CN116137858A - 用于硬化透明材料的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于硬化透明材料(1)、特别是用于局部硬化该透明材料(1)的表面(10)的设备和方法，其中，借助于超短脉冲激光器的超短激光脉冲(66)的激光束(6)在该透明材料(1)中引入材料改性(3)或将该材料改性应用于该透明材料，优选地局部地引入或应用，以便硬化该透明材料(1)、优选地局部地硬化该透明材料。

Description

用于硬化透明材料的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于硬化透明材料、特别是用于局部硬化透明材料的表面的设备和方法。
背景技术
已知的是，例如用于比如智能手机、智能手表或平板电脑等消费性电子产品的玻璃的硬化是特别大的挑战。相应的显示器玻璃通过材料硬化会比未经处理的玻璃明显更加耐刮擦和耐冲击。
然而，迄今为止，仅存在允许对用于显示器的材料进行整体硬化的方法，因此特别是无法实现在例如在承受相当大的应力的区域的局部硬化。例如，可折叠显示器的相应弯曲部位会经受相当大的负载。具有用于无框架显示器的圆边的显示器在折弯处也会由于弯曲形状而经受相当大的负载。
发明内容
从已知的现有技术出发，本发明的目的是提供一种用于硬化透明材料、特别是用于局部地硬化该透明材料的表面的经改进的方法，以及一种用于执行该方法的相应设备。
该目的通过具有如权利要求1所述的特征的一种用于硬化透明材料、特别是用于局部地硬化该透明材料的表面的方法来实现。从从属权利要求、本说明书和附图中可以明显看出该方法的有利的扩展方案。
相应地，提出一种用于硬化透明材料、特别是用于局部地硬化该透明材料的表面的方法。根据本发明，借助于超短脉冲激光器的超短激光脉冲的激光束在透明材料中或上引入、优选地局部地引入材料改性，以便硬化透明材料、优选地局部地硬化该透明材料。
在此，超短脉冲激光器使超短激光脉冲可用。超短脉冲激光器使在皮秒范围或飞秒范围内的激光脉冲可用。
该激光器还可以使超短激光脉冲的脉冲串(也称为脉冲群)可用，其中，每个群包括多个激光脉冲的发射。特别地，也可以提供所谓的GHz群，其中，各个激光脉冲的重复率例如大约高达1000GHz。
在此，透明材料对于由超短脉冲激光器发射的激光的波长而言是基本上透明的。在此，基本上透明意指入射在材料上的激光功率的超过50％(例如，超过90％或95.5％)透射穿过该材料。通常，激光能量的未透射的一小部分也被该材料吸收。正是这个吸收的激光能量，只要激光束例如借助于数值孔径大于0.1的光具被高度聚焦，就可以使透明材料强烈地局部加热。
在此，与激光束相互作用的区域的范围、或被激光束加热的区域的范围是由光束几何形状(特别是由激光束的焦点直径和射束分布)确定，参见下文。
材料改性应理解为意指透明材料在该透明材料的热平衡方面永久性的改变，例如该材料的网状结构或该材料的(局部)密度，所述改变是由于直接激光辐射产生的局部加热、以及后续冷却所引起的。
在此，透明材料中的材料改性或该透明材料上的材料改性可以例如是该透明材料的结构(特别是晶体结构、和/或无定形结构、和/或化学结构、和/或机械结构)的改性。如果主要在材料的体积中引入材料改性，则该材料改性被提供在该材料中。相比之下，如果材料改性主要对材料的表面进行改性，则该材料改性被提供在该材料上。然而，特别地，取决于激光束的焦点设定和射束分布，材料改性可以既引入到材料中也引入到该材料上。
例如，在无定形玻璃材料中引入材料改性可以在于：该玻璃材料仅在该区域中获得晶体结构组分。局部加热和快速冷却可以引起玻璃网状结构的改性，其结果是，材料的密度和硬度局部地改变。例如，在无定形玻璃材料的情况下，可以例如通过网状结构的键角和长度的改变实现网状结构的改变。以此方式，可以实现玻璃材料在此区域中的密度和硬度的局部改变。
材料改性也可以是物理性质(例如，强度、和/或抗弯强度、和/或材料对弯曲力和剪切力以及剪切应力和拉伸应力的耐受性)的直接改变。
材料改性也可以是密度的局部改变，这可以取决于所选择的材料(特别是玻璃的类型)。例如，材料中的密度变化可以引起应力区和压缩区，所述应力区和压缩区的材料硬度比未经处理的材料高。
特别地，如果激光脉冲(例如，先后引入的至少两个激光脉冲)局部地熔化材料，则也可以发生材料改性。然后，冷却的熔体可以包括材料改性，并且具有较高或较低的材料硬度。最终，材料改性的类型取决于材料和激光参数，因此激光参数可以特定于材料来设定。
如果相继的超短激光脉冲之间的时间间隔比材料的热扩散时间短，则这可能会使材料中(主要是在激光器的焦点区域中)的热量积聚或温度升高。于是，温度可能会随着相继的脉冲中的每个脉冲(局部地)升高，例如直到已经达到熔化温度。
