DE102021112271A1 - Device and method for determining the beam quality - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung der Strahlgüte eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls (22), umfassend eine Bearbeitungslaserstrahlformoptik (3), die dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Rohlaserstrahl (20) eines Lasers (2) in einen nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl (22) zu formen, einen Analysator (4) mit einem Detektor (40), wobei der Analysator (4) dazu eingerichtet ist, als Strahlgüte ein Maß für die Abweichung des auf den Detektor (40) treffenden, von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik (3) bereitgestellten nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls (22) von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl (24) zu bestimmen. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung (7) zum Trennen eines Materials (50) eines Werkstücks (5), wobei mittels eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls (22) Materialmodifikationen (6) entlang einer Trennlinie (60) in das transparente Material (50) des Werkstücks (5) eingebracht werden und das Material (50) des Werkstücks (5) dann entlang der dadurch entstehenden Materialmodifikationsfläche (62) mit einem Trennschritt getrennt wird, wobei der um eine Phasenkonizität maximal reduzierte, nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl (22) einen PV Wert von weniger als 5λ aufweist.The present invention relates to a device (1) and a method for determining the beam quality of a non-diffractive processing laser beam (22), comprising processing laser beam shaping optics (3) which are set up to convert an incident raw laser beam (20) of a laser (2) into a to form a non-diffracting machining laser beam (22), an analyzer (4) with a detector (40), the analyzer (4) being set up to use a measure of the deviation of the beam quality impinging on the detector (40) from the To determine processing laser beam shaping optics (3) provided non-diffracting processing laser beam (22) from an ideal non-diffracting reference laser beam (24). The present invention also relates to a method and a device (7) for separating a material (50) of a workpiece (5), with material modifications (6) along a separating line (60) being made in the transparent material by means of a non-diffracting processing laser beam (22). (50) of the workpiece (5) are introduced and the material (50) of the workpiece (5) is then separated along the resulting material modification surface (62) in a separating step, wherein the non-diffracting processing laser beam (22 ) has a PV value of less than 5λ.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Strahlgüte eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines Materials.The present invention relates to a device and a method for determining the beam quality of a non-diffracting machining laser beam and a device and a method for cutting a material.
Stand der TechnikState of the art
In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Lasern mit sehr kurzen Pulslängen, insbesondere mit Pulslängen unter einer Nanosekunde, und hohen mittleren Leistungen, insbesondere im Kilowatt-Bereich, zu einer neuen Art der Materialbearbeitung geführt. Die kurze Pulslänge und hohe Pulsspitzenleistung beziehungsweise die hohe Pulsenergie von einigen 100 µJ können zu einer nichtlinearen Absorption der Pulsenergie im Material eines Werkstücks führen, so dass auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge eigentlich transparente beziehungsweise im Wesentlichen transparente Materialien bearbeitet werden können.In recent years, the development of lasers with very short pulse lengths, especially pulse lengths of less than a nanosecond, and high average powers, especially in the kilowatt range, has led to a new type of material processing. The short pulse length and high pulse peak power or the high pulse energy of a few 100 µJ can lead to non-linear absorption of the pulse energy in the material of a workpiece, so that materials that are actually transparent or essentially transparent for the laser light wavelength used can also be processed.
Ein besonderer Anwendungsbereich einer solchen Laserstrahlung ist das Trennen und Bearbeiten vor Werkstücken. Hierbei wird bevorzugt ein nicht-beugender Bearbeitungslaserstrahl unter senkrechtem Einfall in das Material eingebracht, wodurch Materialmodifikationen in dem Material erzeugt werden, die das Material gezielt schädigen. Dadurch wird gewissermaßen eine Perforation erzeugt, entlang der das Material getrennt werden kann.A particular area of application for such laser radiation is cutting and processing in front of workpieces. In this case, a non-diffracting processing laser beam is preferably introduced into the material with perpendicular incidence, as a result of which material modifications are produced in the material, which damage the material in a targeted manner. This creates a kind of perforation along which the material can be separated.
Der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl wird durch verschiedene Bearbeitungsoptiken, die beispielsweise Axicone oder Axicon-ähnliche Elemente umfassen, erzeugt. Die Strahlqualität dieser Bearbeitungslaserstrahlen hängt jedoch empfindlich von der optischen Justage sowie von der optischen Qualität der Bearbeitungsoptiken ab. Ein Bearbeitungslaserstrahl mit niedriger Strahlqualität kann leicht Materialmodifikationen hervorrufen, die eine schlechte Trennbarkein nach sich ziehen oder eine Trennfläche niedriger Qualität und hoher Rauigkeit erzeugen.The non-diffracting processing laser beam is generated by various processing optics, which include, for example, axicons or axicon-like elements. However, the beam quality of these processing laser beams is sensitive to the optical adjustment and the optical quality of the processing optics. A processing laser beam with low beam quality can easily introduce material modifications that result in poor separability or produce a low-quality, high-roughness parting surface.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved device for determining the beam quality of a non-diffracting machining laser beam, and a corresponding method.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The object is achieved by a device for determining the beam quality of a non-diffracting machining laser beam with the features of
Entsprechend wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls vorgeschlagen, umfassend eine Bearbeitungslaserstrahlformoptik, die dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Rohlaserstrahl eines Lasers in einen nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl zu formen und einen Analysator mit einem Detektor, wobei der Analysator dazu eingerichtet ist, als Strahlgüte ein Maß für die Abweichung des auf den Detektor treffenden, von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik bereitgestellten nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl zu bestimmen.Accordingly, a device for determining the beam quality of a non-diffractive processing laser beam is proposed, comprising processing laser beam shaping optics that are set up to shape an incident raw laser beam of a laser into a non-diffracting processing laser beam and an analyzer with a detector, the analyzer being set up for this purpose to determine, as a beam quality, a measure of the deviation of the non-diffracting processing laser beam impinging on the detector and provided by the processing laser beam shaping optics from an ideal non-diffracting reference laser beam.
Ein Laser kann hierbei etwa ein Dauerstrichlaser oder ein gepulster Laser sein, insbesondere ein Ultrakurzpulslaser sein. Das Laserlicht, beziehungsweise die Laserpulse bewegen sich hierbei in Strahlausbreitungsrichtung entlang des durch den Laser ausgebildeten Rohlaserstrahls.A laser can be a continuous wave laser or a pulsed laser, in particular an ultra-short pulse laser. The laser light or the laser pulses move in the beam propagation direction along the raw laser beam formed by the laser.
Der Rohlaserstrahl weist eine transversale Intensitätsverteilung auf, die vom Laser vorgegeben und spezifisch ist. Unter einer transversalen Intensitätsverteilung ist eine Intensitätsverteilung zu verstehen, welche in einer zu der Strahlausbreitungsrichtung senkrecht orientierten Ebene liegt. Gewissermaßen kann ein Rohlaserstrahl verstanden werden, als ein Laserstrahl der aus einer Vielzahl von Teillaserstrahlen zusammengesetzt ist.The raw laser beam has a transverse intensity distribution that is predetermined and specific to the laser. A transversal intensity distribution is to be understood as meaning an intensity distribution which lies in a plane oriented perpendicular to the beam propagation direction. To a certain extent, a raw laser beam can be understood as a laser beam composed of a large number of partial laser beams.
Beispielsweise kann ein Rohlaserstrahl eine rechteckige transversale Intensitätsverteilung aufweisen, wie bei einem Streifenemitter. Es kann aber auch sein, dass der Rohlaserstrahl einen Gaußförmige transversale Intensitätsverteilung aufweist.For example, a raw laser beam may have a rectangular transverse intensity distribution, like a stripe emitter. However, it can also be the case that the raw laser beam has a Gaussian transverse intensity distribution.
Um aus dem Rohlaserstrahl einen nicht-linearen Bearbeitungslaserstrahl zu formen, durchläuft der Rohlaserstrahl eine Bearbeitungslaserstrahlformoptik. Die Bearbeitungslaserstrahlformoptik lenkt die Teillaserstrahlen des Rohlaserstrahls um, so dass die Teillaserstrahlen in eine andere transversale Intensitätsverteilung überführt werden, die zur Bearbeitung eines Materials geeignet ist. Der Laserstrahl der zur Bearbeitung eines Materials verwendet wird, wird hierbei Bearbeitungslaserstrahl genannt.In order to form a non-linear processing laser beam from the raw laser beam, the raw laser beam passes through processing laser beam shaping optics. The processing laser beam shaping optics deflects the partial laser beams of the raw laser beam, so that the partial laser beams are converted into a different transverse intensity distribution that is suitable for processing a material. The laser beam that is used to process a material is referred to here as a processing laser beam.
Der Bearbeitungslaserstrahl kann ein nicht-beugender Bearbeitungslaserstrahl sein.The processing laser beam can be a non-diffractive processing laser beam.
Unter nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist. Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen konstant.Non-diffracting rays and/or Bessel-like rays are to be understood in particular as rays in which a transverse intensity distribution is propagation-invariant. in particular In the case of non-diffracting beams and/or Bessel-type beams, a transverse intensity distribution is essentially constant along the beam propagation direction.
Zudem wird unter der Fokuszone des Bearbeitungslaserstrahls stets der Teil der Intensitätsverteilung des Bearbeitungslaserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Materials ist. Das Wort Fokuszone verdeutlicht hierbei, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.In addition, the focal zone of the processing laser beam is always understood to mean that part of the intensity distribution of the processing laser beam that is greater than the modification threshold of the material. The word focal zone makes it clear that this part of the intensity distribution is provided in a targeted manner and that an intensity increase in the form of the intensity distribution is achieved by focusing.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.With regard to the definition and properties of non-diffracting rays, reference is made to the book "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organization", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322- 1 referenced. This is expressly and fully referred to.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Insbesondere kann dadurch ein in Strahlausbreitungsrichtung elongierter Materialabtrag oder Materialmodifikation erzeugt werden, um beispielsweise ein einfaches Trennen eines Werkstücks zu gewährleisten.Accordingly, non-diffracting laser beams have the advantage that they can have a focal zone that is elongated in the direction of beam propagation and that is significantly larger than the transverse dimensions of the focal zone. In particular, a material removal or material modification that is elongated in the beam propagation direction can thereby be generated in order to ensure, for example, a simple separation of a workpiece.
Insbesondere lassen sich mittels nicht-beugender Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen, die eine nicht-radialsymmetrische transversale Fokuszone aufweisen. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen der Ellipse schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht-beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.In particular, non-diffracting beams can be used to generate elliptical non-diffracting beams that have a non-radially symmetrical transverse focal zone. For example, elliptical quasi-non-diffracting rays have a main maximum that coincides with the center of the ray. The center of the ray is given by the place where the main axes of the ellipse intersect. In particular, elliptical, quasi non-diffracting beams can result from the superimposition of a plurality of intensity maxima, in which case only the envelope of the intensity maxima involved is elliptical. In particular, the individual intensity maxima do not have to have an elliptical intensity profile.
Beispielsweise kann ein nicht-beugender Strahl aus einem ebenen Wellenfeld, beziehungsweise aus parallelen Teillaserstrahlen erzeugt werden, wenn alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel β zur optischen Achse des Laserstrahls gebrochen werden. Dies hat zur Folge, dass achsnahe Teillaserstrahlen bereits kurz nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik auf der optischen Achse überlappen und so eine erhöhte Laserintensität ausbilden, während achsferne Strahlen erst später nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik überlappen und eine erhöhte Laserstrahlintensität ausbilden. So kann über eine longitudinale Länge parallel zur Strahlausbreitungsrichtung eine im Wesentlichen konstante Laserintensität erzeugt werden. Ein Laserstrahl bei dem alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel β zur optischen Achse gebrochen werden, wird idealer nicht-beugender Referenzstrahl genannt.For example, a non-diffracting beam can be generated from a plane wave field or from parallel partial laser beams if all partial laser beams are refracted at the same angle β to the optical axis of the laser beam. As a result, the partial laser beams close to the axis overlap shortly after the processing laser beam shaping optics on the optical axis and thus form an increased laser intensity, while off-axis rays overlap later after the processing laser beam shaping optics and form an increased laser beam intensity. A substantially constant laser intensity can thus be generated over a longitudinal length parallel to the beam propagation direction. A laser beam in which all partial laser beams are refracted at the same angle β to the optical axis is called an ideal non-diffracting reference beam.
Der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl wird jedoch von einer realen Bearbeitungslaserstrahlformoptik geformt, so dass nicht alle Teillaserstrahlen wir zuvor beschrieben unter demselben Winkel β zur optischen Achse gebrochen werden. Die reale Bearbeitungsstrahlformoptik kann optische Abbildungsfehler aufweisen. Zudem kann eine optische Justage fehlerhaft sein, so dass die Teillaserstrahlen unter verschiedenen Winkeln zur optischen Achse gebrochen werden. Dadurch kann es zu einer systematischen Abweichung des Brechungswinkels β kommen. Dementsprechend kann die Intensitätsverteilung in der Fokuszone - wo die verschiedeneren Teillaserstrahlen überlappen - von der eines idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahls abweichen.However, the non-diffracting processing laser beam is formed by real processing laser beam shaping optics, so that not all partial laser beams are refracted at the same angle β to the optical axis as described above. The real processing beam shaping optics can have optical aberrations. In addition, an optical adjustment can be faulty, so that the partial laser beams are refracted at different angles to the optical axis. This can lead to a systematic deviation of the angle of refraction β. Accordingly, the intensity distribution in the focal zone - where the different partial laser beams overlap - can deviate from that of an ideal non-diffracting reference laser beam.
