CN110621437B - 使用脉冲多色激光束和滤光片沿预定的加工线加工工件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于沿预定的加工线加工工件(2)的设备和方法，其中该设备至少包括以下部件：用于产生脉冲多色激光束(5)的部件；用于沿激光束(5)的光束方向产生焦线的光学组件(6)，其中光学组件(6)具有用于激光束(5)的波长依赖聚焦的色差，和用于激光束(5)的波长依赖过滤的至少一个滤光片(7)；和用于沿预定的加工线在激光束(5)和工件(2)之间产生相对运动的部件，以借助于聚焦的激光束(5)的作用加工工件(2)。

Description

使用脉冲多色激光束和滤光片沿预定的加工线加工工件的装 置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于沿预定的加工线加工工件、特别是包括玻璃或玻璃陶瓷的工件的装置和方法。

背景技术

多年来已经知道使用脉冲激光束沿预定的加工线加工、特别是分离或先细丝化(Filamentieren)随后分离工件、特别是由玻璃或玻璃陶瓷制成的工件的装置和方法。

利用克尔(Kerr)效应，借助于足够高强度的激光束，激光束的电磁场与工件之间的非线性相互作用导致激光束自聚焦，其中实现焦点的直径明显小于高斯光束的直径。由于焦点处的高强度，所以在工件中产生等离子体，等离子体对激光束具有散焦作用。如果剩余激光束的强度足够大，则激光束重新聚焦，等等。通过反复应用相互平衡的激光束的非线性聚焦和等离子体相关的散焦，导致形成准“波导”，其也称为细丝(Filament)。在对激光束基本上透明的工件中，以这种方式引导的激光束沿其路径对工件改性：在工件中形成细丝状变化，其可以通过适当的工艺控制(例如激光源的脉冲串模式)以直径在亚微米范围的微通道的形式形成(US 2013/0126573 A1)。

可替代地，在细丝化(Filamentierung)的发展中，已经发现使用特殊的光学组件是有利的，该特殊的光学组件使得可以形成沿激光束轴线(光束方向)拉长的焦点，通常也称为焦线。为此，例如使用具有大球差的所谓的轴棱镜或透镜(EP 2 754 524 A1)，其具有特殊的性质，即在光学组件后面沿传播方向(光束方向)的区域将激光束分量成像为激光束与不同焦点上的激光束轴线的距离的函数。因此形成位于激光束轴线上的焦线，焦线的长度可以通过所建立的函数依赖性来预测。在这种情况下，横向于光学激光束轴线的强度分布由贝塞尔函数的数学运算描述，沿激光束轴线形成所谓的贝塞尔光束。该方法的优点是，不需要通过自聚焦和等离子体散焦的平衡(其设置很复杂)来调节细丝，而是将激光束的能量从各个侧面连续地引入激光束轴线的方向，使得在沿光学激光束轴线重叠的区域中形成“连续的”强度分布，该强度分布的特定轮廓受原始激光束的强度分布的严重影响。CN102785031 A描述了使用高斯光束或理想的顶帽轮廓(Top-Hat-Profil)时典型的强度轮廓的示例(即部分分批常数函数，其函数值通过(通常陡峭的)连续过渡达到该部分的边缘)。

可以沿激光束的原始传播方向引入到工件中的的强度分布对细丝的长度有至关重要的影响。

当使用脉冲串模式时，通过在某位置处以高频率重复引入的激光脉冲的累积效应会诱导激光束的瞬态热效应，其导致呈微通道形式的永久的预损伤而超出了工件的材料的改性，：详细地，微通道由脉冲串脉冲序列的第一个脉冲形成，并且微通道周围的损伤区域的大小由脉冲串的随后脉冲以及材料参数调整。

