CN116033994A - 对具有弯曲的表面的工件进行激光加工 - Google Patents

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Abstract

披露了一种用于借助激光束(3)对工件(9)进行材料加工的方法，其中工件(9)包括对激光束(3)在很大程度上透明的材料并且具有弯曲的表面(9A)。该方法包括以下步骤：对激光束(3)进行射束成形(步骤101)，以便在工件(9)的材料中形成细长的聚焦区域(7)，其中，射束成形是通过衍射光学器件和/或折射光学器件的布置执行的，并且包括：‑形成聚焦的射束成形(步骤101A)，该形成聚焦的射束成形使射束部分(3A)以相对于该激光束(3)的射束轴(5)的进入角(δ')进入，以通过干涉在该工件(9)中形成沿着该射束轴(5)的该细长的聚焦区域(7)，以及‑校正相位的射束成形(步骤101B)，该校正相位的射束成形抵消由该激光束(3)进入该工件(9)中产生的干涉的影响，以及如此调设(步骤105)该激光束(3)的射束参数，使得该工件(9)的材料在该细长的聚焦区域(7)中被修改。

Description

对具有弯曲的表面的工件进行激光加工
技术领域
本发明涉及一种用于借助激光束对具有弯曲的表面的工件(比如玻璃管或玻璃柱)进行材料加工的方法。此外，本发明涉及一种光学系统和一种包括光学系统的激光加工设备。
背景技术
在对激光辐射基本上透明并且在本文中被称为透明材料的材料进行激光加工期间，激光辐射可以用于在材料中产生修改(Modifikation)。在透明材料的情况下，在材料的体积中发生的激光辐射的吸收(简称体积吸收)可以实现材料的结构的细长的(langgezogene)修改。材料的结构中的修改可以例如用于钻孔、用于通过所引发的应力进行分离、用于实现折射性能的修改、或用于选择性激光蚀刻。在这方面，例如参见申请人的申请WO 2016/079062 A1、WO 2016/079063 A1和WO 2016/079275 A1。
在这方面，例如，用于分离玻璃的基于超短脉冲激光的玻璃修改过程通常以比如在非衍射射束中存在的细长的聚焦分布进行。这种细长的聚焦分布例如由于从外部进入的射束部分的干涉而形成，并且可以在材料中形成细长的修改，如例如类贝塞尔射束就是这种情况。
例如在引用的WO 2016/079275 A1中描述了射束成形元件和光学装置，利用该射束成形元件和光学装置可以提供在射束传播方向上是细长的并且具有高纵横比的细射束轮廓以用于激光加工。
发明内容
本披露内容的一个方面基于的目的是，实现利用细长的聚焦区域对具有弯曲的表面的工件进行激光加工(比如对玻璃管或玻璃柱进行激光加工)。尤其，比如已经为平面工件的激光加工而开发的射束成形方法应变得也可用于具有弯曲的表面的工件。本披露内容的在另一方面中基于说明如下方法的目的，通过该方法可以将经激光加工的本体/空心本体分离成两个部分。
这些目的中的至少一个是通过根据权利要求1所述的用于对工件进行材料加工的方法、根据权利要求16所述的光学系统以及通过根据权利要求21所述的激光加工设备来实现的。从属权利要求中说明了扩展方案。
一个方面披露了使用脉冲激光束、特别是使用超短激光脉冲对工件进行材料加工的方法，其中，工件包括对激光束在很大程度上透明的材料并且具有弯曲的表面。该方法包括以下步骤：
对激光束进行射束成形，以便在工件的材料中形成细长的聚焦区域(尤其是在传播方向上/沿射束轴细长的)，其中射束成形是通过衍射光学器件、反射光学器件和/或折射光学器件的布置执行的。射束成形包括：
-形成聚焦的射束成形，该形成聚焦的射束成形使射束部分以相对于激光束的射束轴的进入角进入，以通过干涉在工件中形成沿着射束轴的细长的聚焦区域，以及
-校正相位的射束成形，该校正相位的射束成形抵消由激光束进入工件中产生的干涉的影响，以及
调设激光束的射束参数，其方式为使得工件的材料在细长的聚焦区域中被修改。
在另一方面中披露了用于对脉冲激光束、特别是超短激光脉冲进行射束成形以用于在具有弯曲的表面的工件中形成聚焦区域的光学系统，其中聚焦区域以沿激光束的射束轴细长的方式形成。光学系统包括聚焦形成光学器件，该聚焦形成光学器件使射束部分以相对于激光束的射束轴的进入角进入，以通过干涉在工件中实现沿着射束轴的细长的聚焦区域。抵消由激光束进入工件中产生的干涉的影响的相位校正通过相位校正光学器件提供或集成到聚焦形成光学器件中。换言之，光学系统包括相位校正光学器件，该相位校正光学器件实现抵消由激光束进入工件中产生的干涉的影响的相位校正，或者这种相位校正被集成到聚焦形成光学器件中。
在另一方面中披露了一种激光加工设备，该激光加工设备用于借助脉冲激光束、特别是使用超短激光脉冲通过在激光束的聚焦区域中对工件的材料进行修改来对工件进行加工，其中聚焦区域沿着激光束的射束轴以细长的方式形成，并且工件包括对激光束在很大程度上透明的材料并具有弯曲的表面。激光加工设备包括输出激光束的激光束源、如上所述的光学系统和用于支承工件的工件保持件。
在该方法的一些扩展方案中，弯曲的表面可以在一个方向上弯曲，并且对激光束进行射束成形可以包括在激光束上施加至少一个二维相位分布，以便在工件的材料中形成细长的聚焦区域，其中，至少一个相位分布可以包括
-用于形成聚焦的射束成形的第一相位贡献，这些第一相位贡献使射束部分以进入角进入(并且特别是产生非衍射射束，以在工件中形成沿射束轴的细长的聚焦区域)，以及
-用于校正相位的射束成形的第二相位贡献，这些第二相位贡献中和(aufheben)由激光束在进入工件时局部累积的进入相位。
在该方法的一些扩展方案中，可以针对在射束轴在表面上的照射点处的、射束轴的沿表面的法线方向的定向来确定局部累积的进入相位，并且可以考虑到进入角、表面在照射点处的曲率半径以及-工件的折射率。
通常，照射点在本文中被理解为是指激光束的光轴与工件(例如待加工的衬底)之间的交点。
在该方法的一些扩展方案中，第二相位贡献可以形成相对于对称轴轴对称的相位分布，其中第二相位贡献平行于对称轴是恒定的并且垂直于对称轴变化。该方法还可以具有以下步骤：
将轴对称的相位分布和工件相对于彼此定向，其方式为使得考虑到在施加轴对称的相位分布的位置与工件之间的射束路径的情况下对称轴相对于定义表面的曲率半径的平面正交地延伸。
在该方法的一些扩展方案中，可以通过衍射光学射束成形元件将第一相位贡献和/或第二相位贡献施加到激光束的横向射束轮廓上，其中衍射光学射束成形元件具有相互邻接的面元件，这些面元件构建平面光栅结构，在该平面光栅结构中，每个面元件被分配相移值，并且其中这些相移值实现第一相位贡献和/或第二相位贡献。
在一些扩展方案中，该方法还可以包括以下步骤：
沿着光学系统的射束路径将激光束辐射到表面上，该光学系统将激光束成像到工件的材料中，以便形成细长的聚焦区域，和/或
相对于表面的法线方向定向激光束的射束轴，其方式为使得射束轴在围绕法线方向5°的角度范围内、优选沿着法线方向照射在表面上。
在该方法的一些扩展方案中，校正相位的射束成形可以通过位于光学器件的前方或后方的柱透镜产生，该光学器件在激光束的射束路径中实现形成聚焦的射束成形。柱透镜可以具有与工件的表面的曲率半径相匹配的曲率半径。
如果考虑到在执行用于材料加工的方法时，细长的聚焦区域已经在工件的进入表面的前方(Δz大于0)开始，或者细长的聚焦区域的起点落在工件中(Δz小于0)，则这得到柱透镜的表面的曲率半径的以下近似定义，其对应于以下每种情况下针对Δz＝0呈现的条件：
实施方式Δz≥0(其中参数a＝5060mm-2并且b＝9645mm-1)：
Figure BDA0004113245510000041
实施方式Δz≤0(其中参数c＝284mm-1并且d＝590)：
Figure BDA0004113245510000042
在每种情况下其中
Rz是柱透镜的曲率半径/圆柱半径，
nz是柱透镜的折射率，
Rw是表面的曲率半径/外半径Ra，
nw是工件的材料的折射率，以及
M是形成聚焦的射束成形的位置与工件之间的射束路径的成像因子。
在z＝0的特殊情况下，柱透镜可以具有与工件的表面曲率半径相匹配的曲率半径，其方式为使得以下成立：
Figure BDA0004113245510000043
再次其中
Rz是柱透镜的曲率半径/圆柱半径，
nz是柱透镜的折射率，
Rw是表面的曲率半径/外半径Ra，
nw是工件的材料的折射率，以及
M是形成聚焦的射束成形的位置与工件之间的射束路径的成像因子。
柱透镜的表面的曲率半径Rz的上述表示对于如下实施方式成立，在该实施方式中，当执行用于材料加工的方法时，细长的聚焦区域的起点与工件的进入表面重合。换言之，细长的聚焦区域的起点相对于进入表面没有位移Δz(Δz＝0)。在这种特殊情况下，(成像的)轴锥镜尖端实际上位于工件的表面上。
然而，直接跟随尖端的非衍射射束还没有高强度并且不可能从上侧连续加工工件直到后侧。反而，例如，(成像的)轴锥镜尖端可以放置在表面的前方100μm至200μm(Δz在100μm至200μm的范围内，即Δz>0)。相应地，有必要使用基于参数a、b的柱透镜的曲率半径的估计。
在该方法的一些扩展方案中，通过在输出激光束的横向射束轮廓上施加二维相位分布来对激光束进行射束成形可以通过以下元件执行：
-衍射光学射束成形元件，该衍射光学射束成形元件具有二维布置中固定调设或可调设的相位值；或者
-柱透镜与轴锥镜的组合；或者
-柱透镜与衍射光学射束成形元件的组合，该衍射光学射束成形元件具有二维布置中固定调设或可调设的相位值、构造用于施加实现非衍射光学射束的相位分布、特别是类贝塞尔射束的相位分布，以用于形成细长的聚焦区域。
在该方法的一些扩展方案中，对激光束进行射束成形可以借助单个光学器件执行，单个光学器件构造为折射自由形状光学元件(Freiformoptikelement)或构造为混合光学元件、特别是由输入侧柱透镜和输出侧轴锥镜组成的光学单元的。
