DE102022115711A1

DE102022115711A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken

Info

Publication number: DE102022115711A1
Application number: DE102022115711.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Ulrich Thomas; David Sohr; Andreas Koglbauer; Andreas Ortner
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2023247169A1

Abstract

Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (1), bei welchem- das Werkstück (1) mit dem Laserlicht (30) eines Lasers (3) bestrahlt wird, wobei- das Material des Werkstücks (1) für das Laserlichts (30) zumindest teilweise transparent ist, so dass das Laserlicht (30) in das Werkstück (1) eindringt, und wobei- das Laserlicht (30) mittels einer Strahlformungsoptik (7) in einer Fokussierungszone (35) im Werkstück (1) gebündelt wird, wobei- die Fokussierungszone (35) im Querschnitt senkrecht zur Strahlachse eine abgeflachte Form mit einer in Strahlrichtung liegenden Länge und dazu jeweils senkrechter Breite und Dicke aufweist, wobei die Dicke der Fokussierungszone (35) zumindest an einer Position entlang der Strahlachse um mindestens einen Faktor 5 geringer ist, als die Breite und die Länge der Fokussierungszone, und wobei- innerhalb der Fokussierungszone (35) aufgrund der Intensität des Laserlichts (30) im Material des Werkstücks (1) eine Modifikationszone (10) eingefügt wird, die entsprechend Fokussierungszone (35) eine abgeflachte Form aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Materialbearbeitung. Insbesondere betrifft die Erfindung das Bearbeiten von Materialien, die in zumindest einem Wellenlängenbereich für Licht transparent sind, mittels Laserstrahlung.
Aus dem Stand der Technik sind berührungslose Verfahren bekannt, um Materialien aufzutrennen. Einige dieser Trennverfahren machen sich Laserstrahlung zu Nutze. Zu nennen ist hier besonders die Laserablation. Ein Vorteil ist dabei, dass das Verfahren auf nahezu beliebige Materialien anwendbar ist. Nachteilig ist aber, dass die Ablation - insbesondere verglichen mit mechanischen abrasiven Verfahren - im Allgemeinen sehr langsam ist. Ein weiteres Trennverfahren basiert auf der Einwirkung hoch intensiver Laserstrahlung im Inneren transparenter Werkstoffe. Dabei kommt es durch nichtlineare optische Prozesse zu Materialveränderungen oder sogar zur Plasmabildung, welche das Material lokal schädigt. Dabei kann sich entlang des Laserstrahls ein mindestens teilweise offener Kanal im Material bilden. Werden entlang eines Pfads wiederholt mit dem Laser solche lokalen, typischerweise filamentförmigen Schädigungen oder Kanäle eingefügt, kann das so bearbeitete Werkstück dann entlang des Pfads leicht aufgetrennt werden. Ein Verfahren zum Trennen von Gläsern durch eine Aneinanderreihung von Schädigungen in Form von Filamenten mittels eines Lasers ist unter anderem aus der WO 2017/009379 A1 und dem darin genannten weiteren Stand der Technik bekannt.
Diese Technik des Einfügens filamentförmiger Schädigungen entlang eines Pfads und des anschließenden Auftrennens des bearbeiteten Werkstücks entlang des Pfads stößt schnell an seine Grenzen, wenn die Trennlinie gekrümmt ist oder sogar Ecken aufweist. Bei der oben genannten WO 2017/009379 A1 wird das Abtrennen entlang einer gekrümmten Trennlinie dadurch ermöglicht, dass die Filamente schräg zur Oberfläche eingefügt werden. Dies ist jedoch in vielen Fällen nicht erwünscht. Eine Abtrennung entlang einer beliebig verlaufenden Trennlinie ist andererseits durch nachfolgendes Ätzen möglich. Durch das Ätzen weiten sich die Filamente auf, bis sich die so gebildeten Kanäle miteinander verbinden und eine Auftrennung an der Trennlinie herbeigeführt wird. Das Ätzen ist aber aufwändig und langsam. Daher besteht Bedarf, das Bearbeiten von Werkstücken, wie etwa das Auftrennen transparenter Materialien mittels eines Lasers durch Erzeugen von Modifikationen im Inneren des Werkstücks weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung basieren insbesondere darauf, einen Laserstrahl so zu formen, dass ein zweidimensional ausgedehnter Fokus im Material des aufzutrennenden Werkstücks erhalten wird. Damit wird keine in Propagationsrichtung des Laserstrahls betrachtet mehr oder weniger linienförmige Schädigung oder ein dünner Kanal im Werkstück erzeugt, sondern vielmehr eine zweidimensionale, ausgedehnte und zusammenhängende Modifikationszone, insbesondere in Form einer Schädigungszone, die im Idealfall auch bereits eine Auftrennung des Materials aufweist. Im Speziellen ist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks vorgesehen, bei welchem das Werkstück mit dem Laserlicht eines gepulsten Lasers bestrahlt wird, wobei das Material des Werkstücks für das Laserlicht zumindest teilweise transparent ist, so dass das Laserlicht in das Werkstück eindringt. Die Modifikation des Materials des Werkstücks erfolgt durch nichtlineare Wechselwirkung mit dem Laserlicht aufgrund der hohen Lichtintensität, insbesondere durch nichtlineare Absorption des Laserlichts. Das Laserlicht wird zur Erzielung einer hohen Lichtintensität mittels einer Strahlformungsoptik in einer Fokussierungszone im Werkstück gebündelt, wobei die Fokussierungszone eine abgeflachte Form mit einer in Strahlrichtung des Laserlichts liegenden Länge und im Querschnitt senkrecht zur Strahlachse oder Strahlrichtung, beziehungsweise im Transversalprofil eine Breite und eine Dicke aufweist, wobei zumindest an einer Position entlang der Strahlachse die Dicke der Fokussierungszone im Querschnitt um mindestens einen Faktor 5 geringer ist, als die Breite und die Länge der Fokussierungszone. Mit anderen Worten erstreckt sich die Fokussierungszone entlang der Strahlenachse des Laserlichts und zwei dazu senkrechten Richtungen, wobei die Fokussierungszone in Richtung entlang einer der zur Strahlenachse senkrechten Richtung um mindestens einen Faktor 5 schmaler ist, als entlang der Strahlenachse und der anderen, zur Strahlenachse senkrechten Richtung. Die Form der Fokussierungszone kann damit auch als blatt- oder schneidenförmig bezeichnet werden. Die Dicke und die Breite im Querschnitt senkrecht zur Strahlrichtung stellen eine lokale Dicke, beziehungsweise Breite der Fokussierungszone dar. Beide Größen können daher entlang der Strahlrichtung variieren und tun dies in der Regel auch. Um die Fokussierungszone kann auch eine Box gelegt werden. Die Maße dieser Box können dann als globale Dicke, Breite und Länge bezeichnet werden.
Innerhalb der Fokussierungszone wird aufgrund der Intensität des Laserlichts im Material des Werkstücks eine Modifikationszone eingefügt, die entsprechend der Fokussierungszone eine abgeflachte Form aufweist, die also insbesondere entsprechend der Form der Fokussierungszone in Richtung der Strahlachse und einer dazu senkrechten Richtung ausgedehnter ist, als entlang einer zweiten, zur Strahlachse senkrechten Richtung. Die Strahlachse und die vorgenannte erste und zweite Richtung bilden insbesondere ein orthogonales Koordinatensystem. Dementsprechend sind diese drei Richtungen paarweise senkrecht zueinander. Das Werkstück kann dann an der Modifikationszone gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in zwei Teile aufgetrennt werden. Diese Auftrennung erfolgt gemäß einer Weiterbildung spontan, wenn die Modifikationszone bereits eine Auftrennung des Materials bewirkt. Allgemein wird unter einer Modifikationszone ein Bereich im Material des Werkstücks verstanden, an dem das Material des Werkstücks gegenüber dem umgebenden Material modifiziert ist. Insbesondere kann dabei die Modifikationszone eine Schädigungszone sein, also ein Bereich, in welchem im Material eine Schädigung eingefügt ist. Eine solche Schädigung kann insbesondere auch eine Auftrennung des Materials umfassen.
Gegebenenfalls kann gemäß einer anderen Ausführungsform auch eine Trennung durch einen zusätzlichen Schritt, etwa durch das Ausüben einer Spannung im Material im Bereich der Modifikationszone erfolgen.
Das Ausüben einer Spannung kann sowohl mechanisch, etwa über eine Druck-, Zug- oder Biegespannung erfolgen, als auch thermisch, beziehungsweise durch Erhitzen der Oberfläche mit einer Strahlungsquelle, wie etwa einem CO₂-Laser oder durch Kühlen mit einer Düse erfolgen. Ebenfalls möglich ist eine spontane Selbsttrennung, wenn das Glaswerkstück chemisch oder thermisch vorgespannt ist.
Um die zur Erzeugung der Modifikation, insbesondere einer Schädigung des Materials erforderliche Strahlungsintensität bereitzustellen, eignen sich insbesondere gepulste Laser. So sind beispielsweise für Gläser und andere anorganische Materialien besonders sogenannte Ultrakurzpuls-Laser, deren Pulse eine Länge im Bereich einiger 10 ps oder weniger besitzen, geeignet, um entsprechende Schädigungszonen hervorzurufen.
Neben dem Auftrennen von Werkstücken sind auch andere Bearbeitungen durch Materialmodifikation möglich. Gemäß einer anderen, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform wird durch das Laserlicht im Material des Werkstücks lokal, also in der Schädigungszone eine Brechungsindex-Änderung hervorgerufen. Eine solche Änderung der Materialeigenschaften kann insbesondere verglichen mit einer Bearbeitung zum Auftrennen des Werkstücks niedrigeren Lichtintensitäten oder Leistungsdichten erfolgen.
Das Verfahren ist besonders für die Bearbeitung anorganischer Materialen geeignet, die transparent für das verwendete Laserlicht sind. Gedacht ist hier insbesondere an Glas, aber auch an Glaskeramik, Silizium und auch weitere kristalline Werkstoffe, wie etwa kristallines Aluminiumoxid.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen. Die Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, umfasst insbesondere einen Laser zur Abgabe von Laserlicht, wobei der Laser eingerichtet ist, Laserlicht einer Wellenlänge abzugeben, für welche das Werkstück zumindest teilweise transparent ist, so dass das Laserlicht in das Werkstück eindringen kann. Die Vorrichtung umfasst weiterhin insbesondere eine Strahlformungsoptik, um das Laserlicht in einer Fokussierungszone im Werkstück zu bündeln, wobei die Strahlformungsoptik so ausgebildet ist, dass die damit erzeugte Fokussierungszone des Laserlichts eine abgeflachte Form mit einer in Strahlrichtung liegenden Länge und einer Breite und einer Dicke aufweist, wobei die Breite und Dicke senkrecht zur Richtung der Länge liegen, wobei also die Richtungen der Breite, Dicke und Länge paarweise senkrecht zueinander stehen, und wobei die Dicke der Fokussierungszone um mindestens einen Faktor zwei, vorzugsweise mindestens einen Faktor 5 geringer ist, als die Breite und die Länge der Fokussierungszone. Der Laser und die Strahlformungsoptik sind weiterhin so ausgebildet, dass innerhalb der Fokussierungszone eine hinreichende Intensität des Laserlichts vorhanden ist, um im Material des Werkstücks eine Schädigungszone einzufügen, die eine abgeflachte Form aufweist, insbesondere, derart, dass die Schädigungszone entsprechend der Form der Fokussierungszone in Richtung der Strahlachse und einer dazu senkrechten Richtung ausgedehnter ist, als entlang einer zweiten, zur Strahlachse senkrechten Richtung. Das aufzutrennende Werkstück kann auch Bestandteil der Vorrichtung sein. Weiterhin kann die Vorrichtung eine Einrichtung zum Auftrennen des Werkstücks an der Modifikationszone aufweisen, insbesondere eine Einrichtung zum Ausüben einer mechanischen Spannung an der Modifikationszone.
Die abgeflachte, beispielsweise klingenartige Form der Fokussierungszone kann alternativ oder zusätzlich zu den Verhältnissen von Dicke zu Breite und/oder Länge dieser Zone auch durch die Verhältnisse der entsprechenden Flächen beschrieben werden. So ist alternativ oder zusätzlich in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Laserlicht so in einer Fokussierungszone gebündelt wird, dass die Projektionsfläche der Fokussierungszone betrachtet entlang der Richtung der Strahlachse des Laserlichts um mindestens einen Faktor vier kleiner ist als die Projektionsfläche der Fokussierungszone betrachtet entlang der Richtung der Dicke der Fokussierungszone.
Die Ausdehnungen der Fokussierungszone entlang der drei zueinander senkrechten Richtungen, also der Strahlachse und der anderen beiden Richtungen werden wie oben bereits beschrieben als Dicke w, Breite b und Höhe L bezeichnet. Dabei ist die Höhe L die Ausdehnung der Fokussierungszone in Richtung der Strahlachse oder Strahlrichtung, beziehungsweise der Einstrahlrichtung des Laserlichts. Die Dicke w bezeichnet die Ausdehnung des Querschnitts der Fokussierungszone entlang einer zweiten, zur Strahlachse senkrechten Richtung, entlang welcher die Fokussierungszone um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise mindestens einen Faktor 5 schmaler ist, als entlang der Strahlachse und einer ersten Richtung, die zur zweiten Richtung senkrecht steht. Es ist bevorzugt, dass mit der Strahlformungsoptik eine Fokussierungszone im Werkstück erzeugt wird, die zumindest eine, vorzugsweise alle der folgenden Ausdehnungen aufweist:

- eine Breite b, also eine Ausdehnung entlang einer ersten Richtung senkrecht zur Strahlachse im Bereich von 1 µm bis 10 mm, vorzugsweise 10 µm bis 50 µm,
- eine Dicke w, also eine Ausdehnung entlang einer zweiten Richtung senkrecht zur Strahlachse im Bereich von 0,2 µm bis 50 µm, vorzugsweise 1µm ±0,5 µm,
- eine Höhe L, also eine Ausdehnung entlang der Strahlachse im Bereich von 2 µm bis 20 mm, vorzugsweise mindestens 30 µm, besonders bevorzugt 1 mm bis 5 mm.

Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der Figuren erläutert. In den Figuren verweisen gleiche Bezugszeichen jeweils auf gleiche oder entsprechende Elemente.
Kurzbeschreibung der Figuren:

1 zeigt eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken.
2 zeigt schematisch ein Werkstück mit darin eingefügten Schädigungszonen.
3 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Fokussierungszone.
4 zeigt eine Anordnung mit einer vollständig im Werkstück positionierten Fokussierungszone.
5 zeigt drei mögliche Positionierungen einer Fokussierungszone relativ zu einem Werkstück.
6 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung einer Fokussierungszone mit einem Bessel-Strahl.
7 zeigt den Intensitätsverlauf in einer Fokussierungszone in zwei zueinander senkrecht stehenden Schnittebenen.
8 zeigt einen astigmatisch fokussierten Laserstrahl und
9 den Strahlquerschnittt des Laserstrahls an vier unterschiedlichen Positionen.
10 zeigt ähnlich zu 8 einen astigmatisch geformten Laserstrahl zusammen mit idealisierten dreidimensionalen Strahlprofilen.
11 zeigt verschiedene möglichen Anordnungen eines astigmatischen Laserstrahls relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück.
12 zeigt eine Strahlformungsoptik mit einem diffraktiven optischen Element.
13 zeigt eine Aufsicht auf ein diffraktives optisches Element zur Erzeugung eines Gauß-Bessel-Strahls und den Phasenverlauf von mit dieser Maske erzeugbaren Beamlets.
14 zeigt die durch ein diffraktives optisches Element hervorgerufene Phasenverschiebung für zwei zueinander senkrechte Richtungen als Funktion des Abstands in radialer Richtung zum Zentrum des Elements.
15 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der Oberflächen eines mit dem Laserlicht bearbeiteten Werkstücks.
16 zeigt schematisch die Lage der Fokussierungsbereiche relativ zur Oberfläche des Werkstücks.
17 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines aufgetrennten Werkstücks und
18 die durch das Auftrennen erhaltene Kantenfläche eines Teils des Werkstücks.
19 zeigt eine optische Anordnung zur Erzeugung einer um eine zur Strahlrichtung senkrecht stehenden Achse gebogenen Fokussierungszone.
20 zeigt Beispiele mit einer gebogenen Fokussierungszone, wobei Teilbild (a) ein Werkstück, welches von der Fokussierungszone durchstrahlt wird und Teilbild (b) eine Fokussierungszone in perspektivischer Darstellung zeigt.
21 bis 26 zeigen weitere Ausführungsformen von Strahlformungsoptiken zur Erzeugung von abgeflachten Fokussierungszonen.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 2 zum Bearbeiten, insbesondere zum Auftrennen eines Werkstücks 1, wie sie zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung 2 umfasst allgemein, ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel als zentrale Bestandteile einen Laser 3 und eine Strahlformungsoptik 7. Ein zu bearbeitendes Werkstück 1 wird so in Strahlrichtung des Lasers 3 vor der Strahlformungsoptik 7 angeordnet, dass die von der Strahlformungsoptik 7 aus dem Laserlicht, beziehungsweise dem Laserstrahl 30 erzeugte Fokussierungszone 35 zumindest teilweise innerhalb des Werkstücks 1 liegt.
Der Laser 3 ist hinreichend leistungsstark, um aufgrund der Intensität des Laserlichts 30 innerhalb des im Werkstück 1 liegenden Teils der Fokussierungszone 35 eine Materialveränderung in einer Modifikationszone, vorzugsweise in Form einer Schädigungszone hervorzurufen, die entweder die Auftrennung des Elements 1 an der Schädigungszone erleichtert oder bereits bewirkt.
Besonders geeignet ist ein Ultrakurzpulslaser, vorzugsweise mit Pulsdauern im Picosekunden-Bereich, insbesondere betreibbar mit Pulsdauern unterhalb von 50 ps. Anders als in bisher genutzten Vorrichtungen zur laserbasierten Trennung von Werkstücken durch Einfügen von filamentförmigen Schädigungen oder dünnen Kanälen ist vorgesehen, dass die Fokussierungszone 35 und entsprechend die Schädigungszone 10 eine abgeflachte Form aufweist. Je nach Fokussierungseigenschaften kann die Fokussierungszone unterschiedliche Gestalt aufweisen, beispielsweise die Form eines abgeflachten Ellipsoids oder einfach eines stark abgeflachten Quaders oder einer flachen Scheibe.
Eine abgeflachte Fokussierungszone 35 kann allgemein durch eine astigmatische oder kaustische Strahlformungsoptik 7 erreicht werden. In einer Ausführungsform kann zumindest eine Zylinderlinse als Bestandteil der Strahlformungsoptik 7 vorgesehen sein.
Allgemein kann alternativ oder zusätzlich zu einer Zylinderlinse auch ein anderes refraktives optisches Element eingesetzt werden. So ist gemäß einer Ausführungsform eine Freiform-Optik vorgesehen. Besonders bevorzugt ist eine Phasenmaske als Bestandteil der Strahlformungsoptik 7. Eine Phasenmaske ermöglicht es in einfacher Weise, eine Fokussierungszone 35 zu erzeugen, die gleichzeitig eine große Länge und eine geringe Dicke aufweist. Bei einer Zylinderlinse oder allgemein einer Optik mit unterschiedlichen Brechkräften in zueinander senkrechten Richtungen besteht demgegenüber die Tendenz, dass eine Verringerung der Breite auch mit einer Verkürzung der Fokussierungszone einher geht.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Phasenmaske als diffraktives optisches Element ausgebildet. Auch eine sonstige Phasenmaske, wie etwa ein LCOS Spatial Light Modulator (SLM) kann Bestandteil der Strahlformungsoptik als Element zur Erzeugung der hier beschriebenen abgeflachten Fokussierungszone sein. Ein LCOS-SLM ist ein reflektierender räumlicher Lichtphasenmodulator, welcher die optische Phase frei modulieren kann. Dabei wird die optische Phase des Lasers durch einen Flüssigkristall moduliert. Allgemein kann also die Strahlformungsoptik 7 auch ein Flüssigkristall-Element zur Phasenmodulation des Lichts umfassen. Allgemein müssen die Fokussierungszone 35 und die Modifikationszone 10 nicht zusammenfallen. So kann insbesondere die Fokussierungszone 35 bereits außerhalb des Werkstücks 1 beginnen und/oder außerhalb des Werkstücks 1 enden. Bei dem dargestellten Beispiel ist die Länge L der Fokussierungszone 35, also deren Abmessung in Richtung entlang der Strahlachse 31 des Laserlichts 30 größer als die Dicke des Werkstücks 1. Dabei ragt die Fokussierungszone 35 über beide gegenüberliegenden Seitenflächen 100, 101 des in diesem Beispiel scheibenförmigen Werkstücks 1 hinaus, während sich die Modifikationszone 10 selbstverständlich maximal zwischen den beiden Seitenflächen 100, 101 erstrecken kann. Ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel wird das Verfahren besonders bevorzugt auf scheibenförmige Werkstücke 1 angewandt. Weiterhin wird, wie auch im dargestellten Beispiel die Modifikationszone so eingefügt, dass die Richtung der Breite der Schädigungszone entlang der Seitenflächen 100, 101, beziehungsweise senkrecht zur Oberflächennormale einer Seitenfläche 100, 101 liegt. Die Modifikationszone 10 stellt sich damit als ein schmaler Schnitt in eine Seitenfläche 100, 101 dar, welcher auf diese Weise eine Trennung des Werkstücks 1 in Teile erleichtert.
Um die Lage der einen oder mehreren einzufügenden Schädigungszonen 10 einzustellen, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung 2 eine Positionierungseinrichtung 9 vorgesehen. Die Positionierungseinrichtung 9 und auch das optische System, hier insbesondere der Laser 3 können mittels einer Steuerung 12 vorzugsweise programmtechnisch gesteuert werden. Bei dem dargestellten Beispiel umfasst die Positionierungseinrichtung 9 einen x-y-Tisch, auf dem das scheibenförmige Werkstück 1 aufgelegt wird. Aufgrund der mit der hier beschriebenen Anordnung erzeugten abgeflachten, klingenförmigen Fokussierungszone ist auch deren Orientierung im Verhältnis zur Strahlachse relevant. Um diese Orientierung einzustellen, ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass das optische System, beziehungsweise die Strahlformungsoptik 7 um die Strahlachse rotierbar ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Werkstück um die Strahlachse rotiert werden, um eine gewünschte Orientierung der Fokussierungszone im Werkstück zu erreichen. Daher ist gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform vorgesehen, dass die Positioniereinrichtung eine Drehachse aufweist, um das Werkstück gegenüber dem Laserstrahl um eine Richtung parallel oder kollinear zur Strahlrichtung zu drehen.
Gegebenenfalls reicht insbesondere bei kleinen Werkstücken eine einzelne Modifikationszone 10 bereits für eine Auftrennung des Werkstücks 1 aus. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden aber mehrere Modifikationszonen 10, vorzugsweise in Form von Schädigungszonen aneinandergereiht, derart, dass diese einer vorgesehenen Trennlinie 14 folgen, wobei das Werkstück 1 an der Trennlinie 14 aufgetrennt wird, so dass zwei Teile 4, 5 erhalten werden. 2 zeigt zur Verdeutlichung dazu ein hier wieder als Beispiel scheibenförmiges Werkstück 1 mit mehreren solchen aneinandergereihten Modifikationszonen 10. Das Werkstück 1 ist in Aufsicht auf eine Seitenfläche 100 dargestellt. Von den Modifikationszonen 10 ist in dieser Darstellung die Querschnittfläche senkrecht zur Richtung der Länge L zu sehen. Durch die abgeflachte Geometrie der Schädigungszone 10 ist diese von der Seitenfläche 100 aus als langgestreckte Form erkennbar, hier vereinfacht als langgestrecktes Rechteck dargestellt. Es ist hierbei sinnvoll, die Modifikationszonen 10 so aneinander zu reihen, dass die Längsrichtungen der langgestreckten Querschnitte der Modifikationszonen 10 entlang der Trennlinie 14 ausgerichtet sind. Mit anderen Worten sind die Modifikationszonen 10 so orientiert, dass die Trennlinie 14 entlang der Richtung der Breite der Modifikationszonen 10 verläuft.
Das Einfügen von abgeflachten, schnitt- oder spaltartigen Modifikationszonen 10, wie sie die Erfindung vorsieht, ermöglicht außerdem auch eine einfachere Auftrennung des Werkstücks 1 entlang einer gekrümmten, oder zumindest entlang eines Abschnitts gekrümmten Trennlinie 14, ohne dass eine endgültige Abtrennung durch einen zusätzlichen Ätzschritt unterstützt oder hervorgerufen wird. Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung ist daher vorgesehen, dass die Schädigungszonen 10 entlang einer zumindest abschnittweise gekrümmten Trennlinie 14 eingefiigt werden. Eine weitere Schwierigkeit beim Abtrennen entsteht außerdem dann, wenn wie auch im dargestellten Beispiel die Trennlinie 14 geschlossen ist. Auch dies ist mit dem hier beschriebenen Verfahren deutlich einfacher möglich, verglichen mit einem Vortrennen durch Einfügen von filamentförmigen Schädigungen. Gemäß noch einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des Verfahrens werden also Modifikationszonen 10 entlang einer in sich geschlossenen Trennlinie 14 eingefügt und dann vorzugsweise ein von dieser Trennlinie begrenztes Innenteil vom Werkstück 1 abgetrennt. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Teil 4 ein Innenteil 6. Die Trennlinie 14 ist hier kreisförmig und das Innenteil 6 hat demgemäß die Form einer Kreisscheibe.
Im dargestellten Beispiel sind die Modifikationszonen 10 noch räumlich getrennt. Es ist aber generell auch möglich, die Modifikationszonen 10 überlappen zu lassen, um das Auftrennen in die Teile 4, 5 weiter zu erleichtern.
Neben einer Aneinanderreihung der Schnitte in Längsrichtung ist es aber auch möglich, die Modifikationszonen 10 mit ihrer Breite zueinander weisend einzufügen. Auf diese Weise wird ein entsprechend breiterer Bereich mit Materialmodifikationen erzeugt. Dies kann auch das Herausschneiden von Innenteilen erleichtern. Noch eine Möglichkeit ist, die Werkstücke nicht zu durchtrennen, sondern durch mehrfaches Einfügen von nebeneinander liegenden Modifikationszonen in einem Werkstück eine einseitig offene Vertiefung herzustellen. Dies ermöglicht beispielsweise auch die Erzeugung von Scharnieren in spröden Werkstoffen, indem etwa die Dicke des Werkstücks lokal reduziert wird. Weiterhin kann auch die Spannung im Werkstoff geändert werden. So kann bei einem vorgespannten Glas ein Knick oder eine Biegung im Werkstück 1 erzeugt werden, wenn dort mindestens einseitig mittels einer Materialmodifikation lokal die Druckspannung abgesenkt wird. Weiterhin können auch andere Materialmodifikationen erfolgen, die keine Beseitigung von Material erfordern. Gedacht ist hier unter anderem an Brechungsindex-Änderungen. So können mittels der Materialmodifikation flächige Brechungsindex-Änderungen hervorgerufen werden, um beispielsweise dielektrische Reflektoren, etwa in der Form von Volumen-Bragg-Gittern herzustellen.
3 zeigt schematisch einen Querschnitt A einer Fokussierungszone 35, betrachtet in Richtung entlang der Strahlachse 31. In dieser Richtung sind am Ort der maximalen Ausdehnung der Fokussierungszone 35 die Abmessungen der Breite b und Dicke w am Querschnitt ablesbar. Im Beispiel hat die Fokussierungszone 35 einen elliptischen Querschnitt, aber es ist dem Fachmann ersichtlich, dass je nach Eigenschaften der Strahlformungsoptik 7 auch andere Querschnittformen möglich sind. Die Strahlformungsoptik 7 wird nun so ausgebildet, dass diese einen hinreichend kleinen Querschnitt in der Fokussierungszone hat. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist nun vorgesehen, dass ein gepulster Laser 3 verwendet wird, dessen Laserlicht 30 so in der Fokussierungszone 35 gebündelt wird, dass die Lichtintensität für eine Materialveränderung des Werkstücks 1 hinreichend groß ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass das Laserlicht 30 in eine Fokussierungszone 35 gebündelt wird, deren Querschnitt A so klein ist, dass die Lichtintensität in der Fokussierungszone 35, gegeben durch E_pulse/(A·t_pulse) einen Wert von 10¹³ W/cm² überschreitet. Im vorgenannten Term bezeichnet E_pulse die Energie eines Laserpulses und t_pulse die Pulsdauer. Um hohe Lichtintensitäten zu erreichen, sind neben einer kleinen Querschnittfläche besonders auch kurze Pulsdauern von Vorteil. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Pulsdauer kürzer als 100 ps ist. Besonders bevorzugt liegt die Pulsdauer in einem Bereich von 50 fs bis 50 ps.
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten der Dimensionierung und Positionierung der Fokussierungszone 35 relativ zum Substrat. Die Länge L der Fokussierungszone 35 kann entweder größer oder kleiner als die Dicke des Werkstücks 1 sein. Ist die Fokussierungszone 35 länger als die Dicke des Werkstücks, kann die Fokussierungszone 35 durch beide gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstücks 1 hindurchstoßen. Alternativ kann die Fokussierungszone 35 aber auch so positioniert werden, dass nur eine Oberfläche durchstoßen wird und die Fokussierungszone 35 im Werkstück 1 endet. Ist die Fokussierungszone 35 kürzer als die Dicke des Werkstücks, besteht die weitere Möglichkeit, dass die Fokusierungszone 35 vollständig innerhalb des Werkstücks 1 liegt. Letzteren Fall verdeutlicht 4. Die Teilbilder (a) und (b) zeigen das Werkstück 1 im Querschnitt, betrachtet aus verschiedenen Richtungen. In Teilbild (a) ist die Fokussierungszone 35 in Richtung senkrecht zur Strahlachse und senkrecht zur Breite b dargestellt. In Teilbild (b) ist die Fokussierungszone 35 mit Blickrichtung auf die Schmalseite, also die Dicke w gezeigt. Entlang dieser Richtung wird auch die Auftrennung des Werkstücks 1 beabsichtigt. Wie aus den Teilbildern ersichtlich ist die Länge L der Fokussierungszone 35 kleiner als die Ausdehnung des Werkstücks 1 in dieser Richtung und die Fokussierungszone 35 liegt vollständig im Werkstück 1 zwischen dessen Seitenflächen 100, 101.
Bei den Beispielen der 5 ist die Länge L der Fokussierungszone größer als die Dicke des Werkstücks 1. Damit besteht die Möglichkeit, die Fokussierungszone 35 so zu positionieren, dass diese beide gegenüberliegenden Seitenflächen durchdringt, wie in Teilbild (a) gezeigt. Ebenso kann die Fokussierungszone 35 so positioniert werden, dass diese bezüglich der Strahlrichtung im Werkstück beginnt (Teilbild (b)) oder im Werkstück endet (Teilbild (c)), wobei jeweils eine der Seitenflächen 100, 101 durchdrungen wird. Zusammenfassend kann allgemein, ohne Beschränkung auf die speziellen dargestellten Beispiele in Weiterbildung des Verfahrens die Fokussierungszone so positioniert werden, dass eines der nachfolgenden Merkmale erfüllt ist:

