EP4347171A1 - Verfahren und vorrichtung zur laserbearbeitung eines werkstücks - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur laserbearbeitung eines werkstücksInfo
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- EP4347171A1 EP4347171A1 EP22730767.5A EP22730767A EP4347171A1 EP 4347171 A1 EP4347171 A1 EP 4347171A1 EP 22730767 A EP22730767 A EP 22730767A EP 4347171 A1 EP4347171 A1 EP 4347171A1
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- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/54—Glass
Definitions
- the invention relates to a device for laser processing a workpiece using a focus zone, the workpiece having a transparent material.
- the invention further relates to a method for laser processing a workpiece by means of a focus zone, the workpiece having a transparent material.
- EP 3 311 947 B1 discloses a method for laser processing a transparent workpiece such as a glass substrate, the workpiece being processed using a pulsed laser beam which has an elongated focal zone with a non-axisymmetric beam cross section.
- DE 10 2020 103 884 A1 discloses a device for adjusting the processing optics of a laser processing machine.
- DE 10 2019 128 362 B3 provides a diffractive optical beam-shaping element for impressing a phase distribution on a transverse beam profile of a laser beam.
- Processing optics for workpiece processing are known from WO 2020/212175 A1, comprising a birefringent polarizer element for dividing at least one input laser beam into a pair of partial beams polarized perpendicularly to one another, and focusing optics arranged in the beam path after the polarizer element for focusing the partial beams focus zones.
- the invention is based on the object of providing a device mentioned at the outset and a method mentioned at the outset, by means of which the formation of material modifications in the material of the workpiece is improved can be controlled in order in particular to realize a separation of the material with a smoother separation surface.
- the device comprises a beam-shaping device for forming the focus zone from an input laser beam, the focus zone being elongate with respect to a longitudinal axis and the focus zone having an asymmetrical cross-section perpendicular to the longitudinal axis with a preferred direction, an adjusting device for changing the preferred direction during the laser processing of the workpiece, and a control device for activating the adjusting device on the basis of a predetermined assignment rule in order to control and/or regulate the preferred direction during the laser processing of the workpiece.
- the focus zone is introduced into the material of the workpiece and is moved relative to the material.
- material modifications are formed along a processing surface on which the material of the workpiece can in particular be separated.
- the preferred direction of the cross section of the focal zone is correlated with a preferred direction of a cross section of material modifications that are formed in the material of the workpiece by means of the focal zone.
- the preferred direction of the material modifications formed can be controlled by means of a provided control and/or regulation of the preferred direction of the focal zone.
- the material modifications can be arranged and designed in such a way that the workpiece can be separated with the smoothest possible separating surface.
- the preferred direction of the focus zone can be used to control a preferred direction of material modifications that can be formed in the material by means of the focus zone, with a main direction of extension of cracks being able to be controlled in particular, which are associated with the respective material modifications.
- automated control and/or regulation of the preferred direction is provided by means of the control device.
- the preferred direction of the asymmetrical cross section can be controlled over an angular range between 0° and 360°.
- the assignment specification includes an assignment that allows the asymmetrical cross section to be controlled in an angular range between 0° and 360°.
- the preferred direction of the asymmetrical cross section can be controlled with an angle interval of approximately 1/10° and/or in approximately 1/10° increments.
- the focal zone forms a spatially coherent interaction area which is brought into interaction with the material in order to form material modifications in the material of the workpiece.
- the focal zone means a focused radiation area and in particular a spatially connected radiation area of a laser beam with a specific spatial extent.
- the intensity threshold is selected here, for example, in such a way that values lying below this intensity threshold have such a low intensity that they are no longer relevant for an interaction with the material for the formation of material modifications.
- the intensity threshold is 50% of a global maximum intensity of the focal zone.
- the focal zone has a total length of between 50 pm and 5000 pm.
- the beam shaping device is set up to form the focal zone from the input laser beam in an elongated manner and with an asymmetrical cross section, the asymmetrical cross section having a preferred direction.
- the fact that the focal zone is elongate means in particular that the focal zone extends in the direction of its longitudinal axis and/or that the focal zone is elongated and/or linear in the direction of the longitudinal axis. In particular, the focal zone has the greatest spatial extent in the direction of the longitudinal axis.
- the longitudinal axis of the focal zone is in particular oriented parallel to a main propagation direction of a laser beam from which the focal zone is formed.
- the longitudinal axis of the focal zone can be curved and/or designed as a curve and/or straight.
- the workpiece is, for example, plate-shaped and/or panel-shaped.
- the longitudinal axis of the focal zone is oriented parallel or transverse to a thickness direction of the workpiece.
- a cross-sectional plane of the asymmetric cross-section of the focal zone is oriented perpendicular to the longitudinal axis of the focal zone.
- the preferred direction of the asymmetrical cross section of the focal zone is to be understood in particular as a direction in which the cross section has the greatest spatial extent and/or the greatest diameter.
- the cross section of the focal zone is at least approximately designed as an ellipse, with the preferred direction of the cross section corresponding to a direction of a major semi-axis of the ellipse.
- the assignment specification on the basis of which the actuating device is controlled by the control device during the laser processing of the workpiece, is or includes, for example, an assignment table and/or a mathematical function.
- the assignment rule can, for example, also be or include a constant (offset value). It can be favorable if the control device is set up to align the preferred direction during laser processing at least approximately parallel to a feed direction in which the focus zone for laser processing of the workpiece is moved relative to the workpiece.
- cracks in the material of the workpiece associated with the formation of material modifications can be aligned at least approximately parallel to the feed direction. This results in particular in an overlapping of cracks in adjacent material modifications, which in particular enables a material separation with a smooth separation surface.
- control device is set up to automatically align the preferred direction during the laser processing of the workpiece.
- the focal zone has a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile.
- the focus zone is in particular elongate.
- a transverse phase imprint on a beam cross section of the input laser beam takes place by means of the beam shaping device.
- the beam-shaping device has at least one beam-shaping element for the phase imposition of a transverse phase distribution on a beam cross-section of the input laser beam, the phase distribution being selected in order to make the focal zone elongate, and the at least one beam-shaping element being used in particular as a diffractive optical element and/or is designed as an axicon element.
- the phase distribution is selected in order to form the focal zone with a quasi-non-diffracting and/or Bessel-like beam profile.
- a transverse direction lies in a plane oriented perpendicularly to the beam axis and/or main propagation direction of the input laser beam.
- the phase distribution is selected in such a way that the focus zone is formed with an asymmetrical cross section by impressing the phase distribution by means of the at least one beam-shaping element.
- the focal zone can be formed oblong and with an asymmetrical cross-section, for example, with the same element of the device.
- a rotation of the at least one beam-shaping element then causes, in particular, a change in the preferred direction of the asymmetrical cross section.
- an impressed phase distribution comprises a plurality of angle segments, with mutually adjacent angle segments having different azimuthal segment widths and/or a segment lattice phase difference.
- the at least one beam-shaping element can be influenced by the adjustment device to change the preferred direction of the focal zone, and/or if the at least one beam-shaping element can be rotated by the adjustment device to change the preferred direction of the asymmetrical cross-section of the focal zone.
- the preferred direction can be changed and/or set in a technically simple manner.
- the at least one beam-shaping element can be rotated about an axis to change the preferred direction of the asymmetrical cross section, which is parallel or identical to the main propagation direction and/or to the beam axis of the input laser beam incident on the beam-shaping element.
- the beam-shaping device has a polarization beam-splitting element, by means of which partial beams are formed with at least two polarization states that differ from one another, with the focal zone having an asymmetrical by focusing the partial beams Cross section is formed.
- this allows the asymmetrical cross section of the focus zone to be formed based on the principle of polarization beam splitting.
- the polarization states are linear polarization states.
- partial beams with polarization states oriented perpendicularly to one another are formed by means of the polarization beam splitting element.
- the polarization beam splitting element is designed to generate an angular offset and/or a spatial offset between the partial beams with different polarization states.
- the polarization beam splitting element is arranged in particular in a far field area and/or in a focal plane of the beam shaping device.
- a far-field intensity distribution is formed in this far-field region and/or in this focal plane, which is focused to form the focal zone by means of focusing optics of the beam-shaping device.
- a rotation of the polarization beam splitting element causes in particular a change in the preferred direction of the asymmetrical cross section of the focal zone.
- the polarization beam splitting element can be influenced by the adjustment device to change the preferred direction of the focus zone, and/or if the polarization beam splitting element can be rotated by the adjustment device to change the preferred direction of the asymmetrical cross section of the focus zone.
- the at least one polarization beam splitting element can be rotated about an axis to change the preferred direction of the asymmetrical cross section, which is parallel or identical to the main propagation direction and/or to the beam axis of a laser beam incident on the polarization beam splitting element.
- the beam-shaping device has a beam diaphragm to form the asymmetric cross-section of the focal zone, by means of which an angular range of a far-field intensity distribution formed by means of the beam-shaping device is blocked, with an unblocked portion of the far-field intensity distribution being used to form the elongated focal zone with an asymmetric cross-section is focused.
- focusing optics of the beam-shaping device are provided for focusing the unblocked portion of the far-field intensity distribution.
- a rotation of the beam diaphragm causes a change in the unblocked portion of the far-field intensity distribution and/or a change in the preferred direction of the asymmetrical cross section of the focal zone.
- the beam diaphragm is arranged in a far field area and/or in a focal plane of the beam shaping device.
- the beam diaphragm can be influenced by means of the adjusting device to change the preferred direction of the asymmetrical cross section of the focal zone, in which case in particular an angular range of the far-field intensity distribution that is blocked and/or not blocked by the beam diaphragm can be changed by means of the adjusting device. Changing the blocked and/or unblocked angular range of the far-field intensity distribution causes a change in the preferred direction of the asymmetrical cross-section in particular.
- the beam stop can be rotated about an axis that is parallel or identical to the main propagation direction and/or to the beam axis of a laser beam incident on the beam stop. In this way, in particular, a change in the preferred direction of the asymmetrical cross section of the focal zone can be brought about.
- a far-field intensity distribution is formed by means of the beam-shaping device, with the focus zone being formed by focusing the far-field intensity distribution and with the for forming the focus zone focused far field intensity distribution can be influenced by means of the adjusting device in order to change the preferred direction of the asymmetrical cross section of the focus zone.
- the far-field intensity distribution can be influenced, for example, as described above, by means of a beam-shaping element and/or a beam diaphragm of the beam-shaping device.
- the far-field intensity distribution is arranged in a far-field region assigned to the beam-shaping device.
- the far-field intensity distribution includes, in particular, a ring structure and/or ring segment structure, which preferably has one or more concentric ring segments.
- the ring segments each have the same radius.
- the ring segments are arranged and/or formed concentrically with respect to a beam axis of a laser beam guided through the beam shaping device.
- those angular regions of the ring structure that are focused to form the focal zone can be influenced and/or defined by means of the adjusting device.
- the beam-shaping device includes focusing optics and/or a telescopic device in order to form the focal zone and/or to introduce the focal zone into the material of the workpiece.
- the far-field intensity distribution for forming the focal zone can be focused by means of the focusing optics.
- a laser beam decoupled from a beam-shaping element of the beam-shaping device can be focused by means of the telescopic device to form the focus zone.
- the device comprises a laser source for providing the input laser beam, wherein the input laser beam provided by the laser source is in particular a pulsed laser beam and/or an ultra-short pulsed laser beam.
- the device is designed to form the focal zone from the input laser beam and/or from an ultra-short pulse laser beam.
- the focal zone is formed from an ultra-short pulse laser beam or is provided by means of an ultra-short pulse laser beam.
- a wavelength of the input laser beam and/or of the laser beam from which the focus zone is formed is at least 300 nm and/or at most 1500 nm.
- the wavelength is 515 nm or 1030 nm.
- the input laser beam and/or the laser beam from which the focal zone is formed has an average power of at least IW to 1 kW.
- the laser beam includes pulses with a pulse energy of at least 10 pJ and/or at most 50 mJ. It can be provided that the laser beam comprises individual pulses or bursts, the bursts having 2 to 20 sub-pulses and in particular a time interval of approximately 20 ns.
- the workpiece is formed from a transparent material means in particular that the material of the workpiece is made from a material that is transparent to the input laser beam and/or to a laser beam from which the focal zone is formed.
- a transparent material is to be understood in particular as a material through which at least 70% and in particular at least 80% and in particular at least 90% of a laser energy of a laser beam from which the focal zone is formed is transmitted.
- the focal zone interacts with the material of the workpiece through non-linear absorption.
- material modifications are formed in the material by means of the focal zone due to non-linear absorption.
- the focus zone is set up to produce material modifications in the material of the workpiece, which with a cracking in the material of the workpiece and/or which are Type III modifications.
- Type I is an isotropic refractive index change
- Type II is a birefringent refractive index change
- Type III is a so-called void.
- the material modification produced depends on the laser parameters of the laser beam from which the focal zone is formed, such as the pulse duration, the wavelength, the pulse energy and the repetition frequency of the laser beam, and on the material properties, such as the electronic structure and the thermal expansion coefficient, as well as on the numerical aperture (NA) of focusing.
- NA numerical aperture
- the voids (cavities) of the type III modifications can be generated with a high laser pulse energy, for example.
- the formation of the voids is attributed to an explosive expansion of highly excited, vaporized material from the focus volume into the surrounding material. This process is also known as a micro-explosion. Because this expansion occurs within the bulk of the material, the microblast leaves behind a less dense or hollow core (the void), or submicron or atomic-scale microscopic defect, surrounded by a densified shell of material. Due to the compression at the impact front of the microexplosion, stresses arise in the transparent material, which can lead to spontaneous cracking or can promote cracking.
- the device comprises a detection device for optically detecting an actual preferred direction of the asymmetrical cross section of the focal zone formed, the detection device being or being able to be connected in particular to the control device in a signal-effective manner.
- the assignment rule can be determined by means of this detection device, on the basis of which the control device activates the actuating device for controlling and/or regulating the preferred direction.
- the detection device is set up for optical detection of the cross section of the focus zone formed and/or if the detection device is set up for optical detection of a respective cross section of material modifications produced in the material by impingement of the material of the workpiece with the focus zone.
- an actual preferred direction of the cross section of the focal zone formed can be determined as a function of different control signals with which the control device controls the actuating device.
- control device provision can be made for the control device to include a database and/or for the control device to be assigned a database in which the assignment rule is stored.
- control device includes a memory device and/or the control device is assigned a memory device in which the database with the assignment specification is stored.
- the invention provides that the focal zone is formed from an input laser beam by means of a beam shaping device, the focal zone being elongated with respect to a longitudinal axis and the focal zone having an asymmetrical cross section perpendicular to the longitudinal axis with a preferred direction, the preferred direction during the Laser processing of the workpiece is changed or can be changed by means of an adjusting device, and the preferred direction is controlled and/or regulated during laser processing of the workpiece by means of a control device, the control device controlling the adjusting device on the basis of a predetermined assignment rule.
- the method according to the invention has in particular one or more features and/or advantages of the device according to the invention.
- Advantageous embodiments of the method according to the invention have already been explained in connection with the device according to the invention.
- the method according to the invention can be carried out using the device according to the invention or the method according to the invention is carried out using the device according to the invention.
- the material of the workpiece is acted upon by the focus zone and the focus zone is moved in a feed direction relative to the material.
- material modifications are formed, which are arranged in the material along a processing surface.
- the focal zone and/or the processing area extend over the entire thickness of the material.
