DE19707003A1

DE19707003A1 - Beschriftungslasersystem und Verfahren zur Beschriftung

Info

Publication number: DE19707003A1
Application number: DE19707003A
Authority: DE
Inventors: Wulf Dipl Ing Egel; Andreas Dipl Ing Beschoner; Michael Dipl Phys Hoerl
Original assignee: Foba GmbH Elektronik and Lasersysteme
Current assignee: Foba GmbH Elektronik and Lasersysteme
Priority date: 1996-02-24
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2017-02-22
Also published as: DE19707003C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschriftungslasersystem und ein Verfahren zur Beschriftung, insbesondere ein Beschriftungslasersystem umfassend einen gepulst betreibbaren Resonator mit einem aktiven Medium und mindestens zwei Resonatorspiegeln und eine außerhalb des Resonators befindliche Ablenkeinheit, die die Positionierung des Laserstrahls auf ein zu beschriftendes Objekt vornehmen kann.

Ein derartiges Beschriftungslasersystem ist aus der US 5,416,298 bekannt. Das darin beschriebene Beschriftungslasersystem wird alternativ mit einem CW-Laser oder mit einem gepulsten Laser betrieben. Als Ablenkeinheit finden zwei akustooptische Modulatoren Verwendung, deren Ansteuerfrequenz verändert wird, um eine veränderliche Strahlablenkung zu erzielen. Bei der Beschriftung mit gepulsten, insbesondere mit gütegeschalteten, Lasern tritt das Problem auf, daß bei Einsetzen der Güteschaltung Erstimpulse auftreten, die die zehnfache bis hundertfache Intensität gegenüber den folgenden Pulsen aufweisen können. Diese überhöhten Erstimpulse können je nach Empfindlichkeit des zu beschriftenden bzw. zu markierenden Materials zu starken Einbränden führen, die das zu erzeugende Schriftbild oder Bild stark stören können. Diese Probleme treten auch bei der Beschriftung oder Markierung von Kunststoff auf. Insbesondere bei der pixelweisen Markierung von Kunststoffkarten, wie beispielsweise ID-Karten, stören einzelne durch Erstimpulse stärker ausgeprägte Pixel sehr. Weiterhin las sen sich mit den bekannten Beschriftungslasersystemen den einzelnen Pixeln keine Grauwerte geben, die für die pixelweise Erstellung von Schwarzweißphotos unerläßlich sind. Insbesondere bei gütegeschaltetem Betrieb ist eine effektive Leistungsregelung nur mit sehr großem Aufwand zu realisieren, unter anderem aufgrund von instabilen thermischen Verhältnissen durch den Kühleffekt des Laserstabes bei Emission von Laserstrahlung.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schaffung eines Beschriftungslasers der vorgenannten Art, der die erstimpulsfreie Beschriftung von zu beschriftenden Objekten gestattet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in dem Resonator ein interner Modulator zur Güteschaltung des Lasers bei kontinuierlichem Pumpbetrieb untergebracht ist und daß in dem Strahlengang des Lasers außerhalb des Resonators ein externer Modulator angeordnet ist, der den Laserstrahl in zwei Teil strahlen aufspalten kann, wobei einer der Strahlen aufgefangen werden und der andere Strahl zur Beschriftung Verwendung finden kann. Vorteilhafterweise ist die Steuerschaltung zur Ansteuerung des externen Modulators mit der Steuerschaltung zur Ansteuerung des internen Modulators, über die die Pulserzeugung erfolgt, kombiniert, wobei die Kombination der beiden Steuerschaltungen vorzugsweise über einen Mikroprozessor realisiert wird. Vorteilhafterweise ist der externe Modulator zwischen dem Resonator und der Ablenkeinheit angeordnet und kann den Laserstrahl aufspalten in einen ungebeugten Strahl nullter Ordnung, der in einer Strahlfalle aufgefangen werden kann, und einen gebeugten Strahl höherer Ordnung, der auf die Ablenkeinheit gelenkt werden kann. Durch Synchronisation des externen Modulators mit dem im Resonator befindlichen Modulator kann verhindert werden, daß der erste Laserimpuls einer Pulsfolge mit n Impulsen abgebeugt wird. Die Impulse 2 bis n der Pulsfolge werden durch den externen Modulator in die Ablenkeinheit gebeugt. Die stark überhöhten Erstimpulse erreichen die Ablenkeinheit nicht mehr, so daß die unerwünschten Effekte auf den zu bearbeitenden Materialien nicht mehr auftreten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zwischen dem externen Modulator und der Ablenkeinheit Umlenkspiegel zur Verlängerung des optischen Wegs angeordnet. Dadurch wird eine bessere Trennung zwischen dem Strahl nullter Ordnung und dem Strahl höherer Ordnung ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist der interne Modulator auch während der Beschriftungspausen ansteuerbar, so daß der Resonator kontinuierlich gütegeschaltet werden kann. Das Austasten des Laserstrahls während der Beschriftungspausen erfolgt nicht mehr durch Ansteuerung des inneren sondern des äußeren Modulators. Dadurch entstehen keine Erstimpulse mehr, die in die Strahlfalle gelenkt werden müßten. Auch Einschwingvorgänge des Resonators entfallen vollkommen. Weiterhin als vorteilhaft erweist sich, daß die Betriebsart mit ständig gütegeschaltetem internen Resonator die Auswahl der Resonatorkomponenten vereinfacht, da diese durch die Eliminierung der überhöhten Erstimpulse geringeren Spitzenbelastungen ausgesetzt sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Amplitude des Steuersignals, das den externen Modulator ansteuert, gezielt beeinflußbar, so daß durch Veränderung der Amplitude des Steuersignals die Intensität des zur Beschriftung verwendbaren Strahls verändert werden kann. Vorteilhafterweise ist die Kombination der Steuerschaltungen des externen und des internen Modulators derart gestaltet, daß jedem einzelnen Laserpuls eine beliebige Intensität zwischen 0% und 100% der maximal bei der Beschriftung zur Verfügung stehenden Intensität gegeben werden kann. Gemäß eines bevorzugten Verfahrens zur Beschriftung wird während der Beschriftungsphasen die Intensität der durch den externen Modulator auf die Ablenkeinheit abgelenkten Laserpulse durch gezielte Ansteuerung des externen Modulators für jeden einzelnen Laserpuls oder für Gruppen von Laserpulsen so gewählt, daß jedes durch den einzelnen Laserpuls oder die Gruppe von Laserpulsen erzeugte Beschriftungspixel einen vorgegebenen Grauwert aufweist. Durch dieses Verfahren können Photos mit realen Graustufen pixelweise erzeugt werden. Es ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der Bildqualität.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Beschriftungslasers mit externem Modulator;

Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Beschriftungslasers ohne externen Modulator;

Fig. 3 schematisch den Zusammenhang zwischen Positionierung des Laserstrahls, der Güteschaltung und der Ausgangsleistung bei einer Anordnung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 schematisch den Zusammenhang zwischen Positionierung des Laserstrahls und den Güteschaltungen bei einer Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 5 schematisch den Zusammenhang zwischen Positionierung des Laserstrahls und Güteschaltungen mit einem kontinuierlich gütegeschalteten internen Modulator bei einer Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 6 schematisch den Zusammenhang zwischen Positionierung des Laserstrahls und Güteschaltungen mit einem kontinuierlich gütegeschalteten internen Modulator und einem amplitudenmodulierten externen Modulator bei einer Anordnung gemäß Fig. 1.

Der prinzipielle Aufbau eines Beschriftungslasers besteht aus dem eigentlichen Laserresonator und der X/Y-Ablenkeinheit 9 (Fig. 2), die die Positionierung des Laserstrahls auf dem Werkstück vornimmt. Als X/Y-Ablenkeinheit 9 kann beispielsweise ein mit einem Galvanometerscanner ausgerüsteter Schreibkopf Verwendung finden. Der Resonator selbst besteht aus den beiden Resonatorspiegeln 1, dem laseraktiven Medium 4, dem resonatorinternen optischen Modulator 3 und einer Modenblende 2. Der interne optische Modulator 3 hat zwei Aufgaben. Zum ersten dient er der Güteschaltung des Resonators und ermöglicht somit den Riesenimpulsbetrieb des kontinuierlich gepumpten Lasers. Als Pumpquelle kommen CW-Bogenlampen und Hochleistungsdiodenlaser in Betracht. Zum zweiten dient er zum Austasten des Laserstrahls während der Beschriftungspausen, d. h. während der Zeiten, die die X/Y-Ablenkeinheit benötigt um von einem zu markierenden Objekt zum nächsten Objekt zu gelangen, z. B. in einem Schriftzug die Sprünge von einem Buchstaben zum nächsten oder aber auch der Sprung von einer Linie zur nächsten, falls diese nicht unmittelbar aufeinander folgen.

