DE69000403T2

DE69000403T2 - Oberflaechenbearbeitung mittels laser-energie.

Info

Publication number: DE69000403T2
Application number: DE9090300835T
Authority: DE
Inventors: Andrew Roy Henderson; Robert Jones
Original assignee: Wiggins Teape Group Ltd
Current assignee: Wiggins Teape Group Ltd
Priority date: 1989-02-16
Filing date: 1990-01-26
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2010-01-27
Also published as: EP0384582B1; JPH02263582A; DE69000403D1; GB8903525D0; ES2035703T3; CA2010113A1; FI900748A0; FI900748A7; EP0384582A1

Description

Diese Erfindung betrifft die Behandlung der Oberfläche eines Materials mittels Laser-Energie und sie betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine solche Behandlung. Eine spezielle Anwendung der Erfindung ist die Markierung der Oberfläche einer Papierbahn, indem Laser-Energie dort aufgebracht wird. Eine solche Markierung kann das Aufbringen einem wiederholten Logos oder eines anderen sichtbaren Zeichens auf die Bahn sein, ohne die Bahn zu perforieren oder eine unzumutbare Verkohlung des Papiers zu erzeugen, die ästhetisch unakzeptabel wäre. Die Prinzipien der Erfindung sind jedoch als von einer allgemeineren Nützlichkeit in Fällen anzusehen, wo eine Oberfläche eines Materials durch Darüberführen eines Laserstrahls behandelt wird, um eine Veränderung an der Oberfläche zu bewirken. Eine solche Veränderung kann sichtbar sein oder nicht.
Eine solche Anwendung von Laser-Energie umfaßt das Führen eines Strahls relativ zur Bahnoberfläche, um ein "Zeichen" zu erzeugen, das sowohl eine Länge in der Führungsrichtung als auch eine signifikante Breite quer zu dieser Richtung aufweist. Die Breite kann mehrere Millimeter betragen. Das Zeichen, Logo oder was sonst immer auf die Materialoberfläche aufgebracht wird, kann mit Hilfe einer Maske oder einer Schablone erzeugt werden und sollte ein gleichförmiges Aussehen zeigen. Dies erfordert das Suchen einer Gleichförmigkeit der Wirkung aus der Abgabe der Abtast-Laserenergie.
Ein Beispiel der Markierung einer Papierbahn mittels eines Laserstrahls mit Hilfe einer bildtragenden Maske ist in der Europäischen Patentschrift EP-A 0279505 offenbart. In dieser Schrift wird gezeigt, wie ein Laserstrahl in einen Linienfokus gebracht werden kann, wobei sich die Linie über die erforderliche Breite in Richtung quer zur Führungs- bzw.
Abtastrichtung erstreckt. In den in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen wird die Maske hinter der durch den Strahl gelieferten fixierten Linie abgetastet.
Die anhängige Europäische Patentanmeldung 89301486.0, angemeldet am 16. Februar 1989 und unter der Nummer EP-A 0329438 am 23. August 1989 veröffentlicht, offenbart eine weitere Anordnung zur Verwendung eines Laserstrahls zur Markierung einer Bahn mit der Hilfe einer Maske oder einer Schablone. In diesem Fall verwendet man einen nicht fokussierten, aber parallel gerichteten Laserstrahl. Der Strahl hat einen Querschnitt, dessen Durchmesser die Breitenerfordernis des Bildes quer zur Führungs- bzw. Abtastrichtung erfüllt.
Die vorliegende Erfindung stammt aus Arbeiten, die zur Erforschung der Gleichförmigkeit einer erhaltenen Markierung, wenn ein Laserstrahl relativ zur Oberfläche eines Materials geführt wird, und insbesondere zur Gleichförmigkeit in Richtung senkrecht zur Führungsrichtung gemacht worden sind. Allgemein hat dies zur Betrachtung geführt, wie eine gleichförmige Behandlung der Oberfläche oder des Oberflächenbereichs eines Materials durch Darüberführen eines Laserstrahls erzielt wird, wobei Energie über eine signifikante Breite quer zur Führungsrichtung aufgebracht wird.
