WO2021259597A1 - Bearbeitungsoptik, laserbearbeitungsvorrichtung und verfahren zur laserbearbeitung - Google Patents

Bearbeitungsoptik, laserbearbeitungsvorrichtung und verfahren zur laserbearbeitung Download PDF

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WO2021259597A1
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partial beams
polarizer
birefringent
optics
optical axis
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PCT/EP2021/064611
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Daniel FLAMM
Julian Hellstern
Jonas Kleiner
Malte Kumkar
Marcel Schaefer
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to processing optics for workpiece processing, in particular by means of an ultra-short pulse laser source, comprising: a polarizer arrangement which comprises a birefringent polarizer element for splitting at least one especially pulsed input laser beam into at least two partial beams, each with one of two different polarization states, and a focusing optics arranged in the beam path after the polarizer arrangement for focusing the partial beams on at least two focus zones.
  • the invention also relates to a laser processing device with such processing optics, as well as a method for laser processing a workpiece by means of processing optics, comprising: splitting at least one especially pulsed input laser beam into at least two partial beams, each having one of two different polarization states, on a birefringent polarizer element a polarizer arrangement, as well as focusing the partial beams on focus zones in the area of the workpiece by means of a focusing device of the processing optics.
  • partial beams with different polarization states are understood to be linearly polarized partial beams whose polarization directions are aligned at an angle of 90 ° to one another.
  • partial beams with different polarization states are also understood to mean circularly polarized partial beams with opposite directions of rotation, ie two left and right circularly polarized partial beams.
  • the conversion of linearly polarized partial beams with mutually perpendicular directions of polarization into circularly polarized partial beams with opposite directions of rotation can take place, for example, with the aid of a suitably oriented retardation plate (1/4 plate).
  • each of the input laser beams can be split into a pair of partial beams, each with one of two different polarization states. Whether or with what power proportions the two partial beams are formed depends on the polarization of the input laser beam.
  • WO2015 / 128833A1 describes a laser cutting head which has a polarizing beam offset element arranged in the beam path of a laser beam for generating two linearly polarized partial beams.
  • the polarizing beam offset element is arranged in a divergent or in a convergent beam path section of the laser beam.
  • the beam displacement element can be formed from a birefringent material.
  • the two partial beams may partially overlap in the focal plane.
  • a laser processing device for workpiece processing which has processing optics in which an input laser beam is divided into two perpendicularly polarized partial beams at a polarizer.
  • the processing optics have a greater path length for the second partial beam than for the first partial beam, as a result of which the second partial beam has a longer transit time than the first partial beam.
  • the second partial beam is changed in at least one geometric beam property compared to the first partial beam.
  • the changed second partial beam is superimposed on the first partial beam in such a way that both partial beams form a common output laser beam.
  • WO2018 / 020145A1 describes a method for cutting dielectric or semiconductor material by means of a pulsed laser, in which a laser beam is split into two partial beams that hit the material in two spatially separated zones offset from one another by a distance. The distance is set to a value below a threshold value in order to produce a rectilinear micro-fracture in the material which runs in a predetermined direction between the two mutually offset zones. Beam shaping can be carried out on the two partial beams in order to generate a local distribution on the material in the form of a Bessel beam.
  • WO2016 / 089799A1 describes a system for laser cutting at least one glass article by means of a pulsed laser assembly which comprises a beam-shaping optical element for converting an input beam into a quasi-non-diffractive beam, for example a Bessel beam.
  • the laser assembly also includes a beam transformation element for converting the quasi-non-diffractive beam into a plurality of partial beams spaced between 1 gm and 500 gm apart.
  • the phase of at least one of the quasi-non-diffractive partial beams can be shifted between approximately TT / 4 and approximately 2 p.
  • processing optics for workpiece processing which have a birefringent polarizer element for dividing at least one input laser beam into a pair of partial beams polarized perpendicular to one another and one in the beam path after the polarizer element having arranged focusing optics for focusing the partial beams on focus zones, the processing optics being designed to generate at least partially overlapping focus zones of the partial beams polarized perpendicular to one another.
  • the processing optics can be designed to generate a plurality of pairs of at least partially overlapping focus zones along a predetermined contour in a focal plane, wherein focus zones of two perpendicularly polarized partial beams from directly adjacent pairs at least partially overlap.
  • the invention is based on the object of providing processing optics, a laser processing device with them and a method for laser processing which make it possible to align the partial beams in the focus zones at defined angles and / or positions with respect to the optical axis of the processing optics.
  • processing optics of the type mentioned at the outset in which the polarizer arrangement has at least one further optical element arranged in the beam path after the birefringent polarizer element for changing an angle and / or a distance of at least one of the partial beams relative to an optical one Has axis of the processing optics.
  • the distance and / or that alignment of the partial beams relative to the optical axis of the processing optics may not be able to be generated that was used when the Partial beams should be generated on the focus zones.
  • a predetermined spatial and / or angular offset of the two partial beams relative to one another and a desired angle and / or a desired position in relation to the optical axis of the processing optics can be generated.
  • the input laser beam strikes the birefringent polarizer element parallel to the optical axis, in particular along the optical axis of the processing optics.
  • the birefringent polarizer element parallel to the optical axis, in particular along the optical axis of the processing optics.
  • two or more birefringent polarizer elements can in principle also be provided in the processing optics.
  • the laser beam generated by a laser source and entering the processing optics can be split into two or more partial beams, each of which represents an input laser beam for an associated birefringent polarizer element, or the laser beams from several laser sources can be used as input laser beams.
  • the polarizer element is designed to generate a spatial offset and / or an angular offset between the partial beams with the different polarization states.
  • a lateral offset (spatial offset) and / or an angular offset is generated between the two partial beams.
  • the birefringent polarizer element can either be designed to generate a lateral (spatial) offset or to generate an angular offset or to generate a combination of an angular offset and a spatial offset between the two partial beams with the different polarization states.
  • a birefringent polarizer element typically in the form of a birefringent crystal
  • suitable polarization of the input laser beam e.g. with an unpolarized input laser beam or with an input laser beam with undefined, elliptical or circular polarization
  • the division of the power of the input laser beam between the two partial beams depends on the polarization of the input laser beam or can be determined by choosing the polarization of the input laser beam: If the polarization of the input laser beam is linear or has some other preferred direction, e.g. elliptical polarization, this is typically done no equal distribution of the power of the input laser beam between the two partial beams.
  • polarization-influencing optical elements for example in the form of retardation plates
  • suitable polarization-influencing optical elements for example in the form of retardation plates
  • the power of the input laser beam can be split into two partial beams with comparable power proportions regardless of the angle of any preferred direction during processing (see below).
  • a well-defined, pure spatial offset a well-defined, pure angular offset or a combination of a defined spatial offset and a defined angular offset between the two partial beams with the different polarization states can be generated.
  • the birefringent polarizer element can have, for example, generally planar beam entry and exit surfaces that are aligned in parallel.
  • the optical axis of the birefringent crystal is typically oriented at an angle to the beam entrance surface. If the input laser beam hits the Beam entrance surface, a pure spatial offset is generated at the beam exit surface.
  • the birefringent polarizer element can have a beam exit surface which is inclined at an angle to the beam entry surface.
  • the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned parallel to the beam entrance surface.
  • the two partial beams emerge from the birefringent crystal at the beam exit surface at the same location and with a defined angular offset.
  • the birefringent polarizer element can have a beam exit surface which is inclined at an angle to the beam entry surface.
  • the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned at an angle to the beam entrance surface and to the beam exit surface.
  • a birefringent polarizer element, which generates a pure spatial offset, and a birefringent polarizer element, which generates a pure angular offset represent special cases of the birefringent polarizer element described here, which generates both an angular offset and a spatial offset.
  • the polarizer element is designed to generate an angular offset between the partial beams with the different polarization states and the further optical element is designed to change the angle of at least one of the two partial beams relative to the optical axis in order to have the at least one partial beam parallel to the optical axis Align the axis. Alignment of (at least) one of the partial beams parallel to the optical axis is particularly advantageous if the polarizer element or the polarizer arrangement is rotated about the optical axis in order to change a preferred direction when machining the workpiece.
  • the further optical element is designed to be optically isotropic, the polarizer element preferably being designed to generate an angular offset without generating a spatial offset.
  • the further optical element is preferably designed as a wedge-shaped optically isotropic element.
  • the wedge angle of the wedge-shaped further optical element is typically adapted to a wedge angle of the exit surface of the polarizer element in order to compensate for the angular offset of one of the two partial beams or to average out the angular offset for both partial beams relative to the optical axis.
  • a desired distance or offset of the parallel partial beam from the optical axis can be specified, which is maintained during rotation about the axis of rotation.
  • the two focus zones which are generated after passing through the focusing optics, can also have an angle (identical for both partial beams) in a direction perpendicular to the plane of incidence or to the plane in which the optical axis of the birefringent polarizer element is arranged.
  • the impressed angle is converted into a spatial offset in the focal plane.
  • the two partial beams in the focal plane can run parallel to the optical axis and be positioned at the same distance from the optical axis.
  • the polarizer arrangement has beam offset optics which include a further birefringent optical element in order to align both partial beams parallel to one another.
  • An additional optical element which is designed, for example, as a wedge-shaped optical element and which is arranged in the beam path after the further birefringent optical element, can change the beam direction of the two parallel partial beams so that both partial beams are aligned parallel to the optical axis.
  • the polarizer arrangement is designed to position one of the partial beams on the optical axis or to position both partial beams at the same distances from the optical axis.
  • the polarizer arrangement is designed to position one of the partial beams on the optical axis or to position both partial beams at the same distances from the optical axis.
  • Z direction when rotating the polarizer element around the optical axis of the processing optics (Z direction), it has proven to be advantageous if one of the two partial beams is positioned on the optical axis of the processing optics so that its position does not change during the rotation .
  • a symmetrical arrangement of the two partial beams in relation to the optical axis, in which both partial beams are arranged at the same distances from the optical axis, is also possible. There are several options for positioning the partial beam on the optical axis or the two partial beams symmetrically to the optical axis:
  • One possibility is to specify the distance between the further birefringent optical element and the additional optical element along the optical axis in the above-described beam offset optics or, if necessary, to adjust it by means of a suitable displacement device so that one of the two partial beams along the optical axis the processing optics and the other partial beam is offset from the optical axis or that both partial beams extend at the same distance from the optical axis.
  • the birefringent polarizer element is also designed to generate the angular offset to generate a spatial offset and the further optical element is designed to be birefringent in order to position the partial beam on the optical axis.
  • the optical axis of the birefringent material of the polarizer element and its beam entrance surface and its beam exit surface are aligned and arranged at such a distance from the further birefringent element that one of the two partial beams is aligned parallel to the optical axis and on the optical axis of the Processing optics is positioned.
  • the polarizer arrangement is designed to change the angular offset and / or spatial offset between the two partial beams.
  • the angular offset and / or spatial offset between the two partial beams generated by the polarizer element is typically constant, given the given boundary conditions.
  • the or at least one further, generally birefringent optical element is provided in the polarizer arrangement, which makes it possible to adjust the angular offset and / or the spatial offset between the two partial beams change or adjust.
  • the further, generally birefringent optical element can typically be moved relative to the optical axis of the polarizer arrangement.
  • the further optical element is birefringent and can be displaced along the optical axis of the processing optics and / or rotated about the optical axis of the processing optics to change the angular offset and / or to change the spatial offset between the two partial beams.
  • a translation drive can be used to displace the further birefringent optical element along the optical axis, which can be designed, for example, in the manner of a linear drive or the like.
  • the polarizer arrangement typically has a rotary drive.
  • a control device of the processing optics or a device connected to the latter for signaling purposes for example a control computer, can be used.
  • a control computer can be used.
  • the distance between the focus zones of the two partial beams in the area of the workpiece can be set to a desired value.
  • the further optical element is designed to be birefringent and a polarization-influencing optical element, in particular a 1/4 retardation plate or a 1/2 retardation plate, is arranged in front of the further optical element.
  • a polarization-influencing optical element which produces, for example, a delay of 1/4
  • the two partial beams which are linearly polarized after exiting the birefringent polarizer element, can be converted into circularly polarized partial beams.
  • the optical axes of the two birefringent elements do not lie in a common plane (or the planes spanned by the beam axes are not perpendicular to one another), in the general case from the Input laser beam four partial beams or four output laser beams are formed, ie there is a cascaded beam splitting. If a cascaded beam splitting is not desired, it is necessary that the two partial beams entering the further birefringent optical element are aligned perpendicular or parallel to the optical axis of the further birefringent optical element.
  • the polarization-influencing optical element for example in the form of a 1/4 retardation plate, can also be used to generate four partial beams from the two partial beams.
  • the polarization-influencing optical element can in this case be used to distribute the power of the input laser beam evenly over all four partial beams.
  • the four partial beams can again be superimposed collinearly. This can be beneficial if, for example, four or more partial beams are to be arranged on a common line or along a preferred direction.
  • the distance between the partial beams or the focus zones can also be set by a suitable choice of the relative angle of rotation of the two birefringent optical elements to one another.
  • another polarization-influencing optical element can also be introduced into the beam path of the partial beams between two consecutive birefringent optical elements in order to suitably set the polarization and thus influence the power distribution.
  • the polarization-influencing optical element can also be rotated relative to the respective birefringent optical elements.
  • the processing optics include beam-shaping optics for converting an input laser beam with a Gaussian beam profile into an exiting laser beam with a quasi-non-diffractive beam profile, in particular with a Bessel-like beam profile.
  • a non-diffractive beam represents a solution to the Flelmholtz equation, which can be separated into a longitudinal part and a transverse part.
  • a Such a non-diffractive beam has a transverse beam profile which is invariant to propagation, ie which does not change during the propagation of the non-diffractive beam.
  • different solution classes of non-diffractive rays occur, for example Mathieu rays in elliptical-cylindrical coordinates or Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.
  • a non-diffractive beam is a theoretical construct that can be implemented to a good approximation in the form of so-called quasi-non-diffractive beams.
  • a quasi-non-diffractive beam has the propagation invariance only over a finite length (characteristic length) L.
  • a quasi-non-diffractive beam is present if, with a similar or identical focus diameter, the characteristic length L clearly exceeds the Rayleigh length of the associated Gaussian focus, in particular if: L> ZR, where ZR denotes the Rayleigh length of the Gaussian beam.
  • the characteristic length L can, for example, be in the order of 1 mm or more.
  • the Bessel-like rays represent a subset of the quasi-non-diffractive rays, in which the transverse ray profile in the vicinity of the optical axis corresponds to a good approximation of a Bessel function of the first type of order n.
  • the Bessel-Gaussian rays represent a subset of the Bessel-like rays, in which the transverse ray profile in the vicinity of the optical axis corresponds to a good approximation of a Bessel function of the first type of the 0th order, which is enveloped by a Gaussian distribution .
  • a Bessel-like jet has proven to be particularly advantageous here, if necessary, however, other quasi-non-diffractive beam profiles, for example an Airy beam profile, a Weber beam profile or a Mathieu beam profile, can also be generated with the beam-shaping optics.
  • the beam-shaping optics can in particular be designed to generate a quasi-non-diffractive beam profile with a beam cross-section that is rotationally symmetrical to the direction of propagation, as is the case, for example, with a Bessel-Gaussian beam.
  • the beam-shaping optics are designed to generate a quasi-non-diffractive beam profile with a non-rotationally symmetrical beam cross-section, in particular with a preferred direction. It has proven to be advantageous if the beam-shaping optics are designed as diffractive optics in this case.
  • the preferred direction of the non-diffractive beam profile generally coincides with the (preferred) direction or the plane in which the polarizer element of the polarizer arrangement generates the two partial beams.
  • the quasi-non-diffractive beam profile can have a plurality of spaced apart (secondary) maxima along the preferred direction, so that the beam-shaping optics act in the manner of beam splitter optics and, for example, generate a so-called multi-Bessel beam profile.
  • a beam profile with a preferred direction can also be generated with the aid of the cascading described above of birefringent optical elements of the polarizer arrangement with interposed polarization-influencing optical elements.
  • the processing optics are designed to focus the partial beams in at least partially overlapping focus zones of a contiguous interaction area, in particular along the preferred direction, with partial beams each having different polarization states being focused in adjacent focus zones of the contiguous interaction area.
  • a laser beam which is generated, for example, by a single-mode laser and has a Gaussian beam profile
  • the focus zones or the focus cross-sections can therefore be as close as desired to one another, but in this case the undesired interference effects occur in the resulting intensity profile.
  • the partial beams are therefore usually focused on the workpiece in focal zones that are spaced apart from one another.
  • the (partial) superposition in the intensity profile does not lead to interference effects of the laser radiation from different spatial or angular ranges, provided that the polarization state of the respective partial beams is uniform over the entire relevant beam cross-section or the respective focus zone.
  • the polarization of a respective partial beam should therefore vary as little as possible over the beam cross-section or over the focus zone, depending on the location.
  • the focus zones can be as close to one another as desired, partially or completely overlap and even form homogeneous focus zones, both transversely, i.e. perpendicular to the direction of propagation of the partial beams, and longitudinally, i.e. in the direction of propagation of the partial beams.
  • a beam shape or intensity distribution - linear in the case of a preferred direction - is formed along the specified, not necessarily straight interaction area, which usually has a continuous transition, i.e. no zero points in the intensity distribution between the partial beams or between the focus zones.
  • partial beams of the respective pairs that are polarized perpendicular to one another overlap each other, but only to the extent that they do not overlap with the differently polarized partial beam of a respective pair, so that no overlapping of identically polarized partial beams occurs.
  • completely or partially overlapping partial beams can also be used that have a time offset that is so great that practically no interference effects occur. This is typically the case when the time offset corresponds to at least the order of magnitude of the pulse duration or the order of magnitude of the coherence length. As a rule, a minimum of 50% of the respectively smaller of the two values (pulse duration or coherence length) is selected as the time offset.
  • the beam-shaping optics described above or the cascading described above can be used to focus the partial beams or a plurality of partial beams, each of which - in particular in pairs - have one of two different polarization states, on partially overlapping focus zones.
  • the gaps between the maxima of the quasi-non-diffractive beam profile can in this case be filled by dividing the input laser beam into the two partial beams on the polarizer element. In this way, two or more at least partially overlapping focus zones can be generated along a predetermined contour, usually along the preferred direction.
  • the beam-shaping optics can comprise an axicon and / or a diffractive optical element.
  • the generation of a (quasi) non-diffractive beam profile can advantageously be generated by means of an axicon, which typically comprises at least one essentially conical surface. If such an axicon, which has a rotationally symmetrical conical surface, is irradiated with a collimated Gaussian beam, a Bessel-Gaussian beam is typically generated.
  • the axicon can be modified in a suitable manner to generate a preferred direction of the beam profile (e.g. by using a non-rotationally symmetrical conical surface) to generate a flomogenization of the beam profile, etc.
  • a diffractive optical element can be used to generate the (quasi ) non-diffractive beam profile can be used.
  • a diffractive optical element By means of such a diffractive optical element, the properties of an axicon can be simulated and expanded.
  • the beam-shaping optics can optionally or additionally be designed to generate an exiting laser beam with a flat-top beam profile from an entering laser beam with a Gaussian beam profile, etc.
  • the partial beams have a quasi-non-diffractive beam profile, for example a Bessel-like beam profile
  • they are focused during focusing by means of the focusing optics on a focus volume (e.g. in the order of millimeters) which is comparatively long compared to the diameter of the focus zone (e.g. in the order of micrometers).
  • a focus volume e.g. in the order of millimeters
  • the following text also speaks of focusing in a focal plane in the case of beam profiles of this type.
  • the focal plane or the planes described below are predetermined by the properties of the respective optics (regardless of the type of beam profile).
  • the arrangement of the polarizer arrangement or the birefringent polarizer element in the beam path of the processing optics depends, in addition to the type of laser processing, on whether a pure spatial offset, a pure angular offset or a combination of a spatial offset and an angular offset is to be generated.
