DE102020119306A1

DE102020119306A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Härten eines transparenten Materials

Info

Publication number: DE102020119306A1
Application number: DE102020119306.8A
Authority: DE
Inventors: Marcel Schäfer; Felix Zimmermann
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-01-27
Also published as: EP4185559A1; CN116137858A; US20230150058A1; KR20230025887A; WO2022018006A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Härten eines transparenten Materials (1), insbesondere zum lokalisierten Härten der Oberfläche (10) des transparenten Materials (1), wobei mittels eines Laserstrahls (6) aus ultrakurzen Laserpulsen (66) eines Ultrakurzpulslasers eine Materialmodifikation (3) in oder auf das transparente Material (1) ein- oder aufgebracht wird, bevorzugt lokal ein- oder aufgebracht wird, um das transparente Material (1) zu härten, bevorzugt lokal zu härten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Härten eines transparenten Materials, insbesondere zum lokalisierten Härten der Oberfläche eines transparenten Materials.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass das Härten von Glas, beispielsweise für den Einsatz in Consumer-Electronics wie Smartphones, Smartwatches oder Tablets, eine besondere Herausforderung ist. So sollen die jeweiligen Displaygläser durch das Härten des Materials deutlich widerstandsfähiger gegen Kratzer und Stöße gemacht werden, als unbehandelte Gläser.
Bisher gibt es jedoch nur Verfahren, die eine globale Härtung des Materials für Displays erlauben und somit insbesondere keine lokale Härtung beispielsweise an besonders beanspruchten Bereichen ermöglichen. Beispielsweise sind faltbare Displays an der Biegestelle besonderen Belastungen ausgesetzt. Auch Displays mit rundgezogenen Seiten für rahmenlose Displays sind an den Biegestellen durch die gebogene Form besonderen Belastungen ausgesetzt.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbessertes Verfahren zum Härten eines transparenten Materials, insbesondere zum lokalen Härten der Oberfläche des transparenten Materials, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Härten eines transparenten Materials, insbesondere zum lokalen Härten der Oberfläche des transparenten Materials, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Härten eines transparenten Materials, insbesondere zum lokalen Härten der Oberfläche des transparenten Materials, vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird mittels eines Laserstrahls aus ultrakurzen Laserpulsen eines Ultrakurzpulslasers eine Materialmodifikation in oder auf das transparente Material ein- oder aufgebracht, bevorzugt lokal ein- oder aufgebracht, um das transparente Material zu härten, bevorzugt lokal zu härten.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse zur Verfügung. Ein Ultrakurzpulslaser stellt Laserpulse im Pikosekundenbereich oder Femtosekundenbereich bereit.
Der Laser kann auch Pulszüge, sogenannte Bursts, aus ultrakurzen Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei können insbesondere auch sogenannte GHz-Bursts vorgesehen sein, wobei die Repetitionsrate der einzelnen Laserpulse beispielsweise bis zu 1000 GHz groß ist.
Das transparente Material ist hierbei im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge des vom Ultrakurzpulslaser ausgesendeten Laserlichts. Im Wesentlichen transparent bedeutet dabei, dass mehr als 50%, beispielsweise mehr als 90% oder 95,5%, der auf das Material einfallenden Laserleistung durch das Material hindurch transmittiert wird. Dabei wird auch typischerweise ein kleiner Teil der Laserenergie, die nicht transmittiert wird, vom Material absorbiert. Diese absorbierte Laserenergie kann, sofern der Laserstrahl stark fokussiert ist, beispielsweise mittels einer Optik mit einer numerischen Apertur größer als 0,1, zu einer starken lokalen Erwärmung des transparenten Materials führen.
Die Ausdehnung des mit dem Laserstrahl in Wechselwirkung tretenden Bereichs, beziehungsweise des durch den Laserstrahl erwärmten Bereichs, ist dabei durch die Strahlgeometrie, insbesondere durch den Fokusdurchmesser des Laserstrahls und das Strahlprofil bestimmt, siehe unten.
Eine Materialmodifikation wird verstanden als eine im thermischen Gleichgewicht des transparenten Materials permanente Veränderung des transparenten Materials, beispielsweise der Netzwerkstruktur des Materials oder der (lokalen) Dichte des Materials, die ursächlich von der durch die direkte Lasereinstrahlung erzeugten lokalen Erwärmung und der nachfolgenden Abkühlung stammt.
Die Materialmodifikation in oder auf dem transparenten Material kann hierbei beispielsweise eine Modifikation der Struktur, insbesondere der kristallinen Struktur und/oder der amorphen Struktur und/oder der chemischen Struktur und/oder der mechanischen Struktur, des transparenten Materials sein. Die Materialmodifikation ist in dem Material vorgesehen, wenn sie im Wesentlichen in das Volumen des Materials eingebracht wird. Die Materialmodifikation ist hingegen auf dem Material vorgesehen, wenn die Materialmodifikation im Wesentlichen die Oberfläche des Materials modifiziert. Insbesondere kann eine Materialmodifikation aber sowohl in als auch auf das Material ein- oder aufgebracht werden, in Abhängigkeit von den Fokuseinstellungen und dem Strahlprofil des Laserstrahls.
Beispielsweise kann eine in ein amorphes Glasmaterial eingebrachte Materialmodifikation darin bestehen, dass das Glasmaterial nur in diesem Bereich eine kristalline Strukturkomponente erhält. Die lokale Erwärmung und eine rasche Abkühlung können hierbei zu einer Modifikation der Glasnetzstruktur führen, wodurch sich lokal die Dichte und die Härte des Materials ändert. Beispielsweise kann bei einem amorphen Glasmaterial lokal eine Änderung der Netzwerkstruktur, beispielsweise durch eine Änderung der Bindungswinkel- und Längen oder der Netzwerkstruktur, erreicht werden. Auf diese Weise kann eine lokale Änderung der Dichte und der Härte des Glasmaterials in diesem Bereich erreicht werden.
Eine Materialmodifikation kann auch die direkte Veränderung einer physikalischen Eigenschaft, beispielsweise der Festigkeit und/oder der Biegefestigkeit und/oder die Toleranz des Materials gegenüber Biegekräften und Scherkräften sowie Schub und Zugspannungen, sein.
Eine Materialmodifikation kann auch eine lokale Dichteänderung sein, die abhängig vom gewählten Material, insbesondere vom Glastyp, sein kann. Beispielsweise können durch Dichtevariationen im Material Spannungs- und Kompressionszonen entstehen, die eine höhere Materialhärte aufweisen als das unbehandelte Material.
Eine Materialmodifikation kann insbesondere auch entstehen, wenn die Laserpulse, beispielsweise mindestens zwei nacheinander eingebrachte Laserpulse, das Material lokal aufschmelzen. Die abgekühlte Schmelze kann dann eine Materialmodifikation umfassen und eine höhere oder niedrigere Materialhärte aufweisen. Letztendlich hängt die Art der Materialmodifikation von dem Material und den Laserparametern ab, so dass die Laserparameter materialspezifisch eingestellt werden können.
Wenn der zeitliche Abstand aufeinander folgender ultrakurzer Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit des Materials ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Material, hauptsächlich im Fokusbereich des Lasers. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann (lokal) erhöht werden, beispielsweise bis die Schmelztemperatur erreicht ist.
