DE102019120010A1

DE102019120010A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102019120010A1
Application number: DE102019120010.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Guggenmos; Martin Hartmann; Thomas Buckert; Fabian Mütel
Original assignee: Arges GmbH
Current assignee: Novanta Europe GmbH
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2021-01-28
Also published as: EP4003249A1; CA3148493A1; WO2021013796A9; US20220258279A1; WO2021013796A1; JP2022541631A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Modifizieren von Material und/oder Materialeigenschaften, mittels Laserstrahlung, umfassend folgende Schritte:
a) Erzeugen einer Vielzahl von Laserimpulsen (L);
b) Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse (L) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (100), insbesondere Umlenken der Laserimpulse (L) und/oder Bewegen des zu bearbeitenden Werkstücks (100), sodass die Laserimpulse (L) entlang einer vorbestimmten Trajektorie (Z) auf dem zu bearbeitenden Werkstück (100) geführt werden.
Erfindungsgemäß wird/werden
- ein zeitlicher Impulsabstand (Δt) zwischen den einzelnen, erzeugten Laserimpulsen (L) und/oder
- eine Impulsenergie (Pi) der Laserimpulse (L) und/oder
- ein Strahldurchmesser (D) der Laserimpulse (L) und/oder
- die vorbestimmte Trajektorie (Z) gezielt mit einem Rauschen beaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Modifizieren von Material und/oder Materialeigenschaften, mittels Laserstrahlung gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Modifizieren von Material und/oder Materialeigenschaften, mittels Laserstrahlung gemäß Anspruch 7.
Bei der Lasermaterialbearbeitung werden mitunter gepulste Laserstrahlen über zu bearbeitende Materialen geführt und/oder gelenkt, so dass die gepulsten Laserstrahlen beispielsweise die Materialen bearbeiten, insbesondere dabei Materialeigenschaften modifizieren und/oder Material abtragen.
Im Stand der Technik werden bisher Verfahren und Vorrichtungen für die Lasermaterialbearbeitung beschrieben, bei denen ein besonders hoher Grad an Präzision der zeitlichen Verläufe der einzelnen Laserpulse und/oder der Laserstrahlführung und/oder der Leistungsniveaus der einzelnen Laserpulse erreicht werden soll, wie beispielsweise in den Druckschriften DE 102 45 717 A1 , DE 10 2009 042 003 B4 und DE 11 2005 002 987 T5 beschrieben wird.
In 3 ist eine Draufsicht auf ein Werkstück 100 während einer Bearbeitung des Werkstücks gemäß einem Verfahren aus dem Stand der Technik gezeigt. In dem dargestellten Beispiel wird ein gepulster Laserstrahl entlang einer Trajektorie Z' auf einer Oberfläche des Werkstücks 100 geführt. In dem abgebildeten Beispiel verläuft die Trajektorie Z' entlang einer x-Achse eines Koordinatensystems x, y, z, wobei die x- und y-Achsen eine Werkstückebene des Werkstücks 100 aufspannen und die z-Achse orthogonal zu der x- und y-Achse verläuft. Je nach Fokussierung und Beschaffenheit des Materials des Werkstücks ist es auch möglich, dass der gepulste Laserstrahl entlang einer Trajektorie Z' innerhalb des Werkstücks geführt wird.
In 3 werden außerdem durch die Laserimpulse erzeugte Bearbeitungspunkte L' gezeigt, die einen Durchmesser D' aufweisen, wobei durch ein kontinuierliches Führen und/oder Umlenken des Laserstrahls in Kombination mit einer präzisen zeitlichen Beabstandung der einzelnen Laserimpulse, die durch die Laserimpulse erzeugten Bearbeitungspunkte L' entlang der Trajektorie Z' zueinander regelmäßig beabstandet sind. Es entsteht folglich ein regelmäßiges Muster aus Bearbeitungspunkten L'.
