DE19753248A1 - Method for changing optical property at surface and/or inside workpiece using laser - Google Patents

Method for changing optical property at surface and/or inside workpiece using laser

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Abstract

The method involves conducting an energy input by a focused laser beam at and/or in a transparent workpiece for a laser. Two or more laser pulses in quick succession are implemented. A mode-synchronized and Q-switched rigid body laser is used. A spacing is adjusted between at least two pulses and the pulses follow one another at least at a spacing where the changes of the optical property of the previous pulse are effective with the following pulse. A programmable 2D or 3D relative movement is implemented between the laser beam and the workpiece, synchronized between the course of movement and the laser pulses.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Lasertechnik und betrifft ein Verfahren zur Veränderung des optischen Verhaltens an der Oberfläche und/oder innerhalb eines Werkstückes mittels eines Lasers, wie es z. B. für die Herstellung von Schriftzeichen oder Bildern an der Oberfläche eines Werkstückes und/oder im Inneren eines Werkstückes gewandt werden kann.The invention relates to the field of laser technology and relates to a method to change the optical behavior on the surface and / or within a Workpiece using a laser, such as. B. for the production of characters or images on the surface of a workpiece and / or inside a Workpiece can be turned.

Das Strukturieren von Oberflächen mittels gepulster Laser zum Zwecke der Beschriftung und Markierung ist ein bekanntes und vielfach angewendetes Verfahren. Besonders geeignet sind dafür Laser mit Pulslängen im Nanosekunden-Bereich (z. B. Nd-YAG-Laser mit 100 ns, Excimer-Laser mit 30 ns). Durch die hohe Laserpulsleistung und durch eine geeignete Fokussierung lassen sich Leistungsdichten im Bereich von 107 bis 109 W/cm2 auf der Werkstückoberfläche erreichen.The structuring of surfaces by means of pulsed lasers for the purpose of lettering and marking is a known and widely used method. Lasers with pulse lengths in the nanosecond range (eg Nd-YAG laser with 100 ns, excimer laser with 30 ns) are particularly suitable for this. Due to the high laser pulse power and suitable focusing, power densities in the range of 10 7 to 10 9 W / cm 2 can be achieved on the workpiece surface.

Derartige Leistungsdichten bewirken die Zündung eines dichten Plasmas auf der Oberfläche, das neben der eigentlichen Laserstrahlung einen hohen Energieeintrag in das Werkstück realisiert. Die absorbierte Energie führt zu einer starken lokalen Aufheizung sowie zum Abtragen von Material aus der Werkstückoberfläche. Der gewünschte optische Kontrast wird durch die modifizierte Oberflächentopographie und -morphologie oder durch thermisch induzierte Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung erzeugt.Such power densities cause the ignition of a dense plasma on the Surface which, in addition to the actual laser radiation, has a high energy input realized the workpiece. The absorbed energy leads to a strong local Heating and for removing material from the workpiece surface. Of the desired optical contrast is achieved through the modified surface topography and  -morphology or by thermally induced changes in the chemical Composition created.