Um die Abweichungen des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls von dem idealen nichtbeugenden Referenzlaserstrahl zu bestimmen, wird der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl von einem Detektor eines Analysators detektiert und eine Strahlgüte bestimmt, welche ein Maß für die Abweichung des auf den Detektor treffenden, von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik bereitgestellten nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls von einem nicht-beugenden Referenzlaserstrahl ist.In order to determine the deviations of the non-diffracting processing laser beam from the ideal non-diffracting reference laser beam, the non-diffracting processing laser beam is detected by a detector of an analyzer and a beam quality is determined, which is a measure of the deviation of the processing laser beam shaping optics impinging on the detector - diffractive processing laser beam is from a non-diffractive reference laser beam.
Das hat den Vorteil, dass ein Maß für die Strahlgüte bestimmt wird, so dass die Qualität des Bearbeitungslaserstrahls bekannt ist. Insbesondere kann dieses Maß auch für die Justage oder die Qualitätskontrolle von Bearbeitungsoptiken verwendet werden.This has the advantage that a measure of the beam quality is determined, so that the quality of the processing laser beam is known. In particular, this dimension can also be used for adjustment or quality control of processing optics.
Der Detektor kann so angeordnet und eingerichtet sein, dass er die Phasenverteilung des von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik bereitgestellten nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls detektiert, und der Analysator eine Berechnungseinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, aus dem detektierten Phasenverlauf des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls das Maß für die Abweichung des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl zu berechnen.The detector can be arranged and set up in such a way that it detects the phase distribution of the non-diffracting processing laser beam provided by the processing laser beam shaping optics, and the analyzer comprises a calculation unit that is set up to calculate the measure of the deviation from the detected phase curve of the non-diffracting processing laser beam of the non-diffractive machining laser beam from an ideal reference non-diffractive laser beam.
Der Phasenverlauf eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls, auch Wellenfront genannt, ergibt sich hauptsächlich aus den Strecken, die die Teillaserstrahlen von der Bearbeitungsstrahlformoptik bis zum Detektor zurücklegen: ϕ = k * r, wobei k der Wellenvektor des Teillaserstrahls ist und r der Beobachtungsvektor.The phase curve of a non-diffracting processing laser beam, also known as a wavefront, results mainly from the distances that the partial laser beams deviate from the processing beam shape tik to the detector: ϕ = k * r, where k is the wave vector of the partial laser beam and r is the observation vector.
Beispielsweise legen die Teillaserstrahlen eines idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahls, bei dem alle Teillaserstrahlen unter dem Winkel β zur optischen Achse gebrochen werden, bis zum Detektor eine wohldefinierte Strecke zurück. Dementsprechend weist ein idealer nicht-beugender Strahl nach Abzug des linearen, radialsymmetrischen Anteils eine ideale ebene Wellenfront auf.For example, the partial laser beams of an ideal non-diffracting reference laser beam, in which all partial laser beams are refracted at the angle β to the optical axis, cover a well-defined distance to the detector. Accordingly, after subtracting the linear, radially symmetrical part, an ideal non-diffracting beam has an ideal plane wavefront.
Divergiert oder konvergiert der Laserstrahl jedoch beispielsweise, so ist die Strecke für die achsnahen Teillaserstrahlen kürzer als für die achsfernen Strahlen, so dass ein von der Idealform abweichender Phasenverlauf erzeugt wird. Auch optische Abbildungsfehler erzeugen einen von der Idealform abweichenden Phasenverlauf. Insbesondere kann ein Astigmatismus im Strahlengang dazu führen, dass die Teillaserstrahlen entlang einer vertikalen Achse stärker gebrochen werden, als entlang einer horizontalen Achse. Es kann auch sein, dass durch eine Asymmetrie im Strahlengang, auch Koma genannt, aus einer ursprünglich symmetrischen Intensitätsverteilung eine asymmetrische Intensitätsverteilung auf dem Detektor erzeugt wird.However, if the laser beam diverges or converges, for example, then the distance for the partial laser beams close to the axis is shorter than for the beams far from the axis, so that a phase profile that deviates from the ideal form is generated. Optical aberrations also produce a phase curve that deviates from the ideal form. In particular, astigmatism in the beam path can result in the partial laser beams being refracted more strongly along a vertical axis than along a horizontal axis. It is also possible that an asymmetric intensity distribution is generated on the detector from an originally symmetric intensity distribution due to asymmetry in the beam path, also known as coma.
Die beiden letztgenannten Abbildungsfehler sorgen für eine asymmetrische Phasenverteilung des Bearbeitungslaserstrahls auf dem Detektor, während die Fokus-abhängigen Phasenverteilungen eine radialsymmetrische, konische Phasenverteilung auf dem Detektor erzeugen. Im Allgemeinen können sich die vorgenannten Bildfehler und eine Defokussierung überlagern.The last two aberrations mentioned ensure an asymmetrical phase distribution of the processing laser beam on the detector, while the focus-dependent phase distributions produce a radially symmetrical, conical phase distribution on the detector. In general, the aforementioned image errors and defocusing can overlap.
Der Analysator kann aus diesem Grund eine Berechnungseinheit aufweisen. Die Berechnungseinheit ist daher dazu eingerichtet aus dem detektierten Phasenverlauf des nichtbeugenden Bearbeitungslaserstrahls das Maß für die Abweichung des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl zu berechnen.For this reason, the analyzer can have a calculation unit. The calculation unit is therefore set up to calculate the measure of the deviation of the non-diffracting processing laser beam from an ideal non-diffracting reference laser beam from the detected phase profile of the non-diffracting processing laser beam.
Sogenannte Tilt- und/oder Tip-Aberrationen, bei denen der Laserstrahl unter einem Winkel zur optischen Achse propagiert, werden bei der Qualitätsanalyse der Phasenverteilung bevorzugt nicht berücksichtigt. Insbesondere kann der Analysator eine solche Pseudoaberration erkennen und numerisch beseitigen.So-called tilt and/or tip aberrations, in which the laser beam propagates at an angle to the optical axis, are preferably not taken into account in the quality analysis of the phase distribution. In particular, the analyzer can detect such a pseudo-aberration and eliminate it numerically.
Zudem kann auch die Strahlgüte von nicht-beugenden[A1] Vektorstrahlen bestimmt werden. Nicht-beugende Vektorstrahlen sind nicht-beugende Strahlen, bei denen die Polarisation eine transversalräumliche Eigenschaft ist. Hierfür kann vor dem Detektor, beispielsweise einem Shack-Hartmann-Detektor, ein Polarisator angebracht sein, der die beiden senkrechten Polarisationsprojektionen analysiert und die Abweichungen zum Referenzlaserstrahl bspw. für s- und p-polarisiertes Licht bestimmt.In addition, the beam quality of non-diffractive[A1] vector beams can also be determined. Non-diffractive vector rays are non-diffractive rays for which polarization is a transverse spatial property. For this purpose, a polarizer can be attached in front of the detector, for example a Shack-Hartmann detector, which analyzes the two perpendicular polarization projections and determines the deviations from the reference laser beam, for example for s- and p-polarized light.
Zur Bestimmung der Strahlgüte kann die Abweichung auch nur für eine einzige Polarisation bestimmt werden.To determine the beam quality, the deviation can also be determined for just a single polarization.
Die Größe der Abweichung bestimmt hierbei die Strahlgüte.The size of the deviation determines the beam quality.
Die Ausgestaltung der Laseramplitude und -Phase bestimmen zwar insgesamt die Strahlgüte des nicht-beugenden Laserstrahls, jedoch spielt für die Verwendung von nicht-beugenden Laserstrahlen in der Materialbearbeitung [A2] häufig die Phasenverteilung die wichtigere Rolle. Die Amplitude ist etwa bereits durch den Laser vorgegeben, beispielsweise in Form einer Gauß'schen Intensitätsverteilung. Ausschlaggebend für die Form des nicht-beugenden Laserstrahls auf der Strahlachse ist die aber Phase. Für die Ausrichtung und Form der Fokuszone senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung und somit für die Materialbearbeitung, ist entsprechend die genaue Phasenverteilung verantwortlich.Although the design of the laser amplitude and phase determine the overall beam quality of the non-diffracting laser beam, the phase distribution often plays a more important role when using non-diffracting laser beams in material processing [A2]. The amplitude is already predetermined by the laser, for example in the form of a Gaussian intensity distribution. The decisive factor for the shape of the non-diffracting laser beam on the beam axis is the phase. The exact phase distribution is responsible for the alignment and shape of the focal zone perpendicular to the beam propagation direction and thus for the material processing.
Die Berechnungseinheit kann dazu eingerichtet sein, den vom Detektor detektierten Phasenverlauf des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls um den konischen Phasenanteil des nichtbeugenden Bearbeitungslaserstrahls rechnerisch maximal zu reduzieren, bevorzugt den konischen Phasenanteil zu entfernen; und die Berechnungseinheit kann dazu eingerichtet sein, aus dem verbleibenden Phasenverlauf des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls das Maß für die Abweichung des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl zu berechnen.The calculation unit can be set up to reduce the phase curve of the non-diffracting machining laser beam detected by the detector by the maximum amount of the conical phase component of the non-diffracting machining laser beam, preferably to remove the conical phase component; and the calculation unit can be set up to calculate the measure for the deviation of the non-diffracting processing laser beam from an ideal non-diffracting reference laser beam from the remaining phase profile of the non-diffracting processing laser beam.
Das bedeutet, dass von einer detektierten Phasenverteilung ein konischer Anteil derart abgezogen wird, dass in dem dadurch reduzierten Phasenverlauf bestenfalls kein konischer Anteil mehr vorhanden ist.This means that a conical component is subtracted from a detected phase distribution in such a way that, in the best case, there is no longer a conical component in the phase profile reduced as a result.
Ein konischer Phasenanteil, also eine radialsymmetrischer Phasenverlauf, der lediglich von der Entfernung zur optischen Achse abhängt, hat hierbei keinen negativen Einfluss auf die Strahlgüte, sondern liegt in der Phase ϕ= k * r begründet.A conical phase component, i.e. a radially symmetrical phase curve that only depends on the distance from the optical axis, has no negative influence on the beam quality, but is due to the phase ϕ= k * r.
Ein konischer Phasenverlauf entsteht bei dem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl. Insbesondere ist der konische Phasenverlauf die Grundvoraussetzung für einen nicht-beugenden Laserstrahl. Der reduzierte Phasenverlauf enthält somit nur die Information über die Abweichung von einer idealen Strahlform.A conical phase progression occurs with the ideal non-diffracting reference laser beam. In particular, the conical phase curve is the basic requirement for a non-diffracting laser beam. The reduced phase curve contains thus only the information about the deviation from an ideal beam shape.
Eine rechnungstechnische Minimierung des konischen Strahlanteils kann darin bestehen, mit der Berechnungseinheit eine linear von der Entfernung zur optischen Achse abhängende, ansteigende Phasenverlauf an den tatsächlich gemessenen Phasenverlauf anzupassen. Gewissermaßen wird der Öffnungswinkel des Konus numerisch an die Messung angepasst. Der Öffnungswinkel des Konus kann beispielsweise durch eine Maximierung eines Bestimmtheitsmaßes erreicht werden.A computational minimization of the conical beam component can consist in using the calculation unit to adapt an increasing phase curve that is linearly dependent on the distance from the optical axis to the actually measured phase curve. To a certain extent, the opening angle of the cone is numerically adapted to the measurement. The opening angle of the cone can be achieved, for example, by maximizing a coefficient of determination.
Der so gefundene konische Phasenverlauf kann numerisch mit der Berechnungseinheit von der gemessenen Phasenverteilung abgezogen werden, so dass nur diejenigen Phasenanteile verbleiben, die nicht durch einen konischen Phasenverlauf bestimmt sind.The conical phase profile found in this way can be subtracted numerically from the measured phase distribution using the calculation unit, so that only those phase components that are not determined by a conical phase profile remain.
Das Maß für die Abweichung des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl kann die Wellenfrontkrümmung, bevorzugt der PV Wert des maximal um den konischen Phasenanteil reduzierten nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls sein.The measure of the deviation of the non-diffracting processing laser beam from an ideal non-diffracting reference laser beam can be the wave front curvature, preferably the PV value of the non-diffracting processing laser beam reduced at most by the conical phase component.