Insbesondere bei Materialien, die in der Optik eingesetzt werden, durch die also Licht fällt und/oder geleitet wird, führt allerdings das hochpräzise Bearbeiten des Materials dazu, dass periodische Strukturen in dem Material und/oder periodische Strukturen der Materialeigenschaften des Materials entstehen. Unter Lichteinfall führt dies dazu, dass unerwünschte Interferenzmuster und/oder Beugungseffekte entstehen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung bereitzustellen, dass einerseits kostengünstig ist und andererseits die optischen Eigenschaften des zu bearbeitenden Werkstücks optimiert. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, um die vorhergehend beschriebenen Probleme zu vermeiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände gemäß den Ansprüchen 1 und 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Modifizieren von Material und/oder Materialeigenschaften, mittels Laserstrahlung, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Erzeugen einer Vielzahl von Laserimpulsen,
b) Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse auf einem zu bearbeitenden Werkstück, insbesondere Umlenken der Laserimpulse und/oder Bewegen des zu bearbeitenden Werkstücks, sodass die Laserimpulse entlang einer vorbestimmten Trajektorie auf dem zu bearbeitenden Werkstück geführt werden, wobei
- - ein zeitlicher Impulsabstand zwischen den einzelnen, erzeugten Laserimpulsen und/oder
- - eine Impulsenergie der Laserimpulse und/oder
- - ein Strahldurchmesser der Laserimpulse und/oder
- - die vorbestimmte Trajektorie gezielt mit einem Rauschen beaufschlagt wird/werden.

Bei dem Auftreffpunkt handelt es sich vorzugsweise um jeweils einen Auftreffpunkt eines einzelnen Laserimpulses. Im Schritt b) werden folglich mehrere Auftreffpunkte von mehreren, insbesondere aufeinander folgenden, Laserimpulsen gesteuert. Mit anderen Worten kann im Schritt b) jeweils ein Auftreffpunkt eines einzelnen Laserimpulses gesteuert werden, wobei zeitlich nacheinander mehrere Auftreffpunkte von mehreren Laserimpulsen gesteuert werden. Bei den Auftreffpunkten kann es sich beispielsweise um durch Laserimpulse erzeugte Bearbeitungspunkte handeln.
Ein wesentlicher Kerngedanke der Erfindung besteht darin, die Bearbeitung und/oder Modifizierung des Materials des Werkstückes derart zu beeinflussen, dass im Anschluss an die Bearbeitung, eine bearbeitete Fläche des Werkstücks unter Lichteinfall von kohärentem oder inkohärentem Licht, nur geringe, vorzugsweise keine, optischen Effekte wie beispielsweise Beugungseffekte erzeugt.
Dies wird dadurch erreicht, indem eine sich aus dem gezielt mit Rauschen beaufschlagten einzelnen Laserimpulse oder durch eine Variation von mehreren Parametern der Lasereinheit ergebende unregelmäßige Struktur der Modifizierung des Materials des Werkstücks zu keinen Interferenz- oder Beugungserscheinungen unter Lichteinfall auf das Werkstück führt, beziehungsweise sich die Interferenz- oder Beugungserscheinungen auf Grund der erzeugten unregelmäßigen Oberflächenstruktur herausmitteln.
Durch das gezielte Beaufschlagen einzelner oder mehrerer Parameter, wie z.B. der Trajektorie des Laserstrahls, dem zeitlichen Impulsabstand, der Impulsenergie, oder des Strahldurchmessers mit einem Rauschen, wird erreicht, dass der bearbeitende Laserstrahl eine bewusste unregelmäßige Struktur auf dem durch die Laserimpulse modifiziertem Werkstück erzeugt.
Licht, das nach dem Bearbeitungsvorgang auf die erzeugte unregelmäßige Struktur des Werkstücks trifft, wird diffus gestreut, und es kommt am Werkstück nicht zu Beugungs- oder Interferenzerscheinungen in Reflexion oder Transmission, wie beispielsweise bei einem optischen Gitter, oder anderen Objekten mit sehr regelmäßiger, periodischer Struktur bzw. periodisch strukturierter Oberfläche.
Das Verfahren, wonach einzelne Parameter der Laserimpulse gezielt mit einem Rauschen beaufschlagt werden, um eine unregelmäßige Struktur auf dem Werkstück zu erzeugen, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kostengünstig realisierbar, da gemäß dieser Ausführungsform ein Werkstück nicht mechanisch bewegt werden muss. In diesem Fall lässt sich die sich ergebende, unregelmäßige Struktur auf der Oberfläche des Werkstücks beliebig klein einstellen, wobei die Materialbearbeitung nicht durch begrenzte mechanische Präzession, beispielsweise Hysterese-Effekte, begrenzt ist. Andererseits ist diese Ausführungsform für Werkstücke geeignet, die nicht bewegt werden können, da sie beispielsweise in einer starren Verbindung mit schweren bzw. unbeweglichen Körpern stehen. Das Verfahren zur Materialbearbeitung wird dabei derart gesteuert, dass nach der Materialbearbeitung keine Beugungs- oder Interferenzerscheinungen am Werkstück auftreten, wenn Licht auf das Werkstück fällt.