  • the birefringent polarizer element of the polarizer arrangement can be designed to generate an angular offset and be arranged in a plane that is optically conjugate to the focal plane.
  • a plane that is optically conjugate to the focal plane is understood to mean a plane which is correlated with the focal plane by a Fourier transformation, that is to say an angle-to-position transformation.
  • the conjugate plane with the polarizer element which is designed to generate an angular offset, is typically arranged at a distance from the object-side focal length fi of the focusing optics.
  • the birefringent polarizer element is arranged at a distance 2 f (or generally 2 f + N x 4 f, N greater than or equal to 0, N as an integer) from the focal plane.
  • the birefringent polarizer element of the polarizer arrangement can be designed to generate a spatial offset and be arranged in the beam path in front of a further, preferably collimating optic, the processing optics being designed to convert the spatial offset between the partial beams polarized perpendicular to one another on the polarizer element into the Focus plane map.
  • the birefringent polarizer element can be arranged in front of the further optics in a plane corresponding to the focal plane.
  • Such a plane is correlated with the focal plane, for example, via two angle-to-position transformations.
  • the focusing optics have an (effective) focal length of f
  • the plane corresponding to the focal plane with the birefringent polarizer element in a special case, in which the same focal lengths are used for collimation and focusing can be at a distance of 4 f (or generally from 4 f + N x 4 f, N greater than or equal to zero, N as an integer) are arranged from the focal plane.
  • a 4f setup is referred to for the sake of simplicity, even if the optical elements used do not necessarily have a uniform focal length f.
  • the precise arrangement of the polarizer element at a given distance from the focal plane is generally not important, only a (extensive) Place-to-place transformation, ie a mapping between the plane with the polarizer element and the focal plane.
  • the birefringent polarizer element should, however, be arranged in the beam path in front of the further optics, which can be designed, for example, as collimating optics for generating an angle-to-location transformation. Together with the angle-to-position transformation (or equivalent position-to-angle transformation) generated by the focusing optics, the spatial offset of the partial beams that is generated at the polarizer element is converted into a spatial offset in the focal plane. pictured.
  • the further, e.g. collimating optics, together with the focusing optics can produce an image of the plane with the birefringent polarizer element on the focal plane, i.e. on a plane linked to the focus zone, with a predetermined, e.g. reducing image scale.
  • the polarizer arrangement is usually arranged in the beam path of the processing optics clearly in front of the rear focal plane of the focusing optics.
  • the partial beams typically largely overlap at least partially over the entire optical path length covered up to the workpiece to be processed. Furthermore, as a rule, all of the partial beams generated by the polarizer arrangement pass through the same optical components.
  • the processing optics can have a preferably diffractive beam splitter optics for generating a plurality of pairs of partial beams polarized perpendicularly to one another.
  • the beam splitter optics can be designed, for example, in the form of a diffractive optical element, but it can also be a different type of beam splitter optics, for example a geometric beam splitter optics.
  • the beam splitter optics can be arranged in the beam path of the laser beam entering the processing optics in front of the polarizer element or in front of the polarizer arrangement and generate several input laser beams that are each split into a pair of perpendicularly polarized partial beams on the polarizer element. The reverse is also possible, i.e.
  • the beam splitter optics can be arranged in the beam path after the birefringent polarizer element.
  • a plurality of pairs of partial beams are generated from the pair of partial beams generated by the polarizer element by means of the beam splitter optics, the focus zones of which can partially overlap along a preferred direction, in particular as described above.
  • the beam splitter optics can be arranged in a plane that is optically conjugate to the focal plane. In the plane conjugate to the focal plane, an angular offset can be generated between the pairs of partial beams, which is transformed by the focusing optics into a spatial offset in the focal plane.
  • the beam splitter optics can, for example, be in a plane that is optically conjugate to the focal plane be arranged between the further imaging optics described above and the focusing optics in order to generate the plurality of pairs of partial beams from a pair of partial beams generated by the polarizer element.
  • the preferred diffractive beam splitter optics can also be designed as beam-shaping optics for converting an entering laser beam with a Gaussian beam profile into an exiting laser beam with a flat-top beam profile.
  • Shaping a laser beam with a flat-top beam profile i.e. with a beam profile that has an essentially homogeneous intensity distribution with steeply sloping edges, enables the intensity distribution to be controlled on an area that is oriented essentially perpendicular to the direction of propagation.
  • the processing optics comprise a rotary drive for rotating the polarizer arrangement and / or the beam-shaping optics about a (possibly common) axis of rotation.
  • the axis of rotation of the rotary drive typically coincides with the optical axis of the processing optics. The rotation is particularly useful if partially overlapping focus zones are to be generated along a predetermined interaction area, in particular along a preferred direction.
  • the birefringent polarizer element or the polarizer arrangement as a whole only contains components that are not critical for adjustment, which favors its use in adaptive optics in particular.
  • the spatial offset or the angular offset generated by the polarizer element is usually not symmetrical to the direction of propagation of the input beam, ie to the optical axis or to the axis of rotation.
  • the polarizer element is rotated about an axis of rotation, which usually runs in the longitudinal direction, ie along the direction of propagation of the input beam or the optical axis of the processing optics, an undesirable angle and / or location that is dependent on the angle of rotation may occur -Offset of the partial beams.
  • a suitably designed further optical element can be used in the polarizer arrangement, for example the wedge-shaped optical element described above.
  • the focus zones of two or more quasi-non-diffractive beams with a comparatively long focus volume are at least partially superimposed spatially, as a rule, as described in more detail above.
  • the invention also relates to a laser processing device, comprising: processing optics, which are designed as described above, and a laser source, in particular an ultrashort pulse laser source, for generating a laser beam, in particular a laser beam with a Gaussian beam profile.
  • a laser source in particular an ultrashort pulse laser source
  • the laser source is preferably designed to generate a single-mode laser beam with a Gaussian beam profile, but this is not absolutely necessary.
  • the processing optics can be accommodated, for example, in a laser processing head or in a housing of a laser processing head, in particular in the form of a module or in the form of modules of a modular laser processing head that can be moved relative to the workpiece.
  • the laser processing device can alternatively or additionally comprise a scanner device in order to align the partial beams on the workpiece or on different positions on the workpiece.
  • the processing optics can also have other optics which, for example, enable spatial filtering or spatial rearrangement of the input laser beam in order to favor beam shaping, e.g. homogenization of a Bessel-like beam profile, mask imaging, etc.
  • the laser source can be designed to supply a laser beam with individual pulses or with burst pulses (e.g. 2-6 pulses in a burst with a burst pulse interval of 2 ns to 150 ns, preferably 13 ns to 40 ns) produce.
  • the individual pulses or the pulses in the burst advantageously have a pulse duration between 200 fs and 20 ps, in particular between 300 fs and 20 ps.
  • the pulse energy (entire burst or as a single pulse) is preferably between 10 pJ and 10 mJ, in particular between 30 pJ and 1 mJ.
  • the spatial pulse spacing or the modification spacing between adjacent focus zones of the interaction area that is generated by the laser processing device is preferably between approx. 0.8 pm and approx.
  • the invention also relates to a method of the type mentioned at the beginning, further comprising: changing an angle and / or a distance of at least one of the partial beams relative to an optical axis of the processing optics to at least one further optical element of the polarizer arranged in the beam path after the birefringent polarizer element -Arrangement.
  • the method offers the advantages described above in connection with the processing optics.
  • Laser processing or workpiece processing can involve laser ablation, laser cutting, surface structuring, laser welding, laser drilling, ...
  • FIG. 1a-c schematic representations of three birefringent polarizer
  • 2a, b are schematic representations of a polarizer arrangement with a birefringent polarizer element and an isotropic optical element for aligning one of the two partial beams parallel to the optical axis,
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a polarizer arrangement with a birefringent polarizer element and with a further birefringent optical element for the formation of two partial beams which intersect at a predetermined distance from the polarizer arrangement
  • FIG. 6a, b schematic representations of the with the polarizer arrangement of Fig.
  • FIG. 7a, b are schematic representations of processing optics with beam-shaping optics for forming two partially overlapping partial beams with a Bessel-shaped beam profile and with a polarizer arrangement according to FIG. 2a for generating an angular offset or with a polarizer element according to FIG. 1b to generate a spatial offset between the two partial beams,
  • FIG. 8a-c show a schematic representation of processing optics with beam-shaping optics and with an interaction area with two partially overlapping partial beams that have a spatial offset or processing optics that have a polarizer arrangement according to FIG. 2a or according to FIG. 3c .
  • birefringent polarizer element 1a, 1b, 1c each schematically show a birefringent polarizer element 1a, 1b, 1c in the form of a birefringent crystal.
  • Different birefringent materials can be used as the crystal material for the polarizer element 1a, 1b, 1c, e.g. alpha-BBO (alpha-barium borate), YV04 (yttrium vandanate), crystalline quartz, etc.
  • the birefringent polarizer element 1a of Fig. 1a is wedge-shaped, i.e. a planar beam entry surface 2a for the entry of an input laser beam 3 and a planar beam exit surface 2b of the polarizer element 1a are aligned at a (wedge) angle to one another.
  • the optical axis or an optical axis 4 of the crystal material is aligned parallel to the beam entrance surface 2a.
  • the first, p-polarized partial beam 5a is identified by a double arrow, while the second, p-polarized partial beam 5b is identified by a point.
  • the first, p-polarized partial beam 5a is refracted more strongly when exiting the birefringent polarizer element 1a than the second, s-polarized partial beam 5b, so that an angular offset Da occurs between the first and second partial beams 5a, 5b.
  • the first and second partial beams 5a, 5b emerge from the birefringent polarizer element 1a at the same point on the beam exit surface 2b; la generated.
  • the first partial beam 5a which forms the ordinary beam
  • the second partial beam 5b which forms the extraordinary beam
  • the second partial beam 5b is refracted at a second, smaller angle a eo relative to the optical axis 6.
  • the power components in the division of the entrance laser beam 3 into the first, ordinary partial beam 5a and the second, extraordinary partial beam 5b depend on the polarization of the entrance laser beam 3: If the entrance laser beam 3 is elliptically polarized, the ratio of the flal axes of the entrance laser beam 3 in X- Direction or in the Y direction, the power ratio of the ordinary partial beam 5a and the extraordinary partial beam 5b can be set. In the case of an unpolarized, linearly or circularly polarized entry laser beam 3, the power components can optionally be adjusted by a different alignment relative to the XZ plane. The use of an unpolarized or circularly polarized input laser beam 3 is particularly advantageous if the preferred direction is to be rotated during processing (see below).
  • the beam entrance surface 2a and the beam exit surface 2b are aligned parallel to one another and the optical axis 4 of the birefringent crystal material is aligned at an angle of 45 ° to the beam entrance surface 2a.
  • the input beam 3 impinging perpendicular to the beam entry surface 2a is in this case divided at the beam entry surface 2a into a first, ordinary partial beam 5a and a second, extraordinary partial beam 5b.
  • the two partial beams 5a, 5b emerge parallel to the beam exit surface 2b, that is to say without an angular offset, but with a local offset Dc.
  • the beam entry surface 2a is oriented at an angle to the optical axis 6 and the beam exit surface 2b is oriented perpendicular to the optical axis 6.
  • the optical axis 4 of the crystal material is oriented at an angle of 45 ° to the beam exit surface 2b, but can also be oriented at a different angle.
  • the input beam 3 impinging perpendicular to the beam exit surface 2b is in this case divided at the beam entry surface 2a into a first, ordinary partial beam 5a and a second, extraordinary partial beam 5b.
  • the two partial beams 5a, 5b emerge at the beam exit surface 2b with an angular offset Da and with a spatial offset Dc.
  • the birefringent polarizer elements 1a, 1b, 1c shown in FIGS. 1a to 1c thus differ fundamentally in that the polarizer element 1a shown in FIG. 1b shown polarizer element 1b a local offset Dc (without angular offset) and that the polarizer element 1c shown in Fig. 1c generates a local offset Dc and an angular offset Da.
  • the polarizer elements 1a-c shown in Fig. 1a-c can each form a component of a polarizer arrangement 7, as shown, for example, in Fig.
  • the polarizer arrangement 7 of FIGS. 2a, b each has an additional optical element 8, which is a non-birefringent, optically isotropic optical element.
  • the polarizer element 1a is as in FIG. 1a shown and is used to generate an angular offset Da without generating a local offset.
  • the two partial beams 5a, b are refracted to different degrees in the same direction by the birefringent optical element 1a, ie neither of the two partial beams 5a, 5b runs when exiting the birefringent optical element Polarizer element 1a parallel to optical axis 6.
  • the second partial beam 5b runs almost exactly along the optical axis 6, ie it is only a very small distance from the optical axis 6, see also the illustration in FIG 2a on the right-hand side, which shows a top view of the two partial beams 5a, b in the XY plane perpendicular to the optical axis 6.
  • the angular offset Da between the two partial beams 5a, b is retained when passing through the optically isotropic element 8. It is possible for the second partial beam 5b to be positioned exactly on the optical axis 6 when the optically isotropic element 8 is rotated or tilted about the Y axis. Similar to a tilted plane-parallel optical element, a additional parallel offset of the two partial beams 5a, 5b, which can be selected so that the first partial beam 5a runs along the optical axis 6.
  • the axis of rotation Z (of an XYZ coordinate system) coinciding with the optical axis 6 is fixedly predetermined and by the choice of the wedge angle gk of the wedge-shaped optically isotropic element 8, which is in the XZ plane, shown in FIG of the wedge angle g of the birefringent polarizer element 1a, the two partial beams 5a, 5b can be positioned at any distance in the X direction to the axis of rotation Z.
  • the distance Xeo of the second, extraordinary partial beam 5b to the optical axis 6 depends on the wedge angle gk of the wedge-shaped optically isotropic element 8 and, in the example shown, does not depend on the position in the Z direction, since the second partial beam 5b is parallel to the optical axis 6 is aligned.
  • the spatial offset DC between the two partial beams 5a, 5b is dependent on the wedge angle g r of the birefringent polarizer element 1a and on the position in the Z direction.
  • the two partial beams 5a, 5b are also deflected together in the YZ plane.
  • the (identical) distance Y 0 , Yeo of the two partial beams 5a, 5b from the optical axis 6 in the Y direction can be specified, that of the position in the Z direction is dependent.
  • the polarizer arrangement 7 shown in Fig. 2a which uses a birefringent polarizer element 1a, which produces only an angular offset Da, but no spatial offset, can be implemented in a compact design and has proven itself in applications in which a rotation of the polarizer -Arrangement 7 around the axis of rotation Z is required, has proven to be particularly favorable.
  • the polarizer arrangement 7 can be integrated particularly easily into a mechanical mount.
  • the use of the polarizer element 1a has also proven to be advantageous compared to the use of the polarizer element 1b shown in FIG. 1b in such applications for other reasons.
  • FIG. 2b shows a polarizer arrangement 7 which has a birefringent polarizer element 1c which, as in FIG.
  • the optical axis 4 of the birefringent crystal is aligned at 45 ° to the beam entrance surface 2a.
  • the local offset Dc at the beam exit surface 2b depends on the alignment of the optical axis 4 of the birefringent crystal and is at a maximum of less than 45 ° in the shown alignment.
  • one of the two partial beams 5 a, b is also aligned on the optically isotropic wedge-shaped element 8 parallel to the optical axis 6. In contrast to the example shown in FIG. 2a, this is the first, ordinary partial beam 5a.
  • both partial beams 5a, 5b are refracted at the optically isotropic element 8 towards the optical axis 6.
  • the first, ordinary partial beam 5a runs after the optically isotropic element 8 parallel to the optical axis 6, while the second, extraordinary partial beam 5b, after passing through the optically isotropic element 8, approaches the optical axis 6 and intersects it at an angle a e o.
  • FIGS. 3a, b each show a polarizer arrangement 7 which is designed to align the two partial beams 5a, b parallel to one another.
  • the polarizer arrangement 7 shown in FIGS. 3a, b has the arrangement shown in FIG has another birefringent optical element 11 and a further optically isotropic element 12 following in the beam path 10.
  • the further birefringent optical element 11 of the beam offset optics 9 serves to align the two partial beams 5a, 5b parallel to one another when they exit the further birefringent optical element 11.
  • the two partial beams 5a, b aligned parallel to one another are refracted at a beam entrance surface of the further optically isotropic element 12 and aligned parallel to the optical axis 6 so that both partial beams 5a, 5b make an angle a 0 and a e o of 0 ° to the optical Have axis 6.
  • the distance between the further birefringent optical element 11 and the further optically isotropic element 12 along the optical axis 6 is at The example shown in FIG. 3 a is selected such that the second partial beam 5 b is positioned exactly on the optical axis 6.
  • both partial beams 5a, b can also be aligned parallel to one another, so that they have a beam offset Dc 'but no angular offset to one another when they exit the polarizer arrangement 7, without this for this purpose a birefringent polarizer element 1b must be used, which generates a spatial offset Dc without an angular offset Da.
  • the beam offset Dc 'when exiting the polarizer arrangement 7 can be set. If the distance in the Z direction between the further birefringent optical element 11 and the further optically isotropic element 12 of the beam offset optics 11 is also suitably adapted, the second partial beam 5b can always be positioned on the optical axis 6.
  • both partial beams 5a, 5b can be positioned at the same distance X 0 , Xeo from the optical axis 6, as shown in FIG. 3b .
  • the beam offset Dc 'of the two partial beams 5a, 5b when exiting the polarizer arrangement 7 and thus their distance from the optical axis 6, as described above, can be achieved by changing the distance between the optically isotropic element 8 and the beam displacement optics 11 can be adjusted along the optical axis 6 (ie in the Z direction).
  • the 3c shows a polarizer arrangement 7 which has a birefringent polarizer element 1c which is additionally designed to generate an angular offset Da to generate a spatial offset Dc.
  • the polarizer arrangement 7 shown in FIG. 4 has a birefringent polarizer element 1b which is designed as in FIG. 1b and which generates a spatial offset Dc without an angular offset Da.
  • a further birefringent optical element 13 is arranged in the beam path 10 after the birefringent polarizer element 1b, which refracts the two partial beams 5a, b aligned at an angle a 0 and a e o of 0 ° to the optical axis 6 to different degrees, so that after passing through the further birefringent optical element 13, these each have an angle a 0 or a e o to the optical axis 6.
  • the angle a e o at which the second, extraordinary partial beam 5b extends to the optical axis 6 is smaller than the angle a 0 at which the first partial beam 5a extends to the optical axis 6. Due to the spatial offset Dc between the two partial beams 5a, 5b, they intersect at a predetermined distance behind the polarizer arrangement 7, as can also be seen in FIG. 4.
  • the polarizer arrangement 7 shown in FIG. 4 has similar properties to the polarizer arrangement 7 shown in FIG. 3c. In the polarizer arrangement 7 shown in FIG. 4, however, the distance between the birefringent polarizer element 1b and the further birefringent optical element 13 in the Z direction can be freely selected, so that this polarizer arrangement 7 is less sensitive to tolerances.
  • the two partial beams 5a, 5b run mirror-symmetrically to the ZY plane.
  • the polarizer arrangement 7 of FIGS. 5a-c each has a further birefringent optical element 13.
  • the birefringent polarizer element 1b is designed to generate a constant spatial offset Dc (without angular offset) between the two partial beams 5a, 5b
  • the further birefringent optical element 13 is also designed to generate a spatial offset (without angular offset).
  • the polarizer arrangement has a rotary drive 14a, which is designed to rotate the further optical element 13 about an axis of rotation Z which coincides with the optical axis 6.
  • a spatial offset Dc 'generated by the polarizer arrangement 7 between the two partial beams 5a, 5b can be set, as can be seen in FIG. 6a .
  • a polarization-influencing optical element 15 for example in the form of a suitably aligned 1/2 retardation plate, is arranged in front of the further birefringent optical element 13.