Die Wellenfront gibt die Form eine Fläche an, auf der Teillaserstrahlen derselben Phase liegen. Beispielsweise ist die Wellenfront bei einer Kugelwelle kugelförmig. Bei einer ebenen Welle ist die Wellenfront eben. Bei einem ideal nicht-beugenden Referenzlaserstrahl ist die Wellenfront konisch.The wave front indicates the shape of a surface on which partial laser beams of the same phase lie. For example, in a spherical wave, the wavefront is spherical. In a plane wave, the wavefront is plane. For an ideally non-diffracting reference laser beam, the wavefront is conical.
Beispielsweise kann der PV Wert der Peak-Valley-Wert der reduzierten Phasenverteilung sein, also die Differenz zwischen der maximalen gemessenen Phase und der minimale Wert der gemessenen Phase der reduzierten Phasenverteilung.For example, the PV value can be the peak valley value of the reduced phase distribution, ie the difference between the maximum measured phase and the minimum value of the measured phase of the reduced phase distribution.
Detektoren haben jedoch bislang das Problem nur einen geringen Phasenverlauf auflösen zu können. Daher kann der Analysator einen optischen Phasenkonizitätsreduzierer umfassen, wobei der Phasenkonizitätsreduzierer dazu eingerichtet sein kann, den konischen Phasenanteil des von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik bereitgestellten nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls maximal zu reduzieren, bevorzugt zu entfernen; und der Phasenkonizitätsreduzierer kann so angeordnet sein, dass ein von der Bearbeitungsstrahlformoptik geformter, nicht-beugender Bearbeitungslaserstrahl durch den Phasenkonizitätsreduzierer auf den Detektor geleitet wird.However, detectors have hitherto had the problem of being able to resolve only a small phase curve. Therefore, the analyzer can comprise an optical phase conicity reducer, wherein the phase conicity reducer can be configured to maximally reduce, preferably remove, the conic phase portion of the non-diffractive processing laser beam provided by the processing laser beam shaping optics; and the phase taper reducer may be arranged such that a non-diffractive processing laser beam shaped by the processing beam shaping optics is directed through the phase taper reducer onto the detector.
Ein optischer Phasenkonizitätsreduzierer kann dem Bearbeitungslaserstrahl eine weitere konische Phase aufprägen, die bevorzugt dem konischen Phasenverlauf des Bearbeitungslaserstrahls entgegengesetzt ist. Dadurch kann der konische Phasenanteil reduziert werden.An optical phase conicity reducer can impose a further conical phase on the processing laser beam, which is preferably opposite to the conical phase profile of the processing laser beam. As a result, the conical phase component can be reduced.
Idealerweise ist der Phasenkonizitätsreduzierer so an die Konizität des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls angepasst, dass kein konischer Phasenverlauf vom Detektor detektiert wird. Insbesondere kann dadurch der konische Phasenanteil so reduziert werden, dass der Detektor des Analysators den Phasenverlauf auflösen kann und schließlich eine Strahlgüte bestimmen kann.Ideally, the phase conicity reducer is adapted to the conicity of the non-diffracting processing laser beam in such a way that no conical phase curve is detected by the detector. In this way, in particular, the conical phase component can be reduced in such a way that the detector of the analyzer can resolve the phase curve and can finally determine a beam quality.
Der Phasenkonizitätsreduzierer kann eine inverse Referenzlaserstrahlformoptik sein, die dazu eingerichtet ist, aus einem idealen nicht-beugenden Referenzstrahl einen idealen beugenden Laserstrahl zu formen.The phase taper reducer may be inverse reference laser beam shaping optics configured to shape an ideal non-diffractive reference beam into an ideal diffractive laser beam.
Eine Referenzlaserstrahlformoptik ist eine Laserstrahlformoptik, die aus einem idealen beugenden Laserstrahl, beispielsweise einem idealen Gauß'schen Laserstrahl, einen idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl formt, indem der ideale beugende Laserstrahl als erstes die Eintrittsseite und anschließend die Austrittsseite durchläuft. Eine inverse Referenzlaserstrahlformoptik erzeugt umgekehrt aus einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl einen idealen beugenden Laserstrahl. Die Referenzlaserstrahlformoptik weist somit bekannte optische Eigenschaften auf, so dass die dadurch entstehenden Laserstrahlen als Referenz für Bearbeitungslaserstrahlen herangezogen werden können.A reference laser beam shaping optics is a laser beam shaping optics that shapes an ideal non-diffracting reference laser beam from an ideal diffracting laser beam, for example an ideal Gaussian laser beam, by first passing the ideal diffracting laser beam through the entrance side and then through the exit side. Conversely, an inverse reference laser beam shaping optic generates an ideal diffracting laser beam from an ideal non-diffracting reference laser beam. The reference laser beam shaping optics thus has known optical properties, so that the resulting laser beams can be used as a reference for processing laser beams.
Insbesondere ist eine inverse Referenzlaserstrahlformoptik in der Realität auch eine reale Optik, die optische Fehler aufweisen kann. Jedoch können durch eine besonders intensive Charakterisierung und Kalibrierung die optischen Fehler der Referenzlaserstrahlformoptik bestimmt werden, so dass diese bekannt sind. Insofern ist dann auch der Einfluss der inversen Referenzlaserstrahlformoptik auf die Phasenverteilung des Bearbeitungslaserstrahls bekannt, so dass dies bei der Bestimmung des Abweichungsmaßes berücksichtigt werden kann. Ergänzend oder alternativ dazu kann die Referenzlaserstrahlformoptik sehr hochwertige Komponenten umfassen, die eine besonders hohe Oberflächengüte aufweisen und die besonders präzise zueinander justiert wurden, sodass [A3] die zugehörigen optischen Fehler vernachlässigt werden können oder zumindest zuverlässig reproduzierbar bekannt sind.In particular, an inverse reference laser beam shape optics is also a real optics in reality, which can have optical errors. However, the optical errors of the reference laser beam shaping optics can be determined by a particularly intensive characterization and calibration, so that they are known. In this respect, the influence of the inverse reference laser beam shape optics on the phase distribution of the processing laser beam is then also known, so that this can be taken into account when determining the degree of deviation. In addition or as an alternative to this, the reference laser beam shaping optics can include very high-quality components that have a particularly high surface quality and that have been adjusted particularly precisely to one another, so that [A3] the associated optical errors can be neglected or are at least known to be reliably reproducible.
Der ideale nicht-beugende Referenzlaserstrahl ist demnach der Laserstrahl der durch die reale Ausgestaltung der Referenzlaserstrahlformoptik erzeugt werden kann.The ideal non-diffracting reference laser beam is therefore the laser beam that can be generated by the real configuration of the reference laser beam shaping optics.
Die inverse Referenzlaserstrahlformoptik kann zwischen der Bearbeitungslaserstrahlformoptik und der Fokuszone des Bearbeitungslaserstrahls angeordnet sein oder nach der Fokuszone des Bearbeitungslaserstrahls angeordnet sein.The inverse reference laser beam shaping optics can be placed between the processing laser beam shaping optics and the focal zone of the processing laser beam or be arranged after the focal zone of the processing laser beam.
Dadurch kann erreicht werden, dass die Strahlgüte des Bearbeitungslaserstrahls bestimmt werden kann, ohne dass die Intensitätsüberhöhung des Bearbeitungslaserstrahls mit der inversen Referenzlaserstrahlformoptik zusammenfällt und diese womöglich beschädigt.It can thereby be achieved that the beam quality of the processing laser beam can be determined without the intensity increase of the processing laser beam coinciding with the inverse reference laser beam shaping optics and possibly damaging them.
Wie oben bereits beschrieben wird der Brechungswinkel unter dem die Teillaserstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls zur optischen Achse gebrochen werden durch die Bearbeitungslaserstrahlformoptik bestimmt. Der Brechungswinkel ist jedoch konstant, nachdem die Teillaserstrahlen die Bearbeitungslaserstrahlformoptik passiert haben. Dementsprechend weist das Wellenfeld des Bearbeitungslaserstrahls bereits alle Strahlgüteinformationen auf, bevor es zur Intensitätsüberhöhung in der Fokuszone kommt.As already described above, the angle of refraction at which the partial laser beams of the processing laser beam are refracted relative to the optical axis is determined by the processing laser beam shaping optics. However, the angle of refraction is constant after the partial laser beams have passed through the processing laser beam shaping optics. Accordingly, the wave field of the processing laser beam already has all the beam quality information before there is an increase in intensity in the focal zone.
Die inverse Referenzlaserstrahlformoptik kann ein inverses strahlformendes Element sein, oder ein inverses strahlformendes Element und eine inverse Abbildungsoptik umfassen.The inverse reference laser beam-shaping optics can be an inverse beam-shaping element, or can comprise an inverse beam-shaping element and inverse imaging optics.
Die Bearbeitungslaserstrahlformoptik kann ein strahlformendes Element sein oder ein strahlformendes Element und eine Abbildungsoptik umfassen, wobei der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl nach der Abbildungsoptik erzeugt wird.The processing laser beam shaping optics can be a beam-shaping element or can comprise a beam-shaping element and imaging optics, with the non-diffracting processing laser beam being generated after the imaging optics.
Eine Abbildungsoptik kann beispielsweise ein optisch abbildendes System sein. Beispielsweise kann eine Abbildungsoptik aus einer oder mehreren Komponenten bestehen. Eine Komponente kann beispielsweise eine Linse sein, oder eine optisch abbildende Freiformfläche oder eine Fresnelsche Zonenplatte. Durch die Abbildungsoptik kann insbesondere der Ort der Fokuszone des Laserstrahls bestimmt werden. Gewissermaßen kann die Platzierung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung eingestellt werden.An imaging optics can be an optical imaging system, for example. For example, imaging optics can consist of one or more components. A component can be a lens, for example, or an optically imaging free-form surface or a Fresnel zone plate. In particular, the location of the focus zone of the laser beam can be determined by the imaging optics. To a certain extent, the placement of the focal zone in the direction of beam propagation can be adjusted.
Wenn das strahlformende Element aus dem Laserstrahl einen nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl formt, dann kann über die Fokussierung der Abbildungsoptik die Einbringtiefe der Intensitätsverteilung in das Material beispielsweise bei einer Materialbearbeitung bestimmt werden.If the beam-shaping element forms a non-diffracting processing laser beam from the laser beam, then the depth of penetration of the intensity distribution into the material can be determined via the focusing of the imaging optics, for example during material processing.
Die Strahlformoptik kann auch so ausgestaltet sein, dass der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl erst durch eine Abbildung mit der Abbildungsoptik erzeugt wird.The beam shaping optics can also be designed in such a way that the non-diffracting processing laser beam is only generated by imaging with the imaging optics.
Eine inverse Abbildungsoptik hat die umgekehrte Wirkung einer Abbildungsoptik. Ein inverses strahlformendes Element hat ebenso die umgekehrte Wirkung eines strahlformenden Elements.Inverse imaging optics have the opposite effect of imaging optics. An inverse beam-shaping element also has the inverse effect of a beam-shaping element.
Das strahlformende Element und/oder das inverse strahlformende Element kann ein Axicon oder ein diffraktives optisches Element oder eine Freiformfläche sein.The beam-shaping element and/or the inverse beam-shaping element can be an axicon or a diffractive optical element or a free-form surface.
Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Ein diffraktives optisches Element ist ein fixes Bauteil, welches zur Herstellung eines bestimmten nicht-beugenden Laserstrahls aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird.A diffractive optical element is set up to influence the incident laser beam in one or more properties in two spatial dimensions. A diffractive optical element is a fixed component that can be used to produce a specific non-diffractive laser beam from the incident laser beam. Typically, a diffractive optical element is a specially shaped diffraction grating, whereby the incident laser beam is brought into the desired beam shape by the diffraction.
Ein Axicon ist ein konisch geschliffenes optisches Element, welches aus einem einfallenden Gauß'schen Laserstrahl beim Hindurchtreten einen nicht-beugenden Laserstrahl formt.An axicon is a conically ground optical element that forms a non-diffracting laser beam from an incident Gaussian laser beam as it passes through.
Insbesondere weist das Axicon einen Konuswinkel auf, der gerechnet wird von der Strahleintrittsfläche zur Mantelfläche des Konus. Dadurch werden die Randstrahlen des Gauß'schen Laserstrahls zu einem anderen Fokuspunkt gebrochen, als achsnahe Strahlen. Dadurch ergibt sich insbesondere eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone.In particular, the axicon has a cone angle that is calculated from the beam entry surface to the lateral surface of the cone. As a result, the marginal rays of the Gaussian laser beam are refracted to a different focal point than rays close to the axis. This results in particular in a focus zone that is elongated in the beam propagation direction.
Beispielsweise ist der Konuswinkel in der Näherung für dünne optische Elemente verantwortlich für eine Phasenkonizität β = 2πλ(η - 1)α, wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls, n der Brechungsindex des Axicons und α der Konuswinkel ist.For example, the cone angle in the approximation for thin optical elements is responsible for a phase conicity β = 2πλ(η - 1)α, where λ is the wavelength of the laser beam, n is the refractive index of the axicon, and α is the cone angle.