- the focus zone is coupled into the material through an outside of the workpiece, with the focus zone in particular being oriented transversely and in particular perpendicularly to this outside.
- the material of the workpiece can be separated or is separated after laser processing has taken place, in particular by applying thermal stress and/or mechanical stress and/or by etching using at least one wet-chemical solution.
- the etching takes place in an ultrasonically assisted etching bath.
- the workpiece is separated in particular at the material modifications formed and/or at the processing surface.
- the preferred direction is aligned at least approximately parallel to a feed direction by means of the control device during the laser processing of the workpiece, in which the focal zone for the laser processing of the workpiece is moved relative to the workpiece.
- the actual preferred direction is to be understood in particular as a resultant preferred direction and/or an actual preferred direction of the asymmetrical cross section of the focal zone formed, which can be optically detected or is detected in particular by means of a detection device.
- the actuating device is activated by means of the control device with different control signals and in particular control signal values of the control signal.
- the cross section of the focal zone formed is optically recorded and the preferred direction of the optically recorded cross section is determined.
- the actual preferred direction is then determined based on the focal zone formed, which is or can be introduced into the material.
- the actual preferred direction is determined by optical and/or automated evaluation of the recorded cross section, in particular by means of image recognition and/or image data analysis.
- the actual preferred direction is then determined based on a resulting interaction of the focus zone formed with the material of the workpiece.
- the actual preferred direction is determined by optical and/or automated evaluation of the detected cross section of the material modification, in particular by means of image recognition and/or image data analysis.
- the actual preferred direction of the cross section of a specific material modification is determined by optically detecting cracks which are assigned to this material modification.
- a main extension direction of the cracks is determined to determine the preferred direction.
- the preferred direction of the cross section of the material modifications actually formed can deviate from the actual preferred direction of the optically recorded cross section of the focal zone formed.
- the cause can be secondary maxima or optical aberrations around the asymmetrical focal zone. Deviations can also result from preferred directions of the material of the workpiece to be processed, e.g. in the case of a crystalline material.
- a part of the device referred to as an element in this application can each comprise a plurality of sub-components and/or sub-elements.
- the terms “at least approximately” or “approximately” generally mean a deviation of at most 10%. Unless otherwise stated, the terms “at least approximately” or “approximately” mean in particular that an actual value and/or distance and/or angle deviates by no more than 10% from an ideal value and/or distance and/or angle , and/or that an actual geometric shape deviates from an ideal geometric shape by no more than 10%.
- Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a
- FIG. 2 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece
- 3a shows a simulated intensity distribution of an asymmetric
- 3b shows a schematic representation of the intensity distribution of the asymmetrical cross section of the focal zone
- FIG. 4 shows a schematic sectional view of material modifications in a material of the workpiece, the material modifications being produced by subjecting the material to the focal zone;
- FIG. 5a shows a transverse phase distribution associated with the intensity distribution according to FIG. 3a on a beam output side of a beam-shaping element of the device
- FIG. 5b shows a transverse far-field intensity distribution assigned to the intensity distribution according to FIG. 3a, the focal zone being formed by focusing this transverse far-field intensity distribution
- Fig. 6 is a schematic cross-sectional view of a
- Fig. 7 is a schematic cross-sectional view of a
- Detection device for the optical detection of an actual preferred direction of the asymmetrical cross section of the focal zone formed
- FIG. 8 shows a schematic representation of a detection device for the optical detection of a cross section of material modifications in the material of the workpiece, which are formed by impinging on the material with the focal zone;
- 9a shows a micrograph of material modifications arranged in the material of the workpiece, which are produced by subjecting the material to the focal zone;
- FIG. 9b shows a detailed view of partial area A according to FIG. 9a.
- FIG. 1 An exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece is shown in FIG. 1 and is denoted by 100 there.
- the device 100 can be used to produce localized material modifications in a material 102 of the workpiece 104, such as defects in the submicrometer range or at the atomic level, which result in a material weakening to have.
- the workpiece 104 can be separated at these material modifications. For example, a workpiece segment can be separated from the workpiece 104 by means of the material modifications formed.
- a focal zone 106 is formed by means of the device 100 and is applied to the material 102 of the workpiece 104 to form material modifications.
- the focus zone 106 extends along a longitudinal axis 108.
- the focus zone 106 is elongated and/or elongated parallel to the longitudinal axis 108.
- the focal zone 106 comprises a plurality of focal points adjacent to one another or is formed from a plurality of focal points adjacent to one another.
- the workpiece 104 is, for example, plate-shaped and/or panel-shaped.
- the workpiece 104 has a thickness D which, in particular, is at least approximately constant.
- the workpiece 104 is made of a transparent material 102, i.e. the material 102 is transparent to a wavelength of a laser beam by means of which the focal zone 106 is formed.
- the longitudinal axis 108 of the focal zone 106 is oriented parallel or transverse to a thickness direction of the thickness D of the workpiece 104 .
- the focus zone 106 extends at least over the entire thickness D of the workpiece 104 and/or a workpiece segment to be separated.
- a total length of the focal zone 106 oriented parallel to the longitudinal axis 108 is, for example, greater than or equal to the total thickness D of the workpiece 104 and/or a workpiece segment to be separated.
- the device 100 comprises a beam shaping device 110.
- An input laser beam 112 which is provided by a laser source 114, for example, is coupled into this beam shaping device 110.
- This input laser beam 112 has a Wavelength for which the material 102 of the workpiece 104 is transparent.
- This input laser beam 112 is in particular a pulsed laser beam and in particular an ultra-short pulsed laser beam.
- the input laser beam 112 is a Gaussian beam and/or has a Gaussian beam profile.
- the input laser beam 112 After being coupled into the beam-shaping device 110 , the input laser beam 112 propagates through the beam-shaping device 110 and is coupled out of the beam-shaping device 110 as a focused output laser beam 113 .
- the output laser beam 113 forms the focal zone 106 with which the material 102 of the workpiece 104 is impinged.
- the part of the input laser beam 112 that propagates through the beam shaping device 110 is referred to below as the laser beam 116 .
- the laser beam 116 has a main propagation direction 118 with which it propagates through the beam shaping device 110 .
- the main direction of propagation 118 is in particular oriented parallel to a beam axis 120 of the laser beam 116 .
- This beam axis 120 is to be understood in particular as a longitudinal central axis of the laser beam 116 .
- the beam-shaping device 110 comprises a beam-shaping element 121, which is embodied, for example, as a diffractive optical element and/or as an axicon element. In principle, it is also possible for the beam-shaping element 121 to be designed as a refractive or reflective element.
- the beam-shaping element 121 is not necessarily limited to a single element and/or component.
- the beam-shaping element 121 can comprise a plurality of sub-elements and/or sub-components.
- Beam-shaping element 121 applies a phase to a transverse beam cross-section 122 of input laser beam 112 and/or laser beam 116, the phase imprint being such that laser beam 116 coupled out of beam-shaping element 121 has a quasi-non-diffracting and/or Bessel-like beam profile.
- a transverse direction is to be understood as meaning a direction which lies in a plane oriented perpendicularly to the main propagation direction 118 and/or to the beam axis 120 .
- the beam-shaping device 110 can have adjustment optics 124 for adjusting a diameter do of the beam cross section 122 .
- the adjustment optics 124 is designed as a telescope or includes a telescope.
- the adjustment optics 124 are arranged in front of the beam-shaping element 121 with respect to the main propagation direction 118 .
- the beam shaping device 110 includes focusing optics 126 in order to focus the laser beam 116 coupled out of the beam shaping element 121 in order to form the focal zone 106 .
- the focusing optics 126 include, for example, one or more lens elements 127.
- the focusing optics are designed as an objective.
- the focusing optics 126 are part of a telescope device 128 of the beam shaping device 110 , the laser beam 116 coupled out of the beam shaping element 121 being focused into the focal zone 106 by means of this telescope device 128 .
- the telescope device 128 comprises lens optics 129 arranged at a distance from the focusing optics 126.
- This lens optics 129 is or comprises, for example, at least one lens element 130, which is designed, for example, as a converging lens.
- the lens optics 129 are arranged in front of the focusing optics 126 and/or arranged between the beam-shaping element 121 and the focusing optics 126.
- the lens optic 129 has a first focal length fi and the focusing optic 126 has a second focal length f2, the first focal length fi being greater than the second focal length f2.
- a focal plane 132 is assigned to the focusing optics 126 and/or the telescope device 128 . This focal plane is positioned in a far-field region 134 associated with the focusing optics 126 and/or the telescope device 128 .
- the focal plane 132 and/or the far-field region 134 are positioned between the lens optics 129 and the focusing optics 126 with respect to the main propagation direction 118 .
- the focal plane 132 is in particular a common focal plane of the lens optic 129 and the focusing optic 126.
- the focal plane 132 is spaced from the lens optic 129 with the first focal length fi and is spaced from the focusing optic 126 with the second focal length f2.
- an intermediate image 136 assigned to the focal zone 106 is formed, for example, which is arranged behind the beam-shaping element 121 and/or between the beam-shaping element 121 and the focusing optics 126, in particular with respect to the main propagation direction 118.
- a further embodiment of a beam-shaping device 110′ shown in FIG. 2 differs from the embodiment of the beam-shaping device 110 described above essentially in that the lens optics
- the beam-shaping element 121 is integrated into the beam-shaping element 121 and/or forms a unit with the beam-shaping element 121.
- a functionality of lens optics 129 is integrated into beam-shaping element 121 .
- the phase distribution impressed on the beam cross-section 122 by means of the beam-shaping element 121 is adapted for the integration of the lens optics 129 in the beam-shaping element 121 .
- lens optics 129 and/or a lens element can be provided.
- the lens optics 129 is arranged on a beam exit side 138 of the beam shaping element 121 .
- the beam-shaping device 110′ basically has the same structure and the same mode of operation as the beam-shaping device 110, so that in this respect reference is made to its description.
- the beam shaping device 110 ′ has one or more further features and/or advantages of the beam shaping device 110 .
- the focal zone 106 formed by means of the beam shaping device 110 has an elongated and/or elongate shape with respect to its longitudinal axis 108 . This is realized by the phase imprinting by means of the beam-shaping element 121, with the phase imprinting by means of the beam-shaping element 121 in particular generating a quasi-non-diffracting and/or Bessel-like beam profile.
- a cross section 140 of the focal zone 106 is asymmetrical, with a cross-sectional plane assigned to the cross section 140 being oriented perpendicularly to the longitudinal axis 108 .
- a simulated intensity distribution of the asymmetrical cross-section 140 of the focal zone 106 is shown, for example, in FIG. 3a in the form of a gray scale representation.
- this grayscale representation lighter areas represent areas of higher intensities.
- a modified intensity distribution is used to determine spatial dimensions of focal zone 106, such as its overall length in the direction of longitudinal axis 108 and/or a diameter dx, d y of cross section 140 in an x-direction or y-direction oriented perpendicularly to longitudinal axis 108 considered, which only has intensity values that are above a certain intensity threshold.
- this intensity threshold is 50% of a global intensity maximum of the actual intensity distribution. This is illustrated schematically in FIG. 3b for the diameters dx, d y of the cross section 140 of the focal zone 106 .
- the total length of the focus zone is to be understood, for example, as a maximum extension length and/or a length of maximum extension of the focus zone 106 along the longitudinal axis 108 based on the modified intensity distribution mentioned.
- the diameter dx or d y is to be understood as meaning a maximum extension length and/or a length of maximum extension of the cross section 140 of the focal zone 106 in the x-direction or y-direction.
- the focal zone 106 is to be understood in particular as a global maximum intensity distribution 142 which is in particular spatially coherent. In particular, only this global maximum intensity distribution 142 is relevant for an interaction with the material 102 of the workpiece 104 for the formation of material modifications.
- the maximum intensity distribution 142 is in particular surrounded by secondary intensity distributions 144 .
- These secondary intensity distributions 144 are in particular arranged around the maximum intensity distribution 142 and/or arranged at a distance from the maximum intensity distribution 142 .
- the secondary intensity distributions 142 are or include, in particular, secondary maxima.
- the secondary intensity distributions 144 are insignificant for the laser processing of the workpiece 104, since their lower intensities result in no and/or negligible formation of material modifications in the material 102.
- the asymmetrical cross section 140 of the focal zone 106 has a preferred direction 146 which lies in a plane oriented perpendicular to the longitudinal axis 108 of the focal zone 106 .
- the preferred direction 146 is to be understood as meaning a direction in which the asymmetrical cross section 140 has the greatest spatial extent and/or the greatest diameter.
- the largest spatial extent and/or the largest diameter of the cross section 140 are oriented parallel to the x-direction.
- the preferred direction 146 is oriented parallel to the x-direction and/or parallel to a direction of the diameter dx.
- cross section 140 is elliptical and/or at least approximately embodied as an ellipse.
- the preferred direction 146 then corresponds, for example, to a direction of a major semi-axis of the ellipse.
- the diameter dx is then oriented parallel to the major semi-axis and the diameter d y is oriented parallel to the minor semi-axis.
- the focal zone 106 is moved in a feed direction 148 relative to the material 102 (FIG. 4).
- material modifications 150 are formed in the material 102, which are arranged and/or lined up along the longitudinal axis 108 of the focal zone 106.
- a distance between mutually adjacent material modifications 150 parallel to the feed direction 148 depends in particular on a feed speed at which the focal zone 106 is moved in the feed direction 148 relative to the material 102 .
- material modifications 150 are formed along a processing surface along which the material 102 in particular can be separated. Material can be separated along the processing surface, for example, by exerting a mechanical force.
- the material modifications 150 have a cross section 152 which has a shape corresponding to the cross section 140 of the focal zone 106 .
- a cross-sectional plane assigned to cross section 152 is oriented perpendicularly to longitudinal axis 108 and/or parallel to feed direction 148 of focal zone 106 with which corresponding material modification 150 was formed.
- the cross section 152 of a specific material modification 150 has a preferred direction 154 which corresponds to the preferred direction 146 of the cross section 140 of that focal zone 106 with which the material modification 150 was formed.
- the material modification 150 has the greatest spatial extent and/or the greatest diameter in the direction of the preferred direction 154 .
- the cross section 152 is designed as an ellipse and the preferred direction 154 corresponds to a direction of a major semi-axis of the ellipse.
- the laser parameters assigned to the focal zone 106 are selected such that the material modifications 150 formed in the material 102 by means of the focal zone 106 are accompanied by the formation of cracks 156 in the material 102 .
- Material Mods 150 are Type III Mods.
- the cracks 156 extend in particular between adjacent material modifications 150 which are spaced apart from one another in the feed direction 148 .
- cracks 156 extend along a main extension direction 158, which are oriented at least approximately parallel to preferred direction 154 of material modification 150 associated with these cracks 156 and/or are oriented at least approximately parallel to preferred direction 146 of focal zone 106, by means of which these Cracks 156 associated material modification 150 was formed.
- the main extension direction 158 is to be understood in particular as an average and/or averaged extension direction of the cracks 156 associated with a specific material modification 150 .
- the beam-shaping device 110 comprises at least one preferred direction beam-shaping element 160 for forming the asymmetrical cross-section 140 of the focal zone 106 with the preferred direction 146.
- the preferred direction beam-shaping element 160 can be changed, preferably in a plane oriented perpendicularly to the longitudinal axis 108 of the focal zone 106 and/or adjustable.
- the preferred direction beam-shaping element 160 and/or a functionality of the preferred direction beam-shaping element 160 is integrated into the beam-shaping element 121 .
