WO2007022948A2 - Vorrichtung und verfahren zur materialtrennung mit laserpulsen, mit energie eines laserpuls kleiner als die energie eines laserpuls zum erzeugung einer materialtrennung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur materialtrennung mit laserpulsen, mit energie eines laserpuls kleiner als die energie eines laserpuls zum erzeugung einer materialtrennung Download PDF

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laser
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energy
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Tammo Ripken
Christian Rathjen
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the invention relates to a method for material separation by means of a laser, in which a sequence of laser pulses is generated and a material region to be separated is irradiated with the sequence of laser pulses.
  • Another aspect of the invention is a material separation apparatus comprising means for generating a sequence of laser pulses
  • laser pulses in particular ultra-short laser pulses with a laser pulse duration in the range of about 10 ⁇ 15 s and 5 x 10 "10 s high-precision for the purpose laser microstructuring is known.
  • ultra-short laser pulses can be used for cutting, for removing and structuring material (eg metallic materials), for removing and structuring and for changing material properties (eg the change of refractive indices in FIG Glass).
  • material eg metallic materials
  • material properties eg the change of refractive indices in FIG Glass
  • EP 1 284 839 A1 and US Pat. No. 6,787,733 W2 describe a method for the laser processing of materials, in which an online control of the processing result is carried out in order to optimize the material processing and to avoid unnecessary wanted to minimize side effects. Although this method allows on-line control of the machining process and also allows side effects to be observed, it can not be avoided with this method that surrounding material areas besides the area to be processed are influenced by the laser radiation.
  • Photodisruption occurs when light is focused to intensities on the order of 10 11 to 10 12 W / cm 2 . At such high intensities almost every kind of matter is suddenly ionized due to multiphoton absorption (plasma generation). If this process takes place in transparent material, it is called an 'optical' breakthrough.
  • the laser pulse duration ie the exposure time of the laser radiation is also of crucial importance with regard to the thermal damage to the irradiated material. If the irradiation duration of the laser is so short that no significant amount of thermal energy is lost by thermal diffusion from the absorption volume during irradiation, this is referred to as thermal confinement 1 .
  • ⁇ optical penetration into the irradiated material in the case of disruption in transparent media corresponds to ⁇ the extent of the non-linear absorption zone
  • the thermal influence zone which the laser pulse exerts on the irradiated material is determined mainly by the optical penetration depth ⁇ . With a significantly longer laser pulse duration than ⁇ R, the thermal influence zone acts beyond the optical penetration depth due to the heat diffusion.
  • the invention makes use of the knowledge that it is not necessarily necessary to introduce the total energy required for the separation in a location with a single laser pulse. Instead, this total energy can be introduced by a plurality of laser pulses, which are generated for example by one and the same laser and are introduced successively to the same location of the separation area. In this way it is possible to achieve material processing by means of a plurality of successive laser pulses with low laser pulse energy and in this case to avoid damage to the irradiated material in the surrounding area.
  • the energy for material separation that is, the total energy that is at least required to achieve a material separation
  • the laser pulse energy can be reduced by reducing the laser pulse intensity and / or the laser pulse duration.
  • the laser pulse intensity and / or the laser pulse duration in the method according to the invention is lower than the laser pulse intensity and / or the laser pulse duration which is required in conventional technology in order to achieve material separation. In this way, a laser pulse energy reduction can be easily achieved.
  • the irradiated area of two or more temporally successive laser pulses of the sequence of laser pulses spatially overlaps.
  • the laser pulse energy of two or more laser pulses is introduced into the overlap region and can thus result in a total energy in the addition, which achieves material separation.
  • This finding is based on the previous approach, as far as possible spatially and temporally spaced from the laser pulses to separate the thermal influence of each laser pulse from that of a subsequent laser pulse, and achieves a reduction of the undesirable mechanical and thermal influence of the overlap by at the same time the laser pulse energy of each individual laser pulse is reduced.
  • the irradiated area of two or more temporally successive laser pulses of the sequence of laser pulses is spatially 100% or in the range between 10% and 100%, preferably 70% to 99%, in particular 92% -99%.
  • the intersection of the laser pulses basically depends on the diameter of the laser beam in the focus (focus beam diameter), the laser pulse repetition frequency and the relative feed rate between the material to be cut and the laser.
  • the overlap in percent is defined in this context as
  • Laser pulse repetition frequency x focus beam diameter The given values are suitable for material separation of a large number of different materials.
  • the spatial overlap of 100% For example, it can be designed so that two or more laser pulses overlap 100%, following which the laser beam is moved relative to the processed material and then two or more laser pulses are emitted, which overlap 100%.
  • this discontinuous feed it is advantageous for many applications if a continuous feed movement takes place and this is adjusted so that, given a laser pulse repetition frequency and diameter of the laser beam in focus, an overlap of 70-99%, in particular 92% -99%, is achieved.
  • the laser pulse energy, the laser pulse intensity, the dimensions of the focus range and / or the laser pulse duration of a single laser pulse, the laser pulse repetition frequency of the sequence of laser pulses and / or the feed rate between the laser beam and the material to be processed are preset as a function of the material properties.
  • An important size of the focus area to be preset is, for example, often the diameter of the laser beam in the focus or the length of the focus area in the beam direction, which i.a. is influenced by the aperture.
  • the optimal parameters depend on the material properties of the material to be processed, in particular on the heat diffusion constant and the relaxation time of the material. In principle, it is advantageous, for example, to set higher laser pulse repetition frequencies at high heat diffusion constants than at low heat diffusion constants. There is a reverse relationship between the relaxation time and the laser pulse repetition frequency: With long relaxation times, lower laser pulse repetition frequencies can be regularly selected than with short relaxation times.
  • the laser pulse repetition frequency of the sequence of laser pulses is so high that within a material-specific period of time of the material to be separated, for example the thermal relaxation time, at least two laser pulses are delivered to the material to be separated.
  • the laser pulse energy of the two laser pulses emitted within the material-specific period of time can accumulate and effect a material separation.
  • the thermal and mechanical damage be reduced by the fact that a plurality of laser pulses are delivered within the material-specific period of time on a region of the material to be separated and the energy of each of these laser pulses is chosen correspondingly low, precisely to bring through this plurality of laser pulses required for a material separation, accumulated total energy.
  • the laser pulse repetition frequency is greater than 10 Hz, in particular greater than 50 Hz and is preferably between 100 Hz and 50 MHz. These laser pulse repetition frequency ranges already cause a noticeable reduction of the required laser pulse energy per laser pulse and can thus significantly reduce the mechanical damage.
  • the ultimately decisive size that is to say the number of laser pulses introduced at a material processing location or the overlapping, can be influenced by varying the correspondingly different parameters.
  • this number can be increased individually by reducing the feed rate, increasing the diameter of the laser beam in focus or increasing the Laserpuls hailfre- frequency, if the corresponding two other parameters are kept constant.
  • the laser pulse energy, the laser pulse intensity, the dimensions of the focus area, the laser pulse duration of a single laser pulse, the laser pulse repetition frequency of the sequence of laser pulses and / or the feed rate between the laser beam and the material to be processed during the machining process is changed.
  • the laser pulse energy is set as a function of the predetermined or set laser pulse repetition frequency and / or feed rate. Such adjustment may be automatic or manual by the user.
  • a first laser pulse energy is set at a first laser pulse repetition frequency and at a second laser pulse repetition frequency which is higher than the first laser pulse repetition frequency, a second laser pulse energy is set which is lower than the first laser pulse energy.
  • a second laser pulse energy is set which is lower than the first laser pulse energy.
  • the laser pulse repetition frequency is set automatically as a function of the laser pulse energy, or the laser pulse energy is set automatically as a function of the laser pulse repetition frequency,
  • Laser pulse energy and / or laser pulse repetition frequency can be set automatically depending on the feed rate, or laser pulse repetition frequency, laser pulse energy and / or feed rate are automatically adjusted depending on at least one material property of the material to be separated.
  • a further aspect of the invention consists in a method of the type mentioned above or in which, in the starting region of the separation process, the total energy introduced to a location of the material to be processed is higher than in a region in the further course of the separation process.