为了熔化连结区域中的材料，可以在材料中引入例如介于2个与10个之间的超短激光脉冲和/或脉冲群。该多个超短激光脉冲和/或脉冲群被引入用于预期的材料加工，从空间上观察，这些超短激光脉冲和/或这些脉冲群在各自情况下呈激光光斑形式，即，在激光在材料中的相应焦点区域的空间范围内。对于高斯(Gaussian)激光束来说，激光光斑被定义为例如光束腰的两倍。
在单个地点处引入的激光脉冲数量被称为脉冲重叠。脉冲重叠可以被认为是热量积聚的量度。
例如，如果没有进行进给运动且所有脉冲都被引入在材料的同一地点处，则脉冲重叠达到其最大值。相比之下，如果在材料与激光光斑之间进行进给运动，则脉冲重叠可以取决于脉冲频率(重复率)与进给速率之比而减小。如果进给速率过高，则激光光斑在材料中不再出现重叠。
材料中的每个地点的超短激光脉冲和/或脉冲群的数量是由激光光斑大小SG与每进给速率VG的重复率P的乘积得出的。即，脉冲重叠是例如由SG*P/VG得出的。
然后，可以通过加热和后续的快速冷却而引入材料改性。例如，通过每秒106开尔文数量级的冷却速率，可以改变材料的假想温度并因而改变网状结构，其结果是，由于高冷却速率而形成了硬度局部地增加或减小的材料改性。
引入材料改性基本上受限于激光束的激光脉冲的作用区域，使得透明材料局部地硬化。即，硬化发生在被引入的激光脉冲的直接作用区域中。
换句话说，局部硬化应理解为意指只有透明材料的二维区域或三维区域选择性地被硬化，而不是全部材料被硬化。
相应地，只有在激光脉冲被引入在要大面积加工的表面上的所有地点处的情况下，材料改性才会被大面积地引入或被整面地引入，这可以例如通过全面扫描要大范围地硬化的表面来实现。
换句话说，整体硬化、或二维硬化、或区域硬化可以通过使例如透明材料和激光束在要硬化的区域内相对于彼此移动来进行，其结果是，可以在材料的不同区域和地点中引入材料改性，并且相应地在这些区域进行局部硬化。
在实际的材料改性不同的是材料改性区域，材料改性区域包括可测量到由于激光脉冲的作用而改变的硬度的整个区域。特别地，在该区域中，从空间上观察，材料从材料改性开始过渡到玻璃材料的未经处理的区域的初始状态。
透明材料可以是玻璃、或聚合物、或陶瓷、或刚刚提及的这些材料的预应力变体。例如，该预应力变体也可以包括刚刚提及的这些材料的热预应力或化学预应力变体，例如热预应力或化学预应力玻璃、或热预应力或化学预应力塑料。
用于材料加工的激光束可以是具有对应的射束分布的高斯激光束或准非衍射激光束。
在此，激光束的射束分布例如可以通过沿着激光束的传播方向的纵向光束横截面、以及垂直于激光束的传播方向的侧向光束横截面来描述。
高斯光束分布意指，激光束具有沿着其纵向光束横截面(即，沿着传播方向)的高斯强度分布、以及沿着其侧向光束横截面(即，垂直于传播方向)的高斯强度分布。高斯光束通常是由激光器的固有基本模式提供，其结果是，可以在射束分布没有任何原则上的修改的情况下使用超短脉冲激光器的脉冲。
高斯光束的侧向聚焦区dGF 0、高斯聚焦、或者高斯光束或高斯分布的直径是由高斯曲线的二阶矩或方差确定的。另外，纵向聚焦区dGF 0由相关联的特征长度、瑞利长度zR＝π(dGF 0)2/4λ确定为从焦点位置处到光束横截面以系数2增大之处的距离。
然而，激光束也可以是准非衍射光束。非衍射光束满足亥姆霍兹(Helmholtz)方程：
Figure BDA0004113658980000051
并且具有明确的可分离性，分为横向相关性和纵向相关性，其形式为
U(x,y,z)＝Ut(x,y)exp(ikzz)。
在此，k＝ω/c是波矢量，其横向分量和纵向分量为k2＝kz2+kt2，并且Ut(x,y)是任意的复值振幅函数，其仅与横向坐标x,y相关。U(x,y,z)中的光束传播方向的z相关性引起纯相位调制，因此，求解的相关强度I是传播不变或非衍射的：
I(x,y,z)＝|U(x,y,z)|2＝I(x,y,0)。
这种方法提供了不同坐标系下的不同类别的求解，例如，椭圆柱面坐标下的马丢(Mathieu)光束、或圆柱面坐标下的贝塞尔(Bessel)光束。
在实验上，可以良好近似地实现多个非衍射光束，即，准非衍射光束。与理论构建相比，这些非衍射光束仅携带有限功率。同样有限的是这些准非衍射光束的传播不变性的长度L。
此外，将准非衍射光束中的横向聚焦区dND 0或射束分布的直径定义为局部强度最大值的横向尺寸，即直接邻接的、相对置的强度最小值之间的最短距离。
聚焦区在这些近似传播不变的强度最大值的光束传播方向上的纵向范围给出了准非衍射光束的特征长度L。该特征长度通过以下来定义：从局部强度最大值开始在正负z方向上(即，在传播方向上)强度降低到50％。