在一些扩展方案中，该方法还可以包括以下步骤：
在工件与聚焦区域之间实现相对运动，在该相对运动的情况下，聚焦区域沿着扫描轨迹定位在工件的材料中，使得多个修改沿着扫描轨迹写入工件的材料中。
在这种情况下，工件可以构造为管、柱或者管或柱的一部分，比如半管或半柱，并且该相对运动可以包括工件的旋转运动。激光束的射束轴尤其可以延伸通过工件的纵轴。此外，在围绕工件的纵轴的纯旋转运动的情况下，激光束的扫描轨迹可以在工件的表面的最大曲率的平面中延伸。替代性地或补充地，在工件的纵轴的方向上的平移运动可以是附加地或区段式地实现的。
在一些扩展方案中，扫描轨迹可以是用于将工件沿着工件的纵轴划分成两个部分的外轮廓。替代性地，扫描轨迹可以构造为工件的表面上的闭合内轮廓，用于释放
Figure BDA0004113245510000061
由内轮廓界定的区域。
在一些扩展方案中，该方法还可以包括以下步骤：
监测工件的表面沿射束轴的位置并将该位置调节到目标位置。
在这种情况下，监测和调节可以特别是在以下情况进行：旋转运动的情况下旋转轴偏离工件的表面的旋转对称轴，和/或工件的表面至少区段式地偏离旋转对称的表面变化过程。
在一些扩展方案中，该方法还可以包括使校正相位的射束成形匹配弯曲的表面的曲率沿着激光束的扫描轨迹的变化。举例来说，用于匹配校正相位的射束成形的控制信号可以基于沿轨迹对弯曲的表面的曲率的先前测量和/或基于在工件与聚焦区域之间的相对运动期间沿着扫描轨迹对弯曲的表面的曲率的在线测量推导得出。然后可以将控制信号输出到可调设的射束成形元件，比如输出到空间光调制器或可变形反射镜，以便匹配第二相位贡献以用于校正相位的射束成形。
在一些扩展方案中，光学系统可以设置用于在激光束上施加二维相位分布并将激光束输出为对非衍射射束成形的激光束、尤其是真实或虚拟类贝塞尔激光束，其中聚焦形成光学器件可以产生相位分布的第一相位贡献，并且相位校正光学器件或相位校正可以产生相位分布的第二相位贡献，这些第二相位贡献中和由激光束在进入工件时局部累积的进入相位。
在光学系统的一些扩展方案中，用于二维相位分布的相位施加的聚焦形成光学器件和/或相位校正光学器件可以构造为设置用于在激光束的横向射束轮廓上施加第一相位贡献和/或第二相位贡献的衍射光学射束成形元件。衍射光学射束成形元件可以具有相互邻接的面元件，这些面元件构建平面光栅结构，在该平面光栅结构中，每个面元件被分配相移值，并且其中这些相移值实现第一相位贡献和/或第二相位贡献。替代性地或附加地，聚焦形成光学器件可以构造为轴锥镜，该轴锥镜产生聚焦形成相位贡献。此外，替代性地或附加地，相位校正光学器件可以构造为柱透镜，该柱透镜产生第二相位贡献并且定位在激光束的射束路径中的聚焦形成光学器件的紧邻的前方或后方。替代性地或附加地，聚焦形成光学器件可以构造为折射自由形状元件，该折射自由形状元件产生第一相位贡献和第二相位贡献。替代性地或附加地，聚焦形成光学器件和相位校正光学器件可以构造为混合光学器件，该混合光学器件产生第一相位贡献和第二相位贡献并且尤其构造为输入侧柱透镜和输出侧轴锥镜的组合。
在光学系统的一些扩展方案中，用于二维相位分布的相位施加的相位校正光学器件可以构造为在二维相位分布方面能够调设的光学元件。举例来说，它可以构造为衍射光学射束成形元件、比如空间光调制器或可变形柱面反射镜。此外，能够调设的光学元件可以构造用于在弯曲的表面的待校正的曲率发生变化的情况下根据控制信号匹配相位校正。
在一些扩展方案中，光学系统还可以包括：
用于缩小分配给聚焦形成光学器件的真实或虚拟聚焦区域的望远镜布置，和/或
设置用于确定工件的表面沿射束轴的位置的距离传感器。
在激光加工设备的一些扩展方案中，光学系统和/或工件保持件可以设置用于：
-相对于表面的法线方向定向激光束的射束轴，其方式为使得射束轴在围绕法线方向的5°的角度范围内、优选地沿着法线方向照射在表面上，和/或
-在工件与聚焦区域之间实现相对运动，在该相对运动的情况下，聚焦区域沿着扫描轨迹定位在工件的材料中，其中射束轴相对于法线方向的定向匹配表面的路线。
在一些扩展方案中，激光加工设备还具有
距离传感器，该距离传感器被布置和设计用于确定工件的表面沿射束轴的位置，以及
控制装置，该控制装置设置用于通过距离传感器监测工件的表面沿射束轴的位置并将该位置调节到目标位置。
在激光加工设备的一些扩展方案中，光学系统可以具有用于二维相位分布的相位施加的相位校正光学器件，该相位校正光学器件构造为在二维相位分布中是能够调设的。为此，激光加工设备还可以包括控制装置，该控制装置设置用于向能够调设的光学元件输出控制信号，该控制信号使二维相位分布匹配工件的弯曲的表面的待校正的曲率。该控制信号可以由控制单元尤其基于沿扫描轨迹对弯曲的表面的曲率的先前测量或基于在工件与聚焦区域之间的相对运动期间沿着扫描轨迹对弯曲的表面的曲率的在线测量提供、特别是推导得出。
在一些扩展方案中，激光加工设备还可以具有距离传感器，该距离传感器被布置和设计用于确定工件的表面沿射束轴的位置。此外，激光加工设备可以具有控制装置，该控制装置设置用于通过距离传感器监测工件的表面沿射束轴的位置并将该位置调节到目标位置。
总而言之，可以根据本文披露的构思实现用于对具有弯曲的表面的透明材料进行激光加工的过程。基本的光学构思允许例如在从几10μm到几毫米的细长的聚焦区域中对具有小于15mm的半径(例如具有几毫米的半径，比如5mm)的玻璃管进行加工。
本文的基本构思涉及形成聚焦的射束成形，该形成聚焦的射束成形实现射束部分相对于激光束的射束轴成进入角的进入，以通过干涉在工件中构造沿着射束轴的细长的聚焦区域。换言之，形成聚焦的射束成形涉及产生非衍射射束的射束成形，以用于在工件中构造沿射束轴的细长的聚焦区域。
附图说明
此处披露的构思允许至少部分改进现有技术的各个方面。特别是，其他特征和它们的符合目的性将从以下基于图的实施方式的描述中产生。附图示出：
图1示出了用于阐明与高斯射束相比的非衍射射束的图像，
图2示出了用于材料加工的激光加工设备的示意图，
图3A和图3B示出了用于射束成形以用于激光加工的光学系统的示意图，
图4A和图4B示出了用于阐明弯曲的表面对贝塞尔射束聚焦区域的形成的影响的示意图，
图5A和图5B示出了被模拟以进入平面工件或相对于工件的弯曲的表面进行校正的贝塞尔射束聚焦区域的强度变化过程，
图6A和图6B示出了没有相对于弯曲的表面进行校正的贝塞尔射束聚焦区域的强度变化过程，
图7示出了柱透镜的曲率半径对聚焦区域的起点从工件表面的位移的示例性相关性的图形表示，
图8A至图8F示出了用于形成聚焦的射束成形和校正相位的射束成形的相位分布以及组合它们的相位分布，
图9示出了用于阐明用于对具有弯曲的表面的工件进行材料加工的示例性方法的流程图，
图10示出了用于阐明用于对修改的工件进行分离的示例性方法的流程图，
图11示出了用于阐明用于对用不对称地形成的修改进行修改的工件进行分离的示例性方法的流程图，以及
图12A和图12B示出了具有切出的内轮廓的示例性工件。
具体实施方式
本文描述的方面尤其涉及在材料加工期间应用非衍射射束。非衍射射束可以由满足亥姆霍兹方程的波场形成
Figure BDA0004113245510000091
并且具有在横向(即在x方向和y方向上)相关性和纵向(即在z方向/传播方向上)相关性方面的清晰的可分离性，其形式为
U(x，y，z)＝Ut(x，y)exp(lkzz)  (方程2)。
在这种情况下，k＝ω/c是具有其纵向/轴向和横向分量的波矢量
Figure BDA0004113245510000092
并且Ut(x，y)是仅取决于横向坐标x和y的任意复值函数。由于方程2中的z相关性具有纯相位调制，因此求解方程2的函数的强度I(x，y，z)是传播不变的，并且被称为“非衍射”：
I(x，y，z)＝|U(x，y，z)|2＝I(x，y，0)  (方程3)
这种方法为不同坐标系中的亥姆霍兹方程提供了不同类别的解，例如椭圆柱坐标中的所谓的马丢(Mathieu)射束或圆柱坐标中的所谓的贝塞尔射束。
在这方面，也参见J.Turunen和A.T.Friberg的《Propagation-invariant opticalfields》，光学进展，54，1-88，Elsevier(2010)和M.Woerdemann，的《Structured LightFields:Applications in Optical Trapping,Manipulation,and Organisation》，斯普林格科学与商业媒体(2012)。
可以以良好近似实现大量类型的非衍射射束。为了简单起见，所实现的这些非衍射射束在本文中将被进一步称为“有限定界的非衍射射束”、“非衍射射束”，或称为“准非衍射射束”。与理论构造相比，这些非衍射射束具有有限的功率。分配给这些非衍射射束的传播不变性的长度L同样也是有限的。
图1示出了与常规高斯聚焦的强度表示(参见图1中图像(a)中高斯聚焦的传播性能)相比的基于图像(b)和(c)中的强度表示的非衍射射束的传播性能。图像(a)、(b)和(c)各自示出了穿过在z方向上传播的高斯射束和非衍射射束的聚焦的纵向截面(x-z平面)和横向截面(x-y平面)。
图像(b)举例来说涉及旋转对称的非衍射射束，这里是贝塞尔-高斯射束。图像(c)举例来说涉及非不对称非衍射射束。对于贝塞尔-高斯射束，图1中的图像(d)和(e)还示出了中心强度最大值的细节。在这方面，图1中的图像(d)示出了横向截面(X-Y平面)中的强度变化过程和X方向上的横向强度变化过程。图1中的图像(e)示出了传播方向上的截面中的中心强度最大值的细节。
为了比较定义高斯聚焦的聚焦直径
Figure BDA0004113245510000101
其中，高斯聚焦通过二阶矩定义。此外，相关联的特征长度通过瑞利长度
Figure BDA0004113245510000102
