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WO2006024585A1 - Laser light source, method for machining workpieces by means of pulsed laser radiation - Google Patents

Laser light source, method for machining workpieces by means of pulsed laser radiation Download PDF

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WO2006024585A1
WO2006024585A1 PCT/EP2005/053723 EP2005053723W WO2006024585A1 WO 2006024585 A1 WO2006024585 A1 WO 2006024585A1 EP 2005053723 W EP2005053723 W EP 2005053723W WO 2006024585 A1 WO2006024585 A1 WO 2006024585A1
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light source
laser light
resonator
mirror
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PCT/EP2005/053723
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Hans Jürgen Mayer
Uwe Metka
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Hitachi Via Mechanics, Ltd.
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Definitions

  • Laser light source method for processing workpieces by means of pulsed laser radiation
  • the invention relates to a laser light source, particularly a laser light source for use in a Laserbearbei ⁇ processing machine for drilling and / or patterning of elektro ⁇ African circuit substrates by pulsed laser radiation.
  • the invention further relates to a method for processing workpieces by means of pulsed laser radiation using the said laser light source.
  • the drilling of electronic circuit substrates is usually carried out by means of pulsed laser radiation in special laser processing machines for the electronics sector.
  • Laser light sources are used, for example, as CO 2 lasers and solid-state lasers which emit laser radiation having a wavelength in the visible or also in the near ultraviolet spectral range by a frequency multiplication carried out in a known manner. Laser radiation in the ultraviolet spectral range is in particular for the precise removal of metallic layers of a multilayer printed circuit board suitable.
  • the quality of the drilled holes is determined inter alia by the following characteristic parameters of the laser light source used: pulse energy, pulse width, repetition frequency, transverse intensity distribution of the laser beam.
  • the invention has for its object to provide a laser light ⁇ source, which emits laser pulses, which ensures optimal material erosion for a variety of different materials.
  • the invention is also the
  • the device-related object is achieved by a laser light source having the features of the independent claim 1.
  • the laser light source according to the invention comprises a laser ⁇ resonator with a partially transmitting Auskoppelapt and an end mirror.
  • the laser light source further comprises an active laser medium and a beam switching device, both of which are arranged within the laser resonator.
  • the beam switching device and the laser resonator are set up such that a laser beam guided in the laser resonator can be switched between a first beam path and a second beam path, wherein the second beam path has a different length than the first beam path.
  • the invention is based on the recognition that the pulse ⁇ wide and varies the pulse duration of the generated laser pulses by changing the cavity length in a simple manner and can thus be adapted to various different materials, so that an optimum, that is both fast and a precise material removal can be achieved.
  • a precise material removal is characterized by the fact that between a region with eroded
  • Material and another area with unsprayed material is a sharp spatial boundary.
  • the physical reason for the dependence of the pulse duration on the resonator length can be explained simply by the fact that the propagation time of a light pulse, which requires a predetermined number of passes through the active laser medium to reduce an inversion in the active laser medium, is correspondingly longer with a larger resonator length , The length of a laser pulse thus depends on the transit time within the laser resonator.
  • the end mirror of the laser light source according to the invention preferably a mirror is capable with the highest possible reflection
  • the Endspie a partially transparent mirror can be ⁇ gel, so that by the inventive laser light source two laser beams be generated, wherein a laser beam, the laser light source from the output mirror and the other laser beam emerges from the partially transparent end mirror.
  • the invention itself will not ⁇ different to only two Strah ⁇ beam paths is limited within the laser resonator. May be present device depen ⁇ gig on the number of switching positions of Strahlumschalt ⁇ in principle any number of optical paths of different lengths. Instead of a
  • Beam switching device with a variety of under Kunststoff ⁇ union switch positions can also be several Strahlumlenkein ⁇ directions, each with a plurality of switching positions arranged one behind the other.
  • an end mirror is associated with each of the two beam paths, which can be selectively activated by the beam switching device.
  • Two beam paths are provided for the beam path between the beam switching device and the end mirror, depending on the position of the beam switching device, wherein exactly one of the two beam paths for guiding the laser beam within the laser resonator is determined by the beam switching device.
  • the exact length of a beam path and thus the resulting pulse duration can be set.
  • the lengths of all beam paths can be changed alike.
  • the laser light source according to claim 3 has two beam switching elements, which are arranged inside the laser resonator. Between the two beam switching elements, a beam guiding device is provided which, in conjunction with the two beam switching elements, effects a deflection and thus an extension of the current beam path in comparison to the beam path of the so-called zero beam.
  • the zero beam is defined by the beam path in the laser resonator, which results at a certain starting position of the beam switching elements.
  • any number of "bypass beam paths” are possible, so that the resulting pulse duration can be optimally adapted to a large number of different materials for material processing.
  • the beam guiding device has at least one reflector, which contributes to the fact that the laser beam deflected out of the beam path of the zero beam can be returned to the beam path of the zero beam.
  • the spatial arrangement of the reflector determines the extension of the beam path, so that the resulting pulse duration can be adjusted in a simple manner by a corresponding spatial arrangement of the reflector.
  • the laser beam guided in the laser resonator is emitted from the null beam by the first of the two beam switching elements. deflects and coupled ⁇ in a first end of an optical waveguide ⁇ . After passing through the optical waveguide, the light beam leaves the other end of the Lichtwellenlei ⁇ ters and is at a symmetrical switching position of the two beam switching over the second of the two
  • the beam switching device has a rotatably mounted mirror or a chopper device.
  • the beam path within the laser resonator can thus be realized via a mechanical movement of conventional optical components.
  • a greater period of time is at least rates of large repeat ⁇ required as the time interval between two consecutive laser pulses in the rule.
  • the resulting pulse length of the individual laser pulses can not be varied individually, but only for a sequence of a plurality of laser pulses.
  • the use of such mechanical beam switching devices is easy to implement and completely sufficient for a large number of applications, since as a rule a material having a multiplicity of successive laser pulses is processed with an unchanged pulse duration.
  • a chopper for example, is a rotatably mounted glass, which alternately transparent and mirrored areas, which are introduced into the beam path and thus alternately cause transmission and reflection.
  • a rotatably mounted mirror is particularly suitable a rotary mechanism in which the mirror between different, precisely defined angular positions can be switched.
  • the embodiment according to claim 7 has as Strahlumschalt ⁇ device on an electro-optical modulator or an acousto-optical modulator.
  • an electro-optic modulator of modu lator ⁇ causes rotation of the polarization of the light beam.
  • the spatial separation of the differently polarized laser beams then takes place with a polarization-sensitive reflector, for example a so-called Brewster window.
  • An acousto-optic modulator is, for example, a CdTe
  • Crystal which is excited with a frequency in the megahertz range to mechanical vibrations.
  • the stationary wave formed within the crystal represents a diffraction grating for an incident laser beam.
  • a beam switching with electroacoustic or with acousto-optical modulators has the advantage that the switching can be done very quickly, so even switching the laser resonator between different beam paths even at a laser pulse repetition rate in the range of several kHz in principle between two successive following laser pulses is possible.
  • Such targeted variation of the pulse duration of individual laser pulses results in a large number of new possibilities for optimal material processing.
  • the material processing can take place by means of a plurality of successive laser pulses at one and the same point, wherein the pulse duration of a laser pulse differs from the pulse duration of the laser pulse previously directed to the same location.
  • a deflection of the laser beam guided in the laser resonator can be carried out selectively into one of a multiplicity of radiation paths of different lengths, also by means of a series connection of a plurality of beam deflecting devices. In this case, several identical beam deflecting devices or even different types of Strahlumauch snappeen be combined.
  • the active laser medium is a solid material, preferably with ⁇ means of Nd: YAG, Nd: YVO 4 -, or Nd: YLF lasers realized which typically emit laser beams at a fundamental wavelength of 1064 nm ,
  • the pumping of the active laser medium takes place optically using semiconductor diodes. These are preferably arranged around the active laser medium, so that a corresponding diode-pumped laser, in particular a diode-pumped solid-state laser, can be realized in a compact design.
  • the laser light source in addition to an optically non-linear medium for frequency multiplication.
  • optically non-linear media which are generally known in laser technology, can be positioned both inside and outside the resonator.
  • any of the above types of laser with a fundamental wavelength of 1064 nm is frequency-multiplied radiation having wavelengths of 532 achieved nm, 355 nm and 266 nm.
  • Such a frequency multiplier in which the fundamental wavelength hal ⁇ beer, is divided into thirds or quarters is to be considered as exemplary only , A frequency multiplication by a factor of 5, 6 or more is particularly modern Lasersys ⁇ temen also conceivable.
  • the frequency multiplier has the advantage that in a simple manner cash laser radiation in the visible or ⁇ may also generate the ultraviolet spectral range, which are particularly well suited for the removal of metallic layers, such as copper.
  • a laser beam is generated by means of a laser light source, which laser pulses each having a specific pulse duration.
  • the generated laser beam is deflected two-dimensionally by means of a deflection unit and directed to predetermined target positions on the workpiece by means of imaging optics.
  • the pulse durations are selected depending on the material of the workpiece such that an optimal material removal is ensured.
  • a schnel ⁇ ler as well as a precise as possible material removal is hen To Hide ⁇ in this context. Precise material removal results in a sharp, well-defined spatial boundary between a region of abraded material and an area of uncut material.
  • the optimal pulse duration can be determined in advance of the real laser processing depending on the respective material to be processed by a few experiments.
  • a laser light source according to any one of claims 1 to 10 is used to generate the pulsed laser beam.
  • the beam switching device and thus the beam path of the laser beam within the laser resonator are adjusted such that the workpiece is subjected to laser pulses with the corresponding pulse duration.
  • the pulse durations can be optimized for each material to be processed. Since very high requirements with regard to the precision of material processing must be met in the electronics sector due to the increasing miniaturization of electronic assemblies, the invention can be used in particular for drilling or structuring electronic circuit carriers.
  • Figure 1 show a laser processing machine having a laser light source ⁇ which different lengths of optical paths having within the laser resonator
  • Figure 2a, 2b and 2c a laser light source, are realized in the under ⁇ different length optical paths within the Laserre ⁇ sonators by a folding mirror and correspondingly positioned end mirrors,
  • Figure 3 ment a laser light source with a Strahlumschaltele ⁇ which a laser beam selectively to below ⁇ stanliche end mirror steers,
  • FIG. 4 shows a laser light source with two beam switching elements which can direct a laser beam into the region between the two beam switching elements on different beam paths, to each of which an optical waveguide is assigned,
  • Figure 5 shows a laser light source with two Strahlumschaltelemen ⁇ th, which can direct a laser beam in the area between the two beam switching on under Kunststoffli ⁇ che beam paths, each associated with a reflector
  • Figure 6 shows the structure of a beam switching element of an electro-optical modulator and a Brewster window.