Um das Material im Fügebereich aufzuschmelzen, können beispielsweise zwischen 2 und 10 ultrakurze Laserpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht werden. Diese Mehrzahl an ultrakurzen Laserpulsen und/oder Bursts werden für die vorgesehene Materialbearbeitung räumlich betrachtet jeweils in einem Laserspot eingebracht, also in der räumlichen Ausdehnung des jeweiligen Fokusbereichs des Lasers im Material. Bei einem Gauß-förmigen Laserstrahl ist der Laserspot beispielsweise über die doppelte Strahltallie definiert.
Die Anzahl der an einem einzigen Ort eingebrachten Laserpulse wird als Pulsüberlapp bezeichnet. Der Pulsüberlapp kann als Maß der Wärmeakkumulation angesehen werden.
Findet beispielsweise kein Vorschub statt und werden alle Pulse am gleichen Ort des Materials eingetragen, ist der Pulsüberlapp maximal. Findet hingegen ein Vorschub zwischen Material und Laserspot statt, kann der Pulsüberlapp je nach Verhältnis aus Pulsfrequenz (Repetitionsrate) und Vorschubgeschwindigkeit absinken. Ist die Vorschubgeschwindigkeit zu hoch, findet keine Überlappung der Laserspots im Material mehr statt.
Die Anzahl an ultrakurzen Laserpulsen und/oder Bursts pro Ort im Material ist gegeben durch das Produkt aus Laserspotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG. Der Pulsüberlapp wird also beispielsweise gegeben durch SG * P / VG.
Eine Materialmodifikation kann dann durch eine Erwärmung und ein anschließendes schnelles Abkühlen eingebracht werden. Beispielsweise kann durch Abkühlraten in der Größenordnung von 10⁶ Kelvin pro Sekunde die fiktive Temperatur des Materials und so die Netzwerkstruktur verändert sein, so dass sich aufgrund der hohen Abkühlrate eine Materialmodifikation mit einer lokal vergrößerten bzw. verkleinerten Härte ausbildet.
Das Einbringen der Materialmodifikationen ist im Wesentlichen auf den Einwirkungsbereich der Laserpulse des Laserstrahls beschränkt, so dass das transparente Material lokal gehärtet wird. Die Härtung findet also im unmittelbaren Einwirkungsbereich der eingebrachten Laserpulse statt.
Mit anderen Worten wird unter einem lokalen Härten verstanden, dass nur ein flächenmäßiger oder räumlicher Bereich des transparenten Materials gezielt gehärtet wird, nicht hingegen das gesamte Material.
Entsprechend findet ein großflächiges oder ganzflächiges Einbringen einer Materialmodifikation nur dann statt, wenn Laserpulse an allen Orten der großflächig zu bearbeitenden Oberfläche eingebracht werden, was beispielsweise durch ein vollflächiges Abscannen der großflächig zu härtenden Oberfläche erreicht werden kann.
Mit anderen Worten kann ein globales oder flächiges oder bereichsweises Härten erfolgen, indem beispielsweise das transparente Material und der Laserstrahl relativ in dem zu härtenden Bereich zueinander verschoben werden, so dass in verschiedene Bereiche und Regionen des Materials Materialmodifikationen eingebracht werden können und in diesen Bereichen entsprechend eine lokale Härtung stattfindet.
Von der eigentlichen Materialmodifikation wird ein Materialmodifikationsbereich unterschieden, der den gesamten Bereich umfasst, in dem die veränderte Härte durch die Einwirkung der Laserpulse messbar sind. Dies ist insbesondere der Bereich, in dem das Material räumlich gesehen von der Materialmodifikation ausgehend wieder in den in den Ausgangszustand der unbehandelten Bereiche des Glasmaterials übergeht.
Das transparente Material kann ein Glas oder ein Polymer oder eine Keramik oder eine vorgespannte Variante der vorgenannten Materialien sein. Beispielsweise kann damit auch eine thermisch oder chemisch vorgespannte Variante der vorgenannten Materialien gemeint sein, beispielsweise ein thermisch oder chemisch vorgespanntes Glas oder vorgespannter Kunststoff.
Der für die Materialbearbeitung verwendete Laserstrahl kann ein Gauß-förmiger oder ein quasi nicht-beugender Laserstrahl sein, der ein entsprechendes Strahlprofil aufweist.
Das Strahlprofil des Laserstrahls kann dabei beispielsweise über einen longitudinalen Strahlquerschnitt entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und über einen lateralen Strahlquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beschrieben werden.
Ein Gauß-förmiges Strahlprofil bedeutet, dass der Laserstrahl sowohl eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung entlang seines longitudinalen Strahlquerschnitts, also entlang der Ausbreitungsrichtung, als auch eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung entlang seines lateralen Strahlquerschnitts, also senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, aufweist. Gauß-förmige Strahlen werden typischerweise durch die natürlichen Grundmoden des Lasers bereitgestellt, wodurch die Pulse eines Ultrakurzpulslasers zunächst ohne prinzipielle Modifikation des Strahlprofils genutzt werden können.
Die laterale Fokuszone d^GF ₀ eines Gauß-förmigen Strahls, der Gaußfokus, beziehungsweise der Durchmesser des Gauß‘schen Strahls oder des Gaußprofils, ist einerseits festgelegt über die zweiten Momente beziehungsweise die Varianz der Gaußkurve. Andererseits ist die longitudinale Fokuszone d^GF ₀ festgelegt durch die zugehörige charakteristische Länge, die Rayleighlänge z_R=π(d^GF ₀)²/4λ, als die Distanz ausgehend von der Fokusposition, bei der der Strahlquerschnitt um den Faktor 2 zugenommen hat.
Der Laserstrahl kann aber auch ein quasi nicht-beugender Strahl sein. Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung: $\nabla^{2} U (x,y,z) + k^{2} U (x,y,z) = 0$
und weisen eine klare Separierbarkeit in eine transversale und eine longitudinale Abhängigkeit der Form $U (x,y,z) = U_{t} (x,y) exp ({ik}_{z} z)$
auf. Hierbei ist k=ω/c der Wellenvektor mit seinen transversalen und longitudinalen Komponenten k²=k_z ²+k_t ² und Ut(x,y) eine beliebige komplexwertige Amplitudenfunktion, die nur von den transversalen Koordinaten x,y abhängt. Die z-Abhängigkeit in Strahlausbreitungsrichtung in U(x,y,z) führt zu einer reinen Phasenmodulation, so dass die zugehörige Intensität I der Lösung propagationsinvariant beziehungsweise nicht-beugend ist: ${| (x,y,z) = | U (x,y,z) |}^{2} = I (x,y,0) .$
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.
Experimentell lassen sich eine Vielzahl von nicht-beugenden Strahlen in guter Näherung, also quasi nicht-beugende Strahlen, realisieren. Diese führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, nur eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist die Länge L der Propagationsinvarianz dieser quasi nicht-beugenden Strahlen.
Fernerhin definieren wir als transversale Fokuszone beziehungsweise als Durchmesser des Strahlprofils bei quasi nicht-beugenden Strahlen d^ND ₀ die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima.
Die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls an. Diese ist definiert über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung, also in Propagationsrichtung.
Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für d^ND ₀≈d^GF ₀, also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise wenn L>10z_R.
Als Untermenge der quasi nicht-beugenden Strahlen sind quasi-Besselstrahlen oder Besselähnliche Strahlen, hier auch Besselstrahlen genannt, bekannt. Hierbei gehorcht die transversale Feldverteilung Ut(x,y) in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine weitere Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die Bessel-Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugung weit verbreitet sind. So erlaubt die Beleuchtung eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gaußstrahl die Formung des Bessel-Gauß-Strahls. Die zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0, die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist.
