DE102018212233A1

DE102018212233A1 - Beam shaping device for a laser beam used for material processing

Info

Publication number: DE102018212233A1
Application number: DE102018212233.4A
Authority: DE
Inventors: Dmitriy Mikhaylov; Tobias Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-01-23
Also published as: WO2020020782A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlformung für einen zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl mit einem ansteuerbaren räumlichen Licht-Modulator (60) mit einem ersten optisch aktiven Volumen als einer zwei-dimensionalen Anordnung einer ersten Gesamtanzahl von ersten Teilvolumen, wobei der räumliche Licht-Modulator (60) derart ansteuerbar ist, dass unterschiedliche erste Phasenverschiebungen für die ersten Teilvolumen einstellbar sind, und einem diffraktiven optischen Element (62) mit einem zweiten optisch aktiven Volumen als einer zwei-dimensionalen Anordnung einer zweiten Gesamtanzahl von zweiten Teilvolumen, wobei durch Ausbildung des diffraktiven optischen Elements (62) für zumindest zwei verschiedenen zweite Teilvolumen unterschiedliche zweite Phasenverschiebungen fest vorgegeben sind. Ebenso betrifft die Erfindung eine optische Materialbearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Materialbearbeitungsvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Strahlformung an einem zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl und ein optisches Materialbearbeitungsverfahren.The invention relates to a device for beam shaping for a laser beam used for material processing with a controllable spatial light modulator (60) with a first optically active volume as a two-dimensional arrangement of a first total number of first partial volumes, the spatial light modulator (60 ) can be controlled such that different first phase shifts can be set for the first partial volumes, and a diffractive optical element (62) with a second optically active volume as a two-dimensional arrangement of a second total number of second partial volumes, by forming the diffractive optical element (62) different second phase shifts are fixed for at least two different second partial volumes. The invention also relates to an optical material processing device and a method for operating an optical material processing device. Furthermore, the invention relates to a method for beam shaping on a laser beam used for material processing and an optical material processing method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlformung für einen zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl. Ebenso betrifft die Erfindung eine optische Materialbearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Materialbearbeitungsvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Strahlformung an einem zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl und ein optisches Materialbearbeitungsverfahren.The present invention relates to a device for beam shaping for a laser beam used for material processing. The invention also relates to an optical material processing device and a method for operating an optical material processing device. Furthermore, the invention relates to a method for beam shaping on a laser beam used for material processing and an optical material processing method.

Stand der TechnikState of the art

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten herkömmlichen räumlichen Licht-Modulators, welcher der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannt ist. 1 shows a schematic representation of a first conventional spatial light modulator, which is known to the applicant as internal state of the art.

Der in 1 schematisch dargestellte erste herkömmliche räumliche Licht-Modulator 10 umfasst ein Substrat 12 auf einem Keramikträger 14 und einen auf einer Oberfläche des Substrats 12 ausgebildeten funktionalen Schichtaufbau 16. Der funktionale Schichtaufbau 16 weist eine Schicht 18 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen mit einer Schichtdicke d auf. Die Schicht 18 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen ist auf ihrer zu dem Substrat 12 ausgerichteten Seite über eine Anbindungsschicht 20 mit einer Spiegelschicht 22 und mit einer verpixelten ersten Elektrode 24 und auf ihrer von dem Substrat 12 weg gerichteten Seite über eine weitere Anbindungsschicht 26 mit einer lichtdurchlässigen zweiten Elektrode 28 verbunden. Außerdem weist der funktionale Schichtaufbau 16 noch ein die lichtdurchlässige zweite Elektrode 28 abdeckendes Glassubstrat 30 auf. Mittels eines Anlegens von Spannungen zwischen den Elektroden 24 und 28 ist eine optische Weglänge eines einfallenden Lichtstrahls 32 lokal so beeinflussbar, dass der aus dem funktionalen Schichtstapel 16 austretende Lichtstrahl 34 im Vergleich mit dem einfallenden Lichtstrahl 32 phasenmoduliert ist.The in 1 schematically shown first conventional spatial light modulator 10 comprises a substrate 12 on a ceramic support 14 and one on a surface of the substrate 12 trained functional layer structure 16 , The functional layer structure 16 has a layer 18 made of birefringent liquid crystals with a layer thickness d. The layer 18 of birefringent liquid crystals is on their to the substrate 12 aligned side over a connection layer 20 with a mirror layer 22 and with a pixelated first electrode 24 and on their from the substrate 12 away side over another connection layer 26 with a translucent second electrode 28 connected. In addition, the functional layer structure shows 16 another the translucent second electrode 28 covering glass substrate 30 on. By applying voltages between the electrodes 24 and 28 is an optical path length of an incident light beam 32 can be influenced locally in such a way that that from the functional layer stack 16 emerging light beam 34 compared to the incident light beam 32 is phase modulated.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten herkömmlichen räumlichen Licht-Modulators, welcher der Anmelderin ebenfalls als interner Stand der Technik bekannt ist. 2 shows a schematic representation of a second conventional spatial light modulator, which is also known to the applicant as internal state of the art.

Der in 2 schematisch dargestellte zweite herkömmliche räumliche Licht-Modulator 40 umfasst eine Vielzahl von Mikrospiegeln 42, welche über schematisch wiedergegebene Hubmechanismen 44 entlang einer senkrecht zu einem Substrat 46 und senkrecht zu den Mikrospiegeln 42 ausgerichteten Richtung 48 in Bezug zu dem Substrat 46 verstellbar sind. Auch mittels des zweiten herkömmlichen räumlichen Licht-Modulators 40 ist eine Phasenmodulation eines an den Mikrospiegeln 42 reflektierten Lichtstrahls 50 im Vergleich mit einem einfallenden Lichtstrahl 52 möglich.The in 2 schematically shown second conventional spatial light modulator 40 includes a variety of micromirrors 42 , which have schematically reproduced lifting mechanisms 44 along a perpendicular to a substrate 46 and perpendicular to the micromirrors 42 aligned direction 48 in relation to the substrate 46 are adjustable. Also by means of the second conventional spatial light modulator 40 is a phase modulation of one at the micromirrors 42 reflected light beam 50 compared to an incident light beam 52 possible.

In dem Beispiel der 2 weisen die Mikrospiegel 42 untereinander einen Höhenunterschied Δs, welcher gleich einer Differenz zwischen einem maximalen Abstand mindestens eines der Mikrospiegel 42 von dem Substrat 46 und einem minimalen Abstand mindestens eines der Mikrospiegel 42 von dem Substrat 46 ist, auf. Mittels der Mikrospiegel 42 ist deshalb an dem reflektierten Lichtstrahl 50 im Vergleich zu dem einfallenden Lichtstrahl 52 ein sogenannter Phasenhub Φ bewirkbar, welcher gemäß Gleichung (Gl. 1) definiert ist mit: $Φ = 2 * \frac{2 π}{λ_{0}} * Δ s$

wobei λ₀ eine Wellenlänge der Lichtstrahlen 50 und 52 ist.In the example of the 2 point the micromirror 42 among themselves a height difference Δs, which is equal to a difference between a maximum distance of at least one of the micromirrors 42 from the substrate 46 and a minimum distance of at least one of the micromirrors 42 from the substrate 46 is on. Using the micromirror 42 is therefore on the reflected light beam 50 compared to the incident light beam 52 a so-called phase shift Φ can be achieved, which is defined according to equation (Eq. 1) with:

Φ = 2 * \frac{2 π}{λ} * Δ s

where λ _{0 is} a wavelength of the

light rays

50 and 52 is.

Zur Lasermaterialbearbeitung wird häufig ein Laserstrahl mit einer relativ hohen Intensität und einer modulierten räumlichen Phasenverteilung verwendet. Gewünscht wird für die Lasermaterialbearbeitung häufig ein Phasenhub Φ ≥ 2π. Allerdings haben Versuche gezeigt, dass die oben beschriebenen herkömmlichen räumlichen Licht-Modulatoren einen Phasenhub von 2π bei Laserlicht mit einer zur Materialbearbeitung ausreichend hohen Intensität nicht mehr bewirken können.A laser beam with a relatively high intensity and a modulated spatial phase distribution is often used for laser material processing. A phase shift Φ ≥ 2π is often desired for laser material processing. However, tests have shown that the conventional spatial light modulators described above can no longer bring about a phase shift of 2π in laser light with a sufficiently high intensity for material processing.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Strahlformung für einen zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine optische Materialbearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Materialbearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, ein Verfahren zur Strahlformung an einem zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein optisches Materialbearbeitungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.The invention provides a device for beam shaping for a laser beam used for material processing with the features of claim 1, an optical material processing device with the features of claim 7, a method for operating an optical material processing device with the features of claim 8, a method for beam shaping on a Laser beam used for material processing with the features of claim 9 and an optical material processing method with the features of claim 10.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft Möglichkeiten zur (diffraktiven) Strahlformung eines zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahls. Die mittels der vorliegenden Erfindung geschaffenen Möglichkeiten zur (diffraktiven) Strahlformung bewirken selbst bei einem zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl problemlos einen Phasenhub von mindestens 2π. Damit kann der bezüglich seiner räumlichen Phasenverteilung modulierte Laserstrahl vorteilhaft zur Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden.The present invention creates possibilities for (diffractive) beam shaping of a laser beam used for material processing. The possibilities for (diffractive) beam shaping created by means of the present invention bring about a phase shift of at least 2π without problems even with a laser beam used for material processing. This means that the laser beam modulated with regard to its spatial phase distribution can be used advantageously for laser material processing.

Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die mittels der vorliegenden Erfindung geschaffenen Möglichkeiten zur Strahlformung problemlos auch für Laserlicht mit einer relativ hohen Intensität, wie sie beispielsweise zum Laserschweißen, Laserschmelzen, Laserabtragen, Laserbohren, Laserpolieren oder Laserlöten in der Regel eingesetzt wird, verwenden lassen, wobei trotz der hohen Intensität des Laserlichts selbst ein Phasenhub von mindestens 2π und größer noch bewirkt werden kann. Das Erreichen eines Phasenhubs von mindestens 2π ist mittels der vorliegenden Erfindung auch bei Wellenlängen über 1000 nm möglich. Da der Phasenhub von mindestens 2π nicht mehr ausschließlich mittels des räumlichen Licht-Modulators, sondern auch unter Verwendung des diffraktiven optischen Elements bewirkt wird, werden herkömmliche Probleme beim Bewirken hoher Phasenhübe für Wellenlängen über 1000 nm mittels der doppelbrechenden Flüssigkristalle (Liquid Crystal Display Technique) oder mittels verstellbarer Mikrospiegel umgangen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zu ihrer Ausführung ein räumlicher Licht-Modulator eingesetzt werden kann, dessen ausschließlich mittels des räumlichen Licht-Modulator bewirkbarer Phasenhub unter 2π liegt, und dennoch durch Nutzung der vorliegenden Erfindung ein Phasenhub von mindestens 2π und größer bewirkbar bleibt. Auch Limitierungen des ausschließlich mittels des räumlichen Licht-Modulators bewirkbaren Phasenhubs aufgrund einer vergleichsweise hohen Intensität des zu modulierenden Laserstrahls können mittels einer Nutzung der vorliegenden Erfindung „kompensiert“ werden. Zum Ausführen der vorliegenden Erfindung kann deshalb ein vergleichsweise kostengünstiger räumlicher Licht-Modulator eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung trägt damit auch zur Reduzierung von Herstellungskosten für eine zur Lasermaterialbearbeitung eingesetzte Vorrichtung zur Strahlformung bei.It is expressly pointed out here that the possibilities for beam shaping created by means of the present invention can also be used without problems for laser light with a relatively high intensity, such as is generally used, for example, for laser welding, laser melting, laser ablation, laser drilling, laser polishing or laser soldering leave, despite the high intensity of the laser light itself, a phase shift of at least 2π and larger can still be effected. A phase shift of at least 2π can be achieved by means of the present invention even at wavelengths above 1000 nm. Since the phase shift of at least 2π is no longer effected exclusively by means of the spatial light modulator, but also using the diffractive optical element, conventional problems in causing high phase shifts for wavelengths above 1000 nm are caused by the birefringent liquid crystals (Liquid Crystal Display Technique) or bypassed by means of adjustable micromirrors. Another advantage of the present invention is that a spatial light modulator can be used for its implementation, the phase shift of which can be achieved exclusively by means of the spatial light modulator is less than 2π, and nevertheless a phase shift of at least 2π and greater is achieved by using the present invention remains effective. Limitations of the phase shift that can only be achieved by means of the spatial light modulator due to a comparatively high intensity of the laser beam to be modulated can also be “compensated” by using the present invention. A comparatively inexpensive spatial light modulator can therefore be used to implement the present invention. The present invention thus also contributes to reducing manufacturing costs for a device for beam shaping used for laser material processing.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung ist dem räumlichen Licht-Modulator und dem diffraktiven optischen Element eine Linse so nachgeordnet, dass der durch den räumlichen Licht-Modulator und das diffraktive optische Element transmittierte Laserstrahl mittels der Linse als Beugungsmuster auf eine Materialbearbeitungsfläche eines zu bearbeitenden Objekts fokussierbar ist. Durch das Ansteuern des räumlichen Licht-Modulators kann das Beugungsmuster entsprechend einem gewünschten Soll-Beugungsmuster bewirkt werden. Das mittels dieser Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung bewirkte Beugungsmuster kann somit vorteilhaft zur Materialbearbeitung, wie beispielsweise zum Laserschweißen, zum Laserschmelzen, zum Laserabtragen, zum Laserbohren, zum Laserpolieren und/oder zum Laserlöten eingesetzt werden.In an advantageous embodiment of the device for beam shaping, a lens is arranged after the spatial light modulator and the diffractive optical element in such a way that the laser beam transmitted through the spatial light modulator and the diffractive optical element is diffracted onto a material processing surface of a material to be processed by means of the lens Object is focusable. By driving the spatial light modulator, the diffraction pattern can be effected in accordance with a desired target diffraction pattern. The diffraction pattern effected by means of this embodiment of the device for beam shaping can thus advantageously be used for material processing, such as for example for laser welding, for laser melting, for laser ablation, for laser drilling, for laser polishing and / or for laser soldering.

Bevorzugter Weise sind der räumliche Licht-Modulator und das diffraktive optische Element derart ausgelegt, dass ein mittels des räumlichen Licht-Modulators und des diffraktiven optischen Elements an dem Laserstrahl maximal bewirkbarer Phasenhub Φ_total größer-gleich 2π ist, wobei der maximal bewirkbare Phasenhub Φ_total dann gleich einer Summe des (ausschließlich) mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 bewirkten ersten Phasenhubs Φ₁ und des (nur) mittels des diffraktiven optischen Elements 62 bewirkten zweiten Phasenhubs Φ₂ ist. Der mittels des räumlichen Licht-Modulators und des diffraktiven optischen Elements bewirkte Phasenhub kann auch als ein Gesamt-Phasenhub bezeichnet werden. Gleichzeitig kann in der hier beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung ein vergleichsweise kostengünstiges und relativ wenig Bauraum benötigendes Modell als räumlicher Licht-Modulator eingesetzt werden. Die Aufteilung des maximal bewirkbaren Phasenhubs Φ_total auf den mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 bewirkten ersten Phasenhubs Φ₁ und den (nur) mittels des diffraktiven optischen Elements 62 bewirkten zweiten Phasenhubs Φ₂ kann anwendungsspezifisch unterschiedlich gewählt werden. Hierbei kann man sich beispielsweise an dem möglichen Phasenhub eines gekauften Licht-Modulators orientieren, insbesondere während einer Strahlenbelastung mit einer für die Anwendung maximal vorliegenden Strahlenintensität. Die Differenz zur Erreichung eines dann maximal bewirkbaren Phasenhubs Φ_total von größer-gleich 2 wird dann durch den mittels des diffraktiven optischen Elements 62 bewirkten zweiten Phasenhubs Φ₂ entsprechend vervollständigt.
Vorzugsweise ist der räumliche Licht-Modulator derart ausgelegt, dass ein mittels des räumlichen Licht-Modulators an dem Laserstrahl maximal bewirkbarer erster Phasenhub kleiner-gleich π ist, wobei das diffraktive optische Element derart ausgelegt ist, dass ein mittels des diffraktiven optischen Elements an dem Laserstrahl bewirkbarer zweiter Phasenhub (Φ₂) größer-gleich π ist. Trotz der „Begrenzung“ des ersten Phasenhubs auf höchstens π ist somit ein (Gesamt)Phasenhub von mindestens 2 π mittels der hier beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung bewirkbar.The spatial light modulator and the diffractive optical element are preferably designed in such a way that a maximum phase shift Φ which can be achieved on the laser beam by means of the spatial light modulator and the diffractive optical element is _totally greater than or equal to 2π, the maximum phase phase Φ which can be achieved being _total then equal to a sum of the (exclusively) by means of the spatial light modulator 60 effected first phase shifts Φ ₁ and (only) by means of the diffractive optical element 62 effected second phase shift Φ ₂ . The phase shift effected by means of the spatial light modulator and the diffractive optical element can also be referred to as an overall phase shift. At the same time, in the embodiment of the beam shaping device described here, a comparatively inexpensive model that requires relatively little installation space can be used as a spatial light modulator. The distribution of the maximum achievable phase shift Φ _totally by means of the spatial light modulator 60 effected first phase shifts Φ ₁ and (only) by means of the diffractive optical element 62 second phase shifts Φ ₂ can be selected differently depending on the application. Here, one can orientate himself, for example, on the possible phase shift of a purchased light modulator, in particular during a radiation exposure with a maximum radiation intensity available for the application. The difference for achieving a maximum phase shift Φ _total that can then be achieved is greater than or equal to 2 by means of the diffractive optical element 62 effected second phase shifts Φ ₂ completed accordingly.
The spatial light modulator is preferably designed in such a way that a maximum first phase shift that can be achieved on the laser beam by means of the spatial light modulator is less than or equal to π, the diffractive optical element being designed in such a way that one on the laser beam by means of the diffractive optical element achievable second phase shift (Φ ₂ ) is greater than or equal to π. Despite the “limitation” of the first phase shift to at most π, a (total) phase shift of at least 2 π can thus be achieved by means of the embodiment of the device for beam shaping described here.

Beispielsweise kann der räumliche Licht-Modulator doppelbrechende Flüssigkristalle und/oder verstellbare Mikrospiegel umfassen. Somit sind herkömmliche Technologien zum Modulieren einer räumlichen Phasenverteilung für den räumlichen Licht-Modulator der hier beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung nutzbar.For example, the spatial light modulator can include birefringent liquid crystals and / or adjustable micromirrors. Conventional technologies for modulating a spatial phase distribution can thus be used for the spatial light modulator of the embodiment of the device for beam shaping described here.

Ebenso kann das diffraktive optische Element ein Glassubstrat mit mindestens zwei unterschiedlichen Schichtdicken und/oder ein Strahlteiler sein. Das diffraktive optische Element trägt somit nicht verglichen mit den dadurch bewirkten Vorteilen nicht Wesentlich zur Steigerung der Herstellungskosten der hier beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung bei. Likewise, the diffractive optical element can be a glass substrate with at least two different layer thicknesses and / or a beam splitter. The diffractive optical element thus does not make a significant contribution to increasing the manufacturing costs of the embodiment of the device for beam shaping described here, compared to the advantages caused thereby.

Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch gewährleistet bei einer optischen Materialbearbeitungsvorrichtung mit einem Laser, welcher einen Laserstrahl emittiert, und einer in einem Strahlengang des Laserstrahls angeordneten Vorrichtung zur Strahlformung wie oben beschrieben, wobei der Laserstrahl mittels der Linse der Vorrichtung zur Strahlformung als Beugungsmuster auf eine Materialbearbeitungsfläche eines zu bearbeitenden Objekts fokussierbar ist. Damit kann das bewirkte Beugungsmuster für eine Vielzahl von Lasermaterialbearbeitungen, wie beispielsweise für ein Laserschweißen, ein Laserschmelzen, ein Laserabtragen, ein Laserbohren, ein Laserpolieren und/oder ein Laserlöten eingesetzt werden.The advantages described above are also ensured in the case of an optical material processing device with a laser which emits a laser beam and a device for beam shaping arranged in a beam path of the laser beam as described above, the laser beam using the lens of the device for beam shaping as a diffraction pattern on a material processing surface of an object to be processed can be focused. The diffraction pattern caused can thus be used for a large number of laser material processing operations, for example for laser welding, laser melting, laser ablation, laser drilling, laser polishing and / or laser soldering.

Auch ein Ausführen eines unten genauer beschriebenen Verfahrens zum Betreiben einer derartigen optischen Materialbearbeitungsvorrichtung ist vorteilhaft.It is also advantageous to carry out a method for operating such an optical material processing device, which is described in more detail below.

Zusätzlich bewirkt auch ein Verfahren zur Strahlformung an einem zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl die Vorteile der oben beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung zur Strahlformung. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Verfahren zur Strahlformung an einem zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung zur Strahlformung weitergebildet werden kann.In addition, a method for beam shaping on a laser beam used for material processing also brings about the advantages of the above-described embodiments of the device for beam shaping. It is expressly pointed out that the method for beam shaping on a laser beam used for material processing can be further developed in accordance with the above-described embodiments of the device for beam shaping.

Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden optischen Materialbearbeitungsverfahrens die oben schon erläuterten Vorteile. Auch das optische Materialbearbeitungsverfahren kann entsprechend der oben beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung zur Strahlformung weitergebildet werden. Beispielsweise kann mittels des auf der Materialbearbeitungsfläche fokussierten Beugungsmusters ein Laserschweißen, ein Laserschmelzen, ein Laserabtragen, ein Laserbohren, ein Laserpolieren und/oder ein Laserlöten ausgeführt werden.Furthermore, executing a corresponding optical material processing method also creates the advantages already explained above. The optical material processing method can also be further developed in accordance with the above-described embodiments of the device for beam shaping. For example, by means of the diffraction pattern focused on the material processing surface, laser welding, laser melting, laser ablation, laser drilling, laser polishing and / or laser soldering can be carried out.

Figurenlistelist of figures

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten herkömmlichen räumlichen Licht-Modulators;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten herkömmlichen räumlichen Licht-Modulators;
3a bis 3c schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung;
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung;
5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung;
6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung;
7a bis 7f Phasenprofile und Fernfeldintensitäten zum Erläutern einer fünften Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung;
8a bis 8f Phasenprofile und Fernfeldintensitäten zum Erläutern einer sechsten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung;
9a bis 9f Phasenprofile und Fernfeldintensitäten zum Erläutern einer siebten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung;
10 ein Schema eines Strahlformungsalgorithmus zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer optischen Materialbearbeitungsvorrichtung; und
11 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zur Strahlformung an einem zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl.

Further features and advantages of the present invention are explained below with reference to the figures. Show it:

1 a schematic representation of a first conventional spatial light modulator;
2 a schematic representation of a second conventional spatial light modulator;
3a to 3c schematic representations of a first embodiment of the device for beam shaping;
4 a schematic representation of a second embodiment of the device for beam shaping;
5 a schematic representation of a third embodiment of the device for beam shaping;
6 a schematic representation of a fourth embodiment of the device for beam shaping;
7a to 7f Phase profiles and far field intensities for explaining a fifth embodiment of the device for beam shaping;
8a to 8f Phase profiles and far field intensities for explaining a sixth embodiment of the device for beam shaping;
9a to 9f Phase profiles and far field intensities for explaining a seventh embodiment of the device for beam shaping;
10 a diagram of a beam shaping algorithm for explaining an embodiment of the method for operating an optical material processing device; and
11 a flowchart for explaining an embodiment of the method for beam shaping on a laser beam used for material processing.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

3a bis 3c zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung. 3a to 3c show schematic representations of a first embodiment of the device for beam shaping.

Die mittels der 3a bis 3c schematisch wiedergegebene Vorrichtung zur Strahlformung umfasst einen ansteuerbaren räumlichen Licht-Modulator 60 ( 3a) und ein diffraktives Element 62 (3b). Der ansteuerbare räumliche Licht-Modulator 60 ist mit einem ersten optisch aktiven Volumen als einer zwei-dimensionalen/flächigen Anordnung einer ersten Gesamtanzahl von ersten Teilvolumen V1 ausgebildet, wobei eine mittels des jeweiligen ersten Teilvolumens V1 an einem durch das jeweilige erste Teilvolumen V1 transmittierenden Teil eines Laserstrahls bewirkte erste Phasenverschiebung innerhalb eines für das jeweilige erste Teilvolumen V1 vorgegebenen Wertebereichs durch Ansteuern des räumlichen Licht-Modulators 60 variierbar ist. Unter den ersten Teilvolumen V1 des ansteuerbaren räumlichen Licht-Modulators 60 können auch „Pixel“ verstanden werden. Der räumliche Licht-Modulator 60 ist derart ansteuerbar, dass unterschiedliche erste Phasenverschiebungen für die ersten Teilvolumen V1 einstellbar sind. Mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 ist deshalb ein erster Phasenhub Φ₁ an dem Laserstrahl bewirkbar. Der räumliche Licht-Modulator 60 kann auch als ein SL-Modulator (Spatial Light Modulator, SLM) bezeichnet werden.The means of 3a to 3c schematically reproduced device for beam shaping comprises a controllable spatial light modulator 60 ( 3a) and a diffractive element 62 ( 3b) , The controllable spatial light modulator 60 is with a first optically active volume as a two-dimensional / flat arrangement of a first total number of first partial volumes V1 formed, one using the respective first sub-volume V1 on one by the respective first partial volume V1 Transmitting part of a laser beam caused a first phase shift within one for the respective first partial volume V1 predetermined range of values by controlling the spatial light modulator 60 is variable. Under the first sub-volume V1 of the controllable spatial light modulator 60 can also be understood as "pixels". The spatial light modulator 60 can be controlled such that different first phase shifts for the first partial volumes V1 are adjustable. Using the spatial light modulator 60 is therefore a first phase shift Φ ₁ effectable on the laser beam. The spatial light modulator 60 can also be referred to as an SL modulator (Spatial Light Modulator, SLM).

Das diffraktive optische Element 62 ist mit einem zweiten optisch aktiven Volumen als einer zwei-dimensionalen/flächigen Anordnung einer zweiten Gesamtanzahl von zweiten Teilvolumen V2 ausgebildet. Auch unter den zweiten Teilvolumen V2 des diffraktiven optischen Elements 62 können „Pixel“ verstanden werden. Die zweite Gesamtanzahl von zweiten Teilvolumen V2 des diffraktiven optischen Elements 62 ist kleiner oder gleich der ersten Gesamtanzahl von ersten Teilvolumen V1 des räumlichen Licht-Modulators 60 ist.The diffractive optical element 62 is with a second optically active volume as a two-dimensional / flat arrangement of a second total number of second partial volumes V2 educated. Also under the second sub-volume V2 of the diffractive optical element 62 can be understood as "pixels". The second total number of second sub-volumes V2 of the diffractive optical element 62 is less than or equal to the first total number of first partial volumes V1 of the spatial light modulator 60 is.

3c zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung zur Strahlformung entlang einer Linie AA' der 3b. Wie in 3c erkennbar ist, ist das diffraktive optische Element 62 in Bezug zu dem räumlichen Licht-Modulator 60 derart angeordnet, dass jedem der zweiten Teilvolumen V2 des diffraktiven optischen Elements 62 mindestens eines der ersten Teilvolumen V1 des räumlichen Licht-Modulators 60 so zugeordnet ist, dass ein durch das jeweilige erste Teilvolumen V1 des räumlichen Licht-Modulators 60 transmittierender Teil des Laserstrahls zuvor und/oder danach durch das zugeordnete zweite Teilvolumen V2 des diffraktiven optischen Elements 62 transmittiert. Das diffraktive optische Element 62 ist außerdem derart ausgebildet, dass eine mittels des jeweiligen zweiten Teilvolumens V2 an dem durch das jeweilige zweite Teilvolumen V2 transmittierenden Teil des Laserstrahls bewirkte zweite Phasenverschiebung durch Ausbildung des diffraktiven optischen Elements 62 fest vorgegeben ist, wobei durch Ausbildung des diffraktiven optischen Elements 62 für zumindest zwei verschiedenen zweiten Teilvolumen V2 unterschiedliche zweite Phasenverschiebungen fest vorgegeben sind. Deshalb kann auch mittels des diffraktiven optischen Elements 62 ein zweiter Phasenhub Φ₂ an dem Laserstrahl bewirkt werden. 3c shows a cross section through the device for beam shaping along a line AA ' the 3b , As in 3c is recognizable is the diffractive optical element 62 in relation to the spatial light modulator 60 arranged such that each of the second partial volumes V2 of the diffractive optical element 62 at least one of the first partial volumes V1 of the spatial light modulator 60 is assigned such that a through the respective first partial volume V1 of the spatial light modulator 60 transmitting part of the laser beam before and / or afterwards through the assigned second partial volume V2 of the diffractive optical element 62 transmitted. The diffractive optical element 62 is also designed such that one by means of the respective second partial volume V2 on the by the respective second partial volume V2 transmitting part of the laser beam caused a second phase shift by forming the diffractive optical element 62 is fixed, whereby by forming the diffractive optical element 62 for at least two different second partial volumes V2 different second phase shifts are fixed. Therefore, the diffractive optical element can also be used 62 a second phase shift Φ ₂ be effected on the laser beam.

Mittels der anhand der 3a bis 3c schematisch wiedergegebenen Vorrichtung zur Strahlformung ist somit ein (Gesamt-)Phasenhub Φ_total an dem Laserstrahl bewirkbar, welcher gleich einer Summe des (ausschließlich) mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 bewirkten ersten Phasenhubs Φ₁ und des (nur) mittels des diffraktiven optischen Elements 62 bewirkten zweiten Phasenhubs Φ₂ ist. Mittels der Vorrichtung zur Strahlformung kann somit problemlos ein (Gesamt-)Phasenhub Φ_total von mindestens 2π und größer bewirkt werden, selbst wenn der (ausschließlich) mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 bewirkte erste Phasenhub Φ₁ kleiner-gleich π ist. Das diffraktive optische Element 62 ist leicht derart ausbildbar, dass selbst bei einer vergleichsweise hohen Intensität des Laserstrahls, wie beispielsweise zur Lasermaterialbearbeitung benötigt, und/oder trotz einer Wellenlänge des Laserstrahls über 1000 nm noch ein zweiter Phasenhub Φ₂ von mindestens π mittels des diffraktiven optischen Elements 62 bewirkt wird.By means of the 3a to 3c A schematically reproduced device for beam shaping can thus produce a (total) phase shift Φ _total on the laser beam, which is equal to a sum of the (exclusively) by means of the spatial light modulator 60 effected first phase hubs Φ ₁ and (only) by means of the diffractive optical element 62 effected second phase strokes Φ ₂ is. By means of the device for beam shaping, a (total) phase shift von _total of at least 2π and larger can be easily achieved, even if (exclusively) by means of the spatial light modulator 60 effected first phase stroke Φ ₁ is less than or equal to π. The diffractive optical element 62 can easily be formed in such a way that even with a comparatively high intensity of the laser beam, such as required for laser material processing, and / or despite a wavelength of the laser beam above 1000 nm, a second phase shift Φ ₂ of at least π by means of the diffractive optical element 62 is effected.