Gleichzeitig mit dem Versuch zum Erreichen dieser Gleichförmigkeit ist es wünschenswert, eine wirksame Ausnutzung des Strahls zu erzielen und zu vermeiden, daß ein Laser mit unangebracht hoher Leistung verwendet werden muß. Man nehme als Beispiel einen Strahl mit einer einfachen kreisförmigen Gauß-Verteilung, d. h. einen TEM&sub0;&sub0;-Modusstrahl. Er hat einen hohen zentralen Gipfel der Strahlungsdichte, der in Entfernung vom Mittelpunkt rasch auf geringe Werte der Strahlungsdichte abfällt. Es ist leicht zu erkennen, daß der durch einen solchen Strahl bestrahlte Streifen beim Überstreichen einer Oberfläche dort, wo der Gipfel geführt wird, eine weit größere Gesamtexponierung aufnimmt, als an den seitlichen Rändern. Eine gleichförmigere Exponierung kann erreicht werden, indem der Strahl zur Konzentration auf den Zentralbereich eingegrenzt wird, d. h. daß die Randbereiche abgedeckt werden. Dies verringert die behandelte Streifenbreite und verschwendet auch einen erheblichen Anteil der Strahlungsleistung. Wenn der Strahldurchmesser zum Ausgleich für die verlorene Breite vergrößert wird, dann ist ein Laser mit höherer Leistung erforderlich, um dieselbe Strahlungsdichte im aktiven Anteil des Strahls zu erreichen.
Wir werden im folgenden beschreiben, wie es durch richtige Auswahl des Betriebsmodus des Laser und insbesondere durch Verwendung eines Ringmodus-Laser möglich ist, eine im wesentlich gleichförmige Energieabgabe über einen großen Anteil der abgetasteten Breite eines nicht eingegrenzten Strahls zu erreichen. Dies bedeutet sozusagen, daß die Nutzungswirksamkeit des Strahls gut ist, wenn der Strahl auf den richtigen Abschnitt eingegrenzt wird oder - anders ausgedrückt - daß für eine gegebene abgetastete Breite die erforderliche Leistung des Lasers auf einem Minimum für die erforderliche Oberflächenbehandlung gehalten werden kann. Insbesondere ist jetzt gefunden worden, daß zum Erreichen dieser wünschenswerten Ergebnisse die Abtastrate des Strahls derart sein sollte, daß sie zu einer integrierten Wirkung auf das behandelte Material führen sollte, der die Bezeichnung "Exponierungsintegration" gegeben wird.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Material mit Laser- Energie bereitgestellt, worin ein Laserstrahl relativ zur Oberfläche geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß:
der Laserstrahl an der Oberfläche nicht fokussiert ist,
der Querschnitt des Strahls an der Oberfläche eine signifikante Breite quer zur Führungsrichtung aufweist,
der Querschnitt des Strahls an der Oberfläche eine Intensitätsverteilung zeigt, die kennzeichnend für die Struktur des Ausbreitungsmodus des Strahls ist,
die Modusstruktur einen Ringmodus umfaßt und die Führungsgeschwindigkeit des Strahls relativ zum Material derart ist, daß an jedem abgetasteten Punkt auf der Oberfläche die erzeugte thermische Energie eine Funktion des Integrals des Profils der Strahlungsintensität des Strahls ist, das an jenem Punkt wirkt, wenn der Strahl den Punkt überquert.
In einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Material mit Laser- Energie bereitgestellt, worin ein Laserstrahl relativ zur Oberfläche geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß:
der Laserstrahl an der Oberfläche nicht fokussiert ist,
der Querschnitt des Strahls an der Oberfläche eine signifikante Breite quer zur Führungsrichtung aufweist,
der Querschnitt des Strahls an der Oberfläche eine Intensitätsverteilung aufweist, die für die Ausbreitungsmodusstruktur des Strahls kennzeichnend ist,
die Modusstruktur einen Ringmodus umfaßt und
die Führungsgeschwindigkeit des Strahls relativ zum Material derart ist, daß an jedem abgetasteten Punkt auf der Oberfläche die Exponierungsdauer ausreichend gering ist, um sicherzustellen, daß der Punkt auf die integrierte Energie reagiert, die vom Profil der Strahlungsintensität des Strahls stammt, das an jenem Punkt wirkt, wenn der Strahl den Punkt überquert.
Die Ringmodusstruktur, auf die in den oben definierten Verfahren Bezug genommen wird, kann kreisförmig symmetrisch sein. Vorzugsweise umfaßt die Intensitätsverteilung der Modusstruktur einen Außenring und einen zentralen Gipfel. Diese Modusstruktur kann durch die Kombination von TEM&sub0;&sub0;- und TEM&sub0;&sub1; -Modi erreicht werden.
Eine spezifische Anwendung der Erfindung ist die Behandlung oder Kennzeichnung von Papier und die verwendete Laserleistung ist unterhalb eines Wertes, bei dem nennenswerte Verkohlung eintritt. Bisherige Erfahrungen zeigen, daß wo das Material Papier ist, die Exponierungsdauer nicht mehr als 10 Millisekunden sein sollte.
