DE102007014933A1 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Ablenkung eines Lichtstrahles auf eine einstellbare Längsbahn - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen, geradlinigen Ablenkung von Lichtstrahlung mit kurzbrennweitigen Objektiven beschrieben. Als Lichtstrahlung dient z. B. ein Laserstrahl, der mittels Objektiv auf ein Werkstück zum Mikroabtrag oder zur Linearschweißung fokussiert wird und dieser Fokus dann fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit in einer einstellbaren Längsbahn orthogonal zur optischen Achse auf der Oberfläche des genannten Werkstücks oszilliert. Mit der beschriebenen Erfindung können zur Erzielung einer schonenden Materialbearbeitung kurze und ultra-kurze Laserimpulse mit sehr hoher Repetitionsrate auf einer definierten geradlinigen Bahn auf dem zu bearbeitenden Werkstück geführt werden. Die Erfindung erlaubt Anwendungen, bei der die wirksame Laserenergie über eine kurze Strecke mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf einem Werkstück verteilt werden soll.

Description

• Aufgabenstellung
• Die hier vorgestellte Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Realisierung einer schnellen linearen Ablenkung von optischer Strahlung orthogonal zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung bzw. optischen Achse. Eine solche lineare Ablenkung kann beim Einsatz von gebündelter Laserstrahlung zur Mikromaterialbearbeitung von beliebigen Werkstoffen verwendet werden, wonach der Laserstrahl (1) auf das Werkstück (10) fokussiert wird und über eine Kombination von Bewegungen, von der mindestens eine Bewegung eine hohe Geschwindigkeit aufweist, geführt wird. Eine solche Ausführungsvariante in der Laser-Mikrobearbeitung zur Einbringung von linearen Schnitten, zur Strukturierung von Oberflächen oder zum Trennen wird in dieser Erfindung als Laserstrahlhobel bezeichnet.
• Stand der Technik
• Bereits bekannt hierzu ist aus der DE 40 26 130 A1 eine Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls mit einem kombinierten Spiegelsystem, welches es erlaubt, den Lichtstrahl ohne Verzerrung zum Ziel zu führen. Dies dient vorwiegend der Beschriftung mittels Laserstrahl.
• Spiegelsysteme, die hinter der Fokussierungsoptik angeordnet sind, erlauben kein kurzbrennweitiges Fokussiersystem, da bei Spiegelsystemen – oder auch einzelnen Spiegeln – zur Reflektion meist die Umlenkung des Strahls genutzt wird, und diese nur mit einer bestimmten optischen Weglänge zu realisieren ist. Außerdem treten bei Nichtkompensieren der Spiegelablenkeinheit Verzerrungsfehler (kissen- und tonnenförmige Verzeichnung) auf, wie sie in "Laser beam scanning" edited by Gerald F. Marshall, Marcel Dekker Inc., New York-Basel, auf Seite 226 ff beschrieben sind.
• Ein weiterer Nachteil ist die Schwierigkeit mit Spiegelsystemen kleine Wegstrecken zu realisieren, da aufgrund der Eigenschaft des Spiegels (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) extrem kleine Anstellwinkel gefordert sind. Diese kleinen Wege können die derzeit erhältlichen Antriebe (Galvosysteme) bei hohen Frequenzen nicht leisten. Eine weitere Antriebsmöglichkeit stellen Piezoantriebe dar, die diese kurzen Wege gut bewältigen; jedoch haben diese den Nachteil, dass sich die Piezokeramik bei Dauerbetrieb auf ein und der selben Stelle in die Laufflächen einarbeitet und dies sehr schnell zu Ausfällen führt.
• Eine vorbekannte Möglichkeit kurzbrennweitig zu arbeiten, ist die Verwendung eines F-Theta-Objektivs hinter dem Spiegelsystem. Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Objektive haben einen minimalen Arbeitsabstand von knapp 30 mm, jedoch werden in der Mikromaterialarbeit oft kürzere Brennweiten benutzt.
• Ein weiteres Verfahren zur linearen Ablenkung eines Lichtstrahls ist die Verwendung einer Keilplatte durch Verkippung. Dieses Verfahren eröffnet im Prinzip die gleiche Möglichkeit wie das Verkippen einer planparallelen Platte (3) mit jedoch der Ausnahme, dass der Lichtstrahl nicht nur einen Parallelversatz (S) erfährt, sondern auch eine Winkeländerung, was sich durch Verzerrungen auf die Qualität der Bearbeitung niederschlägt.
• Ein Verfahren, welches ähnliche Auswirkungen auf die Bearbeitung hat wie das Keilplattenverfahren, ist das Verkippen einer sphärischen Linse, wobei hier die Fehler in der optischen Abbildung noch größer sind.
• Erfindungsgemäße Lösung
• Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass eine lineare Ablenkung des Lichtstrahles für kleine bis sehr kleine Amplituden mit hohen Bahngeschwindigkeiten unter Ausblendung der Verlangsamung in den Endlagen und mit kurzbrennweitigen Bearbeitungsoptiken realisiert werden kann. Ein weitere Vorteil ist, dass der geradlinig ausgelenkte Strahl in allen Stellungen parallel zur optischen Achse ausgerichtet ist, und somit orthogonal zum Werkstück. Besonders bei der Bearbeitung von spröden Werkstoffen, wie z. B. Glas oder Keramik, ergibt sich durch diese Art der Strahlführung eine hohe Bearbeitungsqualität, die sich in der guten Kantenqualität (Minimierung der Ausmuschelung und Rissbildung) widerspiegelt.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass der Strahlengang bis auf den gewünschten Strahlversatz nicht weiter verändert oder gestört wird, was zu Folge hat, das die optimale Fokussierung (mit Sammellinse und Laserstrahlung hoher Qualität) erhalten bleibt. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Lösung nicht durch Einschränkungen hinsichtlich der Pulsdauer oder Wellenlänge beschränkt. Es sind für alle Pulsdauern von Dauerstrich (cw) bis hin zu Femtosekunden-Pulsen geeignete Anordnungen in Strahlweg oder Materialien bekannt, die als planparallele Versatzplatte (3) in der beschriebenen Art genutzt werden können. Auch ist die Strahlauslenkung verschiedener Wellenlängen durch geeignete Materialauswahl von UV-Anwendungen bis hin zu Infrarot-Laserstrahlung mit dem beschriebenen Prinzip nutzbar.
• Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass durch die gezielte Steuerung der Oszillationsgeschwindigkeit und damit die Festlegung einer Impulszu-Impuls-Überlappung der Laserstrahlung auf dem zu bearbeiteten Werkstück, die Applikation gesteuert werden kann, ohne in das Parameterfeld des Lasers, z. B. die Repetitionsrate, einzugreifen, was wiederum nicht nur eine möglichst schonende Bearbeitung liefert, sondern auch eine Maximierung der Bearbeitungseffizienz bedeutet.
• Durch den Vorteil der mechanischen Verstellung des Strahlversatzes (S) kann die Amplitude für ein breites Applikationsspektrum angepasst werden. In der Anwendung ist es außerdem von Vorteil, dass der Strahl auch leicht exzentrisch auf die Optik treffen kann, ohne dass dies eine Auswirkung auf den Strahlversatz hat. Ebenso lässt sich die Fokuslänge durch die Auswahl einer geeigneten Fokussieroptik bzw. deren räumliche Lage zur planparallelen Platte (3) bestimmen. Es kann sogar die gleiche Fokussieroptik verwendet werden, die auch vor dem Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung im Einsatz war.
• In Weiterführung des Erfindungsgedankens können mehrere Vorrichtungen übereinander angeordnet werden, um zwei unabhängige Schwingungen wirken zu lassen und durch Abtrag Mikrobohrungen mit rechteckigem Profil zu erzeugen. Mit der gleichen Anordnung können auch Lissajousfiguren mit all ihren Varianten erstellt werden.
• Die Ausblendung der Umkehrpunkte erfolgt durch eine in der Strahlfokussierung hinter der planparallelen Platte (3) angebrachte Feldblende (nicht dargestellt), z. B. aus Keramik oder einem anderen geeigneten Material, wodurch die Umkehrpunkte und die davor erfolgenden Verlangsamungen der Strahlablenkung ausgeblendet werden. Hierdurch erreicht man eine homogene Verteilung der Laserstrahlung über die Fläche.
• In Weiterführung des Erfindungsgedankens können durch eine vor den Vorrichtungen erfolgende Aufteilung des Laserstrahls mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen versorgt werden und diese am Umfang eines zu bearbeiteten Werkstücks angeordnet werden, um so mehrere Bearbeitungsschritte zeitgleich auszuführen. Eine solche Anordnung kann auch in einer Vorrichtung kombiniert werden und dabei die Bewegung der planparallelen Platte durch einen Motor übernommen werden.
• Beschreibung der Zeichnungen
• Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Lösung ist anhand der Zeichnungen sowie in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert:
• 1 zeigt das physikalische Wirkprinzip der Erfindung mit ihren notwendigen Komponenten sowie ihren Bewegungsrichtungen.
• 2 zeigt eine Teilschnittdarstellung einer möglichen Realisierungsvariante mit exzentrischem Antrieb zur Verkippung der planparallelen Platte.
• 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werkstücks mit Abtragsspur und Andeutung des oszillierenden Laserstrahls
• Die in 1 schematisch skizzierte Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstoffen weist eine Anordnung auf, die auf dem physikalischen Prinzip der Brechung von Licht an einer planparallelen Platte (3) beruht. Die planparallele Platte (3), die nicht eine Kreisform aufweisen muss, kann in eine schnelle schwenkende Bewegung versetzt werden. Zusätzlich kann der Abstand von der Fokussieroptik (2) verändert werden.
• Beim Durchlaufen des Lichtstrahls (1) durch eine planparallele Platte (3) tritt eine Parallelverschiebung (S) auf. Die Größe von (S) wird durch den Einfallswinkel (a) des einfallenden Strahls (1) auf die planparallele Platte (3), die Dicke (d) der planparallelen Platte (3) und dem Brechungsindex (n) der planparallelen Platte (3) bestimmt. Daraus folgt: S = f(α, d, n)

