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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Justage einer Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine, die insbesondere eine Bessel-Strahl-Fokuszone in einem zu bearbeitenden Werkstück ausbildet. Ferner betrifft die Erfindung ein System zur Justage einer Bearbeitungsoptik und ein Verfahren zum Justieren einer Bearbeitungsoptik in einer Laserbearbeitungsmaschine.
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Beispielhafte optische Systeme zur Strahlformung hinsichtlich der Ausbildung von Bessel-Strahlen sind z. B. in der
WO 1216/079062 A1 offenbart. Zugrundeliegende Optikkonzepte können für die Strahlformung eine Phasenaufprägung auf einen einfallenden Laserstrahl in einer sogenannten Bearbeitungsoptik durchführen. Diese Phasenaufprägung kann dabei eine Korrektur von Aberrationen berücksichtigen, wie sie z. B. durch ein zu bearbeitendes Werkstück verursacht werden. Beispielsweise führen geneigte oder zylindrische Glas-Werkstücke zu Phasenbeiträgen, die bei der Phasenaufprägung zu berücksichtigen sind, da ansonsten der Bessel-Strahl im Werkstück nicht in der beabsichtigten Weise ausgebildet wird. Allerdings sind derartige in Bearbeitungsoptiken umgesetzte Optikkonzepte schwer zu justieren, da Justage-Merkmale wie Homogenität oder Symmetrie des Strahls aufgrund der in die Strahlformung aufgenommene Aberrationskorrektur nach dem Werkstück nicht mehr vorliegen und so nicht zur Justage genutzt werden können. Somit wird die korrekte Ausrichtung von z.B. strahlformenden Elementen und Fokussierlinsen in der Bearbeitungsoptik erschwert.
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Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Justieren einer Bearbeitungsoptik in einer Laserbearbeitungsmaschine zu vereinfachen. Eine weitere Aufgabe liegt darin, Informationen über eine insbesondere im Material ausgebildete Bessel-Strahl-Fokuszone wie deren Länge gewinnen zu können.
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Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Vorrichtung für eine Justage einer Bearbeitungsoptik nach Anspruch 1, durch ein System zur Justage einer Bearbeitungsoptik in einer Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 12, durch ein Verfahren zum Justieren einer Bearbeitungsoptik nach Anspruch 19 und durch ein Verfahren zum Vermessen einer Bessel-Strahl-Fokuszone nach Anspruch 20.
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In einem Aspekt umfasst eine Vorrichtung für eine Justage einer Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine, wobei die Bearbeitungsoptik dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl in der Laserbearbeitungsmaschine derart zu formen und entlang einer Einfallsstrahlenachse zu fokussieren, dass ein Bearbeitungslaserstrahl eine voreingestellte Bessel-Strahl-Fokuszone in einem zu bearbeitenden Werkstück ausbilden kann. Die Vorrichtung umfasst:
- einen Eintrittsbereich zum Aufnehmen des Bearbeitungslaserstrahls,
- einen Fokuszonen-Ausbildungsbereich, der dazu vorgesehen ist, eine Ausbildung einer Mess-Fokuszone durch den aufgenommenen Bearbeitungslaserstrahl entlang einer Soll-Achse zu ermöglichen, und
- eine Abbildungseinheit, die eine Linse und eine Detektoroberfläche aufweist, wobei die Linse Messlaserstrahlung, die nach Ausbildung der Mess-Fokuszone den Fokuszonen-Ausbildungsbereich verlässt, entlang einer durch die Soll-Achse vorgegebenen Abbildungsachse auf die Detektoroberfläche abbildet.
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In einem weiteren Aspekt umfasst die Offenbarung ein System zur Justage einer Bearbeitungsoptik in einer Laserbearbeitungsmaschine, wobei die Bearbeitungsoptik zur Erzeugung einer voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone in einem im Wesentlichen transparenten Werkstück durch Aufprägung eines Phasenverlaufs auf einen Laserstrahl ausgebildet ist. Das System umfasst die Laserbearbeitungsmaschine, die eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung des Laserstrahls und die Bearbeitungsoptik aufweist, und eine wie zuvor beschriebene Vorrichtung, die eine Abbildungseinheit und optional ein Werkstück-Imitat umfasst. Die Bearbeitungsoptik weist eine strahlformende Optikeinheit und eine Fokussierlinseneinheit auf, wobei die strahlformende Optikeinheit für die Bearbeitung des Werkstücks, das eine Werkstückoberfläche aufweist, deren Geometrie der Geometrie einer Eintrittsoberfläche des Werkstück-Imitats entspricht, ausgebildet ist und wobei die strahlformende Optikeinheit zusammen mit der Fokussierlinseneinheit zur Strahlformung des Laserstrahls in einen sich entlang einer Einfallsstrahlenachse ausbreitenden Bearbeitungslaserstrahl eingerichtet ist, der zur Ausbildung der voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone in dem zu bearbeitenden Werkstück entlang einer Soll-Achse führen kann. Die voreingestellte Bessel-Strahl-Fokuszone erstreckt sich ausgehend von einem Auftreffpunkt auf der, insbesondere geneigten oder gekrümmten, Werkstückoberfläche in das zu bearbeitende Werkstück entlang einer Soll-Achse hinein. Die Laserbearbeitungsmaschine umfasst ferner eine erste Halterung, in der die stahlformende Optikeinheit bezüglich des Laserstrahls lateral positionierbar gehalten wird. Die Vorrichtung ist derart bezüglich der Bearbeitungsoptik positioniert und eingerichtet, dass der Bearbeitungslaserstrahl, der entlang einer Einfallsstrahlenachse in die Vorrichtung eintritt, als Messlaserstrahlung im Fernfeld auf einer Detektoroberfläche der Abbildungseinheit auftrifft.
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In einem weiteren Aspekt umfasst die Offenbarung ein Verfahren zum Justieren einer Bearbeitungsoptik in einer Laserbearbeitungsmaschine, wobei die Bearbeitungsoptik eine strahlformende Optikeinheit und eine Fokussierlinseneinheit aufweist, wobei die Optikeinheit im Strahlengang eines Laserstrahls der Laserbearbeitungsmaschine mit einer ersten Halterung positioniert ist und für eine Phasenaufprägung auf ein laterales Strahlprofil des Laserstrahls ausgebildet ist, sodass bei einer korrekten Justage der Bearbeitungsoptik mit der Fokussierlinseneinheit für einen an einem vorgegebenen Auftreffpunkt unter einem vorgegebenen Einfallswinkel auftreffender Bearbeitungslaserstrahl im Werkstück eine Bessel-Strahl-Fokuszone erzeugt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Vorjustieren der Bearbeitungsoptik und der Vorrichtung, sodass der Laserstrahl eine Phasenaufprägung erfährt und von der Fokussierlinseneinheit als Bearbeitungslaserstrahl in einen Fokuszonen-Ausbildungsbereich, insbesondere in das optionale Werkstück-Imitat, fokussiert wird,
- (als optionalen Schritt) Ausrichten des Werkstück-Imitats derart, dass der Bearbeitungslaserstrahl entlang einer Einfallsstrahlenachse in die Vorrichtung einfällt und insbesondere auf das Werkstück-Imitat auftrifft,
- Abbilden eines Fernfeldes einer, insbesondere aus dem Werkstück-Imitat austretenden, Messlaserstrahlung auf eine Analyseebene und
- Justieren der Position der strahlformenden Optikeinheit und optional der Fokussierlinseneinheit derart, dass sich ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Strahlprofil der Messlaserstrahlung in der Analyseebene ergibt.
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Optional kann die hierin beschriebene Vorrichtung, die eine Abbildungseinheit und optional ein Werkstück-Imitat umfasst, eingestellt werden, um das Fernfeld der Messlaserstrahlung auf die Analyseebene abzubilden.
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In einem weiteren Aspekt umfasst die Offenbarung ein Verfahren zum Vermessen einer Bessel-Strahl-Fokuszone, insbesondere einer Länge einer Bessel-Strahl-Fokuszone, die mit einer Laserbearbeitungsmaschine in einem Werkstück erzeugt werden soll, wobei die Laserbearbeitungsmaschine eine Bearbeitungsoptik mit einer strahlformende Optikeinheit und einer Fokussierlinseneinheit aufweist, wobei die Optikeinheit für eine Phasenaufprägung auf ein laterales Strahlprofil eines Laserstrahls ausgebildet ist, sodass für einen aus der Fokussierlinseneinheit austretenden und an einem vorgegebenen Auftreffpunkt unter einem vorgegebenen Einfallswinkel auftreffender Bearbeitungslaserstrahl im Werkstück eine voreingestellte Bessel-Strahl-Fokuszone entlang einer Soll-Richtung erzeugt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- (als optionalen Schritt) Justieren einer Bearbeitungsoptik nach dem zuvor beschriebenen Verfahren, sodass ein Bearbeitungslaserstrahl in einen Fokuszonen-Ausbildungsbereich, insbesondere in das optionale Werkstück-Imitat, unter Ausbildung einer Mess-Fokuszone fokussiert wird, und
- Abtasten der Mess-Fokuszone durch Fokussieren der, insbesondere aus dem Werkstück-Imitat austretenden, Messlaserstrahlung mit einer Linse auf eine Analyseebene unter Verschieben der Linse entlang einer Abbildungsachse.