Eine andere bekannte Variante des Laserbeschriftens und -markierens ist die Bearbeitung des Werkstückes unterhalb seiner Oberfläche (sub-surface-making) (US 5,206,496; US 5,575,936; US 5,637,244). Diese Verfahren beruhen auf der Fokussierung der Laserstrahlung innerhalb des Werkstücks, so daß nur im Fokus die für den gewünschten thermischen Effekt notwendige Leistungsdichte erreicht wird. Die zum Bearbeiten z. B. von Glas notwendige Leistungsdichte wird jedoch bisher nur von durch Blitzlampen gepumpten Festkörperlasern erreicht. Diese Laser haben allerdings nur eine Pulswiederholfrequenz von wenigen Hz. Entsprechend lang ist die Zeit, die für die Erstellung eines Pixelbildes durch 2D- oder 3D-Bewegung des Werkstückes gegenüber dem Laserstrahl benötigt wird. Dieser Umstand hat bisher eine industrielle Anwendung in größerem Umfang verhindert.Another known variant of laser marking and marking is that Processing of the workpiece below its surface (sub-surface-making) (US 5,206,496; US 5,575,936; US 5,637,244). These procedures are based on the Focusing the laser radiation within the workpiece so that only the focus necessary power density for the desired thermal effect is achieved. The to edit z. B. of glass necessary power density has so far only been solid-state lasers pumped by flash lamps. However, these lasers have only a pulse repetition frequency of a few Hz. The time required for the creation of a pixel image by 2D or 3D movement of the workpiece compared to the laser beam is needed. This fact has so far been an industrial one Prevents application on a larger scale.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Veränderung des optischen Verhaltens an der Oberfläche und/oder innerhalb eines Werkstückes mittels eines Lasers anzugeben, das bis in eine vergleichsweise große Tiefe und mit hoher Pulsfrequenz von < 500 an der Oberfläche und/oder innerhalb eines für einen Laser transparenten Werkstückes Veränderungen realisiert.The invention has for its object a method for changing the optical behavior on the surface and / or within a workpiece by means of to specify a laser that is to a comparatively large depth and with a high Pulse frequency of <500 on the surface and / or within one for a laser transparent workpiece changes realized.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Further training is the subject of the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Veränderung des optischen Verhaltens an der Oberfläche und/oder innerhalb eines Werkstückes mittels eines Lasers, wird an und/oder in ein für einen Laser transparentes Werkstück ein Energieeintrag mittels eines fokussierten Laserstrahls vorgenommen, wobei zwei oder mehrere kurz aufeinander folgende Laserpulse realisiert werden.In the inventive method for changing the optical behavior the surface and / or within a workpiece by means of a laser and / or an energy input into a workpiece that is transparent to a laser a focused laser beam, two or more short successive laser pulses can be realized.

Wenn ein Festkörper einem Energieeintrag mit Leistungsdichten im Bereich von 1010 bis 1012 W/cm2 ausgesetzt wird, kommen die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Festkörpers zur Wirkung, das heißt, daß der komplexe Brechungsindex von der elektrischen Feldstärke abhängt. Die Veränderung des Realteils des Brechungsindex bewirkt den Effekt der Selbstfokussierung. Die Veränderung des Imaginärteils des Brechungsindex führt zu einem starken Anstieg des Absorptionsvermögens.If a solid is exposed to an energy input with power densities in the range from 10 10 to 10 12 W / cm 2 , the non-linear optical properties of the solid come into effect, that is to say that the complex refractive index depends on the electric field strength. The change in the real part of the refractive index has the effect of self-focusing. The change in the imaginary part of the refractive index leads to a strong increase in the absorption capacity.

Diese beiden Effekte erlauben somit eine lokalisierte Absorption und die Ausbildung eines entsprechenden Kontrastes auch in hochtransparenten Werkstücken.These two effects thus allow localized absorption and training a corresponding contrast even in highly transparent workpieces.

Dieser Prozeß wird erheblich effektiviert, wenn statt eines Laserpulses, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Pulsfolge aus zwei oder mehreren Laserpulsen realisiert wird. Dadurch kann der einzelne Laserpuls, die durch den vorhergehenden Laserpuls erzeugten veränderten optischen Eigenschaften für eine höhere Absorption seinerseits nutzen. Dies ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der notwendigen Energiedichte um bis zu einer Größenordnung. Durch Veränderung des Pulsabstandes läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren optimieren.This process is made significantly more effective if, instead of a laser pulse, such as proposed according to the invention, a pulse sequence of two or more laser pulses is realized. This allows the single laser pulse to go through the previous one Laser pulses generated changed optical properties for higher absorption in turn use. This enables a significant reduction in the necessary Energy density by up to an order of magnitude. By changing the pulse interval the method according to the invention can be optimized.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Laserpulsfolge hat zwei wesentliche Vorteile:
The use of the laser pulse sequence according to the invention has two major advantages:

  • - die thermische Belastung des Werkstücks kann reduziert werden und- The thermal load on the workpiece can be reduced and
  • - es können Laser mit wesentlich geringeren Pulsenergien (einige mJ) eingesetzt werden.- Lasers with significantly lower pulse energies (a few mJ) can be used become.