定义，该瑞利长度被定义为从聚焦位置开始、射束横截面已经增加至2倍的距离。此外，对于准非衍射射束，横向聚焦直径
Figure BDA0004113245510000103
被定义为局部强度最大值的横向尺寸，横向聚焦直径
Figure BDA0004113245510000104
由直接相邻的相对置强度最小值(例如25％的强度降低)之间的最短距离给出。在这方面，参见例如图1中的图像(b)和(d)。几乎传播不变的强度最大值的纵向延伸尺度(Ausdehnung)可以被视为准非衍射射束的特征长度L。它是通过从局部强度最大值开始在各自情况下在正和负z方向上降低到50％的强度定义的，参见图1中的图像(c)和(e)。
本文中，如果对于类似的横向尺寸，例如
Figure BDA0004113245510000111
非衍射射束的特征长度L明显超过相关联的高斯聚焦的瑞利长度，特别是如果L＞10zR，则假定是非衍射射束。
(准)贝塞尔射束，也称为类贝塞尔射束，是一类(准)非衍射射束的示例。在这种射束的情况下，光轴附近的横向场分布Ut(x，y)服从第一类n阶贝塞尔函数的良好近似。这类射束的子集是所谓的贝塞尔-高斯射束，该贝塞尔-高斯射束由于其简单的可产生性而被广泛使用。例如通过用准直的高斯射束照射折射型、衍射型或反射型的轴锥镜，贝塞尔-高斯射束可以被整形。此处，相关联的细长的聚焦区域的区域中的光轴附近的相关联的横向场分布服从由高斯分布包络的第一类0阶贝塞尔函数(良好近似)的良好近似，参见图1中的图像(d)和(e)，所示的强度变化过程对应于贝塞尔函数的绝对值的平方(良好近似)。
可以用于加工透明材料的典型贝塞尔-高斯射束的在光轴上的中心强度最大值的直径为
Figure BDA0004113245510000112
相关的长度L可以容易地超过1mm，参见图1中的图像(b)。相比之下，高斯射束的聚焦(其中
Figure BDA0004113245510000113
)的特征在于在空气中的焦距在波长λ为1μm处恰好为zR≈5μm，参见图1中的图像(a)。在与材料加工相关的这些情况下，相应地,以下对于相关联的长度L甚至成立：L＞＞10ZR，例如瑞利长度的100倍或更多倍或甚至500倍或更多倍。
本文描述的方面部分基于这样的认识，即如果打算使用非衍射射束(其例如构造在贝塞尔-高斯射束的基于干涉的聚焦区域中)加工具有弯曲的表面的工件，则弯曲的表面可以影响非衍射射束(潜在干涉)的构造。相应地，射束成形、比如用于加工平面工件的射束成形不再目标适用。如果曲率不是旋转对称的，而是一维地实施的，如在待加工的由例如玻璃或透明陶瓷构成的管或柱的情况下，情况尤其如此。
此外已经认识到，可以在加工步骤中补偿非衍射射束的这种影响，使得然后甚至为平面工件开发的射束成形构思或射束成形部件也可以用于构造例如具有特定相位施加的非衍射射束。
换言之，发明人已经认识到，弯曲的表面导致激光辐射的传播时的像差并且不再构造非衍射射束(例如类贝塞尔射束的射束轮廓)的空间特性。举例来说，此类非衍射射束不再能够在用于构造材料修改的、力求的全长上使用。
为了维持例如具有类贝塞尔射束的射束轮廓的非衍射射束的构造和特性，本文提出借助相位校正来抵消在进入工件时出现的像差。在这种情况下，在射束路径中、优选地在高斯或几乎高斯激光束轮廓仍然存在的区域中执行相位校正。相位校正可以尤其在相位施加的区域、比如用于在工件中形成非衍射射束(例如类贝塞尔射束的射束轮廓)的区域中实现。在相对于脉冲激光束对称定向的二次弯曲的表面的情况下，可以使用简单的光学部件实现相位校正。校正所需的光学部件的几何形状变得非常复杂，即使只是对于倾斜表面也是如此。
在这方面，已经认识到，尽管在进入工件时会出现像差，但仍可以产生在管或柱的材料中几乎不受干扰地传播的非衍射射束。当执行相位校正时，借助具有相应调设的参数(比如脉冲能量、脉冲持续时间和聚焦区域几何形状)的脉冲激光束也可以将细长的修改写入具有弯曲的表面的工件中。以这种方式产生的结构性修改可以实现分离过程或用于材料去除，如在平面工件的情况下。
图2示出了激光加工设备1的示意图，该激光加工设备包括激光束源1A和用于对射束源1A的脉冲输出激光束3'进行射束成形的光学系统1B。射束成形用于构造具有如下射束轮廓的脉冲激光束3，该射束轮廓可作为非衍射射束聚焦到聚焦区域7中以用于材料加工。换言之，聚焦区域7由非衍射射束形成，并且聚焦区域7沿着激光束3的射束轴5以细长的方式构造。
聚焦区域7产生于待加工的工件中。工件可以例如由例如陶瓷型或晶体型(比如玻璃、蓝宝石、透明陶瓷、玻璃陶瓷)的透明材料(对于所使用的脉冲激光束3的激光波长在很大程度上透明)构成。本文的材料的透明度涉及线性吸收。对于低于阈值注量/强度的光，“基本上”透明的材料例如在修改的长度上可以吸收例如少于20％或甚至少于10％的入射光。
在图2中，(例如玻璃)管9被三维表明为具有弯曲的表面9A的工件的示例。管9具有外半径Ra和内半径Ri以及壁厚度Ra-Ri。在图2中，射束轴5沿着相对于表面9A的法线方向N指向表面9A并且在照射点P处照射到所述表面上。
通常，输出激光束3’并且因此激光束3由射束参数(比如单个激光脉冲或激光脉冲组的构造、波长、光谱宽度、时间脉冲形状、脉冲能量、射束直径和偏振)确定。对于材料加工，激光脉冲具有例如实现如下脉冲峰值强度的脉冲能量，该脉冲峰值强度实现管壁的材料中的体积吸收并且因此实现构造期望几何形状的修改。
输出激光束3’将通常是具有横向高斯强度变化过程的准直高斯射束，所述射束由激光束源1A(例如超短脉冲高功率激光系统)产生。从高斯射束，光学系统1B整形射束轮廓，这使得能够形成细长的聚焦区域7；例如，借助于光学系统1B的射束成形元件11产生具有通常的或逆类贝塞尔射束的射束轮廓的贝塞尔-高斯射束。射束成形元件11构造用于在入射输出激光束3'上施加横向相位变化过程。射束成形元件11是例如空心锥轴锥镜、空心锥轴锥镜透镜/反射镜系统、反射轴锥镜透镜/反射镜系统或衍射光学射束成形元件。衍射光学射束成形元件可以是可编程的或固定写入的衍射光学射束成形元件、特别是空间光调制器(SLM)。对于光学系统的示例性配置并且特别是射束成形元件11的示例性配置，参考引言中引用的WO 2016/079275 A1。
图2示意性地示出了作为光学系统1B的一部分的另外的射束引导部件13，比如例如望远镜布置13A、反射镜、透镜、滤光器和用于对各种部件进行定向的控制模块。
光学系统1B将脉冲激光束3聚焦到工件中，此处为聚焦到管9的壁中，使得在那里构造细长的聚焦区域7。本文中细长的聚焦区域7涉及三维强度变化过程，该三维强度变化过程在待加工的工件中确定相互作用的空间范围并且因此确定用激光脉冲/激光脉冲组对材料的修改的空间范围。细长的聚焦区域7确定待加工的工件中存在注量(Fluenz)/强度的细长的体积区域。如果注量/强度高于与加工/修改相关的阈值注量/强度，则将细长的修改15沿细长的聚焦区域7写入工件中。
关于激光加工，如果相对于目标阈值强度的三维强度变化过程的特征在于至少10:1(例如20:1或以上，或30:1或以上，或1000:1或以上)的纵横比(传播方向上的延伸尺度与相对于聚焦区域轴横向的侧向延伸尺度(轴上最大值的直径)的比率)，则可以说是细长的聚焦区域。这种细长的聚焦区域可以得到材料中具有类似纵横比的修改15。通常，在此类纵横比的情况下，影响聚焦区域7上的修改15的强度变化过程的侧向延伸尺度的最大变化可以在50％或以下(例如20％或以下)的范围内，例如在10％或以下的范围内。这加上必要的变更同样适用于修改15的侧向延伸尺度的最大变化。
对于通过细长的体积吸收来加工透明材料来说，一般适用的是：一旦发生吸收，这种吸收本身、或者材料特性的最终改变可能影响激光辐射的传播。因此，有利的是：以相对于聚焦区域轴的某个角度将用于在射束的更下游的修改的射束部分馈送到相互作用区。这种能量馈送的一个示例是非衍射射束，例如(常规的)贝塞尔-高斯射束(参见图1)，其中存在环形远场分布，与半径相比，该环形远场分布的环形宽度典型地小。在旋转对称的贝塞尔-高斯射束的情况下，径向射束部分基本上以此角度旋转对称地馈送到相互作用区/聚焦区域轴。对于逆贝塞尔-高斯射束并且对于修改(比如均匀化、不对称或调制(逆)的贝塞尔射束)，这同样适用。
在图3A至图6B中阐明了导致这种细长的聚焦区域的示例性射束成形。这些图以穿过射束路径的截面举例示出了(径向)射束部分3A相对于激光束3的射束轴5(特别参见图4B)以在空气中的进入角δ或在材料中的进入角δ'进入。在这方面，细长的聚焦区域7可以通过射束部分3A的干涉(在长度L上，参见图1)在工件中沿射束轴5形成。
构造细长的(例如基于贝塞尔射束的)聚焦区域的前提是在聚焦区域的整个长度L上能量可以被侧向馈入并且存在相长干涉的条件。
为了对工件进行加工，在光学系统1B与工件之间产生相对运动，从而在脉冲激光束的情况下，聚焦区域7可以在不同的位置处辐射到工件中以形成修改15的布置。控制相对运动，其方式为使得修改沿着扫描轨迹T排列。图2中阐明扫描轨迹T的箭头表示照射点P在工件的表面上的运动(举例来说在图1的绘图平面、即管9的截面中)。尤其，实现工件与聚焦区域7之间的相对运动，在此过程中聚焦区域7沿着扫描轨迹T(至少部分地)重复定位在工件的材料中。相应地，多个修改可以沿着扫描轨迹T写入工件的材料中。
对于管9的环绕的(umlaufende)加工(环绕的扫描轨迹T)，在图2中示出工件保持件19，其中管9绕管9的纵轴A可旋转地支承。支撑辊(Auflagerolle)19A以示例的方式表明。此外，工件保持件19的基座单元19B可以允许管9沿纵轴A位移或者可以调设相对于光学系统1B的距离。
替代性地或补充地，工件与光学系统1B之间的相对运动可以通过光学系统1B(或其部件)的运动实现。光学系统1B的线性位移单元21在图2中以示例的方式示出，并且使得聚焦区域能够沿着射束轴定位。可以设置另外的加工轴，从而允许射出的激光束3并且因此允许聚焦区域轴在空间中被定向。