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Optional kann die hierin beschriebene Vorrichtung, die eine Abbildungseinheit und optional ein Werkstück-Imitat umfasst, zum Fokussieren der Messlaserstrahlung auf die Analyseebene eingestellt werden.
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In einigen Ausführungsformen der Vorrichtung kann die Linse und die Detektoroberfläche entlang der Abbildungsachse angeordnet sein und die Detektoroberfläche kann Teil einer Kamera sein. Insbesondere kann der Linse eine Linsenachse zugeordnet werden, die parallel zur Abbildungsachse verläuft und/oder die Detektoroberfläche sich in einer Ebene erstreckt, zu der die Abbildungsachse senkrecht verläuft.
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In einigen Ausführungsformen der Vorrichtung kann die Abbildungseinheit ferner einen Anschlag für eine Montage eines Werkstück-Imitats aufweisen, wobei der Anschlag eine Anschlagfläche in einer vorbestimmten Ausrichtung zur Abbildungsachse definiert. Die Anschlagfläche kann insbesondere für eine orthogonale Ausrichtung einer planen Austrittsoberfläche des Werkstück-Imitats zur Soll-Achse vorgesehen sein.
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In einigen Ausführungsformen der Vorrichtung kann die Abbildungseinheit umfassen:
- - eine Translationseinheit zur Verschiebung der Linse entlang der Abbildungsachse,
- - eine Translationseinheit zur Verschiebung der Detektoroberfläche entlang der Abbildungsachse und/oder
- - eine Translationseinheit zur gemeinsamen Verschiebung der Linse und der Detektoroberfläche entlang der Abbildungsachse.
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Optional kann mindestens eine der Translationseinheiten zum Einstellen eines Abstands der jeweiligen Komponente zum Fokuszonen-Ausbildungsbereich, insbesondere zu einem Anschlag zur Montage eines Werkstück-Imitats, eingerichtet sein.
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In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung ferner eine Rotationseinheit aufweisen, die zur drehbaren Lagerung der Abbildungseinheit ausgebildet ist, um eine Drehung der Abbildungsachse hinsichtlich der Einfallsstrahlenachse bereitzustellen.
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In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung ferner ein Werkstück-Imitat als Justage-Element aufweisen, das eine Eintrittsoberfläche und eine plane Austrittsoberfläche aufweist und im Fokuszonen-Ausbildungsbereich derart angeordnet ist, dass
- - die plane Austrittsoberfläche senkrecht zur Soll-Achse ausgerichtet ist,
- - die Eintrittsoberfläche an einem Auftreffpunkt, an dem der Bearbeitungslaserstrahl entlang der Einfallsstrahlenachse auf das Werkstück-Imitat trifft, derart zur Einfallsstrahlenachse angeordnet ist, dass die durch das Werkstück-Imitat verlaufende Soll-Achse in einer vorgegebenen Richtung verläuft, die insbesondere durch die voreingestellte Bessel-Strahl-Fokuszone gegeben ist.
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In Weiterbildungen kann die Abbildungseinheit ferner einen Anschlag zur Montage des Werkstück-Imitats aufweisen, wobei der Anschlag eine Anschlagfläche zur Montage des Werkstück-Imitats in einer Position, in der die Austrittsoberfläche senkrecht zur Abbildungsachse ausgerichtet ist, definiert. Zusätzlich oder alternativ kann die Ausrichtung der Soll-Achse zur Einfallsstrahlenachse durch einen refraktiven Brechungsindex des Werkstück-Imitats gegeben sein und insbesondere bezüglich eines Auftreffpunkts des Laserstrahls entlang der Einfallsstrahlenachse festgelegt werden.
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In Weiterbildungen kann die Eintrittsoberfläche abschnittsweise eine Zylindermantelform ausbilden. Optional kann bei radialem Verlauf der Einfallsstrahlenachse zur Zylindermantelform die plane Austrittsoberfläche senkrecht zur Einfallsstrahlenachse verlaufen.
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In Weiterbildungen kann die Soll-Achse zu einer Tangentialebene am Auftreffpunkt der Eintrittsoberfläche orthogonal oder nicht orthogonal verlaufen. Ferner kann die Einfallsstrahlenachse optional unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 50°, insbesondere im Bereich von 20° bis 40°, zu einem Normalenvektor der Tangentialebene verlaufen.
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In einigen Ausführungsformen der Vorrichtung die Abbildungseinheit in einer ersten Betriebseinstellung dazu eingerichtet sein, ein transversales Strahlprofil der Messlaserstrahlung im Fernfeld zu erfassen, und in einer zweiten Betriebseinstellung dazu eingerichtet sein, durch Positionieren der Linse und der Kamera einen Anfang oder ein Ende einer, insbesondere im Werkstück-Imitat, ausgebildeten Mess-Fokuszone auf die Detektoroberfläche abzubilden.
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In einigen Ausführungsformen des Systems kann das Werkstück-Imitat der Vorrichtung derart bezüglich der Bearbeitungsoptik positioniert und ausgerichtet sein, dass der Bearbeitungslaserstrahl, der entlang der Einfallsstrahlenachse auf das Werkstück-Imitat fällt, als die Messlaserstrahlung aus dem Werkstück-Imitat austritt.
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In einigen Ausführungsformen des Systems kann die Laserbearbeitungsmaschine ferner eine zweite Halterung umfassen, in der die Fokussierlinseneinheit bezüglich der Optikeinheit lateral und optional entlang einer optischen Achse der Fokussierlinseneinheit positionierbar gehalten wird.
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In einigen Ausführungsformen des Systems kann eine Kamera der Abbildungseinheit zum Ausgeben einer Bildaufnahme eines Strahlprofils im Fernfeld der aus dem Werkstück-Imitat austretenden Messlaserstrahlung ausgebildet sein.
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In einigen Ausführungsformen des Systems kann die strahlformende Optikeinheit ein flächig ausgebildetes diffraktives optisches Element umfassen, das dazu ausgebildet ist, dem Laserstrahl eine zweidimensionale Bessel-Strahl-formende Phasenverteilung aufzuprägen.
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In einigen Ausführungsformen des Systems kann ferner im justierten Zustand der Bearbeitungsoptik die erste Halterung die strahlformende Optikeinheit derart positioniert sein und die zweite Halterung die Fokussierlinseneinheit derart positioniert sein, dass das Strahlprofil des Fernfelds auf der Detektoroberfläche im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Abbildungsachse ist.
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In einigen Ausführungsformen des Systems kann ein Bereich, in dem die Geometrie der Eintrittsoberfläche des Werkstück-Imitats der Geometrie der Werkstückoberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks entspricht, der der voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone zugrunde liegt, derart bemessen sein, dass eine Ausbildung einer Mess-Fokuszone im Werkstück-Imitat im Wesentlichen über eine Länge der voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone erfolgt.
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Die hierin vorgeschlagenen Konzepte ermöglichen die Justage einer Bearbeitungsoptik, mit dem Ziel trotz aberrationsverursachender Geometrie eines zu bearbeitenden Werkstücks eine ungestörte Ausbildung einer Bessel-Strahl-Fokuszone in einem Werkstück zu gewährleisten. Überdies lässt sich mit den hierin vorgeschlagenen Konzepten die Bessel-Strahl-Fokuszone, wie sie in einem Werkstück ausgebildet wird, vermessen.
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Ein möglicher modularer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt ferner die Verwendung unterschiedlicher Werkstück-Imitate mit derselben Abbildungseinheit.
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Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische räumliche Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine zur Materialbearbeitung mit einer Bessel-Strahl-Fokuszone,
- 2(a)-2(c) schematische Ansichten zur Verdeutlichung von Bearbeitungsgeometrien von drei beispielhaften Werkstücken,
- 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für eine Justage einer Bearbeitungsoptik beispielhaft unter Verwendung eines keilförmigen Werkstück-Imitats für die Bearbeitungsgeometrie nach 2(a),
- 4(a)-4(d) beispielhafte schematische Ansichten von Strahlprofilen auf einer Detektoroberfläche einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für die Justage einer Bearbeitungsoptik unter Verwendung eines Werkstück-Imitats mit einer gekrümmten Oberfläche für die Bearbeitungsgeometrie nach 2(b),
- 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für eine Justage einer Bearbeitungsoptik unter Verwendung eines Werkstück-Imitats mit planparallelen Oberflächen für die Bearbeitungsgeometrie nach 2(c),
- 7 eine Skizze zur Verdeutlichung der Vermessung einer Länge einer Bessel-Strahl-Fokuszone in einem Werkstück-Imitat mit planparallelen Oberflächen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 8 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung von Einstellungsmoden, in denen die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommen kann.
