CN111565883A - 用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机 - Google Patents

用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机 Download PDF

Info

Publication number
CN111565883A
CN111565883A CN201880085451.6A CN201880085451A CN111565883A CN 111565883 A CN111565883 A CN 111565883A CN 201880085451 A CN201880085451 A CN 201880085451A CN 111565883 A CN111565883 A CN 111565883A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
workpiece
ukp
pulse
modification
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880085451.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111565883B (zh
Inventor
S·里希特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of CN111565883A publication Critical patent/CN111565883A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111565883B publication Critical patent/CN111565883B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/402—Removing material taking account of the properties of the material involved involving non-metallic material, e.g. isolators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/06—Glass compositions containing silica with more than 90% silica by weight, e.g. quartz
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30—Organic material
    • B23K2103/42—Plastics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/54—Glass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2201/00—Glass compositions
    • C03C2201/02—Pure silica glass, e.g. pure fused quartz

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

在根据本发明的用于在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件(2)上产生表面结构(10)的方法中，一个或多个UKP激光脉冲(5)穿过工件表面(11)被聚焦到激光可透过的工件(2)中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部(12)，其中，所述一个或多个UKP激光脉冲(5)的脉冲参数和激光焦点在所述工件(2)中的深度这样地选择，使得熔化的改型部(12)的最上部刚好接触工件表面(11)，并且所述工件表面(11)由于所述熔化的改型部(12)的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构(10)。

