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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System zur Strahlumformung eines Laserstrahls in einen Laserstrahl mit einer in Propagationsrichtung langgezogenen Fokuszone für die Bearbeitung eines, insbesondere transparenten, Materials durch Modifizieren des Materials nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere transparenten Materials mittels eines Laserstrahls mit einer in Propagationsrichtung langgezogenen Fokuszone durch Modifizieren des Materials nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich also mit der Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls mit einer in Propagationsrichtung langgezogener Fokuszone, der durch Umformung eines Laserstrahls erzeugt wird.
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Die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt durch Formung eines Bessel- bzw. Quasi-Bessel-Strahls in dem zu bearbeitenden Material und unter Ausnutzung des Phänomens der sogenannten Volumenabsorption, d.h. einer nicht auf die Oberfläche beschränkten Absorption, wodurch die Möglichkeit gegeben ist sprödharte Materialien zu bearbeiten, die für den Laserstrahl weitgehend transparent sind.
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Die Volumenabsorption wird allgemein durch eine Art nicht lineare Absorption begünstigt, welche erst ab einer materialabhängigen (Schwellen)-Intensität derart auftritt, dass eine ausreichende Wechselwirkung mit dem Material stattfindet. Die Volumenabsorption erfolgt dabei überwiegend in einer langgezogenen Fokuszone des in das Material hinein projizierten Laserstrahls. Durch die Absorption erfolgt eine Modifikation des Materials, wobei eine derartige Modifikation beispielsweise für ein Trennen, ein Bohren oder ein Strukturieren des Materials genutzt werden kann. Beispielsweise kann ein Trennvorgang durch das Einbringen von einer Reihe an Modifikationen realisiert werden, wobei die Modifikationen ein Brechen innerhalb oder entlang der Reihe an Modifikationen verursachen. Ebenfalls denkbar ist die Anwendung des derart geformten Laserstrahls zum Trennen, Bohren und Strukturieren mittels entsprechender Modifikationen, beispielsweise können die Strukturierungen ein selektives Ätzen der modifizierten Bereiche ermöglichen (SLE: Selektive Laser Etching).
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Die Systeme, mit denen sich die vorliegende Erfindung befasst, weisen gemäß obigem Verweis auf den Oberbegriff des Anspruchs 1 also eine erste Teleskopanordnung zur Strahlaufweitung des einfallenden Laserstrahls mit einem Gaußschen Strahlprofil auf. Unter dem Begriff Strahlaufweitung wird dabei ein Verfahren zur Vergrößerung oder Verkleinerung eines Laserstrahlquerschnitts verstanden. Die Systeme weisen weiter ein Axicon-Element auf, also ein optisches Element, das in der Lage ist, einen einfallenden Laserstrahl mit Gaußschen Strahlprofil in einen Bessel-Strahl oder bessel-ähnlichen Strahl oder inversen Quasi-Bessel-Strahl (bspw. mittels eines inversen Axicons) umzuformen. Ein derartiges Axicon-Element kann beispielsweise ein Axicon oder ein räumlicher Lichtmodulator SLM (Spatial Light Modulator) sein. Das Axicon-Element dient also zur Umformung des aufbereiteten Strahls in einen Quasi-Bessel-Strahl oder inversen Quasi-Bessel-Strahl. Ausgehend von dem Axicon-Element ist in Propagationsrichtung eine zweite Teleskopanordnung vorgesehen, zur Erzeugung einer in Propagationsrichtung langgezogener Fokuszone im zu bearbeitenden Material.
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Erfindungsgemäß ist nun bei derartigen Systemen vorgesehen, dass die erste Teleskopanordnung zur Strahlaufweitung einen variierbaren Vergrößerungsfaktor (wie oben beschrieben kann dieser Vergrößerungsfaktor jedoch auch derart gebildet sein, dass eine verkleinerte Abbildung entsteht) und die zweite Teleskopanordnung zur verkleinerten Abbildung einen variierbaren Verkleinerungsfaktor aufweist. Hierdurch ist es möglich, eine große Bandbreite an Längen der langgezogenen Fokuszone zu realisieren. Über eine Modifikation des Vergrößerungsfaktors der Strahlaufweitung kann die die Länge der langgezogenen Fokuszone linear beeinflusst werden. Die Länge der langgezogenen Fokuszone lässt sich in quadratischer Art und Weise durch eine Veränderung des Verkleinerungsfaktors der zweiten Teleskopanordnung modifizieren.
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Durch das Vorsehen eines optischen Systems, bei dem sowohl die erste als auch die zweite Teleskopanordnung mit variierbaren Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungsfaktoren ausgebildet sind, kann also eine besonders große Spannweite an verschiedenen Längen der Fokuszonen realisiert werden. Hierdurch lassen sich beispielsweise unterschiedliche Bearbeitungsschritte eines Werkstücks und/oder die Bearbeitung verschiedener Werkstücke effizient mittels des erfindungsgemäßen optischen Systems durchführen.
