DE102007029242A1 - Laser beam source for generating pulsed laser beam has solid body as laser active medium working as thermal lens, which is arranged in resonator, where crystal disk is provided as laser active medium - Google Patents

Abstract

The laser beam source has a solid body as laser active medium (2) working as a thermal lens, which is arranged in a resonator. Length (L) is provided between an end mirror with a curvature radius (R-1) and a coupling mirror with another curvature radius (R-2). Main levels (8,10) of the thermal lens have gaps (d-1,d-2) from the resonator. A laser active medium is pumped into diodes, where a crystal disk is provided as the laser active medium.

Description

Translated fromGerman

DieErfindung bezieht sich auf eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen einesgepulsten Laserstrahls mit einem als thermische Linse wirkenden Festkörperals laseraktives Medium.TheThe invention relates to a laser beam source for generating apulsed laser beam with a thermal lens acting as a solidas a laser-active medium.

ZumBearbeiten eines Werkstückes mit einem Laserstrahl habensich insbesondere bei der Mikrostrukturierung, beispielsweise beimVereinzeln von Halbleiterbauelementen (wafer-dicing) oder beim Abtragendünner Schichten sowie beim Feinschneiden insbesondereFestkörperlaser als besonders vorteilhaft herausgestellt.Bei solchen Festkörperlasern handelt es sich in der Regelum mit Übergangsmetallatomen oder Seltenerdmetallatomendotierte Wirtskristalle, wobei in industriellen Applikationen am häufigstenNd:YAG-Laser mit einem stabförmigen laseraktiven Mediumeingesetzt werden. Für die Mikrobearbeitung von Werkstückenwerden dabei insbesondere gepulste Laserstrahlen verwendet. Mitkonventionellen und für den industriellen Einsatz vorgesehenen,kommerziell verfügbaren Festkörperlasern lassensich jedoch mit vertretbarem technischen Aufwand nur Laserstrahlpulseerzeugen, deren Pulsdauern bei Repetitionsraten bis 200 kHz zwischen50 ns bis 200 ns betragen. Dabei gilt grundsätzlich dieRegel, dass hohe Pulsdauern nur mit niedriger Repetitionsrate undniedriger Pumpleistung erzielt werden können.To theEdit a workpiece with a laser beamespecially in microstructuring, for example in theSeparation of semiconductor devices (wafer-dicing) or ablationthin layers as well as fineblanking in particularSolid-state laser has been found to be particularly advantageous.Such solid-state lasers are usuallywith transition metal atoms or rare earth metal atomsdoped host crystals, being the most common in industrial applicationsNd: YAG laser with a rod-shaped laser-active mediumbe used. For the micromachining of workpiecesin particular pulsed laser beams are used. Withconventional and intended for industrial use,commercially available solid state lasersHowever, with reasonable technical effort only laser beam pulsesgenerate their pulse durations at repetition rates up to 200 kHz between50 ns to 200 ns. In principle, theRule that high pulse durations only with low repetition rate andlow pumping power can be achieved.

Fürbestimmte Applikationen sind aber hohe Pulsdauern bei zugleich hoherPulsleistung von Vorteil. Dieser besteht einerseits darin, dassmit Zunahme der Pulsdauer eine Zunahme der Bearbeitungstiefe einhergeht,weil die Zeitdauer der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Materievergrößert ist und dementsprechend der durch Verdampfenbewirkte Materialabtrag pro Laserstrahlpuls zunimmt. Fürdie Mikrobearbeitung haben sich insbesondere Pulsdauern bis maximal10000 ns, insbesondere bis etwa 3000 ns als besonders vorteilhaftherausgestellt. Eine weitere Zunahme der Pulsdauer ist dabei nichterstrebenswert, da dann anstelle eines Abtragens ein großvolumigesAufschmelzen des Werkstückes beginnt.ForHowever, certain applications are high pulse durations at the same time highPulse power of advantage. This consists on the one hand in thatas the pulse duration increases, the depth of processing increases,because the time duration of the interaction between laser beam and matteris enlarged and accordingly by evaporationcaused material removal per laser beam pulse increases. ForIn particular, micromachining has pulse durations up to a maximum10000 ns, in particular to about 3000 ns as particularly advantageousexposed. A further increase in the pulse duration is notdesirable, because then instead of abrading a large volumeMelting of the workpiece begins.