  • the laser processing machine 100 shown in FIG. 1 comprises a laser light source 110, which is set up to emit a pulsed output laser beam 121.
  • the deflection unit 130 permits a two-dimensional deflection of the laser beam, which is directed onto the substrate 150 to be processed via an imaging optical system 140, for example an F-theta optical system.
  • the substrate 150 consists of a dielectric layer 151, which is covered by a metallic layer 152 on the upper side and underside, respectively.
  • the metallic layers 152 are structured in a manner not shown to form interconnects.
  • Microholes 153 a processing laser beam 141, which has emerged from the output laser beam 121 by a deflection by the deflection unit 130 and focusing by the imaging optics 140, each centered by a jump motion 155 to a drilling position 144 and then with a set on the imaging optics 140 spot size F in the region of the drilling position 154 in a circular movement, so that in each case a micro hole is generated.
  • the laser light source 110 comprises a Laserreso ⁇ nator which an output mirror 112 and a plurality of end mirror, having a first end mirror 114a, a second 114b Endspie ⁇ gel and a third end mirror 114c.
  • an active laser medium 111 is arranged, which is in particular a solid state material such as Nd: YAG or Nd: YVO 4 .
  • a Strahlumschaltelement 113 is further arranged which se a beam path 115 within the laser resonator alterna ⁇ in a beam path of the three beam paths, in a first Strah ⁇ 115a, transferred to a second optical path 115b or in a third optical path 115c.
  • one of the beam paths 115a, 115b or 115c is assigned an end mirror 114a, 114b or 114c.
  • the end mirrors 114a, 114b and 114c are arranged at different distances from the beam switching element 113, so that one of the beam paths 115a, 115b or 115c is activated depending on the control of the beam switching element 113.
  • the Strahlumschaltelement 113 may be a mechanical mirror ⁇ system or an electrically controllable modulator very quickly, for example an acousto-optical modulator or, in particular an electro-optical modulator to be.
  • an acousto-optical modulator or, in particular an electro-optical modulator to be A possible structure of a jet switching element will be described later with reference to FIG.
  • a reflector can additionally be connected downstream of the modulator. With a corresponding angular position of the reflector relative to the beam path of the deflected beam, the resulting deflection angle can thus be significantly increased in comparison to the usually very small deflection angles, which can be achieved with a modulator. Thus deflection angles in the range of 90 ° can be realized even when using an acousto-optical modulator.
  • the beam paths 115a, 115b and 115c have a different length.
  • the The effective resonator length can be set as a function of the position of the beam switching element 113 between three different lengths, so that, as a result, the pulse durations of the output laser beam 121 depend on the position of the beam switching element 113.
  • the dependence of the pulse duration on the resonator length can be explained by the fact that a laser pulse lasts until the inversion in the active laser medium 111 is degraded. This means that the majority of the excited atoms or molecules in the active laser medium 111 are again in their ground state. Since a certain number of passes of a light pulse through the active medium 111 is required for reducing the inversion, there is no need to further explain that the total time required for a light pulse for this number of passes depends on the resonator length .
  • FIGS. 2 a, 2 b and 2 c show a further exemplary embodiment of the invention, in which the jet switching element is realized by means of a rotatably mounted mirror 213.
  • the laser light source which emits a pulsed output laser beam 221 via a coupling-out mirror 212, has as active laser medium 211 a solid-state material, in particular Nd: YAG or Nd: YVO 4 .
  • the laser resonator is gebil ⁇ det only by the Auskoppelapt 212 and serving as the first end mirror 214a mirror 213.
  • the laser beam thus extends only on a beam path 215 which is delimited by the rotatable mirror 213 serving as the first end mirror 214a and the outcoupling mirror 212.
  • a laser beam in the beam path 215 by a reflection on the mirror 213 to a stationary second end mirror 214, so that the laser beam within the laser resonator along the beam paths 215 and 215 b extends.
  • the resonator length is thus lengthened by the length of the beam path 215b compared with the resonator length shown in FIG. 2a.
  • the beam path illustrated in FIG. 2c results within the laser resonator.
  • the laser resonator is formed by the Auskoppel ⁇ mirror 212 and the third end mirror 214c, which is spaced from the mirror 213 farther than the second end mirror 214b.
  • the resulting resonator length is therefore composed of the length of the beam path 215 and the length of the third beam path 215c.
  • the resonator length of the laser light source 210 can thus be varied in a simple manner and thus the resulting pulse length of the laser pulses of the output laser ⁇ beam 221 can be optimally adapted to the respective material to be machined.
  • Embodiment in that instead of the rotatably mounted mirror 213, an electrically controllable Strahlumschaltele ⁇ ment 313 is provided. This transferred the optional len réellen of four Strah ⁇ between the Strahlumschaltelement 313 and the output mirror 212 ver ⁇ current beam path 315 in a, which are provided with the reference numerals 315a, 315b, 315c or 315d.
  • the beam paths 315a, 315b, 315c and 315d are each an end mirror 314a, 314b, 314c and 314d associated with the four end mirrors are arranged at different distances from the beam switching element 313.
  • the laser light source 410 shown in FIG. 4 differs from the laser light source 310 in that only one end mirror 414 is provided which, together with the outcoupling mirror 412, forms the laser resonator of the laser light source 410.
  • a first 413a and a second Strahlumschaltelement Strahlum ⁇ are arranged switching element 413b.
  • a guided within the laser resonator laser ⁇ beam runs between the two modulators selectively in one of four beam paths, which are provided with the reference numerals 415a, 415b, 415c or 415d.
  • the beam paths 415b, 415c and 415d respectively extend over an optical waveguide 416b, 416c and 416d, which have a different length to one another.
  • the resulting resonator length of the laser light source 410 changed such that the laser pulses of the output laser beam 421 can be optimally adjusted in terms of their pulse duration to the respective material to be processed.
  • the laser light source shown in FIG 5510 under failed ⁇ det from the laser light source 410 in that is provided in place of the three optical waveguide 416b, 416c and 416d, respectively, a stationary reflector 517b, 517c or 517d.
  • the laser beam within the laser resonator can thus be guided selectively onto the beam path 515a or onto one of the deflected beam paths 515b, 515c or 515d.
  • FIG. 6 shows the construction of a beam switching element 613, which has an electro-optical modulator 660 and a Brewster window 663.
  • the incident laser beam 615 is linearly polarized.
  • the polarization direction of an emerging from the modulator 660 laser beam 662 along the direction of rotation 661 can be varied so that the laser beam 662 in a first position of the electro-optical modulator 660 parallel to the plane of the drawing and in a second position is polarized perpendicular to the plane of the drawing.
  • the Brewster window 663 is arranged in the beam path of the laser beam 662 in a Brewster geometry familiar to the person skilled in the art, so that in the first position of the electro-optical modulator 660 the laser beam 662 has a parallel offset into the beam path 615b determined by the thickness and the refractive index of the Brewster window 663 is transferred. In the second position of the electro-optical modulator 660, the laser beam 662, which is polarized perpendicular to the plane of the drawing, is transferred into the beam path 615a. By a corresponding control of the electro-optical modulator 660, the input laser beam 615 can thus be selectively converted into one of the two beam paths 615a and 615b.
  • a plurality of beam switching elements 613 can be connected in series in a cascade.
  • the invention provides a laser light source 110 with a
  • the beam switching device 113 can be realized by means of a mechanical mirror system 213.
  • the beam switching device 113 can also be realized by means of an electro-optical or acousto-optical modulator, so that the beam switching can take place very quickly. This makes it possible to switch over even with a high pulse repetition rate
  • the invention further provides a method for machining workpieces 150 by means of pulsed laser radiation, wherein a laser beam is deflected two-dimensionally by means of a deflection unit 130 and is directed onto the workpiece 150 via imaging optics 140.
  • the pulse duration of the laser pulses is adjusted in particular by a choice of the beam path within the laser resonator such that an optimal material removal is ensured.

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Abstract

The invention relates to a laser light source (110) comprising a laser resonator, whereby the length thereof can be modified by means of a radiation switching device (113), such that the duration of the pulse of the emitted laser radiation can be adjusted according to the respective adjusted resonator length. The radiation switching device (113) can be produced by means of a mechanical mirror system (213). The radiation switching device (113) can also be produced by means of an electro-optical or acusto-optical modulator, such that very fast radiation switching takes place. This enables, even at a high pulse repetition rate, a switching over of the resonator length between two successive laser pulses.The invention also relates to a method for machining workpieces (150) by means of pulsed laser radiation, whereby a laser beam is deviated in a two-dimensional manner by means of a deviation unit (130) and is oriented to the workpiece (150) by means of an optical imaging lens (140). The duration of the pulses of the laser pulse is adjusted, in particular, by selecting the beam path within the laser resonator thereby ensuring optimum material removal.

Description

Beschreibungdescription
Laserlichtquelle, Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster LaserstrahlungLaser light source, method for processing workpieces by means of pulsed laser radiation
Die Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle zur Verwendung in einer Laserbearbei¬ tungsmaschine zum Bohren und/oder Strukturieren von elektro¬ nischen Schaltungsträgern mittels gepulster Laserstrahlung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster Laserstrahlung unter Ver¬ wendung der genannten Laserlichtquelle.The invention relates to a laser light source, particularly a laser light source for use in a Laserbearbei ¬ processing machine for drilling and / or patterning of elektro¬ African circuit substrates by pulsed laser radiation. The invention further relates to a method for processing workpieces by means of pulsed laser radiation using the said laser light source.
Elektronische Baugruppen, welche in einer kompakten Bauform realisiert werden sollen, werden heutzutage häufig auf mehr¬ schichtigen Schaltungsträgern, insbesondere auf mehrschichti¬ gen Leiterplatten aufgebaut. Dabei ist es erforderlich, dass bestimmte leitfähige Schichten der Leiterplatte miteinander kontaktiert werden. Dies geschieht in der Regel dadurch, dass in die miteinander zu kontaktierenden Schichten ein Blind¬ oder ein Durchgangsloch gebohrt wird und dieses Loch nachfol¬ gend in bekannter Weise mittels einer elektrisch leitenden Metallisierung versehen wird. Auf dieser Weise können Leiter¬ bahnstrukturen nicht nur zweidimensional, sondern auch in der dritten Dimension ausgebildet werden, so dass der Platzbedarf von elektronischen Baugruppen erheblich reduziert wird.Electronic assemblies which are to be realized in a compact design, are now often built on more ¬ layered circuit boards, and in particular mehrschichti¬ gen PCBs. It is necessary that certain conductive layers of the circuit board are contacted with each other. This is usually done by providing a Blind¬ or a through hole is drilled in the contacting layers together into this hole and nachfol ¬ is quietly provided in a known manner by means of an electrically conductive metallization. In this way, conductor track structures can be formed not only two-dimensionally but also in the third dimension, so that the space requirement of electronic assemblies is considerably reduced.