Eine Freiformoberfläche ist allgemein eine lichtbrechende Oberfläche mit der ein Laserstrahl von einer ersten Intensitätsverteilung in eine zweite Intensitätsverteilung überführt werden kann. Durch die Form der Freiformoberfläche lässt sich gezielt die Phasenverteilung und Intensitätsverteilung des Laserstrahls anpassen.A free-form surface is generally a light-refracting surface with which a laser beam can be converted from a first intensity distribution into a second intensity distribution. The shape of the free-form surface allows the phase distribution and intensity distribution of the laser beam to be adjusted in a targeted manner.
Insbesondere können die vorstehenden optischen Elemente auch miteinander kombiniert werden, um eine möglichst ideale Strahlgüte des Bearbeitungslaserstrahls, beziehungsweise einen möglichst konischen Phasenverlauf zu erzeugen.In particular, the above optical elements can also be combined with one another in order to produce a beam quality of the processing laser beam that is as ideal as possible, or a phase curve that is as conical as possible.
Vor der Bearbeitungslaserstrahlformoptik kann ein Strahlteiler angeordnet sein, der dazu eingerichtet ist, einen Teil des einfallenden Rohlaserstrahls zur Bearbeitungslaserstrahloptik zu leiten und die inverse Referenzlaserstrahlformoptik kann ein reflektives strahlformendes Element sein, wobei das reflektive strahlformende Element den nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl zurück durch die Bearbeitungslaserstrahlformoptik und den Strahlteiler zum Detektor leitet.A beam splitter can be arranged in front of the processing laser beam shaping optics, which is set up to direct a part of the incoming raw laser beam to the processing laser beam optics and the inverse reference laser beam shaping optics can be a reflective beam shaping element, wherein the reflective beam-shaping element directs the non-diffractive processing laser beam back through the processing laser beam-shaping optics and beam splitter to the detector.
Ein reflektives strahlformendes Element basiert im Gegensatz zur den oben beschriebenen strahlformenden Elementen nicht auf der Brechung und/oder Beugung von Licht, sondern auf der Reflektion von Licht. Beispielsweise kann ein reflektives strahlformendes Element ein reflektives optisches Element sein, welches eine konusförmige Aushöhlung aufweist.In contrast to the beam-shaping elements described above, a reflective beam-shaping element is not based on the refraction and/or diffraction of light, but on the reflection of light. For example, a reflective beam-shaping element can be a reflective optical element that has a cone-shaped cavity.
Dies hat den Vorteil, dass die Ausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls durch das reflektive Strahlformende Element umgekehrt wird, so dass die Strahlen die verwendeten Optiken ein zweites Mal durchlaufen und so den Phasenverlauf durch die Bearbeitungslaserstrahlformoptik doppelt aufsammeln.This has the advantage that the direction of propagation of the partial laser beams of the processing laser beam is reversed by the reflective beam-shaping element, so that the beams pass through the optics used a second time and thus collect the phase curve twice through the processing laser beam-shaping optics.
Der Strahlteiler ermöglicht es schließlich einen Teil des Bearbeitungslaserstrahls auszukoppeln und mit dem Analysator und Detektor zu analysieren.Finally, the beam splitter makes it possible to decouple part of the processing laser beam and analyze it with the analyzer and detector.
Der Analysator kann von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik separierbar ausgeführt sein.The analyzer can be designed to be separable from the processing laser beam shaping optics.
Insbesondere können so verschiedene optimale geometrische Anordnungen für den jeweiligen Verwendungszweck verwendet werden. Dadurch kann die Vorrichtung insbesondere flexibler eingesetzt werden.In particular, different optimal geometric arrangements can be used for the respective application. As a result, the device can in particular be used more flexibly.
Insbesondere kann ein Analysator für verschiedene Bearbeitungsoptiken verwendet werden, beispielsweise bei der Produktion. Es ist aber auch möglich, dass der Analysator zunächst die Strahlgüte des Bearbeitungslaserstrahls bestimmt und sodann dieselbe Bearbeitungslaserstrahlformoptik bei der Bearbeitung eines Materials eigesetzt wird.In particular, an analyzer can be used for different processing optics, for example in production. However, it is also possible for the analyzer to first determine the beam quality of the processing laser beam and then to use the same processing laser beam shaping optics when processing a material.
Der Detektor kann ein Shack-Hartmann-Sensor oder ein Interferometer oder eine KaustikMessvorrichtung sein oder eine Modenanalysevorrichtung sein.The detector can be a Shack-Hartmann sensor or an interferometer or a caustic measuring device or a modal analysis device.
Insbesondere kann der Detektor die Phase ortsabhängig detektieren, beispielsweise über eine pixelbasierte Bauweise.In particular, the detector can detect the phase as a function of location, for example using a pixel-based design.
Das hat den Vorteil, dass für die Analyse der Strahlgüte auf bekannte und etablierte Verfahren zurückgegriffen werden kann. Somit ist ein schneller Einsatz der Vorrichtung gewährleistet.This has the advantage that well-known and established methods can be used to analyze the beam quality. This ensures that the device can be used quickly.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Bestimmen der Strahlgüte eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. The object set above is also achieved by a method for determining the beam quality of a non-diffracting machining laser beam having the features of claim 14.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.Advantageous developments of the method result from the dependent claims and the present description and the figures.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Bestimmen der Strahlgüte eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls vorgeschlagen wobei eine Bearbeitungslaserstrahlformoptik einen einfallenden Rohlaserstrahl zu einem nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl formt, und ein der Bearbeitungslaserstrahlformoptik nachgelagerter Analysator ein Maß für die Abweichung des nichtbeugenden Bearbeitungslaserstrahls von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl bereitstellt.Accordingly, a method for determining the beam quality of a non-diffractive processing laser beam is proposed, wherein a processing laser beam shaping optics forms an incident raw laser beam into a non-diffracting processing laser beam, and an analyzer downstream of the processing laser beam shaping optics provides a measure of the deviation of the non-diffractive processing laser beam from an ideal non-diffracting reference laser beam .
Die Strahlgüte kann als PV Wert der Phasenverteilung angegeben werden.The beam quality can be specified as a PV value of the phase distribution.
Ein Phasenkonizitätsreduzierer des Analysators kann zwischen der Bearbeitungslaserstrahlformoptik und der Fokuszone den konischen Phasenanteil des nichtbeugenden Bearbeitungslaserstrahls maximal reduzieren.A phase conicity reducer of the analyzer can maximally reduce the conical phase component of the non-diffracting processing laser beam between the processing laser beam shaping optics and the focal zone.
Hinter dem Phasenkonizitätsreduzierer kann eine ringförmige Intensitätsverteilung oder eine teilweise ringförmige Intensitätsverteilung, oder eine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung erzeugt werden, die mit den optischen Aberrationen im Strahlengang korreliert ist.A ring-shaped intensity distribution or a partially ring-shaped intensity distribution or a rotationally symmetrical intensity distribution can be generated behind the phase conicity reducer, which is correlated with the optical aberrations in the beam path.
Eine ringförmige oder rotationssymmetrische Intensitätsverteilung wird insbesondere erzeugt, wenn der Analysator mit Phasenkonizitätsreduzierer den Bearbeitungslaserstrahl vor dessen Fokuszone analysiert. Da die Teillaserstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls noch keine zusammenhängende Zone ausbilden, entsteht eine Ringförmige Intensitätsverteilung.An annular or rotationally symmetrical intensity distribution is generated in particular if the analyzer with phase conicity reducer analyzes the processing laser beam in front of its focal zone. Since the partial laser beams of the processing laser beam do not yet form a coherent zone, an annular intensity distribution is created.
Insbesondere lassen sich über die Intensitätsverteilung auch Aufschlüsse über mögliche Abbildungsfehler ziehen. Beispielsweise kann eine lediglich teilweise ringförmige Intensitätsverteilung darauf hindeuten, dass ein optisches Element im Strahlengang verkippt ist, so dass eine Strahlgüte bereits durch die Intensitätsverteilung verringert wird.In particular, information about possible imaging errors can also be drawn from the intensity distribution. For example, an intensity distribution that is only partially annular can indicate that an optical element is tilted in the beam path, so that a beam quality is already reduced by the intensity distribution.
Es kann insbesondere auch sein, dass die Intensitätsverteilung fehlerhaft ist, die gemessene Phasenverteilung jedoch der eines (nahezu) idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahls entspricht. Durch die Analyse von Intensitätsverteilung und Phasenverteilung ist eine ganzheitliche Betrachtung der Strahlgüte möglich.In particular, it can also be the case that the intensity distribution is incorrect, but the measured phase distribution corresponds to that of an (almost) ideal, non-diffracting reference laser beam. By analyzing the intensity distribution and phase distribution, a holistic view of the beam quality is possible.
Es kann auch sein, dass die Strahlgüte als RMS-Wert (Root-Mean-Squared) der Phasenverteilung angegeben wird, wobei der RMS-Wert häufig um etwa einen [A4] Faktor 2 kleiner ist, als der PV-Wert.It is also possible that the beam quality is given as an RMS value (Root Mean Squared) of the phase distribution, with the RMS value often being around a [A4]
Der Phasenkonizitätsreduzierer kann den nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl kollimieren.The phase taper reducer can collimate the non-diffractive machining laser beam.
Insbesondere kann das bedeuten, dass der Phasenkonizitätsreduzierer eine Form aufweist die im Wesentlichen der konischen Phasenverteilung des Bearbeitungslaserstrahls entspricht. Wenn der Bearbeitungslaserstrahl nach dem Phasenkonizitätsreduzierer kollimiert ist, bedeutet die insbesondere, dass die Konizität des Phasenkonizitätsreduzierers zur Konizität des Bearbeitungslaserstrahls passend gewählt wurde.In particular, this can mean that the phase conicity reducer has a shape that essentially corresponds to the conical phase distribution of the processing laser beam. If the processing laser beam is collimated after the phase conicity reducer, this means in particular that the conicity of the phase conicity reducer has been chosen to match the conicity of the processing laser beam.
Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem jeweils das strahlformende Element und das inverse strahlformende Element Axicone sind, die denselben Konuswinkel aufweisen. Dadurch lässt sich die Strahlformung des strahlformenden Axicons gewissermaßen umkehren.For example, this can be achieved by each of the beam-shaping element and the inverse beam-shaping element being axicons that have the same cone angle. As a result, the beam shaping of the beam-shaping axicon can be reversed to a certain extent.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbessertes Verfahren zum Trennen eines Materials eines Werkstücks, sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.Proceeding from the known prior art, it is a further object of the present invention to provide an improved method for separating a material of a workpiece and a corresponding device.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Trennen eines Materials eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The object is achieved by a method for separating a material of a workpiece with the features of claim 19. Advantageous developments result from the dependent claims, the description and the figures.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Trennen eines Materials eines Werkstücks vorgeschlagen, wobei mittels eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls Materialmodifikationen entlang einer Trennlinie in das transparente Material des Werkstücks eingebracht werden und das Material des Werkstücks dann entlang der dadurch entstehenden Materialmodifikationsfläche mit einem Trennschritt getrennt wird. Erfindungsgemäß weist die Phasenverteilung des um eine Phasenkonizität maximal reduzierten, nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls einen PV Wert von weniger als 10λ, insbesondere weniger als 5λ auf.Accordingly, a method for separating a material of a workpiece is proposed, wherein material modifications are introduced into the transparent material of the workpiece along a separating line by means of a non-diffractive processing laser beam and the material of the workpiece is then separated along the resulting material modification surface in a separating step. According to the invention, the phase distribution of the non-diffracting processing laser beam that has been maximally reduced by a phase conicity has a PV value of less than 10λ, in particular less than 5λ.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei ultrakurze Laserpulse zur Verfügung. Ultrakurz kann hierbei bedeuten, dass die Pulslänge beispielsweise zwischen 500 Pikosekunden und 10 Femtosekunden liegt und insbesondere zwischen 10 Pikosekunden und 100 Femtosekunden liegt. Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich dabei in der Strahlausbreitungsrichtung entlang des durch sie ausgebildeten Laserstrahls.The ultra-short pulse laser provides ultra-short laser pulses. In this case, ultra-short can mean that the pulse length is between 500 picoseconds and 10 femtoseconds, for example, and in particular between 10 picoseconds and 100 femtoseconds. The ultra-short laser pulses move in the beam propagation direction along the laser beam formed by them.
Wenn ein ultrakurzer Laserpuls in ein Material des Werkstücks fokussiert wird, kann die Intensität im Fokusvolumen zu einer nichtlinearen Absorption durch beispielsweise Multiphotonen-Absorptions- und/oder Elektronen-Lawinen-Ionisationsprozessen führen. Diese nichtlineare Absorption führt zur Erzeugung eines Elektronen-Ionen-Plasmas, wobei bei dessen Abkühlung dauerhafte Strukturänderungen im Material des Werkstücks induziert werden können. Da durch die nichtlineare Absorption Energie in das Volumen des Materials transportiert werden kann, können diese strukturellen Veränderungen im Inneren der Probe erzeugt werden, ohne die Oberfläche des Werkstücks zu beeinflussen.When an ultrashort laser pulse is focused into a material of the workpiece, the intensity in the focus volume can lead to non-linear absorption by, for example, multiphoton absorption and/or electron avalanche ionization processes. This non-linear absorption leads to the generation of an electron-ion plasma, which can induce permanent structural changes in the material of the workpiece when it cools down. Since energy can be transported into the bulk of the material by nonlinear absorption, these structural changes can be generated inside the sample without affecting the surface of the workpiece.
