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DE102004008256B3 - Method for shaping a laser beam, laser processing method - Google Patents

Method for shaping a laser beam, laser processing method Download PDF

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DE102004008256B3
DE102004008256B3 DE102004008256A DE102004008256A DE102004008256B3 DE 102004008256 B3 DE102004008256 B3 DE 102004008256B3 DE 102004008256 A DE102004008256 A DE 102004008256A DE 102004008256 A DE102004008256 A DE 102004008256A DE 102004008256 B3 DE102004008256 B3 DE 102004008256B3
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DE
Germany
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laser beam
laser
intensity distribution
shaping element
shaping
Prior art date
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Revoked
Application number
DE102004008256A
Other languages
German (de)
Inventor
Hans Jürgen Mayer
Uwe Dr. Metka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Via Mechanics Ltd
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
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Priority to PCT/EP2005/050197 priority patent/WO2005080044A1/en
Priority to JP2006553574A priority patent/JP2007522946A/en
Priority to CNA2005800007781A priority patent/CN1859995A/en
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Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Formen eines Laserstrahls, bei dem ein erster Laserstrahl 211 mit einer ersten transversalen Intensitätsverteilung auf ein Strahlformungselement 215 gerichtet wird und der erste Laserstrahl 211 mittels des Strahlformungselements 215 in einen zweiten Laserstrahl 216 mit einer zweiten transversalen Intensitätsverteilung umgewandelt wird. Gemäß der Erfindung weist die zweite Intensitätsverteilung eine Vorzugsrichtung senkrecht zur optischen Achse des zweiten Laserstrahls 216 auf und das Strahlformungselement 215 wird derart betrieben, dass sich die Vorzugsrichtung um die optische Achse dreht. Das Strahlformungselement 215 kann ein optisches Element sein, welches mittels einer mechanischen Bewegung um die optische Achse des ersten Laserstrahls 211 dreht. Bevorzugt wird das Strahlformungselement 215 jedoch mittels eines dynamischen Systems realisiert, welches bei Vermeidung einer mechanischen Rotation durch eine entsprechende Ansteuerung nahezu beliebige Strahlquerschnitte des zweiten Laserstrahls 216 mit einer beliebigen Intensitätsverteilung ermöglicht. Die Erfindung schafft ferner ein Laserbearbeitungsverfahren, bei dem das Verfahren zum Formen eines Laserstrahls auf vorteilhafte Weise für eine Laser-Materialbearbeitung angewendet wird.The invention provides a method of shaping a laser beam in which a first laser beam 211 having a first transverse intensity distribution is directed onto a beamforming element 215 and the first laser beam 211 is converted by the beamforming element 215 into a second laser beam 216 having a second transverse intensity distribution. According to the invention, the second intensity distribution has a preferred direction perpendicular to the optical axis of the second laser beam 216 and the beam-shaping element 215 is operated such that the preferred direction rotates about the optical axis. The beam-shaping element 215 may be an optical element which rotates about the optical axis of the first laser beam 211 by means of a mechanical movement. However, the beam-shaping element 215 is preferably realized by means of a dynamic system which, while avoiding a mechanical rotation by means of a corresponding control, enables virtually any beam cross-sections of the second laser beam 216 with an arbitrary intensity distribution. The invention further provides a laser processing method, wherein the method of forming a laser beam is advantageously used for laser material processing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen eines Laserstrahls, bei dem mittels eines Strahlformungselementes die transversale Intensitätsverteilung eines Laserstrahls variiert wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Laserbearbeitungsverfahren unter Verwendung des oben genannten Verfahrens.The Invention relates to a method for shaping a laser beam, in which by means of a beam-shaping element, the transverse intensity distribution a laser beam is varied. The invention further relates a laser processing method using the above Process.

Beim Bohren von Leiterplatten im Bereich der Elektronikfertigung stellt die Form der gebohrten Löcher einen wichtigen Faktor für die Qualität der auf den Leiterplatten ausgebildeten elektronischen Baugruppen dar. Mit immer größeren zur Verfügung stehenden Laserleistungen können inzwischen für verschiedene Leiterplattenmaterialien die Löcher über sog. Punchen gebohrt werden. Darunter versteht man das Bohren eines Loches, wobei der Materialabtrag durch Laserstrahlpulse realisiert wird, die an ein und dieselbe Stelle auftreffen. Um beim Punchen Löcher zu bohren, welche einen gegenüber dem minimalen Fokusdurchmesser größeren Lochdurchmesser aufweisen, kann nicht einfach nur die Fokusbreite des Laserstrahls vergrößert werden, da dies zur Folge hätte, dass die Flankensteilheit des gebohrten Loches aufgrund der Gauß'schen Strahlenform des Laserstrahls zu flach werden würde. Abgesehen davon reicht in vielen Fällen die Laserleistung nicht aus, um bei einem vergrößerten Fokus eine Leistungsdichte zu realisieren, die über der Abtragungsschwelle vieler für Leiterplatten verwendeter Materialien liegt.At the Drilling of printed circuit boards in the field of electronics production the shape of the drilled holes an important factor for the quality the electronic assemblies formed on the printed circuit boards dar. With ever larger to disposal standing laser power can meanwhile for various PCB materials the holes are drilled on so-called punches. This refers to the drilling of a hole, with the removal of material is realized by laser beam pulses, the one and the same Hit the spot. To drill holes when punching, which one across from have the minimum focus diameter larger hole diameter, not just the focus width of the laser beam can be magnified, because that would result that the slope of the drilled hole due to the Gaussian beam shape the laser beam would become too flat. Apart from that, enough in many cases the laser power is not sufficient to power density at an increased focus realize that over the ablation threshold of many for Printed circuit boards used materials.