Das Bohren von elektronischen Schaltungssubstraten erfolgt üblicherweise mittels gepulster Laserstrahlung in speziellen Laserbearbeitungsmaschinen für den Elektronikbereich. AlsThe drilling of electronic circuit substrates is usually carried out by means of pulsed laser radiation in special laser processing machines for the electronics sector. When
Laserlichtquellen werden beispielsweise CO2-Laser und Fest¬ körperlaser verwendet, welche durch eine in bekannter Weise durchgeführte Frequenzvervielfachung Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im sichtbaren oder auch im nahen ultravioletten Spektralbereich emittieren. Laserstrahlung im ultravioletten Spektralbereich ist insbesondere zum präzisen Abtragen von metallischen Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte geeignet.Laser light sources are used, for example, as CO 2 lasers and solid-state lasers which emit laser radiation having a wavelength in the visible or also in the near ultraviolet spectral range by a frequency multiplication carried out in a known manner. Laser radiation in the ultraviolet spectral range is in particular for the precise removal of metallic layers of a multilayer printed circuit board suitable.
Die Qualität der gebohrten Löcher wird abhängig von dem jeweils zu bearbeitenden Material unter anderem von folgenden charakteristischen Parametern der verwendeten Laserlichtquel¬ le bestimmt: Pulsenergie, Pulsbreite, Wiederholfrequenz, transversale Intensitätsverteilung des Laserstrahls. Somit gibt es für jeden Bohrvorgang eine große Anzahl an möglichen Kombinationen von Laserparametern.Depending on the material to be processed, the quality of the drilled holes is determined inter alia by the following characteristic parameters of the laser light source used: pulse energy, pulse width, repetition frequency, transverse intensity distribution of the laser beam. Thus, there are a large number of possible combinations of laser parameters for each drilling operation.
Um ein Material optimal, d.h. mit großer Bearbeitungsge¬ schwindigkeit und mit möglichst hoher Qualität bearbeiten zu können, ist jeweils ein bestimmter Parametersatz am besten geeignet. Für unterschiedliche Materialien sind demzufolge unterschiedliche Parametersätze als optimal anzusehen, wobei mit einer Laserlichtquelle üblicherweise nicht alle für einen optimalen Bohrvorgang erforderlichen Parameter erreicht werden können. Dieses Problem könnte dadurch gelöst werden, dass abhängig von dem jeweils zu bearbeitenden Material unterschiedliche Laserlichtquellen in einer Laserbearbei¬ tungsvorrichtung eingebaut werden. Ein derartiger Umbau einer Laserbearbeitungsmaschine oder die Verwendung einer Laserbe¬ arbeitungsmaschine mit mehreren unterschiedlichen Lasertypen ist jedoch sehr zeit- und sehr kostenintensiv.To use a material that is optimally edit with great Bearbeitungsge ¬ speed and with the highest possible quality, a certain set of parameters is most appropriate in each case. Accordingly, different parameter sets are to be regarded as optimal for different materials, with a laser light source usually not being able to achieve all the parameters required for an optimal drilling operation. This problem could be solved by that be incorporated depending on the particular material to be processed different laser light sources in a Laserbearbei ¬ processing device. Such a conversion of a laser processing machine or the use of a Laserbe ¬ processing machine with several different types of lasers, however, is very time consuming and very costly.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserlicht¬ quelle zu schaffen, welche Laserpulse aussendet, die für eine Vielzahl von verschiedenen Materialien einen optimalen Mate- rialabtrag gewährleistet. Der Erfindung liegt ferner dieThe invention has for its object to provide a laser light ¬ source, which emits laser pulses, which ensures optimal material erosion for a variety of different materials. The invention is also the
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstü¬ cken mittels gepulster Laserstrahlung anzugeben, welches für eine Vielzahl von verschiedenen Materialien einen optimalen Materialabtrag erzeugt.It is an object of the invention to specify a method for processing workpieces by means of pulsed laser radiation, which generates an optimum material removal for a multiplicity of different materials.
Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gelöst durch eine Laserlichtquelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle umfasst einen Laser¬ resonator mit einem teildurchlässigen Auskoppelspiegel und einem Endspiegel. Die Laserlichtquelle umfasst ferner ein aktives Lasermedium sowie eine Strahlumschalteinrichtung, welche beide innerhalb des Laserresonators angeordnet sind. Die Strahlumschalteinrichtung und der Laserresonator sind derart eingerichtet, dass ein in dem Laserresonator geführter Laserstrahl zwischen einem ersten Strahlengang und einem zweiten Strahlengang umschaltbar ist, wobei der zweite Strah- lengang eine im Vergleich zum ersten Strahlengang unter¬ schiedliche Länge aufweist.The device-related object is achieved by a laser light source having the features of the independent claim 1. The laser light source according to the invention comprises a laser ¬ resonator with a partially transmitting Auskoppelspiegel and an end mirror. The laser light source further comprises an active laser medium and a beam switching device, both of which are arranged within the laser resonator. The beam switching device and the laser resonator are set up such that a laser beam guided in the laser resonator can be switched between a first beam path and a second beam path, wherein the second beam path has a different length than the first beam path.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Puls¬ breite bzw. die Pulsdauer der generierten Laserpulse durch eine Änderung der Resonatorlänge auf einfache Weise variiert und somit auf verschiedene unterschiedliche Materialien angepasst werden kann, so dass ein optimaler, d.h. sowohl ein schneller als auch ein präziser Materialabtrag erreicht werden kann. Ein präziser Materialabtrag zeichnet sich da- durch aus, dass zwischen einem Bereich mit abgetragenemThe invention is based on the recognition that the pulse ¬ wide and varies the pulse duration of the generated laser pulses by changing the cavity length in a simple manner and can thus be adapted to various different materials, so that an optimum, that is both fast and a precise material removal can be achieved. A precise material removal is characterized by the fact that between a region with eroded
Material und einem anderen Bereich mit nicht abgetragenem Material eine scharfe räumliche Grenze besteht.Material and another area with unsprayed material is a sharp spatial boundary.
Der physikalische Grund für die Abhängigkeit der Pulsdauer von der Resonatorlänge lässt sich einfach dadurch erklären, dass die Laufzeit eines Lichtpulses, welcher zum Abbau einer Inversion in dem aktiven Lasermedium eine vorgegebene Anzahl an Durchläufen durch das aktive Lasermedium benötigt, bei einer größeren Resonatorlänge entsprechend länger ist. Die Länge eines Laserpulses hängt demzufolge von der Laufzeit innerhalb des Laserresonators ab.The physical reason for the dependence of the pulse duration on the resonator length can be explained simply by the fact that the propagation time of a light pulse, which requires a predetermined number of passes through the active laser medium to reduce an inversion in the active laser medium, is correspondingly longer with a larger resonator length , The length of a laser pulse thus depends on the transit time within the laser resonator.
Obwohl der Endspiegel der erfindungsgemäßen Laserlichtquelle bevorzugt ein Spiegel mit einem möglichst hohen Reflexions- vermögen ist, wird darauf hingewiesen, dass auch der Endspie¬ gel ein teildurchlässiger Spiegel sein kann, so dass durch die erfindungsgemäße Laserlichtquelle zwei Laserstrahlen erzeugt werden, wobei ein Laserstrahl die Laserlichtquelle aus dem Auskoppelspiegel und der andere Laserstrahl aus dem teildurchlässigen Endspiegel austritt.Although the end mirror of the laser light source according to the invention preferably a mirror is capable with the highest possible reflection, it should be noted that the Endspie a partially transparent mirror can be ¬ gel, so that by the inventive laser light source two laser beams be generated, wherein a laser beam, the laser light source from the output mirror and the other laser beam emerges from the partially transparent end mirror.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbst¬ verständlich nicht auf lediglich zwei unterschiedliche Strah¬ lengänge innerhalb des Laserresonators beschränkt ist. Abhän¬ gig von der Anzahl der Schaltstellungen der Strahlumschalt¬ einrichtung können im Prinzip beliebig viele Strahlengänge mit unterschiedlicher Länge vorhanden sein. Anstelle einerIt is further noted that the invention itself will not ¬ different to only two Strah ¬ beam paths is limited within the laser resonator. May be present device depen ¬ gig on the number of switching positions of Strahlumschalt¬ in principle any number of optical paths of different lengths. Instead of a
Strahlumschalteinrichtung mit einer Vielzahl von unterschied¬ lichen Schaltstellungen können auch mehrere Strahlumlenkein¬ richtungen mit jeweils einer Mehrzahl von Schaltstellungen hintereinander angeordnet sein.Beam switching device with a variety of unterschied¬ union switch positions can also be several Strahlumlenkein¬ directions, each with a plurality of switching positions arranged one behind the other.
Bei der Laserlichtquelle nach Anspruch 2 ist jedem der beiden Strahlengänge, welche durch die Strahlumschalteinrichtung selektiv aktiviert werden können, ein Endspiegel zugeordnet. Dies bedeutet, dass der Strahlengang innerhalb des Laserreso- nators zwischen der Strahlumschalteinrichtung und dem Auskop¬ pelspiegel unabhängig von der Stellung der Strahlumschaltein¬ richtung festgelegt ist. Für den Strahlengang zwischen der Strahlumschalteinrichtung und dem Endspiegel sind abhängig von der Stellung der Strahlumschalteinrichtung zwei Strahlen- gänge vorgesehen, wobei durch die Strahlumschalteinrichtung jeweils genau einer der beiden Strahlengänge zur Führung des Laserstrahls innerhalb des Laserresonators festgelegt wird. Auch in diesem Fall können nicht nur zwei, sondern mehrere Endspiegel verwendet werden, so dass im Prinzip beliebig viele unterschiedliche Strahlengänge durch eine mit entspre¬ chend vielen Schaltstellungen versehene Strahlumschaltein¬ richtung aktiviert werden können.In the laser light source according to claim 2, an end mirror is associated with each of the two beam paths, which can be selectively activated by the beam switching device. This means that the beam path within the laser resonator between the beam switching device and the output mirror is fixed independently of the position of the beam switching device. Two beam paths are provided for the beam path between the beam switching device and the end mirror, depending on the position of the beam switching device, wherein exactly one of the two beam paths for guiding the laser beam within the laser resonator is determined by the beam switching device. You can also in this case, not just two, but several end mirrors are used so that in principle arbitrary number of different optical paths direction by a accordingly with entspre ¬ many switching positions provided Strahlumschaltein¬ activated.
Ferner kann durch eine Variation der Endposition des jeweili- gen Endspiegels die exakte Länge eines Strahlengangs und somit die resultierende Pulsdauer eingestellt werden. Durch ein Verschieben des Auskoppelspiegels können die Längen sämtlicher Strahlengänge gleichermaßen verändert werden.Furthermore, by varying the end position of the respective end mirror, the exact length of a beam path and thus the resulting pulse duration can be set. By a displacement of the coupling-out mirror, the lengths of all beam paths can be changed alike.
Die Laserlichtquelle nach Anspruch 3 weist zwei Strahlum- schaltelemente auf, welche innerhalb des Laserresonators angeordnet sind. Zwischen den beiden Strahlumschaltelementen ist eine Strahlführungseinrichtung vorgesehen, welche in Verbindung mit den beiden Strahlumschaltelementen eine Aus¬ lenkung und damit eine Verlängerung des aktuellen Strahlen- gangs im Vergleich zu dem Strahlengangs des sog. Nullstrahls bewirkt. Der Nullstrahl ist dabei durch den Strahlengang im Laserresonator definiert, der sich bei einer bestimmten Ausgangsstellung der Strahlumschaltelemente ergibt.The laser light source according to claim 3 has two beam switching elements, which are arranged inside the laser resonator. Between the two beam switching elements, a beam guiding device is provided which, in conjunction with the two beam switching elements, effects a deflection and thus an extension of the current beam path in comparison to the beam path of the so-called zero beam. The zero beam is defined by the beam path in the laser resonator, which results at a certain starting position of the beam switching elements.
Eine derartige "Bypass-Lösung", bei der der Strahlengang innerhalb eines Teilbereiches des Laserresonators aus dem Nullstrahl ausgelenkt wird, bewirkt somit abhängig von der zusätzlichen Länge der Strahlführungseinrichtung eine Verlän¬ gerung der Pulsdauern der ausgesendeten Laserpulse. Auch in diesem Fall sind im Prinzip beliebig viele "Bypass-Strahlen- gänge" möglich, so dass die resultierende Pulsdauer optimal auf eine Vielzahl von verschiedenen Materialien zur Material¬ bearbeitung angepasst werden kann.Such a "bypass solution", in which the beam path is deflected out of the null beam within a partial region of the laser resonator, thus causes a prolongation of the pulse durations of the emitted laser pulses, depending on the additional length of the beam guiding device. In this case, in principle, any number of "bypass beam paths" are possible, so that the resulting pulse duration can be optimally adapted to a large number of different materials for material processing.
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 4 weist die Strahlfüh¬ rungseinrichtung zumindest einen Reflektor auf, welcher dazu beiträgt, dass der aus dem Strahlengang des Nullstrahls ausgelenkte Laserstrahl wieder in den Strahlengang des Null¬ strahls zurückgeführt werden kann. Dabei bestimmt die räumli- che Anordnung des Reflektors die Verlängerung des Strahlen¬ gangs, so dass auf einfache Weise die resultierende Pulsdauer durch eine entsprechende räumliche Anordnung des Reflektors angepasst werden kann.In the embodiment according to claim 4, the beam guiding device has at least one reflector, which contributes to the fact that the laser beam deflected out of the beam path of the zero beam can be returned to the beam path of the zero beam. In this case, the spatial arrangement of the reflector determines the extension of the beam path, so that the resulting pulse duration can be adjusted in a simple manner by a corresponding spatial arrangement of the reflector.
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 5 wird der in dem Laserresonator geführte Laserstrahl durch das erste der beiden Strahlumschaltelemente aus dem Nullstrahl herausge- lenkt und in ein erstes Ende eines Lichtwellenleiters einge¬ koppelt. Nach dem Durchgang durch den Lichtwellenleiter verlässt der Lichtstrahl das andere Ende des Lichtwellenlei¬ ters und wird bei einer symmetrischen Schaltstellung der beiden Strahlumschaltelemente über das zweite der beidenIn the embodiment according to claim 5, the laser beam guided in the laser resonator is emitted from the null beam by the first of the two beam switching elements. deflects and coupled ¬ in a first end of an optical waveguide ¬ . After passing through the optical waveguide, the light beam leaves the other end of the Lichtwellenlei ¬ ters and is at a symmetrical switching position of the two beam switching over the second of the two
Strahlumschaltelemente wieder in den Strahlengang des Null¬ strahls überführt. Die Länge des Lichtwellenleiters bestimmt hierbei die Verlängerung des Strahlengangs des Laserresona¬ tors, so dass der "Bypass-Strahlengang" durch einen ver- gleichsweise geringen Justieraufwand realisiert werden kann.Beam switching elements again transferred into the beam path of the zero ¬ beam. Can be the length of the optical waveguide in this case determines the extension of the beam path of the laser resonator ¬ gate, so that the "bypass optical path" through a comparatively low on adjustment realized.
Gemäß Anspruch 6 weist die Strahlumschalteinrichtung einen drehbar gelagerten Spiegel bzw. eine Chopper-Einrichtung auf. Der Strahlengang innerhalb des Laserresonators kann damit über eine mechanische Bewegung von herkömmlichen optischen Komponenten realisiert werden. Für ein derartiges mechani¬ sches Umschalten zwischen verschiedenen Strahlengängen inner¬ halb des Laserresonators ist zumindest bei großen Wiederhol¬ raten in der Regel eine größere Zeitspanne erforderlich als der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Laserpulsen. Somit kann die resultierende Pulslänge der einzelnen Laserpulse nicht individuell, sondern nur für eine Abfolge von einer Mehrzahl von Laserpulsen variiert werden. Die Verwendung derartiger mechanischer Strahlumschalteinrich- tungen ist jedoch einfach zu realisieren und für eine Viel¬ zahl von Anwendungen völlig ausreichend, da in der Regel ein Material mit einer Vielzahl von aufeinander folgenden Laser¬ pulsen mit unveränderter Pulsdauer bearbeitet wird.According to claim 6, the beam switching device has a rotatably mounted mirror or a chopper device. The beam path within the laser resonator can thus be realized via a mechanical movement of conventional optical components. For such a mechani¬ ULTRASONIC switching between different beam paths inner¬ half of the laser resonator a greater period of time is at least rates of large repeat ¬ required as the time interval between two consecutive laser pulses in the rule. Thus, the resulting pulse length of the individual laser pulses can not be varied individually, but only for a sequence of a plurality of laser pulses. However, the use of such mechanical beam switching devices is easy to implement and completely sufficient for a large number of applications, since as a rule a material having a multiplicity of successive laser pulses is processed with an unchanged pulse duration.
Als Chopper eignet sich beispielsweise eine drehbar gelagerte Glasscheibe, welche abwechselnd transparente und verspiegelte Bereiche aufweist, welche in den Strahlengang eingebracht werden und somit abwechselnd eine Transmission und eine Reflexion bewirken. Bei der Verwendung eines drehbar gelager- ten Spiegels eignet sich insbesondere eine Drehmechanik, bei der der Spiegel zwischen verschiedenen, genau definierten Winkelstellungen umschaltbar ist. Die Ausführungsform nach Anspruch 7 weist als Strahlumschalt¬ einrichtung einen elektro-optischen Modulator oder einen akusto-optischen Modulator auf. Bei der Strahlumschaltung mittels eines elektro-optischen Modulators bewirkt der Modu¬ lator eine Drehung der Polarisation des Lichtstrahls. Die räumliche Trennung der unterschiedlich polarisierten Laser¬ strahlen erfolgt dann mit einem polarisationsempfindlichen Reflektor, beispielsweise einem sog. Brewsterfenster. Ein akusto-optischer Modulator ist beispielsweise ein CdTe-As a chopper, for example, is a rotatably mounted glass, which alternately transparent and mirrored areas, which are introduced into the beam path and thus alternately cause transmission and reflection. When using a rotatably mounted mirror is particularly suitable a rotary mechanism in which the mirror between different, precisely defined angular positions can be switched. The embodiment according to claim 7 has as Strahlumschalt¬ device on an electro-optical modulator or an acousto-optical modulator. In the beam switching means of an electro-optic modulator of modu lator ¬ causes rotation of the polarization of the light beam. The spatial separation of the differently polarized laser beams then takes place with a polarization-sensitive reflector, for example a so-called Brewster window. An acousto-optic modulator is, for example, a CdTe
Kristall, welcher mit einer Frequenz im Megahertzbereich zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die dabei innerhalb des Kristalls ausgebildete stehende Welle stellt für einen einfallenden Laserstrahl ein Beugungsgitter dar.Crystal, which is excited with a frequency in the megahertz range to mechanical vibrations. The stationary wave formed within the crystal represents a diffraction grating for an incident laser beam.
Eine Strahlumschaltung mit elektro- bzw. mit akusto-optischen Modulatoren hat den Vorteil, dass der Umschaltvorgang sehr schnell erfolgen kann, so dass sogar ein Umschalten des Laserresonators zwischen verschiedenen Strahlengängen auch bei einer Laserpuls-Wiederholrate im Bereich von einigen kHz im Prinzip zwischen zwei aufeinander folgenden Laserpulsen möglich ist. Durch eine derartige gezielte Variation der Pulsdauer einzelner Laserpulse ergeben sich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für eine optimale Materialbearbeitung. Beispielsweise kann die Materialbearbeitung durch eine Mehr¬ zahl von aufeinander folgenden Laserpulsen auf ein und die¬ selbe Stelle erfolgen, wobei die Pulsdauer eines Laserpulses sich von der Pulsdauer des zuvor auf die gleiche Stelle gerichteten Laserpulses unterscheidet.A beam switching with electroacoustic or with acousto-optical modulators has the advantage that the switching can be done very quickly, so even switching the laser resonator between different beam paths even at a laser pulse repetition rate in the range of several kHz in principle between two successive following laser pulses is possible. Such targeted variation of the pulse duration of individual laser pulses results in a large number of new possibilities for optimal material processing. By way of example, the material processing can take place by means of a plurality of successive laser pulses at one and the same point, wherein the pulse duration of a laser pulse differs from the pulse duration of the laser pulse previously directed to the same location.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass eine Umlenkung des in dem Laserresonator geführten Laserstrahls selektiv in einen von einer Vielzahl von unterschiedlich langen Strahlen¬ gängen auch mittels einer Hintereinanderschaltung von mehre- ren Strahlumlenkeinrichtungen erfolgen kann. Dabei können mehrere gleiche Strahlumlenkeinrichtungen oder auch unter- schiedliche Arten von Strahlumlenkeinrichtungen miteinander kombiniert werden.It should be noted at this point that a deflection of the laser beam guided in the laser resonator can be carried out selectively into one of a multiplicity of radiation paths of different lengths, also by means of a series connection of a plurality of beam deflecting devices. In this case, several identical beam deflecting devices or even different types of Strahlumlenkeinrichtungen be combined.
