DE102018005218A1

DE102018005218A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verändern eines Materials in einem Volumenkörper

Info

Publication number: DE102018005218A1
Application number: DE102018005218.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Gottmann; Christian Wenzel
Original assignee: INNOLITE GmbH; Lightfab GmbH
Current assignee: Innolite De GmbH; Lightfab De GmbH
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2019-09-26

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 in 3 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 in 8 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 Material 1 eines Volumenkörpers 2 mit dem Fokus 3 eines Laserstrahls 4 durch eine scannende Bewegung in dem Volumenkörper 2 geführt wird, um mit dem Laserstrahl 4 mindestens eine Bahn 5 in den Volumenkörper 2 zu schreiben. Dabei liegt die Bahn 5 auf einer Ebene 6. Durch die Verstellung des Fokus können auch andere Bahnen (nicht gezeigt) in anderen Ebenen 7, 8, 9 geschrieben werden. Der Fokus 3 des Laserstrahls 4 wird somit relativ zum Volumenkörper 2 so geführt, dass die Bahn 5 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 Ebene 6 parallelen Ebene 7, 8, 9. Ein Objektiv 10 dient zur Fokussierung des Laserrohstrahls 11, um auf der Bahn 5 eine lokale rissfreie Modifikation 12 in dem durchstrahlten Material 1 des Volumenkörpers 2 zu erzielen.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung 20 zur Fokussierung eines Laserrohstrahls 5 ist in 4 gezeigt. Der Laserrohstrahl 5 wird durch Linsen 21, 22, 23 und 24 auf einen Fokus 3 fokussiert. Dabei wird der Laserfokus mit einer ersten Objektivbaugruppe 25 mit den Linsen 23 und 24 in einer bestimmten Tiefe des Volumenkörpers eingestellt. Zu dieser ersten auch Fokussierbaugruppe genannten Objektivbaugruppe 25 ist eine zweite Objektivbaugruppe 26 mit den Linsen 21 und 22 relativ zueinander verschiebbar angeordnet, um eine sphärische Aberration beim Eindringen des Laserstrahls 5 in den Volumenkörper 2 zu korrigieren. Im Ausführungsbeispiel wird die zweite Objektivbaugruppe 26 mit dem Aktuator 27 relativ zur ersten Objektivbaugruppe 25 bewegt.
Für die laterale Scanbewegung in einer Ebene wird im Stand der Technik ein Galvanoscanner 30 verwendet, der wie in 5 schematisch eindimensional gezeigt mit einem um eine Achse 31 drehbar gelagerten Spiegel 32 den Laserrohstrahl 11 ablenkt. Der abgelenkte Laserrohstrahls 11 wird mit der Vorrichtung 20 auf einen Fokus 3 fokussiert und durch den Galvanoscanner 30 auf eine definierte Position 33 auf der Fokussierebene 34 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 Stoßstellen 43.
Die 7 zeigt schematisch eine alternative Vorgehensweise, bei der mittels eines Scanners mit einer Rotationskinematik (Polarkinematik) (nicht gezeigt) eine spiralförmige Bahn 50 mit dem Radius 51 und dem Winkel 52 in eine Ebene (x, y) geschrieben werden kann.
Die 8 zeigt eine Vorrichtung 60 mit einer Fokussiereinheit 62, um den Laserstrahl 4 auf einen Fokus 3 zu fokussieren. Eine weitere Ablenkung 61 ist auf die Brechung beim Eintritt in den Volumenkörper 2 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 Bahn 5 über eine Polarbewegung 50 mit synchronisiert geführter Zustellachse (Fokusposition und Fokustiefe) in den Volumenkörper 2 zu schreiben.
Eine nicht gezeigte Korrektureinheit ermöglicht es dabei, die Aberration in der Veränderung des Fokus 3 des Laserstrahls 4 in Strahlrichtung 64 des Laserstrahls 4 kontinuierlich zu verändern. Der Laser 65 ist nur schematisch angedeutet. Die Bahn 5 umgrenzt in unterschiedlichen Tiefen 66 ein Strukturelement 67.
Die 9 zeigt schematisch eine Vorrichtung 70 mit einem Gesamtobjektiv 71, dass aus einer Fokussiereinheit 72 und einer Korrektureinheit 73 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 Maschinenbett 75 montiert ist und das Gesamtobjektiv 71 bewegt. Diese Maschinenachse 74 verfügt über eine Lagerung 81, eine Antriebsaktorik 76 und eine Sensorik 77, um lagegeregelt verfahren werden zu können. Dieser Ansatz ist vorzugsweise bei größeren, gleichmäßigen Stellbewegungen auf kontinuierlichen Flächen zu wählen.
Die Fokussiereinheit 72 des Gesamtobjektivs 71 hat eine Lagerung 78 und eine Aktorik 79 sowie eine Sensorik 82, um alternativ zum oben beschriebenen Ansatz die Position der Fokussiereinheit 72 eigenständig hochdynamisch anzupassen. Dadurch können beispielsweise Mikrostrukturen mit hoher Flächendynamik geschrieben werden. Für eine derartige hochdynamische Bewegung bedarf es keiner separaten Maschinenachse 74. 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 Gesamtobjektivs 71 hat eine Lagerung 83 und eine Aktorik 84 sowie eine Sensorik 80, um die Relativposition zwischen Fokussiereinheit 72 und Kompensationseinheit 73 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 Fokussiereinheit 72 (hochfrequenter Anteil) zusammensetzt.
Die Fokussiereinheit 72 und die Korrektureinheit 73 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 Achse 91 gezeigt variiert. Die Variation kann dabei kontinuierlich entsprechend der Linie 92 steigend (z.B. Spiralbahn auf Kugeloberfläche) oder entsprechend der Linie 93 frei oszillierend sein (z.B. sinusförmige Mikrostruktur). Sie eignet sich besonders für Linsen mit sphärischer, asphärischer oder frei geformter Kontur.

Claims

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 oder 2, 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 bis 13, 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 bis 14, 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 oder 18, 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 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (62, 72) und die Korrektureinheit (73) relativ zueinander beweglich gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, 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 bis 21, 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 bis 22, 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 bis 23, 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.