可以根据扫描轨迹T实现管件的分离或从管件切出结构。如将在这方面结合图10和图11解释的那样，这可以例如通过使用热源203和冷却源205实现。
激光加工设备1还具有控制单元23，该控制单元尤其具有用于由用户输入操作参数的接口。通常，控制单元23包括用于控制激光加工设备1的电气部件、机械部件和光学部件的电子控制部件，比如处理器。举例来说，可以调设(由双头箭头23A阐明)激光束源1A的操作参数，比如例如泵浦激光功率、用于调设光学元件(例如SLM)的参数和用于光学系统1B的光学元件的空间定向的参数以及工件保持件19的参数(用于穿过扫描轨迹T)。
此外，布置在光学系统1B上的距离传感器25例如在图2中示意性地表明。距离传感器25设置用于检测工件与光学系统之间的距离。尤其，距离传感器25可以确定工件9的表面9A沿着射束轴5相对于关于细长的聚焦区域的目标位置的位置。目标位置针对相应工件的特定材料加工情况和针对相应的射束成形来定义。举例来说，目标位置可以由细长的聚焦区域的起点与工件/管9的表面之间的期望位移Δz(在激光束的传播方向上或与激光束的传播方向相反)来说明。细长的聚焦区域的起点例如可以位于Z方向上强度已经上升到最大强度的50％的那个位置。除了细长的聚焦区域的起点与工件的表面重合外，目标位置可以调设成位移Δz>0，在这种情况下，细长的聚焦区域已经在管9的前方构造，然后延伸到管9的材料中。同样可以调设位移Δz<0，在这种情况下，细长的聚焦区域仅在管的材料中构造或至少以在管9的材料中开始的方式构造。
距离传感器25将距离数据输出到控制单元23，该控制单元可以例如通过工件保持件19或线性位移单元21控制相对于预定目标位置的距离。距离传感器可以构造为例如共焦白光传感器、白光干涉仪(比如光学相干断层扫描仪)或电容传感器。
尤其，距离传感器25可以用于在先前的测量步骤中或在加工期间测量工件相对于加工光学器件的位置和/或工件的几何形状。举例来说可能发生，(要定位的)旋转的工件以在旋转期间轻微地、特别是剧烈摆动的方式支承在工件保持件19中。在这种情况下，可以在实际加工之前测量表面与预定目标位置之间的距离，并且可以存储表面的位置数据。为此，控制单元23可以使在激光束3没有被辐射进来的情况下沿着待加工的轨迹经过(abfarhen)工件一次。在该先前测量期间，距离传感器25探测距离数据并将它们输出到控制单元23，距离数据被存储在该控制单元中。
此外，距离传感器25可以构造用于在先前的测量步骤中或在加工期间测量工件的表面的曲率。例如，曲率可以根据距离数据计算。举例来说，工件的表面的曲率可以沿着扫描轨迹变化，使得在先前的测量中经过扫描轨迹，以便存储关于表面沿着扫描轨迹的曲率的数据并使用它们用于稍后调设校正相位的射束成形。对应的先前测量又可以由控制单元23控制，并且获取的曲率数据可以存储在控制单元23中。
此外，控制单元23可以调设激光束3的参数。
可以在本披露内容的背景下，特别是在优选地使用脉冲激光辐射并且特别是超短激光脉冲用于材料加工的各个本文披露的方面、实施方式和扩展方案的情况下使用的激光束3的示例性参数为：
激光脉冲能量/激光脉冲组(脉冲群)的能量：例如在mJ范围内或以上，例如在20μJ至5mJ之间的范围内(例如1200μJ)，典型地在100μJ至1mJ之间
波长范围：IR、VIS、UV(例如，2μm>λ>200nm；例如，1550nm、1064nm、1030nm、515nm、343nm)
脉冲持续时间(FWHM)：几皮秒(例如3ps)或以下，例如几百或几(几十)飞秒，特别是超短激光脉冲/激光脉冲组
脉冲群中的激光脉冲数量：例如每个脉冲群2至4个脉冲(或以上)，其中脉冲群中的时间间隔为几纳秒(例如40ns)
每个修改的激光脉冲数量：对于一个修改，一个激光脉冲或一个脉冲群
重复率：通常大于0.1kHz，例如10kHz，
材料中聚焦区域的长度：大于20μm，上至几毫米
材料中的聚焦区域的直径：大于1μm，上至20μm或以上
(由此产生的材料中的修改的侧向延伸尺度：大于100nm，例如300nm或1μm，上至20μm或以上)
两个相邻修改之间的进给(Vorschub)d：至少在进给方向上修改的侧向延伸尺度(通常至少是该范围的延伸尺度，例如该延伸尺度的四倍或十倍(或更高))
这里的脉冲持续时间与单个激光脉冲有关。因此，曝光时间(Einwirkdauer)与导致在工件的材料中的一个位置处形成单个修改的激光脉冲的组/脉冲群有关。如果曝光时间、如脉冲持续时间相对于存在的进给速率而言是短的，则一个激光脉冲和激光脉冲组中的所有激光脉冲有助于一个位置处的单个修改。在相对低的进给速率下，也可以出现包括彼此邻接和合并到彼此中的修改的连续修改区。
上述参数范围可以允许对突出到工件中上至例如20mm或以上(典型地100μm至10mm)的体积进行加工。此类体积例如在对内半径为100μm或以上且外半径在例如10mm的范围内的管进行加工期间使用。
在图2中，射束成形是使用平面衍射光学射束成形元件27实现的。
在图2中，本文披露的用于关于工件的弯曲的表面9A的相位校正的构思是通过柱透镜29实现的。分配给柱透镜的圆柱轴沿着图2中管9的轴A延伸。此外，图2示意性地表明柱透镜29可以构造为柱面反射镜(可以可调设的方式变形)或衍射光学射束成形元件29'的相位分布。在这种情况下，衍射光学射束成形元件29'可以构造为固定写入的衍射光学射束成形元件。此外，衍射光学射束成形元件29'可以构造为可调设的衍射光学射束成形元件。此外，衍射光学射束成形元件27和衍射光学射束成形元件29'可以组合在一个衍射光学射束成形元件中。可调设的衍射光学射束成形元件或可变形的柱面反射镜可以由控制单元23关于要执行的校正相位的射束成形进行控制和调设(参见图2中的连接线23A)。
通常，衍射光学射束成形元件构造用于在输出激光束3'的横向射束轮廓上施加相位贡献，衍射光学射束成形元件具有相互邻接的面元件(参见用于图2中的射束成形元件27的以示例的方式表明的面元件27A)。面元件27A可以构造平面光栅结构，其中每个面元件27A被分配相移值。举例来说，轴锥镜或反轴锥镜、还有柱透镜都可以借助专门选择的相移值被衍射地模拟。
衍射光学射束成形元件和对应的折射光学器件以及反射光学器件实施方式在本文中被认为是关于要执行的相位校正基本上等效的光学装置。
图3A和图3B示出了用于阐明射束成形的光学系统中射束路径的正交截面图(仅示意性的，不是物理上的)。图3A示出了Z-Y平面中的截面图，图3B示出了Z-X平面中的截面图。
加工光学器件用于产生(高斯-)贝塞尔射束并且包括具有锥角γ的轴锥镜31，使得径向射束部分各自以朝向射束轴5的角度δ通过并形成第一真实贝塞尔射束聚焦区域(长度l0上的干涉区33)。轴锥镜31嵌入两个望远镜中。前方定位的望远镜(未示出)使输出激光束3'的射束直径匹配轴锥镜31，通常是射束成形元件。图3A和图3B明确地示出了具有望远镜透镜L1和L2以及焦距f1和f2的定位在下游的望远镜布置13A，借助于该望远镜布置，轴锥镜尖端31_S相对于工件的弯曲的表面以缩小的方式成像(缩小因子M＝f1/f2)。成像的总体目标是以缩小的方式将干涉区33成像到工件中以形成(非衍射激光束的)细长的聚焦区域7。非衍射激光束在照射点P处照射在工件表面上。通常，照射点在本文中被理解为是指激光束的光轴与工件(例如待加工的衬底)之间的交点。如果轴锥镜尖端31_S成像到弯曲的表面上，则非衍射激光束的起点相对于进入表面没有位移Δz(即Δz＝0)。在图3A的示例中，非衍射激光束的起点位于工件的表面的前方，量值为Δz>0，例如Δz位于100μm至200μm的范围内，使得工件表面处已经存在足够的强度以用于加工材料。参考图5A，非衍射激光束也可以直到在工件中才开始(Δz<0)。
在成像并进入工件中后，径向射束部分在材料中的Z-Y平面中例如以角度δ'延伸到射束轴5上。
这在图4A中针对平面表面37示出(理想传播；没有像差)。径向射束部分3A的干涉发生在整个长度上。
图5A中沿射束轴5(在Z方向上)示出了比如可以借助贝塞尔射束产生的示例性强度变化过程I(x，z)。相关联的横向强度变化过程I(x,y)在图5B中示出。强度变化过程对应于图1中的图像(b)。
目标是对于具有弯曲的表面9A的工件也实现这样的强度变化过程。然而，这是在不校正曲率平面中的光路的情况下是不可能的。
图4B(扰动传播；有像差)阐明了贝塞尔射束形激光束通过弯曲的表面39进入材料中的问题。由于曲率(即局部倾斜的入射)，径向射束部分在材料中以变化的角度δ(r)延伸到射束轴5上。由于在射束轴周围的中心区域中仍然近似平面的表面，干涉条件在贝塞尔射束的情况下仅出现在开始(在逆贝塞尔射束的情况下仅出现在末尾)。例如对于曲率半径R为5mm且照射激光束3的直径D为例如250μm至2mm的表面，情况就是如此。
对于这种通过弯曲的表面进入的情况，图6A和图6B中示出了示例性强度变化过程I(x，z)。图6A示出了强度变化过程I(x，z)。很明显，沿射束轴5(在Z方向上)高强度仅出现在的有限区域上；随后在距射束轴5某距离处形成强度稍高的区域。在图6B中的相关联的横向强度变化过程I(x,y)中，很明显这些离轴区布置在X方向和Y方向上。
在通过弯曲的表面39期间的波前像差因此导致在传播方向上具有显著强度损失的聚焦分布，结果是特别是较深区域的光学加工不再可能。
返回到图3B，由于管9在Z-X平面中的弯曲的表面9A，在整个设想长度上延伸的非衍射射束(即，在特别是较深区域中的相长干涉)不再在Z-X平面中没有补偿的情况下形成，因为工件中关于干涉的条件与干涉区33中的条件不同。因此在没有补偿的情况下不再在工件中产生期望的强度变化过程。
假设已经执行本文提出的相位补偿构思，校正相位如此影响激光束在材料中的变化过程，使得Z-X平面中的径向射束部分也同样基本上以角度δ'延伸到射束轴5上。