如果在细丝化过程中工件沿预定的加工线(例如，x-y坐标或沿工件表面的坐标，设定点轮廓)移动，则可沿此加工线通过以预定距离相邻产生的微通道对工件进行准穿孔。通过随后的分离工艺，例如利用CO₂激光器产生的热冲击(裂开)，微通道可通过裂缝相互连接，并且工件可沿加工线分离(US 2015/165560 A)。以这种方式产生的断裂面的优点在于其低的粗糙度、所产生的工件边缘的优良的几何精度和强度。

对于厚度大于焦线长度的工件，可通过连续偏移将方法应用于不同的材料深度，甚至应用于相对厚的工件，例如厚度4mm至16mm的工件。

所述方法的缺点在于，对于激光源而言是“理想的”的高斯光束向贝塞尔光束的转换导致焦线中不均匀的强度分布，进而导致待加工工件的断裂面的不均匀。与理想的高斯光束的偏差(M²>1)还使情况恶化。然而，对于待产生的细丝而言是理想的的顶帽轮廓很难制造。

在以下文献中描述了通过脉冲激光束加工工件的其它装置或方法：DE 10 2012110 971 A1、DE 10 2015 110 422 A1、DE 10 2015 116 848 A1、DE 10 2015 111 491 A1、DE 10 2015 116 846 A1、DE 10 2015 111 490 A1、DE 10 2015 120 950 A1、DE 10 2016102 768 A1、DE 10 2017 100 015.1、DE 10 2017 206 461.7、DE 10 2017 100 755.5、DE10 2017 103 381.5、EP 2 754 524 A1、US 2005/0024743 A1、KR 101 407994 B1。

此外，已知使用脉冲多色(polychromatischen)激光束沿预定的加工线加工、特别是分离或先细丝化随后分离由玻璃或玻璃陶瓷制成的工件的以下装置和方法：

US 2012/0255935 A1描述了一种通过脉冲多色激光束加工工件的方法。借助于透镜沿激光束的光束方向产生焦线，其中焦线由多个焦点组成。

US 2016/167166 A1描述了利用焦距可调整的激光束的材料加工。

JP 2010-158686 A描述了利用多光谱能量源以产生线性焦点的材料加工。

WO 2016/077171 A2描述了将多个激光源的光束共同共线穿过共同光束引导系统，以及借助于激光束通过在工件的不同材料深度处的波长依赖聚焦对工件加工。

US 2005/0205536 A1公开了一种借助于激光束构造材料的方法和装置，其中聚焦的激光束具有调整的波长分布图案。

EP 2 250 529 B1公开了一种光学超连续辐射源。

文献US 2016/0009066 A1描述了层压体的激光加工。

在已知的装置和方法中，不能选择性地调整工件中的加工深度，或者只能非常费力地且不精确地来选择性地调整工件的加工深度。通过外部作用、特别是通过机械或热作用，以这种方式加工的工件有时候甚至不能沿加工线分离，或者仅能不精确地分离或具有分离不充分的边缘。

发明内容

本发明的目的是提供一种借助于脉冲多色激光束沿预定的加工线加工工件的装置和方法。所述装置和方法特别适于加工由玻璃或玻璃陶瓷制成的工件或包括玻璃或玻璃陶瓷的工件，例如玻璃或玻璃陶瓷片堆叠体、不同化学成分的玻璃和玻璃陶瓷堆叠体、玻璃塑料层压体。特别地，通过外部作用、特别是通过机械或热作用，加工的工件应沿预定的加工线容易地、精确地和可再生产地分离。

根据权利要求1借助于一种用于沿预定的加工线加工工件的装置来实现该目的，所述装置包括至少：

-用于产生脉冲多色激光束的部件，

-用于产生沿激光束的光束方向的焦线的光学组件，该光学组件具有用于激光束的波长依赖聚焦的色差(chromatische Aberration)，和用于激光束的波长依赖过滤的至少一个滤光片，