Unter dem im Weiteren verwendeten Begriff „Phasenhub“ kann auch ein Phasenversatz und/oder ein Phasengangunterschied verstanden werden. Vorzugsweise ist der erste Phasenhub Φ₁ eine Differenz zwischen einer minimalen ersten Phasenverschiebung mindestens eines der ersten Teilvolumen V1 und einer maximalen ersten Phasenverschiebung mindestens eines der ersten Teilvolumen V1. Der zweite Phasenhub Φ₂ ist bevorzugter Weise definiert als eine Differenz zwischen einer minimalen zweiten Phasenverschiebung mindestens eines der zweiten Teilvolumen V2 und einer maximalen zweiten Phasenverschiebung mindestens eines der zweiten Teilvolumen V2.The term “phase shift” used below can also be understood to mean a phase offset and / or a phase response difference. The first phase shift is preferably Φ ₁ a difference between a minimum first phase shift of at least one of the first partial volumes V1 and a maximum first phase shift of at least one of the first partial volumes V1 , The second phase shift Φ ₂ is preferably defined as a difference between a minimum second phase shift of at least one of the second partial volumes V2 and a maximum second phase shift of at least one of the second partial volumes V2 ,

4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung. 4 shows a schematic representation of a second embodiment of the device for beam shaping.

Die mittels der 4 schematisch wiedergegebene Vorrichtung zur Strahlformung weist als räumlichen Licht-Modulator 60 einen auf einem Substrat 64 angeordneten funktionalen Schichtaufbau 60 mit einer Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen auf. An einer von dem Substrat 64 weg gerichteten Seite der Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen liegt eine lichtdurchlässige erste Elektrode 68, während auf einer zu dem Substrat 64 ausgerichteten Seite der Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen eine verpixelte/unterteilte zweite Elektrode 70 und eine zwischen der Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen und der zweiten Elektrode 70 liegende Spiegelschicht 72 angeordnet sind. Außerdem weist der funktionale Schichtstapel 66 noch ein (optionales) Glassubstrat 74 auf einer von dem Substrat 64 weg gerichteten Seite der lichtdurchlässigen Elektrode 68 auf. Lediglich optionaler Weise ist das Substrat 64, welches beispielsweise ein Siliziumsubstrat 64 ist, auf einem Keramikträger 76 montiert.The means of 4 schematically reproduced device for beam shaping has as a spatial light modulator 60 one on a substrate 64 arranged functional layer structure 60 with one layer 66 from birefringent liquid crystals. On one of the substrates 64 away-facing side of the layer 66 A translucent first electrode is made of birefringent liquid crystals 68 while on one to the substrate 64 aligned side of the layer 66 a pixelated / subdivided second electrode made of birefringent liquid crystals 70 and one between the layer 66 made of birefringent liquid crystals and the second electrode 70 lying mirror layer 72 are arranged. In addition, the functional layer stack has 66 another (optional) glass substrate 74 on one of the substrate 64 away-facing side of the translucent electrode 68 on. The substrate is only optional 64 which, for example, a silicon substrate 64 is on a ceramic support 76 assembled.

Mittels des funktionalisierten Schichtstapels 66 ist ein erster Phasenhub Φ₁ an einem (nicht skizzierten) Laserstrahl bewirkbar gemäß Gleichung (Gl. 2) mit: $Φ_{1} = \frac{2 π}{λ_{0}} * d * | n (Θ) - n_{0} |,$

wobei Θ ein sogenannter Einstellwinkel, |n (Θ) - n₀ | eine Differenz des Brechungsindex der Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen in Abhängigkeit von dem Einstellwinkel Θ, d eine Schichtdicke der Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen und λ₀ eine Wellenlänge des jeweiligen Laserstrahls sind.Using the functionalized layer stack 66 is a first phase shift Φ ₁ on a (not sketched) laser beam can be effected according to equation (Eq. 2) with:

Φ_{1} = \frac{2 π}{λ_{0}} * d * | n (Θ) - n_{0} | .

where Θ is a so-called setting angle, | n (Θ) - n ₀ | a difference in the refractive index of the layer 66 from birefringent liquid crystals depending on the setting angle Θ, d a layer thickness of the layer 66 made of birefringent liquid crystals and λ ₀ are a wavelength of the respective laser beam.

Die Vorrichtung zur Strahlformung der 4 hat als diffraktives optisches Element 62 ein Glassubstrat 62 mit mindestens zwei unterschiedlichen Schichtdicken d₁ und d₂ . Beispielhaft weist das Glassubstrat 60 nur die zwei unterschiedlichen Schichtdicken d₁ und d₂ auf. Ein mittels des diffraktiven optischen Elements 62 bewirkter zweiter Phasenhub Φ₂ an dem Laserstrahl ergibt sich nach Gleichung (Gl. 3) mit: $Φ_{2} = 2 * \frac{2 π}{λ_{0}} * (d_{2} - d_{2}) | n_{D O E} - n_{a i r} |,$

wobei nair der Brechungsindex von Luft, n_DOE der Brechungsindex des Glases des Glassubstrats 62 und λ₀ die Wellenlänge des Laserstrahls sind. (Der Faktor „2“ ergibt sich aufgrund einer zweimaligen Transmission des Laserstrahls, welcher an der Spiegelschicht 72 zwischenzeitlich reflektiert wird, durch das diffraktive optische Element 62.)The device for beam shaping the 4 has as a diffractive optical element 62 a glass substrate 62 with at least two different layer thicknesses d ₁ and d ₂ , The glass substrate shows an example 60 only the two different layer thicknesses d ₁ and d ₂ on. One by means of the diffractive optical element 62 effected second phase stroke Φ ₂ on the laser beam results from the equation (Eq. 3) with:

Φ_{2} = 2 * \frac{2 π}{λ_{0}} * (d_{2} - d_{2}) | n_{D O e} - n_{a i r} | .

where nair is the refractive index of air, n _{DOE is} the refractive index of the glass of the glass substrate 62 and λ ₀ are the wavelength of the laser beam. (The factor "2" results from a double transmission of the laser beam, which is at the mirror layer 72 is reflected in the meantime by the diffractive optical element 62 .)

Mittels der in 4 dargestellten Vorrichtung zur Strahlformung kann somit an dem Laserstrahl ein (Gesamt-)Phasenhub Φ_total gleicher einer Summe des ersten Phasenhubs Φ₁ und des zweiten Phasenhubs Φ₂ bewirkt werden. Lediglich beispielhaft ist bei der Vorrichtung zur Strahlformung der 4 das als Glassubstrat 62 ausgebildete diffraktive optische Element 62 direkt an einer von der Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen weg gerichteten Seite des Glassubstrats 74 befestigt.By means of the 4 The device for beam shaping shown can thus have a (total) phase shift Φ _totally equal to a sum of the first phase shift on the laser beam Φ ₁ and the second phase stroke Φ ₂ be effected. In the device for beam shaping, the 4 that as a glass substrate 62 trained diffractive optical element 62 right on one of the shift 66 made of birefringent liquid crystals facing away from the glass substrate 74 attached.

Bezüglich weiterer Eigenschaften der Vorrichtung zur Strahlformung der 4 wird auf die vorausgehend beschriebene Ausführungsform verwiesen.With regard to further properties of the device for beam shaping the 4 reference is made to the embodiment described above.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung. 5 shows a schematic representation of a third embodiment of the device for beam shaping.

Die in 5 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Strahlformung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform lediglich darin, dass das als Glassubstrat 62 mit mindestens zwei unterschiedlichen Schichtdicken d₁ und d₂ ausgebildete diffraktive optische Element 62 in einem Abstand a ≠ 0 von dem Glassubstrat 74 des funktionalen Schichtaufbaus 60 des räumlichen Licht-Modulator 60 angeordnet ist.In the 5 The schematically illustrated device for beam shaping differs from the previously described embodiment only in that it is a glass substrate 62 with at least two different layer thicknesses d ₁ and d ₂ trained diffractive optical element 62 at a distance a ≠ 0 from the glass substrate 74 of the functional layer structure 60 of the spatial light modulator 60 is arranged.

Bezüglich weiterer Eigenschaften der Vorrichtung zur Strahlformung der 5 wird auf die Ausführungsform der 4 verwiesen.With regard to further properties of the device for beam shaping the 5 is based on the embodiment of 4 directed.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung. 6 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the device for beam shaping.

Die mittels der 6 wiedergegebene Ausführungsform unterscheidet sich von der Vorrichtung zur Strahlformung der 4 lediglich darin, dass das als Glassubstrat 62 mit mindestens zwei unterschiedlichen Schichtdicken d₁+d₃ und d₂+d₃ ausgebildete diffraktive optische Element 62 in das die lichtdurchlässige erste Elektrode 68 des funktionalen Schichtaufbaus 60 des räumlichen Licht-Modulator 60 abdeckende Glassubstrat 74 „integriert“ ist. Durch eine „dickere Ausbildung“ des diffraktiven optischen Elements 62 kann dieses somit auch zum Schutz der lichtdurchlässigen ersten Elektrode 68 und der darunterliegenden Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen eingesetzt werden. Die „dickere Ausbildung“ des diffraktiven optischen Elements 62 hat (im Wesentlichen) keine Auswirkungen auf den damit bewirkbaren zweiten Phasenhub Φ₂ , da der zweite Phasenhub Φ₂ gemäß Gleichung (Gl. 3) von einer Differenz der unterschiedlichen Schichtdicken d₁+d₃ und d₂+d₃ des diffraktiven optischen Elements 62 abhängt.The means of 6 reproduced embodiment differs from the device for beam shaping 4 just that it's as a glass substrate 62 with at least two different layer thicknesses d ₁ + d ₃ and d ₂ + d ₃ trained diffractive optical element 62 into which the translucent first electrode 68 of the functional layer structure 60 of the spatial light modulator 60 covering glass substrate 74 Is "integrated". Through a “thicker formation” of the diffractive optical element 62 can also protect the translucent first electrode 68 and the underlying layer 66 made of birefringent liquid crystals. The "thicker formation" of the diffractive optical element 62 has (essentially) no effect on the second phase stroke that can be achieved with it Φ ₂ because the second phase shift Φ ₂ according to equation (Eq. 3) from a difference in the different layer thicknesses d ₁ + d ₃ and d ₂ + d ₃ of the diffractive optical element 62 depends.

Bezüglich weiterer Eigenschaften der Vorrichtung zur Strahlformung der 6 wird auf die Ausführungsform der 4 verwiesen.With regard to further properties of the device for beam shaping the 6 is based on the embodiment of 4 directed.

Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass anstelle der Schicht 66 aus doppelbrechenden Flüssigkristallen, der Elektroden 68 und 70 und der Spiegelschicht 72 der räumliche Licht-Modulator 60 der Vorrichtungen der 4 bis 6 auch eine Vielzahl von Mikrospiegeln, welche über Hubmechanismen entlang einer senkrecht zu dem Substrat 64 und senkrecht zu den Mikrospiegeln ausgerichteten Richtung in Bezug zu dem Substrat verstellbar sind, umfassen kann. Der mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 bewirkte erste Phasenhub Φ₁ entspricht in diesem Fall der oben angegebenen Gleichung (Gl.1).It is explicitly noted here that instead of the layer 66 made of birefringent liquid crystals, the electrodes 68 and 70 and the mirror layer 72 the spatial light modulator 60 of the devices of the 4 to 6 also a large number of micromirrors, which have lifting mechanisms along a perpendicular to the substrate 64 and can be adjusted perpendicular to the micromirrors in relation to the substrate. That by means of the spatial light modulator 60 in this case, the first phase shift Φ ₁ corresponds to the equation (Eq. 1) given above.

Alle oben erläuterten Ausführungsformen der Vorrichtung zur Strahlformung haben vorzugsweise ein diffraktives optisches Element 62, bei welchem durch Ausbildung des diffraktiven optischen Elements 62 der zweite Phasenhub Φ₂ ≥ π ist. Bevorzugter Weise ist der zweite Phasenhub Φ₂ des diffraktiven optischen Elements 62 gleich π festgelegt. Somit kann für alle oben erläuterten Ausführungsformen der Vorrichtung zur Strahlformung der räumliche Licht-Modulator 60 derart ausgelegt sein, dass der damit maximal bewirkbare erste Phasenhub Φ₁ ≤ π ist. Beispielsweise ist der mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 maximal bewirkbare erste Phasenhub Φ₁ gleich π. Damit können alle oben erläuterten Ausführungsformen der Vorrichtung zur Strahlformung an einem Laserstrahl selbst bei einer vergleichsweise hohen Intensität des Laserstrahls und/oder trotz einer Wellenlänge des Laserstrahls über 1000 nm problemlos einen (Gesamt-)Phasenhub Φ_total von mindestens 2π und größer bewirken. Die Tatsache, dass (ausschließlich) mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 kein erster Phasenhub Φ₁ von mindestens 2π bewirkbar ist, beispielsweise aufgrund der relativ hohen Intensität des Laserstrahls und/oder aufgrund der Wellenlänge des Laserstrahls über 1000 nm, begrenzt den mittels der Vorrichtungen zur Strahlformung bewirkbaren (Gesamt-)Phasenhub Φ_total nicht auf unter 2π.All of the embodiments of the device for beam shaping explained above preferably have a diffractive optical element 62 , in which by forming the diffractive optical element 62 the second phase shift is Φ ₂ ≥ π. The second phase shift is preferred Φ ₂ of the diffractive optical element 62 set equal to π. Thus, for everyone explained above Embodiments of the device for beam shaping the spatial light modulator 60 be designed in such a way that the maximum first phase shift damit ₁ π that can be achieved thereby. For example, that is by means of the spatial light modulator 60 maximum achievable first phase stroke Φ ₁ equal to π. Thus, all of the above-described embodiments of the device for beam shaping on a laser beam can easily produce a (total) phase shift Φ _total of at least 2π and larger, even with a comparatively high intensity of the laser beam and / or despite a wavelength of the laser beam above 1000 nm. The fact that (exclusively) by means of the spatial light modulator 60 no first phase shift Φ ₁ for example, due to the relatively high intensity of at least 2π is effected, the laser beam and / or nm due to the wavelength of the laser 1000, limits the be brought about by means of the devices for beam shaping (total) phase shift Φ _total not below 2π.

Ist der mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 maximal bewirkbare erste Phasenhub Φ₁ gleich π und ist der zweite Phasenhub Φ₂ des diffraktiven optischen Elements 62 ebenfalls gleich π, so sind für Teilstrahlen eines mittels der jeweiligen Vorrichtungen zur Strahlformung modulierten Laserstrahls ein erster Teilstrahlen-Phasenhub Φ_total-1 in einem ersten Bereich zwischen 0 und π und für weitere Teilstrahlen des Laserstrahls ein zweiter Teilstrahlen-Phasenhub Φ_total-2 im Bereich von π bis 2π realisierbar.Is that by means of the spatial light modulator 60 maximum achievable first phase stroke Φ ₁ is equal to π and is the second phase shift Φ ₂ of the diffractive optical element 62 are also equal to π, for partial beams of a laser beam modulated by means of the respective devices for beam shaping, a first partial beam phase shift Φ _total-1 in a first range between 0 and π and for further partial beams of the laser beam a second partial beam phase shift Φ _total-2 im Range from π to 2π possible.

Alle oben beschriebenen Vorrichtungen zur Strahlformung können eine räumliche Phasenverteilung eines Laserstrahls modulieren. Vorzugsweise ist dem räumlichen Licht-Modulator 60 und dem diffraktiven optischen Element 62 der jeweiligen Vorrichtung zur Strahlformung eine (nicht dargestellte) Linse so nachgeordnet, dass der durch den räumlichen Licht-Modulator 60 und das diffraktive optische Element 62 transmittierte Laserstrahl mittels der Linse als Beugungsmuster auf eine Materialbearbeitungsfläche eines zu bearbeitenden Objekts fokussierbar ist/fokussiert wird. Das bewirkte Beugungsmuster ist abhängig von der räumlichen Phasenverteilung des Laserstrahls. Mittels der Vorrichtung zur Strahlformung (und des entsprechend angesteuerten räumlichen Licht-Modulators 60) kann somit das bewirkte Beugungsmuster entsprechend einem gewünschten Soll-Beugungsmuster eingestellt werden. Als Linse können z.B. eine Freiformlinse oder eine Fresnel-Linse eingesetzt sein. Es wird hier jedoch ausdrücklich daraufhin gewiesen, dass jeder zur Fokussierung geeignete Linsentyp für die Linse eingesetzt werden kann.All of the beam shaping devices described above can modulate a spatial phase distribution of a laser beam. The spatial light modulator is preferred 60 and the diffractive optical element 62 A lens (not shown) is arranged downstream of the respective device for beam shaping in such a way that the lens through the spatial light modulator 60 and the diffractive optical element 62 transmitted laser beam can be / is focused on a material processing surface of an object to be processed by means of the lens as a diffraction pattern. The diffraction pattern caused depends on the spatial phase distribution of the laser beam. By means of the device for beam shaping (and the correspondingly controlled spatial light modulator 60 ) the diffraction pattern caused can thus be set according to a desired target diffraction pattern. For example, a free-form lens or a Fresnel lens can be used as the lens. However, it is expressly pointed out here that any lens type suitable for focusing can be used for the lens.

Wahlweise können der räumliche Licht-Modulator 60 als Strahlformer und das diffraktive optische Element 62 als Strahlteiler oder der räumliche Licht-Modulator 60 als Strahlteiler und das diffraktive optische Element 62 als Strahlformer eingesetzt werden. Dies wird anhand der folgenden Beispiele deutlich, wobei alle nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen zur Strahlformung zusätzlich zu dem räumlichen Licht-Modulator 60 und dem diffraktiven optischen Element 62 die Linse aufweisen.You can optionally use the spatial light modulator 60 as a beam former and the diffractive optical element 62 as a beam splitter or the spatial light modulator 60 as a beam splitter and the diffractive optical element 62 can be used as a beam former. This becomes clear from the following examples, all of the devices for beam shaping described below being in addition to the spatial light modulator 60 and the diffractive optical element 62 have the lens.

7 bis 9 dienen zum Erläutern weiterer Ausführungsformen der Vorrichtung zur Strahlformung, wobei der räumliche Licht-Modulator 60 und das diffraktive optische Element 62 der jeweiligen Vorrichtung zur Strahlformung je einen „m × n“-Strahlteiler aufweisen. Die Matrixnotation „m × n“ wird verwendet, um zu symbolisieren, dass ein jeweiliger Eingangsstahl mittels des „m × n“-Strahlteilers auf „m × n“-Nutzordnungen verteilt wird. Bei einem „1 × n“-Strahlteiler liegen die „1 × n“-Nutzordnungen in einer Ebene, während ein „m × n“-Strahlteilers m-mal „1 × n“-Nutzordnungen in m zueinander parallelen Ebenen bewirkt. Die Bezeichnung des jeweiligen Strahlteilers als „zweistufig“ („2¹-stufig“) oder „achtstufig“ („2³-stufig“) gibt die Anzahl der ausgeführten Lithografieschritte bei der Herstellung des Strahlteilers an. Beispielsweise werden bei einem achtstufigen“ („2³-stufigen“) Strahlteiler 3 Lithografieschritte ausgeführt. Ein Herstellungsverfahren für geeignete Strahlteiler ist z.B. beschrieben unter https://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/ Ic/veroeffentlichung/strahl-matrix.pdf 7 to 9 serve to explain further embodiments of the device for beam shaping, the spatial light modulator 60 and the diffractive optical element 62 of the respective beam shaping device each have an “m × n” beam splitter. The matrix notation “m × n” is used to symbolize that a respective input steel is distributed to “m × n” usable orders using the “m × n” beam splitter. In the case of a “1 × n” beam splitter, the “1 × n” useful orders lie in one plane, while an “m × n” beam splitter produces m times “1 × n” useful orders in m parallel planes. The designation of the respective beam splitter as "two-stage"("2 ^1- stage") or "eight stage"("2 ^3- stage") indicates the number of lithography steps carried out in the manufacture of the beam splitter. For example, with an eight-stage "(" 2 ³ -stage ") beam splitter 3 Lithography steps carried out. A manufacturing process for suitable beam splitters is described, for example, at https://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/ Ic / veroeffständigung / beam-matrix.pdf

7a bis 7f zeigen Phasenprofile und Fernfeldintensitäten zum Erläutern einer fünften Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung. 7a to 7f show phase profiles and far field intensities for explaining a fifth embodiment of the device for beam shaping.

Die mittels der 7a bis 7f schematisch wiedergegebene Vorrichtung zur Strahlformung weist als räumlichen Licht-Modulator 60 einen zweistufigen 1×4-Strahlteiler auf, dessen erster Phasenhub Φ₁ auf π begrenzt ist. Der zweistufige 1×4-Strahlteiler hat das in 7a wiedergegebene Phasenprofil, und eine Verwendung des zweistufige 1×4-Strahlteilers ohne ein diffraktives optisches Element 62 würde nach Fokussieren des um den ersten Phasenhub Φ₁ modulierten Laserstrahls auf die Materialbearbeitungsfläche das in 7b dargestellte Beugungsmuster ergeben.The means of 7a to 7f schematically reproduced device for beam shaping has as a spatial light modulator 60 a two-stage 1 × 4 beam splitter, the first phase shift Φ ₁ is limited to π. The two-stage 1 × 4 beam splitter has that in 7a reproduced phase profile, and a use of the two-stage 1 × 4 beam splitter without a diffractive optical element 62 would focus after the first phase shift Φ ₁ modulated laser beam onto the material processing surface in 7b diffraction patterns shown result.