为了相位补偿的目的，在图3A和图3B的装置中，将柱透镜35定位在轴锥镜31的前方，该柱透镜的折射作用位于管9的截面中。为了阐明替代性布置，柱透镜35'在图3B中以虚线方式表明，该透镜在加工光学器件中的射束路径中定位在直接在轴锥镜31后方下游。柱透镜35、35'表示施加轴对称的相位分布的位置。
柱透镜具有折射率nz、圆柱半径Rz和焦距fz，以补偿具有表面曲率半径Ra和折射率nw的工件的像差。
除了柱透镜35之外，图3A和图3B中的结构中的光学器件应理解为在旋转地对称的轴锥镜31的情况下围绕射束轴5旋转对称。
由于柱透镜35，干涉将不再旋转地对称地形成在轴锥镜31后方，因为例如Z-Y平面中的干涉区33中的条件不同于Y-X平面中的条件。
图2以及图3A和图3B中所示的光学系统是如下光学系统的示例，该光学系统用于对激光束进行射束成形以在具有弯曲的表面的工件中形成聚焦区域，其中聚焦区域沿激光束的射束轴以细长的方式构造。在此，光学系统首先包括聚焦形成光学器件，该聚焦形成光学器件使射束部分以进入角进入到激光束的射束轴上，以通过干涉在工件中形成沿射束轴的细长的聚焦区域(即，以形成非衍射射束)。其次，在光学系统提供相位校正，并且该相位校正抵消由激光束进入工件中的干涉的产生任何影响。相位校正通常可以以衍射方式、折射方式和/或反射方式实现。例如，它可以作为相位校正(单独的)光学器件设置在或被集成到聚焦形成光学器件中。
对于使用柱透镜35、35'作为补偿光学器件，柱透镜35、35'应尽可能近地位于轴锥镜或衍射光学元件(射束成形元件27)的平面中(如果可能，在其紧邻的前方或后方)。
柱透镜表面的曲率半径Rz的选择取决于非衍射射束相对于工件的相对位置，特别是细长的聚焦区域的起点相对于工件的进入表面的相对位置。
对于细长的聚焦区域的起点相对于进入表面没有位移Δz的情况(Δz＝0)，柱透镜的曲率半径Rz根据fz≈Rw M2/(n-1)及fz≈Rz/(nz-1)以良好近似计算
Figure BDA0004113245510000211
其中，
Rz：柱透镜的曲率半径，
nz：柱透镜的折射率，
Rw：工件的表面的曲率半径，
nw：工件的材料的折射率，以及
M：M＝f1/f2-施加相位分布的位置与工件之间的射束路径的成像因子。
如果考虑到细长的聚焦区域开始于工件的进入表面的前方(Δz大于0)或落在工件中(Δz小于0)，则得到柱透镜的表面的曲率半径Rz的以下近似定义，其分别对应于上述条件的Δz＝0：
Δz>0(其中附加参数a＝5060mm-2并且b＝9645mm-1)：
Figure BDA0004113245510000212
Δz≤0(其中附加参数c＝284mm-1并且d＝590)：
Figure BDA0004113245510000213
图7中表示的图表示出了曲率半径Rz取决于Δz变化的示例性函数(由上述定义构成)，假设以下参数：
-光学系统的成像因子M＝10，
-工件的材料的折射率nw＝1.5，
-工件的表面的曲率半径Rw＝3.5mm，
-柱透镜的折射率nz＝1.5。
可以看出Δz<0的近似线性曲线和Δz>0的近似二次曲线。
如图2所示，相应地，在“正地”弯曲的小玻璃管(在截面中为凸面)的情况下，应提供“负的”柱透镜曲率(凹面)。换言之，由柱透镜实现的相位分布具有发散效应(而不是比如在进入小玻璃管中时发生的会聚效应)。本领域技术人员将认识到，利用本文披露的构思，甚至可以通过提供“正的”柱透镜曲率(凸面)来加工具有凹面地弯曲的表面的工件(例如，用于沿着具有凹槽的杆进行激光加工)。
本文中的曲率半径通常被认为在相对于要切割的工件/管段的纵轴横向的截面中。在截面(圆管表面)中具有凸面形状的工件的曲率半径与凹面形状相反。校正光学器件的曲率(或可分配给对应相位变化过程的“曲率”)相对于工件的曲率相应地反转。这在上式中由因子(-1)表明。对于工件的凹面形状，曲率半径Rz小于零/负柱透镜在图7中是明显的。相应地，对于工件的凸面形状，得到大于零/正柱透镜的曲率半径Rz。本领域技术人员将认识到，除了平凸或平凹柱透镜(参见图2)之外，还可以使用在两侧弯曲、具有对应的折射性能的对应透镜。
如本领域技术人员将此外认识到的，衍射光学射束成形元件和/或折射光学器件和/或反射光学器件可以用于要执行的相位校正。下面参考图8A至图8F解释具有衍射光学射束成形元件的实施方式的相位分布。
对于基于相位变化过程的现实激光加工情况，例如其相应于2°轴锥镜和1000mm柱透镜，示例性相位分布在图8A至图8C中针对例如1英寸直径DOE的中心段示出。由于2°轴锥镜的相位分布决定了组合的相位分布，因此为了阐明目的，图8D至图8F示出了基于相位变化过程的示例性情况，比如其可以被分配给0.5°轴锥镜和200mm柱透镜。
图8A示出了实现形成聚焦的射束成形的衍射光学元件的二维相位分布PHI_BESSEL(x,y)[以弧度为单位]。尤其，相位分布PHI_BESSEL(x,y)可以在入射高斯射束上施加对称的贝塞尔射束相位分布(以产生贝塞尔-高斯射束)。相位分布PHI_BESSEL(x,y)揭示了在-PI与+PI之间以环形方式延伸并以锯齿形状径向延伸的恒定相移值。相移值表示射束成形的第一相位贡献25A，并实现射束部分以进入角进入激光束的射束轴，以通过干涉在工件中形成沿射束轴的细长的聚焦区域。细长的聚焦区域大致对应于通过2°轴锥镜(γ＝2°)产生的聚焦区域。
图8B示出了实现校正相位的射束成形的衍射光学元件的二维相位分布PHI_CYL(x,y)(比如可以用于加工具有5mm的外半径的管)，其中细长的聚焦区域比如借助相位分布PHI_BESSEL(x,y)产生。相位变化过程大致对应于圆柱半径为“Rz≈-500mm”的1000mm柱透镜的相位变化过程。
可以看出在Y方向上恒定的相移值，其在X方向上以锯齿状形状在-PI与+PI之间在X方向上二次地延伸(上升)并且表示射束成形的第二相位贡献25B。第二相位贡献25B形成关于对称轴S对称的相位分布，其中第二相位贡献25B平行于对称轴S(在y方向上)是恒定的，并且垂直于对称轴S变化。
假设成像因子M＝10并且相应地通常折射率用于柱透镜和管，则第二相位贡献25B可以中和激光束在进入具有5mm的外半径的管时局部地、即在弯曲的表面上的面元件上累积的进入相位。
二维相位分布PHI_BESSEL(x,y)和相位分布PHI_CYL(x,y)可以通过一个衍射光学元件组合地产生。图8C示出了对应的叠加二维相位分布PHI_total(x,y)，其中二维相位分布PHI_BESSEL(x,y)决定了外观。
为了阐明用于相位校正的轴对称的相位变化过程的贝塞尔射束产生的点对称相位变化过程的叠加的外观，图8D示出了用于产生细长的聚焦区域的相位分布PHI_BESSEL(x,y)，该细长的聚焦区域大致对应于0.5°轴锥镜产生的聚焦区域。图8E示出了二维相位分布PHI_CYL(x,y)，该二维相位分布的相位变化过程大致对应于具有大约-100mm的圆柱半径的200mm柱透镜的相位变化过程。
在图8F中，叠加的二维相位分布PHI_total(x,y)然后揭示了相位分布PHI_BESSEL(x,y)的对应变形。利用图8F中的相位分布PHI_BESSEL(x,y)，可以加工具有1mm(给定M＝10)的外半径的管。再次注意，图8D至图8F所基于的参数应纯粹用于阐明相位变化过程，而不是代表现实示例。
图9示出了用于对具有弯曲的表面的工件进行激光加工的方法的流程图。
步骤101涉及对激光束进行射束成形以便在工件的材料中形成细长的聚焦区域。射束成形是通过衍射光学器件和/或折射光学器件和/或反射光学器件的布置来执行的。步骤101包括形成聚焦的射束成形101A和校正相位的射束成形101B的子步骤。
形成聚焦的射束成形101A使射束部分以进入角进入到激光束的射束轴上，以通过干涉在工件中形成沿射束轴的细长的聚焦区域。
校正相位的射束成形101B抵消由激光束进入工件中产生的干涉的影响。
步骤101A和101B也可以在共同的相位施加步骤中组合地执行。在这方面，在步骤101中，可以在激光束上施加二维相位分布以形成细长的聚焦区域，其中相位分布包括用于形成聚焦的射束成形的第一相位贡献和/或用于校正相位的射束成形第二相位贡献，这些第一相位贡献使射束部分以进入角进入，这些第二相位贡献中和由激光束在进入工件时局部累积的进入相位。累积的进入相位针对在射束轴在表面上的照射点处射束轴沿相对于表面的法线方向的定向来确定。它考虑了进入角(δ')、工件的表面在照射点处的曲率半径Rw和工件(特别是工件的射束进入的区域中的材料)的折射率nw。
在步骤中103可以如此定向对称的相位分布和工件，使得，在考虑到在施加此轴对称的相位分布的位置与工件之间的射束路径的情况下，第二相位贡献的相位分布的对称轴相对于以下平面正交地延伸，在该平面中定义表面的(最大)曲率半径。
在步骤105中如此调设激光束的射束参数，使得工件的材料在细长的聚焦区域中在结构上被修改。
在步骤107中，将激光束沿射束路径辐射到工件的表面上，其将激光束成像到工件的材料中以形成细长的聚焦区域。在这种情况下，激光束的射束轴相对于表面的法线方向如此定向(步骤107A)，使得射束轴在围绕法线方向5°的角度范围内并且优选地沿着法线方向照射在表面上。
关于步骤103和107，可以进行调整过程，例如通过申请人的申请日期为2020年2月14日的德国专利申请10 2020 103 884.4，《Justage-Vorrichtung für eine Bessel-Strahl-Bearbeitungsoptik und Verfahren》(用于贝塞尔射束加工光学器件的调整装置和方法)中描述的布置。
对于激光加工，例如作为细长的聚焦区域的起点的轴锥镜尖端31_S(参见图2)可以虚拟地成像在管9的表面上(Δz＝0)。替代性地，细长的聚焦区域的起点可以位于管9的表面的前方(Δz>0)或仅位于管9中(Δz<0)。假设相应地匹配曲率半径的选择，光学系统相对于工件优选在射束传播方向上(沿射束轴)的定位可以具有几百微米(例如±200μm)的z位置公差。