如果对于dND 0≈dGF 0(即，类似的横向尺寸)，特征长度L明显超过相关联高斯聚焦的瑞利长度(例如，如果L>10zR)，则非衍射光束恰好存在。
作为准非衍射光束的子集，准贝塞尔光束或贝塞尔型光束(在此也称为贝塞尔光束)是已知的。在此，光轴附近的横向场分布Ut(x,y)良好近似遵从第一类n阶贝塞尔函数。这种类别的光束的另外的子集是贝塞尔-高斯光束，这些贝塞尔-高斯光束由于其产生简单而得到广泛使用。用准直高斯光束对折射型、衍射型或反射型的轴棱镜进行照射能够形成贝塞尔-高斯光束。在此，光轴附近的相关联横向场分布良好近似遵从被高斯分布包络的第一类0阶贝塞尔函数。
以此方式，在对材料进行加工时，可以实现明显较大的焦点位置公差。因此，例如，减小了由玻璃的局部起伏和焦点调整带来的影响。附加地，使得材料也可以在层厚度上均匀地被硬化或加工。总的来说，通过使用准非衍射光束，可以增加过程可靠性，这是因为该方法由此对可能的误差来源具有容错性。
典型的贝塞尔-高斯光束(其可以用于进行硬化)例如在光轴上的中心强度最大值的直径为dND 0＝2.5μm。相比之下，dND 0≈dGF 0＝2.5μm的高斯聚焦的特征在于，在λ＝1μm时，在空气中的焦距仅为zR≈5μm。在与材料加工有关的这些情况下，甚至可能适用L>>10zR。
优选地，激光束借助于光具聚焦，并且焦点区域布置在透明材料的外部、距该透明材料的表面的距离为小于特征长度的100倍、尤其是小于该特征长度的10倍。
这具有的优点是，通过控制焦点和脉冲能量，可以使材料硬化，并且还可以改变材料的表面。特别地，在此可以产生几乎无应力的表面改性。
在高斯型光束的情况下，特征长度可以理解为意指被聚焦的光束的瑞利长度。瑞利长度被定义为沿着光束轴线、光束横截面面积从焦点中的光束横截面面积或所谓的光束腰出发到翻倍之处的距离。特别地，这可以意指，光束的半径以系数21/2增大。
例如，焦点中的光束腰可以为1μm。在此，焦点中的光束横截面面积为大约3.14μm2。根据特征长度(在此为瑞利长度)，光束横截面面积为6.28μm2，即翻倍。对于高斯型光束，1μm的波长下的特征长度可以例如为大约6μm。对于其他光束形状，可以存在特征长度的不同值。
特征长度通常也可以(即，特别是也在高斯-贝塞尔型光束或贝塞尔型光束、或不同形状的光束的情况下)理解为：沿着传播方向(即，沿着纵向光束横截面)的、光束强度从焦点区域的中心强度主最大值出发到强度减小一半之处的距离。
术语焦点和焦点区域在此同义使用，其中，在高斯型光束的情况下，焦点是明确定义的，而对于贝塞尔型光束和高斯-贝塞尔型光束，焦点区域在纵向方向上扩张并且是通过强度主最大值得出的。
焦点区域距表面的距离是通过在表面与焦点区域中的光束横截面之间沿着光束轴线的距离得出的。特别地，该距离因此与激光束入射到表面上的角度以及光束横截面、或表面粗糙度、或曲率的有限范围无关。
焦点区域以及因此激光束的强度最大值可以如上文所描述的完全位于表面上方并且由此位于透明材料的外部。因此，逐渐减弱的激光束从表面在射束方向上引入材料中，其中，激光束的强度的最大部分直接在透明材料的表面处被吸收。
由于在表面附近吸收激光，因此透明材料主要在表面处被改性并且由此被硬化。特别是与未受辐照的区域相比，以及相对于材料深处的体积区域(在这些体积区域中，吸收没有发生或只在相较于表面区域而言减小的程度上发生)而言，表面处的硬度占主导地位。
例如，透明材料的表面可以由于激光辐射而大幅度地被加热，其中，位于更下方的各层较少被加热或仅轻微被加热。例如，因为材料的密度由于加热过程而发生改变，所以可能会在位于更下方的轻微被加热的各层中积聚材料应力。然而，材料被加热得越多，则材料厚度的改性可能越大。特别地，材料密度可以在表面处最大地被改性。在表面处，材料可以不受阻碍地膨胀，这是例如因为在此处，透明材料不受例如由于玻璃网状结构或材料矩阵而形成的阻力。相应地，被加热的材料可以同样朝表面的方向膨胀。
通过用超短激光脉冲局部地引入热量，在引入后材料快速冷却，这是因为在引入多个激光脉冲后，没有更多的激光脉冲对材料进行加热，而且不同的、材料特定的热量传输方式(特别地，热扩散)将引入的能量从辐照点传输出去。由于快速冷却，材料的例如局部密度可以改变，因此材料的硬度可以改变。以此方式，特别地，材料的网状结构可以被改性，并且可以引起玻璃的假想温度的改变。以此方式，特别地，可以获得表面(该表面具有改变的硬度)的近似无应力的改性。
由于表面的改性，因此光学感官也会改变，例如，该方法可以使材料的透射性质和反射性质发生改变。例如，如果光透射穿过玻璃，则可以实现漫散射，或者如果光在材料处被反射，则可以实现漫反射。
在使用长形射束分布(例如，贝塞尔型射束分布)的情况下，也可以对材料进行从表面到该材料的体积中的硬化。