Unter einem Rauschen kann im Sinne der Erfindung ein stochastisches Signal oder eine zeitdiskrete stochastische Signalfolge verstanden werden, dem oder der ein stochastischer Rauschprozess zugrunde liegt, wie beispielsweise ein Gauß-Prozess, ein Poisson-Prozess, ein Weißes Rauschen oder ein gleichverteilter Zufallsprozess.
Ein gezieltes Beaufschlagen mit einem Rauschen kann in diesem Zusammenhang derart verstanden werden, dass gezielt charakteristische Parameter eines zugrundeliegenden Rauschprozesses ausgewählt werden, wie beispielsweise ein Mittelwert und/oder eine Varianz bei einem Gauß-Prozess, und ein stochastisches Signal oder eine zeitdiskrete stochastische Signalfolge basierend auf dem Rauschprozess erzeugt wird.
Das erzeugte, stochastische Signal oder die erzeugte, zeitdiskrete, stochastische Signalfolge kann auf die Steuersignale zum Steuern des Auftreffpunkts der Laserimpulse beispielsweise additiv hinzugefügt werden.
Insbesondere kann unter dem Rauschen ein Jitter, insbesondere im Sinne eines zeitlichen Rauschens, verstanden werden, dem beispielsweise ebenfalls ein Rauschprozess zugrunde liegen kann.
In einer weiteren und/oder alternativen Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse auf dem Werkstück durch Bewegung des zu bearbeitenden Werkstücks. Dabei ist es möglich einen Werkstückhalter, insbesondere einen Koordinatentisch, zu verwenden, der mindestens in drei Richtungen (x-Richtung, y-Richtung, z-Richtung) bewegbar ist. Mit Hilfe eines derartigen Bewegens des zu bearbeitenden Werkstücks ist es möglich, auf ein aufwändigeres Laser-Ablenksystem zu verzichten.
Eine zeitliche Impulsdauer der Laserimpulse kann hierbei - je nach Anwendung - vorzugsweise im Nanosekunden (ns) Bereich, weiter vorzugsweise im Pikosekunden (ps) Bereich, noch weiter vorzugsweise im Femtosekunden (fs) Bereich, liegen, wobei der zeitliche Verlauf der Laserimpulse vorzugsweise Gauß- oder sech² förmig ausgeprägt ist.
Eine Wellenlänge der im Verfahren verwendeten Laserimpulse kann - je nach Anwendung, Material und/oder gewünschter Eindringtiefe in das Werkstück - hierbei im Ultravioletten-Bereich (UV), vorzugsweise im sichtbaren Bereich (VIS), noch weiter vorzugsweise im Nahinfraroten-Bereich (NIR), liegen.
Eine räumliche Mode der im Verfahren verwendeten Laserimpulse ist vorzugsweise eine TEM₀₀ Mode, wobei in alternativen Ausführungsformen die Mode auch von dieser Mode abweichen kann.
Ein mittlerer zeitlicher Impulsabstand Δt der Laserpulse L kann vorzugsweise in einem Bereich von 1 kHz - 100 MHz liegen.
Eine mittlere Impulsenergie Pi der Laserimpulse L kann vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 nJ bis 1 mJ liegen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der zeitliche Impulsabstand durch eine pseudozufällige Impulsabstandsfolge einer bestimmten Impulsfolgenlänge variiert, wobei insbesondere die pseudozufällige Impulsabstandsfolge zyklisch wiederholt wird. Durch die pseudozufällige Impulsabstandfolge kann effektiv die Impulsfolge mit einem Jitter, also einem zeitlichen Rauschen, beaufschlagt werden.
Durch die Erzeugung der pseudozufällige Impulsabstandsfolge wird erreicht, dass ein kontinuierliches Umlenken der Laserimpulse unregelmäßige Auftreffkoordinaten bzw. Auftreffpunkte der Trajektorie der Laserimpulse auf dem Werkstück bewirkt. Hieraus resultiert eine unregelmäßige Modifizierung des Materials des Werkstücks bei der Materialbearbeitung.
In einer bevorzugen Ausführungsform des Verfahrens wird lediglich eine pseudozufällige Impulsabstandsfolge festgelegt, die zyklisch wiederholt wird, wobei ein Startimpuls der sich wiederholenden, pseudozufälligen Impulsabstandsfolge zeitlich um einen pseudozufälligen Wert verschoben wird.
Das zyklische Wiederholen einer pseudozufälligen Impulsabstandsfolge reduziert den rechnerischen Aufwand, da nicht kontinuierlich neue pseudozufällige Impulsabstandsfolgen berechnet werden müssen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Impulsenergie der Laserimpulse durch eine pseudozufällige Impulsenergiefolge variiert, wobei insbesondere die pseudozufällige Impulsenergiefolge zyklisch wiederholt wird.
Durch eine Variation der Impulsenergie der Laserimpulse können ähnliche Effekte wie in den vorangegangenen Ausführungsformen erzielt werden. Beispielsweise kann es von Vorteil sein, je nach Material oder optischen Eigenschaften des Werkstücks nicht den Impulsabstand zu variieren, sondern die Impulsenergie. Dies ist beispielsweise bei Materialien, die bei der Laserwellenlänge stark reflektieren, von Vorteil.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Strahldurchmesser der Laserimpulse L anhand einer pseudozufälligen Impulsdurchmesserfolge variiert, die insbesondere zyklisch wiederholt wird.
Auch hier reduziert das zyklische Wiederholen lediglich einer pseudozufälligen Impulsdurchmesserfolge den rechnerischen Aufwand, da nicht kontinuierlich neue pseudozufällige Impulsdurchmesserfolgen berechnet werden müssen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden Punkte der vorbestimmten Trajektorie, entlang der die Laserimpulse geführt werden, durch eine pseudozufällige Impulstrajektorienfolge verschoben, wobei insbesondere die pseudozufällige Impulstrajektorienfolge zyklisch wiederholt wird.
Durch das pseudozufällige Verschieben der Trajektorie der Laserimpulse kann ebenfalls eine regelmäßige Struktur vermieden werden. Diese Ausführungsform stellt eine einfach anwendbare, mechanische Ausführungsform dar, die insbesondere mit den obigen Ausführungsformen kombinierbar ist.
Es ist möglich, dass die Lasereinheit einen Seedlaser aufweist. Bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass ein derartiges Rauschen, insbesondere ein derartiger Jitter, gewählt wird, das/der kleiner als die Periodendauer des Seedlasers ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Modifizieren von Material und/oder Materialeigenschaften, mittels Laserstrahlung, vorzugsweise zum Ausführen des zuvor beschriebenen Verfahrens, gelöst, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:

- eine Lasereinheit zum Erzeugen einer Vielzahl von Laserimpulsen;
- eine Einheit zur Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse auf einem zu bearbeitenden Werkstück, insbesondere eine Umlenkeinheit zum Umlenken der Laserimpulse entlang einer vorbestimmten Trajektorie auf dem zu bearbeitenden Werkstück und/oder eine Bewegungsvorrichtung zur Bewegung des zu bearbeitenden Werkstücks;
- optional eine abbildende Einheit zum Abbilden, insbesondere zum Fokussieren, der Laserimpulse entlang der vorbestimmten Trajektorie auf einem zu bearbeitenden Werkstück; sowie
- einen Systemcontroller, der mit der Lasereinheit und/oder der Einheit zur Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpuls, insbesondere der Umlenkeinheit und/oder der Bewegungsvorrichtung, und/oder der abbildenden Einheit kommunizierbar verbunden ist, sodass die Lasereinheit und/oder die Einheit zur Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse (L), insbesondere die Umlenkeinheit (20) und/oder die Bewegungsvorrichtung, und/oder die abbildende Einheit von dem Systemcontroller mit Steuersignalen steuerbar ist/sind, wobei:
- ein zeitlicher Impulsabstand zwischen den einzelnen, erzeugten Laserimpulsen und/oder
- eine Impulsenergie der Laserimpulse und/oder
- ein Strahldurchmesser der Laserimpulse und/oder
- die vorbestimmte Trajektorie

Die Umlenkeinheit kann beispielsweise auf einem Galvanometerscanner basieren. Hierbei geht ein Umlenken der Laserimpulse einher mit einer Variation der Auftreffkoordinaten bzw. Auftreffpunkte der Laserimpulse auf dem Werkstück.
Unter einer abbildenden Einheit kann beispielsweise ein Teleskop oder eine Linse oder ein Linsenarray oder eine Linsenanordnung oder ein Parabolspiegel oder ein sphärischer Spiegel verstanden werden.
Unter einer abbildenden Einheit kann beispielweise eine Fokussiereinheit verstanden werden. Ferner sind auch einfache Linsenanordnungen als abbildende Einheit möglich.
Eine Lasereinheit kann beispielsweise mindestens aus einem Seedlaser, einer verstärkenden Faser, einem akustooptischen Modulator (AOM) und einem elektrooptischen Modulator (EOM) aufgebaut sein.
Beispielsweise fordert der Systemcontroller einen Startimpuls an. Eine Impulsausgabe erfolgt nach der Verstärkung durch Schalten des EOM und des AOM in einen durchleitenden, insbesondere offenen, Zustand. Im Einzelnen baut sich eine Verstärkung auf, wenn der EOM in einem nichtleitenden, insbesondere geschlossen, Zustand geschaltet ist.
Sobald eine gewünschte Verstärkung erreicht ist, erfolgt die Impulsausgabe, indem der EOM und der AOM in einen durchlässigen, insbesondere offenen, Zustand geschaltet werden. Wenn kein Impuls angefordert wird, ist der EOM in einem offenen Zustand und der AOM in einem geschlossenen Zustand. Mit anderen Worten blockiert der AOM eine Impulsausgabe des Seedlasers und da der EOM in einem offenen Zustand ist, baut sich keine Verstärkung auf.
Die Steuersignale können beispielsweise Transistor-Transistor-Logik (TTL) Signale sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen in beliebiger Weise kombinierbar sind.
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

1: eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Materialbearbeitung eines Werkstücks;
2: eine schematische Darstellung einer Impulsfolge gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3: eine Draufsicht auf ein Werkstück während einer Bearbeitung gemäß dem Stand der Technik;
4: eine Draufsicht auf ein Werkstück während eines Bearbeitungsverfahrens nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; sowie
5: ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In 1 ist eine Lasereinheit 10 gezeigt, die eine Seedlasereinheit 11 beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, Lichtimpulse in Richtung eines Verstärkerbereichs 12 zu emittieren, wobei dem Verstärkerbereich 12 ein erster optischen Modulator 13, insbesondere ein elektrooptischer Modulator (EOM), nachsteht, der einen ersten Zustand aufweist, der bewirkt dass die Lichtimpulse den Verstärkerbereich verlassen können und einen zweiten Zustand aufweist, in dem die Lichtpulse in dem Verstärkerbereich umlaufen, um dort pro Umlauf verstärkt zu werden.
Ferner umfasst die Lasereinheit 10, dem ersten optischen Modulator 13 nachstehend, einen zweiten optischen Modulator 14, insbesondere einen akustooptischer Modulator (AOM), der einen ersten Zustand aufweist, der bewirkt, dass Lichtimpulse aus der Lasereinheit 10 ausgegeben werden, und der einen zweiten Zustand aufweist, der bewirkt, dass Lichtimpulse der Lasereinheit 10 nicht ausgegeben werden und in dieser verbleiben.
Von der Lasereinheit 10 ausgegebene Lichtimpulse werden von einer abbildenden Einheit 30, insbesondere von einer Fokussiereinheit, die nach der Lasereinheit 10 ausgebildet ist, entlang einer vorbestimmten Trajektorie Z in Richtung eines zu bearbeitenden Werkstück 100 abgebildet. Die abbildenden Einheit 30 kann hierbei ein Teleskop, eine Linse, ein Linsenarray, ein Parabolspiegel oder ein sphärischer Spiegel oder Kombinationen aus zwei oder mehreren dieser Elemente sein.
Zur Beeinflussung der Strahllage bzw. des Auftreffpunkts auf dem Werkstück 100, befindet sich zwischen der abbildenden Einheit 30 und dem Werkstück eine Umlenkeinheit 20. Die Umlenkeinheit 20 dient zum Umlenken der Laserimpulse L entlang einer vorbestimmten Trajektorie Z auf dem zu bearbeitenden Werkstück 100. In 1 ist der mittlere Ablenkwinkel des Strahls ungefähr 90°. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung jedoch nicht auf diesen mittleren Ablenkwinkel beschränkt.
Des Weiteren ist ein Koordinatensystem x, y und z in 1 abgebildet, wobei die x- und y-Achse des Koordinatensystems die Werkstückebene 100 aufspannen und die z-Achse orthogonal zu der Werkstückebene verläuft.
Ein Systemcontroller 40 bestimmt über den ersten optischen Modulator 13 und zweiten optischen Modulator 14 zu welchen Zeitpunkten ein Laserimpuls aus der Lasereinheit ausgegeben wird, steuert die abbildende Einheit 30 bezüglich einer Fokuslage relativ zu dem Werkstück 100 und steuert die vorbestimmte Trajektorie Z der Laserimpulse über die Umlenkeinheit 20 und kontrolliert damit die Strahllage bezüglich des Werkstücks 100.
Dabei kann der Systemcontroller Parameter des Impulsabstands zwischen den einzelnen, erzeugten Laserimpulsen und/oder eine Impulsenergie der Laserimpulse und/oder einen Strahldurchmesser der Laserimpulse und/oder die vorbestimmte Trajektorie gezielt mit einem Rauschen beaufschlagen, um die eingangs genannten Probleme bei der Materialbearbeitung zu vermeiden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass der Systemcontroller die zeitliche Abgabe der Lichtimpulse des Seedlasers 11 mit einem Rauschen beaufschlagt.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Impulsfolge gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung abgebildet. Es wird die Impulsenergie Pi über der Zeit t dargestellt. Die einzelnen Impulse sind zumindest im Wesentlichen Gaußimpulse, die in dem vorliegenden Beispiel ein konstantes Energieniveau aufweisen. Darüber hinaus ist in 2 die Repetitionsrate T eingezeichnet, die die Periodendauer darstellt, mit der die einzelnen Laserimpulse wiederholt werden. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Impulsabstände mittels einer pseudozufälligen Impulsabstandfolge variiert, so dass die einzelnen Impulsabstände Δt von Impuls zu Impuls variiert werden.
In 4 wird eine Draufsicht auf ein Werkstück 100 während einer Bearbeitung des Werkstücks 100 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein gepulster Laserstrahl entlang einer Trajektorie Z auf einer Oberfläche des Werkstücks 100 geführt.
In diesem Ausführungsbeispiel verläuft die Trajektorie Z entlang einer x-Achse eines Koordinatensystems (x, y, z), wobei die x- und y-Achsen eine Werkstückebene des Werkstücks 100 aufspannen und die z-Achse orthogonal zu der x- und der y-Achse verläuft. Je nach Fokussierung und Beschaffenheit des Materials des Werkstücks ist es möglich, dass der gepulste Laserstrahl entlang einer Trajektorie Z innerhalb des Werkstücks geführt wird.
In 4 werden außerdem durch die Laserimpulse erzeugte Bearbeitungspunkte L gezeigt, die einen Durchmesser D aufweisen. Da der gepulste Laserstrahl kontinuierlich entlang der Trajektorie Z geführt und/oder umgelenkt wird, allerdings die zeitlichen Abstände zwischen den Laserimpulsen zeitlich variieren, ergibt sich auf dem Werkstück ein unregelmäßiges Muster aus Bearbeitungspunkten L.
Ebenfalls lassen sich, wie oben beschrieben, weitere Parameter der Laserimpulse, insbesondere zusätzlich, beispielsweise mit Hilfe von pseudozufälligen Impulsenergiefolgen, Impulsdurchmesserfolgen und/oder Impulstrajektorienfolgen gezielt variieren.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Schritt S0 wird ein Steuersignal erzeugt, das mit einem zeitlichen Rauschen, insbesondere einem sogenannten Jitter, gezielt beaufschlagt ist. Das Steuersignal kann beispielsweise ein TTL-Signal sein, das niedrige Spannungswerte, beispielsweise kleiner 0,2 V, und hohe Spannungswerte, beispielsweise größer 2 V, aufweist.
Das gezielt jitterbehaftete Steuersignal wird in einem Schritt S1 an die Lasereinheit 10 übermittelt. In Schritt S2 wird in der Lasereinheit 10 anhand des Steuersignals entschieden, ob ein Laserimpuls appliziert werden soll. Dies kann durch einen Schwellwertvergleich, beispielsweise wenn der Spannungswert des Steuersignals größer als 1,8 V ist, ausgelöst werden.
Wenn in Schritt S2 entschieden wurde, dass ein Laserimpuls ausgelöst werden soll, so wird in Schritt S3 der EOM der Lasereinheit 10 geschlossen. Dadurch baut sich eine Inversion, d.h. eine Verstärkung des Lasersignals der Seedlasereinheit 11, in der Lasereinheit 10 auf. Wenn in Schritt S2 hingegen entschieden wird, beispielsweise wenn der Spannungswert des Steuersignals kleiner als 1,8 V ist, dass kein Laserimpuls ausgelöst werden soll, so kehrt das Verfahren wieder zu Schritt S1 zurück.
In Schritt S4 wird abgefragt, ob eine bestimmte Inversionszeit verstrichen ist, sodass eine gewünschte Verstärkung des Lasersignals der Seedlasereinheit 11 erreicht ist.
Wenn die bestimmte Inversionszeit verstrichen ist, werden in Schritt S5 sowohl der EOM als auch der AOM geöffnet. Hierdurch wird nun ein Laserimpuls von der Lasereinheit 10 abgegeben und auf das zu bearbeitende Material appliziert.
In einem weiteren Schritt S6 wird der EOM nach der Abgabe des Laserimpulses geschlossen. Nach dem Schließen des EOM wird auch der AOM geschlossen, der Schließvorgang des AOM ist allerdings träger als der Schließvorgang des EOM.
Das Verfahren kehrt nun zurück zu Schritt S2, in welchem anhand des Auslösesignals entschieden wird, ob erneut ein Laserimpuls abgesendet werden des soll.
Unabhängig von den in den 1 - 5 dargestellten Ausführungsbeispielen wird noch auf einen weiteren möglichen Anwendungsbereich der Erfindung verwiesen: Ein möglicher Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt beispielsweise in der Bearbeitung der Kornea eines Auges, insbesondere eines menschlichen Auges, mit einem Laser, insbesondere einem Ultrakurzpuls (UKP) Laser.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu Bearbeitung der Kornea eines Auges kommt es hierbei zur Ausbildung einer periodischen Struktur. Diese Verfahren finden unter anderem in der Femto-LASIK (Femtosekunden-Laser unterstützte Laser-in-situ-Keratomileusis) und der FLEX (Femtosekunden-Lentikelextraktion) Anwendung.
Der Laser, insbesondere der Ultrakurzpuls Laser, erzeugt dabei eine Struktur aus Kavitationsblasen im Gewebe, so dass Gewebeteile anschließend entlang der erzeugten Trennschichten voneinander separiert werden können.
Die durch die periodische Struktur der Bearbeitung resultierenden Beugungseffekte führen im Anschluss an die Behandlungen gemäß dem Stand der Technik für den Patienten zur Wahrnehmung einer Regenbogenstruktur beim Blick auf helle Lichtquellen. Der Effekt ist unter dem Namen „Rainbow Glare“ als Nebenwirkung der oben genannten Verfahren des Standes der Technik bekannt.
Mittels der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung bereitgestellt, mit dem bzw. der die Trennschichten erzeugt werden können, ohne dabei eine periodische Struktur im Gewebe auszubilden. Dies führt zu einer Unterdrückung der Beugungseffekte und damit zu einer Reduzierung der Nebenwirkung der oben genannten Anwendungen.
Mit anderen Worten wird in einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Kornea eines Auges, insbesondere eines menschlichen Auges, mittels Laserstrahlung, umfassend die im Verfahrensanspruch 1 genannten Schritte angegeben. Das Auge ist in diesem Fall als zu bearbeitendes Werkstück definiert.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung werden auch die in den Unteransprüchen genannten Verfahrensschritte bei der Bearbeitung der Kornea des Auges angewandt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Kornea eines Auges, insbesondere eines menschlichen Auges, mittels Laserstrahlung, umfassend die in Anspruch 7 genannten Bauteile. Das Auge ist in diesem Fall als zu bearbeitendes Werkstück definiert.
