CN114600009A - 分段式射束成形元件和激光加工设施 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于在激光射束(5)的横向射束轮廓上施加相位分布的衍射光学射束成形元件(15)。其包括彼此邻接并构造面式的光栅结构的面元件(15A),其中每个面元件(15A)被分配一相移值并且相移值限定二维的相位分布(25)。面元件(15A)被分配给多个角度分段(31,31';33,33'),其中,每个角度分段(31,31';33,33')具有相对于射束中心位置(23)的、方位角的分段宽度(Δβj)。相移值在角度分段(31,31';33,33')中分别构造相对于射束中心位置(23)径向对称的相位变化过程,并且径向对称的相位变化过程在径向方向构造具有相同光栅周期(Tr)的光栅函数。分段光栅相位(Θ)分配给这些光栅函数中的每个光栅函数。至少两个相邻角度分段(31,31';33,33')的方位角的分段宽度(Δβj)不同。替代地或附加地,至少两个相邻角度分段(31,31';33,33')的分段光栅相位(Θj)具有0和2π之间的分段光栅相位差(ΔΘj)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在传播方向上构造无衍射的强度区的射束成形元件。本发明还涉及一种具有射束成形元件的激光加工设施。
背景技术
在透明激光加工中,使用激光辐射在对激光辐射基本透明且在本文中称为透明材料的材料中产生修改(Modifikation)。在材料体积中发生的激光辐射的吸收(简称体积吸收)可以用于例如钻孔、通过感应电压的分离、焊接、修正折射性能或透明材料的选择性激光蚀刻。在这方面,例如参见申请人的申请WO 2016/079062 A1、WO 2016/079063 A1和WO2016/079275 A1。
在这些应用领域中,能够适当地检查材料中修改的几何形状和类型可能很重要。除了比如激光波长、随时间变化的脉冲形状、脉冲数量和脉冲能量等参数外,射束形状在这里也可能重要相关。
因此,例如,用于将玻璃分离的基于超短脉冲激光的玻璃修改工艺通常以比如例如在类贝塞尔式的射束轮廓中存在的细长的(langgezogenen)焦点分布进行。这些可以在材料中构造细长的修改,细长的修改在材料内部沿激光辐射的传播方向延伸。
例如在所提及的WO 2016/079062 A1中描述了射束成形元件和光学设置,通过射束成形元件和光学设置可以提供纤细的射束轮廓,纤细的射束轮廓在射束传播方向上是细长的并且对于激光加工具有高纵横比。例如,WO 2016/079062 A披露了如下射束轮廓的构造,这些射束轮廓沿传播方向改变并且可以沿Z轴具有周期性,例如周期性的强度轮廓。
本披露的一个方面基于的目的是提供一种衍射光学射束成形元件,该衍射光学射束成形元件使得可以对于定制的体积吸收进行射束成形。特别地,本披露基于的目的是为透明材料的加工(即用于透明材料的激光辐射)提供射束成形元件,该射束成形元件可以提供纤细射束轮廓,这些射束轮廓在射束传播方向上是细长的并且对于激光加工应用具有高纵横比。
发明内容
这些目的中的至少一个通过根据权利要求1所述的射束成形元件和根据权利要求10所述的激光加工设施来实现。从属权利要求中说明扩展方案。
在一个方面,一种用于在激光射束的横向射束轮廓上施加相位分布的衍射光学成形元件包括彼此邻接并构造面式的光栅结构的面元件在光栅结构中,每个面元件都分配有相移值,并且相移值限定二维的相位分布。二维的相位分布具有射束中心位置,该射束中心位置限定面式的光栅结构中的径向方向。面元件被分配给多个角度分段。每个角度分段具有相对于射束中心位置的、方位角的分段宽度。角度分段中的相移值分别相对于射束中心位置构造径向对称的相位变化过程。径向对称的相位变化过程在径向方向构造具有相同光栅周期的光栅函数。将分段光栅相位特别是相对于射束中心位置分配给光栅函数中的每个光栅函数。至少两个相邻角度分段的方位角的分段宽度不同。替代地或附加地,至少两个相邻角度分段的分段光栅相位具有0和2π之间的分段光栅相位差。