- the asymmetrical cross section 140 of the focal zone 106 is realized by the phase imprinting taking place by means of the beam-shaping element 121 .
- FIG. 5a shows an example of a transverse phase distribution which is impressed on the beam cross section 122 by means of the beam shaping element 121 in order to form the focal zone 106 with an asymmetrical cross section 140 .
- laser beam 116 is coupled out at beam output side 138 of beam-shaping element 121 with this phase distribution.
- the phase distribution has a plurality of angle segments 162a, 162b, wherein mutually adjacent angle segments have different azimuthal segment widths Dbi, Db2 and/or have a segment lattice phase difference.
- FIG. 5b An example of a far-field transverse intensity distribution 164 formed in the focal plane 132 and/or the far-field region 134 of the beam-shaping device 110 is shown in FIG. 5b.
- This far-field intensity distribution 164 results from the phase imprinting performed by means of the beam-shaping element 121 .
- the far-field intensity distribution 164 includes a ring structure.
- the ring structure is designed in particular as a ring segment structure and/or comprises a plurality of ring segments 166 which are arranged in particular concentrically with respect to the beam axis 120 .
- all ring segments 166 of the ring structure have the same radius.
- the ring structure of the far-field intensity distribution 164 includes one or more discontinuities 168 located between adjacent ring segments 166 . These interruptions 168 extend in particular in one or more azimuthal angular ranges ring structure. In particular, the intensity at these interruptions 168 is zero or the intensity is at least 90% less than an intensity of the adjacent ring segments 166.
- the focal zone 106 is formed by focusing the far-field intensity distribution 164 by means of the focusing optics 126 and/or by means of the telescopic device 128 . Due to the ring structure with the interruptions 168, the focal zone 106 is formed with an asymmetrical cross section 140. FIG.
- the preferred direction 146 of the asymmetrical cross section 140 can be changed and/or set, for example, by rotating the beam-shaping element 121 , with an axis of rotation being oriented in particular parallel to the beam axis 120 or corresponding to the beam axis 120 .
- the preferred direction beam-shaping element 160 is or includes a beam stop 170 in order to form the focal zone 106 with an asymmetrical cross section 140 .
- the beam stop 170 is configured to block one or more angular ranges of the ring structure of the far-field intensity distribution 164 , the blocked angular ranges of the ring structure in particular not being focused by means of the focusing optics 126 .
- the beam diaphragm 170 is arranged in particular in the far-field region 134 and/or in the focal plane 132 .
- the beam-shaping element 121 is designed to form the far-field intensity distribution 164 with a ring structure, which has a continuous and/or uninterrupted ring. Resulting interruptions 168 are then produced on this ring structure by blocking angular areas of the ring structure using the beam stop 170 .
- the ring structure focused by means of the focusing optics 126 then has, for example, the structure shown in FIG. 5b.
- the preferred direction 146 of the asymmetrical cross-section 140 can be in this embodiment, for example, by changing the means of Change beam diaphragm 170 blocked angular areas of the ring structure of the far-field intensity distribution and / or adjust.
- the blocked angular ranges can be changed by adjusting and/or rotating the beam stop 170, with an axis of rotation preferably being oriented parallel to or coincident with the beam axis 120.
- the preferred direction beam-shaping element 160 is or comprises at least one polarization beam-splitting element 172, an exemplary embodiment of the polarization beam-splitting element 172 being shown in FIG.
- the polarization beam splitting element 172 is arranged in particular in the far-field region 132 and/or in the focal plane 132 .
- the laser beam 116 incident on the polarization beam splitting element 172 is split by means of the polarization beam splitting element 172 into mutually different sub-beams 174a, 174b with different polarization states.
- the stated polarization states are to be understood as meaning linear polarization states, with two different polarization states being provided, for example, and/or polarization states oriented perpendicularly to one another being provided.
- beams coupled out of the polarization beam splitting element 172 are polarized in such a way that an electric field is oriented in a plane perpendicular to the main propagation direction 118 (transversally electric).
- the partial beams 174a, 174b have a spatial offset Dc and an angular offset Da, with one of the partial beams 174a, 174b in particular being oriented parallel to the beam axis 120 of the incident laser beam or coinciding with it.
- the polarization beam splitting element 172 comprises a birefringent polarizer element 176 and an isotropic element 178, which is arranged in particular behind the polarizer element 176 with respect to the main propagation direction 118.
- the polarizer element 176 and/or the isotropic element 178 are wedge-shaped, for example.
- An optical axis 180 of polarizer element 176 is oriented, for example, at an angle of at least approximately 45° to a beam input side 182 of polarizer element 176 and/or to beam axis 120 .
- the polarized partial beams 174a, 174b After focusing by means of the focusing optics 126, the polarized partial beams 174a, 174b have a spatial offset.
- the partial beams 174a, 174b are focused in different partial areas of the focal zone 106, which overlap at least in sections.
- the focal zone 106 can be formed with an asymmetrical cross section 140 .
- the preferred direction 146 of the asymmetrical cross section 140 can be changed and/or set, for example, by rotating the polarization beam splitting element 172, preferably about the beam axis 120 or about an axis parallel to the beam axis 120.
- the device 100 includes an adjusting device 184, by means of which the preferred direction 146 of the asymmetrical cross section 140 of the focal zone 106 can be changed during the laser processing of the workpiece 104.
- a change and/or setting of the preferred direction 146 is to be understood in particular as meaning that an orientation of the preferred direction 146 in a plane oriented perpendicular to the longitudinal axis 108 of the focal zone 106 is changed or set.
- the adjusting device 184 influences the preferred direction beam-shaping element 160, such as the beam-shaping element 121 and/or the beam stop 170 and/or the Polarization beam splitting element 172.
- the preferred direction beam shaping element 160 can be moved and/or rotated by means of the adjusting device 184 in order to change the preferred direction 146.
- the device 100 further includes a control device 186 which is connected to the actuating device 184 in a signal-effective manner.
- the actuating device 184 is actuated by means of the control device 186 on the basis of an assignment specification.
- This assignment rule is stored in particular in a database 188 which is included in the control device 186 or to which the control device 186 is connected in a signal-effective manner.
- the preferred direction 146 is controlled by the control device 186 in particular in such a way that the preferred direction 146 is oriented parallel or approximately parallel to the feed direction 148.
- the control device 186 controls the setting device 184 on the basis of the assignment rule with a control signal in order to bring about the corresponding orientation of the preferred direction 146 .
- the assignment rule is or includes an assignment table, for example, which contains an assignment of control signal values of the control signal to orientation values of the preferred direction 146 .
- the orientation values of the preferred direction 146 can be specified, for example, as angle information of an angle Q to a reference direction 190 , the reference direction 190 lying in a plane oriented perpendicularly to the longitudinal central axis 108 .
- the device 100 comprises a detection device 192, by means of which an actual preferred direction 194 (indicated in FIG. 7) of the cross section 140 of the focus zone 106 formed can be optically detected.
- the actual preferred direction 194 is to be understood, in particular, as an actual preferred direction of the cross section 140 as it is present, for example, in the material 102 and/or as determined by the detection device 192 .
- the focus zone 106 is formed by means of the beam shaping device 110 and the work piece 104 is acted upon by the focus zone 106 .
- the focal zone 106 formed is optically detected by the detection device 192 .
- the detection device 192 comprises, in particular, an image recording device 196, which has an image sensor and/or a camera, for example. Furthermore, the detection device 192 comprises, in particular, imaging optics 198 in order to image the focal zone 106 formed by means of the beam shaping device 110 onto the image recording device 196 .
- the detection device 192 is arranged in particular behind the workpiece 104 and/or the focus zone 106 that has been formed.
- the actual preferred direction 194 can be determined by evaluating image data recorded by means of the image recording device 196 , it being possible for the evaluation to be carried out by means of the control device 186 , for example.
- the detection device 192 is then connected to the control device 186 in a signal-effective manner.
- FIG. 8 A further embodiment of an optical detection device 192' is shown in FIG. 8 and differs from the detection device 192 described above essentially in that, in the case of the detection device 192', a material modification 150 formed in the material 102 of the workpiece 104 by means of the focal zone 106 is optically detected in order to determine their preferred direction 154 (cf. FIG. 4). Otherwise, the detection device 192′ has, in particular, one or more features and/or advantages of the detection device 192, so that reference is made to its above description in this respect.
- the preferred direction 154 of the cross section 152 of a material modification 150 formed by means of the focal zone 106 by detecting the preferred direction 154 of the cross section 152 of a material modification 150 formed by means of the focal zone 106, the actual preferred direction 194 of the focal zone 106 with which this material modification 150 was formed is inferred.
- the preferred direction 154 of the assigned material modification 150 corresponds to the actual preferred direction 194 and/or the actual preferred direction of the focal zone 106, by means of which this material modification 150 was formed.
- the detection device 192 ′ includes, for example, the image recording device 196 and imaging optics 198 ′ in order to image the material modification 150 onto the image recording device 196 .
- the cross section 152 of the material modification 150 and/or the cracks 156 associated with the material modification 150 are optically recorded by means of the image recording device 196 .
- the preferred direction 154 and/or the actual preferred direction 194 can be determined by evaluating image data recorded by means of the image recording device 196 . Provision can be made for the main extension direction 158 of cracks 156, which are associated with this material modification 150, to be used to determine the actual preferred direction 194 of a specific material modification 150.
- the material modifications 150 formed in the material 102 are detected in reflected-light microscopy.
- the focusing optics 126 of the beam-shaping device 110 serve as the objective of the imaging optics 198'.
- the rays incident from the workpiece 104 onto the focusing optics 126 are deflected in the direction of the image recording device 196, for example by means of a partially reflecting element 200 of the imaging optics 198'.
- Exemplary micrographs of the material 102 with material modifications 150 formed therein are shown in FIGS. 9a and 9b, the material modifications 150 being arranged in a circle in the example shown.
- the main extension direction 158 of the cracks 156 of an associated material modification corresponds at least approximately to the preferred direction 154 of the cross section 152 of this material modification.
- the device 100 works as follows:
- the actuating device 184 is actuated by the control device 186 with different control signal values, for example, and the actual preferred direction 194 is determined for each of the different control signal values.
- the actual preferred direction 194 is determined here by means of the detection device 192, 192'.
- the assignment rule is determined in the form of a relationship between different control signal values and orientation values of the actual preferred direction 194 .
- the assignment specification contains the information with which control signal value the actuating device 184 must be controlled in order to realize a specific actual preferred direction 194 .
- the actual preferred direction 194 is determined, for example, by optically detecting and evaluating the cross section 140 of the focal zone 106 formed by the beam shaping device 110.
- the optical detection of the cross section 140 of the focal zone 106 can, for example, be inside or outside the material 102 of the workpiece 104 take place.
- the cross section 140 is recorded in air.
- the actual preferred direction 194 is determined, for example, by optical detection and evaluation of the cross section 152 of material modifications 150, which are or were formed by means of the focal zone 106 with different control signal values.
- FIG. 9 b several material modifications 150 are shown in FIG. 9 b , which are arranged at different positions in the material 102 of the workpiece 104 and were formed with different control signal values or preferential directions 146 .
- the actual preferred direction 194 is determined, for example, by optically detecting and evaluating the material modifications 150 formed in the material 102, whereby to determine the actual preferred direction 194 of a specific material modification, in particular its cross section 152 and/or the main direction of extension 158 of this material modification 150 are associated with cracks 156 is optically recorded and/or evaluated.
- the assignment rule can be determined before or during the laser processing of the workpiece 104 .
- the material 102 of the workpiece 104 is acted upon by the focal zone 106 and the focal zone 106 is moved in the feed direction 148 relative to the workpiece 104 through its material 102 .
- the material 102 is a material that is transparent to a wavelength of the input laser beam 112 and/or the laser beam 116 from which the focal zone 106 is formed by means of the beam shaping device 110 .
- material 102 is a glass material such as fused silica.
- material modifications 150 are formed, which are arranged along a processing surface as described above.
- the distance from material modifications 150 that are adjacent in the feed direction 148 can be defined, for example, by setting a pulse duration of the input laser beam 112 and/or by setting the feed rate.
- the material modifications 150 formed along the processing surface result in particular in a reduction in the strength of the material 102 .
- the material 102 can be separated into two different workpiece segments after the material modifications 150 have formed on the processing surface, for example by exerting a mechanical force.
- the preferred direction 146 of the asymmetrical cross section 140 of the focal zone 106 is aligned parallel or approximately parallel to the feed direction 148 during the laser processing of the workpiece 104 . This results in a smoother separating surface when the workpiece 104 is separated along the processing surface.
- the feed direction 148 was not oriented approximately parallel to the feed direction 148 when this material modification 150a was formed.
- the main extension direction 158 of the cracks 156 associated with the material modification 150a is then not oriented approximately parallel to the feed direction 148 either. Unevenness can result when the workpiece is separated.
- the preferred direction 146 is controlled and/or regulated by the control device 186 in such a way that the preferred direction 146 is oriented parallel or approximately parallel to the feed direction 148 during the laser processing of the workpiece 104 .
- Cracks 156 in adjacent material modifications 150 then merge into one another at least approximately continuously and/or without interruption, so that in particular the workpiece can be separated with a smooth separating surface (see, for example, partial area 202 identified in FIG. 9a).
- Preferred direction beam-shaping element a angular segment b angular segment
- Polarization beam splitting element a sub-beam b sub-beam
- Detection device ' detection device actual preferred direction Image recording device 'imaging optics partially reflecting element section
Landscapes
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104) mittels einer Fokuszone (106), wobei das Werkstück (104) ein transparentes Material (102) aufweist, umfassend eine Strahlformungseinrichtung (110; 110') zur Ausbildung der Fokuszone (106) aus einem Eingangslaserstrahl (112), wobei die Fokuszone (106) bezüglich einer Längsachse (108) länglich ausgebildet ist und wobei die Fokuszone (106) senkrecht zur Längsachse (108) einen asymmetrischen Querschnitt (140) mit einer Vorzugsrichtung (146) aufweist, eine Stelleinrichtung (184) zur Veränderung der Vorzugsrichtung (146) während der Laserbearbeitung des Werkstücks (104), und eine Steuerungseinrichtung (186) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (184) auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift, um die Vorzugsrichtung (146) während der Laserbearbeitung des Werkstücks (104) zu steuern und/oder zu regeln.
Description
TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH Johann-Maus-Str. 2 71254 Ditzingen
Verfahren und Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mittels einer Fokuszone, wobei das Werkstück ein transparentes Material aufweist.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mittels einer Fokuszone, wobei das Werkstück ein transparentes Material aufweist.
Aus der EP 3 311 947 Bl ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines transparenten Werkstücks wie zum Beispiel eines Glassubstrats bekannt, wobei das Werkstück mittels eines Impulslaserstrahls bearbeitet wird, welcher eine längliche Fokuszone mit nicht-achsensymmetrischem Strahlquerschnitt aufweist.
Aus der DE 10 2020 103 884 Al ist eine Vorrichtung für eine Justage einer Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine bekannt.
Aus der DE 10 2019 128 362 B3 ist ein diffraktives optisches Strahlformungselement zum Aufprägung einer Phasenverteilung auf ein transversales Strahlprofil eines Laserstrahls vorgesehen.