Dadurch kann eine deutlich größere Fokuslagentoleranz beim Bearbeiten des Materials erreicht werden. Somit wird beispielsweise der Einfluss lokaler Welligkeiten des Glases und der Fokusjustage reduziert. Zudem wird dadurch ermöglicht, dass das Material auch homogen über die Schichtdicke gehärtet oder bearbeitet werden kann. Insgesamt kann durch die Verwendung quasi nicht-beugender Strahlen die Prozesssicherheit erhöht werden, da das Verfahren somit tolerant gegenüber möglichen Fehlerquellen ist.
Typische Bessel-Gauß Strahlen, die zum Härten verwendet werden können, weisen beispielsweise Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von d^ND ₀=2,5 µm auf. Ein Gaußfokus mit d^ND ₀≈d^GF ₀=2,5 µm zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich z_R≈5µm bei λ=1µm aus. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen kann sogar L>>10z_R gelten.
Bevorzugt wird der Laserstrahl mittels einer Optik fokussiert und der Fokusbereich wird außerhalb des transparenten Materials in einem Abstand von weniger als der 100-fachen, insbesondere weniger als der 10-fachen charakteristischen Länge zur Oberfläche des transparenten Materials angeordnet.
Das hat den Vorteil, dass über eine Kontrolle des Fokus und der Pulsenergie sowohl das Material gehärtet werden kann als auch dass die Oberfläche des Materials verändert werden kann. Insbesondere kann hierbei eine fast spannungsfreie Oberflächenmodifikation erzeugt werden.
Die charakteristische Länge kann im Falle von Gauß-förmigen Strahlen verstanden werden als die Rayleigh-Länge des fokussierten Strahls. Die Rayleigh-Länge ist definiert als die Distanz entlang der Strahlachse, über der sich die Strahlquerschnittsfläche, ausgehend von der Strahlquerschnittsfläche im Fokus, die sogenannte Strahltaille, verdoppelt. Insbesondere kann das bedeuten, dass sich der Radius des Strahls um den Faktor 2^1/2 vergrößert.
Beispielsweise kann die Strahltaille im Fokus 1µm betragen. Dann beträgt die Strahlquerschnittsfläche im Fokus etwa 3,14µm². Nach der charakteristischen Länge, hier der Rayleigh-Länge, beträgt der die Strahlquerschnittsfläche 6,28µm², ist also doppelt so groß. Für Gauß-förmige Strahlen kann die charakteristische Länge bei einer Wellenlänge von 1µm beispielsweise etwa 6µm betragen. Für andere Strahlformen können sich andere Werte für die charakteristische Länge ergeben.
Die charakteristische Länge kann allgemein, also insbesondere auch bei Gauß-Bessel-ähnlichen oder Bessel-ähnlichen Strahlen, oder auch anders geformten Strahlen, auch verstanden werden als die Distanz entlang der Ausbreitungsrichtung - also entlang des longitudinalen Strahlquerschnitts - nach der sich die Intensität des Strahls, ausgehend vom zentralen Intensitätshauptmaximum im Fokusbereich, halbiert hat.
Hierin werden die Begriffe des Fokus und des Fokusbereichs synonym benutzt, wobei der Fokus bei Gauß-förmigen Strahlen klar definiert ist, bei Bessel-ähnlichen Strahlen und Gauß-Bessel-ähnlichen Strahlen hingegen ein in longitudinaler Richtung eher ausgedehnter Fokusbereich vorliegt, der durch das Intensitätshauptmaximum gegeben ist.
Der Abstand des Fokusbereichs zur Oberfläche ist gegeben durch den Abstand entlang der Strahlachse zwischen der Oberfläche und der Strahlquerschnittsfläche im Fokusbereich. Insbesondere ist der Abstand somit unabhängig vom Einfallswinkel des Laserstrahls auf die Oberfläche und endlicher Ausdehnungen der Strahlquerschnittsfläche oder Oberflächenrauigkeiten oder Krümmungen.
Der Fokusbereich und somit das Intensitätsmaximum des Laserstrahls können sich, wie oben beschrieben, komplett oberhalb der Oberfläche und damit außerhalb des transparenten Materials befinden. Somit wird von der Oberfläche in Strahlrichtung ein immer schwächer werdender Laserstrahl ins Material eingebracht, wobei die meiste Intensität des Laserstrahls direkt an der Oberfläche des transparenten Materials absorbiert wird.
Durch die oberflächennahe Absorption des Laserlichts wird das transparente Material dominant an der Oberfläche modifiziert und damit gehärtet. Die Härte an der Oberfläche ist insbesondere im Vergleich zu den nicht bestrahlten Bereichen und bezüglich der Volumenbereiche in der Tiefe des Materials, in welchen eine Absorption nicht oder gegenüber den Oberflächenbereichen nur reduziert stattfindet, dominant.
Beispielsweise kann die Oberfläche des transparenten Materials durch die Laserstrahlung stark erwärmt werden, wobei die weiter unten liegenden Schichten weniger oder lediglich leicht erwärmt werden. Beispielsweise kann sich in den weiter unten liegenden, leicht erwärmten Schichten eine Materialspannung aufbauen, etwa weil sich die Dichte des Materials durch den Erwärmungsprozess verändert. Die Modifikation der Materialdichte kann aber umso stärker sein, je stärker das Material erwärmt ist. Insbesondere kann die Materialdichte maximal an der Oberfläche modifiziert sein. An der Oberfläche kann sich das Material beispielsweise ungehindert ausdehnen, da dort das transparente Material keine Widerstandskraft, beispielsweise durch eine Glasnetzstruktur oder eine Materialmatrix, erfährt. Dementsprechend kann sich das erwärmte Material in Richtung der Oberfläche ebenfalls ausdehnen.
Durch das lokale Einbringen der Wärme mit den ultrakurzen Laserpulsen folgt nach dem Einbringen eine rasche Abkühlung des Materials, da nach dem Einbringen der mehreren Laserpulse kein Laserpuls mehr das Material erwärmt und verschiedene, materialspezifische Wärmetransportmechanismen, insbesondere Wärmediffusion, die eingebrachte Energie von der Einstrahlungsstelle wegtransportieren. Durch die rasche Abkühlung kann sich beispielsweise die lokale Dichte und somit Härte des Materials ändern. So kann insbesondere die Netzwerkstruktur des Materials modifiziert werden und eine Änderung der fiktiven Temperatur des Glases bewirkt werden. Dadurch kann sich insbesondere eine annähernd spannungsfreie Modifikation der Oberfläche ergeben, die eine veränderte Härte aufweist.
Durch die Modifikation der Oberfläche kann auch der optische Eindruck geändert werden, beispielsweise können durch das Verfahren die Transmissions- und Reflexionseigenschaften des Materials verändert werden. Beispielsweise kann bei Transmission von Licht durch das Glas eine diffuse Streuung erreicht werden, bzw. bei Reflexion am Material eine diffuse Reflexion.
Es ist auch möglich, durch die Verwendung eines elongierten Strahlprofils, beispielsweise eines Bessel-ähnlichen Strahlprofils, eine Härtung des Materials von der Oberfläche in das Volumen des Materials hinein vorzunehmen.