  • This is favorable because if the optical axes 4 of the birefringent polarizer element 1b and of the birefringent further optical element 13 do not lie in one plane, in the general case not two but four partial beams 5a-d are formed, as in this case is indicated by dashed lines in Figure 5a.
  • the polarization-influencing optical element 15 is designed as a 1/4 retardation plate
  • the two partial beams 5a, 5b which are linearly polarized after exiting the birefringent polarizer element 1b, can be converted into circularly polarized partial beams.
  • the power of the input laser beam can be divided into the two partial beams 5a, 5b.
  • the aid of the 1/4 retardation plate 15 to undertake a cascaded beam splitting in a targeted manner in order, for example, to generate four partial beams 5a-d, as indicated in FIG. 5a.
  • the polarization-influencing optical element 13 is rotated with the aid of the rotary drive 14a in order to set the distance or the beam offset DC between the partial beams 5a-d in the X direction, it is typically not necessary to change the first / 4-retardation plate 15 should be rotated accordingly in order to maintain the effect of the even distribution.
  • the further birefringent optical element 13 can also be rotated by means of a rotary drive 14 relative to the birefringent polarizer element 1a about the optical axis 6 to set or change an angular offset Da 'generated by the polarizer arrangement 7.
  • the birefringent polarizer element 1a is designed to generate a constant angular offset Da and the angular offset Da 'generated by the polarizer arrangement 7 can be set as a function of the rotation angle cp of the further birefringent optical element 13 as shown in Fig. 6b.
  • a polarization-influencing optical element 15 can also be arranged in front of the further birefringent optical element 13 in the example shown in FIG. 5b.
  • the further birefringent optical element 13 can be displaced along the optical axis 6 with the aid of a translational drive 14b.
  • the birefringent polarizer element 1a is designed as in FIG. 5b to generate a constant angular offset Da (without local offset).
  • the (constant) angular offset Da is converted into a spatial offset Dc ', the amount of which depends on the distance between the birefringent polarizer element 1a and the further birefringent optical element 13, which is determined with the aid of the translational drive 15 is changed.
  • the respective birefringent polarizer element 1a, 1b and the further birefringent optical element 13 can be of identical construction.
  • All of the polarizer arrangements 7 shown above can form a component of processing optics 16, which can be designed, for example, as shown in FIGS. 7a, b.
  • the processing optics 16 shown in FIGS. 7a, b have focusing optics 17 which are used to focus the two partial beams 5a, 5b in the area of a focal plane 18 which, in FIGS. 2a, b, lies on the upper side of a workpiece 19 to be processed.
  • the focal plane 18 can also be in the beam path 10 of the processing optics 16 shortly before the workpiece 19, in a plane within the workpiece 19 or shortly after Workpiece 19 lie.
  • the processing optics 16 shown in FIGS. 7a, b are designed, to focus the two partial beams 5a, 5b on two focus zones 22a, 22b in or in the vicinity of the focal plane 18, which partially overlap and which are shown in Fig. 7a, b by a black and a white circle.
  • the processing optics 16 can be moved relative to the workpiece 19 and / or have a scanner device for aligning the partial beams 5a, 5b at different locations in the area of the focal plane 18.
  • the polarizer arrangement 7 with the birefringent polarizer element 1a and the further optically isotropic element 8 from FIG. 2a are arranged in or near a plane 24 that is optically conjugate to the focal plane 18.
  • the optically conjugate plane 24 is linked to the focal plane 18 by an angle-to-position transformation (Fourier transformation) which is generated by the focusing optics 17. Angles in the optically conjugate plane 24 correspond to locations in the focal plane 18 and vice versa.
  • the two partial beams 5a, 5b emerging from the polarizer element 1a with the angular offset Da are therefore focused in the focal plane 18 with a spatial offset DC "of the two centers of the focus zones 22a, b, which is smaller than the diameter of the focus zones 22a, b, so that the two focus zones 22a, b overlap one another. Due to the non-existent spatial offset of the two partial beams 5a, 5b emerging from the polarizer element 1a, the two partial beams 5a, 5b are aligned parallel and perpendicular to the focal plane 18 after passing through the focusing optics 17. The distance between the focal plane 18 and the optically conjugate plane 24 is 2 f in the example shown in FIG.
  • the processing optics 16 shown in FIG. 7 b have a further imaging optics 25 which are arranged in the beam path 10 in front of the focusing optics 17.
  • the other The imaging optics 25 together with the focusing optics 17 form the two partial beams 5a, which are arranged in the beam path 10 in front of the further imaging or collimating optics 25, of the polarizer arrangement 7 from FIG. 5a with a variable spatial offset Dc ', 5b into the focal plane 18.
  • the imaging scale for imaging in the focal plane 18 is selected in such a way that the diameter of the two partial beams 5a, b and the distance Ax ′′ between the two partial beams 5a, b in the focal plane 8 are reduced. In the example shown in FIG.
  • the polarizer element 1b is arranged for simplicity at a distance of 4 f from the focal plane 18 in a further plane 24 corresponding to the focal plane 18.
  • the further optics 25 and the focusing optics 17 have different focal lengths fi, f2, ie the further plane 24 is arranged at a distance 2 (fi + f2).
  • the image scale can be set, for example in order to bring about the reduction described above.
  • the local distribution in the further level 24 corresponds to the local distribution in the focal plane 18 (with an adaptation of the scale). Since the polarizer element 1b is arranged in the collimated beam path 10 of the laser beam 21 entering the processing optics 16, it is not absolutely necessary that it is positioned in the further plane 24, but can also be positioned in the beam path 10 before or after the further plane 24 be arranged.
  • the processing optics 16 of Fig. 7a, b also have a beam-shaping optics 26 for converting a laser beam entering the processing optics 16, which in the example shown corresponds to the laser beam 21 with a Gaussian beam profile generated by the laser source 20, into an input laser beam 3 a quasi-non-diffractive beam profile, more precisely with a Bessel-like beam profile, which strikes the polarizer arrangement 7.
  • the Bessel-like beam profile can be rotationally symmetrical to the direction of propagation, but it is also possible for the beam-shaping optics 26 to generate a non-rotationally symmetrical beam profile which has a preferred direction, ie the beam-shaping optics 26 act in the manner of a beam splitter optics.
  • Others too or more complex beam profiles for example non-diffractive beam profiles such as Airy beam profiles, Mathieu beam profiles, beam homogenization, the generation of a vortex, a bottle, ... can be generated with the aid of the beam-shaping optics 26.
  • the beam-shaping optics 26 can be designed as a diffractive optical element, as an axicon, ... or a combination of these elements.
  • the beam-shaping optics 26 can also be designed as a diffractive optical element which has the function of an axicon.
  • the beam-shaping optics 26 in the present example there is a beam profile which corresponds to an essentially rotationally symmetrical Bessel beam, i.e. a radial intensity profile in the transverse direction in the form of a Bessel function.
  • the processing optics 16 shown in FIG. 7a additionally have an imaging or collimating optics 25, which are arranged in the beam path 10 between the beam-shaping optics 26 and the polarizer element 1a of the polarizer arrangement 7 and which are used for reduced imaging.
  • an imaging or collimating optics 25 which are arranged in the beam path 10 between the beam-shaping optics 26 and the polarizer element 1a of the polarizer arrangement 7 and which are used for reduced imaging.
  • the far field of the Bessel-like beam profile is present in FIG. 7a.
  • the generation of a beam profile in the form of a Bessel-like beam has proven to be advantageous for separating a workpiece 19 which is made of a transparent material, for example glass, and in which separation and possibly crack guidance along a predetermined direction is beneficial that of the in Fig.
  • the longitudinal beam profile of the partial beams 5a, 5b that penetrate the workpiece 19 runs almost homogeneously over a comparatively great length also facilitates the separation, possibly with crack formation, and thus the separating processing of the glass material.
  • a plurality of pairs of focus zones 22a, 22b can be generated in the area of the focal plane 18, which are arranged next to one another along the preferred direction X, with focus zones 22a, 22b of partially overlap adjacent partial beams 5a, 5b and form a coherent interaction region 27, which extends along the preferred direction X in the example shown.
  • the interaction area 27 can also extend along a non-linear contour, which can also extend into the volume of the workpiece 19 in particular in the Z direction.
  • the beam path 10 of the processing optics 16 shown schematically in FIGS. 7a, b is shown in a more realistic manner in FIGS. 8a-c.
  • 8a shows the beam path 10 without the polarizer device 7, i.e. only the beam-shaping optics 26, which generate a Bessel-like beam profile from the laser beam 12 entering the processing optics 16.
  • the beam-shaping optics 26 can have a refractive optical element in the form of an axicon, but a diffractive optical element can also be used as the beam-shaping optics 26 instead of the axicon.
  • a Bessel-like beam profile with a preferred direction (X direction) with a plurality of partial beams 5a, b overlapping in pairs can also be generated (cf. FIGS. 7a, b), ie the beam-shaping optics 26 acts like a beam splitter optic.
  • FIG. 8b shows the processing optics 16 from FIG. 7a, which additionally have the polarizer arrangement 7 from FIG. 2a with the polarizer element 1a and the further optically isotropic element 8, which is arranged in the beam path 10 behind the beam-shaping optics 26 and which splits the input laser beam 3 into two partial beams 5a, 5b polarized perpendicularly to one another, in order to generate the interaction region 27 which is shown in FIG. 8a and is extended in the longitudinal direction Z.
  • the interaction region 27 has a preferred direction X, along which the two partial beams 5a, 5b or the two focus zones 22a, 22b have a spatial offset Ax ′′ to one another.
  • the polarizer arrangement 7 comprises a birefringent polarizer element 1c, which generates both a spatial offset Dc and an angular offset Da, as well as a further birefringent optical element 13.
  • the focusing optics 17 are shown in FIGS. 8b, c only by way of example as a lens and, as a rule, have several optical elements which together form an objective.
  • the focusing optics 17 also have a rear focal plane 18a which faces the polarizer arrangement 7.
  • the respective polarizer arrangement 7 of the processing optics 16 shown in FIGS. 8b, c makes it possible to position one of the two partial beams 5a, 5b on the optical axis 6, but this is not absolutely necessary. As described above, this is beneficial in order to prevent beam wobbling when the polarizer arrangement 7 - typically together with the beam-shaping optics 26 - is rotated by means of the rotary drive 9 around the optical axis 6 of the processing optics 16 in order to adjust the position of the To change the preferred direction in the XY plane during the machining of the workpiece 19 (to rotate).
  • a glass cutting or glass cutting application can be carried out in a particularly advantageous manner, which as a rule requires high fluences.
  • a laser beam 21 with individual pulses or with burst pulses (for example 2-6 pulses in burst with a burst pulse interval of 2 ns to 150 ns, preferably 13 ns to 40 ns) is typically used.
  • the individual pulses or the pulses in the burst advantageously have a pulse duration between 200 fs and 20 ps, in particular between 300 fs and 20 ps, ie the laser source 20 is designed as an ultra-short pulse laser source.
  • the pulse energy (entire burst or as a single pulse) is preferably between 10 pJ and 10 mJ, in particular between 30 pJ and 1 mJ.
  • the spatial pulse spacing or the modification spacing between adjacent focus zones 22a, 22b of the Interaction area 27 is typically between approx. 0.8 gm and approx. 30 gm.
  • An essential advantage of the processing optics 16 shown in FIGS. 8a-c is that the polarizer arrangement 7 can be arranged comparatively far from the rear focal plane 18a of the focusing optics 17.
  • the fluences that occur are very large, especially in the quasi-Bessel case, since a ring focus is formed there in this case.
  • the comparatively large distance of the polarizer arrangement 7, more precisely the last optical element 8, 13 of the polarizer arrangement 7, from the rear focal plane 18a, which is typically at least as large as the rear focal length of the focusing optics 17, can damage the polarizer -Arrangement 7 can usually be avoided by too high fluences.
  • the rear focal plane 18a is mechanically not easily accessible, particularly in the case of short focal lengths of the focusing optics 17.
  • a delay element e.g. in the form of a 1/4 plate, can be arranged at a suitable point in the beam path 10 after the polarizer arrangement 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Bearbeitungsoptik (16) zur Werkstückbearbeitung, umfassend: eine Polarisator-Anordnung (7), die ein doppelbrechendes Polarisator-Element (1a, 1c) zur Aufteilung mindestens eines insbesondere gepulsten Eingangslaserstrahls (3) auf mindestens zwei Teilstrahlen (5a, 5b) mit jeweils einem von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen umfasst, sowie eine im Strahlengang nach der Polarisator-Anordnung (7) angeordnete Fokussieroptik (17) zur Fokussierung der Teilstrahlen (5a, 5b) auf mindestens zwei Fokuszonen, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisator-Anordnung (7) mindestens ein im Strahlengang nach dem doppelbrechenden Polarisator-Element (1a, 1c) angeordnetes weiteres optisches Element (8, 13) zur Veränderung eines Winkels und/oder eines Abstands mindestens eines der Teilstrahlen (5a, 5b) relativ zu einer optischen Achse (6) der Bearbeitungsoptik (16) aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die eine solche Bearbeitungsoptik (16) sowie eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls aufweist, sowie ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks mittels einer Bearbeitungsoptik (16).

Description

Bearbeitungsoptik, Laserbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur
Laserbearbeitung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsoptik zur Werkstückbearbeitung, insbesondere mittels einer Ultrakurzpuls-Laserquelle, umfassend: eine Polarisator- Anordnung, die ein doppelbrechendes Polarisator-Element zur Aufteilung mindestens eines insbesondere gepulsten Eingangslaserstrahls auf mindestens zwei Teilstrahlen mit jeweils einem von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen umfasst, sowie eine im Strahlengang nach der Polarisator-Anordnung angeordnete Fokussieroptik zur Fokussierung der Teilstrahlen auf mindestens zwei Fokuszonen. Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer solchen Bearbeitungsoptik, sowie ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks mittels einer Bearbeitungsoptik, umfassend: Aufteilen mindestens eines insbesondere gepulsten Eingangslaserstrahls auf mindestens zwei Teilstrahlen, die jeweils einen von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen, an einem doppelbrechenden Polarisator-Element einer Polarisator-Anordnung, sowie Fokussieren der Teilstrahlen auf Fokuszonen im Bereich des Werkstücks mittels einer Fokussiereinrichtung der Bearbeitungsoptik. Im Sinne dieser Anmeldung werden unter Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen linear polarisierte Teilstrahlen verstanden, deren Polarisationsrichtungen in einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sind. Unter Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen werden aber auch zirkular polarisierte Teilstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn verstanden, d.h. zwei links bzw. rechts zirkular polarisierte Teilstrahlen. Die Umwandlung von linear polarisierten Teilstrahlen mit senkrecht zueinander ausgerichteten Polarisationsrichtungen in zirkular polarisierte Teilstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn kann z.B. mit Hilfe einer geeignet orientierten Verzögerungsplatte (l/4-Platte) erfolgen.
Bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere beim Laserabtragen, Laserschneiden, Oberflächenstrukturieren, Laserschweißen, Laserbohren, etc. ist es günstig, einen Eingangslaserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen, die an unterschiedlichen Orten auf das Werkstück auftreffen bzw. fokussiert werden. Die Aufteilung kann an einem Polarisator-Element erfolgen, wobei aus einem Eingangslaserstrahl in der Regel zwei Teilstrahlen mit jeweils einem von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen, z.B. zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen, als Ausgangslaserstrahlen gebildet werden. Es ist möglich, dass mehrere Eingangslaserstrahlen, die räumlich versetzt sind oder die einen Winkelversatz aufweisen, auf das Polarisator-Element auftreffen. Jeder der Eingangslaserstahlen kann in diesem Fall in ein Paar von Teilstrahlen mit jeweils einem von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufgeteilt werden. Ob bzw. mit welchen Leistungsanteilen die beiden Teilstrahlen gebildet werden, hängt von der Polarisation des Eingangslaserstrahls ab.
In der WO2015/128833A1 ist ein Laser-Schneidkopf beschrieben, der ein im Strahlengang eines Laserstrahls angeordnetes polarisierendes Strahlversatzelement zur Erzeugung zweier linear polarisierter Teilstrahlen aufweist. Das polarisierende Strahlversatzelement ist in einem divergenten oder in einem konvergenten Strahlengang-Abschnitt des Laserstrahls angeordnet. Das Strahlversatzelement kann aus einem doppelbrechenden Material gebildet sein. Bei der Verwendung einer fokussierenden, vergrößernden Optik und einem im Strahlengang hinter der fokussierenden Optik angeordneten Strahlversatzelement kann es zu einer teilweisen Überlagerung der beiden Teilstrahlen in der Fokusebene kommen. Aus der WO2015/5114032 A1 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Werkstückbearbeitung bekannt geworden, die eine Bearbeitungsoptik aufweist, bei der ein Eingangslaserstrahl an einem Polarisator in zwei senkrecht polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die Bearbeitungsoptik weist eine größere Weglänge für den zweiten Teilstrahl als für den ersten Teilstrahl auf, wodurch der zweite Teilstrahl eine längere Laufzeit als der erste Teilstrahl aufweist. Der zweite Teilstrahl wird in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl verändert. Der veränderte zweite Teilstrahl wird dem ersten Teilstrahl derart überlagert, dass beide Teilstrahlen einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl bilden.
In der WO2018/020145A1 ist ein Verfahren zum Schneiden von dielektrischem oder Halbleiter-Material mittels eines gepulsten Lasers beschrieben, bei dem ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die in zwei räumlich getrennten, um einen Abstand zueinander versetzten Zonen auf das Material treffen. Der Abstand wird auf einen Wert unterhalb eines Schwellwerts eingestellt, um einen geradlinigen Mikro-Bruch in dem Material zu erzeugen, der in einer vorgegebenen Richtung zwischen den beiden zueinander versetzten Zonen verläuft. An den beiden Teilstrahlen kann eine Strahlformung zur Erzeugung einer Ortsverteilung auf dem Material in Form eines Bessel-Strahls durchgeführt werden.
Die WO2016/089799A1 beschreibt ein System zum Laserschneiden mindestens eines Glas-Artikels mittels einer gepulsten Laser-Baugruppe, die ein strahlformendes optisches Element zur Umwandlung eines Eingangsstrahls in einen quasi- nichtbeugenden Strahl, beispielsweise einen Bessel-Strahl, umfasst. Die Laser- Baugruppe umfasst auch ein Strahl-Transformations-Element zur Umwandlung des quasi-nichtbeugenden Strahls in mehrere zwischen 1 gm und 500 gm voneinander beabstandete Teilstrahlen. Die Phase mindestens eines der quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen kann zwischen ca. TT/4 und ca. 2 p verschoben sein.
In der DE 102019205394.7 ist eine Bearbeitungsoptik zur Werkstückbearbeitung beschrieben, die 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 aufweist, wobei die Bearbeitungsoptik zur Erzeugung von zumindest teilweise überlappenden Fokuszonen der senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen ausgebildet ist. Die Bearbeitungsoptik kann zur Erzeugung einer Mehrzahl von Paaren von zumindest teilweise überlappenden Fokuszonen entlang einer vorgegebenen Kontur in einer Fokusebene ausgebildet sein, wobei sich Fokuszonen von jeweils zwei senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen von unmittelbar benachbarten Paaren zumindest teilweise überlappen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bearbeitungsoptik, eine Laserbearbeitungsvorrichtung damit sowie ein Verfahren zum Laserbearbeiten bereitzustellen, welche es ermöglichen, die Teilstrahlen in den Fokuszonen unter definierten Winkeln und/oder Positionen zur optischen Achse der Bearbeitungsoptik auszurichten.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bearbeitungsoptik der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Polarisator-Anordnung mindestens ein im Strahlengang nach dem doppelbrechenden Polarisator-Element angeordnetes weiteres optisches Element zur Veränderung eines Winkels und/oder eines Abstands mindestens eines der Teilstrahlen relativ zu einer optischen Achse der Bearbeitungsoptik aufweist.