- die Fokussierungszone 35 liegt vollständig innerhalb des Werkstücks 1,
- die Fokussierungszone beginnt oder endet innerhalb des Werkstücks 1 und ragt über eine Werkzeugoberfläche oder eine der Seitenflächen 100, 101 des Werkstücks 1 hinaus,
- die Fokussierungszone 35 ist länger als die Dicke des Werkstücks 1 und durchbricht zwei gegenüberliegende Oberflächen, insbesondere die beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 100, 101 eines Werkstücks 1.

Eine abgeflachte, schneidenartige Fokussierungszone 35 kann insbesondere durch astigmatische Strahlformung oder durch eine kaustische Strahlformung erzeugt werden. Eine eindimensionale Kaustik-Strahlformung kann insbesondere auch dazu verwendet werden, einen entsprechenden Airy-Strahl zu erzeugen, dessen Fokussierungszone nicht mehr eben, sondern um eine Achse quer, vorzugsweise senkrecht zur Strahlrichtung gekrümmt ist. Die Erzeugung solcher Strahlen wird auch in Froehly, L.; Courvoisier, F.; Mathis, A.; Jacquot, M.; Furfaro, L.; Giust, R. et al. (2011): „Arbitrary accelerating micron-scale caustic beams in two and three dimensions", Optics express 19 (17), S. 16455-16465, DOI: 10.1364/OE.19.016455 beschrieben. Die Strahlprofile und die optischen Anordnungen zu deren Erzeugung werden vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht. Eine eindimensionale kaustische Strahlformung wird weiter unten genauer anhand der 19, 20 beschrieben. Der Begriff „eindimensional“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Kaustik im Wesentlichen entlang einer einzelnen Raumrichtung ausgebildet ist, oder dass die Fokussierungszone in im Wesentlichen nur einer Raumrichtung gebogen ist.
Für die weitere Betrachtung wird als z-Koordinate die Koordinate in Strahlrichtung gesetzt. Diese Richtung ist demgemäß die Richtung der Höhe L der Fokussierungszone 35. Die dazu senkrechten Koordinaten x, y entsprechen der oben bereits genannten ersten und zweiten Richtung und spannen eine zur Strahlrichtung transversale Ebene auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die y-Richtung dabei als stark konvergierende oder stark fokussierte Richtung und die x-Richtung als schwach konvergierende oder schwach fokussierte Richtung bezeichnet. Die Bezeichnungen der Richtungen sind selbstverständlich wählbar. Demgemäß kann der Strahl auch in x-Richtung stark konvergieren.
Eine konvergierende Strahlformung kann durch Fokussierung mit einer Brechfläche, insbesondere einer Zylinderlinse, wie etwa im Beispiel der 1, erreicht werden. In diesem Fall gilt für die Brennweiten f_x und f_y in x- und y-Richtung f_y<<f_x. Vorzugsweise ist dabei die Brennweite in y-Richtung um mindestens einen Faktor 5 kleiner als in x-Richtung. Für die Höhe L der Fokussierungszone 35 gilt mit Gaußscher Optik L≈2z_R, wobei z_R die Rayleigh-Länge in der xz-Ebene ist. Mit einer solchen Anordnung kann also eine Fokussierungszone 35 mit einem Gauß-Profil in der durch die Richtung der starken Fokussierung und der Strahlrichtung aufgespannten Ebene, also der yz-Ebene, erzeugt werden.
Es sind auch andere Interferenzmuster möglich, die einen in einer mit der Richtung der starken Fokussierung und der Strahlrichtung aufgespannten Ebene, also in der yz-Ebene, linienartigen Fokus hervorrufen. Beispiele sind beschleunigte Strahlen, wie insbesondere ein Airy-Strahl.
In Weiterbildung des Verfahrens und der Vorrichtung 2 ist also ohne Beschränkung auf bestimmte Beispiele eine Strahlformungsoptik 7 vorgesehen, welche eine Fokussierungszone 35 erzeugt, die in einer Ebene den Intensitätsverlauf eines Gauß-Strahls, eines Bessel-Strahls, oder eines Airy-Strahls hat, oder einem dieser Strahlen zumindest angenähert ist.
6 zeigt schematisch eine Anordnung zur Erzeugung einer Fokussierungszone 35 mit einem Bessel-Strahl. In dieser Ausführungsform umfasst die Strahlformungsoptik 7 ein Axikon 73, auf dessen Grundfläche 730 der Laserstrahl gerichtet ist. Ein Dachprisma anstelle eines Axikons 73, ist nicht ohne weiteres geeignet, da ein Dachprisma das Laserlicht 30, welches ursprünglich ein Intensitätsprofil vorzugsweise in Gestalt eines Gauß-Profils 36 hat, zwar durch Brechung an den beiden zueinander geneigten Brechflächen 731, 732 in zwei Teilstrahlen aufteilt, die nach dem Austritt aus dem Dachprisma 73 aufeinander zu laufen und sich überkreuzen. Allerdings führt dies nicht zu einer Lokalisierung. Das Bessel-Profil 37 ist im Bereich der sich überkreuzenden Strahlen eingezeichnet. Wie dargestellt, ist die Lichtintensität bei diesem Profil in einem schmalen zentralen Bereich stark überhöht. Dies führt zur Ausbildung einer flachen Fokussierungszone der Länge L, wobei diese Länge L im Wesentlichen der Länge des Bereichs entspricht, in welchem die Teilstrahlen überlappen.
7 zeigt das Strahlprofil 37 wie es mit einer Phasenmaske wie gezeigt in 13 erzeugt werden kann. Entlang der y-Richtung entspricht dieses nicht verbreiterte Intensitätsprofil nahezu dem des idealen, rotationssymmetrischen Besselstrahls, wie gezeigt in 6. Teilbild (b) zeigt das verbreiterte Intensitätsprofil in der dazu senkrechten x-Richtung. Aufgrund des nichtdiffraktiven Charakters des Besselstrahls ist das Intensitätsprofil in einem Bereich entlang der Propagationsrichtung z nahezu konstant. Daher ist es gleichwertig, im Folgenden von den Intensitätsprofilen in der xz-Ebene bzw. yz-Ebene zu sprechen. In der xz-Ebene wird das Laserlicht 30 teilweise schwach fokussiert, so dass der Bereich hoher Intensität, der die Fokussierungszone 35 definiert, relativ breit ist, verglichen mit dem Bereich hoher Intensität in der yz-Ebene. Die Breite b der Fokussierungszone 35 kann ohne Beschränkung auf die dargestellten Beispiele nach Teilbild (b) als Halbwertsbreite des Strahlprofils in dieser Ebene definiert werden. Das Bessel-Profil 37, welches sich in der yz-Ebene ausbildet, hat eine durch ihre ersten Nullstellen definierte Breite von w = a₀λ/(π sin(α)) hat, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts 30 und α den Halbwinkel der Strahlöffnung oder anders ausgedrückt den effektiven Bessel-Konuswinkel bezeichnet. Dieser Wert kann als Dicke w der Fokussierungszone 35 definiert werden. Der Wert von a₀ ist 2.4044, und die numerisch bestimmte erste Nullstelle der Besselfunktion J₀. Ähnliche Werte lassen sich auch mit anderen Prismen- oder Linsenformen erzielen. Ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele oder auf die Erzeugung der Fokussierungszone mittels eines Dachprismas ist daher allgemein in Weiterbildung des Verfahrens und der Vorrichtung vorgesehen, dass die Dicke w der Fokussierungszone 35 einen Wert im Bereich des 1,39-fachen bis 10-fachen der Wellenlänge des Laserlichts 30 hat. Generell werden nichtdiffraktive Strahlen, wie das vorgenannte Beispiel des Bessel-Strahls zur Erzeugung der Fokussierungszone 35 bevorzugt. Auch ein Airy-Strahl stellt einen nichtdiffraktiven Strahl dar. Als nicht-diffraktive Strahlen werden solche Lichtstrahlen bezeichnet, die entlang ihrer Propagation in lateraler Richtung ein konstantes Intensitätsprofil aufweisen. Dies steht im Gegensatz zu dem üblichen Verhalten von Licht, das sich ausbreitet, nachdem es auf einen kleinen Punkt fokussiert wurde.
In der Praxis ist der Bereich entlang der Propagation, in dem der Strahl einen nicht-diffraktiven Charakter aufweist, begrenzt auf Grund der endlichen lateralen Aperturgröße der Optiken sowie der endlichen Energie des Laserstrahls.
Ohne Beschränkung auf bestimmte Ausführungsbeispiele ist daher vorgesehen, dass die Strahlformungsoptik 7 ausgebildet ist, einen die Fokussierungszone 35 formenden, nicht-diffraktiven Strahl zu erzeugen.
Normalerweise ist die optische Stärke eines fokussierenden Elements zu schwach und die abgeflachte oder schneidenartige Fokussierungszone 35 würde ein zu großes Volumen einnehmen, um eine hinreichende Intensität für eine Materialveränderung im Werkstück 1 zu erhalten. Daher ist es in einer Weiterbildung des Verfahrens und der Vorrichtung 2 vorgesehen, den ursprünglichen astigmatischen Fokus zu verkleinern. Mit anderen Worten wird ein Vergrößerungsfaktor M<1 verwendet. Diese Verkleinerung kann gemäß einer Ausführungsform mittels einer Teleskopanordnung, vorzugsweise in einer 4F-Konfiguration oder einer 6F-Konfiguration erzielt werden. Ohne Beschränkung auf bestimmte Beispiele ist daher gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Strahlformungsoptik 7 eine 4F- oder 6F-Anordnung mit einer Vergrößerung M<1 umfasst. Generell kann auch eine andere verkleinernde Optik eingesetzt werden, also unabhängig von einer 4F- oder 6F-Konfiguration ein verkleinerndes Teleskop, also ein Teleskop mit einem Vergrößerungsfaktor M<1. Der Vergrößerungsfaktor wird allgemein durch die Brennweiten der in der Strahlformungsoptik enthaltenen optischen Elemente, insbesondere Linsen bestimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Strahlformungsoptik ein 4F-Teleskop mit einer Linse mit einer langen Brennweite f₁=500 mm und ein Mikroskopobjektiv mit einer kurzen effektiven Brennweite f_MO=10 mm. Es ergibt sich damit ein Vergrößerungsfaktor M=f_MO/f₁= 1/50. Ohne Beschränkung auf dieses spezielle Beispiel ist dazu in einer Weiterbildung der Vorrichtung 2 vorgesehen, dass diese eine Strahlformungsoptik 7 mit einem Teleskop mit einem Vergrößerungsfaktor M < 1/10, vorzugsweise M < 1/25 umfasst. Sehr günstig für die Erzielung hoher Strahlintensitäten in der Fokussierungszone ist dabei auch der Effekt, dass die Verkleinerung die Fläche der Fokussierungszone transversal um einen Faktor M² und longitudinal, also in Strahlrichtung um einen Faktor M³ verringert. Diesen Effekt verdeutlicht auch die nachfolgende Tabelle, in der die Reduktion der Abmessungen der Fokussierungszone abhängig vom Vergrößerungsfaktor M gegenübergestellt sind:

Ursprüngliche Abmessung Abmessung nach Verkleinerung

Dicke w' w=Mw'

Breite b' b=Mb'

Höhe L' L=M²L'

