CN114728371B - 用于工件的激光加工的方法、加工光具和激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工件(23')的激光加工的方法，该方法包括：将优选脉冲式的激光束分裂为多个子光束(22')，每个子光束具有两种不同偏振状态之一；以及通过将该多个子光束(22')聚焦在连贯相互作用区域(25)的至少部分重叠的多个子区域(25A')中来加工该工件(23')，其中各自具有不同偏振状态的子光束(22')被聚焦到连贯相互作用区域(25)的相邻的子区域(25A')中。本发明还涉及一种用于工件(23')的激光加工的加工光具，并且还涉及一种具有这样的加工光具的激光加工设备。

Description

用于工件的激光加工的方法、加工光具和激光加工设备

技术领域

本发明涉及一种用于工件的激光加工的方法，涉及一种用于工件的激光加工的加工光具，并且还涉及一种激光加工设备，该激光加工设备包括这样的加工光具并且包括激光源、优选包括超短脉冲激光源。

背景技术

在激光加工工件时，特别是在激光去料、激光切割、表面结构化、激光焊接、激光钻孔等时，有利的是将输入激光束分裂为多个子光束，这些子光束照射或聚焦在工件上的不同位置处。可以在偏振器元件处实现分裂，其中由输入激光束典型地形成分别具有两种不同偏振状态之一的两个子光束，例如彼此垂直地偏振化的两个子光束，来作为输出激光束。可能的是，多个在空间上彼此偏离的输入激光束照射在偏振器元件上。在这种情况下，每个输入激光束被分裂为分别具有两种不同偏振状态之一的一对子光束。

WO 2015/128833 A1描述了一种激光切割头，该激光切割头具有用于产生两个线偏振子光束的偏振光束错开元件，所述光束错开元件布置在激光束的光束路径中。该偏振光束错开元件布置在激光束的发散或会聚光束路径节段中。光束错开元件可以由双折射材料形成。通过使用聚焦、放大光具和在光束路径中布置在聚焦光具下游的光束错开元件，这两个子光束可以在焦平面中部分地叠加。

WO 2015/5114032 A1披露了一种用于工件加工的激光加工设备，该激光加工设备包括加工光具，其中输入激光束在偏振器处被分裂为垂直偏振的两个子光束。相比针对第一子光束，加工光具针对第二子光束具有较长的路径长度，因此，第二子光束具有比第一子光束更长的传播时间。第二子光束相对于第一子光束在至少一个几何光束特性上被更改。被更改的第二子光束叠加在第一子光束上，以使得这两个子光束形成共同的输出激光束。

WO 2018/020145 A1描述了一种通过脉冲激光来切割电介质或半导体材料的方法，其中激光束被分裂为两个子光束，这两个子光束照射在材料上的相对于彼此隔开距离地错开的两个空间上分开的区中。该距离被设定为低于阈值的值，以便在材料中产生在这两个相互错开的区之间、在预给定的方向上延伸的笔直微裂缝。可以对这两个子光束进行光束整形，以便在材料上产生贝塞尔光束形式的位置分布。

WO 2016/089799 A1描述了一种用于通过脉冲激光组件来激光切割至少一个玻璃制品的系统，该脉冲激光组件包括用于将输入光束转换为准非衍射光束(例如，贝塞尔光束)的光束整形光学元件。该激光组件还包括用于将准非衍射光束转换为彼此间隔1μm至500μm之间的多个子光束的光束变换元件。

DE 10 2019 205 394.7描述了一种用于工件加工的加工光具，该加工光具包括：双折射偏振器元件，用于将至少一个输入激光束分裂为彼此垂直地偏振的一对子光束；以及聚焦光具，该聚焦光具在光束路径中布置在偏振器元件的下游并用于将这些子光束聚焦在聚焦区上，其中加工光具被配置用于产生彼此垂直地偏振的子光束的至少部分重叠的聚焦区。加工光具可以被配置用于在焦平面中沿着预给定的轮廓产生多对至少部分重叠的聚焦区，其中直接相邻的多对的彼此垂直地偏振的两个子光束的聚焦区分别至少部分地彼此重叠。

发明内容

本发明是基于以下目的：提供一种用于激光加工的方法、加工光具以及包括这样的加工光具的激光加工设备，它们能实现三维工件加工、特别是工件的表面和/或边缘的加工。

发明主题

根据本发明，此目的通过一种用于工件的激光加工的方法来实现，该方法包括：将优选脉冲式的激光束、特别是超短脉冲激光束分裂为多个子光束，每个子光束具有(特别是成对地)两种不同偏振状态之一；以及通过将该多个子光束聚焦在连贯相互作用区域的至少部分重叠的多个子区域(或者说聚焦区)中来加工该工件，其中各自具有不同偏振状态的子光束被聚焦到连贯相互作用区域的相邻的子区域中。激光束可以例如在固态激光器中产生、特别是在碟片激光器或光纤激光器中产生。

在本申请的含义内，具有不同偏振状态的子光束被理解为意指偏振方向彼此成90°角定向的线偏振子光束。然而，具有不同偏振状态的子光束也被理解为意指具有相反旋转方向的圆偏振子光束，即，分别左旋和右旋的两个圆偏振子光束。偏振方向彼此垂直定向的线偏振子光束到具有相反旋转方向的圆偏振子光束的转换可以例如借助于适当定向的延迟板(λ/4板)来实现。

如果例如由单模激光器产生的并且具有高斯光束轮廓的(脉冲)激光束被分裂为两个或更多个子光束并且这些子光束至少部分地叠加，那么当这些子光束具有相同或相似的偏振时，则可能导致不期望的干涉效应。因此，在子光束聚焦方面，聚焦区或聚焦截面无法任意地靠近在一起，并且因此子光束通常被聚焦在工件上彼此间隔开的聚焦区或子区域。

