CN116917077A - 借助准非衍射激光射束激光加工部分透明的工件 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于借助准非衍射的激光射束(5)对工件(9)进行材料加工的方法，其中，该工件(3)具有对于准非衍射的激光射束(5)部分透明的材料，该材料具有线性吸收。该方法包括步骤：将脉冲原始激光束(5')射入(步骤103)光学射束成形系统(13)中，以构造准非衍射的激光射束(5)，该激光射束具有在所述纵向方向(z)上延伸的焦点区(7)，以用于该工件(3)的材料加工，其中，借助该光学射束成形系统(13)向该原始激光束(5')的射束横截面进行相位施加，以构造经相位施加的激光射束(5_PH)；将经相位施加的激光射束(5_PH)聚焦(步骤107)到该工件(3)的部分透明的材料中，从而构造准非衍射的激光射束(5)，并且该焦点区(7)具有可沿着所述纵向方向(z)设定的强度分布，其中，这样设定所述相位施加，使得在将经相位施加的激光射束聚焦到该工件(3)的部分透明的材料中时，该准非衍射的激光射束(5)的强度分布(BG_2h(+))在该焦点区(7)中在纵向方向(z)上至少近似地恒定。

Description

借助准非衍射激光射束激光加工部分透明的工件
技术领域
本发明涉及一种用于借助准非衍射的射束对部分透明的工件进行材料加工的方法。此外，本发明涉及一种激光加工设备。
背景技术
与线性吸收无关地可以利用高强度激光射束的非线性吸收来加工工件。为此，如果在工件的材料中发生高强度激光射束的非线性吸收，则可以利用高强度激光射束在工件中产生一种或多种修改(Modifikation)。修改可以在材料的结构方面实现，并且可以例如用于钻孔、通过诱导应力切割，用于实现折射行为的修改或用于选择性激光蚀刻。为此例如参见申请人在加工基本上透明的工件领域中的申请WO 2016/079062 A1、WO 2016/079063A1和WO 2016/079275A1。例如，在所引用的WO 2016/079275A1中描述了射束成形元件和光学装置，利用所述射束成形元件和光学装置可以在射束传播方向上以高纵横比提供长的、细的射束轮廓以用于激光加工。
在部分透明的工件的情况下，工件具有对于材料激光射束具有线性吸收能力。例如，部分透明的工件具有吸收系数(与入射的激光射束强度无关)，其吸收系数在约0.1/mm至约2.5/mm的范围内，相应于在90％至10％每毫米材料厚度的范围内、例如60％每1mm玻璃厚度的典型的透射率。部分透明的工件的激光加工不同于对于激光射束基本上透明、即具有可忽略的线性吸收的材料的激光加工，因为在材料中传播的激光射束附加地被材料线性吸收。因此，吸收的激光射束越多，激光射束通过材料传播得越远。
发明内容
本公开的一个方面基于，使得能够实现具有在传播方向上长的焦点区的部分透明的工件的激光加工。特别是，射束成形方法、如为透明工件激光加工而开发的射束成形方法，也应可用于部分透明的工件。
这些任务中的至少一个任务通过根据权利要求1的用于工件的材料加工的方法、通过根据权利要求14的激光加工设备和通过根据权利要求19的用于构造射束成形元件的方法来解决。扩展方式在从属权利要求中说明。
在本公开的一个方面中，包括一种用于借助准非衍射的激光射束对工件进行材料加工的方法，其中，该工件具有对于准非衍射的激光射束部分透明的材料，并且该材料对于在该准非衍射的激光射束的频率范围内准非衍射的激光射束具有线性吸收，该吸收与激光射束强度无关，步骤：
将脉冲原始激光束射入光学射束成形系统中，以构造准非衍射的激光射束，该准非衍射的激光射束具有在纵向方向上延伸的用于工件的材料加工的焦点区，借助该光学射束成形系统向该原始激光束的射束横截面上进行相位施加，以构造经相位施加的激光射束，和
将经相位施加的激光射束聚焦在工件的部分透明的材料中，从而构造准非衍射的激光射束，并且该焦点区具有可沿着纵向方向设定的强度分布，其中，
这样设定相位施加，使得当经相位施加的激光射束聚焦到工件的部分透明的材料中时，准非衍射的激光射束的所得的强度分布在焦点区中在纵向方向上至少近似地恒定。
在另一方面中，本公开涉及一种用于借助准非衍射的激光射束对工件进行材料加工的激光加工设备，其中，该工件具有对于准非衍射的激光射束部分透明的材料，该材料具有对于在该准非衍射的激光射束的频率范围内的激光射束的线性吸收，该吸收与激光射束强度无关。该激光加工设备包括输出脉冲激光射束的激光射束源和用于激光射束的射束成形的射束成形光学系统，该射束成形光学系统用于构造具有在纵向方向上延伸的焦点区的准非衍射的激光射束。该光学射束成形系统包括射束匹配光学装置和射束成形元件，该射束匹配光学装置设置用于将激光射束作为具有射束直径的原始激光束输出，该射束成形元件设置用于这样进行向原始激光的射束横截面上的相位施加以针对该原始激光束的预给定的射束直径构造经相位施加的激光射束，使得在将经相位施加的激光射束(5_PH)聚焦到工件(3)的部分透明的材料中时，产生具有所得的强度分布的准非衍射的激光射束(5)，该强度分布在焦点区中在纵向方向上至少近似地恒定。该激光加工设备还包括用于支承工件的工件支撑部，光学射束成形系统和/或工件支撑部设置用于实现工件与准非衍射的激光射束之间的相对运动，在该运动中，沿着采样轨迹在工件的材料中定位准非衍射的激光射束。
在本公开的另一方面中，包括一种用于借助准非衍射的激光射束对工件进行材料加工的方法，其中，该工件具有对于准非衍射的激光射束部分透明的材料，并且该材料对于在该准非衍射的激光射束的频率范围内准非衍射的激光射束具有线性吸收，该吸收与激光射束强度无关，步骤：
将脉冲原始激光束射入光学射束成形系统中，以构造准非衍射的激光射束，该准非衍射的激光射束具有在纵向方向上延伸的用于工件的材料加工的焦点区，其中，借助该光学射束成形系统向该原始激光束的射束横截面上这样进行相位施加，使得准非衍射的激光射束在焦点区处具有可在纵向方向中设定、特别是可变地设定的强度分布，如可变的强度分布，和
这样设定相位施加，使得准非衍射的激光射束的所得的强度分布在当入射到工件的部分透明的材料中时，在焦点区处在纵向方向上至少近似地恒定。
在本公开的另一方面中，包括一种用于借助准非衍射的激光射束对工件进行材料加工的方法，其中，该工件具有对于准非衍射的激光射束部分透明的材料，并且该材料对于在该准非衍射的激光射束的频率范围内准非衍射的激光射束具有线性吸收，该吸收与激光射束强度无关，步骤：
将脉冲原始激光束入射到光学射束成形系统中，该光学射束成形系统设置用于输出经相位施加的激光射束，以构造准非衍射的激光射束，其焦点区在纵向方向上延伸，用于材料加工光学射束成形系统用于在原始激光束的射束横截面上施加相位，以使得准非衍射的激光射束具有强度分布在焦点区中在不考虑线性吸收的情况下在纵向方向上可变，
设定相位施加，使得当经相位施加的激光射束射入工件的部分透明的材料中时，焦点区中的准非衍射的激光射束的所得的强度分布在纵向方向上至少近似地恒定，和
将经相位施加的激光射束射入工件的部分透明的材料中，以构造准非衍射的激光射束，用于材料加工。
本公开的另一方面包括一种用于构造射束成形元件、特别是衍射光学射束成形元件的方法，该射束成形元件设置用于在光学射束成形系统中的工件的材料加工中的使用，该光学射束成形系统用于准非衍射的激光射束的由原始激光束的射束成形，其中，该工件具有对于准非衍射的激光射束部分透明的材料，该材料对于在准非衍射的激光射束的频率范围内的激光射束具有线性吸收，该吸收与激光射束强度无关。该方法包括步骤：
提供部分透明的材料在准非衍射的激光射束的频率范围内的线性吸收参数，特别是通过测量线性吸收参数；
确定目标强度分布作为沿着准非衍射的激光射束的光轴线在工件中要达到的所得的强度分布，在该强度分布中，为了沿着光轴线在多个位置处将工件的材料修改，该目标强度分布的强度至少区段式地高于非线性吸收的强度阈值，该非线性吸收取决于相应存在的激光射束强度；
预给定的原始激光束的横向射束轮廓、特别是射束直径，二维的相位分布将施加到所述射束轮廓上；
计算横向射束轮廓的二维的相位分布，通过：
-将横向射束轮廓划分为射束横截面区域、特别是环形的射束横截面区域，
-分配射束横截面区域上在径向方向上的相位上升、特别是相同的线性相位上升作为初始相位分布，和
-在考虑通过线性吸收参数给出的线性吸收的情况下，迭代地匹配在射束横截面区域中的相位上升，并计算在工件中借助原始激光束通过光学射束成形系统发射后得出的沿着光轴线的强度分布，直到存在补偿线性吸收的二维的相位分布，借助该二维的相位分布得出在工件中沿着光轴线的目标强度分布作为所得的强度分布；和
设置具有补偿线性吸收的二维的相位分布的射束成形元件。
另一方面，本公开涉及一种用于借助准非衍射的激光射束对工件进行材料加工的方法，其中，该工件具有对于准非衍射的激光射束部分透明的材料，并且该材料对于在该准非衍射的激光射束的频率范围内准非衍射的激光射束具有线性吸收，该吸收与激光射束强度无关。该方法包括步骤：
将脉冲原始激光束入射到光学射束成形系统中以向该原始激光束进行射束成形，该光学射束成形系统设置用于这样设定在原始激光束的射束横截面上的相位施加，使得激光射束在相对于光轴线的进入角范围中被引导向在工件中的沿着光轴线分布的多个位置，该进入角范围特别是包括在工件的部分透明的材料中在例如约5°至约25°的范围内——相当于在空气中约40°——的进入角，并在所述多个位置处构造具有所得的强度分布的准非衍射的激光射束，其中，由于在激光射束在部分透明的材料中传播到多个位置中的线性吸收而出现强度损耗，和
这样设定相位施加，使得在所述多个位置中的至少一个位置处，在来自该进入角范围的多个角度下引导激光射束，从而在部分透明的材料中在所述多个位置处，尽管出现的强度损耗，仍超过非线性吸收的强度阈值，该非线性吸收取决于部分透明材料中相应存在的激光辐射强度。
