR) Bereich, weil die einsetzbaren Optiken und die Vorrichtungen zur Pulserzeugung hierfür vergleichsweise preiswert sind.
Nachfolgend wird eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung in integrierter Bauweise erläutert, wobei bauartliche Variationen im Einzelfall nicht ausgeschlossen sind:
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ein fs-Oszillatorsystem zum Erzeugen der Abfolge erster Laserpulse. Die in diesem Oszillatorsystem erzeugte Strahlung (erster Laserpulse) wird einem regenerativen Verstärker zugeführt, in dem auf vorbestimmte Weise ein Bruchteil der ersten Laserpulse hochverstärkt wird. Am Ausgang des Verstärkers treten dann
(a) unverstärkte (erste) Pulse mit hoher Repetitionsfrequenz (z.B. im Bereich mehrerer MHz) und
- die Abfolge erster Pulse unterbrechend -
(b) verstärkte (zweite) Pulse mit vorbestimmter niedrigerer Pulsfrequenz (z.B. im Bereich einiger kHz) aus.
Die aus dem Verstärker austretenden ersten und zweiten Laserpulse werden vorteilhafterweise, um eine interferometrische Analyse (OCT) zu ermöglichen, mittels eines Strahlteilers/Kopplers in zwei Strahlen getrennt. Die Laserpulse des einen (Teil-)Strahls (nachfolgend auch: Referenzpulse) werden - wie in OCT-Einrichtungen üblich - in einen Referenzarm eingestrahlt, in dem sie auf einen Referenzspiegel treffen.
Die entsprechenden Laserpulse des zweiten (Teil-)Strahls (nachfolgend auch: Targetpulse) werden auf das zu untersuchende Material (das Target) gerichtet.
Vom Referenzspiegel innerhalb des Referenzarms bzw. von der Oberfläche des zu untersuchenden Materials werden Teile der Referenz- bzw. Targetpulse zurückreflektiert und im Strahteiler/Koppler überlagert.
Nach Austritt aus dem Strahlteiler/Koppler werden die überlagerten unverstärkten Pulse (unverstärkte Referenz- und Targetpulse) einem Photodetektor zugeführt, in dem sich die Interferenz der überlagerten unverstärkten Pulse als periodische Variation des Detektorsignals detektieren läßt, z.B. wenn der Referenzspiegel mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit bewegt wird.
Die überlagerten verstärkten Laserpulse werden nach Austritt aus dem Strahlteiler/- Koppler hingegen mittels eines Pulsselektors (Chopper, AOM, EOM o.dgl.) eliminiert, um eine Übersteuerung des Detektors auszuschließen.
Das Detektorsignal des Photodetektors kann durch einen Demoduiator demoduliert werden, das demodulierte Signal kann mittels eines A/D-Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt und diese digitale Signal wiederum einem Computer (einer Auswerteeinheit) zum Zwecke der OCT-Analyse zugeführt werden. Bildgebende Verfahren lassen sich auf an sich übliche Weise in den Auswertvorgang integrieren.
Die aus dem Bereich der fs-Mikromaterialbearbeitung bekannten Scan- bzw. Positioniertechnologie kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch zum Scannen des Materials bei der Durchführung der OCT-Materialuntersuchung (der interferometrischen Analyse) eingesetzt werden. Dem Fachmann ist bekannt, daß das Interferenz-Signal verschwindet, sobald die optische Weglängen-Differenz zwischen der vom Material reflektierten und der vom Referenzspiegel reflektierten Strahlung größer wird als die Kohärenzlänge der Strahlungsquelle für die ersten Laserpulse.
Bei Einsatz der OCT-Technik dringen die unverstärkten (ersten) Laserpulse partiell in das zu bearbeitende oder bereits bearbeitete Material ein und werden von tieferliegenden, sich in ihrer Reflektivität unterscheidenden Materialschichten reflektiert. Durch Abrastern (Scannen) des Materials ist daher eine (räumliche) Materialuntersuchung in drei Dimensionen möglich. Die dreidimensionalen Materialinformationen können zur Steuerung der fs-Mikromaterialbearbeitung eingesetzt werden. So kann beim Schneiden von Material beispielsweise bereits kurz vor der tatsächlichen Material-Durchtrennung des Materials die verbliebene (noch abzutragende) Materialdicke bestimmt werden. Die Energie der zweiten (verstärkten) Laserpulse kann aufgrund dieser Kenntnisse angepaßt und sonstige Folgeschritte können eingeleitet werden.