-用于沿预定的加工线在激光束和工件之间产生相对运动的部件，以借助于聚焦的激光束的作用加工工件。

因此，用于沿预定的加工线加工工件的装置包括以下部件：

-用于产生脉冲多色激光束的部件，

-光学组件

a)具有用于激光束的波长依赖聚焦的色差，和

b)用于激光束的波长依赖过滤的至少一个滤光片，

用于产生沿激光束的光束方向的焦线，

-用于沿预定的加工线在激光束和工件之间产生相对运动的部件，以借助于激光束的焦线(激光束焦线)的作用加工工件。

发明人能够证明，借助于根据本发明的装置，可以选择性地且精确地调整工件的加工深度。特别地，该装置非常适合加工由玻璃或玻璃陶瓷制成的工件或包括玻璃或玻璃陶瓷的工件，例如玻璃或玻璃陶瓷片堆叠体、不同化学成分的玻璃和玻璃陶瓷堆叠体、玻璃塑料层压体。

在特别是具有特定脉冲持续时间和特定激光束波长的脉冲多色激光束的情况下，借助于光学组件，其具有用于激光束的波长依赖聚焦的色差，和用于激光束的波长依赖过滤的至少一个滤光片，可以产生沿激光束的光束方向的焦线，利用该焦线可以选择性地且精确地调整工件的加工深度。特别地，可以通过产生不同的焦点来调整焦线的长度。

借助于滤光片，可以选择性地过滤激光束的至少一个波长，使得至少在焦线中的特定位置处选择性地不形成焦点。特别地，通过光谱的单边或双边限制(引入边带滤波片(Bandkantenfiltern)或带通滤光片)可以限定焦线的起点或终点。在另外的实施例中，特别地，例如以限定的方式调整终点(在远离激光的一侧上)，以避免加工工件停放在其上的支撑件。

在另外的实施例中，在不对金属改性或剥蚀的情况下，从玻璃侧加工工件、特别是玻璃-金属层压体。在另一实施例中，沿焦线产生的微通道用于直接贯穿接触金属层，根据工艺顺序，金属层可以在贯穿接触之前或之后构造。微通道的典型的直径优选地小于1μm、特别优选地小于500nm、最优选地小于300nm。

借助于光学组件，可以通过入射光束的色诱导转换将细丝转换为贝塞尔式光束。DE 103 25 942 A1和DE 10 2008 029 459 A1提出了特殊的光学器件或透镜，有意地增加该光学器件或透镜的色差，作为波长函数，以诱导光束分量在由其形成的焦线的区域内的聚焦。这些系统的焦点可以扩展到高达30cm的范围。这些系统用于高精度距离和轮廓测量的领域中，或者在透明体的情况下，还用于单层或多层基板的厚度测量(作为多个距离测量的差值)。原则上，这些光学器件或透镜也可以用作本发明的具有色差的光学组件。

在根据本发明的装置中，通过成像光学器件(光学组件)的色差，脉冲多色激光束可以波长-选择性地转换为沿焦线的相应的强度分布。通过将激光源的光谱能量分布和滤光片(滤光片函数)组合，可以沿焦线精确地调整工作容积中的强度分布。

