CN116829296A - 用于激光加工工件的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

用本发明涉及一种用于激光加工工件(70)的设备，该设备包括：射束成形装置(16，16’)，该射束成形装置用于由入射在该射束成形装置(16，16’)上的输入激光射束(14)形成聚焦区(18)；以及望远镜装置(34，34’)，该望远镜装置用于将聚焦区(18)成像到工件(70)的材料(72)中，其中，射束成形装置(16，16’)用于在输入激光射束(14)的射束横截面上相位施加，使得聚焦区(18)沿着至少区段地弯曲的纵向中心轴线(40)延伸，并且聚焦区(18)在相对于纵向中心轴线(40)垂直取向的平面中具有非对称横截面。

Description

用于激光加工工件的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光加工工件的设备。
本发明还涉及一种用于激光加工工件的方法。
背景技术
EP 2 859 984 B1公开了一种用于激光加工透明材料的方法，在该方法的过程中，提供包含激光脉冲突发的激光射束，并且使激光射束的脉冲聚焦，其中，聚焦借助于一个或多个有像差的光学元件来执行，以便在透明材料外部的位置处形成束腰，以便在透明材料内沿着激光射束的纵向轴线产生分散的焦点，并且其中，聚焦的激光射束在透明材料内具有足够的能量密度以在透明材料中形成并保持连续的激光光丝，其中，沿着连续的激光光丝沉积的激光能量导致材料的内部改性部，其中，内部改性部具有由连续光丝限定的形状。
US10,173,916B2公开了一种使用激光对玻璃基板的边缘进行倒角和/或斜切的方法。
US2020/0147729 A1公开了一种基于高斯射束借助于不同的光图案形成斜切的角部的切割方法。
发明内容
本发明所基于的任务在于，提供开头所提及的设备，借助于该设备，可以以技术上简单的方式沿着弯曲的加工线对工件进行激光加工。
该任务在开头中提到的设备中根据本发明通过以下方式实现，该设备包括：射束成形装置，该射束成形装置用于由入射在射束成形装置上的输入激光射束形成聚焦区；以及望远镜装置，该望远镜装置用于将聚焦区成像到工件的材料中，其中，借助射束成形装置这样实现对输入激光射束的射束横截面的相位施加，使得聚焦区沿着至少区段地弯曲的纵向中心轴线延伸，并且聚焦区在相对于纵向中心轴线垂直取向的平面中具有非对称横截面。
借助射束成形装置使得可以通过以技术上简单的方式并且以少量的部件在输入激光射束的射束横截面上对应地相位施加来实现所提到的聚焦区。
尤其，聚焦区形成相互作用区域，其中，将该相互作用区域加载给工件的材料使得可以形成局部化的材料改性部，这尤其能够实现材料分离。
由于聚焦区沿着至少区段地弯曲的纵向中心轴线延伸，因此可以例如在工件上以单程和/或不利用光学单元的方式加工至少区段地弯曲的区域。这使得可以例如对工件上的倒圆区域进行改性和/或将该倒圆区域与工件分离。例如，由此可以使工件的边缘区域变圆。
借助聚焦区的非对称横截面使得可以控制和/或优化在进给方向上彼此相邻的改性区域之间的裂纹的形成。尤其，由此使得可以将裂纹至少近似平行于邻接的改性区域之间的最短连接线地定向。由此使得可以实现工件的优化分离。
尤其可以设置，在射束成形装置的射束出射侧上耦出的子射束的相位分布是非连续的和/或具有跳跃部位。由此使得可以通过耦出的子射束的干涉和尤其不完全结构干涉来产生具有非对称横截面的聚焦区。
非对称横截面尤其应理解为，射束和/或聚焦区的直径在x方向和y方向上具有不同的直径，其中，x方向和y方向尤其相对于彼此垂直取向和/或位于相对于射束传播方向垂直取向的平面中。
为了确定聚焦区的空间尺寸，例如聚焦区的长度和/或直径，在修改的强度分布中观察聚焦区，该修改的强度分布仅具有高于确定的强度阈值的强度值，其中，强度阈值尤其为实际强度分布的全域强度最大值的50％。聚焦区的长度或聚焦区的直径应理解为，聚焦区的基于修改的强度分布获得的、沿着聚焦区的纵向中心轴线或在相对于纵向中心轴线垂直取向的平面内的最大延伸长度和/或最大延伸尺度。
尤其，聚焦区的纵向中心轴线是弯曲的和/或连续弯曲的和/或在聚焦区的整个长度上弯曲的。
开头中提到的任务在开头中提到的设备中还根据本发明通过以下方式实现，该设备包括射束成形装置，该射束成形装置用于由入射在射束成形装置上的输入激光射束形成聚焦区；和望远镜装置用于将聚焦区成像到工件的材料中，其中，借助射束成形装置这样实现到输入激光射束的射束横截面上的相位施加，使得聚焦区沿着至少区段地弯曲的纵向中心轴线延伸，其中，望远镜装置配属有射束分裂装置，该射束分裂装置用于将从射束成形装置耦出的子射束分裂成多个偏振的子射束，这些多个偏振的子射束分别具有至少两种不同的偏振状态中的一种，其中，具有射束分裂装置的望远镜装置构造为用于将偏振的子射束聚焦到由具有第一偏振状态的第一子射束形成的第一子聚焦区以及由具有第二偏振状态的第二子射束形成的第二子聚焦区中，使得聚焦区至少区段地由第一子聚焦区和第二子聚焦区的空间重叠形成，并且聚焦区在相对于纵向中心轴线垂直取向的平面中具有非对称横截面。
在本发明的该变型中，通过使用射束分裂装置分裂射束来实现聚焦区的非对称横截面。由此，聚焦区尤其由具有第一偏振状态的第一子射束和具有第二偏振状态的第二子射束的非相干重叠和/或叠加形成。
原则上也可以借助于射束分裂装置形成具有多于两个不同偏振状态的子射束和/或聚焦区由两个以上不同的子聚焦区形成。
重叠尤其应理解至少部分的空间重叠，其中，这尤其用于增加第一子聚焦区的强度和第二子聚焦区的强度。
具有不同偏振状态的子射束尤其应理解为线性偏振的子射束，其中尤其是，具有第一偏振状态的第一子射束的偏振方向和具有第二偏振状态的第二子射束的偏振方向相对于彼此以90°的角度定向。