Volumen V'=w'b'L' V=M⁴V
Eine astigmatische Strahlformung bedeutet im Sinne dieser Offenbarung in Weiterbildung insbesondere, dass anstelle eines einzelnen Fokusbereichs mit im Wesentlichen runden Querschnitt zwei oder mehr abgeflachte, senkrecht zueinander orientierte Fokussierungszonen entstehen. Dies wird anhand der 8 und 9 näher erläutert. Dabei zeigt 8 einen astigmatisch fokussierten Laserstrahl und 9 Strahlquerschnitte des Laserstrahls an vier unterschiedlichen Positionen. Die Positionen A, B, C, D der in 9 gezeigten Strahlquerschnitte sind in 8 eingezeichnet. Die Strahlrichtung des Laserlichts 30 in 8 zeigt von Position A in Richtung auf die Positionen B, C, D. Die optischen Elemente zur astigmatischen Strahlformung sind in 8 nicht dargestellt. An Position A liegt der Fokus der letzten Linse oder des letzten Linsensystems, wie etwa eines Mikroskopobjektivs. Die transversalen Abmessungen des Strahlprofils an diesem ersten transversalen konjugierten Punkt sind im Wesentlichen gleich. An Position B befindet sich der Fokus der stark fokussierenden Strahlachse in y-Richtung. An dieser Position bildet sich eine meridionale Fokuslinie 35 aus, die parallel zur x-Richtung verläuft. Der zweite transversale konjugierte Punkt liegt an Position C. Ähnlich wie bei Position A ist das Strahlprofil im Wesentlichen kreissymmetrisch. Wenn das optische System schwach fokussierend in x-Richtung ist, dann ist der Strahldurchmesser an diesem zweiten konjugierten Punkt kleiner als am ersten konjugierten Punkt, beziehungsweise an Position A. An Position D schließlich liegt der Fokus der schwach fokussierenden Strahlachse x, die so genannte sagittale Fokuslinie, die parallel zur y-Richtung liegt. Wird das Laserlicht 30 zusätzlich durch eine 4F-Anordnung geformt, skalieren die jeweiligen Brennweiten um einen Faktor M².
Für den Abstand d_cp zwischen dem Fokus in stark fokussierender Richtung an Position B bis zum zweiten konjugierten Punkt an Position C gilt die Beziehung: $d_{c p} = \frac{1 - ƒ_{y} / ƒ_{x}}{\frac{1}{ƒ_{x}} + \frac{1}{ƒ_{y}}}$
Dabei bezeichnet f_y die Brennweite in der stark fokussierenden y-Richtung und f_x die Brennweite in der schwach fokussierenden x-Richtung. Bei großem Unterschied zwischen den beiden Brennweiten f_x, f_y, also wenn f_x wesentlich länger als f_y ist (f_x→∞), folgt daraus d_cp ≈ f_y.
Für die weiteren Abstände gilt außerdem noch AB=f_y, f_y≤d_cp und AD=fx.
10 zeigt ähnlich zu 8 nochmals das astigmatisch geformte Laserlicht für den Grenzfall f_x→∞, nun mit neben dem Strahl schematisch dargestellten idealisierten dreidimensionalen Strahlprofilen. Bei einer astigmatischen Strahlformung können sich außer der abgeflachten Fokussierungszone 35 noch Nebenfokus-Bereiche 38, 39 ausbilden. Die Fokussierungszone 35 und die Nebenfokus-Bereiche 38, 39 sind in 10 idealisiert als Quader dargestellt. Wie gezeigt können auch die Nebenfokus-Bereiche 38, 39 eine abgeflachte Form aufweisen. Diese Nebenfokus-Bereiche 38, 39 befinden sich typischerweise im Bereich der konjugierten Punkte A und C. Bei einer abgeflachten Form, wie im gezeigten Beispiel, sind diese Nebenfokus-Bereiche 38, 39 außerdem bezüglich der Richtungen der Breite b und Dicke w senkrecht zum Fokussierungsbereich 35 orientiert. Ohne Beschränkung auf das gezeigte Beispiel ist also in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Laserlicht 30 so mittels der Strahlformungsoptik 7 geformt wird, dass zusätzlich zur Fokussierungszone 35 zwei Nebenfokus-Bereiche 38, 39 mit abgeflachter Form erzeugt werden, wobei in Strahlrichtung die Fokussierungszone 35 zwischen den Nebenfokus-Bereichen 38, 39 angeordnet ist. In Weiterbildung sind dabei die Nebenfokus-Bereiche 38, 39 bezüglich der Richtungen ihrer Breite und Dicke betrachtet in Strahlrichtung senkrecht zu den Richtungen der Breite und Dicke der Fokussierungszone 35 orientiert. Diese Nebenfokus-Bereiche 38, 39 haben typischerweise, je nach Art und Weise der Strahlformung, eine geringere Lichtintensität als die dazwischenliegende Fokussierungszone 35, die aber dennoch dieselbe Größenordnung wie in der Fokussierungszone 35 erreichen kann. Diese Nebenfokus-Bereiche 38, 39 können auch als parasitäre Foki bezeichnet werden, da sie in ihrer transversalen Ausrichtung konjugiert zur Fokussierungszone ausgeprägt sind und deshalb ihre jeweiligen Schädigungszonen senkrecht zur gewünschten Ausrichtung der Materialmodifikation liegen. Daher wird die Materialbearbeitung, beziehungsweise das Auftrennen des Werkstücks 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nur mittels der Fokussierungszone 35 durchgeführt. Diese Fokussierungszone 35 erstreckt sich typischerweise um die Position B herum, also um die Position des Fokus der stark fokussierenden Richtung. Demgemäß ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Strahlformungsoptik 7 und das Werkstück 1 so zueinander positioniert werden, dass der Fokus der stark fokussierenden Richtung der astigmatischen Strahlformungsoptik 7 auf oder besonders bevorzugt im Material des Werkstücks 1 liegt. Bei Ausführungsformen, bei denen die Fokussierungszone 35 im Werkstück 1 endet oder beginnt, kann allerdings dieser Punkt auch außerhalb des Werkstücks 1 liegen. Eine solche Konfiguration kann beispielsweise bei den Beispielen (b) und (c) der 5 vorliegen.
Für die Bearbeitung transparenter Werkstücke 1, beispielsweise aus Glas, Glaskeramik oder kristallinen Materialien kann ein nachteiliger Effekt von parasitären Foki, beziehungsweise der Nebenfokus-Bereiche 38, 39 überraschend gut und einfach minimiert werden. Hierzu ist gemäß einer ersten Ausführungsform vorgesehen, dass die Strahlformungsoptik 7 und das Werkstück 1 so zueinander angeordnet und/oder eingestellt werden, dass neben der Fokussierungszone zumindest einer der Nebenfokus-Bereiche 38, 39 mindestens teilweise innerhalb des Werkstücks 1 liegt. In diesem Fall kann die Intensität des Laserlichts 30 so eingestellt werden, dass die Lichtintensität des Nebenfokus-Bereichs 38, 39 unterhalb der Schwelle für eine permanente Materialveränderung des Werkstücks 1 liegt. Die Intensität wird dabei vorzugsweise aber so eingestellt, dass die Lichtintensität in der Fokussierungszone 35 oberhalb dieser Schwelle liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Fokussierungszone 35 gegenüber dem Werkstück 1 so angeordnet, dass die Fokussierungszone 35 zumindest teilweise innerhalb des Werkstücks 1 und die Nebenfokus-Bereiche 38, 39 außerhalb des Werkstücks 1 liegen. Dies kann insbesondere dann durchgeführt werden, wenn die Höhe L der Fokussierungszone 35 größer oder gleich der Dicke des Werkstücks 1 ist, und/oder wenn der Abstand der Fokussierungszone 35 zu den Nebenfokus-Bereichen 38, 39 hinreichend groß ist.
11 zeigt verschiedene möglichen Anordnungen (I), (II), (III), (IV) und (V) bei der Bearbeitung eines Werkstücks 1 mit einem astigmatischen Laserstrahl. Im Fall (I) liegen sowohl die Fokussierungszone 35, als auch die beiden Nebenfokus-Bereiche 38, 39 innerhalb des Werkstücks 1. In diesem Fall ist es günstig, wenn, wie oben beschrieben, die Leistung des Lasers so angepasst wird, dass die Lichtintensität des der Nebenfokus-Bereiche 38, 39 unterhalb der Schwelle für eine permanente Materialveränderung des Werkstücks 1 und die Lichtintensität in der Fokussierungszone 35 oberhalb dieser Schwelle liegt. In den Fällen (IV) und (V) sind die beiden Nebenfokus-Bereiche 38, 39 so weit voneinander entfernt, dass die Lage des Laserstrahls so positioniert werden kann, dass die Nebenfokus-Bereiche 38, 39 außerhalb des Werkstücks 1 liegen.
Bei den Fällen (II) und (III) liegt jeweils zumindest eine der Seitenflächen 100, 101, beziehungsweise zumindest eine Oberfläche des Werkstücks 1 innerhalb eines der Nebenfokus-Bereiche 38, 39. Diese Fälle sind eher ungünstig und nicht bevorzugt. Dies liegt daran, dass die Schädigungsschwelle an der Oberfläche für die Einwirkung von Ultrakurzpuls-Laserstrahlung typischerweise um eine Größenordnung kleiner ist, als im Volumen. Die Prozesse, die zur Materialveränderung im Werkstück 1 führen, basieren dabei typischerweise auf Multiphoton-Absorption oder Lawinenionisation.
Generell gilt, dass die Länge der Fokussierungszone 35 im Werkstück 1 länger ist, als außerhalb. Im Speziellen verlängern sich im Werkstück liegende Teile der Fokussierungszone 35 um einen Faktor, der dem Brechungsindex des Materials des Werkstücks 1 entspricht.
Wie oben beschrieben, kann die Strahlformungsoptik 7 zur Erzeugung eines astigmatischen Laserstrahls ein Dachprisma 73 und/oder eine Zylinderlinse 71 umfassen. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines diffraktiven optischen Elements. Ein solches Element kann insbesondere als Phasenmaske ausgebildet sein. Mit einer solchen Maske lässt sich aus dem Laserlicht etwa ein Bessel-Gauß-Strahl formen. Mit einer Phasenmaske ergibt sich auch der Vorteil, dass die Fokussierungszone des Bessel-Gauss-Strahls in einer gewissen Entfernung von der Strahlformungsoptik 7 ausgebildet werden kann. Dies vereinfacht die Handhabung und Positionierung des Werkstücks in der Vorrichtung 2. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Strahlformungsoptik 7 zeigt 12. Allgemein, ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel ist dabei in Weiterbildung der Vorrichtung und des Verfahrens vorgesehen, dass ein astigmatischer Laserstrahl aus dem Laserlicht mit einer Strahlformungsoptik 7 geformt wird, bei welcher eine Phasenmaske 70, die insbesondere ein diffraktiv-optisches Element 74 bildet, vorgesehen ist, welches vor einer Teleskopoptik, oder alternativ vor einer verkleinernden Anordnung optischer Elemente oder einer Kombination hiervon, angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel ist das diffraktive optische Element in Strahlrichtung vor einer Kombination einer Linse 72 und eines nachfolgend im Strahlengang positionierten Objektivs 75 angeordnet. Dabei hat das Objektiv 75 eine kürzere Brennweite als die Linse 72, so dass eine Verkleinerung entsprechend dem Verhältnis der Brennweiten von Objektiv 75 zu Linse 72 erzeugt wird. Im dargestellten Beispiel hat die Linse 72 eine Brennweite von 500 mm und das Objektiv eine Brennweite von 10 mm, was eine Verkleinerung mit einem Vergrößerungsfaktor M=0,02 ergibt. Die Linse 72 kann insbesondere sphärisch oder asphärisch geformt sein. Im Ausführungsbeispiel wurde weiterhin ein Laserstrahl mit einem Durchmesser von 6,6 mm verwendet, der auf die Phasenmaske 70 eingestrahlt wurde.
