CN116783025A - 用于分割材料的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于分割具有透明材料的工件(1)的方法，其中，来自超短脉冲激光器(2)的超短激光脉冲用于沿分割线(4)将材料改性(5)引入到工件(1)的透明材料中，然后在分割步骤中沿由此产生的材料改性面(50)分割工件(1)的材料，其中，激光脉冲以迎角(α)进入工件(1)上，材料改性(5)是III型改性，与工件(1)的材料中的裂纹形成相关联。

Description

用于分割材料的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过超短激光脉冲来分割材料的设备和方法。
背景技术
近年来，具有非常短的脉冲长度(尤其是具有低于一纳秒的脉冲长度)和具有高平均功率(尤其是在千瓦范围内)的激光器的发展已经引起一种新型的材料加工。短脉冲长度和高脉冲峰值功率或几微焦耳至100μJ的高脉冲能量可以导致材料内脉冲能量的非线性吸收，结果甚至可以加工对所利用的激光波长实际上透明或基本上透明的材料。
这种激光辐射的特定应用领域在于工件的分割和加工。在该过程中，激光束优选地以垂直入射的方式引入到材料中，因为这使材料表面处的反射损失最小化。对于以一定迎角加工材料，例如对于对材料棱边进行倒角或对于产生迎角大于30°的倒角结构和/或斜角结构，这仍然存在未解决的问题，尤其是还因为材料棱边处的大迎角导致激光束的明显像差，使得在材料中无法达到目标能量沉积。
发明内容
基于已知的现有技术，本发明的任务是提供一种用于分割工件的改进的设备以及一种相应的方法。
该任务通过本发明的用于分割工件的方法来实现。从优选实施方式以及当前说明书和附图中得出该方法的有利扩展方案。
相应地，提出了一种用于分割包括透明材料的工件的方法，其中，借助超短脉冲激光器的超短激光脉冲将材料改性沿着分割线引入到工件的透明材料中，然后工件沿着由此产生的材料改性面在分割步骤中分割开。根据本发明，激光脉冲以迎角进入工件上并且激光脉冲的光学像差在过渡到工件的材料中时通过像差校正设备被减少，其中，激光束具有非径向对称的横向强度分布并且横向强度分布在第一轴线中与第二轴线相比呈现为被拉长的，其中，第二轴线垂直于第一轴线。
在此，超短脉冲激光器提供超短激光脉冲。在此，超短可以意味着脉冲长度例如在500皮秒至10飞秒之间并且尤其是在10皮秒至100飞秒之间。在此，超短激光脉冲在光束传播方向上沿着通过这些超短激光脉冲构成的激光束运动。
当超短激光脉冲聚焦到工件的材料中时，聚焦体积中的强度可以引起非线性吸收，例如通过多光子吸收和/或电子雪崩电离过程。这种非线性吸收导致产生电子-离子等离子体，其中，在该等离子体冷却时可以在工件的材料中引起永久的结构变化。由于通过非线性吸收可以将能量传输到材料的体积中，因此可以在不影响工件表面的情况下在样品内部产生这些结构改变。
在此，透明材料应理解为对于超短脉冲激光器的激光束的波长来说基本上透明的材料。在此，术语“材料”和“透明材料”可互换使用，在这里所提及的材料应始终被理解为对超短脉冲激光器的激光束来说透明的材料。
通过超短激光脉冲引入到透明材料中的材料改性细分为三个不同的类别；参见K.Itoh et al.，，Ultrafast Processes for Bulk Modification of TransparentMaterials“MRS Bulletin,vol.31p.620(2006)：I型是各向同性折射率变化；II型是双折射折射率变化；并且III型是所谓的空隙或空腔。在此，所产生的材料改性取决于激光参数，例如脉冲持续时间、波长、脉冲能量和激光的重复频率，取决于材料特性，例如电子结构和热膨胀系数等，并且还取决于聚焦的数值孔径(NA)。
I型各向同性折射率变化通过激光脉冲和透明材料的快速再固化追溯到地点受限的熔合。例如，当石英玻璃从较高温度快速冷却，则石英玻璃具有较高的材料密度和折射率。因此，如果聚焦体积中的材料熔化并且随后快速冷却，则石英玻璃在材料改性面中具有比在未改性区域中更高的折射率。
II型双折射折射率变化可以例如由于超短激光脉冲与由激光脉冲生成的等离子体的电场之间的干涉而产生。该干涉导致电子等离子体密度中的周期性调制，这导致透明材料在固化时的双折射特性，即方向相关的折射率。II型改性例如还伴随着所谓的纳米光栅的形成。
例如，III型改性的空隙(空腔)可以在高激光脉冲能量下产生。在这种情况下，空隙的形成归因于高度激发的蒸发材料从聚焦体积到周围材料中的***式膨胀。该过程也称为微***。由于这种膨胀发生在材料块内，因此微***导致不太致密或空芯(空隙)，或亚微米范围或原子范围内的微观缺陷，该空隙或缺陷被致密的材料包封物包围。考虑到在微***的冲击前沿处的压实，在透明材料中产生可能导致裂纹自发形成或可能促进裂纹形成的应力。
尤其，空隙的形成也可以伴随I型和II型改性。例如，I型和II型改性可以在引入的激光脉冲周围的较小应力区域中产生。相应地，在引入III型改性的情况下，则在任何情况下都存在不太致密或空芯或缺陷。例如，它不是空腔，而是通过III型改性的微***在蓝宝石中产生的较低密度的区域。由于在III型改性的情况下产生的材料应力，这种改性此外通常伴随或促进裂纹的形成。当引入III型改性时，不能完全抑制或避免I型和II型改性的形成。因此不太可能发现“纯的”III型改性。
在激光重复率高的情况下，材料在脉冲之间不能完全冷却，使得从脉冲到脉冲引入的热量的累积效应可能影响材料改性。例如，激光重复频率可能高于材料的热扩散时间的倒数，使得由于激光能量的连续吸收而导致的热积聚可以在聚焦区中发生，直到达到材料的熔化温度。此外，由于热能向聚焦区周围的区域的热传输，比聚焦区大的区域可以熔合。加热的材料在引入超短激光脉冲之后快速冷却，并且因此高温状态的密度和其他结构性质在材料中固定。
材料改性沿分割线引入到材料中。分割线描述了激光束在工件的表面上的入射线。例如，激光束和工件由于进给而以进给速度相对彼此移动，使得随着时间推移产生激光脉冲到工件表面上的不同入射地点。在此，选择激光的进给速度和/或重复率，使得工件材料中的材料改性不重叠，而是彼此分开地存在于材料中。在此，可相对彼此移动意味着不但激光束可以相对于地点固定的工件平移地移动，而且工件可以相对于激光束移动。也可能的是，不但工件而且激光束都运动。在工件和激光束相对彼此运动期间，超短脉冲激光器以其重复频率将激光脉冲发射到工件的材料中。
由于材料改性在光束传播方向上的显现产生在工件材料中的以下面，所有材料改性在该面中并且该面与工件表面沿着分割线相交。其中存在材料改性的面被称为材料改性面。尤其，材料改性面也可以是弯曲的，使得例如形成柱体或锥体的外表面的材料改性也位于材料改性面中。
激光脉冲以所谓的迎角引入到工件的材料中。在此，迎角作为激光束与待分割工件的表面法线之间的角度差给出。当迎角不等于零时，材料改性面同样相对于工件的表面法线倾斜。在此应考虑，在非零迎角的情况下，根据斯涅尔折射定律，激光束根据周围介质、优选空气和工件材料的折射率被折射。由此，工件材料中的光束传播方向可以不同于进入工件材料中之前的光束传播方向。尤其，材料改性面由此也可以相对于表面法线以与迎角不同的角度倾斜。
