DE10231969B4 - Optisches Element zur Formung eines Lichtstrahls und Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen - Google Patents
Optisches Element zur Formung eines Lichtstrahls und Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen Download PDFInfo
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Abstract
Optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls (211), insbesondere zur gezielten Formung des transversalen Intensitätsprofils eines Laserstrahls von einem gaußförmigen Eingangsprofil hin zu einem Ausgangsprofil, mit
– einer optischen Achse,
– einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Eingangsoberfläche (224a, 324a) und
– einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Ausgangsoberfläche (325a),
– wobei die Eingangsoberfläche (224a, 324a) innerhalb eines Eingangsbereiches (227) um die optische Achse und die Ausgangsoberfläche (325a) innerhalb eines Ausgangsbereiches (228) um die optische Achse derart gekrümmt sind, dass ein entlang der optischen Achse auf die Eingangsoberfläche (224a, 324a) gerichteter Lichtstrahl (211) mit einem gaußförmigen Eingangsprofil
aufgrund der Refraktion durch das optische Element (220, 320) gerade so geformt wird, dass
der Lichtstrahl (221, 321) in einem vorbestimmten Abstand hinter dem optischen Element (220, 320) ein Ausgangsprofil mit einer innerhalb eines Zielbereiches um die optische Achse im wesentlichen konstanten Intensitätsverteilung aufweist, und...
– einer optischen Achse,
– einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Eingangsoberfläche (224a, 324a) und
– einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Ausgangsoberfläche (325a),
– wobei die Eingangsoberfläche (224a, 324a) innerhalb eines Eingangsbereiches (227) um die optische Achse und die Ausgangsoberfläche (325a) innerhalb eines Ausgangsbereiches (228) um die optische Achse derart gekrümmt sind, dass ein entlang der optischen Achse auf die Eingangsoberfläche (224a, 324a) gerichteter Lichtstrahl (211) mit einem gaußförmigen Eingangsprofil
aufgrund der Refraktion durch das optische Element (220, 320) gerade so geformt wird, dass
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Description
- Die Erfindung betrifft ein optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls, insbesondere zur gezielten Formung des transversalen Intensitätsprofils eines Laserstrahls von einem Eingangsprofil hin zu einem Ausgangsprofil. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Bohren von Löchern in Substrate unter Verwendung des optischen Elements.
- Standardmäßige Laserbearbeitungsmaschinen umfassen eine Laserlichtquelle, eine Kollimationsoptik, eine Ablenkeinheit und eine Foküssieroptik. Die Kollimationsoptik weist üblicherweise einen sog. Strahlaufweiter auf, mittels welchem der Querschnitt des Laserstrahls vergrößert wird, so dass der bearbeitende Laserstrahl bei einem kleineren Fokusdurchmesser auf das zu bearbeitende Objekt fokussiert werden kann. Die Ablenkeinheit weist üblicherweise zwei beweglich gelagerte Spiegel auf, mittels welchen der bearbeitende Laserstrahl gezielt auf ein Bearbeitungsfeld gelenkt werden kann. Die Fokussieroptik ist im allgemeinen eine sog. Planfeldoptik oder f-Theta-Linse mit einer Brennweite von ungefähr 50 bis 150 mm. Laserbearbeitungsmaschinen mit diesen Standardkomponenten können bei unterschiedlichen Wellenlängen der bearbeitenden Laserstrahlen betrieben werden.
- Ein allgemein bekanntes Problem bei dem Bohren von Löchern (Sacklöcher oder Durchgangslöcher) oder beim Strukturieren bzw. Abtragen von Materialien mittels Laserstrahlen besteht darin, dass die Energie bzw. die Intensität des bearbeitenden Laserstrahls über dem Querschnitt nicht gleichmäßig, sondern i.a. gaußförmig oder zumindest annähernd gaußförmig verteilt ist und somit ein im wesentlichen, gaußförmiges Strahlungspro fil vorliegt. Dies bedeutet, dass beim Bohren von Löchern in der Mitte eines gebohrten Lochs eine größere Bohrtiefe erreicht wird als an dem Rand des Lochs. Ferner bewirkt der Randbereich des gaußförmigen Laserstrahls ein unerwünschtes Aufheizen, Schmelzen und/oder eine unerwünschte chemische Veränderung des umgebenden, nicht abgetragenen Materials.