Description

用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机
技术领域
本发明涉及一种用于在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件上产生表面结构的方法。
背景技术
具有小于10ps的脉冲持续时间的超短脉冲(UKP)激光辐射越来越多地被用于材料加工。借助UKP激光辐射进行材料加工的特点在于，激光辐射与工件的短的相互作用时间。借助超短(UKP)激光脉冲对激光可透过的玻璃进行激光焊接能够在没有附加材料投入的情况下实现稳定的连接，但受由激光感应的瞬态以及持久的电压限制。背景是借助超短激光脉冲局部地熔化材料。如果将超短激光脉冲聚焦到玻璃，例如石英玻璃的体积中，则在焦点中存在的高强度会导致非线性的吸收过程，由此，根据激光参数能够引起不同的材料改型部。如果时间上的脉冲间隔比玻璃的典型热扩散时间更短，则焦点区域中的温度逐脉冲地提高(所谓的热累积)并且能够导致局部熔化。如果将改型部置于两个玻璃的边界面中，则冷却的熔融物产生两个样品的稳定连接。
由
Figure BDA0002568380800000011
Richter的文章《走进无光学接触的玻璃激光焊接》(应用物理2015)(“Toward laser welding of glasses without optical contacting”(Appl.Phys.A2015))和
Figure BDA0002568380800000012
Richter的论文《使用超短激光脉冲以高重复率对透明材料进行直接激光粘合》(耶拿大学)“Direct laser bonding of transparent materials usingultrashort laser pulses at high repetition rates”(FSU University Jena)已知，在激光接合时通过由激光引起的改型部来跨接两个彼此重叠的玻璃板之间的缝隙，所述改型部从一个接合配对的接合面拱曲直至与另一个接合配对的接合面材料锁合地连接。
发明内容
本发明提出以下任务，在激光可透过的工件上产生可重复的稳定的表面结构，尤其呈截球及其衍生物的形式，所述表面结构具有几μm的高度并且无需附加的下级结构，以及本发明给出一种适合于此的激光加工机。
根据本发明，该任务通过一种用于借助呈UKP激光脉冲形式的脉冲激光束在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件上产生表面结构的方法来解决，其中，至少一个UKP激光脉冲穿过工件表面被聚焦到激光可透过的工件中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部，并且其中，所述至少一个UKP激光脉冲的脉冲参数和激光焦点在工件中的深度这样地选择，使得熔化的改型部的最上部刚好接触工件表面，并且工件表面由于熔化的改型部的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构。在唯一的UKP激光脉冲的情况下，根据本发明在没有热累积的情况下产生改型部，其中，脉冲能量必须匹配得非常好：如果该脉冲能量太低，则仅形成折射率改变；如果该脉冲能量太高，则感应的电压太高，并且全部裂开。
特别优选地，多个UKP激光脉冲穿过工件表面被聚焦到激光可透过的工件中，以便在工件内部通过逐步地加热焦点体积来熔化改型部，其中，多个UKP激光脉冲的脉冲参数和激光焦点在工件中的深度这样地选择，使得熔化的改型部的最上部刚好接触工件表面，并且工件表面由于熔化的改型部的材料热膨胀向外拱曲成凸形的表面结构。根据本发明，多个超短激光脉冲以短时间的脉冲间隔聚焦到工件内部材料中；由于非线性的相互作用和相继的激光脉冲的热累积，焦点体积被加热，并且在工件中形成典型的液滴状改型部。如果正确地选择释放的能量(由脉冲能量、脉冲持续时间、脉冲间隔、聚焦、波长给定)并且正确地放置改型部，则改型部的最上部刚好接触工件表面。然后，材料热膨胀引起使表面向外拱曲。
在ns范围内的脉冲间隔的情况下，在工件中仍存在之前激光脉冲的余热，使得焦点体积被逐步加热。通过热扩散也加热周围的材料。由于高的局部温度而产生热电子(相应于玻尔兹曼分布)。存在的自由电子引起，使下一个激光脉冲不再强制性地依赖非线性的多光子过程。因此，吸收概率提高，并且下一个激光脉冲已经进一步在上面(朝工件表面或者说激光光学器件的方向)被吸收。因此，吸收点在该过程期间向上移动。由到周围材料中的热扩散决定地形成小液滴状的几何形状。当激光加热中断时，例如因为激光被关断，因为散射引起不再有能量到达，或因为激光焦点已经运动离开，熔化的材料再次凝固。因为凝固过程明显快于熔化过程，所以材料在更高的假想温度下冻结。该“改型部”(约100μm高和10μm宽，与材料和过程参数有关)容易具有与原始体积材料不同的特性。在熔化的改型部内存在径向的温度分布。近似地在内部极热(＞2000℃)而在外部接近室温。因此，材料的粘度也随着温度改变，即冷的外部材料相当坚硬，而热的内部材料则是液态的。此外，还存在玻璃随着温度升高而热膨胀。
