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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Werkstückbearbeitung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Erzeugen von zwei Teilstrahlen mit mindestens einer unterschiedlichen geometrischen Eigenschaft aus einem Eingangslaserstrahl gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12.
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Eine derartige Laserbearbeitungsvorrichtung und ein derartiges Verfahren sind beispielsweise durch die
DE 10 2008 025 381 A1 bekannt geworden.
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Viele Laserbearbeitungsverfahren erfordern eine einstellbare zeitliche und räumliche Strahlformung. Diese sollte effizient und leistungstauglich sein und eine hohe Flexibilität aufweisen.
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Aus der US 2005 / 0 018 996 A1 ist ein Bearbeitungsverfahren bekannt, bei dem ein Eingangslaserstrahl mittels eines Strahlteilers in zwei Teillaserstrahlen aufgespalten wird. Nach Durchlaufen unterschiedlicher Weglängen werden die beiden parallelen Teillaserstrahlen einander überlagert, um einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl zu bilden.
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DE 10 2005 047 124 A1 ,
DE 11 2004 000 048 B4 und
JP 2007 -
114 655 A offenbaren jeweils eine Laserstrahl-Bearbeitungsmaschine mit einem ersten Strahlteiler, der einen Eingangslaserstrahl in zwei Teillaserstrahlen aufspaltet, und mit einem zweiten Strahlteiler, der die beiden parallelen Teilstrahlen nach Durchlaufen unterschiedlicher Weglängen zu einem gemeinsamen Ausgangslaserstrahl überlagert.
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JP 2002 -
096 187 A und auch die eingangs genannte
DE 10 2008 025 381 A1 offenbaren jeweils eine Laserstrahlmaschine mit einem Strahlteiler, der einen Eingangslaserstrahl in zwei Teillaserstrahlen aufspaltet, von denen der eine unmittelbar und der andere erst nach Durchlaufen zweier optischer Elemente auf ein Werkstück gerichtet wird.
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Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die Strahlformung effizient, leistungstauglich und mit einer hohen Flexibilität erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Aufteilung und Überlagerung von Laserstrahlung mit Hilfe polarisierender Elemente in Verbindung mit der Einstellbarkeit erlaubt eine flexible Strahlformung mit hoher Effizienz und Leistungstauglichkeit. Diese ermöglicht zeitliche und räumliche Strahlformung, deren unterschiedliche Aspekte und Kombinationsmöglichkeiten sich vorteilhaft für verschiedene Applikationen nutzen lassen.
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Vorzugsweise umfasst die geometrische Strahleigenschaft mindestens eine aus der Gruppe bestehend aus Strahltaillenversatz, Strahldivergenzänderung, Durchlauflängenvariation, Parallelversatz, Winkelversatz, und Strahlformung.
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Der Polarisator ist vorteilhaft ein Strahlteilerwürfel oder ein Dünnschichtpolarisator.
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Besonders bevorzugt ist im Strahlengang des zweiten Teilstrahls ein, insbesondere schaltbares, polarisationsbeeinflussendes Element angeordnet, das die Polarisation des zweiten Teilstrahls schalten kann, um im Falle eines Laserpulses beispielsweise die Durchläufe des zweiten Teilstrahls bis zu seiner Überlagerung oder den am Polarisator jeweils transmittierten Anteil des zweiten Teilstrahls einzustellen.
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Bearbeitungsoptik mit zwei unterschiedlichen Polarisatoren;
- 2 bis 15 verschiedene erfindungsgemäße Bearbeitungsoptiken mit einem einzelnen Polarisator; und
- 16a bis 16c ein Anwendungsbeispiel einer Laserbearbeitung mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsvorrichtung (16c) im Vergleich zu einer Laserbearbeitung mittels eines einzigen Laserstrahls (16a) oder mehrerer paralleler Laserstrahlen (16b); und
- 17 bis 21 weitere Anwendungsbeispiele einer Laserbearbeitung mittels der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik.
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In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
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Wie in 16c schematisch gezeigt, weist eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1 zur Werkstückbearbeitung einen Laserstrahlerzeuger 2 zum Erzeugen eines Laserstrahls 3 und eine Bearbeitungsoptik 4 auf, die den Laserstrahl 3 auf ein Werkstück 25 richtet.
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Die in 1 gezeigte Bearbeitungsoptik 4 umfasst
- - einen ersten Polarisator 5, der den einfallenden Laserstrahl 3 in zwei senkrecht polarisierte Teilstrahlen 3a, 3b aufteilt,
- - eine größere Weglänge für den zweiten Teilstrahl 3b als für den ersten Teilstrahl 3a, wodurch der erste Teilstrahl 3a eine längere Laufzeit als der erste Teilstrahl 3b aufweist, und
- - einen zweiten Polarisator 6, an dem der entlang seines Strahlengangs in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a veränderte zweite Teilstrahl 3b dem ersten Teilstrahl 3a derart überlagert ist, dass der transmittierte Anteil des veränderten zweiten Teilstrahls 3b und der erste Teilstrahl 3a einen gemeinsamen Ausgangslaserstrahl 3 bilden.
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Die an dem zweiten Polarisator 6 wieder überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b weisen einen Laufzeitunterschied sowie auch eine geometrische Abweichung von der deckungsgleichen Überlagerung der Teilstrahlen auf. Diese geometrische Abweichung umfasst z.B. einen Parallelversatz, einen Winkelversatz, einen Versatz der Taillenlage, eine Divergenzänderung, eine Rotation oder Spiegelung des Strahlprofils, eine Strahlformung oder eine Kombination aus diesen, wie durch unterschiedliche Pfeile für die beiden überlagerten, zusammen den Ausgangslaserstrahl 3 bildenden Teilstrahlen 3a, 3b angedeutet ist. Die unterschiedliche geometrische Strahleigenschaft des zweiten Teilstrahls 3b ergibt sich entweder allein aufgrund seiner längeren Weglänge, wie mit Bezug auf 10 beschrieben ist, oder wird im Strahlengang des zweiten Teilstrahls 3b mittels einer Modifikationseinrichtung 7 erzeugt.
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Unter einer Überlagerung wird im Rahmen der Erfindung nicht zwangsläufig ein Überlapp der Strahlprofile am überlagernden Polarisator verstanden, sondern vielmehr, dass der sich aus der Überlagerung ergebende Ausgangsstrahl 3 nachfolgend als kombinierter Strahl genutzt wird. Allerdings erlaubt das gewählte Konzept vorteilhaft eine Überlappung der Strahlprofile am überlagernden Polarisator, erfordert also an diesem keine räumliche Trennung. Optional kann zusätzlich die Leistungsverteilung zwischen den Teilstrahlen eingestellt werden. Durch Kaskadierung können überlagerte und gesteigerte Abweichungen oder auch weitere Teilstrahlen mit weiteren Abweichungen generiert werden.
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Anstatt wie in 1 an zwei unterschiedlichen Polarisatoren können Aufteilung und Überlagerung auch an einem einzelnen Polarisator 5 erfolgen, wie in 2 am Beispiel eines Strahlteilerwürfels gezeigt ist. Alternativ kann auch ein Dünnschichtpolarisator eingesetzt werden. 2 zeigt eine Bearbeitungsoptik 4, bei der die Achsen der beiden Teilstrahlen 3a, 3b nach der Überlagerung deckungsgleich verlaufen. Der Eingangslaserstrahl 3 durchläuft vor dem Polarisator 5 ein optionales optisches Einstellelement 8, mit dem der Eingangsstrahl 3 bezüglich Polarisation, Strahldivergenz, Taillenlage, Winkel und Lage der Strahlachsen eingestellt werden kann. Das optische Einstellelement 8 kann auch zur Aufteilung des Eingangsstrahls 3 vorgesehen sein oder als schaltbares Einstellelement ausgeführt sein. Weiterhin ist nach der Überlagerung ein optionales optisches Aufbereitungselement 9 angedeutet, mit dem der überlagerte Ausgangslasers 3 aufbereitet werden kann. Dieses Aufbereitungselement 9 kann beispielsweise fokussierende, strahlablenkende oder polarisationsbeeinflussende Komponenten beinhalten.
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Am Polarisator 5 wird der erste Teilstrahl 3a um 90° reflektiert und bildet direkt den einen Teilstrahl der Überlagerung. Der zweite Teilstrahl 3b wird am Polarisator 5 transmittiert und durch Umlenkelemente 10 wieder derart zum Polarisator 5 geführt, dass sich der transmittierte Anteil des zweiten Teilstrahls 3b dem ersten Teilstrahl 3a überlagert. Dabei durchläuft der zweite Teilstrahl 3b in diesem Beispiel nach der Aufteilung zunächst ein optionales optisches Einstellelement 11. Wird als derartiges Einstellelement 11 eines mit polarisationsbeeinflussenden Eigenschaften eingesetzt, so erlaubt dies beispielsweise den am Polarisator 5 transmittierten Anteil einzustellen, der sich dem ersten Teilstrahl 3a überlagert wird, bzw. den am Polarisator 5 reflektierten Anteil, der sich dem zweiten Teilstrahl 3b überlagert. Der einzelne Polarisator 5 erlaubt einen räumlichen Überlapp zwischen dem aufteilenden und dem überlagernden Bereich. Die Umlenkelemente können den Strahl in einem beliebigen Winkel umlenken.
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Weiterhin ist ein Linsensystem 12 angedeutet, das die Modifikationseinrichtung 7 bildet. Ist dies ein Teleskop mit 1:1-Abbildung, so kann damit unter Annahme eines Eingangslaserstrahls 3 geringer Divergenz eine bis auf die Spiegelung des Profils verschwindende Abweichung eingestellt werden. Weist dieses Teleskop einen abweichenden Abbildungsmaßstab auf, so können die Achsen der Teilstrahlen in der Überlagerung auch dann deckungsgleich eingestellt werden, die Strahldivergenz und/oder die Taillenlage werden sich jedoch unterscheiden. Auch wenn zwei identische Linsen 12 eingesetzt werden, lässt sich eine Abweichung der Taillenlage und der Divergenz der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b einstellen. Dies kann, wie in 3 durch einen Doppelpfeil 13 angedeutet, durch Variation der Weglänge, die der zweite Teilstrahl 3b zwischen den beiden Linsen 12 durchläuft, erreicht werden. Dazu werden zwei 90°-Umlenkelemente 10, die den zweiten Teilstrahl 3b insgesamt in seiner Richtung umkehren, als Einheit in dieser Richtung 13 bewegt. Wird hingegen wie in 4 die Durchlauflänge zwischen Aufteilung und Überlagerung variiert (Doppelpfeil 14), ohne die Länge zwischen den Linsen 12 zu ändern, so bleibt bei einem Eingangslaserstrahl 3 geringer Divergenz die Abweichung von Divergenz und Taillenlage der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b unbeeinflusst. Dazu werden zwei 90°-Umlenkelemente 10, die den zweiten Teilstrahl 3b insgesamt in seiner Richtung umkehren, und die beiden Linsen 12 als Einheit in dieser Richtung 14 bewegt. Allerdings werden die Teilstrahlen 3a, 3b dabei zeitlich versetzt. Bei Laserpulsen kann so ein abweichender zeitlicher Pulsversatz eingestellt werden. Weiterhin kann der Einfluss der Interferenz zwischen den Teilstrahlen 3a, 3b gesteuert werden.
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Die 5-7 zeigen, dass ein Parallel- und/oder Winkelversatz der Strahlachsen der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b durch Translation oder Kippung von strahlumlenkenden Elementen erreicht werden kann. In 5 wird das letzte 90°-Umlenkelement 10, das den zweiten Teilstrahl 3b in Richtung Polarisator 5 umlenkt, in Richtung des einfallenden Teilstrahls 3b bewegt (Doppelpfeil 15) und dadurch der transmittierte zweite Teilstrahl 3b gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a parallelversetzt. In 6 wird das letzte 90°-Umlenkelement 10 verkippt (Doppelpfeil 16) und dadurch der transmittierte zweite Teilstrahl 3b gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a winkelversetzt. In 7 wird der Polarisator 5 verkippt (Doppelpfeil 17) und dadurch der transmittierte zweite Teilstrahl 3b gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a winkelversetzt. In den 5 bis 7 bilden die beweglichen Umlenkelemente 10 und der bewegliche Polarisator 5 die Modifikationseinrichtung 7.
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8 zeigt als Modifikationseinrichtung 7 ein strahlformendes Elements 18 im Strahlgang des zweiten Teilstrahls 3b zwischen Aufteilung und Überlagerung. Eine derartige Strahlformung stellt ein weiteres Beispiel für eine einstellbare Abweichung dar. Das strahlformende Element 18 kann exemplarisch auf einstellbaren Mikrospiegeln (MEMS) oder sogenannten „Spatial Light Modulators“ (SLM) basieren. Auch ein statisches diffraktives, refraktives oder reflektives Strahlformungselement 18 kann in Kombination mit einer einstellbaren Abweichung eingesetzt werden. Optional kann die Durchlauflänge zwischen Aufteilung und Überlagerung variiert werden (Doppelpfeil 14).
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Während sich die Achsen der beiden Teilstrahlen 3a, 3b deckungsgleich überlagern, wenn der Eingangsstrahl 3 mit der Mittenachse der Bearbeitungsoptik 4 übereinstimmt (2-4, 8), so ist durch die Einstellung eines Versatzes zwischen Eingangslaserstrahl 3 und Mittenachse eine Abweichung der Achsen der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b einstellbar. In 9 ist dies an einem Parallelversatz zwischen dem Eingangslaserstrahl 3 und der Mittenachse 19 der Bearbeitungsoptik 4 angedeutet. So sind sowohl ein Parallelversatz als auch ein Winkelversatz (18) der Teilstrahlen 3a, 3b in der Überlagerung einzustellen und zu kombinieren.
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10 zeigt einen auf der Mittenachse konvergent einfallenden Eingangslaserstrahl 3, der im längeren Strahlengang des zweiten Teilstrahls 3b zwischen Aufteilung und Überlagerung eine Strahltaille aufweist. Am Polarisator 5 werden dann der konvergente erste Teilstrahl 3a und der divergente zweite Teilstrahl 3b überlagert, was zu einer Variation des Strahldurchmessers der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b führt.
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Von der 5 unterscheidet sich die 11 lediglich dadurch, dass das polarisationsbeeinflussende Element 11 die Polarisation des zweiten Teilstrahls 3b um z.B. 45° dreht und dadurch der zweite Teilstrahl 3b am Polarisator 5 in einen transmittierten und einen reflektierten Anteil aufgespalten wird. Der parallelversetzte transmittierte Anteil wird dem ersten Teilstrahl 3a überlagert, während der reflektierte Anteil erneut den Strahlengang des zweiten Teilstrahls 3b mit dem polarisationsbeeinflussenden Element 11 durchläuft, am Polarisator 5 erneut in einen transmittierten und einen reflektierten Anteil aufgespalten wird, usw. Der überlagerte Ausgangslaserstrahl ist somit aus dem ersten Teilstrahl 3a und mehreren parallelversetzten zweiten Teilstrahlen 3b gebildet.
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Im Unterschied zur 11 dreht oder spiegelt in 12 das polarisationsbeeinflussende Element 11 die Polarisation des zweiten Teilstrahls um 90°, so dass der zweite Teilstrahl 3b am Polarisator 5 nicht nach dem ersten Umlauf, sondern erst nach dem zweiten Umlauf, wenn seine Polarisation insgesamt um 180° gedreht worden ist, transmittiert wird. Der überlagerte Ausgangslaserstrahl ist somit aus dem ersten Teilstrahl 3a und dem doppelt parallelversetzten zweiten Teilstrahlen 3b gebildet.
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In 13 ist das polarisationsbeeinflussende Element 11 als Schalter ausgeführt. Wird beispielsweise ein Laserpuls mit einer Dauer kleiner als die Zeitspanne eines einmaliges Umlaufs des zweiten Teilstrahls 3b als Eingangslaserstrahl 3 verwendet, so kann das polarisationsbeeinflussende Element 11 so eingestellt sein, dass die Polarisation des zweiten Teilstrahls 3b nach der Aufteilung um 90° gedreht wird, so dass dieser Strahl nicht ausgekoppelt wird, sondern nochmal umläuft. Wird vor dem nächsten Umlauf das polarisationsbeeinflussende Element 11 umgeschaltet, so dass die Polarisation nicht gedreht wird, so läuft der zweite Teilstrahl 3b so oft um, bis wieder eine Polarisationsdrehung erfolgt und der zweite Teilstrahl 3b entsprechend parallelversetzt transmittiert wird. Es wird also ein polarisationsbeeinflussender Schalter 11 genutzt, um über die Anzahl der Umläufe den Parallelversatz gegenüber dem ersten Teilstrahl 3a einzustellen.
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In 14 ist angenommen, dass die Polarisation des Eingangsstrahls 3 so gewählt ist, dass kein erster Teilstrahl zur Überlagerung beitragt, sondern sich die Überlagerung kaskadiert aus dem zweiten Teilstrahl 3b ergibt. Der polarisationsbeeinflussende Schalter 11 wird zeitlich so gesteuert, dass analog zu 11 mehrere parallelversetzte zweite Teilstrahlen 3b ausgekoppelt werden. Im Unterschied zur 14 ist in 15 der polarisationsbeeinflussende Schalter 11 so gesteuert, dass nur ausgewählte zweite Teilstrahlen 3b zur kaskadierten Überlagerung beitragen. Bei einer wählbaren Anzahl von überlagerten zweiten Teilstrahlen 3b kann es wünschenswert sein, nicht die volle Energie zu nutzen. Aus diesem Grund wird der ausgekoppelte rechte Teilstrahl mittels eines Umlenkelements 20 aus dem Ausgangsstrahl wieder herausgelenkt und einem Absorber (nicht gezeigt) zugeführt. Die Kaskadierung der Aufteilung und Überlagerung kann auch durch serielle Anordnung mehrerer Aufteilungs- und Überlagerungseinheiten erfolgen.
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In den 14 und 15 wird der Eingangslaserstrahl 3 am Polarisator 5 zunächst transmittiert und erst beim erneuten Auftreffen auf den Polarisator 5, also nach einmaligem Umlauf, in den transmittierten ersten Teilstrahl 3a und in den nochmals umlaufenden zweiten Teilstrahl 3b aufgespalten.
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Neben der ausführlich dargestellten Führung eines Teilstrahles 3b im Ring sind auch andere Aufteilungs- und Überlagerungskonzepte denkbar. Es können auch verschiedene getrennt generierte Teilstrahlen 3a, 3b mit unterschiedlichen geometrischen Abweichungen überlagert, realisiert und kombiniert werden.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 4 für die Laserbearbeitung kann mit anderen Optikkomponenten als dem bisher aufgeführten Aufbereitungselement 9 kombiniert werden. Selbstverständlich können auch reflektive Fokussierungen verwendet werden. Es bieten sich beispielsweise auch nachgeordnete Scanner an. Die Kombination mit der Aufteilungs- und Überlagerungseinheit vor- oder nachgeschalteten diffraktiven, refraktiven oder reflektiven Strahlformung ist erfindungsgemäß ebenso möglich wie eine nachgeschaltete Optik zur Ausrichtung der Vorzugsrichtung von Auslenkung oder Strahlform. Bei entsprechender zeitlicher Steuerung der vorgeschalteten oder integrierten polarisationsbeeinflussenden Elemente verbunden mit der Weglängendifferenz der Teilstrahlen 3a, 3b, kann die Aufteilungs- und Überlagerungseinheit auch zur Modulation und Pulsformung eingesetzt werden und erlaubt dabei auch eine Leistungsüberhöhung gegenüber dem Eingangsstrahl.
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Die abweichende Polarisation der Teilstrahlen 3a, 3b in Verbindung mit dem zeitlichen Versatz kann vorteilhaft genutzt werden, um Polarisationseffekte in der Applikation zu steuern. So ist bekannt, dass bei der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen linearer Polarisation periodische Strukturen auf der Oberfläche oder im transparenten Volumen auftreten. Durch andere Polarisation lassen sich andere Strukturen erzeugen. Durch die Applikation von Teilstrahlen 3a, 3b mit orthogonal ausgerichteter Polarisation und geringem Zeitversatz kann die Ausbildung derartige Nanostrukturen unterdrückt oder in ihrer Ausbildung kontrolliert werden.
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Obwohl in den Figuren nur zweidimensional dargestellt, kann die Strahlführung des zweiten Teilstrahls 3b auch dreidimensional ausgebildet sein.
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Bei vielen Anwendungen in der Materialbearbeitung ergibt sich bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche nicht die gewünschte Geometrie. Durch einen Anstellwinkel des Laserstrahls kann die Geometrie geändert werden. Mit einem einzelnen Strahl sind die Einflussmöglichkeiten jedoch begrenzt. Eine Strahlüberlagerung bietet sich hier an, wie am Beispiel eines abtragenden Schnittes in transparentem Material an Hand von 16c erläutert wird. Bei transparenten Materialien kann die nichtlineare Absorption absorptionssteigernd genutzt werden. Die Absorption ist somit sehr stark intensitätsabhängig. Soll beispielsweise ein Schnitt in Gläsern mit Hilfe eines Laserstrahls 3 durchgeführt werden, indem ein einzelner Strahl mehrfach auf der gleichen Bahn über das Glas geführt wird, so nimmt der Abtrag pro Überfahrt häufig mit steigender Anzahl der Überfahrten ab. In 16 ist der Querschnitt durch ein Werkstück 25 aus transparentem Material gezeigt, bei dem ein Abtrag durch einen Laserstrahl 3 erfolgt, der von oben auf das Werkstück 25 einfällt und der relativ zum Werkstück 25 senkrecht zur Querschnittsfläche bewegt wird.
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Ist das Material hinreichend dick, dann kann der Abtragprozess vollkommen stoppen (16a). Der sich ausbildende keilförmige Spalt 21 ist charakteristisch, und die Breite des Keils ergibt sich aus dem starken Schwellverhalten des Abtrags. Nur in den Bereichen, in denen die Intensität zur Ausbildung ausgeprägter nichtlinearer Absorption ausreicht, kann ein Abtrag erfolgen. Mit zunehmendem Prozessfortschritt bilden sich Flanken in der Abtraggeometrie aus. Der Laserstrahl hat also in diesen Bereichen einen flacheren Einfallswinkel. Dadurch wird einerseits das Verhältnis von reflektierter zu eingekoppelter Strahlung an der Grenzfläche geändert. Andererseits vergrößert sich die bestrahlte Fläche, die Intensität auf der Oberfläche sinkt, der Abtrag wird reduziert, bis der zum Stoppen kommt. Wie in 16b dargestellt, können tiefere Schnitte auch bei senkrechtem Einfall erzielt werden, indem mehrere Laserstrahlen 3 parallelversetzt geführt werden. Allerdings lässt sich auch so keine senkrechte Schnittkante erzeugen, und weiterhin muss mit steigender Schnitttiefe immer breiter abgetragen werden.
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In 16c erfolgt - z.B. mit der in 5 gezeigten Bearbeitungsoptik 4 - ein Parallelversatz der überlagerten Teilstrahlen 3a, 3b, der dann von einer nachfolgenden Fokussierlinse 22 in einen Winkelversatz umsetzt wird. Die Teilstrahlen schneiden oberhalb der Bearbeitungszone, und der Anstellwinkel zwischen den Teilstrahlen 3a, 3b ist so eingestellt, dass sich parallele Schnittkanten ergeben. Dadurch lässt sich ein Schnittspalt 21 mit senkrechten Kanten über große Schnitttiefen erzielen. Dabei werden die Lage des Schnittpunkts relativ zur Taillenlage der Teilstrahlen 3a, 3b, der Winkel zwischen den Teilstrahlen 3a, 3b, sowie die Lage des Schnittpunkts relativ zur Abtragfront geeignet gewählt. Bei größeren Tiefen wird mindestens dieser Schnittpunkt mit fortschreitendem Prozessfortschritt nachgeführt. Auch weitere der genannten Parameter können im Verlaufe des Prozesses angepasst werden, insbesondere wenn auch weitere Parameter, wie z.B. die Pulsenergie, mit zunehmender Tiefe variiert werden. Die erfindungsgemäße Strahlüberlagerung kann hier besonders vorteilhaft eingesetzt werden, indem der zeitliche Versatz zwischen den Teilstrahlen 3a, 3b einerseits so groß gewählt wird, dass sich keine störenden Interferenzeffekte zwischen diesen ergeben, andererseits so klein, dass die Teilstrahlen 3a, 3b hinsichtlich der für den Austrieb der Abtragprodukte wesentlichen Strömungen gleichzeitig wirken.
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Ein Parallelversatz der beiden Teilstrahlen 3a, 3b vor der Fokussierlinse 22, der durch die Fokussierung zu einem Winkelversatz auf dem Werkstück 25 führt, kann auch zur Erzeugung eines Hinterschnitts 23 in dem Werkstück 25 genutzt werden, wie dies in 17 mit der in 5 gezeigten Bearbeitungsoptik 4 gezeigt ist. Derartige Hinterschnitte 23, wie sie z.B. bei Klebe- oder sonstigen Verbindungen durch Ergänzung der stoffschlüssigen durch eine formschlüssige Komponente eingesetzt werden, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 4 vorteilhaft herstellen.
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Ein einstellbarer Winkelversatz der Bearbeitungsoptik 4 kann zur Generierung eines Parallelversatzes auf dem Werkstück 25 eingesetzt werden. 18 zeigt, dass dieser Parallelversatz im Werkstück 25 zu einem Materialabtrag führt, bei dem die Abtragprodukte im Wesentlichen zwischen den beiden Teilstrahlen 3a, 3b ausgetrieben werden. Der Abstand der beiden Teilstrahlen 3a, 3b, die Strahlparameter und die Laserparameter werden entsprechend der Anforderungen und der Eigenschaften des Werkstücks 25 eingestellt. In 18 ist der Winkelversatz durch einen unter einem Winkel zur Mittenachse einfallenden Eingangslaserstrahl 3 generiert.
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Winkel- und Ortsversatz der Teilstrahlen 3a, 3b können auf dem Werkstück 25 auch kombiniert werden, wobei die die Vorzugrichtungen des Versatzes einstellbar sind. Für einige Anwendungen ist es vorteilhaft, wie in 17 und 18 gezeigt, den Versatz quer zur Relativbewegung des Laserstrahls zum Werkstück 25 auszurichten. Für andere Anwendungen ist es vorteilhaft, den Versatz parallel zur Bewegung auszurichten. Bei sich ändernder Bewegungsrichtung kann die Vorzugsrichtung des Versatzes bei entsprechender Ausführung der Bearbeitungsoptik 4 angepasst werden.
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In 19 ist eine Laserbearbeitung unter Nutzung der in 10 gezeigten einstellbaren Bearbeitungsoptik 4 dargestellt, bei der die Teilstrahlen 3a, 3b einen Versatz der Strahltaillen in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung aufweisen. Dieser Fokusversatz ist so eingestellt, dass die Bearbeitung des transparenten Materials auf Ober- und Unterseite mittels eines einzigen Eingangsstrahls erfolgt.
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20 zeigt ein weiteres Beispiel für die Bearbeitung mit longitudinalem Fokusversatz. Auch hier wird ein transparentes Werkstück 25 bearbeitet und dabei ausgenutzt, dass die Absorption nur in einem Volumen in der Nähe der Foki ausreichend hoch ist, um die für die gewünschte Bearbeitung erforderliche Temperatur zu erreichen. Dabei kann die Absorption durch nichtlineare Effekte oder durch partielle Absorption dominiert oder auch initiiert sein. In 20 erfolgt eine Schmelzbildung gleichzeitig in den Fokusvolumina beider Teilstrahlen 3a, 3b. Die aufgeschmolzenen Bereiche bilden nachfolgend (zeitlich oder dem bewegten Strahl nachlaufend) ein kombiniertes Schmelzvolumen 24, wodurch die beiden Werkstücke 25 gefügt werden. Im Unterschied zu bekannten Bondverfahren erlaubt die einstellbare Überlagerung der Teilstrahlen 3a, 3b eine gezielte Steuerung des Schmelzvolumens 24, wodurch Rissbildung vermieden und eine Spaltüberbrückung möglich wird.
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21 zeigt ein Beispiel für eine einstellbare Bearbeitungsoptik 4, bei der die zwei Teilstrahlen 3a, 3b unterschiedliche Taillendurchmesser und Rayleighlänge aufweisen. Bei der gezeigten Anwendung wird ein Teilstrahl hoher Divergenz genutzt, durch die im Fokus lokal eine Absorption generiert wird, diese initiale Absorption dann entlang des Strahlprofils geringerer Divergenz durch ein im Anfangszustand weitgehend transparentes Medium gezogen wird. Dabei können transiente Effekte wie temperaturabhängige Absorption oder die Absorptionserhöhung durch die Generierung von freien Ladungsträgern oder Fehlstellen genutzt werden. Vorteilhaft ist demnach, wenn der Teilstrahl starker Fokussierung zeitlich dem anderen Teilstrahl vorläuft. Dabei kann einerseits die durch Weglängendifferenz der Teilstrahlen 3a, 3b bedingte Verzögerung eingesetzt werden. Andererseits kann aber auch die Polarisation des Eingangsstrahls 3 über ein vorgeschaltetes polarisationsbeeinflussendes Element 8 gesteuert werden, um zeitlich die Leistungsaufteilung auf die Teilstrahlen 3a, 3b einzustellen.
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Es versteht sich, dass auch der erste Teilstrahl 3a in mindestens einer geometrischen Strahleigenschaft verändert werden kann, während der zweite Teilstrahl 3b, obwohl er eine größere Weglänge durchläuft, unverändert bleibt.