在另一方面中,披露了一种用于通过在聚焦区中将材料修改而借助激光射束加工该材料的激光加工设施,该聚焦区在该激光射束的传播方向上细长地构造。激光加工设施包括输出激光射束的激光射束源、具有本文所披露的衍射光学射束成形元件的光学***、以及具有聚焦透镜的射束成形与射束引导模块。衍射光学射束成形元件布置在激光射束的射束路径中以便将二维的相位分布施加在激光射束上,二维的相位分布实现通过用聚焦透镜将激光射束聚焦而在材料中构造细长的聚焦区。
在一些实施方式中,相位分布可以相对于射束中心位置点对称地构造。此外,至少两个角度分段可以相对于射束中心位置构造相同的径向对称的相位变化过程,这些角度分段可以特别是相对于射束中心位置彼此相反。
在一些实施方式中,光栅函数可以各自包括锯齿光栅相位变化过程的部分,每个锯齿光栅相位变化过程中的上升区域的斜率可以对应于分配给衍射光学射束成形元件的预定的轴锥角。预定的轴锥角可以位于0.5°至40°的范围内,以在衍射光学射束成形元件的射束下游通过激光射束产生真实的贝塞尔射束中间焦点,或者可以在-0.5°至-40°的范围内,以作为衍射光学射束成形元件的射束上游的虚拟贝塞尔射束中间焦点的基础。
在一些实施方式中,衍射光学射束成形元件的方位角的分段宽度可以位于从2π/300至π的范围内。可选地,多个角度分段中的每个角度分段可以具有相同的预定的分段宽度。
在一些实施方式中,二维的相位分布可以通过一个或多个对称轴表征。
在一些实施方式中,光栅周期可以在径向方向上构造为恒定的。
在一些实施方式中,光栅周期可以在径向方向上具有非球面的、优选地二次的并且特别优选地线性的变化过程。替代地或附加地,可以将相对于射束中心位置在多个角度分段上径向对称地构造的准直相位分布集成在二维的相位分布中。
在激光加工设施的一些实施方式中,衍射光学射束成形元件的射束中心位置可以定向至激光射束的横向射束轮廓的射束中心。
此外,激光加工设施可以包括工件支架,其中,设置射束成形与射束引导模块的相对可定位性和由工件支架提供的工件作为待加工材料的相对可定位性。
本文描述的构思特别涉及(三维)射束轮廓,它在传播方向上构造为无衍射(非衍射)。由于沿传播方向在射束轮廓中没有明显的强度变化,因此可以对沿传播方向连续构造的材料产生修改。
附图说明
本文披露了允许改进现有技术的至少部分方面的构思。特别地,进一步的特征和它们的便利将从以下参照附图对实施方式的描述中变得显而易见。在附图中:
图1A示出了具有细长构造的聚焦区的具有用于将材料加工的射束成形元件的激光***的示意图,
图1B示出了用于展示轴锥相位和贝塞尔聚焦区的施加的示意图,
图2A示出了具有多个分段的射束成形元件的二维的相位分布的示意性表示,
图2B示出了来自图2A的射束成形元件的分段的两个径向相位变化过程的示意性比较表示,
图2C示出了径向相位变化过程的表示,其中光栅周期在径向方向上增加,
图3A和图3B示出了用于展示分段式射束成形元件的第一示例的二维的相位分布的图,
图3C和图3D示出空间中计算的强度分布,比如可以通过图3A的相位分布在材料中产生,
图4A和图4B示出了用于展示分段式射束成形元件的第二示例的二维的相位分布的图,并且
图4C和图4D示出空间中计算的强度分布,可以通过图4A的相位分布在材料中产生。
具体实施方式
本文描述的方面部分基于以下发现:比如由于射束在传播方向上的衍射而发生的、沿开始时提到的Z轴周期性构造的强度轮廓可以影响激光加工时修改的构造。例如,比如在这种强度轮廓的情况下可能出现的材料弱化可能在传播方向上彼此相距太远,结果是可能影响分离结果的质量。