Unter einem transparenten Material wird hierin ein Material verstanden, das für die Wellenlänge des Laserstrahls des Ultrakurzpulslasers im Wesentlichen transparent ist. Hierin werden die Begriffe „Material“ und „transparentes Material“ austauschbar verwendet - das hierin genannte Material ist also immer als für den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers transparentes Material zu verstehen. Beispielsweise können damit Gläser in unterschiedlicher Dicke von 10µm bis 10mm gemeint sein.A transparent material is understood herein to mean a material that is essentially transparent to the wavelength of the laser beam of the ultrashort pulse laser. The terms "material" and "transparent material" are used interchangeably here - the material mentioned here is therefore always to be understood as material that is transparent to the laser beam of the ultrashort pulse laser. For example, this can mean glasses with different thicknesses from 10 µm to 10 mm.
Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern wie der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Lasers, von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab.The material modifications introduced into transparent materials by ultrashort laser pulses are divided into three different classes, see K. Itoh et al. "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Type I is an isotropic refractive index change; Type II is a birefringent refractive index change; and Type III is a so-called void. The material modification produced depends on laser parameters such as the pulse duration, the wavelength, the pulse energy and the repetition frequency of the laser, on the material properties such as the electronic structure and the thermal expansion coefficient, as well as on the numerical aperture (NA) of the focussing.
Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im Fokusvolumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen.The type I isotropic refractive index changes are attributed to localized melting caused by the laser pulses and rapid resolidification of the transparent material. For example, with fused silica, the density and refractive index of the material is higher when the fused silica is rapidly cooled from a higher temperature. So if the material in the focus volume melts and then cools down quickly, the quartz glass has a higher refractive index in the areas of material modification than in the unmodified areas.
Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher.The type II birefringent refractive index changes can arise, for example, as a result of interference between the ultrashort laser pulse and the electric field of the plasma generated by the laser pulses. This interference leads to periodic modulations in the electron plasma density, which leads to a birefringent property, i.e. direction-dependent refractive indices, of the transparent material when it solidifies. A type II modification is also accompanied, for example, by the formation of so-called nanogratings.
Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void) beziehungsweise eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.The voids (cavities) of the type III modifications can be generated with a high laser pulse energy, for example. The formation of the voids is attributed to an explosive expansion of highly excited, vaporized material from the focus volume into the surrounding material. This process is also known as a micro-explosion. Because this expansion occurs within the bulk of the material, the microblast leaves behind a less dense or hollow core (the void), or submicron or atomic-scale microscopic defect, surrounded by a densified shell of material. Due to the compression at the impact front of the microexplosion, stresses arise in the transparent material, which can lead to spontaneous cracking or can promote cracking.
Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstig diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von „reinen“ Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.In particular, the formation of voids can also be associated with type I and type II modifications. For example, Type I and Type II modifications can arise in the less stressed areas around the introduced laser pulses. Therefore, if a type III modification is introduced, then in any case a less dense or hollow core or a defect is present. For example, in a type III modification of sapphire, the microexplosion does not create a cavity, but rather an area of lower density. Due to the material stresses that occur in a type III modification, such a modification is often accompanied by cracking or at least promotes it. The formation of type I and type II modifications cannot be completely prevented or avoided when introducing type III modifications. Finding "pure" Type III modifications is therefore not likely.
Bei hohen Repetitionsraten des Lasers kann das Material zwischen den Pulsen nicht vollständig abkühlen, sodass kumulative Effekte der eingebrachten Wärme von Puls zu Puls einen Einfluss auf die Materialmodifikation nehmen können. Beispielsweise kann die Repetitionsfrequenz des Lasers höher sein als der Kehrwert der Wärmediffusionszeit des Materials, sodass in der Fokuszone durch sukzessive Absorption von Laserenergie eine Wärmeakkumulation stattfinden kann, bis die Schmelztemperatur des Materials erreicht ist. Durch den thermischen Transport der Wärmeenergie in die die Fokuszone umliegenden Gebiete kann zudem ein größerer Bereich als die Fokuszone aufgeschmolzen werden. Nach dem Einbringen der ultrakurzen Laserpulse, kühlt das erwärmte Material schnell ab, so dass die Dichte und andere strukturelle Eigenschaften des Hochtemperaturzustands im Material gewissermaßen eingefroren werden.At high repetition rates of the laser, the material cannot cool completely between pulses, so that cumulative effects of the introduced heat from pulse to pulse can influence the material modification. For example, the repetition frequency of the laser can be higher than the reciprocal of the heat diffusion time of the material, so heat accumulation can take place in the focal zone by successive absorption of laser energy until the melting temperature of the material is reached. In addition, a larger area than the focus zone can be melted due to the thermal transport of the heat energy into the areas surrounding the focus zone. After the introduction of the ultra-short laser pulses, the heated material cools rapidly, so that the density and other structural properties of the high-temperature state are effectively frozen in the material.
Die Materialmodifikationen werden entlang einer Trennlinie in das Material eingebracht. Die Trennlinie beschreibt die Auftrefflinie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks. Durch einen Vorschub wird beispielsweise der Laserstrahl und das Werkstück relativ zu einander mit einer Vorschubgeschwindigkeit verschoben, sodass sich mit fortschreitender Zeit unterschiedliche Auftrefforte der Laserpulse auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben. Hierbei wird die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Repetitionsrate des Lasers so gewählt, dass die Materialmodifikationen im Material des Werkstücks nicht überlappen, sondern voneinander separiert im Material vorliegen. Relativ zueinander verschiebbar bedeutet hierbei, dass sowohl der Laserstrahl translatorisch relativ zu einem ortsfesten Werkstück verschoben werden kann, als auch, dass das Werkstück relativ zum Laserstrahl verschoben werden kann. Es kann auch sein, dass eine Bewegung sowohl des Werkstücks als auch des Laserstrahls stattfindet. Während Werkstück und Laserstrahl relativ zueinander bewegt werden, gibt der Ultrakurzpulslaser mit seiner Repetitionsfrequenz Laserpulse in das Material des Werkstücks ab.The material modifications are introduced into the material along a parting line. The parting line describes the line of impact of the laser beam on the surface of the workpiece. By means of a feed, for example, the laser beam and the workpiece are shifted relative to one another at a feed rate, so that the laser pulses hit the surface of the workpiece at different locations as time progresses. In this case, the feed rate and/or the repetition rate of the laser is selected in such a way that the material modifications in the material of the workpiece do not overlap, but are separate from one another in the material. Displaceable relative to one another means here that both the laser beam can be displaced translationally relative to a stationary workpiece and that the workpiece can be displaced relative to the laser beam. It may also be the case that both the workpiece and the laser beam move. While the workpiece and laser beam are moved relative to each other, the ultra-short pulse laser emits laser pulses into the material of the workpiece at its repetition frequency.
Durch eine Ausprägung der Materialmodifikationen in Strahlausbreitungsrichtung entsteht eine Fläche im Material des Werkstücks, in der alle Materialmodifikationen liegen und welche die Oberfläche des Werkstücks entlang der Trennlinie schneidet. Die Fläche in der die Materialmodifikationen liegen wird Materialmodifikationsfläche genannt. Die Materialmodifikationsfläche kann insbesondere auch gekrümmt sein, so dass auch Materialmodifikationen, die beispielsweise die Mantelfläche eines Zylinders oder eines Konus bilden, in einer Materialmodifikationsfläche liegen.A characteristic of the material modifications in the beam propagation direction creates an area in the material of the workpiece in which all material modifications lie and which intersects the surface of the workpiece along the parting line. The area in which the material modifications lie is called the material modification area. In particular, the material modification surface can also be curved, so that material modifications that form, for example, the outer surface of a cylinder or a cone are also located in a material modification surface.
Die Trennung entlang der Materialmodifikationsfläche erfolgt hierbei durch einen Trennschritt, so dass das Werkstück in den Bulk-Teil und den sogenannten Abschnitt des Werkstücks geteilt wird.In this case, the separation along the material modification surface is carried out by a separation step, so that the workpiece is divided into the bulk part and the so-called section of the workpiece.
In dem der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl einen PV Wert von weniger als 5λ aufweist, ist es Trennflächen mit einer besonders hohen Güte mit dem Trennschritt zu erzeugen. Insbesondere kann bei einem solche PV Wert die Rissausbreitung in dem Material sehr gut kontrolliert werden, so dass der Trennschritt vereinfacht wird.In that the non-diffractive machining laser beam has a PV value of less than 5λ, it is possible to produce parting surfaces with a particularly high quality with the parting step. In particular, with such a PV value, crack propagation in the material can be very well controlled so that the separation step is simplified.
Mit anderen Worten können die Teillaserstrahlen des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls parallel zu einer Konusoberfläche zur optischen Achse in die Fokuszone des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls konvergieren, wobei der Öffnungswinkel des Konus durch die Bearbeitungslaserstrahlformoptik bestimmt ist und die Spitze des Konus mit der optischen Achse zusammenfällt.In other words, the partial laser beams of the non-diffracting processing laser beam can converge parallel to a cone surface to the optical axis in the focal zone of the non-diffracting processing laser beam, the opening angle of the cone being determined by the processing laser beam shaping optics and the tip of the cone coinciding with the optical axis.
Der Öffnungswinkel ist hierbei wohldefiniert, so dass es zur Ausbildung eines nahezu idealen nichtbeugenden Bearbeitungslaserstrahls mit einem PV Wert von weniger als 5λ kommt.The opening angle is well defined, so that an almost ideal, non-diffracting processing laser beam with a PV value of less than 5λ is formed.
Der Trennschritt kann hierbei eine mechanische Trennung und/oder einen Ätzvorgang und/oder eine thermische Beaufschlagung und/oder einen Selbsttrennungsschritt umfassen.In this case, the separating step can comprise a mechanical separation and/or an etching process and/or a thermal treatment and/or a self-separation step.
Eine thermische Beaufschlagung kann beispielsweise eine Erwärmung des Materials oder der Trennlinie sein. Beispielsweise kann die Trennlinie mittels eines Dauerstrich-CO2-Lasers lokal erwärmt werden, so dass sich das Material im Materialmodifikationsbereich unterschiedlich im Vergleich zum unbehandelten bzw. unmodifizierten Material ausdehnt. Es kann aber auch sein, dass eine thermische Beaufschlagung durch einen Heißluftstrom realisiert wird, oder durch ein Ausbacken auf einer Heizplatte oder durch das Beheizen des Materials in einem Ofen. Insbesondere können in dem Trennschritt auch Temperaturgradienten aufgebracht werden. Die durch die Materialmodifikation begünstigten Risse erfahren dadurch ein Risswachstum, so dass sich eine durchgehende und unverhakte Trennfläche ausbilden kann, durch welche die Teile des Werkstücks voneinander getrennt sind.A thermal impact can be, for example, heating of the material or the parting line. For example, the dividing line can be heated locally using a continuous wave CO2 laser, so that the material in the material modification area expands differently compared to the untreated or unmodified material. However, it can also be the case that thermal stress is implemented by means of a stream of hot air, or by baking on a hot plate, or by heating the material in an oven. In particular, temperature gradients can also be applied in the separation step. The cracks favored by the material modification experience crack growth as a result, so that a continuous and non-jammed separating surface can form, through which the parts of the workpiece are separated from one another.
Eine mechanische Trennung kann durch Aufbringen einer Zug- oder Biegespannung, beispielsweise durch das Aufbringen einer mechanischen Belastung auf die durch die Trennlinie separierten Teile des Werkstücks erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Zugspannung aufgebracht werden, wenn auf die durch die Trennlinie separierten Teile des Werkstücks in der Materialebene entgegengesetzte Kräfte an je einem Kraftangriffspunkt wirken, die jeweils von der Trennlinie weg zeigen. Sind die Kräfte nicht parallel beziehungsweise antiparallel zueinander ausgerichtet, so kann dies zum Entstehen einer Biegespannung beitragen. Sobald die Zug- oder Biegespannungen größer als die Bindungskräfte des Materials entlang der Trennfläche sind, wird das Werkstück entlang der Trennfläche getrennt. Insbesondere kann eine mechanische Änderung auch durch eine pulshafte Einwirkung auf den abzutrennenden Teil erreicht werden. Beispielsweise kann durch einen Stoß eine Gitterschwingung im Material erzeugt werden. Durch die Auslenkung der Gitteratome können so ebenfalls Zug- und Druckspannungen erzeugt werden, die eine Rissbildung auslösen können.A mechanical separation can be produced by applying a tensile or bending stress, for example by applying a mechanical load to the parts of the workpiece separated by the dividing line. For example, a tensile stress can be applied when opposite forces act on the parts of the workpiece separated by the dividing line in the material plane at one force application point each pointing away from the dividing line. If the forces are not aligned parallel or antiparallel to one another, this can contribute to the development of bending stress. As soon as the tensile or bending stresses are greater than the binding forces of the material along the interface, the workpiece is separated along the interface. In particular, a mechanical change can also be achieved by a pulsating effect on the part to be separated. For example, a lattice vibration can be generated in the material by an impact. The deflection of the lattice atoms can also generate tensile and compressive stresses that can trigger cracking.