对于调整(Justage)，可以使用调整柱透镜作为工件替代品(前侧弯曲如待加工的管，后侧平面)。对于激光加工应能够实现相应准确的交换。在柱透镜的前侧，可以施加标记，例如通过气相沉积施加金属或通过涂漆施加符号。望远镜布置在调整柱透镜的下游，所述望远镜的焦平面由用于对表面进行成像的相机记录。
在调整过程的第一步骤中，相机聚焦在调整柱透镜的表面上，使得标记清晰地成像。
在调整过程的第二步骤中，将加工光学单元相对于调整柱透镜的表面定向。在这种情况下，需要调整横向位置(X/Y方向)和纵向位置(Z方向)两者。
对于横向定位，使管在相反方向上从射束路径位移，透镜两侧的边缘可被容易地探测到并且由平均值推导得出横向位置。
纵向定位涉及在轴锥镜上搜索原始射束的高斯包络的虚拟平面。如果测试柱透镜太近，相机会识别贝塞尔射束聚焦区域；如果测试柱透镜太远，相机已经识别出环形分布。如果射束轮廓的包络构造为尽可能圆形而不是椭圆形，则在Z方向上提供在很大程度上正确的位置。测试柱透镜的平面后侧在相机图像中几乎不产生像差。
在调整过程的第二步骤中，通过Z位置中的参考，柱透镜被工件(例如小玻璃管)替换。
在步骤109中，实现工件与聚焦区域之间的相对运动，在此过程中聚焦区域沿着扫描轨迹定位在工件的材料中。相应地，多个修改可以沿着扫描轨迹写入工件的材料中。
步骤109中的相对运动可以被控制为工件的旋转运动，在该旋转运动的情况下，激光束的射束轴特别是延伸穿过工件的纵轴。在围绕工件的纵轴的纯旋转运动的情况下，激光束的扫描轨迹可以在工件的表面的最大曲率的平面中延伸。替代性地或附加地，可以控制在工件的纵轴的方向上的平移运动，以便在工件的表面上经过任意扫描轨迹。举例来说，可以沿着工件9的纵轴(参见图2中的示例)经过用于将工件9划分为两部分的外轮廓，或经过工件9的表面上的闭合的内轮廓，用于释放由内轮廓界定的区域(参见图12A中的示例)。此外，扫描轨迹可以在表面中具有(基本上)相同曲率的一个或多个区域中和/或在具有不同表面曲率的一个或多个区域中延伸。
在步骤111中，沿射束轴监测工件的表面的位置并将其调节到目标位置(距光学系统的目标距离)。监测和控制特别是在旋转运动的旋转轴偏离工件的表面的旋转对称轴和/或工件的表面至少区段式地偏离旋转对称的表面变化过程时执行。
如果轨迹在具有变化曲率的区域中延伸，则在步骤113中，校正相位的射束成形101B'在其补偿效果方面匹配该分别存在的表面曲率。因此，对于分别存在的表面曲率，可以抵消由激光束进入工件中产生的干涉的影响。校正相位的射束成形的匹配是例如通过考虑分别存在于射束成形元件的二维相位分布中的曲率来实现的。参见，例如，如图12B所示的具有圆锥形地渐缩的工件表面的工件，应沿着闭合的内轮廓将一系列修改写入该工件中。举例来说，可以在可调设的SLM中相应地匹配为这种相位校正调设的第二相位贡献25B。替代性地，例如，可以匹配可变形反射镜的曲率。
匹配可以例如基于在射束加工期间执行的测量来实现。应提供用于工件的几何形状的相应快速分析单元。替代性地或补充地，在步骤115中可以沿着扫描轨迹执行工件的几何形状的先前测量。对于先前的测量，激光加工设备可以在不激活激光束源1A的情况下经过例如要被经过以进行材料加工的扫描轨迹以测量工件的几何形状。
用于射束成形和相位补偿的单独的光学器件在上面讨论的示例中以示例的方式示出。然而，这些光学器件也可以在单个光学器件中实现(例如为折射/反射自由形状元件或为衍射光学元件)或在混合光学元件(输入侧柱透镜、输出侧轴锥镜；“Zaxicon”)中实现。
此外，例如望远镜13A的长焦距透镜f1可以共同地包括在混合轴锥镜或衍射光学元件中。作为对真实聚焦区域(比如贝塞尔射束状聚焦区域)成像的替代，虚拟聚焦区域(比如逆贝塞尔射束状聚焦区域)可以通过望远镜13A成像。
工件(比如管、柱或者管或柱的部分，比如半管或半柱)可以通过本文描述的加工方法加工。
作为基于激光的工件加工的结果，产生如下工件，在该工件中已经引入了彼此间隔开或合并的多个修改。例如，在管的情况下，所述修改被环绕地引入(参见图2)以便将管划分为2个部分(沿着环绕的外轮廓扫描)。此外，可以沿内轮廓将修改引入弯曲的表面中(参见图12A和图12B)。这些修改另外可以在材料中形成裂纹，这些裂纹在相邻修改之间延伸到工件的材料中，或者通常随机地从修改之一开始。
上述借助激光束对工件进行材料加工的方法可以是将具有弯曲的表面的工件分离成两个部分的过程的第一阶段。在使用激光束的材料加工已经结束后，虽然工件已经在材料中提供了许多修改，但通常在两个部分之间仍然存在由未修改的材料构成的充分连接。因此，分离过程的第二阶段是必要的，在该第二部分中，这些剩余的连接被释放，以实现将工件完全分离成两个部分。
关于第二分离过程的补充是，在本披露内容的背景下的修改是工件的材料的结构更改，该结构更改将材料例如从未修改材料的不可蚀刻状态转变为修改材料的可蚀刻状态。相应地，与未修改材料相比，修改的特征可以尤其在于湿化学可蚀刻性的增加。相应地，可以在湿热蚀刻过程的背景下实现将玻璃管分离成两个部分。这种湿化学蚀刻过程尤其可以用于分开沿内轮廓切出的材料区域。
用于将工件分离成两个部分的另外的方法可以基于如下事实，即材料的修改可以伴随着同样细长的空腔的构造。如果是这种情况，并且如果在玻璃管中环绕地构造了足够数量的空腔，则玻璃管可能会(特别是自发地)沿着由一系列空腔形成的弱化线发生破裂。
用于分离具有一系列修改的工件的另外的方法使用热诱导的、热辅助的和/或热增强的裂纹(Rissbildung)。联合图10和图11，将基于玻璃管201的示例来解释用于经加工的工件的这种示例性热分离过程，其中借助非衍射射束沿环绕的轨迹例如在等间距的位置处对玻璃管201进行了修改。
对于热辅助的分离过程，图2所示的激光加工设备可以另外包括热源203和/或冷却源205。替代性地，热源203和/或冷却源205可以在具有相应所需的自由度的独立分离装置的范畴下提供。热源203和冷却源205构造用于特别是在修改的区域中加热或冷却玻璃管201。为此，可以结合玻璃管的旋转(由图10中的箭头206表明)来执行局部加热/冷却。局部加热可以例如通过指向工件的局部火焰或辐射到工件上的CO2激光束来实现。举例来说，(局部或大面积)冷却可以通过喷射到工件上或例如流过工件的空腔的水气混合物来实现。
分离过程可以包括三个子步骤207A、207B、207C。对于玻璃管201被划分成玻璃管段201A、201B的情况，这些子步骤在图10和图11中示意性地阐明。在分离过程中，玻璃管201受到热影响，其方式为使得玻璃管201分离成两个玻璃管段201A、201B。
图10中的子步骤207A中可以看到具有对称的修改209的布置的玻璃管201(以立体图示出)。修改209例如从玻璃管201的表面径向延伸到玻璃管中。例如，修改209存在于围绕玻璃管圆形延伸的区209A中。换言之，修改209的布置围绕玻璃管201延伸一次，如从玻璃管201的表面的扩大(展开)段211中可以看出。在图10的示例中，修改209中的每一个都已旋转对称地写入玻璃管201的材料中，例如借助于对称的贝塞尔-高斯射束，该射束作为非衍射射束在玻璃管201材料中构造细长的聚焦区域，以用于产生修改209。展开的段211的进一步放大视图211A示意性地表明裂纹213从修改209开始。裂纹213随机定向和/或在在修改209之间(至少部分地)增加地延伸。
在子步骤207A中，玻璃管201如此保持，使得它可以不间断地借助旋转轴、例如围绕圆柱轴旋转。玻璃管201的修改区209A被连续加热。例如，这可以通过火焰203A或CO2激光束来完成。在这种情况下，可以如此选择旋转速度，使得在玻璃管201的绕转期间不发生显著的冷却。以这种方式，玻璃管201可以在整个材料厚度上被加热，结果是玻璃管201的材料在该区域中膨胀。
在子步骤207B中，玻璃管201的表面然后被尽可能突然地冷却。这可以例如通过如下方式完成：通过水气混合物205A进行冷却，随着所述玻璃管的连续旋转，该水气混合物在大面积上被喷射到玻璃管201上。
因此，在玻璃管201的材料的外/近表面区域中存在显著地冷却的温度，并且构造大的温度梯度，其中最小温度在玻璃管201的表面处，最大温度例如在玻璃管201的内壁上的修改209的区209A的区域中。由于大的温度梯度，在玻璃管201的表面处存在拉伸应力(箭头215)，该拉伸应力导致在玻璃管201的表面处出现尽可能完全环绕的初始裂纹217。初始裂纹217沿着引入的修改209延伸并且可以部分地基于在引入修改209期间已经出现的裂纹213。
在子步骤207C中，玻璃管201从外部被加热(火焰203B)，并可选地通过冷却源205'的水气混合物205B'从内部被冷却。然后在玻璃管201的整个材料厚度上出现温度梯度。温度梯度导致，具有初始裂纹217可以传播通过玻璃管201的壁。
在图10中，子步骤207C附加地在切开管上关于作用力进行了示意性阐明(箭头219A用于阐明由于玻璃管201的内部区域中的冷却实现的应力；箭头219B用于阐明由于加热玻璃管201的外部区域实现的应力)。
初始裂纹217转变为完全延伸穿过玻璃管201的壁的分离裂纹221。如果分离裂纹221完全围绕玻璃管201延伸，则有玻璃管完全分离成部分201A和201B。
为了完整起见，需要指出的是，除了带来单个对称修改的聚焦区域中的强度变化过程之外，还可以通过例如衍射光学元件进行相位施加，这会导致以下聚焦区域中的强度变化过程，该强度变化过程产生不对称修改(例如，在一个方向上扁平化)或彼此平行延伸的多个修改(参见图1中的图像(c))。在这种情况下，修改或修改的布置可以通过一个激光脉冲或激光脉冲组产生。例如在申请人的申请日期为2019年10月21日的德国专利申请102019 128 362.0，《Segmented beam shaping element and laser processingapparatus》(分段射束成形元件和激光加工设备)中以及在K.Chen等人的《“Generalizedaxicon-based generation of nondiffracting beams》(基于广义轴锥镜的非衍射射束产生)，arXiv:1911.03103v1[物理光学]2019年11月8日中披露了示例性相位施加和强度变化过程。