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Die hierin beschriebenen Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass sich bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl optische Bedingungen ergeben können, die eine Kompensation von aberrationsverursachenden Einflüssen optischer Komponenten und insbesondere des zu bearbeitenden Werkstücks erforderlich machen. Diese Kompensation in der Phasenverteilung über das zweidimensionale laterale Strahlprofil kann in eine Bearbeitungsoptik integriert werden. Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Phasenkompensation eine Justage der spezifisch angepassten Bearbeitungsoptik erschwert wird. Die Justage kann trotzdem vorgenommen werden, wenn erfindungsgemäße, entsprechend aberrationsverursachende optische Elemente, hierin Werkstück-Imitate genannt, bei der Justage und zur Analyse des Strahlverlaufs verwendet werden. Dabei wird das Werkstück-Imitat derart im Strahlengang positioniert, dass sich im Werkstück-Imitat die gewünschte Bessel-Strahl-Fokuszone ausbildet. Das Werkstück-Imitat ist somit eintrittsseitig wie das zu bearbeitende Werkstück ausgebildet.
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Zur Analyse der Bessel-Strahl-Fokuszone haben die Erfinder nun ferner erkannt, dass das Werkstück-Imitat austrittsseitig so ausgebildet werden kann, dass die aus dem Werkstück-Imitat austretende Laserstrahlung der Analyse zugänglich wird. Hierzu wird vorgeschlagen, die Austrittsseite des Werkstück-Imitats als eine plane Austrittsoberfläche auszubilden und die plane Austrittsoberfläche derart bezüglich der im Werkstück beabsichtigten Bessel-Strahl-Fokuszone auszurichten, dass eine Soll-Achse, die sich entlang einer wunschgemäß ausgebildeten Bessel-Strahl-Fokuszone erstreckt, senkrecht zur Austrittsoberfläche verläuft. Erfindungsgemäß wird anschließend der aus der Austrittsoberfläche austretende Laserstrahl mithilfe einer Linse auf eine Detektoroberfläche abgebildet.
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Ferner haben die Erfinder erkannt, dass mit diesem vorgeschlagenen Optikkonzept Eigenschaften der Bessel-Strahl-Fokuszone vermessen werden können, wenn die Position der Linse entsprechend eingestellt wird. Die vorgeschlagenen Messkonzepte können dabei unter aberrationsverursachenden optischen Konfigurationen, die den Einsatz eines Werkstück-Imitats erforderlich machen, als auch bei aberrationsfreien optischen Konfigurationen (z. B. auch ohne Werkstück-Imitat) eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Abtastung der Intensität in der Bessel-Strahl-Fokuszone durch Scannen (Verfahren) der Linse entlang der Soll-Achse, d. h. entlang der Strahlausbreitungsrichtung im Werkstück bei korrekter Justage, vorgenommen werden. Auf diese Weise kann die tatsächlich im Werkstück-Imitat vorliegende Länge der Bessel-Strahl-Fokuszone bestimmt werden. Diese Länge liegt dann auch im zu bearbeitenden Werkstück vor, vorausgesetzt die Eintrittsseite ist entsprechend konfiguriert, d.h. ausgebildet und ausgerichtet.
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Ferner kann das vorgeschlagene Optikkonzept, insbesondere das Modul, dazu genutzt werden, um die optische Dicke eines planen Substrats oder die durch das Substrat auftretenden Aberrationen durch die Vermessung der Ringbreite an einer Position bzw. die Intensität entlang der Fokuszone zu messen.
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Allgemein kann das hierin vorgeschlagene Konzept zur Justage einer Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine mit einem System, das die aberrationsverursachenden Elemente und optional auch aberrationskorrigierende Elemente aufweist, umgesetzt werden. Die Justage der Bearbeitungsoptik kann beispielsweise auf einer Bildverarbeitung von Strahlprofil-Aufnahmen eines Detektors, der strahlabwärts der aberrationsverursachenden Elemente positioniert ist, basieren. Durch die „Werkstück-artig“ vorgenommene Kompensation der Aberration mit dem Werkstück-Imitat liegen einfache Justage-Merkmale wie die Symmetrie eines ringförmigen Strahlprofils vor.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen ein Werkstück-Imitat als optisches Justage-Element einzusetzen, das die Aberration kompensiert (in den nachfolgenden Figuren beispielhaft eine schräge Kante oder eine zylindrische Linse). Das Werkstück-Imitat dient der Imitation des geplanten Eintrittswinkels und der geplanten Eintrittsgeometrie, wie sie in der vorgenommenen Aberrationskompensation im strahlformenden Element berücksichtigt wurde. Die Geometrie und Formgebung des Werkstück-Imitats ermöglicht ferner einen orthogonalen Austritt aus einer planen Testoberfläche (Rückseite) des Werkstück-Imitats, sodass der Bessel-Strahl bei korrekter Justage wieder „richtig“ propagieren kann (ohne Aberrationskorrektor) und so die Symmetrie des Strahlprofils bewertet und zur Justage genutzt werden kann.
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Das Konzept der Erfindung wird beispielhaft nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren weiter erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine 1, die zur Materialbearbeitung, beispielsweise zum Laserschneiden von transparenten Materialplatten oder zum Einbringen von Materialmodifikationen in transparente Materialien, ausgebildet ist.
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Die Laserbearbeitungsmaschine
1 umfasst eine Laserstrahlquelle
2 zu Erzeugung eines primären Laserstrahls
5 sowie eine Bearbeitungsoptik
3. Die Bearbeitungsoptik
3 ist dazu ausgebildet, den Laserstrahl
5 derart zu formen, dass eine gewünschte Fokuszone
7 in einem Werkstück (siehe z. B. Werkstücke
9,
9',
9" in
2) ausgebildet wird. Beispielsweise umfasst die Bearbeitungsoptik
3 eine strahlformende Optikeinheit
11 und eine Fokussierlinseneinheit
13 (auch als Bearbeitungsobjektiv bezeichnet). Beispielhaft ist in
1 angedeutet, dass die strahlformende Optikeinheit
11 zur Phasenaufprägung einer Linse
11A und eines Axicon
11B ausgebildet sein kann. Die strahlformende Optikeinheit
11 kann z. B. als ein flächig ausgebildetes diffraktives optisches Element, insbesondere als räumlicher Lichtmodulator (spatial light modulator SLM) oder als Phasenplatten, d. h. in der Phase einstellbar oder fest eingestellt, eine vorbestimmte zweidimensionale Phasenverteilung auf den einfallenden Laserstrahl
5, insbesondere über dessen transversales Strahlprofil, aufzuprägen. Hierzu wird beispielhaft auf die eingangs erwähnte
WO 1216/079062 A1 verwiesen.
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Im Beispiel der Anordnung der 1 bewirkt die strahlformende Optikeinheit 11 eine reale Bessel-Strahl-Fokuszone 7' strahlabwärts der strahlformenden Optikeinheit 11. Die Fokussierlinse 13 (zusammen mit der aufgeprägten Phase der Linse 11A) bildet diese reale Bessel-Strahl-Fokuszone 7' verkleinernd auf die Bessel-Strahl-Fokuszone 7 ab, sodass hohe Intensitäten in der Bessel-Strahl-Fokuszone 7 erzeugt werden, wie sie für eine beabsichtigte Materialbearbeitung eines Werkstücks erforderlich sind. Der aus der Bearbeitungsoptik 3 austretende Laserstrahl ist in 3 beispielhaft als fokussierter Bessel-Strahl 5A angedeutet, der ein ringförmiges Strahlprofil ausbildet.
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1 zeigt schematisch einen Verlauf 8 der Intensität 1 in der Bessel-Strahl-Fokuszone 7. Dabei wird angenommen, dass die Bearbeitungsoptik 3 derart ausgebildet ist, dass sich bei korrekter Justage die Bessel-Strahl-Fokuszone 7 entlang einer Soll-Achse (in 1 in Z-Richtung) ausbildet. Die Bessel-Strahl-Fokuszone 7 kann sich über einige 100 µm erstrecken und so z. B. langgezogene Modifikationszonen im Material erzeugen.
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Ferner erkennt man in 1 eine Halterung 15 für die strahlformende Optikeinheit 11 und eine Halterung 17 für die Fokussierlinseneinheit 13. Die Halterungen 15, 17 können translatorische oder rotatorische Freiheitsgrade für die Justage bereitstellen. Beispielsweise kann die Halterung 15 beispielsweise eine Justage der strahlformenden Optikeinheit 11 in der X-Y-Ebene sowie eventuell eine Rotation der strahlformenden Optikeinheit 11 in der X-Y-Ebene ermöglichen. Die Halterung 17 kann beispielsweise eine Einstellung der Position der Fokussierlinseneinheit 13 in der X-Y-Ebene sowie eventuell eine Translation der Fokussierlinseneinheit 13 in Z-Richtung erlauben.
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Wird die Bessel-Strahl-Fokuszone 7 in einem Werkstück positioniert und der Laserstrahl 5 mit der erforderlichen Leistung eingekoppelt, wechselwirkt die Laserstrahlung in der Bessel-Strahl-Fokuszone 7 mit dem Material des Werkstücks und bewirkt die beabsichtigte Modifikation der Materialstruktur über die Länge der Bessel-Strahl-Fokuszone 7. Eine Aufreihung von eingebrachten Modifikationen im Werkstück kann z. B. für eine Trennung des Werkstücks in zwei Teile genutzt werden.