Der Laserstrahl kann auch mittels einer Optik fokussiert werden und der Fokusbereich kann im transparenten Material oder auf der Oberfläche des transparenten Materials angeordnet werden.
Das hat den Vorteil, dass über eine Veränderung der Lage des Fokusbereichs und der Pulsenergie des Ultrakurzpulslasers sowohl das Material gehärtet werden kann als auch die Oberfläche und Teile des Volumens des Materials verändert werden können. Durch Wahl der Fokusposition ist es ferner möglich zu bestimmen, ob primär die Oberfläche oder das Volumen des Materials gehärtet werden soll.
Wenn der Fokusbereich im transparenten Material liegt, dann bedeutet dies, dass der Fokusbereich unterhalb der Oberfläche liegt. Wenn der Fokusbereich auf der Oberfläche liegt, dann bedeutet dies, dass der Abstand zwischen dem Fokusbereich und der Oberfläche genau null ist.
Indem der Fokus im transparenten Material beziehungsweise unterhalb dessen Oberfläche liegt, wird ein Teil der Laserenergie in das transparente Material eingebracht. Hierdurch wird das transparente Material lokal unterhalb der Oberfläche erwärmt und/oder aufgeschmolzen sofern die Schmelztemperatur des Materials beispielsweise durch sukzessive Wärmeakkumulation überschritten wird. Die Wärmeakkumulation kann durch einen Burst des Lasers oder durch das Einbringen mehrere Einzellaserpulse erreicht werden, sofern die Repetitionsrate größer als die Wärmediffusionszeit ist. Dadurch erhöht sich die Temperatur von Laserpuls zu Laserpuls. Durch die Erwärmung mittels ultrakurzer Laserpulsen und einer darauffolgenden raschen Abkühlung kann eine Änderung der Netzwerkstruktur, der Dichte und eine Änderung der Härte des transparenten Materials bewirkt werden, die umso größer ist, je größer die Erwärmung ist.
Beispielsweise kann sich das transparente Material, welches im Fokus des Laserstrahls erwärmt wird, stark ausdehnen, insbesondere radial ausdehnen. Die vom Fokus beabstandeten, lediglich leicht erwärmten Regionen des transparenten Materials dehnen sich hingegen nur leicht aus. Somit kann eine radial vom Fokus aus verlaufende Materialspannung entstehen, woraus insbesondere eine veränderte Materialhärte resultieren kann.
Ist die Materialspannung klein im Vergleich zu den im transparenten Material wirkenden Bindungskräften, so kann es beim Abkühlvorgang zur Ausbildung einer Materialmodifikation kommen, die eine größere Härte als die nicht erwärmten Bereiche aufweist. Dies kann insbesondere dort der Fall sein, wo sich die Materialspannung in das nicht bestrahlte Material ausdehnt und dort beispielsweise zu einer lokalen Kompression der Materialbestandteile führt.
Wenn der Fokus genau auf der Oberfläche liegt, gelten obige Beschreibungen analog.
Um die Bearbeitung über den gesamten lokal zu bearbeitenden Bereich des transparenten Materials konstant halten zu können, wird bevorzugt der Abstand des Fokusbereichs zu der Oberfläche des transparenten Materials automatisch konstant gehalten.
Der zeitliche Abstand der ultrakurzen Laserpulse ist bevorzugt kürzer als die Wärmediffusionszeit des transparenten Materials. Dies gilt sowohl für das Einbringen mehrerer einzelner Laserpulse als auch für den zeitlichen Abstand der Laserpulse innerhalb eines Bursts. Bevorzugt ist der Abstand der mindestens zwei Pulse zwischen 10µs und 1ps lang, besonders bevorzugt zwischen 1µs und 50ps lang. Der Pulsüberlapp der ultrakurzen Laserpulse ist im Allgemeinen größer als 1, insbesondere zwischen 10 und 1000 Pulsen pro Laserspot. Es können auch mehrere ultrakurze Laserpulse in einem Pulszug abgegeben werden. Der zeitliche Abstand der Pulszüge kann größer als 100 ns sein, insbesondere größer als 1µs sein.
Die Laserpulse können einzeln oder in Pulszügen in das Material eingebracht werden. Pulszüge sind eine zeitliche Gruppierung von Laserpulsen, beispielsweise von 10 Laserpulsen, in einem ersten bestimmten zeitlichen Abstand. Die dadurch entstehende Pulssequenz wiederholt sich nach einem zweiten zeitlichen Abstand. Insbesondere können die Pulszüge auch sogenannte Bursts umfassen, wobei eine bestimmte mittlere Laserenergie auf eine Vielzahl von Pulsen aufgeteilt wird, und so der Bearbeitungsprozess einer höheren Kontrolle unterliegt.
Treffen im zeitlichen Abstand nacheinander ankommende Pulse auf denselben Ort im Volumen, so lässt sich die Temperatur an diesem Ort steigern. Dies setzt allerdings voraus, dass die nacheinander in das Material eingebrachten Laserpulse das Material schneller erhitzen, als die Temperatur durch Wärmetransportprozesse wieder in die umgebenden Materialbereiche und die Umgebung abgegeben wird. In diesem Falle spricht man von einer lokalen Wärmeakkumulation.
Durch die Wärmeakkumulation ist es möglich, eine größere Wärme in einem Punkt des Materials zu erzeugen, als dies durch einen einzigen Laserpuls möglich wäre.
Beispielsweise kann zum Einbringen einer Materialmodifikation der zeitliche Pulsabstand zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen kleiner als die Wärmediffusionszeit TD des Materials sein. Es ist aber auch möglich, den zeitlichen Pulsabstand länger als TD zu wählen, beispielsweise T0 < 5*TD oder T0 < 10µs oder T0 > 1ps. Dies liegt darin begründet, dass es zur Wärmeakkumulation nur notwendig ist, dass noch Restwärme vom vorherigen Laserpuls im Material befindlich ist. Grund sind hierfür z.B. Inkubations- oder nichtlineare (Material)Effekte, die die Prozessgrenze beeinflussen.
Insbesondere kann die Wärmeakkumulation dazu führen, dass das Material lokal aufgeschmolzen wird.
Der Pulsüberlapp kann verstanden werden als die Anzahl pro Materialmodifikation eingebrachten Laserpulsen. Ist der Pulsüberlapp 1, dann wird die Materialmodifikation durch einen Laserpuls eingebracht. Werden hingegen Pulszüge, bestehend aus mehreren Laserpulsen, beispielsweise 10 Laserpulsen, auf das Material abgegeben, dann kann der Pulsüberlapp beispielsweise 10 sein. Die Pulszüge können aber auch aus deutlich mehr Laserpulsen bestehen. Insbesondere kann der Pulsüberlapp zwischen 10 und 1000 betragen.
Wird das Material während der Bearbeitung relativ zum eintreffenden Laserstrahl verschoben, dann treffen nicht alle Pulse auf dieselbe Stelle im Material, sondern aufeinander folgende Pulse erreichen das Material mit einem leichten Ortsversatz. Dadurch ist es möglich, dass eine Materialmodifikation dann beispielsweise im Mittel auch aus einer rationalen Anzahl an Pulsen erzeugt werden kann. Beispielsweise kann eine Materialmodifikation von 1,5 Pulsen oder 8,3 Pulsen eingebracht werden.
Der Laserstrahl und das transparente Material können relativ zueinander mit einem Vorschub bewegt werden.
