WO2004039530A2 - Adaptive, rückkopplungsgesteuerte materialbearbeitung mit ultrakurzen laserpulsen - Google Patents

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WO2004039530A2
WO2004039530A2 PCT/DE2003/003530 DE0303530W WO2004039530A2 WO 2004039530 A2 WO2004039530 A2 WO 2004039530A2 DE 0303530 W DE0303530 W DE 0303530W WO 2004039530 A2 WO2004039530 A2 WO 2004039530A2
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Andreas Assion
Matthias Wollenhaupt
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    • B23K26/361—Removing material for deburring or mechanical trimming

Definitions

  • the present invention is in the field of material processing with laser pulses. It relates to methods and devices for microstructured, ablative processing of material, the processing of the material being carried out in one or more successive process steps by individual laser pulses, as well as measures used to measure the efficiency of ultrashort laser pulses for the ablation of molecules is recorded.
  • the ultrashort laser pulses mentioned at the outset are used in the prior art for material processing.
  • the pulse duration for so-called ultra-short laser pulses is in the femtosecond range, in particular between ten and several hundred fe-seconds.
  • a laser beam is pulsed
  • the material is changed by the effect of the energy input. If the pulse duration is in the nanosecond range, the effect of a laser pulse also includes the thermal heating of the material, since the heat conduction processes taking place in the material can take place within the pulse duration. However, if the pulse duration in the femtosecond range is significantly below the time constant for the heat conduction in a particular material, the material is ablated, during which the irradiated mass packets are strongly heated and then "jump" out of the surface of the material without significantly heating the surrounding material, see WO 00/67003, page 5.
  • LIB laser induced breakdown
  • the cited WO patent application mentions the effects of laser-induced breakdown of material in the form of chemical and physical material changes, chemical and physical breakdown, disintegration, ablation and evaporation.
  • the special advantage of laser pulses as opposed to continuous laser radiation is mentioned in particular with regard to medical laser applications.
  • a very high peak power of a pulse in the order of gigawatts and with an intensity of the order of 10 13 watts per square centimeter can be applied to the focused spot area.
  • the cited WO patent application has set itself the goal of narrowing the focal spot (spot) of the laser pulses more narrowly, in particular for medical applications, in order to avoid the laser-induced breakdown in the periphery of the spot.
  • the material processing She suggests a method to create a preselected pattern in or on a material.
  • the aforementioned WO patent application discloses a relatively precise determination of the fluence breakdown threshold as a function of the laser pulse length. It is proposed to make the pulse length of the laser less than or equal to a threshold value calculated there for a given material, and thus to achieve the intended effects on the material. It is found that for pulse energies at or near the ablation threshold, the spatial profile of the laser beam determines the size and shape of the ablated region (see page 13, first paragraph, FIGS. 4 and 5). The entered pulse energy, the size of which is essentially responsible for whether ablation takes place or not, is determined in the state of the art mentioned there by the set pulse duration.
  • Pulse lengths in the range of 7 nanoseconds to 100 femtoseconds were generated, and a lens with ten times magnification was used to obtain a theoretical spot size of 3.0 micrometers in diameter.
  • An SEM photomicrographic image of the ablated holes which were produced in a silver film on glass using laser pulses with a pulse width of 200 femtoseconds and a pulse energy of 30 nanojoules and a flux density of 0.4 joules per square centimeter , show holes with a diameter of about 0.3 micrometers, corresponding to 300 nanometers.
  • the pulse duration is not always the most suitable for the desired ablation.
  • effects that are not exactly predictable include the formation of so-called color centers directly below the interaction area, if the shot is considered to be coming from above, and a previously crystalline structure is locally narrowly delineated after melting to form an amorphous structure with a much higher degree of absorption for the incident pulse radiation. This phenomenon is referred to here with the expression “H istory effect ".
  • the method of the cited WO patent application is hardly usable in practice in the material processing that is carried out industrially, because the disclosed, formal connection to the determination of the destruction threshold only applies to previously unprocessed material, that is, only to the very first laser pulse that refers to “virgin” "Material meets. Since the first pulse, as mentioned above, already leaves deterministic and reproducible material changes in and possibly under the interaction area, the destruction threshold for the second pulse will already be different from that for the first pulse. Therefore, the formulaic relationship found in the cited WO document no longer applies to the second and the subsequent pulses in the corresponding repetition sequence during the entire material processing.
  • the object of the present invention is therefore to further improve the generic method for material processing with laser pulses described above.
  • a method for microstructured ablative processing of material which is applicable in industrial practice is disclosed and which has a predetermined number of characteristic material properties, the processing of the material taking place in one or more successive process steps.
  • This procedure is characterized by the following steps: a) systematic recording of material properties and
  • Process steps b) determining the pulse shape of ultra-short laser pulses (femtosecond range) that aa) for a respective process step, and bb) are defined and adapted for the material properties present in a respective process step for efficient material processing, c) Exposing the material to ultra-short, laser-serving laser pulses of the pulse shape determined in each case.
  • a process step corresponds to processing by means of a laser pulse, or a predefined number of laser pulses, the effect of which on the material should be as reproducible as possible within the scope of individually specifiable accuracy measures.
  • the specially adapted pulse shape is read from a “knowledge database” or library that has been created separately and the creation of which is to be covered by the claims according to the second main aspect.
  • At least one of the following material properties can be used: a) chemical properties of the material by substance composition, given by the chemical formula of the substance, structural formula, type of binding of the molecules, lattice properties, former composition, atomic weight, atomic number, ionization energy (s), electron affinity, Electronegativity, component values for connections, etc. b) Physical properties of the material such as hardness, melting point, etc.
  • the material can advantageously be processed in the x, y, and z direction by the steps: a) positioning the focus of the ablation pulse with a laser beam. serscan microscope device (light microscope) and a pulse shaping device (pulse shaper), b) changing the position of the laser focus and renewed application of the material with ultra-short laser pulses serving for material ablation of the respectively determined pulse shape.
  • serscan microscope device light microscope
  • pulse shaping device pulse shaper
  • a piezo-controlled displacement table enables displacements by a few nanometers. Any materials can be processed as long as the interaction area between laser pulse and material can be reproducibly adjusted.
  • the creation of the “knowledge database” takes place on the basis of respective “master material samples”, which each serve as a sample for a respective material, with self-adaptive, iterative, automated, and program-controlled optimization methods, as follows:
  • a method for detecting the ablation efficiency of ultrashort laser pulses for any material with a given composition comprising the steps: a) irradiating the material with ultra-short, the Laser pulses serving material ablation of a given pulse shape, the radiation generating an electron plasma, b) using the generated electron plasma as a measurement object for calculating a feedback variable for a program-controlled ablation efficiency optimization, the feedback variable describing the efficiency of the ablation effect, characterized by the following steps:
  • the iteration includes a systematic, serial variation of the control parameters for the temporal energy current density distribution of the laser pulse at predetermined intervals, it can include a rough / fine sequence in the variation of the parameters, a genetic / evolutionary or other algorithm, possibly with a trial-and-error based one additional input, as is given in the prior art for such variations.
  • the optical path length of individual spectral components of the laser pulse and the associated amplitudes can be specifically varied in order to redefine a pulse shape.
  • the femtosecond laser pulse shape can be stretched in time in the picosecond range, the stretched laser pulse being modulated on a femtosecond time scale, and at the same time spectral amplitudes can be specifically changed.
  • the result is a comprehensive database that for many industrial applications, for example for the chip structuring can be read out in the nanometer range for each individual process step or for a combined bundle of process steps, whereby the optimized te laser pulse is found.
  • the electron plasma generated by the laser pulse is preferably used as the measurement object for finding the optimum of the efficiency in material ablation.
  • the method then includes the step of measuring the plasma luminescence when the electron plasma is recombined with ions released during the irradiation.
  • the advantage is that the process provides element-specific results, since the ions of the individual elements emit specific luminescence radiation during recombining.
  • the use of the generated electron plasma as the measurement object contains the steps:
  • An efficient implementation of the method presupposes that the analysis pulse is “automatically” also adjusted and focused on the plasma. This is achieved according to the invention by the feature that the light of the reflected analysis pulse is again captured very efficiently by the same objective.
  • Irradiated ablation pulse takes place, then the Pulses are well separated from each other by beam splitting elements. Polarization directions perpendicular to one another are preferred.
  • a subset of the following parameters is used as a control parameter for defining the pulse shape of the ablation pulse and thus the temporal energy current density distribution: a) the optical path length of the individual frequency components of the pulse, in that the pulse by means of neic liquid crystals known in the prior art whose individually controllable pixels change the optical path length depending on the size and sign of the applied voltage. b) optionally a further liquid crystal, the axis of which is tilted with respect to the input polaristation of the laser pulse, allows the targeted modulation of the spectral amplitudes in connection with a polarizer.
  • pulse shaper also known as a “pulse shaper”
  • pulse shaper which, however, has to be developed in a special way according to the invention in order to be able to withstand high pulse powers. This makes it possible to obtain a sharp image in the Fourier plane of the pulse to be generated, although the laser pulse with a duration of a few ten femtoseconds is ultra-short and has a relatively high power density.
  • ultrashort laser pulses are specifically shaped with the aid of a phase modulator, the material is irradiated therewith, and the quality of the work process carried out by the irradiation is recorded and evaluated by computer technology.
  • This can be done, for example, using a signal from laser-induced breakdown spectroscopy.
  • this evaluation signal is evaluated by an optimization algorithm, and the information obtained is used directly to calculate further, possibly Licher more suitable laser pulse shapes are used, which in turn are set iteratively by the computer-controlled phase modulator.
  • These new laser pulses are then radiated back onto the material in such a way that the same conditions prevail on the material as in the previous pulse. The iteration is continued until an optimum efficiency in the processing of the material is found, essentially on the basis of the feedback signals.
  • the iterative and self-adaptive method according to the invention makes it possible to optimally adapt the energy flow density distribution of ultra-short laser pulses to the given physical and chemical conditions of the material for material processing.
  • it is proposed to specifically vary the amplitude and phase information of the electric field of the laser pulse in order to determine the optimum of the efficiency.
  • the optimization algorithm finds an optimal pulse shape, regardless of whether one knows the theoretical background for the pulse shape and the reason for its particular suitability or not.
  • the structured shaping of the ultra-short laser pulse in the time domain creates an additional possibility of using a very low energy input to ablate material in a spatially limited manner very close to the destruction threshold, since the energy is thereby concentrated on the interior of the focal spot and only ablates there becomes.
  • a structured pulse shaping used together with a lens with a high numerical aperture, creates the prerequisite for ablation that is narrowly limited in the Z direction, which is far less than that specified in the aforementioned WO patent application, in which it is only said that the hole depth is smaller than the Rayleigh Range, from which a specialist nevertheless understands the same order of magnitude as the Rayleigh Range.
  • the method disclosed here can advantageously Achieve hole depths per laser shot in the range of less than 10 nm.
  • hole depths are orders of magnitude smaller than the Rayleigh Range, which is in the range of a few micrometers.
  • the energy current density distribution of the laser pulses for each individual process step ie not only for the first pulse, but also for the subsequent ones, the least possible material removal can be guaranteed with a very shallow hole depth, which is approximately 10 times smaller than in the aforementioned, namely in a Z range of about 10 to 30 nanometers, which was measured for a hole in biological tissue.
  • the structured pulse shaping is achieved by varying the amplitude and phase of the irradiated laser pulse, so that an optimum for the ablation for the material ablation can be found under computer control with optimized efficiency.