尤其可以设置，聚焦区至少区段地由第一子聚焦区的空间强度分布和第二子聚焦区的空间强度分布的重叠而形成。这使得可以以技术上简单的方式形成具有非对称横截面的聚焦区。
原则上，聚焦区也可以完全由第一子聚焦区和第二子聚焦区的空间重叠而形成。
可以有利的是，第一子聚焦区沿着第一纵向中心轴线延伸并且第二子聚焦区沿着第二纵向中心轴线延伸，其中，第一纵向中心轴线和第二纵向中心轴线各自至少区段地具有弯曲形状。由此使得可以形成具有弯曲形状和非对称横截面的聚焦区。
出于同样的原因，可以有利的是，第一纵向中心轴线和第二纵向中心轴线在相对于第一纵向中心轴线和/或第二纵向中心轴线垂直取向的方向上具有位置偏移。
出于同样的原因，可以有利的是，第一纵向中心轴线和第二纵向中心轴线至少近似彼此平行地延续。
尤其可以设置，第一子射束和第二子射束彼此不相干和/或第一子射束和第二子射束彼此不具有固定的相位关系。由此，聚焦区尤其由第一子射束和第二子射束的非相干重叠和/或叠加而形成。
尤其可以设置，射束分裂装置设置在望远镜装置的远场区域中和/或射束分裂装置至少近似地布置在望远镜装置的焦平面中。由此，射束分裂装置可以以技术上简单的方式集成在望远镜装置中。
远场区域尤其应理解为望远镜装置的射束路径内的这样的区域，在该区域中存在围绕望远镜装置的光轴的环形强度分布。
尤其可以设置，望远镜装置具有第一透镜元件和在射束传播方向上与第一透镜元件间隔开的第二透镜元件，其中，射束分裂装置布置在第一透镜元件与第二透镜元件之间，和/或其中，射束分裂装置至少近似地布置在第一透镜元件的焦平面和/或第二透镜元件的焦平面中。
尤其可以设置，射束分裂装置是或包括射束分裂光具、尤其偏振射束分裂光具。例如，射束分裂光具由石英晶体制成或包括石英晶体。
例如，射束分裂装置具有至少一个双折射元件、尤其至少一个双折射楔形元件。
有利的可以是，射束分裂装置具有双折射偏振器元件，借助于双折射偏振器元件，在从射束分裂装置耦出的第一子射束与第二子射束之间产生位置偏移和角度偏移。
尤其，射束分裂装置包括在纵向方向上布置在双折射偏振器元件下游的另一光学元件，例如各向同性元件或另一双折射偏振器元件。
尤其，该另一光学元件构造为用于修改从射束分裂装置耦出的第一子射束与第二子射束之间的位置偏移和/或角度偏移。
优选地，该另一光学元件设置为用于将第一子射束平行于望远镜装置的光轴定向。
可以有利的是，射束分裂装置用于将入射射束分别分裂成具有不同偏振状态的彼此不同的子射束，其中，从射束分裂装置耦出并具有不同偏振状态的子射束具有角度偏移。在子射束已经借助于望远镜装置成像之后，角度偏移导致具有不同偏振状态的子射束的位置偏移。
尤其可以设置，从射束分裂装置耦出并具有第一偏振状态的第一子射束平行于望远镜装置的光轴取向。这导致降低的调整复杂性。
根据本发明的设备的两个上述变型尤其各自具有下面描述的特征和/或优点中的一个或多个。
尤其可以设置，聚焦区和/或配属给聚焦区的中间图像通过从射束成形装置耦出的子射束的干涉、尤其区段地中相长的干涉而形成。
尤其，可以设置，望远镜装置具有第一透镜元件和在射束传播方向上与第一透镜元件间隔开的第二透镜元件，其中，第一透镜元件用于将射束耦合输入到望远镜装置中和/或第二透镜元件用于从望远镜装置耦出射束。
尤其，可以设置，望远镜装置具有第一透镜元件和在射束传播方向上与第一透镜元件间隔开的第二透镜元件，其中，第一透镜元件比第二透镜元件具有更大的焦宽。
在一个实施方式中，望远镜装置的第一透镜元件集成在射束成形装置中或设置在射束成形装置上。尤其，第一透镜元件的功能集成在射束成形装置中。
尤其，可以设置，聚焦区的纵向中心轴线至少区段地具有至少50μm和/或至多100mm的曲率半径，和/或聚焦区的纵向中心轴线具有至少200μm和/或至多2mm的平均曲率半径。
例如，聚焦区和/或聚焦区的纵向中心轴线具有U形形状和/或C形形状和/或双曲线形形状。
尤其，可以设置，聚焦区和/或聚焦区的纵向中心轴线至少近似地沿着弓形部分延伸。
例如，弓形部分的中心点角度为至少1°和/或至多90°。
例如，聚焦区和/或聚焦区的纵向中心轴线至少区段地沿着四分之一圆延伸。
尤其，可以设置，聚焦区具有空间上连续的设计。尤其，第一子聚焦区和/或第二子聚焦区具有空间上连续的设计。
尤其，聚焦区和/或聚焦区的纵向中心轴线具有连续的和/或可区分的形状。尤其，聚焦区和/或纵向中心轴线不具有任何断点和/或跳跃部位。
尤其，聚焦区具有线状形式和/或细长形式和/或长的形式。
例如，聚焦区的长度是聚焦区的最大直径的10倍以上、尤其50倍以上。
尤其，可以设置，聚焦区具有至少50μm和/或至多20mm的长度、尤其至少500μm和/或至多2mm的长度。
尤其，可以设置，聚焦区的最大直径为至少500nm和/或为至多5μm。
可以有利的是，在相对于聚焦区的纵向中心轴线垂直取向的平面中聚焦区的最大直径沿着纵向中心轴线至少近似恒定。这使得可以在聚焦区的整个长度上实现材料的近似均匀的加工。
可以有利的是，准非衍射射束和/或类贝塞尔射束可以借助于射束成形装置产生或是借助于射束成形装置产生的。由此，尤其，提供了具有在纵向方向上至少近似恒定的横向强度分布的聚焦区，其中，横向强度分布应理解为在相对于聚焦区的纵向中心轴线垂直取向的平面中的强度分布。
尤其，聚焦区具有准非衍射射束轮廓和/或类贝塞尔射束轮廓。
准非衍射射束和/或类贝塞尔射束应尤其理解为意指横向强度分布是传播不变的平均射束。尤其，在准非衍射射束和/或类贝塞尔射束的情况下，射束的纵向方向和/或射束传播方向上的横向强度分布基本上是恒定的。
横向强度分布应理解为位于相对于射束的纵向方向和/或射束传播方向垂直取向的平面中的强度分布。