对应地,本文披露的构思旨在产生在传播方向(即纵向)上没有衍射的射束轮廓。发明人在这方面已经认识到,利用射束成形元件,可以在多个(方位)角度分段中施加特定的相位变化过程。在这种情况下,分段特定的相位变化过程被设计成使得它们一起产生在传播方向上基本上没有衍射的射束轮廓。如果在在角度分段中施加以下相位变化过程,则可以实现无衍射构造:该相位变化过程在径向方向上具有相同的光栅特性(例如恒定的光栅周期/径向相同变化的“相同的”光栅周期),并且中径向相位变化过程中“绝对相位”、在本文中称为分段光栅相位Θj中相差一分段光栅相位差(图2B中的ΔΘj)。这里,“相同光栅周期”的条件涉及用于构造细长的聚焦区的相位部分,其比如在分段中分别应用于输入射束。在这种情况下,光栅周期也可以在径向方向上变化,例如在覆盖透镜时,由此光栅周期可以在径向方向上非球面地、线性地或二次地变化。
发明人还认识到,可以改变分段的方位宽度和分段的方位位置以用于三维射束轮廓的成形,而不会失去能够构造射束轮廓(聚焦分布)而在传播方向上没有衍射的特征。
在这种情况下,分段的方位宽度(在本文中也称为分段宽度)是分配给分段的、方位角的区域。分段宽度例如在从2π/200至π的范围内。每个空间定义的分段被分配有分段光栅相位Θj。此外,对称性要求、比如相对于相位掩模中心的点对称性或比如一个或多个对称轴可以施加在相位分布上,结果是,分段在它们的相位分布中对应。例如,在点对称的情况下,相対置的分段可能具有相同的相位分布。在图4B的示例中,细分为200个分段,由于对称性,要确定的分段光栅相位Θj的数量为50。
分段的位置(在本文中也称为分段位置)可以例如通过相应分段的中心角来指定。
下面结合图1至图4D描述射束成形元件的使用和示例性实施方式。
图1示出了用于通过激光射束5加工材料3的激光加工设施1的示意图。加工在聚焦区7中带来材料3的修改。如图1A所示,聚焦区7在激光射束5的传播方向9上可以大致细长地构造。例如,聚焦区7是贝塞尔射束或反贝塞尔射束的聚焦区(比如可以在基本上透明的材料中构造)。
激光加工设施1包括产生并输出激光射束5的激光射束源11。激光射束5例如是脉冲化激光辐射。激光脉冲具有例如导致脉冲峰值强度的脉冲能量,脉冲峰值强度引起材料3中的体积吸收并因此构造期望几何形状的修改。
为了射束成形和引导,激光加工设施1还包括光学***13。光学***13(也称为加工头)包括衍射光学射束成形元件15和具有聚焦透镜17A的射束成形与射束引导模块17。
在图1A中未示出光学***13的其他射束引导部件,比如例如反射镜、透镜、望远镜布置、滤光片和用于定向各种部件的控制模块。
最后,激光加工设施1包括示意性示出的用于安装工件的工件支架19。在图1A中,工件为待加工材料3。例如,工件可以是玻璃片或对所使用的激光波长很大程度上透明的片材,并且具有(例如蓝宝石或硅的)陶瓷或晶体构造。对于材料3的加工,在光学***13和材料3之间进行相对移动,结果是可以沿着预定的轨迹在各个位置处构造聚焦区7。为了将材料3分成两部分,轨迹于是确定分离线的走向。
通常,激光射束5通过以下射束参数确定:比如波长、光谱范围、时间上的脉冲形状、脉冲群的构造、射束直径、横向射束轮廓/输入强度轮廓、横向输入相位变化过程、输入发散度和/或偏振等。
根据图1A,激光射束5被供应给光学***13用于射束成形的目的,即用于转换一个或多个射束参数。对于激光材料加工,通常情况是,激光射束5近似为具有横向高斯强度轮廓的准直高斯射束,准直高斯射束由激光射束源11(例如超短脉冲高功率激光***)产生。关于可以使用的激光辐射,例如参考在开头提到的在申请人的申请中描述的激光***和参数。
光学***13通常分配有光轴21,光轴优选地延伸穿过射束成形元件15的对称点(例如穿过衍射光学射束成形元件15的射束中心位置23,见图2A)。在旋转对称的激光射束5的情况下,激光射束5的横向射束轮廓的射束中心可以沿光学***13的光轴21入射在射束中心位置23上。
射束成形元件15是空间光调制器。例如,它可以实施为固定刻印(eingeschrieben)的衍射光学元件。射束成形元件15也可以通过以时间相关方式设置可编程衍射光学元件以电子方式实现(液晶显示器(SLM空间光调制器))。这种类型的射束成形元件通常是数字化的射束成形元件,它们被设计成在激光射束的横向射束轮廓上施加相位变化过程。在这方面,数字化可以涉及使用离散值进行相移和/或横向光栅结构。