现在，如果在加热过程期间体积改型部被放到接近工件表面(如所说明的那样，改型部在过程期间向上生长)，则热的内部材料的热膨胀引起材料向外拱曲。同时，高粘度防止所有热材料都流向外。在这里，改型部的位置是非常关键的。如果太热的材料遇到工件表面，则粘度(和从而表面张力)不再足以防止热材料不受控地向外膨胀/爆炸。在不受控的爆炸时形成微丝线和许多不同的凝固形状。在材料的限定的拱曲部中，由于表面张力形成具有最小粗糙度的非常均匀的球形表面。在凝固时，材料状态被冻结。根据本发明，引入的激光能量这样地被控制并且激光焦点在材料中的深度(z位置)这样地设定，使得不会出现不受控的膨胀/爆炸(如火山那样)。而是，在给定脉冲数量和脉冲能量的情况下可以通过激光焦点的z位置非常精确地限定表面上的拱曲部的大小。
根据本发明的方法涉及工件材料由体积成型为表面结构，而未附加地沉积或去除材料。熔化的材料的凝固过程由于表面张力而导致光滑或均匀的表面结构。
优选地，聚焦到工件中的激光束的射束横截面相应于表面结构的所希望的横截面成型。通常，为此使用具有高数值孔径(NA>0.1)的物镜，以便实现必要的高能量密度，使得出现非线性吸收机制(多光子吸收、场电离或隧道电离)。如果具有足够脉冲能量的激光束可供使用，则为了在空间上的脉冲和射束成形(对所提及的物镜替代地或附加地)也可以使用射束成形元件，例如柱形透镜、SLM调制器(空间光调制器“spatial light modulator”)或衍射光学元件，以便在材料中产生其它改型部并且因此在表面上产生其它结构。因此，代替工件表面上的单个球拱曲部，也可以通过由多个拱曲部的按顺序构造来产生线形或面形的表面结构，例如“模糊绘出的”线、十字、钩等或棱锥结构。通过在空间上的射束成形(透镜阵列、衍射光学元件(DOE))实现用于同时构造多个表面结构的定标(Skalierung)，由此同时并排地产生多个激光点并且因此同时产生多个改型部和表面结构。
优选激光焦点是点状或高斯状的或者垂直于射束轴线线形地延伸，以便在工件内部熔化具有球形上侧的、在纵截面中为液滴状的改型部。
多个UKP激光脉冲可以具有恒定的脉冲间隔，例如最大100ns、优选最大50ns、特别优选最大20ns，或者以激光脉冲串的形式被聚焦到工件中。在后一种情况下，分别形成一个激光脉冲串射的UKP激光脉冲具有比两个激光脉冲串之间的脉冲串间隔(几ms)更小的脉冲间隔(ns范围)。通过这样的激光脉冲串，熔化的改型部能够拉伸并且由此，表面结构与恒定的脉冲间隔相比可以略微进一步从工件表面拉出。激光脉冲优选具有最多10个UKP激光脉冲、尤其最多5个UKP激光脉冲，这些激光脉冲具有最大100ns、优选最大50ns、特别优选最大20ns的脉冲间隔。脉冲串重复率必须足够高，以便能够在工件中实现热累积。即在～100kHz的脉冲串重复率的情况下例如需要10μJ的脉冲能量，在1MHz的脉冲串重复率的情况下，1μJ的脉冲能量就已经足够。更加平均的脉冲功率在任何情况下都在工件中产生更大的熔化体积。
优选地，一个或多个UKP激光脉冲具有在0.1μJ至100μJ之间、优选在1μJ至20μJ之间、特别优选约10μJ的脉冲能量。
为了产生线形的表面结构，优选使激光束在工件上方运动并且由此使激光焦点穿过工件内部运动。例如在石英玻璃的情况下，在激光束穿过工件的该连续运动(由不均匀性和改型部的由热引起折射率曲线的方差而定)中，改型部不可能完全是均匀的，即例如内接线不可能完全一样高。仅在非常均匀的材料如硼硅玻璃和合适的过程监控的情况下才能够实现相同形状的改型部。
在一个方法变型中，在不同的位置处分别以相同的、固定预给定的脉冲参数产生相同的表面结构。代替将激光焦点连续地移动穿过材料而逐点地加工：首先移到一点并且在那里以固定限定的能量(脉冲能量*脉冲数量)照射材料，使得形成拱曲部。然后，在另一位置处以相同限定的能量产生相同的拱曲部。
在一个替代的或附加的方法变型中，在产生表面结构时，在多个UKP激光脉冲之间测量工件表面，并且当达到相应于所希望的表面结构的拱曲高度时，关断激光束或使激光束继续运动。在没有相应的传感装置的情况下，必须事先通过实验确定，对于哪种表面结构需要多少能量。
优选地，UKP激光脉冲具有小于50ps、优选小于1ps、特别优选约500fs或者更小的脉冲持续时间。
本发明在另一方面还涉及一种用于在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件上产生表面结构的激光加工机，所述激光加工机具有UKP激光器，用于产生呈UKP激光脉冲形式的脉冲激光束；聚焦单元，所述聚焦单元将激光束聚焦到工件上；和机器控制装置，所述机器控制装置编程为用于这样地操控所述UKP激光器和所述聚焦单元，使得在工件内部通过逐步加热焦点体积来熔化改型部，所述改型部的最上部刚好接触工件表面。