Beispielsweise kann eine Vorschubvorrichtung, etwa ein XY Tisch, ein XYZ Tisch oder ein Scannersystem, auf dem das transparente Material für die Bearbeitung montiert ist, entlang der X-, Y- und Z-Achsen mit einem Vorschub entlang der Vorschubtrajektorie bewegt werden.
Eine Vorschubvorrichtung kann aber auch ein elektronisch ansteuerbarer akusto-optischer Deflektor sein, um die Laserpulse schnell abzulenken und um eine Fläche effizient zu bearbeiten.
Bei einem akustooptischen Deflektor wird über eine Wechselspannung an einem Piezokristall in einem optisch angrenzenden Material eine akustische Welle erzeugt, die den Brechungsindex des optischen Materials periodisch moduliert. Die Welle kann hierbei durch das optische Material propagieren, oder als stehende Welle ausgebildet sein. Durch die periodische Modulation des Brechungsindex wird hierbei ein Beugungsgitter für einen einfallenden Laserstrahl realisiert.
Ein einfallender Laserstrahl wird somit an dem Beugungsgitter gebeugt und dadurch zumindest teilweise unter einem Winkel α zu seiner ursprünglichen Strahlausbreitungsrichtung abgelenkt. Insbesondere wird der Laserstrahl durch den Winkelversatz in eine Richtung senkrecht zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ausgelenkt. Die Gitterkonstante des Beugungsgitters und somit der Winkel α hängen dabei unter anderem von der Wellenlänge bzw. der Periodizität der stehenden Gitterschwingung ab bzw. von der Frequenz der angelegten Wechselspannung. Beispielsweise wird durch eine akustische Welle mit einer kleinen Wellenlänge ein großer Winkelversatz für die erste Beugungsordnung erzielt.
Insbesondere kann damit eine schnelle Strahlablenkung realisiert werden, wobei der Laserstrahl mit einer Rate von bis zu 1 MHz in dem Arbeitsfeld der akustooptischen Deflektoren-Einheit frei positioniert werden kann. Typischerweise basiert eine entsprechende Steuervorrichtung für einen akusto-optischen Deflektor daher auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) mit schnell angebundenen Speichern.
Beispielsweise kann das Material mit dem Vorschub bewegt werden, während der Ultrakurzpulslaser ultrakurze Laserpulse bereitstellt. Dadurch werden die ultrakurzen Laserpulse an verschiedenen Stellen entlang der Vorschubtrajektorie in das Material eingebracht.
Die Vorschiebevorrichtung kann das Material auch relativ zur Strahlachse drehen. Somit können beispielsweise Laserpulse entlang runder oder gebogener Vorschubtrajektorien in das Material eingebracht werden. Prinzipiell sind auch Rotationsbewegungen um beispielsweise alle Eulerwinkel möglich, so dass auch die abgerundeten Kanten eines Materials vom Laser unter orthogonalem Strahleinfall gehärtet werden können.
Vorschub ermöglicht die Prozessgeschwindigkeit zu erhöhen. In Kombination mit einem geeigneten Pulsüberlapp ist es weiterhin möglich das Material homogen zu härten.
Der Laserstrahl kann mindestens eine Stelle des transparenten Materials mehrfach überstreichen.
Das hat den Vorteil, dass das Material sukzessiv gehärtet werden kann und beispielsweise an einen gewünschten Härtegrad angepasst werden kann.
Überstreichen kann bedeuten, dass mehrere Laserpulse exakt auf dieselbe Stelle im transparenten Material abgegeben werden. Die Vorschubtrajektorie kann aber auch mehrfach abgefahren werden, wobei es nicht darauf ankommt, wo genau auf der Trajektorie die einzelnen Laserpulse eingebracht werden. Es kann auch sein, dass bei einer einzelnen Überfahrt der Vorschubtrajektorie mehrere Pulse hintereinander in derselbe Stelle ins Material eingebracht werden. Es kann aber auch sein, dass mehrere Laserpulse an denselben Stellen aber bei verschiedenen Überfahrten entlang der Vorschubtrajektorie eingebracht werden.
Der Laserstrahl kann in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Lasers erhöht werden kann und somit auch die Prozessgeschwindigkeit insgesamt erhöht werden kann.
Eine Strahlteileroptik kann hierbei Optikelemente enthalten, die den Laserstrahl teilen, sowie Optikelemente, die alle resultierenden Teilstrahlen zum Einbringen einer Materialmodifikation auf das transparente Material lenken und/oder fokussieren. Beispielsweise kann durch einen 50/50 Strahlteiler die erste Hälfte der Energie des Laserpulses direkt auf das transparente Material gelenkt werden. Die zweite Hälfte der Energie kann über einen Strahlteiler auf das transparente Material gelenkt werden. Somit kann ein Laserpuls mehrere Materialmodifikationen erzeugen und damit das Verfahren des lokalen Härtens von Bereichen des transparenten Materials beschleunigen.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Härten eines transparenten Materials, insbesondere zum lokalen Härten der Oberfläche des transparenten Materialmit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Härten eines transparenten Materials, insbesondere zum lokalen Härten der Oberfläche des transparenten Materials, vorgeschlagen, umfassend einen Ultrakurzpulslaser und eine Fokussieroptik. Erfindungsgemäß fokussiert die Fokussieroptik den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers in oder auf die Oberfläche des transparenten Materials oder über die Oberfläche des transparenten Materials, wobei die Distanz zwischen Oberfläche und Fokus kleiner als das 100-fache, bevorzugt kleiner als das 10-fache der charakteristischen Länge ist.
Der Laserstrahl kann beim Einbringen in das Material ein Gauß-förmiges Strahlprofil oder das Strahlprofil eines quasi nicht-beugender Strahls aufweisen und/oder der Abstand der ultrakurzen Laserpulse kann kürzer als die Wärmediffusionszeit des transparenten Materials sein, bevorzugt zwischen 10µs und 1 ps groß sein, besonders bevorzugt zwischen 1µs und 50ps groß sein und/oder der Pulsüberlapp der ultrakurzen Laserpulse kann größer als 1 sein und/oder mehrere ultrakurze Laserpulse können in einem Pulszug abgegeben werden und/oder der zeitliche Abstand der Pulszüge kann größer als 100ns, insbesondere größer als 1µs, sein.
Eine Vorschubvorrichtung kann den Laserstrahl und das transparente Material relativ zueinander mit einem Vorschub bewegen und ein Abstandssensor mit Rückkopplungseinheit kann den Abstand des Fokus des Lasers relativ zur Oberfläche des transparenten Materials konstant halten.
Beispielsweise kann ein Abstandssensor den Abstand zwischen dem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf das Material und einem beliebigen Referenzpunkt halten. Beispielsweise können Referenzpunkte durch die Punkte einer vorgegebenen Vorschubtrajektorie gegeben sein. Eine Rückkopplungseinheit kann beispielsweise ein System sein, welches die Abweichung des Auftreffpunktes vom Referenzpunkt misst und die Abweichung entsprechend ausgleicht. Beispielsweise kann es durch eine Schieflage des transparenten Materials sein, dass entlang einer Vorschubrichtung die Höhenlage des Materials angepasst werden muss, während entlang einer anderen Vorschubrichtung keine Anpassung nötig ist.
Dies hat den Vorteil, dass die eine fehlerhafte Positionierung des Materials durch das System kompensiert werden kann.
Die Vorschubvorrichtung kann ein Laserscanner oder ein akusto-optischer Deflektor sein, oder ein Laserscanner oder ein akusto-optischer Deflektor kann den Laserstrahl zusätzlich zu einer Vorschubvorrichtung bewegen.