Aus der WO 2020/212175 Al ist eine Bearbeitungsoptik zur Werkstückbearbeitung bekannt, umfassend ein doppelbrechendes Polarisator- Element zur Aufteilung mindestens eines Eingangslaserstrahls in ein Paar von senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen, sowie eine im Strahlengang nach dem Polarisator-Element angeordnete Fokussieroptik zur Fokussierung der Teilstrahlen auf Fokuszonen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung und ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, mittels welchen sich eine Ausbildung von Materialmodifikationen in dem Material des Werkstücks besser
kontrollieren lässt, um insbesondere eine Trennung des Materials mit glatterer Trennfläche zu realisieren.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Strahlformungseinrichtung zur Ausbildung der Fokuszone aus einem Eingangslaserstrahl umfasst, wobei die Fokuszone bezüglich einer Längsachse länglich ausgebildet ist und wobei die Fokuszone senkrecht zur Längsachse einen asymmetrischen Querschnitt mit einer Vorzugsrichtung aufweist, eine Stelleinrichtung zur Veränderung der Vorzugsrichtung während der Laserbearbeitung des Werkstücks, und eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift, um die Vorzugsrichtung während der Laserbearbeitung des Werkstücks zu steuern und/oder zu regeln.
Zur Laserbearbeitung des Werkstücks ist es vorgesehen, dass die Fokuszone in das Material des Werkstücks eingebracht wird und relativ zu dem Material bewegt wird. Es werden dadurch Materialmodifikationen entlang einer Bearbeitungsfläche ausgebildet, an welcher das Material des Werkstücks insbesondere trennbar ist.
Die Vorzugsrichtung des Querschnitts der Fokuszone ist korreliert mit einer Vorzugsrichtung eines Querschnitts von Materialmodifikationen, welche mittels der Fokuszone im Material des Werkstücks ausgebildet werden. Durch eine vorgesehene Steuerung und/oder Regelung der Vorzugsrichtung der Fokuszone lässt sich die Vorzugsrichtung der ausgebildeten Materialmodifikationen kontrollieren. Es lassen sich dadurch die Materialmodifikationen insbesondere derart anordnen und ausbilden, dass eine Trennung des Werkstücks mit möglichst glatter Trennfläche ermöglicht wird.
Insbesondere lässt sich mittels der Vorzugsrichtung der Fokuszone eine Vorzugsrichtung von mittels der Fokuszone im Material ausbildbaren Materialmodifikationen kontrollieren, wobei sich insbesondere eine Haupt- Erstreckungsrichtung von Rissen kontrollieren lässt, welche den jeweiligen Materialmodifikationen zugeordnet sind.
Insbesondere ist mittels der Steuerungseinrichtung eine automatisierte Steuerung und/oder Regelung der Vorzugsrichtung vorgesehen.
Insbesondere ist die Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts über einen Winkelbereich zwischen 0° und 360° steuerbar. Beispielsweise umfasst die Zuordnungsvorschrift eine Zuordnung, welche eine Steuerung des asymmetrischen Querschnitts in einem Winkelbereich zwischen 0° und 360° ermöglicht.
Beispielsweise ist die Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts mit einem Winkelintervall von ca. 1/10° und/oder in ca. 1/10°-Schritten steuerbar.
Insbesondere bildet die Fokuszone einen räumlich zusammenhängenden Wechselwirkungsbereich, welcher zur Ausbildung von Materialmodifikationen im Material des Werkstücks mit dem Material in Wechselwirkung gebracht wird.
Insbesondere ist unter der Fokuszone ein fokussierter Strahlungsbereich und insbesondere ein räumlich zusammenhängender Strahlungsbereich eines Laserstrahls mit einer bestimmten räumlichen Ausdehnung zu verstehen. Zur Bestimmung von räumlichen Dimensionen der Fokuszone, wie z.B. eines Durchmessers oder einer Gesamtlänge, werden nur Intensitätswerte des Strahlungsbereichs betrachtet, welche oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle liegen. Die Intensitätsschwelle wird hierbei beispielsweise so gewählt, dass unterhalb dieser Intensitätsschwelle liegende Werte eine derart geringe Intensität aufweisen, dass diese für eine Wechselwirkung mit dem Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen nicht mehr relevant sind. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 50% eines globalen Intensitätsmaximums der Fokuszone.
Beispielsweise weist die Fokuszone eine Gesamtlänge zwischen 50 pm und 5000 pm auf.
Die Strahlformungseinrichtung ist eingerichtet, um aus dem Eingangslaserstrahl die Fokuszone länglich und mit asymmetrischem Querschnitt auszubilden, wobei der asymmetrische Querschnitt eine Vorzugsrichtung aufweist.
Darunter, dass die Fokuszone länglich ausgebildet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass sich die Fokuszone in Richtung ihrer Längsachse erstreckt, und/oder dass die Fokuszone in Richtung der Längsachse langgezogen und/oder linienartig ausgebildet ist. Insbesondere weist die Fokuszone in Richtung der Längsachse eine größte räumliche Ausdehnung auf.
Die Längsachse der Fokuszone ist insbesondere parallel zu einer Haupt- Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert, aus welchem die Fokuszone gebildet ist.
Beispielsweise kann die Längsachse der Fokuszone gekrümmt und/oder als Kurve und/oder als gerade ausgebildet sein.
Das Werkstück ist beispielsweise plattenförmig und/oder tafelförmig ausgebildet. Insbesondere ist die Längsachse der Fokuszone bei der Laserbearbeitung des Werkstücks parallel oder quer zu einer Dickenrichtung des Werkstücks orientiert.
Eine Querschnittsebene des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone ist senkrecht zur Längsachse der Fokuszone orientiert.
Unter der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone ist insbesondere eine Richtung zu verstehen, in welcher der Querschnitt eine größte räumliche Ausdehnung und/oder einen größten Durchmesser aufweist.
Beispielsweise ist der Querschnitt der Fokuszone zumindest näherungsweise als Ellipse ausgebildet, wobei die Vorzugsrichtung des Querschnitts einer Richtung einer großen Halbachse der Ellipse entspricht.
Die Zuordnungsvorschrift, auf deren Grundlage die Stelleinrichtung mittels der Steuerungseinrichtung während der Laserbearbeitung des Werkstücks angesteuert wird, ist oder umfasst beispielsweise eine Zuordnungstabelle und/oder eine mathematische Funktion. Die Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise auch eine Konstante (Offsetwert) sein oder umfassen.
Günstig kann es sein, wenn die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, um die Vorzugsrichtung während der Laserbearbeitung zumindest näherungsweise parallel zu einer Vorschubrichtung auszurichten, in welche die Fokuszone zur Laserbearbeitung des Werkstücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird.
Dadurch lassen sich beispielsweise mit der Ausbildung von Materialmodifikationen einhergehende Risse im Material des Werkstücks zumindest näherungsweise parallel zur Vorschubrichtung ausrichten. Es ergibt sich dadurch insbesondere eine Überlappung von Rissen einander benachbarter Materialmodifikationen, was insbesondere eine Materialtrennung mit glatter Trennfläche ermöglicht.
Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, um eine automatische Ausrichtung der Vorzugsrichtung während der Laserbearbeitung des Werkstücks durchzuführen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokuszone ein quasi- nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil aufweist. Es wird dadurch die Fokuszone insbesondere länglich ausgebildet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zur Ausbildung der länglichen Fokuszone und insbesondere zur Ausbildung des asymmetrischen Querschnitts der länglichen Fokuszone mittels der Strahlformungseinrichtung eine transversale Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Strahlformungseinrichtung mindestens ein Strahlformungselement zur Phasenaufprägung einer transversalen Phasenverteilung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls aufweist, wobei die Phasenverteilung gewählt ist, um die Fokuszone länglich auszubilden, und wobei das mindestens eine Strahlformungselement insbesondere als diffraktives optisches Element und/oder als Axiconelement ausgebildet ist.
Insbesondere ist die Phasenverteilung gewählt, um die Fokuszone mit quasi- nichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil auszubilden.
Eine transversale Richtung liegt in einer zur Strahlachse und/oder Haupt- Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls senkrecht orientierten Ebene.
Günstig kann es sein, wenn die Phasenverteilung derart gewählt ist, dass durch Aufprägung der Phasenverteilung mittels des mindestens einen Strahlformungselements die Fokuszone mit asymmetrischem Querschnitt ausgebildet wird. Dadurch lässt sich die Fokuszone beispielsweise mit demselben Element der Vorrichtung länglich und mit asymmetrischem Querschnitt ausbilden. Eine Drehung des mindestens einen Strahlformungselements bewirkt dann insbesondere eine Änderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts.
Beispielsweise umfasst eine aufgeprägte Phasenverteilung mehrere Winkelsegmente, wobei einander benachbarte Winkelsegmente unterschiedliche azimutale Segmentbreiten und/oder einen Segmentgitterphasenunterschied aufweisen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das mindestens eine Strahlformungselement mittels der Stelleinrichtung zur Veränderung der Vorzugsrichtung der Fokuszone beeinflussbar ist, und/oder wenn das mindestens eine Strahlformungselement mittels der Stelleinrichtung zur Veränderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone drehbar ist. Es lässt sich dadurch die Vorzugsrichtung auf technisch einfache Weise verändern und/oder einstellen.
Beispielsweise ist das mindestens eine Strahlformungselement zur Veränderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts um eine Achse drehbar, welche parallel oder identisch zur Haupt-Ausbreitungsrichtung und/oder zur Strahlachse des auf das Strahlformungselement einfallenden Eingangslaserstrahls ist.
Günstig kann es sein, wenn die Strahlformungseinrichtung ein Polarisations- Strahlteilungselement aufweist, mittels welchem Teilstrahlen mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Polarisationszuständen ausgebildet werden, wobei durch Fokussierung der Teilstrahlen die Fokuszone mit asymmetrischem
Querschnitt ausgebildet wird. Insbesondere lässt sich dadurch der asymmetrische Querschnitt der Fokuszone basierend auf dem Prinzip der Polarisationsstrahlteilung ausbilden.
Insbesondere sind die Polarisationszustände lineare Polarisationszustände. Beispielsweise werden mittels des Polarisations-Strahlteilungselements Teilstrahlen mit zueinander senkrecht orientierten Polarisationszuständen ausgebildet.
Insbesondere ist das Polarisations-Strahlteilungselement zur Erzeugung eines Winkelversatzes und/oder eines Ortsversatzes zwischen den Teilstrahlen mit voneinander verschiedenen Polarisationszuständen ausgebildet.
Das Polarisations-Strahlteilungselement ist insbesondere in einem Fernfeldbereich und/oder in einer Brennebene der Strahlformungseinrichtung angeordnet. Insbesondere ist in diesem Fernfeldbereich und/oder in dieser Brennebene eine Fernfeld-Intensitätsverteilung ausgebildet, welche zur Ausbildung der Fokuszone mittels einer Fokussieroptik der Strahlformungseinrichtung fokussiert wird.
Eine Drehung des Polarisations-Strahlteilungselements bewirkt insbesondere eine Änderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Polarisations-Strahlteilungselement mittels der Stelleinrichtung zur Veränderung der Vorzugsrichtung der Fokuszone beeinflussbar ist, und/oder wenn das Polarisations-Strahlteilungselement mittels der Stelleinrichtung zur Veränderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone drehbar ist.
Beispielsweise ist das mindestens eine Polarisations-Strahlteilungselement zur Veränderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts um eine Achse drehbar, welche parallel oder identisch zur Haupt-Ausbreitungsrichtung und/oder zur Strahlachse eines auf das Polarisations-Strahlteilungselement einfallenden Laserstrahls ist.
Günstig kann es sein, wenn die Strahlformungseinrichtung zur Ausbildung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone eine Strahlblende aufweist, mittels welcher ein Winkelbereich einer mittels der Strahlformungseinrichtung ausgebildeten Fernfeld-Intensitätsverteilung geblockt wird, wobei ein nichtgeblockter Anteil der Fernfeld-Intensitätsverteilung zur Ausbildung der länglichen Fokuszone mit asymmetrischem Querschnitt fokussiert wird. Zur Fokussierung des nichtgeblockten Anteils der Fernfeld-Intensitätsverteilung ist insbesondere eine Fokussieroptik der Strahlformungseinrichtung vorgesehen.
Insbesondere bewirkt eine Drehung der Strahlblende eine Änderung des nichtgeblockten Anteils der Fernfeld-Intensitätsverteilung und/oder eine Änderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone.
Insbesondere ist die Strahlblende in einem Fernfeldbereich und/oder in einer Brennebene der Strahlformungseinrichtung angeordnet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Strahlblende mittels der Stelleinrichtung zur Veränderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone beeinflussbar ist, wobei insbesondere ein mittels der Strahlblende geblockter und/oder nichtgeblockter Winkelbereich der Fernfeld- Intensitätsverteilung mittels der Stelleinrichtung veränderbar ist. Durch Änderung des geblockter und/oder nichtgeblockten Winkelbereichs der Fernfeld- Intensitätsverteilung wird insbesondere eine Änderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts bewirkt.
Beispielsweise ist die Strahlblende zur Veränderung des geblockten und/oder nichtgeblockten Winkelbereichs der Fernfeld-Intensitätsverteilung um eine Achse drehbar, welche parallel oder identisch zur Haupt-Ausbreitungsrichtung und/oder zur Strahlachse eines auf die Strahlblende einfallenden Laserstrahls ist. Es lässt sich dadurch insbesondere eine Änderung der Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone bewirken.
Günstig kann es sein, wenn mittels der Strahlformungseinrichtung eine Fernfeld- Intensitätsverteilung ausgebildet wird, wobei die Fokuszone durch Fokussierung der Fernfeld-Intensitätsverteilung ausgebildet wird und wobei die zur Ausbildung
der Fokuszone fokussierte Fernfeld-Intensitätsverteilung mittels der Stelleinrichtung beeinflussbar ist, um die Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone zu verändern. Eine Beeinflussung der Fernfeld- Intensitätsverteilung kann beispielsweise wie vorstehend beschrieben mittels einem Strahlformungselement und/oder einer Strahlblende der Strahlformungseinrichtung erfolgen.
Insbesondere ist die Fernfeld-Intensitätsverteilung in einem der Strahlformungseinrichtung zugeordneten Fernfeldbereich angeordnet.
Die Fernfeld-Intensitätsverteilung umfasst insbesondere eine Ringstruktur und/oder Ringsegmentstruktur, welche vorzugsweise ein oder mehrere konzentrische Ringsegmente aufweist. Insbesondere weisen die Ringsegmente jeweils einen gleichen Radius auf. Beispielsweise sind die Ringsegmente konzentrisch bezüglich einer Strahlachse eines durch die Strahlformungseinrichtung geführten Laserstrahls angeordnet und/oder ausgebildet.
Insbesondere sind mittels der Stelleinrichtung diejenigen Winkelbereiche der Ringstruktur beeinflussbar und/oder definierbar, welche zur Ausbildung der Fokuszone fokussiert werden.
Insbesondere umfasst die Strahlformungseinrichtung eine Fokussieroptik und/oder eine Teleskopeinrichtung, um die Fokuszone auszubilden und/oder um die Fokuszone in das Material des Werkstücks einzubringen. Beispielsweise ist mittels der Fokussieroptik die Fernfeld-Intensitätsverteilung zur Ausbildung der Fokuszone fokussierbar. Beispielsweise ist mittels der Teleskopeinrichtung ein aus einem Strahlformungselement der Strahlformungseinrichtung ausgekoppelter Laserstrahl zur Ausbildung der Fokuszone fokussierbar.
Insbesondere umfasst die Vorrichtung eine Laserquelle zur Bereitstellung des Eingangslaserstrahls, wobei der mittels der Laserquelle bereitgestellte Eingangslaserstrahl insbesondere ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist.