激光束也可以借助于光具聚焦，并且焦点区域可以置于透明材料中或置于透明材料的表面上。
这具有的优点是，通过改变焦点区域的方位和超短脉冲激光器的脉冲能量，材料可以被硬化，并且还可以改变材料的表面和部分体积。通过对焦点位置的选择，还可以确定首要是硬化材料的表面还是硬化材料的体积。
如果焦点区域位于透明材料中，这意味着焦点区域位于表面下方。如果焦点区域位于表面上，这意味着焦点区域与表面之间的距离恰好为零。
通过焦点位于透明材料中或位于该透明材料的表面下方，部分激光能量被引入透明材料中。以此方式，如果例如由于连续的热量积聚而超过材料的熔化温度，则透明材料就会在表面下方局部地被加热和/或熔化。如果重复率大于热扩散时间，则热量积聚可以通过激光器的脉冲群或通过引入多个单激光脉冲来实现。因此，激光脉冲到激光脉冲温度升高。通过使用超短激光脉冲进行加热以及后续进行快速冷却，可以引起透明材料的网状结构的改变、密度的改变以及硬度的改变，加热得越多，则所有这些改变越大。
例如，在激光束的焦点中被加热的透明材料可以极大地膨胀，尤其是径向地膨胀。相比之下，透明材料的与焦点间隔开的只不过轻微被加热的区域仅轻微地膨胀。因此，可以产生从焦点径向延伸的材料应力，这特别是会使材料硬度发生改变。
如果材料应力与作用在透明材料中的结合力相比较小，则冷却过程可能会引起形成与非加热区域相比具有更大硬度的材料改性。特别是在以下位置处出现这种情况：在该处，材料应力膨胀到未受辐照的材料中并且例如引起材料组成部分的局部压缩。
如果焦点恰好位于表面上，则以上描述类似地适用。
为了能够在透明材料的整个要局部加工的区域内保持加工的恒定，焦点区域距透明材料的表面的距离优选地自动保持恒定。
优选地，超短激光脉冲之间的时间间隔比透明材料的热扩散时间短。这既适用于引入多个单激光脉冲，也适用于脉冲群内的激光脉冲之间的时间间隔。优选地，至少两个脉冲之间的间隔介于10μs与1ps之间、特别优选地介于1μs与50ps之间。超短激光脉冲的脉冲重叠通常大于每激光光斑1个脉冲、尤其是介于每激光光斑10个脉冲与每激光光斑1000个脉冲之间。还可以将多个超短激光脉冲以脉冲串形式发射。脉冲串的时间间隔可以大于100ns、尤其是大于1μs。
激光脉冲可以单独地或以脉冲串形式引入材料中。脉冲串是第一特定时间间隔内的由激光脉冲(例如，10个激光脉冲)组成的在时间上的组。由此产生的脉冲序列在第二时间间隔之后重复。特别地，脉冲串还可以包括所谓的脉冲群，其中，特定的平均激光能量被划分给多个脉冲，因此加工过程受到更好的控制。
如果以一定时间间隔先后到达的脉冲入射到体积中的同一地点，则可以提高该地点处的温度。然而，前提是，与温度通过热传输过程被再次散发到周围材料区域和环境中相比，连续引入材料中的激光脉冲对材料的加热更快速。这种情况可以称为局部热量积聚。由于热量积聚，可以在材料的一个点中产生与单个激光脉冲可以产生的热量相比更大的热量。
例如，为了引入材料改性，相继的激光脉冲之间的时间脉冲距离可以比材料的热扩散时间TD短。然而，还可以选择比TD长的时间脉冲距离，例如T0<5*TD、或T0<10μs、或T0>1ps。其原因在于，热量积聚仅需要的是，前一个激光脉冲的余热仍在材料中。其原因例如是对工艺限制产生影响的累积效应或非线性(材料)效应。
特别地，热量积聚的结果可以是材料局部熔化。
脉冲重叠可以被理解为每材料改性所引入的激光脉冲的数量。如果脉冲重叠为1，则材料改性通过一个激光脉冲引入。相比之下，如果由多个激光脉冲(例如，10个激光脉冲)组成的脉冲串被发射到材料上，则脉冲重叠可以例如为10。然而，脉冲串也可以由显著更多的激光脉冲组成。特别地，脉冲重叠可以介于10与1000之间。
如果材料在加工期间相对于入射的激光束移动，则并非所有的脉冲都入射到材料中的同一点上，而是相继的脉冲将会轻微空间偏离地到达材料。以此方式也能的是例如可以产生在平均上由合理数量的脉冲形成的材料改性。例如，可以引入1.5个脉冲或8.3个脉冲的材料改性。
激光束和透明材料可以通过进给而相对于彼此运动。
例如，其上安装有用于加工的透明材料的进给装置(例如，XY载物台、XYZ载物台、或扫描器系统)可以沿着X轴、Y轴和Z轴以沿着进给轨迹的进给运动。
然而，进给装置也可以是可电子控制的声光偏转器，以使激光脉冲快速地偏转并且有效地加工表面。在声光偏转器的情况下，使用交流电压在光学邻近材料中的压电晶体上产生声波，该声波周期性地调制光学材料的折射率。在此，该波可以通过光学材料传播，或者可以是驻波。在此，由于对折射率的周期性调制，因此实现了入射的激光束的衍射光栅。
