Sistema y procedimiento de procesamiento de materiales con láser de tasa de repetición variable.

Un sistema (10) para procesar materiales (24) con un nivel de energía requerido que comprende:

Una fuente de láser (12) para generar un rayo (22) de pulsos de láser que tiene una tasa de repetición de pulsos; y

Un medio óptico (16) para dirigir el rayo láser (22) a un área objetivo en el material (24); caracterizado por un medio para identificar una tasa de repetición de pulsos requerida para conseguir el nivel de energía requerido en el área objetivo; y

Un medio para establecer la tasa de repetición de pulsos requerida para mantener el nivel de energía requerido en los pulsos de láser para procesar el material.

Sistema y procedimiento de procesamiento de materiales con láser de tasa de repetición variable.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención concierne generalmente a sistemas de láser que se usan para modificar y procesar materiales de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y concierne a un procedimiento para procesar materiales de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 10. Más particularmente, la presente invención concierne a sistemas de láser pulsado que se usan para procesar materiales con secciones del procedimiento que requieren diferentes niveles de energía para la interacción del láser-material (es decir ablación) . La presente invención es particularmente, pero no exclusivamente, útil para emplear el nivel de energía requerido efectivo mientras se optimiza la tasa de repetición de pulsos de un sistema de láser durante un procedimiento de procesamiento de materiales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Cualquier material, independientemente de si es homogéneo o compuesto, se puede procesar en un número indeterminado de modos diferentes. Y, dependiendo de los resultados deseados, el procedimiento que se selecciona para procesar el material se puede llevar a cabo usando parámetros de funcionamiento que puedan requerir ser cambiados durante el procedimiento. De particular interés aquí son los sistemas de láser que procesan o modifican material a efectos de cortar, remodelar o retirar porciones del/los material/es. Como es bien sabido, los procesos de láser para hacer esto suponen habitualmente fenómenos como la ruptura óptica inducida por láser (LIOB) , la fotodescomposición, o la fotoablación.

En los últimos años (es decir desde la invención del láser en los años 60) los sistemas de láser se han usado de forma efectiva para modificar o procesar un número significativo de materiales de diferentes tipos. Más recientemente, se ha reconocido que los rayos láser que tienen pulsos de láser de duración ultra-corta (por ejemplo una duración de picosegundos y femtosegundos) son particularmente efectivos para muchas aplicaciones.

Normalmente, tales sistemas de láser son operados a un nivel fijo de energía de los pulsos, con una tasa de repetición de pulsos fija. De ese modo, ha sido una práctica estándar determinar el nivel de energía que se requiere en los pulsos de láser para procesar de forma efectiva un material/es objetivo. Una tasa de repetición de pulsos que mantendrá este nivel de energía se acepta entonces. Si se necesitaran energías más bajas de las secciones de un procedimiento de procesamiento, la energía de salida del láser se reduciría simplemente usando tipos bien conocidos de atenuadores manteniéndose a su vez la misma tasa de repetición de pulsos. Esto, sin embargo, no considera el hecho de que los cambios en una repetición de pulsos darán como resultado cambios en el nivel de energía de los pulsos de láser en el rayo. Ocurre para muchas aplicaciones que este hecho se puede usar de forma ventajosa.

Del documento US-2005/271095-A1 es obtenible un sistema para procesar materiales con una fuente de láser para generar un rayo de pulsos de láser y un medio óptico para dirigir el rayo láser a un área objetivo en el material.

Con referencia a la Fig. 1, se muestra la relación de la energía de los pulsos y la tasa de repetición en un rayo láser típico de pulsos ultra-cortos. Específicamente, la Fig. 1 muestra que a medida que se incrementa la tasa de 45 repetición (R) de pulsos en un rayo láser, el nivel de energía (E) de los pulsos disminuye. Expresado de otra forma, el nivel de energía en cada pulso depende de la tasa de repetición de pulsos, y varían a la inversa. Como se indica anteriormente, esta tendencia se puede usar para obtener provecho puesto que muchos, de hecho la mayoría, de los materiales no son homogéneos. De ese modo, tales materiales (por ejemplo compuestos) tendrán diferentes umbrales de energía para la ablación, y por lo tanto requieren diferentes niveles de energía para modificar o 50 procesar diferentes secciones del material. Asimismo, incluso en materiales homogéneos, diferentes secciones dentro de un procedimiento de procesamiento pueden requerir diferentes niveles de energía.