  
• Versetzt man nun die unter dem Einfallswinkel (α) stehende und hinter der Fokussierlinse (2) angeordnete planparallele Platte (3) in eine schwenkende oder kippende Bewegung, ändert sich fortlaufend der Einfallswinkel (α), was zu einem Parallelversatz (S) und somit zur linearen Bewegung orthogonal zur optischen Achse führt. Je nach Abstand bzw. Brennweite der Linse kann so der Fokusdurchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie an die entsprechende Bearbeitung angepasst werden.
• Eine weitere Möglichkeit, den Planversatz (S) zu beeinflussen, wird über die Dicke (d), sowie den Brechungsindex (n) der planparallelen Platte (3) erreicht. Hiermit lässt sich eine Vorauswahl des Planversatzes (S) bestimmen. Auf Grund der Anordnung und des Antriebs der sich bewegenden Teile ist es möglich, unterschiedlichste Bewegungsgeschwindigkeiten und Strahlauslenkungen zu realisieren, wobei der sich bewegende Strahl annähernd einer Sinusfunktion folgt. Der sich bewegende Strahl steht während der Versatz-Bewegung immer orthogonal zur Bearbeitungsebene, was die Qualität der Bearbeitung positiv beeinflusst. Die realisierte Strahlablenkung und somit die Amplitude ist gleich 2·S.
• In 2 ist eine mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierbei befindet sich die Fokussieroptik (2) in einer Fassung, die mit Hilfe eines entsprechenden Tubus (nicht dargestellt) auf unterschiedliche Varianten angepasst werden kann. Die planparallele Platte (3) wird in einer zweiten Fassung geführt, die ihrerseits in einem Lagerbock (6) so gelagert ist, dass sie senkrecht zur Zeichnungsebene gekippt werden kann. Über den Pleuel (5) und dessen exzentrischer Befestigung an der Kurbelscheibe (4) wird die planparallele Platte (3) in eine oszillierende Bewegung, um die Dreh-Achse (7), versetzt. Die Kurbelscheibe (4) ist hierbei so gestaltet, dass sie für eine ausgleichende Massenverteilung sorgt, und so ein Aufschwingen – gerade bei hohen Drehzahlen – verhindert.
• Durch Verbindung einer zusätzlichen Exzenterscheibe (nicht dargestellt) mit der Kurbelscheibe (4) kann die Winkelverstellung und damit die Kippung der planparallelen Platte individuell vorgenommen werden. Hieraus folgt, dass der Strahlversatz (S) und damit die zu bearbeitende Strecke einstellbar ist. Um Optik und Mechanik vor den Einflüssen der Bearbeitung zu schützen wird die Vorrichtung in ein Gehäuse integriert, welches an der Strahlaustrittseite mit einem Schutzglas versehen ist (nicht dargestellt). Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass der Strahl in jeder Stellung der planparallelen Platte (3) parallel der optischen Achse steht und störungsfrei das Schutzglas passieren kann.
• Um die Werkstück-Bearbeitung zu unterstützen, bietet das Gehäuse auch die Möglichkeit, einen Gasanschluss vorzusehen, um an der Bearbeitungsstelle eine entsprechende (Schutzgas-)Atmosphäre zu schaffen.
• 3 zeigt ein Werkstück (10), in dem ein frei geformter Graben (11) abgetragen ist. Hierbei beschreibt der oszillierende Strahl (9) eine linienförmige Bewegung orthogonal zur Bearbeitungsebene und trägt so-ähnlich eines Hobels-Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags wird sehr stark durch den Impuls-zu-Impuls-Überlapp und somit von der Oszillationsgeschwindigkeit der planparallelen Platte (3) bestimmt.
• Besonders bei Applikationen, wo durch Linearbewegungen von wenigen μm im Zusammenhang mit hoch repetierenden Laser bzw. schnellen Pulsfolgefrequenzen (z. B. 100 000 Impulse pro Sekunde) eine möglichst schonend Bearbeitung erfolgen soll, sind hohe Bahngeschwindigkeiten bei extrem kurzen Wegen notwendig.
• Die erforderliche Oszillation und somit die Drehzahlen in U/min U_r bei einem vorgegebenen optimalen Impuls-zu-Impuls-Überlapp O lässt sich nach folgender Beziehung ermitteln:

  

  wobei f_r die Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate) bestimmt, d_L den wirksamen Laserstrahldurchmesser auf dem Werkstück und S die Parallelverschiebung nach Gleichung [1]. Die realisierte Strahlablenkung und somit die Amplitude ist gleich 2·S.
• Anwendungsbeispiel 1:
• Beim schonenden und präzisen Mikroabtrag mit kurzgepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Mikroschnitts an einem Wendeldraht ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 75% ermittelt bzw. festgelegt, d. h. nach Einwirkung des Laserimpulses auf die zu bearbeitende Oberfläche soll der nachfolgende Laserimpuls beim Auftreffen 75% der Fläche bedecken, die der vorangegangene Laserimpuls bestrahlt hat. Der gebündelte Laserstrahl hat auf dem Werkstück einen wirksamen Durchmesser d_L = 20 μm, so dass ein mittlerer Abstand von 50 μm zwischen den Laserimpulsen liegt. Eine geradlinige Bearbeitung mit einer Auslenkung S = 0,1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von f_r = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl U = 4 500 U/min. Das entspricht 9 000 Richtungswechsel pro min bei einer Bahngeschwindigkeit von durchschnittlich 3,6 m/min.
• Anwendungsbeispiel 2:
• Beim schonenden und präzisen Mikroabtrag mit kurzgepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Präzisionsschnittes an einem zu bearbeitenden keramischen Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 30% ermittelt bzw. festgelegt, um das Aufheizen und somit den thermischen Schock zu minimieren. Der gebündelte Laserstrahl hat auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser d_L = 10 μm. Eine linearförmige Bearbeitung mit einer Auslenkung von S = 0,25 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von f_r = 5 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl U_r = 4 200 U/min.
• Wie diese Berechnungen zeigen, sind am Markt erhältliche CNC-Maschinen (spanende Bearbeitung) hinsichtlich der sich aus der Vorrichtung ergebenden Oszillationsgeschwindigkeiten und den daraus folgenden häufigen Richtungswechsel um Größenordnungen entfernt.