Insbesondere ist die Vorrichtung ausgebildet, um die Fokuszone aus dem Eingangslaserstrahl und/oder aus einem Ultrakurzpulslaserstrahl auszubilden.
Insbesondere ist die Fokuszone aus einem Ultrakurzpulslaserstrahl ausgebildet oder mittels eines Ultrakurzpulslaserstrahls bereitgestellt.
Beispielsweise beträgt eine Wellenlänge des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem die Fokuszone ausgebildet ist, mindestens 300 nm und/oder höchstens 1500 nm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 515 nm oder 1030 nm.
Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder der Laserstrahl, aus welchem die Fokuszone ausgebildet ist, eine mittlere Leistung von mindestens IW bis 1kW auf. Beispielsweise umfasst der Laserstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 10 pJ und/oder höchstens 50 mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl Einzelpulse oder Bursts umfasst, wobei die Bursts 2 bis 20 Subpulse und insbesondere einen zeitlichen Abstand von näherungsweise 20ns aufweisen.
Darunter, dass das Werkstück aus einem transparenten Material gebildet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das Material des Werkstücks aus einem für den Eingangslaserstrahl und/oder aus einem für einen Laserstrahl, aus welchem die Fokuszone gebildet ist, transparenten Material hergestellt.
Unter einem transparenten Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, durch welches mindestens 70 % und insbesondere mindestens 80 % und insbesondere mindestens 90 % einer Laserenergie eines Laserstrahls, aus welchem die Fokuszone gebildet ist, transmittiert wird.
Insbesondere wechselwirkt die Fokuszone mit dem Material des Werkstücks durch nichtlineare Absorption. Insbesondere werden mittels der Fokuszone Materialmodifikationen im Material aufgrund nichtlinearer Absorption ausgebildet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokuszone eingerichtet ist, um im Material des Werkstücks Materialmodifikationen zu erzeugen, welche mit einer
Rissbildung im Material des Werkstücks einhergehen und/oder welche Typ-III- Modifikationen sind.
Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern des Laserstrahls, aus welchem die Fokuszone gebildet ist, wie z.B. der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Laserstrahls, und von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizient, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab.
Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void), beziehungsweise eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung einer tatsächlichen Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der ausgebildeten Fokuszone, wobei die Erfassungseinrichtung insbesondere signalwirksam mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist oder verbindbar ist. Mittels dieser Erfassungseinrichtung lässt sich insbesondere die Zuordnungsvorschrift ermitteln, auf deren Grundlage die Steuerungseinrichtung
die Stelleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Vorzugsrichtung ansteuert.
Günstig kann es sein, wenn die Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung des Querschnitts der ausgebildeten Fokuszone eingerichtet ist, und/oder wenn die Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung eines jeweiligen Querschnitts von durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit der Fokuszone in dem Material erzeugten Materialmodifikationen eingerichtet ist. Es lässt sich dadurch insbesondere eine tatsächliche Vorzugsrichtung des Querschnitts der ausgebildeten Fokuszone in Abhängigkeit von unterschiedlichen Steuersignalen ermitteln, mit welchen die Steuerungseinrichtung die Stelleinrichtung ansteuert.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung eine Datenbank umfasst und/oder dass der Steuerungseinrichtung eine Datenbank zugeordnet ist, in welcher die Zuordnungsvorschrift gespeichert ist.
Beispielsweise umfasst die Steuerungseinrichtung eine Speichereinrichtung und/oder der Steuerungseinrichtung ist eine Speichereinrichtung zugeordnet, in welcher die Datenbank mit der Zuordnungsvorschrift gespeichert ist.
Bei dem eingangs genannten Verfahren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Fokuszone mittels einer Strahlformungseinrichtung aus einem Eingangslaserstrahl ausgebildet wird, wobei die Fokuszone bezüglich einer Längsachse länglich ausgebildet wird und wobei die Fokuszone senkrecht zur Längsachse einen asymmetrischen Querschnitt mit einer Vorzugsrichtung aufweist, die Vorzugsrichtung während der Laserbearbeitung des Werkstücks mittels einer Stelleinrichtung verändert wird oder veränderbar ist, und die Vorzugsrichtung während der Laserbearbeitung des Werkstücks mittels einer Steuerungseinrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, wobei die Steuerungseinrichtung die Stelleinrichtung auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift ansteuert.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführbar oder das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material des Werkstücks mit der Fokuszone beaufschlagt wird und die Fokuszone relativ zu dem Material in eine Vorschubrichtung bewegt wird. Es werden dadurch insbesondere Materialmodifikationen ausgebildet, welche im Material entlang einer Bearbeitungsfläche angeordnet sind.
Insbesondere erstrecken sich die Fokuszone und/oder die Bearbeitungsfläche über eine gesamte Dicke des Materials.
Beispielsweise wird die Fokuszone durch eine Außenseite des Werkstücks hindurch in das Material eingekoppelt, wobei insbesondere die Fokuszone quer und insbesondere senkrecht zu dieser Außenseite orientiert ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material des Werkstücks nach erfolgter Laserbearbeitung trennbar ist oder getrennt wird, insbesondere durch Ausübung einer thermischen Beaufschlagung und/oder einer mechanischen Spannung und/oder durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung. Beispielsweise erfolgt das Ätzen in einem ultraschallunterstützten Ätzbad. Eine Trennung des Werkstücks erfolgt insbesondere an den ausgebildeten Materialmodifikationen und/oder an der Bearbeitungsfläche.
Günstig kann es sein, wenn die Vorzugsrichtung mittels der Steuerungseinrichtung während der Laserbearbeitung des Werkstücks zumindest näherungsweise parallel zu einer Vorschubrichtung ausgerichtet wird, in welche die Fokuszone zur Laserbearbeitung des Werkstücks relativ zu dem Werkstück bewegt wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zur Definition der Zuordnungsvorschrift eine tatsächliche Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der ausgebildeten Fokuszone in Abhängigkeit von einem Steuersignal erfasst wird, mit welcher die
Steuerungseinrichtung die Stelleinrichtung zur Steuerung der Vorzugsrichtung ansteuert.
Unter der tatsächlichen Vorzugsrichtung ist insbesondere eine resultierende Vorzugsrichtung und/oder eine Ist-Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der ausgebildeten Fokuszone zu verstehen, welche insbesondere mittels einer Erfassungseinrichtung optisch erfassbar ist oder erfasst wird.
Günstig kann es sein, wenn zur Definition der Zuordnungsvorschrift die tatsächliche Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der ausgebildeten Fokuszone durch Ansteuerung der Stelleinrichtung mittels der Steuerungseinrichtung über einen bestimmten Bereich von Orientierungswerten und/oder mit einem Intervall von Orientierungswerten variiert wird.
Insbesondere wird hierzu die Stelleinrichtung mittels der Steuerungseinrichtung mit unterschiedlichen Steuersignalen und insbesondere Steuersignalwerten des Steuersignals angesteuert.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zur Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung der Querschnitt der ausgebildeten Fokuszone optisch erfasst wird und die Vorzugsrichtung des optisch erfassten Querschnitts ermittelt wird. Insbesondere wird dann die tatsächliche Vorzugsrichtung basierend auf der ausgebildeten Fokuszone ermittelt, welche in das Material eingebracht wird oder einbringbar ist. Beispielsweise erfolgt die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung durch optische und/oder automatisierte Auswertung des erfassten Querschnitts, insbesondere mittels Bilderkennung und/oder Bilddatenanalyse.
Günstig kann es sein, wenn zur Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung eine Vorzugsrichtung eines jeweiligen Querschnitts von einer oder mehreren Materialmodifikationen ermittelt wird, welche durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit der Fokuszone in dem Material erzeugt wurden.
Insbesondere wird dann die tatsächliche Vorzugsrichtung basierend auf einer resultierenden Wechselwirkung der ausgebildeten Fokuszone mit dem Material des Werkstücks ermittelt. Beispielsweise erfolgt die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung durch optische und/oder automatisierte Auswertung des
erfassten Querschnitts der Materialmodifikation, insbesondere mittels Bilderkennung und/oder Bilddatenanalyse.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zur Ermittlung der Vorzugsrichtung des Querschnitts einer bestimmten Materialmodifikation die entsprechende Materialmodifikation optisch erfasst wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung des Querschnitts einer bestimmten Materialmodifikation durch optische Erfassung von Rissen erfolgt, welche dieser Materialmodifikation zugeordnet sind. Beispielsweise wird zur Ermittlung der Vorzugsrichtung eine Haupt-Erstreckungsrichtung der Risse ermittelt.
Es hat sich gezeigt, dass die Vorzugsrichtung des Querschnitts der tatsächlich ausgebildeten Materialmodifikationen von der tatsächlichen Vorzugsrichtung des optisch erfassten Querschnitts der ausgebildeten Fokuszone abweichen kann. Ursächlich können um die asymmetrische Fokuszone liegende Nebenmaxima oder optische Aberrationen sein. Außerdem können sich Abweichungen durch Vorzugrichtungen des Materials des zu bearbeitenden Werkstücks ergeben, z.B. im Fall eines kristallinen Materials. Durch die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung auf Grundlage der Vorzugsrichtung des Querschnitts von Materialmodifikationen, welche durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit der Fokuszone in dem Material erzeugt wurden, lässt sich eine besonders gute Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Vorzugsrichtung der ausgebildeten Materialmodifikationen und insbesondere der Risse der ausgebildeten Materialmodifikationen erhalten.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Zuordnungsvorschrift vor oder während oder nach der Laserbearbeitung des Werkstücks ermittelt wird und/oder angepasst wird und/oder optimiert wird.
Insbesondere kann ein in dieser Anmeldung als Element bezeichneter Teil der Vorrichtung, wie z.B. ein Strahlformungselement oder ein Polarisations- Strahlteilungselement, jeweils mehrere Teilkomponenten und/oder Teilelemente umfassen.
Insbesondere ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht, und/oder dass eine tatsächliche geometrische Form von einer idealen geometrischen Form um höchstens 10 % abweicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks;
Fig. 3a eine simulierte Intensitätsverteilung eines asymmetrischen
Querschnitts einer Fokuszone zur Laserbearbeitung des Werkstücks;
Fig. 3b eine schematische Darstellung der Intensitätsverteilung des asymmetrischen Querschnitts der Fokuszone;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht von Materialmodifikationen in einem Material des Werkstücks, wobei die Materialmodifikationen durch Beaufschlagung des Materials mit der Fokuszone erzeugt sind;
Fig. 5a eine der Intensitätsverteilung gemäß Fig. 3a zugeordnete transversale Phasenverteilung an einer Strahlausgangsseite eines Strahlformungselement der Vorrichtung;
Fig. 5b eine der Intensitätsverteilung gemäß Fig. 3a zugeordnete transversale Fernfeld-Intensitätsverteilung, wobei die Fokuszone durch Fokussierung dieser transversalen Fernfeld- Intensitätsverteilung ausgebildet wird;
Fig. 6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines Polarisations-Strahlteilungselements zur Ausbildung von Teilstrahlen mit voneinander verschiedenen Polarisationszuständen ;
Fig. 7 eine schematische Querschnittsdarstellung einer
Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung einer tatsächlichen Vorzugsrichtung des asymmetrischen Querschnitts der ausgebildeten Fokuszone;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung eines Querschnitts von Materialmodifikationen im Material des Werkstücks, welche durch Beaufschlagung des Materials mit der Fokuszone ausgebildet sind;
Fig. 9a eine Mikroskopaufnahme von in dem Material des Werkstücks angeordneten Materialmodifikationen, welche durch Beaufschlagung des Materials mit der Fokuszone erzeugt sind; und
Fig. 9b eine Detailansicht des Teilbereichs A gemäß Fig. 9a.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks ist in Fig. 1 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 100 lassen sich in einem Material 102 des Werkstücks 104 lokalisierte Materialmodifikationen, wie beispielsweise Fehlstellen im Submikrometerbereich oder atomaren Bereich, erzeugen, welche eine Materialschwächung zur Folge
haben. An diesen Materialmodifikationen lässt sich das Werkstück 104 trennen. Beispielsweise lässt sich mittels der ausgebildeten Materialmodifikationen ein Werkstücksegment von dem Werkstück 104 abtrennen.
Mittels der Vorrichtung 100 wird eine Fokuszone 106 ausgebildet, mit welcher das Material 102 des Werkstücks 104 zur Ausbildung von Materialmodifikationen beaufschlagt wird. Die Fokuszone 106 erstreckt sich entlang einer Längsachse 108. Parallel zur Längsachse 108 ist die Fokuszone 106 langgezogen und/oder länglich ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Fokuszone 106 eine Mehrzahl von einander benachbarten Fokuspunkten oder ist aus einer Mehrzahl von einander benachbarten Fokuspunkten gebildet.
Das Werkstück 104 ist beispielsweise plattenförmig und/oder tafelförmig ausgebildet. Beispielsweise weist das Werkstück 104 eine Dicke D auf, welche insbesondere zumindest näherungsweise konstant ist.
Das Werkstück 104 ist aus einem transparenten Material 102 hergestellt, d.h. das Material 102 ist transparent für eine Wellenlänge eines Laserstrahls, mittels welchem die Fokuszone 106 ausgebildet wird.
Insbesondere ist die Längsachse 108 der Fokuszone 106 parallel oder quer zu einer Dickenrichtung der Dicke D des Werkstücks 104 orientiert. Beispielsweise erstreckt sich die Fokuszone 106 zumindest über die gesamte Dicke D des Werkstücks 104 und/oder eines abzutrennenden Werkstücksegments. Eine parallel zur Längsachse 108 orientierte Gesamtlänge der Fokuszone 106 ist beispielsweise größer oder gleich der gesamten Dicke D des Werkstücks 104 und/oder eines abzutrennenden Werkstücksegments.
Zur Ausbildung der Fokuszone 106 umfasst die Vorrichtung 100 eine Strahlformungseinrichtung 110. In diese Strahlformungseinrichtung 110 wird ein Eingangslaserstrahl 112 eingekoppelt, welcher beispielsweise mittels einer Laserquelle 114 bereitgestellt ist. Dieser Eingangslaserstrahl 112 weist eine
Wellenlänge auf, für welche das Material 102 des Werkstücks 104 transparent ist.
Dieser Eingangslaserstrahl 112 ist insbesondere ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl. Beispielsweise ist der Eingangslaserstrahl 112 ein Gauß-Strahl und/oder weist ein gaußförmiges Strahl profil auf.
Nach Einkopplung in die Strahlformungseinrichtung 110 propagiert der Eingangslaserstrahl 112 durch die Strahlformungseinrichtung 110 und wird aus der Strahlformungseinrichtung 110 als fokussierter Ausgangslaserstrahl 113 ausgekoppelt. Der Ausgangslaserstrahl 113 bildet die Fokuszone 106 aus, mit welcher das Material 102 des Werkstücks 104 beaufschlagt wird.
Der durch die Strahlformungseinrichtung 110 propagierende Teil des Eingangslaserstrahls 112 wird im Folgenden als Laserstrahl 116 bezeichnet.
Der Laserstrahl 116 weist eine Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 auf, mit welcher er durch die Strahlformungseinrichtung 110 propagiert. Die Haupt- Ausbreitungsrichtung 118 ist insbesondere parallel zu einer Strahlachse 120 des Laserstrahls 116 orientiert. Unter dieser Strahlachse 120 ist insbesondere eine Längsmittelachse des Laserstrahls 116 zu verstehen.