Als diffraktives optisches Element 62 hat die hier wiedergegebene Vorrichtung zur Strahlformung einen achtstufigen 3×1-Strahlteiler, dessen zweiter Phasenhub Φ₂ gleich π ist. Das Phasenprofil des achtstufigen 3×1-Strahlteilers ist in 7c wiedergegeben, wobei eine Verwendung des achtstufigen 3×1-Strahlteilers ohne einen räumlichen Licht-Modulator 60 nach Fokussieren des um den zweiten Phasenhub Φ₂ modulierten Laserstrahls auf die Materialbearbeitungsfläche das in 7d dargestellte Beugungsmuster ergeben würde.As a diffractive optical element 62 the device for beam shaping shown here has an eight-stage 3 × 1 beam splitter, the second phase shift of which Φ ₂ is equal to π. The phase profile of the eight-stage 3 × 1 beam splitter is in 7c reproduced, using the eight-stage 3 × 1 beam splitter without a spatial light modulator 60 after focusing around the second phase shift Φ ₂ modulated laser beam onto the material processing surface in 7d diffraction pattern shown would result.

Durch Kombination des zweistufigen 1×4-Strahlteilers mit dem achtstufigen 3×1-Strahlteiler erhält man das in 7e dargestellte (Gesamt-)Phasenprofil (als „gekreuztes Phasenprofil“), weshalb mittels der Vorrichtung zur Strahlformung durch Fokussierung des um den (Gesamt-)Phasenhub Φ_total modulierten Laserstrahls auf der Materialbearbeitungsfläche das in 7f dargestellte Beugungsmuster bewirkbar ist. By combining the two-stage 1 × 4 beam splitter with the eight-stage 3 × 1 beam splitter, you get that in 7e shown (total) phase profile (as a "crossed phase profile"), which is why the device for beam shaping by focusing the laser beam _totally modulated by the (total) phase shift Φ on the material processing surface in 7f diffraction pattern shown can be effected.

8a bis 8f zeigen Phasenprofile und Fernfeldintensitäten zum Erläutern einer sechsten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung. 8a to 8f show phase profiles and far field intensities for explaining a sixth embodiment of the device for beam shaping.

In dem Beispiel der 8a bis 8f ist der räumliche Licht-Modulator 60 ein zweistufiger 1×2-Strahlteiler, dessen erster Phasenhub Φ₁ auf π begrenzt ist. Das Phasenprofil des zweistufigen 1×2-Strahlteilers, und das durch Verwendung des zweistufigen 1×2-Strahlteilers ohne ein diffraktives optisches Element 62 bewirkbare Beugungsmuster sind in 8a und 8b dargestellt. Das diffraktive optische Element 62 der wiedergegebenen Vorrichtung zur Strahlformung ist ein achtstufiger 3×1-Strahlteiler, dessen zweiter Phasenhub Φ₂ gleich π ist. Das Phasenprofil des achtstufigen 3×1-Strahlteilers und das durch Verwendung des achtstufigen 3×1-Strahlteilers ohne einen räumlichen Licht-Modulator 60 bewirkbare Beugungsmuster sind in 8c und 8d skizziert. Durch Kombination des zweistufigen 1×2-Strahlteilers mit dem achtstufigen 3×1-Strahlteiler erhält man das in 8e dargestellte (Gesamt-)Phasenprofil, und, entsprechend, durch Fokussierung des um den (Gesamt-)Phasenhub Φ_total modulierten Laserstrahls auf der Materialbearbeitungsfläche das in 8f dargestellte Beugungsmuster.In the example of the 8a to 8f is the spatial light modulator 60 a two-stage 1 × 2 beam splitter, the first phase shift Φ ₁ is limited to π. The phase profile of the two-stage 1 × 2 beam splitter, and this by using the two-stage 1 × 2 beam splitter without a diffractive optical element 62 Diffraction patterns that can be achieved are shown in 8a and 8b shown. The diffractive optical element 62 The device for beam shaping shown is an eight-stage 3 × 1 beam splitter, the second phase shift of which Φ ₂ is equal to π. The phase profile of the eight-stage 3 × 1 beam splitter and that by using the eight-stage 3 × 1 beam splitter without a spatial light modulator 60 Diffraction patterns that can be achieved are shown in 8c and 8d outlined. By combining the two-stage 1 × 2 beam splitter with the eight-stage 3 × 1 beam splitter, you get that in 8e shown (overall) phase profile, and, accordingly, by focusing the laser beam _totally modulated by the (total) phase shift Φ on the material processing surface 8f diffraction patterns shown.

9a bis 9f zeigen Phasenprofile und Fernfeldintensitäten zum Erläutern einer siebten Ausführungsform der Vorrichtung zur Strahlformung. 9a to 9f show phase profiles and far field intensities for explaining a seventh embodiment of the device for beam shaping.

Die mittels der 9a bis 9f schematisch wiedergegebene Vorrichtung zur Strahlformung weist als räumlichen Licht-Modulator 60 einen zweistufigen 1x3-Strahlteiler auf, dessen erster Phasenhub Φ₁ auf π begrenzt ist. Das Phasenprofil des zweistufigen 1×3-Strahlteilers, und das durch Verwendung des zweistufigen 1×3-Strahlteilers ohne ein diffraktives optisches Element 62 bewirkbare Beugungsmuster sind in 9a und 9b dargestellt. Als diffraktives optisches Element 62 weist die Vorrichtung zur Strahlformung einen achtstufigen 3x1-Strahlteiler auf, dessen zweiter Phasenhub Φ₂ gleich π ist. Das Phasenprofil des achtstufigen 3×1-Strahlteilers und das durch Verwendung des achtstufigen 3x1-Strahlteilers ohne einen räumlichen Licht-Modulator 60 bewirkbare Beugungsmuster sind in 9c und 9d wiedergegeben. Durch Kombination des zweistufigen 1×3-Strahlteilers mit dem achtstufigen 3×1-Strahlteiler erhält man das in 9e dargestellte (Gesamt-)Phasenprofil, und durch Fokussierung des um den (Gesamt-)Phasenhub Φ_total modulierten Laserstrahls auf der Materialbearbeitungsfläche das in 9f dargestellte Beugungsmuster.The means of 9a to 9f schematically reproduced device for beam shaping has as a spatial light modulator 60 a two-stage 1x3 beam splitter, the first phase shift Φ ₁ is limited to π. The phase profile of the two-stage 1 × 3 beam splitter, and this by using the two-stage 1 × 3 beam splitter without a diffractive optical element 62 Diffraction patterns that can be achieved are shown in 9a and 9b shown. As a diffractive optical element 62 the device for beam shaping has an eight-stage 3x1 beam splitter, the second phase shift of which Φ ₂ is equal to π. The phase profile of the eight-stage 3 × 1 beam splitter and that by using the eight-stage 3x1 beam splitter without a spatial light modulator 60 Diffraction patterns that can be achieved are shown in 9c and 9d played. By combining the two-stage 1 × 3 beam splitter with the eight-stage 3 × 1 beam splitter, you get that in 9e shown (total) phase profile, and by focusing the laser beam _totally modulated by the (total) phase shift Φ on the material processing surface, the in 9f diffraction patterns shown.

Alle oben beschriebenen Vorrichtungen zur Strahlformung sind zur Phasenmodulation eines Laserstrahls ausgelegt. Sie können problemlos zur Strahlformung eines Laserstrahls mit einer zum Schweißen, Schmelzen, Abtragen, Bohren, Polieren und/oder Löten von Stoffen, insbesondere von Metallen, ausreichend hohen Intensität eingesetzt werden. Auch eine Tophat-Formung ist möglich. Ergänzend zu einer Modulation einer räumlichen Phasenverteilung des Laserstrahls können die Vorrichtungen zur Strahlformung als Weiterbildungen auch zum Modulieren einer Amplitude und/oder einer Polarisation des Laserstrahls ausgebildet sein.All of the beam shaping devices described above are designed for phase modulation of a laser beam. They can easily be used for beam shaping of a laser beam with a sufficiently high intensity for welding, melting, removing, drilling, polishing and / or soldering substances, in particular metals. Tophat shaping is also possible. In addition to modulating a spatial phase distribution of the laser beam, the devices for beam shaping can also be designed as further developments for modulating an amplitude and / or a polarization of the laser beam.

Ein weiterer Vorteil der Kombination von einem räumlichen Licht-Modulator 60 mit einem diffraktiven optischen Element 62 in jeder der Vorrichtungen zur Strahlformung liegt in der „Modifizierung“ einer Gesamt-Brennweite f, für welche nach Gleichung (Gl. 4) gilt: $\frac{1}{f} = \frac{1}{f_{1}} + \frac{1}{f_{2}} - \frac{d}{f_{1} * f_{2}},$

wobei f₁ eine Brennweite einer „Fresnel-Linse“ im räumlichen Licht-Modulator 60 und f₂ eine „feste“ Brennweite der Fresnel-Linse im diffraktiven optischen Element 62 sind.Another advantage of combining a spatial light modulator 60 with a diffractive optical element 62 in each of the beam shaping devices lies in the "modification" of a total focal length f, for which the following applies according to equation (Eq. 4):

\frac{1}{f} = \frac{1}{f_{1}} + \frac{1}{f_{2}} - \frac{d}{f} .

in which f ₁ a focal length of a “Fresnel lens” in the spatial light modulator 60 and f ₂ a “fixed” focal length of the Fresnel lens in the diffractive optical element 62 are.

Alle oben beschriebenen Vorrichtungen zur Strahlformung können Teil einer optischen Materialbearbeitungsvorrichtung sein, welche zusätzlich noch mit einem einen Laserstrahl emittierenden Laser ausgestattet ist, wobei die jeweilige Vorrichtung zur Strahlformung in einem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist. Der Laserstrahl ist/wird vorzugsweise mittels der Linse der Vorrichtung zur Strahlformung als Beugungsmuster auf eine Materialbearbeitungsfläche eines zu bearbeitenden Objekts fokussierbar/fokussiert. Eine derartige optische Materialbearbeitungsvorrichtung kann z.B. zum Schweißen, Schmelzen, Abtragen, Bohren, Polieren und/oder Löten von Stoffen, insbesondere von Metallen, einsetzbar sein.All the devices for beam shaping described above can be part of an optical material processing device which is additionally equipped with a laser which emits a laser beam, the respective device for beam shaping being arranged in a beam path of the laser beam. The laser beam is / can preferably be / is focused by means of the lens of the device for beam shaping as a diffraction pattern on a material processing surface of an object to be processed. Such an optical material processing device can e.g. for welding, melting, ablating, drilling, polishing and / or soldering substances, in particular metals.

