DE102018005218A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verändern eines Materials in einem Volumenkörper - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Verändern eines Materials in einem Volumenkörper Download PDFInfo
- Publication number
- DE102018005218A1 DE102018005218A1 DE102018005218.5A DE102018005218A DE102018005218A1 DE 102018005218 A1 DE102018005218 A1 DE 102018005218A1 DE 102018005218 A DE102018005218 A DE 102018005218A DE 102018005218 A1 DE102018005218 A1 DE 102018005218A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- laser beam
- solid
- focus
- laser
- movement
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
- B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
- B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
- B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
- B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
- B23K26/55—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for creating voids inside the workpiece, e.g. for forming flow passages or flow patterns
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/52—Ceramics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/54—Glass
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verändern eines Materials, bei dem der Fokus eines Laserstrahls durch eine scannende Bewegung in einem Volumenkörper geführt wird, um mit dem Laserstrahl mindestens eine Bahn in den Volumenkörper zu schreiben, wobei der Fokus des Laserstrahls relativ zum Volumenkörper so geführt wird, dass die Bahn neben einer zweidimensionalen Bewegungskomponente gleichzeitig eine dazu senkrechte Bewegungskomponente aufweist.Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verändern eines Materials in einem Volumenkörper mit einem Laser und einer Fokussiereinheit, um mit dem Fokus des Laserstrahls mindestens eine Bahn in den Volumenkörper zu schreiben, wobei die Fokussiereinheit zur kontinuierlichen Veränderung des Fokus des Laserstrahls in Strahlrichtung des Laserstrahls ausgebildet ist, um den Fokus neben einer Bewegung mit zwei senkrecht zueinander liegenden Bewegungskomponenten gleichzeitig auch mit einer dazu senkrechten Bewegungskomponente relativ zum Volumenkörper zu bewegen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verändern eines Materials, bei dem der Fokus eines Laserstrahls durch eine scannende Bewegung in einem Volumenkörper geführt wird, um mit dem Laserstrahl mindestens eine Bahn - wie beispielsweise eine Kurve, eine Gerade oder eine Strecke - in den Volumenkörper zu schreiben. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verändern eines Materials in einem Volumenkörper mit einem Laser und einer Fokussiereinheit, um mit dem Fokus des Laserstrahls mindestens eine Bahn in den Volumenkörper zu schreiben.
- In Volume Laserprozesse verändern lokal in der Regel im Fokuspunkt des Lasers das Material in einem Volumenkörper, um Strukturelemente zu schreiben (
1 ). So kann in einem Kunststoff lokale Polymerisation durch die Laserstrahlung bewirkt werden. Bei dem SLE Prozess (Selective Laser Etching) führt die hohe Intensität im Fokuspunkt der Laserstrahlung zur lokalen rissfreien Modifikation in dem durchstrahlten Material (Glas, Glaskeramik oder andere transparente Materialien). Durch derartige laserinduzierte Modifikationen werden die optischen Eigenschaften des Materials oder die Ätzrate in nachgeschalteten nasschemischen Prozessen verändert. Um hohe Präzision zu erzielen und kleine Strukturelemente schreiben zu können, ist es notwendig, eine möglichst fehlerfreie Fokussierung auf 2 µm Fokusdurchmesser zu erreichen und den Fokus mit möglichst großer Geschwindigkeit zu bewegen. - Zur Fokussierung des Laserrohstrahls in Richtung der Materialtiefe verwendete Objektive (
2 ) bestehen nach dem Stand der Technik aus zwei Hauptbaugruppen und, einer ersten, welche den Laserfokus in einer bestimmten Tiefe des Volumenkörpers einstellt und auch Fokussierbaugruppe genannt wird. Eine zweite Objektivbaugruppe ist zur Fokussierbaugruppe relativ verschiebbar, um auftretende sphärische Aberration beim Eindringen der Laserstrahlung in den Volumenkörper zu korrigieren. Derartige Objektivbaugruppen bestehen nach dem Stand der Technik aus jeweils mehreren Einzellinsen. Die Verschiebung der Objektivbaugruppen kann aktorisch oder manuell konstruktiv realisiert werden. Für den rissfreien SLE-Prozess sind Fokusdurchmesser von ca. 2 µm notwendig bei ca. 1 µm Wellenlänge, so dass Objektive mit großer NA (~0.4) und somit kleiner Brennweite (typ. 10 mm) notwendig sind. - Wird nun der Laserstrahl durch eine 2D scannende Bewegung in dem Material in der Fokusebene geführt, so können planare Geometrien geschrieben werden.