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Die zweite Teleskopanordnung kann mindestens zwei Linsenmittel umfassen, von denen das axiconseitige Linsenmittel (das näher am strahlformenden optischen Element befindliche) in das Axicon bzw. strahlformende optische Element integriert oder genau in der Ebene des Axicons angeordnet sein kann. Dadurch kann ein Fokusshift entstehen, welcher durch Anpassung des Abstands der beiden Linsenmittel korrigiert werden kann. Die Korrektur kann so erfolgen, dass die umgeformten Strahlanteile wieder parallel zur optischen Achse verlaufen.
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Die zweite Teleskopanordnung zur verkleinerten Abbildung kann ein strahlausgangsseitiges Objektivmittel umfassen, welches austauschbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass dieses austauschbare strahlungsausgangsseitige Objektivmittel bzw. dessen Anordnung bzw. Befestigung (bzw. Integration) in dem optischen System derart ausgebildet sein, dass es werkzeuglos wechselbar ist. Beispielsweise kann das eben genannte Objektivmittel manuell aus dem System ein- und ausschraubbar sein. Dadurch kann das Objektivmittel durch ein anderes Objektivmittel mit anderen optischen Eigenschaften, insbesondere anderem Verkleinerungsfaktor, ausgetauscht werden, wodurch der Verkleinerungsfaktor der zweiten Teleskopanordnung zur verkleinerten Abbildung änderbar ist und hiermit die Länge der Fokuszone quadratisch modulierbar ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Teleskopanordnung zur verkleinerten Abbildung eine Wechseleinrichtung für das bzw. für mehrere strahlausgangsseitige Objektivmittel umfasst. Die Wechseleinrichtung für die strahlausgangsseitigen Objektivmittel kann beispielsweise als Revolvermagazin für Objektivmittel ausgebildet sein und mehrere Objektivmittel umfassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Objektivmittel mit unterschiedlichen Verkleinerungsfaktoren in der Wechseleinrichtung integriert sind. Die beiden Objektivmittel können mittels der Wechseleinrichtung wechselweise in den optischen Pfad der zweiten Teleskopanordnung zur verkleinerten Abbildung gebracht werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Wechseleinrichtung ein erstes Objektivmittel und ein zweites Objektivmittel umfasst, wobei das erste und das zweite Objektivmittel einen jeweils um den Faktor 2 unterschiedlichen Verkleinerungsfaktor aufweisen können. Durch den Austausch der Objektivmittel kann die Länge des Bessel-Strahls um den Faktor 4 verändert werden. Dies in Kombination mit einer Veränderung des Vergrößerungsfaktors der ersten Teleskopanordnung kann zu einer starken Variation der Bessel-Strahl-Länge (der Länge des in das Werkstück verkleinert abgebildeten Bessel-Strahls) durch entsprechende Anpassung des optischen Systems genutzt werden.
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Wie bereits eingangs beschrieben ist es auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, welches ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 5, also einem Verfahren zur Bearbeitung eines transparenten Materials mittels eines Quasi-Bessel-Strahls mit einer in Propagationsrichtung langgezogenen Fokuszone durch Modifizieren des Materials. Der Quasi-Bessel-Strahl bzw. die langgezogene Fokuszone kann dabei insbesondere mittels eines optischen Systems, insbesondere das nach einer der vorigen Ausführungsformen ausgebildet ist, erzeugt werden. Das System kann also mit einer ersten Teleskopanordnung zur Strahlaufweitung des einfallenden Laserstrahls mit einem Gaußschen Strahlprofil ausgebildet sein. Zur Bildung des Quasi-Bessel-Strahls bzw. zur Umformung des aufgeweiteten Strahls in einen Quasi-Bessel-Strahl oder inversen Quasi-Bessel-Strahl ist entsprechend ein Axicon-Element vorgesehen. Weiter ist eine zweite Teleskopanordnung zur verkleinerten Abbildung des Quasi-Bessel-Strahls oder inversen Quasi-Bessel-Strahls in das zu bearbeitende Material vorgesehen. Bei dem Verfahren weißt die langgezogene Fokuszone bzw. der Quasi-Bessel-Strahl, welcher in das Werkstück abgebildet wird, in einem ersten Bearbeitungsschritt eine erste Länge und in einem zweiten Bearbeitungsschritt eine zweite Länge auf. Wobei die eben genannten beiden Längen unterschiedlich sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Änderung der Länge der langgezogenen Fokuszone von der ersten Länge auf die zweite Länge durch eine Veränderung des Vergrößerungsfaktors der ersten Teleskopanordnung zur Strahlaufweitung und des Verkleinerungsfaktors der zweiten Teleskopanordnung zur verkleinerten Abbildung verursacht ist. Die Änderung der Länge der Fokuszone erfolgt also durch eine gleichzeitige Veränderung des Vergrößerungs- und Verkleinerungsfaktors beider Teleskopanordnungen.