这种不对称修改或排列修改同样可以与本文披露的构思一起用于对具有弯曲的表面的材料进行加工。换言之，要针对这种不对称修改进行的射束成形也可以与相位校正相结合，该相位校正可以在进入材料中时校正相位分布的影响。
图11基于椭圆形地扁平化的修改的示例、类似于联合图10描述的分离过程的热分离过程(其中执行的三个对应的子步骤307A、307B、307C)阐明了这种不对称修改。对于三个子步骤的细节，参见上述图10的描述。此外，除了不对称修改309、沿着修改309延伸的修改区309A和裂纹313(参见图11中的子步骤207A)之外，图11中使用了对应的附图标记。
由于不对称修改309，裂纹313可以沿着不对称修改309的排列增加地构造。与随机分布的裂纹相比，裂纹313可以部分重叠或至少彼此更靠近地突出(如图11所阐明的)。
在子步骤207B中示出初始裂纹317——类似于图10中的初始裂纹217——，该初始裂纹基本上沿着裂纹313并且主要在玻璃管201的上侧上连接不对称修改309。通过裂纹313的优选方向，因此可以简化子步骤207B中初始裂纹317的构造和子步骤207C中分离裂纹321的构造。
图12A、图12B示意性地阐明了经加工的工件，其中沿着作为扫描轨迹的内轮廓将一系列修改引入到管壁中。
作为具有恒定曲率的工件的示例，图12A示出了沿纵向方向(y方向)延伸并且具有恒定外半径和在1mm的范围内的壁厚度的管段(Rohrabschnitt)51。通过沿着闭合的内轮廓55写入一系列排列的修改的，在管段51中的侧表面(管段51的外表面)上产生基本上圆形的开口53。在写入过程中，校正相位的射束成形一旦被调设，就由于恒定的曲率而能够维持不变。在写入过程之后进行湿法蚀刻过程，结果是管段51的在内轮廓53的内部中的区域与周围材料完全分离并且相应地可以被去除。如图12A所示的管段51的端部51A、51B可以各自是环绕的轮廓切割的结果。
作为具有不同曲率的工件的示例，图12B示出了圆锥形地渐缩的空心本体57，其中壁的外侧的曲率半径在y方向上增加；也就是说，给定1mm的基本上恒定的壁厚度，空心本体57在半径方面沿y方向例如线性地减小。在空心本体57的表面的加工期间，待校正的曲率根据y位置而相应变化。
如图12A所示，通过沿闭合的内轮廓55'将一系列排列的修改写入壁中的程序，在空心本体57中产生了基本上圆形的开口53'。由于变化的曲率，校正相位的射束成形沿着扫描轨迹出现。
举例来说，可以基于空心本体57的已知几何形状来执行校正相位的射束成形的依赖于y的匹配。替代性地，可以在沿扫描轨迹加工期间检测曲率的变化，并实现对校正相位的射束成形的对应调设。附加地或替代性地，为了检测曲率的目的，此外可以在激光加工之前使闭合的内轮廓55'被单独经过一次，以便将对应的曲率数据存储在控制单元中并且相应地调设校正相位的射束成形。
空心本体57的端部57A、57B也可以例如构成环绕的轮廓切割的结果，其中轮廓切割中的每一个可以以匹配分别存在的曲率的方式利用专用的校正相位的射束成形来执行。
明确强调的是，说明书和/或权利要求中所披露的所有特征应该被认为是彼此分开的和独立的，以用于原始披露内容的目的，并且同样用于独立于实施方式和/或权利要求中的特征组合来限制要求保护的发明的目的。明确指出，所有范围表明或单元组表明披露了任何可能的中间值或单元子组，以用于原始披露内容的目的，同样用于限制要求保护的发明的目的，特别是也作为范围表明的限制。

Claims (25)

1.一种用于借助脉冲激光束(3)对工件(9)进行材料加工的方法，其中，所述工件(9)具有对所述激光束(3)在很大程度上透明的材料与弯曲的表面(9A)，所述方法具有以下步骤：
对所述激光束(3)进行射束成形(步骤101)，以便在所述工件(9)的所述材料中构造细长的聚焦区域(7)，其中，所述射束成形借助衍射光学器件、反射光学器件和/或折射光学器件的布置执行并且包括：
-形成聚焦的射束成形(步骤101A)，所述形成聚焦的射束成形实现：射束部分(3A)以进入角(δ')进入到所述激光束(3)的射束轴(5)上，以通过干涉在所述工件(9)中沿着所述射束轴(5)构造所述细长的聚焦区域(7)，以及
-校正相位的射束成形(步骤101B)，所述校正相位的射束成形抵消通过所述激光束(3)进入所述工件(9)中产生的干涉的影响，以及
如此调设(步骤105)所述激光束(3)的射束参数，使得所述工件(9)的材料在所述细长的聚焦区域(7)中被修改。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述弯曲的表面(9A)在一个方向上弯曲，并且
对所述激光束(3)进行射束成形包括在所述激光束(3)上施加至少一个二维相位分布(PHI_BESSEL，PHI_CYL，PHY_total)，以便在所述工件(9)的所述材料中构造细长的聚焦区域(7)，其中，所述至少一个相位分布(PHI_BESSEL，PHI_CYL，PHY_total)包括：
-用于所述形成聚焦的射束成形的第一相位贡献(25A)，所述第一相位贡献实现：射束部分(3A)以所述进入角(δ')进入，所述第一相位贡献尤其产生非衍射射束，以用于在所述工件中沿所述射束轴构造所述细长的聚焦区域，以及
-用于所述校正相位的射束成形的第二相位贡献(25B)，所述第二相位贡献中和由所述激光束(3)在进入所述工件(9)时局部累积的进入相位。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，针对在所述射束轴(5)照射到所述表面(9A)上的照射点(P)处的、所述射束轴(5)沿所述表面(9A)的法线方向(N)的定向来确定所述局部累积的进入相位，所述局部累积的进入相位考虑：
-所述进入角(δ'),
-所述表面(9A)在所述照射点(P)处的曲率半径(Rw)以及
-所述工件(9)的折射率(nw)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第二相位贡献(25B)构造相对于对称轴(S)轴对称的相位分布，其中，所述第二相位贡献平行于所述对称轴(S)是恒定的并且垂直于所述对称轴(S)变化，所述方法还具有步骤：
使所述轴对称的相位分布和所述工件(9)彼此如此定向(步骤103)，使得，在考虑到在施加所述轴对称的相位分布的位置与所述工件(9)之间的射束路径(13)的情况下，所述对称轴(S)相对于以下平面正交地延伸：在所述平面中定义所述表面(9A)的曲率半径。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，借助衍射光学射束成形元件(15)将所述第一相位贡献(25A)和/或所述第二相位贡献(25B)施加到所述激光束(3)的横向射束轮廓上，其中，所述衍射光学射束成形元件(15)具有相互邻接的面元件(15A)，所述面元件构建平面光栅结构，在所述平面光栅结构中，为每个面元件(15A)分配一个相移值，其中，所述相移值实现所述第一相位贡献(25A)和/或所述第二相位贡献(25B)。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，还具有：
沿光学系统的射束路径(13)将所述激光束(3)辐射(步骤107A)到所述表面(9A)上，所述光学系统将所述激光束(3)成像到所述工件(9)的所述材料中，以用于构造所述细长的聚焦区域(7)，和/或使所述激光束(3)的所述射束轴(5)相对于所述表面(9A)的法线方向(N)如此定向(步骤107B)，使得所述射束轴(5)在围绕所述法线方向(N)的5°的角度范围内照射到所述表面(9A)上。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述校正相位的射束成形通过在所述激光束(3)的射束路径中定位在实现所述形成聚焦的射束成形的光学器件(27，31)的前方或后方的柱透镜(35，35')产生。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述柱透镜(35，35')具有与所述工件(9)的所述表面(9A)的曲率半径相匹配的曲率半径，使得对于所述柱透镜(35，35')的曲率半径Rz适用：
-在通过使用参数a＝5060mm-2和b＝9645mm-1以及所述细长的聚焦区域(7)的起点在传播方向上在所述弯曲的表面(9A)的前方的位移Δz，将所述细长的聚焦区域(7)的起点定位在所述弯曲的表面(9A)的前方的情况下：
Figure FDA0004113245490000031
-在通过使用参数c＝284mm-1和d＝590以及所述细长的聚焦区域(7)的起点在所述弯曲的表面(9A)的前方的位移Δz，将所述细长的聚焦区域(7)的起点在传播方向上定位在所述弯曲的表面(9A)的后方的情况下：
Figure FDA0004113245490000032
-在将所述细长的聚焦区域(7)的起点定位在所述弯曲的表面(9A)上的情况下：
Rz≈(-1)Rw M2(nz-1)/(nw-1)
其中，
nz：所述柱透镜(35，35')的折射率，
Rw：所述表面(9A)的曲率半径Ra，
nw：所述工件(9)的所述材料的折射率，以及M：所述形成聚焦的射束成形的位置与所述工件(9)之间的射束路径的成像因子。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助在输出激光束(3')的横向射束轮廓上施加二维相位分布进行的所述激光束(3)的射束成形借助以下元件执行：