关于准非衍射射束的定义和性质，参考以下书籍：“Structured Light Fields：Applications in Optical Trapping,Manipulation and Organisation[结构光场：光学捕获、操作和组织中的应用]”，M.Springer Science&Business Media[施普林格科学与商业媒体](2012)，ISBN 978-3-642-29322-1。
就具有弯曲形状的准非衍射射束和/或类贝塞尔射束的形成和性质而言，参考I.Chremmos等人的科学出版物“Bessel-like optical beams with arbitrarytrajectories[具有任意轨迹的类贝塞尔光学射束]”，《光学快报》，第37卷，第23期，2012年12月1日。
就具有非对称横截面的准非衍射射束和/或类贝塞尔射束的形成和性质而言，参考K.Chen等人的科学出版物“Generalized axicon-based generation ofnondiffracting beams[基于广义轴锥的非衍射射束的生成]”，arXiv:1911.03103v1[物理.光学]，2019年11月8日。
尤其，可以设置，聚焦区在相对于聚焦区的纵向中心轴线垂直取向的平面中具有椭圆形横截面。这使得可以尤其控制裂纹的形成和/或在工件的激光加工期间形成的裂纹的取向。
出于同样的原因，可以有利的是，聚焦区的横截面椭圆的最大直径至少近似平行于进给方向定向，在进给方向中，工件相对于聚焦区运动以形成加工线和/或加工面。由此，尤其在激光加工期间形成的裂纹至少近似平行于进给方向取向。
尤其，可以有利的是，借助于射束成形装置形成聚焦区的中间图像，其中，通过借助于望远镜装置对中间图像成像来形成聚焦区。望远镜装置可以用于基于用途尤其调整聚焦区的长度。
尤其，可以设置，在射束传播方向上，中间图像设置在射束成形装置与用于从望远镜装置耦出射束的第二透镜元件之间、和/或设置在射束成形装置与用于将从射束成形装置耦出的子射束分裂成多个偏振的子射束的射束分裂装置之间。
可以有利的是，射束成形装置和/或射束分裂装置相对于望远镜装置的光轴、尤其围绕望远镜装置的光轴可旋转。这使得可以调整聚焦区相对于工件的定向。
尤其，可以设置，该设备包括用于提供输入激光射束的激光源，其中尤其，脉冲激光射束或超短脉冲激光射束借助于激光源提供。
例如，输入激光射束的波长为至少300nm和/或为至多1500nm。例如，波长为515nm或1030nm。
尤其，加工射束具有至少1W至1kW的平均功率。例如，加工射束包括脉冲能量为至少10μJ和/或为至多50mJ的脉冲。可以设置，加工射束包括单独的脉冲或突发脉冲，其中，突发脉冲具有2个至20个子脉冲以及尤其大约20ns的时间间隔。
可以有利的是，射束成形装置具有至少一个衍射光学元件或呈衍射光学元件的形式。
原则上，射束成形装置也可以呈折射和/或反射光学元件的形式。
例如，射束成形装置是或包括轴锥状元件。
可以有利的是，在射束成形装置的射束出射侧上耦出的子射束的相位分布是非对称的和/或非旋转对称的。尤其，相位分布相对于输入激光射束的射束轴和/或相对于射束成形装置的光轴是非对称的和/或非旋转对称的。这使得可以产生例如呈弯曲的类贝塞尔射束和/或加速的类贝塞尔射束的形式的聚焦区。
可以有利的是，该设备包括用于控制入射在射束成形装置上的输入激光射束的直径的另一望远镜装置。这使得可以控制和/或调节聚焦区的长度。
例如，另一望远镜装置沿射束传播方向设置在射束成形装置的上游。
根据本发明，提供了一种用于激光加工工件的方法，在该方法的过程中，使用射束成形装置由入射在射束成形装置上的输入激光射束形成聚焦区，其中，聚焦区借助于望远镜装置成像或可以成像到工件的材料中，并且其中，射束成形装置用于在输入激光射束的射束横截面上相位施加，使得聚焦区沿着至少区段地弯曲的纵向中心轴线延伸，并且聚焦区在相对于纵向中心轴线垂直取向的平面中具有非对称横截面。
根据本发明，提供了用于激光加工工件的另一种方法，在该方法的过程中，射束成形装置用于由入射在射束成形装置上的输入激光射束形成聚焦区，其中，聚焦区借助于望远镜装置成像或可以成像到工件的材料中，射束成形装置用于在输入激光射束的射束横截面上相位施加，使得聚焦区沿着至少区段地弯曲的纵向中心轴线延伸，配属给望远镜装置的射束分裂装置用于将从射束成形装置耦出的子射束分裂成多个偏振的子射束，该多个偏振的子射束中的每个偏振的子射束具有至少两种不同的偏振状态中的一种，偏振的子射束聚焦到由具有第一偏振状态的第一子射束形成的第一子聚焦区和由具有第二偏振状态的第二子射束形成的第二子聚焦区中，由此是聚焦区至少区段地由第一子聚焦区和第二子聚焦区的空间重叠形成，并且聚焦区在相对于纵向中心轴线垂直取向的平面中具有非对称横截面。
根据本发明的方法尤其具有上文描述的根据本发明的设备的一个或多个特征和/或优点。已经结合根据本发明的设备解释了根据本发明的方法的有利配置。
尤其，可以设置，工件由对输入激光射束的波长和/或由输入激光射束形成的聚焦区的波长透明的材料制成和/或由该材料构成。例如，工件的材料是玻璃或包括玻璃。
透明材料应被理解为尤其意指被加工射束的至少70％、尤其至少80％、尤其至少90％的激光能量透射穿过的材料。
尤其，可以设置，将聚焦区施加到工件以执行激光加工，并且尤其，工件相对于聚焦区沿着加工线或加工面运动。这使得可以在工件中形成沿着加工线或加工面设置的材料改性部。
尤其，可以设置，在已经执行激光加工之后，可以将工件沿着加工线和/或加工面分离，或将工件沿着加工线和/或加工面分离。