Das Material kann auch durch Ätzen mit einer nasschemischen Lösung getrennt werden, wobei der Ätzprozess das Material bevorzugt an der Materialmodifikation, also der gezielten Materialschwächung, ansetzt. Indem bevorzugt die durch die Materialmodifikation geschwächten Teile des Werkstücks geätzt werden, führt dies zu einem Trennen des Werkstücks entlang der Trennfläche.The material can also be separated by etching with a wet-chemical solution, with the etching process preferably starting the material at the material modification, i.e. the targeted material weakening. Because the parts of the workpiece weakened by the material modification are preferably etched, this leads to the workpiece being separated along the separating surface.
Insbesondere kann auch durch eine gezielte Rissführung durch die Orientierung der Materialmodifikationen im Material eine sogenannte Selbsttrennung durchgeführt werden. Die Rissbildung von Materialmodifikation zu Materialmodifikation ermöglicht dabei eine vollflächige Trennung der beiden Teile des Werkstücks, ohne dass ein weiterer Trennschritt durchgeführt werden muss.In particular, a so-called self-separation can also be carried out by targeted crack guidance through the orientation of the material modifications in the material. The formation of cracks from material modification to material modification enables the two parts of the workpiece to be separated over the entire surface without having to carry out a further separating step.
Dies hat den Vorteil, dass für das jeweilige Material des Werkstücks ein ideales Trennverfahren ausgewählt werden kann, so dass eine Trennung des Werkstücks mit einer hohen Güte der Trennkante einhergeht.This has the advantage that an ideal cutting method can be selected for the respective material of the workpiece, so that a cutting of the workpiece is accompanied by a high quality of the cutting edge.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Intensitätsverteilung haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Intensitätsverteilung sind. Insbesondere können dadurch in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikationen erzeugt werden, so dass diese besonders einfach zwei Seiten des Werkstücks durchdringen können.Accordingly, non-diffracting laser beams have the advantage that they can have an intensity distribution that is elongated in the direction of beam propagation and that is significantly larger than the transverse dimensions of the intensity distribution. In particular, material modifications that are elongated in the beam propagation direction can be produced as a result, so that they can penetrate two sides of the workpiece in a particularly simple manner.
Die Pulsenergie der Laserpulse zwischen 10µJ und 50mJ groß ist, und/oder die mittlere Laserleistung zwischen 1W und 1kW groß ist, und/oder die Laserpulse Einzellaserpulse oder Teil eines Laserbursts sind, wobei ein Laserburst 2 bis 20 Laserpulse umfasst, wobei die Laserpulse des Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 10ns bis 40ns, bevorzugt 20ns aufweisen und/oder die Wellenlänge des Lasers zwischen 300nm und 1500nm groß ist, insbesondere 1030nm groß ist.The pulse energy of the laser pulses is between 10µJ and 50mJ, and/or the average laser power is between 1W and 1kW, and/or the laser pulses are individual laser pulses or part of a laser burst, with a laser burst comprising 2 to 20 laser pulses, with the laser pulses of the laser burst have a time interval of 10 ns to 40 ns, preferably 20 ns and/or the wavelength of the laser is between 300 nm and 1500 nm, in particular 1030 nm.
Dadurch kann erreicht werden, dass das Verfahren bei möglichst vielen verschiedenen Materialien eingesetzt werden kann.This means that the method can be used with as many different materials as possible.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Trennen eines Materials eines Werkstücks gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.The object set above is also achieved by a device for separating a material of a workpiece. Advantageous developments of the device result from the Unteran claims and the present description and figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Trennen eines Materials eines Werkstücks vorgeschlagen umfassend einen Laser, der dazu eingerichtet ist einen Rohlaserstrahl bereitzustellen, eine Bearbeitungslaserstrahlformoptik die dazu eingerichtet ist, aus dem Rohlaserstrahl einen nichtbeugenden Bearbeitungslaserstrahl zu formen, eine Abbildungsoptik, die dazu eingerichtet ist, den nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl in das transparente Material des Werkstücks einzubringen und dadurch Materialmodifikationen in das Material des Werkstücks einzubringen, und eine Vorschubvorrichtung die dazu eingerichtet ist den nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl und das Werkstück relativ zueinander entlang der Trennlinie mit einem Vorschub zu bewegen und/oder einzustellen. Erfindungsgemäß ist die Bearbeitungsstrahlformoptik so ausgebildet, dass der um die Phasenkonizität maximal reduzierte nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl einen PV Wert von weniger als 5λ aufweist.Accordingly, a device for separating a material of a workpiece is proposed, comprising a laser that is set up to provide a raw laser beam, processing laser beam shaping optics that are set up to form a non-diffracting processing laser beam from the raw laser beam, imaging optics that are set up to introducing the diffractive processing laser beam into the transparent material of the workpiece and thereby introducing material modifications into the material of the workpiece, and a feed device which is set up to move and/or adjust the non-diffracting processing laser beam and the workpiece relative to one another along the parting line with a feed. According to the invention, the processing beam shaping optics are designed in such a way that the non-diffracting processing laser beam, reduced to the maximum by the phase conicity, has a PV value of less than 5λ.
Die Vorschubvorrichtung kann hierbei beispielsweise ein XY- oder ein XYZ-Tisch sein, um den Auftreffort der Laserpulse auf dem Werkstück zu variieren. Die Vorschubvorrichtung kann hierbei das Werkstück und/oder den Laserstrahl so bewegen, dass die Materialmodifikationen nebeneinander in das Material des Werkstücks entlang der Trennlinie eingebracht werden können.The feed device can be an XY or an XYZ table, for example, in order to vary the point of impact of the laser pulses on the workpiece. In this case, the feed device can move the workpiece and/or the laser beam in such a way that the material modifications can be introduced next to one another into the material of the workpiece along the parting line.
Eine Vorschubvorrichtung kann ebenfalls eine Winkelverstellung aufweisen, so dass das Werkstück und der Laserstrahl um alle Euler-Winkel relativ zueinander gedreht werden kann. Dadurch kann insbesondere der Laserstrahl auch unter einem Anstellwinkel entlang der Trennlinie eingebracht werden.A feed device can also have an angular adjustment, so that the workpiece and the laser beam can be rotated through all Euler angles relative to one another. In this way, in particular, the laser beam can also be introduced at an angle of incidence along the dividing line.
Insbesondere ist ein Anstellwinkel der Winkel zwischen der optischen Achse des Laserstrahls und der Oberflächennormalen des Materials des Werkstücks. Der Anstellwinkel der optischen Achse der Bearbeitungsoptik und der Oberflächennormalen kann hierbei beispielsweise zwischen 0 und 60° betragen.In particular, an angle of attack is the angle between the optical axis of the laser beam and the surface normal of the material of the workpiece. The setting angle of the optical axis of the processing optics and the surface normal can be between 0 and 60°, for example.
Die Bearbeitungslaserstrahlformoptik kann ein strahlformendes Element sein oder umfassen und/oder die Abbildungsoptik kann ein Teleskopsystem umfassen, das dazu eingerichtet ist, den nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl verkleinert und/oder vergrößert in das Werkstück einzubringen und/oder.The processing laser beam shaping optics can be or comprise a beam-shaping element and/or the imaging optics can comprise a telescope system which is set up to introduce the non-diffracting processing laser beam into the workpiece in reduced and/or enlarged form and/or.
Eine Vergrößerung und oder eine Verkleinerung des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls beziehungsweise dessen transversaler Intensitätsverteilung erlaubt es die Lasterstrahlintensität auf eine große oder kleine Fokuszone zu verteilen. Durch das Verteilen der Laserenergie auf eine große oder kleine Fläche wird die Intensität angepasst, so dass insbesondere durch die Vergrößerung und/oder Verkleinerung auch zwischen den Modifikationstypen I, II, und III gewählt werden kann.Enlarging and/or reducing the non-diffracting processing laser beam or its transverse intensity distribution allows the laser beam intensity to be distributed over a large or small focal zone. The intensity is adjusted by distributing the laser energy over a large or small area, so that it is possible to choose between modification types I, II, and III, in particular by enlarging and/or reducing the size.
Insbesondere können durch die Vergrößerung oder Verkleinerung der nicht-radialsymmetrischen transversale Intensitätsverteilung auch ein vergrößerter oder verkleinerter Materialabtrag realisiert werden. Zudem kann durch eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung das optische System an die gegebenen Bearbeitungsbedingungen anpassbar, so dass die Vorrichtung flexibler eingesetzt werden kann.In particular, an increased or reduced removal of material can also be realized by increasing or reducing the non-radially symmetrical transverse intensity distribution. In addition, the optical system can be adapted to the given processing conditions by enlarging or reducing it, so that the device can be used more flexibly.
Die Vorschubvorrichtung kann eine Achsvorrichtung und eine Werkstückhalterung umfassen, die dazu eingerichtet ist den nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl und das Werkstück entlang mindestens zweier Raumachsen translatorisch zu bewegen, bevorzugt entlang dreier Raumachsen und um mindestens zwei Raumachsen rotatorisch relativ zu bewegenThe feed device can comprise an axis device and a workpiece holder, which is set up to move the non-diffractive machining laser beam and the workpiece along at least two spatial axes in a translatory manner, preferably along three spatial axes and in a rotary manner relative to at least two spatial axes
Eine Achsvorrichtung kann beispielsweise eine 5-Achsvorrichtung sein. Beispielsweise kann die Achsvorrichtung auch eine Roboterarm sein, der den Laserstrahl über das Werkstück führt, oder das Werkstück gegenüber dem Laserstrahl bewegt.An axis device can be a 5-axis device, for example. For example, the axis device can also be a robotic arm that guides the laser beam over the workpiece or moves the workpiece relative to the laser beam.
Durch eine solche Achsvorrichtung auch möglich, eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung relativ zur Trennlinie zu orientieren, so dass Materialmodifikationen erzeugt werden, deren Vorzugsrichtung parallel zur Trennlinie verlaufen und entlang dieser eine Rissbildung begünstigen.Such an axis device also makes it possible to orient a non-radially symmetrical transverse intensity distribution relative to the dividing line, so that material modifications are produced whose preferred direction runs parallel to the dividing line and promotes crack formation along it.
Eine Achsvorrichtung kann des Weiteren auch weniger als 5 bewegliche Achsen umfassen, solange die Werkstückhalterung um die entsprechende Anzahl an Achsen beweglich ist. Wenn beispielsweise die Achsvorrichtung lediglich in XYZ-Richtungen verschiebbar sind, dann kann die Werkstückhalterung beispielsweise zwei rotatorische Achsen aufweisen, um das Werkstück relativ zum Laserstrahl zu rotieren.Furthermore, an axis device can also comprise fewer than 5 movable axes, as long as the workpiece holder can be moved about the corresponding number of axes. If, for example, the axis device can only be displaced in XYZ directions, then the workpiece holder can have two rotary axes, for example, in order to rotate the workpiece relative to the laser beam.
Eine Strahlführungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl zum Werkstück zu führen, wobei die Strahlführung über ein Spiegelsystem und/oder eine optische Faser, bevorzugt eine Hohlkernfaser erfolgt.A beam guidance device can be set up to guide the non-diffracting machining laser beam to the workpiece, with the beam guidance being effected via a mirror system and/or an optical fiber, preferably a hollow-core fiber.
Eine sogenannte Freistrahlführung verwendet ein Spiegelsystem, um den Rohlaserstrahl eines stationären Ultrakurzpulslasers in verschiedenen Raumdimensionen zur Bearbeitungsstrahlformoptik zu führen. Eine Freistrahlführung hat den Vorteil, dass der gesamte optische Pfad zugänglich ist, so dass beispielsweise weitere Elemente wie ein Polarisator und eine Wellenplatte unproblematisch eingebaut werden können.A so-called free-beam guide uses a mirror system to invert the raw laser beam of a stationary ultra-short pulse laser in different ways To lead spatial dimensions to processing beam shape optics. A free beam guidance has the advantage that the entire optical path is accessible, so that, for example, further elements such as a polarizer and a wave plate can be installed without any problems.
Eine Hohlkernfaser ist eine photonische Faser die den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers flexibel zur Bearbeitungsstrahlformoptik weiterleiten kann. Durch die Hohlkernfaser entfällt das Justieren eine Spiegeloptik.A hollow-core fiber is a photonic fiber that can flexibly transmit the laser beam of the ultrashort pulse laser to the processing beam shaping optics. The hollow-core fiber eliminates the need to adjust mirror optics.