Dadurch wird ermöglicht, dass der eine Laserstrahl oszillierend in der Zeit über das Material bewegt werden kann.
Die Vorschubvorrichtung kann beispielsweise ein XYZ Tisch sein, der mit einer Piezoansteuerung versehen sein kann. Mit dem akusto-optischen Modulator ist es möglich, den Laserstrahl oszillierend und in der Zeit abzulenken. Auch mit einem Laserscanner, wie beispielsweise einem Galvano-Scanner oder einem Resonanzscanner, ist es möglich den Laserstrahl hochdynamisch zu versetzen.
Eine Strahlformoptik kann aus einem Gauß-förmigen Laserstrahl vor dem Einbringen in das Material einen Gauß-Bessel-ähnlichen oder Bessel-ähnlichen Strahl erzeugen und/oder eine Strahlteilervorrichtung kann den Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen teilen.
Die Strahlformoptik kann insbesondere ein Axicon oder ein diffraktives optisches Element sein, welches dem einfallenden Laserstrahl ein Gauß-Bessel-ähnliches oder Bessel-ähnliches Strahlprofil aufprägt. Dadurch können die Strahleigenschaften in besonders vorteilhafter Art und Weise modifiziert werden.
Eine Strahlteilervorrichtung hat den Vorteil, dass die Prozessgeschwindigkeit erhöht werden kann, wie oben dargestellt.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 A, B eine schematische Darstellung der Strahlgeometrie,
2 A, B eine schematische Darstellung des Härteverfahrens,
3 A, B, C eine weitere schematische Darstellung des Härteverfahren,
4 A, B, C, D eine schematische Darstellung zur lokalen, bereichsweisen und globalen Härtung des Materials;
5 verschiedene Strahlprofile; und
6 ein Aufbau zur Strahlteilung und zum Durchführen des Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1A ist schematisch ein fokussierter Gauß-förmiger Laserstrahl 6 eines Ultrakurzpulslasers gezeigt. Der Laserstrahl kann aber auch ein quasi nicht-beugender Strahl sein (nicht gezeigt).
Entlang der Strahlachse 62 laufen die vom Ultrakurzpulslaser bereitgestellten ultrakurzen Laserpulse 66 und bilden entsprechend den Laserstrahl 6 aus. Beispielsweise werden die Laserpulse 66 vom Ultrakurzpulslaser in Pulszügen und/oder Bursts ausgegeben, so dass jeder Pulszug mehrere ultrakurze Laserpulse 66 umfasst.
Durch die Fokussierung nimmt der Strahldurchmesser der Laserstrahls 6 ab, bis er im Fokusbereich einen minimalen Strahldurchmesser D erreicht hat. Der minimale Strahldurchmesser D kann bei Gauß-förmigen Strahlprofilen durch die Strahltaille gegeben sein, während er bei Bessel-ähnlichen Strahlen durch die Halbwertsbreite des zentralen Intensitätsmaximums, also der Distanz, bis das zentrale Intensitätsmaximum senkrecht zur Strahlachse 50% seiner Intensität verloren hat, gegeben sein.
Der Gauß-förmige Laserstrahl in 1A weist im Fokus 63 einen minimalen Strahldurchmesser auf, der entlang der Strahlachse ausgehend vom Fokus 63 anwächst, so dass sich der Strahlquerschnitt vergrößert. Die Distanz über der sich der Strahldurchmesser bei Gauß-förmigen Strahlen verdoppelt, bzw. die Intensität des zentralen Hauptmaximums eines Bessel-ähnlichen oder Gauß-Bessel-ähnlichen Strahlprofils halbiert, wird als charakteristische Länge L verstanden.
In 1B ist schematisch ein transparentes Material 1 dargestellt in welches der Laserstrahl 6 mit dem Gauß-förmigen Strahlquerschnitt eingebracht wird. Die Strahlachse 62 und die Oberfläche 10 des transparenten Materials schließen dabei einen Auftreffwinkel 621 ein, der vorzugsweise 90° beträgt. Bei gekrümmten Oberflächen wird der Auftreffwinkel 621 beispielsweise von der Strahlachse zur Tangentialebene der Oberfläche gemessen. Hierbei wird die Tangentialebene in dem Punkt gebildet, in dem die Strahlachse die Oberfläche 10 des transparenten Materials 1 schneidet.
Um eine Materialmodifikation in das transparente Material 1 einzubringen, wird der Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers 6 auf das transparente Material 1 fokussiert. Durch die Absorption der Laserpulse 66 des Laserstrahls 6 kommt es zu einer lokalen Erwärmung des transparenten Materials 1. Die lokale Erwärmung in Kombination mit der nachfolgenden Abkühlung führt hierbei zu einer Modifikation der Materialstruktur, insbesondere zu einer vergrößerten Materialhärte. Die lokale Erwärmung kann aber auch andere physikalische Eigenschaften des Materials 1 modifizieren, beispielsweise die Dichte vergrößern oder verkleinern und so lokal Spannungen im Material aufbauen.
Diese im transparenten Material 1 eingebrachte Modifikation ist die sogenannte Materialmodifikation 3. Um die Materialmodifikation 3 herum gibt es einen sogenannten Materialmodifikationsbereich 30. In dem Materialmodifikationsbereich 30 geht das Material 1 von dem Zustand, der in der Materialmodifikation 3 vorliegt, in seinen Ursprungszustand über. Der Ursprungszustand kann beispielsweise der unbearbeitete Materialzustand sein, der beispielsweise in tieferen Materialschichten vorliegt oder der Zustand des Materials, der in den umgebenden Materialbereichen vorliegt. Insbesondere ist in der 1B und allen folgenden Figuren die Materialmodifikation vergrößert dargestellt. Die Materialmodifikation 3 erstreckt sich nur in dem Bereich der direkten Lasereinwirkung, also im Bereich des Strahlquerschnitts im Fokusbereich.
In 2 ist schematisch das Härten des transparenten Materials 1 gezeigt, wenn der Fokus 63 unter der Oberfläche 10, also insbesondere im Volumen, des transparenten Materials 1 liegt.
In 2A ist schematisch gezeigt, wie ein Laserstrahl 6 in das Materialvolumen des transparenten Materials 1 fokussiert wird. Wenn der Fokus 63 unter der Oberfläche des transparenten Materials 1 liegt, dann wird ein Teil der vom Ultrakurzpulslaser zur Verfügung gestellten Laserenergie unterhalb der Oberfläche 10 absorbiert, wodurch das Material unterhalb der Oberfläche besonders stark erwärmt wird. Diese Erwärmung kann beispielsweise eine Dichteänderung bewirken, so dass sich das Material 1 dort besonders stark ausdehnt, wo der Fokus 63 des Laserstrahls liegt. Die um den Fokus herum liegenden Bereiche des transparenten Material 1 werden wegen der geringeren Laserintensität außerhalb des Fokus weniger stark oder gar nicht erwärmt. Dadurch drängt das stark erwärmte Material in umgebende Materialbereiche hinein, wodurch es zum Härten des Materials 1 an der Stoßfront kommt. Durch dieses Verfahren kann die geometrische Struktur der Oberfläche 10 des transparenten Materials 1 unverändert bleiben, so dass sich lediglich die Härte des Materials 1 in der Materialmodifikation 3 ändert, wie in 2B gezeigt.