Die Ausführungsform nach Anspruch 8, bei der das aktive Lasermedium ein Festkörpermaterial ist, wird bevorzugt mit¬ tels Nd:YAG-, Nd:YVO4- oder Nd:YLF-Lasern realisiert, welche in der Regel Laserstrahlen bei einer Grundwellenlänge von 1064 nm emittieren.The embodiment of claim 8, wherein the active laser medium is a solid material, preferably with ¬ means of Nd: YAG, Nd: YVO 4 -, or Nd: YLF lasers realized which typically emit laser beams at a fundamental wavelength of 1064 nm ,
Bei der Ausführungsform nach Anspruch 9 erfolgt das Pumpen des aktiven Lasermediums optisch unter Verwendung von Halb¬ leiterdioden. Diese sind bevorzugt um das aktive Lasermedium herum angeordnet, so dass ein entsprechender diodengepumpter Laser, insbesondere ein diodengepumpter Festkörperlaser in einer kompakten Bauform realisiert werden kann.In the embodiment according to claim 9, the pumping of the active laser medium takes place optically using semiconductor diodes. These are preferably arranged around the active laser medium, so that a corresponding diode-pumped laser, in particular a diode-pumped solid-state laser, can be realized in a compact design.
Gemäß Anspruch 10 weist die Laserlichtquelle zusätzlich ein optisch nichtlineares Medium zur Frequenzvervielfachung auf. Derartige optisch nichtlineare Medien, welche in der Laser- technik allgemein bekannt sind, können sowohl innerhalb als auch außerhalb des Resonators positioniert werden. Bei einem der oben genannten Lasertypen mit einer Grundwellenlänge von 1064 nm erreicht man frequenzvervielfachte Strahlung mit Wellenlängen von 532 nm, 355 nm und 266 nm. Eine derartige Frequenzvervielfachung, bei der die Grundwellenlänge hal¬ biert, gedrittelt oder geviertelt wird, ist lediglich als beispielhaft anzusehen. Eine Frequenzvervielfachung um einen Faktor 5, 6 oder mehr ist insbesondere mit modernen Lasersys¬ temen ebenso denkbar. Die Frequenzvervielfachung hat den Vorteil, dass man auf einfache Weise Laserstrahlung im sicht¬ baren oder auch im ultravioletten Spektralbereich erzeugen kann, welche sich besonders gut zum Abtrag von metallischen Schichten, beispielsweise Kupfer eignet.According to claim 10, the laser light source in addition to an optically non-linear medium for frequency multiplication. Such optically non-linear media, which are generally known in laser technology, can be positioned both inside and outside the resonator. In any of the above types of laser with a fundamental wavelength of 1064 nm is frequency-multiplied radiation having wavelengths of 532 achieved nm, 355 nm and 266 nm. Such a frequency multiplier, in which the fundamental wavelength hal ¬ beer, is divided into thirds or quarters is to be considered as exemplary only , A frequency multiplication by a factor of 5, 6 or more is particularly modern Lasersys ¬ temen also conceivable. The frequency multiplier has the advantage that in a simple manner cash laser radiation in the visible or ¬ may also generate the ultraviolet spectral range, which are particularly well suited for the removal of metallic layers, such as copper.
Die der Erfindung zugrunde liegende verfahrensbezogene Aufga¬ be wird gelöst durch ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepulster Laserstrahlung mit den Merkma- len des unabhängigen Anspruchs 11. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels einer Laserlichtquelle ein Laserstrahl erzeugt, welcher Laserpulse mit jeweils einer bestimmten Pulsdauer aufweist. Der erzeugte Laserstrahl wird mittels einer Ablenkeinheit zweidimensional abgelenkt und über eine Abbildungsoptik auf vorgegebene Zielpositionen auf dem Werk¬ stück gerichtet. Die Pulsdauern werden abhängig von dem Material des Werkstücks derart gewählt, dass ein optimaler Materialabtrag gewährleistet ist. Unter einem optimalen Materialabtrag ist in diesem Zusammenhang sowohl ein schnel¬ ler als auch ein möglichst präziser Materialabtrag zu verste¬ hen. Bei einem präzisen Materialabtrag ergibt sich eine scharfe, genau definierte räumliche Grenze zwischen einem Bereich mit abgetragenem Material und einem Bereich mit nicht abgetragenem Material. Die optimale Pulsdauer kann im Vorfeld der realen Laserbearbeitung abhängig von dem jeweils zu bearbeitenden Material durch einige Versuche bestimmt werden.The object underlying the invention procedural Aufga ¬ be is achieved by a method for processing workpieces by means of pulsed laser radiation having the features len of the independent claim 11. In the method according to the invention, a laser beam is generated by means of a laser light source, which laser pulses each having a specific pulse duration. The generated laser beam is deflected two-dimensionally by means of a deflection unit and directed to predetermined target positions on the workpiece by means of imaging optics. The pulse durations are selected depending on the material of the workpiece such that an optimal material removal is ensured. At an optimum material removal both a schnel¬ ler as well as a precise as possible material removal is hen To Hide ¬ in this context. Precise material removal results in a sharp, well-defined spatial boundary between a region of abraded material and an area of uncut material. The optimal pulse duration can be determined in advance of the real laser processing depending on the respective material to be processed by a few experiments.
Gemäß Anspruch 12 wird zur Erzeugung des gepulsten Laser- Strahls eine Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet. Die Strahlumschalteinrichtung und damit der Strahlengang des Laserstrahls innerhalb des Laserresonators werden derart eingestellt, dass das Werkstück mit Laserpulsen mit der entsprechenden Pulsdauer beaufschlagt wird. Durch eine vergleichsweise einfach zu realisierende Änderung der Länge des Laserresonators können somit die Pulsdauern auf das jeweils zu bearbeitende Material optimiert werden. Da im Elektronikbereich aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen sehr hohe Anforderungen hin- sichtlich der Präzision der Materialbearbeitung erfüllt werden müssen, kann eignet sich die Erfindung insbesondere zum Bohren oder Strukturieren von elektronischen Schaltungs¬ trägern.According to claim 12, a laser light source according to any one of claims 1 to 10 is used to generate the pulsed laser beam. The beam switching device and thus the beam path of the laser beam within the laser resonator are adjusted such that the workpiece is subjected to laser pulses with the corresponding pulse duration. By a comparatively easy to implement change in the length of the laser resonator thus the pulse durations can be optimized for each material to be processed. Since very high requirements with regard to the precision of material processing must be met in the electronics sector due to the increasing miniaturization of electronic assemblies, the invention can be used in particular for drilling or structuring electronic circuit carriers.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen Figur 1 eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserlicht¬ quelle, welche unterschiedlich lange Strahlengänge innerhalb des Laserresonators aufweist,Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following exemplary description of presently preferred embodiments. In the drawing in schematic drawings Figure 1 show a laser processing machine having a laser light source ¬ which different lengths of optical paths having within the laser resonator,
Figur 2a, 2b und 2c eine Laserlichtquelle, bei der unter¬ schiedlich lange Strahlengänge innerhalb des Laserre¬ sonators durch einen Klappspiegel und entsprechend positionierten Endspiegeln realisiert sind, Figur 3 eine Laserlichtquelle mit einem Strahlumschaltele¬ ment, welches einen Laserstrahl wahlweise auf unter¬ schiedliche Endspiegel lenkt,Figure 2a, 2b and 2c a laser light source, are realized in the under ¬ different length optical paths within the Laserre ¬ sonators by a folding mirror and correspondingly positioned end mirrors, Figure 3 ment a laser light source with a Strahlumschaltele ¬ which a laser beam selectively to below ¬ schiedliche end mirror steers,
Figur 4 eine Laserlichtquelle mit zwei Strahlumschaltelemen¬ ten, welche einen Laserstrahl in den Bereich zwischen den beiden Strahlumschaltelementen auf unterschiedli¬ che Strahlengänge lenken können, denen jeweils ein Lichtwellenleiter zugeordnet ist,FIG. 4 shows a laser light source with two beam switching elements which can direct a laser beam into the region between the two beam switching elements on different beam paths, to each of which an optical waveguide is assigned,
Figur 5 eine Laserlichtquelle mit zwei Strahlumschaltelemen¬ ten, welche einen Laserstrahl in den Bereich zwischen den beiden Strahlumschaltelementen auf unterschiedli¬ che Strahlengänge lenken können, denen jeweils ein Reflektor zugeordnet ist, und Figur 6 den Aufbau eines Strahlumschaltelements aus einem elektro-optischen Modulator und einem Brewster- fenster.Figure 5 shows a laser light source with two Strahlumschaltelemen ¬ th, which can direct a laser beam in the area between the two beam switching on unterschiedli¬ che beam paths, each associated with a reflector, and Figure 6 shows the structure of a beam switching element of an electro-optical modulator and a Brewster window.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeich¬ nung die Bezugszeichen einander entsprechender Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden. Aus diesem Grund werden einige bereits erläuterte Komponenten nicht erneut anhand von anderen Figuren beschrieben.It should be noted at this point that in the drawing, the reference symbols of corresponding components differ only in their first digit. For this reason, some components already explained are not described again with reference to other figures.
Die in Figur 1 dargestellte Laserbearbeitungsmaschine 100 umfasst eine Laserlichtquelle 110, welche zum Emittieren eines gepulsten Ausgangslaserstrahl 121 eingerichtet ist.The laser processing machine 100 shown in FIG. 1 comprises a laser light source 110, which is set up to emit a pulsed output laser beam 121.
Dieser trifft auf eine Ablenkungseinheit 130, die in herkömm¬ licher Weise mit drehbar gelagerten Spiegeln, sog. Galvospie- geln aufgebaut ist. Die Ablenkungseinheit 130 ermöglicht eine zweidimensionale Ablenkung des Laserstrahls, welcher über eine Abbildungsoptik 140, beispielsweise eine F-Theta-Optik auf das zu bearbeitende Substrat 150 gerichtet wird.This applies to a deflection unit 130, which in Licher herkömm ¬ manner with rotatably mounted mirrors, so called. Galvospie- is constructed. The deflection unit 130 permits a two-dimensional deflection of the laser beam, which is directed onto the substrate 150 to be processed via an imaging optical system 140, for example an F-theta optical system.