在该方法的若干扩展方式中，可以这样设定在原始激光束的射束横截面上的相位施加，使得激光射束在相对于光轴线的进入角范围中被引导向在工件中的沿着光轴线分布的多个位置，该进入角范围特别是包括在工件的部分透明的材料中在例如约5°至约25°的范围内——相当于在空气中约40°——的进入角，并在所述多个位置处构造具有所得的强度分布的准非衍射的激光射束，其中，由于在激光射束在部分透明的材料中传播到多个位置中的线性吸收而出现强度损耗。可以这样设定相位施加，使得在所述多个位置中的至少一个位置处，在来自该进入角范围的多个角度下引导激光射束，从而在部分透明的材料中在所述多个位置处，尽管出现的强度损耗，仍超过非线性吸收的强度阈值，其中，在部分透明的材料中的非线性吸收取决于激光射束的相应存在的强度。
在该方法的若干扩展方式中，在第一角度下被引导向多个位置中的至少一个位置的激光射束，相对于在第二角度下被引导向多个位置中的至少一个位置的激光射束可以具有小于Pi/4的相位差。替代地或附加地，可以这样设定相位施加，使得激光射束被旋转对称地被引导向多个位置，使得所述多个角度中的每个角度表示局部的圆锥角。
在该方法的若干扩展方式中，相位施加的设定可以包括在径向方向上设定施加在原始激光束的射束横截面区域上的相位上升，和/或设定如下射束横截面区域的几何参数：在所述射束横截面区域中，施加一个或多个相位上升。
在该方法的若干扩展方式中，射束横截面区域包括至少两个环形地或环区段形地构造的射束横截面区域，并且可以这样设定两个环形地或环区段形地构造的射束横截面区域的相位上升，使得将来自两个环形地或环区段形地构造的射束横截面区域的激光射束在两个不同圆锥角下提供给所述多个位置中的共同的位置。
在该方法的若干扩展方式中，附加于在射束横截面区域中设置相位施加，可以进行分配给射束横截面区域的原始激光束强度的强度分量的设定，以便实现准非衍射的激光射束在焦点区中的所得的强度分布。
在该方法的若干扩展方式中，可以针对原始激光束的预给定的横向强度分布、特别是原始激光束的预给定的射束直径，和工件的部分透明的材料的预给定的线性吸收，来设定相位施加。对于具有该部分透明的材料的预给定的线性吸收不同的线性吸收的材料，可以在不改变的相位施加的情况下，设定原始激光束的横向强度分布、特别是射束直径，以便提高或减小提供给多个位置中的一个位置的原始激光束强度的强度分量。
在该方法的若干扩展方式中，可以这样设定相位施加，使得至少区段式地补偿准非衍射的激光射束的由于部分透明的材料中的线性吸收的强度降低。
在该方法的若干扩展方式中，准非衍射的激光射束沿着光轴线的所得的强度分布可以具有强度分布或包络强度分布，其包括与准非衍射的激光射束的平均强度在直至10％的范围内的偏差，其中，平均强度是焦点区的如下部分：在所述部分中，发生与工件的材料的非线性的相互作用。可选地，强度分布或包络强度分布特别是可以基本上恒定。
在该方法的若干扩展方式中，尽管出现的强度损耗，仍可以基于在焦点区中在多个位置处的非线性吸收对部分透明的材料进行修改。并且部分透明的材料的修改可以在准非衍射的激光射束的长度上延伸或者由沿着准非衍射的激光射束的修改域的序列组成。
在该方法的若干扩展方式中，可以将具有高斯横向强度轮廓的激光射束用作原始激光束，并且光学射束成形系统可以设置用于将贝塞尔-高斯射束成形为准非衍射的激光射束。附加或替代地，准非衍射的激光射束在焦点区中的横向尺寸可以沿着光轴线变化，和/或准非衍射的激光射束在焦点区的位置处的横向尺寸可以取决于以下入射角，用于构造准非衍射的激光射束的激光射束处以所述入射角入射在光轴线上在该焦点区的该位置处。
在若干扩展方式中，该方法还可以包括以下步骤：
这样设定原始激光束的射束参数，使得工件的部分透明的材料被修改，将准非衍射的激光射束的至少一个区段定位在工件中，或
实现工件与准非衍射的激光射束之间的相对运动，其中，准非衍射的激光射束在工件中沿着采样轨迹运动，从而将修改的序列沿着该采样轨迹写入该工件中。
在该方法的若干扩展方式中，光学射束成形系统可以包括衍射光学射束成形元件，并且该衍射射束成形元件可以具有彼此邻接的面元件，这些面元件构建面式的栅格结构，并分别为所述面原件分配相移值，其中，所述相移值定义相应于所设定的相位施加的二维的相位分布。在原始激光束射入光学射束成形系统中时，可以实现借助衍射射束成形元件的相位施加，其方式是。向原始激光束上施加相位分布。
一般地，射束成形光学装置可以包括根据在本文中公开的用于构造射束成形元件的方法已构造的射束成形元件。
在用于构造射束成形元件的方法的若干扩展方式中，迭代地匹配的相位上升可以结合在射束横截面区域中存在的原始激光束强度分量，实现对准非衍射的激光射束有贡献的激光射束的沿着光轴线的重新分布，以构造目标强度分布。
用于构造射束成形元件的方法的若干扩展方式中，相位上升相应于如下角度：在该角度下激光射束被引导向光轴线。补偿线性吸收的二维的相位分布可以迭代地确定，使得激光射束在来自所述进入角范围的多个角度下被引导向沿着光轴线的多个位置中的至少一个位置。
用于构造射束成形元件的方法的若干扩展方式中，射束成形元件可以具有彼此邻接的面元件，这些面元件设置为具有相移值，该相移值相应于补偿线性吸收的二维的相位分布设定。特别是，射束成形元件可以实现为其相移值固定地设定的类菲涅耳轴锥镜的衍射光学元件，或者实现为其相移值已相应于补偿线性吸收的相位分布进行所设定的空间光调制器。
在若干扩展方式中，用于构造射束成形元件的方法还包括：
从补偿线性吸收的二维的相位分布导出光学材料的高度轮廓特别是厚度轮廓或镜轮廓，其中，局部高度相应于局部相移值，和
构造具有高度轮廓的折射式或反射式轴锥镜光学装置作为射束成形元件。
在激光加工设备的若干扩展方式中，可以这样借助射束成形元件设定向原始激光束的射束横截面上的相位施加，使得原始激光束的激光射束被引导向工件中在相对于光轴线的进入角范围中沿着光轴线布置的位置中的多个位置，并在所述多个位置处构造准非衍射的激光射束。由于在激光射束在部分透明的材料中入射到多个位置的传播中的线性吸收而可能出现强度损耗，其中，还这样设定相位施加，使得在多个位置中的至少一个位置处，在来自进入角范围的多个角度下引导激光射束，从而使得在多个位置处在部分透明的材料中，尽管出现的强度损耗，仍超过非线性吸收的强度阈值，其中，该非线性吸收取决于激光射束的相应存在的强度。
在若干扩展方式中，激光加工设备还可以包括控制装置，该控制装置设置用于这样设定射束匹配光学装置，使得射束成形元件上的射束直径大于或小于预给定的射束直径，以便相对于针对其已确定相位施加的线性吸收补偿在所述线性吸收中的变化。
在激光加工设备的若干扩展方式中，射束成形元件可以构造为衍射光学元件、空间光调制器或者经修改的折射式或反射式轴锥镜。
在激光加工设备的若干扩展方式中，相位施加可以构造用于，使得所得的强度分布具有强度分布或包络强度分布，其包括与准非衍射的激光射束的平均强度在直至10％的范围内的偏差，其中，平均强度是焦点区的如下部分：在所述部分中，发生与工件的材料的非线性的相互作用的。强度分布或包络强度分布特别是可以基本上恒定。
在本文中公开的构思涉及这样的方法：借助光学射束成形系统构造的准非衍射的激光射束在空气中构造长的焦点区时可以在焦点区中具有强度分布，该强度分布在纵向方向(通常在射束传播方向)上变化(即可变地构造/设定)，从而在当该准非衍射的激光射束射入待加工的工件中时，在工件内产生的强度分布为优选近似地恒定。特别是在此，可变强度分布在空气中的变化过程与工件的材料的线性吸收行为已知。所得的强度分布在此理解为表示存在于部分透明的材料中的强度分布，相反，所提及的可变强度分布在没有与工件的线性吸收材料的相互作用的情况下(即例如在空气中)存在。对于材料加工，材料中的大致恒定的强度分布包括例如与激光射束的平均强度的在例如直至10％的范围中的偏差，其中，平均强度是焦点区的如下部分：在该部分中，发送与工件的材料的(非线性的)相互作用。
本领域技术人员将理解，根据本发明执行的相位施加可以借助折射、衍射和/或反射射束成形系统来实现。附加于进行相位施加还设置，射束成形系统用于原始激光束的幅度施加。
在本文中公开的构思特别是涉及射束成形，其导致射束分量在特定的进入角下进入激光射束的射束轴线，以通过射束分量的干涉构造长的焦点区。在材料加工过程中，射束分量部分地通过工件的材料进入。因此，特别是位于下游的长的焦点区的部分基于激光射束，该激光射束沿着光路传播通过材料，该光路的长度处于焦点区长度的数量级中。
此外，在本文中描述的射束成形涉及产生准非衍射的射束的射束成形，该射束用于在部分透明的工件中的沿着射束轴线构造长的焦点区。线性吸收可以实现沿着焦点区的强度分布、特别是在这种焦点区在传播方向上直至若干毫米地延伸的显著长度的情况下。在本文中考虑的沿着长的焦点区的(纵向方向)强度分布的特征在于传播方向上强度的最大值的变化过程。在一些实施方式中，准非衍射的射束的变化过程可以沿着长的焦点区具有多个局部强度最大值，使得在这些实施方式中，包络局部强度最大值的函数可以用于(纵向方向)强度分布(包络强度分布)。此外，可以在传播方向上的任意位置处观察准非衍射的射束的横向强度分布、特别是在任意局部强度最大值处。
在激光加工方面，如果在目标阈值强度方面的三维强度分布通过至少10:1，例如20:1及更多，或30:1及更多，或1000:1及更多的纵横比(准非衍射的射束在传播方向上的延展与横向于准非衍射的射束的横向的延展(强度最大值的直径)的比例)来表征，则可以说是长的焦点区。在调制强度分布的情况下，纵横比可以与强度分布的前述包络函数相关。
在长的焦点区中具有足够强度的准非衍射的射束可以导致具有类似纵横比的材料的修改，或者导致由具有相应纵横比的包络线界定的多个修改域的布置。多个修改域的修改/布置可以优选地在准非衍射的激光射束(5)的长度上延伸。
一般地，对于在本文中公开的具有在材料中的这样的纵横比的准非衍射的射束，焦点区上强度分布的横向延展的最大变化可以在相对于平均横向延展的50％及更少的范围内，例如20％及更少，例如在10％或更少的范围内，位于，其中，平均横向延展与焦点区的部分相关，在该部分中，与工件的材料发生(非线性)相互作用。这同样相应地适用于修改的横向/侧向延伸的最大变化。
在本文中所描述的构思设置用于，在部分透明的材料中也产生长的焦点区以及具有高纵横比的相应长的修改。
在本文中公开的方面特别是涉及部分透明的工件的基于激光的材料加工，其线性吸收通过在约0.1/mm至约2.5/mm范围中的吸收系数给出。
附图说明