可以有利的是，可以通过施加热载荷和/或机械应力和/或通过借助于至少一种湿化学溶液进行蚀刻将工件的材料沿着加工线和/或加工面分离，或通过施加热载荷和/或机械应力和/或通过借助于至少一种湿化学溶液进行蚀刻将工件的材料沿着加工线和/或加工面分离。
尤其，可以设置，输入激光射束是脉冲激光射束或超短脉冲激光射束，和/或聚焦区借助于脉冲激光射束或超短脉冲激光射束形成。
尤其，设置用于将工件相对于聚焦区运动和/或倾斜的轴线系统。
可以设置用于尤其包含按需脉冲的空间分辨脉冲控制的调节电子器件，以控制用于提供输入激光射束的激光源。
尤其，设置用于工件的工件安装件，该工件安装件尤其具有非反射和/或强散射表面。
除非另有说明，否则聚焦区的前述性质基本上与空气中的聚焦区的性质和/或工件外部的聚焦区的性质有关。
尤其，指示“近似”和“至少近似”通常应理解为不超过10％的偏差。除非另有说明，否则指示“近似”或“至少近似”应理解为尤其意指实际值和/或距离和/或角度与理想值和/或距离和/或角度偏差不超过10％。
附图说明
以下对优选实施例的描述用于结合附图更详细地解释本发明，
在附图中：
图1示出了用于激光加工工件的设备的一个实施例的示意性截面图，其中指示了两种不同的变型；
图2示出了用于激光加工工件的设备的另一实施例的部分区域的示意性截面图，其中指示了两种不同的变型；
图3示出了该设备的射束成形装置的第一实施例的射束出射侧上的子射束的相位分布的示意图；
图4示出了在平行于聚焦区的纵向中心轴线取向的z-x平面中具有弯曲轮廓的聚焦区的模拟强度分布；
图5示出了聚焦区在相对于聚焦区的纵向中心轴线垂直取向的x-y平面中的强度分布的模拟横截面图；
图6示出了该设备的射束成形装置的另一实施例的射束出射侧上的子射束的相位分布的示意图；
图7示出了射束分裂装置的第一实施例的示意性截面图；
图8示出了射束分裂装置的另一实施例的示意性截面图；
图9a示出了聚焦区在平行于聚焦区的纵向中心轴线的横截面中的示意图，其中聚焦区由第一子聚焦区和第二子聚焦区的空间重叠形成；
图9b示出了根据图9a的聚焦区在相对于聚焦区的纵向中心轴线垂直取向的x-y平面中的示意性横截面图；
图10a示出了聚焦区在相对于聚焦区的纵向中心轴线垂直取向的x-y平面中的强度分布的示意性横截面图；
图10b示出了根据图10a的聚焦区在y＝0时在x方向上的强度分布；
图10c示出了根据图10a的聚焦区在x＝0时在y方向上的强度分布；
图11示出了借助于沿着加工线和/或加工面的聚焦区加工的工件的示意性截面图；
图12a示出了沿着加工线和/或加工面被分成两个不同部段的工件的示例的立体图；
图12b示出了沿着加工线和/或加工面被分成两个不同部段的工件的又一示例的立体图；
图13示出了工件在加工线和/或加工面上的部分区域的示意性截面图，其中裂纹形成在相互间隔开的改性区域之间。
具体实施方式
在所有实施例中，相同或具有功能相同的元件由相同的附图标记表示。
用于激光加工工件的设备的第一实施例在图1中示出，且在那里用10表示。借助设备10能产生位于工件上的材料改性部，例如削弱材料的亚微米级或原子级缺陷。由此使得可以例如在后续步骤中将工件分离成两个彼此不同的部段。
尤其，设备10包括用于提供输入激光射束14的激光源12。输入激光射束14尤其脉冲激光射束和/或超短脉冲激光射束。例如，输入激光射束14是高斯射束和/或具有衍射射束轮廓。
设备10包括射束成形装置16，输入激光射束14可以被耦合输入到该射束成形装置中。尤其，在设备10的运行状态下，输入激光射束14被耦合输入到射束成形装置16中。
输入激光射束14沿着纵向方向z传播。尤其，纵向方向z应理解为输入激光射束14和/或由输入激光射束14形成的射束穿过设备10的主射束传播方向。
输入激光射束14的波长例如为515nm或1030nm。
射束成形装置16将相位施加到输入激光射束14的射束横截面上，以产生细长的聚焦区18。该射束横截面的横截面方向相对于纵向方向z和/或相对于射束传播方向垂直取向。
输入激光射束14在射束入射侧20上照射在射束成形装置16上并且被耦合输入到射束成形装置中。在定位成与射束入射侧20相反的射束出射侧22上，相位调制的子射束24从射束成形装置16耦出。
从射束成形装置16耦出的子射束24是相互相干的子射束，也就是说，彼此不同的子射束24具有相对彼此固定的相位关系。
从射束成形装置16出射的子射束24还相对于入射在射束成形装置16上的输入激光射束14和/或相对于射束成形装置16的光轴25以锥角β1倾斜。尤其，子射束24具有圆锥形轮廓和/或圆锥形包络。
子射束24的干涉导致中间图像26的形成，该中间图像被配属给聚焦区18并且在纵向方向z上设置在射束成形装置16的下游。聚焦区18的中间图像26和/或聚焦区18具有细长和/或长的形状。
尤其，中间图像26和/或聚焦区18在纵向方向z上定向。例如，中间图像26的主延伸方向和/或聚焦区18的主延伸方向沿纵向方向z取向和/或平行于光轴25取向。
中间图像26沿着纵向中心轴线27(由图1中的虚线指示)延伸。在这方面，纵向中心轴线27尤其中间图像26在纵向方向上的对称轴线。
第一射束成形装置16尤其呈衍射光学元件的形式。例如，第一射束成形装置呈轴锥状元件的形式。
借助于射束成形装置16施加在子射束24上的相位轮廓尤其使得中间图像26和/或聚焦区18具有准非衍射射束轮廓和/或类贝塞尔射束轮廓。
此外，施加在子射束24上的相位轮廓使得中间图像26和/或聚焦区18具有弯曲形状。相应地，纵向中心轴线27具有弯曲形状，中间图像26沿该纵向中心轴线延伸。
图3中展示了借助于射束成形装置16施加在子射束24上的相位分布的一个示例。在图3中，借助于灰度轮廓描绘了在射束出射侧22上从射束成形装置16出射的子射束24的二维相位分布，其中指定的灰度范围从白色(相位+π)达到黑色(相位-π)。