Bei der Aufteilung des Eingangslaserstrahls auf die mindestens zwei Teilstrahlen an dem bzw. an einem einzigen doppelbrechenden Polarisator-Element kann ggf. nicht derjenige Abstand und/oder diejenige Ausrichtung der Teilstrahlen relativ zur optischen Achse der Bearbeitungsoptik erzeugt werden, der/die bei der Fokussierung der Teilstrahlen auf die Fokuszonen erzeugt werden soll. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mittels ein- und desselben Polarisator-Elements in der Regel nicht gleichzeitig ein vorgegebener Orts- und/oder Winkelversatz der beiden Teilstrahlen relativ zueinander und ein gewünschter Winkel und/oder eine gewünschte Position in Bezug auf die optische Achse der Bearbeitungsoptik erzeugt werden können. Um beides zu erreichen, wird vorgeschlagen, mindestens ein weiteres optisches Element im Strahlengang nach dem doppelbrechenden Polarisator-Element anzuordnen.
In der Regel trifft der Eingangslaserstrahl parallel zur optischen Achse, insbesondere entlang der optischen Achse der Bearbeitungsoptik auf das doppelbrechende Polarisator-Element auf. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, durch eines oder mehrere optische Elemente, die im Strahlengang vor dem Polarisator-Element angeordnet sind, die Ausrichtung und/oder die Position des Eingangslaserstrahls relativ zur optischen Achse einzustellen bzw. vorzugeben.
Auch wenn in der nachfolgenden Beschreibung nur eine Polarisator-Anordnung mit einem doppelbrechenden Polarisator-Element zur Aufteilung in zwei Teilstrahlen beschrieben ist, können grundsätzlich auch zwei oder mehr doppelbrechende Polarisator-Elemente in der Bearbeitungsoptik vorgesehen sein. Beispielsweise kann in diesem Fall der von einer Laserquelle erzeugte, in die Bearbeitungsoptik eintretende Laserstrahl in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt werden, die jeweils einen Eingangslaserstrahl für ein zugehöriges doppelbrechendes Polarisator- Element darstellen, oder es können die Laserstrahlen mehrerer Laserquellen als Eingangslaserstrahlen verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform ist das Polarisator-Element zur Erzeugung eines Ortsversatzes und/oder eines Winkelversatzes zwischen den Teilstrahlen mit den unterschiedlichen Polarisationszuständen ausgebildet. In der Regel wird beim Aufteilen des Eingangsstrahls auf die mindestens zwei Teilstrahlen an einem doppelbrechenden Polarisator-Element ein lateraler Versatz (Ortsversatz) und/oder ein Winkelversatz zwischen den beiden Teilstrahlen erzeugt. Das doppelbrechende Polarisator-Element kann entweder zur Erzeugung eines lateralen (Orts-)Versatzes oder zur Erzeugung eines Winkelversatzes oder zur Erzeugung einer Kombination eines Winkelversatzes und eines Ortsversatzes zwischen den beiden Teilstrahlen mit den unterschiedlichen Polarisationszuständen ausgebildet sein. Mit Hilfe eines doppelbrechenden Polarisator-Elements, typischerweise in Form eines doppelbrechenden Kristalls, wird bei geeigneter Polarisation des Eingangslaserstrahls, z.B. bei einem unpolarisierten Eingangslaserstrahl bzw. bei einem Eingangslaserstrahl mit Undefinierter, elliptischer oder zirkularer Polarisation, das gezielte räumliche Aufteilen des Eingangslaserstrahls in seine Polarisationsbestandteile ermöglicht. Die Aufteilung der Leistung des Eingangslaserstrahls auf die beiden Teilstrahlen ist abhängig von der Polarisation des Eingangslaserstahls bzw. kann durch die Wahl der Polarisation des Eingangslaserstrahls festgelegt werden: Ist die Polarisation des Eingangslaserstrahls linear oder weist eine sonstige Vorzugsrichtung auf, z.B. bei elliptischer Polarisation, erfolgt typischerweise keine gleichmäßige Aufteilung der Leistung des Eingangslaserstrahls auf die beiden Teilstrahlen.
Es kann sinnvoll sein, die Polarisation des Eingangslaserstrahls mit Hilfe von geeigneten polarisationsbeeinflussenden optischen Elementen, beispielsweise in Form von Verzögerungsplatten, zu beeinflussen, um das Teilungsverhältnis bei der Aufteilung des Eingangslaserstrahls auf die beiden Teilstrahlen gezielt zu beeinflussen und ggf. die Aufteilung des Eingangslaserstrahls auf die beiden Teilstrahlen ein- oder auszuschalten. Ist der Eingangslaserstrahl zirkular polarisiert, kann unabhängig vom Winkel einer ggf. vorhandenen Vorzugsrichtung bei der Bearbeitung (s.u.) eine Aufteilung der Leistung des Eingangslaserstrahls auf zwei Teilstrahlen mit vergleichbaren Leistungsanteilen erzielt werden.
Abhängig von der Ausgestaltung des doppelbrechenden Polarisator-Elements kann ein wohldefinierter, reiner Ortsversatz, ein wohldefinierter, reiner Winkelversatz oder eine Kombination aus einem definierten Ortsversatz und einem definierten Winkelversatz zwischen den beiden Teilstrahlen mit den unterschiedlichen Polarisationszuständen erzeugt werden.
Zur Erzeugung des Ortsversatzes (ohne Winkelversatz) kann das doppelbrechende Polarisator-Element beispielsweise parallel ausgerichtete, in der Regel plane Strahleintritts- und Strahlaustrittsflächen aufweisen. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Trifft der Eingangslaserstrahl senkrecht auf die Strahleintrittsfläche, wird an der Strahlaustrittsfläche ein reiner Ortsversatz erzeugt.
Zur Erzeugung des Winkelversatzes (ohne Ortsversatz) kann das doppelbrechende Polarisator-Element eine Strahlaustrittsfläche aufweisen, die unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche geneigt ist. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise parallel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Die beiden Teilstrahlen treten in diesem Fall an der Strahlaustrittsfläche an demselben Ort und mit einem definierten Winkelversatz aus dem doppelbrechenden Kristall aus.
Zur Erzeugung eines Orts- und Winkelversatzes kann das doppelbrechende Polarisator-Element eine Strahlaustrittsfläche aufweisen, die unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche geneigt ist. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche und zur Strahlaustrittsfläche ausgerichtet. Ein doppelbrechendes Polarisator-Element, das einen reinen Ortsversatz erzeugt und ein doppelbrechendes Polarisator-Element, das einen reinen Winkelversatz erzeugt, stellen Spezialfälle des hier beschriebenen doppelbrechenden Polarisator-Elements dar, das sowohl einen Winkelversatz als auch einen Ortsversatz erzeugt.
Bei einer Weiterbildung ist das Polarisator-Element zur Erzeugung eines Winkelversatzes zwischen den Teilstrahlen mit den unterschiedlichen Polarisationszuständen ausgebildet und das weitere optische Element ist ausgebildet, den Winkel mindestens eines der beiden Teilstrahlen relativ zur optischen Achse zu verändern, um den mindestens einen Teilstrahl parallel zur optischen Achse auszurichten. Eine Ausrichtung (mindestens) eines der Teilstrahlen parallel zur optischen Achse ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Polarisator- Element bzw. die Polarisator-Anordnung um die optische Achse gedreht wird, um eine Vorzugsrichtung bei der Bearbeitung des Werkstücks zu verändern. Eine solche Ausrichtung ermöglicht es, einen unerwünschten, vom Drehwinkel des Polarisator- Elements um die Drehachse abhängigen Offset dieses Teilstrahls zu vermeiden bzw. bei der Drehung des Teilstrahls einen konstanten Offset um die optische Achse zu erzeugen. Bei einer Weiterbildung ist das weitere optische Element optisch isotrop ausgebildet, wobei das Polarisator-Element bevorzugt zur Erzeugung eines Winkelversatzes ohne Erzeugung eines Ortsversatzes ausgebildet ist. In diesem Fall ist das weitere optische Element bevorzugt als keilförmiges optisch isotropes Element ausgebildet. Der Keilwinkel des keilförmigen weiteren optischen Elements ist in diesem Fall typischerweise an einen Keilwinkel der Austrittsfläche des Polarisator-Elements angepasst, um den Winkelversatz eines der beiden Teilstrahlen zu kompensieren oder um den Winkelversatz für beide Teilstrahlen relativ zur optischen Achse auszumitteln. Generell kann durch eine geeignete Abstimmung des Keilwinkels des keilförmigen weiteren optischen Elements und des Keilwinkels des doppelbrechenden Polarisator-Elements ein gewünschter Abstand bzw. Offset des parallel ausgerichteten Teilstrahls von der optischen Achse vorgegeben werden, der bei der Drehung um die Drehachse beibehalten wird.
Durch die Verwendung eines keilförmigen optischen Elements, das zwei Keilwinkel aufweist, die in zueinander senkrechten Ebenen liegen, können die beiden Fokuszonen, die nach dem Durchlaufen der Fokussieroptik erzeugt werden, zusätzlich ein (für beide Teilstrahlen identischer) Winkel in einer Richtung senkrecht zur Einfallsebene bzw. zu der Ebene, in der die optische Achse des doppelbrechenden Polarisator-Elements angeordnet ist, aufgeprägt werden. Nach der Fourier-Transformation durch die Fokussieroptik wird der aufgeprägte Winkel in einen Ortsversatz in der Fokusebene umgewandelt. Bei geeignetem Abstand der Polarisator-Anordnung zur Fokussieroptik können die beiden Teilstrahlen in der Fokusebene parallel zur optischen Achse verlaufen und im gleichen Abstand von der optischen Achse positioniert werden.
Bei einer Weiterbildung weist die Polarisator-Anordnung eine Strahlversatz-Optik auf, die ein weiteres doppelbrechendes optisches Element umfasst, um beide Teilstrahlen parallel zueinander auszurichten. Ein zusätzliches optisches Element, das beispielsweise als keilförmiges optisches Element ausgebildet ist, und das im Strahlengang nach dem weiteren doppelbrechenden optischen Element angeordnet ist, kann die Strahlrichtung der beiden parallel ausgerichteten Teilstrahlen verändern, so dass beide Teilstrahlen parallel zur optischen Achse ausgerichtet werden. Durch die Einstellung des Abstandes zwischen dem weiteren doppelbrechenden Element und dem zusätzlichen optischen Element der Strahlversatz-Optik in Richtung der optischen Achse kann der Abstand festgelegt werden, den die beiden Teilstrahlen zur optischen Achse aufweisen.
Bei einer Weiterbildung ist die Polarisator-Anordnung ausgebildet, einen der Teilstrahlen auf der optischen Achse zu positionieren oder beide Teilstrahlen in gleichen Abständen von der optischen Achse zu positionieren. Insbesondere bei der Drehung des Polarisator-Elements um die optische Achse der Bearbeitungsoptik (Z- Richtung) hat es sich als günstig erwiesen, wenn einer der beiden Teilstrahlen auf der optischen Achse der Bearbeitungsoptik positioniert wird, so dass dessen Position sich bei der Drehung nicht verändert. Auch eine symmetrische Anordnung der beiden Teilstrahlen in Bezug auf die optische Achse, bei der beide Teilstrahlen in gleichen Abständen zur optischen Achse angeordnet werden, ist möglich. Zur Positionierung des Teilstrahls auf der optischen Achse bzw. der beiden Teilstrahlen symmetrisch zur optischen Achse bestehen mehrere Möglichkeiten:
Eine Möglichkeit besteht darin, bei der oben beschriebenen Strahlversatz-Optik den Abstand zwischen dem weiteren doppelbrechenden optischen Element und dem zusätzlichen optischen Element entlang der optischen Achse so vorzugeben oder ggf. mittels einer geeigneten Verschiebeeinrichtung so einzustellen, dass einer der beiden Teilstrahlen entlang der optischen Achse der Bearbeitungsoptik verläuft und der andere Teilstrahl zur optischen Achse versetzt verläuft oder dass beide Teilstrahlen im gleichen Abstand zur optischen Achse verlaufen.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist das doppelbrechende Polarisator-Element zusätzlich zur Erzeugung des Winkelversatzes zur Erzeugung eines Ortsversatzes ausgebildet und das weitere optische Element ist doppelbrechend ausgebildet, um den Teilstrahl auf der optischen Achse zu positionieren. In diesem Fall sind die optische Achse des doppelbrechenden Materials des Polarisator-Elements sowie dessen Strahleintrittsfläche und dessen Strahlaustrittsfläche so ausgerichtet und in einem solchen Abstand zu dem weiteren doppelbrechenden Element angeordnet, dass einer der beiden Teilstrahlen parallel zur optischen Achse ausgerichtet sowie auf der optischen Achse der Bearbeitungsoptik positioniert wird. Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Polarisator-Anordnung ausgebildet, den Winkelversatz und/oder Ortsversatz zwischen den beiden Teilstrahlen zu verändern. Der von dem Polarisator-Element erzeugte Winkelversatz und/oder Ortsversatz zwischen den beiden Teilstrahlen ist - bei vorgegebenen Randbedingungen - typischerweise konstant. Um den von der Polarisator-Anordnung erzeugten Winkelversatz und/oder Ortsversatz zu verändern, ist das bzw. mindestens ein weiteres in der Regel doppelbrechendes optisches Element in der Polarisatoranordnung vorgesehen, welches es ermöglicht, den Winkelversatz und/oder den Ortsversatz zwischen den beiden Teilstrahlen zu verändern bzw. einzustellen. Zu diesem Zweck ist das weitere, in der Regel doppelbrechende optische Element typischerweise relativ zur optischen Achse der Polarisator- Anordnung bewegbar.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das weitere optische Element doppelbrechend ausgebildet und zur Veränderung des Winkelversatzes und/oder zur Veränderung des Ortsversatzes zwischen den beiden Teilstrahlen entlang der optischen Achse der Bearbeitungsoptik verschiebbar und/oder um die optische Achse der Bearbeitungsoptik drehbar. Zur Verschiebung des weiteren doppelbrechenden optischen Elements entlang der optischen Achse kann ein Translations-Antrieb dienen, der beispielsweise in der Art eines Linearantriebs oder dergleichen ausgebildet sein kann. Für die Drehung des weiteren optischen Elements um die optische Achse der Polarisator-Anordnung weist die Polarisator- Anordnung typischerweise einen Drehantrieb auf. Zur Ansteuerung des Translations- Antriebs und/oder des Drehantriebs kann eine Steuerungseinrichtung der Bearbeitungsoptik oder eine mit dieser in signaltechnischer Verbindung stehende Einrichtung, beispielsweise ein Steuerungs-Computer, verwendet werden. Bei der Verwendung einer solchen Polarisator-Anordnung kann der Abstand zwischen den Fokuszonen der beiden Teilstrahlen im Bereich des Werkstücks auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das weitere optische Element doppelbrechend ausgebildet und vor dem weiteren optischen Element ist ein polarisationsbeeinflussendes optisches Element, insbesondere eine l/4- Verzögegungsplatte oder eine l/2-Verzögegungsplatte, angeordnet. Durch das polarisationsbeeinflussende optische Element, das beispielsweise eine Verzögerung von l/4 erzeugt, können die beiden Teilstrahlen, die nach dem Austritt aus dem doppelbrechenden Polarisator-Element linear polarisiert sind, in zirkular polarisierte Teilstrahlen umgewandelt werden.
Bei einer Drehung des weiteren doppelbrechenden optischen Elements ist zu beachten, dass für den Fall, dass die optischen Achsen der beiden doppelbrechenden Elemente nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen (oder die mit den Strahlachsen aufgespannten Ebenen nicht senkrecht aufeinander stehen), im allgemeinen Fall aus dem Eingangslaserstrahl vier Teilstrahlen bzw. vier Ausgangslaserstrahlen gebildet werden, d.h. es erfolgt eine kaskadierte Strahlteilung. Ist eine kaskadierte Strahlteilung nicht gewünscht, ist es erforderlich, dass die beiden in das weitere doppelbrechende optische Element eintretenden Teilstrahlen senkrecht bzw. parallel zur optischen Achse des weiteren doppelbrechenden optischen Elements ausgerichtet werden. Dies kann beispielsweise mittels einer zu den beiden doppelbrechenden optischen Elementen geeignet ausgerichteten l/2-Verzögergungsplatte sichergestellt werden, die beim Drehen des weiteren doppelbrechenden optischen Elements entsprechend (jedoch mit dem halben Drehwinkel) mitgedreht wird, um eine Aufteilung auf vier Teilstrahlen zu verhindern.
Das polarisationsbeeinflussende optische Element, z.B. in Form einer l/4- Verzögegungsplatte, kann aber auch dazu genutzt werden, um aus den beiden Teilstrahlen vier Teilstrahlen zu erzeugen. Das polarisationsbeeinflussende optische Element kann in diesem Fall dazu verwendet werden, die Leistung des Eingangslaserstrahls gleichmäßig auf alle vier Teilstrahlen zu verteilen. Für den Fall, dass eine Drehung des doppelbrechenden Polarisator-Elements und des weiteren doppelbrechenden optischen Elements relativ zueinander erfolgt, ist es nicht erforderlich, das polarisationsbeeinflussende optische Element in Form der A/4- Verzögegungsplatte mitzudrehen, um den Effekt der gleichmäßigen Aufteilung beizubehalten. Abhängig vom Winkel der beiden doppelbrechenden optischen Elemente relativ zur optischen Achse der Bearbeitungsoptik bzw. von der Ausrichtung der optischen Achsen der doppelbrechenden optischen Elemente relativ zur optischen Achse der Bearbeitungsoptik können die vier Teilstrahlen wieder kollinear überlagert werden. Dies kann günstig sein, wenn beispielsweise vier oder mehr Teilstrahlen auf einer gemeinsamen Line bzw. entlang einer Vorzugsrichtung angeordnet werden sollen. Auch kann der Abstand zwischen den Teilstrahlen bzw. den Fokuszonen (s.u.) durch eine geeignete Wahl des relativen Drehwinkels der beiden doppelbrechenden optischen Elemente zueinander eingestellt werden.
Die Anordnung aus dem weiteren doppelbrechendem optischen Element und dem vor dem weiteren doppelbrechenden optischen Element angeordneten polarisationsbeeinflussenden optischen Element, insbesondere in Form einer l/4- Verzögerungsplatte, kann kaskadiert werden, d.h. diese Anordnung kann N-Mal wiederholt werden, um aus einem Eingangslaserstrahl eine Anzahl M von M = 2N+1 Teilstrahlen zu erzeugen. Sollen alle Teilstrahlen kollinear angeordnet sein und entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung verlaufen, ist es typischerweise erforderlich, die optischen Achsen allerweiteren doppelbrechenden optischen Elemente in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen. Werden mit Hilfe einer jeweiligen l/4-Verzögerungsplatte zirkular polarisierte Teilstrahlen erzeugt, kann in diesem Fall eine gleichmäßige Leistungsaufteilung auf alle Teilstrahlen erfolgen.
Es versteht sich, dass an Stelle einer l/4-Verzögerungsplatte auch ein anderes polarisationsbeeinflussendes optisches Element in den Strahlengang der Teilstrahlen zwischen jeweils zwei aufeinander folgende doppelbrechende optische Elemente eingebracht werden kann, um die Polarisation geeignet einzustellen und auf diese Weise die Leistungsaufteilung zu beeinflussen. Auch kann zur Veränderung der Leistungsaufteilung bzw. zum Ein- oder Ausschalten der Aufteilung das polarisationsbeeinflussende optische Element relativ zu den jeweiligen doppelbrechenden optischen Elementen gedreht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsoptik eine strahlformende Optik zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls mit Gauß förmigem Strahlprofil in einen austretenden Laserstrahl mit einem quasi- nichtbeugenden Strahlprofil, insbesondere mit einem Bessel-ähnlichen Strahlprofil.