在本文中公开如下方面，其实现至少部分地改善来自现有技术中的方面。特别是由以下根据附图对实施方式的描述得出进一步的特征及其符合目的性。由附图示出：
图1：用于相比于高斯射束表明准非衍射的射束的示图，
图2：用于材料加工的激光加工设备示意简图，
图3A至3F：用于表明在部分透明的工件中的准非衍射的射束的构造的示意简图，
图4：用于表明线性吸收对准非衍射的射束的作用的示意图，
图5：用于表明用于由部分透明的材料组成的工件的材料加工的方法，
图6至6C：轴锥镜的和修改的轴锥镜的径向的高度轮廓以及径向的相位变化过程的示例图，
图7：用于表明在工件中存在线性吸收的情况下通过相位施加的设定来匹配准非衍射的射束在传播方向上的纵向方向的强度分布的示意图，
图8：在部分透明的工件中的根据本发明地构造的准非衍射的射束的示意图，和
图9：用于表明用于构造射束成形元件、特别是衍射射束成形元件的方法的流程图。
具体实施方式
本文中所描述的方面特别是涉及非衍射射束在材料加工中的应用。非衍射射束(“non-diffractive beams”)——替代地称为“传播不变射束”可以通过满足亥姆霍兹等式
的波场构造，并具有在横向(即x方向和y方向上)的相关性和纵向方向的相关性(即z方向/传播方向上的相关性)中的明显可分离性，其形式为
U(x，y，z)＝Ut(x，y)exp(ikzz)。
在此，k＝ω/c是波矢量，其纵向方向/轴线向和横向分量Ut(x，y)是仅取决于横向坐标x和y的任意复值函数。由于等式2中的z相关性具有纯相位调制，因此求解等式2的函数对强度I(x，y，z)具有传播不变性，并且称为“非衍射”：
I(x，y，z)＝|U(x，y，z)|2＝I(x，y，0)
这种方法产生亥姆霍兹等式在不同坐标系下的不同解类，如椭圆-圆柱坐标系下的所谓马修射线或圆-圆柱坐标系下的所谓贝塞尔射线。
为此也参见J.Turunen和A.T.Friberg的《Propagation-invariant opticalfields》，载于Progress in optics，54，1-88，Elsevier(2010)，以及M.Woerdemann的《Structured Light Fields：Applications in Optical Trapping，Manipulation，andOrganisation》，施普林格科学与商业传媒)(2012)。
多个类型的非衍射射束都可以近似地实现。这些已实现的非衍射射束在此称为“准非衍射的射束”或“空间受限非衍射”射束，或为简单起见，进一步称为“非衍射射束”。准非衍射的射束，即通过光学手段构造/实现的非衍射的激光射束，与理论构造相反，其功率是有限。同样有限的还有赋予它们的传播不变性长度L。
图1基于图(b)和(c)中的强度表示示出与传统高斯焦点的强度表示(参见图1的图(a)中高斯焦点的传播行为)相比准非衍射的射束的传播行为。图(a)、(b)和(c)分别示出高斯射束或准非衍射的射束在z方向传播时穿过焦点的纵向方向截面(x-z平面)和横向截面(x-y平面)，箭头2进一步明确z方向的传播方向(例如，图4和图7中亦然)。图(b)进一步示出准非衍射的射束的横向远场分布F。关于远场分布的位置，请参见图2。当使用轴锥镜产生准非衍射的射束时，由于轴锥镜的(确定的)圆锥角，远场仅产生空间频率。
图(b)示例性地是旋转对称的准非衍射的射束、在此是贝塞尔-高斯射束。图(c)示例性地是非对称的准非衍射的射束。对于贝塞尔-高斯射束，图1的图(d)和图(e)进一步示出中心的强度最大值的细节。因此，图1的图(d)示出横截平面(x-y平面)上的强度变化过程和x方向上的横向强度变化过程。图1的图(e)示出传播方向(z方向)截面上中心强度最大值的细节。
为将准非衍射的射束与高斯射束进行比较，定义高斯焦点的焦点直径其中，高斯焦点通过二次矩确定。此外，高斯射束的相关特征长度通过瑞利长度/>定义，即从焦点位置开始，射束横截面增加到2倍的距离。此外，对于准非衍射的射束，横向焦点直径/>被定义为局部强度最大值的横向尺寸，其中，横向焦点直径/>由直接彼此邻接的、相反的强度最小值(例如强度下降至25％)的最短距离给出。为此参见图1的图(b)和图(d)。几乎与传播方向无关的强度最大值的纵向方向(轴线向)范围可视为准非衍射的射束的特征长度L。它的定义是，从局部强度最大值开始，在正z方向和负z方向的强度分别下降到50％，参见图1的图(c)和图(e)。
在此，如果横向尺寸相似，例如准非衍射的射束的特征长度L明显超过相关高斯焦点的瑞利长度，特别是如果L＞10zR，则假定准非衍射的射束。
(准)贝塞尔射束，又称类贝塞尔射束，是(准)非衍射/传播不变射束的类的示例。在这类射束中，光轴线附近的横向场分布Ut(x，y)近似地服从于阶数为n的第一类贝塞尔函数。这类射束的子集是所谓的贝塞尔-高斯射束，由于其易于产生而被广泛使用。例如，贝塞尔-高斯射束可以通过借助准直高斯射束入射折射、衍射或重射模式下的轴锥镜来构造。在光轴线附近的相关拉长焦点区区域，相关的横向场分布近似服从阶数为0的第一类贝塞尔函数，该函数被高斯分布包络，参见图1的图(d)。
典型的贝塞尔-高斯射束可用于加工透明的材料，其光轴线上中心强度最大值的直径在范围内。准非衍射的射束的相应长度L可简单地超过1mm。准非衍射的射束的所分配的长度L可以简单地超过1mm，参见图1的图(b)。另一方面，的高斯射束在波长λ为1μm时，其在空气中的焦距仅为zR≈5μm，参见图1的图(a)。在这些与材料加工相关的情况下，即使所分配的长度L：L＞＞10zR是瑞利长度的100倍或更多，甚至1000倍或更多。
图1的图(f)作为另一准非衍射的射束的示例示出逆贝塞尔-高斯射束。通过对虚拟贝塞尔-高斯射束成像，看出，与贝塞尔-高斯射束相比，通过贝塞尔-高斯射束(参见开头提到的公开)，逆贝塞尔-高斯射束的纵向方向强度分布如何相对于传播方向颠倒。
本文中所描述各方面部分地基于以下认识：当应借助准非衍射的射束加工由部分透明的材料制成的工件时，线性吸收实现沿着准非衍射的射束(即在长的焦点区)存在的强度。这特别是在例如准非衍射的射束构造于贝塞尔-高斯射束的干涉焦点区中时是这种情况。因此，用于加工基本上透明工件的射束成形不再是目的引导的，因为沿着以这种方式产生的准非衍射的射束进行的加工将在不同的相互作用条件下进行(由于在传播方向上强度下降)，或者在空间上不再在所需的范围内进行。
为获得准非衍射的射束的构造和特性，例如在部分透明的工件上构造类似贝塞尔射束的射束轮廓，提出通过“沿着焦点区提高地引入强度”来抵消工件通过时产生的吸收效应。因此，在忽略线性吸收的情况下，构造的准非衍射的射束沿着传播方向的强度分布不断增加，如在没有线性吸收的参考工件或空气中构造的射束的那样。强度分布的增加(无工件中的线性吸收)可以补偿由于线性吸收的强度降低，至少区段式地补偿。
一方面，可以通过对相位施加进行特殊设定(例如，通过对轴锥镜的几何形状进行特殊设定或对衍射光学元件的相位分布进行特殊设计)来增加强度分布(工件中没有线性吸收)。
另一方面，也可以使用具有修改的射束参数的已知的相位施加。例如，可以如此设计相位施加/射束成形光学装置，使得在给定的射束直径的传播方向上产生均匀的强度分布，而不在工件中产生线性吸收，其方式是，沿着焦点区的均匀地分布激光功率，特别是将强度重新分配给准非衍射光束的下游部分。一个示例是均匀贝塞尔-高斯射束。在本发明的一种实施方式中，这种相位施加/射束成形光学装置现在可以使用不同的射束直径，例如增大的射束直径，选择的射束直径可以将更多的强度重新分配给准非衍射的射束的下游部分，以抵消线性吸收。
因此认识到，准非衍射的射束沿着传播方向的强度分布所受的影响，至少区段式地可以通过在工件中传播时的线性吸收来抵消。此外，人们还认识到，仅要采取适当措施，针对基本上透明工件开发的射束成形构思和射束成形分量可用于在吸收材料中构造准非衍射的射束。
因此认识到，尽管激光射束在部分透明的工件中传播时被线性吸收，仍可在工件的材料中产生在传播方向上强度分布基本上恒定的准非衍射的射束。因此，也可以在部分透明的工件上施加长的修改。与基本上透明的工件相同，以这种方式产生的结构修改可用于切割工艺或材料去除。
图2示出借助准非衍射(激光)射束5加工工件3的激光加工设备1的示意图。本文所揭示的构思特别针对由相对于激光射束5部分透明的材料制成的工件的加工，这种材料相应地导致激光射束5的线性吸收。例如，工件3可以是部分透明(如有色)的玻璃，如玻璃板，或对所使用的激光波长部分透明的物体，如陶瓷或结晶设计的玻璃板(例如，由氧化铝或氧化锆制成，如蓝宝石，如天然或人工后着色的蓝宝石)。例如，在激光射束5的光谱范围内，这种材料在1mm的长度上可吸收通过的激光射束强度的50％。一般地，工件的材料的吸收系数范围在约0.1/mm至约2.5/mm之间，相应的透射率范围在每mm材料厚度的90％至10％之间，例如，甚至每1mm玻璃厚度的50％。
借助准非衍射的激光射束进行加工实现工件3的材料在准非衍射的激光射束5构造的焦点区7中的变化。如图2所示，焦点区7通常在准非衍射的激光射束5的传播方向(传播方向；此处为z方向)上被拉长。例如，焦点区7可以构造为贝塞尔-高斯射束或逆贝塞尔-高斯射束的焦点区。
激光加工设备1包括激光射束源11(例如超短脉冲高功率激光系统)，该激光射束源产生并输出激光射束5"。例如，激光射束5"是脉冲激光射束。例如，脉冲激光射束的激光脉冲具有用于材料加工的脉冲能量，可导致准非衍射的射束中的脉冲峰值强度，从而在工件3的材料中产生非线性吸收，进而构造由准非衍射的射束的强度变化过程预给定的几何形状。
为进行引导和射束成形，激光加工设备1还包括光学射束成形系统13。光学射束成形系统13可至少部分安装在激光加工设备1的加工头中，加工头可相对于工件3在空间上对齐。
光学射束成形系统13包括射束成形光学装置15，用于向该原始激光束5'进行相位施加。在图2中，从射束成形光学装置15射出的激光射束表示用于成形准非衍射的射束5的经相位施加的激光射束5_PH。经相位施加的激光射束5_PH的射束分量5A、5B和5C举例说明。衍射型射束成形元件和折射型或反射型光学装置可用作射束成形光学装置，因此这些光学装置可被实施为与待进行的横向相位施加基本上等效的光学装置。