所示的射束出射侧22和/或相位分布位于相对于纵向方向z横向且尤其垂直取向的平面中。
在空间位置X1、Y1处在射束出射侧22从射束成形装置16出射的每个子射束24配属有位于从-π到+π的范围内的确定的相位位移值，该相位位移值在根据图3的示例中参考此处示出的相位分布是可见的。
在图3所示的示例中，射束出射侧22上的相位分布具有非对称轮廓、尤其非旋转对称轮廓。这导致在子射束24上相位施加轮廓，从而使得通过子射束24的干涉而形成具有弯曲轮廓的聚焦区。由此，中间图像26和/或聚焦区18具有弯曲轮廓。
此外，图3所示的相位分布具有一个或多个跳跃部位28，在该一个或多个跳跃部位处，两个邻接的部分区域30a、30b之间的相位轮廓是不连续的。例如，邻接的部分区域30a、30b之间的相位位移和/或相位不连续性具有π值。
跳跃部位28应理解为第一部分区域30a与邻接第一部分区域30a的第二部分区域30b之间的分隔点和/或分隔线。
尤其，位于第一部分区域30a中的跳跃部位28上的第一边界点32a与位于第二部分区域30b中的跳跃部位28上的第二边界点32b之间的相位差为π。
尤其，邻接的部分区域30a、30b各自是局部连续的部分区域。
由于相位分布是不连续的和/或具有跳跃部位，借助于射束成形装置16施加在子射束24上的相位轮廓使得中间图像26和/或聚焦区18具有非对称射束横截面。关于中间图像26，射束横截面的横截面平面相对于纵向中心轴线27垂直取向。
设备10具有望远镜装置34，该望远镜装置在射束传播方向和/或纵向方向z上设置在中间图像26的下游。聚焦区18由该望远镜装置34对中间图像26成像而形成，其中望远镜装置34尤其以减小的大小执行成像。
望远镜装置34具有第一透镜元件36和第二透镜元件38，该第二透镜元件在纵向方向z上与第一透镜元件36间隔开。
第一透镜元件36是望远镜装置34的长焦距透镜元件和/或输入透镜元件。第二透镜元件38是望远镜装置34的输出透镜元件和/或短焦距透镜元件。第二透镜元件38尤其呈物镜的形式和/或具有物镜的功能。
第一透镜元件36和/或第二透镜元件38不必形成为一体。尤其，可以设置，第一透镜元件36和/或第二透镜元件38在各自情况下由多个光学部件形成或包括多个光学部件。
第一透镜元件36的第一焦距f1大于第二透镜元件38的第二焦距f2。尤其，比率f1/f2为至少5和/或为至多50。
望远镜装置34使得可以将聚焦区18照射到和/或成像到要加工的工件中。尤其，望远镜装置34使得可以调整聚焦区18的空间尺寸以加工工件。
尤其，聚焦区18应理解为具有至少近似恒定强度并且沿着纵向中心轴线40延伸的聚焦区域(由图1中的虚线指示)。在这方面，纵向中心轴线40尤其聚焦区18在纵向方向上的对称轴线。
尤其，聚焦区18具有沿着纵向中心轴线40延伸并且具有至少近似恒定的强度的聚焦区域。
尤其，聚焦区18具有空间上连续的设计，也就是说，聚焦区18的聚焦强度区域在各自情况下具有空间上连续的设计。
然而，原则上也可以使聚焦区18的强度沿纵向中心轴线变化和/或在孤立点处为零。
尤其，聚焦区18应被理解为这样的聚焦区域：在该聚焦区域内，激光辐射的强度至少足够大，使得当将聚焦区18施加到工件的材料时，在材料内产生改性的区域。尤其，材料可以在这些改性的区域处分离。
聚焦区18的纵向中心轴线40具有至少区段地弯曲的和/或连续弯曲的形状。
图4示出了聚焦区18的一个实施例，该实施例展示了在平行于纵向中心轴线40取向的z-x平面中的强度分布。较浅的灰度值代表较大的强度。在根据图4的实施例中，聚焦区18具有弧形形状和/或C形形状。
聚焦区18尤其应理解为总体最大强度分布42，该总体最大强度分布尤其具有空间上连续的设计。尤其，仅该总体最大强度分布42与为了形成改性部的目的而要被加工的材料的相互作用相关。
最大强度分布42尤其被次级强度分布44包围。这些次级强度分布44尤其设置在最大强度分布42周围和/或与最大强度分布42间隔开。次级强度分布44尤其次级最大值或包括次级最大值。
尤其，次级强度分布44对于工件的激光加工是不重要的，因为由于较低的强度，在工件的材料中没有形成改性部和/或可忽略不计地形成改性部。
聚焦区18具有非对称射束横截面，其中横截面方向相对于纵向中心轴线40垂直取向。图5示出了聚焦区18在相对于纵向中心轴线40垂直取向的x-y平面中的示例。
尤其，聚焦区18具有沿x方向的直径dx和沿相对于x方向垂直取向的y方向的直径dy，其中，x方向和y方向位于相对于纵向中心轴线40垂直取向的平面内。
尤其，可以设置，聚焦区18具有椭圆形射束横截面。在这种情况下，dx和dy是不同的。例如，dx平行于指定椭圆的半长轴取向，而dy平行于半短轴取向。
在设备10的第二变型中，与上述第一变型相比，射束成形装置16’用于形成中间图像26’，该中间图像被配属给聚焦区18并且具有至少近似对称的射束横截面。
射束成形装置16’和中间图像26’尤其分别具有上述射束成形装置16和上述中间图像26的一个或多个特征和/或优点。
中间图像26’沿着纵向中心轴线27延伸、并且尤其具有准非衍射射束轮廓和/或类贝塞尔射束轮廓。
在射束出射侧22上，从射束成形装置16’出射的子射束24与在上文描述的射束成形装置16的情况相比具有不同的相位分布。
图6中以灰度分布的形式展示了借助于射束成形装置16’施加在子射束24上的相位分布的一个示例(类似于图3)。射束出射侧22上的相位分布具有非对称轮廓、尤其非旋转对称轮廓。这导致在子射束24上相位施加轮廓，从而使得通过子射束24的干涉而形成具有弯曲轮廓的聚焦区。由此，中间图像26’和/或聚焦区18具有弯曲的轮廓。