Ein nicht-beugender Strahl stellt eine Lösung der Flelmholtz-Gleichung dar, die in einen longitudinalen Anteil und in einen transversalen Anteil separierbar ist. Ein solcher nicht-beugender Strahl weist ein transversales Strahlprofil auf, das propagationsinvariant ist, d.h. das sich bei der Propagation des nicht-beugenden Strahls nicht verändert. Abhängig vom verwendeten Koordinatensystem treten unterschiedliche Lösungsklassen von nicht-beugenden Strahlen auf, beispielsweise Mathieu-Strahlen in ellitpisch-zylindrischen Koordinaten oder Bessel-Strahlen in zirkular-zylindrischen Koordinaten.
Ein nicht-beugender Strahl stellt ein theoretisches Konstrukt dar, das sich in guter Näherung in Form von so genannten quasi-nichtbeugenden Strahlen realisieren lässt. Ein quasi-nichtbeugender Strahl weist die Propagationsinvarianz nur über eine endliche Länge (charakteristische Länge) L auf. Ein quasi-nichtbeugender Strahl liegt genau dann vor, wenn bei ähnlichem bzw. identischem Fokusdurchmesser die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, insbesondere wenn gilt: L > ZR, wobei ZR die Rayleigh-Länge des Gauß- Strahls bezeichnet. Die charakteristische Länge L kann z.B. in de Größenordnung von 1 mm oder darüber liegen.
Eine Untermenge der quasi-nichtbeugenden Strahlen stellen die Bessel-ähnlichen Strahlen dar, bei denen das transversale Strahlprofil in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n entspricht. Eine Untermenge der Bessel-ähnlichen Strahlen stellen die Bessel-Gauß-Strahlen dar, bei denen das transversale Strahlprofil in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der 0. Ordnung entspricht, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist.
Die Verwendung eines quasi-nichtbeugenden Strahlprofils hat sich insbesondere bei der Einbringung von Modifikationen in das Material des Werkstücks für Glastrenn- Anwendungen oder für selektive Laserätz-Anwendungen als vorteilhaft herausgestellt, da bei einem solchen Strahlprofil in longitudinaler Richtung über eine vergleichsweise lange Distanz ein im Wesentlichen homogenes Strahlprofil aufrecht erhalten werden kann, wodurch ein Modifikationsvolumen mit einer Vorzugsrichtung erzeugt wird
Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei ein Bessel-ähnlicher Strahl herausgestellt, ggf. können aber auch andere quasi-nichtbeugende Strahlprofile, z.B. ein Airy- Strahlprofil, ein Weber-Strahlprofil oder ein Mathieu-Strahlprofil mit der strahlformenden Optik erzeugt werden. Die strahlformende Optik kann insbesondere ausgebildet sein, ein quasi-nichtbeugendes Strahlprofil mit einem zur Propagationsrichtung rotationssymmetrischen Strahlquerschnitt zu erzeugen, wie dies beispielsweise bei einem Bessel-Gauß-Strahl der Fall ist.
Bei einer Weiterbildung ist die strahlformende Optik ausgebildet, ein quasi- nichtbeugendes Strahlprofil mit einem nicht rotationssymmetrischen Strahlquerschnitt, insbesondere mit einer Vorzugsrichtung, zu erzeugen. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die strahlformende Optik in diesem Fall als diffraktive Optik ausgebildet ist. Die Vorzugsrichtung des nicht-beugenden Strahlprofils stimmt in der Regel mit der (Vorzugs-)Richtung bzw. der Ebene überein, in welcher das Polarisator-Element der Polarisator-Anordnung die beiden Teilstrahlen erzeugt. Das quasi-nichtbeugende Strahlprofil kann entlang der Vorzugsrichtung eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten (Neben-)Maxima aufweisen, so dass die strahlformende Optik in der Art einer Strahlteiler-Optik wirkt und beispielsweise ein so genanntes Multi-Bessel-Strahlprofil erzeugt. Ein Strahlprofil mit einer Vorzugsrichtung kann auch mit Hilfe der weiter oben beschriebenen Kaskadierung von doppelbrechenden optischen Elementen der Polarisator-Anordnung mit zwischengeschalteten polarisationsbeeinflussenden optischen Elementen erzeugt werden.
Bei einer Weiterbildung ist die Bearbeitungsoptik zur Fokussierung der Teilstrahlen in zumindest teilweise überlappende Fokuszonen eines zusammenhängenden Wechselwirkungsbereichs, insbesondere entlang der Vorzugsrichtung, ausgebildet, wobei bevorzugt Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen in benachbarte Fokuszonen des zusammenhängenden Wechselwirkungsbereichs fokussiert werden.
Wird ein Laserstrahl, der z.B. von einem Single-Mode Laser erzeugt wird und ein Gauß-förmiges Strahlprofil aufweist, in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt und die Teilstrahlen werden zumindest teilweise überlagert, kann dies zu unerwünschten Interferenz-Effekten führen, wenn die Teilstrahlen die gleiche oder eine ähnliche Polarisation aufweisen. Zwar können bei der Fokussierung der Teilstrahlen die Fokuszonen bzw. die Fokusquerschnitte daher beliebig nahe beieinander liegen, in diesem Fall treten aber die unerwünschten Interferenzeffekte im resultierenden Intensitätsprofil auf. Daher werden die Teilstrahlen in der Regel in voneinander beabstandeten Fokuszonen auf dem Werkstück fokussiert.
Bei der Nutzung von Teilstrahlen, die jeweils einen von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen, insbesondere in Form von senkrecht aufeinander stehenden Polarisationszuständen, aufweisen, kommt es bei der (teilweisen) Überlagerung im Intensitätsprofil nicht zu Interferenz-Effekten der Laserstrahlung aus unterschiedlichen Orts- oder Winkelbereichen, sofern der Polarisationszustand der jeweiligen Teilstrahlen einheitlich über den gesamten relevanten Strahlquerschnitt bzw. die jeweilige Fokuszone ist. Die Polarisation eines jeweiligen Teilstrahls sollte daher ortsabhängig über den Strahlquerschnitt bzw. über die Fokuszone möglichst wenig variieren. In diesem Fall können die Fokuszonen beliebig nahe aneinander liegen, sich teilweise oder ggf. vollständig überlappen und sogar homogene Fokuszonen ausbilden, und zwar sowohl transversal, d.h. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen, als auch longitudinal, d.h. in Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen.
Entlang des vorgegebenen, nicht zwingend geradlinigen Wechselwirkungsbereichs wird eine - im Fall einer Vorzugsrichtung linienförmige - Strahlform bzw. Intensitätsverteilung gebildet, die in der Regel einen kontinuierlichen Übergang, d.h. keine Nullstellen in der Intensitätsverteilung zwischen den Teilstrahlen bzw. zwischen den Fokuszonen, aufweist. Hierbei überlappen sich jeweils senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen der jeweiligen Paare, allerdings nur so weit, dass diese sich nicht mit dem jeweils anders polarisierten Teilstrahl eines jeweiligen Paars überlappen, so dass keine Überlagerung von identisch polarisierten Teilstrahlen auftritt.
Alternativ zur Nutzung von ganz oder teilweise überlappenden Teilstrahlen, die senkrecht aufeinander stehende Polarisationszustände aufweisen, können auch ganz oder teilweise überlappende Teilstrahlen genutzt werden, die einen Zeitversatz aufweisen, der so groß ist, dass praktisch keine Interferenz-Effekte auftreten. Dies ist typischerweise der Fall, wenn der Zeitversatz mindestens der Größenordnung der Pulsdauer oder der Größenordnung der Kohärenzlänge entspricht. Minimal wird hierbei in der Regel 50% des jeweils kleineren der beiden Werte (Pulsdauer bzw. Kohärenzlänge) als Zeitversatz gewählt.
Für die Fokussierung der Teilstrahlen oder einer Mehrzahl von Teilstrahlen, die jeweils - insbesondere paarweise - einen von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen, auf teilweise überlappende Fokuszonen kann insbesondere die weiter oben beschriebene strahlformende Optik oder die weiter oben beschriebene Kaskadierung dienen. Die Lücken zwischen den Maxima des quasi-nichtbeugenden Strahlprofils können in diesem Fall durch die Aufteilung des Eingangslaserstrahls in die jeweils zwei Teilstrahlen an dem Polarisator-Element gefüllt werden. Auf diese Weise können zwei oder mehr zumindest teilweise überlappende Fokuszonen entlang einer vorgegebenen Kontur, in der Regel entlang der Vorzugsrichtung, erzeugt werden.
Die strahlformende Optik kann ein Axicon und/oder ein diffraktives optisches Element umfassen. Die Erzeugung eines (quasi-)nicht-beugenden Strahlprofils, beispielsweise in Form eines Bessel-Strahls, kann vorteilhafter Weise mittels eines Axicons erzeugt werden, das typischerweise mindestens eine im Wesentlichen konische Fläche umfasst. Wird ein solches Axicon, das eine rotationssymmetrische konische Fläche aufweist, mit einem kollimierten Gauß-Strahl bestrahlt, wird typischerweise ein Bessel-Gauß-Strahl erzeugt. Das Axicon kann geeignet modifiziert werden, um eine Vorzugsrichtung des Strahlprofils zu erzeugen (z.B. durch Verwendung einer nicht-rotationssymmetrischen konischen Fläche), um eine Flomogenisierung des Strahlprofils zu erzeugen, etc. Alternativ oder zusätzlich kann ein diffraktives optisches Element zur Erzeugung des (quasi-)nicht-beugenden Strahlprofils verwendet werden. Mittels eines solchen diffraktiven optischen Elements können die Eigenschaften eines Axicons nachgebildet und erweitert werden. Die strahlformende Optik kann ggf. alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, aus einem eintretenden Laserstrahl mit einem Gauß-förmigen Strahlprofil einen austretenden Laserstrahl mit einem Flat-T op-Strahlprofil erzeugen, etc.
Für den Fall, dass die Teilstrahlen ein quasi-nichtbeugendes Strahlprofil, z.B. ein Bessel-ähnliches Strahlprofil, aufweisen, werden diese bei der Fokussierung mittels der Fokussieroptik auf ein im Vergleich zum Durchmesser der Fokuszone (z.B. in der Größenordnung von Mikrometern) vergleichsweise langes Fokusvolumen (z.B. in der Größenordnung von Millimetern) fokussiert. Dennoch wird nachfolgend zur Vereinfachung auch bei derartigen Strahlprofilen von einer Fokussierung in eine Fokusebene gesprochen. Die Fokusebene bzw. die weiter unten beschriebenen Ebenen sind durch die Eigenschaften der jeweiligen Optiken vorgegeben (unabhängig von der Art des Strahlprofils).
Die Anordnung der Polarisator-Anordnung bzw. des doppelbrechenden Polarisator- Elements im Strahlengang der Bearbeitungsoptik hängt neben der Art der Laserbearbeitung davon ab, ob ein reiner Ortsversatz, ein reiner Winkelversatz oder eine Kombination aus einem Ortsversatz und einem Winkelversatz erzeugt werden soll.
Das doppelbrechende Polarisator-Element der Polarisator-Anordnung kann zur Erzeugung eines Winkelversatzes ausgebildet und in einer zur Fokusebene optisch konjugierten Ebene angeordnet sein. Unter einer zur Fokusebene optisch konjugierten Ebene wird eine Ebene verstanden, die durch eine Fourier- Transformation, d.h. eine Winkel-zu-Orts-Transformation, mit der Fokusebene korreliert ist. Geht man davon aus, dass die Fokussieroptik eine (effektive) bildseitige Brennweite f2 aufweist, ist die konjugierte Ebene mit dem Polarisator-Element, welches zur Erzeugung eines Winkelversatzes ausgebildet ist, typischerweise im Abstand der objektseitigen Brennweite fi der Fokussieroptik angeordnet. Für den Spezialfall, dass fi = f2 = f gilt, ist das doppelbrechende Polarisator-Element im Abstand 2 f (bzw. allgemein 2 f + N x 4 f, N größer gleich 0, N ganzzahlig) von der Fokusebene angeordnet. Nachfolgend wird vereinfachend von einem 2f-Setup gesprochen, auch wenn die Bedingung fi = f2 = f nicht erfüllt ist.
Alternativ kann das doppelbrechende Polarisator-Element der Polarisator-Anordnung zur Erzeugung eines Ortsversatzes ausgebildet und im Strahlengang vor einer weiteren, bevorzugt kollimierenden Optik angeordnet sein, wobei die Bearbeitungsoptik ausgebildet ist, den Ortsversatz zwischen den an dem Polarisator- Element senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen in die Fokusebene abzubilden. In diesem Fall kann das doppelbrechende Polarisator-Element in einer der Fokusebene entsprechenden Ebene vor der weiteren Optik angeordnet sein.
Eine solche Ebene ist beispielsweise über zwei Winkel-zu-Orts-Transformationen mit der Fokusebene korreliert. Geht man davon aus, dass die Fokussieroptik eine (effektive) Brennweite von f aufweist, kann die der Fokusebene entsprechende Ebene mit dem doppelbrechenden Polarisator-Element in einem Spezialfall, bei dem für die Kollimierung und die Fokussierung gleiche Brennweiten verwendet werden, in einem Abstand von 4 f (bzw. allgemein von 4 f + N x 4 f, N größer gleich Null, N ganzzahlig) von der Fokusebene angeordnet werden. Nachfolgend wird vereinfachend von einem 4f-Setup gesprochen, auch wenn die verwendeten optischen Elemente nicht zwingend eine einheitliche Brennweite f aufweisen. Für den Fall, dass das doppelbrechende Polarisator-Element im (im Wesentlichen) kollimierten Strahlengang angeordnet ist, kommt es auf die genaue Anordnung des Polarisator-Elements in einem vorgegebenen Abstand von der Fokusebene in der Regel nicht an, wesentlich ist nur eine (weitgehende) Orts-zu-Orts-Transformation, d.h. eine Abbildung zwischen der Ebene mit dem Polarisator-Element und der Fokusebene.
Das doppelbrechende Polarisator-Element sollte allerdings im Strahlengang vor der weiteren Optik angeordnet sein, die beispielsweise als kollimierende Optik zur Erzeugung einer Winkel-zu-Orts-Transformation ausgebildet sein kann. Zusammen mit der von der Fokussieroptik erzeugten Winkel-zu-Orts-Transformation (bzw. äquivalent Orts-zu-Winkel-Transformation) wird der Ortsversatz der Teilstrahlen, der an dem Polarisator-Element erzeugt wird, in einen Ortsversatz in der Fokusebene überführt bzw. abgebildet. Die weitere, z.B. kollimierende Optik kann gemeinsam mit der Fokussieroptik eine Abbildung der Ebene mit dem doppelbrechenden Polarisator- Element auf die Fokusebene, d.h. auf eine mit der Fokuszone verknüpfte Ebene, mit einem vorgegebenen, z.B. verkleinernden Abbildungsmaßstab bewirken.
Die Polarisator-Anordnung ist im Strahlengang der Bearbeitungsoptik in der Regel deutlich vor der hinteren Brennebene der Fokussieroptik angeordnet. Dies bietet zwei wichtige Vorteile: Einerseits sind die Fluenzen in der hinteren Brennebene sehr hoch, da sich dort im Quasi-Bessel-Fall ein Ringfokus ausbildet. Im Zusammenspiel mit kurzen Pulsen bei hoher Pulsenergie können Optiken nahe dieser Ebene durch die Laserstrahlung beschädigt werden. Zudem ist die hintere Brennebene insbesondere bei kurzen Brennweiten der Fokussieroptik mechanisch nicht gut zugänglich.
Bei der hier beschriebenen Bearbeitungsoptik ist typischerweise keine räumliche Separation der Strahlwege der von der Polarisator-Anordnung erzeugten Teilstrahlen erforderlich. Im Sinne einer kompakten und robusten Realisierung der Bearbeitungsoptik überlappen sich die Teilstrahlen typischerweise weitgehend über die gesamte zurückgelegte optische Weglänge bis zum zu bearbeitenden Werkstück zumindest teilweise. Weiterhin durchlaufen in der Regel alle von der Polarisator- Anordnung erzeugten Teilstrahlen dieselben optischen Komponenten.
Die Bearbeitungsoptik kann eine bevorzugt diffraktive Strahlteiler-Optik zur Erzeugung einer Mehrzahl von Paaren von senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen aufweisen. Die Strahlteiler-Optik kann beispielsweise in Form eines diffraktiven optischen Elements ausgebildet sein, es kann sich aber auch um eine andere Art von Strahlteiler-Optik handeln, beispielsweise um eine geometrische Strahlteiler-Optik. Die Strahlteiler-Optik kann im Strahlengang des in die Bearbeitungsoptik eintretenden Laserstrahls vor dem Polarisator-Element bzw. vor der Polarisator-Anordnung angeordnet sein und mehrere Eingangslaserstrahlen erzeugen, die an dem Polarisator-Element jeweils in ein Paar von senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen aufgeteilt werden. Auch der umgekehrte Fall ist möglich, d.h. die Strahlteiler-Optik kann im Strahlengang nach dem doppelbrechenden Polarisator-Element angeordnet sein. In diesem Fall wird aus dem Paar von Teilstrahlen, das von dem Polarisator-Element erzeugt wird, mittels der Strahlteiler-Optik eine Mehrzahl von Paaren von Teilstrahlen erzeugt, deren Fokuszonen sich insbesondere wie weiter oben beschrieben entlang einer Vorzugsrichtung teilweise überlappen können.
Die Strahlteiler-Optik kann in einer zur Fokusebene optisch konjugierten Ebene angeordnet sein. In der zur Fokusebene konjugierten Ebene kann ein Winkelversatz zwischen den Paaren von Teilstrahlen erzeugt werden, der von Fokussieroptik in einen Ortsversatz in der Fokusebene transformiert wird. Die Strahlteiler-Optik kann in diesem Fall beispielsweise in einer zur Fokusebene optisch konjugierten Ebene zwischen der weiter oben beschriebenen weiteren abbildenden Optik und der Fokussieroptik angeordnet sein, um aus einem von dem Polarisator-Element erzeugten Paar von Teilstrahlen die Mehrzahl von Paaren von Teilstrahlen zu erzeugen.
Die bevorzugt diffraktive Strahlteiler-Optik kann auch als strahlformende Optik zur Umwandlung eines eintretenden Laserstrahls mit Gauß-förmigem Strahlprofil in einen austretenden Laserstrahl mit einem Flat-Top-Strahlprofil ausgebildet sein. Die Formung eines Laserstrahls mit einem Flat-Top-Strahlprofil, d.h. mit einem Strahlprofil, das eine im Wesentlichen homogene Intensitäts-Verteilung mit steil abfallenden Flanken aufweist, ermöglicht die Kontrolle der Intensitätsverteilung auf einer Fläche, die im Wesentlichen senkrecht zur Propagationsrichtung orientiert ist. Für Details zur Formung des Flat-Top-Strahlprofils sei auf die eingangs zitierte DE DE 102019205394.7 verweisen, deren Inhalt durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsoptik einen Drehantrieb zum Drehen der Polarisator-Anordnung und/oder der strahlformenden Optik um eine (ggf. gemeinsame) Drehachse. Die Drehachse des Drehantriebs stimmt typischerweise mit der optischen Achse der Bearbeitungsoptik überein. Die Drehung ist insbesondere sinnvoll, wenn teilweise überlappende Fokuszonen entlang eines vorgegebenen Wechselwirkungsbereichs, insbesondere entlang einer Vorzugsrichtung, erzeugt werden sollen.
