DE4412443A1

DE4412443A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Kupferdampflasersystem mit hohen Wiederholfrequenzen und hohem Wirkungsgrad

Info

Publication number: DE4412443A1
Application number: DE4412443A
Authority: DE
Inventors: Hans Wilhelm Bergmann; Martin Hartmann
Original assignee: ATZ EVUS
Current assignee: ATZ EVUS
Priority date: 1994-04-12
Filing date: 1994-04-12
Publication date: 1995-10-19

Description

Der gebräuchlichste Metalldampflaser ist der Kupferdampflaser mit typischen mittleren Ausgangsleistungen zwischen 40 W und 200 W, im Labormaßstab auch darüber. Typische Pulslängen liegen im Bereich von 20 ns bis 80 ns (Pulshalbwertsbreite). Die Pulswieder holfrequenzen, bei denen sich ein Kupferdampflaser betreiben läßt, liegen zwischen 2 kHz und 32 kHz, wobei kommerzielle Systeme mit hoher Leistung zwischen 5 kHz und 8 kHz betrieben werden, da bei höheren Frequenzen die mittlere Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad abnimmt, vgl. Abb. 1. Bei Geräten kleinerer Bauform liegt die Repetitionsrate, bei der die größte Ausgangsleistung erzielt wird, bei höheren Fre quenzen als bei leistungsstarken Einheiten mit großen Entladungslängen und Rohr durchmessern. Kupferdampflaser können als einzelne Einheit oder in einer Oszillator- Verstärker-Kette betrieben werden. Dabei verwendet man einen Oszillator mit niedriger Ausgangsleistung und verstärkt dessen Strahlung in Verstärkern hoher Ausgangsleistung.

Kupferdampflaser wurden in der Vergangenheit als Pumplichtquellen für Farbstofflaser und als Beleuchtungseinrichtungen verwendet /1, 2/. Seit einiger Zeit fanden sie auch Zugang zu Anwendungen in der Materialbearbeitung /3/. Dabei hat sich herausgestellt, daß bei Leistungsdichten über 10⁹ W/cm² ein Abtrag ohne thermische Schädigung des Substrats möglich ist. Derartige Leistungsdichten lassen sich durch die Synchronisation mehrerer Kupferdampflaser in einer Oszillator-Verstärker-Anordnung (MOPA) erreichen. Bei den Aufgaben in der Materialbearbeitung Abtragen, Schneiden und Schweißen beschränkt eine geringe Wiederholfrequenz die Bearbeitungsgeschwindigkeit, weil einerseits eine bestimmte Mindestüberlappung von zwei Laserpulsen erforderlich ist, andererseits z. B. beim Schweißen die Zeit zwischen zwei Pulsen kürzer sein soll als die Zeit, die der aufgeschmolzene Werkstoff braucht, um wieder zu erstarren. Wechselt man zu hohen Frequenzen, so sinkt die maximale Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad. Bei erfindungsgemäßem Handeln wird dieser Nachteil vermieden, da sich überraschenderweise zeigte, daß man mit einem Lasersystem, vgl. Abb. 2, bestehend aus einem Oszillator und mindestens zwei Verstärkern, sowie einer Synchronisationseinheit zur Synchronisation der Pulse, einen gepulsten Laserstrahl mit hoher Frequenz und hohem Wirkungsgrad sowie mit hoher Ausgangsleistung erzeugen kann. In einem Oszillator werden zunächst mit Hilfe eines geeigneten Resonators, bevorzugt in einem instabilen Resonator, Laserpulse bei einer hohen Frequenz f_Oszillator, erfindungsgemäß mit einer Wiederholfrequenz 8 kHz < f_Oszillator < 32 kHz, bevorzugt 10 kHz < f_Oszillator < 30 kHz erzeugt. Diese Laserpulse weisen Strahlanteile mit niedriger Divergenz auf, die in den nachfolgenden Verstärkern so verstärkt werden, daß bevorzugt der nieder divergente Anteil verstärkt wird /4, 5/. Aufgrund der hohen Repetitionsrate besitzt der Oszillator nur einen geringen Wirkungsgrad und eine geringe Ausgangsleistung. Der im Oszillator erzeugte Laserpuls wird nun durch zwei oder mehrere Verstärker verstärkt, die mit einer Frequenz f_Verstärker betrieben werden, die auf die Frequenz des Oszillators wie folgt abgestimmt sind. Dabei gilt:

wobei
f_Oszillator : Frequenz des Oszillators,
f_Verstärker : Frequenz der Verstärker,
m : Anzahl der Verstärker und
n : ganze Zahl mit 1 < n < f_Oszillator.