In noch einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Materials mit Laser-Energie bereitgestellt, umfassend:
einen Laser, der einen Strahl mit einer Ringmodusstruktur liefert,
einen Ort zur Aufnahme einer Materialoberfläche,
Mittel zum Richten des Laserstrahls als nicht fokussierter Strahl mit einer signifikanten Dimension in einer vorbestimmten Richtung auf diesen Ort,
Mittel zum Bewirken einer relativen Abtastbewegung zwischen dem Strahl und einer an dem Ort aufgenommenen Materialoberfläche in einer Richtung, die im wesentlichen normal zur vorbestimmten Richtung ist, wobei das die Abtastung bewirkende Mittel eine solche Abtastgeschwindigkeit liefert, daß an jedem abgetasteten Punkt auf der Materialoberfläche die erzeugte thermische Energie eine Funktion des Integrals des Profils der Strahlungsintensität des Strahls ist, das an diesem Punkt wirkt.
In der obigen Vorrichtung kann der Laserstrahl kreisförmig symmetrisch sein. Eine bevorzugte Ringmodusstruktur hat einen äußeren Ring, der einen zentralen Gipfel einschließt. Diese Struktur kann durch die Kombination von TEM&sub0;&sub0;- und TEM&sub0;&sub1; - Modi erreicht werden.
Zumindest für Papier ist es bevorzugt, daß das die Abtastung bewirkende Mittel eine Exponierungsdauer für jeden abgetasteten Punkt vorsieht, die nicht mehr als 10 Millisekunden ist.
Diese Erfindung und ihre Durchführung wird weiterhin bezüglich der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 einen Laserstrahl, der die Oberfläche eines zu behandelnden Materials abtastet, und das Profil einer diametralen Intensitätsverteilung für den Strahl zeigt;
Fig. 2A eine Darstellung der Strahlintensität als dreidimensionale Figur zeigt;
Fig. 2B eine Energieverteilungskurve über die Breite des Streifens auf der durch den Strahl abgetasteten Oberfläche zeigt;
Fig. 3A ein bevorzugtes Profil der Strahlungsintensität für den Laserstrahl zeigt;
Fig. 3B die Positionen der in Fig. 4 angegebenen Profile zeigt;
Fig. 4A bis 4D die Profile der Strahlungsintensität für vier unterschiedliche "Schnitte" durch den Strahl zeigt;
Fig. 5 eine Kurve ist, welche das Leistungsverteilungsprofil für die Schnitte in z-Richtung durch einen Strahl mit dem diametralen Profil der Strahlungsintensität von Fig. 3A zeigt;
Fig. 6 eine Kurve ist, welche die Anreicherung von Strahlungsexponierung zeigt, wenn Punkte auf der Oberfläche mit den Schnittprofilen der Bestrahlungsintensität der Fig. 4A bis 4D abgetastet werden;
Fig. 7 Schnittprofile durch einen Ringmodus-Strahl mit einer zentralen Strahlungsintensität von 0 zeigt;
Fig. 8 eine Kurve ähnlich wie die von Fig. 5 für den Strahl von Fig. 7 ist;
Fig. 9 eine Kurve ähnlich zu der von Fig. 5 und 8 für einen Strahl mit einem theoretischen "Zylinder" Profil zeigt; und
Fig. 10 ein schematisches Beispiel einer diese Erfindung verkörpernden Vorrichtung zeigt.
Fig. 1 zeigt einen Laserstrahl 10, der über die Oberfläche 20 eines Materials streicht, so daß ein Weg 22 der Breite Lx überstrichen wird, die in diesem Beispiel gleich dem Durchmesser d des Strahles ist. Der Strahl streicht in Richtung der Pfeile Z. Die Art, auf die die relative Bewegung zwischen Strahl und der Materialoberfläche bewirkt wird, ist für diese Diskussion nicht relevant. Es wird vorausgesetzt, daß der Strahl im wesentlichen senkrecht auf die Materialoberfläche auftrifft. Der Strahl kann zum Aufbringen eines Logos auf die Oberfläche 20 verwendet werden, indem er über eine Maske oder eine Schablone derart streicht, wie es in Fig. 10 von EP-A 0279505 ersichtlich ist. Die folgende Diskussion betrifft jedoch allgemein die an Punkte über die Breite des Wegs 22 abgegebene Energie.