  • This refinement is based on the recognition that to achieve an initial material separation in a material, a higher total energy is required in order to achieve a first material separation effect and consequently a lower total energy is required to maintain and expand this initial material separation. It is therefore advantageous to lower the laser pulse energy after an initially high level in the start region of the separation process to achieve the initial material separation to a lower level, which is sufficient for maintaining and continuing the initial material separation, in this way the damage along the parting line or Minimize separation area.
  • the laser pulse energy, the laser pulse repetition frequency and / or the number of laser pulses emitted to a location of the material is higher and / or the feed rate between the laser beam and the material to be processed is lower than in the further course of the separation process.
  • the laser pulse energy is composed of the laser pulse intensity and the laser pulse duration.
  • a higher laser pulse intensity can be set than in the region of the further course of the separation process to maintain and continue the separation.
  • the laser pulse duration in the starting region could be increased and lowered in the further course and / or the laser pulse repetition frequency in the starting region could be increased and lowered in the further course.
  • a further development of the method consists in the fact that the laser pulse intensity and / or the laser pulse duration of a single laser pulse is higher in the starting region of the separation process than in an area in the further course of the separation process.
  • This process development can likewise carry out the initial separation with high laser pulse energy and the further separation with lower laser pulse energy, but with variation of other parameters than in the previously described embodiment.
  • the method according to the invention if the laser pulse duration is less than ten picoseconds, in particular less than one picosecond.
  • the laser beam processing in the femtosecond range thus achieved permits particularly advantageous laser pulse energy rates and laser pulse repetition frequencies for a large number of materials and avoids undesired damage overall.
  • the method according to the invention when the laser beam is focused, preferably with an optical system with a numerical aperture which is at least so large that a material separation is achieved under the surface of a semi or completely transparent material, without Material areas above or below the separation area are damaged.
  • an optical system with a numerical aperture which is at least so large that a material separation is achieved under the surface of a semi or completely transparent material, without Material areas above or below the separation area are damaged.
  • the separation process is observed and if the separation efficiency is reduced, the introduced total energy is increased by changing one of the parameters relevant for the separation performance, as previously enumerated.
  • the direct optical or sensory observation of the section are understood or even the observation or monitoring of technical parameters, such as device performance data, by a user or automatically to conclude from a change of these parameters to a modified separation performance.
  • Another aspect of the invention is a device of the type mentioned, which is formed according to the invention by the means for generating a sequence of laser pulses are formed so that the laser pulse energy of a single laser pulse of the sequence of laser pulses is smaller than the laser pulse energy, the to produce a material separation with an isolated laser pulse in the area irradiated with the single laser pulse of the sequence of laser pulses is required. In this way it is possible to keep the laser pulse energy of a single laser pulse in a low range and thereby achieve a material separation with the method according to the invention.
  • the advantages and effects of the device thus formed reference is made to the previous description of the correspondingly formed method.
  • the device according to the invention can be developed by the means for generating the sequence of laser pulses are formed in order to reduce the laser pulse energy by reducing the laser pulse intensity and / or the laser pulse duration.
  • the device according to the invention can be further developed by feed means for generating a relative movement between the laser beam and the material to be separated and means for generating a laser pulse repetition frequency, which cooperate such that the irradiated area of two temporally successive laser pulses of the sequence of laser pulses spatially overlaps.
  • the invention advantageously overlap at least two successive laser pulses is achieved.
  • the feed means are preferably designed such that they can be operated in dependence on the laser pulse repetition frequency.
  • the feed means and the means for generating a laser pulse repetition frequency cooperate so that the irradiated area of two successive laser pulses of the sequence of laser pulses spatially to 100% or in the range between 10% and 100%, preferably at 70% to 99%, preferably 92% to 99%, overlaps.
  • control means for adjusting the laser pulse energy, the laser pulse intensity and / or the laser pulse duration of a single laser pulse, the laser pulse repetition frequency of the sequence of laser pulses, the dimensions of the focal range of the laser beam at the processing location, for example the diameter of the laser beam in focus and / or the feed rate between the laser beam and the material to be processed depending on the material properties available.
  • control means may be automatically actuated by the apparatus one of the parameters in response to other parameters or may be operated manually by a user.
  • control means are designed so that the laser pulse repetition frequency of the sequence of laser pulses is so high that within a material-specific period of time, for example, the thermal relaxation time of the material to be separated, at least two laser pulses are delivered to the material to be separated.
  • a material-specific period of time for example, the thermal relaxation time of the material to be separated
  • control means may be designed so that the laser pulse repetition frequency greater than 10Hz, in particular greater than 50Hz and preferably between 100Hz and 50MHz is adjustable.
  • control means are designed to change at least one of the six previously enumerated parameters during the machining operation. In this way the total energy and / or the laser pulse energy can be adjusted depending on the material properties or other parameters of the cutting process ,
  • the control means may preferably be designed so that
  • the laser pulse repetition frequency is set automatically as a function of the laser pulse energy, or the laser pulse energy is set automatically as a function of the laser pulse repetition frequency,
  • Laser pulse energy and / or laser pulse repetition frequency can be set automatically as a function of process speed, or laser pulse repetition frequency, laser pulse energy and / or feed rate are automatically adjusted depending on the at least one material property of the material to be separated.
  • control means are designed to control at least one of the six previously enumerated parameters (laser pulse repetition frequency, laser pulse energy, laser pulse intensity, laser pulse duration, focus dimension and feed rate) in such a way that in the starting region of the separation process total energy input is higher than in an area in the further course of the separation process.
  • control means are designed to increase the laser pulse energy, the laser pulse repetition frequency and / or the number of laser pulses delivered to a location of the material in the starting region and / or the feed rate between the laser beam and the laser to adjust the material to be processed less than later in the separation process.
  • control means are designed to set the laser pulse intensity and / or the laser pulse energy of a single laser pulse higher in the start region of the separation process than in the further course of the separation process.
  • the means for generating a sequence of laser pulses are designed to produce a laser pulse duration of less than 10 picoseconds, preferably less than 1 picosecond.
  • the device according to the invention can be developed by focusing means for focusing the laser beam, preferably with an optical system having a numerical aperture which is at least large enough to achieve material separation below the surface of a semi or completely transparent material, without Material areas above or below the separation area are damaged.
  • the device according to the invention can be developed by an observation device for observing the separation process, which cooperates with the means for generating a sequence of laser pulses, the means for guiding the laser pulses to a material region to be separated and / or the feed means so that upon release of the separation performance the introduced total energy is increased by changing at least one of the six aforementioned parameters.
  • observation device for observing the separation process which cooperates with the means for generating a sequence of laser pulses, the means for guiding the laser pulses to a material region to be separated and / or the feed means so that upon release of the separation performance the introduced total energy is increased by changing at least one of the six aforementioned parameters.
  • FIG. 1 a diagram which shows the relationship between the pulse energy to be introduced for a material separation and the laser pulse repetition frequency
  • FIG. 2 shows a diagram which shows the relationship between the laser pulse energy required for the beginning of a material separation and the laser pulse energy required for the continuation of the material separation to the laser pulse overlap in the range from -100% to + 100%
  • FIG. 3 a diagram which shows the relationship between the laser pulse energy required for material separation and the laser pulse overlap in the range from 92% to 100%
  • FIG. 4 a schematic representation of a line material separation with a laser pulse overlap of 50%
  • Figure 5 A schematic representation of a line material separation with a variable laser pulse overlap in the starting area and in the further course of the separation process.
  • this graph which was determined in region A with a laser pulse duration of 150 fs, a wavelength of 780 nm and an aperture of 0.6, and in region B with a laser pulse duration of about 15 fs, a wavelength of 800 nm and an aperture of 0.5, it can be seen that an energy of approximately 45 nJ is required at a laser pulse repetition frequency of 1 Hertz in order to achieve material separation. This required energy decreases with increasing laser pulse repetition frequency and reaches a value of less than 5 nJ at a laser pulse repetition frequency of 1 MHz.