3 zeigt schematisch das Verfahren zum Härten eines transparenten Materials 1, wenn der Fokus 63 eines Gauß-förmigen Laserstrahls über der Oberfläche 10 liegt. Der Abstand zwischen Fokus 63 und Oberfläche 10 kann hier insbesondere kleiner als die einhundertfache charakteristische Länge L oder kleiner als die zehnfache charakteristische Länge L sein. In der 3A ist der Abstand zwischen Fokus 63 und der Oberfläche 10 deutlich kleiner als die zehnfache charakteristische Länge 10L.
Im Fokus 63 ist die Intensität des Laserlichts besonders groß und fällt entlang der Strahlachse 62 innerhalb der charakteristischen Länge L beispielsweise um die Hälfte ab. Somit wird die Oberfläche 10 des transparenten Materials 1 einer deutlich größeren Lasterintensität ausgesetzt als die tieferliegenden Schichten 12 im Volumen des Materials 1. Somit wird an der Oberfläche 10 auch deutlich mehr Energie der Laserpulse absorbiert, als in den tieferliegenden Schichten 12, wodurch sich das transparente Material 1 an der Oberfläche 10 stärker erwärmt, als in der tieferliegenden Schichten 12.
In 3C ist gezeigt, dass durch die Fokussierung des Laserstrahls 6 in eine Position über die Oberfläche 10 nur der untere Teil des Fokusbereichs, welcher eine Materialmodifikation hervorrufen könnte, ins Material 1 eingebracht wird.
In 4 ist gezeigt, dass der Laserstrahl und das transparente Material 1 relativ zueinander entlang einer Vorschubtrajektorie 80 bewegt werden können, so dass die Materialmodifikationen 3 an verschiedenen Orten in das Material eingebracht werden können.
4A zeigt die eingebrachten Materialmodifikationen 3, die von einem Ultrakurzpulslaser erzeugt wurde, wobei jede Materialmodifikation 3 beispielsweise durch einen einzigen Laserpuls erzeugt wurde. Es kann aber auch sein, dass jede Materialmodifikation 3 von mehreren Laserpulsen erzeugt wurde, die an derselben Stelle in das Material 1 abgegeben wurden, beispielsweise auch durch einen Burst von Laserpulsen. Durch eine solche Verteilung an Materialmodifikationen kann beispielsweise eine geringe Anpassung der Materialhärte vorgenommen werden.
In 4B ist schematisch gezeigt, wie bei gleichem Vorschub die Materialmodifikationen 3 in das Material 1 eingebracht werden können, wenn mehrere Laserpulse 66 pro Pulszug vom Ultrakurzpulslaser abgegeben werden können oder die Pulsrate variiert wird. Beispielsweise können drei Laserpulse 66 in einem Pulszug angeordnet sein (erster Pfad von links), so dass die von den Laserpulsen 66 erzeugten Materialmodifikationen 3 teilweise überlappen. Es kann auch sein, dass ein Pulszug eine deutlich höhere Anzahl an Laserpulsen 66 umfasst (zweiter Pfad von links), so dass der komplette Abschnitt der Vorschubtrajektorie mit überlappenden Materialmodifikationen 3 versehen wird. Entlang diesem Abschnitt ist das Material beispielsweise besonders homogen entlang der Trajektorie gehärtet. Es kann auch sein, dass die Pulse so abgegeben werden, dass benachbarte Materialmodifikationen 3 sich lediglich berühren (dritter Pfad von links) oder dass der Überlapp der Materialmodifikationen 3 lediglich gering ist.
Es kann auch sein, dass jede Materialmodifikation 3 von mehreren Laserpulsen 66 erzeugt wurde, die an derselben Stelle in das Material 1 abgegeben wurden, so dass die Pulse und die jeweiligen Fokusbereiche, gegeben durch den Strahlquerschnitt im Fokus, überlappen.
Insbesondere kann 4B auch so verstanden werden, dass die Fokusbereiche 63 der Laserpulse überlappen. So kann beispielsweise in den überlappenden Bereichen der eingebrachten Laserpulse eine Materialmodifikation entstehen, die das Material 1 härtet.
Durch die Verteilung der Materialmodifikationen ist es insbesondere auch möglich, einen Härteverlauf oder einen Härtegradienten im Material einzustellen.
In 4C ist ausgehend von der 4A gezeigt, dass ein Überlapp der Materialmodifikationen 3 oder der Fokusbereiche 63 der Laserpulse auch bei einer weiteren Überfahrt über das Material 1 oder entlang der Vorschubtrajektorie 80 erfolgen kann. Hierfür ist die Richtung der Vorschubtrajektorie umgekehrt. Die Laserpulse 66 oder Materialmodifikation 3 können überlappend oder zusätzlich zu bereits eingebrachten Laserpulsen 66 (durchgezogene Kreise) oder Materialmodifikationen eingebracht werden.
In 4D ist gezeigt, dass durch eine geeignete Scangeometrie des Lasers beispielsweise eine homogene Härtung eines Bereichs der Oberfläche oder der gesamten Oberfläche durchgeführt werden kann. Hierfür müssen die Fokusbereiche, gegeben durch die Strahlquerschnitte, bzw. benachbarte Materialmodifikationen 3 mit im Wesentlichen den nächsten Nachbarn überlappen. Die Bereiche können beispielsweise Kantenbereiche umfassen, oder Bereich, die einer besonders hohen Belastung ausgesetzt sind. Die härtenden Materialmodifikationen können insbesondere in verschiedenen Tiefen im Volumen eingebracht werden.
Insgesamt kann der gesamte Prozess des lokalen Härtens mit einer einzigen Überfahrt erfolgen, wobei während der Überfahrt die Fokuslage des fokussierten Laserstrahls relativ zur Oberfläche 10 des Materials gleich bleibt.
Es ist aber bevorzugt mit mehreren Überfahrten die Härtung zu erreichen, um Spannungen zu verringern, die während des Prozesses im Überlappbereich entstehen könnten. Hierbei kann des Weiteren die Fokuslage des fokussierten Laserstrahls geändert werden aber bevorzugt maximal um den Betrag der charakteristischen Länge.
In 5 sind verschiedene Beispiele für Strahlprofile (in der YZ Ebene) mit den zugehörigen Strahlquerschnitten (in der XY Ebene) gezeigt. Es ist gezeigt, dass ein radialsymmetrischer Gaußscher Strahlquerschnitt eine deutlich geringere Ausdehnung entlang der Strahlachse 62, also eine deutlich geringere charakteristische Länge L, aufweist als beispielsweise ein Bessel-GaußStrahl oder ein elliptisch geformter Strahl. Hierfür ist der angegebene Maßstab in den Abbildungen zu beachten. Dadurch lässt sich bei Verwendung eines Bessel-ähnlichen Strahlquerschnitts eine große longitudinale Ausdehnung des Fokusbereichs entlang der Strahlachse 62 ausnutzen. Insbesondere kann sich das verwendete Strahlprofil somit in der Fokuslagentoleranz widerspiegeln, so dass das Verfahren unempfindlich gegen lokale Oberflächenrauigkeiten wird.
In 6 ist ein Aufbau zum Durchführen des Verfahrens gezeigt. Der Gauß-förmige Laserstrahl 6 eines Ultrakurzpulslasers wird durch eine optionale Strahlformoptik 9 zu einem quasi nicht-beugenden Strahl umgeformt und wird anschließend durch eine ebenfalls optionale Strahlteileroptik 5 auf das transparente Material 1 gelenkt. Die Strahlteileroptik 5 besteht beispielsweise aus einem Strahlteiler 52 und einem Spiegel 50.