Eine Ausführungsform einer Phasenmaske 70 in Form eines diffraktivenoptischen Elements 74 zeigt 13, Teilbild (a) in Aufsicht. Die Linien kennzeichnen jeweils Positionen, an denen sich die Phase in radialer Richtung - ausgehend vom durch ein Kreuz gekennzeichneten Zentrum - um jeweils 2π weiter verschoben hat. Die Phasenverschiebung beträgt also beispielsweise an der zweitinnersten konzentrischen Linie gegenüber dem Zentrum 4π. Allgemein ist die Phasenmaske 70 gemäß einer Weiterbildung, die auch im dargestellten Beispiel realisiert ist, so geformt, dass diese bewirkt, dass die Phase des Laserlichts ausgehend vom Zentrum der Phasenmaske in radialer Richtung um einen anwachsenden Faktor verschoben wird, wobei die Periode der Phasenverschiebungen um einen Faktor 2nπ in zwei zueinander senkrechten Richtungen unterschiedlich ist, beziehungsweise, wobei die Phasenverschiebung als Funktion des Abstands zum Zentrum entlang einer ersten radialen Richtung größer ist als in einer dazu senkrechten zweiten radialen Richtung. Im dargestellten Beispiel ist nach dieser Definition die erste Richtung ausgehend vom Zentrum senkrecht, die zweite Richtung waagerecht. 14 zeigt dazu noch die Phasenverschiebung für die Richtungen x (waagerechte Richtung in 13) und y (senkrechte Richtung in 13) angegeben in Radiant. Mit dem diffraktiven optischen Element 74 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Phasenverteilung von Bessel- Beamlets mit einem Winkel zur Strahlachse von 7,5°, beziehungsweise einem Gesamtwinkel von 14,8° erzeugt werden. Den beiden Richtungen können Brennweiten zugeordnet werden, die sich aus quadratischen Anpassungen an die Phasenverteilungen, beziehungsweise an die in 14 gezeigten Kurven errechnen lassen. Diese entsprechen dann den quadratischen Phasentermen k₀·ρ²/(2f) einer dünnen Linse.
Nachfolgend wird das Verfahren der Formung einer Lichtfläche mit Bessel-Beamlets beschrieben. Ein Bessel-Beamlet bezeichnet hier einen einzelnen konischen Phasenbeitrag zur Strahlform. Teilbild (b) der 13 zeigt für die x-Richtung dazu schematisch den Phasenverlauf von Bessel-Beamlets 32, wie sie mit einer Phasenmaske 74 gemäß 13, Teilbild (a) erzeugt werden können. Die Gesamtphase ϕ_total der Phasenmaske 74 ist gegeben durch $ϕ_{total} (ρ) = \frac{1}{s} \sum_{i}^{n} a_{i} | ρ - ρ_{i} |$
Diese wird erhalten durch Addition von n konischen Anteilen, den Bessel-Beamlets 32, die jeweils an der Position ρ_i=(x_i, y_i) lokalisiert sind. Für eine lineare transversale Kontur gilt dann beispielsweise $ρ_{i} = ρ_{start} + \frac{i}{n} (ρ_{end} - ρ_{start})$
Andere transversale Konturen können ebenfalls gewählt werden, um eine Lichtfläche zu erzeugen, die entlang der Strahlrichtung gerade verläuft, aber z.B. lokal Krümmungen um Achsen aufweisen kann, die parallel zur Stahlrichtung liegen. Alternativ formuliert, dient diese Strahlformung dazu, eine beliebige laterale Kontur entlang der Strahlpropagation zu verlängern, sodass eine Fläche entsteht, die in transversalen Schnitten an verschiedenen Stellen entlang der Strahlpropagation dieselbe Kontur aufweist.
Wichtungsfaktoren können verwendet werden, um eine günstige Intensitätsverteilung entlang der Linie, beziehungsweise hier entlang der abgeflachten Fokussierungszone 35 zu erreichen. Diese Wichtungsfaktoren a; können vorzugsweise eine Funktion der Position ρ_i=(x_i, y_i) enthalten. Beispielsweise kann gelten $a_{i} (ρ_{i}) = c | ρ_{i} |,$
wobei c eine Konstante ist.
Der Gesamt-Skalierungsfaktor s dient dazu, die Summe der Bessel-Beamlets 32 zu normalisieren. Ein effektiver Öffnungswinkel α des Bessel-Gauß-Strahls wird beispielsweise erhalten mit: $s = \frac{2 π}{λ} tan (α) \sum_{i}^{n} a_{i} .$
Die Dicke w' der Fokussierungszone 35 ergibt sich aus der ersten Nullstelle der Besselfunktion bei 2,405: $w' \approx \frac{2.405 λ}{π sin α}$
Eine alternative Bessel-Strahl basierte Methode zur Erzeugung einer Lichtfläche wird beschrieben in Alessandro Zannotti; Cornelia Denz; Miguel A. Alonso; Mark R. Dennis: Shaping caustics into propagation-invariant light. In: Nat Commun 11 (1), S. 1-7. DOI: 10.1038/s41467-020-17439-3. Die Strahlprofile und die optischen Anordnungen zu deren Erzeugung werden vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht.
Die Länge der Fokussierungszone kann abgeschätzt werden als 1 = w0/cos(α), wenn ein Gauss-Strahl mit Halbbreite w0 als Eingangsstrahl auf der Phasenmaske verwendet wird. Andere Intensitätsprofile für den Eingangsstrahl sind möglich, z.B. eine TopHat Verteilung, die über die gesamte Breite eine uniforme Intensität aufweist. Insbesondere kann die Amplituden- und Phasenverteilung so angepasst werden, dass entlang der Länge der Fokussierungszone eine möglichst homogene Intensitätsverteilung erreicht wird.
Im Folgenden werden Versuchsergebnisse der Materialbearbeitung an Glas-Werkstücken gezeigt. 15 zeigt dazu eine lichtmikroskopische Aufnahme auf die Seitenfläche 100 eines mit dem Laserlicht bearbeiteten Werkstücks 1. Wie anhand der Aufnahme zu erkennen ist, wurden Materialmodifikationen, beziehungsweise Schädigungszonen 10 in drei mit den Bezeichnungen (a), (b), (c) gekennzeichneten Reihen in das Werkstück 1 aus Borosilikatglas eingefiigt. Die Reihen unterscheiden sich hinsichtlich der Lage des Fokussierungsbereichs relativ zur Oberfläche. Die Positionen der Fokussierungszonen 35 sind in 16 verdeutlicht. Wie anhand von 16 hervorgeht, liegt der Fokussierungsbereich 35 bei den Schädigungszonen der Reihe (a) am nächsten zur fotografierten Oberfläche und in Reihe (c) am tiefsten. In allen Fällen ist die Fokussierungszone 35 allerdings vollständig innerhalb des Werkstücks 1 positioniert. Besonders in Reihe (a) zeigt sich eine langgestreckte Schädigungszone 10 in Form eines blattförmigen Spalts 16. Bei den anderen Schädigungszonen 10 zeigt sich auch eine oberflächliche Schädigung durch einen Nebenfokus-Bereich 38, die ebenfalls blattförmig ist und senkrecht zur Haupt-Schädigung steht, so dass sich insgesamt eine Schädigungszone 10 ergibt, welche die Gestalt eines abgeflachten Kreuzes mit zwei kurzen und zwei langen Armen hat. Für die Bearbeitung wurde der Laser im Burst-Modus mit zwei Pulsen pro Burst betrieben. In diesem Modus gibt der Laser das Laserlicht in Form von Pulspaketen, beziehungsweise Sequenzen kurz hintereinander abgestrahlter Pulse ab. Die Pulslänge der Einzelpulse betrug 1,5 ps und die Gesamtenergie des Bursts 36 µJ. Die Brennweite betrug entsprechend der Anordnung aus 12 10 mm. Um die Schädigungszonen 10 in den verschiedenen Tiefen einzufügen, wurde der Abstand des Werkstücks 1 zum Objektiv 75 von Reihe zu Reihe um jeweils dz=20 µm reduziert. Der Abstand beträgt dann im Werkstück n·dz, wobei n der Brechungsindex des Glases ist.
Mit dem hierin beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung wird besonders bevorzugt eine Auftrennung von Werkstücken 1 in zwei oder mehr Teile durchgeführt, etwa um aus einem Werkstück in Form einer Glasscheibe Teile mit bestimmtem Umriss zuzuschneiden. Ein Beispiel dazu wird nachfolgend anhand der 17 und 18 erläutert. 17 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines aufgetrennten Werkstücks 1 und 18 die durch das Auftrennen erhaltene Kantenfläche eines Teils des Werkstücks 1. Hierzu wurde das Werkstück des Beispiels aus 15 auf eine Dicke von 40 µm heruntergeschliffen, um die von den Nebenfokus-Bereichen 38, 39 verursachten Abschnitte der Schädigungszonen 10 zu beseitigen. Anschließend wurde das Werkstück 1 an einer der Reihen (a), (b), (c) von Schädigungszonen 10 aufgetrennt. Die beiden so erhaltenen Teile 4, 5 sind in 17 nebeneinandergelegt dargestellt. Durch die besondere Form und Anordnung der Schädigungszonen 10 ergibt sich eine charakteristische Kantenfläche der Teile 4, 5, die in 18 dargestellt ist. Wie zu erkennen, weist die Kantenfläche 18 der Teile 4, 5 zueinander entlang der Kantenfläche beabstandete Schädigungszonen 10 auf, wobei sich zwischen den Schädigungszonen 10 Bruchflächen 18 befinden. Anders als beim Auftrennen an aneinandergereihten filamentförmigen Schädigungen, wie dies etwa aus der WO 2017/009379 A1 bekannt ist, sind die Schädigungszonen 10 hier im Vergleich zur Ausdehnung in Richtung entlang der Kantenfläche 18, beziehungsweise in Umfangsrichtung wesentlich flacher. Dies ist auf die abgeflachte, blatt- oder schneidenförmige Form der Fokussierungszone 35 und damit auch der entsprechenden Ausdehnung der Schädigungszonen 10 zurückzuführen. Die Schädigungszonen 10 unterscheiden sich von den Bruchflächen 19 dadurch, dass die Schädigungszonen 10 eine Materialmodifikation aufweisen, etwa durch ein in der Schädigungszone durch das intensive Laserlicht erzeugtes Plasma. Demgemäß stellt ein derart hergestelltes Teil 4, 5 ein scheibenförmiges Element 8 aus einem zumindest teilweise für Laserlicht transparentem anorganischen Material, vorzugsweise Glas, mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 100, 101, sowie eine umlaufende Kantenfläche 18 dar, wobei die Kantenfläche 18 alternierend Bruchflächen 19 und Schädigungszonen 10 aufweist, wobei die Schädigungszonen 10 eine Materialmodifikation, insbesondere durch die Ausbildung eines Plasmas im Material des Elements aufweisen, und wobei die Ausdehnung der Schädigungszonen 10 in Richtung von der Kantenfläche 18 in das Element 8 hinein um mindestens einen Faktor 5 geringer ist, als in Umfangsrichtung der Kantenfläche 18. Die Umfangsrichtung verläuft bei der Aufnahme von 18 von links nach rechts, also auch parallel zu einer in einer Seitenfläche 100, 101 liegenden Richtung.
Generell ist hier ein Vorteil, dass eine Trennung eines Werkstücks in Teile mit einer vergleichsweise kleinen Anzahl an Schädigungszonen 10 erfolgen kann. Im Extremfall kann dabei eine Trennung bereits mit einem einzelnen Schuss, beziehungsweise durch Einfügen einer einzelnen Schädigungszone 10 erfolgen.