Aus der DE 101 45 184 A1 ist ein Verfahren zum Laserbohren von Löchern in ein Schaltungssubstrat bekannt, bei dem ein Laserstrahl über eine Lochmaske auf einer Kreisbahn bewegt wird, deren Mittelpunkt zentrisch zur Sollposition des jeweiligen Loches innerhalb der Maske liegt und deren Durchmesser kleiner ist als der Lochdurchmesser. Dabei wird der Durchmesser des Laserstrahl-Flecks so groß gewählt, dass dieser während der Kreisbewegung immer den Mittelpunkt der Lochmaske überdeckt. Auf diese Weise wird innerhalb eines zeitlichen Beobachtungsfensters eine gleichförmige Energieverteilung der Laserenergie im Bereich der Lochmaske erzielt. Diese Homogenisierung der transversalen Energieverteilung erfordert jedoch eine äußerst präzise Strahlablenkung durch eine zwei Spiegel aufweisende Ablenkeinheit. Infolge der mechanischen Trägheit der Spiegel kann die Strahlablenkung und damit der gesamte Bohrvorgang nur vergleichsweise langsam erfolgen.From the DE 101 45 184 A1 a method for laser drilling holes in a circuit substrate is known, in which a laser beam is moved over a shadow mask on a circular path whose center is centered to the desired position of the respective hole within the mask and whose diameter is smaller than the hole diameter. The diameter of the laser beam spot is chosen so large that it always covers the center of the shadow mask during the circular motion. In this way, within a temporal observation window, a uniform energy distribution of the laser energy in the area of the shadow mask is achieved. However, this homogenization of the transverse energy distribution requires extremely precise beam deflection by means of a deflection unit having two mirrors. Due to the mechanical inertia of the mirror, the beam deflection and thus the entire drilling process can be done only comparatively slowly.

Aus der DE 196 16 863 C2 ist eine Anordnung zur Homogenierung eines Laserstrahls bekannt, welche im Strahlengang des Laserstrahls einen sich drehenden Umlenkspiegel und einen Fokussierspiegel aufweist. Der Fokussierspiegel ist in mehrere Spiegelsegmente segmentiert, welche den Laserstrahl in Teilstrahlen zerlegen und diese in einer Bildebene überlagern.From the DE 196 16 863 C2 an arrangement for homogenizing a laser beam is known, which has a rotating deflecting mirror and a focusing mirror in the beam path of the laser beam. The focusing mirror is segmented into a plurality of mirror segments, which disassemble the laser beam into sub-beams and superimpose them in an image plane.

Aus der US 5,925,271 ist eine Anordnung zum Strahlformen eines Laserstrahls bekannt, welche einen fokussierenden stationären ersten Spiegel und einen dem ersten Spiegel nachgeschalteten zweiten Spiegel aufweist, welcher um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Die Oberflächennormale der Spiegelfläche des zweiten Spiegels ist gegenüber der Drehachse um einen geringen Kippwinkel verkippt. Je größer dieser Kippwinkel ist, desto größer ist die effektive Fläche, die der resultierende Laserstrahl bei einer Drehung des zweiten Spiegels auf einer zu bearbeitenden Objektoberfläche überstreicht.From the US 5,925,271 an arrangement for beam forming a laser beam is known, which has a focusing stationary first mirror and a first mirror downstream of the second mirror, which is rotatably mounted about an axis of rotation. The surface normal of the mirror surface of the second mirror is tilted with respect to the axis of rotation by a small tilt angle. The larger this tilt angle, the larger the effective area which the resulting laser beam sweeps over when the second mirror rotates on an object surface to be processed.

Gemäß dem Stand der Technik werden zur Verbesserung der Flankensteilheit der Bohrlöcher so genannte Strahlformungselemente eingesetzt, die in den Strahlengang des Laserstrahls eingebracht werden und den Laserstrahl so formen, dass auch bei größeren Fokusdurchmessern der auf die Leiterplatte auftref fende Laserstrahl ein Profil mit steilen Flanken und einem möglichst flachen Plateau aufweist. In einem in der Praxis nicht erreichbaren Idealfall hätte das Profil der transversalen Intensitätsverteilung nach dem Durchgang durch ein perfektes Strahlformungselement die Form eines Rechtecks. In der Realität weist die transversale Intensitätsverteilung eines geformten Laserstrahls insbesondere ein welliges Plateau auf. 1 zeigt eine derartige transversale Intensitätsverteilung 100, welche in einem Koordinatensystem aufgetragen ist, bei dem auf der Abszisse der Abstand d vom Zentrum des gebohrten Loches und auf der Ordinate die Intensität I des geformten Laserstrahls aufgetragen ist. Der Kurvenverlauf und insbesondere das Plateau sind nicht symmetrisch zur Ordinate.According to the prior art, so-called beam shaping elements are used to improve the steepness of the boreholes, which are introduced into the beam path of the laser beam and shape the laser beam so that even with larger focus diameters of auftref on the printed circuit fende laser beam a profile with steep edges and a has flat as possible flat. In an ideal case not attainable in practice, the profile of the transverse intensity distribution after passing through a perfect beam-shaping element would have the shape of a rectangle. In reality, the transverse intensity distribution of a shaped laser beam has, in particular, a wavy plateau. 1 shows such a transverse intensity distribution 100 which is plotted in a coordinate system in which the abscissa represents the distance d from the center of the drilled hole and the ordinate the intensity I of the shaped laser beam. The curve and in particular the plateau are not symmetrical to the ordinate.

