DE102007019812A1

DE102007019812A1 - Multispot-Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE102007019812A1
Application number: DE102007019812A
Authority: DE
Inventors: Marco Hanft; Martin Dr. Wiechmann; Mark Dr. Bischoff; Gregor Dr. Stobrawa; Lars Christian Wittig
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: WO2008131887A2; WO2008131887A3; DE102007019812B4; US20130231644A1; US8388607B2; US20100137849A1; US8740886B2

Abstract

Es wird beschrieben eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung, mit einer Laserquelle (1), die ein Bearbeitungsstrahlenbündel (5) abgibt, und einem Strahlengang zur Fokussierung und zum Scannen, der das Bearbeitungsstrahlenbündel (5) in ein Bearbeitungsvolumen fokussiert und die Lage des Fokus (15) darin verstellt, wobei zur Erzeugung mehrerer Fokusse (15a, b) im Bearbeitungsvolumen eine Strahlteilervorrichtung (8) vorgesehen ist, die das Bearbeitungsstrahlenbündel (5) in ein Primär- (10) und mindestens ein Sekundärstrahlenbündel (9) aufteilt und bei der Aufteilung den Querschnitt des Strahlenbündels in einer Pupillenebene (7) des Strahlenganges unverändert läßt und zwischen Primär- und Sekundärstrahlenbündel (10, 9) einen Separationswinkel (11) einführt, wodurch diese Bündel (10, 9) sich im Strahlengang in um den Separationswinkel (11) abweichende Richtungen ausbreiten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung, mit einer Laserquelle, die ein Bearbeitungsstrahlenbündel abgibt, und einem Strahlengang zur Fokussierung und zum Scannen, der das Bearbeitungsstrahlenbündel in ein Bearbeitungsvolumen fokussiert und die Lage des Fokus darin verstellt, wobei zur Erzeugung mehrere Foki im Bearbeitungsvolumen eine Strahlteilereinrichtung vorgesehen ist.
Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung ist bekannt. Eine besondere Anwendung findet sich bei der Bearbeitung transparenter Materialien, in denen eine Bearbeitungswirkung durch nichtlineare Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem an und für sich transparenten Material erfolgt. Bekannte Einsatzgebiete sind die Erzeugung von Wellenleiterstrukturen oder die refraktive Augenchirurgie. Zur Bearbeitung wird die Laserstrahlung in das Bearbeitungsvolumen fokussiert, und der Fokus wird entlang einer zur erzeugenden Schnittfläche verstellt.
Die Bearbeitungszeit hängt natürlich davon ab, wie lang die Wechselwirkung im Fokus dauert. Eine Beschleunigung kann erreicht werden, wenn mit mehreren Fokus-Spots gleichzeitig gearbeitet wird.
In der gattungsbildenden EP 1279386 A1 wird deshalb beschrieben, durch Vervielfachung der Spots die Behandlungszeit zu verkürzen, indem größere Teilflächen gleichzeitig bearbeitet werden können. Die dargestellte Lösung hat mehrere Nachteile. Gemäß 4 dieser Druckschrift wird ein Bündel 38 durch Linsen 42a..c in Teilbündel 44a..c geteilt. Der Durchmesser der Bündel 44a..c direkt an den Linsen 42a..c ist kleiner als der Durchmesser des Bündels 38. Das ist nachteilig, weil mit dem kleineren Bündelquerschnitt direkt an den Linsen 42a..c die Fokussierbarkeit der Bündel 44a..c schlechter ist als die Fokussierbarkeit des Bündels 38. Das heißt, es ergeben sich entweder größere Spots oder man muß die Querschnitte anpassen. Nach der Wechselwirkung des annähernd parallelen Bündels 38 mit den Linsen 42a..c entstehen konvergenten Bündel 44a..c, so daß Foki innerhalb des optischen Systems liegen. Das ist nachteilig, da sich so innerhalb des optischen Systems hohe Feldstärken mit unerwünschten Effekten ergeben können, beispielsweise ein energieverbrauchender optischer Durchbruch an einer anderen Stelle im optischen Strahlengang als an der Sollposition im zu bearbeitenden Material. Darüber hinaus ergibt sich nach einem fokussierenden Element immer die Notwendigkeit zur Anpassung an die nachfolgende Optik z. B. durch Kollimation. Es entsteht also zusätzlicher Aufwand.