Beim Drehen wirkt sich günstig aus, dass das doppelbrechende Polarisator-Element bzw. die Polarisator-Anordnung insgesamt nur Justage-unkritische Komponenten enthält, was den Einsatz insbesondere in adaptiven Optiken begünstigt. Allerdings ist in der Regel der Ortsversatz oder der Winkelversatz, der von dem Polarisator- Element erzeugt wird, nicht symmetrisch zur Ausbreitungsrichtung des Eingangsstrahls, d.h. zur optischen Achse bzw. zur Drehachse. Bei der Drehung des Polarisator-Elements um eine Drehachse, die in der Regel in longitudinaler Richtung verläuft, d.h. entlang der Ausbreitungsrichtung des Eingangsstrahls bzw. der optischen Achse der Bearbeitungsoptik, tritt daher ggf. ein unerwünschter, vom Drehwinkel abhängiger Winkel- und/oder Orts-Offset der Teilstrahlen auf. Um diesen Offset zu kompensieren, kann in der Polarisator-Anordnung ein geeignet ausgebildetes weiteres optisches Element eingesetzt werden, beispielsweise das weiter oben beschriebene keilförmige optische Element.
Bei einer Werkstückbearbeitung in Form eines Laserschneidprozesses zum Schneiden von Glas entlang einer Bearbeitungsbahn kann es erforderlich bzw. günstig sein, die Vorzugsrichtung der Fokuszonen in Abhängigkeit von einer ortsabhängig veränderlichen Vorschubrichtung bei der Bewegung relativ zum Werkstück zu verändern, um eine Rissausbreitung im Glas entlang Vorschubrichtung zu fördern. Die gezielte Ausrichtung von Rissen beim Glastrennen ermöglicht das Arbeiten in einem Prozessregime, welches eine deutlich vereinfachte Separation des Glases ermöglicht. Bei einer solchen Glasschneide-Anwendung werden in der Regel die Fokuszonen von zwei oder mehr quasi-nichtbeugenden Strahlen mit einem vergleichsweise langen Fokusvolumen, beispielsweise in Form von Bessel-ähnlichen Strahlen, insbesondere in Form von Bessel-Gauß-Strahlen, räumlich zumindest teilweise überlagert, wie weiter oben näher beschrieben ist. Für die Veränderung der Vorzugsrichtung ist es in diesem Fall nicht erforderlich, Justage-kritische optische Elemente wie z.B. Linsen ebenfalls zu drehen, auch wenn eine solche Drehung grundsätzlich ebenfalls möglich ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend: eine Bearbeitungsoptik, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist, sowie eine Laserquelle, insbesondere eine Ultrakurzpuls-Laserquelle, zur Erzeugung eines Laserstrahls, insbesondere eines Laserstrahls mit einem Gauß-förmigen Strahlprofil. Die Laserquelle ist bevorzugt zur Erzeugung eines Single-Mode Laserstrahls mit einem Gauß-förmigen Strahlprofil ausgebildet, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Die Bearbeitungsoptik kann beispielsweise in einem Laserbearbeitungskopf bzw. in einem Gehäuse eines Laserbearbeitungskopfs, insbesondere in Form eines Moduls oder in Form von Modulen eines modular aufgebauten Laserbearbeitungskopfs, untergebracht sein, der relativ zu dem Werkstück bewegbar ist. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich eine Scannereinrichtung umfassen, um die Teilstrahlen auf das Werkstück bzw. auf unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück auszurichten. Neben den weiter oben beschriebenen Optiken kann die Bearbeitungsoptik auch weitere Optiken aufweisen, die beispielsweise eine räumliche Filterung oder eine räumliche Umordnung des Eingangslaserstrahls ermöglichen, um die Strahlformung zu begünstigen, z.B. die Homogenisierung eines Bessel-ähnlichen Strahlprofils, Maskenabbildung, etc.
Für Glastrenn-Anwendungen oder für andere Anwendungen kann die Laserquelle ausgebildet sein, einen Laserstrahl mit Einzelpulsen oder mit Burst-Pulsen (z.B. 2-6 Pulse im Burst mit einem Burst-Pulsabstand von 2 ns bis 150ns, bevorzugt 13 ns bis 40 ns) zu erzeugen. Die Einzel-Pulse oder die Pulse im Burst weisen vorteilhafter Weise eine Pulsdauer zwischen 200 fs und 20 ps, insbesondere zwischen 300 fs und 20 ps, auf. Die Pulsenergie (Gesamter Burst oder im Einzelpuls) liegt bevorzugt zwischen 10 pJ und 10 mJ, insbesondere zwischen 30 pJ und 1 mJ. Der räumliche Pulsabstand bzw. der Modifikationsabstand zwischen benachbarten Fokuszonen des Wechselwirkungsbereichs, der von der Laserbearbeitungsvorrichtung erzeugt wird, beträgt bei einer Glastrenn-Anwendung vorzugsweise zwischen ca. 0,8 pm und ca.
30 pm.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren der eingangs genannten Art, weiter umfassend: Verändern eines Winkels und/oder eines Abstands mindestens eines der Teilstrahlen relativ zu einer optischen Achse der Bearbeitungsoptik an mindestens ein im Strahlengang nach dem doppelbrechenden Polarisator-Element angeordneten weiteren optischen Element der Polarisator-Anordnung. Das Verfahren bietet die weiter oben in Zusammenhang mit der Bearbeitungsoptik beschriebenen Vorteile. Beim Laserbearbeiten bzw. bei der Werkstückbearbeitung kann es sich um Laserabtragen, Laserschneiden, Oberflächenstrukturieren, Laserschweißen, Laserbohren, ... handeln.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1a-c schematische Darstellungen von drei doppelbrechenden Polarisator-
Elementen zur Erzeugung eines Winkelversatzes ohne Ortsversatz, eines Ortsversatzes ohne Winkelversatz sowie eines Ortsversatzes und eines Winkelversatzes zwischen zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen,
Fig. 2a, b schematische Darstellungen einer Polarisator-Anordnung mit einem doppelbrechenden Polarisator-Element und einem isotropen optischen Element zur Ausrichtung eines der beiden Teilstrahlen parallel zur optischen Achse,
Fig. 3a-c schematische Darstellungen einer Polarisator-Anordnung mit einem doppelbrechenden Polarisator-Element und mit weiteren optischen Elementen zur Positionierung eines der beiden Teilstrahlen auf der optischen Achse bzw. zur Positionierung beider Teilstrahlen in gleichen Abständen von der optischen Achse,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Polarisator-Anordnung mit einem doppelbrechenden Polarisator-Element und mit einem weiteren doppelbrechenden optischen Element zur Bildung von zwei Teilstrahlen, die sich in einem vorgegebenen Abstand von der Polarisator-Anordnung schneiden,
Fig. 5a-c schematische Darstellungen einer Polarisator-Anordnung mit einem doppelbrechenden Polarisator-Element sowie mit einem weiteren doppelbrechenden optischen Element, das zur Veränderung eines Ortsversatzes bzw. eines Winkelversatzes zwischen den beiden Teilstrahlen um die optische Achse drehbar bzw. entlang der optischen Achse verschiebbar ist,
Fig. 6a, b schematische Darstellungen des mit der Polarisator-Anordnung von Fig.
5a erzeugten Ortsversatzes bzw. des mit der Polarisator-Anordnung von Fig. 5b erzeugten Winkelversatzes in Abhängigkeit vom Drehwinkel des weiteren doppelbrechenden optischen Elements,
Fig. 7a, b schematische Darstellungen einer Bearbeitungsoptik mit einer strahlformenden Optik zur Bildung von zwei teilweise überlappenden Teilstrahlen mit Bessel-förmigem Strahlprofil sowie mit einer Polarisator- Anordnung gemäß Fig. 2a zur Erzeugung eines Winkelversatzes bzw. mit einem Polarisator-Element gemäß Fig. 1b zur Erzeugung eines Ortsversatzes zwischen den beiden Teilstrahlen,
Fig. 8a-c eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsoptik mit einer strahlformenden Optik sowie mit einem Wechselwirkungsbereich mit zwei sich teilweise überlappenden Teilstrahlen, die einen Ortsversatz aufweisen bzw. einer Bearbeitungsoptik, die eine Polarisator-Anordnung gemäß Fig. 2a bzw. gemäß Fig. 3c aufweist.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1a-c zeigen schematisch jeweils ein doppelbrechendes Polarisator-Element 1a, 1b, 1c in Form eines doppelbrechenden Kristalls. Als Kristall-Material für das Polarisator-Element 1a, 1b, 1c können unterschiedliche doppelbrechende Materialien verwendet werden, z.B. alpha-BBO (alpha-Bariumborat), YV04 (Yttrium-Vandanat), kristalliner Quarz, etc.
Das doppelbrechende Polarisator-Element 1a von Fig. 1a ist keilförmig ausgebildet, d.h. eine plane Strahleintrittsfläche 2a zum Eintritt eines Eingangslaserstrahls 3 und eine plane Strahlaustrittsfläche 2b des Polarisator-Elements 1a sind unter einem (Keil-)Winkel zueinander ausgerichtet. Die optische Achse bzw. eine optische Achse 4 des Kristall-Materials ist parallel zur Strahleintrittsfläche 2a ausgerichtet.
Der unpolarisierte, elliptisch oder zirkular polarisierte Eingangslaserstrahl 3, der in das in Fig. 1a gezeigte doppelbrechende Polarisator-Element 1a senkrecht zur Strahleintrittsfläche 2a eintritt, wird an der unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche 2a geneigten Strahlaustrittsfläche 2b in zwei Teilstrahlen 5a, 5b aufgeteilt, die senkrecht zueinander (s- bzw. p-polarisiert) sind. In Fig. 1a ist wie allgemein üblich der erste, p-polarisierte Teilstrahl 5a durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet, während der zweite, p-polarisierte Teilstrahl 5b durch einen Punkt gekennzeichnet ist. Der erste, p-polarisierte Teilstrahl 5a wird beim Austritt aus dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1a stärker gebrochen als der zweite, s- polarisierte Teilstrahl 5b, so dass ein Winkelversatz Da zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrahl 5a, 5b auftritt. Der erste und zweite Teilstrahl 5a, 5b treten hierbei an derselben Stelle an der Strahlaustrittsfläche 2b aus dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1a aus, d.h. es wird zwar der Winkelversatz Da, aber kein Ortsversatz zwischen den beiden Teilstrahlen 5a, 5b von dem doppelbrechenden Polarisator-Element la erzeugt.
Wie in Fig. 1 a ebenfalls zu erkennen ist, wird der erste Teilstrahl 5a, der den ordentlichen Strahl bildet, unter einem ersten Winkel a0 relativ zu einer optischen Achse 6 gebrochen, welche die Verlängerung der Propagationsrichtung des Eintrittslaserstrahls 3 bildet (nicht zu verwechseln mit der optischen Achse 4 des doppelbrechenden Kristalls). Der zweite Teilstrahl 5b, welcher den außerordentlichen Strahl bildet, wird unter einem zweiten, kleineren Winkel aeo relativ zur optischen Achse 6 gebrochen.
Die Leistungsanteile bei der Aufteilung des Eintrittslaserstrahls 3 auf den ersten, ordentlichen Teilstrahl 5a und den zweiten, außerordentlichen Teilstrahl 5b hängen von der Polarisation des Eintrittslaserstrahls 3 ab: Ist der Eintrittslaserstrahl 3 elliptisch polarisiert, kann durch das Verhältnis der Flalbachsen des Eintrittslaserstrahls 3 in X-Richtung bzw. in Y-Richtung das Leistungsverhältnis des ordentlichen Teilstrahls 5a und des außerordentlichen Teilstrahls 5b eingestellt werden. Bei einem unpolarisierten, linear bzw. zirkular polarisierten Eintrittslaserstrahl 3 können die Leistungsanteile ggf. durch eine unterschiedliche Ausrichtung relativ zur XZ-Ebene eingestellt werden. Die Verwendung eines unpolarisierten bzw. zirkular polarisierten Eingangslaserstrahls 3 ist insbesondere günstig, wenn die Vorzugsrichtung bei der Bearbeitung gedreht werden soll (s.u.). Bei dem in Fig. 1b gezeigten Polarisator-Element 1b sind die Strahleintrittsfläche 2a und die Strahlaustrittsfläche 2b parallel zueinander ausgerichtet und die optische Achse 4 des doppelbrechenden Kristall-Materials ist unter einem Winkel von 45° zur Strahleintrittsfläche 2a ausgerichtet. Der senkrecht zur Strahleintrittsfläche 2a auftreffende Eingangsstrahl 3 wird in diesem Fall an der Strahleintrittsfläche 2a in einen ersten, ordentlichen Teilstrahl 5a und einen zweiten, außerordentlichen Teilstrahl 5b aufgeteilt. Die beiden Teilstrahlen 5a, 5b treten an der Strahlaustrittsfläche 2b parallel, d.h. ohne einen Winkelversatz, aber mit einem Ortsversatz Dc aus.
Bei dem in Fig. 1c gezeigten Polarisator-Element 1c ist die Strahleintrittsfläche 2a unter einem Winkel zur optischen Achse 6 ausgerichtet und die Strahlaustrittsfläche 2b ist senkrecht zur optischen Achse 6 ausgerichtet. Die optische Achse 4 des Kristall-Materials ist im gezeigten Beispiel unter einem Winkel von 45° zur Strahlaustrittsfläche 2b ausgerichtet, kann aber auch unter einem anderen Winkel ausgerichtet sein. Der senkrecht zur Strahlaustrittsfläche 2b auftreffende Eingangsstrahl 3 wird in diesem Fall an der Strahleintrittsfläche 2a in einen ersten, ordentlichen Teilstrahl 5a und einen zweiten, außerordentlichen Teilstrahl 5b aufgeteilt. Die beiden Teilstrahlen 5a, 5b treten an der Strahlaustrittsfläche 2b mit einem Winkelversatz Da und mit einem Ortsversatz Dc aus.
Die in Fig. 1a bis Fig. 1 c dargestellten doppelbrechenden Polarisator-Elemente 1a, 1b, 1c unterscheiden sich somit grundlegend dadurch, dass das in Fig. 1a gezeigte Polarisator-Element 1a einen Winkelversatz Da (ohne Ortsversatz), dass das in Fig. 1b gezeigte Polarisator-Element 1b einen Ortsversatz Dc (ohne Winkelversatz) und dass das in Fig. 1c dargestellte Polarisator-Element 1c einen Ortsversatz Dc und einen Winkelversatz Da erzeugt.
Die in Fig. 1a-c gezeigten Polarisator-Elemente 1a-c können jeweils eine Komponente einer Polarisator-Anordnung 7 bilden, wie sie beispielsweise in Fig.
2a, b dargestellt ist. Die Polarisator-Anordnung 7 von Fig. 2a, b weist jeweils ein zusätzliches optisches Element 8 auf, bei dem es sich um ein nicht doppelbrechendes, optisch isotropes optisches Element handelt. Bei der in Fig. 2a gezeigten Polarisator-Anordnung 7 ist das Polarisator-Element 1a wie in Fig. 1a dargestellt ausgebildet und dient zur Erzeugung eines Winkelversatzes Da ohne Erzeugung eines Ortsversatzes. Wie in Fig. 2a und insbesondere in Fig. 1a zu erkennen ist, werden die beiden Teilstrahlen 5a, b von dem doppelbrechenden optischen Element 1a unterschiedlich stark in die gleiche Richtung gebrochen, d.h. keiner der beiden Teilstrahlen 5a, 5b verläuft beim Austritt aus dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1a parallel zur optischen Achse 6.
Dies erweist sich als ungünstig, wenn die gesamte Polarisator-Anordnung 7 mittels eines Drehantriebs 9 um die optische Achse 6 gedreht wird, wie dies in Fig. 2a dargestellt ist, da es hierbei zu einem ungewollten Strahltaumeln der beiden Teilstrahlen 5a, 5b um die optische Achse 6 kommen kann. Um dies zu vermeiden, ist bei der in Fig. 2a dargestellten Polarisator-Anordnung 7 das weitere, keilförmige optische Element 8, bei dessen optisch isotropem Material es sich beispielsweise um synthetisches Quarzglas („fused silica“) handeln kann, so auf das Polarisator- Element 1 a abgestimmt, dass einer der beiden Teilstrahlen 5a, b, im gezeigten Beispiel der zweite, außerordentliche Teilstrahl 5b, parallel zur optischen Achse 6 ausgerichtet wird.
Um dies zu erreichen, ist ein Keilwinkel gk des keilförmigen optisch isotropen Elements 8 - unter Berücksichtigung der jeweiligen Brechungsindizes der eingesetzten Materialien - an den Keilwinkel y der Strahlaustrittsfläche 2b des doppelbrechenden Polarisator-Elements 1a angepasst, so dass der zweite Teilstrahl 5b beim Eintritt in das optisch isotrope Element 8 derart gebrochen wird, dass dieser parallel zur optischen Achse 6 ausgerichtet wird, d.h. aeo = 0°. Aufgrund des geringen Abstandes zwischen dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1a und dem optisch isotropen Element 8 verläuft der zweite Teilstrahl 5b fast exakt entlang der optischen Achse 6, d.h. dieser weist nur einen sehr geringen Abstand zur optischen Achse 6 auf, vgl. auch die Darstellung in Fig. 2a auf der rechten Seite, die eine Draufsicht auf die beiden Teilstrahlen 5a, b in der XY-Ebene senkrecht zur optischen Achse 6 zeigt. Der Winkelversatz Da zwischen den beiden Teilstrahlen 5a, b bleibt beim Durchlauf durch das optisch isotrope Element 8 erhalten. Es ist möglich, dass der zweite Teilstrahl 5b exakt auf der optischen Achse 6 positioniert wird, wenn das optisch isotrope Element 8 um die Y-Achse gedreht bzw. verkippt wird. Ähnlich wie bei einem verkippten planparallelen optischen Element entsteht in diesem Fall ein zusätzlicher paralleler Versatz der beiden Teilstrahlen 5a, 5b, der so gewählt werden kann, dass der erste Teilstrahl 5a entlang der optischen Achse 6 verläuft.
Generell ist die mit der optischen Achse 6 zusammenfallende Drehachse Z (eines XYZ-Koordinatensystems) fest vorgegeben und durch die Wahl des in Fig. 2a gezeigten Keilwinkels gk des keilförmigen optisch isotropen Elements 8, der in der XZ-Ebene liegt, sowie durch die Wahl des Keilwinkels g des doppelbrechenden Polarisator-Elements 1a können die beiden Teilstrahlen 5a, 5b in beliebigen Abständen in X-Richtung zur Drehachse Z positioniert werden. Der Abstand Xeo des zweiten, außerordentlichen Teilstrahls 5b zur optischen Achse 6, hängt vom Keilwinkel gk des keilförmigen optisch isotropen Elements 8 ab und ist im gezeigten Beispiel nicht von der Position in Z-Richtung abhängig, da der zweite Teilstrahl 5b parallel zur optischen Achse 6 ausgerichtet ist. Der Ortsversatz DC zwischen den beiden Teilstrahlen 5a, 5b ist vom Keilwinkel gr des doppelbrechenden Polarisator- Elements 1a sowie von der Position in Z-Richtung abhängig.
Zusätzlich zur Positionierung der beiden Teilstrahlen 5a, 5b in X-Richtung können bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel, bei dem das optisch isotrope Element 8 einen zusätzlichen Keilwinkel gk in der ZY-Ebene aufweist (vgl. Fig. 2a, unten), die beiden Teilstrahlen 5a, 5b, auch gemeinsam in der YZ-Ebene abgelenkt werden. Wie in Fig. 2a rechts unten zu erkennen ist, kann auf diese Weise der (identische) Abstand Y0, Yeo der beiden Teilstrahlen 5a, 5b von der optischen Achse 6 in Y-Richtung vorgegeben werden, der von der Position in Z-Richtung abhängig ist.