Der gezeigte Strahl 10 ist ein Beispiel eines Ringmodus- Betriebs der Laserquelle. Der Querschnitt 12 des Strahls ist in vereinfachter Form mit einem äußeren Umfangsring 14 und einem inneren Zentralgipfel 16 gezeigt. Die Verteilung der Strahlungsintensität des Strahls ist in einem Querschnitt durch den Strahl kreisförmig symmetrisch und diese Strahlenform kann durch einen Laser erzielt werden, der in einem TEM&sub0;&sub0; + TEM&sub0;&sub1; -Modus betrieben wird. Der TEM&sub0;&sub0;-Modus erzeugt den zentralen Gipfel, während der TEM&sub0;&sub1; -Modus den äußeren Ring erzeugt. Ein diametral integriertes Energieprofil 30 ist aufrecht auf dem Weg 22 gezeigt. Die integrierte Energieverteilung wird ausführlicher im folgenden veranschaulicht und diskutiert. In dieser Beschreibung wird die Strahlungsintensität (Leistungsdichte) des Strahls durch E (in W/m²) bezeichnet. Die Richtung der Strahlführung wird durch und die Querrichtung durch bezeichnet.
Fig. 2A zeigt eine Hälfte einer typischen Verteilung der Strahlungsintensität als dreidimensionales Profil. Der quer zum Profil durchgeführte diametrale Schnitt ist in Fig. 3A aufgetragen. Fig. 2B zeigt den vereinfachten Strahlquerschnitt 12, der entlang des Weges 22 geführt wird. Im rechten Teil der Figur ist eine Kurve in schrittweisen Inkrementen für die gesamte Energiedichte oder Strahlungsexponierung H (in joule/m²) aufgetragen, die an jeden beliebigen Punkt wie etwa Px im Weg des Strahls geliefert wird, der in einer Entfernung x von der zentralen Längsachse z&sub0; liegt. Aufgrund der Symmetrie des Strahls nimmt man an, daß x = 0 auf der Achse z&sub0; liegt und die Entfernungen als Ordinatenentfernungen von dieser Achse bestimmt werden: in einem Teil der späteren Beschreibung wird als Bruchteil des Strahlradius ausgedrückt. Die an jedem beliebigen Punkt Px - dargestellt als kleiner Bereich endlicher Breite in der Richtung - abgegebene Energie ist proportional zum integral des Schnittes 18 in der z-Achsenrichtung durch die Strahlungsintensitätsverteilung des Strahls von Fig. 2A, der Px während des Überstreichens überquert. Was die Kurve 30 zeigt, ist, daß die abgegebene Energie bemerkenswert gleichförmig über einen erheblichen Anteil der Breite Lx ist, d. h. den Strahldurchmesser d ist. Die abgegebene Energie fällt nur an den Rändern ab, wo der Profilschnitt, der auf einen Punkt wie etwa P'x wirkt, nahezu tangential zum Strahl wird. Es ist ersichtlich, daß die Ränder des Strahls, wo die abgegebene Gesamtenergie abfällt, abgedeckt werden können, um den Strahlquerschnitt in der -Richtung einzugrenzen, so daß der Anteil mit der nahezu gleichförmigen Energieabgabe erhalten wird.
Wendet man sich jetzt einem spezifischeren Beispiel zu, zeigt
Fig. 3A einen diametralen Schnitt durch die Verteilung der Strahlungsintensität (E) des Strahls für einen kombinierten TEM&sub0;&sub0; - und TEM&sub0;&sub1; -Modus, wie etwa in Fig. 2A verdeutlicht. Der zentrale Gipfel 16 weist eine Amplitude auf, die ähnlich der Gipfelamplitude des Rings 14 ist. Der Durchmesser des Gipfels des äußeren Rings ist als bezeichnet. Im Gegensatz zu den vereinfachten Diagrammen ist ersichtlich, daß der Abfall des zentralen Gipfels und des äußeren Rings von den Gipfelwerten derart ist, daß zwischen den beiden ein Tal 19 liegt, dessen minimale Amplitude immer noch erheblich ist. In dem veranschaulichten Fall ist sie etwas über der Hälfte des Gipfelwerts. Das Profil in Fig. 3A ist für die Strahlungsintensität des Strahls entlang der diametralen Achse x in Fig. 3B.
Die Fig. 4A bis 4D zeigen Strahlungsintensitätsprofile, die entlang Schnitten in Richtung der z-Achse an den Entfernungen x&sub1; , x&sub2;, x&sub3; bzw. x&sub4; von der Mittelachse z&sub0; ( = 0) genommen wurden. Diese Schnitte sind in Fig. 3B gezeigt. In jedem Fall ist tatsächlich ein Halbprofil gezeigt: das vollständige Profil ist zur diametralen -Achse von Fig. 3B symmetrisch, die in den Fig. 4A bis D bei Z = 0 liegt. Wie aus den Fig. 4A bis D hervorgeht, weicht das Strahlungsintensitätsprofil bei einem Anstieg von zunehmend von dem von Fig. 3A ab. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß die Größe des Profils in der - Richtung bei einem Anstieg von abnimmt, um vernachlässigbar gering zu werden, wenn sich dem Strahlradius annähert - der tangentiale Zustand. Somit wird jeder Punkt Px in den Entfernungen x&sub1; , x&sub2;, x&sub3; und x&sub4; jeweils durch das Strahlungsintensitätsprofil von Fig. 4A, 4B, 4C oder 4D abgetastet, wobei ein Punkt der Mittelachse durch das Profil von Fig. 3A abgetastet wird.
Die Leistung, die zur Wirkung an einem einzigen Punkt im Weg eines Profilschnitts an den Entfernungen x&sub1;, x&sub2;, x&sub3;, x&sub4; etc. verfügbar ist, wird in Fig. 5 dargestellt, in der die Abszisse wiederum darstellt. Die Ordinate H ist das Integral des Schnittprofils in der -Richtung für jeden Wert von und stellt die Leistung im Schnitt für eine beliebig kleine Schnittbreite δx (dP/dx) dar oder kann andererseits bezüglich der Strahlungsexponierung (abgebbare Energie pro Flächeneinheit) in J/m² für einen Punkt in einer Entfernung von der Mittelachse ausgedrückt und durch das zugehörige Schnittprofil abgetastet werden, wenn sich der Strahl über die Materialoberfläche mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Die gesamte abgegebene Energie hängt natürlich von der Strahlgeschwindigkeit ab, einem Faktor, der später diskutiert wird.
Die Energieabgabe an Punkten, die in den Entfernungen x&sub1; , x&sub2;, x&sub3; und x&sub4; liegen, wird weiter durch Fig. 6 veranschaulicht, die zeigt, wie sich die Gesamtenergie H bei Führung des Strahls mit der Zeit anreichert. Aus den Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß an den Entfernungen x&sub1; , x&sub2;, X&sub3;, alle innerhalb des Radius , die abgegebenen Energien und die Rate, mit der die Energie abgegeben wird, sehr gut vergleichbar sind. Bei x&sub4; jenseits des Gipfels des äußeren Rings beginnt die Energie erheblich abzufallen.
Das vorangehende zeigt, daß der veranschaulichte Ringmodus- Laserstrahl in der Lage ist, eine im wesentlichen gleichförmige Energiemenge auf einen Materialstreifen abzugeben, der durch den Strahl abgetastet wird, ohne Rücksicht auf die scheinbar stark unterschiedlichen Werte der Strahlungsintensität, die im Strahlquerschnitt vorhanden sind. Wenn ein streifen einer Materialoberfläche im wesentlichen dieselbe Energie aufnehmen soll, kann der Strahl in der -Richtung eingegrenzt oder abgedeckt werden, um die Seitenränder zu entfernen. Wenn dies geschieht ist es wünschenswert, daß der Anteil an Verlust der Strahlleistung nicht so groß sein sollte. Dies kann als Eingrenzungswirksamkeit ausgedrückt werden, das ist der Anteil der gesamten verfügbaren Strahlleistung, wenn die Breitenausdehnung des aktiven Strahls auf einen gegebenen Anteil des Durchmessers beschränkt wird. In dieser Hinsicht wird der kombinierte TEM&sub0;&sub0; + TEM&sub0;&sub1; als günstig angesehen.
Die bisherige Analyse hat den Fall berücksichtigt, daß der Zentralgipfel 16 nicht im großen Umfang höher als der Gipfel des äußeren Ringes 14 ist. Dies ist im extremen der Fall, wenn der Zentralgipfel vollständig dominiert, d. h. praktisch ein TEM&sub0;&sub0;-Strahl mit einer Gauß-Verteilung um seinen Mittelpunkt. Dies ist nicht länger ein Ringmodus. Wie bereits im Einleitungsteil dieser Beschreibung ausgeführt worden ist, kann ein solcher Strahl keine wirksame Strahlausnutzung mit gleichmäßiger Energieabgabe auf einen Material streifen kombinieren. Im anderen Extrem kann der Strahl praktisch den Zentralgipfel verlieren, so daß nur der äußere Ring zurückbleibt. Fig. 7 zeigt einen Satz von Profilen in Richtung der z-Achse für einen TEM&sub0;&sub1; -Modusstrahl mit 0 im Zentrum oder auf der Achse. Die Profile werden für -Werte von 0, 0,2, 0,4 und 0,6, ausgedrückt als Bruchteil des Strahlradius, genommen, wobei der Wert der Strahlungsintensität auf der y-Achse auf eine Einheit für den Gipfelwert normiert wird. Die über die Profilschnitte in der z-Richtung (ebenfalls als Bruchteil des Strahlradius ausgedrückt) abgebbare Energie oder in anderen Worten die in den Schnitten einer Breite δx enthaltene Leistung wird als Kurve 40 in Fig. 8 dargestellt, die mit denselben Bezeichnungen wie Fig. 5 aufgetragen und damit verglichen werden sollte. Der Maßstab der y-Achse in Fig. 8 wird am Gipfelwert auf eine Einheit normiert. Anstelle des kleinen Gipfels an der Achse z&sub0; in Fig. 5 zeigt Fig. 8 eine Senke 0 auf der Achse, obwohl für Werte von bis etwa 0,55 die Gleichförmigkeit der Strahlungsexponierung etwa +10 % ist, wenn man den Ordinatenwert 0,9 als Bezugspunkt nimmt. Die Variation in der akzeptierbaren Exponierung hängt von der jeweiligen Anwendung ab, der angegebene Wert ist jedoch einer, der gegenwärtig als ausreichend angesehen wird, insbesondere im Licht der Erfahrungen bei der Papierherstellung. Es ist jedoch klar, daß eine Komponente im TEM&sub0;&sub0;-Modus beim Erhalten einer gleichförmigeren Energieverteilung von Nutzen ist.
Fig. 8 zeigt auch eine Kurve 50, welche die Eingrenzungswirksamkeit darstellt, die als Bruchteil auf der y-Achse ausgedrückt ist. Gemäß der oben gegebenen Definition ist dies der Bruchteil von Strahlleistung, der durch einen Schlitz der Breite 2x (Strahldurchmesser ist 2) durchgelassen wird, dessen Längsachse auf der z&sub0;-Achse liegt: d. h. die aufgetragene Kurve 50 zeigt einen Bruchteil der Eingrenzungswirksamkeit für einen Schlitz mit der halben Breite . Die Eingrenzungswirksamkeit bei dem gerade diskutierten Wert x = 0,55 ist 0,8.
Um die Grenzen nutzbarer Strahlprofile weiter zu erforschen, betrachtet man ein theoretisches Profil, das als "Zylinder"- Profil bezeichnet werden kann. In einer Darstellung derart, wie sie in Fig. 2A ersichtlich ist, würde dieses Profil ein echter Zylinder vom Radius sein und in einem diametralen Profil derart, wie es in Fig. 3A gezeigt ist, würde es ein rechteckiges (Flachdach) Profil über den vollen Durchmesser des Strahls aufweisen. Fig. 9 zeigt in Kurve 42 die in den Schnittprofilen enthaltene Leistung, wie es in Fig. 8 der Fall ist, und in Kurve 52 die Eingrenzungswirksamkeit. Für einen eingegrenzten Strahl mit derselben ±10 % Strahlungsexponierung um denselben Bezugspunkt 0,9 wie in Fig. ,8 ist die halbe Breite des Schlitzes bei 0,6 leicht größer, so daß er in der Strahlausnutzung etwas wirksamer ist. Zum Vergleich liefert die Ausführungsform der Fig. 2 und 3 eine Eingrenzungswirksamkeit von etwa 85% für eine halbe Breite des Schlitzes von etwas mehr als 0,6.
Alle dargestellten Beispiele sind Ringmodi. Der einzelne äußere Ring mit 0 am Mittelpunkt ist der einfachste Fall. Das Zylinderprofil ist mehr mit dem zuvor analysierten TEM&sub0;&sub0; + TEM&sub0;&sub1; verwandt, aber mit einer gleichförmigen Ausfüllung über den gesamten Strahl. Es ist möglich, Mehrfach-Modusstrahlen zu erzeugen, die große Anzahlen von Modi mit höherer Ordnung enthalten, die ein zentrales kreisförmiges Plateau, wenn auch mit darauf befindlichen Sekundärgipfeln und natürlich ohne genau vertikale Ränder aufweisen. Aus der bis dahin durchgeführten Untersuchung ist klargeworden, daß zusätzlich zum Ringmodus selbst ein Zentralgipfel von Nutzen ist: Wo ein zentraler Intensitätsgipfel ist, sollte dessen Wert vorzugsweise etwa wie der des äußeren Rings oder nicht viel mehr darüber sein, um eine akzeptabel gleichförmige Energieabgabe über einen Großteil der Strahlbreite quer zur Führungsrichtung zu erhalten.
Die vorangehende Analyse von verschiedenen Strahlprofilen hat die Fähigkeit von Ringmodi gezeigt, eine im wesentlichen gleichförmige Energiemenge an Punkte entlang des Materialstreifens abzugeben, der von dem Strahl über einen Hauptteil des Strahldurchmessers überquert wird. Es ist jedoch notwendig, daß die Abtast- bzw. Führungsgeschwindigkeit des Strahls ausreichend ist, um eine Exponierungsintegration zu erhalten. Dies wird jetzt weiter erläutert.
Wenn wir den gegenwärtig bevorzugten Profiltyp, wie etwa in Fig. 2A (TEM&sub0;&sub0; + TEM&sub0;&sub1; ) nehmen, ist es erforderlich, daß der Strahl mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt wird, daß die Materialoberfläche nicht auf die Feinstruktur des Strahlprofils reagiert. Untersuchungen haben ergeben, daß Papier bei geringen Geschwindigkeiten auf die Rate der Energieabgabe reagiert und beispielsweise entlang der z&sub0;-Achse auf die drei Gipfel des Profils von Fig. 3A reagieren würde. Um zu erreichen, daß das Papier auf die integrierte Energie, wie etwa bei 30 in den Fig. 2B und detaillierter in den Fig. 5 und 6 gezeigt, reagiert, erachtet man es als notwendig, eine Exponierungsdauer von weniger als etwa 10 Millisekunden zu haben. Dies ist spezifisch auf einem Papier mit einem Gewicht von etwa 50 g/m² untersucht worden. Die Exponierungsdauer ist die Zeit, für die ein vom Strahl überstrichener Punkt dem zugehörigen Schnittprofil exponiert ist. Die maximale Exponierungsdauer ist somit entlang der z&sub0;-Achse, wo das Profil der volle Strahldurchmesser ist. Die Abtastgeschwindigkeit muß daher über d/10 m/sek sein, wobei in mm ist, was etwa 80 m/sek im vorliegenden Fall ist.
Betrachtet man die Exponierungsdauer im allgemeinen, ist es erforderlich, daß in der Zeit, die für das streichen des Strahls über jeden gegebenen Punkt auf der Oberfläche des behandelten Materials erforderlich ist, keine nennenswerten thermischen Relaxationseffekte auftreten sollten und daß daher das Material auf die gesamte Energieabgabe statt auf die Rate der Abgabe (Leistung) während der Exposionsdauer reagieren sollte.
Im Falle der speziell diskutierten Markierung von Papier sind wir an der Umwandlung der auftreffenden Strahlungsenergie in thermische Energie interessiert, die dann eine Wirkung in einer der Oberfläche angrenzenden Zone des Materials erzeugt. Papier ist faserförmig und hat bei Betrachtung in der Laserwellenlänge eine sehr offene Struktur. Licht wird beim Eindringen in die offene Struktur durch die Fasern nahe der Oberfläche mehrfach gestreut und wird relativ schrittweise absorbiert und in Warme überführt. Weiterhin ist Papier ein komplexes Material. Insbesondere kann man erwarten, daß seine faserartige Struktur einige Gew. -% Feuchtigkeit enthält, sogar wenn das Papier theoretisch trocken ist. Somit wird die erzeugte Wärme mindestens teilweise zum Austreiben dieses Wassers wirken, bevor die Wärme eine große Wirkung auf die Cellulose zeigt.
Bei der Art der zuvor erwähnten Markierungsanwendung nimmt man an, daß die durch den auftreffenden Laserstrahl erzeugte Wärme auf gewisse Weise die faserförmige Struktur ändert, möglicherweise als Ergebnis eines ersten Verdampfens von Feuchtigkeit, bevor eine Verkohlung der Fasern beginnt. Diese Änderung der Faserstruktur kann selbst ein sichtbares Zeichen erzeugen. Es kann dann eine Verkohlung der Fasern, aber ohne deren Wegbrennen, erfolgen. Es wurde festgestellt, daß es sich durch Aufbringen einer wie in dieser Beschreibung beschriebenen Exponierungsintegration als möglich erwiesen hat, ein Logo oder ein ähnliches Zeichen auf eine Papierbahn zu bringen, das ohne Überbetonung ein gutes, gleichförmiges optisches Aussehen aufweist.