Zudem ist im Stand der Technik ein scannendes Element direkt im Zwischenbild positioniert, also konjugiert zur eigentlichen Bearbeitungsebene. Bei Einsatz eines Galvo-Scanners würden zwar die Bündel abgelekt, jedoch ohne Ortsänderung. Deshalb würden die Spots im Bearbeitungsvolumen trotz Auslenkung des Galvo-Scanners nicht abgelenkt. Der Aufbau der DE 60208968 verwendet weiter einen aktiven Spiegel mit 40 000 aktiven Facetten, welcher aufwendig und teuer ist.
Ein weiteres Problem der bekannten Anordnung ist, daß vor dem Scanner ein fester Offset zwischen den Einzelspots erzeugt wird. Bei einem Spiralscan ergeben sich dann Schnittpunkte zwischen den Spotbahnen im Bearbeitungsvolumen. Das führt insbesondere bei einer geringen Anzahl von Spots zu nicht-konzentrischem Verlauf der Bahnen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ohne die oben geschilderten Nachteile mit mehreren Fokus-Spots gearbeitet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung, mit einer Laserquelle, die ein Bearbeitungsstrahlenbündel abgibt, und einen Strahlengang zur Fokussierung und zum Scannen, der das Bearbeitungsstrahlenbündel in ein Bearbeitungsvolumen fokussiert und die Lage des Fokus darin verstellt, wobei zur Erzeugung mehrerer Foki im Bearbeitungsvolumen eine Strahlteilereinrichtung vorgesehen ist, welche das Bearbeitungsstrahlenbündel in ein Primär- und mindestens ein Sekundärstrahlenbündel aufteilt und den Querschnitt des Strahlenbündels bei der Aufteilung unverändert läßt, so daß Primär- und Sekundärstrahlenbündel den gleichen Querschnitt wie das auf die Strahlteilereinrichtung einfallende Bearbeitungsstrahlenbündel haben, und zwischen Primär- und Sekundärstrahlenbündel einen Separationswinkel einführt, wodurch Primär- und Sekundärstrahlenbündel sich im Strahlengang in um den Separationswinkel abweichende Richtungen ausbreiten.
Daß die Strahlteilereinrichtung den Querschnitt, vorzugsweise in der Pupille unverändert läßt, ist besonders einfach zu erreichen, wenn sie selbst in oder nahe der Pupille des Strahlengangs liegt. Weiter ist es zu bevorzugen, daß die Strahlteilereinrichtung nicht fokussierend wirkt. Auch ist es zweckmäßig, die Strahlteilereinrichtung in Strahlrichtung vor scannenden Elementen anzuordnen.
15 zeigt, wie im Zusammenhang dieser Erfindung der Begriff „Pupillennähe" zu verstehen ist. Dort ist ein Achsbündel 40 dargestellt, das durch seine Randstrahlen 41 und einen Hauptstrahl 42 charakterisiert ist. Die Öffnung des Achsbündels 40 wird durch dessen Randstrahlen 41 definiert. Weiter ist exemplarisch ein Feldbündel 43 eingezeichnet. Eine Bezugseben 44 liegt nahe einer Pupillenebene 45, solange für alle Feldbündel 43 der Durchstoßpunkt 47 eines Hauptstrahles 46 innerhalb der Öffnung des Achsbündels liegt. Pupillennähe einer Ebene ist also dadurch gekennzeichnet, daß die Durchstoßpunkte aller Feldbündel-Hauptstrahlen durch die Ebene innerhalb der durch die Randstahlen definierten Öffnung des Achsbündels liegen.
Um zwischen Einzel-Spot- und Multi-Spot-Bearbeitung wechseln zu können, ist es zweckmäßig, die Wirkung der Strahlteilereinrichtung ein- und ausschaltbar zu gestalten, beispielsweise durch eine Mechanik, die die Strahlteilereinrichtung aus dem Strahlengang rückt oder im Strahlengang überbrückt.
Die Strahlteilereinrichtung kann zur Aufteilung ein diffraktiv wirkendes Element aufweisen, das beispielsweise als Phasengitter ausgebildet sein kann. Vorzugsweise weist dieses Phasengitter dann noch Mittel auf, um die Strahlungsintensität des einfallenden Bearbeitungsstrahlenbündels möglichst gleichmäßig auf eine begrenzte Anzahl von Hauptmaxima zu verteilen.
Eine besonders gleichmäßige Aufteilung der Strahlungsintensität mit der Möglichkeit, sehr viele Sekundärstrahlenbündel zu erzeugen, bietet die Verwendung einer Strahlteilereinrichtung, die ein Element aus Keilen und Planplatten aufweist, beispielsweise in Form einer Segmentplatte, deren Segmente unterschiedliche Keile und Planplattenelemente abwechseln.
Bei einer kreisförmigen Ablenkung der Lage des Fokus im Bearbeitungsvolumen kann durch die Vielzahl an erzeugten Spots eine Überschneidung der jeweils z. B. kreisförmigen Bahnen, auf denen die Foki verstellt werden, auftreten. Möchte man dies vermeiden, ist es zweckmäßig, den Separationswinkel in Abhängig von der Soll-Lage des Primärspots zu steuern. Eine besonders einfache Realisierung dieser Weiterbildung ist eine Strahlteilereinrichtung, die das mindestens eine Sekundärstrahlenbündel einstellbar um das Primärstrahlenbündel rotiert. Für die Steuerung kann dann in einer nochmaligen Weiterbildung eine Kontrolleinheit vorgesehen werden, die die Rotation synchron zur Fokuslagenverstellung steuert. Eine Überschneidung von Bahnen der Spots von Primär- und Sekundärstrahlenbündel ist dann vermieden. Die Spots laufen z. B. auf konzentrischen Kreisbahnen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in der Reinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnung, die auch zur Erfindung gehörende Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 den Strahlengang für eine Bearbeitungsvorrichtung mit mehreren Bearbeitungsspots,
2 eine Weiterbildung der Vorrichtung der 1,
3 eine Weiterbildung der Vorrichtung der 1,
4 eine Darstellung ähnlich der 1 in einer besonderen Bauweise des Strahlteilerelements,
5a–d Darstellungen zu Erläuterungen bzgl. Aufbau und Wirkungsweise des Strahlteilerelementes der 4,
6 Bahnen der mit der Bearbeitungsvorrichtung der 4 erzeugten Multispot-Foki im Bearbeitungsvolumen,
7 eine Darstellung ähnlich der 6 für sieben Spots,
8 eine Darstellung ähnlich der 4, jedoch mit andersartig ausgebildetem Strahlteilerelement,
9a–c Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus der Strahlteilerelemente der 8,
10 eine Bearbeitungsvorrichtung ähnlich der 1, jedoch mit ansteuerbaren Strahlteilerelement,
11 eine Darstellung ähnlich der 6 für die Bearbeitungsvorrichtung der 8,
12a–b Zeichnungen hinsichtlich Bauweise und Funktion des Strahlteilerelements der 10,
13 eine Darstellung ähnlich der 6 für eine Abwandlung der Bearbeitungsvorrichtung der 10,
14 eine Schemazeichnung eines weiteren Strahlenteilerelementes für eine Bearbeitungsvorrichtung in dem Analog 1, und
15 eine Schemazeichnung zur Erläuterung des Begriffs „Pupillennähe".
1 zeigt ein laserchirurgisches System zur refraktionskorrigierenden Behandlung des menschlichen Auges. Das System weist eine Strahlungsquelle (1) auf, die z. B. als Femtosekunden-Laser ausgerichtet sein kann, mit deren Strahlung ein Material bearbeitet wird, im geschilderten Ausführungsbeispiel an einem Auge (2) die Augenhornhaut. Zur Erreichung definierter geometrischer Grenzflächen an der Hornhaut (3) ist auf die Hornhaut (3) ein bekanntes Kontaktglas (4) aufgesetzt.
Die Strahlungsquelle (1) stellt ein Bearbeitungsstrahlenbündel (5) bereit, das mittels einer optionalen Optik (6), welche der Strahlungsquelle (1) nachgeordnet ist, abgegeben wird. Eine Aperturblende (7) definiert den Querschnitt des Strahlenbündels und legt die Pupille im Strahlengang zum Auge (2) fest. Nahe der Aperturblende (7), d. h. nahe der Pupille befindet sich ein Strahlteiler (8), welcher das einfallende Bearbeitungsstrahlenbündel (5) aufteilt, so daß ein Sekundärstrahlenbündel (9) abgeteilt wird, welches gegenüber dem nicht abgeteilten Primärstrahlenbündel (10) in leicht unterschiedliche Richtung läuft. Der Querschnitt des Bearbeitungsstrahlenbündels (5) wird dabei nicht geändert. Der Divergenzwinkel bzw. Separationswinkel zwischen Primärstrahlenbündel (10) und Sekundärstrahlenbündel (9) ist exemplarisch eingetragen und mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet. Dem Strahlteiler (8) nachgeordnete Scanner (12, 13) lenken im Strahlengang die Bearbeitungsstrahlung ab. Mitteils einer nachgeordneten Fokussieroptik (14) entstehen somit im Bearbeitungsvolumen (2) Foki (15a, 15b).
Das laserchirurgische System umfaßt also: eine Strahlungsquelle (1) (z. B. fs-Laser), welche das Strahlenbündel (5) abgibt, den Strahlteiler (8), welcher das Bearbeitungsstrahlenbündel in das Primärstrahlenbündel (10) und ein oder mehrere Sekundärstrahlenbündel (9) abtrennt, ein oder mehrere scannende Elemente (12, 13) (z. B. Scanspiegel) zur Ablenkung der Strahlenbündel (8, 10), und eine Fokussieroptik (14), welche die Strahlenbündel (9, 10) in die Cornea (3) des Auges (2) fokussiert.
Die Strahlungsquelle (1) ist vorzugsweise ein Femtosekundenlaser zur Abgabe von fs-Pulsen im Wellenlängenbereich von 700–1150 nm und einer spektralen Breite von +/–5 nm. Die Pulslänge liegt bei 10–900 fs. Quellen dieser Art sind bekannt. Sie können neben dem eigentlichen Laser noch pulsformende Einrichtungen umfassen.
Damit ein Mehrfachfokus entsteht, erfolgt die Strahlteilung in Pupillennähe. Eine Pupille ist ein Bild der Aperturblende (7), oder die Aperturblende (7) selbst. Durch die Aperturblende (7) wird die Öffnung des Bündels (5, 9, 10), mit der eine Abbildung erfolgt, festgelegt. Der Strahlteiler (8) erzeugt eine Winkelablage der Sekundärstrahlenbündel (9) zum Primärstrahlenbündel (10). Dieser Separationswinkel (11) führt nach der Scanoptik (12, 13, 14) zu getrennten Foki (15a, 15b) im Bearbeitungsvolumen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, das eine Vielzahl von alternativen Positionen für den Strahlteiler (8) möglich ist, z. B. auf den Scanspiegeln (12, 13) selbst, nach den Scanspiegel (12, 13) oder sogar als Teil der Fokussieroptik (14). Entscheidend ist die Pupillennähe.
Der Strahlteiler (8) lenkt Anteile des Strahlenbündels (5) in die Sekundärstrahlenbündel (9) ab. Primär- (10) und Sekundärstrahlenbündel (9) breiten sich nach dem Teiler (8) in leicht abweichenden Richtungen aus; so entsteht zwischen den Bündeln (9, 10) der Separationswinkel (11). Der Strahlteiler (8) hat weiter die Eigenschaft, daß der Bündelquerschnitt erhalten bleibt. Damit entsteht der besondere Vorteil, daß die Apertur in den Foki (15a, 15b) unverändert bleibt und sich somit die Größe der Foki (15a, 15b) nicht ändert. Sämtlicher Aufwand zu einer sonst notwendigen Aperturanpassung entfällt. Es wird auch kein zusätzlicher Bauraum über den Raum für den Teiler (8) hinaus benötigt.
Der Strahlteiler (8) wirkt vorzugsweise nicht fokussierend und erzeugt somit keine Zwischenfoki. So werden unerwünschte Effekte, wie optische Durchbrüche innerhalb des Systems vermeiden.
Die scannenden Elemente sind vorzugsweise Galvo-Scanspiegel (12, 13), welche das oder die Strahlenbündel (9, 10) in einstellbare Richtungen ablenken. Nach den Scannern (12, 13) folgt die Fokussieroptik (14), durch die die Bündel (9, 10) in das Therapievolumen (Cornea (2)) fokussiert werden. Dort erfolgt die Bearbeitung. Mit den Scannern (12, 13) werden die Mehrfachspots (15a, 15b) entsprechend einer vorgegebenen Bahn durch das Therapievolumen geführt. Die vorgegebenen Bahnen sind vorzugsweise Spiralen oder Linien.
Aufgrund der besonders zu bevorzugenden Kreisbahnen oder kreisähnlichen Bahnen (elliptisch, Spiralen) tritt bei fester Strahlteilung eine Überschneidung der Spotbahnen auf, die durch eine noch zu beschreibende, geregelte Strahlteilung vermieden werden kann.
Damit auf die Vervielfachung der Spots auch verzichtet werden kann, ist optional die Wirkung des Strahlteilers (8) ausschaltbar. Ein Zu- und Ausschalten des Strahlteilers (8) kann auf vielfältige Weise gelöst werden.
In der 2 (Elemente in dieser und weiteren Figuren, die bereits erläuterten Elementen entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben) ist exemplarisch der Strahlteiler (8) selbst beweglich. Ist seine Wirkung gewünscht, wird er mittels einer Vorrichtung in den Strahlengang eingeschoben oder eingeklappt. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Strahlteiler (8) zu umgehen. Dazu ist im Beispiel der 3 eine Spiegeltreppe (17) mit Spiegeln (18-21) vorgesehen, die als ganzes oder in Teilen beweglich ist. Die Spiegel 18 und 21 können z. B. aus dem Strahlengang aus- und eingeklappt werden. Sind sie in den Strahlengang eingeklappt, ist die Spiegeltreppe (17) wirksam und der Strahlteiler (8) wird umgangen. Um eine unveränderte Leistungsdichte pro Spot im Einzelspotbetrieb wie im Multispotbetrieb zu erreichen, wird vorzugsweise die Leistung der Strahlungsquelle (1) angepaßt.
Als Strahlteiler (8) kommt vorzugsweise ein diffraktiv wirkendes Element (Gitter) zum Einsatz. Aus Gründen der Anschauung wird als Beispiel der 4 ein Phasengitter für einen konkreten Parametersatz erläutert. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß auch mit anderen Gittern und anderen Parametersätzen ähnliche Lösungen ausgeführt werden können. In der Bauweise der 4 hat die Aperturblende einen Durchmesser von 15 mm. Das Phasengitter weist eine Periode von 4,16 mm auf. Dies führt zu einem Separationswinkel von 0,014°. Die Brennweite der Fokussieroptik ist 20 mm. Die mögliche Bauweise des Phasengitters des Strahlteilers (8) und seine Wirkung wird nachfolgend noch anhand der 5a–c erläutert.
Der Strahlteiler (8) ist ein binäres Phasengitter, das zu einer Strahlteilung in verschiedene Richtungen entsprechend der Gitterformel führt:
mit α Richtung der Maxima, k Ordnungen, λ Wellenlänge und g Gitterkonstante.
Die Separation zwischen den Foki ergibt sich näherungsweise gemäß y' = f'·tan α ≈ f'·sin αmit γ' Fokuslage zur 0. Ordnung, α Richtung der Maxima und f' Brennweite der Fokussieroptik.
Bei einer Wellenlänge von z. B. 1040 nm liegen die +–1. Ordnungen bei +–0,014 Grad zur 0. Ordnung. Nach der Fokussieroptik mit einer Brennweite von 20 mm ergibt sich so eine Ablage von 5 μm zwischen den Foki. Durch eine vorzugsweise vorgesehene Furchenform des Gitters wird der größte Teil der Energie in die 0., die –1. und die +1 Ordnung gebeugt. Die Intensitätsunterschiede zwischen den drei Hauptmaxima sind minimal. Natürlich sind auch andere Mittel hierfür möglich. Liegt die Schwelle für den optischen Durchbruch z. B. bei 30% der Maximalintensität, so erzeugen nur die 3 Hauptmaxima einen optischen Durchbruch. Somit hat man den Strahl verdreifacht. 5a–c zeigt die Pupillenfunktion und Intensitätsverteilung eines binären Phasengitters mit Periode 4,16 mm, Tastverhältnis 1:1, Phasenhub 2,015 rad und symmetrischer Anordnung.
5a zeigt die Pupillenfunktion in Form eines Amplitudenbildes (22) sowie eines Phasenbildes (23) für das Gitter. Die Beugungseigenschaften dieses Gitters veranschaulichen die 5b und 5c. Wie zu sehen ist fließt die Hauptenergie in die 0. Ordnung (24) sowie die +1. Ordnung (25) sowie die –1. Ordnung (26). 5b gibt als Intensitätswerte die Spitzenintensität für jede Ordnung, normiert auf die Spitzenintensität der 0. Ordnung, wieder. Auch die Auftragung der Intensität I in 5c veranschaulicht, daß bloß die ersten drei Hauptmaxima Strahlung für einen optischen Durchbruch führen. Die integrale Auswertung der Peaks zeigt, daß lediglich 16,35% der Strahlungsenergie in noch höhere Beugungsordnungen (2. Ordnungen und höher) geht und ist somit nicht verfügbar ist. Somit ist durch das Phasengitter wirksam die Aufteilung des Bearbeitungsstrahlenbündels (5) in ein Primärstrahlenbündel (entsprechend der 0. Ordnung (24)) sowie zwei Sekundärstrahlenbündel (entsprechend +/–1. Ordnung (25, 26)) erreicht.
In den beschriebenen Ausführungen bewirkt der Strahlteiler (8) vor den Scanspiegeln (12, 13) einen festen Offset, z. B. in y-Richtung. Werden die Scanner (12, 13) entsprechend einer Kreisbahn für die 0. Ordnung angesteuert, ergibt sich im Zielvolumen das Bild der 6. Die Foki (15a, b, c) bewegen sich an Kreisbahnen (27a, b, c) deren Mittelpunkt zueinander versetzt ist.
Bei einem solchen festen Offset ist eine Gittergestaltung von Vorteil, die mehr als 3 Foki flächenhaft erzeugt. Dies kann z. B. erreicht werden, indem von dem Strahlteiler (8) eine Aufspaltung des Primärstrahls in zwei Raumrichtungen erfolgt. Die Aufspaltung kann durch sequenzielle Aufspaltung in zwei zueinander vorzugsweise orthogonale Richtungen geschehen, wie sie beispielsweise durch eine um die Strahlachse 90° zueinander verdrehte Anordnung von zwei Beugungsgittern erreicht wird. Da diese beiden diffraktiven Elemente zumindest näherungsweise in einer für die Aufspaltung optimalen Position im Strahlengang (Pupille oder Pupillennähe) angeordnet werden sollen, ist eine Anordnung beider in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander bevorzugt.
Beispielhaft ist in 7 das Fokusbild einer Anordnung mit 7-Spots skizziert. Die einzelnen Spotbahnen (27) schneiden sich mehrfach; es entsteht ein ringähnliches Muster. In der Abbildung sind die Spotbahnen (27) gezeigt, wobei die Überschneidung der Spotbahnen (27) aufgrund der festen Teilung deutlich sichtbar ist. Man kann die ungünstigen Auswirkungen einer Überschneidung durch größere Abstände der einzelnen Spots (25) vermindern, muß allerdings bedenken, daß alle Spots in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse liegen. Diese Bedingung muß bei der Festlegung des Separationsabstandes berücksichtigt werden. Wenn zweidimensional gekrümmte Schnittflächen (z. B. Sphären) geschnitten werden sollen, ergibt dies eine obere Grenze für den Separationsabstand. Bei einem sphärischen Schnitt mit einem Krümmungsradius von 20 mm folgt für einen zentrumsfernen Punkt das strengste Kriterium. Man erhält bei einem bestimmten Abstand vom Zentrum (z. B. 5 mm) je nach Festlegung der Tiefentoleranz eine maximale Separationsentfernung (der Gruppe der erzeugten Spots, also eine Art Durchmesser der Spotgruppe). Diese Entfernung beträgt beispielsweise 3 μm bei einer Tiefentoleranz von 0,8 μm, etwa 5 μm bei einer Tiefentoleranz von 1,3 μm oder 10 μm bei einer Tiefentoleranz von 2,6 μm. Applikativ sinnvoll erscheint z. B. eine Begrenzung auf wenige μm im Durchmesser der Spotgruppe.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß 8 kommt als Strahlteiler ein Segmentelement zum Einsatz, dessen Segmente aus Glasstreifen bestehen. Die Streifen sind als Keile (A und B) oder Planplatte (C) ausgeführt. Ein Beispiel wird hier konkret dimensioniert. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß auch andere Parametersätze Lösungen ergeben. Dargestellt sind in 8 nur die Bündel der Segmente A und B.
Jeder Keil (A, C) lenkt einen Strahl ab. Bei einer Scanoptik mit einer Brennweite von 20 mm und einem Abstand von 5 μm zwischen den Spots ergibt sich ein Separationswinkel von 0,014°. Dieser Winkel wird durch Keile mit einer Brechzahl von n = 1,5 und einem Keilwinkel von 1,72 Winkelminuten erzeugt. Zur Bereitstellung von 3 Bündeln (–0,014°/0°/+0,014°) kann die Pupille geteilt werden. Dazu werden Keilsegmente und Segmente von Planplatten zusammengesetzt, wie 9a, b, c, veranschaulichen, welche Seitenansichten der Einzelelemente (9a) des Segmentelementes (9b) und eine Draufsicht des Segmentelementes (9c) zeigen.
Die bisher erläuterten Varianten mit fester Strahlteilung erzeugen vor den Scannern (12, 13) eine Ablenkung. Diese ist fest und bewirkt einen festen Offset. Dabei kann jeder Spot (15) für sich auf einer Kreisbahn laufen, jedoch sind die Kreisbahnen nicht konzentrisch. Um dies zu vermeiden, realisiert in einer Weiterbildung eine Manipulatoreinheit eine gesteuerte Strahlteilung. Dabei erfolgt die Strahlteilung abhängig von Steuersignalen einer Kontrolleinheit (28). Diese Kontrolleinheit (28) realisiert eine Synchronisation zwischen den Scannern (12, 13) und einer Manipulatoreinheit (29) für den Strahlteiler (8), wie 10 zeigt.
Die Steuerung des Offset erfolgt in Abhängigkeit von der Sollage des Primärspots und ermöglicht z. B. einen Spiralscan ohne ein Überschneiden der Bahnen. Primär- und Sekundärspot (15a, b) laufen auf konzentrischen Kreisbahnen (27a, b) mit festem Bahnabstand (30), wie 11 zeigt.