Das Substrat 150 besteht im gezeigten Beispiel aus einer dielektrischen Schicht 151, die oberseitig und unterseitig jeweils von einer metallischen Schicht 152 bedeckt ist. Die metallischen Schichten 152 sind in nicht gezeigter Weise zur Bildung von Leiterbahnen strukturiert. Zur Erzeugung derIn the example shown, the substrate 150 consists of a dielectric layer 151, which is covered by a metallic layer 152 on the upper side and underside, respectively. The metallic layers 152 are structured in a manner not shown to form interconnects. To produce the
Mikrolöcher 153 wird ein Bearbeitungslaserstrahl 141, welcher aus dem Ausgangslaserstrahl 121 durch eine Ablenkung durch die Ablenkungseinheit 130 und eine Fokussierung durch die Abbildungsoptik 140 hervorgegangen ist, jeweils mittels einer Sprungbewegung 155 auf eine Bohrposition 144 zentriert und dann mit einer über die Abbildungsoptik 140 eingestellten Fleckgröße F im Bereich der Bohrposition 154 in einer Kreis¬ bewegung verfahren, so dass jeweils ein Mikroloch erzeugt wird. Je nach den gegebenen Bedingungen (Substratmaterial, Lochtiefe, Laserleistung etc.) wird dabei der Bearbeitungsla¬ serstrahl 141 in einem Umlauf oder in mehreren aufeinander folgenden Umläufen bewegt. Bei einem derartigen Bohrverfah¬ ren, welches als Trepanieren bezeichnet wird, wird somit der Laserstrahl 141 lediglich am Lochrand entlang geführt und der innere Kern herausgeschnitten. Auf diese Weise werden Löcher gebohrt, die jeweils größer als die Fleckgröße F sind. Bei der Erzeugung von Mikrolöchern kann es auch notwendig sein, mehrere Umläufe des Laserstrahls 141 mit gleichen oder auch mit unterschiedlichen Radien durchzuführen.Microholes 153, a processing laser beam 141, which has emerged from the output laser beam 121 by a deflection by the deflection unit 130 and focusing by the imaging optics 140, each centered by a jump motion 155 to a drilling position 144 and then with a set on the imaging optics 140 spot size F in the region of the drilling position 154 in a circular movement, so that in each case a micro hole is generated. Depending on the given conditions (substrate material, hole depth, laser power, etc.) is thereby the Bearbeitungsla ¬ moved in a circulating or in several successive revolutions serstrahl 141st In such a Bohrverfah¬ Ren, which is referred to as trepaning, thus the laser beam 141 is guided only along the edge of the hole and the inner core cut out. In this way, holes are drilled which are larger than the spot size F, respectively. In the production of microholes, it may also be necessary to perform several revolutions of the laser beam 141 with the same or different radii.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die Laserlicht¬ quelle derart ausgebildet ist, dass in dem Ausgangslaser¬ strahl 121 Laserpulse mit unterschiedlichen Pulsdauern er¬ zeugt werden können. Dies wird beispielsweise durch den im folgenden beschriebenen Aufbau der Laserlichtquelle 110 realisiert: Die Laserlichtquelle 110 umfasst einen Laserreso¬ nator, welcher einen Auskoppelspiegel 112 und mehrere End- spiegel, einen ersten Endspiegel 114a, einen zweiten Endspie¬ gel 114b und einen dritten Endspiegel 114c aufweist. Inner¬ halb des Laserresonators ist ein aktives Lasermedium 111 angeordnet, welches insbesondere ein Festkörpermaterial wie beispielsweise Nd:YAG oder Nd:YVO4 ist. In dem Laserresonator ist ferner ein Strahlumschaltelement 113 angeordnet, welches einen Strahlengang 115 innerhalb des Laserresonators wahlwei¬ se in einen von drei Strahlengängen, in einen ersten Strah¬ lengang 115a, in einen zweiten Strahlengang 115b oder in einen dritten Strahlengang 115c überführt. Dabei ist jeweils einem der Strahlengänge 115a, 115b bzw. 115c ein Endspiegel 114a, 114b bzw. 114c zugeordnet. Die Endspiegel 114a, 114b bzw. 114c sind in unterschiedlichen Abständen von dem Strahl¬ umschaltelement 113 angeordnet, so dass je nach Ansteuerung des Strahlumschaltelements 113 einer der Strahlengänge 115a, 115b bzw. 115c aktiviert ist.According to the invention it is now provided that is the laser light source ¬ formed such that in the output laser beam 121 ¬ laser pulses can be generated er¬ with different pulse durations. This is realized, for example, by the structure described below, the laser light source 110. The laser light source 110 comprises a Laserreso ¬ nator which an output mirror 112 and a plurality of end mirror, having a first end mirror 114a, a second 114b Endspie ¬ gel and a third end mirror 114c. Inner ¬ half of the laser resonator, an active laser medium 111 is arranged, which is in particular a solid state material such as Nd: YAG or Nd: YVO 4 . In the laser resonator a Strahlumschaltelement 113 is further arranged which se a beam path 115 within the laser resonator alterna ¬ in a beam path of the three beam paths, in a first Strah¬ 115a, transferred to a second optical path 115b or in a third optical path 115c. In each case, one of the beam paths 115a, 115b or 115c is assigned an end mirror 114a, 114b or 114c. The end mirrors 114a, 114b and 114c are arranged at different distances from the beam switching element 113, so that one of the beam paths 115a, 115b or 115c is activated depending on the control of the beam switching element 113.
Das Strahlumschaltelement 113 kann ein mechanische Spiegel¬ system oder auch ein elektrisch sehr schnell ansteuerbarer Modulator, beispielsweise ein akusto-optischer Modulator oder insbesondere ein elektro-optischer Modulator sein. Ein mögli¬ cher Aufbau eines Strahlumschaltelements wird an späterer Stelle anhand von Figur 6 beschrieben.The Strahlumschaltelement 113 may be a mechanical mirror ¬ system or an electrically controllable modulator very quickly, for example an acousto-optical modulator or, in particular an electro-optical modulator to be. A possible structure of a jet switching element will be described later with reference to FIG.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass insbesondere bei Verwendung eines akusto-optischen Modulators als Strahl¬ umschaltelement zusätzlich ein Reflektor dem Modulator nach¬ geschaltet sein kann. Bei einer entsprechenden Winkelstellung des Reflektors relativ zu dem Strahlengang des ausgelenkten Strahls kann somit der resultierende Auslenkwinkel gegenüber den üblicherweise sehr kleinen Auslenkwinkeln, die mit ledig¬ lich einem Modulator erzielbar sind, deutlich vergrößert werden. Damit sind auch bei Verwendung eines akusto-optischen Modulators Auslenkwinkel im Bereich von 90° realisierbar.It should be noted at this point that, in particular when using an acousto-optic modulator as beam switching element, a reflector can additionally be connected downstream of the modulator. With a corresponding angular position of the reflector relative to the beam path of the deflected beam, the resulting deflection angle can thus be significantly increased in comparison to the usually very small deflection angles, which can be achieved with a modulator. Thus deflection angles in the range of 90 ° can be realized even when using an acousto-optical modulator.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, weisen die Strahlengänge 115a, 115b und 115c eine unterschiedliche Länge auf. Somit ist die effektive Resonatorlänge abhängig von der Stellung des Strahlumschaltelements 113 zwischen drei unterschiedlichen Längen einstellbar, so dass im Ergebnis die Pulsdauern des Ausgangslaserstrahls 121 von der Stellung des Strahlumschalt- elements 113 abhängen.As can be seen from FIG. 1, the beam paths 115a, 115b and 115c have a different length. Thus, the The effective resonator length can be set as a function of the position of the beam switching element 113 between three different lengths, so that, as a result, the pulse durations of the output laser beam 121 depend on the position of the beam switching element 113.
Die Abhängigkeit der Pulsdauer von der Resonatorlänge ist damit zu erklären, dass ein Laserpuls so lange anhält, bis die Inversion in dem aktiven Lasermedium 111 abgebaut ist. Dies bedeutet, dass sich die Mehrzahl der angeregten Atome oder Moleküle in dem aktiven Lasermedium 111 wieder in ihrem Grundzustand befindet. Da zum Abbauen der Inversion eine bestimmte Anzahl an Durchläufen eines Lichtpulses durch das aktive Medium 111 erforderlich ist, bedarf es keiner weiteren Erläuterung, dass die Gesamtzeit, die ein Lichtpuls für diese Anzahl an Durchläufen benötigt, von der Resonatorlänge ab¬ hängt.The dependence of the pulse duration on the resonator length can be explained by the fact that a laser pulse lasts until the inversion in the active laser medium 111 is degraded. This means that the majority of the excited atoms or molecules in the active laser medium 111 are again in their ground state. Since a certain number of passes of a light pulse through the active medium 111 is required for reducing the inversion, there is no need to further explain that the total time required for a light pulse for this number of passes depends on the resonator length .
Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen ein weiteres Ausführungsbei- spiel der Erfindung, bei der das Strahlumschaltelement mit¬ tels eines drehbar gelagerten Spiegels 213 realisiert ist. Die Laserlichtquelle, welche über einen Auskoppelspiegel 212 einen gepulsten Ausgangslaserstrahl 221 emittiert, weist als aktives Lasermedium 211 ein Festkörpermaterial, insbesondere Nd:YAG oder Nd:YVO4 auf. In der in Figur 2a dargestellten ersten Stellung des drehbar gelagerten Spiegel 213 wird der Laserresonator lediglich durch den Auskoppelspiegel 212 und den als ersten Endspiegel 214a dienenden Spiegels 213 gebil¬ det. Innerhalb des Laserresonators verläuft der Laserstrahl somit lediglich auf einem Strahlengang 215, welcher von dem als ersten Endspiegel 214a dienenden drehbar gelagerten Spiegel 213 und dem Auskoppelspiegel 212 begrenzt wird.FIGS. 2 a, 2 b and 2 c show a further exemplary embodiment of the invention, in which the jet switching element is realized by means of a rotatably mounted mirror 213. The laser light source, which emits a pulsed output laser beam 221 via a coupling-out mirror 212, has as active laser medium 211 a solid-state material, in particular Nd: YAG or Nd: YVO 4 . In the first position of the rotatably mounted mirror 213 shown in Figure 2a, the laser resonator is gebil ¬ det only by the Auskoppelspiegel 212 and serving as the first end mirror 214a mirror 213. Within the laser resonator, the laser beam thus extends only on a beam path 215 which is delimited by the rotatable mirror 213 serving as the first end mirror 214a and the outcoupling mirror 212.