Der Zusammenhang zwischen der Positionierung des Laserstrahls und der Güteschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Von oben nach unten dargestellt sind: die zu markierenden Linien, die Ansteuerung des optischen Modulators und die Form der erzeugten Laserimpulse. Es sollen die Linie L1, L2 und L3 markiert werden, die Distanzen zwischen den Linien werden von der X/Y-Ablenkeinheit 9 bei gesperrtem Resonator überbrückt. Vor der Beschriftung wird der Resonator durch den optischen Modulator 3 gesperrt. Während die X/Y-Ablenkeinheit 9 die zu markierenden Linien abfährt wird der Laser gütegeschaltet (t0-t1, t2-t3, t4-t5). Für die Zeiträume, in denen die X/Y- Ablenkeinheit 9 die Strecken zwischen den einzelnen Linien abfährt, sperrt der optische Modulator 3 den Resonator (t1- t2, t3-t4).

Da die Austastzeit zwischen den zu markierenden Linien jedoch groß ist (einige ms) erreicht der Resonator während dieser Zeit seine maximale Inversionsdichte. Geht man nun zum gütegeschalteten Betrieb über, so ist der erste erzeugte Laserimpuls stark überhöht gegenüber den Folgeimpulsen. Das Verhältnis des ersten Impulses zu den Folgeimpulsen kann je nach eingestellten Laserparametern zwischen einigen 10 bis einigen 100 liegen. Diese Überhöhung des ersten Impulses führt je nach Empfindlichkeit des zu markierenden Materials zu starken Einbränden am Beginn einer Linie, die das Schriftbild extrem stören.

Zur Unterdrückung der Erstimpulse wird außerhalb des Resonators ein zweiter optischer Modulator 5 plaziert (Fig. 1), der beispielsweise ein akustooptischer oder ein elektrooptischer Modulator sein kann. Wird dieser angesteuert, so wird der Laserstrahl in zwei Teilstrahlen, einen ungebeugten Strahl 10 nullter Ordnung und einen gebeugten Strahl 11 höherer Ordnung, aufgeteilt. Das Verhältnis zwischen dem Strahl 10 nullter Ordnung und dem Strahl 11 höherer Ordnung beträgt etwa 60 zu 40. Zur Markierung wird nur noch der Strahl 11 höherer Ordnung verwendet. Der Strahl 10 nullter Ordnung wird in der Strahlfalle 7 in Wärme umgewandelt. Die beiden Umlenkspiegel 6 verlängern den optischen Weg und ermöglichen dadurch eine bessere Trennung der beiden Teilstrahlen 10, 11.

Die Austastung des Laserstrahls in den Beschriftungspausen kann nun durch den externen Modulator 5 erfolgen. Wird dessen Ansteuerung abgeschaltet, so findet keine Aufspaltung in zwei Teilstrahlen 10, 11 statt und die gesamte Laserleistung wird in der Strahlfalle 7 in Wärme umgewandelt.

Wird nun der Resonator wie oben beschrieben gütegeschaltet betrieben und die Ansteuerung des externen Modulators 5 durch eine geeignete Steuerelektronik mit der des resonatorinternen Modulators 3 synchronisiert, kann der erste stark überhöhte Impuls gezielt in der Strahlfalle 7 "vernichtet" werden, während die Folgeimpulse in die X/Y-Ablenkeinheit 9 gebeugt werden. Mit 8 ist in Fig. 1 eine Strahlaufweitung gekennzeichnet. Fig. 4 zeigt die entsprechenden Signalverläufe.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß bedingt durch die Austastung des Laserstrahles durch den externen Modulator 5 der resonatorinterne Modulator 3 ständig, d. h. auch während der Beschriftungspausen, angesteuert werden kann. Der Resonator wird also kontinuierlich gütegeschaltet. Dadurch entstehen erst gar keine überhöhten Erstimpulse mehr. Auch Einschwingvorgänge des Resonators entfallen vollkommen. Fig. 5 zeigt die Signalverläufe dieser Betriebsart. Sie ermöglicht auch eine vereinfachte Kontrolle der Laserleistung und vereinfacht ebenfalls eine mögliche Leistungsregelung, da der Resonator kontinuierlich Laserlicht abgibt.