在将各自具有不同偏振状态的子光束聚焦到直接相邻的子区域或者说聚焦区时，倘若相应子光束的偏振状态在整个相关光束截面或者说相应聚焦区上是统一的，则(部分)叠加不会引起来自不同位置或角度范围的激光辐射的干涉效应。因此，相应子光束的偏振在光束截面上或者说在聚焦区/子区域上的与位置相关的变化应尽可能小。在这种情况下，相邻的聚焦区可以任意地彼此靠近，部分地或者必要时完全地重叠，并且甚至形成均匀的聚焦区，具体来说，横向地(即，垂直于子光束的传播方向)且纵向地(即，在子光束的传播方向上)都是如此。

这些子区域典型地沿着连贯相互作用区域排列，即，每个子区域(除了相互作用区域的两端处的子区域之外)恰好邻接两个相邻子区域，并且与这两个相邻子区域部分重叠。因此，在连贯相互作用区域的情况下，相邻子区域典型地仅在以下程度上重叠，以使得它们不与下个邻接子区域的相应不同地偏振的子光束重叠，其结果是不会出现相同地偏振的子光束的叠加。连贯相互作用区域形成了预给定的连贯轮廓，该预给定的连贯轮廓也被称为(弯曲的)多斑聚焦轮廓，或者在直线轮廓的情况下，被称为多斑聚焦线。

作为使用具有不同偏振状态的完全或部分重叠的子光束的替代，也可以使用具有的时间错开的量使得实际上不会发生干涉效应的完全或部分重叠的子光束。典型地，如果时间错开至少对应于脉冲持续时间的数量级或相干长度的数量级，则出现上述情况。作为最小值，此处通常选择这两个值(分别为脉冲持续时间和相干长度)中的相应较小值的50％作为时间错开。

激光束分裂为各自具有两种不同偏振状态之一的多个子光束典型地在加工光具中实现。

在一个变型中，在分裂为多个子光束的情况下，激光束穿过优选衍射的分束器光具和至少一个优选双折射的偏振器元件。通过(例如，衍射的)分束器光具，激光束可以被分裂为多个子光束，以便将激光束分裂到在工件的(优选透明的)材料的工作体积内的多个子区域或聚焦区(焦斑)中。在不使用偏振器光具或偏振器元件的情况下在工作体积中产生的聚焦区彼此间隔开，以便避免上文进一步描述的干涉效应。偏振器光具或者说偏振器元件用于将由分束器光具产生的相应输入激光束分裂为各自具有不同偏振状态的两个子光束，以便以这种方式填充聚焦区之间的空缺并产生连贯相互作用区域。因此，沿着连贯相互作用区域形成了通常具有连续过渡的光束形状或者说强度分布，即，在子光束之间或聚焦区/子区域之间，强度分布没有零点。

不言而喻，与上文描述相反，激光束可以首先穿过(一个或多个)偏振器元件，并且此后才穿过分束器元件或者说分束器光具。分束器光具可以例如以衍射光学元件的形式配置，但是也可以涉及其他类型的分束器光具，例如几何分束器光具。

虽然在下文的描述中通常只提到一个双折射偏振器元件，但是原则上也可以在加工光具中设置两个或更多个(双折射)偏振器元件。举例来说，在这种情况下，由(超短脉冲)激光源产生并进入加工光具的激光束可以被分裂为两个或更多个子光束，每个子光束构成相关联的双折射偏振器元件的输入激光束，或者必要时，可以将多个激光源的激光束用作输入激光束。

在一个变型中，在激光束在双折射偏振器元件分裂为多个子光束的情况下，被聚焦到连贯相互作用区域的相邻的子区域上的两个子光束之间产生了横向错开(位置错开)和/或角度错开。在这种情况下，双折射偏振器元件可以被配置用于要么在彼此垂直地偏振的两个子光束之间产生横向(位置)错开，要么产生角度错开，要么产生角度错开与位置错开的组合。

借助于典型地呈双折射晶体的形式的双折射偏振器元件，在输入激光束的适当偏振的情况下，例如在输入激光束未偏振的情况下或在输入激光束具有未定义的偏振或圆偏振的情况下，能够将输入激光束在空间上适宜地分裂成其偏振成分。取决于双折射偏振器元件的配置，可以在具有不同偏振状态的两个子光束之间产生明确定义的纯位置错开、明确定义的纯角度错开或者位置错开与角度错开的组合。

为了产生位置错开(没有角度错开)，双折射偏振器元件可以具有例如平行定向的大致平坦的光束入射表面和光束出射表面。在这种情况下，双折射晶体的光轴典型地相对于光束入射表面以某夹角定向。如果输入激光束垂直照射在光束入射表面上，那么在光束出射表面处产生纯位置错开。

为了产生角度错开(没有位置错开)，双折射偏振器元件可以具有相对于光束入射表面以某夹角倾斜的光束出射表面。在这种情况下，双折射晶体的光轴典型地平行于光束入射表面定向。在这种情况下，在光束出射表面，两个子光束在相同位置处并且以所定义的角度错开从双折射晶体射出。

为了产生位置错开与角度错开的组合，例如可以使用常规棱镜偏振器的形式的偏振器元件，例如，尼科耳棱镜、罗雄棱镜、格兰-汤普森棱镜或其他类型的棱镜偏振器(参见例如“https://de.wikipedia.org/wiki/Polarisator”或“https://www.b-halle.de/produkte/Polarisatoren.html”)。