例如，射束成形光学装置15是圆锥形光学装置、空心圆锥形光学装置、(空心圆锥形)圆锥形透镜/镜系统、反射式圆锥形透镜/镜系统，其中，这些部件的相位施加特性相对于工件中现有的线性吸收进行修改，以便在没有线性吸收的参考材料中构造强度不断增加的分布(参见图6B)。修改的后的圆锥形或反圆锥形几何形状偏离传统圆锥形圆锥体厚度与射束轴线径向方向距离的线性关系。
射束成形光学装置15还可以是可编程或固定的衍射光学射束成形元件，特别是空间光调制器(SLM空间光调制器)。例如，衍射光学射束成形元件具有彼此邻接的面元件(还参见图8，图(d1)和(d2))，这些面元件构造二维的栅格结构，其中，每个面元件都分配有相移值。借助特殊的选择的相移值，可以模拟出(空心圆锥体)圆锥形栅格的几何形状，例如，相位施加也可以根据传统圆锥形栅格的实施情况进行修改。关于光学射束成形系统13，特别是射束成形光学装置15的示例配置，请参考开头提到的公开。这些文献进一步揭示在贝塞尔-高斯射束的长的焦点区可以产生轴线向的准均匀的强度分布，作为透明的材料中准非衍射的射束的示例。强度的均匀性可以沿着长的焦点区连续存在，也可以沿着焦点区存在一系列强度最大值，例如具有可比强度值。
射束成形光学装置15可以设置成使返回到激光射束5"的原始激光束5'的射束分量以δ'角进入射束轴线9，以便实现通过射束分量的干涉沿着射束轴线9在工件3中构造准非衍射的激光射束5。对于由部分透明的材料制成的工件，进入角δ'相对于部分透明的材料中的射束轴线9的进入角范围为例如约5°至约25°(在空气中最多为约40°)。对于加长型材料的加工，优选在准非衍射的激光射束5的至少多个部分都有导致部分透明的材料非线性吸收的可比强度。为此，可以提供特别是设定的进入角δ'(还参见图6B)，这将导致传播方向上的强度分量重新布置，以设定沿着焦点区/准非衍射的射束的强度。
可选地，光学射束成形系统13还包括射束匹配光学装置17A，例如采用第一望远镜的形式(图2中以透镜L1_A和L2_A示意性地表示)。射束匹配光学装置17A设置用于匹配激光射束5"的射束直径，并将激光射束5"作为原始激光束5'(原始激光束直径为D)提供至射束成形光学装置15。
在图2中，原始激光束5'的强度图I(y)中示意性地示出射束直径为D的高斯强度分布G。通过改变透镜L1_A和L2_A的距离，射束匹配光学装置17A可用来设定射束成形光学装置15的射束大小。
在图2中，以原始激光束5'的不同射束横截面范围(例如与强度图I(y)中的强度环相应于)的射束路径为例，表明具有类轴锥镜相位施加的射束成形。在图2中，以轴锥镜截面15A为例来表明。在类轴锥镜的相位施加中，激光射束沿着光轴线9旋转对称引导，每个进入角表示作用于强度图I(y)中强度环的局部的圆锥角。
准非衍射的射束5的构造放大如图3A(固定进入角)和图3B(在进入角范围中可变进入角)所示。
在图3A所示的沿着射束轴线9的z-y截面上，基于用于构造准非衍射的射束的射束分量示意图，说明贝塞尔-高斯射束的示例射束路径——例如，在没有线性吸收的情况下可以使用用于加工透明工件3_o。图中再次标出(径向方向)射束分量5A、5B、5C，它们以(由角圆锥角给出的)在空气中的进入角δ、或在材料中的进入角δ'进入激光射束5的射束轴线9。
在此，射束分量5A的激光射束分配给原始激光束5'围绕射束中心的(径向方向内侧)射束横截面区域R_A，构造准非衍射的激光射束的初始的区段6A。射束分量5B的激光射束分配给原始激光束5'的中心环形射束横截面区域R_B，构造准非衍射的激光射束的中心截面6B。射束分量5C的激光射束分配给原始激光束5'的外环形射束横截面区域R_C，构造准非衍射的激光射束的端部截面6C。
准非衍射的射束通过射束分量5A、5B、5C(在长度L上，还参见图1)的干涉，沿着射束轴线9在透明工件3_o中构造。可以看出，位于较远处的射束分量5B、5C在材料中覆盖较长的距离，因此在部分透明的材料的情况下，相比位于较近处的射束分量5A受到更强的线性吸收。因此，当使用传统的圆锥形镜(具有固定的圆锥角)进行射束成形时，准非衍射的射束6A、6B、6C部分的焦点区中的强度在不同程度上受到线性吸收的影响。
返回到图2，图中示意性地标出射束分量5A、5B、5C的激光射束从射束成形元件15到焦点区7的光路。光路在工件3的部分透明的材料中的分量对线性吸收至关重要。图3A中的射束分量5A、5B、5C的激光射束的光路分量设置具有参考标记5A'、5B'和5C'。
从图2中可以进一步看出，射束横截面区域R_A、R_B、R_C中的每个射束横截面区域分配有原始激光束5'的强度分量I_A、I_B、I_C。如技术人员所认识到的那样，在图2和图3A中简化地表示准非衍射的激光射束的射束横截面区域、强度分量和截面的分配。
现在可以通过相位施加的设定来设定进入角δ'中的变化，以对部分透明的材料制成的工件进行材料加工。这在图3B中示意性地针对部分透明的工件3表示。
例如这样设定相位施加，使得激光射束在射束轴线9上的进入角度沿着准非衍射的激光射束的方向变化，或者在一个位置/截面上，准非衍射的激光射束由多个进入角度的激光射束构造。例如，在图3B中，激光射束5B_T的进入角比激光射束5A_T的进入角更平；激光射束5C_T的进入角比激光射束5B_T的进入角更陡；激光射束5D_T的进入角比激光射束5C_T的进入角更陡。通过适当选择不同射束分量的进入角度，激光射束强度能匹配线性吸收的多个强影响，这些激光射束被引导向沿着光轴线9的不同的区段6A_T、6B_T、6C_T，以便在那里发生结构性干涉并且构造准非衍射的激光射束。
将图3A和图3B作为射束光学对比来看，在图3A中，(准)非衍射的激光射束的产生通过向射束分量(场组成部分)提供全局(全局不变)圆锥角而实现，具有所得的固定进入角δ'(通常在透明的材料中)。在图3B中，(准)非衍射的激光射束的产生通过多个特殊的设置的局部的圆锥角实现，其进入角δ'_1、δ'_2不断变化。应注意的是，在图3B中，为清楚起见，例如激光射束5C_T和激光射束5D_T并排入射光轴线9。根据射束横截面区域的位置和相关的相位升高(进入角)，激光射束将以多个角度(来自分配给射束成形元件15的进入角范围)被引导向光轴线9上的位置。激光射束在多个角度的(结构性/破坏性)叠加中考虑焦点区7中因不同光路积累的不同相位而产生的对应的相位差。
图3C还示出横向远场分布F_T，如其是在部分透明的材料中产生准非衍射的激光射束时可能存在的那样。远场分布F_T的位置参见图2。远场分布F_T示出空间频谱，在空间干涉的基础上具有多个频率(相应于角度δ'_1、δ'_2)。与在透明的材料中产生均匀的准非衍射的激光射束相比，在部分透明的材料中产生均匀的准非衍射的激光射束的空间频率强度加权与线性吸收行为匹配。
参照图2，光学射束成形系统13还包括成像系统17B，其例如呈第二望远镜的形式(图2中根据透镜L1_B、L2_B示意性地表示)，构造用于将真实或虚拟的射束变化过程成像到部分透明的工件3中。成像系统17B还可用于在工件3中例如通过改变成像系统17B的焦距对准非衍射的射束的长度的设定。技术人员认识到，如开头提到的公开中所述，透镜L1_B也可以与射束成形元件15结合使用。
此外，准非衍射的激光射束的远场分布在成像系统17B中构造(例如，图1的图(b)的远场分布F或图3C的远场分布F_T)。远场的位置P_F在图2中以透镜L1_B、L2_B之间的中间焦点来表明。
光学射束成形系统13还可能包含其他射束引导的组成部分，例如偏转镜、滤波器以及用于定向和设定多个分量的控制模块。
激光加工设备1还包括图2中示意性表明的用于支承和可选地用于工件3的运动的工件支撑部19。
在加工工件3时，在光学射束成形系统13(准非衍射的激光射束)和工件3之间进行相对运动，以便准非衍射的射束5/焦点区7沿着工件3上的预给定的(加工)轨迹T在不同位置构造。准非衍射的激光射束5优选沿着采样轨迹运动，以便沿着采样轨迹T在工件上施加修改的序列。例如，将工件3分成两部分时，轨迹T确定后续的分离线的变化过程。
激光加工设备1还包括控制装置21，该装置特别是包括供用户输入操作参数的界面。例如，可以设置激光射束源11的工作参数，如泵浦激光功率、脉冲持续时间、脉冲能量、光学元件(例如SLM)的设置参数、光学射束成形系统13的光学元件的空间对准参数和/或工件支撑部19的参数(用于跟踪采样轨迹T)。在图2中，控制装置21与各可控部件的功能连接用虚线连接21A表示。
一般地，控制装置21可以这样设定相位施加，使得当射入工件的部分透明的材料上时，也即在将相位施加的激光射束聚焦到工件的部分透明的材料上时，准非衍射的激光射束在焦点区中5在纵向方向z方向上的强度分布至少近似地恒定。例如，可以设置控制装置21来设定可调式衍射光学元件(SLM)的相位分布。
替代地或附加地，控制装置21还可用于设定射束横截面区域R_A、R_B、R_C中至少一个射束横截面区域的大小和/或强度分量I_A、I_B、I_C中至少一个强度分量的大小。特别是，设定时可以使射束的多个强度分量考虑由于从对应的射束横截面区域到准非衍射的激光射束的相关的区段6A_T、6B_T、6C_T的光路的线性吸收而产生的强度损耗。借助如此设置的射束参数，可以基于非线性吸收来对准非衍射的激光射束所属的区段6A_T、6B_T、6C_T中的材料进行修改，而非线性吸收则取决于各部分中准非衍射的激光射束强度。例如，为设定强度分量I_A、I_B、I_C(和/或射束横截面区域R_A、R_B、R_C)的大小，控制装置21可以控制望远镜装置13A来增大或减小原始激光束5'在射束成形光学装置15处的射束直径D。
替代或附加地，控制装置21还可以设置成，对于具有与部分透明的材料的线性吸收不同的线性吸收的材料，针对所述线性吸收已设计相位施加，在不改变的相位施加的情况下匹配原始激光束的横向强度分布，以提高或减小提供给多个位置中位置的原始激光束强度的强度分量，从而补偿线性吸收的偏差。
一般地，用于材料加工的激光射束，即激光射束5"、原始激光束5'和激光射束5，由波长、光谱宽度、时间脉冲形状、脉冲群的构造、射束直径、横向强度轮廓、横向输入相位轮廓、输入发散和/或偏振等射束参数确定。
可在本公开的范畴内使用的激光射束的示例性的参数是：