Durch den Einsatz dieser Laser werden Pulsfolgefrequenzen oberhalb 500 Hz realisierbar. Dies bedeutet, das 2D- und 3D-Pixelbilder mit einigen 10 000 Punkten in wenigen Minuten erzeugt werden können. Dies ist die Voraussetzung für den industriellen Einsatz des Verfahrens für z. B. dekorative Zwecke oder für fälschungssichere Beschriftung.By using these lasers, pulse repetition frequencies above 500 Hz realizable. This means that 2D and 3D pixel images with some 10,000 points in can be generated in a few minutes. This is the requirement for the industrial use of the method for e.g. B. decorative purposes or for tamper-proof lettering.

Ein prinzipielles Problem bei der Fokussierung der Laserstrahlung in das Innere eines Festkörpers ist die Notwendigkeit einer optisch ebenen Oberfläche. Bei gekrümmten Oberflächen kommt es zu einer Verzerrung der Wellenfront, so daß die notwendige Leistungsdichte im Fokus nicht mehr erreicht wird.A fundamental problem when focusing the laser radiation inside a Solid is the need for an optically flat surface. With curved Surfaces distort the wavefront, so that the necessary Power density in focus is no longer achieved.

Dieses Problem wird erfindungsgemäße gelöst, indem der Festkörper in eine Flüssigkeit mit gleichem Brechungsindex und hinreichend geringer Absorption eingetaucht wird. Die ebene Oberfläche der Flüssigkeit und/oder die ebene Wand eines transparenten Behälters für diese Flüssigkeit ersetzen die sonst notwendige ebene Oberfläche des Festkörpers.This problem is solved according to the invention by the solid body in a Liquid with the same refractive index and sufficiently low absorption is immersed. The flat surface of the liquid and / or the flat wall  a transparent container for this liquid replace the otherwise necessary flat surface of the solid.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die räumliche Ausdehnung des im Festkörper veränderten Bereichs entlang der optischen Achse wesentlich größer ist als senkrecht zur optischen Achse. Dieser Effekt läßt sich verhindern, wenn der Fokus zweier Laserstrahlen überlagert wird. Wenn diese Laserstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen kommen, wird die notwendige Leistungsdichte nur an der Überlagerungsstelle erreicht und ist somit wesentlich besser lokalisierbar. Dieses Vorgehen ist gleichbedeutend mit der Vergrößerung der numerischen Apertur der Fokusoptik.Another problem is that the spatial extent of the solid changed area along the optical axis is significantly larger than perpendicular to the optical axis. This effect can be prevented if the focus is two Laser beams is superimposed. If these laser beams come from different Coming directions, the necessary power density is only at the Overlay reached and is therefore much easier to locate. This The procedure is synonymous with increasing the numerical aperture of the Focus optics.

Vorteilhafterweise kann dies erreicht werden, indem ein Laserstrahl geteilt wird und die Teilstrahlen über eine Verzögerungsstrecke zeitlich versetzt werden.This can advantageously be achieved by dividing a laser beam and the Partial beams are staggered over a delay line.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein modensynchronisierter und gütegeschalteter Feststofflaser eingesetzt werden kann, dessen Impulszüge mit Pulsdauern von nur 13 ns emittiert werden. Dadurch kann der einzelne Laserpuls die durch den vorhergehenden Puls erzeugten veränderten optischen Eigenschaften für eine erhöhte Absorption seinerseits nutzen. Dieser Effekt bewirkt, daß im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine relativ geringe Laserenergie (des gesamten Pulszuges) von rund 1 mJ ausreicht, um den oben genannten Effekt zu erreichen.Another advantage is that a mode-locked and Q-switched Solid-state lasers can be used, whose pulse trains with pulse durations of only 13 ns are emitted. This enables the individual laser pulse to be transmitted through the previous pulse generated altered optical properties for increased Use absorption in turn. This effect causes that compared to conventional methods a relatively low laser energy (of the entire pulse train) of around 1 mJ is sufficient to achieve the above-mentioned effect.