En vista de lo anteriormente mencionado, es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema y un procedimiento para predeterminar el nivel de energía requerido para modificar o procesar una sección de material, y 55 después usar la tasa de repetición de pulsos máxima correspondiente con vistas a reducir el tiempo requerido para llevar a cabo un procedimiento de procesamiento de material. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un sistema y procedimiento para procesar un material que emplee de forma efectiva una tasa de repetición de pulsos variable para minimizar el tiempo requerido para llevar a cabo un procedimiento de procesamiento de material. Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un sistema y un procedimiento para procesar un

material que varíe de forma selectiva la tasa de repetición de pulsos de un rayo láser, conforme a instrucciones preprogramadas o bien en respuesta a controles de retroalimentación en bucle cerrado. Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un sistema y un procedimiento para procesar un material que sea relativamente simple de fabricar, sea fácil de usar, y sea relativamente rentable.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objeto anteriormente mencionado se logra mediante un sistema y un procedimiento para procesar materiales de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 10.

De acuerdo con la presente invención, un sistema para procesar materiales incluye una fuente de láser para generar un rayo láser. Específicamente, el rayo incluye una secuencia de pulsos de láser que tienen cada uno un nivel de energía predeterminado. Además, la duración de cada pulso en el rayo láser es ultra-corta, y se halla preferentemente en el intervalo de picosegundos o femtosegundos. Con esto en mente, es un aspecto importante de la presente invención que la fuente de láser sea operada para variar la tasa de repetición de pulsos de láser en el rayo.

Además de la fuente de láser, el sistema de la presente invención también incluye una óptica para dirigir el rayo láser a un área objetivo (por ejemplo mancha focal) y para mover entonces el punto de interacción a lo largo de una trayectoria a través del material que se va a procesar. Como se sobrentiende anteriormente, el sistema también incluye un evaluador que determina un nivel de energía requerido (es decir predeterminado) para cada pulso de láser en manchas focales particulares. Específicamente, el valor de este nivel de energía requerido es cualquiera que sea necesario para procesar el material en la mancha focal (por ejemplo el área objetivo) .

También se proporciona una unidad de control para identificar una tasa de repetición de pulsos requerida, basada en el nivel de energía requerido predeterminado mencionado anteriormente. Además, se proporciona un selector para variar la tasa de repetición de pulsos requerida, según sea necesario, con el fin de establecer y mantener el nivel de energía requerido en los pulsos de láser. Como se concibe para la presente invención, se pueden realizar variaciones en la tasa de repetición de pulsos del rayo láser automáticamente mediante el selector durante un procedimiento. Para este fin, el selector puede responder a instrucciones pre-programadas, o bien a controles de retroalimentación en bucle cerrado.

Como un ejemplo de un procedimiento que se puede llevar a cabo de forma útil mediante el sistema de la presente invención, considérese un material sustancialmente transparente que pueda tener diferentes requisitos de 35 procesamiento del nivel de energía (por ejemplo diferentes umbrales de energía) dentro del material. En tal caso es muy posible que sea ventajoso variar la tasa de repetición de pulsos con vistas a minimizar el tiempo requerido para llevar a cabo el procedimiento. Por ejemplo, esto se puede hacer usando una primera tasa de repetición de pulsos requerida (R1) en una sección del procesamiento que tiene un requisito de procesamiento de energía relativamente alta (P1) , y usando una segunda tasa de repetición de pulsos requerida (R2) en una sección del procesamiento que tiene un requisito de procesamiento de energía relativamente baja (P2) . En el procedimiento, R1 no es igual a R2. En lugar de eso R2 será más rápida (por ejemplo R1 < R2) .

Para la presente invención, se concibe que el procesamiento (es decir ablación) de materiales supondrá modificar el material durante una interacción del láser-material. Como se observó anteriormente, esta... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (10) para procesar materiales (24) con un nivel de energía requerido que comprende:

Una fuente de láser (12) para generar un rayo (22) de pulsos de láser que tiene una tasa de repetición de pulsos; y Un medio óptico (16) para dirigir el rayo láser (22) a un área objetivo en el material (24) ; caracterizado por un medio para identificar una tasa de repetición de pulsos requerida para conseguir el nivel de energía requerido en el área objetivo; y Un medio para establecer la tasa de repetición de pulsos requerida para mantener el nivel de energía requerido en los pulsos de láser para procesar el material.