Bezugszeichenliste

10: Lasereinheit
11: Seedlasereinheit
12: Verstärkerbereich
13: erster optischer Modulator
14: zweiter optischer Modulator
20: Umlenkeinheit
30: Abbildende Einheit (z. B. Fokussiereinheit)
40: Systemcontroller
100: Werkstück
D: Strahldurchmesser
D': Strahldurchmesser der Laserimpulse
L: Laserimpulse (durch die Laserimpulse erzeugte Bearbeitungspunkte)
L': Laserimpulse (durch die Laserimpulse erzeugte Bearbeitungspunkte) aus dem Stand der Technik
Pi: Impulsenergie
S0: Erzeugen eines rauschbehafteten Steuersignals
S1: Übermittels des Steuersignals an die Lasereinheit
S2: Abfragen, ob ein Laserimpuls appliziert werden soll
S3: Aufbauen der Verstärkung der Seedlasereinheit (Inversion)
S4: Abfragen, ob eine gewünschte Inversionszeit erreicht ist
S5: Öffnen des EOM und AOM
S6: Schließen des EOM und (mit Verzögerung) des AOM
Δt: Impulsabstand
T: Repetitionsrate
Z: Trajektorie
Z': Trajektorie aus dem Stand der Technik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10245717 A1 [0003]
DE 102009042003 B4 [0003]
DE 112005002987 T5 [0003]

Claims

Verfahren zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Modifizieren von Material und/oder Materialeigenschaften, mittels Laserstrahlung, umfassend folgende Schritte: a) Erzeugen einer Vielzahl von Laserimpulsen (L); b) Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse (L) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (100), insbesondere Umlenken der Laserimpulse (L) und/oder Bewegen des zu bearbeitenden Werkstücks (100), sodass die Laserimpulse (L) entlang einer vorbestimmten Trajektorie (Z) auf dem zu bearbeitenden Werkstück (100) geführt werden; dadurch gekennzeichnet, dass - ein zeitlicher Impulsabstand (Δt) zwischen den einzelnen, erzeugten Laserimpulsen (L) und/oder - eine Impulsenergie (Pi) der Laserimpulse (L) und/oder - ein Strahldurchmesser (D) der Laserimpulse (L) und/oder - die vorbestimmte Trajektorie (Z) gezielt mit einem Rauschen beaufschlagt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Impulsabstand (Δt) durch eine pseudozufällige Impulsabstandsfolge (Ppt) einer bestimmten Impulsfolgenlänge (LI) variiert wird, wobei insbesondere die pseudozufällige Impulsabstandsfolge (Ppt) zyklisch wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine pseudozufällige Impulsabstandsfolge (Ppt) festgelegt wird, die zyklisch wiederholt wird, wobei ein Startimpuls der sich wiederholenden, pseudozufälligen Impulsabstandsfolge (Ppt) zeitlich um einen pseudozufälligen Wert verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsenergie (Pi) der Laserimpulse (L) durch eine pseudozufällige Impulsenergiefolge (Ppe) variiert wird, wobei insbesondere die pseudozufällige Impulsenergiefolge (Ppe) zyklisch wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahldurchmesser (D) der Laserimpulse (L) anhand einer pseudozufälligen Impulsdurchmesserfolge (Ppd) variiert werden, die insbesondere zyklisch wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Punkte der vorbestimmten Trajektorie (Z), entlang der die Laserimpulse (L) geführt werden, durch eine pseudozufällige Impulstrajektorienfolge (Ppz) verschoben werden, wobei insbesondere die pseudozufällige Impulstrajektorienfolge (Ppz) zyklisch wiederholt wird.
Vorrichtung zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Modifizieren von Material und/oder Materialeigenschaften, mittels Laserstrahlung, vorzugsweise zum Ausführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: - eine Lasereinheit (10) zum Erzeugen einer Vielzahl von Laserimpulsen (L); - eine Einheit zur Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse (L) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (100), insbesondere eine Umlenkeinheit (20) zum Umlenken der Laserimpulse (L) entlang einer vorbestimmten Trajektorie (Z) auf dem zu bearbeitenden Werkstück (100) und/oder eine Bewegungsvorrichtung zur Bewegung des zu bearbeitenden Werkstücks (100); - optional eine abbildende Einheit (30) zum Abbilden, vorzugsweise zum Fokussieren, der Laserimpulse (L) entlang der vorbestimmten Trajektorie (Z) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (100); sowie - einen Systemcontroller (40), der mit der Lasereinheit (10) und/oder der Einheit zur Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse (L), insbesondere der Umlenkeinheit (20), und/oder der Bewegungsvorrichtung, und/oder der abbildenden Einheit (30) kommunizierbar verbunden ist, sodass die Lasereinheit (10) und/oder die Einheit zur Steuerung des Auftreffpunkts der Laserimpulse (L), insbesondere die Umlenkeinheit (20) und/oder die Bewegungsvorrichtung, und/oder die abbildende Einheit (30) von dem Systemcontroller (40) mit Steuersignalen steuerbar ist/sind, wobei: - ein zeitlicher Impulsabstand (Δt) zwischen den einzelnen, erzeugten Laserimpulsen (L) und/oder - eine Impulsenergie (Pi) der Laserimpulse (L) und/oder - ein Strahldurchmesser (D) der Laserimpulse (L) und/oder - die vorbestimmte Trajektorie (Z) durch gezieltes Beaufschlagen mindestens eines der Steuersignale mit einem Rauschen, variierbar ist/sind.