Beim Punchen, bei dem die Laserpulse immer auf die gleiche Stelle platziert werden, addiert sich somit die durch die Welligkeit der transversalen Intensitätsverteilung hervorgerufene lokale Intensitätsverteilung und kann dadurch lokal zu stark unterschiedlichen Materialabtragungen führen. Dies wiederum führt dazu, dass die Qualität der gebohrten Löcher im Vergleich zu der Qualität, die man mit einem perfekt geformten Laserstrahl erreichen würde, reduziert ist.At the Punchen, where the laser pulses always placed in the same place Thus, the added by the ripple of the transverse intensity distribution caused local intensity distribution and can thus locally to very different material erosions to lead. This in turn leads to that the quality the drilled holes compared to the quality, which one would achieve with a perfectly shaped laser beam, reduced is.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Formen eines Laserstrahls anzugeben, bei dem sich die Welligkeit eines geformten Laserstrahls nicht in dem Materialabtrag wiederspiegelt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Laserbearbeitungsverfahren zu schaffen, bei dem das Verfahren zum Formen eines Laserstrahls in vorteilhafter Weise eingesetzt wird.The invention is therefore based on the object of specifying a method for shaping a laser beam, in which the ripple of a shaped laser beam is not reflected in the material removal. Another object of the invention is to provide a laser processing method in which the method of forming a Laser beam is used in an advantageous manner.

Die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Formen eines Laserstrahls mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.The first object of the invention is achieved by a method for shaping a laser beam with the features of independent Claim 1.

Gemäß der Erfindung wird ein erster Laserstrahl mit einer ersten transversalen Intensitätsverteilung auf ein Strahlfor mungselement gerichtet, wodurch der erste Laserstrahl in einen zweiten Laserstrahl mit einer zweiten transversalen Intensitätsverteilung umgewandelt wird. Die zweite Intensitätsverteilung weist eine Asymmetrie mit einer Vorzugsrichtung senkrecht zu der optischen Achse des Laserstrahls auf. Durch einen geeigneten Betrieb des Strahlformungselements kann erreicht werden, dass sich die Vorzugsrichtung der zweiten Intensitätsverteilung um die optische Achse des Laserstrahls dreht. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Materialabtrag mittels Punchen, bei dem eine Mehrzahl von Laserpulsen immer auf die gleiche Stelle gesetzt wird, die durch die nicht symmetrische Welligkeit eines geformten Laserstrahls hervorgerufene lokale Intensitätsverteilung durch eine Drehung einer asymmetrischen Intensitätsverteilung herausgemittelt werden kann. Als Strahlformungselement kann beispielsweise ein diffraktives oder auch ein refraktives optisches Element verwendet werden.According to the invention becomes a first laser beam with a first transverse intensity distribution directed to a Strahlfor tion element, whereby the first laser beam in a second laser beam with a second transverse intensity distribution is converted. The second intensity distribution has an asymmetry with a preferred direction perpendicular to the optical axis of the laser beam on. By a suitable operation of the beam-shaping element can be achieved that the preferred direction of the second intensity distribution rotates about the optical axis of the laser beam. The invention is based on the knowledge that during material removal by punches, in which a plurality of laser pulses always in the same place is set by the non-symmetrical ripple of a shaped laser beam caused local intensity distribution averaged out by a rotation of an asymmetrical intensity distribution can be. As a beam-shaping element, for example, a diffractive or a refractive optical element may be used.

Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß der Erfindung jede Intensitätsverteilung, die von einer rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung wie beispielsweise eine Gauß'schen Verteilung abweicht, zumindest eine Vorzugsrichtung aufweist.It It should be noted that according to the invention, each intensity distribution, that of a rotationally symmetric intensity distribution such as a Gaussian distribution deviates, at least one preferred direction.

Gemäß Anspruch 2 kann der erste Laserstrahl eine zu der optischen Achse des Laserstrahls symmetrische Intensitätsverteilung aufweisen. Damit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Strahlformung von beliebigen Lasertypen, d.h. auch mit Lasertypen, die einen Laserstrahl mit einer symmetrischen Mode, beispielsweise einer TEMoo – Mode emittieren.According to claim 2, the first laser beam may have a symmetry to the optical axis of the laser beam intensity distribution. Thus, the method according to the invention is suitable for the beam shaping of any type of laser, ie also with laser types which emit a laser beam with a symmetrical mode, for example a TEM oo mode.

Das Verfahren nach Anspruch 3 hat den Vorteil, dass die Strahlformung zu einer Reduzierung des Strahlquerschnitts genutzt werden kann und somit auf vorteilhafte Weise zu einer Erhöhung der Leistungsdichte führen kann, die gegebenenfalls über dem Schwellenwert für die Materialabtragung eines zu bearbeitenden Materials liegt. Eine derartige Erhöhung der Energiedichte setzt voraus, dass während der Zeitdauer eines Laserpulses die Drehung der Vorzugsrichtung so klein ist, dass ein durch die Drehung erfolgtes Verschmieren der zweiten Intensitätsverteilung im Vergleich zu der effektiven Fläche der Intensitätsverteilung vernachlässigbar ist.The Method according to claim 3 has the advantage that the beam shaping can be used to reduce the beam cross section and thus can advantageously lead to an increase in power density, possibly over the threshold for the material removal of a material to be processed is. A such increase The energy density assumes that during the period of a laser pulse the rotation of the preferential direction is so small that one by the rotation smeared the second intensity distribution compared to the effective area of the intensity distribution negligible is.