在进一步的变型中，在激光束在双折射偏振器元件、特别是在双折射透镜元件分裂为多个子光束的情况下，优选被聚焦到连贯相互作用区域的相邻的子区域上的两个子光束之间产生了纵向错开。举例来说，双折射成像光学元件、特别是透镜元件可以用于在子光束之间产生纵向错开。双折射透镜元件可以以聚焦方式(例如，作为会聚透镜)或扩束方式(例如，作为发散透镜)配置。在第一种情况下，透镜元件可以形成加工光具的聚焦光具。然而，已证明有利的是，使用非双折射透镜元件(聚焦透镜)作为聚焦光具。针对双折射透镜元件具有聚焦效果的情况，所述双折射透镜元件可以形成聚焦光具的一部分。在本申请中，术语“聚焦光具”通常表示具有最高折射能力的光学元件，并且典型地以聚焦透镜(物镜)的形式配置。

除了取决于激光加工的类型之外，(一个或多个)双折射偏振器元件在加工光具的光束路径中的布置还取决于是否希望产生横向或纵向位置错开和/或角度错开。对于双折射偏振器元件在加工光具中的布置的示例，应参考开篇中引用的DE 10 2019 205 394.7，其全部内容通过援引并入本申请的内容中。不言而喻，连贯相互作用区域的聚焦区或者说子区域的纵向和横向错开两者可以通过选择适当的双折射偏振器元件来产生。

连贯相互作用区域的子区域或者说聚焦区可以位于典型地对应于加工光具的焦平面的公共平面中。

优选地，连贯相互作用区域的子区域中的至少两个子区域在纵向方向(例如，Z方向)上错开，即，它们不位于公共焦平面中。在此变型中，连贯相互作用区域典型地偏离直线形状，即，相互作用区域形成了在纵向方向上延伸的大体弯曲的轮廓。通过实现这些子区域在横向方向(例如，X方向)上的附加错开，连贯相互作用区域可以在X-Z平面中形成实际上任何期望的几何形状或轮廓线。原则上，还可以产生子光束的在两个方向上(例如，在X方向和Y方向上)的横向错开，即，连贯相互作用区域不强制需要位于一个平面内。

在进一步的变型中，在激光加工期间，连贯相互作用区域和工件相对于彼此运动，其中该运动优选沿着进给方向进行。由于相对运动，相互作用区域沿着加工路径移动，在该加工路径上，例如工件的材料可以被去除或者工件的材料可以被结构性地调整(modifiziert)。激光加工期间的进给方向可以被选择为是恒定的，但是进给方向也可以在激光加工期间变化。在最简单的情况下实现的是工件和相互作用区域相对于彼此在横向于、特别是垂直于相互作用区域所在的平面(例如X-Z平面)延伸的方向上的直线进给。

例如，激光加工或者说工件加工可以是激光去料、激光切割、表面结构化、激光焊接、激光钻孔等。不言而喻，取决于激光加工的类型，这种相对移动可以重复多次，例如以便在激光去料期间相继地去除工件材料的多个层。

在一个变型中，相互作用区域形成了用于去除工件的材料的烧蚀区域。在这种情况下，可以通过例如逐层去除工件的材料来加工该工件。在这种情况下，连贯相互作用区域可以是线形的，并且可以在焦平面中延伸。由于线形的相互作用区域和工件相对于彼此沿着进给方向的移动，工件的相应层可以被去除。也可以产生具有适应于要去除的轮廓的几何形状或剖面(例如，V形或U形轮廓)的相互作用区域，以便在工件中产生V形或U形凹槽。具有这种相适应的轮廓的相互作用区域可以在多个相继的烧蚀步骤中越来越深地陷入到工件的体积中，以便产生V形或U形凹槽，并且必要时将工件分离为两段。在激光加工期间，必要时可以改变相互作用区域的轮廓。特别地，在分别去除材料的相继的烧蚀步骤中，可以逐渐选择相互作用区域的更陡轮廓，即，轮廓在纵向方向上的延伸量增加。举例来说，在这种情况下，V形轮廓可以在相继的烧蚀步骤中被逐渐选择为越来越陡，以便在工件中产生V形凹槽。

在进一步的变型中，烧蚀区域形成在工件的入射侧表面或工件的出射侧表面，其中在激光加工期间，优选在入射侧或出射侧表面产生了预给定的、特别是三维的表面形状。在此变型中，通过激光加工，执行表面形状或表面的几何形状的调整，以便使其适应于预给定的表面形状，例如以便形成楔形表面、圆柱形表面或自由形式表面。出于此目的，相互作用区域的轮廓或几何形状适应于预给定的表面形状，更准确地说，适应于预给定的表面形状的截面轮廓，并且相互作用区域相对于工件沿着加工路径运动，以便在表面处产生预给定的表面形状。以这种方式，可以产生具有几乎任何所期望形状的表面。在激光加工之后，可以进行表面的补充调整加工；举例来说，表面可以被抛光。

对于烧蚀区域形成在工件的出射侧表面的情况，工件对于激光束的波长是透明/透射的。在背侧去料激光加工的情况下，有利的是，与入射侧加工不同，去料产物不会影响光束传播到加工区。在透明工件的情况下，可以对入射侧表面和出射侧表面进行加工，而不必出于此目的将工件从相应固持设备移除或进行旋转。透明工件可以特别是由玻璃构成的工件。

在进一步的变型中，相互作用区域形成了用于工件的材料的结构调整的调整区域，其中工件优选由对激光束透明的材料、特别是玻璃组成。在此变型中，在激光加工期间，工件的材料没有被去除，而是进行工件材料的结构调整。这种结构调整可以在于，在用超短脉冲激光辐射照射期间化学键的重排、微裂纹的形成等。结构调整可以特别产生或促进玻璃材料的开裂。玻璃材料可以是例如石英玻璃或其他类型的(光学)玻璃。在透明材料的情况下，结构调整不限于表面或表面附近的体积区域，而是实际上可以引入工件的体积内的任何期望位置处。然而，工件的表面处的结构调整同样是可能的；举例来说，结构调整可以实现表面的抛光(局部熔融)。