因此，入射的激光束在衍射光栅处衍射，并且因此至少部分地与其原始光束传播方向成角度α地偏转。特别地，激光束通过在与激光束的原始传播方向垂直的方向上的角度偏移而转向。在此，衍射光栅的光栅常数以及因此角度α尤其取决于驻留的光栅振动的波长或周期、或取决于所施加的AC电压的频率。例如，由具有较小波长的声波来获得一阶衍射的较大角度偏移。
特别地，由此可以实现快速的光束偏转，其中，激光束可以在声光偏转器单元的工作领域中以高达1MHz的速率自由地定位。因此，声光偏转器的对应的控制设备通常是基于具有快速连接存储器的FPGA(现场可编程门阵列)。
例如，材料可以随着进给而移动，同时超短脉冲激光器提供超短激光脉冲。以此方式，超短激光脉冲沿着进给轨迹在不同部位处被引入材料中。
进给装置还可以使材料相对于光束轴线旋转。以此方式，激光脉冲可以沿着例如圆形或弯曲的进给轨迹被引入材料中。原则上，绕例如所有欧拉角进行旋转移动也都是可能的，其结果是，在正交光束入射下，也可以激光硬化材料的圆形边缘。
进给允许提高加工速度。与适合的脉冲重叠组合，还可以均匀地硬化材料。
激光束可以多次扫过透明材料的至少一个点。
这具有的优点是，材料可以连续地被硬化并且可以例如适配于期望的硬度程度。
扫过可以意指，多个激光脉冲精确地被发射到透明材料中的同一点上。然而，也可以是多次走过进给轨迹，其中，各个激光脉冲被引入到轨迹上的确切位置是无关紧要的。还有可能的是，在单次行驶经过进给轨迹时多个脉冲先后地被引入材料中的同一点处。然而，还有可能的是，多个激光脉冲被引入在同一点处，但是是在沿着进给轨迹进行的不同行驶经过中引入的。
激光束可以被分成多个子光束。这具有的优点是，可以提高激光器的进给速率，因此也可以提高整体加工速度。
在此，分束器光具可以包括将激光束分离的光学元件、以及将所有由此产生的子光束转向和/或聚焦到透明材料上以便引入材料改性的光学元件。例如，使用50/50分束器，激光脉冲的能量的第一半可以直接被转向到透明材料上。能量的第二半可以经由分束器被转向到透明材料上。以此方式，激光脉冲可以产生多个材料改性并且由此使局部地硬化透明材料的区域的方法加速。
以上所确立的目的还通过具有如权利要求11所述的特征的一种用于硬化透明材料、特别是用于局部地硬化该透明材料的表面的设备来实现。从从属权利要求、本说明书和附图中可以明显看出有利的扩展方案。
相应地，提出了一种用于硬化透明材料、特别是用于局部地硬化该透明材料的表面的设备，该设备包括超短脉冲激光器以及聚焦光具。根据本发明，聚焦光具将超短脉冲激光器的激光束聚焦到透明材料中、或聚焦到该透明材料的表面上、或聚焦到该透明材料的表面上方，其中，表面与焦点之间的距离小于特征长度的100倍、优选地小于该特征长度的10倍。
该激光束可以在激光束被引入材料中时具有高斯型射束分布、或准非衍射光束的射束分布，和/或超短激光脉冲的间隔可以比透明材料的热扩散时间短，该间隔优选地介于10μs与1ps之间、特别优选地介于1μs与50ps之间，和/或超短激光脉冲的脉冲重叠可以大于1，和/或多个超短激光脉冲可以是以一个脉冲串形式发射的，和/或脉冲串的时间间隔可以大于100ns、尤其是大于1μs。
进给装置可以通过进给使激光束和透明材料相对于彼此移动，并且具有反馈单元的距离传感器可以将激光器的焦点相对于透明材料的表面的距离保持恒定。
例如，距离传感器可以维持激光束到材料上的入射点与任意的参考点之间的距离。例如，参考点可以是通过预给定的进给轨迹的点得出的。反馈单元例如可以是测量入射点与参考点的偏差并且相应地补偿该偏差的系统。例如，如果透明材料倾斜地定向，则可能需要沿着一个进给方向调整材料的高度方位，而沿着其他的进给方向则不需要调整。
这具有的优点是，材料的不正确定位可以由系统进行补偿。
进给装置可以是激光扫描器或声光偏转器；或者激光扫描器或声光偏转器可以作为进给装置的补充来移动该激光束。
这使得一个激光束可以在时间上振荡地在材料之上移动。
进给装置可以是例如可以设置有压电控制器的XYZ载物台。使用声光调制器，可以使激光束振荡地并且在时间上转向。还可以使用激光扫描器(例如，检流扫描器或共振扫描器)使激光束高度动态地偏移。
光束成形光具可以在高斯型激光束被引入材料中之前由该高斯型激光束产生高斯-贝塞尔型光束或贝塞尔型光束，和/或分束器装置可以将激光束分成多个子光束。
特别地，光束成形光具可以是对入射的激光束施加高斯-贝塞尔型射束分布或贝塞尔型射束分布的轴棱镜或衍射光学元件。由此，可以以特别有利的方式对光束性质进行改性。
分束器装置具有的优点是，如上文描述的，可以提高加工速度。
附图说明
通过以下附图的描述更详细地说明本发明的优选的进一步实施例，在附图中：
图1A、图1B示出了光束几何形状的示意性图示，
图2A、图2B示出了硬化方法的示意性图示，
图3A、图3B、图3C示出了硬化方法的另外的示意性图示，