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Die Ausbildung der Bessel-Strahl-Fokuszone 7 in Material kann jedoch beim Eintritt der Laserstrahls 5A in das Werkstück durch den Verlauf der Oberfläche des Werkstücks und den Brechungsindex des Materials des Werkstücks beeinflusst werden, wenn die beim Eintritt hervorgerufenen Phasenbeiträge nicht berücksichtigt werden.
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Wie beispielsweise in 2(a) gezeigt wird, kann eine Materialbearbeitung mit einer Bessel-Strahl-Fokuszone durchgeführt werden, die unter einem Winkel zu einer Eintrittsoberfläche 9A eines Werkstücks 9 verläuft. Beispielhaft sind in 2(a) eine Aufreihung von entsprechend erzeugten Modifikationen 19 im Werkstück 9 angedeutet. Die Modifikationen 19 im Werkstück 9 können zum Beispiel mit einer Sequenz von Laserpulsen in Kombination mit einer linearen Bewegung des Werkstücks 9 relativ zur Bessel-Strahl-Fokuszone erzeugt werden.
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Ein schräger Einfall auf die Eintrittsoberfläche 9A führt jedoch zu einer astigmatischen Störung des sich im Werkstück 9 ausbreitenden Laserstrahls, wodurch auch das Interferenzverhalten der Laserstrahlung beeinflusst wird. Zur Ausbildung einer ungestörten Bessel-Strahl-Fokuszone im Werkstück 9, die in ihrer Form der in 1 gezeigten Bessel-Strahl-Fokuszone 7 entspricht, kann die astigmatische Störung durch Anpassen der Phasenaufprägung mit einer Aberrationskorrektur vorkompensiert werden. Diese Vorkompensation kann in der Anordnung der 1 durch die strahlformende Optikeinheit 11 vorgenommen werden und beispielsweise in die zweidimensionale Phasenaufprägung einberechnet werden.
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2(b) zeigt ein weiteres Beispiel für eine Astigmatismus erzeugende Werkstückgeometrie eines Werkstücks 9'. Das Werkstück 9' weist eine in einer Richtung gekrümmte Eintrittsoberfläche 9A' auf. Im beispielhaften Fall der 2(b) sollen Modifikationen 19' in das Werkstück 9' orthogonal zu einer Tangentialebene T an die gekrümmte Eintrittsoberfläche 9A' (d. h. parallel zu einem Normalenvektor N der Tangentialebene T) eingebracht werden. Aufgrund der Krümmung der Eintrittsoberfläche 9A' in eine Richtung ist auch hier eine Aberrationskorrektur mit der strahlformenden Optikeinheit 11 derart vorzunehmen, dass die Laserstrahlung aberrationsfrei die Bessel-Strahl-Fokuszone im Werkstück 9' formt und die Modifikationen 19' wie gewünscht ausbildet.
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Zur Vollständigkeit zeigt 2(c) ein Werkstück 9" mit einer planen Eintrittsoberfläche 9A'' und einer hierzu parallelen Austrittsoberfläche 9B''. Das somit planparallel ausgebildete Werkstück 9" soll beispielsweise mit orthogonal zur Eintrittsoberfläche 9A'' verlaufenden Modifikationen 11" versehen werden, wobei eine vorbestimmte Länge der Modifikationen 11" im Material beabsichtigt ist und diese beispielsweise verifiziert werden soll.
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Um eine gewünschte Ausbildung der Bessel-Strahl-Fokuszone im Werkstück gewährleisten zu können, ist eine korrekte Justage der strahlformenden Optikeinheit 11 und der Fokussierlinseneinheit 13 erforderlich. Diese kann beispielsweise durch Einstellung der Halterungen 15, 17 erfolgen. Jedoch ist die Überprüfung der Justage bei aberrationsverursachenden Werkstückkonstellationen nicht immer möglich. Zum einen verhindern aberrationskompensierende Phasenaufprägungen die direkte Messung der Fokuszone des Laserstrahls 5A (ohne Werkstück). Zum anderen kann die aus dem Werkstück austretende Laserstrahlung rückseitig eine weitere Aberration erfahren, sodass auch die Analyse der aus dem Werkstück austretenden Laserstrahlung nicht direkt auf die Form der ausgebildeten Fokuszone schließen lässt.
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Das optische Konzept der in 1 dargestellten Laserbearbeitungsmaschine 1 kann wie folgt kurz zusammengefasst werden. Ein zentrales, strahlformendes Element einer Bearbeitungsoptik wirkt gleichermaßen zur Aufprägung einer Axicon-artigen Phase, zur Durchführung einer Aberrations(vor)korrektur und optional zur Vervollständigung einer Teleskopanordnung Durchaufträgen eines „Linsen“-Phasenbeitrags. Der Laserstrahl durchläuft das strahlformende Element und wird zur Materialbearbeitung mit einer Fokussieroptik (z. B. ein Mikroskopobjektiv) auf/in ein im Wesentlichen transparentes optisches Werkstück fokussiert.
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3 erläutert nun beispielhaft für die Bearbeitungsgeometrie nach 2(a) eine Vorrichtung 101 für eine Justage der strahlformenden Bearbeitungsoptik 3.
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In der Vorrichtung 101 wird ein keilförmig ausgebildetes Werkstück-Imitat 103 dazu verwendet, eintrittsseitig die optische Konstellation der 2(a) zu reproduzieren. Dabei können in einem Gehäuse 102 die nachfolgend erläuterten Komponenten inklusive des Werkstück-Imitats 103 angeordnet werden.
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Das Gehäuse 102 weist einen Eintrittsbereich 104 auf, durch den der aus der Bearbeitungsoptik 3 austretende Laserstrahl 5A in die Vorrichtung 101 angekoppelt wird. Der Eintrittsbereich 104 wird beispielsweise durch eine Öffnung im Gehäuse 102 gebildet.
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Die Vorrichtung 101 stellte ferner einen Fokuszonen-Ausbildungsbereich 106 bereit, in dem der Laserstrahl 5A eine Bessel-Strahl-Fokuszone zu Justage-Zwecken oder zur Vermessung ausbildet.
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Im Fokuszonen-Ausbildungsbereich 106 der beispielhaften Vorrichtung 101 der 3 befindet sich das Werkstück-Imitat 103. Das Werkstück-Imitat 103 ist keilförmig ausgebildet, d. h. eine plane Eintrittsoberfläche 103A verläuft unter einem Winkel α (in einem Winkelbereich von 0° bis 32°, insbesondere im Bereich von 13° bis 26°) zu einer planen Austrittsoberfläche 103B. An einem Auftreffpunkt 109 trifft der Laserstrahl 5A auf die Eintrittsoberfläche 103A unter einem Winkel β, der für die Materialbearbeitung gemäß 2(a) derart gewählt wurde, dass sich bei korrekter Justage der Bearbeitungsoptik 3 die gewünschte Bessel-Strahl-Fokuszone in der angestrebten Richtung (hierin als Soll-Achse 110 bezeichnet) ausbildet.
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Die in der Bearbeitungsoptik 3 vorgenommene Phasenaufprägung muss hierzu allerdings den Winkel β und die sich daraus ergebende astigmatische Störung berücksichtigen. Vorausgesetzt eine korrekte Justage und eine notwendige Vorkompensation liegen vor, erstreckt sich die gewünschte Bessel-Strahl-Fokuszone entlang der Soll-Achse 110 im Werkstück bzw. im Werkstück-Imitat 103. Die Fokuszone im Werkstück-Imitat 103 wird nachfolgend als Mess-Fokuszone 107 bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist das Werkstück-Imitat 103 hinsichtlich seiner Austrittsoberfläche 103B derart geformt, dass die Austrittsoberfläche 103B senkrecht zur Soll-Achse 110 verläuft. Ist dies der Fall und liegt eine korrekte Justage und eine notwendige Vorkompensation vor, tritt Laserstrahlung Bessel-Strahl-artig und ungestört aus dem Werkstück-Imitat 103 aus. Die aus dem Werkstück-Imitat 103 austretende Laserstrahlung wird hierin als Messlaserstrahlung 105 bezeichnet, die mit einer Abbildungseinheit 111 detektiert und zur Justage des Bearbeitungseinheit 3 und/oder zur Vermessung der ausgebildeten Fokuszone genutzt wird.
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Der in 3 gezeigte Strahlverlauf der Messlaserstrahlung 105 geht von einer korrekten Justage der Bearbeitungsoptik 3 aus. Nach dem Austritt aus dem Werkstück-Imitat 103 erkennt man in 3 einen sich entlang der Soll-Achse 110 aufweitenden Intensitätsring.