Durch die 2D- und 3D-Relativbewegung von Laser und Werkstück und durch die Synchronisation zwischen dem Bewegungsablauf und den Laserimpulsen lassen sich Werkstücke mit beliebigen Strukturen erzeugen.Through the 2D and 3D relative movement of laser and workpiece and through Synchronization between the sequence of movements and the laser pulses can be Create workpieces with any structure.

Im weiteren wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.Furthermore, the invention is explained in more detail using two exemplary embodiments.

Beispiel 1example 1

An hochwertigen Bleikristallquadern mit einer Dicke von 70 mm wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine dekorative Bearbeitung vorgenommen. Dazu wird mit einem gütegeschalteten und modensynchronisierten Nd-YLF-Laser gearbeitet. Dieser Laser emittiert eine Pulsfolge von ca. 300 ns mit Einzelpulsen von 60 ps und einem Pulsabstand von 13 ns. Die Pulsspitzenleistung beträgt 1,5 MW und die Energie des gesamten Pulszuges 6 mJ. Der Strahl des Lasers ist 9-fach aufgeweitet und die Optik hat eine Brennweite von 60 mm. Damit wird ein 3D-Bild der Weltkugel mit ca. 30000 Pixelpunkten in 3 min realisiert. Die Relativbewegung von Laserstrahl und Werkstück wird durch einen x,y,z-Tisch mit Echtzeiterfassung der Position realisiert.On high-quality lead crystal blocks with a thickness of 70 mm, the The inventive method made a decorative processing. This will  worked with a Q-switched and mode-synchronized Nd-YLF laser. This laser emits a pulse sequence of approx. 300 ns with individual pulses of 60 ps and a pulse interval of 13 ns. The pulse peak power is 1.5 MW and the energy of the entire pulse train 6 mJ. The beam of the laser is widened 9 times and the Optics has a focal length of 60 mm. This creates a 3D image of the globe with approx. 30000 pixel points realized in 3 min. The relative movement of the laser beam and Workpiece is realized by an x, y, z table with real-time position detection.

Beispiel 2Example 2

Zur Beschriftung von Floatglas mit einem Firmen-Logo wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt. Dazu wird der Laserstrahl eines diodengepumpten Nd-YAG-Lasers in zwei Teilstrahlen zerlegt, die nach einer Verzögerungsstrecke wieder vereint werden. Danach wird der nun aus zwei Laserpulsen bestehende Laserstahl durch ein Planfeldobjektiv mit einer Brennweite von 100 mm und einem Bildfeld von 50 × 50 mm2 in das Glas fokussiert. Ein diodengepumpter Nd-YAG-Laser, der gepulst angeregt ist, hat eine Pulslänge von 6 ns und eine Pulsenergie von 12 mJ, die zu gleichen Teilen auf die Teilstrahlen aufgeteilt sind. Bei einer Pulsfolge von 500 Hz und einer Auflösung von 100 dpi kann das Bildfeld in 80 s beschriftet werden.The method according to the invention is used to label float glass with a company logo. For this purpose, the laser beam of a diode-pumped Nd-YAG laser is broken down into two partial beams, which are reunited after a delay path. Then the laser steel, which now consists of two laser pulses, is focused into the glass through a flat field lens with a focal length of 100 mm and an image field of 50 × 50 mm 2 . A diode-pumped Nd-YAG laser, which is excited in a pulsed manner, has a pulse length of 6 ns and a pulse energy of 12 mJ, which are divided equally among the partial beams. With a pulse sequence of 500 Hz and a resolution of 100 dpi, the image field can be labeled in 80 s.