优选地，在脉冲激光束的射束路径中布置有射束成形单元，例如具有高数值孔径(NA>0.1)的物镜、柱形透镜、衍射光学元件或SLM调制器，用于UKP激光脉冲在空间上的脉冲和射束成形。通过高数值孔径可以使用较少的脉冲能量，并且可以获得较小的改型部尺寸。
进一步优选地，激光加工机具有与机器控制装置连接的、用于测量工件表面的传感装置，例如呈布置在激光加工头上的距离传感器的形式，该距离传感器光学地或电容地测量到工件表面的距离。如果达到相应于所希望的表面结构的拱曲高度，则关断激光束或使激光束继续运动。
为了使激光束相对于工件运动，激光加工机可以具有扫描器，用于将激光束偏转到工件上，或然而具有运动单元，用于使射出激光束的激光加工头运动和/或用于使工件运动。
附图说明
由说明书、权利要求和附图得到本发明主题的另外的优点和有利的构型。之前所述的和还进一步列举的特征同样可以单独地或以多个任意组合的形式使用。所示的和所说明的实施方式不应理解为最终的穷举，而是更确切地具有用于描述本发明的示例性的特征。附图示出了：
图1用于借助脉冲激光束在激光可透过的工件上产生表面结构的示意性的激光加工机；和
图2具有多个沿着脉冲激光束的进给方向产生的表面结构的工件的纵截面。
具体实施方式
图1中所示的激光加工机1用于借助脉冲激光束3在由(石英)玻璃制成的激光可透过的工件2上产生表面结构10。在下面示例性地讨论玻璃。然而，所提出的过程也可以考虑用于其它激光可透过的材料，尤其用于塑料。
激光加工机1包括UKP激光器4，用于以小于10ps的脉冲持续时间并且优选在飞秒范围内产生呈UKP激光脉冲5形式的激光束3；在Z方向上高度可移动的激光加工头6，该激光加工头具有高数值孔径(NA>0.1)的物镜7，激光束3从所述激光加工头朝工件2的方向聚焦地射出；在X-Y方向上可移动的工件台8，工件2放置在该工件台上；以及机器控制装置9，该机器控制装置控制UKP激光器4的激光参数、激光加工头6的Z位置和工件台8的X-Y运动。
为了产生表面结构10，将多个UKP激光脉冲5穿过工件表面11聚焦到工件2中，以便在工件内部通过逐步加热焦点体积来熔化具有球形上侧的、向工件表面11凸形的液滴状改型部12。在此，多个UKP激光脉冲5的脉冲参数(由脉冲能量、脉冲数量、脉冲持续时间、时间上的脉冲间隔、波长、聚焦给定)和激光焦点在工件2中的深度这样地选择，使得熔化的改型部12的最上部刚好接触工件表面11(图2)。然后，通过熔化的改型部12的材料热膨胀，工件表面11向外拱曲成截球形的表面结构10。在此，激光焦点的Z位置确定了在工件表面11上的球形表面结构10的直径尺寸。
多个UKP激光脉冲5能够如图1的细节A所示的那样具有恒定的脉冲间隔或者说恒定的重复率，或如图1的细节B所示的那样被分组为多个激光脉冲串13，其中，分别形成激光脉冲串13的UKP激光脉冲5具有ns脉冲间隔，所述ns脉冲间隔因此明显小于两个激光脉冲串13之间的ms脉冲串间隔。通过这样的激光脉冲串13，熔化的改型部12能够沿Z方向拉伸并且由此，表面结构10与在细节A中所示的恒定的脉冲间隔相比略微进一步从工件表面11拉出。脉冲串重复率必须足够高，以便能够在工件2中实现热累积。为此，例如在～100kHz的脉冲串重复率的情况下需要10μJ的脉冲能量，与此相反地，在1MHz的脉冲串重复率的情况下，1μJ的脉冲能量就已经足够。更加平均的功率在工件2中产生更大的熔化体积。
代替高数值孔径(NA>0.1)的物镜7，为了UKP激光脉冲5在空间上的脉冲和射束成形，也可以在激光束3的射束路径中布置其它射束成形单元，例如柱形透镜、衍射光学元件或SML调制器，以便在材料中产生其它改型部12并且因此产生其它表面结构10。
为了产生线形的表面结构10，激光束3沿进给方向v连续地在工件2上方运动并且由此，激光焦点连续地穿过工件内部运动。相反地，如在图2中所示的那样，通过激光束3沿进给方向v在不同位置处的按顺序运动，可以分别以相同的、固定预给定的脉冲参数产生相同的表面结构10。在产生表面结构10时，可以在多个UKP激光脉冲5之间借助例如安装在激光加工头6上的传感装置14测量工件表面11，以便一旦达到相应于所希望的表面结构10的拱曲高度h，机器控制装置9就关断激光束3或使该激光束继续运动。因此，或者通过按顺序的方案或者通过自动的过程监控能够受控地产生表面结构10。
可以考虑，除材料的热膨胀外，将导致拱曲的其它过程也可以是合适的。因此，材料例如可以在希望的拱曲区域周围这样地被改型，使得产生引起拱曲的内应力。
用以下参数已经执行的实验导致具有优良质量的表面结构10：
Figure BDA0002568380800000071
具有20ns脉冲间隔的4个激光脉冲的激光脉冲串
脉冲串重复率： 200kHz
脉冲能量： 10μJ