Das Verfahren nach Anspruch 4 hat den Vorteil, dass ein zeitliches Mittel über eine Vielzahl von Laserpulsen stets eine optimale Glättung der gemittelten transversalen Intensitätsverteilung bewirkt.The Method according to claim 4 has the advantage that a time average over a Variety of laser pulses always optimal smoothing of the averaged transverse intensity distribution causes.

Das Verfahren nach Anspruch 5 hat den Vorteil, dass in dem Bereich der Materialabtragung die auf jedes Flächenelement auftreffende Laserenergie bereits im Vorfeld genau bestimmbar ist.The Method according to claim 5 has the advantage that in the field of Material removal the incident on each surface element laser energy already can be determined exactly in advance.

Das Verfahren nach Anspruch 6 hat den Vorteil, dass statische Strahlformungselemente verwendbar sind, welche vergleichsweise einfach aufgebaut und zudem relativ billig sind.The Method according to claim 6 has the advantage that static beam shaping elements are usable, which are relatively simple and also are relatively cheap.

Die Verwendung eines dynamischen Strahlformungssystems gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil, dass sich eine mechanische Rotation des Strahlformungselements vermeiden lässt. Ein dynamisches Strahlformungssystem ermöglicht ein selektives Umschalten der Struktur des Strahlformungselements, so dass im Prinzip ein frei wählbarer Strahlquerschnitt mit einer frei wählbaren lokalen Intensitätsverteilung mit einer frei wählbaren Schaltfrequenz erzeugt werden kann. Als dynamisch ansteuerbares Strahlformungselement eignen sich beispielsweise Lichtmodulatoren auf LCD-Basis. Als dynamisch ansteuerbare Strahlformungselemente eignen sich ferner insbesondere bei höheren Laserstrahlintensitäten sog. Membran-Spiegel, Spiegel-Arrays oder andere optisch adaptive Elemente. Die Verwendung eines dynamischen Strahlformungssystems hat den Vorteil, dass die transversale Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls durch eine entsprechende Ansteuerung des dynamischen Systems direkt beeinflusst werden kann, so dass im Prinzip jeder Puls eines ersten Laserstrahls individuell geformt werden kann.The Use of a dynamic beam-forming system according to claim 7 has the advantage that there is a mechanical rotation of the beam-shaping element avoid it. A dynamic beam shaping system allows selective switching the structure of the beam-shaping element, so that in principle a freely selectable Beam cross-section with a freely selectable local intensity distribution with a freely selectable Switching frequency can be generated. As a dynamically controllable beam-shaping element For example, light modulators based on LCD are suitable. As dynamic controllable beam-shaping elements are also particularly suitable at higher laser beam intensities so-called membrane mirrors, mirror arrays or other optically adaptive Elements. The use of a dynamic beamforming system has the advantage that the transverse intensity distribution of the second laser beam by a corresponding control of the dynamic system directly can be influenced, so that in principle every pulse of a first Laser beam can be shaped individually.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 8 wird eine aus zwei Teilflächen zusammensetzte Querschnittsform für den zweiten Laserstrahls verwendet. Bevorzugt sind die beiden Teilflächen Dreiecke oder Kreissegmente und die Querschnittsform weist eine Punktsymmetrie auf.at The method according to claim 8, one composed of two partial surfaces Cross-sectional shape for used the second laser beam. The two partial surfaces are preferably triangles or circle segments and the cross-sectional shape has a point symmetry on.

Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 9, bei dem ein gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 geformter Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Objekt gerichtet wird.The second object of the invention is achieved by A laser processing method according to claim 9, wherein one according to one of claims 1 to 8 shaped laser beam directed to an object to be processed becomes.

Gemäß Anspruch 10 wird der Laserstrahl durch das Strahlformungselement derart geformt, dass die Intensität des zweiten Laserstrahls größer ist als die Intensität des ersten Laserstrahls. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Form der Querschnittsfläche des Laserstrahls derart verändert wird, dass die Laserstrahlung, welche im ersten Laserstrahl durch Flächenelemente nahe der optischen Achse dringt in andere Flächenelemente gelenkt wird, die von der optischen Achse weiter beabstandet sind. Somit kann die Querschnittsfläche insgesamt durch die Strahlformung reduziert werden, wobei die maximale räumliche Ausdehnung der Querschnittfläche in einer Richtung auf Kosten einer Einschnürung in einer anderen, zu der einen Richtung winkligen oder bevorzugt senkrechten Richtung, vergrößert wird. Auch wenn die Leistungs- bzw. Energiedichte des ungeformten Laserstrahls unterhalb einer Materialabtragungsschwelle liegt, kann somit die Leistungs- bzw. Energiedichte des geformten Laserstrahls über der Materialabtragungsschwelle liegen. Auf diese Weise kann durch ein Drehen dieser zumindest teilweise asymmetrischen Querschnittsfläche durch aufeinanderfolgende Laserpulse eine Fläche bearbeitet werden, die größer ist als die Fläche, die mit einem ungeformten Laserstrahl bearbeitet werden könnte. Somit kann auf vorteilhafte Weise bei vielen Anwendungsfällen auf eine Ablenkeinheit zum sukzessiven Lenken eines Laserstahls auf eine im Vergleich zu der Querschnittsfläche des ersten Laser strahls größeren Bearbeitungsfläche verzichtet werden bzw. im Verlauf der Materialbearbeitung kann die Ablenkeinheit jeweils auf feste Positionen eingestellt werden. Als Strahlform für den zweiten Laserstrahl eignet sich beispielsweise eine längliche Rechteckform.According to claim 10, the laser beam is formed by the beam-shaping element such that the intensity of the second laser beam is greater than the intensity of the first laser beam. This is achieved in particular by changing the shape of the cross-sectional area of the laser beam in such a way that the laser radiation, which in the first laser beam penetrates through surface elements near the optical axis into other area elements is deflected, which are further spaced from the optical axis. Thus, the overall cross-sectional area can be reduced by beam forming, whereby the maximum spatial extent of the cross-sectional area in one direction is increased at the expense of constriction in another, angled, or preferably perpendicular, direction. Thus, even though the power density of the unshaped laser beam is below a material removal threshold, the power density of the shaped laser beam may be above the material removal threshold. In this way, by rotating this at least partially asymmetrical cross-sectional area by successive laser pulses, an area larger than the area that could be processed with an unshaped laser beam can be machined. Thus can advantageously be dispensed with in many applications to a deflection unit for successively directing a laser beam on a beam compared to the cross sectional area of the first laser larger processing surface or in the course of material processing, the deflection can be set to fixed positions. As a beam shape for the second laser beam, for example, an elongated rectangular shape is suitable.