图4A、图4B、图4C、图4D示出了局部地硬化、区域地硬化和整体地硬化材料的示意性图示，
图5示出了各种射束分布，以及
图6示出了用于分束和用于执行方法的结构。
具体实施方式
下面参考附图描述了优选示例性实施例。在此，在不同附图中，为相同、相似或具有相同作用的元件提供了相同的附图标记，并且为避免冗余，在一些情况下省去对这些元件的重复描述。
图1A示意性地展示了超短脉冲激光器的聚焦高斯型激光束6。然而，该激光束也可以是准非衍射光束(未示出)。由超短脉冲激光器提供的超短激光脉冲66沿着光束轴线62行进并且对应地形成激光束6。例如，激光脉冲66是由超短脉冲激光器以脉冲串和/或脉冲群形式发射，使得每个脉冲串包括多个超短激光脉冲66。
激光束6的光束直径由于聚焦而减小，直到该光束直径在焦点区域中达到最小光束直径D为止。在高斯型射束分布中，最小光束直径D可以通过光束腰得出，而在贝塞尔型光束的情况下，最小光束直径可以通过中心强度最大值的半值宽度(即，直至中心强度最大值垂直于光束轴线地已损失其强度的50％的距离)得出。
图1A中的高斯型激光束在焦点63具有最小光束直径，该最小光束直径从焦点63开始沿着光束轴线增大，使得光束横截面增大。在高斯型光束的情况下光束直径增大一倍的距离、或者贝塞尔型射束分布或高斯-贝塞尔型射束分布的中心主最大值的强度减小一半的距离可以被理解为特征长度L。
图1B示意性地展示了透明材料1，具有高斯型光束横截面的激光束6被引入该透明材料中。光束轴线62和透明材料的表面10围成入射角621，该入射角优选地为90°。对于弯曲表面，入射角621是例如从光束轴线到表面的切面测量的。在此，该切面形成于光束轴线与透明材料1的表面10相交的点处。
为了在透明材料1中引入材料改性，将超短脉冲激光器6的激光束聚焦在透明材料1。透明材料1由于吸收了激光束6的激光脉冲66而局部地被加热。在此，局部加热与后续冷却的组合导致材料结构方面的改性(特别地，导致增加的材料硬度)。然而，局部加热也可能会使材料1的其他物理性质改性(例如，增大或减小密度而由此在材料中形成局部应力)。
在透明材料1中已引入的这种改性就是所谓的材料改性3。位于材料改性3周围的是所谓的材料改性区域30。在材料改性区域30中，材料1从存在材料改性3的状态过渡到该材料的原始状态。例如，该原始状态可以是例如存在于较深的材料层中的未经加工的材料状态、或存在于周围的材料区域中的材料的状态。特别地，在图1B和所有后续附图中，以放大比例展示了材料改性。材料改性3仅在直接激光作用的区域(即，在焦点区域中的光束横截面的区域)中延伸。
图2示意性地展示了在焦点63位于透明材料1的表面10之下(即，特别是在该透明材料的体积中)的情况下透明材料1的硬化。
图2A示意性地示出了激光束6如何聚焦到透明材料1的材料体积中。如果焦点63位于透明材料1的表面之下，则由超短脉冲激光器提供的激光能量的一部分在表面10下方被吸收，其结果是，表面下方的材料特别强烈地被加热。这种加热例如可以引起密度的变化，其结果是，在激光束的焦点63所在之处，材料1特别强地膨胀。透明材料1的位于焦点周围的区域由于焦点之外的激光强度较小而较少或根本没有被加热。因此，强烈地被加热的材料侵入至周围的材料区域中，其结果是，材料1在冲击前沿(Stoβfront)处硬化。使用这种方法，透明材料1的表面10的几何结构可以保持不变，并且因此，材料1的硬度仅在材料改性3中发生变化，如图2B所示。
图3示意性地展示了用于在高斯型激光束的焦点63位于表面10上方的情况下硬化透明材料1的方法。在此，特别地，焦点63与表面10之间的距离可以小于100倍特征长度L或小于10倍特征长度L。在图3A中，焦点63与表面10之间的距离显著地小于10倍特征长度10L。
激光的强度在焦点63中特别大，并且在特征长度L内沿着光束轴线62减小例如一半。因此，透明材料1的表面10所经受的激光强度比位于材料1的体积中较深处的层12所经受的激光强度显著更大。因此，表面10处所吸收的激光脉冲的能量比较深层12中所吸收的激光脉冲的能量显著更多，其结果是，透明材料1的表面10处的加热比在较深层12中的加热更强烈。
图3C展示了，由于激光束6聚焦到表面10上方的位置中，因此只有可以引起材料改性的焦点区域的下部被引入材料1中。
图4展示了激光束和透明材料1可以沿着进给轨迹80相对于彼此移动，其结果是，材料改性3可以被引入该材料的不同地点处。
图4A示出了引入的材料改性3，该引入的材料改性是通过超短脉冲激光器产生的，其中，每个材料改性3是例如通过单个激光脉冲产生的。然而，也可以是这样的情况：每个材料改性3是通过在同一点处发射到材料1中的多个激光脉冲产生的(例如，也是经由激光脉冲群产生的)。通过材料改性的这种分布例如可以对材料硬度进行轻微调整。