可以有利的是，相互作用区域的子区域或聚焦区的几何形状预先定义了或定义了开裂的优先方向。这可以例如通过椭圆形或卵形形状的聚焦区来实现，因为开裂优先沿着卵形或椭圆形聚焦区的长轴实现。

在进一步的变型中，工件在结构调整之后沿着在激光加工期间在工件的体积中形成的调整轮廓分成两段，其中分离优选是通过机械分离过程、热分离过程或通过蚀刻过程来实现。在此变型中，结构调整用于实现工件的材料的预先损坏；在这种情况下，工件典型地在结构调整结束后才被分离。在机械分离过程的情况下，例如可以在工件上施加力或机械应力，以便将工件分离为或断为两段。在热分离过程的情况下，工件可以被加热以便产生温度梯度，该温度梯度在工件的材料中产生机械应力，所述机械应力引起该分离。工件的热处理可以例如借助于激光辐射来实现，激光辐射被工件的材料吸收。例如CO₂激光器的激光辐射是这种情况，因为此激光器产生波长约10μm的激光辐射，该激光辐射被大多数材料吸收，尤其是被石英玻璃吸收。针对热处理或热分离过程，例如可以将CO₂激光束辐射到工件的表面上。将工件分离为两段也可以通过蚀刻过程来实现，其中例如在结构调整之后，将工件放入蚀刻浴中。

对分离有利的是，调整轮廓尽可能远地延伸到工件的体积中。调整结构理想地将工件的顶侧连接到工件的底侧。后者可以通过连贯相互作用区域的合适的三维轮廓来实现，在这种情况下，连贯相互作用区域在工件的整个厚度上延伸。为了在工件的纵向方向或者说厚度方向上产生子区域或聚焦区的可能的最大延伸，激光束、更准确地说子光束也可以具有贝塞尔形状的光束轮廓。在这种情况下，为了产生调整轮廓，也可以使用线形相互作用区域，在线形相互作用区域的情况下，子区域不强制需要在纵向方向上相对于彼此错开。

本发明还涉及一种用于工件的激光加工的加工光具，该加工光具包括：优选衍射的分束器光具和至少一个优选双折射的偏振器元件，用于将优选脉冲式的激光束分裂为多个子光束，每个子光束(特别是成对地)具有两种不同偏振状态之一；以及聚焦光具，该聚焦光具用于将该多个子光束聚焦在连贯相互作用区域的至少部分重叠的多个子区域中，其中加工光具被配置成将各自具有不同偏振状态的子光束聚焦到连贯相互作用区域的相邻的子区域中。在这种情况下，这些子区域典型地也沿着连贯相互作用区域排列。

在一个实施例中，加工光具具有用于在具有不同偏振状态的两个子光束之间产生横向(位置)错开和/或角度错开的至少一个双折射偏振器元件。关于实现横向错开和/或角度错开的各种可能性，应参考与方法相关联的上述解释。

取决于相应加工应用，可以有利的是，使用产生角度错开但仅产生可忽略的位置错开的双折射偏振器元件(2f设置，例如在分束器应用或激光去料的情况下)或产生位置错开但仅产生可忽略的角度错开的双折射偏振器元件(4f设置，例如在玻璃分离或玻璃切割期间使用贝塞尔状光束轮廓的情况下)。

在进一步的实施例中，加工光具具有用于在优选被聚焦到连贯相互作用区域的相邻的子区域中的、具有不同偏振状态的两个子光束之间产生纵向错开的至少一个双折射偏振器元件、特别是双折射透镜元件。如上文进一步描述，可以通过双折射透镜元件产生不同地偏振的子光束之间的纵向错开。

如上文进一步描述，原则上，双折射透镜元件可以形成聚焦光具，即，加工光具不具有另外的聚焦元件以便将子光束聚焦在相互作用区域的聚焦区或者说子区域中，这些子光束优选聚焦到连贯相互作用区域的相邻的子区域中。

因为子区域或者说聚焦区的大小或者说直径在这种情况下由双折射透镜元件的焦距预给定，并且只有有限数量的双折射材料可用于生产该透镜元件，所以在这种情况下子区域或者说聚焦区之间的纵向错开是预给定的。

因此，已证明有利的是，聚焦光具具有非双折射聚焦元件、特别是由非双折射材料构成的另外的透镜元件，或者说包括由非双折射材料所构成的聚焦透镜。在这种情况下，与双折射透镜元件相结合，可以确定所期望的、聚焦光具的有效焦距，并且可以预给定或设定所期望的、子光束的纵向错开。

本发明还涉及一种激光加工设备，该激光加工设备包括：如上文进一步描述的加工光具；以及激光源、特别是超短脉冲激光源，该激光源用于产生激光束、特别是具有高斯光束轮廓的激光束。激光源优选被配置用于产生具有高斯光束轮廓的单模激光束，但是这不是绝对必要的。

加工光具可以例如容纳在激光加工头中或激光加工头的壳体中，该激光加工头相对于工件是可运动的。替代性地或附加地，激光加工设备可以包括扫描仪装置，以便将子光束定向到工件或工件上的不同位置。除了上文描述的光具之外，加工光具还可以具有其他光具。激光加工设备还可以具有运动装置、例如直线驱动器，该运动装置用于将工件沿着进给方向运动、特别是移位。

本发明的其他优点从描述和附图中显现。同样，以上提及的特征和仍将进一步解释的那些特征可以在各情况下自身使用、或者以任何期望的组合作为多个使用。所示出和描述的实施例不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的示例性特性。