Die in Fig. 2a gezeigte Polarisator-Anordnung 7, die ein doppelbrechendes Polarisator-Element 1a verwendet, das nur einen Winkelversatz Da, aber keinen Ortsversatz erzeugt, kann in einer kompakten Bauform realisiert werden und hat sich bei Anwendungen, bei denen eine Drehung der Polarisator-Anordnung 7 um die Drehachse Z erforderlich ist, als besonders günstig erwiesen. Beispielsweise kann die Polarisator-Anordnung 7 besonders einfach in eine mechanische Fassung integriert werden. Auch hat sich die Verwendung des Polarisator-Elements 1a gegenüber der Verwendung des in Fig. 1 b gezeigten Polarisator-Elements 1 b bei derartigen Anwendungen aus anderen Gründen als vorteilhaft erwiesen. Fig. 2b zeigt eine Polarisator-Anordnung 7, die ein doppelbrechendes Polarisator- Element 1c aufweist, welches wie in Fig. 1c sowohl einen Ortsversatz Dc als auch einen Winkelversatz Da erzeugt. Bei dem in Fig. 2b gezeigten Polarisator-Element 1c ist die optische Achse 4 des doppelbrechenden Kristalls unter 45° zur Strahleintrittsfläche 2a ausgerichtet. Der Ortsversatz Dc an der Strahlaustrittsfläche 2b hängt von der Ausrichtung der optischen Achse 4 des doppelbrechenden Kristalls ab und ist bei der gezeigten Ausrichtung unter 45° maximal. Auch bei der in Fig. 2b dargestellten Polarisator-Anordnung 7 wird einer der beiden Teilstrahlen 5a, b an dem optisch isotropen keilförmigen Element 8 parallel zur optischen Achse 6 ausgerichtet. Im Gegensatz zu dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel handelt es sich hierbei aber um den ersten, ordentlichen Teilstrahl 5a. Wie in Fig. 2b ebenfalls zu erkennen ist, werden beide Teilstrahlen 5a, 5b an dem optisch isotropen Element 8 zur optischen Achse 6 hin gebrochen. Der erste, ordentliche Teilstrahl 5a verläuft nach dem optisch isotropen Element 8 parallel zur optischen Achse 6, während der zweite, außerordentliche Teilstrahl 5b nach dem Durchlaufen des optisch isotropen Elements 8 auf die optische Achse 6 zuläuft und diese unter einem Winkel aeo schneidet.
Fig. 3a, b zeigen jeweils eine Polarisator-Anordnung 7, die ausgebildet ist, die beiden Teilstrahlen 5a, b parallel zueinander auszurichten. Die in Fig. 3a, b gezeigte Polarisator-Anordnung 7 weist zu diesem Zweck die in Fig. 2a gezeigte Anordnung aus dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1a und dem optisch isotropen Element 8 sowie eine im Strahlengang 10 nachfolgende Strahlversatz-Optik 9 auf, die ein weiteres doppelbrechendes optisches Element 11 sowie ein im Strahlengang 10 nachfolgendes weiteres optisch isotropes Element 12 aufweist. Das weitere doppelbrechende optische Element 11 der Strahlversatz-Optik 9 dient dazu, die beiden Teilstrahlen 5a, 5b beim Austritt aus dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 11 parallel zueinander auszurichten. Die beiden parallel zueinander ausgerichteten Teilstrahlen 5a, b werden an einer Strahleintrittsfläche des weiteren optisch isotropen Elements 12 gebrochen und hierbei parallel zur optischen Achse 6 ausgerichtet, so dass beide Teilstrahlen 5a, 5b einen Winkel a0 bzw. aeo von 0° zur optischen Achse 6 aufweisen.
Der Abstand zwischen dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 11 und dem weiteren optisch isotropen Element 12 entlang der optischen Achse 6 ist bei dem in Fig. 3a gezeigten Beispiel so gewählt, dass der zweite Teilstrahl 5b genau auf der optischen Achse 6 positioniert wird. Mit Hilfe der in Fig. 3a gezeigten Polarisator- Anordnung 7 können zudem beide Teilstrahlen 5a, b parallel zueinander ausgerichtet werden, so dass diese beim Austritt aus der Polarisator-Anordnung 7 einen Strahlversatz Dc' aber keinen Winkelversatz zueinander aufweisen, ohne dass zu diesem Zweck ein doppelbrechendes Polarisator-Element 1b verwendet werden muss, welches einen Ortsversatz Dc ohne einen Winkelversatz Da erzeugt.
Durch Veränderung des Abstands entlang der optischen Achse 6 (in Z-Richtung) zwischen dem optisch isotropen Element 8 und der Strahlversatz-Optik 11 kann der Strahlversatz Dc' beim Austritt aus der Polarisator-Anordnung 7 eingestellt werden. Wird zusätzlich der Abstand in Z-Richtung zwischen dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 11 und dem weiteren optisch isotropen Element 12 der Strahlversatz-Optik 11 geeignet angepasst, kann der zweite Teilstrahl 5b stets auf der optischen Achse 6 positioniert werden.
Alternativ zur Positionierung des zweiten Teilstrahls 5b auf der optischen Achse 6, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist, können beide Teilstrahlen 5a, 5b im gleichen Abstand X0, Xeo zur optischen Achse 6 positioniert werden, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, den Abstand in Z-Richtung zwischen dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 11 und dem weiteren optisch isotropen Element 12 geeignet zu wählen bzw. anzupassen. Auch in diesem Fall kann der Strahlversatz Dc' der beiden Teilstrahlen 5a, 5b beim Austritt aus der Polarisator-Anordnung 7 und somit deren Abstand von der optischen Achse 6, wie weiter oben beschrieben wurde, durch eine Veränderung des Abstands zwischen dem optisch isotropen Element 8 und der Strahlversatz-Optik 11 entlang der optischen Achse 6 (d.h. in Z-Richtung) eingestellt werden.
Fig. 3c zeigt eine Polarisator-Anordnung 7, welche ein doppelbrechendes Polarisator-Element 1c aufweist, das zusätzlich zur Erzeugung eines Winkelversatzes Da zur Erzeugung eines Ortsversatzes Dc ausgebildet ist. Die Polarisator-Anordnung 7 umfasst ein weiteres optisches Element 13, das doppelbrechend ausgebildet ist, um den ersten Teilstrahl 5a parallel zur optischen Achse 6 auszurichten (a0 = 0°) und auf der optischen Achse 6 zu positionieren. Der zweite, außerordentliche Teilstrahl 5b wird an dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 13 zur optischen Achse 6 hin gebrochen und schließt mit dieser einen Winkel aeo ein.
Die in Fig. 4 gezeigte Polarisator-Anordnung 7 weist ein doppelbrechendes Polarisator-Element 1 b auf, das wie in Fig. 1 b ausgebildet ist und das einen Ortsversatz Dc ohne einen Winkelversatz Da erzeugt. Im Strahlengang 10 nach dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1b ist ein weiteres doppelbrechendes optisches Element 13 angeordnet, das die beiden unter einem Winkel a0 bzw. aeo von 0° zur optischen Achse 6 ausgerichteten Teilstrahlen 5a, b unterschiedlich stark bricht, so dass diese nach dem Durchlaufen des weiteren doppelbrechenden optischen Elements 13 jeweils einen Winkel a0 bzw. aeo zur optischen Achse 6 aufweisen. Der Winkel aeo, unter dem der zweite, außerordentliche Teilstrahl 5b zur optischen Achse 6 verläuft, ist hierbei kleiner als der Winkel a0, unter dem der erste Teilstrahl 5a zur optischen Achse 6 verläuft. Aufgrund des Ortsversatzes Dc zwischen den beiden Teilstrahlen 5a, 5b schneiden sich diese in einem vorgegebenen Abstand hinter der Polarisator-Anordnung 7, wie dies in Fig. 4 ebenfalls zu erkennen ist. Die in Fig. 4 gezeigte Polarisator-Anordnung 7 weist ähnliche Eigenschaften wie die in Fig. 3c gezeigte Polarisator-Anordnung 7 auf. Bei der in Fig. 4 gezeigten Polarisator-Anordnung 7 kann aber Abstand zwischen dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1b und dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 13 in Z-Richtung frei gewählt werden, so dass diese Polarisator- Anordnung 7 weniger toleranzempfindlich ist.
Anders als dies in Fig. 3c und in Fig. 4 dargestellt ist, kann der mittlere Winkel 1/2(a0 + aeo), unter dem die beiden Teilstrahlen 5a, 5b zur optischen Achse 6 ausgerichtet sind, auch bei 0° liegen (a0 = - aeo). In diesem Fall verlaufen die beiden Teilstrahlen 5a, 5b spiegelsymmetrisch zur ZY-Ebene.
Fig. 5a-c zeigen jeweils eine Polarisator-Anordnung 7, die ausgebildet ist, den von einem jeweiligen doppelbrechenden Polarisator-Element 1a, 1b vorgegebenen, konstanten Winkelversatz Da bzw. konstanten Ortsversatz Dc zu verändern. Zu diesem Zweck weist die Polarisator-Anordnung 7 von Fig. 5a-c jeweils ein weiteres doppelbrechendes optisches Element 13 auf. Bei der in Fig. 5a gezeigten Polarisator-Anordnung 7 ist das doppelbrechende Polarisator-Element 1b zur Erzeugung eines konstanten Ortsversatzes Dc (ohne Winkelversatz) zwischen den beiden Teilstrahlen 5a, 5b ausgebildet und auch das weitere doppelbrechende optische Element 13 ist zur Erzeugung eines Ortsversatzes (ohne Winkelversatz) ausgebildet. Die Polarisator-Anordnung weist einen Drehantrieb 14a auf, der zur Drehung des weiteren optischen Elements 13 um eine Drehachse Z ausgebildet ist, die mit der optischen Achse 6 übereinstimmt. Durch die Drehung des weiteren doppelbrechenden optischen Elements 13 um die Drehachse Z unter einem jeweiligen einstellbaren Drehwinkel cp kann ein von der Polarisator- Anordnung 7 erzeugter Ortsversatz Dc' zwischen den beiden Teilstrahlen 5a, 5b eingestellt werden, wie dies in Fig. 6a zu erkennen ist.
Bei dem in Fig. 5a gezeigten Beispiel ist vor dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 13 ein polarisationsbeeinflussendes optisches Element 15 z.B. in Form einer geeignet ausgerichteten l/2-Verzögerungsplatte angeordnet. Dies ist günstig, da für den Fall, dass die optischen Achsen 4 des doppelbrechenden Polarisator-Elements 1b und des doppelbrechenden weiteren optischen Elements 13 nicht in einer Ebene liegen, im allgemeinen Fall nicht zwei, sondern vier Teilstrahlen 5a-d gebildet werden, wie dies in Fig.5a gestrichelt angedeutet ist. Wird die l/2- Verzögerungsplatte 15 bei der Drehung des weiteren doppelbrechenden optischen Elements 13 entsprechend (mit dem halben Drehwinkel) mitgedreht, kann erreicht werden, dass auch bei der Drehung des weiteren doppelbrechenden optischen Element 13 eine Aufteilung der Leistung des Eingangslaserstrahls nur auf zwei Teilstrahlen 5a, 5b erfolgt.
Für den Fall, dass das polarisationsbeeinflussende optische Element 15 als l/4- Verzögerungsplatte ausgebildet ist, können die beiden Teilstrahlen 5a, 5b, die nach dem Austritt aus dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1b linear polarisiert sind, in zirkular polarisierte Teilstrahlen umgewandelt werden. Mit Hilfe der die l/4- Verzögerungsplatte 15 oder mit Hilfe von anderen polarisationsbeeinflussenden optischen Elementen kann eine gezielte Aufteilung der Leistung des Eingangslaserstrahls auf die beiden Teilstrahlen 5a, 5b erfolgen. Es ist auch möglich, mit Hilfe der l/4-Verzögerungsplatte 15 gezielt eine kaskadierte Strahlteilung vorzunehmen, um beispielsweise vier Teilstrahlen 5a-d zu erzeugen, wie dies in Fig. 5a angedeutet ist. Bei einer geeigneten Ausrichtung der l/4- Verzögerungsplatte 15 zu dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 13 kann auch in diesem Fall eine gleichmäßige Aufteilung der Leistung des Eingangslaserstrahls auf die vier Teilstrahlen 5a-d erfolgen. Für den Fall, dass bei einer solchen Aufteilung das polarisationsbeeinflussende optische Element 13 mit Hilfe des Drehantriebs 14a gedreht wird, um den Abstand bzw. den Strahlversatz DC zwischen den Teilstrahlen 5a-d in X-Richtung einzustellen, ist es typischerweise nicht erforderlich, die l/4-Verzögerungsplatte 15 entsprechend mitzudrehen, um den Effekt der gleichmäßigen Aufteilung beizubehalten.
Die Anordnung aus dem weiteren doppelbrechendem optischen Element 13 und dem vor diesem angeordneten polarisationsbeeinflussenden optischen Element 15, z.B. in Form der l/4-Verzögerungsplatte, kann kaskadiert werden, d.h. die in Fig. 5a durch einen gestrichelten Rahmen umgebene Anordnung kann N-Mal wiederholt im Strahlengang angeordnet werden, um aus einem Eingangslaserstrahl eine Anzahl M von M = 2N+1 Teilstrahlen zu erzeugen.
Abhängig vom Drehwinkel cp der beiden doppelbrechenden optischen Elemente 7, 13 relativ zueinander bzw. von der Ausrichtung der optischen Achsen 4 der doppelbrechenden optischen Elemente 7, 13 relativ zueinander können die vier Teilstrahlen 5a-d wieder kollinear überlagert werden, wie dies in Fig. 5a angedeutet ist. Sollen alle vier oder mehr Teilstrahlen 5a-d kollinear angeordnet sein und entlang einer gemeinsamen Vorzugsrichtung, z.B. der X-Richtung, verlaufen, ist es typischerweise erforderlich, die optischen Achsen 4 aller weiteren doppelbrechenden optischen Elemente 13 bei der Kaskadierung in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen. Werden mit Hilfe einer jeweiligen l/4-Verzögerungsplatte 15 zirkular polarisierte Teilstrahlen erzeugt, kann auch bei einer solchen Kaskadierung eine gleichmäßige Leistungsaufteilung auf alle M= 2N+1 Teilstrahlen erfolgen.
Bei der in Fig. 5b gezeigten Polarisator-Anordnung 7 ist das weitere doppelbrechende optische Element 13 ebenfalls mittels eines Drehantriebs 14 relativ zum doppelbrechenden Polarisator-Element 1 a um die optische Achse 6 drehbar, um einen von der Polarisator-Anordnung 7 erzeugten Winkelversatz Da' einzustellen bzw. zu verändern. Bei der in Fig. 5b gezeigten Polarisator-Anordnung 7 ist das doppelbrechende Polarisator-Element 1a zur Erzeugung eines konstanten Winkelversatzes Da ausgebildet und der von der Polarisator-Anordnung 7 erzeugte Winkelversatz Da' kann in Abhängigkeit vom Drehwinkel cp des weiteren doppelbrechenden optischen Elements 13 eingestellt werden, wie dies in Fig. 6b dargestellt ist. Um die Aufteilung auf vier Teilstrahlen 5a-d bei der Drehung zu vermeiden, kann auch bei dem in Fig. 5b dargestellten Beispiel ein polarisationsbeeinflussendes optisches Element 15 vor dem weiteren doppelbrechenden optischen Element 13 angeordnet sein.
Bei der in Fig. 5c gezeigten Polarisator-Anordnung 7 ist das weitere doppelbrechende optische Element 13 mit Hilfe eines translatorischen Antriebs 14b entlang der optischen Achse 6 verschiebbar. Das doppelbrechende Polarisator- Element 1a ist wie in Fig. 5b zur Erzeugung eines konstanten Winkelversatzes Da (ohne Ortsversatz) ausgebildet. Mit Hilfe des weiteren keilförmigen doppelbrechenden optischen Elements 13 wird der (konstante) Winkelversatz Da in einen Ortsversatz Dc' umgewandelt, dessen Betrag vom Abstand zwischen dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1a und dem doppelbrechenden weiteren optischen Element 13 abhängig ist, der mit Hilfe des translatorischen Antriebs 15 verändert wird.
Bei den in Fig. 5a-c gezeigten Beispielen können im einfachsten Fall das jeweilige doppelbrechende Polarisator-Element 1a, 1b und das weitere doppelbrechende optische Element 13 baugleich ausgebildet sein.
Alle weiter oben dargestellten Polarisator-Anordnungen 7 können eine Komponente einer Bearbeitungsoptik 16 bilden, die beispielsweise wie in Fig. 7a, b dargestellt ausgebildet sein kann. Die in Fig. 7a, b dargestellte Bearbeitungsoptik 16 weist eine Fokussieroptik 17 auf, die zur Fokussierung der beiden Teilstrahlen 5a, 5b im Bereich einer Fokusebene 18 dient, die in Fig. 2a, b an der Oberseite eines zu bearbeitenden Werkstücks 19 liegt. Anders als in Fig. 7a, b dargestellt ist, kann die Fokusebene 18 auch im Strahlengang 10 der Bearbeitungsoptik 16 kurz vor dem Werkstück 19, in einer Ebene innerhalb des Werkstücks 19 oder kurz nach dem Werkstück 19 liegen. Der Eingangslaserstrahl 3, der auf das doppelbrechende Polarisator-Element 1a-c der Polarisator-Anordnung 7 trifft, entspricht einem von einer Laserquelle 20 erzeugten, in die Bearbeitungsoptik 16 eintretenden Laserstrahl 21. Die in Fig. 7a, b gezeigte Bearbeitungsoptik 16 ist ausgebildet, die beiden Teilstrahlen 5a, 5b auf zwei Fokuszonen 22a, 22b in bzw. in der Nähe der Fokusebene 18 zu fokussieren, die sich teilweise überlappen und die in Fig. 7a, b durch einen schwarzen und einen weißen Kreis dargestellt sind. Die in Fig. 7a dargestellte Bearbeitungsoptik 16 bildet zusammen mit der Laserquelle 11 eine Laserbearbeitungsvorrichtung 23 zur Bearbeitung des Werkstücks 19, beispielsweise in Form einer abtragenden Laserbearbeitung. Die Bearbeitungsoptik 16 kann zu diesem Zweck relativ zum Werkstück 19 bewegt werden und/oder eine Scannereinrichtung zur Ausrichtung der Teilstrahlen 5a, 5b an unterschiedliche Orte im Bereich der Fokusebene 18 aufweisen.
Bei der in Fig. 7a dargestellten Bearbeitungsoptik 6 ist die Polarisator-Anordnung 7 mit dem doppelbrechenden Polarisator-Element 1a und dem weiteren optisch isotropen Element 8 von Fig. 2a in bzw. in der Nähe einer zur Fokusebene 18 optisch konjugierten Ebene 24 angeordnet. Die optisch konjugierte Ebene 24 ist mit der Fokusebene 18 durch eine Winkel-zu-Orts-Transformation (Fourier-Transformation) verknüpft, die von der Fokussieroptik 17 erzeugt wird. Winkel in der optisch konjugierten Ebene 24 entsprechen Orten in der Fokusebene 18 und umgekehrt. Die beiden mit dem Winkelversatz Da aus dem Polarisator-Element 1a austretenden Teilstrahlen 5a, 5b werden daher mit einem Ortsversatz DC“ der beiden Zentren der Fokuszonen 22a, b in der Fokusebene 18 fokussiert, der kleiner ist als der Durchmesser der Fokuszonen 22a, b, so dass die beiden Fokuszonen 22a, b einander überlappen. Aufgrund des nicht vorhandenen Ortsversatzes der beiden aus dem Polarisator-Element 1a austretenden Teilstrahlen 5a, 5b sind die beiden Teilstrahlen 5a, 5b nach dem Durchlaufen der Fokussieroptik 17 parallel und senkrecht zur Fokusebene 18 ausgerichtet. Der Abstand zwischen der Fokusebene 18 und der optisch konjugierten Ebene 24 liegt bei dem in Fig. 7a gezeigten Beispiel bei 2 f, wobei f die Brennweite der Fokussieroptik 17 bezeichnet.