  • the method according to the invention can be used to create a knowledge base in the form of a database or the like, in which for certain, preselected materials for each process step, that is to say preferably for each individual pulse, the pulse shape found as optimal is stored and in practice from this database can be read out.
  • the optimization of the temporal energy current density distribution of the femtosecond laser pulses used according to the invention improves the process efficiencies in material processing, as a result of which a higher processing speed and an increased quality of processing, in particular in the case of laser microstructuring in the nanometer range, are significantly increased spatial precision results.
  • a high material removal is achieved with a predetermined, often as low as possible energy input, so that micro rust structuring of material that can be generated in the
  • the dispersion management for the laser pulse that is required for ultrashort laser pulses in the femtosecond range and with a spatially narrowly limited focal spot is provided according to the invention by a pulse shaper device, the individual components of which are fully known in the prior art, but which are especially designed according to the invention.
  • a semi-spherical cylinder mirror is used instead of a lens to adapt the pulse shaper for the high pulse power. Furthermore, the shaped laser pulse is coupled into the beam path of the analysis device in a special way, as follows:
  • the beam height is adjusted via a periscope and the laser beam is coupled into the objective with a coupling mirror in front of the objective.
  • the laser beam diameter is selected so that at least 30% of the laser beam power is cut off from the aperture of the objective. This guarantees a practically flat wave front in the coupling and thus the maximum best spatial resolution.
  • inventive concept it is possible to remove the smallest structures in the nanometer range, whereby the lowest possible pulse energy for the respective material can be used, as a result of which the surrounding material is changed little or not at all. This reduces collateral damage.
  • inventive method is not intended to limited use of materials. It has been successfully tested for inorganic and organic materials, especially for biological tissues.
  • the method according to the invention can also be used in a particularly preferred manner for multi-layer material structures in which the different layers differ from one another in terms of their chemical composition.
  • LIBS laser-induced breakdown spectroscopy
  • Fig. 2 is a schematic illustration that includes the closed circuit in the computer-assisted optimization of the femtosecond pulse shaper
  • FIG. 3 shows a schematic drawing with the essential structural components of an exemplary embodiment according to the invention, in which transient reflection spectroscopy is used as the optical detection method for checking the ablation efficiency.
  • a femtosecond laser system 10 is operatively connected to a pulse shaper 12 that processes a laser beam with predefined properties and generates laser pulses that have certain desired properties.
  • a pulse shaper 12 that processes a laser beam with predefined properties and generates laser pulses that have certain desired properties.
  • the following can be used as the femtosecond laser system 10:
  • a femtosecond laser system from FEMTOLASERS designs GmbH of the FEMTOPOWER type (pulse duration ⁇ 30 fs, pulse energy 800 ⁇ J, central wavelength 800 nm, repetition rate 1 kHz).
  • the laser pulses generated by the femtosecond laser system 10 are coupled into the laser pulse shaper 12.
  • the pulse shaper 12 is computer controlled.
  • the femtosecond laser system 10 and the pulse shaper 12 can be seen together with the computer control as a functional unit that generates laser pulses with differently predefinable temporal pulse shapes in the femtosecond to picosecond range, which are modulated on a femtosecond time scale.
  • the following pulse properties can be set by this unit:
  • the pulse energy that should be set as low as possible for many applications is adjustable between a few microjoules and a few millijoules; the spectral amplitude of the laser pulse; the pulse duration and above all the temporal pulse structure, which can be set for the purposes of the present invention in the picosecond range up to approximately 25 femtoseconds, and thus the pulse peak power, which can be set for the purposes of the present invention up to several gigawatts.
  • the laser pulses generated by the system with the components 10 and 12 are deflected by a mirror 16 and pass through a beam splitter 26 without deflection into a microscope device which has an objective 20 with a high numerical aperture.
  • the coupling point sits between the eyepiece (not shown) and the lens 20.
  • the lens 20 has a numerical aperture of 0.4 to 1.0 and a working distance between 10 mm and 0.1 mm.
  • the microscope device focuses the continuous, intense femtosecond laser pulse on a focal spot of very small area on the surface or, if appropriate, inside (if transparent) a workpiece 22 whose material structure is to be processed.
  • the workpiece 22 is fixedly mounted on a sliding table 24 of the microscope device, which in turn is connected to a computer 32 via a control line 38 via a commercially available sliding table control device.
  • the shift table can thus be shifted in a program-controlled manner by the computer 32 in a targeted manner by very short path lengths in the X, Y and Z directions, as a result of which the focal spot or the focal point volume on the sample shifts when the microscope device is permanently set.
  • the minimal, reproducible shifts are a few nanometers.
  • the electron plasma generated by the one or more ultrashort laser pulses with a predetermined pulse shape is now used as the measurement object for calculating a feedback variable for a program-controlled ablation efficiency optimization, the feedback variable describing the efficiency of the ablation effect.
  • the radiation emanating from the electron plasma is measured and further processed in the above sense.
  • the same lens 20 that was already used to focus the laser pulse on the workpiece 22 is used to “collect” the radiation generated by the plasma. This is additionally indicated by the arrows in FIG. 1 one advantageously does two things:
  • the focal plane can be checked with the eye as the first “control entity” through the eyepiece of the microscope, and on the other hand, separate optics for capturing the plasma radiation are superfluous.
  • the radiation emanating from the plasma and passing through the lens in the opposite (back) direction is separated from the incident (towards) intense femtosecond laser light via the beam splitter 26 and focused via a converging lens arrangement 28 into a spectrometer arrangement 30 for measuring the ablation efficiency.
  • the measurement data generated in the spectrometer are read out by the computer already mentioned above via suitable data connections.
  • the control parameters used in each case for structuring the laser pulse used and the data generated in the spectrometer are, if appropriate after preparation, preferably symbolically shown separately for each pulse. set data storage 33 stored.
  • the aforementioned control parameters for the composition of the laser pulse, together with the data characterizing the ablation efficiency, form the so-called “optimization data”.
  • a pulse with predefined physical properties now hits a specific point on a workpiece 22, it leaves traces which are each specific. depending on the control parameters set and the history of the workpiece, for example, if the same workpiece has been hit ten times by a laser pulse at the same location, the ablation efficiency of the eleventh pulse will be different from that measured on the first or second pulse.
  • the corresponding optimization data are now preferably stored for each pulse, so that the ablation efficiency is nevertheless adequately recorded despite its complexity, which is difficult or impossible to represent in terms of the formula.
  • empirical data are therefore collected to compensate for the deficiency that results from the fact that the - removed - effects of the successive laser pulses prevent the control parameters from being formulated and calculated for a given ablation efficiency.
  • the above-mentioned optimization data serve as input parameters for an optimization algorithm provided according to the invention.
  • This algorithm evaluates the optimization data and generally generates a new set of control parameters for the formation of a modified laser pulse.
  • This new pulse differs from the previous pulse in one or more of its physical properties.
  • the amplitude information and the phase information of the individual spectrals involved should be Frequency components of the pulse are specifically varied in order to generate a new, possibly more efficient pulse shape.
  • the computer is equipped with a corresponding device driver for controlling the femtosecond laser system 10 and the femtosecond pulse shaper 12, which are controlled via corresponding control lines 34 and 36.
  • Laser system 10 and pulse shaper 12 have corresponding hardware and software interfaces in order to shape the laser pulses as desired, driven by the signals of the control parameters present at the input ports.
  • a new pulse shape is generated in one iteration pass, with which the workpiece is then preferably re-irradiated at a different location, the new location having the same physical and chemical state as possible, such as the old.
  • Flg. 2 shows an iteration cycle consisting of three sub-steps, namely the computer-controlled femtosecond pulse shaping process 40, the measurement of the ablation efficiency 42 and redefinition 44 of pulse shape control parameters, which is computer-aided program-controlled.
  • This feedback loop is run through iteratively until a femtosecond laser pulse shape which can be regarded as optimal is found for a respective process step.
  • the optimal pulse shape preferably refers to the same process step.
  • a process step is defined by an optimization data record and is therefore reproducible.
  • Process step 1 can therefore relate to unprocessed material, that is to say without any prior irradiation by laser pulses
  • process step 2 can be defined according to the invention as a second laser pulse on the same material as in the first laser pulse, the first laser pulse having the physical properties mentioned above.
  • Process step 3 drags then the information from process step 2 respectively
  • Process step 1 with, etc. this can be represented by a linked list or an "array”.
  • the workpiece 22 can be shifted in a computer-controlled manner via the computer 32 and the control line 38 by controlling the shifting table 24 in a targeted and precisely defined manner in the X, Y, and Z directions.
  • a found optimal femtosecond laser pulse shape has a temporal energy current density distribution on a femtosecond time scale, which leads to an efficient material removal with a given pulse energy.
  • the optimization described above for pulse shaping can be determined for every process step and for every material that can be represented and can be stored in a kind of library according to the invention.
  • a knowledge database can then be stored on a commercially available data medium such as a CD-ROM or DVD, or made available (for a fee) via the Internet in order to be able to serve as process control for real-time material processing processes in industrial application.
  • Such a library is then successively read out in real time and the femtosecond laser pulse shapes, which have been stored as optimized, are available in real time for each specific processing step.
  • Appropriate indexing of certain data fields in the optimization data set described above for example a) regarding the material, or f) number of previous pulses (shots) [], or g) pointers to the data record of the previous pulse, can be used to access the data sufficiently quickly to the optimized control parameters desired for a particular pulse.
  • a beam splitter 26 as shown in FIG. 1, is preferably used in order to To separate luminescent light from the incident laser pulse.
  • the plasma luminescent radiation is then guided into the spectrometer 30 through suitable optics 28, for example a converging lens with a predefined focal length.
  • An optical element is connected between the femtosecond laser system 10 and the femtosecond pulse shaper 12, which splits the intense femtosecond laser pulse emanating from the laser system 10 and polarized in the P direction into a strong partial beam, which is used, as described above in connection with FIG. 2, and in a relatively weak so-called sample laser pulse, which also has a pulse duration in the femtosecond range.
  • the weak sample laser pulse 56 is deflected at a mirror 54, rotated 90 degrees in its polarization direction by a polarization filter 58, deflected at a further mirror 60 and by a dichroic element 62 which is permeable to it and by means of the same microscope and objective 20 through dichroic element 52 focusses on the same interaction area as the intensive laser pulse, which is additionally designated with reference number 51.
  • the intense laser pulse 51 again generates the electron plasma.
  • the above-mentioned weak sample laser pulse 56 is delayed in time relative to the intense laser pulse and has a polarization direction rotated by 90 degrees. Even before relaxation processes can occur, i.e. within a few picoseconds after the intense laser pulse strikes the interaction area, the time-delayed sample laser pulse illuminates the electron plasma. The time delay occurs over the predefined delay path, which is limited by a beam-separating element 50 and a dichroic element 52.
  • the back reflection of the sample laser pulse which is obtained by reflection from the electron plasma, is now measured with the spectrometer 30. This separates the intense laser pulse and weak test laser pulse, for example, by the polarization separation shown in the figure. Due to the different spectral distribution of the sample laser pulse before or after its reflection on the electron plasma, the electron density can be calculated, as is known in the prior art for transient reflection spectroscopy.
  • the reflected spectrum is preferably measured with the spectrometer for each “laser shot” of the intense laser pulse, so that the electron density of each individual laser shot can be determined.
  • This information is obtained from the optimization algorithm described above in a manner similar to the intensity of a peak in the Plasma luminescence spectrum evaluated.
  • the methods according to the invention can advantageously be carried out using a pulse shaper, as described in a co-pending patent application by the same applicant with the title “high-performance pulse shaper in compact design” or in a university publication