图4B示意性地展示了：当超短脉冲激光器可以发射每脉冲串多个激光脉冲66或者脉冲速率变化时，在相同的进给量的情况下能如何将材料改性3引入到材料1中。例如，三个激光脉冲66可以布置在一个脉冲串中(从左起第一条路径)，其结果是，由激光脉冲66产生的材料改性3部分地重叠。也可以是这样的情况：脉冲串包括显著较高数量的激光脉冲66(从左起第二条路径)，使得进给轨迹的整个区段都具有重叠的材料改性3。沿着此区段，材料例如沿所述轨迹被特别均匀地硬化。也可以是这样的情况：这些脉冲被发射使得邻近的材料改性3仅彼此接触(从左起第三条路径)或材料改性3的重叠只有很小一部分。
也可以是这样的情况：每个材料改性3是通过在同一点处发射到材料1中的多个激光脉冲66产生的，使得这些脉冲和相应焦点区域由焦点处的光束横截面决定地重叠。
特别地，图4B也可以被理解为：激光脉冲的焦点区域63重叠。在引入的激光脉冲的重叠区域中例如会出现使材料1硬化的材料改性。
特别地，由于材料改性的所述分布，还可以设定材料中的硬度分布或硬度梯度。
图4C(以图4A为出发点)示出了：材料改性3的重叠或激光脉冲的焦点区域63的重叠即使当在材料1上方行驶经过或沿着进给轨迹80行驶经过时也可以进行。对此，进给轨迹的方向是相反的。激光脉冲66或材料改性3可以被引入成与已经引入的激光脉冲66(实心圆)或材料改性重叠或作为这些激光脉冲或这些材料改性的补充。
图4D展示了在激光器的扫描几何形状适合的情况下，例如可以对表面的区域或整个表面进行均匀的硬化。出于此目的，由光束横截面决定的焦点区域或邻近的材料改性3必须与最近的相邻者基本上重叠。这些区域可以包括例如边缘区域或经受特别高的负载的区域。特别地，起硬化作用的材料改性可以引入体积内的不同深度处。
总的来说，局部硬化的整个过程能以单次行驶经过进行，其中，在行驶经过期间，聚焦的激光束相对于材料的表面10的焦点定位保持不变。
然而，优选的是，通过多次行驶经过来实现硬化，以减少可能在过程期间在重叠区域中出现的应力。在此，聚焦的激光束的焦点定位可以变化，但优选地，变化最多为特征长度的量。
图5展示了射束分布(在YZ平面上)及相关联的光束横截面(在XY平面上)的各种示例。其示出了，与例如贝塞尔-高斯光束或椭圆形光束相比，径向对称的高斯光束横截面沿着光束轴线62的范围显著较小(即，特征长度L显著较小)。在这方面，应注意到附图中给定的比例尺。因此，在使用贝塞尔型光束横截面时，可以利用焦点区域的沿着光束轴线62的较大纵向范围。特别地，所使用的射束分布可以因此在焦点位置容差中反映出来，其结果是，该方法对局部表面粗糙度不敏感。
图6示出了用于执行方法的结构。超短脉冲激光器的高斯型激光束6通过可选的光束成形光具9整形为准非衍射光束，然后通过同样可选的分束器光具5转向到透明材料1上。分束器光具5例如包括分束器52和反射镜50。
在本示例中，使用分束器52将激光器的光束6分成第一子光束60和第二子光束62。第一子光束60通过分束器52直接被转向透明材料1的方向。第二子光束穿过分束器52，然后被反射镜50转向透明材料1的方向。两个子光束均被聚焦单元7聚焦在透明材料1上或聚焦在该透明材料中。在此，聚焦单元7可以包括用于每个子光束的多个聚焦光具71，或者仅包括用于所有子光束的一个聚焦光具71。在透明材料中，第一子光束60和第二子光束62引起使该材料硬化的材料改性3。特别地，激光束的射束分布不会被分束器光具5改变。因此，通过两个子光束在透明材料1中产生了相同形状的材料改性3。由此，可能的是，因为现在每激光脉冲多个改性3被引入材料1中，所以激光的进给装置8相对于透明材料1的进给量可以增加(例如，可以翻倍)。
为了在进给方面补偿表面10上的不平坦性，距离传感器可以测量激光器焦点63与参考点之间的距离A。在此，进给装置8可以经由反馈单元82通过调整材料的取向来补偿这种不均匀。
在适用范围内，在示例性实施例中呈现的所有各个特征可以在不脱离本发明的范围的情况下彼此组合和/或互换。
附图标记清单
1 透明材料
10 表面
12 较深层
3 材料改性
30 材料改性区域
32 材料拱起
34 材料凹坑
36 材料改性截面
5 分束器光具
50 反射镜
52 分束器
6 激光束
62 光束轴线
621 入射角
63 焦点
64 中心强度最大值
66 激光脉冲
600 第一激光束半部
602 第二激光束半部
7 聚焦单元
71 聚焦光具
8 进给装置
80 进给轨迹
82 距离和反馈单元
9 光束成形光具
L 特征长度
D 直径
A 距离

Claims (15)

1.一种用于硬化透明材料(1)、特别是用于局部硬化该透明材料(1)的表面(10)的方法，