Beim Laserbohren gemäß Anspruch 11 kann die Erhöhung der verfügbaren Laserleistungsdichte bzw. Laserenergiedichte auf besonders vorteilhafte Weise zum Bohren von Löchern mittels Punchen eingesetzt werden. Dabei können Löcher gebohrt werden, welche einen Lochdurchmesser aufweisen, der größer ist als der maximale Lochdurchmesser, welcher aufgrund der begrenzten Pulsenergie mit einem ungeformten Strahl gebohrt werden kann. Somit kann auf vorteilhafte Weise insbesondere beim Bohren von größeren Löchern auf die Methode des sog. Trepanierens verzichtet werden, bei der die Löcher durch eine Aneinanderreihung von einer Vielzahl von Bohrpositionen, welche sich bevorzugt auf einer Kreisbahn befinden, gebohrt werden. Damit muss beim Bohren eines Loches die Ablenkeinheit nur noch so angesteuert werden, dass der Laserstrahl auf die Lochmitte positioniert wird und somit durch die Ablenkeinheit keine kleinen Kreise um das Zentrum des zu bohrenden Loches angefahren werden müssen. Dadurch kann die Ablenkung mittels der Ablenkeinheit hinsichtlich einer Sprungbewegung hin zu verschiedenen zu bohrenden Löchern unter Vermeidung einer zusätzlichen anzusteuernden Kreisbewegung optimiert werden.At the Laser drilling according to claim 11 can increase the available Laser power density or laser energy density in a particularly advantageous manner for drilling holes be used by punches. This hole can be drilled, which have a hole diameter larger than the maximum hole diameter, which due to the limited pulse energy with an unshaped Beam can be drilled. Thus, in an advantageous manner in particular when drilling larger holes the method of the so - called Trepanierens be waived, with which the Holes through a juxtaposition of a variety of drilling positions, which are preferably located on a circular path, to be drilled. In order to When drilling a hole, the deflection unit only has to be activated in this way be that the laser beam is positioned on the hole center and thus by the deflection unit no small circles around the center of the hole to be drilled must be approached. This can be the distraction by means of the deflection unit with regard to a jump movement to different holes to be drilled while avoiding an additional be optimized to be controlled circular motion.

Besonders vorteilhaft erweist sich, wenn das Strahlprofil des zweiten Laserstrahls eine durch zwei Teilflächen, insbesondere zwei Dreiecke oder zwei Kreissegmente, gebildete symmetrische Form aufweist, wobei sich die beiden Teilflächen jeweils an einer Ecke berühren. Ein derartiges Strahlprofil wird dann, wenn eine Folge von Laserpulsen erzeugt wird, um die Symmetrieachse gedreht. Damit erreicht man eine durch die Rotationsgeschwindigkeit der Vorzugsrichtung und durch die Repetitionsrate des Laserstrahls bestimmten räumlichen Abstand der gesetzten geformten Pulse. Die durch die zwei sich berüh renden Teilflächen beschriebene Strahlform ermöglicht auch bei mehreren aufeinanderfolgenden Laserpulsen eine im Bereich des zu bohrenden Loches homogenen Energieeintrag, so dass eine hohe Lochqualität gewährleistet werden kann.Especially proves advantageous when the beam profile of the second laser beam one by two faces, in particular two triangles or two circular segments, formed symmetrical Form having, wherein the two partial surfaces each at a corner touch. Such a beam profile becomes when a sequence of laser pulses is generated, rotated about the axis of symmetry. With this one reaches one by the rotational speed of the preferred direction and by the repetition rate of the laser beam certain spatial Distance of put shaped pulses. The ones touching through the two subareas allows described beam shape even with several consecutive laser pulses one in the area the hole to be drilled homogeneous energy input, so that ensures a high hole quality can be.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.Further Advantages and features of the present invention will become apparent the following exemplary description of a presently preferred Embodiment.

1 zeigt eine mittels eines bekannten Strahlformungselements erzeugte transversale Intensitätsverteilung, 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem dynamisch ansteuerbaren Strahlformungselement und 1 shows a transverse intensity distribution generated by means of a known beam-shaping element, 2 shows a schematic representation of the structure of a laser processing device with a dynamically controllable beam-shaping element and

3A und 3B zeigen die Verwendung eines speziell geformten Laserstrahls zum Bohren von großen Löchern. 3A and 3B show the use of a specially shaped laser beam for drilling large holes.