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Der erste Bearbeitungsschritt und der zweite Bearbeitungsschritt müssten erfindungsgemäß nicht notwendigerweise zwei zeitlich direkt aufeinander abfolgende Bearbeitungsschritte sein, sondern weitere Bearbeitungsschritte könnten zwischen diesen beiden Bearbeitungsschritten stattfinden. Vorzugsweise erfolgen der erste und zweite Bearbeitungsschritt jedoch direkt nacheinander. Der erste und zweite Bearbeitungsschritt müssen auch nicht (können aber) das gleiche Werkstück betreffen, sondern können unterschiedliche Werkstücke betreffen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine erste, kürzere Länge der Fokuszone zur Bearbeitung eines dünneren Werkstücks und in einem zweiten Bearbeitungsschritt eine längere Länge der Fokuszone zur Bearbeitung eines dickeren Werkstücks verwendet wird.
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Es kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Veränderung des Vergrößerungsfaktors der ersten Teleskopanordnung zur Strahlaufweitung durch eine Änderung des Abstands eines ersten strahleingangsseitigen Linsenmittels der Teleskopanordnung zu einem zweiten, axiconelementseitigen Linsenmittel und/oder der Änderung des Abstands oder der Abstände weiterer Linsenmittel der Teleskopanordnung verursacht ist. Beispielsweise kann hierfür eine Aktuatoreinheit, wie oben im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde, genutzt werden. Dies ist insbesondere für ein Teleskop mit mehr als zwei Linsen, bspw. ein Teleskop mit drei Linsen, vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, die gesamte Teleskopanordnung auszutauschen und durch eine Teleskopanordnung mit einem geänderten Abstand zwischen den Linsenmitteln zu ersetzen.
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In Sinne der Erfindung ist es auch möglich, dass die Veränderung des Vergrößerungsfaktors der ersten Teleskopanordnung zur Strahlaufweitung dadurch verursacht wird, dass die Anordnung des ersten strahleingangsseitigen Linsenmittels der Teleskopanordnung und des zweiten axiconelementseitigen Linsenmittels der Teleskopanordnung umgekehrt wird. Beispielsweise kann die Teleskopanordnung hierfür derart ausgebildet sein, dass die Linsenanordnung werkzeuglos entnehmbar und in umgekehrter Einbaurichtung eingesetzt werden kann, so dass eine Teleskopanordnung mit umgekehrter Linsenreihenfolge implementiert ist.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Veränderung des Verkleinerungsfaktors der zweiten Teleskopanordnung über einen Austausch eines strahlausgangsseitigen Objektivmittels dieser Teleskopanordnung verursacht ist. Hierzu wurden oben im Zusammenhang mit dem optischen System bereits Möglichkeiten beschrieben, beispielsweise die Wechseleinrichtung für das strahlausgangsseitige Objektivmittel sowie die Möglichkeit des werkzeuglos wechselbaren strahlausgangsseitigen Objektivmittels der zweiten Teleskopanordnung.
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Vorteilhafter Weise sind die optischen Komponenten des Systems derart gewählt und angeordnet, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße optische System transparente Materialien mit einer Dicke zwischen 300 µm und 10 mm modifiziert werden können bzw. Fokuszonen mit Längen zwischen 300 µm und 10 mm erzeugt werden können.
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Weitere Einzelheiten und Details der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachfolgenden Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 ein erfindungsgemäßes optisches System in einer ersten Konfiguration;
- 2 das optische System in einer zweiten Konfiguration;
- 3 das optische System in einer dritten Konfiguration;
- 4 das optische System in einer vierten Konfiguration;
- 5 zeigt einen Teil eines alternativen optischen Systems; und
- 6 einen weiteren Teil eines alternativen optischen Systems.
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1 und 2 zeigen zwei Zustände eines optischen Systems zur Strahlumformung eines einfallenden Laserstrahls 14 mit einem Gaußschen Strahlprofil.
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Das optische System umfasst eine erste Teleskopanordnung 12 zur Strahlaufweitung des einfallenden Laserstrahls 14. In 1 ist eine Konfiguration des optischen Systems dargestellt, in dem die Teleskopanordnung 12 den einfallenden Strahl 14 im Wesentlichen nicht aufweitet, weshalb die einzelnen Linsenmittel der Teleskopanordnungen 12 nicht dargestellt sind.