Nach der Bearbeitungsstrahlformoptik wird der geformte nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl zum Material geführt, so dass insgesamt die Strahlführungsvorrichtung den Bearbeitungslaserstrahl zum Material führt.After the processing beam shaping optics, the shaped, non-diffractive processing laser beam is guided to the material, so that overall the beam guiding device guides the processing laser beam to the material.
Eine Regelelektronik kann dazu eingerichtet sein aufgrund der relativen Positionen von Laserstrahl und Werkstück eine Laserpulsabgabe des Ultrakurzpulslasers auszulösen.Control electronics can be set up to trigger a laser pulse emission of the ultrashort pulse laser based on the relative positions of the laser beam and the workpiece.
Bei gekrümmten oder eckigen Vorschubtrajektorien kann es sinnvoll sein, die Vorschubgeschwindigkeit lokal zu reduzieren. Bei einer konstanten Repetitionsfrequenz des Lasers kann dies jedoch dazu führen, dass benachbarte Materialmodifikationen überlappen oder das Material ungewollt erhitzt und oder aufgeschmolzen wird. Aus diesem Grund kann eine Regelelektronik die Pulsabgabe in Abhängigkeit von der relativen Position von Laserstrahl und Werkstück regeln.In the case of curved or angular feed trajectories, it can make sense to reduce the feed rate locally. With a constant repetition frequency of the laser, however, this can lead to neighboring material modifications overlapping or the material being unintentionally heated and/or melted. For this reason, control electronics can regulate the pulse output depending on the relative position of the laser beam and the workpiece.
Beispielsweise kann die Vorschubvorrichtung über einen ortsauflösenden Encoder verfügen, der die Position der Vorschubvorrichtung und des Laserstrahls vermisst. Aufgrund der Ortsinformation kann über ein entsprechendes Auslösesystem der Regelelektronik die Pulsabgabe eines Laserpulses beim Ultrakurzpulslaser ausgelöst werden.For example, the feed device can have a position-resolving encoder that measures the position of the feed device and the laser beam. Based on the location information, the pulse output of a laser pulse can be triggered in the ultra-short pulse laser via a corresponding triggering system of the control electronics.
Zur Realisierung der Pulsauslösung können insbesondere auch Computersysteme eigesetzt werden. Beispielsweise können für die jeweilige Trennlinie vor dem Bearbeiten des Materials die Orte der Laserpulsabgabe festgelegt werden, so dass eine optimale Verteilung der Materialmodifikationen entlang der Trennlinie gewährleistet ist.In particular, computer systems can also be used to implement the triggering of the pulse. For example, the locations of the laser pulse emission can be specified for the respective dividing line before the material is processed, so that an optimal distribution of the material modifications along the dividing line is ensured.
Dadurch wird erreicht, dass der Abstand der Materialmodifikationen stets gleich groß ist, auch wenn die Vorschubgeschwindigkeit variiert. Insbesondere wird dadurch auch erreicht, dass eine gleichmäßige Trennfläche erzeugt werden kann und die Trennfläche eine hohe Oberflächenqualität aufweist.This ensures that the distance between the material modifications is always the same, even if the feed rate varies. In particular, this also means that a uniform parting surface can be produced and the parting surface has a high surface quality.
Die Werkstückhalterung kann eine den Laserstrahl nicht-reflektierende und/oder nicht-streuende Oberfläche aufweisen.The workpiece holder can have a surface that does not reflect and/or scatter the laser beam.
Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass der Laserstrahl, nachdem er das Material durchdrungen hat erneut ins Material geleitet wird und dort erneut eine Materialmodifikation hervorruft. Insbesondere kann eine nicht-reflektierende und/oder nicht-streuende Oberfläche auch die Arbeitssicherheit erhöhen.In particular, this can prevent the laser beam from being guided into the material again after it has penetrated the material and again causing a material modification there. In particular, a non-reflecting and/or non-scattering surface can also increase occupational safety.
Figurenlistecharacter list
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte; -
2A, B ,C eine schematische Darstellung der Teillaserstrahlen und des Phasenverlaufs; -
3 eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte; -
4 eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte; -
5 eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte; -
6 eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte; -
7 eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlgüte; -
8 den Intensitätsverlauf und des Phasenverlaufs eines idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahls; -
9 den Intensitätsverlauf und des reduzierten Phasenverlaufs eines idealen nichtbeugenden Referenzlaserstrahls; -
10A, B den Intensitätsverlauf und des Phasenverlaufs eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls mit einem Defokus-Abbildungsfehler; -
11A, B den Intensitätsverlauf und des Phasenverlaufs eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls mit einem Astigmatismus-Abbildungsfehler; -
12A, B den Intensitätsverlauf und des Phasenverlaufs eines nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls mit einem Trefoil-Abbildungsfehler; -
13 einen asymmetrischen Intensitätsverlauf durch einen Justagefehler; -
14A, B eine schematische Darstellung des Verfahren zum Trennen eines Materials; -
15A, B ,C eine schematische Darstellung eines Trennungsschritts; und -
16A, B eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Trennen eines Materials.
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1 a schematic representation of the device according to the invention for determining the beam quality; -
2A, B ,C a schematic representation of the partial laser beams and the phase curve; -
3 a further schematic representation of the device according to the invention for determining the beam quality; -
4 a further schematic representation of the device according to the invention for determining the beam quality; -
5 a further schematic representation of the device according to the invention for determining the beam quality; -
6 a further schematic representation of the device according to the invention for determining the beam quality; -
7 a further schematic representation of the device according to the invention for determining the beam quality; -
8th the intensity curve and the phase curve of an ideal non-diffracting reference laser beam; -
9 the intensity curve and the reduced phase curve of an ideal non-diffracting reference laser beam; -
10A, B the intensity curve and the phase curve of a non-diffracting machining laser beam with a defocus aberration; -
11A, B the intensity profile and the phase profile of a non-diffractive machining laser beam with an astigmatism aberration; -
12A, B the intensity curve and the phase curve of a non-diffracting treatment direction laser beam with a Trefoil aberration; -
13 an asymmetrical intensity profile due to an adjustment error; -
14A, B a schematic representation of the method for separating a material; -
15A, B ,C a schematic representation of a separation step; and -
16A, B a schematic representation of the device for separating a material.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the different figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancies.
In
Die Ausschnittsvergrößerung zeigt, dass der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl 22 aus möglichst parallellaufenden Teillaserstrahlen 2200 zusammengesetzt ist, die in der Fokuszone 220 zusammenlaufen und dort eine Intensitätsüberhöhung bewirken. Zudem ist die Detektorebene 400 gezeigt, die vor der Fokuszone 220 des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 angeordnet ist.The detail enlargement shows that the non-diffracting
Für die Qualität des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl 22 ist letztendlich die Parallelität der Teillaserstrahlen 2200 verantwortlich. Diese Parallelität wird durch die Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 bestimmt. Die Teillaserstrahlen 2200 propagieren in dem gesamten Bereich zwischen Bearbeitungslaserstrahlformoptik mit dem jeweils aufgeprägten Brechungswinkel β zueinander. Dementsprechend kann die Strahlgüte auch bereits vor der Fokuszone 220 bestimmt werden.The parallelism of the
Im Vergleich zu einer Bestimmung der Strahlgüte in der Fokuszone 220 kann so eine Überbelichtung und eine mögliche Beschädigung des Detektors 40 durch die Intensitätsüberhöhung vermieden werden. Es ist dementsprechend auch möglich die Detektorebene 400 hinter der Fokuszone 220 anzuordnen.In comparison to a determination of the beam quality in the
Der Detektor 40 ist insgesamt so angeordnet und eingerichtet, dass er die Phasenverteilung des von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 bereitgestellten nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 detektiert. Der Detektor 40 kann beispielsweise eine Shack-Hartmann-Sensor oder ein Interferometer oder eine Kaustikmessvorrichtung oder eine Modenanalysevorrichtung sein.The
Der Analysator 4 umfasst außerdem eine Berechnungseinheit 42, die den detektierten Phasenverlauf des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 auswerten kann. Insbesondere kann so ein Maß für die Abweichung des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl 24 berechnet werden.The
Hierzu ist in
Im Unterschied zu einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl 24 sind bei einem Bearbeitungslaserstrahl 22, der durch eine Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 erzeugt wird, nicht alle Teillaserstrahlen 2200 parallel zueinander ausgerichtet. Dies kann beispielsweise auf einen optischen Abbildungsfehler der Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 zurückzuführen sein.In contrast to an ideal, non-diffracting
Bei einer näheren Analyse des Phasenverlaufs φ als Funktion des Abstands zur optischen Achse sind dann systematische Abweichungen des Bearbeitungslaserstrahls 22 von einem exakten linearen Phasenanstieg, beziehungswiese von der radialen Symmetrie eines idealen Referenzlaserstrahls 24 zu erkennen. Diese systematischen Abweichungen werden durch die real existierende Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 eingebracht und sind somit fast unvermeidbar.A more detailed analysis of the phase curve φ as a function of the distance from the optical axis then reveals systematic deviations of the
Der lineare Phasenanstieg entspricht dem eines idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahls 24. Die Strahlgüte des Bearbeitungslaserstrahls 22 kann somit durch die Abweichungen von einem idealen Referenzlaserstrahl 24 charakterisiert werden.The linear phase increase corresponds to that of an ideal non-diffracting
Die Berechnungseinheit 42 ist dazu eingerichtet, den vom Detektor 40 detektierten Phasenverlauf des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 um den konischen Phasenanteil des nicht beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 rechnerisch maximal zu reduzieren, bevorzugt den konischen Phasenanteil zu entfernen.The
Dem liegt zugrunde, dass der konische Phasenanteil des Bearbeitungslaserstrahls 22 dem eines idealen Referenzlaserstrahls 24 entspricht, so dass die reduzierte Phasenverteilung lediglich die Abweichungen von der idealen Phasenverteilung aufzeigt.This is based on the fact that the conical phase component of the
Um den konischen Phasenanteil zu reduzieren, kann beispielsweise eine Konus-Funktion an die Phasenverteilung angepasst werden. Beispielsweise kann eine Funktion φ(r)=a*r+φmin an die Phasenverteilung angepasst werden. Der Parameter a gibt hierbei den radialen Anstieg der Phasenverteilung an und r gibt die Distanz zur optischen Achse an. Anschließend kann von der gemessenen Phasenverteilung die angepasste konische Phasenverteilung abgezogen werden, so dass die Abweichung der gemessenen Phasenverteilung von der idealen (rein konischen Phasenverteilung) übrigbleibt.In order to reduce the conical phase component, a cone function can be adapted to the phase distribution, for example. For example, a function φ(r)=a*r+φmin can be fitted to the phase distribution. The parameter a indicates the radial increase in the phase distribution and r indicates the distance from the optical axis. The adjusted conical phase distribution can then be subtracted from the measured phase distribution, so that the deviation of the measured phase distribution from the ideal (purely conical phase distribution) remains.
Die Berechnungseinheit 42 kann aus dem reduzierten Phasenverlauf ein Maß für die Abweichung des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 von dem idealen Referenzlaserstrahl 24 bestimmen.The
In
Der Phasenkonizitätsreduzierer 44 kann insbesondere auch eine inverse Referenzlaserstrahlformoptik sein. Wenn der Phasenkonizitätsreduzierer 44 von der Detektorseite aus von einem Laserstrahl durchlaufen würde, würde sich ein idealer nicht-beugender Referenzlaserstrahl 24 ausbilden. Dementsprechend kann mit der inversen Referenzlaserstrahlformoptik die in Detektorrichtung durchlaufen wird die Phasenkonizität des idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahls abgezogen werden. Der Detektor 44 detektiert somit nur den reduzierten Phasenverlauf des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22.The
Der Phasenkonizitätsreduzierer 44 kann insbesondere auch zwischen der Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 und der Fokuszone 220 des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 angeordnet sein, wie in
Die inverse Referenzlaserstrahlformoptik 440 kann ein inverses strahlformendes Element 442 sein, so wie in den
In
Das inverse Referenzlaserstrahlformoptik 440 weist bekannte optische Eigenschaften auf, die durch eine vorhergehende Charakterisierung eingehend bestimmt worden sind. Es ist somit insbesondere bekannt, welchen Phasenkonus das Durchlaufen der inversen Referenzlaserstrahlformoptik 440 dem nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl 22 abzieht. Somit ist es möglich die Konizität des Bearbeitungslaserstrahls 22 zu reduzieren, so dass der Detektor 40 lediglich den reduzierten Phasenverlauf auflösen können muss.The inverse reference laser beam shaping optics 440 have known optical properties that have been thoroughly determined through previous characterization. It is thus known in particular which phase cone the passage fen the inverse reference laser beam shaping optics 440 the non-diffractive
In
In
Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen 1 können zur Bestimmung der Strahlgüte verwendet werden. Das Maß für die Abweichung des nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 von einem idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahl 24 ist hierbei bevorzugt die Wellenfrontkrümmung, besonders bevorzugt der PV Wert des maximal um den konischen Phasenanteil reduzierten nichtbeugenden Bearbeitungslaserstrahl 22.The
Das Verfahren zur Bestimmung der Strahlgüte besteht darin den von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 geformten Bearbeitungslaserstrahl 22 mit einem Referenzstrahl 24 zu vergleichen und die Abweichungen beider Strahlen in ein Strahlgütemaß zu übersetzen.The method for determining the beam quality consists in comparing the
Ein Beispiel für eine mögliche detektierte Intensitäts- und Phasenverteilung ist in
In einem folgenden Schritt wird ein Bereich der Intensitätsverteilung ausgewählt, der über einer gewissen Intensitätsschwelle liegt. Beispielsweise kann die Intensitätsschwelle 20% oder 30% oder 40% des Maximalwerts der gemessenen Intensitätsverteilung betragen. Alle Detektorpixel die über der Intensitätsschwelle liegen werden zusammen mit den zugehörigen Phasenwerten für eine Anpassung eines Phasenkonus verwendet. Die Bereiche über der Intensitätsschwelle liegen in
In
Es gibt jedoch auch verschiedene Fälle, in denen die Phasenverteilung nicht plan ist, sondern ein gewisser Restverlauf der Phase vorliegt.However, there are also various cases in which the phase distribution is not flat, but where there is a certain residual course of the phase.