UmPulsdauern im Bereich zwischen 200 ns und 10000 ns zu erzielen,wird deshalb in derDE102 32 124 A1 vorgeschlagen, einem gütegeschalteten Festkörperlaser-Oszillatorwenigstens einen resonatorexternen Laserverstärker nachzuschalten,der es ermöglicht, den Festkörperlaser-Oszillatorin einem niedrigen Leistungsbereich zu betreiben, in dem es möglichist, derart hohe Pulsdauern zu realisieren. Eine solche Vorgehensweiseist aber mit einem hohen konstruktiven Aufwand verbunden.In order to achieve pulse durations in the range between 200 ns and 10000 ns, is therefore in the DE 102 32 124 A1 proposed to connect a Q-switched solid-state laser oscillator at least one resonator-external laser amplifier, which makes it possible to operate the solid-state laser oscillator in a low power range, in which it is possible to realize such high pulse durations. Such an approach is associated with a high design effort.

DerErfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Laserstrahlquellezum Erzeugen eines gepulsten Laserstrahls mit einem als thermischeLinse wirkenden Festkörper als aktives Medium anzugeben,mit der es möglich ist, ohne resonatorexterne NachverstärkungLaserstrahlpulse mit Pulsdauern größer als 200ns zu erzeugen.Of theInvention is now based on the object, a laser beam sourcefor generating a pulsed laser beam with a thermalSpecify lens-active solids as the active mediumwith which it is possible, without resonator-external amplificationLaser beam pulses with pulse durations greater than 200ns to produce.

Diegenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöstmit einer Laserstrahlquelle mit den Merkmalen des Patentanspruches1. Gemäß diesen Merkmalen enthält dieLaserstrahlquelle als laseraktives Medium einen als thermische Linsewirkenden Festkörper, der in einem Resonator der LängeL zwischen einem Endspiegel mit dem Krümmungsradius R₁ und einem Auskoppelspie gel mit dem KrümmungsradiusR₂ angeordnet ist, und dessen Hauptebenender thermischen Linse einen von den Resonatorspiegeln – Endspiegelund Auskoppelspiegel – einen Abstand d₁ bzw.d₂ haben und die folgende Beziehung erfüllen:1/d2 + 1/(R2 – d2) < 2dptund|1/d1 – 1/d2 + 1/(R1 – d1) – 1/(R2 – d2)| < 5dpt.The above object is achieved according to the invention with a laser beam source having the features of claim 1. According to these features, the laser beam source contains as laser active medium acting as a thermal lens solid, in a resonator of length L between an end mirror with the radius of curvature R₁ and a Auskoppelspie gel is arranged with the radius of curvature R₂ , and whose main planes of the thermal lens one of the resonator - end mirror and Auskoppelspiegel - have a distance d₁ or d₂ and meet the following relationship: 1 / d 2 + 1 / (R 2 - d 2 ) <2 dpt and | 1 / d 1 - 1 / d 2 + 1 / (R 1 - d 1 ) - 1 / (R 2 - d 2 ) | <5 dpt.

DieErfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es mit einem derartdimensionierten Resonator oder Laserstrahl-Oszillator insbesonderemöglich ist, Laserstrahlpulse mit Pulsdauern zwischen 200und 3000 ns bei Repetitionsraten zwischen 5 und 50 kHz zu erzeugen.TheThe invention is based on the recognition that it is suchdimensioned resonator or laser beam oscillator in particularis possible, laser pulses with pulse durations between 200and 3000 ns at repetition rates between 5 and 50 kHz.

Zurweiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispieleder Zeichnung verwiesen. Es zeigen:toFurther explanation of the invention will be made to the embodimentsreferred to the drawing. Show it:

1 und2 alternativeAusführungsformen einer Laserstrahlquelle gemäß derErfindung jeweils in einem schematischen Prinzipbild. 1 and 2 Alternative embodiments of a laser beam source according to the invention in each case in a schematic schematic diagram.