- Aus der
US 5,841,099 ist ein Verfahren bekannt, mittels welchem das oben genannte Problem teilweise gelöst wird. Dabei wird eine Lochblende verwendet, um die unerwünschten Randbereiche des Laserstrahls abzuschirmen. Der verbliebene zentrale Teil des Laserstrahls mit seiner hohen Intensität wird dann über eine Abbildungsoptik auf das zu bearbeitende Objekt gelenkt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass an dem Rand der Lochblende Beugungseffekte auftreten, welche die Qualität des bearbeitenden Laserstrahls herabsetzen. - Aus der WO 00/73013 ist ein weiteres Verfahren zur Homogenisierung der Intensitätsverteilung eines bearbeitenden Laserstrahls bekannt. Dabei wird eine komplexe und kostenintensive diffraktiv wirkende Vorrichtung eingesetzt, welche aus mehreren optischen Komponenten besteht. Dabei werden einzelne durch Diffraktion erzeugte Teilstrahlen selektiert und anschließend fokussiert. Die einzelnen Komponenten müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein und in dem Strahlengang an genau bestimmten Positionen angeordnet werden. Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass ca. 15 bis 20% der Strahlungsenergie verloren geht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Vorrichtung nur bei einem festen Strahldurchmesser eingesetzt werden kann und dass sich Abweichungen von der optimalen Strahlqualität unmittelbar und stark auf die resultierende Fokussierung des bearbeitenden Laserstrahls auswirkt.
- Aus der WO 95/18984 ist eine zwei Prismen aufweisende Anordnung bekannt, bei der die beiden Prismen derart in den Strah lengang eines entlang einer optischen Achse gerichteten Laserstrahls mit einem gaußförmigen Intensitätsprofil positioniert sind, dass der Laserstrahl durch das erste Prisma symmetrisch in zwei Hälften geteilt wird und durch das zweite Prisma die beiden Hälften wiederum symmetrisch in zwei weitere Hälften geteilt werden. Die dadurch erzeugten vier Teile des Laserstrahls werden infolge der Brechung durch die Prismen seitenverkehrt zu der optischen Achse abgebildet, so dass in einem bestimmten Abstand von den Prismen die vier Teile des Laserstrahls derart überlappen, dass eine weitgehend homogene Intensitätsverteilung entsteht.
- Aus der
JP 59119311 - Aus der
US 6,201,229 ist ein aus einem transparenten Material hergestellter Lichtintensitätskonverter zur Veränderung der Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls mit einem gaußförmigen Intensitätsprofils bekannt. Der Konverter weist eine gekrümmte Eingangsoberfläche und eine gekrümmte Ausgangsoberfläche auf. Die Krümmungen der beiden Oberflächen sind derart gewählt, dass beim Auftreffen eines Lichtstrahl entlang der optischen Achse des Konverters die Lichtanteile im Zentrum des Lichtstrahls nach außen und die Lichtanteile im Außenbereich des Lichtstrahls nach innen gebrochen werden. Auf diese Weise kann in einem bestimmten Abstand von dem Konverter ein Lichtstrahl mit einer weitgehend homogenen Intensitätsverteilung erzeugt werden. Der Lichtintensitätskonverter hat ebenso wie die aus derJP 59119311 - Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und leicht zu handhabendes optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls zu schaffen, welches die Intensität der Zentralstrahlen des zu formenden Lichtstrahls möglichst wenig schwächt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen zu schaffen, welches aufgrund einer möglichst homogenen Strahlintensität eine präzise Bearbeitung ermöglicht.
- Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine weitgehend homogene Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls dadurch erzeugt werden kann, dass für denjenigen Teil des Lichtstrahls, welcher die größte Intensität aufweist, eine zusätzliche Divergenz generiert wird, so dass zumindest ein' Teil dieser Intensität in die äußeren Bereiche des Lichtstrahls gelenkt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das optische Element derart ausgerichtet wird, dass die optische Achse des optischen Elements mit dem Strahlengang des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls zusammenfällt. Das optische Element zeichnet sich dadurch aus, dass die Stärke der Refraktion des einfallenden Lichtstrahls von dem Abstand von der optischen Achse abhängt. Auf diese Weise kann in einem vorbestimmten Abstand hinter dem optischen Element ein Lichtstrahl mit einem nahezu homogenen Intensitätsprofil erzeugt werden. Gemäß der Erfindung sind ferner die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche derart gekrümmt, dass die auf das optische Element treffenden Randstrahlen des einfallenden Lichtstrahls von der optischen Achse weggebrochen werden. Dies wird am einfachsten dadurch realisiert, dass die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche in dem Bereich der auftreffenden Randstrahlen keine Krümmung, d.h. eine Krümmung mit einem unendlich großen Radius, aufweisen. Alternativ kann die Krümmung in diesem Bereich auch ein unterschiedliches Vorzeichen als die Krümmung in dem achsennahen Bereich aufweisen. Das Eliminieren der Randstrahlen durch Refraktion hat den Vorteil, dass die Zentralstrahlen des zu formenden Lichtstrahls praktisch nicht geschwächt werden, so dass die Effizienz des optischen Elements vergleichbar ist mit der Effizienz einer Lochblende. Das erfindungsgemäße optische Element hat eine Reihe von weiteren Vorteilen. So ist beispielweise zur Erzeugung eines Lichtstrahls mit einer im wesentlichen konstanten Intensitätsverteilung lediglich ein einziges refraktives optisches Element erforderlich, welches prinzipiell für jede Art von Laserlicht mit beliebiger Wellenlänge einsetzbar ist. Die Erfindung hat ferner den Vorteil, dass die Homogenisierung des Lichtstrahls unabhängig von der Polarisation des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Erfindung einfach in existierende oder zukünftige Laserbearbeitungsmaschinen implementiert werden kann.
- Gemäß Anspruch 2 weist das optische Element eine konkave Eingangsoberfläche und/oder eine konvexe Ausgangsoberfläche auf. Dies hat den Vorteil, dass das optische Element zumindest in der Nähe der optischen Achse die Form einer im allgemeinen nicht-sphärischen Linse aufweist, welche auf einfache Weise herstellbar ist.
- Gemäß den Ansprüchen 4 und 5 wird die Krümmung der Eingangsoberfläche und/oder die Krümmung der Ausgangsoberfläche zumindest in der Nähe der optischen Achse durch eine Summe von verschiedenen Kosinusfunktionen beschrieben. Die einzelnen Kosinusfunktionen weisen dabei im allgemeinen unterschiedliche Periodizität und unterschiedliche Gewichtungsfaktoren auf.
- Gemäß Anspruch 6 wird eine besonders homogene Intensitätsverteilung eines geformten Lichtstrahls genau dann. erreicht, wenn der auf das optische Element gerichtete und zu formende Lichtstrahl eine im wesentlichen vernachlässigbare Divergenz aufweist. Dies ist insbesondere bei Laserstrahlen der Fall.
- Das optische Element ist gemäß Anspruch 7 aufgrund der Dispersion des Materials, aus welchem das optische Element hergestellt ist, für einen Lichtstrahl mit relativ geringer spektraler Verteilung geeignet. Als optisches Material eignet sich insbesondere Quarz, welches für eine Vielzahl von verschiedenen Wellenlängen geeignet ist und welches kostengünstig in hoher Qualität herstellbar ist.