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In Propagationsrichtung P auf die erste Teleskopanordnung 12 folgend ist ein Axicon-Element 16 angeordnet. Auf das Axicon-Element 16 folgend wird in Propagationsrichtung P an das Axicon-Element anschließend ein Bessel-Strahl gebildet. Genauer gesagt handelt es sich um einen Quasi-Bessel-Strahl, also einen Strahl der über einen gewissen Bereich in Propagationsrichtung Eigenschaften eines Bessel-Strahls aufweist. Eine zweite, Teleskopanordnung 20 zur verkleinerten Abbildung des Quasi-Bessel-Strahls ist auf das Axicon-Element 16 folgend angeordnet.
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In 2 ist die erste Teleskopanordnung 12 mit einem strahleingangsseitigen Linsenmittel 22, welches als Streulinse ausgebildet ist, und einem axiconseitigen Linsenmittel 24, welches als Sammellinse ausgebildet ist, implementiert.
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Die zweite Teleskopanordnung 20 zur verkleinerten Abbildung umfasst ein strahlausgangsseitiges Objektivmittel 26 und ein axiconseitiges optisches Element 28, das vorliegend als Linsenmittel ausgebildet ist. Auf das axiconseitige optische Element 28 folgt die in das Werkstück bzw. zu bearbeitende Material 30 verkleinert abgebildete Fokuszone 32. Das axiconseitige optische Element 28 kann in das Axicon 16 integriert sein. Es kann auch in der Ebene des Axicons 16 angeordnet sein.
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In 1 und 2 ist die Konfiguration der zweiten Teleskopanordnung 20 jeweils identisch und die Länge 36 der in das Werkstück 30 abgebildeten verkleinerten Fokuszone 32 unterscheidet sich von 1 zu 2 aufgrund der veränderten Vergrößerung der ersten Teleskopanordnung 12.
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In 3 und 4 weist das optische System 10 jeweils die gleiche Konfiguration der ersten Teleskopanordnung 12 zur Strahlaufweitung auf, jedoch ist die zweite Teleskopanordnung 20 zur verkleinerten Abbildung durch einen Austausch des strahlausgangsseitigen Objektivmittels 26 verändert. Dabei wurde das strahlausgangsseitige Objektivmittel 26 der 1 bis 3 bei der Konfiguration von 4 durch ein strahlausgangsseitiges Objektivmittel 26 mit einem höheren Verkleinerungsfaktor ersetzt. Hierdurch ist die Länge 36 des verkleinert abgebildeten Bessel-Strahls bzw. der in das Werkstück 30 abgebildeten verkleinerten Fokuszone 32 quadratisch beeinflusst.
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Das optische System 10 kann auch eine Aktuatoreinheit umfassen, über die der Abstand 34 zwischen dem strahleingangsseitigen Linsenmittel 22 und dem axiconelementseitigen Linsenmittel 24 und/oder weiterer, hier nicht abgebildeter Linsenmittel veränderbar ist. Hierdurch lässt sich die Länge 36, 36a, 36b Fokuszone 32verändern, welche dann verkleinert durch die zweite Teleskopanordnung 20 in das Werkstück 30 abgebildet wird.
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5 zeigt eine alternative Ausbildung des optischen Systems 10. Das Axicon-Element 16 ist als inverses Axicon ausgebildet, so dass ein virtuelles Strahlprofil in Propagationsrichtung P vor dem Axicon-Element 16 gebildet wird (nicht dargestellt), das jedoch durch die zweite Teleskopanordnung 20 in einen reales Strahlprofil 32, das in das Werkstück projiziert wird, umgewandelt wird.
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6 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung des optischen Systems 10, wobei der Aufbau der zweiten verkleinernden Teleskopanordnung 20 sich von dem der 1 bis 4 dadurch unterscheidet, dass unterscheidet lediglich das strahlausgangsseitige Objektivmittel 26 und kein axiconseitiges optisches Element 28 umfasst.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Konfiguration des optischen Systems 10 von 1 zur Durchführung eines ersten Bearbeitungsschritts verwendet werden und die Konfiguration von 4 zur Durchführung eines zweiten Bearbeitungsschritts verwendet werden. Dabei ist die Änderung der Länge 36 der langgezogenen Fokuszone 32 von der ersten Länge 36a (Länge der Fokuszone in 1) auf die zweite Länge 36b (Länge der Fokuszone in 4) durch eine Veränderung des Vergrößerungsfaktors der ersten Teleskopanordnung 12 zur Strahlaufweitung und des Verkleinerungsfaktors der zweiten Teleskopanordnung 20 zur verkleinerten Abbildung verursacht.
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Zeitlich zwischen den beiden Bearbeitungsschritten und/oder den beiden Bearbeitungsschritten vor- und/oder nachfolgend können weitere Bearbeitungsschritte mit weiteren Längen der verkleinert abgebildeten Fokuszone 36 erfolgen. Die Einstellung dieser Längen kann beispielsweise über Verwendung von Konfigurationen des optischen Systems 10 gemäß den 2 oder 3 erfolgen.