通常,与例如光刻生产的固定刻印的衍射光学元件相比,可设置的衍射光学射束成形元件可以允许在侧向较粗略的分辨率的情况下的非常精细的相位变化。固定刻印的衍射光学元件可以例如包括平面平行台阶,台阶区域中的材料厚度确定相移的程度。平面平行台阶的光刻生产使得能够实现高侧向分辨率。
根据射束成形元件的构造,它可以用于透射或反射,以便在激光射束上施加相位变化过程。通常可以例如在开头提到的申请中描述的申请人的光学设置中使用本文提出的射束成形元件。结合图2A至图4D以示例的方式解释了基本特征。
实现相位施加并且面状构造的射束成形元件也称为相位掩模,其中,这些掩模与二维的相位分布的相位有关。
本文披露的构思的二维的相位分布特别设计用于(在用聚焦透镜17A聚焦之后)在工件中产生细长的聚焦区。
图1B在在此展示了“真实”贝塞尔射束聚焦区81的产生(比如可以例如用望远镜布置在工件中成像)。为了构造贝塞尔射束聚焦区81,对激光射束5施加横向轴锥相位分布。轴锥相位分布对应于使用具有折射率n的材料的(旋转对称的)轴锥83横向施加在入射射束5上的相位。轴锥83的特征在于轴锥角γ,它指定了逐渐圆锥形变化的轴锥尖端的角度。衍射光学元件可以再现这样的轴锥相位分布,其相移值相应地提供在面元件上(也参见图2A)。
图1B还示出了与入射激光辐射的传播方向9'的角度δ,(横向)射束部分以此角度被馈送到贝塞尔射束聚焦区81。角度δ取决于轴锥角γ和折射率n。贝塞尔射束聚焦区81的最大可能长度l0由入射激光辐射的射束直径以及角度δ获得。
图1B还分别以穿过射束轴线(在X方向上)和沿着射束轴线(在Z方向上)的截面和强度分布展示了产生的横向强度分布85A以及还有纵向强度分布85B。横向强度分布85A中的主最大值87的直径d0也以示例的方式示出。
如图1B所示,仍然在工件中成像聚焦区之前,聚焦区对应于三维强度分布,三维强度分布决定待加工材料3中相互作用的空间范围并因此决定修改的范围。因此在材料3中沿传播方向9为细长的区域中的细长的聚焦区中产生以下通量/强度,该通量/强度高于这种材料的用于加工/修改的相关阈值通量/阈值强度。
当关于目标阈值强度的三维强度分布通过至少10:1、例如20:1以及更大或者30:1以及更大、例如10000:1的纵横比(传播方向上的范围与侧向范围相比)表征时,通常提及细长的聚焦区。这种类型的细长的聚焦区可以导致具有相似纵横比的、材料的修改。在一些实施方式中,可以构造例如在传播方向上也彼此平行延伸的(部分)聚焦区,每个聚焦区具有对应的纵横比。对于图1B所示的贝塞尔射束聚焦区81,光轴上主最大值87的纵向范围与横向范围之比由r0=2.405/kr给出,其中kr=2*π/λ*(n-1)*γ,其中γ是轴锥角,λ是波长,n是轴锥材料的折射率。
特别是对于贝塞尔射束轮廓,可以将能量侧向引入细长的聚焦区(在图1B中,以与传播方向9'成角度δ引入尚未成像的贝塞尔射束聚焦区81),以便在要引起的修改的基本上整个长度上进行体积吸收。在这种情况下,高斯射束不能产生可比的细长的聚焦,因为能量提供是基本上纵向而不是侧向进行的。
回到射束成形,图2A示意性地示出了衍射光学射束成形元件15的二维的相位分布25(比如可以用衍射光学射束成形元件15施加在横向射束轮廓上)。图2B示出了用于展示径向相位变化过程的相关曲线图26,在二维的相位分布25中比如从衍射光学射束成形元件15的射束中心位置23开始在径向方向上在对应分段中构造该径向相位变化过程。
图2A至图2B以灰色阴影示出了从-π到+π的所基于的相移值(以弧度为单位的相位),并将它们表示为相位值。如下所解释的,相位分布25和径向相位变化过程具有以示例方式给出的锯齿结构,以再现类轴锥的相位施加。
二维的相位分布25被分段(划分)为多个角度分段(以下也简称为分段)。射束成形元件15可以(如本发明的意义上的修改的轴锥)布置在激光射束5的射束路径中,以用于将根据二维的相位分布25的相位施加到激光射束5的横向射束轮廓上。