激光束还具有非径向对称的横向强度分布，其中，该横向强度分布在第一轴线中与第二轴线相比呈现为被拉长的，其中，第二轴线垂直于第一轴线。
在此，非径向对称意味着横向强度分布、也就是说垂直于光束传播方向的强度分布不仅取决于到光轴的距离，而且至少也取决于关于光束传播方向的极角。例如，非径向对称的横向强度分布可以意味着，横向强度分布是例如十字形或三角形或多边形，例如五边形。非径向对称的横向强度分布还可以包括另外的旋转对称和镜像对称的光束截面。尤其，非径向对称的横向强度分布也可以具有椭圆形形式，其中，椭圆具有长轴A和与该长轴垂直的短轴B。相应地，如果比率A/B大于1，特别是如果A/B＝1.5，则存在椭圆形横向强度分布。激光束的椭圆形横向强度分布可以对应于理想的数学椭圆。然而，激光束的非径向对称的横向强度分布也可以仅具有长主轴与短主轴的上述比率，并且可以具有不同的轮廓-例如近似的数学椭圆、哑铃型形状或由数学理想椭圆包络的其他对称或不对称轮廓。
由于激光束以迎角入射到工件的材料上，因此对于聚焦光束或非衍射光束，出现子激光射线的不同的入射角。根据斯涅尔定律，子激光射线由于不同的入射角而不同强烈地折射。因此，对于单个子激光射线，在材料中出现不同的振幅、相位和方向变化。这种效应被称为像差。例如，棱边附近的子激光射线经过与轴向子激光射线不同的光路长度到达材料表面下方的焦点，使得例如可能出现相位差。最终，这导致激光束的原始强度分布失真，因此材料改性的引入仅在几微米的长度尺度上仍然是可行的，或者实际上该材料改性被抑制或不存在。
像差校正设备可以校正这些光束像差。例如，光楔、例如三面棱镜可以以第二侧平行于工件的表面地取向并且光楔可以放置在工件上，或者光楔可以位于材料表面上方最大一毫米或最大10mm的小距离处。在此，由于棱镜角，三面棱镜的第一侧与第二侧成一定角度。此外，激光束以直角入射在第一棱镜表面上。
由于激光束在进入三面棱镜时由于垂直入射而不被折射或几乎不被折射，激光束在从三面棱镜过渡到工件材料中时由于折射率差异小而几乎不被折射，并且由于在具有不同折射率的介质中的传播长度被减小，因此光学像差被显著减少。因此，棱镜与材料表面之间的距离理想地保持尽可能小。
光学像差、尤其是相位像差可以例如通过像散或彗差来描述，该光学像差尤其源自用于执行该方法的光学结构。因此，像差校正设备可以补偿多个光学像差。
为此目的，像差校正设备的沿光束传播方向的第一侧可以具有柱形形状或者是柱形拱起的。尤其，像差校正设备的第一侧在效果方面相当于柱面透镜的第一侧。柱面透镜以非对称的方式折射激光束，使得因此可以抵消像散和彗差的作用。例如，柱形透镜可以是商业上可获得的柱形透镜，使得为了实现像差校正设备不需要使用昂贵的定制产品。
像差校正设备的第二侧同样可以具有柱形形状，但是该第二侧也可以像上述示例中那样是平坦的。在任何情况下，像差校正设备的第二侧是激光束的光束路径中的、在激光脉冲被引入到工件材料中之前的最后表面。因此排除由于光束路径中的光学元件对强度分布产生进一步的光学影响。与此相应地，利用像差校正设备可以有更高且像差减少的激光束形式在工件材料中可供使用，使得可以进行更高质量的材料加工，尤其是更高质量的分割。
尤其，像差校正设备也可以一件式地以柱形楔块的形式构造。
由此，使用单个光学元件提供像差校正设备的第一侧和第二侧，使得可以降低校准费用、设备成本和维修成本。
由激光脉冲引入的材料改性可以是与透明材料中的裂纹形成相关联的III改性。
由此，可以在材料中产生应有断裂部位，或材料可以沿材料改性面被穿孔。在此，由空隙促进的裂纹形成能够实现，裂纹扩宽在相邻的材料改性之间发生，如将在下文中更深入地解释。优选地，这种裂纹形成发生在材料改性面中，使得材料改性面变成分割面。
由于非径向对称的横向强度分布，在垂直于材料中的光束传播方向的截面中的材料改性另外同样也是非径向对称的。在此，材料改性的形状相当于工件材料中的非衍射光束的强度分布。
在非衍射光束的情况下，尤其是存在与材料相互作用并且引入材料改性的高强度区域以及低于被称为改性阈值的区域。在此，非径向对称的横向强度分布是高于改性阈值的强度最大值。
相应地，非径向对称的III型材料改性具有平行于材料改性的被拉长的轴线延伸的优选方向。因此，典型地沿该优选方向形成裂纹或引起裂纹。例如，裂纹扩宽主要在椭圆形III型材料改性的长轴方向上，因为材料改性的轮廓在那里具有较小的曲率，使得在这里应力峰值优选地以材料中的裂纹的形式缓解。
尤其，因此可以通过材料中非径向对称材料改性的相应取向有助于针对性裂纹导向，使得例如由于优选方向的取向，裂纹形成与分割线相切地取向。
例如，如果非衍射激光束与工件之间的进给方向平行于横向强度分布的短轴，则相邻的材料改性的裂纹不太可能相遇，因为裂纹形成优选地垂直于进给方向延伸。而如果进给方向平行于长轴，则相邻材料改性的裂纹很可能相遇并合并，裂纹形成优选地相对于该长轴发生。由于光束截面和/或工件的取向，即使在分割线弯曲的情况下也可以在分割线的整个长度上确保有针对性的裂纹发展。由此，可以沿任何期望形状的分割线分割材料。
沿材料改性面的分割在此通过分割步骤进行，使得工件被分成本体部分和所谓的工件区段。
在此，分割步骤可以包括机械分割和/或蚀刻过程和/或热施加和/或自分割步骤。
例如，热施加可以是材料加热或分割线加热。例如，可以借助连续波CO2激光器局部加热分割线，使得与未处理或未改性的材料相比，材料改性区域中的材料不同地膨胀。但也可能的是，热量施加也可以通过热空气流实现，或通过在热板上烘烤或通过在烘箱中加热材料来实现。尤其，在分割步骤中还可以施加温度梯度。由材料改性促进的裂纹由此经历裂纹生长，使得可以形成连续且不卡顿的分割面，通过该分割面，工件的一部分彼此分割开。
机械分割可以通过施加拉伸或弯曲应力来产生，例如通过对由分割线分割开的工件部分上施加机械载荷。例如，如果在材料平面中反向作用到由分割线分割开的工件部分上的力在各个力作用点处起作用，则可以施加拉应力，该反向力分别远离分割线地指向。如果这些力不是彼此平行或反平行地定向，则这可以有助于产生弯曲应力。一旦拉应力或弯曲应力大于材料沿分割面的结合力，工件就沿分割面分割开。尤其，机械变化还可以通过在待分割的部分上的类似脉冲的作用来实现。例如，通过冲击可以在材料中产生晶格振动。因此，通过晶格原子的偏转可以产生触发裂纹形成的拉应力和压应力。
材料还可以通过蚀刻利用湿化学溶液来分割，其中，蚀刻过程将材料优选附着在材料改性上，即有针对性地弱化材料。由于通过材料改性而弱化的工件部分优选地被蚀刻，这导致工件沿分割面被分割。
尤其，所谓的自分割也可以通过由于材料中的材料改性的取向实现的针对性的裂纹引导来执行。在此，从材料改性到材料改性的裂纹形成使得能够实现工件的两个部分的整个面的分割，而不必实施另外的分割步骤。
这具有以下优点，可以为工件的对应材料选择理想的分割方法，使得工件的分割伴随有高质量的分割棱边。
材料改性可以穿透工件的位于相交平面中的两个侧面并且通过分割步骤可以产生成形棱边，优选为倒角和/或斜角。
