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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserbearbeiten eines Werkstücks.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks.
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Aus der
US 2014/0199519 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fokussieren eines gepulsten Laserstrahls in eine Laserstrahl-Brennlinie entlang einer Strahlausbreitungsrichtung bekannt, wobei die Laserstrahl-Brennlinie eine Länge in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 100mm aufweist, und wobei mittels der Laserstrahl-Brennlinie eine induzierte Absorption innerhalb eines zu bearbeitenden Materials erzeugt wird.
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Aus der
US 2019 / 0 047 894 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines transparenten Werkstücks mittels eines gepulsten Laserstrahls bekannt.
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Aus der
US 2015 / 0 299 018 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserschneiden eines Schichtmaterials mit einem Laserstrahl bekannt.
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Aus der
CN 110303244 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer periodischen Oberflächenstruktur mittels einer Femtosekunden-Laservorrichtung bekannt.
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Aus der
CN 105807432 A ist ein optisches System zum Erzeugen eines Hohllaserstrahls bekannt, umfassend ein erstes und ein zweites Axicon sowie eine Teleskopeinrichtung.
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Aus der
CN 103217796 A ist ein optisches System zum Erzeugen eines „bottle beams“ bekannt, umfassend ein erstes und ein zweites Axicon sowie einen Polarisator.
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Aus der
US 2016/0159679 A1 ist ein System zum Laserschneiden eines Glasartikels bekannt, umfassend ein Axicon und ein strahlformendes Element zur Ausbildung mehrerer quasi-nichtbeugender Laserstrahlen, mittels welchen Perforationen in dem Glasartikel ausbildbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, welches bei vereinfachter technischer Ausführbarkeit effektiv und flexibel einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine erste Strahlformungseinrichtung zur Ausbildung mindestens zwei voneinander verschiedener quasi-nichtbeugender Teilstrahlen aus einem auf die erste Strahlformungseinrichtung einfallenden Laserstrahl und zur Ausbildung eines superponierten Strahls durch Superposition der quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen umfasst, und eine Teleskopeinrichtung zur Ausbildung eines fokussierten Bearbeitungsstrahls zur Laserbearbeitung des Werkstücks aus dem superponierten Strahl, wobei die Teleskopeinrichtung eine zweite Strahlformungseinrichtung zur Aufteilung des superponierten Strahls in eine Mehrzahl von polarisierten Teilstrahlen aufweist, welche jeweils einen von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen, und wobei die Teleskopeinrichtung mit der zweiten Strahlformungseinrichtung zur Fokussierung von Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen in Teilbereiche des Bearbeitungsstrahls ausgebildet ist, sodass an dem Bearbeitungsstrahl ein erster Teilstrahl mit einem ersten Polarisationszustand jeweils mindestens einen zweiten Teilstrahl mit einem zweiten Polarisationszustand zumindest teilweise überlappt.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Bearbeitungsstrahl aus den Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen ausgebildet. Der Bearbeitungsstrahl ist insbesondere aus fokussierten ersten Teilstrahlen mit erstem Polarisationszustand und fokussierten Teilstrahlen mit zweitem Polarisationszustand aufgebaut.
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Die fokussierten ersten Teilstrahlen mit erstem Polarisationszustand und die fokussierten Teilstrahlen mit zweitem Polarisationszustand lassen sich zur Ausbildung des Bearbeitungsstrahls mittels der Teleskopeinrichtung und der zweiten Strahlformungseinrichtung räumlich definiert zueinander ausrichten. Es lässt sich dadurch eine Form und/oder Kontur des Bearbeitungsstrahls flexibel anpassen.
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Mittels des Bearbeitungsstrahls lassen sich insbesondere an einem Material des Werkstücks lokale und insbesondere ineinanderlaufende Risse ausbilden. Insbesondere lassen sich Spannungen im Material des Werkstücks hervorrufen. Dadurch lässt sich beispielsweise eine optimierte Trennung des Materials im Anschluss an die Laserbearbeitung erreichen.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine Fokusverteilung an dem Bearbeitungsstrahl realisieren, deren Vorzugsrichtung durch Drehung der zweiten Strahlformungseinrichtung ausbildbar ist. Hierbei ist eine exakte Positionierung der zweiten Strahlformungseinrichtung nicht erforderlich, da es unwesentlich ist, wo genau die zweite Strahlformungseinrichtung in einem Strahlengang innerhalb der Teleskopeinrichtung angeordnet ist. Es lässt sich dadurch ein Justageaufwand verringern.
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Insbesondere sind die mindestens zwei quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen zueinander kohärente Strahlen. Der superponierte Strahl wird dadurch insbesondere durch Interferenz der mindestens zwei quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen gebildet.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Werkstück aus einem für den mittels der Laserquelle bereitgestellten Bearbeitungsstrahl transparenten Material, beispielsweise Glas, besteht.
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Insbesondere erfolgt eine Laserbearbeitung des Materials des Werkstücks bei der erfindungsgemäßen Lösung durch Beaufschlagung des Materials mit dem Bearbeitungsstrahl. Insbesondere werden mittels nichtlinearer und/oder induzierter Absorption des Bearbeitungsstrahls durch das Material an dem Material lokalisierte Modifikationen, beispielsweise Fehlstellen im Submikrometerbereich oder atomare Fehlstellen, erzeugt.
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Unter einem transparenten Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, durch welches mindestens 70% und insbesondere mindestens 80% und insbesondere mindestens 90% der Laserenergie des Bearbeitungsstrahls transmittiert werden.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen Bessel-artige Strahlen sind.
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Unter quasi-nichtbeugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist. Insbesondere ist bei quasi-nichtbeugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs einer longitudinalen Richtung und/oder Propagationsrichtung der Strahlen im Wesentlichen konstant.
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Unter einer transversalen Intensitätsverteilung ist eine Intensitätsverteilung zu verstehen, welche in einer zu der longitudinalen Richtung und/oder Propagationsrichtung der Strahlen senkrecht orientierten Ebene liegt.
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Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften quasi-nichtbeugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
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Insbesondere erfüllen der superponierte Strahl und/oder der Bearbeitungsstrahl die Definition des quasi-nichtbeugenden und/oder Bessel-artigen Strahls nicht.
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Insbesondere ist eine jeweilige transversale Intensitätsverteilung des superponierten Strahls und/oder des Bearbeitungsstrahls nicht propagationsinvariant und/oder in longitudinaler Richtung nicht im Wesentlichen konstant.
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Unter dem superponierten Strahl und/oder dem Bearbeitungsstrahl sind insbesondere jeweils fokussierte Abschnitte eines durch die Vorrichtung propagierenden Laserstrahls zu verstehen.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mittels der ersten Strahlformungseinrichtung erste quasi-nichtbeugende Teilstrahlen und zweite quasi-nichtbeugende Teilstrahlen ausgebildet werden, wobei insbesondere die ersten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen und die zweiten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen zur Ausbildung des superponierten Strahls in einem Superpositionsbereich überlagert werden.
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Insbesondere weisen die ersten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen und die zweiten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen in einem Superpositionsbereich zur Ausbildung des superponierten Strahls unterschiedliche longitudinale und/oder transversale Intensitätsprofile auf. Beispielsweise weisen die ersten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen und die zweiten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen eine unterschiedliche Länge in longitudinaler Richtung und/oder einen unterschiedlichen Durchmesser in transversaler Richtung auf.
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Beispielsweise weist der Bearbeitungsstrahl in Luft eine longitudinale Länge von mindestens 100µm und/oder höchstens 30mm auf und insbesondere von mindestens 500µm und/oder höchstens 2mm.
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Beispielsweise weist der Bearbeitungsstrahl in Luft einen transversalen Durchmesser von mindestens 0,25µm und/oder höchstens 10µm auf und insbesondere von mindestens 1µm und/oder höchstens 2µm.
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Zur Bestimmung der longitudinalen Länge und/oder des transversalen Durchmessers des Bearbeitungsstrahls und/oder des superponierten Strahls und/oder der ersten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen und/oder der zweiten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen wird für den jeweiligen Strahl eine modifizierte Intensitätsverteilung in der entsprechenden Richtung betrachtet, welche nur Intensitätswerte aufweist, welche eine bestimmte Intensitätsschwelle überschreiten, wobei die Intensitätsschwelle insbesondere 50% eines globalen Intensitätsmaximums der tatsächlichen Intensitätsverteilung beträgt. Die longitudinale Länge bzw. transversale Breite ist dann eine jeweilige maximale Erstreckungslänge des entsprechenden Strahls in longitudinaler bzw. transversaler Richtung in der modifizierten Intensitätsverteilung.
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Die Angaben einer longitudinalen Länge bzw. eines transversalen Durchmessers eines Strahls beziehen sich somit stets auf Dimensionen eines geometrisch zentral liegenden Intensitätsmaximums, welches innerhalb der gesamten Verteilung die größten Intensitätswerte aufweist. Nebengeordnete Intensitätsverteilungen und/oder Intensitätsmaxima unterschreiten die Intensitätsschwelle von 50% des globalen Intensitätsmaximums. Diese nebengeordneten Intensitätsverteilungen sind aufgrund ihrer geringeren Intensitäten für eine Wechselwirkung mit einem Material des Werkstücks vernachlässigbar.
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Günstig kann es sein, wenn die zweite Strahlformungseinrichtung eine Strahlteileroptik und insbesondere eine Polarisationsstrahlteileroptik ist oder umfasst, wobei der superponierte Strahl durch die Strahlteileroptik zur Aufteilung auf die Mehrzahl von polarisierten Teilstrahlen durchführbar ist oder durchgeführt wird. Mittels der Strahlteileroptik lässt sich insbesondere ein Versatz zwischen ersten Teilstrahlen mit erstem Polarisationszustand und zweiten Teilstrahlen mit zweitem Polarisationszustand in longitudinaler und/oder transversaler Richtung erzeugen.
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Beispielsweise ist die Strahlteileroptik aus einem Quarzkristall hergestellt oder umfasst einen Quarzkristall.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die zweite Strahlformungseinrichtung mindestens ein erstes doppelbrechendes Polarisatorelement zur Erzeugung eines Versatzes in longitudinaler Richtung zwischen zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen an dem Bearbeitungsstrahl aufweist, und/oder wenn die zweite Strahlformungseinrichtung mindestens ein zweites doppelbrechendes Polarisatorelement zur Erzeugung eines Versatzes in transversaler Richtung zwischen zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen an dem Bearbeitungsstrahl aufweist.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das erste doppelbrechende Polarisatorelement und das zweite doppelbrechende Polarisatorelement als einstückiges und/oder integrales Bauteil realisiert sind.
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Günstig kann es sein, wenn das mindestens eine erste doppelbrechende Polarisatorelement als doppelbrechendes Linsenelement ausgebildet ist oder ein doppelbrechendes Linsenelement umfasst.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn das mindestens eine zweite doppelbrechende Polarisatorelement als doppelbrechendes Keilelement ausgebildet ist oder ein doppelbrechendes Keilelement umfasst.
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Günstig kann es sein, wenn der erste Polarisationszustand und der zweite Polarisationszustand senkrecht zueinander orientierte Polarisationszustände sind, und insbesondere wenn der erste Polarisationszustand und der zweite Polarisationszustand transversal elektrische Zustände sind.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Laserquelle zur Bereitstellung des einfallenden Laserstrahls umfasst, wobei mittels der Laserquelle insbesondere ein gepulster Laserstrahl oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl bereitgestellt wird. Es lassen sich dadurch in einem transparenten Material lokalisierte Modifikationen erzeugen.
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Günstig kann es sein, wenn eine Wellenlänge eines mittels der Laserquelle bereitgestellten Laserstrahls mindestens 300nm und/oder höchstens 1500nm beträgt, und insbesondere wenn die Wellenlänge 515nm oder 1030nm beträgt.
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Insbesondere weist der Bearbeitungsstrahl eine mittlere Leistung von mindestens 1 W bis 1 kW auf. Beispielsweise umfasst der Bearbeitungsstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 10µJ und/oder höchstens 5mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Bearbeitungsstrahl Einzelpulse oder Bursts umfasst, wobei die Bursts 2 bis 10 Subpulse und insbesondere einen zeitlichen Abstand von ca. 20ns aufweisen.
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Günstig kann es sein, wenn die zweite Strahlformungseinrichtung zumindest näherungsweise in einer Brennebene und/oder in einem Fernfeldbereich der Teleskopeinrichtung angeordnet ist. Die zweite Strahlformungseinrichtung lässt sich dadurch auf einfache Weise in die zweite Strahlformungseinrichtung integrieren.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Teleskopeinrichtung ein erstes Linsenelement und ein zu dem ersten Linsenelement in longitudinaler Richtung beabstandetes zweites Linsenelement aufweist, wobei die zweite Strahlformungseinrichtung zwischen dem ersten Linsenelement und dem zweiten Linsenelement angeordnet ist, und/oder wobei die zweite Strahlformungseinrichtung zumindest näherungsweise in einer Brennebene des ersten Linsenelements und/oder des zweiten Linsenelements angeordnet ist.
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Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass ein erstes Linsenelement der Teleskopeinrichtung in die erste Strahlformungseinrichtung integriert ist. Dadurch lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kompakt ausführen.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn dass das erste Linsenelement eine größere Brennweite aufweist als das zweite Linsenelement. Es lassen sich dadurch eine Länge des Bearbeitungsstrahls in longitudinaler Richtung und/oder ein Durchmesser des Bearbeitungsstrahls in transversaler Richtung gegenüber einer Länge und/oder eines Durchmessers des superponierten Strahls reduzieren. Dadurch lässt sich eine Länge und/oder ein Durchmesser des Bearbeitungsstrahls an das zu bearbeitende Werkstück anpassen.
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Beispielsweise beträgt eine Brennweite des ersten Linsenelemente mindestens 50mm und/oder höchstens 1000mm und insbesondere mindestens 100mm und/oder höchstens 400mm. Die Brennweite beträgt z.B. 100mm.
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Beispielsweise beträgt eine Brennweite des zweiten Linsenelements mindestens 10mm und insbesondere höchstens 40mm und insbesondere mindestens 15mm und/oder höchstens 25mm. Die Brennweite beträgt z.B. 20mm.
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Beispielsweise beträgt ein Verhältnis der Brennweite des ersten Linsenelements und der Brennweite des zweiten Linsenelements (Vergrößerungsfaktor) mindestens 5 und/oder höchstens 40. Das Verhältnis beträgt z.B. 10.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die erste Strahlformungseinrichtung mindestens ein diffraktives optisches Element aufweist oder als diffraktives optisches Element ausgebildet ist.
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Günstig kann es sein, wenn die erste Strahlformungseinrichtung an einer Strahlausgangsseite eine Mehrzahl voneinander verschiedener Segmente zur Ausbildung der quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen mit voneinander verschiedenen Konuswinkeln aufweist, wobei erste Segmente zur Ausbildung von ersten Teilstrahlen mit einem ersten Konuswinkel und zweite Segmente zur Ausbildung von zweiten Teilstrahlen mit einem zweiten Konuswinkel vorgesehen sind.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die erste Strahlformungseinrichtung an der Strahlausgangsseite mindestens 4 und insbesondere mindestens 8 und insbesondere mindestens 16 voneinander getrennte Segmente aufweist. Es lassen sich dadurch Intensitätsmaxima an dem superponierten Strahl ausbilden, welche einen zumindest näherungsweise symmetrischen Durchmesser in transversaler Richtung aufweisen. Dadurch wiederum lassen sich die ersten und zweiten Teilstrahlen zur Ausbildung des Bearbeitungsstrahls besonders präzise und einfach in bestimmte Teilbereiche fokussieren. Insbesondere sind unter den Intensitätsmaxima des superponierten Strahls zentrale und/oder globale Intensitätsmaxima zu verstehen.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass voneinander verschiedene Segmente der ersten Strahlformungseinrichtung an einer Strahlausgangsseite der ersten Strahlformungseinrichtung in radialer Richtung und/oder azimutaler Richtung zueinander benachbart und/oder zueinander beabstandet sind.
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Günstig kann es sein, wenn die Vorrichtung eine weitere Teleskopeinrichtung zur Steuerung eines Durchmessers des auf die erste Strahlformungseinrichtung einfallenden Laserstrahls umfasst, und insbesondere wenn die weitere Teleskopeinrichtung in longitudinaler Richtung zwischen einer Laserquelle zur Bereitstellung des einfallenden Laserstrahls und der ersten Strahlformungseinrichtung angeordnet ist. Es lässt sich dadurch eine Länge des superponierten Strahls und/oder des Bearbeitungsstrahls in longitudinaler Richtung steuern und/oder regeln.
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Erfindungsgemäß wird ein eingangs genanntes Verfahren bereitgestellt, bei dem aus einem einfallenden Laserstrahl mittels einer ersten Strahlformungseinrichtung mindestens zwei voneinander verschiedene quasi-nichtbeugende Teilstrahlen ausgebildet werden und durch kohärente Superposition der quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen ein superponierter Strahl ausgebildet wird, und bei dem mittels einer Teleskopeinrichtung aus dem superponierten Strahl ein fokussierter Bearbeitungsstrahl zur Laserbearbeitung des Werkstücks ausgebildet wird, wobei die Teleskopeinrichtung eine zweite Strahlformungseirichtung aufweist, mittels welcher der superponierte Strahl auf eine Mehrzahl von polarisierten Teilstrahlen aufgeteilt wird, welche jeweils einen von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen, und Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen in Teilbereiche des Bearbeitungsstrahls fokussiert werden, sodass an dem Bearbeitungsstrahl ein erster Teilstrahl mit einem ersten Polarisationszustand jeweils mindestens einen zweiten Teilstrahl mit einem zweiten Polarisationszustand zumindest teilweise überlappt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
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Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt oder das erfindungsgemäße Verfahren ist mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar.
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Insbesondere weisen die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere der nachstehend genannten Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn der superponierte Strahl und/oder der Bearbeitungsstrahl eine Mehrzahl zueinander in longitudinaler Richtung beabstandeter Intensitätsmaxima aufweisen, wobei insbesondere zwischen einander benachbarten Intensitätsmaxima jeweils ein Intensitätsminimum angeordnet ist. Die Intensitätsmaxima erstrecken sich insbesondere entlang einer Haupt-Propagationsrichtung des Bearbeitungsstrahls.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen mehreren oder allen zueinander benachbarten Intensitätsmaxima des Bearbeitungsstrahls zumindest näherungsweise konstant ist.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass an dem Bearbeitungsstrahl ein Abstand zwischen einander benachbarten Intensitätsmaxima mindestens 10µm und/oder höchstens 100µm beträgt.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn eine transversale Länge des Bearbeitungsstrahls größer oder gleich einer Dicke eines Materials des Werkstücks an einer Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche ist. Es lassen sich dadurch über eine Dicke des Materials an der Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche Materialmodifikationen erzeugen. Dadurch lässt sich eine optimierte Trennung des Materials erreichen.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Bearbeitungsstrahl längs einer Haupt-Propagationsrichtung des Bearbeitungsstrahls zumindest abschnittsweise eine wellenförmige und/oder zickzackförmige maximale Intensitätsverteilung aufweist. Es lässt sich dadurch eine Rissbildung innerhalb des Materials des Werkstücks optimieren.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass an dem Bearbeitungsstrahl jeweils ein erster Teilstrahl mit erstem Polarisationszustand bezüglich einem zweiten Teilstrahl mit zweitem Polarisationszustand in longitudinaler Richtung und/oder transversaler Richtung versetzt ist.
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Günstig kann es sein, wenn ein Durchmesser eines auf die erste Strahlformungseinrichtung einfallenden Laserstrahls gesteuert und/oder geregelt wird, wobei insbesondere mittels des Durchmessers des einfallenden Laserstrahls eine transversale Länge des superponierten Strahls und/oder des Bearbeitungsstrahls gesteuert und/oder geregelt wird.
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Günstig kann es sein, wenn die aus der ersten Strahlformungseinrichtung austretenden quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen voneinander verschiedene Konuswinkel und insbesondere zwei voneinander verschiedene Konuswinkel aufweisen, und/oder wenn die aus der ersten Strahlformungseinrichtung austretenden quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen bezüglich einer optischen Achse der ersten Strahlformungseinrichtung und/oder bezüglich einer longitudinalen Richtung des auf die erste Strahlformungseinrichtung einfallenden Laserstrahls einen Konuswinkel von mindestens 0,2° und/oder höchstens 8° und insbesondere mindestens 0,5° und/oder höchstens 1° aufweisen.
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Beispielsweise beträgt ein Konuswinkel der polarisierten Teilstrahlen zur Ausbildung des Bearbeitungsstrahl nach Austritt aus der Teleskopeinrichtung mindestens 10° und/oder höchstens 20°.
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Ein Verhältnis eines zweiten Konuswinkels zweiter quasi-nichtbeugender Teilstrahlen und eines ersten Konuswinkels erster quasi-nichtbeugender Teilstrahlen beträgt beispielsweise mindestens 0,25 und/oder höchstens 0,75.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zur Laserbearbeitung des Werkstücks ein Material des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt wird.
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Insbesondere wird das Material des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl längs einer Bearbeitungskurve oder Bearbeitungsfläche beaufschlagt und/oder das Material des Werkstücks wird relativ zu dem Bearbeitungsstrahl entlang einer Bearbeitungskurve oder Bearbeitungsfläche bewegt.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn durch Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl an einem Material des Werkstücks lokalisierte Materialmodifikationen erzeugt werden, wobei insbesondere mittels der lokalisierten Materialmodifikationen eine Volumenfestigkeit des Materials reduziert wird.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass nach Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl ein Material des Werkstücks entlang einer Bearbeitungskurve oder Bearbeitungsfläche trennbar ist oder getrennt wird.
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Günstig kann es sein, wenn dass das Material des Werkstücks entlang der Bearbeitungskurve oder Bearbeitungsfläche durch Ausübung einer thermischen Spannung und/oder einer mechanischen Spannung und/oder durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung trennbar ist oder getrennt wird.
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Insbesondere ist ein Achsensystem zum Verfahren und/oder Neigen des Werkstücks relativ zu dem Bearbeitungsstrahl vorgesehen.
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Bei einer Ausführungsform ist kann eine Regelelektronik zur ortsaufgelösten Pulskontrolle, insbesondere umfassend Puls-on-demand, zur Steuerung einer Laserquelle vorgesehen sein.
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Insbesondere ist eine Werkstückhalterung für das Werkstück vorgesehen, welche insbesondere eine nicht-reflektierende oder nicht-streuende Oberfläche aufweist.
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Insbesondere wird mittels des Verfahrens oder der Vorrichtung ein Material derart modifiziert, dass es trennbar ist oder getrennt wird. Insbesondere ist das Material in zwei voneinander verschiedene Segmente trennbar bzw. wird in zwei voneinander verschiedene Segmente getrennt.
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Falls nicht anders angegeben, sind unter den genannten longitudinalen Längen und transversalen Breiten des Bearbeitungsstrahls und/oder des superponierten Strahls jeweilige Längen bzw. Breiten im Medium Luft zu verstehen. Eine Länge bzw. Breite des Bearbeitungsstrahls und/oder des superponierten Strahls in einem Material des Werkstücks ergibt sich durch Multiplikation der Länge bzw. Breite in Luft mit dem Brechungsindex des Materials des Werkstücks.
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Falls nicht anders angegeben, sind unter den angegebenen Winkeln, z.B. Konuswinkeln, jeweilige Winkel im Medium Luft zu verstehen.
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Insbesondere sind unter den Angaben „ca.“ und „zumindest näherungsweise“ im Allgemeinen Abweichungen von höchstens 10% zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben „ca.“ und „zumindest näherungsweise“ insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10% von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserbearbeiten eines Werkstücks;
- 2 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laserbearbeiten eines Werkstücks;
- 3 eine schematische Darstellung einer kohärenten Superposition von zwei quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen mit unterschiedlichen Konuswinkeln;
- 4 eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsstrahls zur Laserbearbeitung des Werkstücks, wobei der Bearbeitungsstrahl aus einer Mehrzahl sich überlappender Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen gebildet ist;
- 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Axiconelements zur Ausbildung von quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen mit zwei unterschiedlichen Konuswinkeln;
- 6 eine schematische Darstellung eines Phasenverlaufs von Teilstrahlen an einer Strahlausgangsseite eines diffraktiven optischen Elements mit unterschiedlichen Segmenten;
- 7a ein simulierter Intensitätsverlauf erster quasi-nichtbeugender Teilstrahlen in longitudinaler Richtung;
- 7b eine simulierte Intensitätsverteilung erster quasi-nichtbeugender Teilstrahlen gemäß 7a in einer durch eine Längsmittelachse der ersten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen verlaufenden z-x-Ebene;
- 7c eine simulierte Intensitätsverteilung erster quasi-nichtbeugender Teilstrahlen gemäß 7a in einer durch eine Längsmittelachse der ersten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen verlaufenden z-y-Ebene;
- 8a ein simulierter Intensitätsverlauf zweiter quasi-nichtbeugender Teilstrahlen in longitudinaler Richtung;
- 8b eine simulierte Intensitätsverteilung zweiter quasi-nichtbeugender Teilstrahlen gemäß 8a in einer durch eine Längsmittelachse der zweiten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen verlaufenden z-x-Ebene;
- 8c eine simulierte Intensitätsverteilung zweiter quasi-nichtbeugender Teilstrahlen gemäß 8a in einer durch eine Längsmittelachse der zweiten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen verlaufenden z-y-Ebene;
- 9a ein simulierter Intensitätsverlauf eines aus den ersten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen und den zweiten quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen gebildeten superponierten Strahls;
- 9b eine simulierte Intensitätsverteilung des superponierten Strahls gemäß 9a in einer durch eine Längsmittelachse des superponierten Strahls verlaufenden z-x-Ebene;
- 9c eine simulierte Intensitätsverteilung des superponierten Strahls gemäß 9a in einer durch eine Längsmittelachse des superponierten Strahls verlaufenden z-y-Ebene;
- 10a eine simulierte Intensitätsverteilung des superponierten Strahls gemäß 9a in einer zu einer Längsmittelachse des superponierten Strahls senkrecht orientierten x-y-Ebene, wobei die Ebene in einem zentralen Intensitätsminimum des superponierten Strahls angeordnet ist;
- 10b eine simulierte Intensitätsverteilung des superponierten Strahls gemäß 9a in einer zu einer Längsmittelachse des superponierten Strahls senkrecht orientierten x-y-Ebene, wobei die Ebene in einem zentralen Intensitätsmaximum des superponierten Strahls angeordnet ist;
- 11 eine schematische Darstellung eines einfallenden Strahls, welcher mittels eines doppelbrechenden Linsenelements und eines doppelbrechenden Keilelements in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen aufgeteilt wird;
- 12a eine simulierte Intensitätsverteilung eines Ausführungsbeispiels eines Bearbeitungsstrahls in einer durch eine Längsmittelachse des Bearbeitungsstrahls verlaufenden z-x-Ebene;
- 12b eine simulierte Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls gemäß 12a in einer durch eine Längsmittelachse des Bearbeitungsstrahls verlaufenden z-y-Ebene;
- 13a eine simulierte Intensitätsverteilung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Bearbeitungsstrahls in einer durch eine Längsmittelachse des Bearbeitungsstrahls verlaufenden z-x-Ebene;
- 13b eine simulierte Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls gemäß 13b in einer durch eine Längsmittelachse des Bearbeitungsstrahls verlaufenden z-y-Ebene; und
- 14 eine schematische Darstellung eines Werkstücks, welches mittels des Bearbeitungsstrahls entlang einer Bearbeitungskurve bearbeitet wird.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Laserbearbeiten eines Werkstücks ist in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 10 lassen sich an dem Werkstück lokalisierte Materialmodifikationen, beispielsweise Fehlstellen, erzeugen, welche eine Materialschwächung zur Folge haben. Dadurch lässt sich das Werkstück beispielsweise in einem Folgeschritt in zwei voneinander verschiedene Segmente trennen.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine Laserquelle 12 zur Bereitstellung eines Ausgangslaserstrahls 14. Der Ausgangslaserstrahl 14 ist insbesondere ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl. Beispielsweise ist der Ausgangslaserstrahl 14 ein Gauß-Strahl und/oder weist ein beugendes Strahlprofil auf.
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Der Ausgangslaserstrahl 14 breitet sich entlang einer longitudinalen Richtung z und/oder Propagationsrichtung aus. Insbesondere ist unter der longitudinalen Richtung z eine Haupt-Propagationsrichtung eines Strahls durch die Vorrichtung 10 zu verstehen.
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Eine Wellenlänge des Ausgangslaserstrahls 14 beträgt beispielsweise 515nm oder 1030nm.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird der Ausgangslaserstrahl 14 mittels einer ersten Strahlformungseinrichtung 16 in erste Teilstrahlen 18a und zweite Teilstrahlen 18b aufgeteilt, wobei die ersten Teilstrahlen 18a und die zweiten Teilstrahlen 18b jeweils ein quasi-nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil aufweisen. Die Teilstrahlen 18a und 18b sind zueinander kohärente Teilstrahlen, d.h. die Teilstrahlen 18a und 18b weisen eine zueinander feste Phasenbeziehung auf. Die erste Strahlformungseinrichtung 16 ist beispielsweise als diffraktives optisches Element und/oder als Axiconelement ausgebildet.
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Die Teilstrahlen 18a und 18b weisen insbesondere jeweils einen konusförmigen Verlauf und/oder eine konusförmige Einhüllende auf. Die Teilstrahlen 18a und 18b sind gegenüber einem auf die erste Strahlformungseinrichtung 16 einfallenden Laserstrahl 20 und/oder gegenüber einer optischen Achse 22 der ersten Strahlformungseinrichtung 16 jeweils mit einem Konuswinkel geneigt.
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Beispielsweise ist der einfallende Laserstrahl 20 ein gaußförmiger Strahl und/oder weist ein beugendes Strahlprofil auf.
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Die ersten Teilstrahlen 18a weisen einen ersten Konuswinkel β1 auf und die zweiten Teilstrahlen 18b weisen einen zweiten Konuswinkel β2 auf (3). Beispielsweise beträgt der erste Konuswinkel β1 2° und der zweite Konuswinkel β2 1°.
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Durch kohärente Überlagerung und/oder Superposition der ersten Teilstrahlen 18a und der zweiten Teilstrahlen 18b wird ein superponierter Strahl 24 ausgebildet, welcher bezogen auf die longitudinale Richtung z hinter der ersten Strahlformungseinrichtung 16 angeordnet ist.
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Der superponierte Strahl 24 weist eine Mehrzahl fokussierter und zueinander benachbarter Intensitätsmaxima 26 auf, welche sich in longitudinaler Richtung z erstrecken und/oder in longitudinaler Richtung z zueinander beabstandet sind.
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Zwischen zueinander benachbarten Intensitätsmaxima 26 ist jeweils ein Intensitätsminimum 28 angeordnet.
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Die Verteilung aus Intensitätsmaxima 26 und Intensitätsminima 28 an dem superponierten Strahl 24 entsteht durch Interferenz der ersten Teilstrahlen 18a und der zweiten Teilstrahlen 18b. Im Fall konstruktiver Interferenz ergeben sich die Intensitätsmaxima 26 und im Fall destruktiver Interferenz ergeben sich die Intensitätsminima 28.
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Der superponierte Strahl 24 wird in eine Teleskopeinrichtung 30 eingekoppelt und mittels der Teleskopeinrichtung 30 in einen Bearbeitungsstrahl 32 zur Durchführung der Laserbearbeitung des Werkstücks abgebildet und/oder fokussiert.
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Mittels der Teleskopeinrichtung 30 lassen sich insbesondere eine longitudinale Länge L1 und/oder ein transversaler Durchmesser D1 des Bearbeitungsstrahls 32 steuern und/oder regeln (4).
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Der transversale Durchmesser D1 ist hierbei in einer zu der longitudinalen Richtung z senkrecht orientierten transversalen Richtung d orientiert. Unter der transversalen Richtung d ist eine Richtung zu verstehen, welche in einer zu der longitudinalen Richtung z senkrecht orientierten Ebene liegt.
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Die Teleskopeinrichtung 30 weist eine zweite Strahlformungseinrichtung 34 auf, mittels welcher der in die Teleskopeinrichtung 30 eingekoppelte superponierte Strahl 24 in eine Mehrzahl von polarisierten Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen aufgeteilt wird, wobei die Teilstrahlen jeweils einen von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen.
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Mittels der zweiten Strahlformungseinrichtung 34 werden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erste Teilstrahlen 36 mit erstem Polarisationszustand und zweite Teilstrahlen 38 mit zweitem Polarisationszustand ausgebildet.
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Die ersten Teilstrahlen 36 und die zweiten Teilstrahlen 38 sind insbesondere senkrecht zueinander polarisiert.
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Weiterhin werden die ersten Teilstrahlen 36 bezüglich der zweiten Teilstrahlen 38 mittels der zweiten Strahlformungseinrichtung 34 in longitudinaler Richtung z und transversaler Richtung d räumlich zueinander versetzt.
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Die ersten Teilstrahlen 36 und die zweiten Teilstrahlen 38 sind zueinander inkohärente Teilstrahlen und/oder weisen keine feste Phasenbeziehung zueinander auf, sodass die ersten Teilstrahlen 36 und die zweiten Teilstrahlen 38 insbesondere nicht interferieren. Im Fall einer räumlichen Superposition und/oder Überlagerung der ersten Teilstrahlen 36 und der zweiten Teilstrahlen 38 ergibt sich daher eine Addition von Intensitäten der ersten Teilstrahlen 36 und der zweiten Teilstrahlen 38.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird jeweils ein erster Teilstrahl 36a mit erstem Polarisationszustand in einen ersten Teilbereich 40a des Bearbeitungsstrahls 32 fokussiert, sodass in diesem ersten Teilbereich 40a ein lokales Intensitätsmaximum vorliegt. Weiterhin wird jeweils ein zweiter Teilstrahl 38a mit zweitem Polarisationszustand in einen zweiten Teilbereich 40b des Bearbeitungsstrahls 32 fokussiert, sodass in diesem zweiten Teilbereich 40b ein weiteres lokales Intensitätsmaximum vorliegt.
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Die Intensitätsverteilungen des ersten Teilstrahls 36a in dem ersten Teilbereich 40a und des zweiten Teilstrahls 36b in dem zweiten Teilbereich 40b überlappen sich zumindest teilweise (angedeutet in 4). In den sich überlappenden Teilbereichen 40a und 40b werden die jeweiligen Intensitäten des ersten Teilstrahls 36a und des zweiten Teilstrahls 36b addiert.
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Der Bearbeitungsstrahl 32 wird somit durch Überlagerung oder zumindest teilweise Überlagerung von ersten Teilstrahlen 36 mit erstem Polarisationszustand und zweiten Teilstrahlen 38 mit zweitem Polarisationszustand gebildet. Hierbei sind die ersten Teilstrahlen 36 bezüglich der zweiten Teilstrahlen 38 jeweils in longitudinaler Richtung z und transversaler Richtung d zueinander versetzt angeordnet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 10 eine weitere Teleskopeinrichtung 42 aufweist, welche in longitudinaler Richtung z zwischen der Laserquelle 12 und der ersten Strahlformungseinrichtung 16 angeordnet ist. Mittels dieser weiteren Teleskopeinrichtung 42 lässt sich ein transversaler Durchmesser D2 des auf die erste Strahlformungseinrichtung 16 einfallenden Laserstrahls 20 steuern und/oder regeln.
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Durch Steuerung und/oder Regelung des Durchmessers D2 des einfallenden Laserstrahls 20 lässt sich eine longitudinale Länge L2 des superponierten Strahl 24 steuern und/oder regeln. Dadurch wiederum lässt sich die Länge L1 des Bearbeitungsstrahls 32 steuern und/oder regeln.
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Die Länge L2 des superponierten Strahls 24 und/oder die Länge L1 des Bearbeitungsstrahls 32 nehmen mit zunehmendem Durchmesser D2 des einfallenden Laserstrahls 20 zu.
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Die Teleskopeinrichtung 30 weist bei der Ausführungsform gemäß 1 ein erstes Linsenelement 44 und ein zu dem ersten Linsenelement 44 in longitudinaler Richtung z beabstandetes zweites Linsenelement 46 auf. Das erste Linsenelement 44 weist eine größere Brennweite auf als das zweite Linsenelement 46.
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Zwischen dem ersten Linsenelement 44 und dem zweiten Linsenelement 46 ist die zweite Strahlformungseinrichtung 34 angeordnet. Beispielsweise ist die zweite Strahlformungseinrichtung 34 zumindest näherungsweise in einem Fernfeldbereich 48 und/oder in einer Brennebene 50 der Teleskopeinrichtung 30 angeordnet.
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Die Brennebene 50 ist beispielsweise eine Brennebene des ersten Linsenelements 44 und/oder des zweiten Linsenelements 46.
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Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 10' zum Laserbearbeiten eines Werkstücks unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass bei dieser Ausführungsform eine alternative Variante einer Teleskopeinrichtung 30' vorgesehen ist. Ansonsten weist die Vorrichtung 10' grundsätzlich den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionsweise wie die vorstehend beschriebene Vorrichtung 10 auf, sodass insoweit auf deren Beschreibung Bezug genommen wird.
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Bei der Teleskopeinrichtung 30' ist das erste Linsenelement 44 und/oder eine Funktion des ersten Linsenelements 44 in die erste Strahlformungseinrichtung 16 integriert. Es lässt sich dadurch die Vorrichtung 10' besonders kompakt ausführen und mit einer verringerten Anzahl an Komponenten realisieren.
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Ansonsten weist die Teleskopeinrichtung 30' grundsätzlich den gleichen Aufbau und grundsätzlich die gleiche Funktionsweise auf wie die vorstehend beschriebene Teleskopeinrichtung 30, sodass insoweit auf deren Beschreibung Bezug genommen wird.
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Die erste Strahlformungseinrichtung 16 ist insbesondere als diffraktives optisches Element zur Erzeugung von quasi-nichtbeugenden und insbesondere Bessel-artigen Strahlen mit unterschiedlichen Konuswinkeln β1, β2 ausgebildet.
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Beispielsweise weist die erste Strahlformungseinrichtung 16 die Funktionsweise eines Axiconelements 51 auf oder ist als Axiconelement 51 oder axiconartiges Element ausgebildet (5).
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Die erste Strahlformungseinrichtung 16 weist eine Strahleingangsseite 52 und eine Strahlausgangsseite 54 auf, welche beispielsweise der Strahleingangsseite 52 gegenüberliegt. Über die Strahleingangsseite 52 wird der einfallende Laserstrahl 20 in die erste Strahlformungseinrichtung 16 eingekoppelt. Die quasi-nichtbeugenden Teilstrahlen 18a, 18b werden an der Strahlausgangsseite 54 aus der ersten Strahlformungseinrichtung 16 ausgekoppelt.
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An der Strahlausgangsseite 54 weist die erste Strahlformungseinrichtung 16 eine Mehrzahl voneinander verschiedener Segmente 56 auf. Insbesondere sind den voneinander verschiedenen Segmenten 56 jeweils Teilstrahlen 18a, 18b mit unterschiedlichen Konuswinkeln β1, β2 zugeordnet, wobei insbesondere Teilstrahlen 18a, 18b mit einem bestimmten Konuswinkel β1, β2 jeweils einem bestimmten Segment 56 zugeordnet sind.
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Die erste Strahlformungseinrichtung 16 umfasst beispielsweise eine Gitterstruktur zur Erzeugung der Teilstrahlen 18a, 18b mit unterschiedlichen Konuswinkeln β1, β2.
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Nach der Teleskopeinrichtung 30 und/oder nach dem zweiten Linsenelement 46 ergeben sich für die ersten Teilstrahlen 36 erste Konuswinkel ß1' und für die zweiten Teilstrahlen 38 zweite Konuswinkel β2' (angedeutet in 1). Es gilt dabei β1' = m* β1 und β2' = m*β2, wobei m ein Vergrößerungsfaktor der Teleskopeinrichtung 30 ist, welcher sich beispielsweise aus einem Verhältnis einer Brennweite des ersten Linsenelements 44 und des zweiten Linsenelements 46 ergibt.
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Bei dem in 5 gezeigten Beispiel weisen die Segmente 56 jeweils einen von zwei Winkeln α1, α2 auf, wobei die Winkel α1, α2 insbesondere kleinste Winkel zwischen dem jeweiligen Segment 56 und einer zu der optischen Achse 22 der ersten Strahlformungseinrichtung 16 senkrechten Ebene 60 sind und/oder einer zu dem einfallenden Laserstrahl 20 senkrechten Ebene 60 sind. Die Winkel α1, α2 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 Axiconwinkel.
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Beispielsweise weist die erste Strahlformungseinrichtung 16 erste Segmente 56a mit einem ersten Winkel α1 und zweite Segmente 56b mit einem zweiten Winkel α2 auf. Den ersten Segmenten 56a sind jeweils erste Teilstrahlen 18a mit erstem Konuswinkel β1 zugeordnet und den zweiten Segmenten 56b sind jeweils zweite Teilstrahlen 18b mit zweitem Konuswinkel β2 zugeordnet.
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Insbesondere sind unter ersten Segmenten 56a Segmente 56 ersten Typs und unter zweiten Segmenten 56b Segmente 56 zweiten Typs zu verstehen.
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Voneinander verschiedene Segmente 56 sind an der Strahlausgangsseite 54 der ersten Strahlformungseinrichtung 16 in radialer Richtung 62 und/oder azimutaler Richtung 64 zueinander beanstandet angeordnet und/oder voneinander getrennt angeordnet (6).
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Bei dem in 6 gezeigten weiteren Beispiel einer ersten Strahlformungseinrichtung 16 sind insgesamt 16 voneinander verschiedene und/oder getrennte Segmente 56 an der Strahlausgangsseite 54 angeordnet, wobei insgesamt acht erste Segmente 56a und acht zweite Segmente 56b vorgesehen sind.
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Ein erstes Segment 56a ist beispielsweise jeweils in azimutaler Richtung 64 zu einem benachbarten zweiten Segment 56b beabstandet angeordnet.
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Mittels der voneinander verschiedenen Segmente 56a, 56b wird den entsprechend zugeordneten Teilstrahlen 18a, 18b jeweils ein bestimmter Phasenverlauf aufgeprägt. Der Phasenverlauf der entsprechenden Teilstrahlen 18a, 18b ist beispielsweise in 6 mittels eines Graustufenverlaufs veranschaulicht, wobei die Graustufenskala von Weiß (Phase +Pi) bis Schwarz (Phase -Pi) reicht.
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In 7a ist eine Intensität erster Teilstrahlen 18a in Abhängigkeit einer Position in longitudinaler Richtung z dargestellt, wobei der Intensitätsverlauf in einem Superpositionsbereich 66 dargestellt ist, in welchem die ersten Teilstrahlen 18a und die zweiten Teilstrahlen 18b zur Ausbildung des superponierten Strahls 24 räumlich superponiert und/oder überlagert werden (siehe auch 3).
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In 7b ist eine Intensitätsverteilung erster Teilstrahlen 18a mittels eines Graustufenverlaufs dargestellt, wobei hellere Graustufenwerte für größere Intensitäten stehen. Die Intensitätsverteilung ist hierbei in einer durch eine Längsmittelachse 68 der ersten Teilstrahlen 18a in dem Superpositionsbereich 66 verlaufenden z-x-Ebene gezeigt.
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Die Längsmittelachse 68 verläuft in longitudinale Richtung z. Eine x-Richtung ist senkrecht zu der Längsmittelachse 68 orientiert.
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In 7c ist eine entsprechende Intensitätsverteilung erster Teilstrahlen 18a in einer z-y-Ebene gezeigt, wobei eine y-Richtung senkrecht zu der Längsmittelachse 68 und senkrecht zu der x-Richtung orientiert ist.
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In 8a ist eine Intensität zweiter Teilstrahlen 18b in Abhängigkeit der Position in longitudinaler Richtung z in dem Superpositionsbereich 66 dargestellt (analog zu 7a).
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In den 8b und 8c sind Intensitätsverteilungen zweiter Teilstrahlen 18b in dem Superpositionsbereich 66 in der z-y-Ebene bzw. in der z-x-Ebene dargestellt (analog zu 7b und 7c).
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In 9a ist ein Intensitätsverlauf des superponierten Strahls 24 dargestellt, welcher in dem Superpositionsbereich 66 durch kohärente Superposition und/oder Interferenz der ersten Teilstrahlen 18a und der zweiten Teilstrahlen 18b gebildet wird. Die Intensität ist in Abhängigkeit der Position in longitudinaler Richtung z dargestellt.
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In 9b ist eine Intensitätsverteilung des superponierten Strahls 24 in dem Superpositionsbereich 66 mittels eines Graustufenverlaufs in der z-x-Ebene dargestellt (analog zu den 7b und 8b).
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In 9c ist eine entsprechende Intensitätsverteilung des superponierten Strahls 24 in dem Superpositionsbereich in der z-y-Ebene dargestellt (analog zu den 7c und 8c).
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An dem superponierten Strahl 24 sind in dem Superpositionsbereich 66 die zueinander benachbarten Intensitätsmaxima 26 und Intensitätsminima 28 ausgebildet, welche jeweils in der longitudinale Richtung z einander beabstandeter sind.
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Der in dem Superpositionsbereich 66 vorliegende superponierten Strahl 24 und/oder der Bearbeitungsstrahl 32 wird aufgrund der aufeinanderfolgenden Intensitätsmaxima 26 und Intensitätsminima 28 auch als „Bottle Beam“ bezeichnet.
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In 10a ist eine Intensitätsverteilung des superponierten Strahls 24 in einer zu der Längsmittelachse 68 senkrecht orientierten x-y-Ebene dargestellt, wobei die Ebene in einem zentralen Intensitätsminimum 28 des superponierten Strahls 24 angeordnet ist. Das zentrale Intensitätsminimum 28 erstreckt sich um x=0 und y=0.
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In 10b ist eine Intensitätsverteilung des superponierten Strahls 24 in der zu der Längsmittelachse 68 senkrecht orientierten x-y-Ebene dargestellt, wobei die Ebene in einem zentralen Intensitätsmaximum 26 angeordnet ist. Das zentrale Intensitätsmaximum 26 erstreckt sich um x=0 und y=0.
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Die Intensitätsmaxima 26 des superponierten Strahls 24 weisen einen transversalen Durchmesser D3 auf (10b). Der Durchmesser D3 ist in transversale Richtung d orientiert, welche in der zu der Längsmittelachse 68 senkrecht orientierten x-y-Ebene liegt.
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Die Intensitätsmaxima 26 des superponierten Strahls 24 weisen in der zu der Längsmittelachse 68 senkrecht orientierten x-y-Ebene einen symmetrischen Querschnitt auf. Hierunter ist beispielsweise zu verstehen, dass der Durchmesser D3 in allen transversalen Richtungen d konstant ist oder zumindest näherungsweise konstant ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der zweiten Strahlformungseinrichtung 34 ist in 11 gezeigt. Der superponierte Strahl 24 trifft nach Durchlaufen des ersten Linsenelements 44 im Fernfeldbereich 48 als einfallender Strahl 70 auf die zweite Strahlformungseinrichtung 34.
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Insbesondere ist eine Intensitätsverteilung des einfallenden Strahls 70 in dem Fernfeldbereich 48 konzentrisch bezüglich eines auf einer Längsmittelachse 71 und/oder optischen Achse der Teleskopeinrichtung 30 liegenden Punkts 71a ausgebildet.
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Beispielsweise weist der einfallende Strahl 70 in dem Fernfeldbereich 48 Intensitätsmaxima auf, welche kreisförmig um den Punkt 71a angeordnet sind. Beispielsweise sind Intensitätsmaxima des einfallenden Strahls 70 in dem Fernfeldbereich 48 in radial äußeren Bereichen 710 angeordnet und/oder treffen in radial äußeren Bereichen 710 auf die zweite Strahlformungseinrichtung 34 auf.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel fällt der einfallende Strahl 70 entlang der longitudinalen Richtung z und/oder Haupt-Propagationsrichtung auf die zweite Strahlformungseinrichtung 34 ein.
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Die zweite Strahlformungseinrichtung 34 umfasst insbesondere eine Polarisationsstrahlteileroptik oder ist als Polarisationsstrahlteileroptik ausgebildet.
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Beispielsweise weist die zweite Strahlformungseinrichtung 34 ein erstes doppelbrechendes Polarisatorelement 72 und ein zweites doppelbrechendes Polarisatorelement 74 auf. Mittels des ersten doppelbrechenden Polarisatorelements 72 und des zweiten doppelbrechenden Polarisatorelements 74 wird der einfallende Strahl 70 in erste Teilstrahlen 36 mit erstem Polarisationszustand und zweite Teilstrahlen 38 mit zweitem Polarisationszustand aufgeteilt.
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Es ist grundsätzlich auch möglich, dass das erste doppelbrechende Polarisatorelement 72 in das zweite doppelbrechende Polarisatorelement 74 integriert ist (oder umgekehrt).
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Eine optische Achse 75 der zweiten Strahlformungseinrichtung 34 und/oder des ersten doppelbrechenden Polarisatorelements 72 und/oder des zweiten doppelbrechenden Polarisatorelements 74 ist quer und insbesondere senkrecht zur Längsmittelachse 71 und/oder zur longitudinalen Richtung z orientiert.
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Der erste Polarisationszustand und der zweite Polarisationszustand sind insbesondere zueinander senkrecht orientierte Polarisationszustände. Insbesondere sind die ersten Teilstrahlen 36 und die zweiten Teilstrahlen 38 derart polarisiert, dass ein elektrisches Feld in einer Ebene senkrecht zur longitudinalen Richtung z liegt (transversal Elektrisch). Beispielsweise schwingen die jeweiligen elektrischen Felder der ersten Teilstrahlen 36 und der zweiten Teilstrahlen 38 in dieser Ebene senkrecht zueinander.
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Die ersten Teilstrahlen 36 und die zweiten Teilstrahlen 38 werden mittels des zweiten Linsenelements 46 zur Ausbildung des Bearbeitungsstrahls 32 fokussiert.
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Das erste doppelbrechendes Polarisatorelement 72 ist beispielsweise als doppelbrechendes Linsenelement ausgebildet oder umfasst ein doppelbrechendes Linsenelement.
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Mittels des ersten doppelbrechenden Polarisatorelements 72 werden an dem Bearbeitungsstrahl 32 erste Teilstrahlen 36 mit erstem Polarisationszustand gegenüber zweiten Teilstrahlen 38 mit zweitem Polarisationszustand in longitudinaler Richtung z versetzt.
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Das zweite doppelbrechende Polarisatorelement 74 ist beispielsweise als doppelbrechendes Keilelement ausgebildet oder umfasst ein doppelbrechendes Keilelement.
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Mittels des zweiten doppelbrechenden Polarisatorelements 74 werden an dem Bearbeitungsstrahl 32 erste Teilstrahlen 36 mit erstem Polarisationszustand gegenüber zweiten Teilstrahlen 38 mit zweitem Polarisationszustand in transversaler Richtung d versetzt.
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In 12a ist eine Intensitätsverteilung eines ersten Beispiels eines Bearbeitungsstrahls 32 in einer z-x-Ebene gezeigt, wobei die z-x-Ebene durch eine sich in longitudinale Richtung z erstreckende Längsmittelachse 76 des Bearbeitungsstrahls 32 verläuft. Bei der Graustufenverteilung stehen hellere Werte für größere Intensitäten.
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In 12b ist eine entsprechende Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls 32 gemäß 12a in einer z-y-Ebene gezeigt.
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Die Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls 32 ist durch Aneinanderreihung und/oder zumindest teilweise Überlappung von zueinander versetzten ersten Teilstrahlen 36 und zweiten Teilstrahlen 38 ausgebildet.
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Bei dem gezeigten Beispiel weist die Intensitätsverteilung in der z-x-Ebene einen mäanderförmigen und/oder zickzackförmigen Intensitätsverlauf auf.
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In den 13a und 13b sind Intensitätsverteilungen eines weiteren Beispiels eines Bearbeitungsstrahls 32 in der z-x-Ebene bzw. der z-y-Ebene dargestellt (analog zur Darstellung in den 12a bzw. 12b).
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Die Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls 32 in dem Beispiel gemäß der 13a und 13b unterscheidet sich von der in den 12a und 12b gezeigten Intensitätsverteilung im Wesentlichen dadurch, dass diese zueinander benachbarte Intensitätsmaxima 26' aufweist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass mittels der zweiten Strahlformungseinrichtung 34 ein kleinerer Versatz in longitudinaler Richtung z zwischen den ersten Teilstrahlen 36 und den zweiten Teilstrahlen 38 erzeugt wird. Zwischen einander benachbarten Intensitätsmaxima 26' ist dann insbesondere jeweils ein Intensitätsminimum 28' angeordnet.
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Es lassen sich somit mittels der zweiten Strahlformungseinrichtung 34 unterschiedliche geometrische Intensitätsverteilungen an dem Bearbeitungsstrahl 32 realisieren.
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Bei den in den 7 bis 10, 12 und 13 gezeigten Intensitätsverläufen bzw. Intensitätsverteilungen handelt es sich um simulative Daten.
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Bei den in den 7b, 7c, 8b, 8c, 9b, 9c, 10a, 10b, 12 und 13 gezeigten Intensitätsverteilungen sind jeweils nur die globalen maximalen Intensitätsverteilungen für eine Laserbearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungsstrahl 32 wesentlich, welche sich um x=0 bzw. y=0 erstrecken. Nebengeordnete Intensitätsverteilungen (nebengeordnete lokale Intensitätsmaxima) sind für eine Laserbearbeitung des Werkstücks unwesentlich, da bei deren geringeren Intensitäten es zu keiner Wechselwirkung mit einem Material des Werkstücks kommt bzw. eine Wechselwirkung mit einem Material des Werkstücks vernachlässigbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10, 10' funktioniert wie folgt:
- Zur Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs an einem Werkstücks 78 mit der Vorrichtung 10 wird ein Material 80 des Werkstücks 78 mit dem Bearbeitungsstrahl 32 beaufschlagt und der Bearbeitungsstrahl 32 relativ zu dem Material 80 bewegt. Der Bearbeitungsstrahl 32 wird hierbei insbesondere entlang einer vordefinierten Bearbeitungskurve 82 oder Bearbeitungsfläche bewegt.
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Hierdurch werden an dem Material 80 des Werkstücks 78 entlang der Bearbeitungskurve 82 durch nichtlineare Absorption lokalisierte Materialmodifikationen ausgebildet, mittels welcher eine Festigkeit des Materials 80 an der Bearbeitungskurve 82 verringert wird.
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Anschließend wird das Material 80 beispielsweise entlang der Bearbeitungskurve 82 oder Bearbeitungsfläche durch Ausübung einer mechanischen Spannung in zwei voneinander verschiedene Segmente getrennt.
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Bezugszeichenliste
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- α1
- erster Winkel
- α2
- zweiter Winkel
- β1
- erster Konuswinkel
- β2
- zweiter Konuswinkel
- β1'
- erster Konuswinkel
- β2'
- zweiter Konuswinkel
- d
- transversale Richtung
- z
- longitudinale Richtung
- D1
- Durchmesser
- D2
- Durchmesser
- D3
- Durchmesser
- L1
- Länge
- L2
- Länge
- 10
- Vorrichtung
- 10'
- Vorrichtung
- 12
- Laserquelle
- 14
- Ausgangslaserstrahl
- 16
- erste Strahlformungseinrichtung
- 18a
- erste Teilstrahlen
- 18b
- zweite Teilstrahlen
- 20
- einfallender Laserstrahl
- 22
- optische Achse
- 24
- superponierter Strahl
- 26, 26'
- Intensitätsmaximum
- 28, 28'
- Intensitätsminimum
- 30
- Teleskopeinrichtung
- 30'
- Teleskopeinrichtung
- 32
- Bearbeitungsstrahl
- 34
- zweite Strahlformungseinrichtung
- 36
- erste Teilstrahlen
- 36a
- erster Teilstrahl
- 38
- zweite Teilstrahlen
- 38a
- zweiter Teilstrahl
- 40a
- erster Teilbereich
- 40b
- zweiter Teilbereich
- 42
- weitere Teleskopeinrichtung
- 44
- erstes Linsenelement
- 46
- zweites Linsenelement
- 48
- Fernfeldbereich
- 50
- Brennebene
- 51
- Axiconelement
- 52
- Strahleingangsseite
- 54
- Strahlausgangsseite
- 56
- Segment
- 56a
- erste Segmente
- 56b
- zweite Segmente
- 60
- Ebene
- 62
- radiale Richtung
- 64
- azimutale Richtung
- 66
- Superpositionsbereich
- 68
- Längsmittelachse
- 70
- einfallende Strahl
- 71
- Längsmittelachse
- 71a
- Punkt
- 710
- radial äußerer Bereich
- 72
- erstes doppelbrechendes Polarisatorelement
- 74
- zweites doppelbrechendes Polarisatorelement
- 75
- optische Achse
- 76
- Längsmittelachse
- 78
- Werkstück
- 80
- Material
- 82
- Bearbeitungskurve