Die in 2 gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 200 umfasst eine Laserlichtquelle 210, welche einen ersten Laserstrahl 211 aussendet. Der erste Laserstrahl 211, welcher ein gepulster Laserstrahl ist, weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein transversales Strahlprofil auf, welches in guter Näherung durch eine Gauß'sche Intensitätsverteilung beschrieben werden kann. Der erste Laserstrahl 211 trifft auf ein Strahlformungselement 215, welches die transversale Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls 211 in eine geänderte transversale Intensitätsverteilung eines zweiten Laserstrahls 216 umwandelt. Die Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls 216 ist derart asymmetrisch, dass die Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls 216 eine Vorzugsrichtung senkrecht zur optischen Achse des zweiten Laserstrahls 216 aufweist. Das Strahlformungselement 215 ist mit einer Steuereinrichtung 250 gekoppelt, mittels welcher das Strahlformungselement 215 derart ansteuerbar ist, dass die Vorzugsrichtung der Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls 216 eine Drehbewegung um die optische Achse des zweiten Laserstrahls 216 ausführt. Um diese Drehbewegung bei Be darf mit der Pulsfolge des von der Laserlichtquelle 210 ausgesandten ersten Laserstrahls 211 zu synchronisieren, ist die Steuereinrichtung 250 außerdem mit der Laserlichtquelle 210 gekoppelt.In the 2 shown laser processing device 200 includes a laser light source 210 , which is a first laser beam 211 sending out. The first laser beam 211 , which is a pulsed laser beam, according to the embodiment shown here, a transverse beam profile, which can be described in good approximation by a Gaussian intensity distribution. The first laser beam 211 meets a beam-shaping element 215 , which is the transverse intensity distribution of the first laser beam 211 in a modified transverse intensity distribution of a second laser beam 216 transforms. The intensity distribution of the second laser beam 216 is so asymmetrical that the intensity distribution of the second laser beam 216 a preferred direction perpendicular to the optical axis of the second laser beam 216 having. The beam-shaping element 215 is with a control device 250 coupled, by means of which the beam-shaping element 215 is controllable such that the preferred direction of the intensity distribution of the second laser beam 216 a rotational movement about the optical axis of the second laser beam 216 performs. To this rotational movement at Be may with the pulse sequence of the laser light source 210 emitted first laser beam 211 to synchronize is the controller 250 also with the laser light source 210 coupled.

Der zweite Laserstrahl 216 trifft in eine Ablenkeinheit 220, wo er in der Regel über zwei Spiegel-Ablenkelemente um zwei zueinander senkrechte Achsen abgelenkt wird. Über eine Abbildungsoptik 230, in der Regel eine F-Theta-Linse, wird der Strahl dann auf eine Zielposition auf ein zu bearbeitendes Objekt 240 gelenkt.The second laser beam 216 meets in a down steering unit 220 where it is usually deflected by two mirror deflecting elements about two mutually perpendicular axes. About an imaging optics 230 , usually an F-theta lens, the beam is then moved to a target position on an object to be processed 240 directed.

3A zeigt den Querschnitt eines geformten Laserstrahls 310, welcher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt zum Bohren von Löchern durch so genanntes Punchen geeignet ist. Der geformte Laserstrahl 310 weist eine Querschnittsfläche auf, welche annäherungsweise eine Schmetterlingsform aufweist. Bei dieser Form berühren sich die Ecken zweier Teilflächen. Die Teilflächen sind insbesondere zwei Dreiecke bzw. zwei Kreissegmente. Der geformte Laserstrahl 310 resultiert aus der Formung eines ursprünglich gaußförmigen Laserstrahls mit einem kreisförmigen Strahlquerschnitt, wobei dieser erste Laserstrahl eine Pulsleistungsdichte bzw. Pulsenergiedichte, d.h. eine Pulsleistung bzw. Pulsenergie pro Fläche, aufweist, die gerade dem Schwellenwert für eine Materialabtragung entspricht. Somit kann mit dem ungeformten Laserstrahl ein Loch 300 mit einer maximalen Bohrlochgröße rmax gebohrt werden. 3A shows the cross section of a shaped laser beam 310 which according to an embodiment of the invention is preferably suitable for drilling holes by so-called punching. The shaped laser beam 310 has a cross-sectional area approximately having a butterfly shape. In this form, the corners of two faces touch each other. The partial surfaces are in particular two triangles or two circular segments. The shaped laser beam 310 results from the formation of an initially Gaussian laser beam having a circular beam cross section, this first laser beam having a pulse power density or pulse energy density, ie, a pulse power per pulse area, which is just the threshold for material removal. Thus, with the unshaped laser beam, a hole 300 to be drilled with a maximum hole size r max .

Bei einer Rotation des geformten Laserstrahls 310 um seinen Mittelpunkt M kann nun durch eine Reihe von aufeinanderfolgenden Laserpulsen ein Loch gebohrt werden, welches ohne eine Erhöhung der Leistungsdichte des ursprünglichen Laserstrahls ein Bohren eines Loches mit einem Radius Rmax erlaubt. Der Öffnungswinkel α, der gewünschte Überlapp zwischen aufeinanderfolgenden geformten Laserstrahlpulsen sowie die Pulsfre quenz des Laserstrahls bestimmen dann die Rotationsfrequenz des Strahlformungselementes.Upon rotation of the shaped laser beam 310 A hole can now be drilled around its center M through a series of successive laser pulses, which allows a hole with a radius R max to be drilled without an increase in the power density of the original laser beam. The opening angle α, the desired overlap between successive shaped laser beam pulses and the pulse frequency of the laser beam then determine the rotational frequency of the beam-shaping element.