附图说明

在附图中：

图1a、图1b示出了两个双折射偏振器元件的示意图，这两个双折射偏振器元件用于在彼此垂直地偏振的两个子光束之间产生角度错开、位置错开，

图2a、图2b示出了具有双折射透镜元件的加工光具的示意图，该双折射透镜元件用于在彼此垂直地偏振的两个子光束的聚焦区之间产生纵向错开，

图2c示出了类似于图2b的加工光具的示意图，该加工光具具有图1a所示的偏振器元件，其用于产生两个聚焦区的附加横向错开，

图3a、图3b示出了工件上的去料激光加工的示意图，

图4a、图4b示出了将工件材料调整以便将工件沿着调整轮廓分离的激光加工的示意图，

图5a、图5b示出了激光加工的示意图，该激光加工将工件材料调整而为蚀刻过程做准备，以及

图6a、图6b示出了用于工件的表面加工的去料激光加工的示意图。

具体实施方式

在以下对附图的描述中，相同的附图标记用于相同或功能相同的部件。

图1a、图1b各自示意性地示出了双折射晶体形式的双折射偏振器元件1a、1b。多种不同的双折射材料可以用作偏振器元件1a、1b的晶体材料，例如，α-BBO(α-硼酸钡)、YVO4(钒酸钇)、结晶石英等。图1a的双折射偏振器元件1a以楔形方式配置，即，偏振器元件1a的用于输入激光束3入射的、平坦的光束入射表面2a和平坦的光束出射表面2b相对于彼此以某(楔形)角度定向。晶体材料的光轴4平行于光束入射表面2a定向。

垂直于光束入射表面2a进入双折射偏振器元件1a的、未偏振或圆偏振的输入激光束3在相对于光束入射表面2a成夹角地倾斜的光束出射表面2b被分裂为相互垂直(分别为s偏振和p偏振)的两个子光束5a、5b，即它们具有两种不同偏振状态之一。在图1a中，按惯例，s偏振的子光束5a用点标识，而p偏振的第二子光束5b用双向箭头标识。s偏振的第一子光束5a在从双折射偏振器元件1a射出时被折射的程度小于p偏振的第二子光束5b，其结果是，在第一子光束5a与第二子光束5b之间出现角度错开Δα。在这种情况下，第一子光束5a与第二子光束5b在光束出射表面2b处的相同位置处从双折射偏振器元件1a射出，也就是说，在两个子光束5a、5b之间产生了角度错开Δα，但是没有位置错开。

在图1b所示的偏振器元件1b的情况下，光束入射表面2a和光束出射表面2b彼此平行地定向，并且晶体材料的光轴4相对于光束入射表面2a以45°角度定向。在这种情况下，垂直照射到光束入射表面2a的输入光束3在光束入射表面2a处被分裂为寻常光线形式的第一子光束5a和非寻常光线形式的第二子光束5b。两个子光束5a、5b在光束出射表面2b处平行射出，即没有角度错开，但是有位置错开Δx。

因此，图1a和图1b所展示的两个双折射偏振器元件1a、1b的根本区别在于，图1a所示的偏振器元件1a产生角度错开Δα(没有位置错开)，而图1b所示的偏振器元件1b产生位置错开Δx(没有角度错开)。不言而喻，例如，图1a所展示的楔形偏振器元件1a也可以被配置成产生位置错开Δx与角度错开Δα两者，就像通常包括两个双折射光学元件的常规棱镜偏振器那样。

图2a至图2c各自示出了双折射聚焦透镜元件6形式的偏振器元件，经准直的输入激光束3照射到所述偏振器元件上。输入激光束3在双折射透镜元件6处被分裂为两个子光束5a、5b，这两个子光束彼此垂直(分别为s偏振和p偏振)。在图2a所示的示例中，s偏振的第一子光束5a在从双折射透镜元件6射出时被折射的程度大于p偏振的第二子光束5b，其结果是，在第一子光束5a的聚焦区8a与第二子光束5a、5b的聚焦区8b之间产生纵向(位置)错开Δz。两个聚焦区8a、8b在图2a至图2c中以点状方式展示以便简化图示，但是在纵向方向(Z方向)上重叠。像偏振器元件1a、1b一样，双折射透镜元件6由双折射晶体形成。

如同在图2a中那样，在图2b中，双折射聚焦透镜元件6将输入激光束3分裂为两个子光束5a、5b。在双折射透镜元件6处被程度较大地折射的第一子光束5a在另外的非双折射透镜元件7处被折射的程度小于第二子光束5b，因此，在两个聚焦区8a、8b之间同样产生纵向错开Δz。然而，在图2b所展示的示例的情况下，第一子光束5a的聚焦区8a在纵向方向Z上比第二子光束5b的聚焦区8b更远离双折射透镜元件4。

在图2c所示的示例的情况下，图1a的楔形双折射偏振器元件1a在输入激光束3的光束路径中直接布置在双折射透镜元件6的下游。通过楔形偏振器元件1a产生两个子光束5a、5b的聚焦区8a、8b的附加横向错开Δx。

图2a至图2c所示的透镜元件6、7以及楔形偏振器元件1a是加工光具10的一部分，该加工光具还包括衍射分束器光具9。加工光具10是激光加工设备13的一部分，该激光加工设备另外包括超短脉冲激光源形式的激光源11。激光源11产生激光束12，该激光束在所示出的示例中具有高斯光束轮廓，并且进入加工光具10。在衍射分束器光具9处，激光束12被分裂为多个光线束，这些光线束例如彼此平行地定向，并且形成用于双折射透镜元件7的相应输入激光束3。为了简化图示，在图2a至图2c中仅示出了单一输入激光束3，所述输入激光束被分裂为两个子光束5a、5b。

在图2a所示的示例的情况下，衍射分束器光具9布置在双折射透镜元件6上游并且与其相隔入射侧焦距f'的距离。在这种情况下，双折射透镜元件6形成加工光具10的聚焦光具，并且将子光束5a、5b大致聚焦在其出射侧焦距f的距离处。相比之下，在图2b、图2c所示的示例的情况下，聚焦基本上由该另外的非双折射透镜元件7实现。正如图2c所示的楔形偏振器元件1a一样，双折射透镜元件6布置在离该另外的透镜元件7大致为入射侧焦距f'的距离处，所述另外的透镜元件具有比双折射透镜元件6高得多的折射能力，并且因此在下文中也被称为聚焦透镜或聚焦光具。原则上，双折射透镜元件6、楔形偏振器元件1a和衍射分束器元件9在光束路径中的布置次序是任意的，但是在图2c所示的示例的情况下，它们典型地应大致布置在距聚焦透镜7为入射侧焦距f'的距离处。