  • FIG. 2 shows the dependence of the laser pulse energy required for the beginning of a material separation ("beginning of the cut") and the laser pulse energy required at least for the continuation of the material separation ("cutting of the cut") to the laser pulse overlap in the range of -100% to + 100%. shown.
  • a negative pulse overlap means that an unirradiated material region remains between two adjacent pulses which, for example, corresponds exactly to the focus diameter at -100% pulse overlap.
  • a material 10 to be separated is shown and a sequence of single laser pulses 1-9 which serve to separate this material.
  • the single laser pulses are shown schematically in the shape of their focus area.
  • the Einzelellaserpulse 1-9 are applied in a time sequence from left to right on the material. In this case, the laser pulses overlap each other in the areas 1-8a.
  • the laser pulse repetition frequency, feed rate and focus diameter are set such that an overlap of 50% results, ie. H. the laser pulses 1 and 2 overlap in the area 1a, the laser pulses 2 and 3 overlap in the area 2a, etc. In this way, each area along the line of intersection of two laser pulses is irradiated.
  • FIG. 5 there is shown a sequence of laser pulses 11-22 which serve to separate a block of material 30.
  • the laser pulses 11-22 are applied in ascending order from left to right. It can be seen that the laser pulses 11-14 have a higher overlap than the subsequent laser pulses 15-22. This serves to introduce a higher total energy in the left start region of the separation process, which is sufficient for an initial separation than in the further course to the right along the separation line, where only a lower total energy is required for the separation region, around the initial separation continue.
  • the accumulation of the laser pulses 11-14 shown in FIG. 5 can be achieved, for example, by selecting an increased laser pulse repetition frequency in this starting region or by setting a reduced feed rate in this starting region.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialtrennung mittels eines Lasers, bei dem eine Abfolge von Laserpulsen (11-20) erzeugt wird und ein zu bearbeitender Materialbereich mit der Abfolge der Laserpulse (11-30) bestrahlt wird. Solche Verfahren werden zur Trennung einer reihe unterschiedlicher Materialien verwendet. Ein Problem bei diesen Verfahren besteht darin, dass eine thermische oder mechanische Schädigung im Umfeld des Bearbeitungsbereichs erfolgt, die eine Beeinträchtigung nichtbearbeiteter Materialbereiche zur Folge hat. Die Erfindung löst dieses Problem, indem die Laserpulsenergie eines einzelnen Laserpulses der Abfolge der Laserpulse (11-20) kleiner ist als die Laserpulsenergie, die zur Erzeugung einer Material trennung mit einem isolierten Laserpuls in dem mit dem einzelnen Laserpuls der Abfolge der Laserpulse (11-30) bestrahlten Bereich erforderlich ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Materialtrennung mit Laserpulsen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialtrennung mittels eines Lasers, bei dem eine Abfolge von Laserpulsen erzeugt wird und ein zu trennender Materialbereich mit der Abfolge der Laserpulse bestrahlt wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Materialtrennung, umfassend - Mittel zur Erzeugung einer Abfolge von Laserpulsen
- Mittel zur Leitung der Laserpulse auf einen zu trennenden Materialbereich.
Die Anwendung von Laserpulsen, insbesondere ultrakurzen Laserpulsen mit einer Laserpulsdauer im Bereich zwischen ungefähr 10~15 s und 5 x 10"10 s zum Zwecke hochpräziser Laser-Mikrostrukturierungen ist bekannt.
G. Mourou beschreibt in US 5,656,186 (EP 0 754 103 B1 , Anmeldetag 8.4.94 "Method for Controlling configuration of laser induced breakdown and ablation") die grundsätzliche Eignung einzelner ultrakurzer Laserpulse für die Materialbearbeitung. S. Nolte setzt sich in seiner Dissertation zur „Mikromaterialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen", Cuvillier Verlag Göttingen, 1999 mit Aspekten der Materialbearbeitung unter Einsatz von Femtosekunden-Laserpulsen auseinander.
Allgemein, d. h. auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, lassen sich ultra- kurze Laserpulse zum Schneiden, zum Abtragen und Strukturieren von Material (z. B. metallischen Werkstoffen), zum Abtragen und Strukturieren 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 weniger schädigenden Schneiden und/oder Abtragen von Materialien als bei einer Reihe anderer Materialbearbeitungsverfahren. 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 nicht-linearen 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) bearbeitet werden.
Ein Problem bei der Materialbearbeitung mittels Laser besteht darin, dass durch die Laserenergie im bestrahlten Bereich eine Materialtrennung erzielt wird und darüber hinaus in angrenzenden Bereichen Materialveränderungen verursacht werden, die in der Regel unerwünscht sind. Diese Materialveränderungen hängen maßgeblich in Ausmaß und Stärke davon ab, wie hoch die Energie des Laserstrahls und ihre zeitliche Verteilung ist.
In EP 1 284 839 A1 und US 6,787,733 W2 wird ein Verfahren zur Laserbearbeitung von Materialien beschrieben, bei dem eine Online-Kontrolle des Bearbei- tungsergebnisses erfolgt, um die Materialbearbeitung zu optimieren und uner- wünschte Nebeneffekte zu minimieren. Mit diesem Verfahren ist zwar eine Online-Kontrolle des Bearbeitungsvorgangs möglich und können auch dabei auftretende Nebeneffekte beobachtet werden, jedoch kann auch mit diesem Verfahren nicht vermieden werden, dass umliegende Materialbereiche neben dem zu bear- beitenden Bereich durch die Laserstrahlung beeinflusst werden.
Der Wechselwirkungsmechanismus der Materialbearbeitung mittels kurzer, intensiver Laserpulse basiert auf der sog. Photodisruption. Photodisruption findet statt, wenn Licht auf Intensitäten in der Größenordnung von 1011 bis 1012 W/cm2 fokussiert wird. Bei derartig hohen Intensitäten wird fast jede Art von Materie aufgrund von Multiphotonenabsorption schlagartig ionisiert (Plasmagenerierung). Findet dieser Vorgang in transparentem Material statt, bezeichnet man ihn als 'optischen' Durchbruch.
Aufgrund der explosionsartigen Ausdehnung des laserinduzierten Plasmas, entwickelt sich eine starke Stoßfront und - falls der Vorgang in flüssiger Umge- bung stattfindet - eine Kavitationsblase. Die Stoßfront ebenso wie die Kavitationsblasen können ein erhebliches mechanisches Schädigungspotenzial für das umliegende Material darstellen. Dieses Schädigungspotenzial eines einzelnen Laserpulses skaliert jedoch mit der Laserpulsenergie.
Zum Zünden des optischen Durchbruchs ist jedoch eine hohe Intensität notwen- dig. Je kürzer ein Laserpuls, umso weniger Energie transportiert er bei gleicher Intensität. Folglich sind kurze Laserpulse eine notwendige Vorraussetzung um mit hoher Präzision und geringen mechanischen Nebenwirkungen Photodisruption zu bewirken.
Die Laserpulsdauer, d.h. die Einwirkzeit der Laserstrahlung ist aber auch im Hinblick auf die thermische Schädigung des bestrahlten Material von entscheidender Bedeutung. Ist die Einstrahldauer des Lasers so kurz, dass während der Einstrahlung keine signifikante Menge an thermischer Energie durch Wärmediffusion aus dem Absorptionsvolumen verloren geht, spricht man vom sog. 'thermal confinement1. Die maximale Einstrahlzeit (Laserpulsdauer) bei der die Bedin- gungen des 'thermal confinement' erhalten sind wird auch thermische Relaxationszeit TR genannt und ist gegeben durch die Beziehung:
τR =
4κ
Hierbei bedeuten:
δ: optische Eindringtiefe in das bestrahlte Material im Falle der Disruption in transparenten Medien entspricht δ der Ausdehnung der nichtlinearen Absorptionszone
Kr. Wärmediffusionskonstante des bestrahlten Materials / Gewebes
Ist die Einwirkzeit (Laserpulsdauer) deutlich kürzer als τR, so ist die thermische Einflusszone, die der Laserpuls auf das bestrahlte Material ausübt, hauptsächlich durch die optische Eindringtiefe δ bestimmt. Bei einer deutlich längeren Laserpulsdauer als τR wirkt die thermische Einflusszone aufgrund der Wärmediffusion über die optische Eindringtiefe hinaus.
Bei der Bearbeitung von Metallen, bei der eine optische Eindringtiefe von nur wenigen Nanometern vorliegt und eine vergleichsweise hohe Wärmediffusion vorherrscht ist daher die Verwendung von Piko- oder sogar Femtosekunden essentiell, um auch die Wärmeeinflusszone möglichst gering zu halten.
Jedoch hat die Verringerung der Laserpulsdauer derzeit technologische Grenzen und verhindert auch nicht, dass unerwünschte Beeinflussungen der umliegenden Bereiche stattfinden.
Grundsätzlich ist es für die Erzielung einer Materialtrennung erforderlich, mit dem Laserpuls eine bestimmte Menge an Energie in den zu trennenden Bereich einzubringen. Die Höhe dieser Energie ist materialabhängig. Bei der Materialtrennung entlang einer Linie oder einer Fläche wird eine Vielzahl von Laserpulsen mit der entsprechenden Laserpulsenergie nebeneinandergesetzt, um eine Trennlinie oder Trennfläche zu erzielen. Die disruptive Wirkung der einzelnen Laserpulse kann, je nach Materialbeschaffenheit, unerwünschte mechanische Veränderungen im Material hervorrufen. Dazu gehören Zerreißungen des Materials, was eine unregelmäßige Schnittfläche verursacht, oder die Bildung von Gasbläschen, die ebenfalls die Schnittgeometrie unvorteilhaft beeinflussen können. Das Ausmaß der unerwünschten Materialveränderungen skaliert dabei mit der Energie der einzelnen Laserpulse.
Es besteht daher ein Bedarf dafür, ein Verfahren zur Materialbearbeitung bereit- zustellen, bei dem die Beeinflussung der benachbart zum bearbeiteten Bereich liegenden Bereiche weiter verringert oder idealerweise ganz verhindert wird.
Dieser Bedarf wird erfindungsgemäß befriedigt mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Laserpulsenergie eines einzelnen Laserpulses der Abfolge der Laserpulse kleiner ist als die Laserpulsenergie, die zur Erzeugung einer Materialtrennung mit einem isolierten Laserpuls in dem mit dem einzelnen Laserpuls der Abfolge der Laserpulse bestrahlten Bereich erforderlich ist.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass es nicht notwendigerweise erforderlich ist, die zur Trennung erforderliche Gesamtenergie an einem Ort mit einem einzelnen Laserpuls einzubringen. Stattdessen kann diese Gesamt- energie durch mehrere Laserpulse eingebracht werden, die beispielsweise von ein und demselben Laser erzeugt werden und aufeinanderfolgend an denselben Ort des Trennbereichs eingebracht werden. Auf diese Weise wird es ermöglicht, mittels mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse mit niedriger Laserpulsenergie eine Materialbearbeitung zu erzielen und hierbei eine Schädigung des bestrahl- ten Materials im umliegenden Bereich zu vermeiden.
Es hat sich gezeigt, dass die Energie zur Materialtrennung, also diejenige Gesamtenergie, die zur Erzielung einer Materialtrennung mindestens erforderlich ist, mit steigender Repetitionsfrequenz abfällt. Folglich kann bei hohen Repetitionsra- ten eine Materialtrennung mit einer wesentlich niedrigeren Laserpulsenergie erzielt werden als bei niedrigen Repetitionsraten. Insbesondere kann die Laserpulsenergie durch Verringerung der Laserpulsintensität und/oder der Laserpulsdauer verringert werden. Dies heißt, dass die Laserpulsintensität und/oder die Laserpulsdauer beim erfindungsgemäßen Verfahren geringer ist als die Laserpulsintensität und/oder die Laserpulsdauer, die bei kon- ventioneller Technik erforderlich ist, um eine Materialtrennung zu erzielen. Auf diese Weise kann auf einfache Weise eine Laserpulsenergieverringerung erzielt werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn sich der bestrahlte Bereich von zwei oder mehr zeitlich aufeinanderfolgenden Laserpulsen der Abfolge von Laserpulsen räumlich überschneidet. Durch diese räumliche Überschneidung wird die Laserpulsenergie von zwei oder mehr Laserpulsen in den Überschneidungsbereich eingebracht und kann somit in der Addition eine Gesamtenergie ergeben, die eine Materialtrennung erzielt. Diese Erkenntnis geht von dem bisherigen Ansatz, die Laserpulse räumlich und zeitlich möglichst weit voneinander zu beabstanden, um den thermischen Einfluss jedes einzelnen Laserpulses von dem eines darauffolgenden Laserpulses zu trennen, weg und erzielt eine Reduzierung des unerwünschten mechanischen und thermischen Einflusses durch die Überschneidung, indem zugleich die Laserpulsenergie jedes einzelnen Laserpulses verringert wird.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn sich der bestrahlte Bereich von zwei oder mehr zeitlich aufeinanderfolgenden Laserpulsen der Abfolge von Laserpulsen räumlich zu 100% oder im Bereich zwischen 10% und 100%, vorzugsweise um 70% bis 99%, insbesondere 92%-99%, überschneidet. Die Überschneidung der Laserpulse hängt grundsätzlich vom Durchmesser des Laserstrahls im Fokus (Fokusstrahldurchmesser), der Laserpulsfolgefrequenz und der relativen Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem zu schneidenden Material und dem Laser ab. Die Überschneidung in Prozent wird in diesem Zusammenhang definiert als
Überschneidung = 100 x ( 1 - Vorschubgeschwindiqkeit )
Laserpulsfolgefrequenz x Fokusstrahldurchmesser Die angegebenen Werte eignen sich zur Materialtrennung einer großen Anzahl von unterschiedlichen Materialien. Die räumliche Überschneidung von 100% kann beispielsweise so gestaltet werden, dass sich zwei oder mehr Laserpulse zu 100% überschneiden, hierauf folgend der Laserstrahl relativ zum bearbeiteten Material verfahren wird und dann wiederum zwei oder mehr Laserpulse abgegeben werden, die sich zu 100% überschneiden. Alternativ zu diesem diskontinuier- liehen Vorschub ist es für viele Anwendungen vorteilhaft, wenn eine kontinuierliche Vorschubbewegung stattfindet und diese so eingestellt wird, dass bei gegebener Laserpulsfolgefrequenz und Durchmesser des Laserstrahls im Fokus eine Überschneidung von 70-99%, insbesondere 92%-99%, erzielt wird.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Laserpulsenergie, die Laserpulsintensität, die Abmessungen des Fokusbereichs und/oder die Laserpulsdauer eines einzelnen Laserpulses, die Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge von Laserpulsen und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material in Abhängigkeit der Materialeigenschaften voreingestellt wird. Eine wichtige voreinzustellende Abmessung des Fokusbereichs ist beispielswei- se häufig der Durchmesser des Laserstrahls im Fokus oder die Länge des Fokusbereichs in Strahlrichtung, die u.a. durch die Apertur beeinflusst wird. Die optimalen Parameter hängen von den Materialeigenschaften des zu bearbeitenden Materials ab, insbesondere von der Wärmediffusionskonstante und der Relaxationszeit des Materials. Grundsätzlich ist es dabei beispielsweise vorteil- haft, bei hohen Wärmediffusionskonstanten höhere Laserpulsfolgefrequenzen einzustellen als bei niedrigen Wärmediffusionskonstanten. Zwischen Relaxationszeit und Laserpulsfolgefrequenz besteht ein umgekehrter Zusammenhang: Bei langen Relaxationszeiten können regelmäßig niedrigere Laserpulsfolgefrequenzen gewählt werden als bei kurzen Relaxationszeiten.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge der Laserpulse so hoch ist, dass innerhalb einer materialspezifischen Zeitdauer des zu trennenden Materials, beispielsweise der thermischen Relaxationszeit, mindestens zwei Laserpulse auf das zu trennende Material abgegeben werden. Auf diese Weise kann sich die Laserpulsenergie der zwei innerhalb der materialspe- zifischen Zeitdauer abgegebenen Laserpulse akkumulieren und eine Materialtrennung bewirken. Dabei kann die thermische und mechanische Schädigung dadurch verringert werden, dass eine Vielzahl von Laserpulsen innerhalb der materialspezifischen Zeitdauer auf einen Bereich des zu trennenden Materials abgegeben werden und die Energie jedes dieser Laserpulse entsprechend niedrig gewählt wird, um genau durch diese Vielzahl der Laserpulse die für eine Materialtrennung erforderliche, akkumulierte Gesamtenergie einzubringen.
Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Laserpulsfolgefrequenz größer als 10Hz, insbesondere größer als 50Hz ist und vorzugsweise zwischen 100Hz und 50MHz liegt. Diese Laserpulsfolgefrequenzbereiche bewirken bereits eine merkliche Absenkung der erforderlichen Laserpulsenergie pro Laserpuls und können somit die mechanische Schädigung signifikant verringern.
Bei den vorgenannten Ausführungsformen ist insbesondere zu beachten, dass zwischen Überschneidung, Laserpulsfolgefrequenz, der Abmessung des Fokusbereichs, beispielsweise des Durchmessers des Laserstrahls im Fokus, und Vorschubgeschwindigkeit ein mathematischer Zusammenhang besteht. Die letztlich entscheidende Größe, also die Anzahl der an einem Materialbearbeitungsort eingebrachten Laserpulse bzw. die Überschneidung lässt sich durch Variation der entsprechend anderen Parameter beeinflussen. So kann diese Anzahl durch Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit, Vergrößerung des Durchmessers des Laserstrahls im Fokus oder Erhöhung der Laserpulsfolgefre- quenz jeweils einzeln erhöht werden, wenn die entsprechenden beiden anderen Parameter konstant gehalten werden. Durch eine Verringerung des Durchmessers des Laserstrahls im Fokus, eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit und eine Verringerung der Laserpulsfolgefrequenz kann eine Verringerung der Anzahl der Laserpulse pro Ortspunkt der Linie, entlang welcher die Materialbear- beitung erfolgt, erzielt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Laserpulsenergie, die Laserpulsintensität, die Abmessungen des Fokusbereichs, die Laserpulsdauer eines einzelnen Laserpulses, die Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge von Laserpulsen und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Mate- rial während des Bearbeitungsvorgangs verändert wird. Bei dieser Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, die Laserpulsenergie der einzelnen Laserpul- se so einzustellen, dass in Abhängigkeit der Überschneidung der Laserpulse genau die für eine Materialtrennung am gerade bearbeiteten Ort erforderliche Energie in das Material eingebracht wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Laserpulsenergie in Abhängigkeit der vorbestimmten oder eingestellten Laser- pulsfolgefrequenz und/oder Vorschubgeschwindigkeit eingestellt wird. Eine solche Einstellung kann automatisch oder manuell durch den Benutzer erfolgen.
Bei den Verfahrensfortbildungen mit einstellbarer Laserpulsfolgefrequenz und einstellbarer Laserpulsenergie ist es insbesondere vorteilhaft, wenn bei einer ersten Laserpulsfolgefrequenz eine erste Laserpulsenergie eingestellt wird und bei einer zweiten Laserpulsfolgefrequenz, die höher ist als die erste Laserpulsfolgefrequenz, eine zweite Laserpulsenergie eingestellt wird, die niedriger ist als die erste Laserpulsenergie. Auf diese Weise wird eine automatische Anpassung der Laserpulsenergie an die Laserpulsfolgefrequenz erzielt und dabei jeweils die erforderliche akkumulierte Gesamtenergie zur Erzielung einer Materialtrennung eingebracht.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn
die Laserpulsfolgefrequenz automatisch in Abhängigkeit der Laserpulsenergie eingestellt wird, oder die Laserpulsenergie automatisch in Abhängigkeit der Laserpulsfolgefre- quenz eingestellt wird,
Laserpulsenergie und/oder Laserpulsfolgefrequenz automatisch in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden, oder Laserpulsfolgefrequenz, Laserpulsenergie und/oder Vorschubgeschwindigkeit automatisch in Abhängigkeit von zumindest einer Materialeigenschaft des zu trennenden Materials eingestellt werden.
Diese Verfahrensfortbildung ermöglicht es, dass die für eine Materialtrennung vorrangig maßgeblichen Verfahrensparameter in Abhängigkeit voneinander eingestellt werden oder in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Materials automatisch richtig eingestellt werden. So kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine Datenbank zurückgegriffen werden, die für jeweils typische Materialien die idealen Verfahrensparameter bereithält und durch Materialwahl werden dann diese Verfahrensparameter eingestellt. Alternativ kann aus einer Datenbank die für eine Materialtrennung erforderliche Gesamtenergie entnommen werden und dann anhand vom Benutzer gewählter Verfahrensparameter die entsprechend anderen Verfahrensparameter so gewählt werden, dass diese erforderliche Gesamtenergie erzielt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren der eingangs oder zuvor genannten Art, bei dem im Startbereich des Trennvorgangs die an einen Ort des zu bearbeitenden Materials eingebrachte Gesamtenergie höher ist als in einem Bereich im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
Diese Fortbildung beruht auf der Erkenntnis, dass zur Erzielung einer initialen Materialtrennung in einem Material eine höhere Gesamtenergie erforderlich ist, um einen ersten Materialtrennungseffekt zu erzielen und in der Folge zur Aufrechterhaltung und Erweiterung dieser initialen Materialtrennung eine niedrigere Gesamtenergie erforderlich ist. Es ist daher vorteilhaft, die Laserpulsenergie nach einem anfänglich hohen Niveau im Startbereich des Trennvorgangs zur Erzielung der initialen Materialtrennung nachfolgend abzusenken auf ein niedrigeres Niveau, welches zur Aufrechterhaltung und Weiterführung der initialen Materialtrennung ausreichend ist, um auf diese Weise die Schädigung entlang der Trennlinie oder der Trennfläche zu minimieren.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn im Startbereich die Laserpulsenergie, die Laserpulsfolgefrequenz und/oder die Anzahl der auf einen Ort des Materials abgegebenen Laserpulse höher ist und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material geringer ist als im weiteren Verlauf des Trennvorgangs. Die Laserpulsenergie setzt sich aus der Laserpulsintensität und der Laserpulsdauer zusammen. Zur Erzielung eines initialen Trennvorgangs im Startbereich kann daher beispielsweise eine höhere Laserpulsintensität eingestellt werden als im Bereich des weiteren Verlaufs des Trennvorgangs zum Aufrechterhalten und Weiterführen der Trennung. In gleicher Weise könnte bei konstanter Laserpulsintensität die Laserpulsdauer im Startbereich erhöht werden und im weiteren Verlauf abgesenkt werden und/oder die Laserpulsfolgefrequenz im Startbereich erhöht werden und im weiteren Verlauf abgesenkt werden.
Eine weitere Verfahrensfortbildung besteht darin, dass die Laserpulsintensität und/oder die Laserpulsdauer eines einzelnen Laserpulses im Startbereich des Trennvorgangs höher ist als in einem Bereich im weiteren Verlauf des Trennvorgangs. Diese Verfahrensfortbildung kann in gleicher Weise die Initialtrennung mit hoher Laserpulsenergie und die weitere Trennung mit niedrigerer Laserpulsener- gie durchführen, jedoch unter Variation anderer Parameter als bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform.
Insbesondere ist es für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, wenn die Laserpulsdauer kleiner ist als zehn Pikosekunden, insbesondere kleiner als eine Pikosekunde. Die so erzielte Laserstrahlbearbeitung im Femtosekundenbereich erlaubt für eine Vielzahl von Materialien besonders vorteilhafte Laserpulsenergieraten und Laserpulsfolgefrequenzen und vermeidet insgesamt unerwünschte Schädigungen.
Weiterhin ist es für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, wenn der Laserstrahl fokussiert wird, vorzugsweise mit einem optischen System mit einer nume- rischen Apertur, die zumindest so groß ist, dass eine Materialtrennung unter der Oberfläche eines halb oder vollständig transparenten Materials erzielt wird, ohne dass ober- oder unterhalb des Trennbereichs liegende Materialbereiche geschädigt werden. Auf diese Weise wird es ermöglicht, einen Laserstrahlfokus zu erzeugen und in Strahlrichtung vor und hinter diesem Laserstrahlfokus eine Tren- nung oder Beschädigung des Materials zu vermeiden, wohingegen im Laserstrahlfokus eine solche Materialtrennung erzielt wird.
Schließlich ist es für das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin vorteilhaft, wenn der Trennvorgang beobachtet wird und bei Nachlassen der Trennleistung die eingebrachte Gesamtenergie durch Verändern eines der für die Trennleistung relevanten Parameter, wie zuvor aufgezählt, erhöht wird. Unter Beobachtung soll in diesem Zusammenhang die direkte optische oder sensorische Beobachtung des Schnittes verstanden werden oder auch die Beobachtung oder Überwachung technischer Parameter, beispielsweise Geräteleistungsdaten, durch einen Benutzer oder automatisch, um aus einer Veränderung dieser Parameter auf eine geänderte Trennleistung zu schließen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die erfindungsgemäß fortgebildet ist, indem die Mittel zur Erzeugung einer Abfolge von Laserpulsen so ausgebildet sind, dass die Laserpulsenergie eines einzelnen Laserpulses der Abfolge der Laserpulse kleiner ist als die Laserpuls- energie, die zur Erzeugung einer Materialtrennung mit einem isolierten Laserpuls in dem mit dem einzelnen Laserpuls der Abfolge der Laserpulse bestrahlten Bereich erforderlich ist. Auf diese Weise wird ermöglicht, die Laserpulsenergie eines einzelnen Laserpulses in einem niedrigen Bereich zu halten und hierdurch eine Materialtrennung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielen. Auf die Vorteile und Wirkungen der so ausgebildeten Vorrichtung wird auf die vorherige Beschreibung des entsprechend ausgebildeten Verfahrens verwiesen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann fortgebildet werden indem die Mittel zur Erzeugung der Abfolge von Laserpulsen ausgebildet sind, um die Laserpulsenergie durch Verringerung der Laserpulsintensität und/oder der Laserpulsdauer zu verringern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiter fortgebildet werden durch Vorschubmittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und dem zu trennenden Material und Mittel zum Erzeugen einer Laserpulsfolgefrequenz, die so zusammenwirken, dass sich der bestrahlte Bereich von zwei zeitlich auf- einanderfolgenden Laserpulsen der Abfolge von Laserpulsen räumlich überschneidet. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäß vorteilhafte Überschneidung zumindest zweier aufeinanderfolgender Laserpulse erzielt. Die Vorschubmittel sind dabei vorzugsweise so gestaltet, dass sie in Abhängigkeit der Laserpulsfolgefrequenz betreibbar sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Vorschubmittel und die Mittel zum Erzeugen einer Laserpulsfolgefrequenz so zusammenwirken, dass sich der bestrahlte Bereich von zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Laserpulsen der Abfolge von Laserpulsen räumlich zu 100% oder im Bereich zwischen 10% und 100%, vor- zugsweise um 70% bis 99%, vorzugsweise 92% bis 99%, überschneidet. Hierzu wird auf die vorangegangene Beschreibung der entsprechenden Verfahrensform verwiesen.
Vorzugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Steuerungsmittel zum Einstellen der Laserpulsenergie, der Laserpulsintensität und/oder der Laser- pulsdauer eines einzelnen Laserpulses, der Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge von Laserpulsen, der Abmessungen des Fokusbereichs des Laserstrahls am Bearbeitungsort, beispielsweise des Durchmessers des Laserstrahls im Fokus und/oder der Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material in Abhängigkeit der Materialeigenschaften vorhanden. Diese Steuerungsmittel können automatisch durch die Vorrichtung einen der Parameter in Abhängigkeit anderer Parameter betätigt werden oder können manuell durch einen Benutzer betätigt werden.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Steuerungsmittel so ausgebildet sind, dass die Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge der Laserpulse so hoch ist, dass innerhalb einer materialspezifischen Zeitdauer, beispielsweise der thermischen Relaxationszeit des zu trennenden Materials, mindestens zwei Laserpulse auf das zu trennende Material abgegeben werden. Hierdurch wird die vorteilhafte Akkumulation von zwei oder mehr Laserpulsen innerhalb der materialspezifischen Zeitdauer erreicht und auf diese Weise eine besonders schonende Materi- altrennung erzielt.
Insbesondere können dabei die Steuerungsmittel so ausgebildet sein, dass die Laserpulsfolgefrequenz größer als 10Hz, insbesondere größer als 50Hz und vorzugsweise zwischen 100Hz und 50MHz einstellbar ist. Hierzu wird auf die vorangegangene entsprechende Verfahrensform verwiesen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuerungsmittel ausgebildet sind, um zumindest einen der sechs zuvor aufgezählten Parameter während des Bearbeitungsvorgangs zu verändern Auf diese Weise kann die Gesamtenergie und/oder die Laserpulsenergie in Abhängigkeit der Materialeigenschaften oder in Abhän- gigkeit anderer Parameter des Schneidvorgangs eingestellt werden.
Die Steuerungsmittel können vorzugsweise so ausgebildet sein, dass
die Laserpulsfolgefrequenz automatisch in Abhängigkeit der Laserpulsenergie eingestellt wird, oder die Laserpulsenergie automatisch in Abhängigkeit der Laserpulsfolgefre- quenz eingestellt wird,
Laserpulsenergie und/oder Laserpulsfolgefrequenz automatisch in Abhängigkeit der Verfahrensgeschwindigkeit eingestellt werden, oder Laserpulsfolgefrequenz, Laserpulsenergie und/oder Vorschubgeschwindigkeit automatisch in Abhängigkeit der zumindest einer Materialeigenschaft des zu trennenden Materials eingestellt werden.
Insbesondere ist es für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft, wenn die Steuerungsmittel ausgebildet sind um zumindest einen der sechs zuvor aufgezählten Parameter (Laserpulsfolgefrequenz, Laserpulsenergie, Laserpulsintensität, Laserpulsdauer, Fokusabmessung und Vorschubgeschwindigkeit) so zu steuern, dass im Startbereich des Trennvorgangs die an einen Ort des zu bearbeitenden Materials eingebrachte Gesamtenergie höher ist als in einem Bereich im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
Weiterhin ist es bevorzugt, die erfindungsgemäße Vorrichtung fortzubilden, indem die Steuerungsmittel ausgebildet sind, um im Startbereich die Laserpuls- energie, die Laserpulsfolgefrequenz und/oder die Anzahl der auf einen Ort des Materials abgegebenen Laserpulse höher und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material geringer einzustellen als im weiteren Verlauf des Trennvorgangs. Vorzugsweise sind die Steuerungsmittel ausgebildet, um die Laserpulsintensität und/oder die Laserpulsenergie eines einzelnen Laserpulses im Startbereich des Trennvorgangs höher einzustellen als im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Mittel zur Erzeugung einer Abfolge von Laserpulsen ausgebildet sind, um eine Laserpulsdauer kleiner als 10 Pikosekun- den, vorzugsweise kleiner als 1 Pikosekunde zu erzeugen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann fortgebildet werden durch Fokussiermit- tel zur Fokussierung des Laserstrahls, vorzugsweise mit einem optischen System mit einer numerischen Apertur, die zumindest so groß ist, dass eine Materialtren- nung unter der Oberfläche eines halb oder vollständig transparenten Materials erzielt wird, ohne dass ober- oder unterhalb des Trennbereichs liegende Materialbereiche geschädigt werden.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung fortgebildet werden durch eine Beobachtungsvorrichtung zum Beobachten des Trennvorgangs, die mit den Mitteln zur Erzeugung einer Abfolge von Laserpulsen, den Mitteln zur Leitung der Laserpulse auf einen zu trennenden Materialbereich und/oder den Vorschubmitteln so zusammenwirkt, dass bei Nachlassen der Trennleistung die eingebrachte Gesamtenergie durch Verändern zumindest eines der sechs vorgenannten Parameter erhöht wird. Hierzu wird auf die vorangehende Beschreibung zum Ver- fahren mit Beobachtung des Trennvorgangs verwiesen.
Zu den Fortbildungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hinsichtlich deren Vorteilen, Wirkungsweisen und bevorzugten Ausführungsvarianten auf die voranstehende Beschreibung der jeweiligen Eigenschaften der entsprechenden Verfahrensfortbildung verwiesen.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand konkreter Ausführungsbeispiele und Versuchsergebnisse in Verbindung mit den Figuren erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 : Ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der für eine Materialtrennung einzubringenden Pulsenergie und der Laserpulsfolgefrequenz zeigt, Figur 2: Ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der für den Beginn einer Materialtrennung erforderlichen Laserpulsenergie und der mindestens zur Weiterführung der Materialtrennung erforderlichen Laserpulsenergie zu der Laserpulsüberlappung im Bereich von -100% bis +100% zeigt,
Figur 3: Ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der einer Materialtrennung erforderlichen Laserpulsenergie zu der Laserpulsüberlappung im Bereich von 92% bis 100% zeigt,
Figur 4: Eine schematische Darstellung einer Linienmaterialtrennung mit einer Laserpulsüberlappung von 50%,
Figur 5: Eine schematische Darstellung einer Linienmaterialtrennung mit einer variablen Laserpulsüberlappung im Startbereich und im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
Bezugnehmend auf Figur 1 kann man diesem Diagramm, welches im Bereich A mit einer Laserpulsdauer von 150 fs, einer Wellenlänge von 780 nm und einer Apertur von 0,6 bestimmt wurde und im Bereich B mit einer Laserpulsdauer von etwa 15 fs, einer Wellenlänge von 800 nm und einer Apertur von 0,5 bestimmt wurde, entnehmen, dass bei einer Laserpulsfolgefrequenz von 1 Hertz eine Energie von ca. 45 nJ benötigt wird, um eine Materialtrennung zu erzielen. Diese benötigte Energie sinkt mit zunehmender Laserpulsfolgefrequenz und erreicht bei einer Laserpulsfolgefrequenz von 1 MHz einen Wert von unter 5 nJ.
In Figur 2 ist die Abhängigkeit der für den Beginn einer Materialtrennung erforderlichen Laserpulsenergie („Beginn des Schnittes") und der mindestens zur Weiterführung der Materialtrennung erforderlichen Laserpulsenergie („Abbruch des Schnittes") zu der Laserpulsüberlappung im Bereich von -100% bis +100% gezeigt. Dabei bedeutet eine negative Pulsüberlappung, dass zwischen zwei benachbarten Pulsen ein unbestrahlter Materialbereich verbleibt, der bei -100% Pulsüberlappung beispielsweise genau dem Fokusdurchmesser entspricht.
Man kann erkennen, dass bei ausreichender Beabstandung der Einzelpulse voneinander (negativer Pulsüberlapp) der Beginn und der Abbruch des Schneid- effekts bei der gleichen Pulsenergie stattfindet, d.h. es findet keine gegenseitige Beeinflussung der Pulse untereinander statt. Je größer der Pulsüberlapp jedoch gewählt wird, desto niedriger ist einerseits die Pulsenergie, die für Schneidbeginn erforderlich ist und die Pulsenergie, bei der Schneidabbruch erfolgt. Zudem lie- gen die Pulsenergie, die für Schneidbeginn erforderlich ist, und die Pulsenergie, bei der der Schneidabbruch erfolgt umso weiter auseinander, je höher die Pulsüberlappung ist. Folglich kann mit umso niedrigerer Pulsenergie initial getrennt werden und mit umso niedrigerer Pulsenergie der Schneidvorgang fortgeführt werden, je größer die Pulsüberlappung gewählt wird.
Fig. 3 stellt die Messergebnisse für das Schneiden bei hohen Pulsüberlappungen dar. Eingetragen sind die Ergebnisse von fünf Messreihen bei unterschiedlichen Überlappungen und eine Ausgleichsgerade durch diese Messreihen. Man kann erkennen, dass bei einer Überlappung von 92% mit einer Einzellaserpulsenergie von ca. 19 nJ das Verfahren betrieben werden muss. Diese erforderliche Einzel- laserpulsenergie sinkt mit steigender Überlappung und erreicht bei einer Überlappung von ca. 99,5% einen Wert von nur noch 2 nJ.
Bezugnehmend auf Figur 4 ist ein zu trennendes Material 10 gezeigt und eine Abfolge von Einzellaserpulsen 1-9, die zur Trennung dieses Materials dienen. Die Einzellaserpulse sind schematisch in Gestalt ihres Fokusbereichs gezeigt. Die Einzellaserpulse 1-9 werden in zeitlicher Folge von links nach rechts auf das Material aufgebracht. Hierbei überlappen sich die Laserpulse jeweils in den Bereichen 1-8a. In der in Figur 4 dargestellten Verfahrensausbildung sind Laserpulsfolgefrequenz, Vorschubgeschwindigkeit und Fokusdurchmesser so eingestellt, dass sich eine Überlappung von 50% ergibt, d. h. die Laserpulse 1 und 2 überlappen sich im Bereich 1a, die Laserpulse 2 und 3 überlappen sich im Bereich 2a usw. Auf diese Weise wird jeder Bereich entlang der Schnittlinie von zwei Laserpulsen bestrahlt.
Bezugnehmend auf Figur 5 ist eine Abfolge von Laserpulse 11-22 gezeigt, die zur Trennung eines Materialblocks 30 dienen. Die Laserpulse 11-22 werden in aufsteigender Reihenfolge von links nach rechts aufgetragen. Es ist erkennbar, dass die Laserpulse 11-14 eine höhere Überlappung aufweisen als die nachfolgenden Laserpulse 15-22. Dies dient dazu, um im linken Startbereich des Trennvorgangs eine höhere Gesamtenergie einzubrin- gen, die für eine initiale Trennung ausreichend ist, als im weiteren Verlauf nach rechts entlang der Trennlinie, wo nur eine geringere Gesamtenergie für den Trennbereich erforderlich ist, um die initiale Trennung fortzuführen.