- Der Wirkungsgrad des optischen Elements, d.h. das Verhältnis zwischen der Intensität des transmittierten, geformten Lichtstrahls zu der Intensität des auf das optische Element einfallenden Lichtstrahls wird gemäß Anspruch 8 dadurch erhöht, dass die Eingangsoberfläche und/oder die Ausgangsoberfläche mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sind. Verluste durch unerwünschte Reflexionen können dadurch minimiert werden, dass die Antireflex-Beschichtung speziell für eine oder für mehrere Wellenlängen optimiert wird.
- Gemäß Anspruch 9 werden die von der optischen-Achse weggebrochenen Randstrahlen auf einen Strahlabsorber gelenkt, so dass die relativ intensitätsschwachen Randstrahlen aus dem geformten Lichtstrahl zuverlässig eliminiert werden.
- Die verfahrensbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere beim Bohren von Löchern in Substrate ein Lichtstrahl mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung erforderlich ist, um eine hohe Lochqualität, d.h. einen möglichst scharfen Übergang zwischen dem gebohrten Loch und dem umgebenden Randbereich des Lochs zu erreichen. Eine hohe Lochqualität wird erreicht, wenn das Substratmaterial in unmittelbarer Umgebung des Lochs möglichst wenig aufgeschmolzen wird. Durch die erfindungsgemäße Strahlformung wird ein derartiges unerwünschtes Aufschmelzen verhindert.
- Gemäß Anspruch 11 wird der zu formende Laserstrahl vor dem Durchdringen des optischen Elementes mittels eines Strahlaufweiters aufgeweitet. Dies hat den Vorteil, dass der bearbeitende Laserstrahl mit einem kleinen Fokusdurchmesser auf die Oberfläche oder das Innere des zu bearbeitenden Objekts abgebildet werden kann und dass der bearbeitende Laserstrahl zudem eine große Tiefenschärfe aufweist.
- Das optische Element ist besonders für die Formung von gepulsten Laserstrahlen geeignet, da die homogene Intensitätsverteilung im Zentrum des Laserstrahls und die Reduzierung der Lichtintensität außerhalb dieses zentralen Bereichs dazu führt, dass beispielsweise beim Bohren von Löchern die Randbereiche um die Löcher herum einer geringeren Wärmebelastung ausgesetzt sind und somit eine bessere Lochqualität erzielbar ist.
- Das Verfahren gemäß Anspruch 13 hat den Vorteil, dass durch die dynamische Variation des Abstandes zwischen dem optischen Element und der zu bearbeitenden Oberfläche ein Bohren von verschiedenartig geformten, beispielsweise konischen Löchern möglich ist. Ferner kann bei einer Variation des Abstandes zwischen dem optischen Element und der zu bearbeitenden Substratoberfläche durch ein Ändern der Expansions- und Divergenzfaktoren eines Strahlaufweiters eine Vielzahl von verschiedenen Intensitätsprofilen des geformten Laserstrahls erreicht werden.
- Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform, welche anhand der Zeichnung erläutert wird. An dieser Stelle bleibt anzumerken,. dass sich die Bezugszeichen einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.