借助于图2a至图2c所示的加工光具10或者说激光加工设备13，两个子光束5a、5b可以聚焦到至少部分重叠的、相邻的两个聚焦区8a、8b中。分束器光具9可以产生多个输入激光束3，并且这些输入激光束在偏振器元件1a、6处被分裂为多对子光束5a、5b，并且被聚焦到对应的成对聚焦区8a、8b中。以这种方式，可以由部分重叠的聚焦区8a、8b形成用于工件加工的连贯相互作用区域，如下文进一步更详细地描述。

由于既产生聚焦区8a、8b的横向错开Δx又产生聚焦区8a、8b的纵向错开Δz是可能的，所以可以形成在空间或X-Z平面内绘出近似任意三维曲线的连贯相互作用区域。特别地，该连贯相互作用区域可以具有在纵向方向上相对于彼此错开Δz的多个聚焦区8a、8b或子区域，如下文进一步更详细地描述。

在下文的示例中，工件的激光加工是通过连贯相互作用区域沿着加工路径的移动来实现，即，通过形成烧蚀和/或调整区域的多个相互邻接的连贯相互作用区域的累积来实现。为了简化图示，在下文的示例中假设，为了连贯相互作用区域的移动，进行工件的直线进给。不言而喻，通常，加工路径的任何其他进给几何形状/路线都是可能的。特别地，此处不仅可以移动工件，还可以移动加工光具或布置有加工光具的激光加工头。

关于在进给方向上彼此衔接的调整区域/烧蚀区域，可以选择入射激光辐射的几何形状、例如激光辐射的光束截面的角度范围，以使得当调整区域/烧蚀区域在进给方向上排列时，先前引入的调整和/或先前加工过的烧蚀区域对后续调整/烧蚀区域的形成仅具有微不足道的影响。

图3a示出了激光去料过程形式的激光加工，其中在板状工件23的顶侧23A处，通过将多个子光束22聚焦到板状工件23的顶侧23A上而形成线形的连贯相互作用区域25，来执行工件材料的去料。在相互作用区域25中，子光束22被聚焦到的子区域25A(聚焦区)在XYZ坐标系的X方向上以交替的不同偏振状态(例如，分别为s和p)在彼此旁边排列，其中相邻的子区域25A部分地重叠。交替的偏振状态(例如，分别为s和p)在相互作用区域25内由亮区和暗区表示，并且避免了相邻子光束22的干涉。

在图3a中，子区域25A在Z方向上没有错开，该方向对应于激光辐射的传播方向(纵向方向)，即，子区域25A位于垂直于纵向方向Z定向的平面(焦平面)中。图3a所展示的箭头27阐明了相互作用区域25的横向于排列方向(X方向)的、呈工件23在Y方向上移位的形式的相对移动。在直线进给的情况下，激光加工产生了被去除的条带29，该被去除的条带具有连贯相互作用区域25的宽度和与子区域25A(即，聚焦区)中的子光束22的烧蚀功率相对应的深度。

图3b同样示出了激光去料过程形式的激光加工，其中从板状工件23'的顶侧23A去除材料。如同在图3a中那样，在图3b中，也出于此目的将多个子光束22'聚焦到板状工件23上，而形成连贯相互作用区域25。与图3a相反，子区域25A'不仅在横向方向(X方向)上错开，而且另外在纵向方向(Z方向)上错开，并且例如在图3b中以V形方式布置。工件23'在Y方向上(即，横向于通过相互作用区域25的V形轮廓张开的平面(图3b中的X-Z平面))的相对移动产生了具有连贯相互作用区域25的V形形状的去料切口31。在图3b所示的示例的情况下，直接相邻的子光束22'的交替偏振状态(再次由亮区和暗区表示)也产生不受相邻子光束22'的干涉的影响的均匀去料。为了产生图3b所展示的去料切口31，工件23'可以在多个相继的去料步骤中在Y方向上移位，其中在相继烧蚀步骤之间，具有V形轮廓的相互作用区域25在Z方向上移位，即，进一步朝工件23'下降。替代性地或附加地，V形相互作用区域25的几何形状可以在去料激光加工期间改变；举例来说，可以逐渐扩大V形相互作用区域25在纵向方向Z上的延伸尺度，即，V形相互作用区域25在相继的去料步骤中变得越来越尖。在图3a、图3b中以去料方式被加工的工件23、23'的材料可以是例如金属材料、玻璃材料等。

图4a示出了用于产生板状工件23”的材料的结构调整的激光加工，所述结构调整从工件23”的顶侧23A沿着入射激光辐射或者说子光束22”的传播方向(Z方向)延伸到(透明的)工件23”中。出于此目的，通过排列多个子光束22”的、在彼此旁边(在图4a中的Y方向上)延伸的、部分重叠的条形子区域25A”(聚焦区)来形成连贯相互作用区域25。如同在图3a中那样，子区域25A”在Z方向上没有错开。交替的偏振状态(分别为s和p)再次由亮区和暗区表示。举例来说，图4a示出了由施加给子光束22”的适当相位引起的四个条形子区域25A”，因此导致形成例如贝塞尔光束或反贝塞尔光束的条形聚焦区或者说子区域25A”。条形子区域25A”可以通过加工光具10的光束整形光具产生，该光束整形光具可以具有例如轴棱锥或衍射光学元件。关于这种光束整形光具的细节，可参考上文进一步引用的DE 10 2019 205394.7。为了也在工件23”的体积内产生结构调整，工件是由对激光束12或激光束12的波长透明/可透过的材料形成，在所示的示例中由玻璃形成。