Claims (17)

1.一种用于借助呈UKP激光脉冲(5)形式的脉冲激光束(3)在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件(2)上产生表面结构(10)的方法，其中，至少一个UKP激光脉冲(5)穿过工件表面(11)被聚焦到激光可透过的工件(2)中，以便在工件内部通过加热焦点体积来熔化改型部(12)，并且其中，所述至少一个UKP激光脉冲(5)的脉冲参数和激光焦点在所述工件(2)中的深度这样地选择，使得熔化的改型部(12)的最上部刚好接触所述工件表面(11)，并且所述工件表面(11)由于所述熔化的改型部(12)的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个UKP激光脉冲(5)穿过所述工件表面(11)被聚焦到所述激光可透过的工件(2)中，以便在所述工件内部通过逐步加热所述焦点体积来熔化改型部(12)，并且所述多个UKP激光脉冲(5)的脉冲参数和所述激光焦点在所述工件(2)中的深度这样地选择，使得所述熔化的改型部(12)的最上部刚好接触所述工件表面(11)，并且所述工件表面(11)由于所述熔化的改型部(12)的材料热膨胀而向外拱曲成凸形的表面结构(10)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个UKP激光脉冲(5)具有恒定的脉冲间隔。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述脉冲间隔为最大100ns、优选最大50ns、特别优选最大20ns。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个UKP激光脉冲(5)以激光脉冲串(13)的形式被聚焦到所述工件(2)中，其中，分别形成一个激光脉冲串(13)的所述UKP激光脉冲(5)具有比在两个激光脉冲串(13)之间的脉冲串间隔更小的脉冲间隔。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光脉冲串(13)具有最多10个UKP激光脉冲(5)、尤其最多5个UKP激光脉冲(5)，所述UKP激光脉冲具有最大100ns、优选最大50ns、特别优选最大20ns的脉冲间隔。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述脉冲串重复率在10kHz至10MHz之间、优选在100kHz至1MHz之间、特别优选约200kHz。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述UKP激光脉冲(5)具有0.1μJ至100μJ之间、优选1μJ至20μJ之间、特别优选约10μJ的脉冲能量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，聚焦到所述工件(2)中的激光束(3)的射束横截面相应于所述表面结构(10)的所希望的横截面成型。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束(3)具有点状或高斯状的激光焦点或者具有垂直于射束轴线延伸的、线形的激光焦点，以便在所述工件内部熔化具有球形上侧的、在纵横截面中为液滴状的改型部(12)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了产生线形的表面结构(10)，使所述激光射束(3)在所述工件(2)上方运动并且由此使所述激光焦点穿过所述工件内部运动。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述工件表面(11)的不同位置处分别以相同的、固定预给定的脉冲参数产生相同的表面结构(10)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在产生表面结构(10)时，在多个UKP激光脉冲(5)之间测量所述工件表面(11)，并且一旦达到相应于所希望的表面结构(10)的拱曲高度(h)，就关断所述激光束(3)或使该激光束继续运动。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述UKP激光脉冲(5)具有小于50ps、优选小于1ps、特别优选约500fs或更小的脉冲持续时间。
15.一种用于在尤其由玻璃或塑料制成的激光可透过的工件(2)上产生表面结构(10)的激光加工机(1)，所述激光加工机具有：
-UKP激光器(4)，用于产生呈UKP激光脉冲(5)形式的脉冲激光束(3)；
-聚焦单元(7)，所述聚焦单元将激光束(3)聚焦到所述工件(2)上；和
-机器控制装置(9)，所述机器控制装置编程为用于这样地操控所述UKP激光器(4)和所述聚焦单元(7)，使得在工件内部通过加热聚焦体积来熔化改型部(12)，所述改型部的最上部刚好接触工件表面(11)。
16.根据权利要求15所述的激光加工机，其特征在于，在所述脉冲激光束(3)的射束路径中布置有射束成形单元(7)，用于所述UKP激光脉冲(5)在空间上的脉冲和射束成形。
17.根据权利要求15或16所述的激光加工机，其特征在于，具有与所述机器控制装置(9)连接的传感装置(14)，用于测量所述工件表面(11)。
CN201880085451.6A 2018-01-03 2018-12-14 用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机 Active CN111565883B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018200029.8A DE102018200029A1 (de) 2018-01-03 2018-01-03 Verfahren und Laserbearbeitungsmaschine zur Oberflächenstrukturierung lasertransparenter Werkstücke
DE102018200029.8 2018-01-03
PCT/EP2018/085007 WO2019134807A1 (de) 2018-01-03 2018-12-14 Verfahren und laserbearbeitungsmaschine zur oberflächenstrukturierung lasertransparenter werkstücke