图2A展示了二维的相位分布25的参数和分配的面式的光栅结构的参数,面式的光栅结构实现了二维的相位分布25。
面式的光栅结构借助彼此邻接的面元件15A和分配给它们的相移值构造。在本文中,面元件15A指的是面式的光栅结构的空间结构单元,这些空间结构单元使得可以根据分配的相移值对撞击的激光辐射产生预设相移。面元件15A对应地作用于激光射束15的横向射束轮廓的二维切口并且通过相移值修改相位。面元件对应于前面提到的数字化方面。示例性面元件15A在图2A中表示在相位分布25的右上角,面元件(例如为矩形)之间的尺寸比和相位相关性取决于射束成形元件的生产。
面元件15A构造多个角度分段,它们分别显示了在相关联的角度分段区域上相位(相位分布)的均匀径向发展。角度分段分别具有相对于射束中心位置23的、方位角的分段宽度。在图2A中,方位角的分段宽度通过用于角度分段的、方位角的范围Δβj展示。图2A中所示的角度分段区域对应于圆形扇形区域,圆形扇形区域可以通过射束成形元件15的基本形状在外周区域中进行裁剪。因此,举例来说,在图2A中存在射束成形元件15的二次基本形状。
例如,方位角的分段宽度可以位于从2π/300到π的范围内。可选地,多个角度分段中的每个角度分段可以具有相同的预定的分段宽度,例如2π/200的方位角范围。
图2A的相位分布25中还描绘了已经提到的射束中心位置23,入射激光射束5的中心被调整到该位置。射束中心位置23限定(在图2A中,在从射束中心位置23开始的绘图平面中)面式的光栅结构中的径向方向,沿着该径向方向存在径向相位变化过程。
对于图2A的相位分布25,图2B(以相位变化过程曲线)示出了径向相位变化过程27A和27B,它们分别由穿过两个相对置的分段31、31'和33、33'的相移值的变化过程构造。特别地,图2B示出了Y=0时沿X轴穿过分段31、31'的相移值的变化过程(图2A中的线29A属于相位变化过程27A)以及穿过与分段31、31'邻接的分段33、33'的相移值的变化过程(相位变化过程27B)。相位变化过程27A和27B都延伸穿过射束中心位置23(X=0和Y=0)。
根据示例性周期函数(例如锯齿光栅),在这些分段中存在相移值,这些相移值取决于距射束中心位置23的径向距离r而变化。可以看出,相位变化过程沿径向方向呈线性增加。在角度分段中,相移值相对于射束中心位置23构造径向对称的相位变化过程,相位变化过程在径向方向上可以分配给光栅函数。换言之,相位变化过程27A、27B逐区段地旋转对称。在图2B的分段中,光栅函数在径向方向上并且与径向位置无关而具有相同的光栅周期Tr。
在两个相邻的角度分段之间可能存在相位偏移。这在图2B中以示例的方式通过分段光栅相位差ΔΘj来说明。分段光栅相位Θj可以例如关于旋转对称的光栅在光栅中心位置23说明,旋转对称的光栅的相位在光栅的原点处为“零”。举例来说,图2B中的分段光栅相位Θj对于角度分段31、31'是“0”并且对于角度分段33、33'是“(-π)”。这对应于相邻角度分段31与33的分段光栅相位Θj之间以及相邻角度分段31'与33'之间的分段光栅相位差ΔΘj为(-π)。
在一些实施方式中,光栅函数(仅)具有(径向)锯齿光栅相位变化过程的部分,该相位变化过程具有循环的上升区域41,其中相位例如从(-π)前进到π(以对应于轴锥的线性相位变化的方式,参见图1B)。也就是说,锯齿光栅相位变化过程的部分是本文讨论的相位变化过程选择的第一方面。可以覆盖在本文披露的构思之上的相位变化过程中的其他部分是可能的。
作为其他相位部分的集成的示例,远场光学***的相位分量可以被包括在相位分布中,远场光学***在光学***13中布置在射束成形元件15的下游。因此,可以将例如相对于射束中心位置在多个角度分段上径向对称地构造的准直相位分布集成在二维的相位分布中。(在这方面也参见开头提到的申请人的申请。)