激光脉冲群的激光脉冲能量/能量(突发)的能量：例如在mJ范围内和更多，例如在20μJ至5mJ之间(例如1200μJ)，典型地在100μJ至1mJ之间
波长范围：红外、可见光、紫外(例如2μm>λ>200nm；如1550nm、1064nm、1030nm、515nm、343nm)。
脉冲持续时间(FWHM)：几皮秒(例如3ps)和更短，例如几百或几(十)飞秒
脉冲串中的激光脉冲数：例如，每个脉冲串2至4个脉冲(和更多)，脉冲串中的时间间隔为几纳秒。
每次修改的激光脉冲数：一次修改激光脉冲或脉冲串
重复频率：通常大于0.1kHz，如10kHz
材料中焦点区的长度：大于20μm，最大可达几毫米
材料中焦点区的直径：大于1μm，最大20μm和更多
(材料修改的横向延伸：大于100nm，如300nm或1μm，最大可达20μm和更多)
相邻两个修改之间的进给量d：通常是修改在进给方向上的横向延展(通常至少延展的至少两倍，例如延展的四倍)。
在此，脉冲持续时间是单个激光脉冲。因此，曝光时间是在工件的材料的位置构造单个修改的一组激光脉冲的群/突发。如果曝光时间和脉冲持续时间相同，相对于给定的进给速度较短，则激光脉冲和一组激光脉冲中的所有激光脉冲都在位置构造单一的修改。在较低的进给速度下，也可以产生包括相邻和合并的修改的连续修改域。
在上述参数范围内，允许借助准非衍射的射束对材料进行加工，例如，可将射束伸入部分透明的工件的20mm或更多(通常为100μm至10mm)。
根据图2，激光射束5"被提供到光学射束成形系统13进行射束成形，即转换一个或多个射束参数。通常情况下，激光射束5"和相应的原始激光束5'近似于准直高斯射束，具有横向高斯强度轮廓。
激光射束的传播，特别是光学射束成形系统13，可以预给定光轴线9，该光轴线优选穿过射束成形光学元件15的对称点(例如穿过轴锥镜(轴线尖)或衍射射束成形元件的射束中心位置)。在激光射束5"旋转对称的情况下，激光射束5"横向射束轮廓的强度最大值(图2中的高斯强度分布G)可能沿着光学射束成形系统13的光轴线9入射。根据强度分布G的直径D，射束成形光学装置15的相应大面积区域被照亮。
光学射束成形系统13从原始激光束5'构造准非衍射的激光射束5，从而构造焦点区7。例如，可借助射束成形光学装置15产生具有普通或逆贝塞尔射束轮廓的贝塞尔-高斯射束。
一般地，通过非线性吸收对部分透明的材料进行加工时，一旦发生非线性吸收，这种吸收本身或由此引起的材料特性的变化实现激光射束的传播。在准非衍射的射束的情况下，可将射束下游用于修改的射束成分以与焦点区轴线匹配的进入角提供给相互作用区，这样准非衍射的射束的上游区域不受到入射。贝塞尔-高斯射束是这种能量供应的示例，在这种射束中存在环形远场分布，其环形宽度与半径相比通常很小(参见图1的图(b))。在旋转对称的贝塞尔-高斯射束中，射束的径向方向分量基本上以该预给定的角度以旋转对称的方式提供给相互作用区/焦点区轴线。这同样适用于逆贝塞尔-高斯射束以及均匀化、非对称或调制(反)贝塞尔射束等经修改的射束。
尽管在向下游部分传输激光射束时可以避免非线性吸收区域，但部分透明的工件的线性吸收仍实现构造准非衍射的射束下游部分的激光射束。
参考图3D至图3F，总结部分透明的工件3的吸收材料特性的影响。看出，(径向方向)射束分量在空气中以进入角β或在材料中以进入角(圆锥角)β'进入激光射束的光轴线9。对于工件的折射率n，进入角β'由β′＝sin-1[sin(β)/n]给出。准非线性射束可通过部分透明的工件3的整个厚度d上的入射射束分量干涉，沿着射束轴线9在工件3中构造。
根据τ＝-ln(Pd/P0)，线性吸收可以通过“光学深度”来描述。由此得出吸收系数α：α＝τ/d。
线性吸收沿着光路进行，直至光轴线9上的x位置(如图3D至图3F，激光射束沿着x方向传播)。相关的路径长度由x′＝x/cos(β′)得出。在经修改的吸收系数的情况下，沿着光路的功率衰减由P(x′)＝P0exp(-α′x′)得出。沿着光轴线的功率衰减(材料中的衰减行为)由P(x)＝P0exp(-αx)得出。/>
例如，图3E示出厚度为d＝1mm、折射率为n＝1.45的部分透明的材料在相位施加入射圆锥角β＝20°时的衰减行为。假设材料线性吸收50％的功率(入口侧P0＝1，出口侧Pd＝0.5)，则修改的吸收系数α'为0.71。
图3E示出指数式的功率下降P(x)。为补偿材料中的阻尼特性，P(x)的反演给出所需的补偿Pk(x)＝exp(α′x)。图3F示出上述数值的补偿函数Pk(x)。补偿函数在部分透明的材料中的变化过程与没有线性吸收情况下非衍射射束光轴线9上所需的强度变化过程一致。
换句话说，要在图3B的6A_T、6B_T、6C_T区段构造可比较的强度，要求激光射束5A_T、5B_T、5C_T、5D_T的贡献部分向准非衍射的射束的相应部分引入可比较的强度输入。也是说，如果应在不同的区段6A_T、6B_T、6C_T中产生可比的非线性吸收(与材料产生可比的相互作用)，则原始激光束5'的强度分量I_A、I_B、I_C应具有可比性。
图4说明了，在使用针对透明工件设计的射束成形光学装置产生的均匀贝塞尔射束来加工部分透明的工件时的线性吸收效果。
可以看出通过焦点区的纵向方向强度截面31A，以及沿着均匀贝塞尔射束的射束轴线9的相应强度变化过程31B，如在透明工件中相同。根据透明工件的使用情况，沿着射束轴线9的最大强度在准非衍射的射束的相当长的长度内(图4中的线32A、32B)基本上恒定。
如果现在将这种均匀的贝塞尔射束射入部分透明的材料中，产生一条虚线强度变化过程31C，其中，由于线性吸收，沿着射束轴线9的强度随着穿透材料深度的增加而不断减小。虚线强度变化过程31D示出经调制的准非衍射的射束的强度的相应减弱，在透明的材料中，该射束的强度变化过程不是均匀，而是在传播方向上构造多个强度相当的最大值。
图5以流程图的形式说明本文提出的借助准非衍射的激光射束对工件进行材料加工的方法，其中，工件具有对于准非衍射的激光射束部分透明的材料。部分透明是材料对于准非衍射的激光射束频率范围内的激光射束具有线性吸收，这种吸收与激光射束强度无关。
该方法包括步骤101：产生用于射束成形的原始激光束。在步骤101A中，原始激光束的产生可以使用激光系统(图2中为激光射束源11)产生激光射束，该激光射束的射束参数是为待进行的材料加工而设计的(足够的功率、所需的脉冲持续时间等)。此外，在步骤101B中，原始激光束的射束直径等几何射束参数可与为相位施加提供的射束成形元件匹配，特别是已实施的二维的相位分布(例如图2中的射束匹配光学装置17A)。
该方法还包括步骤103，在该步骤中，原始激光束(图2中为原始激光束5')以原始激光束强度(此处为整个原始激光束5'的强度)射入光学射束成形系统中进行射束成形(图2中为光学射束成形系统13，该系统可选包括射束匹配光学装置)。光学装置这样设定，使得原始激光束(经过射束成形后)可以构造准非衍射的激光射束，其焦点区在纵向方向上延伸，用于工件的材料加工。借助光学射束成形系统，相位施加被应用到原始激光束的射束横截面上，从而使准非衍射的激光射束在焦点区的纵向方向上具有可变的强度分布。由于射束成形，准非衍射的激光射束在传播方向上的截面(图3中：截面6A、6B、6C)由原始激光束的射束横截面区域(图2中：例如分配给射束横截面5A、5B、5C的环形截面区域R_A、R_B、R_C)成形而成。图2中的示意图经过简化如下，相位施加通常可以如此自由/灵活地进行，使得激光射束可以从原始激光束的不同射束横截面区域被引导向焦点区的位置(纵向方向)。原始激光束强度的强度分量(图2中：强度分量I_A、I_B、I_C)分配给原始激光束的射束横截面区域。
通过将原始激光束入射(步骤103)到光学射束成形系统中，向该原始激光束进行射束成形(步骤101A)。因此，在原始激光束5'的射束横截面上施加上二维的相位分布(步骤103A)(构造经相位施加的激光射束)，特别是借助衍射光学射束成形元件或使用例如(在圆锥角上)修改过的角圆锥光学元件。施加的二维的相位分布使经相位施加的激光射束从原始激光束的射束横截面区域传输到沿着传播方向布置的准非衍射的激光射束横截面区域。
现在，相位施加的目的是，尽管工件的部分透明，仍在工件焦点区的相当长的长度上实现至少近似地恒定的强度变化过程。
在步骤103中，根据至少一个强度分量和/或至少一个射束横截面区域的大小来设定相位施加。相位施加的设定的方式是，当准非衍射的激光射束在焦点区射入工件的部分透明的材料上时，激光射束的所得的强度分布在纵向方向上至少近似地恒定。换句话说，设定的方式是，在为焦点区的不同位置(纵向方向)分配强度分量时，考虑分别的强度损耗，这种损耗由于从对应的射束横截面区域到准非衍射的激光射束相关部分的光路沿着线的线性吸收而产生。对材料加工的考虑是这样实现的：准非衍射的激光射束横截面上的材料根据非线性吸收而改变，这种非线性吸收取决于准非衍射的激光射束在对应的截面上的强度。
例如，在步骤103中，对于构造至少为1:10，特别是至少为1:100的纵横比的准非衍射的激光射束，可以至少区段式地补偿由于线性吸收而导致的沿着准非衍射的激光射束强度下降。附加地或替代地，步骤103还可以包括，例如，在基本上没有线性吸收的参照材料中构造准非衍射的激光射束时，在参照材料中沿着该准非衍射的激光射束强度是可变的，例如增加。
在步骤103中，可以在射束成形系统中设置特殊的、考虑线性吸收的相位施加。例如，可以设置，在多个射束横截面区域的径向方向进行相位施加增加(步骤103A)。在相位施加过程中，还可以设定/设置射束横截面区域的几何参数(如尺寸和位置)(步骤103B)。因此，相对于原始激光束的光束横截面积和/或光束横截面积层的大小可以匹配原始激光束的预给定的强度分量，该原始激光束暴露于均匀相位施加。除了离散的、例如环形的射束横截面区域以外，还可以在射束横截面区域中叠加不同的相位施加；例如，可以在射束横截面区域中同时实现径向方向的多个相位上升，以便从该射束横截面区域向沿着光轴线的多个位置提供激光射束。
附加地或替代地，在步骤103中，原始激光束的射束直径可以在射束成形光学装置上进一步设定，以设定与射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)相关的原始激光束强度分量(步骤103C)。这样，可以增大或减小射束直径，以便设计用于加工不同材料的线性吸收的相位施加也用于不同的线性吸收。