In
Insbesondere ist mit dem Defokus nicht gemeint, dass die Detektorebene 440 nicht in der Fokuszone 220 des Bearbeitungslaserstrahls 22 angeordnet ist. Vielmehr stammt der Defokus von einer beispielsweisen nicht planen optischen Fläche in der Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3, die benachbarte Teillaserstrahlen unter verschiedenen Winkeln bricht oder ablenkt.In particular, the defocus does not mean that the detector plane 440 is not arranged in the
Die Darstellung entspricht insbesondere auch der gemessenen Phase, wenn die inverse Referenzlaserstrahlformoptik nicht auf die Bearbeitungslaserstrahlformoptik angepasst ist und somit immer ein konischer Restphasenverlauf für den Detektor 40 sichtbar ist.The representation also corresponds in particular to the measured phase when the inverse reference laser beam shape optics are not based on the processing tion laser beam shape optics is adapted and thus always a conical residual phase curve for the
Ein in der Bearbeitungslaserstrahlformoptik vorhandener Defokus kann dazu führen, dass der Durchmesser des Hauptmaximums des nicht-beugenden Bearbeitungsstrahls 22 variiert, wie in
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Neben den reinen Phasenfehlern ist es zudem auch möglich mit dem Verfahren eine Asymmetrie in der Intensitätsverteilung festzustellen. In
Die vorstehenden Phasenverteilungen können von der Berechnungseinheit dazu bestimmt werden den PV Wert des Bearbeitungslaserstrahls 22 zu bestimmen. Je niedriger der PV Wert ist, desto paralleler sind die dem Bearbeitungslaserstrahl 22 zugrundeliegenden Teillaserstrahlen 2200. Je paralleler die Teillaserstrahlen 2200 sind, desto höher ist die Strahlgüte.The above phase distributions can be determined by the calculation unit to determine the PV value of the
In
In
Insbesondere kann der Laser 2 ein Ultrakurzpulslaser sein. Die Pulsdauer der ultrakurzen Laserpulse zwischen 100fs und 100ns, bevorzugt zwischen 100fs und 10ps lang sein und/oder die mittlere Laserleistung zwischen 1W und 1kW, bevorzugt 50W betragen und/oder die Wellenlänge kann zwischen 300nm und 1500nm groß sein, bevorzugt 1030nm betragen und/oder die Laserpulse können Einzellaserpulse sein oder Teil eines Laserbursts sein, wobei ein Laserburst zwischen 2 und 20, bevorzugt zwischen 2 und 4 Laserpulse umfasst und/oder der zeitliche Abstand der Laserpulse des Laserbursts kann zwischen 10ns und 40ns betragen, bevorzugt 20ns betragen und/oder die Puls- oder Burstenergie kann zwischen 10µJ und 50mJ betragen.In particular, the
Der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl 22 kann hierbei eine Fokuszone 220 aufweisen, dessen Durchmesser senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung kleiner als 5µm ist. Dadurch kann die Materialmodifizierung durch den nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl 22 genau entlang der Trennlinie 60 orientiert werden. Zudem können die verschiedenen Laserpulse übereinanderliegen beziehungsweise räumlich überlappen, so dass es zu einer Wärmeakkumulation in dem Material 50 des Werkstücks 5 kommt, wodurch das Material 50 des Werkstücks 5 geschwächt wird. Zum anderen ist es aber auch möglich, dass die Laserpulse so weit voneinander separiert sind, so dass das Material 50 des Werkstücks 5 entlang der Trennlinie 60 lediglich an der Oberfläche perforiert wird.The non-diffracting
In
In
Als mechanische Kraft kann beispielsweise eine Biegespannung auf die zu separierenden Teile 500, 502 des Werkstücks 5 gebracht werden. Eine Biegespannung kann bewirken, dass eine Kompression des Materials des Werkstücks 5 an der Oberseite 52 hin zur Materialmodifikation 6 stattfindet, während das Material 50 des Werkstücks 5 an der Unterseite 54 von der Materialmodifikation 6 weggedehnt wird. Dadurch entsteht ein Spannungsgradient der von der Unterseite 54 zur Oberseite 52 gerichtet ist. Sobald die Materialspannungen entlang des Spannungsgradienten größer als die Bindungskräfte des Materials des Werkstücks 5 sind, relaxiert das Material des Werkstücks 5 unter Ausbildung eines Risses, welcher beispielsweise vertikal durch das Material 50 verläuft. Dieser Zustand des Materials des Werkstücks 1 ist hierbei in
Ein solcher Trennschritt kann insbesondere auch durch das Aufbringen eines thermischen Gradienten, beispielsweise durch Bestrahlung der Materialmodifikationen 6 mit einem CO2-Dauerstrichlaser realisiert werden. Alternativ ist es auch möglich das Material 50 des Werkstücks 5 in einem chemischen Bad entlang der Materialmodifikationen 6 zu ätzen, wobei die gezielte Materialschwächung das Material 50 des Werkstücks 5 selektiv ätzbar macht. Eine weitere Möglichkeit ist auch, dass durch die gezielte Materialschwächung mit Typ III Modifikationen die Materialspannung die Bindungskräfte übersteigen, so dass es zu einem Selbsttrennungsprozesses Werkstücks 1 kommt. In jedem Fall gibt jedoch die Materialschwächung entlang der Trennlinie 60 die Richtung des Trennprozesses vor.Such a separation step can in particular also be implemented by applying a thermal gradient, for example by irradiating the
In
Insbesondere kann der Rohlaserstrahl 20 durch eine Strahlführungsvorrichtung 94 in die Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 eingekoppelt werden. Hierbei kann die Strahlführungsvorrichtung 94 eine Freiraumstrecke mit einem Linsen- und Spiegelsystem sein, wie in
Im vorliegenden Beispiel in Fig.169A wird der Rohlaserstrahl 20 durch eine Spiegelkonstruktion in Richtung des Materials 50 gelenkt und von der Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 in das Material 50 eingebracht. Die Bearbeitungslaserstrahlformoptik weist hierzu bevorzugt eine Abbildungsoptik auf. Im Material 50 verursacht der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl 22 eine Materialmodifikation. Die Bearbeitungslaserstrahlformoptik 3 kann mit der Vorschubvorrichtung 9 relativ zum Material 50 bewegt und eingestellt werden, sodass beispielsweise eine Vorzugsrichtung beziehungsweise eine Symmetrieachse der transversalen Intensitätsverteilung des nichtbeugenden Bearbeitungslaserstrahls 22 an die Vorschubtrajektorie und somit die Trennlinie 60 angepasst werden kann.In the present example in FIG. 169A, the
Die Vorschubvorrichtung 9 kann hierbei das Material 50 unter dem nicht-beugenden Bearbeitungslaserstrahl 22 mit einem Vorschub V bewegen, so dass der nicht-beugende Bearbeitungslaserstrahl 22 das Werkstück 5 entlang der gewünschten Trennlinie 60 modifiziert. Insbesondere umfasst in der gezeigten
Die Vorschubvorrichtung 90 kann insbesondere auch mit einer Regelelektronik 96 verbunden sein, wobei die Regelelektronik 96 die Nutzerbefehle eines Benutzers der Vorrichtung 7 in Steuerbefehle für die Vorschubvorrichtung 9 umsetzt. Insbesondere können vordefinierte Schnittmuster in einem Speicher der Regelelektronik 96 gespeichert sein und durch die Regelelektronik 96 die Prozesse automatisch gesteuert werden.The feed device 90 can in particular also be connected to control
Die Regelelektronik 96 kann insbesondere auch mit dem Ultrakurzpulslaser 2 verbunden sein. Die Regelelektronik 96 kann hierbei die Ausgabe eines Laserpulses oder Laserpulszuges anfordern oder auslösen. Die Regelelektronik 96 kann auch mit anderen genannten Komponenten verbunden sein und so die Materialbearbeitung koordinieren.The
Insbesondere kann so eine positionsgesteuerte Pulsauslösung realisiert werden, wobei beispielsweise ein Achsencoder 900 der Vorschubvorrichtung 9 ausgelesen wird und das Achsencoder-Signal von der Regelelektronik 96 als Ortsangabe interpretiert werden kann. Somit ist es möglich, dass die Regelelektronik 96 automatisch die Abgabe eines Laserpulses oder Laserpulszuges auslöst, wenn beispielsweise eine interne Addiereinheit, die die zurückgelegte Wegstrecke addiert, einen Wert erreicht und sich nach Erreichen auf 0 zurücksetzt. So kann beispielsweise in regelmäßigen Abständen automatisch ein Laserpuls oder Laserpulszug in das Material 50 abgegeben werden.In particular, a position-controlled pulse triggering can be implemented in this way, with an axis encoder 900 of the
Indem in der Regelelektronik 96 auch die Vorschubgeschwindigkeit V und die Vorschubrichtung und somit die Trennlinie 60 verarbeitet werden können, kann eine automatisierte Abgabe der Laserpulse oder Laserpulszüge erfolgen.Since the feed speed V and the feed direction and thus the
Die Regelelektronik 96 kann auch aufgrund der gemessenen Geschwindigkeit und der vom Ultrakurzpulslaser 2 zur Verfügung gestellten Grundfrequenz einen Abstand oder Ort berechnen, an dem eine Abgabe eines Laserpulszuges oder Laserpulses erfolgen soll. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass die Materialmodifikationen 6 im Material 50 nicht überlappen beziehungsweise die Laserenergie gleichmäßig entlang der Trennlinie 60 abgegeben wird.The
Indem die Abgabe der Laserpulse oder der Pulszüge positionsgesteuert erfolgt, entfällt eine aufwändige Programmierung des Trennprozesses. Zudem können frei wählbare Prozessgeschwindigkeiten einfach umgesetzt werden.Since the laser pulses or pulse trains are emitted in a position-controlled manner, there is no need for time-consuming programming of the cutting process. In addition, freely selectable process speeds can be easily implemented.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.As far as applicable, all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Laserlaser
- 2020
- Rohlaserstrahlraw laser beam
- 2222
- nicht-beugender Bearbeitungslaserstrahlnon-diffractive machining laser beam
- 22002200
- Teillaserstrahlpartial laser beam
- 220220
- Fokuszonefocus zone
- 2424
- idealer nicht-beugender Referenzlaserstrahlideal non-diffractive reference laser beam
- 33
- BearbeitungslaserstrahlformoptikProcessing laser beam shaping optics
- 3030
- strahlformendes Elementbeam-shaping element
- 3232
- Abbildungsoptikimaging optics
- 44
- Analysatoranalyzer
- 4040
- Detektordetector
- 400400
- Detektorebenedetector level
- 4242
- Berechnungseinheitcalculation unit
- 4444
- Phasenkonizitätsreduziererphase taper reducer
- 440440
- inverse Referenzlaserstrahlformoptikinverse reference laser beam shaping optics
- 442442
- inverses strahlformendes Elementinverse beam-shaping element
- 444444
- inverse Abbildungsoptikinverse imaging optics
- 4646
- Strahlteilerbeam splitter
- 55
- Werkstückworkpiece
- 5050
- Materialmaterial
- 5252
- Oberseitetop
- 5454
- Unterseitebottom
- 66
- Materialmodifikationmaterial modification
- 6060
- Trennlinieparting line
- 6262
- Materialmodifikationsflächematerial modification surface
- 77
- Vorrichtung zum TrennenSeparating device
- 99
- Vorschubvorrichtungfeed device
- 9090
- Achsvorrichtungaxle device
- 900900
- Achsencoderaxis encoder
- 9292
- Werkstückhalterungworkpiece holder
- 9494
- Strahlführungsvorrichtungbeam guidance device
- 9696
- Regelelektronikcontrol electronics
Claims (25)
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-
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- 2022-05-04 WO PCT/EP2022/062073 patent/WO2022238215A1/en active Application Filing
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