在图2C的曲线图26'中,展示了图2B中所示的锯齿光栅相位变化过程(轴锥相位部分)与(旋转对称的)透镜相位部分的叠加。可以看出,在穿过两个相对置的分段的相位变化过程27'的情况下,光栅周期随着半径(距射束中心位置23的距离)的增加而增加,即Tr"<Tr'。径向方向上的光栅周期可以例如具有非球面的、优选地二次的并且特别优选地线性的变化过程,比如如果要集成透镜功能的情况。
如果光栅周期的径向相关性对于所有分段都相同,则径向对称的相位变化过程同样构造在各个分段中在径向方向上具有相同光栅周期的光栅函数。
根据本发明,在一些实施方式中,每个锯齿光栅相位变化过程中的上升区域41的斜率可以对应于预定的轴锥角(图1B中的轴锥角γ)。预定的轴锥角分配给衍射光学射束成形元件15并确定贝塞尔射束的构造。预定的轴锥角可以例如在从0.5°至40°的范围内(典型地在从1°至5°的范围内),以在衍射光学射束成形元件(31)的射束下游通过激光射束产生真实的贝塞尔射束中间焦点。预定的轴锥角可以例如在从-0.5°至-40°的范围内(典型地在从-1°至-5°的范围内),以用于衍射光学射束成形元件15的射束上游的虚拟贝塞尔射束中间焦点的基础。
对于本文披露的构思的实施,至少两个相邻角度分段的方位角的分段宽度不同。替代地或附加地,至少两个相邻角度分段的分段光栅相位Θj具有介于0和2π之间的分段光栅相位差ΔΘj,特别是在分段宽度对于0和π之间或π和2π之间的所有分段相同的情况下。在一些实施方式中,附加地,至少两个相邻角度分段可以具有π的分段光栅相位差ΔΘj。
在图2A中还可以看出,作为示例,相位分布25相对于射束中心位置23点对称地构造。此外,至少两个角度分段、特别是相对于射束中心位置23相对置的角度分段可以相对于射束中心位置23构造相同的径向对称的相位变化过程。一般地,二维的相位分布可以由一个或多个对称轴来表征;在图2A中,对称轴沿X轴、Y轴并穿过射束成形元件的二次基本形状的对角线延伸。
如已经提到的,射束成形***可以具有不同的分段尺寸,比如由方位角的分段宽度(方位角范围Δβj)确定。此外,角度分段的方位位置(在本文中也称为分段位置)可以变化,结果是存在各种优化的可能性。在图2A中,具有方位角范围Δβj的分段的分段位置由相对于X轴的角度αj表明,即由线29A与例如穿过分段中心(在方位方向上)延伸的对角线(如图2A中的线29B)之间的角度表明。
下文参考图3A至图3D和图4A至图4D描述的在产生细长的无衍射聚焦区的结果应被理解为以示例的方式给出。应当理解,根据本发明,可以实现另外的聚焦分布,其中改变比如分段光栅相位差和可选的参数(分段位置、分段宽度和分段数量)中的一个或多个参数的起始参数。
本文描述的构思一般可以表示如下:
非常一般地,理想的薄轴锥以线性增加的径向对称的相位分布调制输入场:Φaxi(r)=krr(kr=2*pi/Tr,其中Tr为锯齿光栅的光栅周期)
在这种情况下,kr由轴锥角γ、折射率n和波长λ给出(假设小角度近似):kr=2π(n-1)γ/λ
(参见例如:J.Leach、G.M.Gibson、M.J.Padgett、E.Esposito、G.McConnell、A.J.Wright和J.M.Girkin,“Generation of achromatic bessel beams using acompensated spatial light modulator[使用补偿空间光调制器生成消色差贝塞尔射束]”,Opt.Express 14,5581-5587(2006))
本文披露的构思保持径向相关性以确保聚焦区在传播方向上没有衍射,其中,通过角度分段的构造增加方位相关性:Φ(r,φ)=krr+Θ(φ)
能够关于影响强度区域的构造来选择方位相关性Θ(φ)|,并且可以例如在分段之间具有跳跃。(在无限小的角度分段的情况下,ΔΘj变为Θ(φ)|。)可以借助用于预定义的目标参数的优化算法来确定角度分段中的方位相关性。例如,优化算法可以基于比如分段光栅相位或角度分段的数量和/或位置等起始参数,或者此外在优化中包括这些起始参数中的一个或多个。