如果平面的面法线没有彼此平行地定向，则两个侧面位于相交平面中。例如，在长方体的情况下，如果两个侧面可以通过长方体的棱边连接，则两个侧面位于相交平面中。在盘形材料的情况下，盘的周面一定程度上位于与盘的上侧和下侧相交的平面中。至少局部地看，即使在盘的情况下，在激光束的入射平面中也会产生矩形截面。
材料改性穿透两个邻接的侧面。在此，穿透意味着材料改性在一个侧面开始，并且在光束传播方向上在另一侧面结束。然而这也可以意味着，材料改性仅在工件材料内延伸，以避免材料面上的材料碎屑。然而，在这种情况中，激光路径的较大部分必须在具有材料改性的两个侧面之间被修改。例如，由于材料改性在材料中的策略上有意义的定位，因此仅在路径的三分之一上引入材料改性可能就足够了。然而，材料改性也可以在两个侧面之间的整个路径上是连续的。
由此，在激光束的、入射光束和折射光束所在的入射平面中产生工件的区段。例如，在长方体的情况下，该区段可以是三角形的。工件的三角形区段具有所谓的斜边，该斜边与待分割的棱边对置。在此，斜边的长度由工件中的材料改性的长度给出。此外，与区段的斜边相邻的边的距离由分割线与工件棱边的距离给出。
由于材料改性穿透材料的两个侧面，在整个斜边长度上引入应断部位。由此，工件在随后的分割步骤中沿着材料改性面分割开。
在分割之后，材料改性面变成所谓的材料的成形棱边。工件的成形棱边被细分为所谓的倒角和斜角。在此，工件的倒角被理解为倒棱，在该倒棱中，长方体的初始棱边已经被两个棱边代替。由此，初始棱边被缓和，或在第一长方体侧面倒第二长方体侧面之间实现过渡区域。而如果区段的斜边与工件的棱边重合，或者通常如果三角形区段的侧面与工件的平行于该侧面延伸的至少一个侧边长一致，则产生斜面。
该倒角和/或斜角的斜边的长度可以在50μm至2mm之间。
这具有以下优点，由此工件可以以视觉上特别吸引人并且具有高质量效果的方式被倒角。此外，因此也可以被倒角相对厚的工件。此外，提供成形棱边、倒角或斜角允许获得更稳定的棱边，该棱边在进一步加工、在安装时或在最终客户使用时不会像具有90°角的棱边那样容易碎裂。
激光束可以是非衍射激光束。
尤其，非衍射光束和/或贝塞尔型光束应被理解为是指横向强度分布传播不变的光束。尤其，在非衍射光束和/或贝塞尔型光束的情况下，光束的纵向方向和/或传播方向上的横向强度分布基本上是恒定的。
横向强度分布应理解为意指位于与光束的纵向方向和/或传播方向成直角取向的平面中的强度分布。此外，强度分布总是被理解为是指激光束的强度分布的大于材料改性阈值的部分。例如，这可以意味着非衍射光束的强度最大值中的仅一些或非衍射光束的强度最大值中的仅几个可以将材料改性引入到工件的材料中。相应地，短语“聚焦区”也可以用于强度分布，以便阐明强度分布的该部分以有针对性的方式提供，并且通过聚焦获得强度分布形式的强度增强。
关于非折射光束的定义和性质，参考以下书籍：″Structured Light Fields:Applications in Optical Trapping,Manipulation and Organisation″,M.Springer Science&Business Media(2012),ISBN 978-3-642-29322-1。明确参考其全部内容。
因此，非衍射激光束具有以下优点，因为这些非衍射激光束可以具有在光束传播方向上被拉长到比强度分布的横向尺寸明显更大的强度分布。尤其，由此能够产生在光束传播方向上被拉长的材料改性，使得这些材料改性可以特别容易地穿透工件的两个侧面。
尤其，可以借助非衍射光束产生具有非径向对称的横向强度分布的椭圆形非衍射光束。在此，椭圆形非衍射光束表现出由对光束强度进行分析来呈现特定特性。例如，椭圆形非衍射光束具有主最大值，该主最大值与光束的中心重合。在此，光束的中心由这些主轴相交的位置给出。尤其，椭圆形准非衍射光束可以由多个强度最大值的叠加得出，其中，在这种情况下，只有所涉及的强度最大值的包络线是椭圆形的。尤其，各个强度最大值不必具有椭圆形强度轮廓。
在将非径向对称的横向强度分布投影到工件的表面上时，由于迎角，第一轴线和第二轴线可以呈现为相同大的。
非径向对称的横向强度分布以迎角到工件表面上的数学投影可能导致强度分布的失真。因此，例如，由初始为椭圆形的强度分布可以产生在工件上的圆形强度分布。然而，尤其由此也可以实现的是，通过初始为圆形的强度分布在工件表面上实现椭圆形投影。由此，具有由以迎角投影到工件表面上而产生的强度分布的材料改性被引入到材料中。
然而由此也可能的是，通过投影还可能导致非径向对称的横向强度分布的先前选择的优选方向失真，使得优选方向偏离实际有效强度分布。
因此，在一种实施方式中优选的是，非径向对称的横向强度分布由于迎角而呈现为圆形。尤其意味着，在横向强度分布初始为椭圆形的情况下，椭圆的长轴A和短轴B由于投影而呈现为相同大小的。由此，有效地引起圆形强度分布，用于产生材料改性。
非径向对称的强度分布在工件表面上的投影可以在进给方向上被拉长。
由此，可以控制由强度分布投影到工件表面上引起的失真，使得有效光束轮廓的优选方向指向进给方向。由于指向进给方向的方向并且因此平行于分割线延伸的优选方向，可以特别容易地并且以特别高的质量沿由此产生的材料改性面分割工件。
非径向对称的横向强度分布的第一轴线与第二轴线的比率可以大于迎角的余弦的倒数。
假设激光束以迎角入射在表面上，其中横向强度分布的第一轴线平行于工件的表面延伸并且垂直于激光束的入射平面，并且第二轴线在入射平面中。此外，使第一轴线为非径向对称的横向强度分布的长轴，并且使第二轴线为非径向对称的横向强度分布的短轴。然后，由于第二轴线投影到工件表面上，有效长度增加了迎角的倒数。
例如，如果第二轴线具有10μm的长度并且迎角为60°，则第二轴线在工件表面上的投影具有10μm/cos(60°)＝20μm的长度。
此外，横向强度分布的第一轴线由于其垂直于入射平面而没有通过投影而增大。相应地，光束轮廓具有尺寸不变的第一轴线。
例如，如果上述示例中的第一轴线是20μm，则其在投影中同样为20μm。然而总体上，这因此在工件表面上产生圆形光束形状。
例如，如果上述示例中的第一轴线为15μm，则其在投影中同样为15μm，但是第二轴线已经增长到20μm。因此，产生了具有位于激光束的入射平面中的优选方向的材料改性。尤其，由于投影，优选方向已经从第一轴线旋转到第二轴线。
因此，通过选择第一轴线与第二轴线的、大于迎角的余弦的倒数比率确保了即使当光束投影到工件的表面上时也保持强度分布的初始预期定向。
第一轴线与第二轴线的比率可以大于
由此，尤其在迎角为45°的情况下确保了横向强度分布的初始预期定向被保持。尤其，适用使得相应地选择轴线比率。由此，即使当光束投影到工件表面上时，也通过材料改性保持优选方向。
激光脉冲的脉冲能量可以在10μJ至50mJ之间，和/或平均激光功率可以在1W至1kW之间，和/或激光脉冲可以是单个激光脉冲或激光爆发的一部分和/或激光的波长可以在300nm至1500nm之间、特别是1030nm。
这具有以下优点，因为可以为不同材料提供最佳激光参数。
例如，超短脉冲激光器可以提供100μJ的脉冲能量，其中，平均激光功率为5W并且激光的波长为1030nm的单个激光脉冲。