- Soll ein Strukturelement mit einer 3D Geometrie geschrieben werden, wird dieses nach dem Stand der Technik in 2D Ebenen zerteilt (Slicing). Derartige Geometrien werden diskontinuierlich Lage für Lage aus unterschiedlichen Fokusebenen aufgebaut. Der Ablauf sieht vor (
1 ): - 1. Fokussierung des Laserstrahls für die jeweils relevante Tiefenebene n.
- 2. Korrektur der sphärischen Aberration durch präzises Nachführen der zweiten Linsenbaugruppe im Objektiv relativ zum Fokussierobjektiv für die Ebene n. (langsam, iterativ)
- 3. Scanbewegung zur Erzeugung der jeweiligen 2D Kontur in der Ebene n.
- 4. Anheben der Fokussieroptik, so dass der Laserfokus in der Tiefe der Ebene n+1 liegt.
- 5. Weiteres Vorgehen gemäß Punkt
2 . - Für die laterale Scanbewegung in einer Ebene wird nach dem Stand der Technik ein Galvanoscanner eingesetzt mit zwei oder mehr Spiegeln, die hochdynamisch rotativ positioniert werden können, um den Fokuspunkt in der Fokusebene lateral in definierte Positionen abzulenken. Das Fokussierobjektiv mit der in der Regel händisch zu bedienenden Korrektureinheit für die sphärische Aberration ist dem Scanner nachgeschaltet, um kleine Fokusdurchmesser (<5 µm) zu erreichen.
- Da der Scanbereich kinematisch eingeschränkt ist, wird gemäß dem Stand der Technik sogenanntes Stitching eingesetzt. Dabei werden einzelne Scanfenster (max. Scanbereich des Scanners) durch Umsetzten des Scanners oder des Werkstückes aneinandergereiht, um größere 2D Flächen bearbeiten zu können. Aufgrund der Präzision sowie der Prozessführung sind beim Stitching jedoch stets Stoßstellen an den Übergängen zu sehen.
- Für typische SLE Prozesse sind mit großer Laserleistung Scangeschwindigkeiten von bis zu 12 m/s möglich. Derzeitige Galvanoscanner sind nicht in der Lage, derartige Geschwindigkeiten bei den für den SLE-Prozess notwendigen kleinen Brennweiten zu realisieren. Mit hochdynamischen Scannern wie Polygonscannern, resonanten Scannern oder akusto-optischen Deflektoren sind die großen Geschwindigkeiten erreichbar, allerdings ist die Geschwindigkeit nur durch Einschränkung der Geometriefreiheit möglich (gerade Linien, Kreisbahn oder extrem eingeschränktes Scanfeld).
- Alternativ zum Linearscan mittels Scanner (kartesisch 2D) kann eine Rotationskinematik (polar, 2D mit Radius R und Winkel φ gewählt werden) (
5 ). Diese ist jedoch für das diskontinuierliche Scannen in der Ebene deutlich weniger flexibel. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für derartige Involumenprozesse weiterzuentwickeln. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Vorzugsweise wird die Strahlführung bei einem ultrapräzisen 3D Scan für Involumenlaserprozesse über eine Polarbewegung mit synchronisiert geführter Zustellachse (Fokusposition, Fokustiefe) auf einer Ultrapräzisionsmaschine realisiert. Wesentliche Vorteile dieser Kinematik sind die erzielbare hohe Präzision auch auf großen Flächen, ohne dass Stitching betrieben werden muss, sowie die hohe realisierbare Prozessgeschwindigkeit aufgrund der Rotationsbewegung. Weiterhin entstehen keine Artefakte aufgrund von An- und Abfahrbewegungen, wie sie beispielsweise bei einer mäanderförmigen Linearscanbewegung auftreten. Über diese Kinematik können vorzugsweise rotationssymmetrische Bauteile aber auch nicht-rotationssymmetrische Bauteile mit Freiformflächenanteil bzw. Mikrostruktur gefertigt werden, indem die Zustellbewegung (Fokusposition) über einer vollen Rotation (360°) variiert wird. Die Variation kann dabei kontinuierlich steigend (z.B. Spiralbahn auf Kugeloberfläche) oder frei oszillierend sein (z.B. sinusförmige Mikrostruktur). Sie eignet sich besonders für Linsen mit sphärischer, asphärischer oder frei geformter Kontur.
- Alternativ zur Polarkinematik kann das flächige Scannen über zusammengesetzte Linearbewegungen realisiert werden. Hierzu eignen sich Linearachsen, welche den Laserstrahl oder das Werkstück führen oder rotative Spiegel eines Scanners, die durch ihre Rotation den Laserstrahl in einer definierten Entfernung linear oder auf Kreisbahnen mit kleinem Radius ablenken.
- Besonders geeignet für ein kontinuierliches 3D Schreiben in Volumenkörpern mittels Laser (In Volume Laserprozess) ist ein neuartiges Objektiv mit der Möglichkeit der kontinuierlichen Fokusanpassung (z-Zustellung des Fokusortes) und zugehöriger kontinuierlicher, synchronisierter Korrektur der sphärischen Aberration, welche durch Fokussierung in das plane transparente Werkstück in Abhängigkeit von der Bearbeitungstiefe hervorgerufen werden (
7 ). - Die Sollwertvorgabe für die Relativposition zwischen Fokussiereinheit und Kompensationseinheit kann gesteuert durch eine Vorberechnung mit entsprechender online Synchronisation der Objektivsteuerung zur Verfügung gestellt werden. Zur Synchronisation bietet sich die laterale Laserfokusposition, die Laserfokustiefenposition bzw. die Zeit an. Darüber hinaus können eigene Synchronisationsparameter gewählt werden.
- Alternativ kann die Sollwertvorgabe für die Relativposition zwischen Fokussiereinheit und Kompensationseinheit durch aktiv aufgenommene Messwerte während der Prozessführung zur Optimierung der Fokusqualität der Objektivsteuerung zur Verfügung gestellt werden.
- Alternativ zu einer relativen Stellbewegung zwischen Fokussiereinheit und Korrektureinheit kann mindestens eine Einheit mit einer adaptiven Optik (Flüssigkeitslinsen, deformierbare Spiegel, akusto-optische Linse, programmierbares matrixbasiertes phasenänderndes Element z.B. spatial light modulator) ausgestattet sein, um eine automatisierte Korrektur der sphärischen Aberration vorzunehmen und/oder eine hochdynamische Fokussierung mit kleinem Stellweg (hochfrequenter Anteil der Bewegung) durchzuführen. Die Ansteuerung einer derartigen aktiven Optikkomponente erfolgt analog zu Punkt
4 bzw.5 des oben beschriebenen Ablaufs. - Neben der kontinuierlichen Adaption der Relativposition zwischen Fokussiereinheit und Korrektureinheit schlägt die Erfindung eine kontinuierlich synchronisierte Parameterregelung des Lasers für eine prozess- bzw. materialspezifische Optimierung vor. Dies ist deshalb sinnvoll, da je nach Kinematik der Laserstrahlführung sich verändernde Prozessbedingungen ergeben. So wird z.B. bei einer Polarkinematik, wie sie auf einer Drehmaschine zum Einsatz kommt, die Dichte der Laserpulse zur Mitte des Bauteils hin immer höher.
- Die Laserpulsrate kann während der Scanbewegung kontinuierlich angepasst werden, um den lokalen Energieeintrag zu beeinflussen. Die Anpassung kann dabei über eine Vorabberechnung und eine anschließende Synchronisation erfolgen.
- Alternativ kann die Anpassung der Laserpulsrate geregelt geschehen, indem das Signal eines Sensors live während der Prozessführung ausgelesen, interpretiert und zur Einstellung der optimalen Pulsrate verwendet wird.
- Die Laserleistung kann während der Scanbewegung kontinuierlich angepasst werden, um den lokalen Energieeintrag zu beeinflussen. Die Anpassung kann dabei über eine Vorabberechnung und eine anschließende Synchronisation erfolgen.
- Alternativ kann die Anpassung der Laserleistung geregelt geschehen, indem das Signal eines Sensors live während der Prozessführung ausgelesen, interpretiert und zur Einstellung der optimalen Pulsrate verwendet wird.
- Vorteilhaft ist es, wenn das Werkstück und/oder der Laserfokus synchron und kontinuierlich mit Korrekturbewegung verschoben werden.
- Das heißt, dass insbesondere sowohl Werkstück als auch Laserfokus kontinuierlich synchron bewegt werden können, um die Bahn zu erzeugen.
- Mehrere Ausführungsbeispiele zu bekannten Vorrichtungen und ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschreiben. Es zeigt
-
1 eine Vorrichtung zum Schreiben von Strukturelementen in einen Volumenkörper, -
2 eine Draufsicht auf die in3 gezeigte Ansicht, -
3 eine perspektivische Ansicht eines Ebenenaufbaus für ein Strukturelement, -
4 ein für die Fokussierung eines Laserrohstrahls verwendbares Objektiv, -
5 schematisch die Funktion eines Galvanoscanners, -
6 schematisch größere 2D Flächen mit Scanfenstern für das Stitching, -
7 schematisch das Scannen mit einer Rotationskinematik, -
8 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Materialveränderung innerhalb eines Volumens, -
9 schematisch ein Objektiv für eine in8 gezeigte Vorrichtung und -
10 schematisch die Fokusbewegung über einer Rotation des Polarscans kontinuierlich und oszillierend. - Die
1 zeigt eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, bei der das Material1 eines Volumenkörpers2 mit dem Fokus3 eines Laserstrahls4 durch eine scannende Bewegung in dem Volumenkörper2 geführt wird, um mit dem Laserstrahl4 mindestens eine Bahn5 in den Volumenkörper2 zu schreiben. Dabei liegt die Bahn5 auf einer Ebene6 . Durch die Verstellung des Fokus können auch andere Bahnen (nicht gezeigt) in anderen Ebenen7 ,8 ,9 geschrieben werden. Der Fokus3 des Laserstrahls4 wird somit relativ zum Volumenkörper2 so geführt, dass die Bahn5 mit einer zweidimensionalen Bewegungskomponente (x, y) geführt wird und dann in einer dazu senkrechten Bewegungskomponente (z) in eine andere Ebene geführt wird und danach wieder mit einer zweidimensionalen Bewegungskomponente auf einer zur ersten Ebene6 parallelen Ebene7 ,8 ,9 . Ein Objektiv10 dient zur Fokussierung des Laserrohstrahls11 , um auf der Bahn5 eine lokale rissfreie Modifikation 12 in dem durchstrahlten Material1 des Volumenkörpers2 zu erzielen. - Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung
20 zur Fokussierung eines Laserrohstrahls5 ist in4 gezeigt. Der Laserrohstrahl5 wird durch Linsen21 ,22 ,23 und24 auf einen Fokus3 fokussiert. Dabei wird der Laserfokus mit einer ersten Objektivbaugruppe25 mit den Linsen23 und24 in einer bestimmten Tiefe des Volumenkörpers eingestellt. Zu dieser ersten auch Fokussierbaugruppe genannten Objektivbaugruppe25 ist eine zweite Objektivbaugruppe26 mit den Linsen21 und22 relativ zueinander verschiebbar angeordnet, um eine sphärische Aberration beim Eindringen des Laserstrahls5 in den Volumenkörper2 zu korrigieren. Im Ausführungsbeispiel wird die zweite Objektivbaugruppe26 mit dem Aktuator27 relativ zur ersten Objektivbaugruppe25 bewegt. - Für die laterale Scanbewegung in einer Ebene wird im Stand der Technik ein Galvanoscanner
30 verwendet, der wie in5 schematisch eindimensional gezeigt mit einem um eine Achse31 drehbar gelagerten Spiegel32 den Laserrohstrahl11 ablenkt. Der abgelenkte Laserrohstrahls11 wird mit der Vorrichtung20 auf einen Fokus3 fokussiert und durch den Galvanoscanner30 auf eine definierte Position33 auf der Fokussierebene34 abgelenkt. - Mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Stitching können auf einer größeren 2D-Fläche 40 einzelne Scanfenster
41 ,42 (nur exemplarisch beziffert) durch umsetzen des Scanners oder des Werkstücks aneinander gereiht werden. Dabei entstehen jedoch Stoßstellen43 . - Die
7 zeigt schematisch eine alternative Vorgehensweise, bei der mittels eines Scanners mit einer Rotationskinematik (Polarkinematik) (nicht gezeigt) eine spiralförmige Bahn50 mit dem Radius51 und dem Winkel52 in eine Ebene (x, y) geschrieben werden kann. - Die
8 zeigt eine Vorrichtung60 mit einer Fokussiereinheit62 , um den Laserstrahl4 auf einen Fokus3 zu fokussieren. Eine weitere Ablenkung61 ist auf die Brechung beim Eintritt in den Volumenkörper2 zurückzuführen. Dabei wird der Fokus kontinuierlich in Strahlrichtung des Laserstrahls so verändert, dass er neben einer Bewegung mit zwei senkrecht zueinander liegenden Bewegungskomponenten (x, y) gleichzeitig auch mit einer dazu senkrechten Bewegungskomponente (z) relativ zum Volumenkörper bewegt wird. Dies ermöglicht es, eine Bahn5 über eine Polarbewegung50 mit synchronisiert geführter Zustellachse (Fokusposition und Fokustiefe) in den Volumenkörper2 zu schreiben. - Eine nicht gezeigte Korrektureinheit ermöglicht es dabei, die Aberration in der Veränderung des Fokus
3 des Laserstrahls4 in Strahlrichtung64 des Laserstrahls4 kontinuierlich zu verändern. Der Laser65 ist nur schematisch angedeutet. Die Bahn5 umgrenzt in unterschiedlichen Tiefen66 ein Strukturelement67 . - Die
9 zeigt schematisch eine Vorrichtung70 mit einem Gesamtobjektiv71 , dass aus einer Fokussiereinheit72 und einer Korrektureinheit73 zur Kompensation von sphärischer Aberration zusammengesetzt ist. - Die Nachführung der Fokuslage in der Tiefe eines Volumenkörpers kann über eine separate Maschinenachse
74 erfolgen, die auf einem Maschinenbett75 montiert ist und das Gesamtobjektiv71 bewegt. Diese Maschinenachse74 verfügt über eine Lagerung81 , eine Antriebsaktorik76 und eine Sensorik77 , um lagegeregelt verfahren werden zu können. Dieser Ansatz ist vorzugsweise bei größeren, gleichmäßigen Stellbewegungen auf kontinuierlichen Flächen zu wählen. - Die Fokussiereinheit
72 des Gesamtobjektivs71 hat eine Lagerung78 und eine Aktorik79 sowie eine Sensorik82 , um alternativ zum oben beschriebenen Ansatz die Position der Fokussiereinheit72 eigenständig hochdynamisch anzupassen. Dadurch können beispielsweise Mikrostrukturen mit hoher Flächendynamik geschrieben werden. Für eine derartige hochdynamische Bewegung bedarf es keiner separaten Maschinenachse74 . Vorzugsweise wird eine fluidische Lagerung (aerostatisch) und eine berührungslose Direktantriebstechnik gewählt, um ultrapräzise Stellbewegungen ohne Rastmomente und Stick Slip durchführen zu können. - Die Korrektureinheit
73 des Gesamtobjektivs71 hat eine Lagerung83 und eine Aktorik84 sowie eine Sensorik80 , um die Relativposition zwischen Fokussiereinheit72 und Kompensationseinheit73 gemäß einer Sollwertvorgabe lagegeregelt zueinander kontinuierlich einstellen zu können. Vorzugsweise wird eine berührungslose Direktantriebstechnik verwendet, um ultrapräzise Stellbewegungen durchführen zu können. - Die Nachführung der Fokuslage kann auch hybrid erfolgen, derart dass sich die notwendige Bewegung aus einem Teil der separaten Maschinenachse
74 (niederfrequenter Teil) und einem Teil der Objektiv-eigenen Positionierung durch die Fokussiereinheit72 (hochfrequenter Anteil) zusammensetzt. - Die Fokussiereinheit
72 und die Korrektureinheit73 sind darüber hinaus derart hochpräzise gelagert, dass sie in ihrer Relativposition zueinander verfahren werden können, um für eine spezielle von verschiedenen Fokuspositionen die auftretende sphärische Aberration kontinuierlich zu korrigieren. Vorzugsweise wird auch hier eine fluidische Lagerung (aerostatisch) gewählt, um ultrapräzise Stellbewegungen durchführen zu können. - Die
10 zeigt wie die Strahlführung bei einem ultrapräzisen 3D Scan für Involumenlaserprozesse über eine Polarbewegung mit synchronisiert geführter Zustellachse (Fokusposition, Fokustiefe) auf einer Ultrapräzisionsmaschine realisiert wird. Die Zustellbewegung (Fokusposition)90 wird über einer vollen Rotation (360°) wie auf der Achse91 gezeigt variiert. Die Variation kann dabei kontinuierlich entsprechend der Linie92 steigend (z.B. Spiralbahn auf Kugeloberfläche) oder entsprechend der Linie93 frei oszillierend sein (z.B. sinusförmige Mikrostruktur). Sie eignet sich besonders für Linsen mit sphärischer, asphärischer oder frei geformter Kontur.
Claims (24)
- Verfahren zum Verändern eines Materials (1), bei dem der Fokus (3) eines Laserstrahls (4) durch eine scannende Bewegung in einem Volumenkörper (2) geführt wird, um mit dem Laserstrahl (4) mindestens eine Bahn (5) in den Volumenkörper (2) zu schreiben, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (3) des Laserstrahls (4) insbesondere relativ zum Volumenkörper (2) so geführt wird, dass die Bahn (5) neben einer zweidimensionalen Bewegungskomponente (x, y) gleichzeitig eine dazu senkrechte Bewegungskomponente (z) aufweist.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokussiereinheit (72), um den Fokus (3) des Lasers (4) in einer bestimmten Tiefe (66) des Volumenkörpers (2) einzustellen, und / oder eine Korrektureinheit (73), um eine Aberration beim Eindringen des Laserstrahls (4) in den Volumenkörper (2) zu korrigieren, kontinuierlich relativ zum Volumenkörper (2) verschoben werden, während mit dem Laserstrahl (4) die Bahn (5) in den Volumenkörper (2) geschrieben wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn (5) mindestens ein Strukturelement (67) umgrenzt und/oder füllt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4) oder der Volumenkörper (2) mit einer Polarbewegung (50) mit synchronisiert geführter Zustellbewegung für die Fokusposition auf einer Ultrapräzisionsmaschine geführt wird.
- Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellbewegung für die Fokusposition während einer vollen Rotation (360 °) variiert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4) zumindest auch über zusammengesetzte Linearbewegungen geführt wird, wobei für die zweidimensionale Bewegungskomponente ein Galvanoscanner (30) eingesetzt werden kann.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenkörper (2) Glas, Kristall oder eine transparente Keramik aufweist, in dem der Laserstrahl (4) fokussiert wird und eine lokale Materialveränderung im Inneren des Volumenkörpers (2) bewirkt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (3) des Laserstrahls (4) im Volumenkörper (2) einen Durchmesser von unter 5 µm, vorzugsweise unter 3 µm und insbesondere von etwa 2 µm aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenkörper (2) transparent ist und der Laserstrahl (4) eine Wellenlänge von unter 3µm, vorzugsweise eine Wellenlänge von etwa 0,5 bis 2 µm und insbesondere von etwa 1 µm aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4) eine Pulsdauer von unter 20 ps, vorzugsweise zwischen 0,1 und 10 ps und insbesondere von etwa 1 ps aufweist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die relativen Positionen von Fokussiereinheit (72) und/oder Korrektureinheit (73) zueinander und relativ zum Bauteil Positions-Sollwerte ermittelt werden, um den Fokus (3) des Laserstrahls (4) in einer bestimmten Tiefe des Volumenkörpers einzustellen und / oder eine Aberration, insbesondere die sphärische Aberration, beim Eindringen des Laserstrahls (4) in den Volumenkörper (2) zu korrigieren.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einstellungs-Sollwerte ermittelt werden, auf deren Grundlage eine adaptive Optik und/oder ein programmierbares phasenfrontänderndes Element (insbesondere spatial light modulator beispielsweise auf Basis von Flüssigkristall, LCoS oder LCD) eingestellt wird, um den Fokus (3) des Laserstrahls (4) in einer bestimmten Tiefe des Volumenkörpers (2) einzustellen und / oder eine Aberration beim Eindringen des Laserstrahls (4) in den Volumenkörper (2) zu korrigieren.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungs-Sollwerte für Parameter des Laserstrahls (4) wie die Laserpulsrate oder die Laserleistung ermittelt und verändert werden, während mit dem Laserstrahl (4) die Bahn (5) in den Volumenkörper (2) geschrieben wird.
- Verfahren nach einem der
Ansprüche 11 bis13 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte vor der scannenden Bewegung des Laserstrahls (4) ermittelt werden und während der scannenden Bewegung des Laserstrahls (4) damit der Laserstrahl eingestellt wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 11 bis14 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte während der scannenden Bewegung des Laserstrahls (4) zeit- oder positionsabhängig eingelesen werden und während der scannenden Bewegung des Laserstrahls (4) damit der Laserstrahl eingestellt wird. - Vorrichtung (60) zum Verändern eines Materials (1) in einem Volumenkörper (2) mit einem Laser (65) und einer Fokussiereinheit (62, 72), um mit dem Fokus (3) des Laserstrahls (4) mindestens eine Bahn (5) in den Volumenkörper (2) zu schreiben, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (62, 72) zur kontinuierlichen Veränderung des Fokus (3) des Laserstrahls (4) in Strahlrichtung des Laserstrahls ausgebildet ist, um den Fokus (3) neben einer Bewegung mit zwei senkrecht zueinander liegenden Bewegungskomponenten (x, y) gleichzeitig auch mit einer dazu senkrechten Bewegungskomponente (z) insbesondere relativ zum Volumenkörper (2) zu bewegen.
- Vorrichtung nach
Anspruch 16 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Korrektureinheit (73) zur Korrektur der Aberration aufweist, um die Aberration während der Veränderung des Fokus (3) des Laserstrahls (4) in Strahlrichtung (64) des Laserstrahls (4) kontinuierlich zu verändern. - Vorrichtung nach
Anspruch 17 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (62, 72) und die Korrektureinheit (73) miteinander synchronisiert sind. - Vorrichtung nach
Anspruch 17 oder18 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (62, 72) und die Korrektureinheit (73) gemeinsam relativ zum Laser (65) über eine separate Maschinenachse (74) in der Achse des Laserstrahls (4) bewegbar angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 16 bis19 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (62, 72) und die Korrektureinheit (73) relativ zueinander beweglich gelagert sind. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 16 bis20 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Positionssensorik (82, 80), eine Positionsaktorik (79, 84) und eine Positionssteuerung (86) aufweist, um die Position von Fokussiereinheit (72) und/oder Korrektureinheit (73) gemäß einem Sollwert einzustellen, während der Laserstrahl (4) eine Bahn (5) in den Volumenkörper (2) schreibt. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 17 bis21 , dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Speicher (85) für Relativpositionen von Laser (65), Fokussiereinheit (72) und/oder Korrektureinheit (73) aufweist. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 17 bis22 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine adaptive Optik und/oder ein programmierbares phasenfrontänderndes Element (insbesondere spatial light modulator beispielsweise auf Basis von Flüssigkristall, LCoS oder LCD) aufweist. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 17 bis23 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zum Ändern der Polarisation des Laserstrahls (4) synchronisiert zur Änderung der Bewegungsrichtung des Fokus (3) relativ zum Volumenkörper (2) aufweist, insbesondere dass diese Einrichtung aus einem doppeltbrechenden Material (z.B. lambda-halbe-Platte) montiert in einer weiteren Drehachse besteht.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018002278.2 | 2018-03-20 | ||
DE102018002278 | 2018-03-20 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018005218A1 true DE102018005218A1 (de) | 2019-09-26 |
Family
ID=67848276
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018005218.5A Pending DE102018005218A1 (de) | 2018-03-20 | 2018-07-02 | Verfahren und Vorrichtung zum Verändern eines Materials in einem Volumenkörper |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018005218A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019134399A1 (de) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | Dionex Softron Gmbh | Herstellung von fluidischen Vorrichtungen |
EP3984970A1 (de) | 2020-10-14 | 2022-04-20 | Schott Ag | Verfahren zur verarbeitung von glas durch alkalische ätzung |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060219676A1 (en) * | 2005-03-25 | 2006-10-05 | National Research Council Of Canada | Fabrication of long range periodic nanostructures in transparent or semitransparent dielectrics |
EP1716963A1 (de) * | 2005-04-26 | 2006-11-02 | Highyag Lasertechnologie GmbH | Optische Anordnung für die Remote-Laser-Materialbearbeitung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Arbeitsraumes |
US20110193269A1 (en) * | 2008-09-01 | 2011-08-11 | Hamamatsu Photonics K.K. | Aberration-correcting method, laser processing method using said aberration-correcting method, laser irradiation method using said aberration-correcting method, aberration-correcting device and aberration-correcting program |
US20120268939A1 (en) * | 2010-01-20 | 2012-10-25 | Moshe Finarov | Method of laser processing |
US20140147624A1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-05-29 | Corning Incorporated | Methods of Fabricating Glass Articles by Laser Damage and Etching |
DE102016000051A1 (de) * | 2016-01-05 | 2017-07-06 | Siltectra Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum planaren Erzeugen von Modifikationen in Festkörpern |
-
2018
- 2018-07-02 DE DE102018005218.5A patent/DE102018005218A1/de active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060219676A1 (en) * | 2005-03-25 | 2006-10-05 | National Research Council Of Canada | Fabrication of long range periodic nanostructures in transparent or semitransparent dielectrics |
EP1716963A1 (de) * | 2005-04-26 | 2006-11-02 | Highyag Lasertechnologie GmbH | Optische Anordnung für die Remote-Laser-Materialbearbeitung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Arbeitsraumes |
US20110193269A1 (en) * | 2008-09-01 | 2011-08-11 | Hamamatsu Photonics K.K. | Aberration-correcting method, laser processing method using said aberration-correcting method, laser irradiation method using said aberration-correcting method, aberration-correcting device and aberration-correcting program |
US20120268939A1 (en) * | 2010-01-20 | 2012-10-25 | Moshe Finarov | Method of laser processing |
US20140147624A1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-05-29 | Corning Incorporated | Methods of Fabricating Glass Articles by Laser Damage and Etching |
DE102016000051A1 (de) * | 2016-01-05 | 2017-07-06 | Siltectra Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum planaren Erzeugen von Modifikationen in Festkörpern |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019134399A1 (de) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | Dionex Softron Gmbh | Herstellung von fluidischen Vorrichtungen |
EP3984970A1 (de) | 2020-10-14 | 2022-04-20 | Schott Ag | Verfahren zur verarbeitung von glas durch alkalische ätzung |
US11891326B2 (en) | 2020-10-14 | 2024-02-06 | Schott Ag | Method for processing glass by alkaline etching |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102013102442B4 (de) | Optische Vorrichtung zur Strahlformung | |
EP1716963B1 (de) | Optische Anordnung für die Remote-Laser-Materialbearbeitung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Arbeitsraumes | |
EP3034205A2 (de) | Vorrichtung zur generativen herstellung eines bauteils | |
DE102013015656B4 (de) | Verfahren zum Messen der Eindringtiefe eines Laserstrahls in ein Werkstück, Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks sowie Laserbearbeitungsvorrichtung | |
EP3452246A1 (de) | Abbildungsoptik für die materialbearbeitung mittels laserstrahlung und laserbearbeitungskopf mit einer solchen | |
EP3932609B1 (de) | Vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung mit zwei parallel-versatz-einheiten des laserstrahles | |
EP0710551B1 (de) | Vorrichtung zur Herstellung einer Druckschablone | |
DE102009046485A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen | |
DE102019115554A1 (de) | Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks | |
EP3313607A1 (de) | Laserbearbeitungskopf und laserbearbeitungsmaschine damit | |
WO2012013818A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren einer laserbearbeitungsmaschine unter verwendung eines laserlicht-sensors | |
DE102018005218A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Verändern eines Materials in einem Volumenkörper | |
EP2023181A1 (de) | Vorrichtung zum Schwenken eines optischen Strahls | |
JP4520918B2 (ja) | スリット幅調整装置およびこれを備えた顕微鏡レーザリペア装置 | |
EP4056309A1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum laserschneiden eines werkstücks und erzeugen von werkstückteilen | |
WO2016030112A1 (de) | Anordnung zur abtastung einer objektfläche mit mehreren laserstrahlen und verfahren zum betrieb der anordnung | |
DE4424492C2 (de) | Anordnung zur Werkstückbearbeitung mittels eines auf einen Brennfleck fokussierbaren Lasers | |
DE102013008646B4 (de) | Adaptiver Spiegel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung | |
DE102014012456A1 (de) | Optische Strahlführungseinheit und Materialbearbeitungsvorrichtung mit einer optischen Strahlführungseinheit | |
WO2022033923A1 (de) | Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene | |
EP3450083B1 (de) | Vorrichtung und verfahren zur materialbearbeitung | |
DE102020134367A1 (de) | Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials | |
DE102011006152A1 (de) | Trepanieroptik zur Einstellung und Variation eines Propagationswinkels und einer lateralen Versetzung elektromagnetischer Strahlung | |
EP2909035B1 (de) | Vorrichtung zur laserpersonalisierung von sicherheitselementen | |
DE102015226083A1 (de) | Optische Anordnung zum Herstellen feiner Strukturen mittels Laserstrahlung |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: LIGHTFAB GMBH, DE Free format text: FORMER OWNERS: INNOLITE GMBH, 52074 AACHEN, DE; LIGHTFAB GMBH, 52074 AACHEN, DE Owner name: INNOLITE GMBH, DE Free format text: FORMER OWNERS: INNOLITE GMBH, 52074 AACHEN, DE; LIGHTFAB GMBH, 52074 AACHEN, DE |