Der vorstehend angegebene bevorzugte Aufbau der in die erfindungsgemäße Vorrichtung integrierbaren OCT-Einrichtung entspricht weitgehend dem üblichen Aufbau von OCT-Einrichtungen. Die Ausgestaltung im Einzelfall wird der Fachmann an die jeweiligen Erfordernisse anpassen.
Von besonderer Bedeutung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß die Einrichtung zum Erzeugen der Abfolge erster Laserpulse (z.B. das fs-Oszillatorsystem) sowohl als Bestandteil der integrierten OCT-Einrichtung als auch als Bestandteil der integrierten Laser-Materialbearbeitungseinrichtung aufgefaßt werden kann.
Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen zu einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits ergibt, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung üblicherweise Teile der Einrichtung zur interferometrischen (OCT-)Untersuchung des Materials in den Strahlengang der Optik integriert, welche die zweiten Laserpulse auf das zu bearbeitende Material appliziert. Auf diese Weise ist eine online-Kontrolle und gegebenenfalls -Steuerung des Bearbeitungsfortschritts möglich.
Der Einsatz der optischen Kohärenztomographie (OCT) wurde bereits in weitem Bereichen der Medizin getestet, z.B. im Rahmen der Bulbuslängenmessung durch Drexler W., Findl O., Schmetterer L., Hitzenberger C. K., Fercher A.F. "Eye elongation during accommodation in humans: differences between emmetropes and myopes" Invest Opht- halmol Vis Sei. 1 998 Oct.; 39(1 1 ):21 40-7 oder im Zusammenhang mit der Untersuchung von Ablagerungen in Herzkranzgefäßen durch Brezinski M.E., Fujimoto J.G . "Optical Coherence Tomography: High-Resolution Imaging in Nontransparent Tissue" IEEE, Journal of sei. top. in Quantum Electronics, Vol.5, No.4, July/August 1 999, 1 1 85-92, sowie Fujimoto J.G., Boppart S.A., Tearney G.J., Bouma B.E., Pitris C, Brezinski M.E. "High resolution in vivo intra-arterial imaging with optical coherence tomography" Heart 1 999 Aug.; 82(2): 1 28-33.
Die US-Patentschrift 6,004,31 4 offenbart "optical coherence tomography assisted surgical apparatus". Beschrieben wird auch ein System, das neben einer OCT-Einrichtung einen Behandlungslaser umfaßt, der zur Photoablation eingesetzt werden kann. OCT- Einrichtung und Behandlungslaser wirken mit einem Regel-Computer so zusammen, daß Ergebnisse der OCT-Analyse zur Steuerung des Betriebs des Behandlungslasers eingesetzt werden. Der Behandlungslaser arbeitet jedoch nicht mit ultrakurzen Laserpulsen und die Behandlungs-Laserstrahlung wird auch nicht von der gleichen Laserquelle erzeugt, wie die zur Durchführung der OCT eingesetzte Laserstrahlung.
Wenngleich die in der US 6,004,314 offenbarte Vorrichtung also aus mehreren Gründen nicht mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vergleichbar ist, so lassen sich doch die in der US 6,004,314 offenbarten Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung der optischen Kohärenztomographie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzen. Die entsprechenden Ausführungen der US 6,004,314 sind im Wege der Verweisung Bestandteil des vorliegenden Textes. In der EP 0 956 809 A1 werden OCT-Vorrichtungen beschrieben, die bei Verwendung einer Quelle für ultrakurze Laserpulse auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
In der DE 1 99 04 565 A1 werden Geräte und Verfahren zur Erzeugung ultrakurzter optischer Impulse beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß Impulse im Bereich von 1 -10 nJ und höher sowohl direkt als auch mittels gechirpter Impulsverstärkung erzielt werden können. Die Anwendung bestimmter Geräte und Verfahren im Bereich der optischen Kohärenztomographie (OCT) wird erläutert.