Die in Fig. 7b dargestellte Bearbeitungsoptik 16 weist eine weitere abbildende Optik 25 auf, die im Strahlengang 10 vor der Fokussieroptik 17 angeordnet ist. Die weitere abbildende Optik 25 bildet gemeinsam mit der Fokussieroptik 17 die beiden an dem im Strahlengang 10 vor der weiteren abbildenden bzw. kollimierenden Optik 25 angeordneten doppelbrechenden Polarisator-Element 1b der Polarisator-Anordnung 7 von Fig. 5a mit einem variablen Ortsversatz Dc' erzeugten Teilstrahlen 5a, 5b in die Fokusebene 18 ab. Der Abbildungsmaßstab bei der Abbildung in die Fokusebene 18 ist hierbei derart gewählt, dass der Durchmesser der beiden Teilstrahlen 5a, b sowie der Abstand Ax“ zwischen den beiden Teilstrahlen 5a, b in der Fokusebene 8 reduziert wird. Das Polarisator-Element 1b ist bei dem in Fig. 7b dargestellten Beispiel vereinfachend in einem Abstand von 4 f von der Fokusebene 18 in einer der Fokusebene 18 entsprechenden, weiteren Ebene 24 angeordnet. In der Regel weisen die weitere Optik 25 und die Fokussieroptik 17 unterschiedliche Brennweiten fi, f2 auf, d.h. die weitere Ebene 24 ist im Abstand 2 (fi + f2) angeordnet. Durch die Wahl geeigneter unterschiedlicher Brennweiten fi, f2 kann der Abbildungsmaßstab eingestellt werden, beispielsweise um die weiter oben beschriebene Verkleinerung zu bewirken.
Die Ortsverteilung in der weiteren Ebene 24 entspricht der Ortsverteilung in der Fokusebene 18 (mit einer Anpassung des Maßstabs). Da das Polarisator-Element 1b im kollimierten Strahlengang 10 des in die Bearbeitungsoptik 16 eintretenden Laserstrahls 21 angeordnet ist, ist es nicht zwingend erforderlich, dass dieses in der weiteren Ebene 24 positioniert ist, vielmehr kann dieses auch im Strahlengang 10 vor oder nach der weiteren Ebene 24 angeordnet sein.
Die Bearbeitungsoptik 16 von Fig. 7a, b weist auch eine strahlformende Optik 26 zur Umwandlung eines in die Bearbeitungsoptik 16 eintretenden Laserstrahls, der im gezeigten Beispiel mit dem von der Laserquelle 20 erzeugten Laserstrahl 21 mit Gauß-förmigen Strahlprofil übereinstimmt, in einen Eingangslaserstrahl 3 mit einem quasi-nichtbeugenden Strahlprofil, genauer gesagt mit einem Bessel-ähnlichen Strahlprofil auf, der auf die Polarisator-Anordnung 7 trifft.
Das Bessel-ähnliche Strahlprofil kann rotationssymmetrisch zur Ausbreitungsrichtung sein, es ist aber auch möglich, dass die strahlformende Optik 26 ein nicht rotationssymmetrisches Strahlprofil erzeugt, welches eine Vorzugsrichtung aufweist, d.h. die strahlformende Optik 26 wirkt in der Art einer Strahlteiler-Optik. Auch andere bzw. komplexere Strahlprofile, z.B. nicht-beugende Strahlprofile wie Airy- Strahlprofile, Mathieu-Strahlprofile, eine Strahl-Homogenisierung, die Erzeugung eines Vortex, einer Bottle, ... können mit Hilfe der strahlformenden Optik 26 erzeugt werden. Die strahlformende Optik 26 kann als diffraktives optisches Element, als Axicon, ... oder einer Kombination aus diesen Elementen ausgebildet sein. Die strahlformende Optik 26 kann auch als diffraktives optisches Element ausgebildet sein, welches die Funktion eines Axicons aufweist.
Nach der strahlformenden Optik 26 liegt im vorliegenden Beispiel ein Strahlprofil vor, welches einem im Wesentlichen rotationssymmetrischen Bessel-Strahl entspricht, d.h. einem radialen Intensitätsverlauf in transversaler Richtung in Form einer Bessel- Funktion.
Die in Fig. 7a gezeigte Bearbeitungsoptik 16 weist zusätzlich eine abbildende bzw. kollimierende Optik 25 auf, die im Strahlengang 10 zwischen der strahlformenden Optik 26 und dem Polarisator-Element 1a der Polarisator-Anordnung 7 angeordnet ist und die zur verkleinerten Abbildung dient. Am Ort des Polarisator-Elements 1a liegt in Fig. 7a das Fernfeld des Bessel-ähnlichen Strahlprofils vor. Die Erzeugung eines Strahlprofils in Form eines Bessel-ähnlichen Strahls hat sich für das Trennen eines Werkstücks 19 als vorteilhaft erwiesen, welches aus einem transparenten Werkstoff, beispielsweise aus Glas, hergestellt ist und bei dem eine Trennung und ggf. Rissführung entlang einer vorgegebenen Richtung günstig ist, die der in Fig.
7a, b gezeigten Vorzugsrichtung X entsprechen kann, die aber auch unter einem vorgegebenen Winkel zu der Vorzugsrichtung X ausgerichtet sein kann oder ggf. einer von einer Linie abweichende, vorgegebene Kontur bildet. Auch die Tatsache, dass das longitudinale Strahlprofil der Teilstrahlen 5a, 5b, die in das Werkstück 19 eindringen, über eine vergleichsweise große Länge nahezu homogen verläuft, erleichtert die Trennung, ggf. unter Rissbildung, und damit die trennende Bearbeitung des Glas-Materials.
Mit Hilfe einer in Fig. 7a, b nicht bildlich dargestellten Strahlteiler-Optik der Bearbeitungsoptik 16 kann eine Mehrzahl von Paaren von Fokuszonen 22a, 22b im Bereich der Fokusebene 18 erzeugt werden, die nebeneinander entlang der Vorzugsrichtung X angeordnet sind, wobei sich Fokuszonen 22a, 22b von benachbarten Teilstrahlen 5a, 5b teilweise überlappen und einen zusammenhängenden Wechselwirkungsbereich 27 bilden, der sich im gezeigten Beispiel entlang der Vorzugsrichtung X erstreckt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann sich der Wechselwirkungsbereich 27 auch entlang einer nicht geradlinigen Kontur erstrecken, die sich insbesondere auch in Z-Richtung in das Volumen des Werkstücks 19 hinein erstrecken kann. Für Details der Strahlteilung mit Hilfe der Strahlteiler-Optik sowie für Details der transversalen bzw. longitudinalen Strahlprofile, die mit Hilfe der strahlformenden Optik 26 erzeugt werden, sei auf die eingangs zitierte DE 102019205394.7 verweisen.
Der Strahlengang 10 der in Fig. 7a, b schematisch dargestellten Bearbeitungsoptik 16 ist in Fig. 8a-c in realistischerer Weise dargestellt. Fig. 8a zeigt hierbei den Strahlengang 10 ohne die Polarisator-Einrichtung 7, d.h. nur die strahlformende Optik 26, die aus dem in die Bearbeitungsoptik 16 eintretenden Laserstrahl 12 ein Bessel-ähnliches Strahlprofil erzeugt. Zu diesem Zweck kann die strahlformende Optik 26 ein refraktives optisches Element in Form eines Axicons aufweisen, an Stelle des Axicons kann aber auch ein diffraktives optisches Element als strahlformende Optik 26 verwendet werden. Insbesondere bei Verwendung eines diffraktiven optischen Elements kann auch ein Bessel-ähnliches Strahlprofil mit einer Vorzugsrichtung (X-Richtung) mit einer Mehrzahl von sich paarweise überlappenden Teilstrahlen 5a, b erzeugt werden (vgl. Fig. 7a, b), d.h. die strahlformende Optik 26 wirkt in der Art einer Strahlteiler-Optik.
Fig. 8b zeigt die Bearbeitungsoptik 16 von Fig. 7a, die zusätzlich die Polarisator- Anordnung 7 von Fig. 2a mit dem Polarisator-Element 1a und dem weiteren optisch isotropen Element 8 aufweist, die im Strahlengang 10 hinter der strahlformenden Optik 26 angeordnet ist und die den Eingangslaserstrahl 3 in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen 5a, 5b aufteilt, um den in Fig. 8a gezeigten, in longitudinaler Richtung Z ausgedehnten Wechselwirkungsbereich 27 zu erzeugen. Wie in Fig. 8a zu erkennen ist, weist der Wechselwirkungsbereich 27 eine Vorzugsrichtung X auf, entlang derer die beiden Teilstrahlen 5a, 5b bzw. die beiden Fokuszonen 22a, 22b einen Ortsversatz Ax“ zueinander aufweisen. Die in Fig. 8c gezeigte Bearbeitungsoptik 16 unterscheidet sich von der in Fig. 8b dargestellten Bearbeitungsoptik 16 durch die Polarisator-Anordnung 7, die wie in Fig. 3c dargestellt ausgebildet ist. Die Polarisator-Anordnung 7 umfasst ein doppelbrechendes Polarisator-Element 1c, das sowohl einen Ortsversatz Dc als auch einen Winkelversatz Da erzeugt, sowie ein weiteres doppelbrechendes optisches Element 13.
Die Fokussieroptik 17 ist in Fig. 8b, c nur beispielhaft als Linse dargestellt und weist in der Regel mehrere optische Elemente auf, die gemeinsam ein Objektiv bilden. Die Fokussieroptik 17 weist neben der vorderen, dem Werkstück 19 zugewandten Brennebene 18 auch eine hintere Brennebene 18a auf, die der Polarisator- Anordnung 7 zugewandt ist.
Die jeweilige Polarisator-Anordnung 7 der in Fig. 8b, c gezeigten Bearbeitungsoptiken 16 ermöglicht es, einen der beiden Teilstrahlen 5a, 5b auf der optischen Achse 6 zu positionieren, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist dies günstig, um ein Strahltaumeln zu verhindern, wenn die Polarisator- Anordnung 7 - typischerweise gemeinsam mit der strahlformenden Optik 26 - mittels des Drehantriebs 9 um die optische Achse 6 der Bearbeitungsoptik 16 gedreht wird, um die Lage der Vorzugsrichtung in der XY-Ebene während der Bearbeitung des Werkstücks 19 zu verändern (zu drehen).
Mit Hilfe der in Fig. 8a-c dargestellten Bearbeitungsoptik 16 lässt sich u.a. eine Glasschneide- bzw. Glastrenn-Anwendung besonders vorteilhaft durchführen, die in der Regel hohe Fluenzen benötigt. Bei einer solchen Anwendung wird typischerweise ein Laserstrahl 21 mit Einzelpulsen oder mit Burst-Pulsen (z.B. 2-6 Pulse im Burst mit einem Burst-Pulsabstand von 2 ns bis 150ns, bevorzugt 13 ns bis 40 ns) verwendet. Die Einzel-Pulse oder die Pulse im Burst weisen vorteilhafter Weise eine Pulsdauer zwischen 200 fs und 20 ps, insbesondere zwischen 300 fs und 20 ps, auf, d.h. die Laserquelle 20 ist als Ultrakurzpuls-Laserquelle ausgebildet. Die Pulsenergie (Gesamter Burst oder im Einzelpuls) liegt bevorzugt zwischen 10 pJ und 10 mJ, insbesondere zwischen 30 pJ und 1 mJ. Der räumliche Pulsabstand bzw. der Modifikationsabstand zwischen benachbarten Fokuszonen 22a, 22b des Wechselwirkungsbereichs 27 beträgt typischerweise zwischen ca. 0,8 gm und ca. 30 gm.
Ein wesentlicher Vorteil der in Fig. 8a-c gezeigten Bearbeitungsoptik 16 besteht darin, dass die Polarisator-Anordnung 7 vergleichsweise weit von der hinteren Brennebene 18a der Fokussieroptik 17 angeordnet werden kann. In der hinteren Brennebene 18a der Fokussieroptik 17 sind die auftretenden Fluenzen insbesondere im Quasi-Bessel-Fall sehr groß, da sich dort in diesem Fall ein Ringfokus ausbildet. Durch den vergleichsweise großen Abstand der Polarisator-Anordnung 7, genauer gesagt des letzten optischen Elements 8, 13 der Polarisator-Anordnung 7, von der rückseitigen Brennebene 18a, der typischerweise mindestens so groß ist wie die rückseitige Brennweite der Fokussieroptik 17 kann eine Beschädigung der Polarisator-Anordnung 7 durch zu hohe Fluenzen in der Regel vermieden werden. Zudem ist die hintere Brennebene 18a insbesondere bei kurzen Brennweiten der Fokussieroptik 17 mechanisch nicht gut zugänglich.
Abhängig von der Anwendung kann es sinnvoll sein, in der Fokusebene 18 an Stelle von linear polarisierten Teilstrahlen 5a, 5b links bzw. rechts zirkular polarisierte Teilstrahlen 5a, 5b zu erzeugen. Zu diesem Zweck kann ein Verzögerungs-Element, z.B. in Form einer l/4-Platte, an geeigneter Stelle im Strahlengang 10 nach der Polarisator-Anordnung 7 angeordnet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Bearbeitungsoptik (16) zur Werkstückbearbeitung, umfassend: eine Polarisator-Anordnung (7), die ein doppelbrechendes Polarisator-Element (1a, 1b, 1c) zur Aufteilung mindestens eines insbesondere gepulsten Eingangslaserstrahls (3) auf mindestens zwei Teilstrahlen (5a, 5b) mit jeweils einem von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen (s, p) umfasst, sowie eine im Strahlengang (10) nach der Polarisator-Anordnung (7) angeordnete Fokussieroptik (17) zur Fokussierung der Teilstrahlen (5a, 5b) auf mindestens zwei Fokuszonen (22a, 22b), dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisator-Anordnung (7) mindestens ein im Strahlengang (10) nach dem doppelbrechenden Polarisator-Element (1a, 1b, 1c) angeordnetes weiteres optisches Element (8, 11 bis 13) zur Veränderung eines Winkels (a0, aeo) und/oder eines Abstands (x0, Xeo) mindestens eines der Teilstrahlen (5a, 5b) relativ zu einer optischen Achse (6) der Bearbeitungsoptik (16) aufweist.
2. Bearbeitungsoptik nach Anspruch 1 , bei welcher das Polarisator-Element (1 a-c) zur Erzeugung eines Ortsversatzes (Dc) und/oder eines Winkelversatzes (Da) zwischen den Teilstrahlen (5a, 5b) mit den unterschiedlichen Polarisationszuständen (s, p) ausgebildet ist.
3. Bearbeitungsoptik nach Anspruch 2, bei der das Polarisator-Element (1 a, 1 c) zur Erzeugung eines Winkelversatzes (Da) zwischen den Teilstrahlen (5a, 5b) mit den unterschiedlichen Polarisationszuständen (s, p) ausgebildet ist und bei der das weitere optische Element (8, 11 bis 13) ausgebildet ist, den Winkel (aqo, a0) eines der beiden Teilstrahlen (5a; 5b) relativ zur optischen Achse (6) zu verändern, um den Teilstrahl (5a; 5b) parallel zur optischen Achse (6) auszurichten.
4. Bearbeitungsoptik nach Anspruch 3, bei welcher das weitere optische Element (8) optisch isotrop ausgebildet ist, wobei das Polarisator-Element (1a) bevorzugt zur Erzeugung eines Winkelversatzes (Da) ohne Erzeugung eines Ortsversatzes (Dc) ausgebildet ist.
5. Bearbeitungsoptik nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Polarisator-Anordnung (7) eine Strahlversatz-Optik (9) aufweist, die ein weiteres doppelbrechendes Element (11) aufweist, um beide Teilstrahlen (5a, 5b) parallel zueinander auszurichten.
6. Bearbeitungsoptik nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Polarisator- Anordnung (7) ausgebildet ist, einen der Teilstrahlen (5a; 5b) auf der optischen Achse (6) zu positionieren oder beide Teilstrahlen (5a, 5b) in gleichen Abständen (xo, Xeo) von der optischen Achse (6) zu positionieren.
7. Bearbeitungsoptik nach Anspruch 6, bei der das doppelbrechende Polarisator- Element (1c) zusätzlich zur Erzeugung des Winkelversatzes (Da) zur Erzeugung eines Ortsversatzes (Dc) ausgebildet ist und bei der das weitere optische Element (13) doppelbrechend ausgebildet ist, um den Teilstrahl (5a) auf der optischen Achse (6) zu positionieren.
8. Bearbeitungsoptik nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei welcher die Polarisator- Anordnung (7) ausgebildet ist, den Winkelversatz (Da') und/oder Ortsversatz (Dc') zwischen den beiden Teilstrahlen (5a, 5b) zu verändern.
9. Bearbeitungsoptik nach Anspruch 8, bei der das weitere optische Element (13) doppelbrechend ausgebildet ist und zur Veränderung des Winkelversatzes (Da) und/oder zur Veränderung des Ortsversatzes (Dc) zwischen den beiden Teilstrahlen (5a, 5b) entlang der optischen Achse (6) der Bearbeitungsoptik (16) verschiebbar und/oder um die optische Achse (6) der Bearbeitungsoptik (16) drehbar ist.
10. Bearbeitungsoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das weitere optische Element (13) doppelbrechend ausgebildet ist und bei der vor dem weiteren optischen Element (13) ein polarisationsbeeinflussendes optisches Element (15), insbesondere eine l/4-Verzögerungsplatte oder eine l/2- Verzögerungsplatte, angeordnet ist.
11. Bearbeitungsoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine strahlformende Optik (26) zur Umwandlung eines eintretenden Laserstrahls (21) mit Gauß-förmigem Strahlprofil in einen austretenden Laserstrahl (3) mit einem quasi-nichtbeugenden Strahlprofil, insbesondere mit einem Bessel-ähnlichen Strahlprofil.
12. Bearbeitungsoptik nach Anspruch 11 , bei der die strahlformende Optik (26) zur Erzeugung eines nicht-rotationssymmetrischen quasi-nichtbeugenden Strahlprofils ausgebildet ist, das bevorzugt eine Vorzugsrichtung (X) aufweist.
13. Bearbeitungsoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zur Fokussierung der Teilstrahlen (5a, 5b) in zumindest teilweise überlappende Fokuszonen (22a, 22b) eines zusammenhängenden Wechselwirkungsbereichs (27) ausgebildet ist, wobei bevorzugt Teilstrahlen (5a, 5b) mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen in benachbarte Fokuszonen (22a, 22b) des zusammenhängenden Wechselwirkungsbereichs (27), insbesondere entlang der Vorzugsrichtung (X), fokussiert werden.
14. Bearbeitungsoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Drehantrieb (9) zum Drehen der Polarisator-Anordnung (7) und/oder der strahlformenden Optik (26) um eine Drehachse (Z).
15. Laserbearbeitungsvorrichtung (23), umfassend: eine Bearbeitungsoptik (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie eine Laserquelle (20), insbesondere eine Ultrakurzpuls-Laserquelle (20), zur Erzeugung eines Laserstrahls (21), insbesondere eines Laserstrahls (21) mit einem Gauß-förmigen Strahlprofil.
16. Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks (19) mittels einer Bearbeitungsoptik (16), umfassend:
Aufteilen mindestens eines insbesondere gepulsten Eingangslaserstrahls (21) auf mindestens zwei Teilstrahlen (5a, 5b), die jeweils einen von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen (s, p) aufweisen, an einem doppelbrechenden Polarisator-Element (1a, 1b, 1c) einer Polarisator-Anordnung (7), sowie
Fokussieren der Teilstrahlen (5a, 5b) auf Fokuszonen (22a, 22b) im Bereich des Werkstücks (9) mittels einer Fokussiereinrichtung (17) der Bearbeitungsoptik (16), gekennzeichnet durch
Verändern eines Winkels (a0, aeo) und/oder eines Abstands (x0, Xeo) mindestens eines der Teilstrahlen (5a, 5b) relativ zu einer optischen Achse (6) der Bearbeitungsoptik (16) an mindestens ein im Strahlengang (10) nach dem doppelbrechenden Polarisator-Element (1a, 1b, 1c) angeordneten weiteren optischen Element (8, 11 bis 13) der Polarisator-Anordnung (7).
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