Gemäß1 umfasstdie Laserstrahlquelle ein im Ausführungsbeispiel stabförmigeslaseraktives Medium2 das zwischen zwei Resonatorspiegeln4 und6 angeordnetist. Das laseraktive Medium2 wird mit einer Diodenlaseranordnungoptisch gepumpt, die aus Gründen der Übersichtlichkeitin der Figur nicht dargestellt ist. Einer der Resonatorspiegel,im Beispiel der Resonatorspiegel4, dient als Rückspiegelwährend der andere Resonatorspiegel6 als Auskoppelspiegeldient. Die Krümmungsradien R₁ und R₂ der Resonatorspiegel4 bzw.6 sowiedie Abstände d₁ und d₂ derHauptebenen8,10 der beim Betrieb der Laserstrahlquelleentstehenden thermischen Linse erfüllen dabei folgendeBeziehungen:1/d2 + 1/(R2 – d3) < 2 dptund|1/d1 – 1/d2 + 1/(R1 – d1) – 1/(R2 – d2)| < 5dpt.According to 1 the laser beam source comprises a rod-shaped laser-active medium in the exemplary embodiment 2 that between two resonator mirrors 4 and 6 is arranged. The laser-active medium 2 is optically pumped with a diode laser array, which is not shown in the figure for reasons of clarity. One of the resonator mirrors, in the example the resonator mirror 4 , serves as a rearview mirror while the other resonator mirror 6 serves as Auskoppelspiegel. The radii of curvature R₁ and R_{2 of} the resonator mirror 4 respectively. 6 and the distances d₁ and d_{2 of} the main planes 8th . 10 The resulting during operation of the laser beam source thermal lens meet the following relationships: 1 / d 2 + 1 / (R 2 - d 3 ) <2 dpt and | 1 / d 1 - 1 / d 2 + 1 / (R 1 - d 1 ) - 1 / (R 2 - d 2 ) | <5 dpt.

DiePulsdauer des aus dem Resonator austretenden Laserstrahls L kanndann bei Einhalten der vorstehend genannten Beziehungen auf Wertezwischen 200 und 3000 ns eingestellt werden, indem mit Hilfe einesGüteschalters12 die Repetitionsrate eingestelltwird.The pulse duration of the laser beam L emerging from the resonator can then be adjusted to values between 200 and 3000 ns while maintaining the above-mentioned relationships, by means of a Q-switch 12 the repetition rate is set.

ImAusführungsbeispiel gem.2 ist alslaseraktives Medium2 eine dünne, nur wenige Zehntelmillimeterdicke Kristallscheibe vorgesehen, deren verspiegelte Rückseitegleich als Endspiegel dient. Ein solcher Festkörperlaserist beispielsweise aus derUS5,553,088 bekannt ist. Im Beispiel ist die Kristallscheibein einem gefalteten Resonator mit zwei Faltspiegeln14-1 und14-2 angeordnet(Z-Faltung).In the embodiment gem. 2 is as a laser-active medium 2 a thin, only a few tenths of a millimeter thick crystal disc provided whose mirrored back immediately serves as an end mirror. Such a solid-state laser is for example from the US 5,553,088 is known. In the example, the crystal disk is in a folded resonator with two folding mirrors 14-1 and 14-2 arranged (Z-folding).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - DE 10232124A1[0004]DE 10232124 A1[0004]
• - US 5553088[0012]US 5553088[0012]

Claims (4)

Translated fromGerman

Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines gepulstenLaserstrahls mit einem als thermische Linse wirkenden Festkörperals laseraktives Medium, der in einem Resonator der LängeL zwischen einem Endspiegel mit dem Krümmungsradius R₁ und einem Auskoppelspiegel mit dem KrümmungsradiusR₂ angeordnet ist, und dessen Hauptebenender thermischen Linse einen von den Resonatorspiegeln einen Abstandd₁ bzw. d₂ habenund die folgende Beziehung erfüllen:1/d2 + 1/(R2 – d2) < 2dptund|1/d1 – 1/d2 + 1/(R1 – d1) – 1/(R2 – d2)| < 5dpt.A laser beam source for generating a pulsed laser beam having a thermally acting as a solid lens as a laser active medium, which is arranged in a resonator of length L between an end mirror with the radius of curvature R₁ and a Auskoppelspiegel with the radius of curvature R₂ , and whose main planes of the thermal lens one of the resonator mirrors have a distance d₁ or d₂ and satisfy the following relationship: 1 / d 2 + 1 / (R 2 - d 2 ) <2 dpt and | 1 / d 1 - 1 / d 2 + 1 / (R 1 - d 1 ) - 1 / (R 2 - d 2 ) | <5 dpt.Laserstrahlquelle nach Anspruch 1, bei der das laseraktiveMedium diodengepumpt ist.Laser beam source according to claim 1, wherein the laser-activeMedium diode pumped.Laserstrahlquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei derals laseraktives Medium eine Kristallscheibe vorgesehen ist.Laser beam source according to claim 1 or 2, whereinas laser-active medium a crystal disk is provided.Laserstrahlquelle nach einem der Ansprüche1 bis 3, bei der der Resonator gefaltet ist und zumindest einenFaltspiegel aufweist.Laser beam source according to one of the claims1 to 3, wherein the resonator is folded and at least oneFolding mirror has.