其特征在于，
借助于超短脉冲激光器的超短激光脉冲(66)的激光束(6)在该透明材料(1)中或该透明材料上引入或施加、优选地局部地引入或施加材料改性(3)，以便硬化该透明材料(1)、优选地局部地硬化该透明材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该透明材料(1)是玻璃、或聚合物、或陶瓷、或前面提及的这些材料的受预应力的变体，尤其是前面提及的这些材料的经化学硬化或经热硬化的变体。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)借助于光具聚焦，并且焦点区域(63)布置在该透明材料(1)的外部、距该透明材料(1)的表面(10)的距离比特征长度(L)的100倍小、尤其是比该特征长度的10倍小。
4.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)借助于光具聚焦，并且焦点区域(63)布置在该透明材料(1)中或布置在该透明材料(1)的表面(10)上。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，该焦点区域(63)相对于该透明材料(1)的表面(10)的距离自动保持恒定。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)具有高斯型射束分布、或准非衍射光束的射束分布。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-这些超短激光脉冲(66)之间的间隔比该透明材料(1)的热扩散时间短，该间隔优选地介于10μs与1ps之间、尤其优选地介于1μs与50ps之间，和/或
-这些超短激光脉冲(66)的脉冲重叠大于1，和/或
-多个超短激光脉冲(66)是以一个脉冲串形式发射的，其中，优选地，这些脉冲串的时间间隔大于100ns、优选地大于1μs。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)和该透明材料(1)以进给相对于彼此运动。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该激光束(6)多次扫过该透明材料(1)的至少一个位置。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在引入该材料改性(3)之前，该激光束(6)被分成多个子光束(61，62)。
11.一种用于硬化透明材料(1)的设备，该设备包括超短脉冲激光器以及聚焦光具(7)，
其特征在于，
该聚焦光具(7)将该超短脉冲激光器的激光束(6)聚焦到该透明材料中或聚焦到该透明材料(1)的表面(10)上，或者该聚焦光具(7)将该激光束聚焦到该透明材料(1)的表面(10)上方，其中，该表面与焦点区域(63)之间的距离比特征长度(L)的100倍小、优选地比该特征长度的10倍小，以便硬化、优选地局部地硬化该透明材料(1)。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，
-该激光束(6)在被引入材料中时具有高斯型射束分布、或准非衍射光束的射束分布，和/或
-这些超短激光脉冲之间的间隔比该透明材料(1)的热扩散时间短，该间隔优选地介于10μs与1ps之间、尤其优选地介于1μs与50ps之间，和/或
-这些超短激光脉冲(66)的脉冲重叠大于1，和/或
-多个超短激光脉冲(66)是以一个脉冲串形式发射的，其中，优选地，这些脉冲串的时间间隔大于100ns、尤其是大于1μs。
13.如权利要求11和12中任一项所述的设备，其特征在于，
-设置了进给装置，该进给装置用于该激光束(6)与该透明材料之间的相对移动，和/或
-设置了具有反馈单元(82)的距离传感器，该距离传感器用于将该激光束(6)的焦点区域(63)相对于该透明材料(1)的表面(10)的距离(A)保持恒定。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，该进给装置(8)是激光扫描器或声光偏转器，或者，该激光扫描器或该声光偏转器作为进给装置(8)的补充来移动该激光束。
15.如权利要求11至14中任一项所述的设备，其特征在于，设置了光束成形光具，该光束成形光具被配置成在高斯型激光束被引入该材料中之前由该高斯型激光束产生准非衍射光束，和/或设置了分束器装置(5)，该分束器装置被配置成将该激光束(6)分成多个子光束。
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