尤其，图6所示的相位分布是连续的、尤其总体上连续的。尤其，图6所示的相位分布没有任何断点和/或跳跃部位。这导致在子射束24上相位施加轮廓，从而使得通过子射束24的干涉而形成具有对称射束横截面的聚焦区。由此，中间图像26’具有对称射束横截面，其中横截面方向相对于纵向中心轴线27垂直取向。
为了实现聚焦区18的非对称射束横截面，该第二变型中的设备10包括配属给望远镜装置34的射束分裂装置46(由图1中的虚线指示)。例如，射束分裂装置46是望远镜装置34的一部分和/或设置在望远镜装置34的射束路径中。例如，射束分裂装置46是或包括偏振射束分裂光学单元。
射束分裂装置46尤其设置在远场区域48中和/或望远镜装置34的焦平面50中。例如，焦平面50是第一透镜元件36的焦平面和/或第二透镜元件38的焦平面。
从射束成形装置16’耦出的子射束24和/或源自中间图像26’的射束作为入射射束52照射在射束分裂装置46上。这些入射射束52各自借助于射束分裂装置46被分裂成具有不同偏振状态的不同子射束54a、54b。
在图7所示的射束分裂装置46的示例中，入射射束52通过射束分裂装置56被分裂成具有第一偏振状态的第一子射束54a和具有第二偏振状态的第二子射束54b。
第一偏振状态和第二偏振状态尤其相对于彼此垂直取向的偏振状态、和/或线性偏振状态。尤其，第一子射束54a和第二子射束54b被偏振，使得电场位于相对于纵向方向z和/或射束传播方向(横向电)垂直的平面中。
第一子射束54a相对于第二子射束54b具有位置偏移Δx和角度偏移Δα。
尤其，第一子射束54a至少近似平行于望远镜装置34的光轴56取向，其中光轴56例如平行于射束成形装置16、16’的光轴25取向或与之重合地取向。
借助于望远镜装置34和/或借助于第二透镜元件38，从射束分裂装置46耦出的第一子射束54a被成像到第一子聚焦区58a中。相应地，借助于望远镜装置34和/或借助于第二透镜元件38，从射束分裂装置46耦出的第二子射束54b被成像到第二子聚焦区58b中(图9a和图9b)。
由于第一子射束54a和第二子射束54b的角度偏移，在借助于望远镜装置34聚焦之后，由此是第一子聚焦区58a与第二子聚焦区58b之间在相对于纵向中心轴线40垂直取向的方向上的位置偏移Δb。
第一子聚焦区58a沿着第一纵向中心轴线60a延伸，而第二子聚焦区58b沿着第二纵向中心轴线60b延伸。第一纵向中心轴线60a和第二纵向中心轴线60b沿纵向方向z和/或射束传播方向延伸。
尤其，第一子聚焦区58a和第二子聚焦区58b各自至少近似地具有对称射束横截面，其中横截面方向分别相对于第一纵向中心轴线60a和第二纵向中心轴线60b垂直取向。
聚焦区18由第一子聚焦区58a和第二子聚焦区58b的至少部分空间重叠和/或叠加而形成。由此形成的聚焦区18的射束横截面是非对称的、尤其椭圆形的(参见图9a和图9b)。
第一子射束54a和第二子射束54b是相互不相干的子射束和/或彼此不具有固定的相位关系，因此尤其第一子射束54a和第二子射束54b彼此不干涉。因此，在第一子射束54a和第二子射束54b的空间重叠的情况下，由此是第一子射束54a和第二子射束54b的各自强度的相加。
在图9a和图9b所示的示例中，第一纵向中心轴线60a至少近似平行于第二纵向中心轴线60b取向。聚焦区18的纵向中心轴线40相对于第一纵向中心轴线60a和第二纵向中心轴线60b对称和/或位于中心。
在图7所示的示例中，射束分裂装置46包括双折射偏振器元件62。借助双折射偏振器元件62，在第一子射束54a与第二子射束54b之间产生位置偏移Δx和角度偏移Δα这两者。
在该双折射偏振器元件62上形成射束分裂装置46的射束入射侧64和/或射束入射表面。
双折射偏振器元件62的光轴66相对于射束入射侧64和/或相对于望远镜装置34的光轴56以例如45°的角度取向。
射束分裂装置46还包括各向同性元件68，该各向同性元件沿纵向方向z设置在双折射偏振器元件62的下游。第一子射束54a借助于该各向同性元件68平行于光轴56定向。
双折射偏振器元件62和/或各向同性元件68例如具有楔形设计。
图8所示的另一实施例与根据图7的实施例的主要区别在于，第一子射束54a平行于望远镜装置34的光轴56取向并且位于该光轴56中。
对于第一子射束54a相对于光轴56的平行定向以及这些第一子射束在光轴56上的定位，根据图8的实施例包括一个设置在另一个后面的两个双折射偏振器元件62。
在所有其他方面，根据图8的实施例基本上具有与根据图7的实施例相同的结构和/或相同的操作模式，并且因此在这方面参考其上面的描述。
就射束分裂装置46的操作模式和设计而言，参考来自同一申请人的参考号为102020 207 715.0(申请日：2020年6月22日)的德国专利申请。明确引用该文件的全部内容。
用于激光加工工件的设备10’的另一个实施例(图2)与上文描述的实施例的主要区别在于设置了望远镜装置34’的替代变型。
在望远镜装置34’的情况下，第一透镜元件36集成在射束成形装置16、16’中或者设置在射束成形装置的射束出射侧22上。这使得设备10’尤其可以具有特别紧凑的构型和/或具有减少数量的单个部件的构型。
例如，第一透镜元件36的功能集成在射束成形装置16、16’中。
在设备10’的情况下形成并配属给聚焦区18的中间图像68不一定具有上文描述的中间图像26、26’的特性。与中间图像26、26’相比，由于在本实例中被修改的射束轮廓，中间图像68具有不同的形式。尤其，与中间图像26、26’和/或聚焦区18相比，中间图像68具有不同的形状。
在所有其他方面，设备10’基本上具有与上文描述的设备10的变型相同的结构和相同的操作模式，并且因此在这方面参考其描述。