此后在图3A至图3D和图4A至图4D中为了表明本文提出的构思的可能性,示出射束成形元件上的两个示例性相位分布以及穿过所产生的聚焦区的侧向截面和沿轴向方向的截面中产生的强度分布。
两个示例性相位分布的起点是角度分段具有径向对称的锯齿光栅的相同(光栅)周期。
图3A和图3B示出了分段光栅相位Θj的方位分布47和示例性射束成形元件的二维的相位分布49,其中相邻角度分段的方位角的分段宽度不同。在根据本文披露的构思的“修改的衍射轴锥”的意义上,二维的相位分布49被分为j=12个角度分段。在每个分段区域中,围绕所提供的光轴(这里是射束成形元件的射束中心位置23)存在具有分段光栅相位Θj的、径向对称的相位变化过程。因此,相应的角度分段的光轴重合。角度分段交替地具有0和(-π)的分段光栅相位Θj,并且相邻角度分段之间对应地存在π的分段光栅相位差ΔΘj。
示例性地,在图3A中对于分段描绘了角度αj处的分段位置和分段宽度(角区域Δβj)。
图3C和图3D示出了在经相位施加射束的聚焦之后的横向强度分布(横向射束轮廓51)和沿传播方向的截面(纵向射束轮廓53)。在横向射束轮廓51中可以看到特别成形的主最大值55和多个次最大值57的构造。次最大值57例如低于待加工材料的相关阈值通量/阈值强度。在纵向射束轮廓53中,可以看到细长的聚焦区59的构造,细长的聚焦区沿传播方向没有表现出任何衍射效应。
图4A和图4B示出了分段光栅相位Θj的方位分布61和另一示例性射束成形元件的二维的相位分布63,在这种情况下,基本上所有相邻角度分段的分段光栅相位Θj不同。相邻角度分段之间存在0至2π之间的分段光栅相位差ΔΘj,其中,所有角度分段的方位角的分段宽度相同。二维的相位分布63被分为j=200个角度分段。在每个分段区域中,存在围绕所提供的光轴(这里是射束成形元件的射束中心位置23)的径向对称的相位变化过程。
在图4A中还可以看出,角度分段中的锯齿光栅由相同(相等)的光栅周期来区分。换言之,角度分段中的相位施加分别对应于具有相同轴锥角但在轴锥尖端具有不同相位贡献的轴锥。相应地,光栅函数(相位变化过程)相对于彼此进行相移。
图4C和图4D示出了在经相位施加的射束的聚焦之后的横向强度分布(横向射束轮廓65)和沿传播方向的截面(纵向射束轮廓67)。在横向射束轮廓65中可以看到四个排成一列的主最大值69的构造,它们被多个次最大值71包围。次最大值71再次低于例如要加工的材料的相关阈值通量/阈值强度,结果是在激光脉冲加工期间可以构造四个线状地排成一列的修改。在与四个主最大值69相交的纵向射束轮廓67中,可以相应地看到四个细长的聚焦区73,它们沿传播方向没有表现出任何衍射效应。
明确强调的是,说明书和/或权利要求中所公开的所有特征应该被认为是彼此分开的和独立的,以用于原始公开内容的任务,并且同样用于独立于实施方式和/或权利要求中的特征组合来限制要求保护的发明的任务。明确强调的是,所有范围说明或单元的组说明公开了任何可能的中间值或单元的子组,以用于原始公开内容的目的,同样用于限制要求保护的发明的目的,尤其也作为范围说明的限制。
Claims (12)
1.一种衍射光学射束成形元件(15),其用于在激光射束(5)的横向射束轮廓上施加相位分布,所述衍射光学射束成形元件具有彼此邻接的面元件(15A),所述面元件构造面式的光栅结构,其中为每个面元件(15A)分配一相移值,所述相移值定义二维的相位分布(25),其中,
-所述二维的相位分布(25)具有射束中心位置(23),所述射束中心位置定义所述面式的光栅结构中的径向方向,
-所述面元件(15A)被分配给多个角度分段(31,31';33,33'),
-每个角度分段(31,31';33,33')具有相对于所述射束中心位置(23)的、方位角的分段宽度(Δβj),
-所述角度分段(31,31';33,33')中的所述相移值分别构造相对于所述射束中心位置(23)径向对称的相位变化过程,
-所述径向对称的相位变化过程在所述径向方向上构造具有相同光栅周期(Tr)的光栅函数,以及