在沿着排列方向(即，在Y方向上)相对移动的情况下，引起具有单个子区域25A”的宽度的窄条带33的材料调整。条带33在Z方向上的深度由条形聚焦区或子区域25A”的长度决定。如图4a中指示了用于加工的子光束22的光束截面的虚线半圆所展示的，子光束22优选被限制在前导角度部分或角度范围内，以使得在进给期间，不会由于已产生的调整而干扰激光束并且因此干扰相互作用。在所示出的示例中，工件23”的材料的结构调整引起了微裂纹的形成，这些微裂纹削弱了经调整的条带33内的玻璃材料。

图4b示出了工件23”如何部分地承放或放置在支撑件37上以及如何对工件23”的未承放侧施加力(箭头35)。在呈现了调整轮廓的经调整的条带33下方，形成贯穿工件23”的整个厚度的裂纹39，因此导致工件23”分离为两段。

图5a示出了板状工件57的(透明)材料中的连贯相互作用区域59的子区域59A的与直线形状不同的、弯的或弯曲的排列。如同在图4a、图4b中那样，通过连贯相互作用区域59产生材料调整，该连贯相互作用区域以弯曲方式延伸穿过工件57、从其顶侧57A延伸到其底侧57B。相互作用区域59的相邻的子区域或聚焦区59A部分重叠，以使得由于工件57和相互作用区域59的相对移动(箭头27)，在材料中形成呈调整平面61形式的连续/不间断的弯的调整轮廓。

图5b示出了在蚀刻池63(蚀刻浴)中的经调整的工件57，其中在所示出的示例中，在调整平面61的区域中，工件57的材料以蚀刻方式被去除。这导致工件57分离为两段，如同在图4a、图4b中那样。

在上文进一步描述的基于调整的分离方法的情况下，部段的分离可以直接自动发生或者在激光加工之后自动发生，或者可以通过进一步的过程来引发，例如通过结合图4a、图4b描述的机械分离过程、通过结合图5a、图5b描述的蚀刻过程或者通过图中未展示的热分离过程来引发。

除了上文进一步描述的去料或分离型激光加工之外，还可以借助于上文进一步描述的多斑布置或借助于(至少一个)连贯相互作用区域执行表面加工，即，激光辐射或激光加工设备13充当整形工具。举例来说，图6a示出了工件101的激光束入射侧加工，并且图6b示出了工件107的激光束出射侧加工。

在通过连贯相互作用区域(多斑布置)作为整形工具进行光束入射侧加工的情况下，主要考虑去料或局部调整方法。调整方法包含例如通过局部熔融和使用存在的表面张力来抛光。

图6a示出了在工件101上使用多斑激光整形切割进行激光入射侧烧蚀。工件101的顶侧102可选地在第一加工步骤中被粗略地预结构化。这可以例如通过精度降低的、优化生产率的激光加工过程来完成，并产生粗略结构化的表面102A，该表面旨在借助于激光整形工具或通过激光加工被转换成所寻求的自由形式的表面102B。将适应于所寻求的自由形式的表面102B的、呈连贯相互作用区域103形式的多斑聚焦曲线或聚焦线引入到该粗略结构化的顶侧102A上方的正确位置处，并降低到后者上(箭头105A)，以便在(弯曲的)聚焦线103的区域中去除工件101的材料。正如上文进一步所述，聚焦线103的点或圆阐明了在彼此旁边且具有不同偏振分量的子区域，其结果是避免了相邻的子区域之间的干涉。

降低之后进行多斑聚焦曲线或相互作用区域103与工件101之间的相对移动(箭头105B)，结果，顶侧102的表面102A获得期望的形状。此外，表面102B的粗糙度的降低可以可选地通过多斑聚焦曲线103的焦斑在聚焦线方向上的错开(箭头105C)来实现(例如，经SLM(“空间光调制器”)控制的)。替代性地或附加地，多斑聚焦曲线或相互作用区域103整体可以围绕工件101旋转，以便在小角度范围内降低粗糙度。此外，可以在加工过程中调适过程参数，以便在激光铣削或去料步骤之后例如获得与磨削(较精细的聚焦线)并随后抛光(局部熔融)相当的表面品质。

图6b示出了使用多斑激光整形切割来对工件107进行激光出射侧加工，即，在其底侧108处进行。加工步骤基本上类似于图6a所展示的加工过程(激光出射侧表面108A的粗略结构化、形成对应于所寻求的自由形式表面108B的多斑聚焦线或多斑聚焦曲线109、升高该多斑聚焦曲线109或必要时降低工件107(箭头105A')、进行多斑聚焦曲线109与工件107之间的相对移动(箭头105B')、可选地降低粗糙度(箭头105C'))。工件107的激光出射侧(底侧108)的加工的先决条件是工件107的透明度以及工件107的入射侧(顶侧102)和体积的对应光学品质，以便激光辐射的能量可以穿过该入射表面和体积直到工件107的激光出射侧108A。

通常，在这些条件下，在出射侧，可以使用激光整形工具实现类似于入射侧的加工过程，其中在光束整形方面可以考虑工件107的体积和入射表面的其余的影响传播的特性。在使用以激光整形工具实施的、设计用于高去料速率的背侧去料加工方法的情况下，有利的是，与入射侧加工不同，去料产物不会影响光束传播到加工区。

应补充说明的是，在激光加工期间，也可以同时产生多个连贯相互作用区域，这些相互作用区域分别彼此间隔开。例如，可以同时形成由于相同的相对移动而平行延伸的多个材料调整(例如，出于标记工件的目的，是在工件内)或烧蚀区域。