Im einfachsten Falle, wenn nur ein Verstärker (m = 1) vorhanden ist, kann dieser dann mit einer Frequenz f_Oszillator/n betrieben werden. Bei einer Oszillatorfrequenz von z. B. 30 kHz kann man den Verstärker mit 30 kHz, 15 kHz, 7.5 kHz, usw. betreiben. Bei zwei Verstärkern ergeben sich entsprechend 15 kHz, 7.5 kHz, 3.75 kHz, usw. Bei n Verstärkern ist die oben genannte Formel (1) anzuwenden. Der technische Fortschritt ist offen sichtlich, wenn man ein einfaches System, bestehend aus einem Oszillator und zwei Verstärkern, betrachtet. Während der Oszillator mit hoher Frequenz und geringem Wirkungsgrad betrieben wird, lassen sich die beiden Verstärker z. B. bei der halben Frequenz, entsprechend den Ausgangsleistungskurven, vgl. Abb. 1, in einem Bereich hohen Wirkungsgrades betreiben, weil von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen der eine nur im ersten, der nachfolgende nur im zweiten Verstärker verstärkt wird. Erfindungsgemäß nutzt man dabei aus, daß die beiden Verstärker eine Verstärkungs kennlinie besitzen, die aus den Bereichen Transmission, Verstärkung, Absorption und erneuter Transmission bestehen, vgl. Abb. 3. Da im Falle von zwei Verstärkern bei zwei aufeinanderfolgenden Pulsen der erste Puls durch zeitliche Synchronisation den ersten Verstärker zu dem Zeitpunkt durchläuft, bei dem dieser sich im Gebiet der Verstärkung befindet und der so verstärkte Lichtpuls den zweiten Verstärker zu einem Zeitpunkt durchläuft, zu dem dieser sich im Bereich der Transmission (keine Schwächung) befindet. Als nützlichen Nebeneffekt kann man dann die Frequenz dem Bearbeitungsprozeß in den entsprechenden Abstufungen anpassen.

Eine Alternative zu der in Abb. 2 dargestellten Anordnung besteht darin, den aus dem Oszillator kommenden gepulsten Laserstrahl mit Hilfe einer oder mehrerer Teiler platten in Teilstrahlen aufzuteilen und die Teilstrahlen in den Verstärkern zu verstärken. Dabei ist die Frequenz der Verstärkereinheiten entsprechend der Gleichung (1) zu wählen. Anschließend werden die Strahlen in geeigneter Weise wieder zu einem Strahl vereinigt. Im Falle von zwei Verstärkern kann dies erfindungsgemäß so geschehen, daß man Teilstrahl 1 und Teilstrahl 2 senkrecht zueinander polarisiert und nach der Verstärkung wieder über einen polarisierenden Strahlteilerwürfel vereinigt, vgl. Abb. 4.

Nutzt man zwei Oszillatoren anstelle von einem, vgl. Abb. 5, so kann man bei erfindungsgemäßem Handeln durch Synchronisation bei gleicher Oszillatorfrequenz und bei einer verschwindenden Phasenverschiebung vorteilhafterweise eine Amplituden modulation vornehmen.

Schließlich besteht noch die Möglichkeit, in sich getrennte Oszillator-Verstärker-Ketten zu kombinieren, vgl. Abb. 6. Bei erfindungsgemäßem Handeln kann man dies technisch nutzen, um noch höhere Frequenzen des resultierenden Laserstrahls oder eine weitere Steigerung der Ausgangsleistung zu erzeugen. Während zum Beispiel die Oszillator- Verstärker-Kette 1 mit einer Frequenz von 30 kHz und die andere mit der gleichen Frequenz betrieben wird, so ergibt sich eine resultierende Pulsfrequenz von 60 kHz für eine feste, von 0° verschiedene Phasenverschiebung, z. B. von 180°. Bei einer typischen Pulsdauer von 50 ns und einer typischen Absorptionszeit von 1 µs würde bei 60 kHz die Anordnung aus Abb. 5 bereits zu einer Verringerung der Ausgangsleistung führen.

Für die Materialbearbeitung bietet die Strahlung eines Kupferdampflasers mit hoher Ausgangsleistung aufgrund eines hohen Wirkungsgrades bei einer hohen Wieder holfrequenz eine Reihe von technischen Vorteilen. Beim Abtragen und Schneiden lassen sich höhere Schneidgeschwindigkeiten bei gleichartiger räumlicher Überlappung der Einzelpulse erzielen oder bei gleicher Geschwindigkeit eine Erhöhung der räumlichen Überlappung erreichen, vgl. Abb. 7. Eine weitere Anwendung betrifft das Laserstrahltief schweißen. Dabei wird mit Hilfe eines Laserstrahls die Oberfläche eines Werkstoffs erwärmt, aufgeschmolzen und eine Dampfkapillare erzeugt, die es ermöglicht, einen Teil der Laserenergie in größeren Werkstofftiefen einzukoppeln. Beim Tiefschweißen mit gepulster Laserstrahlung ist der technische Vorteil nur dann nutzbar, wenn sich zwischen zwei Pulsen die Dampfkapillare nicht wieder verschließt. Aus theoretischen Überlegungen und Messungen weiß man, daß hierzu Pulsfrequenzen von mehr als 10 kHz erforderlich sind /6/. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung einer Oszillator- Verstärker-Kette und der erfindungsgemäßen Synchronisation der Laser gelingt es, Kupferdampflaserstrahlung mit hoher mittlerer Leistung < 50 W, vorzugsweise < 100 W, zu erzeugen, die es erlaubt, Werkstoffe zu verschweißen. Dies trifft insbesondere auch für solche Werkstoffe zu, die für andere Laserstrahlquellen (CO₂-, Nd:YAG-Laser) hochreflektierend sind, wie z. B. Kupfer. Bei erfindungsgemäßem Handeln wird der aus der Oszillator-Verstärker-Kette stammende Laserstrahl mit Hilfe einer Linse oder eines Achromaten auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert und mit dem Laserstrahl geschweißt. Unerwarteterweise ergeben sich dabei sehr schlanke Schweißnähte, deren Breite typischerweise unter 1 mm, vorzugsweise unter 250 µm, liegt. Die Wärme, die durch die schlanken Schweißnähte eingebracht wird, ist im Vergleich zu anderen Schweißverfahren wesentlich geringer, so daß dieses Fügeverfahren auch für Bauteile der Elektronik und Mikroelektronik eingesetzt werden kann.