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Abstract

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Materialbearbeitung mit Laserpulsen. Sie betrifft Verfahren und Vorrichtung zur mikrostrukturierten, ablativen Bearbeitung von Material (22), wobei die Bearbeitung des Materials in einem oder mehreren aufeinander folgenden Prozessschritten durch einzelne Laserpulse (14) erfolgt. Erfindungsgemäss werden ultrakurze Laserpulse mit Hilfe eines Phasenmodulators (12) gezielt geformt, das Material (22) damit bestrahlt, und die Qualität des durch die Bestrahlung erfolgten Arbeitsprozesses computertechnisch (32) erfasst und bewertet. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Signals aus der laserinduzierten breakdown-Spektroskopie (LIBS) durchgeführt werden. Erfindungsgemäss wird dieses Auswertesignal von einem ptimierungsalgorithmus bewertet, und die gewonnene Information wird direkt zur Berechnung weiterer, möglicherweise geeigneterer Laserpulsformen benutzt, die iterativ wiederum durch den computergesteuerten (34, 36) Phasenmodulator (12) eingestellt werden. Diese neuen Laserpulse (14) werden wieder auf das Material (22) gestrahlt, und zwar so, dass die gleichen Bedingungen auf dem Material (22) vorherrschen, wie bei dem vorangegangenen Puls (14). Die Iteration wird solange fortgeführt, bis ein Optimum der Effizienz bei der Bearbeitung des Materials gefunden ist.