具体实施方式

下面将描述根据本发明的装置的特别有利的实施例。

用于产生脉冲多色激光束的部件优选地包括至少一个超连续光纤激光器，或者包括用于激光脉冲的光谱展宽的部件、特别是用于放大啁啾脉冲(啁啾脉冲放大)的部件。

在放大啁啾脉冲的情况下，借助光栅使激光脉冲沿波长在空间上扩散然后放大。光栅之前的薄膜晶体管显示器(TFT显示器，薄膜晶体管显示器)可能(在强度损失下)大幅阻挡各个波长范围。因此，可以在激光束方向上阻挡(过滤)焦线的各个区域。在遮蔽之后放大时，可以将放大器功率应用到其余的波长范围，使得激光束的功率成比例地减小而低于种子光源(Seeder)情况下原始遮蔽的激光束的功率。种子注入是一种最常应用于脉冲激光器和光学参量振荡器的技术，其主要目的是实现更窄的光学带宽(线宽)的发射。本质上这意味着在脉冲建立阶段开始时，将来自种子光源激光器(其在连续波操作中通常为单频激光器)的光馈入调Q从激光器或纳秒光学参量振荡器。在没有这种种子光源激光器的情况下，从激光器或OPO通常通过类似尺寸的光学放大在多个谐振模式发射，并且多个模式下的功率分布可能在脉冲之间波动。如果种子光源激光的光学频率与从设备的特定谐振器模式的谐振频率足够接近，则该模式可以以比非常高的功率高很多的功率启动，并因此可以在输出脉冲中占主导地位。这样，与无阻碍的(自由运行的)发射相比，发射带宽会大大降低，并且由于避免了模式冲突而时间脉冲轮廓可以更平滑

用于产生脉冲多色激光束的部件优选提供至少以下：

-平均激光功率5至120瓦；

-激光束的脉冲持续时间小于1ns、优选地小于1ps；

-脉冲串模式12至48ns；

-激光束的波长范围350nm至2400nm。

在一个实施例中，激光源(用于产生脉冲多色激光束的部件)的波长被限制在这样的范围，其中用于桥接带隙的光子的数量保持恒定。

可以以多种方式提供用于产生脉冲多色激光束的合适的部件、特别是激光源。

例如，已知的超连续光纤激光器发射350nm至2400nm的波长范围、20瓦的平均激光功率、小于10ps范围的脉冲。以这种方式分布的功率谱使得可以对在可见光或近红外范围透明的工件加工。图1显示了典型的白色光纤激光器的光谱功率密度。上曲线显示了20瓦的平均激光功率的轮廓。下曲线显示了10瓦的平均激光功率的轮廓。激光的平均功率由积分得出。

通过光谱带宽Δν和脉冲持续时间Δt之间的关系给出了另一种类型的脉冲多色激光束的产生：

其中K取决于根据下表的特定脉冲形状：

这里，Δτ是脉冲持续时间，其值确定为强度分布I(t)的半峰宽(FWHM＝半峰全宽)，并且Dn是在FWHM处脉冲的频谱带宽/频率宽度。

下图2示出了中心波长1064nm的情况下以对数-对数表示将脉冲的光谱展宽Δλ显示为脉冲宽度Δτ的函数，以下列计算公式为基础：

在从ps脉冲到fs脉冲的过渡中，预计将脉冲展宽到n×100nm数量级。实际上，将脉冲持续时间进一步缩短至阿托秒脉冲产生白光分布。

在这种情况下的缺点在于，首先短的fs脉冲或阿托秒脉冲与工件之间的相互作用导致工件的材料中越来越少的损伤，从而使得工件的可加工性或可分离性越来越低(由于相互作用时间短，脉冲(光子)不能与材料的光子耦合，从而不会发生对材料的直接加热)。在这种情况下，可以通过显著增加脉冲串模式脉冲的数量进行补偿。

具有色差的光学组件优选地包括至少一个由石英玻璃制成的凸透镜，或者其包括至少两个衍射光栅。

图3示出了利用具有色差的光学组件对波长范围小于800nm的脉冲多色激光束的整形，该光学组件包括由石英玻璃制成的凸透镜。图4示出了具有不同焦点的焦线的放大视图。在该实施例中，350nm和1000nm的焦点相差约2mm，即，波长350nm和1000nm的焦点相互分离约2mm。因此，可以通过光谱过滤将焦点位移该距离。对于不同的光学组件，可以利用市售的射线追踪程序计算距离位移。射线追踪(Strahlverfolgung或Strahlenverfolgung)是基于射线发射的算法，用于计算遮蔽性、即用于从空间中的特定点确定三维物体的可见性。射线追踪同样指的是此基本方法的几个扩展，该基本方法的几个扩展计算了撞击表面后射线进一步的路径。在光学仿真软件例如Zemax中，从被认为是分割的物体发出的光线的场的路径由成像光学系统至探测器表示。