Zur Strahlformung des Laserstrahls 116 umfasst die Strahlformungseinrichtung 110 ein Strahlformungselement 121, welches beispielsweise als diffraktives optisches Element und/oder als Axiconelement ausgebildet ist. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass das Strahlformungselement 121 als refraktives oder reflexives Element ausgeführt ist.
Das Strahlformungselement 121 ist nicht notwendigerweise auf ein einziges Element und/oder eine einzige Komponente beschränkt. Grundsätzlich kann das Strahlformungselement 121 mehrere Teilelemente und/oder Teilkomponenten umfassen.
Mittels des Strahlformungselements 121 erfolgt eine Phasenaufprägung auf einen transversalen Strahlquerschnitt 122 des Eingangslaserstrahls 112 und/oder des Laserstrahls 116, wobei die Phasenaufprägung derart ist, dass der aus dem Strahlformungselement 121 ausgekoppelte Laserstrahl 116 ein quasi- nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil aufweist.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften quasi-nichtbeugender Strahlen wird auf das Buch "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 sowie auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" von I. Chremmos et al., Optics Leiters, Vol. 37, No. 23 , 1. Dezember 2012, verwiesen.
Hinsichtlich der Ausbildung und Eigenschaften von quasi-nichtbeugenden und/oder Bessel-artigen Strahlen mit asymmetrischem Querschnitt wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams" von K. Chen et al., arXiv: 1911.03103vl [physics. optics],
8. November 2019, verwiesen.
Unter einer transversalen Richtung ist eine Richtung zu verstehen, welche in einer zur Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 und/oder zur Strahlachse 120 senkrecht orientierten Ebene liegt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlformungseinrichtung 110 eine Anpassungsoptik 124 zur Anpassung eines Durchmessers do des Strahlquerschnitts 122 aufweist. Durch Anpassung des Durchmessers do des auf das Strahlformungselement 121 einfallenden Laserstrahls 116 lässt sich insbesondere die Gesamtlänge der Fokuszone 106 anpassen. Beispielsweise ist die Anpassungsoptik 124 als Teleskop ausgebildet oder umfasst ein Teleskop.
Die Anpassungsoptik 124 ist bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 vor dem Strahlformungselement 121 angeordnet.
Die Strahlformungseinrichtung 110 umfasst eine Fokussieroptik 126, um den aus dem Strahlformungselement 121 ausgekoppelten Laserstrahl 116 zur Ausbildung der Fokuszone 106 zu fokussieren.
Die Fokussieroptik 126 umfasst beispielsweise ein oder mehrere Linsenelemente 127. Beispielsweise ist die Fokussieroptik als Objektiv ausgebildet.
Insbesondere ist die Fokussieroptik 126 Teil einer Teleskopeinrichtung 128 der Strahlformungseinrichtung 110, wobei mittels dieser Teleskopeinrichtung 128 der aus dem Strahlformungselement 121 ausgekoppelte Laserstrahl 116 in die Fokuszone 106 fokussiert wird.
Die Teleskopeinrichtung 128 umfasst bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine zu der Fokussieroptik 126 beabstandet angeordnete Linsenoptik 129. Diese Linsenoptik 129 ist oder umfasst beispielsweise mindestens ein Linsenelement 130, welches beispielsweise als Sammellinse ausgebildet ist.
Bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 ist die Linsenoptik 129 vor der Fokussieroptik 126 angeordnet und/oder zwischen dem Strahlformungselement 121 und der Fokussieroptik 126 angeordnet.
Die Linsenoptik 129 weist eine erste Brennweite fi auf und die Fokussieroptik 126 weist eine zweite Brennweite f2 auf, wobei die erste Brennweite fi größer ist als die zweite Brennweite f2.
Der Fokussieroptik 126 und/oder der Teleskopeinrichtung 128 ist eine Brennebene 132 zugeordnet. Diese Brennebene ist in einem der Fokussieroptik 126 und/oder der Teleskopeinrichtung 128 zugeordneten Fernfeldbereich 134 positioniert.
Insbesondere sind die Brennebene 132 und/oder der Fernfeldbereich 134 bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 zwischen der Linsenoptik 129 und der Fokussieroptik 126 positioniert.
Die Brennebene 132 ist insbesondere eine gemeinsame Brennebene der Linsenoptik 129 und der Fokussieroptik 126. Beispielsweise ist die Brennebene 132 zu der Linsenoptik 129 mit der ersten Brennweite fi beabstandet und zu der Fokussieroptik 126 mit der zweiten Brennweite f2 beabstandet.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Strahlformungseinrichtung 110 wird beispielsweise ein der Fokuszone 106 zugeordnetes Zwischenbild 136 ausgebildet, welches insbesondere bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 hinter dem Strahlformungselement 121 und/oder zwischen dem Strahlformungselement 121 und der Fokussieroptik 126 angeordnet ist.
Eine in Fig. 2 gezeigte weitere Ausführungsform einer Strahlformungseinrichtung 110' unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Strahlformungseinrichtung 110 im Wesentlichen dadurch, dass die Linsenoptik
129 in das Strahlformungselement 121 integriert ist und/oder mit dem Strahlformungselement 121 eine Einheit bildet.
Beispielsweise ist eine Funktionalität der Linsenoptik 129 in das Strahlformungselement 121 integriert. Beispielsweise ist zur Integration der Linsenoptik 129 in das Strahlformungselement 121 die mittels des Strahlformungselements 121 auf den Strahlquerschnitt 122 aufgeprägte Phasenverteilung angepasst.
Es kann vorgesehen sein, dass die Linsenoptik 129 und/oder ein Linsenelement
130 der Linsenoptik 129 an einer Strahlausgangsseite 138 des Strahlformungselements 121 angeordnet ist.
Ansonsten weist die Strahlformungseinrichtung 110' grundsätzlich den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionsweise auf wie die Strahlformungseinrichtung 110, sodass insoweit auf deren Beschreibung Bezug genommen wird.
Insbesondere weist die Strahlformungseinrichtung 110' ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile der Strahlformungseinrichtung 110 auf.
Die mittels der Strahlformungseinrichtung 110 ausgebildete Fokuszone 106 weist eine bezüglich ihrer Längsachse 108 lang gezogene und/oder längliche Form auf. Dies wird durch die Phasenaufprägung mittels des Strahlformungselements 121 realisiert, wobei durch die Phasenaufprägung mittels des Strahlformungselements 121 insbesondere ein quasi-nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil erzeugt wird.
Weiter ist ein Querschnitt 140 der Fokuszone 106 asymmetrisch ausgebildet, wobei eine dem Querschnitt 140 zugeordnete Querschnittsebene senkrecht zur Längsachse 108 orientiert ist.
Eine simulierte Intensitätsverteilung des asymmetrischen Querschnitts 140 der Fokuszone 106 ist beispielsweise in Fig. 3a in Form einer Graustufendarstellung gezeigt. Bei dieser Graustufendarstellung stehen hellere Bereiche für Bereiche höherer Intensitäten.
Zur Bestimmung von räumlichen Dimensionen der Fokuszone 106, wie beispielsweise deren Gesamtlänge in Richtung der Längsachse 108 und/oder eines Durchmessers dx, dy des Querschnitts 140 in einer zu der Längsachse 108 senkrecht orientierten x-Richtung bzw. y-Richtung wird eine modifizierte Intensitätsverteilung betrachtet, welche nur Intensitätswerte aufweist, die oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle liegen. Insbesondere beträgt diese Intensitätsschwelle 50 % eines globalen Intensitätsmaximum der tatsächlichen Intensitätsverteilung. Dies ist in Fig. 3b für die Durchmesser dx, dy des Querschnitts 140 der Fokuszone 106 schematisch illustriert.
Unter der Gesamtlänge der Fokuszone ist beispielsweise eine maximale Erstreckungslänge und/oder eine Länge maximaler Ausdehnung der Fokuszone 106 entlang der Längsachse 108 unter Zugrundelegung der genannten modifizierten Intensitätsverteilung zu verstehen. Entsprechend ist unter dem Durchmesser dx bzw. dy eine maximale Erstreckungslänge und/oder eine Länge maximaler Ausdehnung des Querschnitts 140 der Fokuszone 106 in x-Richtung bzw. y-Richtung zu verstehen.
Unter der Fokuszone 106 ist insbesondere eine globale maximale Intensitätsverteilung 142 zu verstehen, welche insbesondere räumlich zusammenhängend ausgebildet ist. Insbesondere ist nur diese globale maximale Intensitätsverteilung 142 für eine Wechselwirkung mit dem Material 102 des Werkstücks 104 zur Ausbildung von Materialmodifikationen relevant.
Die maximale Intensitätsverteilung 142 ist insbesondere von nebengeordneten Intensitätsverteilungen 144 umgeben. Diese nebengeordneten Intensitätsverteilungen 144 sind insbesondere um die maximale Intensitätsverteilung 142 angeordnet und/oder beabstandet zu der maximalen Intensitätsverteilung 142 angeordnet. Die nebengeordneten Intensitätsverteilungen 142 sind oder umfassen insbesondere Nebenmaxima.
Insbesondere sind die nebengeordneten Intensitätsverteilungen 144 für die Laserbearbeitung des Werkstücks 104 unwesentlich, da es aufgrund deren geringeren Intensitäten zu keiner und/oder zu einer vernachlässigbaren Ausbildung von Materialmodifikationen im Material 102 kommt.
Der asymmetrische Querschnitt 140 der Fokuszone 106 weist eine Vorzugsrichtung 146 auf, welche in einer zur Längsachse 108 der Fokuszone 106 senkrecht orientierten Ebene liegt. Insbesondere ist unter der Vorzugsrichtung 146 eine Richtung zu verstehen, in welcher der asymmetrische Querschnitt 140 eine größte räumliche Ausdehnung und/oder einen größten Durchmesser aufweist.
Bei dem in den Fig. 3a und 3b gezeigten Beispiel sind die größte räumliche Ausdehnung und/oder der größte Durchmesser des Querschnitts 140 parallel zur x-Richtung orientiert. Entsprechend ist die Vorzugsrichtung 146 parallel zur x- Richtung und/oder parallel zur einer Richtung des Durchmessers dx orientiert.
Insbesondere ist der Querschnitt 140 ellipsenförmig und/oder zumindest näherungsweise als Ellipse ausgebildet. Die Vorzugsrichtung 146 entspricht dann beispielsweise einer Richtung einer großen Halbachse der Ellipse. Beispielsweise ist dann der Durchmesser dx parallel zur großen Halbachse orientiert und der Durchmesser dy parallel zur kleinen Halbachse.
Zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 wird dessen Material 102 mit der Fokuszone 106 beaufschlagt und die Fokuszone 106 wird relativ zu dem Material 102 in eine Vorschubrichtung 148 bewegt (Fig. 4).
Durch Beaufschlagung des Materials 102 mit der Fokuszone 106 werden in dem Material 102 Materialmodifikationen 150 ausgebildet, welche entlang der Längsachse 108 der Fokuszone 106 angeordnet und/oder aufgereiht sind.
Durch Relativbewegung der Fokuszone 106 zum Material 102 werden in Vorschubrichtung beabstandete Materialmodifikationen 150 ausgebildet. Ein Abstand zueinander benachbarter Materialmodifikationen 150 parallel zur Vorschubrichtung 148 hängt insbesondere von einer Vorschubgeschwindigkeit ab, mit welcher die Fokuszone 106 in Vorschubrichtung 148 relativ zu dem Material 102 bewegt wird.
Aufgrund der Beaufschlagung des Materials 102 mit länglicher Fokuszone 106 und deren Relativbewegung zum Material 102 werden Materialmodifikationen 150 entlang einer Bearbeitungsfläche ausgebildet, entlang welcher insbesondere das Material 102 trennbar ist. Eine Materialtrennung entlang der Bearbeitungsfläche kann beispielsweise durch Ausübung einer mechanischen Kraft erfolgen.
Die Materialmodifikationen 150 weisen einen Querschnitt 152 auf, weicher eine mit dem Querschnitt 140 der Fokuszone 106 korrespondierende Form aufweist. Eine dem Querschnitt 152 zugeordnete Querschnittsebene ist senkrecht zur Längsachse 108 und/oder parallel zur Vorschubrichtung 148 der Fokuszone 106 orientiert, mit welcher die entsprechende Materialmodifikation 150 ausgebildet wurde.
Weiter weist der Querschnitt 152 einer bestimmten Materialmodifikation 150 eine Vorzugsrichtung 154 auf, welche mit der Vorzugsrichtung 146 des Querschnitts 140 derjenigen Fokuszone 106 korrespondiert, mit welcher die Materialmodifikation 150 ausgebildet wurde.
Insbesondere weist die Materialmodifikation 150 in Richtung der Vorzugsrichtung 154 eine größte räumliche Ausdehnung und/oder einen größten Durchmesser auf. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel ist der Querschnitt 152 als Ellipse ausgebildet und die Vorzugsrichtung 154 entspricht eine Richtung einer großen Halbachse der Ellipse.
Insbesondere sind der Fokuszone 106 zugeordnete Laserparameter so gewählt, dass die mittels der Fokuszone 106 in dem Material 102 ausgebildeten Materialmodifikationen 150 mit einer Bildung von Rissen 156 im Material 102 einhergehen. Beispielsweise sind die Materialmodifikationen 150 Typ-III- Modifikationen.
Die Risse 156 erstrecken sich insbesondere zwischen einander benachbarten Materialmodifikationen 150, welche in Vorschubrichtung 148 zueinander beabstandet sind. Insbesondere erstrecken sich die Risse 156 entlang einer Haupt-Erstreckungsrichtung 158, welche zumindest näherungsweise parallel zu der Vorzugsrichtung 154 der diesen Rissen 156 zugeordneten Materialmodifikation 150 orientiert sind und/oder zumindest näherungsweise parallel zu der Vorzugsrichtung 146 der Fokuszone 106 orientiert sind, mittels welcher die diesen Rissen 156 zugeordnete Materialmodifikation 150 ausgebildet wurde.
Unter der Haupt-Erstreckungsrichtung 158 ist insbesondere eine durchschnittliche und/oder gemittelte Erstreckungsrichtung der einer bestimmten Materialmodifikation 150 zugeordneten Risse 156 zu verstehen.
Die Strahlformungseinrichtung 110 umfasst mindestens ein Vorzugsrichtungs- Strahlformungselement 160 zur Ausbildung des asymmetrischen Querschnitts 140 der Fokuszone 106 mit der Vorzugsrichtung 146. Insbesondere ist mittels dem Vorzugsrichtung-Strahlformungselement 160 die Vorzugsrichtung 146, vorzugsweise in einer zur Längsachse 108 der Fokuszone 106 senkrecht orientierten Ebene, änderbar und/oder einstellbar.
Es kann vorgesehen sein, dass das Vorzugsrichtungs-Strahlformungselement 160 und/oder eine Funktionalität des Vorzugsrichtungs-Strahlformungselements 160
in das Strahlformungselement 121 integriert ist. Beispielsweise wird der asymmetrische Querschnitt 140 der Fokuszone 106 durch die mittels des Strahlformungselements 121 erfolgende Phasenaufprägung realisiert.
Die Ausbildung einer Fokuszone mit asymmetrischem Querschnitt durch Phasenaufprägung ist beispielsweise aus der DE 10 2019 128 362 B3 bekannt.