-衍射光学射束成形元件(27)，所述衍射光学射束成形元件具有二维布置中固定调设的或可调设的相位值；或
-尤其是可变形的柱面反射镜与轴锥镜(31)的组合；或
-柱透镜(35，35')与轴锥镜(31)的组合；或
-柱透镜(35，35')或尤其是可变形的柱面反射镜与衍射光学射束成形元件(27)的组合，所述衍射光学射束成形元件具有二维布置中固定调设的或可调设的相位值，所述衍射光学射束成形元件构造用于施加相位分布、尤其是类贝塞尔射束的相位分布，以用于构造所述细长的聚焦区域(7)。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述激光束(3)的射束成形借助单个光学器件执行，所述单个光学器件构造为折射自由形状光学元件或构造为混合光学元件、尤其由输入侧柱透镜和输出侧轴锥镜组成的光学单元。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，还具有：
在所述工件(9)与所述聚焦区域(7)之间实现(步骤109)相对运动，在所述相对运动的情况下，所述聚焦区域(7)沿着扫描轨迹(T)定位在所述工件(9)的所述材料中，使得将多个修改沿着所述扫描轨迹(T)写入所述工件(9)的材料中，其中，所述扫描轨迹(T)尤其是外轮廓或是所述工件(9)的表面上的闭合的内轮廓，所述外轮廓用于将所述工件(9)沿着所述工件(9)的纵轴划分成两个部分，所述闭合的内轮廓用于释放由所述内轮廓界定的区域。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述工件(9)构造为管、柱或者管或柱的一部分，如半管或半柱，所述相对运动包括所述工件(9)的旋转运动，其中，所述激光束(3)的射束轴(5)尤其延伸通过所述工件(9)的纵轴(A)。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，在围绕所述工件(9)的纵轴的纯旋转运动的情况下，所述激光束(3)的扫描轨迹(T)在所述工件(9)的所述表面(9A)的最大曲率的平面中延伸，和/或
其中，附加地或区段式地实现在所述工件(9)的所述纵轴的方向上的平移运动。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，还具有：
监测所述工件(9)的所述表面(9A)沿所述射束轴(5)的位置并将所述位置调节(步骤111)到目标位置，以及
其中，所述监测和调节尤其在以下情况下执行：在旋转运动的情况下旋转轴偏离所述工件(9)的所述表面(9A)的旋转对称轴，和/或所述工件(9)的所述表面(9A)至少区段式地偏离旋转对称的表面变化过程。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，还具有：
使所述校正相位的射束成形匹配所述弯曲的表面的曲率沿所述激光束(3)的所述扫描轨迹(T)的变化，其中，
用于匹配所述校正相位的射束成形的控制信号尤其基于沿所述轨迹(T)对所述弯曲的表面(9A)的曲率的先前测量、和/或基于在所述工件(9)与所述聚焦区域(7)之间的相对运动期间沿着所述扫描轨迹(T)对所述弯曲的表面(9A)的曲率的在线测量推导得出。
16.一种用于对脉冲激光束(3)进行射束成形以用于在具有弯曲的表面(9A)的工件(9)中构造聚焦区域(7)的光学系统(1B)，其中，所述聚焦区域(7)沿所述激光束(3)的射束轴(5)以细长的方式构造，所述光学系统具有：
聚焦形成光学器件，所述聚焦形成光学器件使射束部分(3A)以进入角(δ')进入到所述激光束(3)的射束轴(5)上，以通过干涉实现在所述工件(9)中沿着所述射束轴(5)构造所述细长的聚焦区域(7)，
其中，抵消由所述激光束(3)进入所述工件(9)中产生的干涉的影响的相位校正
通过相位校正光学器件提供或
集成到所述聚焦形成光学器件中。
17.根据权利要求16所述的光学系统(1B)，其中，所述光学系统(1B)设置用于在所述激光束(3')上施加二维相位分布并将所述激光束输出为尤其是真实或虚拟的类贝塞尔激光束(3)，其中，
所述聚焦形成光学器件产生所述相位分布的第一相位贡献(25A)，所述第一相位贡献尤其产生非衍射射束以用于在所述工件中沿着所述射束轴构造所述细长的聚焦区域，并且
所述相位校正光学器件或所述相位校正产生所述相位分布的第二相位贡献(25B)，所述第二相位贡献抵消由所述激光束(3)在进入所述工件(9)时局部累积的进入相位。
18.根据权利要求16或17所述的光学系统(1B)，其中，用于二维相位分布的相位施加的所述聚焦形成光学器件和/或所述相位校正光学器件构造为衍射光学射束成形元件(27)，所述衍射光学射束成形元件设置用于在所述激光束(3)的横向射束轮廓上施加所述第一相位贡献(25A)和/或所述第二相位贡献(25B)，其中，所述衍射光学射束成形元件(27)具有相互邻接的面元件(27A)，所述面元件构建平面光栅结构，在所述平面光栅结构中，为每个面元件(27A)分配相移值，其中，所述相移值实现所述第一相位贡献(25A)和/或所述第二相位贡献(25B)；和/或
所述聚焦形成光学器件构造为轴锥镜(31)，所述轴锥镜产生聚焦形成相位贡献(25A)；和/或
所述相位校正光学器件构造为柱透镜(21)，所述柱透镜产生所述第二相位贡献(25B)并且在所述激光束(3)的射束路径中定位在所述聚焦形成光学器件的紧邻的前方或后方；和/或
所述聚焦形成光学器件构造为折射自由形状元件，所述折射自由形状元件产生所述第一相位贡献(25A)和所述第二相位贡献(25B)；和/或
所述聚焦形成光学器件和所述相位校正光学器件构造为混合光学器件，所述混合光学器件产生所述第一相位贡献(25A)和所述第二相位贡献(25B)，并且尤其构造为输入侧柱透镜和输出侧轴锥镜的组合。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的光学系统(1B)，其中，用于二维相位分布的相位施加的所述相位校正光学器件构造为在所述二维相位分布中能够调设的光学元件，尤其构造为衍射光学射束成形元件(27)、如空间光调制器或可变形柱面反射镜，所述能够调设的光学元件构造用于在所述弯曲的表面(9A)的待校正的曲率发生变化的情况下根据控制信号匹配相位校正。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的光学系统(1B)，还具有：
望远镜布置(13A)，所述望远镜布置用于缩小分配给所述聚焦形成光学器件的真实或虚拟的聚焦区域，和/或
距离传感器(25)，所述距离传感器设置用于确定所述工件(9)的表面(9A)沿所述射束轴(5)的位置(P)。
21.一种激光加工设备(1)，所述激光加工设备用于通过在所述激光束(3)的聚焦区域(7)中对工件(9)的材料进行修改借助脉冲激光束(3)对所述工件(9)进行加工，其中，所述聚焦区域(7)沿着所述激光束(3)的射束轴(5)以细长的方式构造，所述工件(9)具有对所述激光束(3)在很大程度上透明的材料与弯曲的表面(9A)，所述激光加工设备具有：
发射激光束(3')的激光束源(1A)，
根据权利要求16至20中任一项所述的光学系统(1B)，以及
用于支承所述工件(9)的工件保持件(19)。
22.根据权利要求21所述的激光加工设备(1)，其中，所述光学系统(1B)和/或所述工件保持件(19)设置用于：
-使所述激光束(3)的所述射束轴(5)相对于所述表面(9A)的法线方向(N)如此定向，使得所述射束轴(5)在围绕所述法线方向(N)的5°的角度范围内、优选地沿着所述法线方向(N)照射到所述表面(9A)上，和/或
-实现所述工件(9)与所述聚焦区域(7)之间的相对运动，在所述相对运动的情况下，所述聚焦区域(7)沿着扫描轨迹(T)定位在所述工件(9)的材料中，其中，所述射束轴(5)相对于所述法线方向(N)的定向匹配所述表面(9A)的变化过程。
23.根据权利要求21或22所述的激光加工设备(1)，还具有：
距离传感器(25)，所述距离传感器布置和设置用于确定所述工件(9)的表面(9A)沿所述射束轴(5)的位置(P)，以及
控制装置(23)，所述控制装置设置用于，借助所述距离传感器(25)监测所述工件(9)的表面(9A)沿所述射束轴(5)的位置并将所述位置调节到目标位置。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的激光加工设备(1)，其中，所述光学系统(1B)具有用于二维相位分布的相位施加的相位校正光学器件，所述相位校正光学器件构造为在所述二维相位分布中是能够调设的，尤其构造为衍射光学射束成形元件(27)、如空间光调制器或构造为可变形柱面反射镜，所述激光加工设备还具有：
控制装置(23)，所述控制装置设置用于向能够调设的光学元件输出控制信号，所述控制信号使所述二维相位分布匹配所述工件(9)的所述弯曲的表面(9A)的待校正的曲率，
其中，所述控制信号尤其基于沿轨迹(T)对所述弯曲的表面(9A)的曲率的先前测量或基于在所述工件(9)与所述聚焦区域(7)之间的相对运动期间沿着扫描轨迹(T)对所述弯曲的表面(9A)的曲率的在线测量推导得出。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的激光加工设备(1)，还具有：
距离传感器(25)，所述距离传感器布置和设置用于确定所述工件(9)的表面(9A)沿所述射束轴(5)的位置(P)，以及
控制装置(23)，所述控制装置设置用于，借助所述距离传感器(25)监测所述工件(9)的表面(9A)沿所述射束轴(5)的位置并将所述位置调节到目标位置。
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