图5示出了图3所示的系统在0.30μm至0.80μm(300nm至800nm)的波长范围的有效焦距。

在另一实施例(图6)中，通过两个衍射光栅(BG1和BG2)将脉冲激光束转换成环形光束，其中光束光谱的较短波长λ1位于外环，而光束光谱的较长波长λ2位于内环。如果此环形光束然后通过轴棱镜或类似的光学器件聚焦，则将形成多个焦点F1和F2，焦点的位置取决于波长。

滤光片优选地是边带滤波片、特别是高通或低通滤光片。

在激光束的光路中，滤光片优选地布置在具有色差的光学组件之前。然而，在激光束的光路中，滤光片也可以布置在具有色差的光学组件之后(然而，必须确保滤光片不突出到焦线内)。也可将多个滤光片布置在光学组件之前和/或之后。

通过多个滤光片可以选择性地过滤多个波长，使得焦线在多个位置处选择性地没有焦点。

边带滤波片(高通和低通滤光片)的使用限制了焦线的外部位置，带阻滤光片允许阻止或禁用焦线的各个区域。激光源的光谱强度分布与所用滤光片的滤波曲线的组合决定激光束在具有色差的光学组件的入射侧上的强度分布(在数学上：计算激光强度分布和滤波曲线的卷积积分)。在光束的出射位置，光学组件的色差决定达到的强度分布。

对于所使用的激光的波长范围，待加工的工件优选地是至少部分地透明的，在该范围工件的透过率大于85％、优选地大于90％，特别优选地大于95％。

待加工的工件特别地包括玻璃、玻璃陶瓷或塑料。

该装置特别是用于引入分离线的装置，通过外部作用、特别是通过机械或热作用可以沿该分离线分离工件。

该装置特别是用于加工由相同或不同材料制成的工件堆叠体或工件层压体的装置。

根据权利要求9借助于用于沿预定的加工线加工工件的方法来实现该目的，该方法包括至少以下步骤：

-产生脉冲多色激光束，

-引导激光束通过光学组件，以沿激光束的光束方向产生焦线，其中光学组件具有用于激光束的波长依赖聚焦的色差，和用于激光束的波长依赖过滤的至少一个滤光片，

-沿预定的加工线在激光束和工件之间产生相对运动，以借助于聚焦的激光束的作用加工工件。

因此，用于沿预定的加工线加工工件的方法包括至少以下步骤：

-产生脉冲多色激光束；

-引导光束通过

a)具有用于激光束的波长依赖聚焦的色差的光学组件，和

b)用于激光束的波长依赖过滤的至少一个滤光片，

以沿光束方向产生焦线，

-沿预定的加工线在激光束和工件之间产生相对运动，以借助于激光束的焦线(激光束焦线)的作用加工工件。

优选地，通过超连续光纤激光器或通过激光脉冲的光谱展宽、特别是通过放大啁啾脉冲来产生脉冲多色激光束。

在产生激光束时优选地调整至少以下：

激光束的脉冲持续时间小于1ns、优选地小于1ps；

脉冲串模式12至48ns；

激光束的波长范围350nm至2400nm。

至少一个由石英玻璃制成的凸透镜或至少两个衍射光栅可以优选地用作具有色差的光学组件。

边带滤波片、特别是高通或低通滤光片优选地用作滤光片。

优选地加工这样的工件，其对激光的波长是至少部分地透明的并且包括玻璃、玻璃陶瓷或塑料。

该方法优选地为用于引入分离线的方法，通过外部作用、特别是通过机械或热作用工件可以沿该分离线分离。

该方法优选地为用于加工由相同或不同材料制成的工件堆叠体或工件层压体的方法。

参考以下示例性实施例进一步阐明本发明。

图7示出了用于沿预定的加工线(3)加工工件(2)的装置(1)，其中该装置(1)包括：

用于产生脉冲多色激光束(5)的部件(4)；

光学组件(6)，其具有用于激光束(5)的波长依赖聚焦的色差，和用于激光束(5)的波长依赖过滤的至少一个滤光片(7)，以沿激光束的光束方向(Z方向)产生焦线(8)；