激光爆发可以包括2至20个激光脉冲，其中，激光爆发的激光脉冲具有10ns至40ns、优选为20ns的时间间隔。
例如，激光爆发可以包括10个激光脉冲，并且激光脉冲的时间间隔可以是20ns。在这种情况下，激光脉冲的重复频率为50MHz。在这种情况下，可以以100kHz量级的单独激光脉冲的重复频率发射激光爆发。
通过使用激光爆发，可以响应于材料特定的热特性，使得可以产生表面质量特别高的成形棱边。
入射激光束可以平行于入射平面偏振。
在从周围介质过渡到材料期间激光束的折射不仅取决于迎角和折射率。在这种情况下，激光束的偏振也起重要作用。使用所谓的菲涅耳方程，可以表明，对于大于10°的入射角，平行于入射平面偏振的激光束穿过材料的透射率总是大于垂直于入射平面偏振的激光束的透射率。
尤其，因此可以使具有P偏振的激光束的反射损耗最小化，以便实现材料内的分割过程的最佳能量产出。此外，在激光束以布鲁斯特角入射的情况下，可以获得耦合到材料中的特别有利的能量输入。
上述任务还通过本发明的用于分割工件的设备来实现。由优选实施方式、说明书和附图中可以得出有利扩展方案。
相应地，提出了一种用于分割包括透明材料的工件的设备，该设备包括：超短脉冲激光器，该超短脉冲激光器设置为用于提供超短激光脉冲；加工光具，该加工光具设置为用于将激光脉冲引入到工件的透明材料中；以及进给设备，该进给设备设置为用于使由激光脉冲形成的激光束与工件沿着分割线以进给相对彼此运动，并且将加工光具的光轴相对于工件的表面以迎角取向。根据本发明，像差校正设备设置为用于减少这些激光脉冲在进入到工件材料中时的像差，其中，激光脉冲以迎角进入工件上，并且激光束具有非径向对称的横向强度分布，其中，横向强度分布在第一轴线中与第二轴线相比呈现为被拉长的，其中，第二轴线垂直于第一轴线。
例如，加工光具可以是光学成像***。例如，加工光具可以由一个或多个组成部件组成。例如，部件可以是透镜或光学成像自由形状面或菲涅耳波带片。通过加工光具，尤其可以确定强度分布被引入工件材料的深度。一定程度上可以设定聚焦区在光束传播方向上的定位。例如，通过调节加工光具，聚焦区因此可以放置到工件表面上，或者优选地布置在工件的材料中。例如，这允许聚焦区被设定成使得激光束穿透两个相邻的侧面，并且因此导致产生材料改性，该材料改性通过分割步骤允许工件的整个区域分割。
例如，在这种情况下，进给设备可以是XY工作台或XYZ工作台，以便改变激光脉冲在工件上的入射点。在这种情况下，进给设备可以移动工件和/或激光束，使得材料改性可以沿分割线彼此相邻地引入到工件的材料中。
进给设备同样可以具有角度调节，使得工件和激光束可以相对于彼此围绕所有欧拉角旋转。这尤其可以确保可以沿整个分割线保持迎角。
尤其，迎角也被理解为加工光具的光轴与工件材料的表面法线之间的角。在这种情况下，加工光具的光轴与表面法线之间的迎角可以例如在0至60°之间。
光束成形光具可以从激光束成形出非衍射激光束。
例如，光束成形光具可以呈衍射光学元件(DOE)、反射或折射实施例中的自由形式表面或轴锥或微轴锥的形式，或者可以包含多个这些组成部分或功能性的组合。如果光束成形光具从加工光具上游的激光束成形出非衍射激光束，则可以通过加工光具的聚焦来确定到材料中的***深度强度分布。然而，光束成形光具还可以以这种方式配置，使得非衍射激光束仅通过用加工光具成像来生成。
衍射光学元件设置为用于在两个维度上影响入射激光束的一个或多个特性。衍射光学元件是固定部件，其可以用于从入射激光束产生非衍射激光束的恰好一个强度分布。典型地，衍射光学元件是特别形成的衍射光栅，其中入射激光束通过衍射而变成期望的光束形状。
轴锥是圆锥研磨的光学元件，其在入射高斯激光束穿过时从入射高斯激光束成形出非衍射激光束。尤其，轴锥具有锥角α，该锥角是从光束入射表面到圆锥的侧向表面计算的。使得，高斯激光束的棱边光线被折射到与近轴光线不同的焦斑。尤其，这产生在光束传播方向上被拉长的强度分布。
非衍射激光束的横向强度分布能够是非径向对称的，其中与第二轴线相比，非径向对称的横向强度分布能够在第一轴线的方向上被拉长，并且其中第二轴线垂直于第一轴线。
加工光具可以包括像差校正设备。
这意味着，像差校正设备可以与加工光具一起相对于材料移动，以便将材料改性引入到工件的材料中。
尤其，这还可以意味着像差校正设备还可以是加工光具的一部分，并且因此还能够执行加工光具的任务，特别是能够提供激光束的光学图像。因此，像差校正设备也可以形成为加工光具的整体部件部分，而不仅仅形成为光束路径中的单独校正元件。
与固定在材料上的牺牲楔块相比，可以通过适当成形的像差校正设备来实现更灵活的材料加工。
加工光具可以包括伸缩***，该伸缩***设置为用于将尺寸减小和/或增大的激光束引入到工件的材料中。
激光束的尺寸或其横向强度分布的增加或减小允许激光束强度在大聚焦区或小聚焦区上分布。由于激光能量在大区域或小区域上分布，因此强度适于使得特别是还可以通过增加和/或减少在改性类型I、II和III之间进行选择。
尤其，通过增加或减少非径向对称的横向强度分布，也可以将更大或更小的材料改性引入到工件的材料中。例如，将减小的椭圆形横向强度分布引入到材料中伴随着由此引入的材料改性的曲率半径的减小。换句话说，给定曲率由于减小而变得更加尖锐。这可以促进工件材料中的裂纹形成。此外，光学***可以适于通过增加或减少来匹配给定的加工条件，使得可以更灵活地使用设备。
进给设备可以包括轴设备和工件保持架，轴设备和工件保持架设置为用于使加工光具和工件相对彼此沿三个空间轴线以平移方式移动并且围绕至少两个空间轴线以旋转方式移动。
例如，轴设备可以是5轴设备。例如，轴设备也可以是机器人臂，其在工件上引导激光束或相对于激光束移动工件。
由于激光束和工件为了能够沿分割线引入材料改性而相对彼此移动，因此必须使激光束或工件局部共同旋转，以便保持相对于分割线的迎角。使得，在弯曲的分割线的情况下，材料改性面可以总是相对于工件的表面具有相同的角度。
尤其，这种轴设备同时还允许非径向对称的横向强度分布相对于分割线取向，使得产生其优选方向平行于分割线延伸并且促进沿分割线形成裂纹的材料改性。
此外，轴设备还可以包括少于5个的可移动轴，只要工件保持架可围绕对应数量的轴移动即可。例如，如果轴设备仅在XYZ方向上可移位，则工件保持架可以例如具有两个旋转轴，以便使工件相对于激光束旋转。
激光束的光束分量可以相对于工件的表面法线以不大于80°的迎角入射在工件上。
由于加工光具，激光脉冲会聚到光轴，该光轴相对于工件的表面法线以迎角取向。在这种情况下，射线的子激光射线包括相对于加工光具的光轴的角度。尤其，由于数值孔径，这些角度可以包括非常大或非常小的角度。
由于激光射线束的这些包络子激光射线以不大于80°的入射角到达工件的表面上，因此可以避免大的反射损失。根据菲涅耳公式，激光束在工件表面处的反射和透射取决于迎角和折射率。在激光束掠入射的情况下，只有很少的激光可以耦入到材料中，因此有效的材料加工停止。此外，非衍射光束的形状可能因此受到负面影响。
偏振光具可以设置为用于相对于激光束的入射平面调节激光束的偏振，优选地将所述偏振设定为平行于入射平面，该偏振光具优选地包括偏振器和波片。