Bei den bisherigen Ausführungsformen hat die abgeflachte Fokussierungszone 35 eine ebene Form. Die Fokussierungszone 35 kann gemäß noch einer Ausführungsform auch eine gebogene Form haben. Bei dieser Ausführungsform bildet die Fokussierungszone 35 eine gekrümmte kaustische Fläche aus. Die abgeflachte, insbesondere blattförmige Form der Fokussierungszone 35 ist dabei um eine vorzugsweise senkrecht zur Strahlrichtung liegende Achse gebogen. Ein solches Beispiel zeigt 20. In Teilbild (a) ist ein kaustisch fokussierter Laserstrahl 30 in Seitenansicht gezeigt, welcher ein Werkstück 1 durchdringt. Allgemein kann ein kaustisch fokussierter Strahl als ein Strahl verstanden werden, bei dem die beteiligten Teilstrahlen Tangenten an eine Fläche, beziehungsweise die abgeflachte Fokussierungszone 35 bilden. Die sich durch die Kaustik ergebene gebogene Fokussierungszone 35 ist mit gestrichelten Begrenzungslinien gekennzeichnet. Eine kaustische Fokussierung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Phase des Laserstrahls idealisiert nur in einer Richtung variiert. Zur weiteren Verdeutlichung zeigt Teilbild (b) eine solche gebogene Fokussierungszone 35 in perspektivischer Ansicht. Die Breite b, Höhe L und Dicke w, sowie die Strahlachse 31 sind zur Klarstellung eingezeichnet. Es ist ersichtlich, dass die Fokussierungszone 35 trotz ihrer gebogenen Form eine abgeflachte Gestalt hat und für Querschnitte senkrecht zur Strahlachse 31 oder Strahlrichtung eine Breite b und Dicke w zugeordnet werden können. Anders als in der idealisierten Darstellung können diese Größen sich entlang der Fokussierungszone 35 ändern. So kann die Fokussierungszone 35 insbesondere an mindestens einer Position entlang der Strahlachse 31 eine minimale Dicke w aufweisen. Gebogene Fokussierungszonen 35 sind allgemein besonders von Vorteil, um beim Auftrennen des Werkstücks 1 konkav oder konvex geformte Kantenflächen zu erzeugen.
Eine mögliche Strahlformungsoptik 7 zur Erzeugung eines solchen Strahls mit einer gebogenen Fokussierungszone 35 zeigt 19. Die Strahlformungsoptik 7 umfasst eine eindimensionale Phasenmaske 70, beispielsweise in Gestalt eines diffraktiven optischen Elements 74. Die eindimensionale Phasenmaske 70 ist invariant in x-Richtung. Der Phasenmaske 70 ist eine in y-Richtung fokussierende Zylinderlinse 71 nachgeschaltet. Unter einer eindimensionalen Phasenmaske wird im Speziellen eine Phasenmaske verstanden, die eine Phasenverteilung aufweist, welche in einer Raumrichtung, z.B. die x-Richtung konstant ist und in einer dazu senkrechten Richtung (y-Richtung) eine nicht konstante, beispielsweise kubische Verteilung aufweist. Anstelle des diffraktiven optischen Elementes kann auch ein anderes Bauteil wie z.B. ein LCOS-SLM als Phasenmaske dienen. Die Begrenzungen der Fokussierungszone 35 sind als gestrichelte Linien dargestellt. Wie zu erkennen, ist die Fokussierungszone 35 gebogen. Ohne Beschränkung auf bestimmte Beispiele kann eines derart geformte Fokussierungszone 35 mit einem im Wesentlichen eindimensionalen, beziehungsweise in einer Raumrichtung komprimierten Airy-Strahl durch Strahlformung mittels einer geeigneten Phasenmaske 74 erreicht werden. Dabei wird die komplexe Amplitude des Airy-Strahls durch $α_{cub} (ρ) = exp [i \frac{β^{3}}{3} x^{3}]$
mit einem kubischen Skalierungsfaktor β beschrieben. Dies führt zu einem Intensitätsprofil gemäß der folgenden Gleichung: $I (x, z) \propto {Ai}^{2} [\frac{x}{x_{0}} - {(\frac{ξ}{2})}^{2} + i a ξ] exp [2 a (\frac{x}{x_{0}} - ξ^{2})]$
Für die Länge L' der daraus folgenden Fokussierungszone gilt: $L' \approx z_{0} = \frac{2 π x_{0}^{2}}{λ \sqrt{a}}$
Diese Länge ist festgelegt als die Länge, innerhalb derer die Intensität mehr als 1/e² der Maximalintensität beträgt. Für die Halbwertsbreite w' der Fokussierungszone gilt: $w' \approx 1,6 \cdot x_{0}$
Für die Parameter in obigen Gleichungen gilt dabei: $x_{0} = \frac{β λ ƒ}{2 π},$
$a = \frac{1}{w_{0}^{2} β^{2}},$
und $ξ = \frac{λ}{2 π x_{0}^{2}} z .$
w₀ bezeichnet dabei die Halbwertsbreite des Gauss-förmigen Eingangsstrahls, auf den die kubische Phase aufgeprägt wird.
Anhand der 21 bis 27 werden weitere Ausführungsformen einer Vorrichtung 2 zur Bearbeitung transparenter Werkstücke 1, speziell der Strahlformungsoptik 7 einer solchen Vorrichtung 2 dargestellt. Auch bei der Ausführungsform nach 21 ist ein diffraktiv optisches Element 74 vorgesehen, welches als Phasenmaske wirkt und welches im Strahlengang des Laserlichts 30 vor einer verkleinernden Anordnung optischer Elemente angeordnet ist. Diese Anordnung wird durch zwei Linsen 72, 76 und in der xz-Ebene zusätzlich durch eine Zylinderlinse 71 gebildet. Dabei hat die werkstückseitige Linse L2, 76 eine geringere Brennweite als die dem diffraktiven optischen Element 74 nachgeschaltete Linse L1, 72. Im Beispiel hat die Linse L1, 72 eine Brennweite von 500 mm, die Linse L1, 76 eine Brennweite von 100 mm und die Zylinderlinse 71 eine Brennweite in y-Richtung von 5 mm. Um eine höhere Strahlbündelung in x-Richtung zu erreichen, kann wie im Beispiel auch eine ursprüngliche Strahlbreite des Laserlichts vor der strahlformenden Optik 7 reduziert werden. Im Beispiel wird die Strahlbreite von 6 mm auf 3,3 mm reduziert.
Die Ausführungsform nach 22 basiert allgemein auf zwei hintereinander angeordneten Zylinderlinsen 71, 77 mit unterschiedlichen Brennweiten und gekreuzten Fokussierungsrichtungen, wobei die stärker fokussierende Zylinderlinse 77 werkstückseitig angeordnet ist. Vorzugsweise unterscheiden sich die Brennweiten der Zylinderlinsen 71, 77 um mindestens einen Faktor 10. Im dargestellten Beispiel beträgt der Faktor sogar 1000 mm / 5 mm = 200. Teilbild (a) zeigt die Strahlformungsoptik 7 mit dem davor angeordneten, zu bearbeitenden Werkstück 1. Teilbild (b) zeigt den mit dieser Anordnung erzielbaren Fokusbereich 35 im Querschnitt in der xy-Ebene senkrecht zur Strahlrichtung. Der Fokusbereich 35 hat im einfachsten Fall wie dargestellt bei einem Ausgangsstrahl mit rundem Strahlprofil einen flach elliptischen Querschnitt. Die Foki der Linsen können wie in 22 auf demselben Punkt liegen. Dies würde einen rein elliptischen Strahl ohne Astigmatismus erzeugen. Im Allgemeinen ist dies jedoch nicht der Fall.
Die Ausführungsform nach 23 ermöglicht es, die Breite der Fokussierungszone 35 einzustellen. Außerdem kann die Optik mittels einer geeigneten Phasenmaske einen Airy-Strahl erzeugen. Die Strahlformungsoptik 7 ist gemäß einem ersten Aspekt unabhängig davon, ob ein Airy-Strahl oder ein anderer Strahlverlauf, wie etwa ein Gauß-Bessel-Strahl, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwei ineinander geschachtelte Teleskopoptiken vorgesehen sind. Dabei umfasst eine erste Teleskopoptik zwei Zylinderlinsen 71, 77 und eine zweite Teleskopoptik zwei Linsen 72, 76. Insbesondere sind die Fokussierungsrichtungen der Zylinderlinsen 71, 77 wie auch bei der Ausführungsform der 22 gekreuzt.
Gemäß einer auch im dargestellten Beispiel realisierten Weiterbildung ist die Teleskopoptik mit den zwei Linsen 72, 76 zwischen den Zylinderlinsen 71, 77 angeordnet. Um eine Verkleinerung zu erzeugen, gilt vorzugsweise £2<f1. Gemäß noch einer Weiterbildung ist eine Phasenmaske 74 vorgesehen, insbesondere, um im Werkstück 1 in einer Ebene einen Airy-Strahl zu erzeugen, so dass eine abgeflachte Fokussierungszone erhalten wird. Die Strecke zwischen den konjugierten Punkten des inneren, mit den Linsen 72, 76 aufgebauten Teleskops dient als Verzögerungsstrecke 79 für die Erzeugung des Airy-Strahls.
Eine noch einfachere Konfiguration zeigt 24. Diese Ausführungsform stellt eine Kombination einer Phasenmaske 70, die beispielsweise ein diffraktives optisches Element 74 bildet und einer 2F-Anordnung dar. Die 2F-Anordnung kann im einfachsten Fall wie dargestellt durch eine einzelne Linse, vorzugsweise eine Linse eines Mikroskopobjektiv 75 gebildet werden.
25 zeigt eine Variante der Anordnung aus 24. Bei der Variante nach 25 wird ein größerer Abstand zwischen dem diffraktiv-optischen Element 74 und der Linse oder einem Mikroskopobjektiv 75 gewählt. Diese Anordnung kann als quasi-4F-Konfiguration bezeichnet werden. Beide Anordnungen lassen sich dahingehend kennzeichnen, dass die Strahlformungsoptik lichtausgangsseitig als letzte Elemente ein Mikroskopobjektiv 75 und ein diesem Mikroskopobjektiv 75 vorgeschaltete Phasenmaske, insbesondere in Form eines diffraktiven optischen Elements 74 umfasst. Gemäß einer Weiterbildung sind keine weiteren strahlformenden Elemente in der Strahlformungsoptik 7 vorgesehen.
Unter Umständen kann die Leistung des Lasers nicht ausreichen, um in der Fokussierungszone 35 eine für eine Materialmodifikation oder insbesondere Schädigung ausreichende Lichtintensität zu erreichen. Eine Möglichkeit, um höhere Intensitäten zu erreichen, wird im Folgenden beschrieben. Die Strahlformungsoptik inklusive der Strahlformungsoptik 7 kann so ausgelegt werden, dass eine stärkere Verkleinerung erzielt wird, dass also die Fokussierungszone 35 weiter verkleinert wird. Dies kann erreicht werden, indem aus dem Laserstrahl 30 vor der Fokussierung ein Strahl mit einem elongierten Strahlprofil erzeugt wird. Dies führt bei der Fokussierung dazu, dass die Ausdehnung der Fokussierungszone in der Richtung, in der das Strahlprofil vor der Fokussierung in der Strahlformungsoptik 7 elongiert ist, weiter abnimmt. Dieser Effekt wird anhand des schematischen Beispiels der 26 genauer erläutert. Gemäß einer Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass die Strahlformungsoptik 7 eine Strahlformungsoptik umfasst, welche den Laserstrahl 30 so umformt, dass dieser beim Auftreffen auf eine Fokussierungsoptik als Teil der der Strahlformungsoptik 7 ein elongiertes Strahlprofil aufweist, wobei die Richtung der Elongation quer zur Richtung der Breite der Fokussierungszone 35, vorzugsweise senkrecht dazu und dementsprechend in Richtung der Dicke der Fokussierungszone 35 liegt. Auf diese Weise wird die Dicke der Fokussierungszone 35 weiter komprimiert und die Intensität in der Fokussierungszone 35 wird vergrößert. Im dargestellten Beispiel ist als Strahlformungselement eine anamorphotische Optik 80 vorgesehen, welche einen Ausgangsstrahl erzeugt, der beim Auftreffen auf eine Fokussierungsoptik 81 ein in y-Richtung elongiertes Strahlprofil aufweist. Das Strahlprofil kann wie dargestellt elliptisch sein, so dass die lange Halbachse des Profils im Beispiel in y-Richtung liegt. Die Fokussierungsoptik 81 ist dabei allgemein so orientiert, dass die Richtung der Breite der Fokussierungszone 35 senkrecht dazu, im Beispiel also in x-Richtung liegt. Insbesondere kann durch die Verwendung eines elliptischen Eingangsstrahls mit einer ausreichend kleinen kurzen Halbachse auch bei Fokussierung mit einer rotationssymmetrischen fokussierenden Linse, z.B. mit einem Mikroskopobjektiv, eine Vergrößerung der Breite der Fokussierungszone erreicht werden.