Description

Adaptive, rückkopplungsgesteuerte Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Materialbearbeitung mit Laserpulsen. Sie betrifft Verfahren und Vorrichtung zur mikrostrukturierten, ablativen Bearbeitung von Material, wobei die Bearbeitung des Materials in einem oder mehreren aufeinander folgenden Prozessschritten durch einzelne Laserpulse erfolgt, sowie dafür verwendete Massnahmen, mit denen die Effizienz von ultrakurzen Laserpulsen für die Abla- tion von Molekülen messtechnisch erfasst wird.
Die eingangs genannten ultrakurzen Laserpulse werden im Stand der Technik für die Materialbearbeitung eingesetzt. Dabei liegt die Pulsdauer für so genannte ultrakurze Laserpulse im Femtosekundenbereich, insbesondere zwischen zehn und mehreren hundert Fe tosekunden. Bei der Laserbearbeitung eines Materi- als wird im Stand der Technik ein Laserstrahl in gepulster
Form mit vordefinierter Pulsenergie, Leistung und flächenbezogener Dichte auf bestimmte Stellen des Materials gerichtet. Durch die Wirkung des Energieeintrags wird dabei das Material verändert. Liegt die Pulsdauer im Nanosekundenbereich, so be- inhaltet die Wirkung eines Laserpulses auch die thermische Erwärmung des Materials, da die in dem Material stattfindenden Wärmeleitungsprozesse innerhalb der Pulsdauer stattfinden können. Liegt die Pulsdauer jedoch im Femtosekundenbereich deutlich unterhalb der Zeitkonstanten für die Wärmeleitung in einem jeweiligen Material, so findet die Materialablation statt, bei der die bestrahlten Massepakete stark erhitzt wer- den und dann aus der Oberfläche des Materials „herausspringen", ohne dass dabei das umliegende Material wesentlich erhitzt wird, s. WO 00/ 67003, Seite 5.
Die physikalischen Effekte, die von Laserpulsen mit elektronenanregender oder mit ionisierender Wirkung erzielbar sind, werden in der Literatur unter dem Begriff , Laser induced breakdown' (LIB) zusammengefasst . Mit LIB-Spektroskopischen Untersuchungen (LIBS) , die der jeweils erzielten physikali- sehen Wirkung angepasst sind, kann die von einem oder mehreren Laserpulsen hinterlassene Wirkung spektrometrisch nachgewiesen werden.
Materialbearbeitung durch Laser mit Pulsdauern von mehreren Nanosekunden ist im Stand der Technik weitläufig bekannt. Ü- ber Materialbearbeitung mit Laserpulsen im Femtosekundenbereich liegen jedoch erst vergleichsweise wenige Erfahrungen vor. Die internationale Patentanmeldung WO 95/27587 offenbart auch Einzelheiten über solche Femtosekunden-Laserpulse.
In der zitierten WO-Patentanmeldung werden die Wirkungen von laserinduziertem breakdown von Material in Form von chemischen und physikalischen Materialveränderungen, chemischen und physikalischen breakdown, Disintegration, Ablation und Verdampfung erwähnt. Der besondere Vorzug von Laserpulsen im Gegensatz zu kontinuierlicher Laserstrahlung wird insbesondere bezüglich medizinischer Laseranwendungen erwähnt. So kann eine sehr hohe Spitzenleistung eines Pulses in der Größenordnung von Gigawatt und mit einer Intensität der Größenordnung von 1013 Watt pro Quadratzentimeter auf die fokussierte Spotfläche aufgebracht werden. Die zitierte WO-Patentanmeldung hat es sich zum Ziel gesetzt, insbesondere für medizinische Anwendungen den Brennfleck (Spot) der Laserpulse lokal enger einzugrenzen, um den laserinduzierten breakdown in der Peri- pherie des Spots zu vermeiden. Bezüglich der Materialbearbei- tung schlägt sie ein Verfahren vor, um ein vorgewähltes Muster in einem Material oder auf einem Material zu erzeugen.
Die vorgenannte WO-Patentanmeldung offenbart zur Lösung die- ser Probleme eine relativ genaue Bestimmung der Zerstörschwelle (fluence breakdown threshold) in Abhängigkeit von der Laserpulslänge. Es wird vorgeschlagen, die Pulslänge des Lasers für ein jeweils gegebenes Material kleiner oder gleich einem dort berechneten Schwellwert zu machen, und damit die beabsichtigten Wirkungen auf das Material zu erzielen. Es wird festgestellt, dass für Pulsenergien an dem Schwellwert für Ablation oder in dessen Nähe das räumliche Profil des Laserstrahls die Größe und die Gestalt der ablatierten Region bestimmt (s. dort Seite 13, erster Absatz, Figuren 4 und 5). Dabei wird die eingetragene Pulsenergie, deren Größe im wesentlichen dafür verantwortlich ist, ob Ablation stattfindet oder nicht, in dem dort genannten Stand der Technik durch die eingestellte Pulsdauer bestimmt.
In der zitierten WO-Patentanmeldung werden beispielsweise
Pulslängen im Bereich von 7 Nanosekunden bis 100 Femtosekun- den erzeugt, und ein Objektiv mit zehnfacher Vergrößerung verwendet, um eine theoretische Spotgröße von 3,0 Mikrometern Durchmesser zu erhalten. Eine SEM-photomikrographische Abbil- d ng der ablatierten Löcher, die damit in einem Silberfilm auf Glas unter Verwendung von Laserpulsen mit einer Pulsbreite von 200 Femtosekunden und einer Pulsenergie von 30 Nano- joule, und einer Flussdichte von 0,4 Joule pro Quadratzentimeter erzeugt wurden, zeigen Löcher eines Durchmessers von etwa 0,3 Mikrometern, entsprechend 300 Nanometern. Aus diesen Ergebnissen wird dort abgeleitet, dass es auch möglich ist, noch kleinere Löcher zu erzeugen, wenn man lediglich eine kleinere Spotgröße verwendet, die als Funktion der numerischen Apertur des Objektivs und der Wellenlänge entsprechend erhalten werden kann. Diese Folgerung ist als solche zwar richtig, lässt aber weitere, sehr effizient und praxistauglich einsetzbare Möglichkeiten aus.
Das dort beschriebene Verfahren besitzt darüber hinaus noch die folgenden beiden größeren Nachteile:
Zum einen ist es nachteilhaft, die Pulsdauer als einzigen Steuerparameter für die Laserpulse zu verwenden, weil nicht immer der kürzeste Laserpuls der am besten für die gewünschte Ablation geeignete ist.
Zum anderen wird die Tatsache nicht berücksichtigt, dass bei einer repetierenden Pulsfolge ein bestimmter Puls In Form eines „Schusses" Wirkungen im Material hinterlässt, die die Ablationseffizienz für den nachfolgenden Puls verändern im Vergleich zum vorhergehenden. Dies trifft insbesondere für den ersten und zweiten „Schuß", aber auch in geänderter Form beispielsweise für den 20. und 21. Schuß zu, wobei der jeweils nachfolgende Schuß in X_Y-Richtung die Probe an dersel- ben Stelle trifft, aber in Z-Richtung „tiefer" im Inneren der Probe. Diese nicht genau vorhersagbaren Wirkungen beinhalten beispielsweise die Bildung von so genannten Farbzentren direkt unter dem Wechselwirkungsgebiet, wenn der Schuß als von oben kommend betrachtet wird. Aus einer vorher kri- stallinen Struktur wird dabei lokal eng begrenzt nach Aufschmelzung eine amorphe Struktur mit weit höheren Absorptionsgrad für die einfallende Pulsstrahlung. Auf dieses Phänomen wird hier mit dem Ausdruck „History-Effekt" Bezug genommen.
Daher ist das Verfahren der zitierten WO-Patentanmeldung für die Praxis in der industriell durchgeführten Materialbearbeitung kaum brauchbar, denn der offenbarte, formelmäßige Zusammenhang zur Bestimmung der Zerstörschwelle gilt nur bei bis- her unbearbeitetem Material, also nur für den allerersten Laserpuls, der auf „jungfräuliches" Material trifft. Da der erste Puls, wie oben erwähnt, bereits nicht deterministisch feststellbare und reproduzierbare Materialänderungen im und gegebenenfalls unter dem Wechselwirkungsgebiet hinterlässt, wird die Zerstörschwelle beim zweiten Puls schon anders liegen wie beim ersten Puls. Daher gilt der in der zitierten WO- Schrift festgestellte formelmäßige Zusammenhang nicht mehr für den zweiten und für die darauf folgenden Pulse in der entsprechenden Repetitionsfolge während der gesamten Materialbearbeitung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das oben dargestellte gattungsgemäße Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserpulsen weiter zu verbessern.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäßen Gegenstände der unabhängigen Ansprüche lösen einzeln oder gegebenenfalls gemeinsam diese Aufgabe.
In den jeweiligen Unteransprüchen finden sich vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Die Patentansprüche weisen zwei Gruppen von Verfahrensansprü- chen auf, wobei die erste die Anwendung in der Praxis, und die zweite das Anlegen einer Wissensdatenbank beinhaltet, die dann für die Anwendung verwendet werden kann. Daher sind zwei unterschiedliche Hauptaspekte derselben Erfindung definiert.
Gemäß dem ersten Hauptaspekt wird ein in der Industriepraxis anwendbares Verfahren zur mikrostrukturierten ablativen Bearbeitung von Material offenbart, das eine vorbestimmte Anzahl charakteristischer Materialeigenschaften aufweist, wobei die Bearbeitung des Materials in einem oder mehreren aufein- ander folgenden Prozessschritten erfolgt. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) systematisches Erfassen der Materialeigenschaften und der
Prozessschritte, b) Ermitteln derjenigen Pulsform von ultra-kurzen Laserpulsen (Femtosekundenbereich), die aa) für einen jeweiligen Prozessschritt, und bb) für die in einem jeweilig vorhandenen Prozessschritt vorliegenden Materialeigenschaften für eine effiziente Materialbearbeitung definiert und ange- passt ausgewählt sind, c) Beaufschlagen des Materials mit ultra-kurzen, der Materia- lablation dienenden Laserpulsen der jeweils ermittelten Pulsform.
Dabei entspricht ein Prozessschritt der Bearbeitung durch ei- nen Laserpuls, oder eine vordefinierte Anzahl von Laserpulsen, deren Einwirkung auf das Material im Rahmen von individuell vorgebbaren Genauigkeitsmaßen möglichst reproduzierbar sein soll. Die besonders angepasste Pulsform wird aus einer „Wissensdatenbank" oder Bibliothek gelesen, die separat er- stellt worden ist, und deren Erstellung von den Ansprüchen gemäß dem zweiten Hauptaspekt abgedeckt sein soll.
Dabei können wenigstens eine der folgenden Materialeigenschaften verwendet werden: a) chemische Eigenschaften des Materials nach StoffZusammensetzung, gegeben durch die chemische Formel des Stoffes, Strukturformel, Bindungsart der Moleküle, Gittereigenschaften, ehem. Zusammensetzung, Atomgewicht, Kernladungszahlen, Ionisationsenergie (n) , Elektronenaffinität, Elektronegativi- tat, Wertigkeiten der Komponenten bei Verbindungen, etc. b) physikalische Eigenschaften des Materials wie Härte, Schmelzpunkt, etc.
In vorteilhafter Weise kann das Material in x, y, und z- Richtung bearbeitet werden durch die Schritte: a) Positionieren des Fokus des Ablationspulses mit einer La- serscanmikroskopvorrichtung (Lichtmikroskop) und einer Pulsformvorrichtung (Puls-shaper) , b) Verändern der Position des Laserfokus und erneutes Beaufschlagen des Materials mit ultra-kurzen, der Materialablation dienenden Laserpulsen der jeweils als angepasst ermittelten Pulsform.
Ein piezogesteuerter Verschiebetisch ermöglicht dabei Verschiebungen um wenige Nanometer. Es können beliebige Materialien bearbeitet werden, sofern das Wechselwirkungsgebiet zwi- sehen Laserpuls und Material reproduzierbar einstellbar ist.
Gemäß dem zweiten Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung geschieht das Anlegen der „Wissensdatenbank" anhand jeweiliger "Meister-Materialproben", die jeweils als Muster für ein je- weiliges Material dienen, mit selbstadaptiven, iterativen, automatisiert ablaufenden, und programmgesteuerten Optimierungsverfahren, wie folgt:
Es wird ein Verfahren zum Erfassen der Ablationseffizienz von ultrakurzen Laserpulsen für beliebige Materialien mit vorgegebener Zusammensetzung offenbart, wobei die Ablation in einer Folge von mehreren, zeitlich aufeinander folgenden Prozessschritten durchgeführt wird, enthaltend die Schritte: a) Bestrahlen des Materials mit ultra-kurzen, der Materia- lablation dienenden Laserpulsen einer vorgegebenen Pulsform, wobei die Bestrahlung ein Elektronenplasma erzeugt, b) Verwenden des erzeugten Elektronenplasmas als Messobjekt zur Berechnung einer Rückkopplungsgröße für einen programmgesteuerten Ablationseffizienzoptimierung, wobei die Rückkopp- lungsgröße die Effizienz der Ablationswirkung beschreibt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
c) Variieren der zeitlichen Energiestromdichteverteilung des elektrischen Feldes des Ablationspulses als Steuerparameter für die Gestaltung der Pulsform eines iterierten, pro- zesschrittspezifischen Ablationspulses nach einem vorgegebe- nen Algorithmus, d) Speichern von Optimierungsdaten, die die Steuerparameter und die jeweils zugehörige Ablationseffizienz kennzeichnen, in einem Messdatenpool, e) Wiederholen der Schritte a) bis d) in einer Iteration, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium für die Iteration erfüllt ist, f) gesondertes Kennzeichnen derjenigen Optimierungsdaten aus dem Meßdatenpool, die einer Ablation mit vorgegebener Min- desteffizienz entsprechen.
Die Iteration beinhaltet eine systematische, serielle Variation der Steuerparameter für die zeitliche Energiestromdichteverteilung des Laserpulses in vorgegebenen Intervallen, sie kann eine grob/fein Abfolge bei der Variation der Parameter beinhalten, einen genetischen/ evolutionären oder anderen Algorithmus, gegebenenfalls mit trial-and-error basiertem zusätzlichen Input, wie es im Stand der Technik für solche Variationen gegeben ist. Insbesondere kann die optische Weglän- ge einzelner spektraler Komponenten des Laserpulses und die zugehörigen Amplituden zur Neudefinition einer Pulsform gezielt variiert werden. Hierbei kann die Femtosekunden- Laserpulsform in den Pikosekundenbereich zeitlich gestreckt werden, wobei der gestreckte Laserpuls auf einer Femtosekun- den-Zeitskala moduliert ist, und gleichzeitig können spektrale Amplituden gezielt verändert werden.
Wenn die Optimierung für jeden der aufeinander folgenden Prozessschritte separat durchgeführt wird, wobei für den jeweils aktuellen Prozessschritt der oder die vorangegangenen Pro- zes'sschritte mit berücksichtigt sind, so ergibt sich eine umfassende Datenbank, die für viele industrielle Anwendungen, beispielsweise auch für die Chipstrukturierung im Nanometer- bereich jeweils gezielt für jeden einzelnen Prozessschritt oder für ein zusammengefasstes Bündel von Prozessschritten ausgelesen werden kann, wobei immer automatisch der optimier- te Laserpuls gefunden wird.
In bevorzugter Weise wird das durch den Laserpuls erzeugte Elektronenplasma als Messobjekt zum Auffinden des Optimums der Effizienz bei der Materialablation verwendet. Das Verfahren enthält dann den Schritt des Messens der Plasmalumineszenz beim Rekombinieren des Elektronenplasmas mit bei der Bestrahlung frei gewordenen Ionen.
Als Vorteil ergibt sich, dass das verfahren elementspezifi- sehe Ergebnisse liefert, da die Ionen der einzelnen Elemente spezifische Lumineszenzstrahlung während des Rekombinierens emittieren,
Wenn in weiter vorteilhafter Weise das Verwenden des erzeug- ten Elektronenplasmas als Messobjekt die Schritte enthält:
a) Leiten eines zeitlich zum Ablationspuls verzögert ausgesendeten, im Verhältnis zum Ablationspuls energieschwachen Analyselaserpulses (Probelaserpuls) auf das Plasma, und b) spektrometrisches Messen des an dem Plasma reflektierten Analysepulses, so ergeben sich als Vorteile eine sehr genaue Messung, da ein „direktes Messen" der Elektronendichte des Plasmas erfolgt. Solche Messungen sind im Stand der Technik an sich bekannt unter dem Begriff „transiente Reflekti- onsspektroskopie" .
Eine effiziente Durchführung des Verfahrens setzt dabei voraus, dass der Analysepuls „automatisch" auch auf das Plasma justiert und fokussiert ist. Dies wird erfindungsgemäß durch das Merkmal erreicht, dass das Licht des reflektierten Analy- sepuls auch wieder von demselben Objektiv hocheffizient eingefangen wird.
Wenn in weiter vorteilhafter Weise das Messen durch einen A- nalysepuls erfolgt, der mit verschieden gerichteter Polarisa- tion relativ zur Polarisation eines kurz zuvor an demselben
Material bestrahlten Ablationspulses erfolgt, dann können die Pulse durch strahlteilende Elemente gut voneinander getrennt werden. Zueinander senkrecht stehende Polarisationsrichtungen sind bevorzugt.
In vorteilhafter Weise wird erfindungsgemäß eine Untermenge der folgenden Parameter als Steuerparameter zur Definition der Pulsform des Ablationspulses und damit der zeitlichen E- nergiestromdichteverteilung verwendet : a) die optische Weglänge der einzelnen Frequenzkomponenten des Pulses, indem der Puls durch im Stand der Technik bekannte ne atische Flüssigkeitskristalle geleitet wird, dessen einzeln ansteuerbare Pixel je nach Größe und Vorzeichen der angelegten Spannung die optische Weglänge verändern. b) optional erlaubt ein weiterer Flüssigkeitskristall, dessen Achse bezüglich der Eingangspolaristation des Laserpulses gekippt ist, in Verbindung mit einem Polarisator die gezielte Modulation der spektralen Amplituden.
Dies wird durch eine computergesteuerte Pulsformvorrichtung, auch als „Puls-Shaper" bekannt, erreicht, die jedoch erfindungsgemäß in besonderer Weise weitergebildet sein muß, um hohe Pulsleistungen aushalten zu können. Damit ist es möglich, eine scharfe Abbildung in der Fourier-Ebene des Pulses zu erzeugen, obwohl der Laserpuls mit wenigen zehn Femtose- künden Dauer ultrakurz ist und relativ hohe Leistungsdichte besitzt.
Zusammengefasst werden erfindungsgemäß also ultrakurze Laserpulse mit Hilfe eines Phasenmodulators gezielt geformt, das Material damit bestrahlt, und die Qualität des durch die Bestrahlung erfolgten Arbeitsprozesses computertechnisch er- fasst und bewertet. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Signals aus der laserinduzierten breakdown-Spektroskopie durchgeführt werden. Erfindungsgemäß wird dieses Auswertesig- nal von einem Optimierungsalgorithmus bewertet, und die gewonnene Information wird direkt zur Berechnung weiterer, ög- licherweise geeigneterer Laserpulsformen benutzt, die iterativ wiederum durch den computergesteuerten Phasenmodulator eingestellt werden. Diese neuen Laserpulse werden dann wieder auf das Material gestrahlt, und zwar so, dass die gleichen Bedingungen auf dem Material vorherrschen, wie bei dem vorangegangenen Puls. Die Iteration wird so lange fortgeführt, bis ein Optimum der Effizienz bei der Bearbeitung des Materials im Wesentlichen aufgrund der Rückkopplungssignale gefunden ist.
Durch das erfindungsgemäße, iterative und selbstadaptive Verfahren ist es möglich, die Energiestromdichteverteilung ultrakurzer Laserpulse den gegebenen physikalischen und chemischen Bedingungen des Werkstoffes für die Materialbearbeitung optimal anzupassen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, besonders die Amplitude und Phaseninformation des elektrischen Feldes des Laserpulses gezielt zu variieren, um das Optimum der Effizienz zu bestimmen. Der Optimierungsalgorithmus findet dann eine optimale Pulsform, unabhängig davon, ob man die theoretischen Hintergründe für die Pulsform und den Grund ihrer besonderen Eignung kennt oder nicht.
Erfindungsgemäß wird durch die strukturierte Formung des ultrakurzen Laserpulses im Zeitbereich eine zusätzliche Möglich- keit geschaffen, mit einem sehr geringen Energieeintrag sehr nahe der Zerstörschwelle Material räumlich eng begrenzt zu ablatieren, da dadurch die Energie auf das Innere des Brennflecks konzentriert wird, und nur dort ablatiert wird. Eine solche strukturierte Pulsformung eingesetzt zusammen mit ei- nem Objektiv hoher numerischer Apertur schafft die Voraussetzung für in Z-Richtung eng begrenzte Ablation, die weit geringer ist als die in der vorgenanten WO-Patentanmeldung angegebene, in der nur gesagt wird, dass die Lochtiefe kleiner als der Rayleigh Range ist, woraus ein Fachmann immerhin aber noch dieselbe Größenordnung wie der Rayleigh Range versteht. Das hier offenbarte Verfahren kann in vorteilhafter Weise Lochtiefen pro Laserschuss im Bereich weniger 10 nm erzielen.
Diese Lochtiefen sind damit um Größenordnungen kleiner als der Rayleigh Range, der im Bereich einiger Mikrometer liegt. Außerdem kann durch Anpassung der Energiestromdichtevertei- lung der Laserpulse für jeden einzelnen Prozessschritt, also nicht nur für den ersten Puls, sondern auch für die nachfolgenden, ein geringst möglicher Materialabtrag bei sehr geringer Lochtiefe garantiert werden, die etwa um den Faktor 10 kleiner ist als in der vorgenanten, nämlich in einem Z- Bereich von etwa 10 bis 30 Nanometern, was für ein Loch in biologisches Gewebe gemessen wurde.
Erfindungsgemäß wird die strukturierte Pulsformung erreicht durch Variation von Amplitude und Phase des eingestrahlten Laserpulses, so daß ein Optimum für die Ablation für die Ma- terialablation mit optimierter Effizienz computergesteuert gefunden werden kann.
In bevorzugter Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Wissensbasis in Form einer Datenbank oder dergleichen angelegt werden, bei dem für bestimmte, vorgewählte Materialien für jeden Prozessschritt, also bevorzugt für jeden einzelnen Puls die als optimal gefundene Pulsform gespeichert wird und in der Praxis aus dieser Datenbank herausgelesen werden kann.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Optimierung der zeitlichen Energiestromdichteverteilung der verwendeten Femtosekun- den-Laserpulse werden die Prozesswirkungsgrade bei der Mate- rialbearbeitung verbessert, wodurch sich eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit und eine erhöhte Qualität der Bearbeitung, insbesondere bei der Laser-Mikrostrukturierung im Nano- eterbereich mit wesentlich erhöhter räumlicher Präzision ergibt. Mittels der erfindungsgemäß bestimmten, optimierten La- serpulsform wird bei vorgegebenem, oft möglichst geringem E- nergieeintrag ein hoher Materialabtrag erreicht, so dass Mik- rostrukturierung von Material erzeugt werden kann, die im
Stand der Technik bislang nicht oder nur uneffizient zur Verfügung gestellt werden konnte. Beispielsweise können Materialvertiefungen mit einem Durchmesser von kleiner 1 Mikrometer und einer Tiefe von nur 10 bis 30 Nanometern erzeugt werden.
Das bei ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich und bei räumlich eng begrenztem Brennfleck erforderliche Dispersionsmanagement für den Laserpuls wird erfindungsgemäß durch eine Pulsformer-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, deren Einzelkomponenten im Stand der Technik vollständig bekannt sind, die jedoch erfindungsgemäß besonders ausgebildet sind.
Dabei wird ein halbsphärisch ausgebildeter Zylinderspiegel anstatt einer Linse verwendet, um den Pulsformer für die hohe Pulsleistung anzupassen. Desweiteren wird der geformte Laserpuls in besonderer Weise in den Strahlengang der Analysevorrichtung eingekoppelt, wie folgt:
Über ein Periskop wird die Strahlhöhe angepaßt und mit einem Einkoppelspiegel vor dem Objektiv wird der Laserstrahl in das Objektive eingekoppelt. Der Laserstrahldurchmesser ist so gewählt, dass von der Apertur des Objektives mindestens 30% der Laserstrahlleistung abgeschnitten wird. Dies garantiert ein praktisch ebene Wellenfront in der Einkopplung und damit die maximal beste räumliche Auflösung. Zwischen dem letzten Periskopspiegel und dem Einkoppelspiegel des Objektivs befinden sich entweder dichroitische oder polarisationsabhängige Strahlteiler zur Auskopplung des Analyselichtes.
Mit dem erfinderischen Konzept ist es möglich, kleinste Strukturen im Nanometerbereich abzutragen, wobei die für das jeweilige Material geringst mögliche Pulsenergie verwendet werden kann, wodurch das umliegende Material kaum oder über- haupt nicht verändert wird. Somit werden Kollateralschäden reduziert. Das erfinderische Verfahren ist nicht auf bestimm- te Materialien beschränkt anwendbar. Es wurde für anorganische und organische Materialien, insbesondere auch für biologische Gewebe erfolgreich getestet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders bevorzugter Weise auch für mehr- schichtig aufgebaute Materialstrukturen eingesetzt werden, bei denen sich die unterschiedlichen Schichten voneinander durch ihre chemische Zusammensetzung voneinander unterscheiden.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm, das die wesentlichen strukturellen Bestandteile eines erfindungsge- mäßen Versuchsaufbaus beinhaltet, wobei als Nachweisverfahren zur Überprüfung der Ablationseffi- zienz die laserinduzierte breakdown-Spektroskopie (LIBS) mit einer Auswertung der Plasmalumineszenz verwendet wird;
Fig. 2 eine schematische Abbildung, die den geschlossenen Kreislauf bei der computergestützten Optimierung des Femtosekundenpulsformers beinhaltet, und
Fig. 3 eine Schemazeichnung mit den wesentlichen strukturellen Bestandteilen eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, bei dem als optisches Nachweisverfahren zur Überprüfung der Ablationseffizienz die transiente Reflektionsspektroskopie eingesetzt wird. BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Mit Bezug zu Fig. 1 ist ein Femtosekunden-Lasersystem 10 mit einem Pulsformer 12 operativ verbunden, der einen Laserstrahl mit vordefinierten Eigenschaften verarbeitet und Laserpulse erzeugt, die bestimmte gewünschte Eigenschaften besitzen. Als Femtosekunden-Lasersystem 10 kommt beispielsweise das folgende in Frage:
Ein Femtosekunden-Lasersystem der Firma FEMTOLASERS Produktions GmbH des Typs FEMTOPOWER (Pulsdauer < 30 fs, Pulsenergie 800 μJ, Zentralwellenlänge 800 nm, Repetitionsrate 1 kHz) .
Die von dem Femtosekunden-Lasersystem 10 erzeugten Laserpulse werden in den Laserpulsformer 12 eingekoppelt. Der Pulsformer 12 ist computergesteuert. Das Femtosekunden-Lasersystem 10 und der Pulsformer 12 kann zusammen mit der Computersteuerung als funktionale Einheit gesehen werden, die Laserpulse mit jeweils unterschiedlich vorgebbaren zeitlichen Pulsformen im Femtosekunden- bis in den Pikosekundenbereich hinein, die auf einer Femtosekunden-Zeitskala moduliert sind, erzeugt. Fol- gende Pulseigenschaften können von dieser Einheit eingestellt werden:
die Pulsenergie, die für viele Anwendungen möglichst niedrig eingestellt werden soll; sie ist einstellbar zwischen wenigen Mikrojoule und einigen Millijoule; die spektrale Amplitude des Laserpulses; die Pulsdauer und vor allem die zeitliche Pulsstruktur, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung im Pikosekundenbereich bis etwa 25 Femtosekunden einstellbar ist, und damit die Pulsspitzenleistung, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bis mehrere Gigawatt einstellbar ist. Die von dem System mit den Bestandteilen 10 und 12 erzeugten Laserpulse werden mit einem Spiegel 16 umgelenkt und gehen durch einen Strahlteiler 26 ohne Ablenkung hindurch in eine Mikroskopvorrichtung hinein, die ein Objektiv 20 mit hoher numerischer Apertur aufweist. Die Einkopplungsstelle sitzt zwischen dem Okular (nicht gezeigt) und dem Objektiv 20. Das Objektiv 20 besitzt eine numerische Apertur von 0,4 bis 1,0 und einen Arbeitsabstand zwischen 10 mm und 0,1 mm.
Die Mikroskopvorrichtung fokussiert den durchgehenden intensiven Femtosekunden-Laserpuls auf einen Brennfleck sehr geringer Fläche auf der Oberfläche oder gegebenenfalls innerhalb (falls transparent) eines Werkstücks 22, dessen Materi- alstruktur bearbeitet werden soll. Das Werkstück 22 ist auf einem Verschiebetisch 24 der Mikroskopvorrichtung fest angebracht, der seinerseits über eine kommerziell erhältliche Verschiebetisch-Steuereinrichtung mit einem Computer 32 über eine Steuerleitung 38 verbunden ist. Der Verschiebetisch kann somit programmgesteuert durch den Computer 32 gezielt um sehr geringe Weglängen in X-, Y- und Z-Richtung verschoben werden, wodurch sich bei fest eingestellter Mikroskopvorrichtung der Brennfleck oder das Brennpunktvolumen auf der Probe verschiebt. Die minimalen, reproduzierbaren Verschiebungen lie- gen bei wenigen Nanometern.
Es gibt nun ein so genanntes Wechselwirkungsgebiet zwischen Laserpuls und Material. Durch das Bestrahlen des Werkstücks im Wechselwirkungsgebiet, das erfindungsgemäß auch nur ein kleiner zentraler Teilbereich des Brennfleck- oder Brennpunktvolumens sein kann, kommt es zu einem Materialabtrag. Ist die Pulsenergie hoch genug, so entsteht ein Elektronenplasma, dessen Quantität umso größer ist je mehr Material abgetragen wurde. Gemäß einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung wird nun das von dem oder mehreren ultrakurzen Laserpulsen mit vorgegebener Pulsform erzeugte Elektronenplasma als Messobjekt zur Berechnung einer Rückkopplungsgröße für eine programmgesteu- erte Ablationseffizienz-Optimierung verwendet, wobei die Rückkopplungsgröße die Effizienz der Ablationswirkung beschreibt.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die von dem Elektronenplasma ausgehende Strahlung gemessen und in obigem Sinne weiterverarbeitet.
Gemäß einem besonders bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird zum „Einsammeln" der vom Plasma erzeugten Strahlung dasselbe Objektiv 20 verwendet, das bereits zum Fokussieren des Laserpulses auf das Werkstück 22 verwendet wurde. Dies ist durch die Pfeile in Abbildung 1 zusätzlich kenntlich gemacht. Damit erreicht man vorteilhaft zweierlei:
Zum einen kann die Fokussierebene durch das Okular des Mikroskops mit dem Auge als erstes „Kontrollinstanz" kontrolliert werden, und zum anderen wird eine separate Optik zum Einfangen der Plasmastrahlung überflüssig.
Die von dem Plasma ausgehende und das .Objektiv in entgegengesetzter (zurück) Richtung durchlaufende Strahlung wird über den Strahlteiler 26 von dem einfallenden (hin) intensiven Femtosekunden-Laserlicht getrennt und über eine Sammellinsenanordnung 28 in eine Spektrometer-Anordnung 30 zur Messung der Ablationseffizienz fokussiert. Die im Spektrometer erzeugten Messdaten werden von dem bereits weiter oben erwähnten Computer über geeignete Datenverbindungen ausgelesen. Die jeweils verwendeten Steuerparameter für die Strukturierung des verwendeten Laserpulses und die im Spektrometer erzeugten Daten werden gegebenenfalls nach sinnvoller Aufbereitung vorzugsweise für jeden Puls gesondert in einem symbolisch darge- stellten Datenspeicher 33 gespeichert. Die vorerwähnten Steuerparameter für die Zusammensetzung des Laserpulses bilden zusammen mit den die Ablationseffizienz kennzeichnenden Daten die so genannten „Optimierungsdaten". Wenn nun ein Puls mit vordefinierten physikalischen Eigenschaften auf eine bestimmte Stelle eines Werkstücks 22 trifft, so hinterlässt es Spuren, die jeweils spezifisch sind, je nach eingestellten Steuerparametern und je nach Vorgeschichte des Werkstücks. Wenn beispielsweise dasselbe Werkstück an derselben Stelle bereits zehnmal von einem Laserpuls getroffen wurde, so wird die Ablationseffizienz des elften Pulses eine andere sein, als die, die beim ersten oder zweiten Puls gemessen wurde.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden nun bevorzugt für jeden Puls die entsprechenden Optimierungsdaten gespeichert, so dass die Ablationseffizienz trotz ihrer formelmäßig nur schwer oder gar nicht darstellbaren Komplexität trotzdem in ausreichender Weise erfasst wird. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden also empirische Daten gesammelt, um den Mangel auszugleichen, der sich daraus ergibt, dass die - entfernt—Effekte der aufeinander folgenden Laserpulse eine formelmäßige Erfassung und Berechnungsmöglichkeit der Steuerparameter für eine vorgegebene Ablationseffizienz verhindern.
Ein Optimierungsdatensatz für den aktuellen Puls kann nun folgende Daten beinhalten, die die aktuelle Einstellung des Gesamtsystems aus Lasersystem, Pulsformer und Mikroskop/Probe Anordnung, zusammen mit der erzielten Ablation eines bestimm- ten Materials charakterisieren: a) Material: Siliziumdioxid (Si02 ) b) Pulswellenlänge [nm] , c) Pulsenergie [J] , d) Pulsleistung [J/sec=Watt] , e) Gemittelte Pulsintensität auf Probe (Strahlungsflussdichte [Watt/cm2] f) Spektrale Amplitudenversteilung und Phasenfunktion des Laserpulses ermittelt über die Einstellung des kalibrierten Pulsformers. Hieraus ergibt sich die jeweilige optimale Pulsform der Laserpulse für den entsprechenden Prozeßbearbei- tungsschritt . f) Anzahl vorausgegangener Pulse (Schüsse) [], g) Pointer auf Datensatz des vorausgehenden Pulses, h) numerische Apertur des Objektivs, [] i) Arbeitsabstand zwischen Fokussierebene und Objektiv [mm] , j) gemessene Plasmalumineszenzintensität bei Rekombinationsspektrallinie A, k) gemessene Plasmalumineszenzintensität bei Rekombinationsspektrallinie B, 1) gemessene Plasmalumineszenzintensität bei Rekombinati- onsspektrallinie C, m) aus j,k,l (ggf mit weiteren Spektrallinien) zusammenge- fasste Kennzahl für Effizienz der Ablation; n) reflektierte Intensität [Watt/cm2] und spektrale Verteilung des Probelaserpulses, o) aus n) gebildete Kennzahl für Effizienz der Ablation; p) aus n) und j,k,l (ggf mit weiteren Spektrallinien) zusam- mengefasste Kennzahl für Effizienz der Ablation, falls die Plasmaluminszenz und die Reflexion des Analysestrahls am E- lektronenplasma gleichzeitig ausgewertet wird, q) die zeitliche Pulsverzerrung induziert durch die Dispersion des Mikroskopobjektivs.
Die vorerwähnten Optimierungsdaten dienen als Eingangsparameter für einen erfindungsgemäß vorgesehenen Optimierungsalgo- rithmus. Dieser Algorithmus bewertet die Optimierungsdaten und erzeugt im Allgemeinen einen neuen Satz von Steuerparametern für die Bildung eines abgeänderten Laserpulses. Dieser neue Puls unterscheidet sich von dem vorangegangenen Puls in einem oder mehreren seiner physikalischen Eigenschaften. Ins- besondere soll erfindungsgemäß die Amplitudeninformation und die Phaseninformation der einzelnen beteiligten spektralen Frequenzkomponenten des Pulses gezielt variiert werden, um eine jeweils neue, möglicherweise effizientere Pulsform zu erzeugen. Der Computer ist mit einem entsprechenden Gerätetreiber zur Ansteuerung des Femtosekunden-Lasersystems 10 und des Femtosekunden-Pulsformers 12 ausgestattet, die über entsprechende Steuerleitungen 34 und 36 angesteuert werden. Lasersystem 10 und Pulsformer 12 besitzen entsprechende Hardware- und Software-Schnittstellen, um die Laserpulse, getrieben durch die jeweils an den Eingangsports anliegenden Signa- le der Steuerparameter, so wie gewünscht zu formen.
Somit wird iterativ und aufbauend auf den Messdaten für die Ablationseffizienz in einem Iterationsdurchgang jeweils eine neue Pulsform erzeugt, mit der dann das Werkstück vorzugswei- se an einer anderen Stelle neu bestrahlt wird, wobei die neue Stelle möglichst denselben physikalischen und chemischen Zustand besitzen sollte, wie die alte.
Flg. 2 zeigt einen Iterationszyklus bestehend aus drei Teil- schritten, nämlich dem computergesteuerten Femtosekunden- Pulsform-Vorgang 40, der Messung der Ablationseffizienz 42 und Neudefinition 44 von Pulsformsteuerparametern, der computerunterstützt programmgesteuert abläuft. Diese Rückkopplungsschleife wird so lange iterativ durchlaufen, bis eine als optimal ansehbare Femtosekunden-Laserpulsform für einen jeweiligen Prozessschritt gefunden wurde. Dabei bezieht sich die optimale Pulsform vorzugsweise auf denselben Prozessschritt. Ein Prozessschritt ist durch einen Optimierungsdatensatz definiert und damit reproduzierbar.
Prozessschritt 1 kann also auf unbearbeitetes Material, das heißt, ohne jegliche vorherige Bestrahlung durch Laserpulse bezogen sein, Prozessschritt 2 kann erfindungsgemäß definiert sein als zweiter Laserpuls auf dasselbe Material wie im ers- ten Laserpuls, wobei der erste Laserpuls die oben erwähnten physikalischen Eigenschaften besaß. Prozessschritt 3 schleppt dann die Informationen aus Prozessschritt 2 beziehungsweise
Prozessschritt 1 mit, usw. Datentechnisch kann dies durch einen verkettete Liste, oder einen „Array" dargestellt werden.
Mit Bezug zurück zu Fig. 1 kann das Werkstück 22 computergesteuert über den Computer 32 und die Steuerleitung 38 durch Ansteuerung des Verschiebetisches 24 gezielt und genau definiert in X-, Y-, Z-Richtung verschoben werden. Eine gefundene optimale Femtosekunden-Laserpulsform hat eine zeitliche Ener- giestromdichteverteilung auf einer Femtosekunden-Zeitskala, die zu einem effizienten Materialabtrag bei einer jeweils vorgegebenen Pulsenergie führt.
Es sollte angemerkt werden, dass die oben geschilderte Opti- mierung bei der Pulsformung für jeden Prozessschritt und für jedes darstellbare Material ermittelt werden kann und erfindungsgemäß in einer Art Bibliothek abgelegt werden kann. Eine solche Wissensdatenbasis kann dann auf einem handelsüblichen Datenträger wie etwa einer CD-ROM oder DVD gespeichert sein, oder (gegen Entgelt) über Internet verfügbar gemacht werden, um damit als Prozesssteuerung für in Realzeit ablaufende Materialbearbeitungsprozesse in der industriellen Anwendung dienen zu können. Eine solche Bibliothek wird dann in Echtzeit sukzessive ausgelesen und die Femtosekunden- Laserpulsformen, die als optimiert abgespeichert worden sind, stehen in Echtzeit für jeden spezifischen Bearbeitungsschritt zur Verfügung. Durch geeignete Indexierung bestimmter Datenfelder in dem oben bezeichneten Optimierungsdatensatz, etwa oben a) das Material betreffend, oder f) Anzahl vorausgegan- gener Pulse (Schüsse) [] betreffend, oder g) Pointer auf Datensatz des vorausgehenden Pulses betreffend, kann ein genügend schneller Zugriff auf die für einen jeweiligen Puls gewünschten, optimierten Steuerparameter realisiert werden.
Im Folgenden werden zwei bevorzugte Nachweisverfahren zur Ü- berprüfung der Ablationseffizienz geschildert, die im Zusa - menhang mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendet werden können. Wenn in Fig. 1 die von dem Elektronenplasma emittierte Plasmalumineszenz beim Rekombinieren des Plasmas mit bei der Bestrahlung frei gewordenen Ionen gemessen wird, so können elementspezifische Aussagen getroffen werden, da die Ionen der einzelnen chemischen Elemente jeweils spezifische Lumineszenzstrahlung während ihres Rekombiniervorgangs emittieren. Je höher der jeweilige Lumineszenzpeak ist, desto mehr Ionen des betreffenden chemischen Elementes haben rekom- biniert, woraus geschlossen werden kann, dass ein größerer Peak im Spektrum auch einem intensiveren Materialabtrag des betreffenden Elementes entspricht. Des weiteren können durch Kombination mit anderen Messverfahren nicht nur relative Aussagen getroffen werden, sondern auch, wenn eine entsprechende Kalibrierung der Plasmalumineszenzstrahlung erfolgt ist, die entsprechenden quantitativen Aussagen, etwa dergestalt, dass eine relativ genau definierte Anzahl von Ionen eines bestimmten chemischen Elements bei einem Peak bestimmter Größe rekombiniert haben muss.
Wenn, wie in bevorzugter Weise in Figur 1 dargestellt, dasselbe Objektiv, das auch den intensiven Femtosekunden- Laserpuls fokussiert, zum Einsammeln der Elektronenplasmalu- mineszenzstrahlung verwendet wird, so wird vorzugsweise ein Strahlteiler 26, wie in Fig. 1 eingezeichnet, eingesetzt, um das Lumineszenzlicht vom einstrahlenden Laserpuls zu trennen. Die Plasmalumineszenzstrahlung wird dann nach ihrer Trennung vom Laserpuls durch eine geeignete Optik 28, etwa eine Sammellinse mit vordefinierter Brennweite in das Spektrometer 30 geführt.
Mit ergänzendem Bezug zu Fig. 3 wird im Folgenden eine weitere Möglichkeit vorgestellt, das Elektronenplasma auszuwerten, wobei diese Methode insbesondere für geringe Pulsenergien des auf die Materialprobe einfallenden Laserpulses geeignet ist. Ein experimenteller Aufbau kann im Wesentlichen, wie in Fig.
1 dargestellt und weiter oben beschrieben, dargestellt sein. Im Folgenden werden insbesondere die spezifischen Unterschiede hierzu im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben.
Zwischen Femtosekunden-Lasersystem 10 und Femtosekunden- Pulsformer 12 ist ein optisches Element geschaltet, das den vom Lasersystem 10 ausgehenden, und in P-Richtung polarisierten intensiven Femtosekunden-Laserpuls aufspaltet in einen starken Teilstrahl, der verwendet wird, wie oben in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde, und in einen im Verhältnis dazu schwachen so genannten Probelaserpuls, der ebenfalls eine Pulsdauer im Femtosekundenbereich besitzt. Der schwache Probelaserpuls 56 wird an einem Spiegel 54 umgelenkt, durch einen Polarisationsfilter 58 in seiner Polarisationsrichtung um 90 Grad gedreht, an einem weiteren Spiegel 60 umgelenkt und durch ein für ihn durchlässiges dichroitisches Element 62 sowie dichroitisches Element 52 durch dasselbe Mikroskop und dasselbe Objektiv 20 auf dasselbe Wechselwirkungsgebiet wie der intensive Laserpuls, der ergänzend mit Bezugszeichen 51 bezeichnet ist, fokussiert.
Der intensive Laserpuls 51 erzeugt wieder das Elektronenplasma. Der oben erwähnte schwache Probelaserpuls 56 ist zeitlich verzögert relativ zum intensiven Laserpuls und besitzt eine um 90 Grad gedrehte Polarisationsrichtung. Noch bevor es zu Relaxationsprozessen kommen kann, das heißt innerhalb weniger Pikosekunden nach Auftreffen des intensiven Laserpulses im Wechselwirkungsgebiet, beleuchtet der zeitlich verzögerte Probelaserpuls das Elektronenplasma. Die zeitliche Verzögerung erfolgt über die vordefinierte Verzögerungsstrecke, die begrenzt ist durch ein strahltrennendes Element 50 und ein dichroitisches Element 52. Nun wird der Rückreflex des Probelaserpulses, der durch Spiegelung am Elektronenplasma gewon- nen wird, mit dem Spektrometer 30 gemessen. Dabei erfolgt die Trennung von intensivem Laserpuls und schwachen Probelaser- puls beispielsweise durch die in der Figur gezeigte Polarisationstrennung. Aufgrund der unterschiedlichen spektralen Verteilung des Probelaserpulses vor beziehungsweise nach seiner Reflektion am Elektronenplasma kann die Elektronendichte be- rechnet werden, wie es im Stand der Technik für transiente Reflektionsspektroskopie bekannt ist.
Auch hier wird in bevorzugter Weise das reflektierte Spektrum mit dem Spektrometer für jeden erfolgten „Laserschuss" des intensiven Laserpulses ausgemessen, so dass die Elektronendichte jedes einzelnen Laserschusses bestimmt werden kann. Diese Information wird vom oben beschriebenen Optimierungsalgorithmus in ähnlicher Weise wie die Intensität eines Peaks im Plasmalumineszenzspektrum ausgewertet.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können in vorteilhafter Weise unter Verwendung eines Pulsformers durchgeführt werden, wie er in einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung derselben Anmelderin mit dem Titel „Hochleistungspulsformer in Kompakt- bauweise" oder in einer Veröffentlichung der Universität
Würzburg, Deutschland: „Tobias Brixner: „Adaptive Femtosecond Quantum Control", Julius Maximilian Universität, Würzburg, 2001", offenbart ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.