Es wird darauf hingewiesen, dass unter realen Bedingungen durch die oben beschriebene Überlagerung mehrerer Pulse von geformten Laserstrahlen 310 lokale Intensitätsüberhöhungen auftreten können, welche durch eine entsprechende Intensitätsanpassung innerhalb des Strahlquerschnitts des geformten Laserstrahls 310 kompensiert werden. Insbesondere wird die dargestellte Schmetterlingsform in der Mitte M eine beugungsbegrenzte Breite haben und demzufolge nicht exakt punktförmig sein, so dass im Bereich der Mitte M durch eine entsprechende Ansteuerung des Strahlformungselementes eine Intensitätsabsenkung realisiert werden muss.It should be noted that under real conditions by the above-described superposition of multiple pulses of shaped laser beams 310 local intensity peaks can occur, which by a corresponding intensity adjustment within the beam cross section of the shaped laser beam 310 be compensated. In particular, the illustrated butterfly shape in the middle M will have a diffraction-limited width and consequently will not be exactly punctiform, so that in the region of the center M by a corresponding control of the beam-shaping element, a reduction in intensity must be realized.

Im folgenden wird anhand eines konkreten Beispiels die Dimensionierung wichtiger Parameter angegeben: Bei einem Öffnungswinkel α des schmetterlingsförmigen Laserstrahls 310 von 40° und einem gewünschten Überlapp von 25 % zwischen zwei aufeinanderfolgenden geformten Laserpulsen muss sich das optische Element zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen um 30° weiterdrehen. Dies bedeutet, dass man genau zwölf Pulse benötigt, um eine Umdrehung von 360° zu erreichen. Wenn eine Pulsfrequenz von 50 kHz gewählt wird, dann muss die Rotationsfrequenz des geformten Laserstrahls 310 genau 4167 Hz betragen. Die erwähnten Parameter Öffnungswinkel, Überlapp und Pulsfrequenz können selbstverständlich bei gegenseitiger Anpassung frei gewählt werden.In the following, the dimensioning of important parameters is indicated by means of a concrete example: At an opening angle α of the butterfly-shaped laser beam 310 of 40 ° and a desired overlap of 25% between two consecutive shaped laser pulses, the optical element must continue to rotate 30 ° between two successive laser pulses. This means that it takes exactly twelve pulses to reach one revolution of 360 °. If a pulse frequency of 50 kHz is chosen, then the rotational frequency of the shaped laser beam must be 310 exactly 4167 Hz. The mentioned parameters opening angle, overlap and pulse frequency can of course be freely selected in mutual adjustment.

In diesem Zusammenhang wird noch einmal darauf hingewiesen, dass eine Drehung des geformten Laserstrahls 310 sowohl durch eine mechanische Rotation eines Strahlformungselementes realisiert als auch durch eine entsprechende Ansteuerung eines dynamischen Strahlformungssystems realisiert werden kann. Im Falle eines dynamischen Strahlformungssystems kann die Drehung des geformten Laserstrahls 310 auch nicht exakt kontinuierlich erfolgen. In diesem Fall erfolgt die Drehung durch ein sukzessives Weiterschalten zwischen einer Mehrzahl von diskreten Winkelstellungen.In this connection, it is once again pointed out that a rotation of the shaped laser beam 310 can be realized both by a mechanical rotation of a beam-shaping element as well as by a corresponding control of a dynamic beam shaping system can be realized. In the case of a dynamic beam-forming system, the rotation of the shaped laser beam 310 also not done exactly continuously. In this case, the rotation takes place by a successive indexing between a plurality of discrete angular positions.

3B zeigt den Querschnitt eines geformten Laserstrahls 320 mit einem Öffnungswinkel α von 90°, welcher größer ist als der in 3A dargestellte Öffnungswinkel. Unter der Annahme, dass die zur Verfügung stehende Laserleistung für den geformten Laserstrahl 320 die gleiche ist wie für den in 3A dargestellten geformten Laserstrahl 310, kann aufgrund des größeren Öffnungswinkels α bei gleichbleibendem Materialabtragungs-Schwellenwert lediglich ein Loch mit dem in 3B dargestellten Radius Rmax gebohrt werden. 3B shows the cross section of a shaped laser beam 320 with an opening angle α of 90 °, which is greater than that in 3A illustrated opening angle. Assuming that the available laser power for the shaped laser beam 320 the same as for the one in 3A illustrated shaped laser beam 310 , Due to the larger opening angle α with a constant material removal threshold only a hole with the in 3B shown radius R max to be drilled.