-
1 zeigt den Aufbau einer Laserbearbeitungsmaschine mit einem optischen Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
2 illustriert in einer schematischen Darstellung die . Strahlformung durch ein refraktives optisches Element. -
3 zeigt die refraktive Wirkung des in2 dargestellten optischen Elements. - Eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem optischen Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen Laser
100 auf, welcher einen Laserstrahl101 emittiert. Der Querschnitt des Laserstrahls101 wird mittels eines Strahlaufweiters110 aufgeweitet und der resultierende aufgeweitete Laserstrahl111 wird auf das optische Element120 gelenkt. Das optische Element120 erzeugt einen geformten Laserstrahl121 , welcher mittels einer Ablenkeinheit130 , welche zwei nicht dargestellte, um zueinander senkrechte Achsen bewegliche Spiegel aufweist, auf ein zu bearbeitendes Substrat150 gelenkt wird. Eine zwischen der Ablenkeinheit130 und dem zu bearbeitenden Substrat150 angeordnete Planfeldoptik140 sorgt dafür, dass der bearbeitende Laserstrahl141 unabhängig von der Stellung der beiden Spiegel stets auf der planen Oberfläche des Substrats150 fokussiert wird. -
2 illustriert die refraktive Strahlformung eines Laserstrahls211 mit einem gaußförmigen Intensitätsprofil212 . Die Divergenz des zu formenden Laserstrahls211 ist in guter Näherung zu vernachlässigen. Dies wird dürch die vier horizontalen Pfeile auf der linken Seite von2 verdeutlicht. Das Intensitätsprofil212 umfasst einen Zentralbereich212a und einen Randbereich212b . Die Aufteilung zwischen Zentralbereich und Randbereich ist willkürlich, sie wird jedoch im allgemeinen so gewählt, dass die Intensität in dem Zentralbereich212a ungefähr 86% der gesamten Intensität und die Intensität in dem Randbereich212b ungefähr 14% der Gesamtintensität beträgt. Dies entspricht einem Intensitätsverhältnis zwischen der Strahlungsintensität in dem Randbereich212b zu der gesamten Strahlungsintensität von 1/e2. Das optische Element wird relativ zu dem zu formenden Laserstrahl211 derart positioniert, dass die optische Achse des optischen Elements220 , wie in der2 dargestellt, mit dem Strahlengang des Laserstrahls211 zusammen fällt. - Das optische Element
220 weist eine Eingangsoberfläche auf, welche in einem achsennahen Eingangsbereich227 eine unterschiedliche Krümmung aufweist als in einem von der optischen Achse beabstandeten Ausgangsbereich228 : Wie aus2 ersichtlich, weist die Eingangsoberfläche224a nahe der optischen Achse innerhalb des Eingangsbereich227 eine unterschiedliche Krümmung auf als die Eingangsoberfläche224b innerhalb des von der optischen Achse beabstandeten Ausgangsbereichs228 . Das optische Element220 umfasst ferner eine Ausgangsoberfläche225 , welche ebenfalls eine Krümmung aufweist, die allerdings in der schematischen Darstellung in2 nicht zu erkennen ist. - Nach dem Durchgang durch das optische Element
220 entsteht ein transmittierter Laserstrahl221 , welcher einen geformten Zentralstrahl221a und weggebrochene Randstrahlen221b aufweist. Der Zentralstrahl221a , welcher nahe der optischen Achse innerhalb des Eingangsbereiches227 verläuft, weist im Vergleich zu dem Zentralbereich212a des ungeformten Laserstrahls211 eine weitaus gleichmäßigere Intensitätsverteilung auf. Die Homogenisierung des Intensitätsprofils ist durch vier Pfeile auf der rechten Seite von2 illustriert, welche die durch die Refraktion des optischen Elements220 innerhalb des Eingangsbereich227 erzeugte Divergenz verdeutlichen. Die Randstrahlen221b werden infolge einer Refraktion an der Eingangsoberfläche224b von dem Zentralstrahl221a separiert. Es wird darauf hingewiesen, dass der Verlauf der Intensitätsverteilung aufgrund der generierten Divergenz von dem Abstand zwischen dem optischen Element220 und Ebene abhängt, in der die Intensitätsverteilung beobachtet wird. -