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Mit Blick auf die Justierung der Bearbeitungsoptik heben sich je nach Oberflächenform des Werkstück-Imitats die Aberrationskorrektur des strahlformenden Elements (der strahlformenden Optikeinheit 11) und die Aberrationen beim Eintritt in das Werkstück-Imitat 103 auf, sodass es nachlaufend (nach dem Austritt aus dem Werkstück-Imitat unter Annahme einer korrekten Justage) zur gewohnten Propagation eines Bessel-Strahls und zur Formung eines symmetrischen und homogenen Fernfeld(intensitäts)rings kommt.
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In der Abbildungseinheit 111 kann der Fernfeldring kann durch ein weiteres - beispielhaft in 3 als Linse 113 dargestelltes - Objektiv (z. B. ein Mikoskopobjektiv) kollimiert und mit einer Kamera 115 als Detektor aufgenommen werden. Linse 113 stellt beispielsweise ein Objektiv wie das Bearbeitungsobjektiv 13 dar, das zur Bearbeitung eingesetzt wird. Das Objektiv hat beispielsweise eine NA, die größer oder gleich der NA des Bearbeitungsobjektivs ist. Das Objektiv weist beispielsweise einen Arbeitsabstand auf, der größer ist als der zu vermessende Wirkbereich. Die Einstellung der Abbildungseinheit 111 zur Detektion der Messlaserstrahlung im Fernfeld entspricht einer ersten Einstellung zur Justage basierend auf einem erfassten transversalen Strahlprofil.
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Die Optikelemente der Bearbeitungsoptik 3 können nun justiert werden, wobei die Symmetrie und Homogenität des Fernfeldrings der Messlaserstrahlung 105 als Kriterium herangezogen werden kann.
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Zur Analyse der Messlaserstrahlung 105 weist die Vorrichtung 101 eine Abbildungseinheit 111 auf. Die Abbildungseinheit 111 umfasst eine Linse 113 und eine Kamera 115. Die Kamera 115 ist beispielsweise als Flächendetektor, insbesondere als CCD-Kamera, ausgebildet und ermöglicht die Aufnahme eines lateralen Strahlprofils (insbesondere ein wiederholtes Aufnehmen eines Bildes des Strahlprofils) im Fernfeld. Die Bildaufnahme erfolgt mit einem Detektor, der z. B. Intensitätsverteilungen der einfallenden Messlaserstrahlung 105 in einer Analyseebene/-fläche (gegeben durch die Detektoroberfläche 105) erfasst.
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Wie in 3 angedeutet ist der Abbildungseinheit 111 und insbesondere der Linse 113 eine Abbildungsachse 117 zugeordnet, die für die Analyse der Messlaserstrahlung 105 mit der Soll-Achse 110 des jeweiligen Werkstück-Imitats (weitgehend) übereinstimmen soll. In 3 verläuft die Abbildungsachse 117 durch die Mitte der Linse 113, orthogonal zu einer Linsenebene der Linse 113 und orthogonal zur Austrittsoberfläche 103B.
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Um die Ausrichtung von Soll-Achse 110 und Abbildungsachse 117 für unterschiedliche Werkstück-Imitate zu gewährleisten, kann beispielsweise ein Anschlag 121 vorgesehen werden, der eine Ebene senkrecht zur Abbildungsachse 117 definiert. Die Werkstück-Imitate können nun unter Verwendung des Anschlags 121 derart eingebaut werden, dass ihre Austrittsoberflächen 103B jeweils senkrecht zur Abbildungsachse 117 verlaufen. In anderen Worten kann das Werkstück-Imitat (sofern erforderlich) rein über mechanische Tolerierung in der Vorrichtung 101 verbaut werden. Nun können das Werkstück-Imitat 103 und die Abbildungseinheit 111 gemeinsam so ausgerichtet werden, dass der Laserstrahl 5A unter dem Winkel β am Auftreffpunkt 109 in das Werkstück-Imitat 103 eintritt.
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Die gesamte Vorrichtung kann ebenfalls über mechanische Anschläge zur Bearbeitungsoptik ausgerichtet werden. Zur Ausrichtung der gesamten Vorrichtung kann beispielsweise ferner anhand der Rohstrahlposition, welche zuvor senkrecht auf die Vorrichtung ausgerichtet wurde, eine Schwerpunktbestimmung mittels der in der Vorrichtung verbauten Kamera durchgeführt werden.
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Wie in 3 gezeigt ist der Detektor (die Kamera 115) strahlabwärts der Linse 113 angeordnet, sodass er das Fernfeld (bzw. leicht versetzt von einem möglichen Fokus 123 im Fernfeld, da der Fokus 123 selbst zu scharf/intensiv sein kann) als Ring mit einer gleichmäßigen/homogenen Intensität erfassen soll.
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Die Linse 113 kollimiert/fokussiert die divergent aus dem Werkstück-Imitat 103 austretende Messlaserstrahlung 105, sodass diese mit der Kamera 115 aufgenommen werden kann. In 3 ist ein Abstand d zwischen einer Detektoroberfläche 115A der Kamera 115 und der Linse 113 derart gewählt, dass die Messlaserstrahlung 105 außerhalb des Zwischenfokus 123 auf die Detektoroberfläche 115A trifft.
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Voraussetzungen für das Justieren der Bearbeitungsoptik 3 mithilfe der Vorrichtung 101 sind, dass die Abbildungseinheit 111 bezüglich der Soll-Achse 110 korrekt positioniert ist und das, für den Fall der Verwendung eines Werkstück-Imitats, die Eintrittsoberfläche des Werkstück-Imitats hinsichtlich der Bearbeitungsoptik 3, unter Annahme einer korrekten Justage, entsprechend dem zu bearbeitenden Werkstück ausgerichtet ist. Wie bereits erwähnt bewirkt Letzteres, dass bei einer korrekten Justage der Bearbeitungsoptik die Bessel-Strahl-Fokuszone im Werkstück-Imitat in ihrer Ausbreitungsrichtung und Form der beabsichtigten Bessel-Strahl-Fokuszone entspricht.
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Diese Voraussetzungen können zum Beispiel für einen spezifischen Anwendungsfall mit fest zueinander positionierten optischen Komponenten erreicht werden. Zumindest teilweise kann aber auch eine Einstellbarkeit der Positionen der optischen Komponenten zweckmäßig sein. Nachfolgend werden mehrere Aspekte der Einstellbarkeit beschrieben, die einzelnen oder gemeinsam genutzt werden können, um zum einen die Abbildungseinheit 111 und zum anderen das Werkstück-Imitat 103 in eine für die Justage vorgesehenen Lage hinsichtlich der Bearbeitungsoptik 3 zu bringen.
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Die Abbildungseinheit 111 kann eine oder mehrere Translationseinheiten umfassen. Beispielsweise ist eine Translationseinheit 125A (zz. B. axialer Verschiebetisch) zur Verschiebung der Linse 113, eine Translationseinheit 125B zur Verschiebung der Detektoroberfläche 115A bzw. der Kamera 115 und eine Translationseinheit 125C zur gemeinsamen Verschiebung von Linse 113 und Detektoroberfläche 115A bzw. Kamera 115 in 3 angedeutet. Die Translationseinheiten 173A bis 125C sind dabei bevorzugt derart ausgerichtet, dass die Verschiebung entlang der Abbildungsachse 117 und insbesondere bezüglich des Anschlags 121 erfolgt. Die Translation ist beispielhaft durch einen Translationspfeil 125' verdeutlicht.
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Beispielsweise kann die Translationseinheit 125A zur Einstellung eines Abstands zwischen der Linse 113 und dem Fokuszonen-Ausbildungsbereich 106 entlang der Abbildungsachse 117 ausgebildet sein. Insbesondere kann die Translationseinheit 125A zum Verfahren einer der Linse 113 zugeordneten Linsenfokusposition bezüglich der Bessel-Strahl-Fokuszone ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Translationseinheit 125B zur Einstellung eines Abstands zwischen der Linse 113 und der Detektoroberfläche 115A ausgebildet sein, um die Detektoroberfläche 115A außerhalb des Zwischenfokus 123 zu positionieren.
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Optional kann ferner mit einer Translationseinheit 125C der Abstand von Linse 113 und Detektoroberfläche 115A zum Fokuszone-Ausbildungsbereich 106 (bei montierten Werkstück-Imitaten der Abstand zur Austrittsoberfläche 103B) unter Beibehaltung einer Abbildungssituation zwischen Linse 113 und Detektoroberfläche 115A eingestellt werden. Die gemeinsame Verschiebung kann zum Einstellen des Durchmessers des Strahlprofils auf der Detektoroberfläche 115A dienen. Ferner ermöglicht sie es, die Mess-Fokuszone 107 in den Fokus der Linse 113 zu bringen, wenn eine Geometrie der Mess-Fokuszone vermessen werden soll.
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Ferner ist in 3 eine Rotationseinheit 131 angedeutet, die eine Ausrichtung der Abbildungseinheit 111, insbesondere der Soll-Achse 110/Abbildungsachse 117, zu einer Einfallsstrahlenachse 21 und damit eine Einstellung des Winkels β erlaubt. Die Rotation ist beispielhaft durch einen Rotationspfeil 131' verdeutlicht. Beispielhaft sind die optischen Komponenten der Abbildungseinheit 111 und der Anschlag 121 für das Werkstück-Imitat 103 auf einer gemeinsamen Bodenplatte 127 montiert.