Allgemein ist es für Materialmodifikationen in der Fokussierungszone, die bis hin zu einem Auftrennen des Materials, beziehungsweise der Erzeugung eines Spalts günstig, Hochleistungslaser mit einer Leistung von mindestens 100 W, vorzugsweise mindestens 150W zu verwenden. Nachfolgend werden in den nachfolgenden Tabellen Ausführungsbeispiele von geeigneten Parametern des Lasers und der Strahlformungsoptik aufgeführt. Die erste Tabelle listet geeignete Laserparameter für eine Anordnung gemäß 22 auf.

Laserparameter
Burst [µJ]	300
Pulse pro Burst	1
Pulsddauer [ps]	3
Gauss-Strahlformung
Strahldurchmesser D [mm]	6,6
Wellenlänge λ [µm]	1,064
fy [mm]	24,4
fx [mm]	243,6
NAy	0,14
Dicke: w=2 w₀ [µm]	5,0
Breite [µm]	50
Höhe: L = 2 × Rayleigh length [µm]	148
Intensität in Mittenebene [W/cm²]	4,0E+13

Die Parameter der folgenden Tabelle sind geeignet für eine Ausführungsform nach 12.

Laserparameter
Burst [µJ]	250
Pulse pro Burst	1
Pulsdauer [ps]	3
Teleskop-Setup
Strahldurchmesser D [mm]	6,6
f₁ [mm]	1000
f₂ [mm]
f_MO [mm]	10
M	0,01
Gauss-Strahlformung
Wellenlänge λ [µm]	1,064
Strahldurchmesser nach MO-Objektiv [mm]	0,066
Effective Brennweite x von PM [mm]	5.000
Effective Brennweite y von PM [mm]	1.200
f_x nach MO-Objektiv [µm]	500
f_y nach MO-Objektiv [µm]	120
NA_y nach MO-Objektiv	0,28
d_cp [µm]	74
Dicke v. 35: w=2 w₀ [µm]	2,5
Breite von 35 [µm]	66
Höhe: L = 2 × Rayleigh length [µm]	36
Intensität in Mittenebene [W/cm²]	5,1E+13

In der nachfolgenden Tabelle sind für drei Ausführungsbeispiele Laserparameter für eine Bessel-Gauss-Strahlformung angegeben:

Teleskop-Setup	BG-Beamlet 1a	BG-Beamlet 1b	BG-Beamlet 1c
Strahldurchmesser D [mm]	6,6	6,6	6,6
f₁ [mm]	500	500	500
f₂ [mm]
f_MO [mm]	10	20	20
M	0,02	0,04	0,04
Brechungsindex Glas	1,47	1,47	1,47
Wellenlänge λ [µm]	1,064	1,064	1,064
Strahldurchmesser nach MO-
Objektiv [mm]	0,132	0,264	0,264
Breite [µm]	132	264	264
Bessel-Gauss-Strahlformung
Bessel-Winkel in Luft[°]	0,38	0,38	0,15
Bessel-Winkel nach Teleskop [°]	18,4	9,4	3,8
Bessel-Winkel im Glas[°]	12,4	6,4	2,6
Dicke w BG [µm]	2,6	5,0	12,3
Breite b [µm]	132	264	264
Ideale Bessel-Höhe: L=D/2tanα [µm]	198	794	1985
Gemessene Länge der verwendbaren Fokussierungszone [µm] (aus Ablationsmustern bestimmt)	20	100	250

In der folgenden Tabelle werden geeignete Laserparameter für die Formung eines Airy-Strahls mit einer gebogenen Fokussierungszone 35 beschrieben. Auch für diese Parameter ist eine Anordnung nach 12 geeignet:

Teleskop-Setup
Strahldurchmesser D [mm]	6,6
f₁ [mm]	200
f₂ [mm]	300
f_MO [mm]	10
M	1,50
Brechungsindex Glas	1,47
Wellenlänge λ [µm]	1,064
Strahldurchmesser nach MO-Objektiv[mm]	0,0135
Breite [µm]	14
Airy-Strahlformung:
Beta kubische Phase [/m]	1082
Dicke w BG [µm] (w = 1.6 x₀ = 1.6*beta / k)	29
Breite b [µm]	14
Höhe: Airy-Fokus-Länge in Luft [µm] (l = 2w₀f*2beta**3 /k)	1433