3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Strahlengänge des einfallenden Laserstrahls311 und des geformten Laserstrahls321 . Der einfallende Laserstrahl311 wird, wie in Zusammenhang mit2 erläutert, in einen Zentralbereich312a und einen Randbereich312b aufgeteilt. Der geformte, durch das optische Element320 transmittierte Laserstrahl321 umfasst einen geformten Zentralstrahl321a mit einem Ausgangsprofil322 und von der optischen Achse weggebrochene Randstrahlen321b . Die Eingangsoberfläche des optischen Elements320 ist in eine Eingangsoberfläche324a und eine Eingangsoberfläche324b unterteilt, wobei die Eingangsoberfläche324a innerhalb des achsennahen Eingangsbereiches eine bestimmte Krümmung aufweist und die Eingangsoberfläche324b innerhalb eines von der optischen Achse beabstandeten Ausgangsbereichs eine weitere Krümmung aufweist. Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Eingangsoberfläche324b wie die Mantelfläche eines Kegelstumpfes gekrümmt, so dass in der in3 dargestellten Querschnittsansicht die Eingangsoberfläche324b als gerade Linie zu erkennen ist. Die Eingangsoberfläche324a nahe der optischen Achse wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch folgende analytische Funktion beschrieben: - Das dieser Formel zugrundeliegende Koordinatensystem umfasst eine x-Achse, welche mit der optischen Achse des optischen Elements
320 und damit mit dem Laserstrahl311 zusammenfällt. Die y-Achse des obiger Formel zugrundeliegenden Koordinatensystems schneidet die Eingangsoberfläche des optischen Ele ments320 genau an den beiden Übergängen324c , welche in3 als "Knickstellen" zu erkennen sind und welche die Grenze zwischen der Eingangsoberfläche324a und der Eingangsoberfläche324b darstellen. - Die Ausgangsoberfläche des optischen Elementes
320 lässt sich analog zur Eingangsoberfläche ebenso in zwei Teiloberflächen, eine Ausgangsoberfläche325a innerhalb des Eingangsbereichs nahe der optischen Achse des optischen Elementes und in eine Ausgangsoberfläche325b innerhalb des von der optischen Achse beabstandeten Ausgangsbereichs aufteilen. Wie aus3 . ersichtlich., weist die Ausgangsoberfläche325b keinerlei Krümmung auf. Die Krümmung der Ausgangsoberfläche325a wird analog zu der Krümmung der Eingangsoberfläche324a durch folgende Funktion beschrieben: - In den angegebenen Formeln werden die Koordinaten x und y jeweils in der Einheit Millimeter angegeben. Der Faktor c1 entspricht einem Korrekturfaktor und hat gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Wert von 105,6.
- Es wird darauf hingewiesen, dass die angegebenen Formeln die Krümmungen der Eingangsoberfläche
324a und der Ausgangsoberfläche325a mit einer Genauigkeit beschreiben, die bei durchgeführten Simulationsrechnungen zu befriedigenden Ergebnissen, d.h. zu einem Ausgangsprofil322 des geformten Laserstrahls321 führt, mittels welchem eine gegenüber herkömmlichen Strahlprofilen deutlich verbesserte Laserbearbeitung möglich wird. - Die weggebrochenen Randstrahlen
321b werden auf einen Strahlabsorber370 gelenkt, welcher verhindert, dass die weggebrochenen Randstrahlen321b beispielsweise durch unterwünschte Reflektionen wieder zurück in den Strahlengang des geformten Zentralstrahls321a gelenkt werden. - Zusammenfassend schafft die Erfindung ein optisches Element
220 zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls211 , wobei eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung dadurch erzeugt wird, dass dem zentralen Bereich212a des zu formenden Laserstrahls211 infolge einer Refraktion durch das optische Element220 eine zusätzliche Divergenz aufgeprägt wird, so dass die Intensitätsverteilung des transmittierten Laserstrahls eine gegenüber dem Eingangsprofil höhere Homogenität aufweist. Gemäß der Erfindung werden schwache Randstrahlen212b des zu formenden Lichtstrahls211 von der optischen Achse des optischen Elements220 weggebrochen. Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Bohren von Löchern in Substrate unter Verwendung des optischen Elements220 . Durch eine Variation des Abstands zwischen dem zu bearbeitenden Objekt und dem optischen Element220 während einer Laserbearbeitung kann die Intensitätsverteilung des bearbeitenden Laserstrahls derart verändert werden, dass eine Vielzahl von verschieden geformten Löchern gebohrt werden können.