为为了确定聚焦区18在纵向中心轴线40的方向上的长度l和/或在分别相对于纵向中心轴线28垂直取向的x方向和y方向上的直径dx、dy，考虑仅具有高于确定的强度阈值的强度值的修改的强度分布，其中强度阈值尤其为实际强度分布的全域强度最大值的50％。在图10a、图10b和图10c中示意性地展示了聚焦区18的直径dx、dy。
聚焦区18的长度l应理解为，例如意指基于修改的强度分布，沿着纵向中心轴线40的聚焦区18的最大延伸长度和/或最大延伸尺度。在图9a所示的示例中，长度l例如是聚焦区18的对应曲线长度和/或弧长度和/或圆弧长度。
可以设置，设备10包括另一望远镜装置69，该另一望远镜装置沿纵向方向z设置在激光源12与射束成形装置16、16’之间。该另一望远镜装置42可以用于控制和/或调节入射在射束成形装置16、16’上的输入激光射束14的直径d0。
通过控制和/或调节直径d0，可以控制和/或调节聚焦区的长度l和/或聚焦区18的中间图像26、26’的长度。长度l随着直径do增加而增加。
根据本发明的设备10、10’操作如下：
为了借助于设备10、10’在工件70上执行加工操作，将聚焦区18施加到工件70的材料72，并且使聚焦区18相对于材料72运动。
尤其，材料72是对输入激光射束14的波长和/或由输入激光射束14形成的聚焦区18的波长透明或部分透明的材料。例如，材料72是玻璃材料。
聚焦区18尤其沿着预定的加工线74和/或加工面运动(图11、图12a和图12b)。加工线74可以例如具有直的和/或弯曲的部分。
通过将聚焦区18施加到材料72，在加工线74和/或加工面上的该材料72上形成局部材料改性部，这些局部材料改性部降低加工线74和/或加工面上的材料72的强度。
这使得例如通过施加机械力，在加工线74和/或加工面上已经形成材料改性部之后，可以将材料72分离成两个不同的部段。
图11、图12a和图12b例如示出了借助于聚焦区18a的第一变型对材料72的加工，该聚焦区从第一外侧76延伸到与第一外侧76相反的第二外侧78，其中，第一外侧76与第二外侧78间隔开材料72的材料厚度D。在所示的示例中，第一聚焦区18a至少在整个材料厚度D上延伸。这使得例如可以将在整个材料厚度D上延伸的部段80从材料72分离。
聚焦区18b的第二变型区段地中延伸穿过材料72。这使得可以例如将具有四分之一圆轮廓的部段82从材料72分离(图12b)。聚焦区18b使得可以例如使材料72的边缘84变圆。
聚焦区18相对于材料72的进给方向86平行于加工线74取向。
图13示出了由聚焦区18相对于材料72的相对运动形成的多个改性区域88。尤其，聚焦区18的横截面被定向，使得横截面的长轴线至少近似平行于进给方向86取向和/或横截面的短轴线相对于进给方向86横向且尤其垂直取向。
在图13所示的示例中，聚焦区18具有椭圆形横截面。更大的半轴线和/或更大的直径dy至少近似平行于进给方向86取向。
这使得可以在邻接的改性区域88之间尤其以受控的方式形成裂纹90，其由此是可以实现材料72的最佳分离。
尤其，将裂纹90至少近似平行于邻接的改性区域88之间的最短连接线定向。
附图标记列表
β1锥角Δx位置偏移
Δb位置偏移Δα角度偏移
dx x方向上的直径
dy y方向上的直径
d0直径D材料厚度
l长度z纵向方向
10、10'设备12激光源
14输入激光射束16、16'射束成形装置
18聚焦区18a、18b聚焦区
20射束入射侧22射束出射侧
24 子射束
25 光轴
26、26'中间图像
27 纵向中心轴线
28 跳跃部位
30a 第一部分区域
30b 第二部分区域
32a 第一边界点
32b 第二边界点
34、34'望远镜装置
36 第一透镜元件
38 第二透镜元件
40 纵向中心轴线
42 总最大强度分布
44 次级强度分布
46 射束分裂装置
48 远场区域
50 焦平面
52 入射射束
54a 第一子射束
54b 第二子射束
56 光轴
58a 第一子聚焦区
58b 第二子聚焦区
60a 第一纵向中心轴线
60b 第二纵向中心轴线
62 双折射偏振器元件
64 射束入射侧
66 光轴
68 中间图像
69 另一望远镜装置
70 工件
72 材料
74 加工线
76 第一外侧
78 第二外侧
80 部段
82 部段
84 边缘
86 进给方向
88 改性区域
90 裂纹

Claims (12)

1.一种用于激光加工工件(70)的设备，该设备包括：射束成形装置(16，16’)，该射束成形装置用于由入射到所述射束成形装置(16，16’)上的输入激光射束(14)形成聚焦区(18)；以及望远镜装置(34，34’)，该望远镜装置用于将所述聚焦区(18)成像到所述工件(70)的材料(72)中，其中，借助所述射束成形装置(16，16’)这样实现到所述输入激光射束(14)的射束横截面上的相位施加，使得所述聚焦区(18)沿着至少区段地弯曲的纵向中心轴线(40)延伸，其中，所述望远镜装置(34，34’)配属有射束分裂装置(46)，该射束分裂装置用于将从所述射束成形装置(16，16’)耦出的子射束(24)分裂成多个偏振的子射束(54a，54b)，所述多个偏振的子射束分别具有至少两种不同的偏振状态中的一种，其中，具有所述射束分裂装置(16，16’)的望远镜装置(34，34’)构造为用于将所述偏振的子射束(54a，54b)聚焦到由具有第一偏振状态的第一子射束(54a)形成的第一子聚焦区(58a)以及由具有第二偏振状态的第二子射束(54b)形成的第二子聚焦区(58b)中，使得所述聚焦区(18)至少区段地由所述第一子聚焦区(58a)和所述第二子聚焦区(58b)的空间重叠形成，并且所述聚焦区(18)在相对于所述纵向中心轴线(40)垂直取向的平面中具有非对称横截面，其特征在于，所述射束分裂装置(46)具有双折射偏振器元件(62)，借助于该双折射偏振器元件，在从所述射束分裂装置(46)耦出的第一子射束(54a)与第二子射束(54b)之间不但产生位置偏移(Δx)而且产生角度偏移(Δα)，其中，从所述射束分裂装置(46)耦出的第一子射束(54a)平行于所述望远镜装置(34，34')的光轴(56)取向。