Bei einer Verkippung des drehbar gelagerten Spiegels 213 um 45° im Uhrzeigersinn um eine zu der Zeichenebene senkrechten Drehachse wird ein Laserstrahl in dem Strahlengang 215 durch eine Reflexion an dem Spiegel 213 auf einen stationären zweiten Endspiegel 214 gelenkt, so dass der Laserstrahl innerhalb des Laserresonators entlang der Strahlengänge 215 und 215b verläuft. Die Resonatorlänge ist damit gegenüber der in Figur 2a dargestellten Resonatorlänge um die Länge des Strahlengangs 215b verlängert.In a tilting of the rotatably mounted mirror 213 by 45 ° clockwise about a plane perpendicular to the plane of rotation axis, a laser beam in the beam path 215 by a reflection on the mirror 213 to a stationary second end mirror 214, so that the laser beam within the laser resonator along the beam paths 215 and 215 b extends. The resonator length is thus lengthened by the length of the beam path 215b compared with the resonator length shown in FIG. 2a.
Bei einer ausgehend von der in Figur 2a dargestellten Spie¬ gelstellung des drehbar gelagerten Spiegels 213 um einen Drehwinkel von 45° entgegen des Uhrzeigersinns ergibt sich innerhalb des Laserresonators der in Figur 2c dargestellte Strahlengang. Der Laserresonator wird durch den Auskoppel¬ spiegel 212 und den dritten Endspiegel 214c gebildet, welcher von dem Spiegel 213 weiter beabstandet ist als der zweite Endspiegel 214b. Die resultierende Resonatorlänge setzt sich demzufolge aus der Länge des Strahlengangs 215 und der Länge des dritten Strahlengangs 215c zusammen.In the case of a mirror position of the rotatably mounted mirror 213, as shown in FIG. 2a, by a rotation angle of 45 ° in the counterclockwise direction, the beam path illustrated in FIG. 2c results within the laser resonator. The laser resonator is formed by the Auskoppel¬ mirror 212 and the third end mirror 214c, which is spaced from the mirror 213 farther than the second end mirror 214b. The resulting resonator length is therefore composed of the length of the beam path 215 and the length of the third beam path 215c.
Durch eine Variation der Winkelstellung des drehbar gelager¬ ten Spiegels 213 und einer entsprechenden Anordnung des zweiten Endspiegels 214b und des dritten Endspiegels 214c relativ zu dem Spiegel 213 kann somit die Resonatorlänge der Laserlichtquelle 210 auf einfache Weise variiert und somit die resultierende Pulslänge der Laserpulse des Ausgangslaser¬ strahls 221 optimal auf das jeweils zu bearbeitende Material angepasst werden.By varying the angular position of the rotatably mounted mirror 213 and a corresponding arrangement of the second end mirror 214b and the third end mirror 214c relative to the mirror 213, the resonator length of the laser light source 210 can thus be varied in a simple manner and thus the resulting pulse length of the laser pulses of the output laser ¬ beam 221 can be optimally adapted to the respective material to be machined.
Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Figuren 2a, 2b und 2c dargestelltenThe embodiment shown in Figure 3 differs from that shown in Figures 2a, 2b and 2c
Ausführungsform dadurch, dass anstelle des drehbar gelagerten Spiegels 213 ein elektrisch ansteuerbares Strahlumschaltele¬ ment 313 vorgesehen ist. Dieses überführt den zwischen dem Strahlumschaltelement 313 und dem Auskoppelspiegel 212 ver¬ laufenden Strahlengang 315 wahlweise in einen von vier Strah¬ lengängen, welche mit den Bezugszeichen 315a, 315b, 315c bzw. 315d versehen sind. Den Strahlengängen 315a, 315b, 315c bzw. 315d ist jeweils ein Endspiegel 314a, 314b, 314c bzw. 314d zugeordnet, wobei die vier Endspiegel in unterschiedlichen Abständen von dem Strahlumschaltelement 313 angeordnet sind.Embodiment in that instead of the rotatably mounted mirror 213, an electrically controllable Strahlumschaltele ¬ ment 313 is provided. This transferred the optional lengängen of four Strah¬ between the Strahlumschaltelement 313 and the output mirror 212 ver ¬ current beam path 315 in a, which are provided with the reference numerals 315a, 315b, 315c or 315d. The beam paths 315a, 315b, 315c and 315d are each an end mirror 314a, 314b, 314c and 314d associated with the four end mirrors are arranged at different distances from the beam switching element 313.
Die in Figur 4 dargestellte Laserlichtquelle 410 unterschie- det sich von der Laserlichtquelle 310 dadurch, dass lediglich ein Endspiegel 414 vorgesehen ist, welcher gemeinsam mit dem Auskoppelspiegel 412 den Laserresonator der Laserlichtquelle 410 bildet. Innerhalb des Laserresonators sind neben dem aktiven Lasermedium 411 zwei Strahlumschaltelemente, ein erstes Strahlumschaltelement 413a und ein zweites Strahlum¬ schaltelement 413b angeordnet. Bei einer entsprechenden Ansteuerung der beiden Strahlumschaltelemente 413a, 413b verläuft ein innerhalb des Laserresonators geführter Laser¬ strahl zwischen den beiden Modulatoren wahlweise auf einem von vier Strahlengängen, welche mit den Bezugszeichen 415a, 415b, 415c bzw. 415d versehen sind. Die Strahlengänge 415b, 415c bzw. 415d verlaufen über jeweils einen Lichtwellenleiter 416b, 416c bzw. 416d, welche zueinander eine unterschiedliche Länge aufweisen. Somit wird abhängig von der Stellung der beiden Strahlumschaltelemente 413a und 413b, welche stets symmetrisch zueinander geschaltet werden, die resultierende Resonatorlänge der Laserlichtquelle 410 derart verändert, dass die Laserpulse des Ausgangslaserstrahls 421 hinsichtlich ihrer Pulsdauer optimal auf das jeweils zu bearbeitende Material angepasst werden können.The laser light source 410 shown in FIG. 4 differs from the laser light source 310 in that only one end mirror 414 is provided which, together with the outcoupling mirror 412, forms the laser resonator of the laser light source 410. Within the laser cavity in addition to the active laser medium 411 Strahlumschaltelemente two, a first 413a and a second Strahlumschaltelement Strahlum ¬ are arranged switching element 413b. With an appropriate control of the two Strahlumschaltelemente 413a, 413b, a guided within the laser resonator laser ¬ beam runs between the two modulators selectively in one of four beam paths, which are provided with the reference numerals 415a, 415b, 415c or 415d. The beam paths 415b, 415c and 415d respectively extend over an optical waveguide 416b, 416c and 416d, which have a different length to one another. Thus, depending on the position of the two beam switching elements 413a and 413b, which are always switched symmetrically to each other, the resulting resonator length of the laser light source 410 changed such that the laser pulses of the output laser beam 421 can be optimally adjusted in terms of their pulse duration to the respective material to be processed.
Die in Figur 5 dargestellte Laserlichtquelle 510 unterschei¬ det sich von der Laserlichtquelle 410 dadurch, dass anstelle der drei Lichtwellenleiter 416b, 416c bzw. 416d jeweils ein stationärer Reflektor 517b, 517c bzw. 517d vorgesehen ist. Bei einer symmetrischen Ansteuerung der beiden Strahlum¬ schaltelemente 513a und 513b kann der Laserstrahl innerhalb des Laserresonators somit selektiv auf den Strahlengang 515a oder auf einen der ausgelenkten Strahlengänge 515b, 515c oder 515d geführt werden. Figur 6 zeigt den Aufbau eines Strahlumschaltelements 613, welches einen elektro-optischen Modulator 660 und ein Brewsterfenster 663 aufweist. Der einfallende Laserstrahl 615 ist linear polarisiert. Durch eine entsprechende Ansteuerung des elektro-optischen Modulators 660 mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit kann die Polarisationsrichtung eines aus dem Modulator 660 austretenden Laserstrahls 662 entlang der Drehrichtung 661 variiert werden, so dass der Laserstrahl 662 in einer ersten Stellung des elektro- optischen Modulators 660 parallel zu der Zeichenebene und in einer zweiten Stellung senkrecht zu der Zeichenebene polari¬ siert ist.The laser light source shown in FIG 5510 under failed ¬ det from the laser light source 410 in that is provided in place of the three optical waveguide 416b, 416c and 416d, respectively, a stationary reflector 517b, 517c or 517d. In the case of a symmetrical activation of the two beam switching elements 513a and 513b, the laser beam within the laser resonator can thus be guided selectively onto the beam path 515a or onto one of the deflected beam paths 515b, 515c or 515d. FIG. 6 shows the construction of a beam switching element 613, which has an electro-optical modulator 660 and a Brewster window 663. The incident laser beam 615 is linearly polarized. By a corresponding control of the electro-optical modulator 660 by means of a control unit, not shown, the polarization direction of an emerging from the modulator 660 laser beam 662 along the direction of rotation 661 can be varied so that the laser beam 662 in a first position of the electro-optical modulator 660 parallel to the plane of the drawing and in a second position is polarized perpendicular to the plane of the drawing.
Das Brewsterfenster 663 ist in einer dem Fachmann geläufigen Brewstergeometrie in dem Strahlengang des Laserstrahls 662 angeordnet, so dass in der ersten Stellung des elektro- optischen Modulators 660 der Laserstrahls 662 mit einem durch die Dicke und den Brechungsindex des Brewsterfenster 663 bestimmten Parallelversatz in den Strahlengang 615b überführt wird. In der zweiten Stellung des elektro-optischen Modula¬ tors 660 wird der senkrecht zur Zeichenebene polarisierte Laserstrahl 662 in den Strahlengang 615a überführt. Durch eine entsprechende Ansteuerung des elektro-optischen Modula¬ tors 660 kann der Eingangslaserstrahl 615 somit selektiv in einen der beiden Strahlengänge 615a bzw. 615b überführt werden.The Brewster window 663 is arranged in the beam path of the laser beam 662 in a Brewster geometry familiar to the person skilled in the art, so that in the first position of the electro-optical modulator 660 the laser beam 662 has a parallel offset into the beam path 615b determined by the thickness and the refractive index of the Brewster window 663 is transferred. In the second position of the electro-optical modulator 660, the laser beam 662, which is polarized perpendicular to the plane of the drawing, is transferred into the beam path 615a. By a corresponding control of the electro-optical modulator 660, the input laser beam 615 can thus be selectively converted into one of the two beam paths 615a and 615b.