烧蚀或调整几何形状由激光束或子光束22、22'、22”的光束整形来决定。相邻的聚焦区或作用区域25A、25A'、25A”内的空间梯度可以通过合适的光学系统或加工光具来产生。时间梯度的产生可以通过脉冲组的形成或超短脉冲激光束12的脉冲成形来进行。为了快速加工，可以同时仅用单一激光脉冲/单一激光脉冲组产生单一烧蚀或调整几何形状，以使得在这种情况下仅移动经过工件上的位置一次。

Claims (23)

1.一种用于工件(23，23'，23”，57，101，107)的激光加工的方法，该方法包括：

将激光束(12，3)分裂为多个子光束(22，22'，22”，5a，5b)，所述多个子光束分别具有两种不同偏振状态(s，p)之一，

通过将该多个子光束(22，22'，22”)聚焦在线形的连贯相互作用区域(25，59，103，109)的至少部分重叠的多个子区域(25A，25A'，25A”，59A)中来加工该工件(23，23'，23”，59，101，107)，其中，除了相互作用区域的两端处的子区域之外，每个子区域恰好邻接两个相邻子区域，并且与这两个相邻子区域部分重叠，其中，所述连贯相互作用区域(25，59，103，109)的至少两个子区域(25A'，59A)在纵向方向(Z)上相对于彼此错开，所述连贯相互作用区域的子区域具有附加的在横向方向上的错开，其中，各自具有不同偏振状态(s，p)的子光束(22，22'，22”)被聚焦到该连贯相互作用区域(25，59，103，109)的相邻的子区域(25A，25A'，25A”，59A)中，以消除具有相同偏振状态的子光束的干涉效应。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该激光束(3)在分裂为该多个子光束(22、22'、22”、5a、5b)的情况下穿过分束器光具(9)和至少一个偏振器元件(6、1a)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在该激光束(3)在至少一个双折射偏振器元件(1a，1b)分裂的情况下，在具有不同偏振状态(s，p)的两个子光束(22，22'，22”，5a，5b)之间产生了横向错开(Δx)和/或角度错开(Δα)，这两个子光束是被聚焦到该连贯相互作用区域(25，59，103，109)的相的邻子区域(25A，25A'，25A”，59A)中的两个子光束。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，在该激光束(3)在至少一个双折射偏振器元件分裂的情况下，在具有不同偏振状态(s，p)的两个子光束(22，22'，22”，5a，5b)之间产生了纵向错开(Δz)，这两个子光束是被聚焦到该连贯相互作用区域(25，59，103，109)的相邻的子区域(25A，25A'，25A”，59A)中的两个子光束。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中，在该激光加工期间，使该连贯相互作用区域(25，59，103，109)和该工件(23，57，101，107)相对于彼此运动。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中，该相互作用区域形成了用于去除该工件(23，23'，101，107)的材料的烧蚀区域(25，103，109)。

7.如权利要求6所述的方法，其中，该烧蚀区域(25，103)形成在该工件(23，23'，101)的入射侧表面(23A，102)或该工件(107)的出射侧表面(108)。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中，该相互作用区域形成了用于该工件(23”，59)的材料的结构调整的调整区域(25，59)。

9.如权利要求8所述的方法，其中，该工件(23”，57)在该结构调整之后沿着在该激光加工期间在该工件(23”，57)的体积中形成的调整轮廓(33，61)被分离。

10.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述激光束是脉冲式的激光束。

11.如权利要求2所述的方法，其中，所述分束器光具是衍射的分束器光具，所述偏振器元件是双折射的偏振器元件。

12.如权利要求4所述的方法，其中，所述双折射偏振器元件是双折射透镜元件(6)。

13.如权利要求5所述的方法，其中，该运动沿着进给方向(27，105B，105B')进行。

14.如权利要求7所述的方法，其中，在该激光加工期间，在该入射侧表面或出射侧表面(102，108)产生了预给定的表面形状(102B，108B)。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述表面形状是三维的表面形状。

16.如权利要求8所述的方法，其中，该工件(23”，57)由对该激光束(3)透明的材料组成。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述材料是玻璃。

18.如权利要求9所述的方法，其中，该分离通过机械分离过程、热分离过程或通过蚀刻过程来实现。

19.一种用于按权利要求1至18中任一项所述的方法激光加工工件(23，57，101，107)的加工光具(10)，该加工光具包括：

分束器光具(9)和至少一个偏振器元件(6，1a，1b)，用于将激光束(12，3)分裂为多个子光束(22，22'，22”，5a，5b)，所述多个子光束分别具有两种不同偏振状态(s，p)之一，以及

聚焦光具(6，7)，用于将该多个子光束(22，22'，22”)聚焦在连贯相互作用区域(25，59，103，109)的至少部分重叠的多个子区域(25A，25A'，25A”，59A)中，其中该加工光具(10)被配置成将各自具有不同偏振状态(s，p)的子光束(22，22'，22”，5a，5b)聚焦到该连贯相互作用区域(25，59，103，109)的相邻的子区域(25A，25A'，25A”，59A)中。

20.如权利要求19所述的加工光具，该加工光具具有用于在具有不同偏振状态(s，p)的两个子光束(22，22'，22”)之间产生横向错开(Δx)和/或角度错开(Δα)的至少一个双折射偏振器元件(1a，1b)。

21.如权利要求19或20所述的加工光具，该加工光具具有用于在具有不同偏振状态(s，p)的两个子光束(22，22'，22”)之间产生纵向错开(Δz)的至少一个双折射偏振器元件。

22.一种激光加工设备(13)，该激光加工设备包括：

如权利要求19至21中任一项所述的加工光具(10)，以及

激光源，该激光源用于产生激光束(12)。

23.根据权利要求22所述的激光加工设备(13)，其中，所述激光源是超短脉冲激光源(11)，该激光源用于产生具有高斯形光束轮廓的激光束(12)。