Claims (14)

1. Verfahren zur Veränderung des optischen Verhaltens an der Oberfläche und/oder innerhalb eines Werkstückes mittels eines Lasers, bei dem an und/oder in ein für einen Laser transparentes Werkstück ein Energieeintrag mittels eines fokussierten Laserstrahls vorgenommen wird, wobei zwei oder mehrere kurz aufeinander folgende Laserpulse realisiert werden.1. Method for changing the optical behavior on the surface and / or within a workpiece by means of a laser, at and / or in one for one Laser transparent workpiece using a focused energy input Laser beam is made, two or more in quick succession Laser pulses can be realized. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein modensynchronisierter und gütegeschalteter Festkörperlaser eingesetzt wird.2. The method of claim 1, wherein a mode-locked and Q-switched solid-state laser is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine programmierbare, und zwischen dem Bewegungsablauf und den Laserpulsen synchronisierte 2D- oder 3D-Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück realisiert wird.3. The method of claim 1, wherein a programmable, and between the Sequence of movements and 2D or 3D relative movement synchronized with the laser pulses between the laser beam and the workpiece. 4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Abstand zwischen mindestens zwei Pulsen eingestellt wird, wobei die Pulse mindestens in einem Abstand voneinander folgen, bei dem die Veränderungen des optischen Verhaltens des vorangehenden Pulses bei dem nachfolgenden Puls noch wirksam sind.4. The method of claim 1, wherein a distance between at least two pulses is set, the pulses following at least at a distance from one another at which the changes in the optical behavior of the previous pulse in the subsequent pulse are still effective. 5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Pulszug durch Modensynchronisation erzeugt wird.5. The method of claim 1, wherein a pulse train by mode synchronization is produced. 6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Laserstrahl zum Energieeintrag eingesetzt wird, der geteilt ist und die Teilstrahlen über eine Verzögerungsstrecke zeitlich versetzt werden.6. The method according to claim 1, wherein a laser beam is used for energy input which is divided and the partial beams are staggered over a delay line become. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein diodengepumpter Festkörperlaser eingesetzt wird. 7. The method of claim 6, wherein a diode-pumped solid-state laser is used.   8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die geteilten Laserstrahlen auf den selben Punkt im Werkstück aus verschiedenen Richtungen fokussiert werden.8. The method of claim 6, wherein the split laser beams on the same Point in the workpiece can be focused from different directions. 9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Werkstück in ein flüssiges Medium getaucht wird, wobei das flüssige Medium die gleiche Brechzahl wie das Werkstück besitzt.9. The method of claim 1, wherein the workpiece in a liquid medium is immersed, the liquid medium having the same refractive index as the workpiece owns. 10. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein motorisierter x,y,z-Tisch mit Echtzeiterfassung der Position eingesetzt wird.10. The method of claim 3, wherein a motorized x, y, z table with Real-time position detection is used. 11. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein x,y-Galvoscanner mit einer Planfeldoptik und ein motorisierter z-Tisch eingesetzt werden.11. The method according to claim 3, wherein an x, y galvo scanner with a plan field optics and a motorized z-table can be used. 12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine geringe Gesamtenergie, vorteilhafterweise ≦ 5 mJ, eingesetzt wird.12. The method of claim 1, wherein a low total energy, advantageously ≦ 5 mJ, is used. 13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine kleine Pulsfolge, vorteilhafterweise ≦ 25 Pulszüge, eingesetzt wird.13. The method according to claim 1, wherein a small pulse train, advantageously ≦ 25th Pulse trains is used. 14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein kleiner Pulsabstand, vorteilhafterweise 13 ns, eingesetzt wird.14. The method of claim 1, wherein a small pulse spacing, advantageously 13 ns.
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