用于沿预定的加工线(3)在激光束(5)和工件(2)之间产生相对运动(未示出)的部件，以借助于激光束(5)的焦线(8)加工工件(2)。

图8示出了本发明的优点：借助于脉冲激光束沿预定的加工线加工工件，其中可以选择性地调整加工深度。

Claims (18)

1.一种用于沿预定的加工线加工工件的装置，包括至少：

-用于产生脉冲多色激光束的部件，其中，所述用于产生脉冲多色激光束的部件包括超连续光纤激光器和/或用于对激光脉冲的光谱展宽的部件，所述部件提供至少以下：平均激光功率5至120瓦，激光束的脉冲持续时间小于1ns，脉冲串模式12至48ns，激光束的波长范围350nm至2400nm，以对在可见或近红外范围透明的工件加工，

-用于沿所述激光束的光束方向产生焦线的光学组件，所述光学组件具有用于所述激光束的波长依赖聚焦的色差，和用于所述激光束的波长依赖过滤的至少一个滤光片，

-用于沿所述预定的加工线在所述激光束和所述工件之间产生相对运动的部件，以借助于聚焦的激光束的作用沿产生的焦线加工所述工件并且通过外部作用分离所述工件。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，激光束的脉冲持续时间小于1ps。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述用于产生脉冲多色激光束的部件包括用于放大啁啾脉冲的部件。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述光学组件包括至少一个由石英玻璃制成的凸透镜或至少两个衍射光栅。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述滤光片是边带滤波片。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述滤光片是高通或低通滤光片。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述工件对于激光的波长是至少部分地透明的，并且所述工件包括玻璃、玻璃陶瓷或塑料。

8.根据权利要求1或2所述的装置，所述装置用于引入分离线，其中通过机械或热作用沿所述分离线分离所述工件。

9.根据权利要求1或2所述的装置，所述装置用于加工由相同或不同材料制成的工件堆叠体或工件层压体。

10.一种用于沿预定的加工线加工工件的方法，包括至少步骤：

-产生脉冲多色激光束，其中，所述脉冲多色激光束通过超连续光纤激光器和/或通过激光脉冲的光谱展宽产生，在产生所述激光束时至少调整以下：所述激光束的脉冲持续时间小于1ns，脉冲串模式12至48ns，所述激光束的波长范围350nm至2400nm，以对在可见或近红外范围透明的工件加工，

-引导所述激光束通过光学组件，以沿所述激光束的光束方向产生焦线，所述光学组件具有用于所述激光束的波长依赖聚焦的色差，和用于所述激光束的波长依赖过滤的至少一个滤光片，

-沿所述预定的加工线在所述激光束和所述工件之间产生相对运动，以借助于聚焦的激光束的作用加工所述工件

-通过外部作用分离所述工件。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述激光束的脉冲持续时间小于1ps。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，

通过放大啁啾脉冲产生所述脉冲多色激光束。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，

至少一个由石英玻璃制成的凸透镜或至少两个衍射光栅用于所述激光束的波长依赖聚焦的色差。

14.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，

边带滤波片用作所述滤光片。

15.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，

高通或低通滤光片用作所述滤光片。

16.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，

对工件进行加工，所述工件对于激光的波长是至少部分地透明的并且包括玻璃、玻璃陶瓷或塑料。

17.根据权利要求10或11所述的方法，所述方法用于引入分离线，通过机械或热作用沿所述分离线分离所述工件。

18.根据权利要求10或11所述的方法，所述方法用于加工由相同或不同材料制成的工件堆叠体或工件层压体。

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