10 zeigt ein Schema eines Strahlformungsalgorithmus zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer optischen Materialbearbeitungsvorrichtung. 10 shows a diagram of a beam shaping algorithm for explaining an embodiment of the method for operating an optical material processing device.

Bei einem Ausführen des mittels des Schemas des Strahlformungsalgorithmus wiedergegebenen Verfahrens wird der (nicht dargestellte) räumliche Licht-Modulator 60 der optischen Materialbearbeitungsvorrichtung zum Einstellen unterschiedlicher erster Phasenverschiebungen für die ersten Teilvolumen V1 angesteuert. Insbesondere kann dabei auch ein mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 an einem Laserstrahl 80 zu bewirkender erster Phasenhub Φ₁ variiert werden. Das Ansteuern des räumlichen Licht-Modulators 60 erfolgt unter Berücksichtigung eines auf einer Materialbearbeitungsfläche eines zu bearbeitenden Objekts zu erzeugenden Soll-Beugungsmusters 82. Vorzugsweise soll mittels des Ansteuerns des räumlichen Licht-Modulators 60 ein tatsächlich auf der Materialbearbeitungsfläche des zu bearbeitenden Objekts erzeugtes Beugungsmuster 84 gleich dem Soll-Beugungsmuster 82 werden. Vorteilhafter Weise werden beim Ansteuern des räumlichen Licht-Modulators 60 der optischen Materialbearbeitungsvorrichtung zusätzlich die durch Ausbildung des diffraktiven optischen Elements 62 für mindestens zwei verschiedene zweite Teilvolumen V2 unterschiedlichen zweiten Phasenverschiebungen mitberücksichtigt. Mittels eines Algorithmus kann eine vorteilhafte Phasenverteilung für den räumlichen Licht-Modulators 60 berechnet werden, um ein Intensitätsmuster gleich dem Soll-Beugungsmuster 82 in der Materialbearbeitungsebene/Fokusebene zu erzielen. Insbesondere kann dabei berücksichtigt werden, dass der tatsächlich an dem Laserstrahl 80 bewirkte (Gesamt-)Phasenhub Φ_total sich durch den ersten Phasenhub Φ₁ des räumlichen Licht-Modulators 60 und den zweiten Phasenhub Φ₂ des diffraktiven optischen Elements 62 ergibt.When the method represented by the scheme of the beam shaping algorithm is carried out, the spatial light modulator (not shown) becomes 60 the optical Material processing device for setting different first phase shifts for the first partial volumes V1 driven. In particular, one can also use the spatial light modulator 60 on a laser beam 80 first phase shift Φ ₁ to be effected can be varied. Driving the spatial light modulator 60 takes into account a target diffraction pattern to be generated on a material processing surface of an object to be processed 82 , Preferably, by means of the control of the spatial light modulator 60 a diffraction pattern actually created on the material processing surface of the object to be processed 84 equal to the target diffraction pattern 82 become. When driving the spatial light modulator are advantageous 60 the optical material processing device additionally by the formation of the diffractive optical element 62 for at least two different second partial volumes V2 different second phase shifts are taken into account. Using an algorithm, an advantageous phase distribution for the spatial light modulator 60 be calculated to have an intensity pattern equal to the target diffraction pattern 82 to achieve in the material processing level / focus level. In particular, it can be taken into account that the laser beam is actually on the laser beam 80 caused (total) phase shift Φ _total through the first phase shift Φ ₁ of the spatial light modulator 60 and the second phase shift Φ ₂ of the diffractive optical element 62 results.

Zum besseren Verständnis wird hier darauf hingewiesen, dass die Linse 86 der optischen Materialbearbeitungsvorrichtung an den um den (Gesamt-)Phasenhub Φ_total modulierten Laserstrahl 80 eine „optische Fourier-Transformation (FFT)“ ausführt. Dies ist mittels eines Pfeils 88 in 10 dargestellt. Die Materialbearbeitungsfläche, welche als „Fokusebene“ beim Fokussieren des Laserstrahls 80 mittels der Linse 86 bezeichnet werden kann, ist in diesem Fall eine sogenannte Fourier-Ebene der „optischen Fourier-Transformation“.For a better understanding it is pointed out here that the lens 86 the optical material processing device to the laser beam _totally modulated by the (total) phase shift Φ 80 performs an "optical Fourier transform (FFT)". This is by means of an arrow 88 in 10 shown. The material processing surface, which is the "focal plane" when focusing the laser beam 80 by means of the lens 86 in this case is a so-called Fourier plane of the "optical Fourier transformation".

Entsprechend kann mittels einer Phasenrekonstruktionsmethode (Phase Retrieval), wie z.B. einem Iterativen Fouriertransformationsalgorithmus (Iterative Fourier Transform Algorithm, IFTA) oder auch Gerchberg-Saxton Algorithmus, welche mittels eines Pfeils 90 in 10 wiedergegeben ist, aus dem gewünschten Soll-Beugungsmuster 82 ein Phasen-Hologramm 92 abgeleitet werden. Das Phasen-Hologramm 92 kann beim Berechnen einer Phasenmaske zum Ansteuern des räumlichen Licht-Modulators mitberücksichtigt werden. (Eine Amplituden- und Phasenverteilung des Lichtstrahls 80 vor dessen Modulation mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 und des diffraktiven optischen Elements 62 ist in der Regel bekannt.) Wichtig ist, dass, wie oben bereits erwähnt, bei Ausführen des iterativen Fourier-Transformationsalgorithmus (IFTA) zum Berechnen der Phasenmaske die durch Ausbildung des diffraktiven optischen Elements 62 für mindestens zwei verschiedene zweite Teilvolumen V2 unterschiedlichen zweiten Phasenverschiebungen, insbesondere der zweite Phasenhub Φ₂ des diffraktiven optischen Elements 62, mitberücksichtigt werden.Correspondingly, using a phase reconstruction method (phase retrieval), such as an iterative Fourier transform algorithm (Iterative Fourier Transform Algorithm, IFTA) or Gerchberg-Saxton algorithm, which is carried out using an arrow 90 in 10 is reproduced from the desired target diffraction pattern 82 a phase hologram 92 be derived. The phase hologram 92 can be taken into account when calculating a phase mask for controlling the spatial light modulator. (An amplitude and phase distribution of the light beam 80 before modulating it using the spatial light modulator 60 and the diffractive optical element 62 is usually known.) It is important that, as already mentioned above, when executing the iterative Fourier transform algorithm (IFTA) for calculating the phase mask, the formation of the diffractive optical element 62 for at least two different second partial volumes V2 different second phase shifts, in particular the second phase shift Φ ₂ of the diffractive optical element 62 , are taken into account.

Wie oben bereits erläutert, sind bei einem mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 maximal bewirkbaren erste Phasenhub Φ₁ gleich π und bei einem zweiten Phasenhub Φ₂ des diffraktiven optischen Elements 62 gleich π für Teilstrahlen des Laserstrahls 80 ein erster Teilstrahlen-Phasenhub Φ_total-1 in einem ersten Bereich zwischen 0 und π und für weitere Teilstrahlen des Laserstrahls 80 ein zweiter Teilstrahlen-Phasenhub Φ_total-2 im Bereich von π bis 2π realisierbar. Dies sollte bei Berechnen der Phasenmaske mitberücksichtigt werden. Beispielsweise werden zuerst mittels des iterativen Fourier-Transformationsalgorithmus jeweils ein IFFT-Phasenhub Φ_IFFT für alle Teilstrahlen des Laserstrahls 80 festgelegt. Liegen der jeweilige Wert Φ_IFFT in dem jeweiligen ersten oder zweiten Bereich, so kann der jeweilige Wert Φ_IFFT beibehalten werden. Andererseits kann der jeweilige Wert Φ_IFFT, sofern er kleiner ist als ein Minimum des jeweiligen ersten oder zweiten Bereichs, durch das Minimum ersetzt, und, wenn er größer ist als ein Maximum des jeweiligen ersten oder zweiten Bereichs, durch das Maximum ersetzt werden.As already explained above, the spatial light modulator is used for one 60 maximum achievable first phase shift Φ ₁ equal to π and with a second phase shift Φ ₂ of the diffractive optical element 62 equal to π for partial beams of the laser beam 80 a first partial beam phase shift Φ _total-1 in a first range between 0 and π and for further partial beams of the laser beam 80 a second partial beam phase shift Φ _total-2 can be realized in the range from π to 2π. This should be taken into account when calculating the phase mask. For example, using the iterative Fourier transformation algorithm, first an IFFT phase shift werden _IFFT for all partial beams of the laser beam 80 established. If the respective value Φ _{IFFT lies} in the respective first or second range, the respective value Φ _{IFFT can be} retained. On the other hand, the respective value Φ _IFFT can be replaced by the minimum if it is smaller than a minimum of the respective first or second range and replaced by the maximum if it is greater than a maximum of the respective first or second range.

11 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zur Strahlformung an einem zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahl. 11 shows a flow diagram for explaining an embodiment of the method for beam shaping on a laser beam used for material processing.

In einem Verfahrensschritt S1 wird ein ansteuerbarer räumlicher Licht-Modulator mit einem ersten optisch aktiven Volumen als einer zwei-dimensionalen Anordnung einer ersten Gesamtanzahl von ersten Teilvolumen in einem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet. Außerdem wird der räumliche Licht-Modulator zum Einstellen einer mittels des jeweiligen ersten Teilvolumens an einem durch das jeweilige erste Teilvolumen transmittierenden Teil des Laserstrahls bewirkten ersten Phasenverschiebung, welche innerhalb eines für das jeweilige erste Teilvolumen vorgegebenen Wertebereichs variierbar ist, so angesteuert, dass unterschiedliche erste Phasenverschiebungen für die ersten Teilvolumen des räumlichen Licht-Modulators bewirkt werden.In one step S1 a controllable spatial light modulator is arranged with a first optically active volume as a two-dimensional arrangement of a first total number of first partial volumes in a beam path of the laser beam. In addition, the spatial light modulator for setting a first phase shift effected by means of the respective first partial volume on a part of the laser beam which transmits through the respective first partial volume and which can be varied within a value range predetermined for the respective first partial volume, is controlled such that different first phase shifts for the first partial volume of the spatial light modulator.