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一子聚焦区(58a)沿着第一纵向中心轴线(60a)延伸，并且所述第二子聚焦区(58b)沿着第二纵向中心轴线(60b)延伸，其中，所述第一纵向中心轴线(60a)和所述第二纵向中心轴线(60b)各自至少区段地具有弯曲形状，并且尤其特征在于，所述第一纵向中心轴线(60a)和所述第二纵向中心轴线(60b)在相对于所述第一纵向中心轴线(60a)和/或所述第二纵向中心轴线(60b)垂直取向的方向上具有位置偏移(Δb)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第一子射束(54a)和所述第二子射束(54b)相对彼此不相干和/或所述第一子射束(54a)和所述第二子射束(54b)不具有相对彼此固定的相位关系。
4.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述射束分裂装置(46)布置在所述望远镜装置(34，34’)的远场区域(48)中，和/或所述射束分裂装置(46)至少近似地布置在所述望远镜装置(34，34’)的焦平面(50)中。
5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述射束分裂装置(46)是或包括射束分裂光具、尤其偏振射束分裂光具，和/或所述射束分裂装置(46)具有至少一个双折射元件、尤其至少一个双折射楔形元件。
6.根据权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，借助所述射束分裂装置(46)将入射射束(52)分别分裂成具有不同偏振状态的彼此不同的子射束(54a，54b)，其中，从所述射束分裂装置(46)耦出、具有不同偏振状态的子射束(54a，54b)具有角度偏移(Δα)。
7.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述聚焦区(18)的纵向中心轴线(40)至少区段地具有至少50μm和/或至多100mm的曲率半径，和/或所述聚焦区(18)的纵向中心轴线(40)具有至少200μm和/或至多2mm的平均曲率半径，和/或所述聚焦区(18)具有至少50μm和/或至多20mm、尤其至少500μm和/或至多2mm的长度(l)。
8.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述聚焦区(18)具有准非衍射射束轮廓和/或类贝塞尔射束轮廓。
9.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述聚焦区(18)在相对于所述聚焦区(18)的纵向中心轴线(40)垂直取向的平面内具有椭圆形横截面，并且尤其特征在于，所述聚焦区(18)的横截面椭圆的最大直径(dx，dy)至少近似平行于进给方向(86)定向，所述工件(70)沿所述进给方向相对于所述聚焦区(18)运动以形成加工线(74)和/或加工面。
10.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，设置有用于提供所述输入激光射束(14)的激光源(12)，其中尤其，借助于所述激光源(12)提供脉冲激光射束或超短脉冲激光射束。
11.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，在所述射束成形装置(16，16’)的射束出射侧(22)上耦出的子射束(24)的相位分布是非对称的和/或非旋转对称的。
12.一种用于激光加工工件(70)的方法，在该方法中，借助射束成形装置(16，16')由入射到所述射束成形装置(16，16')上的输入激光射束(14)形成聚焦区(18)，其中，所述聚焦区(18)借助于望远镜装置(34，34')被成像或能成像到所述工件(70)的材料(72)中，借助所述射束成形装置(16，16')这样实现到所述输入激光射束(14)的射束横截面上的相位施加，使得所述聚焦区(18)沿着至少区段地弯曲的纵向中心轴线(40)延伸，借助配属给该望远镜装置(34，34')的射束分裂装置(46)将从所述射束成形装置(16，16')耦出的子射束(24)分裂成多个偏振的子射束(54a，54b)，所述多个偏振的子射束中分别具有至少两种不同的偏振状态中的一种，这些偏振的子射束(54a，54b)被聚焦到由具有第一偏振状态的第一子射束(54a)形成的第一子聚焦区(58a)以及由具有第二偏振状态的第二子射束(54b)形成的第二子聚焦区(58b)中，使得所述聚焦区(18)至少区段地由所述第一子聚焦区(58a)和所述第二子聚焦区(58b)的空间重叠形成，并且所述聚焦区(18)在相对于所述纵向中心轴线(40)垂直取向的平面中具有非对称横截面，其特征在于，所述射束分裂装置(46)具有双折射偏振器元件(62)，借助于该双折射偏振器元件，在从所述射束分裂装置(46)耦出的第一子射束(54a)与第二子射束(54b)之间不但产生位置偏移(Δx)而且产生角度偏移(Δα)，其中，从所述射束分裂装置(46)耦出的第一子射束(54a)平行于所述望远镜装置(34，34')的光轴(56)取向。
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