DE3714504A1 - Method of working materials with laser beams - Google Patents

Method of working materials with laser beams

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Abstract

In a method of welding or cutting noble metals such as copper, provision is made for a further laser beam, apart from an infrared laser beam, with a wave length in the ultraviolet range to be directed towards the metal surface in order to increase its absorption disposition with regard to the infrared laser irradiation. Plastics or biological tissues can also be worked with two coordinated laser beams. To this end, a first beam with a wave length of 193 nm and a second laser beam with a larger wave length are directed towards the material to be worked.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bearbeiten von Materialien mit Laserstrahlen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.The invention relates to methods for processing materials with laser beams according to the preambles of patent claims 1 and 5.

Der Strahlung im Infrarot-Bereich (IR) emittierende CO2-Laser hat sich in vielen Anwendungsbereichen als vorteilhaftes In­ strument zum Schneiden und Schweißen von verschiedensten metal­ lischen und auch nichtmetallischen Werkstoffen bewährt.The radiation in the infrared region (IR) emitting CO 2 laser has proven itself in many application areas as an advantageous instrument for cutting and welding a wide variety of metallic and also non-metallic materials.

Einige Materialien haben sich aufgrund ihrer Absorptionseigen­ schaften und ihrer Wärmeleitung aber der Bearbeitung durch CO2- Laser entzogen. Dies gilt insbesondere für Edelmetalle wie Kupfer, Silber oder Gold, deren Oberfläche die IR-Strahlung des CO2-Lasers wesentlich stärker reflektiert als beispielsweise gut bearbeitbare Stähle. Die Absorption der IR-Laserstrahlung in den genannten Edelmetallen ist zu schwach, um brauchbare Schneid- und Schweißergebnisse zu ermöglichen.However, some materials have not been processed by CO 2 lasers due to their absorption properties and heat conduction. This applies in particular to precious metals such as copper, silver or gold, the surface of which reflects the IR radiation of the CO 2 laser much more than, for example, easily machinable steels. The absorption of the IR laser radiation in the precious metals mentioned is too weak to allow usable cutting and welding results.

Die Absorption der Strahlung im zu bearbeitenden Metall läßt sich in erster Näherung in zwei Stufen aufteilen:
In der ersten Stufe koppelt der Laserstrahl mit der Metallober­ fläche. Bei dieser Koppelung wird aus dem Strahlungsfeld Ener­ gie von den Leitungselektronen des Metalls und/oder den Gitter­ schwingungen aufgenommen, so daß eine lokale Erhitzung erfolgt. Diese Koppelung in der ersten Stufe hängt im wesentlichen von der Leistungsdichte der Laserstrahlung sowie den Oberflächen­ eigenschaften des Metalls ab.The absorption of the radiation in the metal to be processed can be divided into two stages:
In the first stage, the laser beam couples to the metal surface. In this coupling, energy is absorbed from the radiation field energy by the conduction electrons of the metal and / or the grid, so that local heating takes place. This coupling in the first stage depends essentially on the power density of the laser radiation and the surface properties of the metal.

In der zweiten Stufe wird die aus dem Strahlungsfeld in die Metalloberfläche übergegangene Energie durch Wärmeleitung in das Innere des Materials verteilt.In the second stage, the radiation field is transferred into the Metal surface transferred energy through heat conduction in spread the inside of the material.

Kupfer (und andere Edelmetalle) hat bezüglich beider Stufen Eigenschaften, die ein Schneiden und Schweißen mit CO2-Laser­ strahlung bisher weitgehend verhindert haben. Zum einen ist der Absorptionskoeffizient bei der CO2-Laserwellenlänge von 10,6 µm sehr gering, so daß der Wirkungsgrad der Energieübertragung in der ersten Stufe sehr schlecht ist, und zum anderen ist die Wärmeleitung in Kupfer bei Raumtemperatur sehr groß, so daß in der zweiten Stufe eine schnelle Abfuhr der Energie aus dem Koppelungsbereich an der Oberfläche stattfindet, wodurch eben­ falls der Schweiß- oder Schneidvorgang behindert wird.Copper (and other precious metals) has properties in both stages that have so far largely prevented cutting and welding with CO 2 laser radiation. On the one hand, the absorption coefficient at the CO 2 laser wavelength of 10.6 microns is very low, so that the efficiency of energy transfer in the first stage is very poor, and on the other hand, the heat conduction in copper at room temperature is very large, so that in the second stage, a quick dissipation of the energy from the coupling area on the surface takes place, which just if the welding or cutting process is hindered.