Der Manipulator kann gemäß 12a, b vorzugsweise als ein rotierender Strahlteiler (8) ausgeführt sein. Der Strahlteiler (8) kann, wie oben beschrieben, ein Phasengitter oder eine Segmentplatte sein. Die Drehung des Strahlteilers (8) wird mit der x- und y-Ansteuerung der Scanner durch die Kontrolleinheit synchronisiert, so daß im Ergebnis die Sekundärstrahlenbündel (9) um das Primärstrahlenbündel (10) rotieren.
Bei einer Dreiteilung des Strahls (z. B. per Phasengitter oder Element aus Keilsegmenten) und der richtigen Synchronisierung laufen die Spots konzentrisch (13).
In einer weiteren Ausführungsform für eine Manipulatoreinheit gemäß 14 erfolgt die Manipulation des Sekundärstrahlenbündels (9) separat. Das Primärstrahlenbündel (10) durchläuft ohne Manipulation den Strahlteiler (8). Ein Teiler (31) koppelt vom Bearbeitungsstrahlenbündels einen Teil ab, der das Sekundärstrahlenbündel (9) bildet. Dieses erfährt die Manipulation (Offset). Das Sekundärstrahlenbündel (9) wird dann mittels eines weiteren Teilers (31) mit dem Primärstrahlenbündel (10) überlagert. Unter Ausnutzung der Polarisation kann die Aus- und Einkopplung mit geringen Verlusten optimiert werden. Es einstehen zwei Foki. Diese Variante ist fest und geregelt realisierbar.
Für die Ausführung der Manipulators gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, z. B. Spiegel (feststehend oder scannend), drehender Keil und/oder Keilpaar das zur Einstellung des Offsets zueinander verdreht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1279386 A1 [0004]
- DE 60208968 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung, mit einer Strahlungsquelle (1), die ein Bearbeitungsstrahlenbündel (5) abgibt, und einem Strahlengang zur Fokussierung und zum Scannen, der das Bearbeitungsstrahlenbündel (5) in ein Bearbeitungsvolumen (3) fokussiert und die Lage des Fokus (15) darin verstellt, wobei zur Erzeugung mehrerer Foki (15a, 15b) im Bearbeitungsvolumen (3) eine Strahlteilereinrichtung (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (8) das Bearbeitungsstrahlenbündel (5) in einen Primär- (10) und mindestens ein Sekundärstrahlenbündel (9) aufteilt und den Querschnitt des Strahlenbündels (5) bei der Aufteilung unverändert läßt, so daß Primär- und Sekundärstrahlenbündel (10, 9) den gleichen Querschnitt wie das auf die Strahlteilereinrichtung (8) einfallende Bearbeitungsstrahlenbündel (5) haben, und zwischen Primär- und Sekundärstrahlenbündel (10, 9) einen Separationswinkel (11) einführt, wodurch diese Bündel (10, 9) sich im Strahlengang in um den Separationswinkel (11) abweichende Richtungen ausbreiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (8) nicht fokussierend wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (8) im Strahlengang pupillennah angeordnet ist, vorzugsweise vor scannenden Elementen (12, 13).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung der Strahlteilereinrichtung (8) ein- und ausschaltbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (8) ein diffraktiv wirkendes Element aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Phasengitter ist.
Vorrichtung der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (8) ein Element aus Keilen und Planplatten aufweist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (8) das mindestens eine Sekundärstrahlenbündel (9) um das Primärstrahlenbündel (10) rotiert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Kontrolleinheit (28), die die Rotation synchronisch zur Fokuslagenverstellung steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (8) ein rotierendes Gitter oder eine rotierende Segmentplatte umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung (8) das mindestens eine Sekundärstrahlenbündel separat auf eine Scannereinrichtung leitet, die das mindestens eine Sekundärstrahlenbündel (9) gesteuert ablenkt, bevor die Strahlteilereinrichtung (8) das derart abgelenkte mindestens eine Sekundärstrahlenbündel mit dem Primärstrahlenbündel (10) wieder überlagert.