Auch die EP 0 956 809 A1 und die DE 1 99 04 565 A1 sind im Wege der Verweisung Bestandteil des vorliegenden Textes, soweit sie Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung der optischen Kohärenztomographie mit ultrakurzen Laserpulsen betreffen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den beigefügten Figuren. Es stellen dar:
Fig. 1 Prinzipdarstellung des Gesamtaufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in integrierter Bauweise und Fig. 2 Darstellung der Arbeitsweise eines fs-Lasersystems mit regenerativem Verstärker
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Bearbeitung eines Materials mit ultrakurzen Laserpulsen umfaßt als Einrichtung zum Erzeugen einer Abfolge erster Laserpulse einen fs-Oszillator 1 . In diesem fs-Oszillator werden erste Laserpulse erzeugt, mit einer Dauer zwischen 1 0 Femtosekunden und 300 Pikosekunden und einer Repetitionsrate im Bereich zwischen 100 kHz und 1 GHz. Die Energie der ersten Laserpulse liegt dabei in etwa im Bereich zwischen 1 00 pJ und 1 0 nJ.
Die im fs-Oszillator 1 erzeugte Strahlung erster Laserpulse wird einem selektiven Pulsverstärker 2 zugeführt, in dem auf vorbestimmte Weise ein Bruchteil der ersten Laserpulse hochverstärkt und so in zweite Laserpulse umgewandelt wird. Am Ausgang des Verstärkers 2 treten aus:
(a) unverstärkte (erste) Pulse mit hoher Repetitionsfrequenz (z.B. im Bereich mehrerer MHz) und
- die Abfolge erster Pulse unterbrechend -
(b) verstärkte (zweite) Pulse mit vorbestimmter niedrigerer Pulsfrequenz (z.B. im Bereich einiger kHz).
Die aus dem Verstärker 2 austretenden ersten und zweiten Laserpulse werden mittels eines Strahlteilers/Kopplers 3 in zwei Strahlen getrennt.
Die Laserpulse eines ersten der zwei Strahlen (Referenzpulse) werden - wie in OCT- Einrichtungen üblich - in einen Referenzarm 5 eingestrahlt, in dem sie auf einen in Strahlrichtung in definierter Weise hin- und her beweglichen Referenzspiegel 1 5 treffen.
Die Laserpulse des zweiten Strahls (nachfolgend auch: Targetpulse) werden auf das zu untersuchende Material 4 (das Target, in Fig. 1 nur angedeutet) gerichtet. Es wird hierbei eine fokussierende Abbildungsoptik 1 4 eingesetzt, die so eingerichtet ist, daß es nur bei den hochverstärkten (zweiten) Pulsen zur nichtlinearen Absorption und damit zum Materialabtrag kommt. Die unverstärkten Pulse bewirken im wesentlichen keine Materialveränderung.
Vom Referenzspiegel 1 5 innerhalb des Referenzarms 5 bzw. von der Oberfläche des zu untersuchenden Materials 4 werden Teile der Referenz- bzw. Targetpulse zurückreflektiert und im Strahlteiler/Koppler 3 überlagert.
Nach Austritt aus dem Strahlteiler/Koppler 3 werden die überlagerten unverstärkten Pulse (unverstärkte Referenz- und Targetpulse) einem Photodetektor 6 zugeführt, in dem sich die Interferenz der überlagerten unverstärkten Pulse als periodische Variation des Detektorsignals detektieren läßt, wenn der Referenzspiegel 1 5 mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit bewegt wird. Die überlagerten verstärkten Laserpulse werden hingegen nach Austritt aus dem Strahlteiler/Koppler 3 mittels eines Choppers 7 eliminiert, um eine Übersteuerung des Detektors 6 auszuschließen.
Das Detektorsignal des Photodetektors 6 wird einer Auswerteeinrichtung 8 zugeführt, wo es auf übliche Weise interferometrisch ausgewertet und unter Einsatz bildgebender Verfahren (weiter-)verarbeitet wird.
Die Auswerteeinrichtung 8 ist mit einer Regeleinrichtung 9 verbunden, die in Abhängigkeit vom Ergebnis der Auswertung den Betrieb des selektiven Verstärkers 2 regelt.
In Fig. 2 ist die Arbeitsweise eines zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeigneten fs-Lasersystems mit regenerativem Verstärker dargestellt.