波片、尤其是所谓的半波片，可以将线性偏振光的偏振方向旋转可选择的角度。使得，可以在激光束上施加期望的偏振。
例如，偏振器可以是薄膜偏振器。薄膜偏振器仅透射具有特定偏振的激光辐射。
因此，激光辐射的偏振状态总是可以用波片和偏振器的组合来控制。
根据菲涅耳公式，平行于入射平面的激光束的偏振是有利的，因为对于大于10°的入射角，透射率总是大于激光束垂直于入射平面偏振时的透射率。尤其，相比于在垂直偏振光的情况下，在平行偏振激光束的情况下的透射在更大的入射角范围内更恒定和均匀。使得，还可以使用具有大数值孔径的加工光具。在该过程中，在垂直偏振激光束的情况下，在工件的表面处将存在不对称的光束反射，使得光学像差降低了材料改性的质量，并因此降低了分割面的质量。
光束引导设备可以设置为用于将激光束引导到工件，其中，光束引导通过反射镜***和/或光纤、优选地空芯光纤来实现。
所谓的自由光束引导使用反射镜***，以便在各个空间维度上将激光束从固定的超短脉冲激光器引导到光束成形光具。自由光束引导是有利的，因为整个光路是可接近的，并且因此例如可以毫无问题地安装比如偏振器和波片等另外的元件。
空芯光纤是能够将激光束从超短脉冲激光器灵活地传输到光束成形光具的光子光纤。由于空芯光纤，可以省去发射镜光具的调节。
调节电子装置可以设置为用于由于激光束和工件的相对位置而触发超短脉冲激光器发射激光脉冲。
在进给轨迹弯曲或多边形的情况下，局部降低进给速度可能是有利的。然而，在激光具有恒定重复频率的情况下，这可能导致相邻材料改性的重叠或导致材料的不希望的加热和/或熔合。出于该原因，调节电子装置能够基于激光束和工件的相对位置来控制脉冲发射。
例如，进给设备可以包括测量进给设备和激光束的位置的空间分辨编码器。调节电子装置的适当触发***可以基于空间信息触发超短脉冲激光器中的激光脉冲的脉冲发射。
尤其，为了实现触发脉冲可以使用计算机***。例如，可以在加工材料之前为相应的分割线限定激光脉冲发射的位置，使得确保了材料改性沿分割线的最佳分布。
由此实现的是，即使进给速度变化，材料改性的间隔也总是相同的。尤其由此也可以实现，可以产生均匀的分割面，并且倒角或斜角具有高表面质量。
工件保持架可以具有不反射及/或不散射激光束的表面。
尤其，这可以防止激光束被引导回到材料中，并且在激光束已经穿过材料之后在材料中引起另外的材料改性。尤其，非反射和/或非散射表面还可以增加工作时的安全性。
附图说明
通过以下对附图的描述更详细地说明本发明的优选的进一步实施例，在附图中：
图1A、图1B、图1C、图1D、图1E示出了方法的示意性图示；
图2A、图2B、图2C示出了倒角和斜角结构的示意性图示；
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图3F示出了倒角和斜角结构的另外的示意性图示；
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F示出了非衍射激光束和像差校正设备的操作原理的示意性图示；
图5A、图5B、图5C、图5D、图5E示出了非衍射激光束的另外的示意性图示；
图6A、图6B示出了材料改性周围的裂纹形成的示意性图示；
图7A、图7B示出了材料表面上的光束投影的示意性图示；
图8A、图8B、图8C、图8D示出了材料表面上的光束投影的另外的示意性图示；
图9示出了用于展示根据偏振和迎角的透射率的曲线图；
图10A、图10B示出了用于通过像差校正设备来实施该方法的设备的示意性图示；以及
图11A、图11B、图11C示出了用于实施该方法的设备的另外的示意性图示。
具体实施方式
下面参考附图描述了优选示例性实施例。在此，在不同附图中，为相同的、相似的或相同作用的元件设置相同的附图标记，并且部分地省去对这些元件的重复描述，以便避免冗余。
图1示意性地示出了用于分割包括透明材料的工件1的方法。图1A中示出工件1的截面，超短脉冲激光器2的激光束20入射在该工件上。在此，激光束20以迎角α引入到工件1上，该迎角相应于下面示出的加工光具3的光轴。
在过渡到工件1中时，激光束20根据斯涅尔折射定律在工件1的表面10处折射，使得激光束20在工件1的材料中以相对于表面法线N的角度β继续传播。由于通过激光束20将激光脉冲引入到工件1中，在激光束20的聚焦区220中的工件1材料被加热。在此，在聚焦区中的工件1材料蒸发，使得在工件1的周围材料中出现该等离子体状态的***式膨胀。由于在该所谓的微***的冲击前端处的压缩而在那里产生材料应力，而在激光束的初始聚焦区220中保留不太密集或甚至空的空间(空隙)。工件1的在聚焦区220中的材料改性被称为材料改性5，其中，材料改性5尤其是III型材料改性。由于材料应力最终促进了工件1的材料中的裂纹形成。
在此，激光脉冲的脉冲能量可以在10μJ至50mJ之间和/或平均激光功率可以在1W至1kW之间和/或激光脉冲可以是单个激光脉冲或激光爆发的一部分和/或激光的波长可以在300nm至1500nm之间。此外可能的是，激光爆发包括2至20个激光脉冲，其中，激光爆发的激光脉冲具有10ns至40ns、优选为20ns的时间间隔。
在超短脉冲激光器2发射激光脉冲期间，激光束20和工件1以进给V相对彼此运动，如图1B中所示。该进给V沿分割线4引导，该分割线确定：工件1在上侧10上在哪里应被分割开。由于激光束20以角度β在工件1的材料内传播，材料改性5同样以角度β引入到工件1的材料中。尤其，材料改性5可以视聚焦区220的延展尺度和构型或强度分布不同地成形，尤其是在光束传播方向上被拉长。
在材料改性5在光束传播方向上被拉长的情况下，通过激光束20的同时进给V，在工件1的材料中产生材料改性5所位于的、所谓的材料改性面50。在此将观察到，材料改性5不重叠，而是彼此分开地存在。通过材料改性面50将工件1分割成所谓的本体工件1'和所谓的区段12。例如，材料改性面50相对于工件1的表面10以量值方面最大35°的角度β倾斜。
通过材料改性面50中的材料改性5，工件1的材料在一定程度上被穿孔，使得工件1和区段12沿着该材料改性面50可以特别容易地彼此分割开。
真正的分割可以通过确定的分割步骤来实现。例如，可以通过在区段12上的机械作用来引发自发的裂纹生长，使得区段12与本体工件1'可以面式地分割开。
也可以的是，区段12与本体工件1'在化学浴中分割开，如图1C中所示。例如可能的是，所引入的材料改性5特别容易受到蚀刻溶液的影响，使得蚀刻工艺在材料改性面50中将区段12与本体工件1'分割开。
例如也可能的是，通过热作用使区段12与本体工件1'分割开，如图1D中所示。为此，例如用热板42或加热激光器(这里未示出)加热工件1，使得出现工件1的热膨胀。由于工件1的热膨胀，由于材料改性面50中已经存在的材料应力可能形成裂纹，使得本体工件1'和区段12面式地彼此分割开。
同样可能的是，工件1由于自发的裂纹形成、所谓的自分割而在没有外部影响的情况下分割。通过III型材料改性将材料应力引入到工件1中，并且这些材料应力与裂纹形成本身已经相关联。因此，通过这种自发的裂纹形成也可以将本体工件1和区段12分割开。