2. Un sistema (10) según se menciona en la reivindicación 1 en el que el medio de identificación es una unidad de control (18) y el medio de establecimiento es un selector (14) , en el que preferentemente el procesamiento de materiales (24) supone modificar el material (24) con una interacción del láser-material para inducir una respuesta identificable del material (24) .

3. Un sistema (10) según se menciona en la reivindicación 2 que comprende además:

Un detector (26) para monitorizar la respuesta identificable en el material (24) ; y Un conmutador (20) conectado al selector (14) para cambiar entre una primera tasa de repetición de pulsos requerida R1 y una segunda tasa de repetición de pulsos requerida R2 en respuesta a los cambios en la respuesta 25 identificable en el material (24) .

4. Un sistema (10) según se menciona en la reivindicación 3 en el que la interacción del láser-material es la ruptura óptica inducida por láser (LIOB) , en el que el material (24) es un material sustancialmente transparente (24) , y en el que una primera tasa de repetición de pulsos requerida (R1) es mantenida por el selector (14) para su uso en una sección de procedimiento (30) que tiene un requisito de procesamiento de energía relativamente alta (P1) , y una segunda tasa de repetición de pulsos requerida (R2) es mantenida por el selector (14) para su uso en una sección de procedimiento (32) que tiene un requisito de procesamiento de energía relativamente baja (P2) , y en el que R1 es inferior a R2 (R1 <R2) .

5. Un sistema (10) según se menciona en la reivindicación 3 en el que la respuesta identificable es una burbuja de gas y el conmutador cambia entre R1 y R2 en respuesta a un cambio predeterminado en el diámetro de la burbuja de gas.

6. Un sistema (10) según se menciona en la reivindicación 2, que comprende además:

Un evaluador (28) para determinar un nivel de energía requerido en cada pulso de láser para procesar el material (24) en el área objetivo.

7. Un sistema (10) según se menciona en la reivindicación 6 en el que la interacción del láser-material se 45 selecciona de un grupo que consiste en la ruptura óptica inducida por láser (LIOB) , la fotodescomposición, y la fotoablación, en el que preferentemente la respuesta identificable de la fotoablación es una chispa de plasma.

8. Un sistema (10) según se menciona en la reivindicación 6 en el que el establecimiento de la tasa de repetición de pulsos requerida por el selector (14) se logra de acuerdo con un procedimiento pre-programado o en el 50 que el establecimiento de la tasa de repetición de pulsos requerida por el selector (14) se logra en respuesta al control de retroalimentación en bucle cerrado.

9. Un sistema (10) según se menciona en la reivindicación 6 en el que el medio óptico (16) dirige el rayo láser (22) a lo largo de una trayectoria a través del material (24) o en el que cada pulso de láser tiene una duración 55 en un intervalo que incluye femtosegundos y picosegundos.

10. Un procedimiento para procesar materiales (24) que comprende las etapas de:

Determinar un nivel de energía requerido para procesar el material (24) ;

Proporcionar una fuente de láser (12) para generar un rayo (22) de pulsos de láser que tiene una tasa de repetición de pulsos; 5 Dirigir el rayo láser (22) a un área objetivo en el material (24) ; Identificar una tasa de repetición de pulsos requerida para conseguir el nivel de energía requerido al área objetivo; y Establecer la tasa de repetición de pulsos requerida para mantener el nivel de energía requerido en los pulsos de 10 láser para procesar el material (24) , caracterizado por las etapas adicionales de: Monitorizar una respuesta identificable en el material (24) que resulta de la etapa de establecimiento; y Cambiar entre una primera tasa de repetición de pulsos requerida R1 y una segunda tasa de repetición de pulsos 15 requerida R2 en respuesta a los cambios en la respuesta identificable en el material (24) .

11. Un procedimiento según se menciona en la reivindicación 10 que comprende además las etapas de:

Mantener la primera tasa de repetición de pulsos requerida (R1) para su uso en una sección del procedimiento (30) 20 que tiene un requisito de procesamiento de energía relativamente alta (P1) ; y Mantener la segunda tasa de repetición de pulsos requerida (R2) para su uso en una sección del procedimiento (32) que tiene un requisito de procesamiento de energía relativamente baja (P2) , y en el que R1 es inferior a R2 (R1 <R2) .