DD275425A1 - Drehbare strahlungsfokussiereinrichtung zum einbringen von loechern in werkstoffe mittels laserimpulsen - Google Patents

Abstract

Die Strahlungsfokussiereinrichtung dient zur Herstellung praeziser zylindrischer Bohrungen in schwer zu bearbeitende Materialien. Die Aufgabe, eine rotierende Fokussiereinrichtung fuer Laserstrahlung anzugeben, wird durch eine aus Strahlablenkeinheit und Fokussierungseinheit bestehende Vorrichtung geloest, bei der die Strahlablenkeinheit ein prismatischer Koerper ist. Die Fokussierungseinheit (Fokussierungslinse) ist senkrecht zur Drehachse der Vorrichtung verschoben und gegen die Drehachse geneigt, so dass die schraeg zur Rotationsachse laufende Laserstrahlung senkrecht auf die Linsenmitte trifft. Bei Veraenderung des Abstandes zwischen Prisma und Fokussierungseinheit veraendert sich der Durchmesser des Bohrloches.

Description

Aus dem Prismenwinkel und dem Brechungsindex des Prismas ergibt sich der Kegelwinkel der um die Drehachse rotierenden Laserstrahlung, die dem bei senkrechtem Stmhlungseinfall entstehenden Konuswinkel der Bohrung entspricht. Bei Veränderung des Abetandes zwischen Prisma und Fokussierungslinse verändert sich der Abstand der Spitze des Strahlenkegels von der Substratoberfläche. Der entstehende Kreis hinter der Spitze des Strahlenkegels auf der Substratoberfläche bestimmt den Durchmesser des Bohrloches. Um eine richtungsabhängige Absorption der Laserstrahlung an der Bohrlochwand auszuschließen, ist die Laserstrahlung zirkulär polarisiert.

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt den Strahlengang in der erfindungsgemäßen drehbaren Strahlungsfokussiereinrichtung für den minimalen Abstand von Fokussierungslinse 2 und Prisma 1 (Fig. 1 a) und einen größeren Abstand von Prisma und Fokussierungslinse (Fig. 1 b). Fig. 2 zeigt den Gesamtaufbau der Strahlungsfokussiereinrichtung, bestehend aus dem Prisma 1, der Strahlfokussierungslinse 2, einer Linsenhalterung 3, einem Halterungsrohr 5, einer Verschiebungseinheit, gebildet aus dem Führungsrohr 5 und dem beweglichen Rohr 4 mit der P-ismenhalterung 6, zwei Kugellagern 7, der Kugellagerhalterung 8, und einer Dreheinrichtung 9.Für die Bearbeitung von Aluminiumoxydkeramik mittels zirkulär polarisierter Strahlung eines COj-lmpulslasers wird ein Prisma aus NaCI mit einer Dicke von 30mm und einem Prismenwinkel von 10° verwendet, das einen Strahl mit einer seitlichen Strahlversetzung von etwa 6mm und einen Kegelwinkel von etwa 5° gegen die Drehachse erzeugt. Die Richtung und die Lage des einfallenden Laserstrahls stimmt mit der Drehachse überein. Die Fokussiarungslinse hat eine Bronnweite von 50mm, ist um 5° gekippt und in ihrer Ebone seitlich versetzt, damit der abgelenkte Laserstrahl die Fokussierungslinse senkrecht in der Linsenmitte trifft. Bei Rotation der Fokussierungseinrichtung entsteht ein Strahlenkegel, der bei kleinem Abstand von Prisma und Fokussierungslinse mit seiner Spitze die Substratoberfläche trifft. Der Abstand zwischen Prisma und Fokussierungslinse läßt sich bis auf 20mm vergrößern, womit kontinuierlich zylindrische Bohrlöcher mit Lochdurchmessern zwischen 150pm und 2 mm hergestellt werden können. Die Fokussierungslinse wird dabei seitlich verschoben, so daß die Laserstrahlung in der Linsenmitte bleibt.

Claims (3)

1. Drehbare Strahlungsfokussiereinrichtung zum Einbringen von Löchern in Werkstoffe mittels Laserimpulsen, bestehend aus einer Strahlablenkeinheit und einer Fokussierungseinheit, wobei der abgelenkte Laserstrahl die Rotationsachse innerhalb der Fokuslänge der Fokussierungseinheit oder im Fokus schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinheit ein Prisma ist, daß eine Fokussierungslinse parallel zur Rotationsachse seitlich versetzt und so verkippt ist, daß der Laserstrahl senkrecht auf die Mitte der Fokussierungslinse trifft, daß Prisma und Fokussierungslinse gegen unerwünschte Verkippung und Verdrehung gesichert miteinander verbunden sind, und daß der verwendete Laserstrahl zirkulär polarisiert ist.

2. Strahlungsfokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pi isma parallel zur Rotationsachse gegen die Fokussierungslinse verschiebbar in einer als Halterung dienenden Hülse angeordnet ist.

3. Strahlungsfokussiereinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadmch gekennzeichnet, daß das Prisma den Laserstrahl so ablenkt, daß der Anlenkwinkel gleich dem bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls auf die Werkstoffoberfläche entstehenden Konuswinkel der Bohrung ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung wird vorzugsweise eingesetzt zum Laserbohren von mechanisch schwer bearbeitbaren Materialien, insbesondere von Aluminiumoxydkeramik, Bornitrit und Saphir, sowie zum Herstellen von Löchern mit Durchmessern kleiner als 0,5mm, die mit mechanischer Bearbeitung schwierig zu fertigen sind. Diese Anwendungen erfordern oft präzise zylindrische Bohrungen und variable Bohrlochdurchmesser im Bereich von 150μπι bis 2mm.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt (DE 1790128), bei dem eine Bohrung in Werkstoffe mit einer Anzahl von Laserimpulsen eingebracht wird, wobei die fokussierte Laserstrahlung um eine Drehachse rotiert. Damit sind Bohrungen zeitsparend und preisgünstiger als mit einem Koordinatentisch realisierbar. In dieser Anordnung wird die Laserstrahlung durch eine geneigte Planscheibe parallel verschoben und trifft danach auf eine Fokussierungslinse. Wenn die Strahlrichtung der Laserimpulse parallel zur Rotationsachse liegt, entstehen jedoch konische Löcher mit einem bestimmten materialabhängigen Konuswinkel. Unterhalb dieses Konuswinkels ist die Absorption der Laserstrahlung an der Bohrlochwand zu niedrig, um das Material in der Bohrlochwand bis zur Verdampfungstemperatur aufzuheizen. Durch eine nicht zentrische Lage der Laserstrahlung in der Fokussierungslinse kann eine Neigung des fokussieren Laserstrahls erreicht werden, womit dio Laserstrahlung die Rotationsachse vor oder auf der Substraiöberiiäche i.chneidet. Durch diese Neigung des Laserstrahls kann erreicht werden, daß die Bohrung zylindrisch wird. Wegen der nicht zentrischen Lage der Laserstrahlung in der Fokussierungslinse treten jedoch Abbildungsfehler bei der Strahlfokussierung auf, die die Bohrqualität beeinträchtigen, da die Qualität der Bohrung weitgehend durch die Laserstrahlgeometrie im Bohrloch bestimmt wird.

Ziel dar Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Herstellung von präzisen zylindrischen Bohrungen mittels Laserstrahlung bei gleichzeitiger Verringerung des Energieaufwandes.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist eine rotierende Fokusäierungseinrichtung, die präzise zylindrische Bohrungen mit höherem Wirkungsgrad ermöglicht.

Die drehbare Strahlungsfokussiereinrichtung besteht aus einer Strahlablenkeinheit und einer Fokussierungseinheit. Die Strahlablenkeinheit ist erfindungsgemäß ein prismatischer strahlungsdurchlässiger Körper, im folgenden kurz Prisma genannt. Die strahlungsbrechenden Flächen des Prismas, die den Prismenwinkel bestimmen, sind gegen die Drehachse geneigt. Dicke des Prismas, Prismenwinkel und Abstand zur Fokussierungseinheit sind so dimensioniert, daß der Laserstrahl die Rotationsachse innerhalb der Fokuslänge der Fokussierungseinheit schneidet. Die Fokussierungseinheit ist im einfachsten Fall eine Fokussierungslinse, die sich zwischen dem Prisma und dem zu bearbeitenden Substrat befindet. Die Fokussierungslinse ist senkrecht zur Drehachse soweit verschoben, daß die Laserstrahlung durch das Zentrum der Fokussierungslinse geführt wird. . Außerdem ist die Fokussierungslinse um einen bestimmten Winkel gegen die Drehachse geneigt, so daß die schräg zur Rotationsachse laufende Laserstrahlung senkrecht auf die Linsenoberfläche t; äfft. Damit wird eine optimale Fokussierung erreicht. Prisma und Fokussierungslinse befinden sich in einem Rohr, das in einer Halterung befestigt ist. Die Fokussierungslinse ist mechanisch so mit dem Prisma verbunden, daß keine gegenseitige Verkippung oder Verdrehung möglich ist. Das Prisma ist jedoch parallel zur Drehachse gegen die Fokussierungslinse verschiebbar.