Fig. 10 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls, um eine Materialoberfläche, wie etwa in den Fig. 1, 2 und 2A gezeigt, zu überstreichen. In Fig. 10 verwendet man einen Laser 100 zur Erzeugung eines Strahls 110, der entlang eines Strahlwegs 112 auf einen Bahnweg 114 gerichtet ist. Ein Material, wie etwa eine Papierbahn, wird entlang diesem Weg beispielsweise von einer Rolle 116 zu einer weiteren 117 mit geeigneten Walzen transportiert, wie es dem Fachmann klar ist. Der Weg sollte innerhalb einer Papierherstellungsmaschine sein. Der Strahl 110 trifft auf dem Bahnweg 114 auf und überstreicht den Weg in Längsrichtung aufgrund des Bahntransports. Der auf die Bahn am Ort 120 auftreffende Strahl ist der nicht fokussierte, parallel ausgerichtete Strahl einer oben diskutierten Ringmodusstruktur.
Der Strahl kann mit einer Abbildungsmaske verwendet werden, die die Anwendung einer optischen Abtastbewegung auf den Strahl selbst umfassen kann. Die Verwendung einer solchen Bildabtastung zur Markierung einer sich bewegenden Bahn mit einem unfokussierten, parallel ausgerichteten Laserstrahl ist in der oben erwähnten EP-A 0329438 beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung der Oberfläche (22) von Material mit Laser-Energie, worin ein Laserstrahl (10) relativ zur Oberfläche geführt wird (2), dadurch gekennzeichnete daß der Laserstrahl an der Oberfläche nicht fokussiert ist, der Querschnitt des Strahls (10) an der Oberfläche (22) eine signifikante Breite (Lx) quer zur Führungsrichtung (2) aufweist, der Querschnitt des Strahls (10) an der Oberfläche (22) eine Intensitätsverteilung (12) aufweist, die für die Ausbreitungsmodusstruktur des Strahls kennzeichnend ist, die Modusstruktur einen Ringmodus (12) umfaßt, und die Führungsgeschwindigkeit des Strahls (10) relativ zum Material derart ist, daß die an jedem abgetasteten Punkt (Px) der Oberfläche (22) erzeugte thermische Energie (30) eine Funktion des Integrals des Strahlungsintensitätsprofils des Strahls ist, das an demjenigen Punkt wirkt, wenn der Strahl den Punkt überquert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Ringmodusstruktur kreisförmig symmetrisch ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Intensitätsverteilung der Modusstruktur einen äußeren Ring (14) und einen zentralen Gipfel (16) umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Modusstruktur die Kombination von TEM&sub0;&sub0; und TEM&sub0;&sub1; -Modi umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Material Papier ist und die Laserleistung unterhalb eines Wertes ist, bei dem nennenswerte Verkohlung eintritt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Material Papier ist und die Exponierungsdauer nicht mehr als 10 Millisekunden beträgt.

7. Vorrichtung zur Behandlung der Oberfläche eines Materials mit Laser-Energie, umfassend:

einen Laser (100), der einen Strahl mit einer Ringmodusstruktur (12) liefert, einen Materialoberfläche-Aufnahmeort (120), Mittel zum Richten des Laserstrahls als nicht fokussierter Strahl mit einer signifikanten Ausdehnung in einer vorbestimmten Richtung auf den Ort, Mittel (116 bis 118) zum Bewirken einer relativen Abtastbewegung zwischen dem Strahl (112) und einer an dem Ort (120) aufgenommenen Materialoberfläche (114) in einer Richtung, die im wesentlichen normal zur vorbestimmten Richtung ist, wobei das die Abtastung bewirkende Mittel eine derartige Abtastgeschwindigkeit vorsieht, daß die an jedem abgetasteten Punkt der Materialoberfläche erzeugte thermische Energie eine Funktion des Integrals des Profils der Strahlungsintensität des Strahls ist, das an jenem Punkt wirkt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Ringmodusstruktur (12) kreisförmig symmetrisch ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, worin die Ringmodusstruktur (12) einen äußeren Ring (14) aufweist, der einen zentralen Gipfel (16) einschließt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Modusstruktur die Kombination von TEM&sub0;&sub0; und TEM&sub0;&sub1; -Modi umfaßt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, worin das die Abtastung bewirkende Mittel (116 bis 118) eine Exponierungsdauer für jeden abgetasteten Punkt bewirkt, die nicht mehr als 10 Millisekunden ist.