-对于所述光栅函数中的每个光栅函数分配一分段光栅相位(Θ),其中,至少两个相邻角度分段(31,31';33,33')的所述方位角的分段宽度(Δβj)不同,和/或
至少两个相邻角度分段(31,31';33,33')的分段光栅相位(Θj)具有0和2π之间的分段光栅相位差(ΔΘj)。
2.根据权利要求1所述的衍射光学射束成形元件(15),其中,所述相位分布(25)相对于所述射束中心位置(23)是点对称的。
3.根据权利要求1或2所述的衍射光学射束成形元件(25),其中,至少两个、尤其相对于所述射束中心位置(23)彼此相对置的至少两个角度分段(31,31';33,33')构造相对于所述射束中心位置(23)相同的径向对称的相位变化过程。
4.根据前述权利要求中任一项所述的衍射光学射束成形元件(15),其中,所述光栅函数分别包括锯齿光栅相位变化过程的一部分,其中,所述锯齿光栅相位变化过程中的每个锯齿光栅相位变化过程中的上升区域(41)的斜率对应于分配给所述衍射光学射束成形元件(15)的预定的轴锥角(γ)。
5.根据权利要求4所述的衍射光学射束成形元件(15),其中,所述预定的轴锥角(γ)
位于0.5°至40°的范围内,以用于在所述衍射光学射束成形元件(15)的射束下游借助所述激光射束(5)产生真实的贝塞尔射束中间焦点,或
位于-0.5°至-40°的范围内,以用于成为所述衍射光学射束成形元件(15)的射束上游的虚拟的贝塞尔射束中间焦点的基础。
6.根据前述权利要求中任一项所述的衍射光学射束成形元件(15),其中,所述方位角的分段宽度位于从2π/300至π的范围内,其中,可选地,所述多个角度分段(31,31';33,33')中的每个角度分段具有相同的预定的分段宽度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的衍射光学射束成形元件(3151),其中,所述二维的相位分布(25)通过一个或多个对称轴表征。
8.根据前述权利要求中任一项所述的衍射光学射束成形元件(15),其中,所述光栅周期在所述径向方向上构造为恒定的。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的衍射光学射束成形元件(15),其中,所述光栅周期具有非球面的、优选地二次的并且特别优选地线性的变化过程,和/或
其中,准直相位分布被集成到所述二维的相位分布(25)中,所述准直相位分布在所述多个角度分段(31,31';33,33')上相对于所述射束中心位置(23)径向对称地构造。
10.一种用于借助激光射束(5)加工材料(3)的激光加工设施(1),通过在聚焦区(7)中所述材料(3)的修改来进行所述加工,所述聚焦区在所述激光射束(5)的传播方向(9)上构造为细长的,所述激光加工设施具有:
激光射束源(11),所述激光射束源输出激光射束(5),
光学***(13),所述光学***
-具有根据权利要求1至9中任一项所述的衍射光学射束成形元件(15),以及
-具有聚焦透镜(17A)的射束成形与射束引导模块(17),
其中,所述衍射光学射束成形元件(15)布置在所述激光射束(5)的射束路径中,以将二维的相位分布施加在所述激光射束(5)上,以及所述二维的相位分布实现:通过借助所述聚焦透镜(17A)将所述激光射束(5)聚焦,在所述材料(3)中构造细长的聚焦区(7)。
11.根据权利要求10所述的激光加工设施(1),其中,所述衍射光学射束成形元件(15)的射束中心位置(23)定向至所述激光射束(5)的横向射束轮廓的射束中心。
12.根据权利要求10或11所述的激光加工设施(1),所述激光加工设施还具有工件支架(19),其中,设置所述射束成形与射束引导模块(17)的相对可定位性和由所述工件支架(19)提供的工件作为待加工材料(3)的相对可定位性。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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