In der Zeitschrift "LASERS & APPLICATIONS", März 1986, S. 59-64, wird ein Verfahren zum Schneiden von Kupferscheiben mit CO2-Laserstrahlung beschrieben. Das bekannte Verfahren zeigte aber bisher nur bei deoxidiertem, stark phosphorhaltigem Kupfer brauchbare Ergebnisse. Derartiges Kupfer hat aber im Vergleich zu anderen Kupferarten eine sehr geringe thermische Leitfähig­ keit und auch der Absorptionskoeffizient ist wesentlich günsti­ ger als bei anderen Kupferarten. Überdies ist das bekannte Ver­ fahren hinsichtlich der Schweiß- und Schneidleistung begrenzt und verlangt die Einhaltung sehr spezifischer Prozeßparameter.In the magazine "LASERS &APPLICATIONS", March 1986, pp. 59-64, a method for cutting copper disks with CO 2 laser radiation is described. However, the known method has so far only shown usable results for deoxidized copper with a high phosphorus content. Such copper, however, has a very low thermal conductivity compared to other types of copper and the absorption coefficient is much cheaper than with other types of copper. In addition, the known method is limited in terms of welding and cutting performance and requires compliance with very specific process parameters.

In dem Buch "LASER/OPTOELEKTRONIK IN DER TECHNIK", Herausgeber: W. Waidelich, Springer-Verlag 1986, S. 480-485, werden Modelle zum Verständnis der bei der Wechselwirkung intensiver IR-Laser­ strahlung mit Metalloberflächen auftretenden Phänomene entwic­ kelt. Es wird dort erläutert, daß sich dann im Wechselwirkungs­ bereich zwischen Strahlung und Festkörper ein Plasma bilden kann, wenn die in der oben erwähnten ersten Stufe im Metall ab­ sorbierte Energie größer ist als die in der zweiten Stufe er­ folgende Wärmeabfuhr. Im Bereich des derart erzeugten Plasmas verliert die Metalloberfläche ihre nachteiligen Reflexions­ eigenschaften und der Energieübergang aus dem Strahlungsfeld in das Metall wird verbessert. Dabei darf allerdings das Plasma nicht so dicht werden, daß es den Großteil der Strahlungsener­ gie des Lasers bereits absorbiert, bevor dieser zum darunter­ liegenden Metall durchdringen kann.In the book "LASER / OPTOELEKTRONIK IN DER TECHNIK", publisher: W. Waidelich, Springer-Verlag 1986, pp. 480-485, become models to understand the interaction of intense IR lasers radiation phenomena occurring with metal surfaces celt. It is explained there that then the interaction area between radiation and solid form a plasma  can if in the above mentioned first stage in the metal sorbed energy is greater than that in the second stage following heat dissipation. In the area of the plasma generated in this way the metal surface loses its adverse reflection properties and the energy transfer from the radiation field in the metal is improved. However, the plasma is allowed not become so dense that the majority of the radiation generators gie of the laser already absorbed before this to the below metal can penetrate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum kostengünstigen, wirksamen Bearbeiten von im IR-Bereich stark reflektierenden Metallen, wie Kupfer, Silber oder Gold, mittels IR-Laserstrahlung zu schaffen.The invention has for its object a method for inexpensive, effective editing in the IR range strong reflective metals, such as copper, silver or gold, by means of To create IR laser radiation.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnet.The inventive solution to this problem is in the patent saying 1 marked.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 be­ schrieben.Advantageous embodiments are in claims 2 to 4 be wrote.

Der Erfindungsgedanke, nämlich für den eigentlichen "Arbeits­ strahl" (also den CO2-Laserstrahl) noch einen "Hilfsstrahl" vorzusehen, läßt sich nicht nur bei der Bearbeitung von im IR-Bereich reflektierenden Metallen vorteilhaft anwenden, son­ dern auch beim Bearbeiten von Kunststoffen und biologischem Gewebe, wie Acrylglas (auch Plexiglas genannt) bzw. Augenhorn­ haut (cornea).The idea of the invention, namely to provide an “auxiliary beam” for the actual “working beam” (ie the CO 2 laser beam), can be used advantageously not only in the processing of metals reflecting in the IR range, but also in the processing of plastics and biological tissue, such as acrylic glass (also called plexiglass) or cornea.