In Fig. 5a ist ein Beispiel einer transversalen Phasenverteilung gezeigt, welche mittels dem Strahlformungselement 121 auf den Strahlquerschnitt 122 aufgeprägt wird, um die Fokuszone 106 mit asymmetrischem Querschnitt 140 auszubilden. Beispielsweise wird Laserstrahl 116 an der Strahlausgangsseite 138 des Strahlformungselements 121 mit dieser Phasenverteilung ausgekoppelt.
Beispielsweise weist die Phasenverteilung eine Mehrzahl von Winkelsegmenten 162a, 162b auf, wobei einander benachbarte Winkelsegmente unterschiedliche azimutale Segmentbreiten Dbi, Db2 aufweisen und/oder einen Segmentgitterphasenunterschied aufweisen.
Ein Beispiel einer in der Brennebene 132 und/oder dem Fernfeldbereich 134 der Strahlformungseinrichtung 110 ausgebildeten transversalen Fernfeld- Intensitätsverteilung 164 ist in Fig. 5b gezeigt. Diese Fernfeld- Intensitätsverteilung 164 resultiert aus der mittels dem Strahlformungselement 121 vorgenommenen Phasenaufprägung.
Die Fernfeld-Intensitätsverteilung 164 umfasst eine Ringstruktur. Die Ringstruktur ist bei dieser Ausführungsform insbesondere als Ringsegmentstruktur ausgebildet und/oder umfasst mehrere Ringsegmente 166, welche insbesondere konzentrisch bezüglich der Strahlachse 120 angeordnet sind. Insbesondere weisen alle Ringsegmente 166 der Ringstruktur einen gleichen Radius auf.
Die Ringstruktur der Fernfeld-Intensitätsverteilung 164 weist eine oder mehrere Unterbrechungen 168 auf, welche zwischen einander benachbarten Ringsegmenten 166 angeordnet sind. Diese Unterbrechungen 168 erstrecken sich insbesondere in einem oder mehreren azimutalen Winkelbereichen der
Ringstruktur. Insbesondere beträgt an diesen Unterbrechungen 168 die Intensität null oder die Intensität ist um mindestens 90% geringer als eine Intensität der benachbarten Ringsegmente 166.
Durch Fokussierung der Fernfeld-Intensitätsverteilung 164 mittels der Fokussieroptik 126 und/oder mittels der Teleskopeinrichtung 128 wird die Fokuszone 106 ausgebildet. Aufgrund der Ringstruktur mit den Unterbrechungen 168 wird die Fokuszone 106 mit asymmetrischem Querschnitt 140 ausgebildet.
Die Vorzugsrichtung 146 des asymmetrischen Querschnitt 140 lässt sich in diesem Fall beispielsweise durch Drehung des Strahlformungselements 121 ändern und/oder einstellen, wobei eine Drehachse insbesondere parallel zur Strahlachse 120 orientiert ist oder der Strahlachse 120 entspricht.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Vorzugsrichtungs-Strahlformungselement 160 eine Strahlblende 170 ist oder umfasst, um die Fokuszone 106 mit asymmetrischem Querschnitt 140 auszubilden. Die Strahlblende 170 ist eingerichtet, um einen oder mehrere Winkelbereiche der Ringstruktur der Fernfeld-Intensitätsverteilung 164 zu blockieren, wobei die blockierten Winkelbereiche der Ringstruktur insbesondere nicht mittels der Fokussieroptik 126 fokussiert werden.
Die Strahlblende 170 ist insbesondere in dem Fernfeldbereich 134 und/oder in der Brennebene 132 angeordnet.
Beispielsweise ist bei dieser Ausführungsform das Strahlformungselement 121 ausgebildet, um die Fernfeld-Intensitätsverteilung 164 mit einer Ringstruktur auszubilden, welche einen durchgängigen und/oder unterbrechungsfreien Ring aufweist. Resultierende Unterbrechungen 168 werden an dieser Ringstruktur dann durch Blockieren von Winkelbereichen der Ringstruktur mittels der Strahlblende 170 erzeugt. Im Ergebnis weist die mittels der Fokussieroptik 126 fokussierte Ringstruktur dann beispielsweise die in Fig. 5b gezeigte Struktur auf.
Die Vorzugsrichtung 146 des asymmetrischen Querschnitts 140 lässt sich bei dieser Ausführungsform beispielsweise durch Änderung der mittels der
Strahlblende 170 blockierten Winkelbereiche der Ringstruktur der Fernfeld- Intensitätsverteilung ändern und/oder einstellen. Beispielsweise lassen sich die blockierten Winkelbereiche durch Einstellung und/oder Drehung der Strahlblende 170 ändern, wobei eine Drehachse vorzugsweise parallel zur Strahlachse 120 orientiert ist oder mit dieser zusammenfällt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Vorzugsrichtungs-Strahlformungselement 160 mindestens ein Polarisations- Strahlteilungselement 172 ist oder umfasst, wobei ein Ausführungsbeispiel des Polarisations-Strahlteilungselements 172 in Fig. 6 gezeigt ist. Das Polarisations- Strahlteilungselement 172 ist insbesondere in dem Fernfeldbereich 132 und/oder in der Brennebene 132 angeordnet.
Der auf das Polarisations-Strahlteilungselement 172 einfallende Laserstrahl 116 wird mittels des Polarisations-Strahlteilungselements 172 in voneinander verschiedene Teilstrahlen 174a, 174b mit unterschiedlichen Polarisationszuständen aufgeteilt.
Insbesondere sind unter den genannten Polarisationszuständen lineare Polarisationszustände zu verstehen, wobei beispielsweise zwei unterschiedliche Polarisationszustände vorgesehen sind und/oder zueinander senkrecht orientierte Polarisationszustände vorgesehen sind.
Insbesondere sind aus dem Polarisations-Strahlteilungselement 172 ausgekoppelte Strahlen derart polarisiert, dass ein elektrisches Feld in einer Ebene senkrecht zur Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 orientiert ist (transversal elektrisch).
Die Teilstrahlen 174a, 174b weisen einen Ortsversatz Dc und einen Winkelversatz Da auf, wobei insbesondere einer der Teilstrahlen 174a, 174b parallel zur Strahlachse 120 des einfallenden Laserstrahls orientiert ist oder mit dieser zusammenfällt.
Beispielsweise umfasst das Polarisations-Strahlteilungselement 172 ein doppelbrechendes Polarisatorelement 176 und ein isotropes Element 178,
welches bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 insbesondere hinter dem Polarisatorelement 176 angeordnet ist. Das Polarisatorelement 176 und/oder das isotrope Element 178 sind beispielsweise keilförmig ausgebildet.
Hinsichtlich der Funktionsweise und Ausführung des Polarisations- Strahlteilungselements 128 wird auf die deutsche Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2020 207 715.0 (Anmeldetag: 22. Juni 2020) der gleichen Anmelderin und auf die DE 10 2019 217 577 Al verwiesen.
Eine optische Achse 180 des Polarisatorelements 176 ist beispielsweise in einem Winkel von zumindest näherungsweise 45° zu einer Strahleingangsseite 182 des Polarisatorelements 176 und/oder zur Strahlachse 120 orientiert.
Nach Fokussierung mittels der Fokussieroptik 126 weisen die polarisierten Teilstrahlen 174a, 174b einen Ortsversatz auf. Insbesondere werden die Teilstrahlen 174a, 174b in unterschiedliche Teilbereiche der Fokuszone 106 fokussiert, welche sich zumindest abschnittsweise überlappen. Es lässt sich dadurch die Fokuszone 106 mit asymmetrischem Querschnitt 140 ausbilden.
Die Vorzugsrichtung 146 des asymmetrischen Querschnitts 140 lässt sich bei dieser Ausführungsform beispielsweise durch Drehung des Polarisations- Strahlteilungselements 172, vorzugsweise um die Strahlachse 120 oder um einer zur Strahlachse 120 parallele Achse, ändern und/oder einstellen.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Stelleinrichtung 184, mittels welcher die Vorzugsrichtung 146 des asymmetrischen Querschnitts 140 der Fokuszone 106 während der Laserbearbeitung des Werkstücks 104 veränderbar ist. Unter einer Änderung und/oder Einstellung der Vorzugsrichtung 146 ist insbesondere zu verstehen, dass eine Orientierung der Vorzugsrichtung 146 in einer zur Längsachse 108 der Fokuszone 106 senkrecht orientierten Ebene geändert bzw. eingestellt wird.
Zur Veränderung der Vorzugsrichtung 146 beeinflusst die Stelleinrichtung 184 das Vorzugsrichtungs-Strahlformungselement 160, wie z.B. das Strahlformungselement 121 und/oder die Strahlblende 170 und/oder das
Polarisations-Strahlteilungselement 172. Insbesondere ist das Vorzugsrichtung- Strahlformungselement 160 zur Veränderung der Vorzugsrichtung 146 mittels der Stelleinrichtung 184 bewegbar und/oder drehbar.
Weiter umfasst die Vorrichtung 100 eine mit der Stelleinrichtung 184 signalwirksam verbundene Steuerungseinrichtung 186. Mittels dieser Steuerungseinrichtung 186 ist die Stelleinrichtung 184 zur Veränderung der Vorzugsrichtung 146 ansteuerbar.
Es ist vorgesehen, dass die Ansteuerung der Stelleinrichtung 184 mittels der Steuerungseinrichtung 186 auf Grundlage einer Zuordnungsvorschrift erfolgt. Diese Zuordnungsvorschrift ist insbesondere in einer Datenbank 188 gespeichert, welche von der Steuerungseinrichtung 186 umfasst ist oder mit welcher die Steuerungseinrichtung 186 signalwirksam verbunden ist.
Im Betrieb der Vorrichtung 100 wird die Vorzugsrichtung 146 mittels der Steuerungseinrichtung 186 insbesondere derart gesteuert, dass die Vorzugsrichtung 146 parallel oder näherungsweise parallel zur Vorschubrichtung 148 orientiert ist. Hierzu steuert die Steuerungseinrichtung 186 die Stelleinrichtung 184 auf Basis der Zuordnungsvorschrift mit einem Steuersignal an, um die entsprechende Orientierung der Vorzugsrichtung 146 zu bewirken.
Die Zuordnungsvorschrift ist oder umfasst beispielsweise eine Zuordnungstabelle, welche eine Zuordnung von Steuersignalwerten des Steuersignals zu Orientierungswerten der Vorzugsrichtung 146 enthält.
Die Orientierungswerte der Vorzugsrichtung 146 können beispielsweise als Winkelangaben eines Winkels Q zu einer Referenzrichtung 190 angegeben werden, wobei die Referenzrichtung 190 in einer zur Längsmittelachse 108 senkrecht orientierten Ebene liegt.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Erfassungseinrichtung 192, mittels welcher eine tatsächliche Vorzugsrichtung 194 (angedeutet in Fig. 7) des Querschnitts 140 der ausgebildeten Fokuszone 106 optisch erfassbar ist.
Unter der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 ist insbesondere eine Ist- Vorzugsrichtung des Querschnitts 140 zu verstehen, wie sie beispielsweise im Material 102 vorliegt und/oder mittels der Erfassungseinrichtung 192 ermittelt wird.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel wird die Fokuszone 106 mittels der Strahlformungseinrichtung 110 ausgebildet und das Werkstück 104 mit der Fokuszone 106 beaufschlagt. Die ausgebildete Fokuszone 106 wird mittels der Erfassungseinrichtung 192 optisch erfasst.
Zur optischen Erfassung der ausgebildeten Fokuszone 106 umfasst die Erfassungseinrichtung 192 insbesondere eine Bildaufnahmeeinrichtung 196, welche beispielsweise einen Bildsensor und/oder eine Kamera aufweist. Weiter umfasst die Erfassungseinrichtung 192 insbesondere eine Abbildungsoptik 198, um die mittels der Strahlformungseinrichtung 110 ausgebildete Fokuszone 106 auf die Bildaufnahmeeinrichtung 196 abzubilden.
Die Erfassungseinrichtung 192 ist bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung 118 des aus der Strahlformungseinrichtung 110 ausgekoppelten Ausgangslaserstrahls 113 insbesondere hinter dem Werkstück 104 und/oder der ausgebildeten Fokuszone 106 angeordnet.
Durch Auswertung von mittels der Bildaufnahmeeinrichtung 196 erfassten Bilddaten lässt sich die tatsächliche Vorzugsrichtung 194 ermitteln, wobei die Auswertung beispielsweise mittels der Steuerungseinrichtung 186 erfolgen kann. Insbesondere ist die Erfassungseinrichtung 192 dann signalwirksam mit der Steuerungseinrichtung 186 verbunden.
Eine weitere Ausführungsform einer optischen Erfassungseinrichtung 192' ist in Fig. 8 gezeigt und unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Erfassungseinrichtung 192 im Wesentlichen dadurch, dass im Fall der Erfassungseinrichtung 192' eine mittels der Fokuszone 106 im Material 102 des Werkstücks 104 ausgebildete Materialmodifikation 150 optisch erfasst wird, um deren Vorzugsrichtung 154 zu ermitteln (vgl. Fig. 4).
Ansonsten weist die Erfassungseinrichtung 192' insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der Erfassungseinrichtung 192 auf, sodass insoweit auf deren vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Bei dieser Ausführungsform wird durch Erfassung der Vorzugsrichtung 154 des Querschnitts 152 einer mittels der Fokuszone 106 ausgebildeten Materialmodifikation 150 auf die tatsächliche Vorzugsrichtung 194 der Fokuszone 106 geschlossen, mit welcher diese Materialmodifikation 150 ausgebildet wurde. Im Rahmen dieser Ausführungsform entspricht die Vorzugsrichtung 154 der zugeordneten Materialmodifikation 150 der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 und/oder der Ist-Vorzugsrichtung der Fokuszone 106, mittels welcher diese Materialmodifikation 150 ausgebildet wurde.
Die Erfassungseinrichtung 192' umfasst beispielsweise die Bildaufnahmeeinrichtung 196 und eine Abbildungsoptik 198', um die Materialmodifikation 150 auf die Bildaufnahmeeinrichtung 196 abzubilden. Mittels der Bildaufnahmeeinrichtung 196 werden insbesondere der Querschnitt 152 der Materialmodifikation 150 und/oder die der Materialmodifikation 150 zugeordneten Risse 156 optisch erfasst.
Durch Auswertung von mittels der Bildaufnahmeeinrichtung 196 erfassten Bilddaten lässt sich die Vorzugsrichtung 154 und/oder die tatsächliche Vorzugsrichtung 194 ermitteln. Es kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 einer bestimmten Materialmodifikation 150 die Haupt-Erstreckungsrichtung 158 von Rissen 156 herangezogen wird, welche dieser Materialmodifikation 150 zugeordnet sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 werden die im Material 102 ausgebildeten Materialmodifikationen 150 in Auflichtmikroskopie erfasst.
Beispielsweise dient die Fokussieroptik 126 der Strahlformungseinrichtung 110 als Objektiv der Abbildungsoptik 198'. Die von dem Werkstück 104 auf die Fokussieroptik 126 einfallenden Strahlen werden beispielsweise mittels eines teilreflektierenden Elements 200 der Abbildungsoptik 198' in Richtung der Bildaufnahmeeinrichtung 196 abgelenkt.
In den Fig. 9a und 9b sind beispielhafte Mikroskopaufnahmen des Materials 102 mit darin ausgebildeten Materialmodifikationen 150 gezeigt, wobei die Materialmodifikationen 150 bei dem gezeigten Beispiel kreisförmig angeordnet sind.
Insbesondere entspricht die Haupt-Erstreckungsrichtung 158 der Risse 156 einer zugeordneten Materialmodifikation zumindest näherungsweise der Vorzugsrichtung 154 des Querschnitts 152 dieser Materialmodifikation.