Im vorliegenden Beispiel wird der Strahl des Lasers 6 mit dem Strahlteiler 52 in einen ersten Teilstrahl 60 und einen zweiten Teilstrahl 62 geteilt. Der erste Teilstrahl 60 wird durch den Strahlteiler 52 direkt in Richtung des transparenten Materials 1 gelenkt. Der zweite Teilstrahl läuft durch den Strahlteiler 52 hindurch und wird anschließend von dem Spiegel 50 in Richtung des transparenten Materials 1 gelenkt. Beide Teilstrahlen werden von einer Fokussiereinheit 7 auf oder in das transparente Material 1 fokussiert. Dabei kann die Fokussiereinheit 7 Fokussieroptiken 71 für jeden Teilstrahl beinhalten, oder auch nur eine Fokussieroptik 71 für alle Teilstrahlen beinhalten. Im transparenten Material verursachen der erste Teilstrahl 60 und der zweite Teilstrahl 62 Materialmodifikationen 3, die zum Härten des Materials führen. Insbesondere wird das Strahlprofil des Laserstrahls durch die Strahlteileroptik 5 nicht verändert. Somit werden gleich geformte Materialmodifikationen 3 durch die beiden Teilstrahlen im transparenten Material 1 erzeugt. Dadurch ist es möglich, dass der Vorschub der Vorschiebevorrichtung 8 des Laserlichts relativ zum transparenten Material 1 erhöht werden kann, beispielsweise verdoppelt werden kann, weil nun pro Laserpuls mehrere Modifikationen 3 in das Material 1 eingebracht werden.
Um Unebenheiten der Oberfläche 10 beim Vorschub auszugleichen, kann ein Abstandssensor den Abstand A zwischen dem Laserfokus 63 und einem Referenzpunkt messen. Über eine Rückkopplungseinheit 82 kann dann die Vorschiebevorrichtung 8 die Unebenheit durch Anpassung der Ausrichtung des Materials ausgleichen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: transparentes Material
10: Oberfläche
12: tieferliegende Schicht
3: Materialmodifikation
30: Materialmodifikationsbereich
32: Materialwölbung
34: Materialkrater
36: Materialmodifikationsquerschnitt
5: Strahlteileroptik
50: Spiegel
52: Strahlteiler
6: Laserstrahl
62: Strahlachse
621: Auftreffwinkel
63: Fokus
64: zentrales Intensitätsmaximum
66: Laserpuls
600: erste Laserstrahlhälfte
602: zweite Laserstrahlhälfte
7: Fokussiereinheit
71: Fokussieroptiken
8: Vorschiebevorrichtung
80: Vorschubtrajektorie
82: Abstands- und Rückkopplungseinheit
9: Strahlformungsoptik
L: charakteristische Länge
D: Durchmesser
A: Abstand

Claims

Verfahren zum Härten eines transparenten Materials (1), insbesondere zum lokalisierten Härten der Oberfläche (10) des transparenten Materials (1), dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Laserstrahls (6) aus ultrakurzen Laserpulsen (66) eines Ultrakurzpulslasers eine Materialmodifikation (3) in oder auf das transparente Material (1) ein- oder aufgebracht wird, bevorzugt lokal ein- oder aufgebracht wird, um das transparente Material (1) zu härten, bevorzugt lokal zu härten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material (1) ein Glas oder ein Polymer oder eine Keramik oder eine vorgespannte Variante, insbesondere eine chemisch oder thermisch gehärtete Variante der vorgenannten Materialien ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) mittels einer Optik fokussiert wird und der Fokusbereich (63) außerhalb des transparenten Materials (1) in einem Abstand von weniger als der 100-fachen, insbesondere weniger als der 10-fachen charakteristischen Länge (L) zur Oberfläche (10) des transparenten Materials (1) angeordnet wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) mittels einer Optik fokussiert wird und der Fokusbereich (63) im transparenten Material (1) oder auf der Oberfläche (10) des transparenten Materials (1) angeordnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Fokusbereichs (63) relativ zu der Oberfläche (10) des transparenten Materials (1) automatisch konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) ein Gauß-förmiges Strahlprofil oder das Strahlprofil eines quasi-nicht-beugenden Strahls aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Abstand der ultrakurzen Laserpulse (66) kürzer als die Wärmediffusionszeit des transparenten Materials (1) ist, bevorzugt zwischen 10µs und 1ps groß ist, besonders bevorzugt zwischen 1µs und 50ps groß ist und/oder - der Pulsüberlapp der ultrakurzen Laserpulse (66) größer als 1 ist und/oder - mehrere ultrakurze Laserpulse (66) in einem Pulszug abgegeben werden, wobei bevorzugt der zeitliche Abstand der Pulszüge größer als 100ns, bevorzugt größer als 1µs, ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) und das transparente Material (1) relativ zueinander mit einem Vorschub bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) mindestens eine Position des transparenten Materials (1) mehrfach überstreicht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) vor dem Einbringen der Materialmodifikation (3) in mehrere Teilstrahlen (61, 62) aufgeteilt wird.
Vorrichtung zum Härten eines transparenten Materials (1), umfassend einen Ultrakurzpulslaser und eine Fokussieroptik (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (7) den Laserstrahl (6) des Ultrakurzpulslasers in oder auf die Oberfläche (10) des transparenten Materials (1) fokussiert oder die Fokussieroptik (7) den Laserstrahl über die Oberfläche (10) des transparenten Materials (1) fokussiert, wobei die Distanz zwischen Oberfläche und Fokusbereich (63) kleiner als das 100-fache, bevorzugt kleiner als das 10-fache der charakteristischen Länge (L) ist, um das transparente Material (1) zu härte, bevorzugt lokal zu härten.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - der Laserstrahl (6) beim Einbringen in das Material ein Gauß-förmiges Strahlprofil oder das Strahlprofil eines quasi nicht-beugenden Strahls aufweist und/oder - der Abstand der ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit des transparenten Materials (1) ist, bevorzugt zwischen 10µs und 1ps groß ist, besonders bevorzugt zwischen 1µs und 50ps groß ist und/oder - der Pulsüberlapp der ultrakurzen Laserpulse (66) größer als 1 ist und/oder - mehrere ultrakurze Laserpulse (66) in einem Pulszug abgegeben werden, wobei bevorzugt der zeitliche Abstand der Pulszüge größer als 100ns insbesondere größer als 1µs ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Vorschubvorrichtung zum relativen Bewegen des Laserstrahls (6) und des transparenten Materials zueinander vorgesehen ist, und/oder - ein Abstandssensor mit Rückkopplungseinheit (82) zum Konstanthalten des Abstands (A) des Fokusbereichs (63) des Laserstrahls (6) relativ zur Oberfläche (10) des transparenten Materials (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubvorrichtung (8) ein Laserscanner oder ein akusto-optischer Deflektor ist, oder dass der Laserscanner oder der akusto-optische Deflektor den Laserstrahl zusätzlich zu einer Vorschubvorrichtung (8) bewegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlformoptik vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, aus einem Gauß-förmigen Laserstrahl vor dem Einbringen in das Material einen quasi nicht-beugenden Strahl zu erzeugen und/oder eine Strahlteilervorrichtung (5) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (6) in mehrere Teilstrahlen zu teilen.