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Überdies kann die gesamte Einheit aus Werkstück-Imitat und Abbildungseinheit 111 (optional inklusive der Rotation Einheit 131) entlang der Einfallsstrahlenachse 21 mit einer weiteren Translationseinheit 133 im Abstand bezüglich der Bearbeitungsoptik 3 einstellbar sein.
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Schließlich sind in 3 beispielhaft weitere Ausrichtungsanschläge 135A, 135B angedeutet, die an einer Werkstückhalterung der Laserbearbeitungsmaschine 1 vorgesehen werden können, um die Vorrichtung 101 bezüglich der Bearbeitungsoptik 3 zu positionieren. Hierbei beziehen sich die Anschläge 135A auf eine Positionierung der Vorrichtung 111 in Z-Richtung und die Anschläge 135B auf eine Positionierung der Vorrichtung 111 in X/Y-Richtung. Die Positionierung der Vorrichtung 111 in X/Y-Richtung richtet den Eintrittsbereich zur Soll-Strahlposition/-lage des aus der Bearbeitungsoptik 3 austretenden Laserstrahls 5A aus. Je nach Einstellbarkeit der verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 111 kann ferner eine Einstellbarkeit eines (oder mehreren) Ausrichtungsanschlags 135A, 135B in X-, Y- oder Z-Richtung vorgesehen werden.
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Zur Justage der Bearbeitungsoptik können mit der Kamera 115 aufgenommene Strahlprofile, wie sie an der Detektoroberfläche 115A (als Analyseebene) vorliegen, genutzt werden. Bevorzugt ist die Detektoroberfläche 115A senkrecht zur Abbildungsachse 117 ausgerichtet ist. Korrekturinformation zur Positionseinstellung der optischen Komponenten der Bearbeitungsoptik 3 kann durch visuelles oder automatisiertes Auswerten der Aufnahmen während eines manuellen oder automatisierten Einstellens der Positionen der optischen Elemente der Bearbeitungsoptik 3 erfolgen.
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4(a) zeigt eine Aufnahme 140 mit der Kamera 115 eines auf die Detektoroberfläche 115A auftreffenden Strahlprofils 141, wie es bei einer korrekten Justage vorliegt. Das Strahlprofil 141 ist rotationssymmetrisch und stellt einen homogenen Intensitätsring dar. Zur Vollständigkeit ist in 4(a) die Lage der Abbildungsachse 117 im Zentrum des Strahlprofils 141 angedeutet.
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Das Strahlprofil 141 stellt ein Ziel-Strahlprofil dar, dass durch entsprechendes Einstellen der Position der strahlformenden Optikeinheit 11 und der Fokussierlinseneinheit 13 erreicht werden soll.
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Sind die strahlformende Optikeinheit 11 oder die Fokussierlinseneinheit 13 nicht richtig in ihrer Position in der Bearbeitungsoptik 3 angeordnet, können sich Verformungen des Strahlprofils auf der Detektoroberfläche 115A ergeben. Die 4(b) bis 4(d) zeigen beispielhaft Strahlprofile, die eine Nachjustierung der strahlformenden Optikeinheit und/oder der Fokussierlinseneinheit erfordern.
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4(b) zeigt einen verformten, aber weitgehend hinsichtlich der Intensität homogenen Intensitätsring 143A. 4(c) zeigt einen symmetrischen Intensitätsring 143B, wobei die Intensitätsverteilung azimutal über den Ring variiert. 4(d) zeigt ein Strahlprofil, bei dem die Dicke eines ringförmigen Intensitätsbereichs 143C variiert.
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Durch Einstellen der Positionen der strahlformende Optikeinheit 11 und/oder der Fokussierlinseneinheit 13 mithilfe der Halterungen 15, 17 erfolgt eine Justage der Bearbeitungsoptik 103 mit dem Ziel ein wie in 4(a) dargestelltes Strahlprofil 141 auf der Detektoroberfläche 115A auszubilden.
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5 verdeutlicht den Einsatz eines Werkstück-Imitats 103' für die in 2(b) gezeigte Bearbeitungsgeometrie. Das Werkstück-Imitat 103' weist eine Eintrittsoberfläche 103A', die zumindest in einem Abschnitt151 eine in eine Richtung gekrümmten Fläche ist. Die Eintrittsoberfläche 3A' kann beispielsweise als eine Zylindermantelfläche ausgebildet sein. In 5 erkennt man die Krümmung in der schematischen Schnittdarstellung.
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Entsprechend wird sich der ringförmige Bearbeitungslaserstrahl 5A in Richtung der Krümmung anders im zu bearbeiten Werkstück und auch im Werkstück-Imitat 103' ausbreiten als in der Richtung, in der keine Krümmung vorliegt. Entsprechend wird die in der Bearbeitungsoptik 3 eingesetzte strahlformende Optikeinheit 11' eine Phasenaufprägung auf den Laserstrahl 5 vornehmen, die eine entsprechende Aberrationskorrektur vornimmt.
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Man erkennt an diesem Beispiel wiederum, dass neben einer Positionierung der Komponenten der strahlformenden Optikeinheit 11' auch deren korrekte Ausrichtung im Winkel um die optische Achse notwendig ist, um die strahlformende Optik 11' in Einklang mit der Ausrichtung des zu bearbeitenden Werkstücks zu bringen.
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Im Beispiel der 5 wird analog zur 2(b) die Mess-Fokuszone 107' orthogonal zu einer Tangentialebene ausgebildet. Entsprechend ist eine Austrittsoberfläche 103B' des Werkstück-Imitats 103' parallel zu dieser Tangentialebene. Hinsichtlich der Ausführung der Abbildungseinheit 111 sowie der optional möglichen Einstellbarkeit ihrer Komponenten wird auf die Beschreibung der 3 verwiesen.
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Die in 5 gezeigte Geometrie ist ein Beispiel für eine Bearbeitungsgeometrie, in der eine Soll-Achse einer Bessel-Strahl-Fokuszone orthogonal zu einer Tangentialebene verläuft, wobei die Tangentialebene an einem Auftreffpunkt der Eintrittsoberfläche, an dem der Bearbeitungslaserstrahl entlang der Einfallsstrahlenachse auf das Werkstück-Imitat trifft, bezüglich des zu bearbeitenden Werkstücks bzw. des Werkstück-Imitats aufgespannt wird.
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Der Fachmann wird erkennen, dass in einer Bearbeitungsgeometrie, in der die Soll-Achse einer Bessel-Strahl-Fokuszone nicht orthogonal zu einer Tangentialebene am Auftreffpunkt im zu bearbeitenden Werkstück bzw. im Werkstück-Imitat verläuft, weitergehende Phasenkorrekturen mit der strahlformende Optikeinheit vorgenommen werden müssen. Auch diese Phasenkorrekturen können bei entsprechend orthogonaler Ausrichtung der Austrittsoberfläche des Werkstück-Imitats bei der Justage berücksichtigt werden.
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6 zeigt, dass die Vorrichtung 101 auch zur Justage eine Bearbeitungsoptik mit einer strahlformende Optikeinheit eingesetzt werden kann, wenn beispielsweise eine planparallele Platte mit einer Bessel-Strahl-Fokuszone bearbeitet werden soll. Die Justage kann dabei mit oder ohne (planparallelem) Werkstück-Imitat 161 (gestrichelt dargestellt) vorgenommen werden.
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6 zeigt entsprechend, dass eine Eintrittsoberfläche 161A des Werkstück-Imitats 161 (zumindest) im Eintrittsbereich des Bearbeitungslaserstrahls 5A als plane Fläche ausgebildet ist. Bei dem angenommenen orthogonalen Verlauf der Einfallsstrahlenachse zur Eintrittsoberfläche verläuft die Austrittsoberfläche parallel zur Eintrittsoberfläche.
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7 verdeutlicht die Verwendung der Vorrichtung 101 bei der Vermessung einer Mess-Fokuszone am Beispiel des planparallelen Werkstück-Imitats 161 der 6. Die Vorrichtung 101 ermöglicht ein Abtasten des Intensitätsverlaufs in der Mess-Fokuszone 107 und damit beispielsweise die Bestimmung der tatsächlichen Länge der Bessel-Strahl-Fokuszone im Werkstück-Imitat/Werkstück durch ein Scannen der Abbildungseinheit 111 entlang der Abbildungsrichtung 117. In 7 stimmen die Abbildungsrichtung 117 und die Einfallsstrahlenachse 21 beispielhaft überein.
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Man erkennt (insbesondere im Vergleich mit 6), dass die Anordnung von Linse 113 und Kamera 115 in der Abbildungseinheit 111 einen größeren Abstand zwischen der Linse 113 und dem Werkstück-Imitat 161/der Mess-Fokuszone 107 zeigt. Entsprechend läuft die MessLaserstrahlung 105 auf der Detektoroberfläche 115A zusammen; man erkennt in 7, dass der Durchmesser der ringförmigen Intensitätsverteilung entlang der Abbildungsachse 117 zwischen Linse 113 und Kamera 115 abnimmt.