由于上述分割步骤，在本体工件1'上产生所谓的倒角和/或斜角，如图1E中所示。对工件1的倒棱被称为工件1的成形棱边。倒角或斜角由材料改性面50形成，使得通过激光束20的迎角α、周围介质的折射率和工件1的折射率产生折射角β并因此使得材料改性5的定向以及最终倒角或斜角的定向也产生。
为了产生成形棱边14，有利的是，材料改性5穿透工件1的形成应被倒角的棱边的那些侧面。例如，图1A中侧面10和11形成应被倒角的棱边110。尤其，工件1的侧面10和11位于相交的空间平面中，其中，这些平面的相交线恰好是工件1的棱边110。
图2A至图2C中示出材料的不同的可能的成形棱边。在图2A中，材料改性面50与工件1相交，其中，倒角的高度小于侧面11的高度并且倒角的宽度小于侧面10。与此相应地，棱边110由于倒角被两个棱边110'和110”代替。由此，尤其使得初始棱边110变钝或变平。
在图2B中，材料改性面50与工件1相交，其中，区段12的高度相当于侧面11的高度，并且材料改性面50与由工件1的下侧13和侧面11形成的棱边130重合。在该示例中，棱边的数量保持恒定，但是侧面13和11汇合的角度变得更尖。与此相应地，工件1可以通过成形出斜角12而变尖和/或形成尖端。
在图2C中，材料改性面50与工件1相交，其中，材料改性面不但与工件1的上侧10而且与下侧13相交。由此，工件1的纵向延伸尺度整体上减小并且同样实现工件1的变尖，如图2B中所示。
在所示的每种情况下，区段12的所谓的斜边H由材料中的材料改性的长度给出。
即使至今的描述已经减少到长方体的分割，但也可以用该方法分割可能圆形的材料1或倒圆材料。例如，图3A、图3B中示出呈盘形式的工件1。通过以迎角α入射的激光束20和以角β折射的激光束20限定所谓的入射平面。在该入射平面内可以逐字采用以上描述。
此外，图3C中示出对图3A、图3B的盘的倒角产生锥形聚集元件，使得通过所引入的材料改性能产生各种不同形式的成形棱边。
图3D中示出另一示例。材料改性5环绕地引入到工件1中，其中，分割线4是弯曲的并且迎角α在入射平面中总是保持恒定。由此，在分割步骤之后产生具有高光学质量的倒圆的倒角或斜角。
图3E中示出了另一示例。在此，与图3D不同，没有使用倒圆的分割线4。工件1相继地在所有四个侧面上被倒角，使得在分割步骤之后在工件1的角部产生晶体状倒角。因此，该方法还适合于使工件1具有特别高质量的外观。
图3F示出了图3D和图3F的材料1的截面。该截面明显地示出了倒角14的形成。
为了产生至少部分地穿透工件1的、特别简单的材料改性5，所谓的非衍射激光束20适用。非衍射光束20优选具有在光束传播方向上被拉长的聚焦区220。由于聚焦区220的长度L大于区段12的期望斜边H的长度，工件1可以特别容易且有效地被倒角。
图4A中示意性地示出了由光束成形光具加工的激光束20。激光束20的子激光射线200相对于光轴30以角度α'入射倒工件1上，其中，每个子激光射线200根据其相对于光轴30的角度α’折射。然而总体上，光轴30在激光束20的该示例中垂直于工件1的表面10，使得迎角为0°。在工件1中，子激光射线200叠加以形成具有长度为L的被拉长的聚焦区220的非衍射光束。
图4B中示意性地示出了与图4A中相同的光束，但是具有非零迎角α并且具有像差校正设备7。在所示的示例中，像差校正设备7是所谓的柱面楔块70，该柱面楔块的第一侧700构造为柱形并且该柱面楔块的第二侧面702构造为平坦的。由此，显著减少了在激光束20引入到工件1的材料中时出现的光学像差。然而，也可能得是像差校正设备7构造为多件式，其中，第一侧700由第一柱面透镜提供并且第二侧702由第二光学元件提供，例如由第二柱面透镜或平凹透镜或平凸透镜提供。
图4C至图4F中示出了可以通过使用像差校正设备7获得的各种纵向强度分布。在此，图4C示出了在垂直入射下、也就是对工件1的非零迎角α的非衍射激光束20的纵向强度分布。在光束传播方向上被拉长的强度分布允许产生在光束传播方向上被拉长并且例如穿过工件1的相互邻接的侧面10、11的材料改性5。然而，一旦在没有像差校正设备7的情况下施加激光束20，如图4D中对于α＝15°所示，子激光束200开始在工件1的材料内发散。在激光束20倾斜入射的情况下，即在迎角α非零的情况下，材料中出现像差，由于上半光束以角α+α’并且下半光束以角α-α’入射到工件1上。由此，聚焦区220可能缩短或失真，如与图4C相比可以容易地看到。此外，激光束20开始在聚焦区220后面稀疏，而在图4C中强度仅降低。图4E中示出对于迎角为α＝35°的非衍射激光束的纵向强度分布。在这里，激光束20不再能够在工件1的材料中构造允许将材料改性5引入倒工件中的聚焦区220。然而，如果对于相同的迎角α＝35°，将图4B中的像差校正设备7引入到工件1材料前面的激光束的光束路径中，则可以建立图4C中的入射角α＝0°的非衍射光束的纵向强度分布。在此，像差效应显著降低，使得可以产生高质量的分割面。
图5A中示出了非衍射激光束20的横向强度分布或聚焦区220。非衍射激光束20是所谓的贝塞尔-高斯光束，其中，xy平面中的横向强度分布是径向对称的，使得非衍射激光束20的强度仅取决于距光轴30的径向距离。尤其，横向强度分布的直径在0.25μm至10μm之间。图5B中示出了纵向束截面，也就是说纵向强度分布。纵向强度分布具有高强度的拉长区域，该拉长区域约为3mm大。因此，聚焦区220的纵向延伸尺度显著大于横向延伸尺度。
以类似于图5A的方式，图5C中示出了具有非径向对称的横向强度分布的非衍射激光束。尤其，横向强度分布呈现为在y方向上被拉伸并且近似为椭圆形。图5D中示出激光束20的纵向强度分布，其中，聚焦区220还是具有L＝3mm的延伸尺度。图5E中示出了图5C的横向强度分布的放大局部，其中，不同的强度最大值由不同的子激光射线200的叠加产生。尤其，聚焦区220在水平方向A上相对于竖直方向B明显被拉长，其中，这两个方向彼此垂直。
如果具有这种聚焦区220的激光束20被引入到工件1中，则因此产生的材料改性5具有相同的形式。这在图6A中示出。尤其，材料改性5由此具有尖侧和平侧，其中，尖侧在长轴A的方向上并且钝侧在短轴B的方向上。在此，由于材料改性5引起的裂纹形成52在长轴A的方向上实现，因为在那里应力峰值最大。
因此，优选，非径向对称的横向强度分布的长轴A沿分割线4取向，例如相对于分割线4切向取向，使得所引起的裂纹形成遵循分割线4。如果现在如图6B中所示材料改性5在分割线4处取向，使得相邻的材料改性5的裂纹52重叠，则可以实现本体工件1’和区段12的自分割。如果材料改性5进一步远离彼此，则如上所述，可能需要分割步骤。
如果具有圆形或非径向对称的横向强度分布的激光束20以迎角α投影到工件1的表面10上，则这在入射平面中导致强度分布的失真。这在图7中示出。在图7A、图7B中，激光束20以非径向对称的横向强度分布入射在工件1的表面10上。例如，短轴B可以位于入射平面中，而光束轮廓的长轴A平行于进给方向V。由此可以实现，裂纹形成52优选在进给方向V上延伸。然而，由于将短轴B投影到表面10上，短轴B的强度分布在长度B/cosα上，使得由于该投影，短轴B随着迎角的增大而变长。尤其，由此可以实现以下情况：短轴B的投影相当于长轴A的长度。则所产生的材料改性5不具有用于裂纹形成的优选方向。
例如，在迎角为45°的情况下，短轴增长到因此，如果投影之前的比率A/B大于则在投影时长轴A相对于分割线4的取向保持。
图8中示出了关于投影的影响的另外的示例。图8A中示出了在垂直入射倒工件1表面10上的情况下的图5A的贝塞尔-高斯光束。在非零迎角α的情况下，在图8B中所示，工件1的表面10上的径向对称强度分布变成在一个方向上被拉长的强度分布，使得由此产生的材料改性5具有优选方向。相应地，可以通过将激光束20投影到工件1的表面10上来设定或调节材料改性5的优选方向。图8C中示出了图5C的贝塞尔光束。通过投影到工件1的表面10上来保持长轴A的定向，使得由此产生的材料改性5的裂纹扩展的优选方向的取向没有变化。在此，A/B小于迎角α的余弦的倒数。
尤其，激光束20可以被偏振，优选地平行于入射平面偏振，以便使反射损耗最小化。为此，图9中示出根据菲涅耳公式在相对于入射平面平行和垂直偏振的情况下穿过工件1的激光辐射的透射。在此，尤其在X轴上绘制迎角α，但是根据图4A的子激光射线20具有相对于光轴30的会聚角α'。
例如，在迎角α＝50°并且会聚角α’＝20°的情况下，子激光射线200以从α-α’＝30°至α+α’＝70°的角度范围入射到工件1的表面10上。由此，在平行入射的情况下，透射率在96％至94％之间，而在垂直入射的情况下，透射率在95％至70％之间变化。相应地，垂直于入射平面偏振的激光束20的变化比平行于入射平面偏振的光的变化明显更强烈。因此，为了减少反射损耗特别有利的是，子激光射线200相对于表面法线N以小于80°的角度入射到工件1上。
图10A中示出了用于实施该方法的设备的实施方式。在此，激光脉冲由超短脉冲激光器2提供，并且通过偏振光具32、通过光束成形光具34偏转。激光束20从光束成形光具34偏转到像差校正设备7，其中，加工光具3的光轴30相对于工件1的表面法线N以迎角α取向。
在此，偏振光具32可以包括偏振器，该偏振器使由超短脉冲激光器2发射的激光束20偏振，使得该激光束仅具有明确限定的偏振。后面的半波片可最终使激光束20的偏振这样旋转，使得激光束20可以优选平行于入射平面地偏振地被引入到工件1中。
在所示的示例中，光束成形光具34是轴锥，以便用于将入射激光束20成形为非衍射激光束。然而，轴锥也可以由其他元件代替，以便产生非衍射光束。轴锥从优选准直的输入光束产生锥形渐缩的激光束20。在此，光束成形光具34还可以给入射激光束20上施加非径向对称的强度分布。
最后，非衍射激光束20经由像差校正设备7被引入到工件1的材料中。
图10B中示出了替代实施方式。在这里，非衍射激光束经由望远镜光具36成像到工件1中，该望远镜光具由两个光学元件360、362构成，其中，成像可以是放大或缩小的成像。尤其，像差校正设备7是加工光具或第二光学元件362的一部分。
此外，在图10A、图10B中，像差校正设备7的柱面侧是光束传播方向上的第一侧700。此外，第二侧702是平坦的并且是激光束20的光束路径中的、在激光束20被引入到工件1的材料中之前的最后表面。由此可以防止下游光学元件的进一步的像差影响。
此外，像差校正设备7以可互换的方式被引入到***盒72中。如果像差校正设备7靠近聚焦区22布置，则像差校正设备可能暴露于特别强的热负载，并且因此像差校正设备随着加工时间增加而被损坏或被修改。为了能够实现像差校正设备7的简单更换，可以通过***盒72来更换像差校正设备7，而不必从一开始就重新实施光学校准。然而优选地，保持光学校准。
图11A中示出了进给设备6，该进给设备设置为用于使加工光具3和工件1沿三个空间轴线平移地运动并且围绕两个空间轴线旋转地运动。超短脉冲激光器2的激光束20通过加工光具3偏转到工件1上。在此，工件1布置在进给设备6的放置面上，其中，放置面优选地既不吸收也不反射未被材料吸收的激光能量，也不将该激光能量强烈地散射回到工件1中。
尤其，激光束20可以通过光束引导设备38耦入到加工光具3中。在此，光束引导设备可以是具有透镜和反射镜***的自由空间路径，如图11A中所示。然而，光束引导设备38还可以是具有耦入和耦出光具的空芯光纤，如图11B所示。
在图11A的当前示例中，激光束20通过反射镜结构朝工件1的方向偏转，并且由加工光具3引入到工件1中。在工件1中，激光束20引起材料改性5。加工光具3可以利用进给设备6相对于材料运动和调整，例如使得激光束20的横向强度分布的优选方向或对称轴线可以适配于进给轨迹并且因此适配于分割线4。
在此，进给设备6可以使工件1在激光束20下方以进给V运动，使得激光束20沿着期望的分割线4引入材料改性5。尤其，在所示出的图11A中，进给设备6包括第一轴***60，利用该第一轴线***，工件1可以沿XYZ轴运动并且必要时可以旋转。尤其，进给设备6还可以具有工件保持架62，该工件保持架设置位用于保持工件1。必要时，工件保持架同样可以具有运动自由度，使得非径向对称的横向强度分布的垂直于光束传播方向的长轴总是可以相对于分割线4切向地取向。
为此目的，进给设备6还可以与调节电子装置64连接，其中，该调节电子装置64将设备的用户的用户命令转换为用于进给设备6的控制命令。尤其，预定义的切割模式可以存储在调节电子装置64的存储器中并且可以通过调节电子装置64自动地控制工艺。
调节电子装置64尤其还可以与超短脉冲激光器2连接。在此，调节电子装置64可以要求或触发激光脉冲或激光爆发的发射。调节电子装置64也可以与其他所提及的部件连接并且因此可以协调材料加工。
尤其，可以因此实现位置受控的脉冲触发器，其中，例如进给设备6的轴编码器600被读取并且轴编码器信号被调节电子装置64解读为地点规定。因此，调节电子装置64能自动地触发激光脉冲或激光脉冲序列的发射，例如如果将走过的路径行程相加的内部加法器单元达到一值并且在达到该值之后重置为0。因此例如，激光脉冲或激光脉冲序列可以以规律的间隔自动发射到工件1中。
由于在调节电子装置64中也可以处理进给速度V和进给方向并且因此处理分割线4，因此可以自动发射激光脉冲或激光脉冲序列。
调节电子装置64也可以基于所测量的速度和由激光器2提供的基频来计算应发射激光脉冲序列或激光脉冲的距离或地点。由此尤其可以实现，材料改性5在工件1中不重叠。
由于激光脉冲或脉冲序列的发射地点受控地实现，可以省去耗费的分割过程编程。此外可以简单地实现可自由选择的工艺速度。
图11C中同样示出进给设备6，其中，加工光具通过5轴臂在工件1上被引导，以将材料改性5引入到工件1中。通过旋转臂的组合能使加工光具沿三个空间轴线移动并且围绕两个空间轴线旋转。
在适用范围内，在示例性实施例中示出的所有单个特征可以在不脱离本发明范围的情况下彼此组合和/或互换。
附图标记列表
1 工件 1'本体工件
10 表面 11 上侧
110 棱边 12 区段
13 下侧 130 棱边
14 成形棱边、倒角、斜角
2 超短脉冲激光器 20 激光束
200 子激光射线
220 聚焦区
3 加工光具
30 光轴