Bezugszeichenliste:

1: Werkstück
2: Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks 1
3: Laser
4, 5: Teile von 1
6: Innenteil
7: Strahlformungsoptik
8: scheibenförmiges Element
9: Positionierungseinrichtung
10: Schädigungszone
12: Steuerung
14: Trennlinie
16: Spalt
18: Kantenfläche
19: Bruchfläche
30: Laserlicht, Laserstrahl
31: Strahlachse
32: Beamlet
35: Fokussierungszone
36: Gauß-Profil
37: Bessel-Profil
38, 39: Nebenfokus-Bereich
70: Phasenmaske
71, 77: Zylinderlinse
72, 76: Linse
73: elliptisches Axikon
74: diffraktives optisches Element
75: Mikroskopobjektiv
79: Verzögerungsstrecke
80: Anamorphotische Optik
81: Fokussierungsoptik
83: Ausgangsstrahl von 80
84: Elongiertes Strahlprofil
100, 101: Seitenflächen von 1
730: Grundfläche von 73
731: Kegelspitze von 73
732: Stark fokussierende Richtung
733: Schwach fokussierende Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017009379 A1 [0002, 0003, 0060]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Froehly, L.; Courvoisier, F.; Mathis, A.; Jacquot, M.; Furfaro, L.; Giust, R. et al. (2011): „Arbitrary accelerating micron-scale caustic beams in two and three dimensions“, Optics express 19 (17), S. 16455-16465 [0029]
Alessandro Zannotti; Cornelia Denz; Miguel A. Alonso; Mark R. Dennis: Shaping caustics into propagation-invariant light. In: Nat Commun 11 (1), S. 1-7 [0057]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (1), bei welchem - das Werkstück (1) mit dem Laserlicht (30) eines Lasers (3) bestrahlt wird, wobei - das Material des Werkstücks (1) für das Laserlichts (30) zumindest teilweise transparent ist, so dass das Laserlicht (30) in das Werkstück (1) eindringt, und wobei - das Laserlicht (30) mittels einer Strahlformungsoptik (7) in einer Fokussierungszone (35) im Werkstück (1) gebündelt wird, wobei - die Fokussierungszone (35) im Querschnitt senkrecht zur Strahlachse eine abgeflachte Form mit einer in Strahlrichtung liegenden Länge und dazu jeweils senkrechter Breite und Dicke aufweist, wobei die Dicke der Fokussierungszone (35) zumindest an einer Position entlang der Strahlachse um mindestens einen Faktor 5 geringer ist, als die Breite und die Länge der Fokussierungszone, und wobei - innerhalb der Fokussierungszone (35) aufgrund der Intensität des Laserlichts (30) im Material des Werkstücks (1) eine Modifikationszone (10) eingefügt wird, die entsprechend der Fokussierungszone (35) eine abgeflachte Form aufweist.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der folgenden Bearbeitungen am Werkstück (1) durchgeführt werden: - das Werkstück (1) wird an der Modifikationszone (10) in zwei Teile (4, 5) aufgetrennt - durch das Laserlicht wird im Material des Werkstücks (1) in der Schädigungszone eine Brechungsindex-Änderung hervorgerufen.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Strahlformungsoptik eine Fokussierungszone (35) im Werkstück (1) erzeugt wird, die zumindest eine, vorzugsweise alle der folgenden Abmessungen aufweist: - eine Breite b im Bereich von 1 µm bis 10 mm, vorzugsweise 10 µm bis 50 µm, - eine Dicke w im Bereich von 0,2 µm bis 50 µm, vorzugsweise 1µm ± 0,5 µm, - eine Dicke w im Bereich des 1,39-fachen bis 10-fachen der Wellenlänge des Laserlichts 30, - eine Höhe L im Bereich von 2 µm bis 20 mm, vorzugsweise 1 mm bis 5 mm, - eine Projektionsfläche betrachtet entlang der Richtung der Strahlachse (31) des Laserlichts (3), welche um mindestens einen Faktor vier kleiner ist, als die Projektionsfläche der Fokussierungszone (35) betrachtet entlang der Richtung der Dicke der Fokussierungszone (35).
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück (1) aus anorganischem Material, vorzugsweise Glas, Glaskeramik oder ein kristalliner Werkstoff bearbeitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungszone (35) durch astigmatische Strahlformung oder kaustische Strahlformung erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokussierungszone (35) erzeugt wird, die eine gebogene Form hat, wobei die Fokussierungszone (35) um eine senkrecht zur Strahlrichtung liegende Achse gebogen ist.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht (30) so mittels der Strahlformungsoptik (7) geformt wird, dass zusätzlich zur Fokussierungszone (35) zwei Nebenfokus-Bereiche (38, 39) mit abgeflachter Form erzeugt werden, wobei in Strahlrichtung die Fokussierungszone (35) zwischen den Nebenfokus-Bereichen (38, 39) angeordnet ist.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - die Strahlformungsoptik (7) und das Werkstück (1) werden so angeordnet und eingestellt, dass neben der Fokussierungszone (35) zumindest einer der Nebenfokus-Bereiche (38, 39) mindestens teilweise innerhalb des Werkstücks (1) liegt, wobei die Intensität des Laserlichts (30) so eingestellt wird, dass die Lichtintensität des Nebenfokus-Bereichs (38, 39) unterhalb der Schwelle für eine permanente Materialveränderung des Werkstücks (1) und die Lichtintensität in der Fokussierungszone (35) oberhalb dieser Schwelle liegt, - die Fokussierungszone (35) wird gegenüber dem Werkstück (1) so angeordnet, dass die Fokussierungszone (35) zumindest teilweise innerhalb des Werkstücks (1) und die Nebenfokus-Bereiche (38, 39) außerhalb des Werkstücks (1) liegen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Modifikationszonen (10), insbesondere in Form von Schädigungszonen, aneinandergereiht werden, derart, dass diese einer vorgesehenen Trennlinie (14) folgen, und wobei das Werkstück (1) an der Trennlinie (14) aufgetrennt wird, so dass zwei Teile (4, 5) erhalten werden.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - die Modifikationszonen (10) sind so orientiert, dass die Trennlinie (14) entlang der Richtung der Breite der Modifikationszone (10) verläuft, - die Modifikationszonen (10) werden entlang einer zumindest abschnittweise gekrümmten Trennlinie (14) eingefügt, - die Modifikationszonen (10) werden entlang einer in sich geschlossenen Trennlinie (14) eingefügt und ein von dieser Trennlinie begrenztes Innenteil vom Werkstück (1) abgetrennt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht (30) in eine Fokussierungszone (35) gebündelt wird, deren Querschnitt A so klein ist, dass die Lichtintensität in der Fokussierungszone (35), gegeben durch E_pulse/(A·t_pulse) einen Wert von 10¹³ W/cm² überschreitet, wobei E_pulse die Energie eines Laserpulses und t die Pulsdauer bezeichnen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungszone (35) so positioniert wird, dass eines der nachfolgenden Merkmale erfüllt ist: - die Fokussierungszone (35) liegt vollständig innerhalb des Werkstücks (1), - die Fokussierungszone (35) beginnt oder endet innerhalb des Werkstücks (1) und ragt über eine der Seitenflächen (100, 101) des Werkstücks (1) hinaus, - die Fokussierungszone (35) ist länger als die Dicke des Werkstücks (1) und durchbricht zwei gegenüberliegende Seitenflächen (100, 101) des Werkstücks (1).
Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (1), umfassend - einen Laser (3) zur Abgabe von Laserlicht (30), wobei der Laser (3) eingerichtet ist, Laserlicht (30) einer Wellenlänge abzugeben, für welche das Werkstück (1) zumindest teilweise transparent ist, so dass das Laserlicht (30) in das Werkstück (1) eindringen kann, und wobei die Vorrichtung - eine Strahlformungsoptik (7) umfasst, um das Laserlicht (30) in einer Fokussierungszone (35) im Werkstück (1) zu bündeln, wobei - die Strahlformungsoptik (7) so ausgebildet ist, dass die damit erzeugte Fokussierungszone (35) eine abgeflachte Form mit einer in Strahlrichtung liegenden Länge und einer Breite und einer Dicke aufweist, wobei die Dicke der Fokussierungszone (35) um mindestens einen Faktor 5 geringer ist, als die Breite und die Länge der Fokussierungszone, und wobei der Laser (3) und die Strahlformungsoptik (7) so ausgebildet sind, dass innerhalb der Fokussierungszone (35) eine hinreichende Intensität des Laserlichts (30) vorhanden ist, um im Material des Werkstücks (1) eine Modifikationszone (10) einzufügen, die entsprechend der Form der Fokussierungszone (35) eine abgeflachte Form aufweist, insbesondere, so dass die Modifikationszone (10) in Richtung der Strahlachse (35) und einer dazu senkrechten Richtung ausgedehnter ist, als entlang einer zweiten, zur Strahlachse (35) senkrechten Richtung.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Strahlformungsoptik (7) mit zumindest einem der folgenden Merkmale: - die Strahlformungsoptik (7) ist astigmatisch oder kaustisch, - die Strahlformungsoptik (7) umfasst eine Phasenmaske (70), - die Strahlformungsoptik (7) umfasst zumindest eine Zylinderlinse (71), - die Strahlformungsoptik (7) umfasst eine 4F- oder 6F-Anordnung mit einer Vergrößerung M<1.
Vorrichtung gemäß einem der zwei vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strahlformungsoptik (7), welche eine Fokussierungszone (35) erzeugt, die in einer Ebene den Intensitätsverlauf eines Gauß-Strahls, eines Bessel-Strahls, oder eines Airy-Strahls hat.
Vorrichtung gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (7) zumindest eines der folgenden optischen Elemente zur Erzeugung eines astigmatischen Laserstrahls umfasst: - ein refraktives optisches Element, insbesondere eine Freiform-Optik - eine Zylinderlinse (71), - ein diffraktives optisches Element (74) - eine Phasenmaske (70), insbesondere einen LCOS Spatial Light Modulator (SLM)
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - die Strahlformungsoptik (7) umfasst eine Phasenmaske (70), vorzugsweise in Form eines diffraktiven optischen Elements (74), welche bewirkt, dass die Phasenverschiebung des Laserlichts als Funktion des Abstands zum Zentrum des diffraktiven optischen Elements (74) entlang einer ersten radialen Richtung größer ist als in einer dazu senkrechten zweiten radialen Richtung, - die Strahlformungsoptik (7) umfasst eine Phasenmaske (70), vorzugsweise in Form eines diffraktiven optischen Elements (74), welche vor einer verkleinernden Anordnung optischer Elemente angeordnet ist, - die Strahlformungsoptik (7) umfasst eine Strahlformungsoptik, welche den Laserstrahl (30) so umformt, dass dieser beim Auftreffen auf eine Fokussierungsoptik (81) als Teil der der Strahlformungsoptik (7) ein elongiertes Strahlprofil aufweist, wobei die Richtung der Elongation quer zur Richtung der Breite der Fokussierungszone 35, vorzugsweise senkrecht dazu liegt.
Scheibenförmiges Element (8) aus einem zumindest teilweise für Laserlicht transparentem anorganischen Material mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (100, 101), sowie eine umlaufende Kantenfläche (18), wobei die Kantenfläche (18) alternierend Bruchflächen (19) und Schädigungszonen (10) aufweist, wobei die Schädigungszonen (10) eine Materialmodifikation, insbesondere durch die Ausbildung eines Plasmas im Material des Elements aufweisen, und wobei die Ausdehnung der Schädigungszonen (10) in Richtung von der Kantenfläche (18) in das Element 8 hinein um mindestens einen Faktor (5) geringer ist, als in Umfangsrichtung der Kantenfläche (18).