在步骤105中，可以重新设定激光射束的射束参数，如脉冲持续时间和脉冲能量，从而在准非衍射的射束中(从结构上)改变工件的材料。
在步骤107中，经相位施加的激光射束被聚焦到工件的部分透明的材料中；也是说，准非衍射的激光射束的至少一部分在工件中的定位方式是，入射的线性吸收至少部分地被相位施加所补偿。
此外，在步骤109中，工件与准非衍射的激光射束之间可以进行相对运动，其中，准非衍射的激光射束沿着采样轨迹在工件的材料中重复地定位，以便沿着采样轨迹在工件的材料中施加修改的布置/序列。
图6A和6B表明用于加工部分透明的材料的均匀的贝塞尔-高斯射束的经修改的几何形状。图6A示出传统轴锥镜的厚度d随与光轴线9的距离线性地减小。相反，图6B示出相应修改的轴锥镜的厚度d的减小。可以看到，厚度d最初(径向方向向内)减小较大，随后厚度d减小较慢，再次随后厚度d减小较大。厚度d的变化导致强度成分向后偏移/折射到传播方向上的准非衍射的激光射束中。这样，部分透明的工件中的均匀强度分布优选与图4中所示的加工基本上透明的材料时的强度分布一致。
如前所述，相应的相位施加可以借助反射或衍射光学射束成形元件进行。
图6C示出在+π和-π之间振荡的相位变化过程(在薄元件近似中计算)，如可以借助衍射光学射束成形元件的相移值再现的那样。在旋转对称的情况下，借助衍射光学射束成形元件相位施加的设定包括设定(锯齿形)相位上升，施加在原始激光束径向方向的射束横截面区域上。
具体来说，图6C示出与图6B中修改的轴锥镜的中心区域的相位施加相应于的相位变化过程，即相位变化过程复制修改的轴锥镜的高度轮廓。在图6B中，很难看到相移值在+π和-π之间的振荡的径向的振荡频率是如何变化，以跟踪固定圆锥角的偏差。
图7表明具有旋转对称光学射束成形系统和相应的旋转对称激光射束强度分布的用于部分透明的工件的材料加工的强度分布的构造。
图7示出原始激光束5'在射入传统的轴锥镜15B或经修改的轴锥镜15C上短暂之前的情况。图7还示出射束成形后的强度分布示意图，在基本上透明的材料中向上地绘制，即没有线性吸收(强度I(-))，在部分透明的材料中向下绘制，即具有线性吸收(强度I(+))。
在入射高斯射束(以强度分布G_1为例)的情况下，传统的轴锥镜15B在透明的材料中构造具有纵向方向强度分布BG_1(-)的贝塞尔-高斯射束，在部分透明的材料中构造具有纵向方向强度分布BG_1(+)的变形贝塞尔-高斯射束，由于传播方向上的线性吸收，强度分布BG_1(+)比强度分布BG_1(-)下降得更快。
对于透明的材料的加工，可以对经修改的轴锥镜15B如此进行修改，例如，在入射具有强度分布G_1和相应射束直径D_1的高斯射束的情况下，构造在传播方向上均匀的贝塞尔-高斯射束，其具有均匀的强度分布BG_h(-)(相应于图4中的31B)。同样如图4所示，当射束射入部分透明的材料上时，由于线性吸收，这种均匀的强度分布发生变形(强度分布BG_h(+)；相应于图4中的31C)。如果原始激光束5'的适当射束参数(如脉冲持续时间和脉冲能量)已设定，则均匀强度分布BG_h(-)可以产生导致在传播方向的长度L(-)上与透明的材料发生非线性吸收/相互作用的强度。从强度分布BG_h(+)可以看出，当射入部分透明的材料时，该长度明显缩短。
为补偿线性吸收，可以相位施加的设定，即在经修改的轴锥镜的示例中，轴锥镜的厚度d随与射束轴线9的距离减小而减小，在衍射光学元件的情况下，还可以设定相移值的设置，通过在纵向方向z方向上“重新分配强度分量”，实现至少近似地恒定的强度分布。
如果如此重新分配强度成分，使其在传播方向上的增加与线性吸收匹配，并基本上补偿强度的降低，则可在部分透明的材料中构造均匀的强度分布BG_2h(+)。这样，均匀的强度分布BG_2h(+)能产生这样的强度：假设原始激光束5'的相应射束参数已被入射，则该强度导致在传播方向的长度L(+)上与部分透明的材料产生非线性吸收/相互作用。如果有相应的激光功率，L(+)长度的尺寸可以与L(-)长度相当。如果将这种经相位施加的激光射束射入透明的材料上，得出沿着准非衍射的激光射束强度分布BG_2(-)，它随着穿透深度的增加而增加。
为补偿线性吸收，入射原始激光束5'的射束直径可以例如借助望远镜17A扩大(图7中的射束直径D_2)。这将增加横截面区域R_B、R_C的强度分量。例如，在均匀强度分布BG_h(-)的相位施加中，外部射束分量对于准非衍射的激光射束的后部6B_T、6C_T有贡献，因此，在贝塞尔-高斯射束的情况下，通过扩大射束半径(例如，从透明的材料中均匀强度分布BG_h(-)的相位施加开始)，至少可以补偿部分透明的材料中的部分吸收。换句话说，沿着准非衍射的激光射束强度至少可以近似地恒定(类似于均匀强度分布BG_2h(+))。在透明的材料中，强度沿着准非衍射的激光射束增加(强度分布BG_2(-))。应注意的是，图7中的强度变化过程用示意图表示强度的减弱或增强，线性吸收的指数影响也用示意图表示。
如图7所示，在使用针对透明的材料进行优化的、具有匹配的射束直径的射束成形光学装置时，会导致透明的材料或部分透明的材料的强度分布出现差异。技术人员认识到，这由于在纯射束扩展中对强度分量进行粗调。此外，在射束成形光学装置的混合配置中，可以产生既适用于给定的射束直径的透明的材料，又适用于不同射束直径的部分透明的材料的强度分布。
图8示出在部分透明的材料中产生的具有中心强度最大值的准非衍射的激光射束的细节。图(a)表示传播方向(z方向)的截面，其中，可以看到明显的中心强度最大值，并伴有径向方向外侧(环形)的次级最大值。图(b)表示z方向上的强度变化过程，基本上在整个长度上都构造高台(Plateau)(均匀的强度分布)。图(c1)、(c2)和(c3)分别示出高台开始、中间和末端的横截面(x-y平面)上的强度变化过程(射束轮廓)。
与z＝10a.u.(高台起点)和z＝110a.u.(高台终点)处的平均射束轮廓相比，z＝75a.u.(高台中部)处的平均射束轮廓在横向尺寸上缩小到约二分之一。例如，从中心最大值的直径可以看出该点。中心最大值直径的变化由多个进入角造成，准非衍射的激光射束的横向尺寸取决于焦点区纵向方向光轴线位置的进入角。
一般地，当使用多个进入角对纵向方向上在一个位置处的强度进行贡献时，重要的是要确保进入角(对于在整个过程中尽可能恒定的强度)优选不导致引起破坏性干扰的相移。因此，在第一角度下引导向多个位置中至少一个位置的激光射束与在第二角度下引导向多个位置中(相同的)至少一个位置的激光射束的相位差优选小于±π/4。
为完整起见，需要指出的是，对于针对部分透明的材料均匀的逆贝塞尔-高斯射束而言，入射原始激光束中心的射束贡献对准非衍射的激光射束末端的强度作出贡献。如果要在这种均匀逆贝塞尔-高斯射束的准非衍射的激光射束上增加强度(没有线性吸收)，必须相应地减小射束横截面，以相应地增加与准非衍射的激光射束下游部分相关的强度分量。
图8的图(d)和图(e)示出用于构造逆贝塞尔射束的衍射光学元件/施加的相位特性的中心部分示例。示意性地说明彼此邻接的面元件15a，它们构成平面的栅格结构。每个面元件15a都分配有相移值，该相移值施加在通过的激光射束上。栅格结构中的相移值共同地构成相位掩膜，原始激光束通过该掩膜时，产生相应的相位施加。
图(d)属于用于实现理想(逆)轴线向相位的相位掩膜(相移值的周期不改变)。带有这种衍射光学元件的相位施加可用于构造图1的图(f)所示的强度分布。
图(e)是相位掩膜，用于实施(逆)修改的轴锥镜(相移值的传递周期与半径有关)。相位分布这样设计，在特定射束直径的情况下，考虑相关的吸收系数，部分透明的工件的纵向方向均匀可以预期。如果选择较大的射束直径，则可在透明的材料中产生与图4所示相近的逆均匀的贝塞尔射束的强度轮廓。
应注意的是，关于图8的图(d)和图(e)，复共轭相位分布(相移值的符号颠倒)允许实现相应的实轴锥镜光学器件。
图9示出用于阐释在光学装置中构造射束成形元件的方法的流程图，该元件用于部分透明的工件的材料加工，从原始激光束中成形出准非衍射的激光射束(具有相位施加产生的强度分布)。其目的是针对原始激光束的预给定的横向强度分布、特别是原始激光束的预给定的射束直径，以及工件的部分透明的材料的预给定的线性吸收设置相位施加。特别是，该方法可用于确定借助衍射光学元件产生的相位掩模的相位变化过程。
要加工的材料的吸收特性已给出。例如，通过测量图3D中的强度Pd，可以得到部分透明的材料在准非衍射的激光射束频率范围内的线性吸收参数(“光学深度τ”)(步骤201)。在此基础上，计算(或设定)工件光轴线上的目标强度分布，这是改变材料(例如整个厚度d或所需长度)所需的(步骤203)。可以确定工件中的沿着准非衍射的激光射束光轴线的目标强度分布，使目标强度分布至少有一部分强度高于非线性吸收所需的强度阈值，该非线性吸收取决于对应的激光射束强度，以便在沿着光轴线的多个位置处改变工件的材料。
为确定相位分布，还必须预给定的原始激光束的横向射束轮廓(强度轮廓)，并将相位分布施加制在原始激光束上(步骤205)。
然后，针对目标强度分布计算类轴锥镜的光学元件(例如经修改的折射式或反射式轴锥镜或衍射光学元件)的光学设计(步骤207)：
--从借助轴锥镜进行相位施加(上升角度/相位上升角度是恒定的)出发，将其划分为可改变上升角度的径向方向元件。相位上升相应于激光射束被引导向光轴线的进入角。(将横向射束轮廓划分为，特别是环形射束横截面区域(相应于DOE区域或轴锥镜的径向方向区域)——步骤207A——以及在射束横截面区域的径向方向上分配特别是相同的线性相位上升，作为初始相位分布——步骤207B。
-径向方向元件上升角度的变化导致现已修改的轴锥镜产生具有相应地修改的相位施加的新的高度轮廓。结合原始射束的已知功率部分，可计算出输入焦点区的功率的重新分配。
-可对上升角度进行迭代地匹配，直至达到所需的目标强度分布。(考虑线性吸收参数，迭代地匹配射束横截面区域的相位上升，并计算原始激光束入射光学装置后工件沿着光轴线的强度分布，直到出现补偿线性吸收的相位分布，从而使工件沿着光轴线产生目标强度分布——步骤207C)。