Die Intensität des gebeugten Strahls ist proportional zur Ansteueramplitude des externen Modulators 5. Der Beugungswinkel dagegen ist unabhängig von der Ansteueramplitude. Durch gezielte Amplitudenbegrenzung des Steuersignales kann man also definiert die Intensität der gebeugten Laserimpulse beeinflussen und somit auch die Energiedichte auf dem zu bearbeitenden Material. Der Grad der Beeinflussung liegt zwischen 0% und 100%.

Kombiniert man nun eine geeignete Steuerschaltung zur Amplitudeneinstellung mit der Steuerschaltung zur Pulserzeugung, idealerweise mittels eines Mikroprozessors, so können folgende Zustände erreicht werden:

1) Für jeden einzelnen Laserimpuls kann ein definierter Amplitudenwert vorgegeben werden, d. h. jeder Laserimpuls kann eine beliebige Intensität zwischen 0% und 100% der maximal bei der Beschriftung zur Verfügung stehenden Intensität erreichen. (Fig. 6)
2) Für Pulsgruppen beliebiger Länge kann ein definierter Amplitudenwert vorgegeben werden, d. h. es lassen sich Pulsgruppen mit beliebigen Intensitäten zwischen 0% und 100% der maximal bei der Beschriftung zur Verfügung stehenden Intensität erzeugen.
3) Da ein überhöhter Erstimpuls aber auch bei einigen speziellen Anwendungen als Initiator wirken kann, besteht bei einem mikroprozessorgesteuerten System die Möglichkeit, gezielt einzelne überhöhte Erstimpulse mit den unter 1) und 2) geschilderten Zuständen zu kombinieren.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren der Amplitudenmodulation lassen sich auf weiß eingefärbten und laserbeschriftbaren Kunststoffen wie ABS, PVC, Polycarbonat und anderen, die vorwiegend zur Herstellung von ID-Karten (Krankenkassenkarten, Betriebsausweise etc.) verwendet werden, Graustufen erzielen. Der Farbumschlag, der bei der Bestrahlung dieser Materialien entsteht, ist abhängig von der Energiedichte auf dem Material. Bei hoher Energiedichte erfolgt eine Schwärzung, bei mittleren Energiedichten unterschiedliche Graufärbungen. Mit dem oben genannten Verfahren läßt sich diese pulsweise steuern und ermöglicht somit das Erstellen von einzelnen Bildpunkten mit unterschiedlichen Graustufen. Dabei entspricht jeder Laserimpuls einem Bildpunkt mit definiertem Grauwert.

Claims

1. Beschriftungslasersystem umfassend

- einen gepulst betreibbaren Resonator mit einem aktiven Medium (4) und mindestens zwei Resonatorspiegeln (1); und
- eine außerhalb des Resonators befindliche Ablenkeinheit (9), die die Positionierung des Laserstrahls auf ein zu beschriftendes Objekt vornehmen kann; dadurch gekennzeichnet, daß
- in dem Resonator ein interner Modulator (3) zur Güteschaltung des Lasers bei kontinuierlichem Pumpbetrieb untergebracht ist; und daß
- in dem Strahlengang des Lasers außerhalb des Resonators ein externer Modulator (5) angeordnet ist, der den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen (10, 11) aufspalten kann, wobei einer der Strahlen (10) aufgefangen werden und der andere Strahl (11) zur Beschriftung Verwendung finden kann.

2. Beschriftungslasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zur Ansteuerung des externen Modulators (5) mit der Steuerschaltung zur Ansteuerung des internen Modulators (3), über die die Pulserzeugung erfolgt, kombiniert ist, wobei die Kombination der beiden Steuerschaltungen vorzugsweise über einen Mikroprozessor realisiert wird.

3. Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der externe Modulator zwischen dem Resonator und der Ablenkeinheit (9) angeordnet ist und den Laserstrahl aufspalten kann in einen ungebeugten Strahl (10) nullter Ordnung, der in einer Strahlfalle (7) aufgefangen werden kann, und einen gebeugten Strahl (11) höherer Ordnung, der auf die Ablenkeinheit (9) gelenkt werden kann.

4. Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem externen Modulator (5) und der Ablenkeinheit (9) Umlenkspiegel (6) zur Verlängerung des optischen Wegs angeordnet sind.

5. Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als externer Modulator (5) ein akustooptischer oder elektrooptischer Modulator Verwendung findet.

6. Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination der Steuerschaltungen des externen und des internen Modulators (5, 3) derart gestaltet ist, daß nach einer Austastzeit (t1-t2, t3-t4) des internen Modulators (3) entstehende überhöhte Erstimpulse als Strahl (10) nullter Ordnung in die Strahlfalle (7) lenkbar sind.

7. Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der interne Modulator (3) auch während der Beschriftungspausen ansteuerbar ist, so daß der Resonator kontinuierlich gütegeschaltet werden kann.

8. Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Steuersignals, das den externen Modulator (5) ansteuert, gezielt beeinflußbar ist, so daß durch Veränderung der Amplitude des Steuersignals die Intensität des zur Beschriftung verwendbaren Strahls (11) verändert werden kann.

9. Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination der Steuerschaltungen des externen und des internen Modulators (5, 3) derart gestaltet ist, daß jedem einzelnen Laserpuls oder einer Gruppen von Laserpulsen eine beliebige Intensität zwischen 0% und 100% der maximal bei der Beschriftung zur Verfügung stehenden Intensität gegeben werden kann.

10. Verfahren zur Beschriftung mit einem Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Sperrung des Resonators durch den internen Modulator (3) vor der Beschriftung;
- Güteschaltung des Lasers durch den internen Modulator (3) während der Beschriftung (t0-t1, t2-t3, t4-t5);
- Abschaltung der Ansteuerung des externen Modulators (5) für den jeweils ersten Laserpuls im gütegeschalteten Betrieb und Auffangen dieses Laserpulses in der Strahlfalle (7);
- Ablenkung von Teilen (11) des zweiten bis letzten Laserpulses im gütegeschalteten Betrieb durch den externen Modulator (5) auf die Ablenkeinheit (9);
- Sperrung des Resonators durch den internen Modulator (3) während der Zeiträume (t1-t2, t3-t4), in denen die Ablenkeinheit (9) die Strecken zwischen den einzelnen zu beschriftenden Linien oder Punkten abfährt.

11. Verfahren zur Beschriftung mit einem Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Kontinuierliche Güteschaltung des Resonators durch den internen Modulator (3);
- Abschaltung der Ansteuerung des externen Modulators (5) vor der Beschriftung, so daß der gesamte gepulste Laserstrahl in die Strahlfalle (7) gelangt;
- Ablenkung von Teilen (11) des gepulsten Laserstrahls durch den externen Modulator (5) auf die Ablenkeinheit (9) während der Beschriftung (t0-t1, t2-t3, t4-t5);
- Abschaltung der Ansteuerung des externen Modulators (5) während der Zeiträume (t1-t2, t3-t4), in denen die Ablenkeinheit (9) die Strecken zwischen den einzelnen zu beschriftenden Linien oder Punkten abfährt.

12. Verfahren zur Beschriftung nach Anspruch 11 mit einem Beschriftungslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Beschriftungsphasen (t0-t1, t2-t3, t4-t5) die Intensität der durch den externen Modulator (5) auf die Ablenkeinheit (9) abgelenkten Laserpulse (11) durch gezielte, mit der Ansteuerung des internen Modulators (3) korrelierte Ansteuerung des externen Modulators (5) für jeden einzelnen Laserpuls oder für Gruppen von Laserpulsen so gewählt wird, daß jedes durch den einzelnen Laserpuls oder die Gruppe von Laserpulsen erzeugte Beschriftungspixel einen vorgegebenen Grauwert aufweist.

13. Verwendung eines Beschriftungslasersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur pixelweise veränderbaren Graustufen-Beschriftung von Kunststoffen wie beispielsweise ABS, PVC, Polycarbonat oder dergleichen.