Zusammenfassend bleibt festzustellen: Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Formen eines Laserstrahls, bei dem ein erster Laserstrahl 211 mit einer ersten transversalen Intensitätsverteilung auf ein Strahlformungselement 215 gerichtet wird und der erste Laserstrahl 211 mittels des Strahlformungselements 215 in einen zweiten Laserstrahl 216 mit einer zweiten transversalen Intensitätsverteilung umgewandelt wird. Gemäß der Erfindung weist die zweite Intensitätsverteilung eine Vorzugsrichtung senkrecht zur optischen Achse des zweiten Laserstrahls 216 auf und das Strahlformungselement 215 wird derart betrieben, dass sich die Vorzugsrichtung um die optische Achse dreht. Das Strahlformungselement 215 kann ein optisches Element sein, welches mittels einer mechanischen Bewegung um die optische Achse des ersten Laserstrahls 211 dreht. Bevorzugt wird das Strahlformungselement 215 jedoch mittels eines dynamischen Systems realisiert, welches bei Vermeidung einer mechanischen Rotation durch eine entsprechende Ansteuerung nahezu beliebige Strahlquerschnitte des zweiten Laserstrahls 216 mit einer beliebigen Intensitätsverteilung ermöglicht. Die Erfindung schafft ferner ein Laserbearbeitungsverfahren, bei dem das Verfahren zum Formen eines Laserstrahls auf vorteilhafte Weise für eine Laser-Materialbearbeitung angewendet wird.In summary, it should be noted that the invention provides a method for shaping a laser beam, in which a first laser beam 211 with a first transverse intensity distribution to a beam-shaping element 215 is directed and the first laser beam 211 by means of the beam-shaping element 215 in a second laser beam 216 is converted with a second transverse intensity distribution. According to the invention, the second intensity distribution has a preferred direction perpendicular to the optical axis of the second laser beam 216 on and the beam-shaping element 215 is operated such that the preferred direction rotates about the optical axis. The beam-shaping element 215 may be an optical element, which by means of a mechanical movement about the optical axis of the first laser beam 211 rotates. The beam-shaping element is preferred 215 However, realized by means of a dynamic system, which in avoiding a mechanical rotation by a corresponding control almost any beam cross sections of the second laser beam 216 with any intensity distribution allows. The invention further provides a laser processing method, wherein the method of molding a laser beam is advantageously applied for laser material processing.

Claims (11)

Verfahren zum Formen eines Laserstrahls, bei dem • ein erster Laserstrahl (211) mit einer ersten transversalen Intensitätsverteilung auf ein Strahlformungselement (215) gerichtet wird, und • der erste Laserstrahl (211) mittels des Strahlformungselements (215) in einen zweiten Laserstrahl (216) mit einer zweiten transversalen Intensitätsverteilung umgewandelt wird, – wobei die zweite Intensitätsverteilung eine von einer rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung abweichende Form aufweist, so dass die zweite Intensitätsverteilung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des zweiten Laserstrahls (216) eine Vorzugsrichtung aufweist, und – wobei das Strahlformungselement (215) derart betrieben wird, dass sich die Vorzugsrichtung der zweiten Intensitätsverteilung um die optische Achse dreht.Method for shaping a laser beam, in which a first laser beam ( 211 ) having a first transverse intensity distribution onto a beam-shaping element ( 215 ), and • the first laser beam ( 211 ) by means of the beam-shaping element ( 215 ) into a second laser beam ( 216 ) is converted with a second transverse intensity distribution, wherein the second intensity distribution has a shape deviating from a rotationally symmetrical intensity distribution, so that the second intensity distribution in a plane perpendicular to the optical axis of the second laser beam ( 216 ) has a preferred direction, and - wherein the beam-shaping element ( 215 ) is operated such that the preferred direction of the second intensity distribution rotates about the optical axis. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein erster Laserstrahl (211) mit einer zu der optischen Achse des Laserstrahls symmetrischen Intensitätsverteilung verwendet wird.Method according to Claim 1, in which a first laser beam ( 211 ) is used with an intensity distribution symmetrical to the optical axis of the laser beam. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem ein gepulster erster Laserstrahl (211) verwendet wird.Method according to one of Claims 1 to 2, in which a pulsed first laser beam ( 211 ) is used. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Strahlformungselement (215) unabhängig von der zeitlichen Abfolge der Laserpulse betrieben wird.Method according to Claim 3, in which the beam-shaping element ( 215 ) is operated independently of the time sequence of the laser pulses. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Betrieb des Strahlformungselements (215) mit der zeitlichen Abfolge der Laserpulse synchronisiert wird.Method according to Claim 3, in which the operation of the beam-shaping element ( 215 ) is synchronized with the time sequence of the laser pulses. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Strahlformungselement (215) um die optische Achse gedreht wird.Method according to one of Claims 1 to 5, in which the beam-shaping element ( 215 ) is rotated about the optical axis. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein dynamisch ansteuerbares Strahlformungselement (215) verwendet wird, welches mit einer frei wählbaren Schaltfrequenz ein Umschalten des Strahlquerschnitts des zweiten Laserstrahls bei einer frei wählbaren Intensitätsverteilung ermöglicht.Method according to one of claims 1 to 5, wherein a dynamically controllable beam-shaping element ( 215 ) is used, which allows switching of the beam cross section of the second laser beam at a freely selectable intensity distribution with a freely selectable switching frequency. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der zweite Laserstahl (216) einen Querschnittsform aufweist, die sich aus zwei Teilflächen zusammensetzt, die sich in einem Punkt berühren.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the second laser steel ( 216 ) has a cross-sectional shape composed of two partial surfaces which touch at a point. Laserbearbeitungsverfahren, bei dem ein durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 geformter Laserstrahl auf ein zu bearbeitetes Objekt (240) gerichtet wird.A laser processing method in which a laser beam formed by a method according to any one of claims 1 to 8 is applied to an object ( 240 ). Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 9, bei dem der zweite Laserstrahl (216) eine von einer Kreisform abweichende Querschnittsfläche aufweist und die Intensität des zweiten Laserstrahls (216) größer ist als die Intensität des ersten Laserstrahls (211).A laser processing method according to claim 9, wherein the second laser beam ( 216 ) has a different cross-sectional area from a circular shape and the intensity of the second laser beam ( 216 ) is greater than the intensity of the first laser beam ( 211 ). Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Loch in das zu bearbeitende Objekt (240) gebohrt wird.A laser processing method according to claim 9, wherein a hole in the object to be processed ( 240 ) is drilled.
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