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111565883A true CN111565883A (zh) 2020-08-21
CN111565883B CN111565883B (zh) 2022-08-23

Family

ID=64949241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880085451.6A Active CN111565883B (zh) 2018-01-03 2018-12-14 用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20200331100A1 (zh)
EP (1) EP3735333A1 (zh)
KR (1) KR20200103044A (zh)
CN (1) CN111565883B (zh)
DE (1) DE102018200029A1 (zh)
WO (1) WO2019134807A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210024411A1 (en) * 2019-07-26 2021-01-28 Laser Engineering Applications Method for structuring a transparent substrate with a laser in a burst mode
DE102020107944A1 (de) * 2020-03-23 2021-09-23 Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Körperschaft des öffentlichen Rechts Verfahren zur Herstellung eines kontinuierlichen diffraktiven optischen Elementes, Vorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens und kontinuierliches diffraktives optisches Element
DE102020119306A1 (de) * 2020-07-22 2022-01-27 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Härten eines transparenten Materials
DE102020125679A1 (de) 2020-10-01 2022-04-07 Homag Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Bearbeitung, insbesondere zur Veredelung, von Oberflächen
DE102022131436A1 (de) 2022-11-28 2024-05-29 TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas, Hochtemperaturprozessanlage mit einer solchen Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung oder Anlage

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003200432A (ja) * 2001-11-01 2003-07-15 Nitto Denko Corp 微小隆起物を有する構造体形成用金型の作製方法および該金型を用いた微小隆起物を有する構造体の製造方法
DE10261642A1 (de) * 2002-12-27 2004-07-15 Laserquipment Ag Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen thermoplastischer Kunststoff-Formteile, insbesondere zum Konturschweißen dreidimensionaler Formteile
CN101887842A (zh) * 2009-05-14 2010-11-17 株式会社半导体能源研究所 Soi衬底的制造方法及soi衬底
CN101890576A (zh) * 2010-08-19 2010-11-24 上海市激光技术研究所 不锈钢或镍薄板激光拼焊对位装夹装置和方法
CN102107530A (zh) * 2010-12-30 2011-06-29 东莞市创普光电技术有限公司 一种采用金属激光焊接机焊接塑料的新方法
CN102128781A (zh) * 2010-01-18 2011-07-20 中国科学院金属研究所 模拟铝和铝合金在工业污染大气环境腐蚀过程的试验方法
CN102785028A (zh) * 2011-05-19 2012-11-21 株式会社迪思科 激光加工方法以及激光加工装置
CN102930905A (zh) * 2012-11-20 2013-02-13 安徽省鑫源达有色金属材料有限公司 一种可更换的陶瓷或玻璃型密封电气贯穿件组件

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7486705B2 (en) * 2004-03-31 2009-02-03 Imra America, Inc. Femtosecond laser processing system with process parameters, controls and feedback
JP4708428B2 (ja) * 2005-11-22 2011-06-22 オリンパス株式会社 ガラス基材の加工方法
JP6630666B2 (ja) * 2013-07-22 2020-01-15 クマー，キティー 干渉レーザ加工
US20150034613A1 (en) * 2013-08-02 2015-02-05 Rofin-Sinar Technologies Inc. System for performing laser filamentation within transparent materials
US10293436B2 (en) * 2013-12-17 2019-05-21 Corning Incorporated Method for rapid laser drilling of holes in glass and products made therefrom
US9359252B1 (en) * 2015-07-24 2016-06-07 Corning Incorporated Methods for controlled laser-induced growth of glass bumps on glass articles