Die in Figur 5 gezeigte Häufung der Laserpulse 11-14 kann beispielsweise erreicht werden, indem in diesem Startbereich eine erhöhte Laserpulsfolgefrequenz gewählt wird oder indem in diesem Startbereich eine verringerte Vorschubgeschwindigkeit eingestellt wird.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Materialtrennung mittels eines Lasers, bei dem eine Abfolge von Laserpulsen erzeugt wird und ein zu bearbeitender Material- bereich mit der Abfolge der Laserpulse bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsenergie eines einzelnen Laserpulses der Abfolge der Laserpulse kleiner ist als die Laserpulsenergie, die zur Erzeugung einer Materialtrennung mit einem isolierten Laserpuls in dem mit dem einzelnen Laserpuls der Abfolge der Laserpulse bestrahlten Bereich er- forderlich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsenergie durch Verringerung der Laserpulsintensität und/oder der Laserpulsdauer verringert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bestrahlte Bereich von zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Laserpulse der Abfolge von Laserpulsen räumlich überschneidet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bestrahlte Bereich von zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Laserpulsen der Abfolge von Laserpulsen räumlich zu 100% oder im Bereich zwischen 10% und 100%, vorzugsweise um 70% bis 99%, insbesondere um 92%-99% überschneidet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsenergie, die Laserpulsintensität, die Abmessungen des Fokusbereichs, die Laserpulsdauer eines einzelnen
Laserpulses, die Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge von Laserpulsen und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material in Abhängigkeit der Materialeigenschaften voreingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge der Laserpulse so hoch ist, dass innerhalb einer materialspezifischen Zeitdauer des zu trennenden Materials mindestens zwei Laserpulse auf das zu trennen- de Material abgegeben werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsfolgefrequenz größer als 10Hz, insbesondere größer als 50Hz ist und vorzugsweise zwischen 100Hz und 50MHz liegt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsenergie, die Laserpulsintensität, die Abmessungen des Fokusbereichs, die Laserpulsdauer eines einzelnen Laserpulses, die Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge von Laserpulsen und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu be- arbeitenden Material während des Bearbeitungsvorgangs verändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten Laserpulsfolgefrequenz eine erste Laserpulsenergie eingestellt wird und bei einer zweiten Laserpulsfolgefrequenz, die höher ist als die erste Laserpulsfolgefrequenz, eine zweite La- serpulsenergie eingestellt wird, die niedriger ist als die erste Laserpulsenergie.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Laserpulsfolgefrequenz automatisch in Abhängigkeit der La- serpulsenergie eingestellt wird, oder b. die Laserpulsenergie automatisch in Abhängigkeit der Laserpulsfolgefrequenz eingestellt wird, c. Laserpulsenergie und/oder Laserpulsfolgefrequenz automatisch in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden, oder d. Laserpulsfolgefrequenz, Laserpulsenergie und/oder Vorschubge- schwindigkeit automatisch in Abhängigkeit von zumindest einer
Materialeigenschaft des zu trennenden Materials eingestellt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder dem O- berbegriff von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Startbereich des Trennvorgangs die an einen Ort des zu bearbeitenden Materials eingebrachte Gesamtenergie höher ist als in einem Bereich im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass im Startbereich die Laserpulsenergie und/oder die Laserpulsfolgefrequenz höher ist und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material geringer ist als im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsintensität höher ist und/oder die Laserpulsdauer eines einzelnen Laserpulses im Startbereich des Trennvorgangs länger ist als in einem Bereich im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsdauer kleiner ist als 10 Pikose- kunden, vorzugsweise kleiner als 1 Pikosekunde.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl fokussiert wird, vorzugsweise mit einem optischen System mit einer numerischen Apertur, die zumindest so groß ist, dass eine Materialtrennung unter der Oberfläche eines halb oder vollständig transparenten Materials erzielt wird, ohne dass ober- oder unterhalb des Trennbereichs liegende Materialbereiche geschädigt werden.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Trennvorgang beobachtet wird und bei Nachlassen der Trennleistung die eingebrachte Gesamtenergie durch Verändern eines der Parameter nach Anspruch 8 erhöht wird.
17. Vorrichtung zur Materialtrennung, umfassend
- Mittel zur Erzeugung einer Abfolge von Laserpulsen
- Mittel zur Leitung der Laserpulse auf einen zu trennenden Materialbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Abfolge von
Laserpulsen so ausgebildet sind, dass die Laserpulsenergie eines einzelnen Laserpulses der Abfolge der Laserpulse kleiner ist als die Laserpulsenergie, die zur Erzeugung einer Materialtrennung mit einem isolierten Laserpuls in dem mit dem einzelnen Laserpuls der Abfolge der Laserpulse bestrahlten Be- reich erforderlich ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung der Abfolge von Laserpulsen ausgebildet sind, um die Laserpulsenergie durch Verringerung der Laserpulsintensität und/oder der Laserpulsdauer zu verringern.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch Vorschubmittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und dem zu trennenden Material und Mittel zum Erzeugen einer Laserpulsfolgefrequenz, die so zusammenwirken, dass sich der bestrahlte Bereich von zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Laserpulse der Abfol- ge von Laserpulsen räumlich überschneidet.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubmittel und die Mittel zum Erzeugen einer Laserpulsfolgefrequenz so zusammenwirken, dass sich der be- strahlte Bereich von zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Laserpulsen der Abfolge von Laserpulsen räumlich zu 100%, vorzugsweise zu 10% bis 100% oder im Bereich zwischen 70% bis 99%, insbesondere zwischen 92%-99% überschneidet.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17-20, gekennzeichnet durch Steuerungsmittel zum Einstellen der Laserpulsenergie, der Laserpulsintensität, der Laserpulsdauer eines einzelnen Laserpulses, der Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge von Laserpulsen, der Abmessungen des Fokusbereichs des Laserstrahls am Bearbeitungsort, beispielsweise des Durchmessers des Laserstrahls im Fokus, und/oder der Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material in Abhängigkeit der Materialeigenschaften.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel so ausgebildet sind, dass bei einer ersten Laserpulsfolgefrequenz eine erste Laserpulsenergie eingestellt wird und bei einer zweiten Laserpulsfolgefrequenz, die höher ist als die erste Laserpulsfolgefrequenz, eine zweite Laserpulsenergie eingestellt wird, die niedriger ist als die erste Laserpulsenergie
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel so ausgebildet sind, dass die Laserpulsfolgefrequenz der Abfolge der Laserpulse so hoch ist, dass innerhalb einer für das Material wesentlichen Relaxationszeit des zu trennenden Materials mindestens zwei Laserpulse auf das zu trennende Material abgegeben werden.
24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 -23, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel so ausgebildet sind, dass die Laserpulsfolgefrequenz größer als 10Hz, insbesondere größer als 50Hz und vorzugsweise zwischen 100Hz und 50MHz einstellbar ist.
25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21-24, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel ausgebildet sind, um zumindest einen der in Anspruch 21 aufgezählten Parameter während des Bearbeitungsvorgangs zu verändern.
26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21-25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel so ausgebildet sind, dass a. die Laserpulsfolgefrequenz automatisch in Abhängigkeit der Laserpulsenergie eingestellt wird, oder b. die Laserpulsenergie automatisch in Abhängigkeit der Laserpuls- folgefrequenz eingestellt wird, c. Laserpulsenergie und/oder Laserpulsfolgefrequenz automatisch in Abhängigkeit der Verfahrensgeschwindigkeit eingestellt werden, oder d. Laserpulsfolgefrequenz, Laserpulsenergie und/oder Vorschubge- schwindigkeit automatisch in Abhängigkeit der zumindest einer
Materialeigenschaft des zu trennenden Materials eingestellt werden.
27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21-26 oder dem Oberbegriff von Anspruch 17, mit ersten Steuerungsmitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel ausgebildet sind um zumindest einen der in Anspruch 21 aufgezählten Parameter so zu steuern, dass im Startbereich des Trennvorgangs die an einen Ort des zu bearbeitenden Materials eingebrachte Gesamtenergie höher ist als in einem Bereich im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21-27, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel ausgebildet sind, um im Startbereich die Laserpulsenergie und/oder die Laserpulsfolgefrequenz höher und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und dem zu bearbeitenden Material geringer einzustellen als im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21-28, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel ausgebildet sind, um im Startbereich die Laserpulsintensität höher und/oder die Laserpulsdauer eines einzelnen Laserpulses im Startbereich des Trennvorgangs länger einzustellen als im weiteren Verlauf des Trennvorgangs.
30. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17-29, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Abfolge von Laserpulsen ausgebildet sind, um eine Laserpulsdauer kleiner als 10 Pikose- kunden, vorzugsweise kleiner als eine Pikosekunde zu erzeugen.
31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17-30, gekennzeichnet durch Fokussiermittel zur Fokussierung des Laserstrahls, vorzugsweise mit einem optischen System mit einer numerischen Apertur, die zumindest so groß ist, dass eine Materialtrennung unter der Oberfläche eines halb oder vollständig transparenten Materials erzielt wird, ohne dass ober- oder unterhalb des Trennbereichs liegende Materialbereiche geschädigt werden.
32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17-31 , gekennzeichnet durch eine Beobachtungsvorrichtung zum Beobachten des Trennvorgangs, die mit den Mitteln zur Erzeugung einer Abfolge von Laser- pulsen, den Mitteln zur Leitung der Laserpulse auf einen zu trennenden Materialbereich und/oder den Vorschubmitteln so zusammenwirkt, dass bei Nachlassen der Trennleistung die eingebrachte Gesamtenergie durch Verändern zumindest eines der Parameter aus Anspruch 24 erhöht wird.
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