Claims (13)
- Optisches Element zur Veränderung der transversalen Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls (
211 ), insbesondere zur gezielten Formung des transversalen Intensitätsprofils eines Laserstrahls von einem gaußförmigen Eingangsprofil hin zu einem Ausgangsprofil, mit – einer optischen Achse, – einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Eingangsoberfläche (224a ,324a ) und – einer zu der optischen Achse rotationssymmetrischen Ausgangsoberfläche (325a ), – wobei die Eingangsoberfläche (224a ,324a ) innerhalb eines Eingangsbereiches (227 ) um die optische Achse und die Ausgangsoberfläche (325a ) innerhalb eines Ausgangsbereiches (228 ) um die optische Achse derart gekrümmt sind, dass ein entlang der optischen Achse auf die Eingangsoberfläche (224a ,324a ) gerichteter Lichtstrahl (211 ) mit einem gaußförmigen Eingangsprofil aufgrund der Refraktion durch das optische Element (220 ,320 ) gerade so geformt wird, dass der Lichtstrahl (221 ,321 ) in einem vorbestimmten Abstand hinter dem optischen Element (220 ,320 ) ein Ausgangsprofil mit einer innerhalb eines Zielbereiches um die optische Achse im wesentlichen konstanten Intensitätsverteilung aufweist, und – wobei die Eingangsoberfläche (224b ;324b ) und/oder die Ausgangsoberfläche (325b ) außerhalb des Eingangsbereiches (227 ) derart gekrümmt sind, dass die auf diesen Bereich treffenden Randstrahlen (212b ,312b ) des Lichtstrahls (211 ) von der optischen Achse weggebrochen werden. - Optisches Element gemäß Anspruch 1, welches innerhalb des Eingangsbereiches (
227 ) die Form einer nicht-sphärischen Linse mit einer konkaven Eingangsoberfläche und/oder einer konvexen Ausgangsoberfläche aufweist. - Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, welches innerhalb des Eingangsbereiches (
227 ) und/oder innerhalb des Ausgangsbereiches (228 ) parallel zur optischen Achse eine Dicke aufweist, die von der optischen Achse nach außen hin zunimmt. - Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem innerhalb des Eingangsbereiches (
227 ) die Krümmung der Eingangsoberfläche (224a ,324a ) durch eine Summe von verschiedenen Kosinus-Funktionen beschreibbar ist. - Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, beidem innerhalb des Eingangsbereiches (
227 ) die Krümmung der Ausgangsoberfläche (325a ) durch eine Summe von verschiedenen Kosinus-Funktionen beschreibbar ist. - Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, derart ausgebildet, dass ein gerichteter Lichtstrahl (
211 ,311 ) mit im wesentlichen vernachlässigbarer Divergenz formbar ist. - Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, derart ausgebildet, dass aufgrund der Dispersion ein im wesentlichen monochromatischer Lichtstrahl formbar ist.
- Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Eingangsoberfläche (
224a ,224b ) und/oder die Ausgangsoberfläche (225 ) eine Anti-Reflex-Beschichtung aufweisen. - Optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, zusätzlich mit einer Strahlstoppvorrichtung (
370 ), auf welche die von der optischen Achse weggebrochenen Randstrahlen (221b ,321b ) lenkbar sind. - Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels Laserstrahlen, insbesondere zum Bohren von Löchern in Substrate unter Verwendung eines optischen Elements (
220 ,320 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9. - Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Querschnitt des Laserstrahls (
211 ,311 ) vor dem Durchdringen des optischen Elements (220 ,320 ) mittels eines Strahlaufweiters (110 ) aufgeweitet wird. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, bei dem ein gepulster Laserstrahl verwendet wird.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der Abstand zwischen dem zu bearbeitenden Objekt (
150 ) und dem optischen Element (220 ,320 ) während der Laserbearbeitung verändert wird.
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