Für den Materialabtrag mittels Laserstrahlung bei Kunststoffen oder biologischem Gewebe ist besonders die Wellenlänge 193 nm (ArF) des Excimerlasers geeignet, siehe den Aufsatz von R. Srinivasan in der Zeitschrift "Journal Vac. Sci. Technol." B 1(4), Oct.-Dec. 1983, S. 923-926. Nur die Excimer-Laserstrah­ lung der Wellenlänge 193 nm wird von den in Rede stehenden Materialien gut absorbiert, um einen befriedigenden Materialab­ trag zu ermöglichen. Die anderen vom Excimer-Laser emittierten Wellenlängen sind weniger geeignet.For material removal using laser radiation on plastics or biological tissue is particularly the wavelength 193 nm (ArF) of the excimer laser, see the article by R. Srinivasan in "Journal Vac. Sci. Technol." B 1 (4), Oct.-Dec. 1983, pp. 923-926. Only the excimer laser beam The wavelength of 193 nm is used by those in question  Materials well absorbed to get a satisfactory material to make it possible. The others emitted from the excimer laser Wavelengths are less suitable.

Allerdings hat die Laserstrahlung der Wellenlänge 193 nm gegen­ über den anderen Wellenlängen erhebliche Nachteile. Zum einen ist die Emission des Excimer-Lasers bei 193 nm wesentlich ge­ ringer als bei anderen Wellenlängen wie z.B. bei 308 nm (XeCl) und zum anderen hat ein Laserstrahl der Wellenlänge 193 nm den Nachteil, daß diese Strahlung im Sauerstoff der Luft absorbiert wird und daß die optischen Komponenten zur Strahlsteuerung aus Quarzglas oder noch teurerem Material gefertigt sein müssen.However, the laser radiation has a wavelength of 193 nm significant disadvantages over the other wavelengths. On the one hand the emission of the excimer laser at 193 nm is essentially ge ringer than at other wavelengths such as at 308 nm (XeCl) and on the other hand a laser beam with a wavelength of 193 nm Disadvantage that this radiation is absorbed in the oxygen in the air and that the optical components for beam control Quartz glass or more expensive material must be made.

Der Erfindung liegt deshalb weiterhin die Aufgabe zugrunde, auch ein Verfahren zum Bearbeiten von Kunststoffen oder biolo­ gischem Gewebe mittels Laserstrahlung anzugeben, welches im Vergleich mit dem Stand der Technik wirksamer und kostengünsti­ ger ist.The invention is therefore also based on the object also a process for processing plastics or biolo to specify genetic tissue by means of laser radiation, which in Comparison with the prior art more effective and inexpensive is.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 5 gekennzeichnet.The inventive solution to this problem is in the patent saying 5 marked.

In den Patentansprüchen 6 und 7 sind vorteilhafte Ausgestal­ tungen beschrieben.In the claims 6 and 7 are advantageous Ausgestal described.

Gemäß der Erfindung wird also der relativ leistungsschwache Laserstrahl mit 193 nm Wellenlänge zunächst als "Hilfsstrahl" auf das zu bearbeitende Material gerichtet, um dieses derart zu modifizieren, daß seine Absorptionseigenschaften bezüglich an­ derer Wellenlängen verbessert werden. Beispielsweise führt die Absorption der Strahlung von 193 nm zur Bildung von Farbzentren im Material, welche die Absorption bei einer längeren Wellen­ länge von z.B. 308 nm (XeCl) ermöglichen oder verbessern.According to the invention, the relatively underperforming Laser beam with 193 nm wavelength initially as an "auxiliary beam" directed to the material to be processed in order to modify its absorption properties with respect to whose wavelengths are improved. For example, the Absorbs 193 nm radiation to form color centers in the material, which absorbs at longer waves length of e.g. Enable or improve 308 nm (XeCl).