In einem fs-Oszillator wird eine Abfolge ultrakurzer (erster) Laserpulse niedriger Energie erzeugt (Oszillatorpulse) . Die Energie dieser Pulse ist für die Materialbearbeitung nicht geeignet, ihre Repetitionsrate liegt im MHz-Bereich.
In einem nachgeschalteten regenerativen Verstärker wird daher eine Hochverstärkung der Energie vorgenommen. Da die Leistung des Verstärkers begrenzt ist, werden dabei aus der Abfolge erster Laserpulse in definierter Weise einzelne herausgegriffen und verstärkt. Die Repetitionsrate der verstärkten (zweiten) Pulse liegt im kHz-Bereich.
Aus dem Verstärker treten sowohl unverstärkte (erste) als auch verstärkte (zweite) Laserpulse aus.
Den in Fig. 2 dargestellten Bauelementen fs-Oszillator und Verstärker entsprechen in Fig. 1 die Bauelemente fs-Oszillator 1 und Verstärker 2.

Claims

A n s p r ü c h e
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Materials mit ultrakurzen Laserpulsen, umfassend:
(a) eine Einrichtung (1 ) zum Erzeugen einer Abfolge erster Laserpulse, wobei die ersten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Repetitionsrate für die ersten Laserpulse im Bereich zwischen 100 kHz und 1 GHz liegt,
(b) eine Umwandlungseinrichtung (2) zum Umwandeln eines ersten Satzes der Abfolge erster Laserpulse in eine Abfolge zweiter Laserpulse zur Applikation auf das und zur Bearbeitung des Materials, wobei die zweiten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Repetitionsrate für die zweiten Laserpulse im Bereich zwischen 1 Hz und 1 MHz liegt, sowie
(c) eine Untersuchungseinrichtung (3, 5, 6, 7, 1 5), die dazu eingerichtet ist, erste Laserpulse, die nicht zum ersten Satz gehören, auf das Material zu applizieren, bestimmte Resultate dieser Applikation zu detektieren und diese detektierten Resultate als Information bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung einen Detektor (6) umfaßt, der die Information als Antwort auf vom Material rückgestreute und/oder reflektierte Strahlung bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend: (d) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (9), die sowohl mit der Untersuchungseinrichtung (3, 5, 6, 7, 1 5) als auch mit der Umwandlungseinrichtung (2) zusammenwirkt, wobei der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (9) Informationen aus der Untersuchungseinrichtung (3, 5, 6, 7, 1 5) übermittelt werden und die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (9) in Abhängigkeit von diesen Informationen die Umwandlung erster Laserpulse in zweite Laserpulse und/oder die Applikation der zweiten Laserpulse auf das Material steuert bzw. regelt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinrichtung einen selektiven Pulsverstärker (2) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem selektiven Pulsverstärker (2) erste und zweite Laserpulse austreten, die mittels eines Strahlteilers (3) so in zwei Strahlen getrennt werden, daß einer der Strahlen zur Materialbearbeitung einsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung zur Durchführung inter- ferometrischer Analysen eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulsselektor (7) vorgesehen ist, um zu verhindern, daß verstärkte Laserpulse oder deren Interferenz-Produkte auf den Detektor treffen.
Verfahren zur Bearbeitung eines Materials mit ultrakurzen Laserpulsen, mit folgenden Schritten:
(a) Erzeugen einer Abfolge erster Laserpulse, wobei die ersten Laserpulse jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Repetitionsrate für die ersten Laserpulse im Bereich zwischen 100 kHz und 1 GHz liegt,
(b) Umwandeln eines Satzes erster Laserpulse in eine Abfolge zweiter Laserpulse zur Bearbeitung des Materials, wobei die zweiten Laserpuise jeweils eine Dauer unter 300 Pikosekunden besitzen und die Puls-Repetitionsrate im Bereich zwischen 1 Hz und 1 MHz liegt,
(c) Applizieren einer Abfolge ausgewählter zweiter Laserpulse auf das Material, um dieses zu bearbeiten,
(d) Applizieren eines zweiten Satzes erster Laserpulse auf das Material, um dieses zu untersuchen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -7 zur Materialbearbeitung.
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