Claims

Adaptive, rückkopplungsgesteuerte Materialbearbeitung mit ultrakurzen LaserpulsenPATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur mikrostrukturierten ablativen Bearbeitung von Material (22), das eine vorbestimmte Anzahl charakteris- tischer Materialeigenschaften aufweist, wobei die Bearbeitung des Materials in einem oder mehreren aufeinander folgenden Prozessschritten erfolgt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) systematisches Erfassen der Materialeigenschaften und der Prozessschritte, b) Ermitteln derjenigen Pulsform von ultra-kurzen Laserpulsen (Femtosekundenbereich) , die aa) für einen jeweiligen Prozessschritt, und bb) für die in einem jeweilig vorhandenen Prozessschritt vor- liegenden Materialeigenschaften für eine effiziente Materialbearbeitung definiert und ange- passt ausgewählt sind, c) 'Beaufschlagen des Materials (22) mit ultra-kurzen, der Ma- terialablation dienenden Laserpulsen (14) der jeweils ermit- telten Pulsform.
2. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, bei dem wenigstens eine der folgenden Materialeigenschaften verwendet werden: a) chemische Eigenschaften des Materials, b) physikalische Eigenschaften des Materials.
3. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, weiter enthaltend die Schritte: a) Positionieren des Fokus des Ablationspulses (14) mit dem
Objektiv (20) einer Lichtmikroskopvorrichtung und einer Puls- formvorrichtung (12) (Puls-shaper) , b) Verändern der Position des Laserfokus und erneutes Beaufschlagen des Materials mit ultra-kurzen, der Materialablation dienenden Laserpulsen der jeweils ermittelten Pulsform.
4. Verfahren zum Erfassen der Effizienz von ultrakurzen Laserpulsen (14) für die materialspezifische Ablation, wobei die Ablation in einer Folge von mehreren, zeitlich aufeinander folgenden Prozessschritten durchgeführt wird, enthaltend die Schritte: a) Bestrahlen des Materials (22) mit ultra-kurzen, der Materialablation dienenden Laserpulsen (14) einer vordefinierten (44) Pulsform, wobei die Bestrahlung ein Elektronenplasma erzeugt, b) Verwenden (42) des erzeugten Elektronenplasmas oder der Plasmalumineszenz als Messobjekt zur Berechnung einer Rückkopplungsgröße für eine programmgesteuerte Ablationseffizien- zoptimierung (40, 42, 44), wobei die Rückkopplungsgröße die Effizienz der Ablationswirkung beschreibt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
c) Variieren (40) der zeitlichen Energiestromdichteverteilung des elektrischen Feldes des Ablationspulses (14) als Steuerparameter für die Gestaltung der Pulsform eines iterierten, prozesschrittspezifischen Ablationspulses nach einem vorgegebenen Algorithmus, d) Speichern von Optimierungsdaten, die die Steuerparameter und die jeweils zugehörige Ablationseffizienz kennzeichnen, e) Wiederholen der Schritte a) bis d) in einer Iteration, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium für die Iteration erfüllt ist, f) gesondertes Kennzeichnen derjenigen Optimierungsdaten, die einer Ablation mit vorgegebener Mindesteffizienz entsprechen.
5. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Ablationseffizienzoptimierung (40, 42, 44) für jeden der aufein- ander folgenden Prozessschritte separat durchgeführt wird, wobei für den jeweils aktuellen Prozessschritt der oder die vorangegangenen Prozessschritte mit berücksichtigt sind.
6. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch 4, wobei die Ablationseffizienz durch die Plasmalumineszenz direkt bewertet wird oder Rekombinationslinien Verwendung finden, die entstehen, wenn freie Elektronen mit bei der Bestrahlung frei gewordenen Ionen rekombinieren.
7. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch 4, wobei das Verwenden des erzeugten Elektronenplasma oder der Plasmalumineszenz als Messobjekt die Schritte enthält: a) Leiten eines zeitlich zum Ablationspuls (14) verzögert ausgesendeten, in Relation zum Ablationspuls energieschwachen Analyselaserpulses (56) auf das Plasma, b) spektrometrisches Messen des an dem Plasma reflektierten Analysepulses .
8. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Messen durch einen Analysepuls (56) erfolgt, der mit verschieden gerichteter Polarisation relativ zur Polarisation eines kurz zuvor an demselben Material bestrahlten Ablationspulses erfolgt.
9. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Polarisationsrichtung des Analysepulses senkrecht zu der des Ablationspulses liegt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Steuerparameter zur Definition der Pulsform des Ablati¬ onspulses (14) wenigstens eine Untermenge der folgenden Parameter verwendet werden: a) die optische Weglänge der einzelnen Frequenzkomponenten des Pulses, b) die Intensität der einzelnen Frequenzkomponenten des Pul- ses .
11. Vorrichtung enthaltend Einrichtungen zur Durchführung der Schritte des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprü- ehe.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2871080A1 (fr) * 2004-06-08 2005-12-09 Guy Semon Procede de fabrication d'organes micromecaniques et nanomecaniques a l'aide d'un laser a impulsions courtes
WO2005123324A1 (fr) * 2004-06-08 2005-12-29 Tag Heuer Sa Procede de fabrication d’une piece micro- ou nanomecanique par une etape d’ablation laser a l’aide d’un femtolaser
WO2007142788A2 (en) * 2006-05-30 2007-12-13 Eastman Kodak Company Laser ablation resist
WO2008095465A1 (de) 2007-02-08 2008-08-14 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zur oberflächenverfestigung metallischer bauteile
CN100446909C (zh) * 2006-12-08 2008-12-31 华中科技大学 不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法
CN103900998A (zh) * 2014-03-21 2014-07-02 中国科学院近代物理研究所 精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪及其方法
WO2020035537A1 (de) 2018-08-16 2020-02-20 Dittmar Guenter Verfahren zur überwachung eines materialbearbeitungsprozesses eines werkstückes mit einem laserstrahl und vorrichtung
AT526712A1 (de) * 2022-11-24 2024-06-15 Trotec Laser Gmbh Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Parameters eines Lasergerätes, insbesondere Laserplotters, mittels LIBS (Laser Induced Breakdown Spektroscopy) zur Bearbeitung eines Werkstücks, sowie Lasergerät hierzu

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005039833A1 (de) * 2005-08-22 2007-03-01 Rowiak Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Materialtrennung mit Laserpulsen

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4320408A1 (de) * 1993-06-21 1994-12-22 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Prozeßkontrolle und -regelung bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit gepulster Laserstrahlung
WO1995027587A1 (en) * 1994-04-08 1995-10-19 The Regents Of The University Of Michigan Method for controlling configuration of laser induced breakdown and ablation
US5720894A (en) * 1996-01-11 1998-02-24 The Regents Of The University Of California Ultrashort pulse high repetition rate laser system for biological tissue processing
US5969335A (en) * 1996-09-20 1999-10-19 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Laser control system for use in laser processing machine utilizing laser-induced plasma detecting system
WO2000067003A1 (en) * 1999-05-03 2000-11-09 The Regents Of The University Of California Composition analysis by scanning femtosecond laser ultraprobing (casflu)
US6268586B1 (en) * 1998-04-30 2001-07-31 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for improving the quality and efficiency of ultrashort-pulse laser machining
WO2001083155A1 (de) * 2000-04-27 2001-11-08 Laser Zentrum Hannover E.V. Laser-bearbeitung von materialien
WO2002016070A2 (en) * 2000-08-21 2002-02-28 National Research Council Of Canada Methods for creating optical structures in dielectrics using controlled energy deposition from a femtosecond laser

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19717912A1 (de) * 1996-04-24 1997-11-13 Optikzentrum Nrw Gmbh Oz Verfahren zur Strukturierung von Oberflächen
WO2002061799A2 (en) * 2001-01-30 2002-08-08 Board Of Trustees Operating Michigan State University Control system and apparatus for use with laser excitation or ionization

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4320408A1 (de) * 1993-06-21 1994-12-22 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Prozeßkontrolle und -regelung bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit gepulster Laserstrahlung
WO1995027587A1 (en) * 1994-04-08 1995-10-19 The Regents Of The University Of Michigan Method for controlling configuration of laser induced breakdown and ablation
US5720894A (en) * 1996-01-11 1998-02-24 The Regents Of The University Of California Ultrashort pulse high repetition rate laser system for biological tissue processing
US5969335A (en) * 1996-09-20 1999-10-19 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Laser control system for use in laser processing machine utilizing laser-induced plasma detecting system
US6268586B1 (en) * 1998-04-30 2001-07-31 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for improving the quality and efficiency of ultrashort-pulse laser machining
WO2000067003A1 (en) * 1999-05-03 2000-11-09 The Regents Of The University Of California Composition analysis by scanning femtosecond laser ultraprobing (casflu)
WO2001083155A1 (de) * 2000-04-27 2001-11-08 Laser Zentrum Hannover E.V. Laser-bearbeitung von materialien
WO2002016070A2 (en) * 2000-08-21 2002-02-28 National Research Council Of Canada Methods for creating optical structures in dielectrics using controlled energy deposition from a femtosecond laser

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2871080A1 (fr) * 2004-06-08 2005-12-09 Guy Semon Procede de fabrication d'organes micromecaniques et nanomecaniques a l'aide d'un laser a impulsions courtes
WO2005123324A1 (fr) * 2004-06-08 2005-12-29 Tag Heuer Sa Procede de fabrication d’une piece micro- ou nanomecanique par une etape d’ablation laser a l’aide d’un femtolaser
WO2007142788A2 (en) * 2006-05-30 2007-12-13 Eastman Kodak Company Laser ablation resist
WO2007142788A3 (en) * 2006-05-30 2008-05-22 Eastman Kodak Co Laser ablation resist
US7867688B2 (en) 2006-05-30 2011-01-11 Eastman Kodak Company Laser ablation resist
CN100446909C (zh) * 2006-12-08 2008-12-31 华中科技大学 不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法
WO2008095465A1 (de) 2007-02-08 2008-08-14 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zur oberflächenverfestigung metallischer bauteile
CN103900998A (zh) * 2014-03-21 2014-07-02 中国科学院近代物理研究所 精确靶点定位的激光诱导击穿光谱元素分析仪及其方法
WO2020035537A1 (de) 2018-08-16 2020-02-20 Dittmar Guenter Verfahren zur überwachung eines materialbearbeitungsprozesses eines werkstückes mit einem laserstrahl und vorrichtung
AT526712A1 (de) * 2022-11-24 2024-06-15 Trotec Laser Gmbh Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Parameters eines Lasergerätes, insbesondere Laserplotters, mittels LIBS (Laser Induced Breakdown Spektroscopy) zur Bearbeitung eines Werkstücks, sowie Lasergerät hierzu

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