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In 7 ist der Detektor 115 im Fokus des zusammenlaufenden Mess-Laserstrahls positioniert.
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Die in 7 gezeigte Einstellung der Abbildungseinheit 111 zur Vermessung der Mess-Fokuszone 107 entspricht eine zweite Betriebseinstellung zur Überprüfung der Phasenaufprägung und der sich ergebenden Fokuszone für eine Phasenaufprägung mit dem strahlformenden Element. Beim Wechsel in diese zweite Betriebseinstellung können zur Positionierung von Linse 113 und Detektor 115 die in 3 erläuterten Translationseinheiten 125A bis 125B eingesetzt werden. Ausgehend von einer für die Justage des Bearbeitungskopfes 3 vorgenommenen Ausrichtung der Abbildungsachse 117 zur Einfallsstrahlenachse 21 ist üblicherweise keine Anpassung der Winkelstellung für die zweite Betriebseinstellung vorzunehmen.
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Um die optische Konfiguration der Abbildungseinheit 111 zum Abtasten der sich über einige 100 µm erstreckenden Mess-Fokuszone zu nutzen, kann beispielsweise die Translationseinheit 125C (siehe 3) zur gemeinsamen Verschiebung von Linse 113 und Detektor 115 entlang der Abbildungsachse 117 eingesetzt werden. Auf diese Weise kann z. B. ein Anfang 171A und ein Ende 171B der Mess-Fokuszone 107 bestimmt werden, um z. B. die genaue Lage und die Länge der Mess-Fokuszone 107 zu erfassen oder zu überprüfen.
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Der Fachmann wird erkennen, dass eine ähnliche Konfiguration der Abbildungseinheit 111 beispielsweise für die Vermessung von Mess-Fokuszonen wie den in den 3 und 5 gezeigten eingesetzt werden kann.
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Die 8 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm für die erste in Zusammenhang mit 3 erläuterte Betriebseinstellung und die zweite in Zusammenhang mit 7 erläuterte Betriebseinstellung der Vorrichtung 101.
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8 betrifft das Verfahren zum Justieren der Bearbeitungsoptik, wobei optional ein Verfahren zum Vermessen einer Fokuszone angehängt wird (oder eigenständig durchgeführt werden kann).
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In einem ersten Schritt 201 erfolgt ein Vorjustieren der Bearbeitungsoptik und der Vorrichtung, sodass ein Laserstrahl der Laserstrahlquelle eine Phasenaufprägung erfährt und von der Fokussierlinseneinheit als Bearbeitungslaserstrahl in einen Fokuszonen-Ausbildungsbereich entlang einer Einfallsstrahlenachse fokussiert wird. Wird ein Werkstück-Imitat verwendet, umfasst der Fokuszonen-Ausbildungsbereich das Werkstück-Imitat und die Fokussierung und Ausbildung der Mess-Fokuszone erfolgt im Werkstück-Imitat.
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Optional kann in einem Schritt 203 das Werkstück-Imitat derart ausgerichtet werden, dass der Bearbeitungslaserstrahl entlang einer der Vorrichtung zugeordneten Einfallsstrahlenachse einfällt und insbesondere unter einem Einfallswinkel β auf das Werkstück-Imitat auftrifft.
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In einem Schritt 205 wird ein Fernfeld einer, insbesondere aus dem Werkstück-Imitat austretenden, Messlaserstrahlung auf eine Analyseebene abgebildet. (Die Messlaserstrahlung entspricht der durch das Werkstück-Imitat getretenen Reststrahlung des Bearbeitungslaserstrahls.) Beispielsweise kann die hierin offenbarte Vorrichtung für eine Justage eine Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine verwendet werden, um das Fernfeld der Messlaserstrahlung auf die Analyseebene abzubilden.
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Unter Verwendung der Abbildung der Messlaserstrahlung auf die Analyseebene wird nun im Schritt 207 die Position der strahlformenden Optikeinheit und optional die Position der Fokussierlinseneinheit derart justiert (d. h. eingestellt und insbesondere deren Lagen ausgerichtet), dass sich ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Strahlprofil der Messlaserstrahlung in der Analyseebene ergibt.
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8 zeigt ferner einen Schritt 209 eines Verfahrens zum Vermessen einer Länge einer Mess-Fokuszone in einem Werkstück-Imitat, wobei die mit einer Laserbearbeitungsmaschine für eine Materialbearbeitung in einem Werkstück erzeugt werden soll.
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Wurde beispielsweise das Verfahren zur Justage mit den Schritten 201 bis 207 durchgeführt, kann die Mess-Fokuszone durch Fokussieren der, insbesondere aus dem Werkstück-Imitat austretenden, Messlaserstrahlung mit einer Linse auf eine Analyseebene unter Verschieben der Linse entlang der Soll-Richtung abgetastet werden. Dabei kann wiederum die hierin offenbarte Vorrichtung für eine Justage eine Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsmaschine auch zum Fokussieren der Messlaserstrahlung auf die Analyseebene verwendet werden (Schritt 211).
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Nachfolgend werden weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung zusammengefasst.
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Eine Vorrichtung (101) für eine Justage einer Bearbeitungsoptik (3) einer Laserbearbeitungsmaschine (1), wobei die Bearbeitungsoptik (3) einen Laserstrahl (5) in der Laserbearbeitungsmaschine (1) derart formt und fokussiert, dass ein Bearbeitungslaserstrahl (5A) eine voreingestellte Bessel-Strahl-Fokuszone (7) in einem zu bearbeitenden Werkstück (9) aberrationskorrigiert ausbilden kann, mit:
- einem Justage-Element (103), das eine Eintrittsoberfläche (103A) und eine plane Austrittsoberfläche (103B) aufweist, wobei
- - der Eintrittsoberfläche (103A) eine optional aberrationsverursachende Einfallsstrahlenachse (21) für den einfallenden Bearbeitungslaserstrahl (5A) zugeordnet ist,
- - der Einfallsstrahlenachse (21) eine durch das Justage-Element (103) verlaufende Soll-Achse (110) für die voreingestellte Bessel-Strahl-Fokuszone (7) zugeordnet ist und
- - die plane Austrittsoberfläche (103B) senkrecht zur Soll-Achse (110) ausgerichtet ist, und
- einer Abbildungseinheit (111), die eine Linse (113) und eine Kamera (115) aufweist, die bezüglich einer Abbildungsachse (117) ausgerichtet sind, wobei die Linse (113) zur Abbildung eines Messlaserstrahls (105), der aus dem Justage-Element (103) austritt, entlang der Abbildungsachse (117) auf eine Detektorfläche (115A) der Kamera (115) vorgesehen ist und die Abbildungsachse (117) senkrecht zur planen Austrittsoberfläche (103B) ausgerichtet ist.
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Dabei kann die Eintrittsoberfläche (103A) als plane Fläche ausgebildet sein, die mit der Austrittsoberfläche (103B) unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 45°, oder im Bereich von 0° bis 32°, insbesondere im Bereich von 10° bis 30° oder 10° bis 26° verläuft.
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Die Soll-Achse (110) kann zu einer Tangentialebene (T) an einem Auftreffpunkt (109) der Eintrittsoberfläche (103A), an dem der Bearbeitungslaserstrahl (5A) entlang der Einfallsstrahlenachse (21) auf das Justage-Element (103) trifft, orthogonal oder nicht orthogonal verlaufen. Die Einfallsstrahlenachse (21) kann optional unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 50° oder von 0° bis 45°, insbesondere im Bereich von 10° bis 30° oder von 20° bis 40°, zu einem Normalenvektor (N) der Tangentialebene (T) verlaufen.