1

einfallender Strahl

2

Fokussierlinse

3

planparallele Platte

4

Kurbelscheibe

5

Pleuel

6

Lagerbock

7

Dreh-Achse

8

(nicht benutzt)

9

oszillierender Strahl

10

Werkstück

11

Abtragsspur

α

Einfallswinkel

d

Dicke von (3)

f_r

Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate)

n

Brechungsindex

O

Impuls-zu-Impuls-Überlapp

S

Parallelversatzes des Strahls

U_r

Drehzahl der Oszillationsoptik bei gegebenem O

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - DE 4026130 A1 [0002]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• - "Laser beam scanning" edited by Gerald F. Marshall, Marcel Dekker Inc., New York-Basel, auf Seite 226 ff [0003]

Claims (15)

1. Vorrichtung und Verfahren zum Einbringen von Strukturen in beliebige Werkstoffe mit Laserstrahlung dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mit hoher Bahngeschwindigkeit, unter einer oszillierenden Bewegung seitlich versetzt, orthogonal zur optischen Achse auf das Werkstück fokussiert.
2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch für mehrere parallel und nicht parallel geführte Laserstrahlen gleichzeitig genutzt werden kann.
3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls-zu-Impuls-Überlapp und/oder die Bahngeschwindigkeit, und/oder die Repetitionsrate des Lasers und/oder die Auslenkung der planparallelen Platte (3) bzw. deren Dicke (d) sowie Brechzahl (n) eingestellt werden kann.
4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die lineare Bewegung des Laserstrahls orthogonal zur optischen Achse in Kombination mit einer zusätzlichen Bewegung der Vorrichtung eine beliebige vorgewählte Strukturierung durch Erzeugung von Gräben durch Abtrag, Formbohrungen durch Abtrag oder Aufschmelzungen, bzw. Aufschweißungen im Mikrobereich auf dem Werkstück entstehen.
5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung des Strahls bezüglich der optischen Achse im ruhenden Zustand verändert werden kann.
6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlversatz des einfallenden Strahls den Parallelversatz des Strahls nicht beeinflusst.
7. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch geeignete Auswahl des Materials der planparallelen Platte (3) unabhängig von der Wellenlänge vom ultravioletten bis in den nahen infraroten Bereich genutzt werden kann.
8. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung unabhängig der Impulsdauer der Laserstrahlung genutzt werden kann.
9. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch für Laserstrahlung im Dauerstrichbetrieb genutzt werden kann.
10. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Fokus auf dem Werkstück über die Verwendung bzw. über die Lage der Fokussieroptik beeinflusst werden kann.
11. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlverlauf parallel der optischen Achse verläuft.
12. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der parallelversetzte Strahl das Schutzglas störungsfrei durchdringen kann.
13. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Möglichkeit bietet, eine Gasatmosphäre in der Bearbeitungsebene zu schaffen.
14. Verfahren nach Anspruch 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenfestigkeit durch die kombinierte Bewegung sowie die ausgewählten Laserparameter (Impulsdauer zwischen 100 fs und 100 ns, Wellenlänge zwischen 200 und 1 100 nm) besonders bei spröden Materialien extrem hoch ist.
15. Verfahren nach Anspruch 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Anordnung mehrerer Vorrichtungen übereinander beliebige Flächen und Formen erstellt werden können.