Zur selektiven Strahlumschaltung in mehr als zwei Ausgangs¬ strahlengänge können selbstverständlich mehrere Strahlum- schaltelements 613 kaskadenförmig hintereinander geschaltet werden.For selective beam switching in more than two output beam paths, it goes without saying that a plurality of beam switching elements 613 can be connected in series in a cascade.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass bei der Ver¬ wendung von akusto-optischen Modulatoren in einem Strahlum- schaltelement die Ablenkwinkel in der Regel sehr klein sind, so dass ohne den zusätzlichen Einsatz von entsprechend ange¬ ordneten Umlenkreflektoren die Änderungen der Resonatorlänge gering sind. Größere Längenänderungen sind auf vorteilhafte Weise durch den Einsatz von mehreren parallel angeordneten Reflektoren realisierbar, zwischen denen der jeweils ausge¬ lenkte Laserstrahl mehrfach hin und her reflektiert werden kann. Auf diese Weise kann eine erhebliche Variation der resultierenden Resonatorlänge innerhalb eines kompakten optischen Aufbaus realisiert werden.At this point it should be noted that application in Ver¬ of acousto-optical modulators in a Strahlum- switching element, the deflection angles usually are very small, so that without the additional use of appropriately arranged ¬ Umlenkreflektoren the changes of the resonator are low. Larger changes in length can be realized in an advantageous manner by the use of a plurality of reflectors arranged in parallel, between which the respective deflected laser beam can be reflected back and forth several times. In this way, a significant variation of the resulting resonator length can be realized within a compact optical design.
Zusammenfassend kann festgestellt werden: Die Erfindung schafft eine Laserlichtquelle 110 mit einemIn summary, it can be stated that the invention provides a laser light source 110 with a
Laserresonator, dessen Länge mittels einer Strahlumschaltein¬ richtung 113 veränderbar ist, so dass abhängig von der je¬ weils eingestellten Resonatorlänge die Pulsdauer der emit¬ tierten Laserstrahlung eingestellt werden kann. Die Strahlum- schalteinrichtung 113 kann mittels eines mechanischen Spie¬ gelsystems 213 realisiert werden. Die Strahlumschalteinrich¬ tung 113 kann auch mittels eines elektro-optischen oder akusto-optischen Modulators realisiert werden, so dass die Strahlumschaltung sehr schnell erfolgen kann. Dies ermöglicht auch bei einer hohen Pulswiederholrate ein Umschalten derLaser resonator, the length of which by means of a Strahlumschaltein¬ device 113 is changed, so that the pulse duration of the emit ¬ oriented laser radiation can be adjusted depending on the in each case preset resonator length. The beam switching device 113 can be realized by means of a mechanical mirror system 213. The beam switching device 113 can also be realized by means of an electro-optical or acousto-optical modulator, so that the beam switching can take place very quickly. This makes it possible to switch over even with a high pulse repetition rate
Resonatorlänge zwischen zwei aufeinander folgenden Laserpul¬ sen. Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Bearbei¬ tung von Werkstücken 150 mittels gepulster Laserstrahlung, wobei ein Laserstrahl mittels einer Ablenkeinheit 130 zweidi- mensional abgelenkt und über eine Abbildungsoptik 140 auf das Werkstück 150 gerichtet wird. Die Pulsdauer der Laserpulse wird insbesondere durch eine Wahl des Strahlengangs innerhalb des Laserresonators derart eingestellt, dass ein optimaler Materialabtrag gewährleistet ist. Resonator length between two successive Laserpul¬ sen. The invention further provides a method for machining workpieces 150 by means of pulsed laser radiation, wherein a laser beam is deflected two-dimensionally by means of a deflection unit 130 and is directed onto the workpiece 150 via imaging optics 140. The pulse duration of the laser pulses is adjusted in particular by a choice of the beam path within the laser resonator such that an optimal material removal is ensured.

Claims

Patentansprüche claims
1. Laserlichtquelle, insbesondere zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsmaschine zum Bohren und/oder Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern mittels gepulster Laser¬ strahlung, mit1. Laser light source, in particular for use in a laser processing machine for drilling and / or structuring of electronic circuit carriers by means of pulsed laser radiation, with
• einem Laserresonator, welcher einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel (112) und einen Endspiegel (114a, 114b, 114c) aufweist, • einem aktiven Lasermedium (111), welches innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, undA laser resonator, which has a partially transmitting output mirror (112) and an end mirror (114a, 114b, 114c), an active laser medium (111), which is arranged inside the laser resonator, and
• einer Strahlumschalteinrichtung (113), welche ebenfalls innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, wobei die Strahlumschalteinrichtung (113) und der Laserreso- nator derart eingerichtet sind, dass ein in dem Laser¬ resonator geführter Laserstrahl zwischen einem ersten Strah¬ lengang (115a) und einem zweiten Strahlengang (115b) um¬ schaltbar ist, wobei der zweite Strahlengang (115b) eine im Vergleich zum ersten Strahlengang (115a) unterschiedliche Länge aufweist.• A beam switching device (113), which is also arranged within the laser resonator, wherein the beam switching device (113) and the laser resonator are arranged such that a guided in the laser ¬ resonator laser beam between a first Strah¬ lengang (115 a) and a second beam path (115b) is um¬ switchable, wherein the second beam path (115b) has a different compared to the first beam path (115a) length.
2. Laserlichtquelle nach Anspruch 1, bei der der Laserresonator einen ersten Endspiegel (114a) und einen zweiten Endspiegel (114b) aufweist, welche relativ zu der Strahlumschalteinrichtung (113) derart angeordnet sind, dassThe laser light source according to claim 1, wherein the laser resonator has a first end mirror (114a) and a second end mirror (114b) disposed relative to the beam switching means (113) such that
• der erste Strahlengang (115, 115a) zwischen dem Auskoppel¬ spiegel (112) und dem ersten Endspiegel (114a) und• the first beam path (115, 115a) between the Auskoppel¬ mirror (112) and the first end mirror (114a) and
• der zweite Strahlengang (115, 115b) zwischen dem Auskoppel¬ spiegel (112) und dem zweiten Endspiegel (114b) verläuft.• the second beam path (115, 115b) extends between the Auskoppel¬ mirror (112) and the second end mirror (114b).
3. Laserlichtquelle nach Anspruch 1,3. Laser light source according to claim 1,
• bei der die Strahlumschalteinrichtung ein erstes Strahlum¬ schaltelement (413a) und ein zweites Strahlumschaltelement (413b) aufweist, welche beide innerhalb des Laserresonators angeordnet sind, undIn which the beam switching device has a first beam switching element (413a) and a second beam switching element (413b), both of which are arranged inside the laser resonator, and
• bei der zusätzlich eine Strahlführungseinrichtung (415b, 415c, 415d) vorgesehen ist, welche relativ zu den beiden Strahlumschaltelementen (413a, 413b) derart angeordnet ist, dass bei einer entsprechenden Stellung der beiden Strahlum¬ schaltelemente (413a, 413b) ein zwischen dem Auskoppelspie¬ gel (412) und dem Endspiegel (414) geführter Laserstrahl über die Strahlführungseinrichtung (415b, 415c, 415d) ge¬ führt wird.In which additionally a beam guiding device (415b, 415c, 415d) is provided, which is relative to the two Beam switching elements (413a, 413b) is arranged such that at a corresponding position of the two Strahlum¬ switching elements (413a, 413b) between the Auskoppelspie ¬ gel (412) and the end mirror (414) guided laser beam via the beam guiding device (415b, 415c, 415d).
4. Laserlichtquelle nach Anspruch 3, bei der die Strahlfüh¬ rungseinrichtung zumindest einen Reflektor (517b, 517c, 517d) aufweist.4. Laser light source according to claim 3, wherein the Strahlfüh¬ tion device at least one reflector (517b, 517c, 517d).
5. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei der die Strahlführungseinrichtung zumindest einen Lichtwellenlei¬ ter (416b, 416c, 416d) aufweist.5. Laser light source according to one of claims 3 to 4, wherein the beam guiding device has at least one Lichtwellenlei¬ ter (416b, 416c, 416d).
6. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Strahlumschalteinrichtung zumindest6. Laser light source according to one of claims 1 to 5, wherein the beam switching device at least
• einen drehbar gelagerten Spiegel (213) und/oder• a rotatably mounted mirror (213) and / or
• eine Chopper-Einrichtung aufweist.• has a chopper device.
7. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Strahlumschalteinrichtung7. Laser light source according to one of claims 1 to 6, wherein the beam switching device
• einen elektro-optischen Modulator (660) und/oder • einen akusto-optischen Modulator aufweist.An electro-optical modulator (660) and / or an acousto-optic modulator.
8. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das aktive Lasermedium ein Festkörper (111) ist.8. Laser light source according to one of claims 1 to 7, wherein the active laser medium is a solid state (111).
9. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zumindest eine Halbleiterdiode zum Pumpen des aktiven Laser¬ mediums (111) vorgesehen ist.9. Laser light source according to one of claims 1 to 8, wherein at least one semiconductor diode for pumping the active laser ¬ medium (111) is provided.
10. Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zusätzlich ein optisch nichtlineares Medium zur Frequenz¬ vervielfachung vorgesehen ist. 10. Laser light source according to one of claims 1 to 9, wherein in addition an optically non-linear medium for Frequenz¬ multiplication is provided.
11. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels gepuls¬ ter Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren und Strukturieren von elektronischen Schaltungsträgern, bei dem • mittels einer Laserlichtquelle ein Laserstrahl (121) er¬ zeugt wird, welcher Laserpulse mit jeweils einer bestimmten Pulsdauer aufweist, und11. Method for processing workpieces by means of pulsed laser radiation, in particular for drilling and structuring electronic circuit carriers, in which a laser beam (121) is generated by means of a laser light source, which has laser pulses each having a specific pulse duration, and
• der Laserstrahl (121) mittels einer Ablenkeinheit (130) zweidimensional abgelenkt und über eine Abbildungsoptik (140) auf vorgegebene Zielpositionen auf dem Werkstück• The laser beam (121) by means of a deflection unit (130) deflected two-dimensionally and via an imaging optics (140) to predetermined target positions on the workpiece
(150) gerichtet wird, wobei die Pulsdauern abhängig von dem Material des Werkstücks (150) derart gewählt werden, dass ein optimaler Materialabtrag gewährleistet ist.(150) is directed, wherein the pulse durations depending on the material of the workpiece (150) are selected such that an optimal material removal is ensured.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Laserstrahl (121) mittels einer Laserlichtquelle (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erzeugt wird, und die Strahlumschalteinrichtung (113) und damit der Strahlen¬ gang (115, 115a, 115b, 115c) des Laserstrahls innerhalb des Laserresonators derart eingestellt werden, dass das Werkstück (150) mit Laserpulsen mit der entsprechenden Pulsdauer beauf¬ schlagt wird. 12. The method of claim 11, wherein the laser beam (121) by means of a laser light source (110) according to one of claims 1 to 10 is generated, and the beam switching device (113) and thus the Strahlen¬ gear (115, 115a, 115b, 115c ) of the laser beam within the laser resonator are set such that the workpiece (150) is hit with laser pulses having the corresponding pulse duration.
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