Ausführungsbeispiele

Klassische Oszillator-Verstärker-Kette

Erfindungsgemäße Oszillator-Verstärker-Kette

Beispiel 1

Beispiel 2

Beispiel 3

Beispiel 4

Schema einer typischen Tiefschweißnaht

Claims

1. Beansprucht wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von sichtbarer, ge pulster Laserstrahlung mit hoher Repetitionsrate und hohem Wirkungsgrad für Aufgaben der Lasermaterialbearbeitung und der Beleuchtungstechnik, bestehend aus einer (i=1) oder mehreren Oszillator-Verstärker-Ketten (i = 2, 3, 4, . . . ), die jeweils aus einem oder mehreren Oszillatoren und einem oder mehreren Verstärkern zusammengesetzt sind, sowie einer Synchronisationseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb jeder Oszillator-Verstärker-Kette i die Frequenz der Verstärker f_{Verstärker,i} gemäß der Formel so gewählt wird, daß sie genau dem Bruchteil der Oszillatorfrequenz f_Oszillator,i entspricht, wenn man diese durch die Zahl der Verstärker in und durch eine ganze Zahl n teilt, die zwischen 1 und der Oszillatorfrequenz liegt und die elektrische Anregung der Verstärker durch eine Synchronisationseinheit so synchronisiert, daß ein einzelner Laserpuls des Oszillators durch einen oder mehreren Verstärkern verstärkt wird und die anderen Verstärker zu einem Zeitpunkt durchläuft, in dem diese sich im Zustand der Transmission befinden.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus einem Oszillator und zwei Verstärkern besteht, wobei der Oszillator mit einer Frequenz f_Oszillator zwischen 8 und 16 kHz, vorzugsweise 13 kHz betrieben wird und die Verstärker mit der Frequenz ½ · f_Oszillator und einer zeitlichen Synchronisation der elektrischen Anregung der drei Laser so erfolgt, daß von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen einer durch den 1. Laser verstärkt und den 2. Laser zum Zeitpunkt der Transmission durchläuft, während der nachfolgende Puls den 1. Laser im Zeitpunkt der Transmission durchläuft und im 2. Laser verstärkt wird.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-optische Wirkungsgrad der Kupferdampflaserverstärkerkette mehr als 0.7% beträgt und mit einer Frequenz f_Oszillator von mehr als 8 kHz und weniger als 16 kHz, vorzugsweise zwischen 12 und 14 kHz, betrieben wird.

4. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-optische Wirkungsgrad der Kupferdampflaserverstärkerkette mehr als 0.6% beträgt und mit einer Frequenz f_Oszillator von mehr als 16 kHz und weniger als 32 kHz, vorzugsweise zwischen 24 und 28 kHz, betrieben wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus einem Oszillator und zwei Verstärkern besteht und der gepulste Laserstrahl mit einem polarisierenden Strahlteiler in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen zerlegt wird, wobei der Oszillator mit einer Frequenz f_Oszillator zwischen 8 und 16 kHz, vorzugsweise 13 kHz, und die Verstärker mit der Frequenz ½ · f_Oszillator betrieben werden und die zeitliche Synchronisation der elektrischen Anregung der drei Laser so erfolgt, daß in den beiden Verstärkern so verstärkt wird, daß von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen einer im 1. Laser verstärkt und der nachfolgende Puls im 2. Laser verstärkt wird und anschließend die Teilstrahlen wieder durch einen polarisierenden Strahlteilerwürfel kombiniert werden.

6. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Oszillator-Verstärker-Ketten verwendet werden und durch Synchronisation der Ketten zueinander eine Modulation der mittleren Ausgangsleistung des Lasersystems vorgenommen wird.

7. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Oszillator-Verstärker-Ketten verwendet werden und durch Synchronisation der Ketten zueinander eine Modulation der Amplitude der gepulsten Strahlung des Lasersystems vorgenommen wird.

8. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Laserlicht durch Fokussierung auf die Werkstückoberfläche zur abtragenden Materialbearbeitung benutzt wird.

9. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Laserlicht durch Fokussierung auf die Werkstückoberfläche zum Schweißen verwendet wird.

10. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Laserlicht zu Beleuchtungszwecken dient.