补偿线性吸收的相位分布的迭代地匹配的相位上升与射束横截面区域中存在的原始激光束强度分量相结合，可导致对准非衍射的激光射束有贡献的激光射束的沿着光轴线重新分布，从而实现目标强度分布。
为构造射束成形元件，射束成形元件设置具有补偿线性吸收的相位分布(步骤209)。为此，可从进行补偿的相位分布中推导出光学材料/镜的特定高度轮廓，以构造折射式或反射式光学轴锥镜元件，分别将光学材料的高度轮廓作为光学材料的厚度轮廓或镜轮廓。此外，进行补偿的相位分布的衍射实施可通过衍射光学元件(例如，相移值固定的类菲涅耳轴锥镜衍射光学元件，或相应于补偿线性吸收的相位分布设定相移值的空间光调制器)来进行。
具有多个有贡献的圆锥角的进行补偿的相位分布意味着激光射束可被视为多个部分射束，每个部分射束进入工件并汇聚到光轴线上的进入角各不相同。根据方法确定的进入角取决于原始激光束在对应的射束横截面区域的位置和强度。
由于补偿线性吸收的相位分布，激光射束被引导向沿着光轴线多角度的多个位置中的至少一个位置。例如，原始激光束的射束横截面区域至少包括两个环形射束横截面区域。可以设定两个环形射束横截面区域的相位上升值，使来自两个环形射束横截面区域的激光射束在两个不同的圆锥角射入多个位置中的共同的位置。
本文为描述构思而引入的术语“射束横截面区域”和相关的“准非衍射的射束横截面”，以及图中对它们的标识，并不强制要求将面积固定分配给截面。相反，如果衍射结构彼此叠加等，衍射光学射束成形元件的射束横截面区域也可以为准非衍射的射束的多个截面提供激光射束。技术人员进一步理解，在此并不局限于离散截面，连续截面也可以作为一种极限情况包括在内，参见图7中所示的具有均匀强度分布的改善型螺旋射束的示例。
关于部分透明的材料的材料加工，包括材料的非线性吸收，准非衍射的激光射束可以在材料中产生延伸至整个准非衍射的激光射束长度的修改。技术人员认识到，根据本文所揭示的构思，借助准非衍射的激光射束还可以产生线性序列或例如平面序列的修改域。为此，可以使用射束成形，例如在传播方向上产生局部强度最大值序列(参见图4)。这些强度最大值可以通过包络特性限定。包络特性也可以是成形，例如，其变化过程与图7中产生的强度变化过程一致。
基于激光的材料加工的结果可能是部分透明的工件，其中，引入多个间隔或合并的修改。此外，修改还可在材料中构造裂缝，裂缝在彼此邻接的修改之间延伸，或从其中，修改随机延伸到工件的材料中。
为完整起见，需要指出的是，除了在焦点区中产生单个对称修饰的强度分布外，还可以使用相位施加，例如借助衍射光学元件，在焦点区中产生强度分布，从而产生非对称的(例如在方向上扁平)修饰或多个相互平行的修饰(参见图1的图(c))。一般地，可以用激光脉冲或一组激光脉冲产生修改或修改序列。例如，德国专利申请102019128362.0“Segmentiertes Strahlformungselement und Laserbearbeitungsanlage，分段射束成形元件和激光加工设备”(申请日2019年10月21日)和Chen等的“Generalized axicon-basedgeneration of nondiffracting beams”(arXiv:1911.03103v1[物理光学]2019年11月8日)中公开示例性的相位施加和强度分布。
这种非对称修改或修改序列还可与本文所公开的用于加工部分透明的材料的构思相结合。换句话说，为这种非对称修改而进行的射束成形也可以与相位施加相结合，相位施加可以补偿准非衍射的射束在材料中传播时沿着线强度的影响。
明确强调，出于原始公开的目的以及出于限制要求保护的发明的目，在说明书和/或权利要求书中公开的所有特征都应视为单独的且彼此独立，而不取决于实施方式和/或权利要求中的特征组合。明确指出，出于原始公开的目的以及出于限制要求保护的发明的目，所有范围说明或对单位的组的说明都公开每个可能的中间值或单位的子组，特别是也作为范围说明的限制。

Claims (23)

1.一种用于借助准非衍射的激光射束(5)对工件(3)进行材料加工的方法，其中，所述工件(3)具有对于准非衍射的激光射束(5)部分透明的材料，所述材料对于在所述准非衍射的激光射束(5)的频率范围内的激光射束具有线性吸收，所述线性吸收与激光射束强度无关，所述方法具有步骤：
将脉冲原始激光束(5')射入(步骤103)光学射束成形系统(13)中，以构造准非衍射的激光射束(5)，所述准非衍射的激光射束具有在纵向方向(z)上延伸的焦点区(7)以用于所述工件(3)的材料加工，其中，借助所述光学射束成形系统(13)向所述原始激光束(5')的射束横截面进行相位施加，以构造经相位施加的激光射束(5_PH)，和
将所述经相位施加的激光射束(5_PH)聚焦(步骤107)到所述工件(3)的所述部分透明的材料中，从而构造所述准非衍射的激光射束(5)，并且所述焦点区(7)具有能够沿着所述纵向方向(z)设定的强度分布，其中，
这样设定所述相位施加，使得在将所述经相位施加的激光射束聚焦到所述工件(3)的所述部分透明的材料中时，所述准非衍射的激光射束(5)的所得的强度分布(BG_2h(+))在所述焦点区(7)中在所述纵向方向(z)上至少近似地恒定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，这样设定在所述原始激光束(5')的射束横截面上的相位施加，使得激光射束(5A_T、5B_T、5C_T、5D_T)相对于光轴线(9)在以下进入角范围中被引导至所述工件(3)中的沿着所述光轴线(9)布置的多个位置，所述进入角范围特别是包括在所述工件(3)的所述部分透明的材料中的在5°至25°的范围中的进入角(δ‘_1，δ‘_2)，并且在所述多个位置处构造具有所得的强度分布(BG_2h(+))的所述准非衍射的激光射束(5)，其中，由于在所述激光射束(5A_T、5B_T、5C_T、5D_T)在所述部分透明的材料中到所述多个位置的传播中的线性吸收而出现强度损耗，并且
这样设定所述相位施加，使得在所述多个位置中的至少一个位置处，在来自所述进入角范围的多个角度下引导所述激光射束，从而在所述部分透明的材料中在所述多个位置处，尽管出现的强度损耗，仍超过非线性吸收的强度阈值，其中，在所述部分透明的材料中的所述非线性吸收取决于所述激光射束的相应存在的强度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在第一角度下被引导向所述多个位置中的至少一个位置的激光射束，相对于在第二角度下被引导向所述多个位置中的至少一个位置的激光射束，具有小于Pi/4的相位差，和/或
其中，这样设定所述相位施加，使得所述激光射束(5A_T、5B_T、5C_T、5D_T)被旋转对称地引导向所述多个位置，从而所述多个角度中的每个角度表示一个局部的圆锥角。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述相位施加的设定包括在径向方向上设定(步骤103A)施加在所述原始激光束(5')的射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)上的相位上升和/或设定(步骤103B)如下射束横截面区域的几何参数：在所述射束横截面区域中施加一个或多个相位上升。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)包括至少两个环形地或环区段形地构造的射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)，并且这样设定所述两个环形地或环区段形地构造的射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)的相位上升，使得将来自所述两个环形地或环区段形地构造的射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)的激光射束在两个不同的圆锥角下提供给所述多个位置中的一个共同的位置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，附加于设定在射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)中的所述相位施加，进行分配给所述射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)的所述原始激光束强度的强度分量(I_A，I_B，I_C)的设定(步骤103C)，以便实现所述准非衍射的激光射束(5)在所述焦点区(7)中的所得的强度分布(BG_2h(+))。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对所述原始激光束的预给定的横向强度分布、特别是所述原始激光束的预给定的射束直径，和所述工件的所述部分透明的材料的预给定的线性吸收，设定所述相位施加，
其中，对于具有与所述部分透明的材料的预给定的线性吸收不同的线性吸收的材料，在不改变的相位施加的情况下，设定所述原始激光束的横向强度分布、特别是射束直径，以便提高或减小提供给所述多个位置中的一个位置的原始激光束强度的强度分量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，这样设定所述相位施加，使得至少区段式地补偿所述准非衍射的激光射束(5)的由于在所述部分透明的材料中的线性吸收的强度降低。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述准非衍射的激光射束(5)的所得的强度分布(BG_2h(+))沿着所述光轴线(9)具有强度分布或包络强度分布，所述强度分布或包络强度分布包括与所述准非衍射的激光射束(5)的平均强度的在直至10％的范围内的偏差，其中，所述平均强度涉及所述焦点区(7)的如下部分：在所述部分中，发生与所述工件(3)的材料的非线性的相互作用，
其中可选地，所述强度分布或所述包络强度分布特别是基本上恒定。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于在所述焦点区(7)中在多个位置处的非线性吸收，尽管出现的强度损耗，仍对所述部分透明的材料进行修改，并且，所述部分透明的材料的修改