Die Vorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Zur Ermittlung der Zuordnungsvorschrift, auf deren Grundlage die Steuerung und/oder Regelung der Vorzugsrichtung 146 mittels der Steuerungseinrichtung 186 erfolgt, wird die Stelleinrichtung 184 durch die Steuerungseinrichtung 186 beispielsweise mit unterschiedlichen Steuersignalwerten angesteuert und die tatsächliche Vorzugsrichtung 194 jeweils für die unterschiedlichen Steuersignalwerte ermittelt. Die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 erfolgt hierbei mittels der Erfassungseinrichtung 192, 192'.
Es wird dadurch die Zuordnungsvorschrift in Form eines Zusammenhangs zwischen unterschiedlichen Steuersignalwerten und Orientierungswerten der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 ermittelt. Die Zuordnungsvorschrift enthält insbesondere diejenige Information, mit welchem Steuersignalwert die Stelleinrichtung 184 angesteuert werden muss, um eine bestimmte tatsächliche Vorzugsrichtung 194 zu realisieren.
Die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 erfolgt im Fall der Erfassungseinrichtung 192 beispielsweise durch optische Erfassung und Auswertung des Querschnitts 140 der mittels der Strahlformungseinrichtung 110 ausgebildeten Fokuszone 106. Die optische Erfassung des Querschnitts 140 der Fokuszone 106 kann beispielsweise innerhalb oder außerhalb des Materials 102 des Werkstücks 104 erfolgen. Beispielsweise erfolgt die Erfassung des Querschnitts 140 in Luft.
Im Fall der Erfassungseinrichtung 192' erfolgt die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 beispielsweise durch optische Erfassung und Auswertung des Querschnitts 152 von Materialmodifikationen 150, welche mittels der Fokuszone 106 bei unterschiedlichen Steuersignalwerten ausgebildet werden oder ausgebildet wurden.
Beispielsweise sind in Fig. 9b mehrere Materialmodifikationen 150 gezeigt, welche in dem Material 102 des Werkstücks 104 an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind und bei unterschiedlichen Steuersignalwerten bzw. Vorzugsrichtungen 146 ausgebildet wurden. Die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 erfolgt beispielsweise durch optische Erfassung und Auswertung der in dem Material 102 ausgebildeten Materialmodifikationen 150, wobei zur Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung 194 einer bestimmten Materialmodifikation insbesondere deren Querschnitt 152 und/oder die Haupt- Erstreckungsrichtung 158 von dieser Materialmodifikation 150 zugeordneten Rissen 156 optisch erfasst und/oder ausgewertet wird.
Die Ermittlung der Zuordnungsvorschrift kann grundsätzlich vor oder während der Laserbearbeitung des Werkstücks 104 erfolgen.
Zur Durchführung der Laserbearbeitung wird das Material 102 des Werkstücks 104 mit der Fokuszone 106 beaufschlagt und die Fokuszone 106 wird in Vorschubrichtung 148 relativ zu dem Werkstück 104 durch dessen Material 102 bewegt.
Das Material 102 ist ein für eine Wellenlänge des Eingangslaserstrahls 112 und/oder des Laserstrahls 116, aus welchem die Fokuszone 106 mittels der Strahlformungseinrichtung 110 gebildet ist, transparentes Material. Beispielsweise ist das Material 102 ein Glasmaterial, z.B. Quarzglas.
Durch Relativbewegung der Fokuszone 106 zu dem Material 102 werden Materialmodifikationen 150 ausgebildet, welche wie vorstehend beschrieben entlang einer Bearbeitungsfläche angeordnet sind.
Der Abstand von in Vorschubrichtung 148 benachbarten Materialmodifikationen 150 lässt sich beispielsweise durch Einstellung einer Pulsdauer des Eingangslaserstrahls 112 und/oder durch Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit definieren.
Die entlang der Bearbeitungsfläche ausgebildeten Materialmodifikationen 150 haben insbesondere eine Verringerung einer Festigkeit des Materials 102 zur Folge. Es lässt sich dadurch das Material 102 nach Ausbildung der Materialmodifikationen 150 an der Bearbeitungsfläche, beispielsweise durch Ausübung einer mechanischen Kraft, in zwei voneinander verschiedene Werkstücksegmente trennen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Vorzugsrichtung 146 des asymmetrischen Querschnitts 140 der Fokuszone 106 während der Laserbearbeitung des Werkstücks 104 parallel oder näherungsweise parallel zur Vorschubrichtung 148 ausgerichtet wird. Es ergibt sich dadurch bei Trennung des Werkstücks 104 entlang der Bearbeitungsfläche eine glattere Trennfläche.
Im Fall der in Fig. 9b gezeigten Materialmodifikation 150a war die Vorschubrichtung 148 bei Ausbildung dieser Materialmodifikation 150a beispielsweise nicht näherungsweise parallel zur Vorschubrichtung 148 orientiert. Insbesondere ist dann auch die Haupt-Erstreckungsrichtung 158 von der Materialmodifikation 150a zugeordneten Rissen 156 nicht näherungsweise parallel zur Vorschubrichtung 148 orientiert. Bei Trennung des Werkstücks können sich dadurch Unebenheiten ergeben.
Insbesondere ist es daher vorgesehen, dass die Vorzugsrichtung 146 mittels der Steuerungseinrichtung 186 so gesteuert und/oder geregelt wird, dass die Vorzugsrichtung 146 während der Laserbearbeitung des Werkstücks 104 parallel oder näherungsweise parallel zur Vorschubrichtung 148 orientiert ist. Risse 156 einander benachbarter Materialmodifikationen 150 gehen dann insbesondere zumindest näherungsweise stetig und/oder unterbrechungsfrei ineinander über, sodass insbesondere eine Trennung des Werkstücks mit glatter Trennfläche realisierbar ist (siehe z.B. den in Fig. 9a gekennzeichneten Teilbereich 202).
Bezugszeichenliste
Da Winkelversatz
Dbi azimutale Segmentbreite
Db2 azimutale Segmentbreite
D Dicke dx Durchmesser in x-Richtung dy Durchmesser in y-Richtung fi erste Brennweite f2 zweite Brennweite
Q Winkel
Dc Ortsversatz
100 Vorrichtung
102 Material
104 Werkstück
106 Fokuszone
108 Längsachse
110 Strahlformungseinrichtung
110' Strahlformungseinrichtung
112 Eingangslaserstrahl
113 Ausgangslaserstrahl
114 Laserquelle
116 Laserstrahl
118 Haupt-Ausbreitungsrichtung
120 Strahlachse
121 Strahlformungselement
122 Strahlquerschnitt
124 Anpassungsoptik
126 Fokussieroptik
127 Linsenelement
128 Teleskopeinrichtung
129 Linsenoptik
130 Linsenelement
132 Brennebene
Fernfeldbereich
Zwischenbild
Strahlausgangsseite
Querschnitt maximale Intensitätsverteilung nebengeordnete Intensitätsverteilung
Vorzugsrichtung
Vorschubrichtung
Materialmodifikation a Materialmodifikation
Querschnitt
Vorzugsrichtung
Riss
Haupt- Erstreckungsrichtung
Vorzugsrichtung-Strahlformungselementa Winkelsegment b Winkelsegment
Fernfeld-Intensitätsverteilung
Ringsegment
Unterbrechung
Strahlblende
Polarisations-Strahlteilungselement a Teilstrahl b Teilstrahl
Polarisatorelement isotropes Element optische Achse
Strahleingangsseite
Stelleinrichtung
Steuerungseinrichtung
Datenbank
Referenzrichtung
Erfassungseinrichtung ' Erfassungseinrichtung tatsächliche Vorzugsrichtung
Bildaufnahmeeinrichtung ' Abbildungsoptik teilreflektierendes Element Teilbereich
Claims
1. Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104) mittels einer Fokuszone (106), wobei das Werkstück (104) ein transparentes Material (102) aufweist, umfassend
- eine Strahlformungseinrichtung (110; 110') zur Ausbildung der Fokuszone (106) aus einem Eingangslaserstrahl (112), wobei die Fokuszone (106) bezüglich einer Längsachse (108) länglich ausgebildet ist und wobei die Fokuszone (106) senkrecht zur Längsachse (108) einen asymmetrischen Querschnitt (140) mit einer Vorzugsrichtung (146) aufweist,
- eine Stelleinrichtung (184) zur Veränderung der Vorzugsrichtung (146) während der Laserbearbeitung des Werkstücks (104), und
- eine Steuerungseinrichtung (186) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (184) auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift, um die Vorzugsrichtung (146) während der Laserbearbeitung des Werkstücks (104) zu steuern und/oder zu regeln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (186) eingerichtet ist, um die Vorzugsrichtung (146) während der Laserbearbeitung zumindest näherungsweise parallel zu einer Vorschubrichtung (148) auszurichten, in welche die Fokuszone (106) zur Laserbearbeitung des Werkstücks (104) relativ zu dem Werkstück (104) bewegt wird.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinrichtung (110; 110') mindestens ein Strahlformungselement (121) zur Phasenaufprägung einer transversalen Phasenverteilung auf einen Strahlquerschnitt (122) des Eingangslaserstrahls (121) aufweist, wobei die Phasenverteilung gewählt ist, um die Fokuszone (104) länglich auszubilden, und wobei das mindestens eine Strahlformungselement (121) insbesondere als diffraktives optisches Element und/oder als Axiconelement ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverteilung derart gewählt ist, dass durch Aufprägung der Phasenverteilung mittels des mindestens einen Strahlformungselements (121) die Fokuszone (104) mit asymmetrischem Querschnitt (140) ausgebildet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strahlformungselement (121) mittels der Stelleinrichtung (184) zur Veränderung der Vorzugsrichtung (146) der Fokuszone (106) beeinflussbar ist, und/oder dass das mindestens eine Strahlformungselement (121) mittels der Stelleinrichtung (184) zur Veränderung der Vorzugsrichtung (146) des asymmetrischen Querschnitts (140) der Fokuszone (106) drehbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinrichtung (110; 110') ein Polarisations-Strahlteilungselement (172) aufweist, mittels welchem Teilstrahlen (174a, 174b) mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Polarisationszuständen ausgebildet werden, wobei durch Fokussierung der Teilstrahlen (174a, 174b) die Fokuszone (106) mit asymmetrischem Querschnitt ausgebildet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisations-Strahlteilungselement (172) mittels der Stelleinrichtung (184) zur Veränderung der Vorzugsrichtung (146) der Fokuszone (106) beeinflussbar ist, und/oder dass das Polarisations-Strahlteilungselement (172) mittels der Stelleinrichtung (184) zur Veränderung der Vorzugsrichtung (146) des asymmetrischen Querschnitts (140) der Fokuszone (106) drehbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinrichtung (110, 110') zur Ausbildung des asymmetrischen Querschnitts (140) der Fokuszone (106) eine Strahlblende (170) aufweist, mittels welcher ein Winkelbereich einer mittels der Strahlformungseinrichtung (110, 110') ausgebildeten Fernfeld-
Intensitätsverteilung (164) geblockt wird, wobei ein nichtgeblockter Anteil der Fernfeld-Intensitätsverteilung (164) zur Ausbildung der länglichen Fokuszone (106) mit asymmetrischem Querschnitt (140) fokussiert wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlblende (170) mittels der Stelleinrichtung (184) zur Veränderung der Vorzugsrichtung (146) des asymmetrischen Querschnitts (140) der Fokuszone (106) beeinflussbar ist, wobei insbesondere ein mittels der Strahlblende (170) geblockter und/oder nichtgeblockter Winkelbereich der Fernfeld-Intensitätsverteilung (164) mittels der Stelleinrichtung (184) veränderbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Strahlformungseinrichtung (110; 110') eine Fernfeld-Intensitätsverteilung (164) ausgebildet wird, wobei die Fokuszone (106) durch Fokussierung der Fernfeld-Intensitätsverteilung (164) ausgebildet wird und wobei die zur Ausbildung der Fokuszone (106) fokussierte Fernfeld-Intensitätsverteilung (164) mittels der Stelleinrichtung (184) beeinflussbar ist, um die Vorzugsrichtung (146) des asymmetrischen Querschnitts (140) der Fokuszone (106) zu verändern.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Erfassungseinrichtung (192; 192') zur optischen Erfassung einer tatsächlichen Vorzugsrichtung (194) des asymmetrischen Querschnitts (140) der ausgebildeten Fokuszone (106), wobei die Erfassungseinrichtung (192; 192') insbesondere signalwirksam mit der Steuerungseinrichtung (186) verbunden ist oder verbindbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (192, 192') zur optischen Erfassung des Querschnitts (140) der ausgebildeten Fokuszone (106) eingerichtet ist, und/oder dass die Erfassungseinrichtung (192; 192') zur optischen Erfassung eines jeweiligen Querschnitts (152) von durch Beaufschlagung des Materials (102) des Werkstücks (104) mit der Fokuszone (106) in dem Material (102) erzeugten
Materialmodifikationen (150) eingerichtet ist.
13. Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104) mittels einer Fokuszone (106), wobei das Werkstück (104) ein transparentes Material aufweist, bei dem
- die Fokuszone (106) mittels einer Strahlformungseinrichtung (110; 110') aus einem Eingangslaserstrahl (112) ausgebildet wird, wobei die Fokuszone (106) bezüglich einer Längsachse (108) länglich ausgebildet wird und wobei die Fokuszone (106) senkrecht zur Längsachse (108) einen asymmetrischen Querschnitt (140) mit einer Vorzugsrichtung (146) aufweist,
- die Vorzugsrichtung (146) während der Laserbearbeitung des Werkstücks (104) mittels einer Stelleinrichtung (184) verändert wird oder veränderbar ist, und
- die Vorzugsrichtung (146) während der Laserbearbeitung des Werkstücks (104) mittels einer Steuerungseinrichtung (186) gesteuert und/oder geregelt wird, wobei die Steuerungseinrichtung (186) die Stelleinrichtung (184) auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift ansteuert.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsrichtung (146) mittels der Steuerungseinrichtung (186) während der Laserbearbeitung des Werkstücks (104) zumindest näherungsweise parallel zu einer Vorschubrichtung (148) ausgerichtet wird, in welche die Fokuszone (106) zur Laserbearbeitung des Werkstücks (104) relativ zu dem Werkstück (104) bewegt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Definition der Zuordnungsvorschrift eine tatsächliche Vorzugsrichtung (194) des asymmetrischen Querschnitts (140) der ausgebildeten Fokuszone (106) in Abhängigkeit von einem Steuersignal erfasst wird, mit welcher die Steuerungseinrichtung (186) die Stelleinrichtung (184) zur Steuerung der Vorzugsrichtung (146) ansteuert.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung (194) der Querschnitt (140) der ausgebildeten Fokuszone (106) optisch erfasst wird und die Vorzugsrichtung (146) des optisch erfassten Querschnitts (140) ermittelt wird, und/oder dass zur Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung (194) eine Vorzugsrichtung (154) eines jeweiligen Querschnitts (152) von einer oder mehreren Materialmodifikationen (150) ermittelt wird, welche durch Beaufschlagung des Materials (102) des Werkstücks (104) mit der Fokuszone (140) in dem Material (102) erzeugt wurden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der tatsächlichen Vorzugsrichtung (154) des Querschnitts (152) einer bestimmten Materialmodifikation (150) durch optische Erfassung von Rissen (156) erfolgt, welche dieser Materialmodifikation (150) zugeordnet sind.
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