Als Verfahrensschritt S2 wird ein diffraktives optisches Element mit einem zweiten optisch aktiven Volumen als einer zwei-dimensionalen Anordnung einer zweiten Gesamtanzahl von zweiten Teilvolumen in dem Strahlengang des Laserstrahls so in Bezug zu dem räumlichen Licht-Modulator angeordnet, dass jedem der zweiten Teilvolumen des diffraktiven optischen Elements mindestens eines der ersten Teilvolumen des räumlichen Licht-Modulators so zugeordnet wird, dass der durch das jeweilige erste Teilvolumen des räumlichen Licht-Modulators transmittierender Teil des Laserstrahls zuvor und/oder danach durch das zugeordnete zweite Teilvolumen des diffraktiven optischen Elements transmittiert. Wie oben bereits erläutert, ist eine mittels des jeweiligen zweiten Teilvolumens an dem durch das jeweilige zweite Teilvolumen transmittierenden Teil des Laserstrahls bewirkte zweite Phasenverschiebung durch Ausbildung des diffraktiven optischen Elements so fest vorgegeben, dass durch Ausbildung des diffraktiven optischen Elements für zumindest zwei verschiedenen zweite Teilvolumen unterschiedliche zweite Phasenverschiebungen fest vorgegeben sind.As a procedural step S2 a diffractive optical element with a second optically active volume is arranged as a two-dimensional arrangement of a second total number of second partial volumes in the beam path of the laser beam in relation to the spatial light modulator such that at least one of each of the second partial volumes of the diffractive optical element is assigned to the first partial volume of the spatial light modulator such that the part of the laser beam that transmits through the respective first partial volume of the spatial light modulator transmits before and / or afterwards through the assigned second partial volume of the diffractive optical element. As already explained above, a second phase shift effected by means of the respective second partial volume on the part of the laser beam that transmits through the respective second partial volume is predetermined so firmly by the formation of the diffractive optical element that by forming the diffractive optical element different for at least two different second partial volumes second phase shifts are fixed.

Ein Ausführen der Verfahrensschritte S1 und S2 bewirkt die oben schon aufgezählten Vorteile. Als vorteilhafte Weiterbildung können die Verfahrensschritte S1 und S2 auch Teil eines optischen Materialbearbeitungsverfahrens sein. In diesem Fall wird noch als Verfahrensschritt S3 des optischen Materialbearbeitungsverfahrens eine Linse derart in dem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet, dass der durch den räumlichen Licht-Modulator und das diffraktive optische Element transmittierte Laserstrahl mittels der Linse als Beugungsmuster auf eine Materialbearbeitungsfläche eines zu bearbeitenden Objekts fokussiert wird. Mittels des auf der Materialbearbeitungsfläche fokussierten Beugungsmusters können z.B. ein Laserschweißen, ein Laserschmelzen, ein Laserabtragen, ein Laserbohren, ein Laserpolieren und/oder ein Laserlöten ausgeführt werden.An execution of the procedural steps S1 and S2 brings about the advantages already listed above. The method steps can be an advantageous further development S1 and S2 also be part of an optical material processing process. In this case it is still considered a procedural step S3 of the optical material processing method, a lens is arranged in the beam path of the laser beam in such a way that the laser beam transmitted through the spatial light modulator and the diffractive optical element is focused by means of the lens as a diffraction pattern on a material processing surface of an object to be processed. The diffraction pattern focused on the material processing surface can be used, for example, to carry out laser welding, laser melting, laser ablation, laser drilling, laser polishing and / or laser soldering.

Die zuvor gezeigten Ausführungsbeispiele sind grundsätzlich in der Art ausgeführt, dass eine Summe des (ausschließlich) mittels des räumlichen Licht-Modulators 60 bewirkten ersten Phasenhubs Φ₁ und des (nur) mittels des diffraktiven optischen Elements 62 bewirkten zweiten Phasenhubs Φ₂ einen an dem Laserstrahl maximal bewirkbaren Phasenhub Φ_total größer-gleich 2π ergibt. Die Aufteilung der Summe auf den ersten Phasenhubs Φ₁ und den zweiten Phasenhubs Φ₂ kann auch von den gezeigten zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen abweichen. Bevorzugt orientiert sich die Aufteilung auf den möglichen ersten Phasenhubs Φ₁ eines gekauften Licht-Modulators, wobei die Differenz bis zum maximal bewirkbaren Phasenhub Φ_total größer-gleich 2π dann durch ein entsprechendes diffraktives optisches Elements 62 bereitgestellt wird.The exemplary embodiments shown above are basically implemented in such a way that a sum of (exclusively) by means of the spatial light modulator 60 effected first phase hubs Φ ₁ and (only) by means of the diffractive optical element 62 effected second phase strokes Φ ₂ a maximum phase deviation Φ be brought about on the laser beam results in _total greater than or equal to 2π. The distribution of the sum on the first phase hubs Φ ₁ and the second phase hubs Φ ₂ may also differ from the exemplary embodiments described above. The distribution is preferably based on the possible first phase shifts Φ ₁ a purchased light modulator, the difference up to the maximum achievable phase shift Φ _totally greater than or equal to 2π then by a corresponding diffractive optical element 62 provided.

Claims

Beam shaping device for a laser beam (80) used for material processing with: a controllable spatial light modulator (60) with a first optically active volume as a two-dimensional arrangement of a first total number of first partial volumes (V1), one using the respective first partial volume (V1) on one through the respective first partial volume (V1 ) transmitting part of the laser beam (80) brings about a first phase shift within a range of values predefined for the respective first partial volume (V1) by controlling the spatial light modulator (60), and the spatial light modulator (60) can be controlled in this way, that different first phase shifts can be set for the first partial volumes (V1); and a diffractive optical element (62) with a second optically active volume as a two-dimensional arrangement of a second total number of second partial volumes (V2), the diffractive optical element (62) being arranged in this way in relation to the spatial light modulator (60) is that each of the second partial volumes (V2) of the diffractive optical element (62) is assigned at least one of the first partial volumes (V1) of the spatial light modulator (60) such that the spatial light generated by the respective first partial volume (V1) -Modulator (60) transmitting part of the laser beam (80) before and / or afterwards through the assigned second partial volume (V2) of the diffractive optical element (62), the diffractive optical element (62) being designed such that one by means of the respective second partial volume (V2) on the second phase shift caused by the respective second partial volume (V2) transmitting the laser beam by off formation of the diffractive optical element (62) is fixed, whereby by forming the diffractive optical element (62) for at least two different second partial volumes (V2) different second phase shifts are fixed.

Device for beam shaping after Claim 1 A lens (86) is arranged downstream of the spatial light modulator (60) and the diffractive optical element (62) in such a way that the laser beam (80) transmitted through the spatial light modulator (60) and the diffractive optical element (62) ) can be focused on a material processing surface of an object to be processed by means of the lens (86) as a diffraction pattern (84).

Device for beam shaping according to one of the preceding claims, wherein the spatial light modulator (60) and the diffractive optical element (62) are designed such that one by means of the spatial light modulator (60) and the diffractive optical element (62) the maximum achievable phase shift (Φ _total ) of the laser beam (Φ _total ) is greater than or equal to 2π, the maximum achievable phase shift Φ _totally equaling a sum of the first phase shift Φ ₁ (exclusively) caused by the spatial light modulator 60 and the (only) by means of of the diffractive optical element 62 caused second phase shift Φ ₂ .

Device for beam shaping after Claim 3 , wherein the spatial light modulator (60) is designed such that a maximum first phase shift (hub ₁ ) which can be achieved on the laser beam (80) by means of the spatial light modulator (60) is less than or equal to π, and wherein the diffractive optical Element (62) is designed such that a second phase shift (hub ₂ ) which can be effected on the laser beam (80) by means of the diffractive optical element (62) is greater than or equal to π.

Beam shaping device according to one of the preceding claims, wherein the spatial light modulator (60) comprises birefringent liquid crystals (66) and / or adjustable micromirrors (42).

Device for beam shaping according to one of the preceding claims, wherein the diffractive optical element (62) is a glass substrate (62) with at least two different layer thicknesses (d ₁ , d2) and / or a beam splitter.

An optical material processing device comprising: a laser that emits a laser beam (80); and a device for beam shaping arranged in a beam path of the laser beam (80) according to one of the Claims 2 to 6 The laser beam (80) can be focused on a material processing surface of an object to be processed by means of the lens (86) of the beam shaping device as a diffraction pattern (84).

Method for operating an optical material processing device with the step: controlling the spatial light modulator (60) of the optical material processing device to set different first phase shifts for the first partial volumes (V1), at least taking into account a target diffraction pattern to be generated on the material processing surface of the object to be processed (82); characterized in that when the spatial light modulator (60) of the optical material processing device is activated, the second phase shifts which are different for at least two different second partial volumes (V2) due to the formation of the diffractive optical element (62) are also taken into account.

Process for beam shaping on a laser beam (80) used for material processing with the steps: Arranging a controllable spatial light modulator (60) with a first optically active volume as a two-dimensional arrangement of a first total number of first partial volumes (V1) in a beam path of the laser beam (80) and controlling the spatial light modulator (60) Setting a first phase shift effected by means of the respective first partial volume (V1) on a part of the laser beam (80) which transmits through the respective first partial volume (V1), which can be varied within a range of values predetermined for the respective first partial volume (V1), so that different first phase shifts for the first partial volumes (V1) of the spatial light modulator (60) are effected (S1); and Arranging a diffractive optical element (62) with a second optically active volume as a two-dimensional arrangement of a second total number of second partial volumes (V2) in the beam path of the laser beam (80) in relation to the spatial light modulator (60), that each of the second partial volumes (V2) of the diffractive optical element (62) is assigned at least one of the first partial volumes (V1) of the spatial light modulator (60) in such a way that the through the respective first partial volume (V1) of the spatial light modulator (60) transmitting part of the laser beam before and / or afterwards through the assigned second partial volume (V2) of the diffractive optical element (62), one using the respective second partial volume (V2) transmitting through the respective second partial volume (V2) Part of the laser beam caused second phase shift by the formation of the diffractive optical element (62) is so fixed that Formation of the diffractive optical element (62) for at least two different second partial volumes (V2) different second phase shifts are fixed (S2).

Optical material processing method comprising the steps of: changing a phase distribution of a laser beam (80) emitted by a laser according to the method for beam shaping Claim 9 ; and arranging a lens (86) in the beam path of the laser beam (80) in such a way that the laser beam (80) transmitted through the spatial light modulator (60) and the diffractive optical element (62) by means of the lens (86) as a diffraction pattern ( 84) is focused on a material processing surface of an object to be processed (S3).

Optical material processing method according to Claim 10 , wherein by means of the diffraction pattern (84) focused on the material processing surface, laser welding, laser melting, laser ablation, laser drilling, laser polishing and / or laser soldering is carried out.