Alle Lösungsvarianten der Erfindung sind bezüglich beider je­ weils eingesetzten Laserstrahlen sowohl für gepulste als auch für kontinuierliche Lasertypen geeignet. Bei zwei gepulsten Strahlquellen müssen beide zeitlich (und selbstverständlich auch räumlich) koordiniert werden.All solution variants of the invention are each with respect to both because laser beams are used for both pulsed and  suitable for continuous laser types. With two pulsed Beam sources must both be timed (and of course also be coordinated spatially).

Wird ein gepulster Laserstrahl als "Hilfsstrahl" zusammen mit einem kontinuierlichen "Arbeitsstrahl" eingesetzt, so ist der Zeitpunkt des Auftreffens des gepulsten Strahles auf das Material jeweils maßgeblich für den Beginn der Materialbear­ beitung.If a pulsed laser beam is used as an "auxiliary beam" together with a continuous "working beam" is used Time of impact of the pulsed beam on the Material decisive for the beginning of the materialbear processing.

Werden zwei kontinuierliche Strahlquellen eingesetzt, so kommt es nur auf die räumliche Koordination an.If two continuous beam sources are used, then comes it just depends on spatial coordination.

Anhand einer schematischen Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention is to be described in more detail with the aid of a schematic drawing are explained.

Die Figur zeigt ein Material, das mittels Laserstrahlung bear­ beitet werden soll.The figure shows a material that bear by means of laser radiation to be processed.

Bei dem Material kann es sich um ein Edelmetall, wie Kupfer, Silber oder Gold handeln, welches geschweißt oder geschnitten werden soll. In diesem Falle wird ein erster Laserstrahl L 1 auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials fokussiert (Fokus F). Beim ersten Laserstrahl L 1 handelt es sich um einen Exci­ mer-Laserstrahl, wobei alle bekannten Excimerlaser-Wellenlängen gut geeignet sind, also z.B. 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl) und 351 nm (XeF). Die Oberfläche des Edelmetalls absor­ biert hinreichend UV-Strahlung, um die Oberfläche so zu ändern, daß ihre Absorption bezüglich des IR-Laserstrahls L 2 verbessert wird. Mittels des "Hilfs-Strahls" L 1 wird also die Oberfläche des Materials so präpariert, daß der IR-Strahl L 2 eines CO2-La­ sers mit hohem Wirkungsgrad in das Material eingekoppelt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann also der erste Laserstrahl L 1 in Form eines UV-Laserblitzes als Ini­ tiator für die Einkoppelung der z.B. kontinuierlichen IR-La­ serstrahlung angesehen werden.The material can be a precious metal, such as copper, silver or gold, which is to be welded or cut. In this case, a first laser beam L 1 is focused on the surface of the material to be processed (focus F ). The first laser beam L 1 is an excimer laser beam, all known excimer laser wavelengths being well suited, for example 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl) and 351 nm (XeF) . The surface of the noble metal absorbs sufficient UV radiation to change the surface so that its absorption with respect to the IR laser beam L 2 is improved. By means of the "auxiliary beam" L 1 , the surface of the material is prepared so that the IR beam L 2 of a CO 2 laser is coupled into the material with high efficiency. In this exemplary embodiment of the invention, the first laser beam L 1 in the form of a UV laser flash can therefore be regarded as an initiator for the coupling in of, for example, continuous IR laser radiation.

Auch die zweite Variante der Erfindung, nämlich die Bearbeitung von Kunststoffen oder biologischem Gewebe soll anhand der glei­ chen Figur erläutert werden. In diesem Falle handelt es sich bei dem Material nicht um ein Edelmetall, sondern um einen Kunststoff, wie z.B. Acrylglas, oder ein biologisches Gewebe, wie z.B. die Augenhornhaut.The second variant of the invention, namely processing of plastics or biological tissue should be based on the same Chen figure will be explained. In this case it is the material is not a precious metal, but one Plastic, e.g. Acrylic glass, or a biological tissue, such as. the cornea.

Der erste, das Material präparierende Laserstrahl L 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Excimer-Laserstrahl der Wellen­ länge 193 nm (ArF), welcher im Material gut absorbiert wird. Beim zweiten Laserstrahl L 2 handelt es sich um einen Excimer- Laserstrahl anderer Wellenlänge, z.B. bei 308 nm (XeCl), wel­ cher bei Abwesenheit des Laserstrahls L 1 vom Material nicht oder nur mit sehr geringem Wirkungsgrad absorbiert wird.The first, the material preparing laser beam L 1 is in this embodiment an excimer laser beam of wavelength 193 nm (ArF), which is well absorbed in the material. The second laser beam L 2 is an excimer laser beam of a different wavelength, for example at 308 nm (XeCl), which is not absorbed by the material in the absence of the laser beam L 1 or is absorbed only with very low efficiency.

Der Laserstrahl der Wellenlänge 193 nm präpariert das Material derart, daß die Absorption des Materials beim wesentlich lei­ stungsstärken Laserstrahl mit geringerer Wellenlänge ermöglicht oder verbessert wird.The laser beam with a wavelength of 193 nm prepares the material such that the absorption of the material at the lei substantially power laser beam with a shorter wavelength or is improved.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere zum Schweißen oder Schneiden, von solchen Metallen, deren Oberfläche IR-La­ serstrahlung stark reflektiert, wie Kupfer, Silber oder Gold, unter Verwendung eines IR-Laserstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum IR-Laserstrahl zumindest ein weiterer Laser­ strahl anderer Wellenlänge auf die zu bearbeitende Metallober­ oberfläche gerichtet wird, welcher die Absorption der IR-Laser­ strahlen im Metall erhöht.1. A method for processing, in particular for welding or cutting, of such metals, the surface of which IR laser radiation strongly reflects, such as copper, silver or gold, using an IR laser beam, characterized in that in addition to the IR laser beam at least one Another laser beam of a different wavelength is directed onto the metal surface to be machined, which increases the absorption of the IR laser beams in the metal. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Laserstrahl eine Wellenlänge im UV-Bereich hat, bevorzugt eine oder mehrere der Excimerlaser-Wellenlängen.2. The method according to claim 1, characterized, that the further laser beam has a wavelength in the UV range, preferably one or more of the excimer laser wavelengths. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Laserstrahl gepulst ist.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized, that the further laser beam is pulsed. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch der IR-Laserstrahl gepulst ist, wobei der weitere Laserstrahl zeitlich und räumlich derart auf den IR-Laserstrahl abgestimmt ist, daß die Einkoppelung des IR-Laserstrahles in das Metall gefördert wird. 4. The method according to claim 3, characterized, that the IR laser beam is also pulsed, the further Laser beam on the IR laser beam in terms of time and space is coordinated that the coupling of the IR laser beam in the metal is mined.   5. Verfahren zum Bearbeiten von Kunststoffen oder Gewebe, wie Acrylglas bzw. Augenhornhaut, unter Verwendung eines vom nicht modifizierten Kunststoff bzw. Gewebe gut absorbierbaren Laserstrahls, wie eines Excimer-Laserstrahls der Wellenlänge 193 nm (ArF), dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum gut absorbierbaren Laserstrahl zumindest ein weiterer Laserstrahl anderer Wellenlänge auf den zu bearbeiten­ den Kunststoff bzw. das Gewebe gerichtet wird.5. Processes for processing plastics or fabrics, like acrylic glass or cornea, using one from non-modified plastic or fabric easily absorbable Laser beam, such as an excimer laser beam of wavelength 193 nm (ArF), characterized, that in addition to the easily absorbable laser beam at least one another laser beam of different wavelength to work on the plastic or the fabric is directed. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Laserstrahl ein Excimer-Laserstrahl ist, bevor­ zugt einschließlich der Wellenlänge 308 nm (XeCl).6. The method according to claim 5, characterized, that the other laser beam is an excimer laser beam before including 308 nm (XeCl). 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gut absorbierbare Laserstrahl und der weitere Laser­ strahl als gepulste Strahlen zeitlich und räumlich derart auf­ einander abgestimmt werden, daß die Einkoppelung des weiteren Laserstrahls in der Kunststoff bzw. das Gewebe durch den gut absorbierbaren Laserstrahl gefördert wird.7. The method according to any one of claims 5 or 6, characterized, that the easily absorbable laser beam and the other laser beam as pulsed beams in time and space be coordinated that the coupling of the further Laser beam in the plastic or the fabric through the well absorbable laser beam is promoted.
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