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Ein System zur Justage einer Bearbeitungsoptik (3) in einer Laserbearbeitungsmaschine (1), wobei die Bearbeitungsoptik (3) zur Erzeugung einer voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone (7) in einem im Wesentlichen transparenten Werkstück (9) durch Aufprägung eines Phasenverlaufs auf einen Laserstrahl (5) ausgebildet ist, umfassend:
- die Laserbearbeitungsmaschine (1), die eine Laserstrahlquelle (2) zur Erzeugung des Laserstrahls (5) und die Bearbeitungsoptik (3) aufweist, und
- einer Vorrichtung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein Justage-Element (103) und eine Abbildungseinheit (111) umfasst,
- wobei die Bearbeitungsoptik (103) eine mit einer optionalen Aberrationskorrektur strahlformende Optikeinheit (11) und eine Fokussierlinseneinheit (13) aufweist,
- - wobei die Optikeinheit (11) für die Bearbeitung des Werkstücks (9), das eine Werkstückoberfläche (9A) aufweist, deren Geometrie der Geometrie einer Eintrittsoberfläche (103A) des Justage-Elements (103) entspricht, ausgebildet ist und
- - wobei die Optikeinheit (11) zusammen mit der Fokussierlinseneinheit (13) zur Strahlformung des Laserstrahls (5) in einen sich entlang einer Einfallsstrahlenachse (21) ausbreitenden Bearbeitungslaserstrahl (5A) eingerichtet ist, der zur Ausbildung der voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone (7) in dem zu bearbeitenden Werkstück (9) entlang einer Soll-Achse (110) führen kann, und
- - wobei die voreingestellte Bessel-Strahl-Fokuszone (7) sich ausgehend von einem Auftreffpunkt (109) auf der, insbesondere geneigten oder gekrümmten, Werkstückoberfläche (9A) in das zu bearbeitende Werkstück (9) entlang der Soll-Achse (110) aberrationskorrigiert hineinerstreckt, und
wobei
- die Laserbearbeitungsmaschine (1) ferner eine erste Halterung (15) umfasst, in der die Optikeinheit (11) bezüglich des Laserstrahls (5) lateral positionierbar gehalten wird, und
- das Justage-Element (103) der Vorrichtung (101) derart bezüglich der Bearbeitungsoptik (103) positioniert und ausgerichtet ist, dass ein Bearbeitungslaserstrahl (5A), der entlang der Einfallsstrahlenachse (21) auf das Justage-Element (103) anstelle des zu bearbeitenden Werkstücks (9) fällt, als Messlaserstrahl (105) aus dem Justage-Element (103) austritt, sodass ein Fernfeld des Messlaserstrahls (105) auf einer Detektorfläche der Vorrichtung (101) ausgebildet wird.
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Die Laserbearbeitungsmaschine (1) kann ferner eine zweite Halterung (17) umfassen, in der die Fokussierlinseneinheit (13) bezüglich der Optikeinheit (11) lateral positionierbar und optional in einer optischen Achse der Fokussierlinseneinheit (13) ausrichtbar gehalten wird.
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Die Optikeinheit (11) kann ein flächig ausgebildetes diffraktives optisches Element sein, das dazu ausgebildet ist, dem Laserstrahl (5) über ein Strahlprofil des Laserstrahls (5) eine Bessel-Strahl-formende Phase aufzuprägen.
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Eine Dicke des Justage-Elements (103) kann ausgehend von einem vorbestimmten Auftreffpunkt (109) der voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone (7) entlang der Soll-Achse (110) mindestens einer Länge der voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone (7) entsprechen.
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Verfahren zum Justieren einer Bearbeitungsoptik (3) in einer Laserbearbeitungsmaschine (1), wobei die Bearbeitungsoptik (3) eine strahlformende Optikeinheit (11) und eine Fokussierlinseneinheit (13) aufweist, wobei die Optikeinheit (11) im Strahlengang eines Laserstrahls (5) der Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer ersten Halterung (11A) positioniert ist und für eine Phasenaufprägung auf ein laterales Strahlprofil des Laserstrahls (5) ausgebildet ist, wobei optional die Phasenaufprägung einen Aberrationskorrektur-Phasenanteil aufweist, der zur Vorkompensation einer Aberration ausgebildet ist, die beim Eintritt in ein zu bearbeitendes Werkstück (9) an einer vorgegebenen Auftreffpunkt (109) unter einem vorgegebenen Einfallswinkel gegeben ist, sodass bei einer korrekten Justage der Bearbeitungsoptik (3) mit der Fokussierlinseneinheit (13) ein an einem vorgegebenen Auftreffpunkt (109) unter einem vorgegebenen Einfallswinkel auftreffender Bearbeitungslaserstrahl (5A) und im Werkstück (9) eine voreingestellte Bessel-Strahl-Fokuszone (7) erzeugt werden, und wobei eine Vorrichtung (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die ein Justage-Element (103) und eine Abbildungseinheit (111) umfasst, verwendet wird, mit den Schritten:
- Vorjustieren (Schritt 201) der Bearbeitungsoptik (3) und der Vorrichtung (101), sodass ein Laserstrahl (5) eine Phasenaufprägung erfährt und von der Fokussierlinseneinheit (13) auf das Justage-Element (103) als Bearbeitungslaserstrahl (5A) fokussiert wird,
- Ausrichten (Schritt 203) des Justage-Elements (103) derart, dass entsprechend des optional vorgesehenen Aberrationskorrektur-Phasenanteils der Bearbeitungslaserstrahl (5A) entlang einer Einfallsstrahlenachse (21) der Vorrichtung (101) auf das Justage-Element (103) auftrifft,
- Abbilden (Schritt 205) eines Fernfeldes eines aus dem Justage-Element (103) austretenden Messlaserstrahls (105) auf eine Analyseebene und
- Justieren (Schritt 207) der Position der Optikeinheit (11) und optional der Fokussierlinseneinheit (13) derart, dass sich ein im wesentlichen rotationssymmetrisches Strahlprofil (131) des Messlaserstrahls (105) in der Analyseebene ergibt.
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Im Rahmen der hierin offenbarten Konzepte kann die strahlformende Optikeinheit im Strahlengang des Laserstrahls positioniert und für eine Phasenaufprägung auf ein laterales Strahlprofil des Laserstrahls ausgebildet sein, wobei die Phasenaufprägung einen Aberrationskorrektur-Phasenanteil aufweist, der zur Vorkompensation einer Aberration ausgebildet ist, die der Laserstrahl beim Eintritt in das zu bearbeitende Werkstück oder das Justage-Element an einer vorgegebenen Anfangsposition unter einem vorgegebenen Einfallswinkel erfährt, sodass bei einer korrekten Justage der Bearbeitungsoptik durch Fokussieren des phasenaufgeprägten Laserstrahls in das Material an der vorgegebenen Anfangsposition unter dem vorgegebenen Einfallswinkel die gewünschte Bessel-Strahl-Fokuszone erzeugt wird und sich insbesondere ein Intensitätsring im Fernfeld auf der Detektorfläche ausbildet, der rotationssymmetrisch in Form und Intensität ist.
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In einigen Ausführungsformen kann die Soll-Achse einer Längsachse der gewünschten Bessel-Strahl-Fokuszone im justierten Zustand entsprechen.
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In einigen Ausführungsformen wird ein eigenständiges System aus Justage-Element und Objektiv und optional dem Detektor in einem Gehäuse oder auf einer Justageplatte gebildet.
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Ferner kann in die Justage noch die Abstimmung der Oberfläche auf den Beginn der Intensitätszone einbezogen werden. Beispielsweise kann ab der Oberfläche eine „Selbstheilung“ der bei der Ausbildung der Bessel-Strahl-Fokuszone erfolgen und die Aberrationskorrektur für den Beginn der Intensitätszone an der Oberfläche vorgesehen werden.
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Im Rahmen der hierin offenbarten Konzepte ist das Werkstück-Imitat (Justage-Element) optisch im Wellenlängenbereich des Laserstrahls (im Wesentlichen) transparent und weist bevorzugt optische Eigenschaften wie Brechungsindex und Transparenz auf, die mit dem zu bearbeitenden Werkstück vergleichbar sind. Beispielsweise besteht das Werkstück-Imitat aus einem Material mit einem refraktiven Brechungsindex, der in einem Wellenlängenspektrum des Laserstrahls mit einem refraktiven Brechungsindex des zu bearbeitenden Werkstücks vergleichbar ist. Ein refraktiver Brechungsindex des Materials des Werkstück-Imitats ist mit dem refraktiven Brechungsindex des zu bearbeitenden Werkstücks z. B. dann vergleichbar, wenn sich der refraktive Brechungsindex des Materials des Werkstück-Imitats vom refraktiven Brechungsindex des zu bearbeitenden Werkstücks im Wellenlängenspektrum des Laserlichts um z. B. weniger als 5% oder weniger als 10% unterscheidet.
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Ferner weist die Eintrittsoberfläche des Werkstück-Imitats eine Geometrie aufweist, die einer Geometrie einer Werkstückoberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks in einem Bereich der Oberfläche entspricht, durch den der Bearbeitungsstrahl in das Werkstück eintritt. Ferner kann eine Dicke des Werkstück-Imitats ausgehend von einem vorbestimmten Auftreffpunkt für eine Bessel-Strahl-Fokuszone entlang der Soll-Achse mindestens einer Länge der voreingestellten Bessel-Strahl-Fokuszone entsprechen.
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Optional kann zur Vereinfachung der Ausrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 5A auf des Werkstück-Imitat eine Markierung auf der Eintrittsoberfläche 103A vorgesehen werden. Diese markiert z. B. farnblich eine bevorzugte Position des Auftreffens des Bearbeitungslaserstrahls (z. B. den Auftreffpunkt 109 in 3). Bei einer dem späteren Bearbeitungsprozess entsprechenden Ausrichtung des Werkstück-Imitats zum Bearbeitungslaserstrahl und einem Auftreffen des Bearbeitungslaserstrahls auf diese markierte Position entspricht die Ausrichtung der Mess-Fokuszone - eine korrekter Justage des Bearbeitungskopfes vorausgesetzt - der Ausrichtung der für den Bearbeitungsprozess benötigten Bessel-Strahl-Fokuszone.
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Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 1216/079062 A1 [0002, 0037]