-在所述准非衍射的激光射束(5)的长度上延伸，或
-由沿着所述准非衍射的激光射束(5)的修改域的序列组成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将具有高斯横向强度轮廓的激光射束用作所述原始激光束(5')，所述光学射束成形系统(13)设置用于将贝塞尔-高斯射束成形为准非衍射的激光射束(5)，和/或
其中，所述准非衍射的激光射束(5)在所述焦点区(7)中的横向尺寸沿着所述光轴线(9)变化，和/或
其中，所述准非衍射的激光射束(5)在所述焦点区(7)的位置处的横向尺寸取决于入射角(δ‘_1，δ‘_2)，用于构造所述准非衍射的激光射束(5)的激光射束在所述焦点区(7)的所述位置处以所述入射角入射到所述光轴线(9)上。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还具有以下步骤中的至少一个步骤：
这样设定(步骤105)所述原始激光束(5')的射束参数，使得所述工件(3)的所述部分透明的材料被修改，
将所述准非衍射的激光射束(5)的至少一个区段定位在所述工件(3)中，或
实现(步骤109)所述工件(3)与所述准非衍射的激光射束(5)之间的相对运动，在所述相对运动中，所述准非衍射的激光射束(5)在所述工件(3)中沿着采样轨迹(T)运动，从而将修改的序列沿着所述采样轨迹(T)写入所述工件(3)中。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述光学射束成形系统(13)包括衍射光学射束成形元件，并且所述衍射光学射束成形元件具有彼此邻接的面元件(15a)，这些面元件构建面式的栅格结构，并且所述面元件分别分配有相移值，其中，所述相移值定义相应于所设定的相位施加的二维的相位分布，
在所述原始激光束(5')射入(步骤103)所述光学射束成形系统(13)中时，借助所述衍射光学射束成形元件实现相位施加，其方式是，将所述相位分布施加到所述原始激光束(5')上，
其中，可选地，所述光学射束成形系统(13)包括射束成形元件，所述射束成形元件已根据权利要求19至23中任一项所述的方法被创建。
14.一种用于借助准非衍射的激光射束(5)对工件(3)进行材料加工的激光加工设备(1)，其中，所述工件(3)具有对于所述准非衍射的激光射束(5)部分透明的材料，所述部分透明的材料对于在所述准非衍射的激光射束(5)的频率范围内的激光射束具有线性吸收，所述线性吸收与激光射束强度无关，所述激光加工设备具有：
激光射束源(11)，所述激光射束源输出脉冲激光射束(5")，
用于所述激光射束(5")的射束成形的光学射束成形系统(13)，以用于构造所述准非衍射的激光射束(5)，所述准非衍射的激光射束具有在纵向方向(z)上延伸的焦点区(7)，所述光学射束成形系统具有
-射束匹配光学装置(17A)，所述射束匹配光学装置设置用于将所述激光射束(5")作为具有射束直径的原始激光束(5')输出，
-射束成形元件(15)，所述射束成形元件设置用于，这样进行向所述原始激光束(5')的射束横截面上的相位施加以针对所述原始激光束(5')的预给定的射束直径(D)构造经相位施加的激光射束(5_PH)，使得在将所述经相位施加的激光射束(5_PH)聚焦到所述工件(3)的所述部分透明的材料中时，产生具有所得的强度分布(BG_2h(+))的所述准非衍射的激光射束(5)，所述强度分布在所述焦点区(7)中在纵向方向(z)上至少近似地恒定，
用于支承所述工件(3)的工件支撑部(19)，其中，所述光学射束成形系统(13)和/或所述工件支撑部(19)设置用于实现所述工件(3)与所述准非衍射的激光射束(5)之间的相对运动，在所述相对运动中，在所述工件(3)的材料中沿着采样轨迹(T)定位所述准非衍射的激光射束(5)。
15.根据权利要求14所述的激光加工设备(1)，其中，这样借助所述射束成形部件(15)设定向所述原始激光束(5')的射束横截面上的相位施加，使得所述原始激光束(5')的激光射束相对于光轴线(9)以进入角范围被引导向在所述工件(3)中沿着所述光轴线(9)布置的多个位置，并在所述多个位置处构造所述准非衍射的激光射束(5)，
其中，由于在所述激光射束在所述部分透明的材料中到所述多个位置的传播中的线性吸收而出现强度损耗，并且还这样设定所述相位施加，使得在所述多个位置中的至少一个位置处，在来自所述进入角范围的多个角度下引导所述激光射束，使得，在所述部分透明的材料中在所述多个位置处，尽管出现的强度损耗，仍超过非线性吸收的强度阈值，所述非线性吸收取决于相应存在的激光射束强度。
16.根据权利要求14或15所述的激光加工设备(1)，还具有
控制装置(21)，所述控制装置设置用于这样设定所述射束匹配光学装置(17A)，使得所述射束成形元件(15)上的射束直径大于或小于预给定的射束直径(D)，以便相对于针对其已确定相位施加的线性吸收补偿在所述线性吸收中的变化。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的激光加工设备(1)，其中，所述射束成形元件(15)构造为衍射光学元件、空间光调制器或经修改的折射式或反射式轴锥镜(15C)，
其中可选地，所述射束成形元件(15)特别是已根据权利要求19至23中任一项所述的方法被创建。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的激光加工设备(1)，其中，所述相位施加构造用于，使得所得的强度分布(BG_2h(+))具有强度分布或包络强度分布，所述强度分布或包络强度分布包括与所述准非衍射的激光射束(5)的平均强度的在直至10％的范围内的偏差，其中，所述平均强度涉及所述焦点区(7)的如下部分：在所述部分中发生与所述工件(3)的材料的非线性的相互作用，
其中，所述强度分布或包络强度分布特别是基本上恒定。
19.一种用于构造射束成形元件(15)、特别是衍射光学射束成形元件的方法，所述射束成形元件设置用于由原始激光束(5')进行准非衍射的激光射束(5)的射束成形，以用于在光学射束成形系统(13)中对工件(3)进行材料加工，其中，所述工件(3)具有对于所述准非衍射的激光射束(5)部分透明的材料，所述部分透明的材料对于在所述准非衍射的激光射束(5)的频率范围内的激光射束具有线性吸收，所述线性吸收与激光射束强度无关，
所述方法具有步骤：
提供(步骤201)所述部分透明的材料在所述准非衍射的激光射束(5)的频率范围内的线性吸收参数，特别是通过线性吸收参数的测量；
确定(步骤203)目标强度分布作为在所述工件(3)中沿着所述准非衍射的激光射束(5)的光轴线(9)要达到的所得的强度分布(BG_2h(+))，在所述强度分布中，为了在沿着所述光轴线(9)的多个位置处修改所述工件(3)的材料，所述目标强度分布的强度至少区段式地高于非线性吸收的强度阈值，所述非线性吸收取决于相应存在的激光射束强度；
预给定(步骤205)所述原始激光束(5')的横向射束轮廓、特别是射束直径(D)，二维的相位分布被施加到所述射束轮廓上；
通过以下方式计算(步骤207)针对所述横向射束轮廓的二维的相位分布：
-将横向射束轮廓划分(步骤207A)为射束横截面区域、特别是环形构造的射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)，
-分配(步骤207B)在径向方向上在射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)上的相位上升、特别是相同的线性的相位上升，作为初始相位分布，
-在考虑通过所述线性吸收参数给出的线性吸收的情况下，迭代地匹配(步骤207C)在所述射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)中的所述相位上升，并计算在所述工件(3)中借助所述原始激光束(5')照射通过所述光学射束成形系统(15)后得出的沿着所述光轴线(9)的强度分布，直到存在补偿所述线性吸收的二维的相位分布，借助所述二维的相位分布得出在所述工件(3)中沿着所述光轴线(9)的目标强度分布作为所得的强度分布(BG_2h(+))；
设置(步骤209)具有补偿所述线性吸收的二维的相位分布的射束成形元件(15)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，经迭代地匹配的所述相位上升与所述原始激光束(5')的在射束横截面区域(R_A，R_B，R_C)中存在的强度分量(I_A，I_B，I_C)结合，实现对所述准非衍射的激光射束(5)有贡献的激光射束的沿着所述光轴线(9)的重新分布，以构造所述目标强度分布。
21.根据权利要求19或20中任一项所述的方法，其中，所述相位上升相应于如下角度：在所述角度下，所述激光射束被引导向所述光轴线(9)，
其中，这样迭代地确定补偿所述线性吸收的二维的相位分布，使得所述激光射束在多个角度下被引导向沿着所述光轴线(9)的多个位置中的至少一个位置。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，所述射束成形元件(15)具有彼此邻接的面元件(15a)，所述面元件设置具有相移值，相应于补偿所述线性吸收的二维的相位分布设定所述相移值，
其中，所述射束成形元件(15)特别是实施为-类菲涅耳轴锥镜的衍射光学元件，其相移值固定地设定，或
-空间光调制器，其相移值相应于补偿所述线性吸收的相位分布地设定。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，还具有：
由补偿所述线性吸收的二维的相位分布推导光学材料的高度轮廓、特别是厚度轮廓或镜轮廓，其中，局部高度相应于局部相移值，和
构造具有所述高度轮廓的折射式或反射式轴锥镜光学装置作为射束成形元件。
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