32 偏振光具
34 光束成形光具
36 望远镜
38 光束引导设备
360 第一透镜
362 第二透镜
4 分割线
40 化学浴
42 热板
5 材料改性
50 材料改性面
52 裂纹
6 进给设备
60 轴设备
62 工件保持架
64 调节电子装置
7 像差校正设备
70柱面楔块
700 第一表面
702 第二表面
72 ***盒
α 迎角
β 折射角
A 第一轴线
B 第二轴线
N 表面法线
V 进给
H 斜边

Claims (14)

1.一种用于分割具有透明材料的工件(1)的方法，其中，借助超短脉冲激光器(2)的超短激光脉冲将材料改性(5)沿着分割线(4)引入到所述工件(1)的透明材料中，并且所述工件(1)的材料然后沿着由此产生的材料改性面(50)在分割步骤中分割开，
其特征在于，
所述激光脉冲以迎角(α)到达所述工件(1)上并且所述激光脉冲在过渡到所述工件(1)的材料中时的光学像差通过像差校正设备(7)被减小，并且
所述激光束(20)具有非径向对称的横向强度分布(220)，其中，所述横向强度分布(220)在第一轴线(A)上与第二轴线(B)相比呈现为被拉长的，其中，所述第二轴线(B)垂直于所述第一轴线(A)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料改性(5)穿透所述工件(1)的、位于相交平面中的两个侧面，并且通过所述分割步骤产生成形棱边(14)，优选倒角和/或斜角，其中，所述倒角(14)和/或所述斜角(14)的斜边(H)大小优选在50μm至2mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由所述激光脉冲引入的材料改性是与所述工件的材料中的裂纹形成相关联的III型改性，和/或所述分割步骤包括机械分割和/或蚀刻过程和/或热施加和/或自分割步骤。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束是非衍射激光束。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述非径向对称的横向强度分布(220)到所述工件(1)上的投影中，所述第一轴线(A)和所述第二轴线(B)由于所述迎角(α)而呈现为相同大的，和/或所述非径向对称的横向强度分布(220)到所述工件(1)上的投影在进给方向(V)上被拉长。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光脉冲的脉冲能量在10μJ至50mJ之间和/或平均激光功率在1W至1kW之间，和/或所述激光脉冲是单个激光脉冲或是激光爆发的一部分，其中，激光爆发包括2至20个激光脉冲，其中，所述激光爆发的激光脉冲具有10ns至40ns、优选为20ns的时间间隔，和/或所述激光的波长大小在300nm至1500nm之间、尤其是1030nm，和/或入射的所述激光束(20)平行于所述入射平面偏振。
7.一种用于分割包括透明材料的工件(1)的设备，该设备包括：
超短脉冲激光器(2)，所述超短脉冲激光器设置为用于提供超短激光脉冲；
加工光具(3)，所述加工光具设置为用于将所述激光脉冲引入到所述工件(1)的材料中；以及
进给设备(6)，所述进给设备设置为用于使由所述激光脉冲形成的激光束(20)和所述工件(1)沿着分割线(4)以进给(V)相对彼此运动，并且所述加工光具(3)的光轴(30)相对于所述工件(1)的表面(10)以迎角(α)取向，
其特征在于，
像差校正设备(7)设置并且设定为用于减小所述激光脉冲在进入到所述工件(1)的材料中时的像差，其中，
所述激光脉冲以迎角(α)到达所述工件(1)上，并且所述激光束(20)具有非径向对称的横向强度分布(220)，
其中，与第二轴线(B)相比，所述横向强度分布(220)在第一轴线(A)上被拉长，其中，所述第二轴线(B)垂直于所述第一轴线(A)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，光束成形光具(34)从所述激光束(20)成形出非衍射的激光束(20)。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的设备，其特征在于，所述像差校正设备(7)具有第一表面(700)和第二表面(702)，其中，所述第一表面(700)在光束传播方向上在所述第二表面(702)前面，所述第一表面(700)柱形地拱曲，并且所述第二表面(702)是柱形拱曲的或平坦的，并且在所述激光脉冲被引入到所述工件(1)的材料之前所述第二表面(702)是所述激光束(20)的光束路径中的最后表面，和/或所述像差校正设备(7)一体式地以柱面楔块(70)的形式构造和/或所述第二表面(702)与所述材料表面的距离小于1mm和/或所述像差校正设备(7)可更换地保持在***盒(72)中。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述加工光具(3)包括所述像差校正设备(7)，和/或所述加工光具(3)包括伸缩***(36)，所述伸缩***设置为用于将所述激光束(20)减小和/或增大地引入到所述工件(1)中。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的设备，其特征在于，所述进给设备(6)包括轴设备(60)和工件保持架(62)，所述轴设备和所述工件保持架设置为用于使所述加工光具(3)和所述工件(1)沿着三个空间轴线平移地运动并且围绕至少两个空间轴线旋转地相对运动，和/或所述加工光具(3)的迎角(α)在0°至60°之间，和/或所述激光束(20)的子激光射线(200)相对于所述工件(1)的表面法线(N)最大以80°的入射角照射到所述工件(1)上，和/或为了使所述非径向对称的横向强度分布(220)的长轴(A)沿着所述进给方向(V)定向而调节所述轴***(62)，和/或所述工件保持架(62)具有使所述激光束(20)不反射和/或不散射的表面。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的设备，其特征在于，偏振光具(32)设置为用于，相对于所述激光束(20)的入射平面调整所述激光束(20)的偏振，优选平行于所述入射平面，所述偏振光具优选地包括偏振器和波片。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的设备，其特征在于，光束引导设备(38)设置为用于将所述激光束(20)引导到所述工件(1)，其中，所述光束引导通过反射镜***和/或光纤、优选地空芯光纤来实现。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的设备，其特征在于，调节电子装置(64)设置为用于，基于激光束(20)和工件(1)的相对位置而触发所述超短脉冲激光器(2)的激光脉冲发射。
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