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003200432A (ja) * 2001-11-01 2003-07-15 Nitto Denko Corp 微小隆起物を有する構造体形成用金型の作製方法および該金型を用いた微小隆起物を有する構造体の製造方法
DE10261642A1 (de) * 2002-12-27 2004-07-15 Laserquipment Ag Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen thermoplastischer Kunststoff-Formteile, insbesondere zum Konturschweißen dreidimensionaler Formteile
CN101887842A (zh) * 2009-05-14 2010-11-17 株式会社半导体能源研究所 Soi衬底的制造方法及soi衬底
CN102128781A (zh) * 2010-01-18 2011-07-20 中国科学院金属研究所 模拟铝和铝合金在工业污染大气环境腐蚀过程的试验方法
CN101890576A (zh) * 2010-08-19 2010-11-24 上海市激光技术研究所 不锈钢或镍薄板激光拼焊对位装夹装置和方法
CN102107530A (zh) * 2010-12-30 2011-06-29 东莞市创普光电技术有限公司 一种采用金属激光焊接机焊接塑料的新方法
CN102785028A (zh) * 2011-05-19 2012-11-21 株式会社迪思科 激光加工方法以及激光加工装置
CN102930905A (zh) * 2012-11-20 2013-02-13 安徽省鑫源达有色金属材料有限公司 一种可更换的陶瓷或玻璃型密封电气贯穿件组件

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S.RICHTER: "Toward laser welding of glasses without optical contacting", 《APPLIED PHYSICS A MATERIALS SCIENCE &PROCESSING》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111565883B (zh) 2022-08-23
EP3735333A1 (de) 2020-11-11
US20200331100A1 (en) 2020-10-22
KR20200103044A (ko) 2020-09-01
WO2019134807A1 (de) 2019-07-11
DE102018200029A1 (de) 2019-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111565883B (zh) 用于激光可透过的工件的表面结构化的方法和激光加工机
CN111065485B (zh) 使用无焦光束调整组件激光加工透明工件的设备和方法
US7626138B2 (en) Transparent material processing with an ultrashort pulse laser
TWI794959B (zh) 從透明基板雷射切割及移除輪廓形狀
US7568365B2 (en) Method and apparatus for micromachining bulk transparent materials using localized heating by nonlinearly absorbed laser radiation, and devices fabricated thereby
KR102674240B1 (ko) 측면으로 방출되는 광 도파관 및 광 도파관에 미세변형부를 삽입하는 방법
JPH11267861A (ja) 光透過性材料のマーキング方法
CN101875156A (zh) 激光加工方法及激光加工装置
CN108136543A (zh) 将要被激光切割的经过涂覆的基材的激光预处理方法
CN111936433A (zh) 用于激光焊接透明工件的方法和对应的激光加工机
Nordin et al. Effect of focusing condition on molten area characteristics in micro-welding of borosilicate glass by picosecond pulsed laser
GB2569798A (en) Improvements in or relating to laser based machining
JP2019043799A (ja) ガラス基板の端面処理方法及びガラス基板の端面処理装置
WO2020038693A1 (en) Mitigating low surface quality
JP2020006600A (ja) 成形型クリーニング装置及び方法、樹脂成形装置、並びに樹脂成形品製造方法
CN112351959B (zh) 用于玻璃结构的增材制造方法
Hélie et al. Micromachining of thin glass plates with a femtosecond laser
Schmidta et al. Direct Fabrication of Micro Lens Arrays by CO2-Lasers
Du et al. Laser processing over a large area by wavefront-controlled scanning
KR20240035440A (ko) 유리 물체의 적층 제조 방법 및 장치
JP2024525252A (ja) ガラス物体の付加製造のための方法および装置
WO2023278239A1 (en) Glass substrate joining method
KR20230038578A (ko) 적어도 2개의 접합 부재를 접합하기 위한 장치 및 방법
Itoh Studies on laser processing of glasses for micro-and nanostructures
JP2019043823A (ja) ガラス基板の残留応力低減方法及びガラス基板の残留応力低減装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant