DE102020134195A1

DE102020134195A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Trennen eines Materials

Info

Publication number: DE102020134195A1
Application number: DE102020134195.4A
Authority: DE
Inventors: Jonas Kleiner; Daniel Flamm; Julian Hellstern
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-06-23
Also published as: WO2022128214A1; EP4263113A1; CN116783025A; KR20230117753A; US20230364705A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen eines ein transparentes Material aufweisenden Werkstücks (1), wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers (2) Materialmodifikationen (5) entlang einer Trennlinie (4) in das transparente Material des Werkstücks (1) eingebracht werden und das Material des Werkstücks (1) dann entlang der dadurch entstehenden Materialmodifikationsfläche (50) in einem Trennschritt getrennt wird, wobei die Laserpulse unter einem Anstellwinkel (α) auf das Werkstück (1) gebracht werden und die optische Aberration der Laserpulse beim Übergang in das Material des Werkstücks (1) durch eine Aberrationskorrekturvorrichtung (7) reduziert wird und der Laserstrahl (20) eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung (220) aufweist, wobei die transversale Intensitätsverteilung (220) in einer ersten Achse (A) elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse (B) erscheint, wobei die zweite Achse (B) senkrecht zur ersten Achse (A) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines Materials mittels ultrakurzer Laserpulse.
Stand der Technik
In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Lasern mit sehr kurzen Pulslängen, insbesondere mit Pulslängen unter einer Nanosekunde, und hohen mittleren Leistungen, insbesondere im Kilowatt-Bereich, zu einer neuen Art der Materialbearbeitung geführt. Die kurze Pulslänge und hohe Pulsspitzenleistung beziehungsweise die hohe Pulsenergie von einigen Mikrojoule bis 100 µJ können zu einer nichtlinearen Absorption der Pulsenergie im Material führen, so dass auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge eigentlich transparente beziehungsweise im wesentlichen transparente Materialien bearbeitet werden können.
Ein besonderer Anwendungsbereich einer solchen Laserstrahlung ist das Trennen und Bearbeiten vor Werkstücken. Hierbei wird bevorzugt der Laserstrahl unter senkrechtem Einfall in das Material eingebracht, da dann Reflexionsverluste an der Oberfläche des Materials minimiert werden. Für die Bearbeitung von Materialien unter einem Anstellwinkel, beispielsweise zum Abfasen einer Materialkante, beziehungsweise das Erzeugen von Chamfer- und/oder Bevelstrukturen mit Anstellwinkeln von mehr als 30°, stellt nach wie vor ein ungelöstes Problem dar, insbesondere auch weil die hohen Anstellwinkel an der Materialkante zu einer starken Aberration des Laserstrahls führen und so keine gezielte Energiedeposition in das Material stattfinden kann.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Trennen eines Werkstücks, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks 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 Trennen eines ein transparentes Material umfassenden Werkstücks vorgeschlagen, wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers Materialmodifikationen entlang einer Trennlinie in das transparente Material des Werkstücks eingebracht werden und das Werkstück dann entlang der dadurch entstehenden Materialmodifikationsfläche mit einem Trennschritt getrennt wird. Erfindungsgemäß werden die Laserpulse unter einem Anstellwinkel auf das Werkstück gebracht und die optische Aberration der Laserpulse wird beim Übergang in das Material des Werkstücks durch eine Aberrationskorrekturvorrichtung reduziert, wobei der Laserstrahl eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung aufweist und die transversale Intensitätsverteilung in einer ersten Achse elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse erscheint, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse ist.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei ultrakurze Laserpulse zur Verfügung. Ultrakurz kann hierbei bedeuten, dass die Pulslänge beispielsweise zwischen 500 Pikosekunden und 10 Femtosekunden liegt und insbesondere zwischen 10 Pikosekunden und 100 Femtosekunden liegt. Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich dabei in der Strahlausbreitungsrichtung entlang des durch sie ausgebildeten Laserstrahls.
Wenn ein ultrakurzer Laserpuls in ein Material des Werkstücks fokussiert wird, kann die Intensität im Fokusvolumen zu einer nichtlinearen Absorption durch beispielsweise Multiphotonen-Absorptions- und/oder Elektronen-Lawinen-Ionisationsprozessen führen. Diese nichtlineare Absorption führt zur Erzeugung eines Elektronen-Ionen-Plasmas, wobei bei dessen Abkühlung dauerhafte Strukturänderungen im Material des Werkstücks induziert werden können. Da durch die nichtlineare Absorption Energie in das Volumen des Materials transportiert werden kann, können diese strukturellen Veränderungen im Inneren der Probe erzeugt werden, ohne die Oberfläche des Werkstücks zu beeinflussen.
Unter einem transparenten Material wird hierin ein Material verstanden, das für die Wellenlänge des Laserstrahls des Ultrakurzpulslasers im Wesentlichen transparent ist. Hierin werden die Begriffe „Material“ und „transparentes Material“ austauschbar verwendet - das hierin genannte Material ist also immer als für den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers transparentes Material zu verstehen.
Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern wie der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Lasers, von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab.
Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im Fokusvolumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen.
Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher.
Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void) beziehungsweise eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.
Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstig diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von „reinen“ Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.
Bei hohen Repetitionsraten des Lasers kann das Material zwischen den Pulsen nicht vollständig abkühlen, sodass kumulative Effekte der eingebrachten Wärme von Puls zu Puls einen Einfluss auf die Materialmodifikation nehmen können. Beispielsweise kann die Repetitionsfrequenz des Lasers höher sein als der Kehrwert der Wärmediffusionszeit des Materials, sodass in der Fokuszone durch sukzessive Absorption von Laserenergie eine Wärmeakkumulation stattfinden kann, bis die Schmelztemperatur des Materials erreicht ist. Durch den thermischen Transport der Wärmeenergie in die die Fokuszone umliegenden Gebiete kann zudem ein größerer Bereich als die Fokuszone aufgeschmolzen werden. Nach dem Einbringen der ultrakurzen Laserpulse, kühlt das erwärmte Material schnell ab, so dass die Dichte und andere strukturelle Eigenschaften des Hochtemperaturzustands im Material gewissermaßen eingefroren werden.
Die Materialmodifikationen werden entlang einer Trennlinie in das Material eingebracht. Die Trennlinie beschreibt die Auftrefflinie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks. Durch einen Vorschub wird beispielsweise der Laserstrahl und das Werkstück relativ zu einander mit einer Vorschubgeschwindigkeit verschoben, sodass sich mit fortschreitender Zeit unterschiedliche Auftrefforte der Laserpulse auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben. Hierbei wird die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Repetitionsrate des Lasers so gewählt, dass die Materialmodifikationen im Material des Werkstücks nicht überlappen, sondern voneinander separiert im Material vorliegen. Relativ zueinander verschiebbar bedeutet hierbei, dass sowohl der Laserstrahl translatorisch relativ zu einem ortsfesten Werkstück verschoben werden kann, als auch, dass das Werkstück relativ zum Laserstrahl verschoben werden kann. Es kann auch sein, dass eine Bewegung sowohl des Werkstücks als auch des Laserstrahls stattfindet. Während Werkstück und Laserstrahl relativ zueinander bewegt werden, gibt der Ultrakurzpulslaser mit seiner Repetitionsfrequenz Laserpulse in das Material des Werkstücks ab.
Durch eine Ausprägung der Materialmodifikationen in Strahlausbreitungsrichtung entsteht eine Fläche im Material des Werkstücks, in der alle Materialmodifikationen liegen und welche die Oberfläche des Werkstücks entlang der Trennlinie schneidet. Die Fläche in der die Materialmodifikationen liegen wird Materialmodifikationsfläche genannt. Die Materialmodifikationsfläche kann insbesondere auch gekrümmt sein, so dass auch Materialmodifikationen, die beispielsweise die Mantelfläche eines Zylinders oder eines Konus bilden, in einer Materialmodifikationsfläche liegen.
Die Laserpulse werden in einem sogenannten Anstellwinkel in das Material des Werkstücks eingebracht. Der Anstellwinkel ist hierbei gegeben als die Winkeldifferenz zwischen Laserstrahl und Oberflächennormalen des zu trennenden Werkstücks. Wenn der Anstellwinkel ungleich null ist, ist die Materialmodifikationsfläche ebenfalls gegenüber der Oberflächennormalen des Werkstücks geneigt. Hierbei ist zu beachten, dass bei einem nicht verschwindenden Anstellwinkel der Laserstrahl gemäß des Snellius'schen Brechungsgesetzes in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des umgebenden Mediums, bevorzugt Luft, und des Materials des Werkstücks gebrochen wird. Dadurch kann die Strahlausbreitungsrichtung in dem Material des Werkstücks von der Strahlausbreitungsrichtung vor dem Eintreten in das Material des Werkstücks abweichen. Insbesondere kann dadurch auch die Materialmodifikationsfläche unter einem anderen Winkel als dem Auftreffwinkel gegenüber der Oberflächennormalen gekippt sein.
Der Laserstrahl weist zudem eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung auf, wobei die transversale Intensitätsverteilung in einer ersten Achse elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse erscheint, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse ist.
Nicht-radialsymmetrisch bedeutet hierbei, dass die transversale Intensitätsverteilung, also die Intensitätsverteilung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, nicht nur vom Abstand zur optischen Achse, sondern auch mindestens vom Polarwinkel um die Strahlausbreitungsrichtung abhängt. Eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung kann beispielsweise bedeuten, dass die transversale Intensitätsverteilung beispielsweise kreuzförmig ist, oder dreieckig ist oder N-eckig ist, beispielsweise fünfeckig ist. Eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung kann zudem weitere rotations- und spiegelsymmetrische Strahlquerschnitte umfassen. Insbesondere kann eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung auch eine elliptische Form aufweisen, wobei die Ellipse eine lange Achse A und eine dazu senkrechte kurze Achse B aufweist. Eine elliptische transversale Intensitätsverteilung liegt demnach vor, wenn das Verhältnis A/B größer als 1 ist, insbesondere A/B = 1,5 ist. Die elliptische transversale Intensitätsverteilung des Laserstrahls kann einer idealen mathematischen Ellipse entsprechen. Die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung des Laserstrahls kann aber auch lediglich die oben genannten Verhältnisse aus langer Hauptachse und kurzer Hauptachse aufweisen, aber eine andere Kontur aufweisen - beispielsweise eine angenäherte mathematische Ellipse, eine Hantelform oder eine andere symmetrische oder asymmetrische Kontur, die von einer mathematisch idealen Ellipse eingehüllt ist.
Da der Laserstrahl unter einem Anstellwinkel auf das Material des Werkstücks trifft, ergeben sich für einen fokussierten Strahl oder einen nicht-beugenden Strahl unterschiedliche Einfallswinkel für die Teillaserstrahlen. Nach dem Snelliusschen Brechungsgesetzt werden die Teillaserstrahlen aufgrund der unterschiedlichen Einfallswinkel unterschiedlich stark gebrochen. Demnach ergeben sich für einzelne Teillaserstrahlen im Material unterschiedliche Amplituden-, Phasen und Richtungsvariationen. Dieser Effekt wird Aberration genannt. Dadurch legen beispielsweise randnahe Teillaserstrahlen zu einem Fokuspunkt unter der Materialoberfläche eine andere optische Weglänge zurück als axiale Teillaserstrahlen, wodurch sich beispielsweise Phasendifferenzen ergeben können. Dies führt letztendlich dazu, dass die ursprüngliche Intensitätsverteilung des Laserstrahls verzerrt wird, sodass das Einbringen einer Materialmodifikation nur noch auf der Längenskala von wenigen Mikrometern möglich ist, oder tatsächlich unterbunden wird beziehungsweise ausbleibt.
Eine Aberrationskorrekturvorrichtung kann diese Strahlaberrationen korrigieren. Beispielsweise kann ein optischer Keil, etwa ein dreiseitiges Prisma, mit einer zweiten Seite parallel zur Oberfläche des Werkstücks orientiert sein und auf dem Werkstück anliegen oder sich in einem geringen Abstand von bis zu einem Millimeter oder bis zu 10mm über der Oberfläche des Materials befinden. Die erste Seite des dreiseitigen Prismas ist hierbei durch den Prismenwinkel zur zweiten Seite angestellt. Zudem fällt der Laserstrahl senkrecht auf die erste Prismenfläche.
Indem der Laserstrahl beim Eintritt in das dreiseitige Prisma durch den senkrechten Einfall nicht oder nur wenig gebrochen wird, der Laserstrahl beim Übergang von dem dreiseitigen Prisma in das Material des Werkstücks wegen der geringen Brechungsindexdifferenz kaum gebrochen wird, und weil die Propagationslängen in Medien mit unterschiedliche Brechungsindex reduziert sind, ist die optische Aberration deutlich reduziert. Daher wird idealerweise der auch der Abstand von Prisma zur Materialoberfläche so klein wie möglich gehalten.
Optische Aberrationen, insbesondere Phasenaberrationen, lassen sich beispielsweise durch Astigmatismus oder Koma beschreiben, die insbesondere aus dem optischen Aufbau stammen, welcher zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird. Die Aberrationskorrekturvorrichtung kann somit eine Vielzahl von optischen Aberrationen kompensieren.
Zu diesem Zweck kann die in Strahlausbreitungsrichtung erste Seite der Aberrationskorrekturvorrichtung eine Zylinderform aufweisen oder zylindrisch gewölbt sein. Insbesondere entspricht die erste Seite der Aberrationskorrekturvorrichtung damit in der Wirkung der eine Zylinderlinse. Eine Zylinderlinse bricht den Laserstrahl in asymmetrischer Art und Weise, so dass damit der Ausprägung von Astigmatismus und Koma entgegengewirkt werden kann. Die Zylinderlinse kann beispielsweise eine kommerziell erhältliche Zylinderlinse sein, so dass für die Realisierung der Aberrationskorrekturvorrichtung nicht auf teure Spezialanfertigungen zurückgegriffen werden muss.
Die zweite Seite der Aberrationskorrekturvorrichtung kann ebenfalls eine Zylinderform aufweisen, sie kann aber auch wie im obigen Beispiel plan sein. In jedem Fall ist die zweite Seite der Aberrationskorrekturvorrichtung die letzte Oberfläche im Strahlengang des Laserstrahls, bevor die Laserpulse in das Material des Werkstücks eingebracht werden. Damit ist eine weitere optische Beeinflussung der Intensitätsverteilung durch optische Elemente im Strahlengang ausgeschlossen. Dementsprechend kann mit der Aberrationskorrekturvorrichtung eine höhere und aberrationsreduzierte Laserstrahlform im Material des Werkstücks zur Verfügung gestellt werden, so dass eine qualitativ hochwertigere Materialbearbeitung insbesondere Trennung erfolgen kann.
Insbesondere kann die Aberrationskorrekturvorrichtung auch einteilig in Form eines Zylinderkeils ausgebildet sein.
Dadurch werden mit einem einzigen optischen Element die erste Seite und die zweite Seite der Aberrationskorrekturvorrichtung bereitgestellt, so dass der Justageaufwand, die Vorrichtungskosten und der Wartungskosten verringert werden können
Die durch die Laserpulse eingebrachten Materialmodifikationen können Typ III Modifikationen sein, welche mit einer Rissbildung des transparenten Materials assoziiert sind.
Dadurch können in dem Material Sollbruchstellen erzeugt werden, beziehungsweise das Material kann entlang der Materialmodifikationsfläche quasi perforiert werden. Die durch die Voids begünstigte Rissbildung ermöglicht hierbei, dass eine Rissausbreitung zwischen benachbarten Materialmodifikationen stattfinden kann, wie weiter unten eingehender erklärt wird. Bevorzugt findet diese Rissbildung in der Materialmodifikationsfläche statt, so dass die Materialmodifikationsfläche zur Trennfläche wird.
Durch die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung wird zudem auch die Materialmodifikation im Querschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung im Material ebenfalls nicht-radial-symmetrisch. Hierbei entspricht die Form der Materialmodifikation der Intensitätsverteilung des nicht-beugenden Strahls im Material des Werkstücks.
Bei nicht-beugenden Strahlen gibt es insbesondere Bereiche hoher Intensität, die mit dem Material wechselwirken und Materialmodifikationen einbringen und Bereiche, die unterhalb der sogenannten Modifikationsschwelle liegen. Die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung bezieht sich hierbei auf die Intensitätsmaxima die über der Modifikationsschwelle liegen.
Die nicht-radialsymmetrischen Typ III Materialmodifikationen, weisen demnach eine Vorzugsrichtung auf, die parallel zur elongierten Achse der Materialmodifikationen verläuft. Typischerweise findet demnach eine Rissbildung oder Rissinduktion dann entlang dieser Vorzugsrichtung. Beispielsweise findet eine Rissausbreitung hauptsächlich in Richtung einer langen Achse einer elliptischen Typ III Materialmodifikation statt, da dort die Kontur der Materialmodifikation eine kleinere Krümmung aufweist, so dass hier die Spannungsspitzen bevorzugt in Form eines Risses in das Material relaxieren.
Insbesondere kann somit eine gezielte Rissführung durch eine entsprechende Orientierung der nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationen im Material begünstigt werden, so dass beispielsweise durch die Orientierung der Vorzugsrichtung eine Rissbildung tangential zur Trennlinie orientiert ist.
Ist die Vorschubrichtung zwischen nicht-beugendem Laserstrahl und Werkstück beispielsweise parallel zur kurzen Achse der transversalen Intensitätsverteilung, dann ist ein Treffen der Risse benachbarter Materialmodifikationen unwahrscheinlich, da die Rissbildung bevorzugt senkrecht zur Vorschubrichtung verläuft. Ist die Vorschubrichtung hingegen parallel zur langen Achse, bezüglich der die Rissbildung bevorzugt stattfindet, dann ist es wahrscheinlich, dass sich die Risse benachbarter Materialmodifikationen treffen und vereinen. Durch die Orientierung des Strahlquerschnitts und/oder des Werkstücks kann so auch bei geschwungenen Trennlinien eine gezielte Rissführung über die gesamte Länge der Trennlinie sichergestellt werden. Dadurch ist es möglich das Material entlang beliebig geformter Trennlinien zu trennen.
Die Trennung entlang der Materialmodifikationsfläche erfolgt hierbei durch einen Trennschritt, so dass das Werkstück in den Bulk-Teil und den sogenannten Abschnitt des Werkstücks geteilt wird.
Der Trennschritt kann hierbei eine mechanische Trennung und/oder einen Ätzvorgang und/oder eine thermische Beaufschlagung und/oder einen Selbsttrennungsschritt umfassen.
Eine thermische Beaufschlagung kann beispielsweise eine Erwärmung des Materials oder der Trennlinie sein. Beispielsweise kann die Trennlinie mittels eines Dauerstrich-CO2-Lasers lokal erwärmt werden, so dass sich das Material im Materialmodifikationsbereich unterschiedlich im Vergleich zum unbehandelten bzw. unmodifizierten Material ausdehnt. Es kann aber auch sein, dass eine thermische Beaufschlagung durch einen Heißluftstrom realisiert wird, oder durch ein Ausbacken auf einer Heizplatte oder durch das Beheizen des Materials in einem Ofen. Insbesondere können in dem Trennschritt auch Temperaturgradienten aufgebracht werden. Die durch die Materialmodifikation begünstigten Risse erfahren dadurch ein Risswachstum, so dass sich eine durchgehende und unverhakte Trennfläche ausbilden kann, durch welche die Teile des Werkstücks voneinander getrennt sind.
Eine mechanische Trennung kann durch Aufbringen einer Zug- oder Biegespannung, beispielsweise durch das Aufbringen einer mechanischen Belastung auf die durch die Trennlinie separierten Teile des Werkstücks erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Zugspannung aufgebracht werden, wenn auf die durch die Trennlinie separierten Teile des Werkstücks in der Materialebene entgegengesetzte Kräfte an je einem Kraftangriffspunkt wirken, die jeweils von der Trennlinie weg zeigen. Sind die Kräfte nicht parallel beziehungsweise antiparallel zueinander ausgerichtet, so kann dies zum Entstehen einer Biegespannung beitragen. Sobald die Zug- oder Biegespannungen größer als die Bindungskräfte des Materials entlang der Trennfläche sind, wird das Werkstück entlang der Trennfläche getrennt. Insbesondere kann eine mechanische Änderung auch durch eine pulshafte Einwirkung auf den abzutrennenden Teil erreicht werden. Beispielsweise kann durch einen Stoß eine Gitterschwingung im Material erzeugt werden. Durch die Auslenkung der Gitteratome können so ebenfalls Zug- und Druckspannungen erzeugt werden, die eine Rissbildung auslösen können.
Das Material kann auch durch Ätzen mit einer nasschemischen Lösung getrennt werden, wobei der Ätzprozess das Material bevorzugt an der Materialmodifikation, also der gezielten Materialschwächung, ansetzt. Indem bevorzugt die durch die Materialmodifikation geschwächten Teile des Werkstücks geätzt werden, führt dies zu einem Trennen des Werkstücks entlang der Trennfläche.
Insbesondere kann auch durch eine gezielte Rissführung durch die Orientierung der Materialmodifikationen im Material eine sogenannte Selbsttrennung durchgeführt werden. Die Rissbildung von Materialmodifikation zu Materialmodifikation ermöglicht dabei eine vollflächige Trennung der beiden Teile des Werkstücks, ohne dass ein weiterer Trennschritt durchgeführt werden muss.
Dies hat den Vorteil, dass für das jeweilige Material des Werkstücks ein ideales Trennverfahren ausgewählt werden kann, so dass eine Trennung des Werkstücks mit einer hohen Güte der Trennkante einhergeht.
Die Materialmodifikationen können zwei Seiten des Werkstücks, welche in sich schneidenden Ebenen liegen, durchdringen und durch den Trennschritt eine geformte Kante, bevorzugt ein Chamfer und/oder ein Bevel erzeugen.
Zwei Seiten liegen in sich schneidenden Ebenen, wenn die Flächennormalen der Ebenen nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Bei einem Quader liegen beispielsweise zwei Seiten in sich schneidenden Ebenen, wenn die Seiten durch eine Kante des Quaders verbunden werden können. Bei einem scheibenförmigen Material liegt die Umfangsfläche der Scheibe gewissermaßen in einer sich schneidenden Ebene mit der Oberseite und der Unterseite der Scheibe. Zumindest lokal gesehen ergibt sich auch bei einer Scheibe in der Einfallsebene des Laserstrahls ein rechteckiger Querschnitt.
Die Materialmodifikationen durchdringen beide aneinander anliegenden Seiten. Durchdringen bedeutet hierbei das die Materialmodifikation auf der einen Seite anfängt und in Strahlausbreitungsrichtung auf der anderen Seite aufhört. Es kann aber auch bedeuten, dass die Materialmodifikation lediglich innerhalb des Materials des Werkstücks verläuft, um Materialausbrüche an der Oberfläche zu vermeiden. In diesem Fall muss jedoch ein großer Teil der Strecke des Lasers zwischen den zwei Seiten mit Materialmodifikationen modifiziert sein. Beispielsweise kann es durch eine strategisch sinnvolle Positionierung der Materialmodifikationen im Material ausreichen nur auf einem Drittel der Strecke Materialmodifikationen einzubringen. Es kann aber auch sein, dass eine Materialmodifikation über die gesamte Strecke zwischen den Seiten durchgängig ist.
Dadurch entsteht in der Einfallsebene des Laserstrahls, in der der einfallende und der gebrochene Strahl liegt, ein Abschnitt des Werkstücks. Beispielsweise kann bei einem Quader dieser Abschnitt dreieckig sein. Ein dreieckiger Abschnitt des Werkstücks weist eine sogenannte Hypotenuse auf, die der abzutrennenden Kante gegenüberliegt. Hierbei ist die Länge der Hypotenuse durch die Länge der Materialmodifikationen im Werkstück gegeben. Zudem ist der Abstand einer an die Hypotenuse des Abschnitts anschließenden Seite durch den Abstand der Trennlinie zur Kante des Werkstücks gegeben.
Indem die Materialmodifikationen zwei Seiten des Materials durchdringen, wird die Sollbruchstelle über der gesamten Hypotenusenlänge eingebracht. Dadurch wird in einem folgenden Trennschritt das Werkstück entlang der Materialmodifikationsfläche getrennt.
Die Materialmodifikationsfläche wird nach dem Trennen zur sogenannten geformten Kante des Materials. Eine geformte Kante des Werkstücks untergliedert sich in sogenannte Chamfer und Bevel. Unter einem Chamfer des Werkstücks wird hierbei ein Abkanten verstanden, bei dem die ursprüngliche Kante des Quaders durch zwei Kanten ersetzt wird. Dadurch wird die ursprüngliche Kante entschärft, beziehungsweise ein Übergangsbereich von einer ersten Quaderseite zu einer zweiten Quaderseite geschaffen. Ein Bevel wird hingegen erzeugt, wenn entweder die Hypotenuse des Abschnitts mit einer Kante des Werkstücks zusammenfällt oder allgemein, wenn eine Seite des dreieckigen Abschnitts mit mindestens einer parallel dazu verlaufenden Seitenlänge des Werkstücks übereinstimmt.
Die Hypotenuse des Chamfers und/oder des Bevels kann zwischen 50µm und 2mm groß sein.
Das hat den Vorteil, dass dadurch das Werkstück in einer optisch besonders ansprechenden und qualitativ hochwertig wirkenden Art und Weise abgefast werden kann. Zudem können somit auch dickere Werkstücke abgefast werden. Durch das Bereitstellen einer geformten Kante, eines Chamfers oder eines Bevels kann weiterhin eine stabilere Kante erreicht werden, die bei der Weiterverarbeitung, beim Einbau oder in Verwendung bei einem Endkunden nicht so einfach absplittert, wie eine Kante mit einem 90° Winkel.
Der Laserstrahl kann ein nicht-beugender Laserstrahl sein.
Unter nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung, propagationsinvariant ist. Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs einer longitudinalen Richtung und/oder Propagationsrichtung der Strahlen im Wesentlichen konstant.
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. Zudem wird unter der Intensitätsverteilung stets der Teil der Intensitätsverteilung des Laserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Materials ist. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass nur einige oder nur wenige Intensitätsmaxima des nicht-beugenden Strahls eine Materialmodifikation in das Material des Werkstücks einbringen können. Dementsprechend kann für die Intensitätsverteilung auch das Wort Fokuszone verwendet werden, um zu verdeutlichen, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender 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.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Intensitätsverteilung haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Intensitätsverteilung sind. Insbesondere können dadurch in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikationen erzeugt werden, so dass diese besonders einfach zwei Seiten des Werkstücks durchdringen können.
Insbesondere lassen sich mittels nicht-beugender Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen, die eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung aufweisen. Elliptische nicht-beugende Strahlen weisen hierbei spezielle Eigenschaften auf, die sich aus der Analyse der Strahlintensität ergeben. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht-beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.
In der Projektion der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung auf die Oberfläche des Werkstücks können die erste Achse und die zweite Achse durch den Anstellwinkel gleich groß erscheinen.
Die mathematische Projektion der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung unter dem Anstellwinkel auf die Oberfläche des Werkstücks, kann zu Verzerrungen der Intensitätsverteilung führen. So kann beispielsweise aus einer ursprünglich elliptischen Intensitätsverteilung eine runde Intensitätsverteilung auf dem Werkstück entstehen. Insbesondere kann dadurch jedoch auch erreicht werden, dass durch eine ursprünglich runde Intensitätsverteilung eine elliptische Projektion auf der Oberfläche des Werkstücks realisiert wird. Dadurch werden Materialmodifikationen in das Material eingebracht, welche die Intensitätsverteilung aufweisen, die sich durch die Projektion unter dem Anstellwinkel auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben.
Dadurch ist es jedoch auch möglich, dass durch die Projektion einer vorher gewählte Vorzugsrichtung der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung verzerrt wird und so die Vorzugsrichtung von der tatsächlich wirksamen Intensitätsverteilung abweicht.
In einer Ausführungsform ist es daher bevorzugt, dass die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung durch den Anstellwinkel rund erscheint. Insbesondere bedeutet das, dass im Fall einer ursprünglich elliptischen transversalen Intensitätsverteilung, durch die Projektion die lange Achse A und die kurze Achse B der Ellipse gleich groß erscheinen. Dadurch wirkt effektiv eine runde Intensitätsverteilung zur Erzeugung der Materialmodifikationen.
Die Projektion der nicht-radialsymmetrischen Intensitätsverteilung auf die Oberfläche des Werkstücks kann in Vorschubrichtung elongiert sein.
Dadurch ist es möglich, die Verzerrung durch die Projektion der Intensitätsverteilung auf die Oberfläche des Werkstücks so zu steuern, dass die Vorzugsrichtung des wirksamen Strahlprofils in Vorschubrichtung zeigt. Indem die Vorzugsrichtung in Richtung der Vorschubrichtung zeigt und somit parallel zur Trennlinie verläuft, kann das Werkstück besonders einfach und mit besonders hoher Qualität entlang der daraus entstehenden Materialmodifikationsfläche getrennt werden.
Das Verhältnis der ersten Achse zur zweiten Achse der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung kann größer als der Kehrwert des Kosinus des Anstellwinkels sein.
Angenommen, ein Laserstrahl fällt unter dem Anstellwinkel auf eine Oberfläche, wobei die erste Achse der transversalen Intensitätsverteilung parallel zur Oberfläche des Werkstücks verläuft und senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls liegt und die zweite Achse in der Einfallsebene liegt. Des Weiteren sei die erste Achse die lange Achse und die zweite Achse die kurze Achse der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung. Dann wird durch die Projektion der zweiten Achse auf die Oberfläche des Werkstücks die effektive Länge um den Faktor des Kehrwerts des Anstellwinkels vergrößert.
Wenn beispielsweise die zweite Achse 10µm groß ist und der Anstellwinkel 60° beträgt, dann ist die Projektion der zweiten Achse auf die Oberfläche des Werkstücks 10µm / cos (60°) = 20µm groß.
Des Weiteren wird die erste Achse der transversalen Intensitätsverteilung durch die Projektion nicht vergrößert, da sie senkrecht zur Einfallsebene steht. Das Strahlprofil hat demnach eine gleich große erste Achse.
Wenn beispielsweise die erste Achse im Beispiel oben 20µm groß ist, dann ist sie nach der Projektion ebenfalls 20µm groß. Insgesamt ergibt sich damit aber eine runde Strahlform auf der Oberfläche des Werkstücks.
Wenn beispielsweise die erste Achse im Beispiel oben 15µm groß ist, dann ist die nach der Projektion ebenfalls 15µm groß, jedoch ist die zweite Achse auf 20µm angewachsen. Somit werden Materialmodifikationen erzeugt, die eine Vorzugsrichtung aufweise die in der Einfallsebene des Laserstrahls liegt. Insbesondere hat sich durch die Projektion die Vorzugsrichtung von der ersten Achse zur zweiten Achse gedreht.
Durch die Wahl des Verhältnisses von erster zu zweiter Achse, welche größer als der Kehrwert des Kosinus des Anstellwinkels ist, wird daher sichergestellt, dass die ursprünglich intendierte Ausrichtung der Intensitätsverteilung auch bei der Projektion des Strahls auf die Oberfläche des Werkstücks erhalten bleibt.
Das Verhältnis von erster Achse zur zweiten Achse kann größer als $\sqrt{2}$
sein.
Dadurch ist insbesondere bei einem Anstellwinkel von 45° gewährleistet, dass die ursprünglich intendierte Ausrichtung der transversalen Intensitätsverteilung erhalten bleibt. Insbesondere gilt 1 $/ cos (45 °) = \sqrt{2},$
sodass das Achsverhältnis entsprechend gewählt wird. Dadurch bleibt die Vorzugsrichtung durch die Materialmodifikation auch bei der Projektion des Strahls auf die Oberfläche des Werkstücks erhalten.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann zwischen 10µJ und 50mJ groß sein, und/oder die mittlere Laserleistung kann zwischen 1W und 1kW groß sein, und/oder die Laserpulse können Einzellaserpulse oder Teil eines Laserbursts sein und/oder die Wellenlänge des Lasers kann zwischen 300nm und 1500nm groß, insbesondere 1030nm groß sein.
Das hat den Vorteil, dass für verschiedene Materialien optimale Laserparameter bereitgestellt werden können.
Beispielsweise kann der Ultrakurzpulslaser Einzellaserpulse mit einer Pulsenergie von 100µJ bereitstellen, wobei die mittlere Laserleistung 5W beträgt und die Wellenlänge des Lasers 1030nm groß ist.
Ein Laserburst kann 2 bis 20 Laserpulse umfassen, wobei die Laserpulse des Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 10ns bis 40ns, bevorzugt 20ns aufweisen.
Beispielsweise kann eine Laserburst 10 Laserpulse umfassen und der zeitliche Abstand der Laserpulse kann 20ns betragen. In diesem Fall beträgt die Repetitionsfrequenz der Laserpulse 50 MHz. Die Laserbursts können hierbei mit der Repetitionsfrequenz der Einzellaserpulse in der Größenordnung von 100kHz abgegeben werden.
Durch die Verwendung von Laserbursts kann auf die materialspezifischen Wärmeeigenschaften eingegangen werden, so dass eine geformte Kante mit besonders großer Oberflächenqualität erzeugt werden kann.
Der einfallende Laserstrahl kann parallel zur Einfallsebene polarisiert sein.
Die Brechung des Laserstrahls beim Übergang vom umgebenden Medium in das Material hängt nicht nur vom Anstellwinkel und den Brechungsindizes ab. Eine große Rolle spielt hierbei auch die Polarisation des Laserstrahls. Durch die sogenannten Fresnel-Gleichungen kann gezeigt werden, dass die Transmission eines parallel zur Einfallsebene polarisierten Laserstrahls durch ein Material für einen Einfallswinkel von über 10° stets größer ist, als die Transmission eines senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Laserstrahls.
Insbesondere können so mit einer P-Polarisation Reflexionsverluste des Laserstrahls minimiert werden, um eine optimale Energieausbeute für den Trennprozess im Material zu realisieren. Zudem kann bei Einfall des Laserstrahls unter dem Brewster-Winkel eine besonders vorteilhafte EnergieEinkopplung in das Material erzielt werden.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Trennen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Trennen eines ein transparentes Material umfassenden Werkstücks vorgeschlagen, umfassend einen Ultrakurzpulslaser, der dazu eingerichtet ist ultrakurze Laserpulse bereitzustellen, eine Bearbeitungsoptik, die dazu eingerichtet ist die Laserpulse in das transparente Material des Werkstücks einzubringen, und eine Vorschubvorrichtung, die dazu eingerichtet ist den Laserstrahl aus Laserpulsen und das Werkstück relativ zueinander entlang einer Trennlinie mit einem Vorschub zu bewegen und die optische Achse der Bearbeitungsoptik relativ zur Oberfläche des Werkstücks unter einem Anstellwinkel zu orientieren. Erfindungsgemäß ist eine Aberrationskorrekturvorrichtung dazu eingerichtet, die Aberration der Laserpulse beim Eintritt in das Material des Werkstücks zu reduzieren, wobei die Laserpulse unter einem Anstellwinkel auf das Werkstück gebracht werden und der Laserstrahl eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung aufweist, wobei die transversale Intensitätsverteilung in einer ersten Achse elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse erscheint, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse ist.
Eine Bearbeitungsoptik kann beispielsweise ein optisch abbildendes System sein. Beispielsweise kann eine Bearbeitungsoptik aus einer oder mehreren Komponenten bestehen. Eine Komponente kann beispielsweise eine Linse sein, oder eine optisch abbildende Freiformfläche oder eine Fresnelsche Zonenplatte. Durch die Bearbeitungsoptik kann insbesondere die Einbringtiefe der Intensitätsverteilung in das Material des Werkstücks bestimmt werden. Gewissermaßen kann die Platzierung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung eingestellt werden. So kann beispielsweise durch ein Verstellen der Bearbeitungsoptik eine Fokuszone auf die Oberfläche des Werkstücks gelegt werden, oder bevorzugt in das Material des Werkstücks gelegt werden. Beispielsweise kann dadurch die Fokuszone so eingestellt werden, dass der Laserstrahl zwei aneinander anliegende Seiten durchdringt und somit eine Materialmodifikation entsteht, die mittels eines Trennschritts ein vollflächiges Trennen des Werkstücks erlaubt.
Die Vorschubvorrichtung kann hierbei beispielsweise ein XY- oder ein XYZ-Tisch sein, um den Auftreffort der Laserpulse auf dem Werkstück zu variieren. Die Vorschubvorrichtung kann hierbei das Werkstück und/oder den Laserstrahl so bewegen, dass die Materialmodifikationen nebeneinander in das Material des Werkstücks entlang der Trennlinie eingebracht werden können.
Eine Vorschubvorrichtung kann ebenfalls eine Winkelverstellung aufweisen, so dass das Werkstück und der Laserstrahl um alle Euler-Winkel relativ zueinander gedreht werden kann. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass der Anstellwinkel entlang der gesamten Trennlinie eingehalten werden kann.
Insbesondere wird hierbei als Anstellwinkel auch der Winkel zwischen der optischen Achse der Bearbeitungsoptik und der Oberflächennormalen des Materials des Werkstücks verstanden. Der Anstellwinkel der optischen Achse der Bearbeitungsoptik und der Oberflächennormalen kann hierbei beispielsweise zwischen 0 und 60° betragen.
Eine Strahlformoptik kann aus dem Laserstrahl einen nicht-beugenden Laserstrahl formen.
Die Strahlformoptik kann beispielsweise als ein diffraktives optisches Element (DOE), eine Freiformoberfläche in reflektiver oder refraktiver Ausführung oder ein Axicon oder ein Microaxicon ausgebildet sein, oder eine Kombination mehrerer dieser Komponenten oder Funktionalitäten beinhalten. Wenn die Strahlformoptik aus dem Laserstrahl vor der Bearbeitungsoptik einen nicht-beugenden Laserstrahl formt, dann kann über die Fokussierung der Bearbeitungsoptik die Einbringtiefe Intensitätsverteilung in das Material bestimmt werden. Die Strahlformoptik kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass der nicht-beugende Laserstrahl erst durch eine Abbildung mit der Bearbeitungsoptik erzeugt wird.
Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Ein diffraktives optisches Element ist ein fixes Bauteil, welches zur Herstellung genau einer Intensitätsverteilung eines nicht-beugenden Laserstrahls aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird.
Ein Axicon ist ein konisch geschliffenes optisches Element, welches aus einem einfallenden Gauß'schen Laserstrahl beim Hindurchtreten einen nicht-beugenden Laserstrahl formt. Insbesondere weist das Axicon einen Konuswinkel α auf, der gerechnet wird von der Strahleintrittsfläche zur Mantelfläche des Konus. Dadurch werden die Randstrahlen des Gaußförmigen Laserstrahls zu einem anderen Fokuspunkt gebrochen, als Achs-nahe Strahlen. Dadurch ergibt sich insbesondere eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Intensitätsverteilung.
Die transversale Intensitätsverteilung des nicht-beugenden Laserstrahls kann nicht-radialsymmetrisch sein kann, wobei die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung in einer ersten Achse elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse sein kann, und wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse ist.
Die Bearbeitungsoptik kann die Aberrationskorrekturvorrichtung umfassen.
Dies bedeutet, dass die Aberrationskorrekturvorrichtung mit der Bearbeitungsoptik relativ zum Material bewegt werden kann, um die Materialmodifikationen in das Material des Werkstücks einzubringen.
Insbesondere kann die auch bedeuten, dass die Aberrationskorrekturvorrichtung auch Teil der Bearbeitungsoptik sein kann und somit auch Aufgaben einer Bearbeitungsoptik übernehmen kann, insbesondere optische Abbildungen des Laserstrahls bereitstellen kann. Die Aberrationskorrekturvorrichtung kann daher auch als integraler Bestandteil der Bearbeitungsoptik ausgebildet sein und nicht nur als separates Korrekturelement im Strahlengang.
Im Gegensatz zu einem auf dem Material fixierten Opferkeil kann mit einer entsprechend geformten Aberrationskorrekturvorrichtung eine flexiblere Materialbearbeitung erreicht werden.
Die Bearbeitungsoptik kann ein Teleskopsystem umfassen, das dazu eingerichtet ist den Laserstrahl verkleinert und/oder vergrößert in das Material des Werkstücks einzubringen.
Eine Vergrößerung und oder eine Verkleinerung des Laserstrahls beziehungsweise dessen transversaler Intensitätsverteilung erlaubt es die Lasterstrahlintensität auf eine große oder kleine Fokuszone zu verteilen. Durch das Verteilen der Laserenergie auf eine große oder kleine Fläche wird die Intensität angepasst, so dass insbesondere durch die Vergrößerung und/oder Verkleinerung auch zwischen den Modifikationstypen I, II, und III gewählt werden kann.
Insbesondere können durch die Vergrößerung oder Verkleinerung der nicht-radialsymmetrischen transversale Intensitätsverteilung auch vergrößerte oder verkleinerte Materialmodifikationen in das Material des Werkstücks eingebracht werden. Indem die beispielsweise eine elliptische transversale Intensitätsverteilung verkleinert in das Material eingebracht wird, verkleinert sich auch der Krümmungsradius der damit eingebrachten Materialmodifikationen. In anderen Worten wird eine gegebene Krümmung durch eine Verkleinerung spitzer. Dadurch kann eine Rissbildung des Materials des Werkstücks begünstigt werden. Zudem kann durch eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung das optische System an die gegebenen Bearbeitungsbedingungen anpassbar, so dass die Vorrichtung flexibler eingesetzt werden kann.
Die Vorschubvorrichtung kann eine Achsvorrichtung und eine Werkstückhalterung umfassen, die dazu eingerichtet sind die Bearbeitungsoptik und das Werkstück entlang dreier Raumachsen translatorisch und um mindestens zwei Raumachsen rotatorisch relativ zu bewegen.
Eine Achsvorrichtung kann beispielsweise eine 5-Achsvorrichtung sein. Beispielsweise kann die Achsvorrichtung auch eine Roboterarm sein, der den Laserstrahl über das Werkstück führt, oder das Werkstück gegenüber dem Laserstrahl bewegt.
Indem der Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden, um die Materialmodifikationen entlang der Trennlinie einbringen zu können, ist es für eine Aufrechterhaltung des Anstellwinkels relativ zur Trennlinie notwendig, dass der Laserstrahl oder das Werkstück lokal mitrotiert werden. So ist es bei gekrümmten Trennlinie möglich, dass die Materialmodifikationsfläche stets denselben Winkel zur Oberfläche des Werkstücks aufweist.
Insbesondere ist es durch eine solche Achsvorrichtung auch gleichzeitig möglich, eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung relativ zur Trennlinie zu orientieren, so dass Materialmodifikationen erzeugt werden, deren Vorzugsrichtung parallel zur Trennlinie verlaufen und entlang dieser eine Rissbildung begünstigen.
Eine Achsvorrichtung kann des Weiteren auch weniger als 5 bewegliche Achsen umfassen, solange die Werkstückhalterung um die entsprechende Anzahl an Achsen beweglich ist. Wenn beispielsweise die Achsvorrichtung lediglich in XYZ-Richtungen verschiebbar sind, dann kann die Werkstückhalterung beispielsweise zwei rotatorische Achsen aufweisen, um das Werkstück relativ zum Laserstrahl zu rotieren.
Die Strahlanteile des Laserstrahls können maximal unter einem Einfallswinkel von 80° zur Oberflächennormale des Werkstücks auf das Werkstück treffen.
Durch die Bearbeitungsoptik konvergieren die Laserpulse zur optischen Achse, die unter dem Anstellwinkel zur Oberflächennormalen des Werkstücks orientiert ist. Dabei weisen die Teillaserstrahlen des Strahlbündels einen Winkel zur optischen Achse der Bearbeitungsoptik auf. Insbesondere können diese Winkel durch die numerische Apertur sehr große oder sehr kleine Winkel aufweisen.
Indem diese einhüllenden Teillaserstrahlen des Laserstrahlbündels nicht unter einem Winkel größer als 80° auf die Oberfläche des Werkstücks fallen, können große Reflexionsverluste vermieden werden. Nach den Fresnel-Formeln ist die Reflexion und Transmission des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstücks abhängig vom Auftreffwinkel und den Brechungsindizes. Bei einem streifenden Einfall des Laserstrahls kann nur wenig Laserlicht in das Material einkoppeln, so dass eine effektive Materialbearbeitung unterbleibt. Zudem kann dadurch die Form des nicht-beugenden Strahls negativ beeinflusst werden.
Eine Polarisationsoptik, vorzugsweise umfassend einen Polarisator und eine Wellenplatte, kann dazu eingerichtet sein die Polarisation des Laserstrahls relativ zur Einfallsebene des Laserstrahls einzustellen, bevorzugt parallel zur Einfallsebene einzustellen.
Eine Wellenplatte, insbesondere eine sogenannte Lambda/2 Platte kann die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht um einen wählbaren Winkel drehen. Dadurch ist es möglich den Laserstrahl in eine gewünschte Polarisation zu bringen.
Einen Polarisator kann beispielsweise ein Dünnfilmpolarisator sein. Der Dünnfilmpolarisator transmittiert lediglich Laserstrahlung einer bestimmten Polarisation.
Durch eine Kombination aus Wellenplatte und Polarisator kann daher stets der Polarisationszustand der Laserstrahlung kontrolliert werden.
Eine Polarisation des Laserstrahls parallel zur Einfallsebene hat gemäß den Fresnel-Formeln den Vorteil, dass die Transmission für einen Einfallswinkel von über 10° stets größer ist, als wenn der Laserstrahl senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist. Insbesondere ist die Transmission bei parallel polarisiertem Laserstrahl über einen großen Einfallswinkelbereich konstanter und gleichmäßiger als bei senkrecht polarisiertem Licht. Dadurch kann auch eine Bearbeitungsoptik verwendet werden, die eine große Numerische Apertur aufweist. Bei einem senkrecht polarisierten Laserstrahl würde es hierbei zu einer asymmetrischen Strahlreflexion an der Oberfläche des Werkstücks kommen, sodass optische Aberrationen die Qualität der Materialmodifikationen und somit der Trennfläche verschlechtern.
Eine Strahlführungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl zum Werkstück zu führen, wobei die Strahlführung über ein Spiegelsystem und/oder eine optische Faser, bevorzugt eine Hohlkernfaser erfolgt.
Eine sogenannte Freistrahlführung verwendet ein Spiegelsystem, um den Laserstrahl eines stationären Ultrakurzpulslasers in verschiedenen Raumdimensionen zur Strahlformungsoptik zu führen. Eine Freistrahlführung hat den Vorteil, dass der gesamte optische Pfad zugänglich ist, so dass beispielsweise weitere Elemente wie ein Polarisator und eine Wellenplatte unproblematisch eingebaut werden können.
Eine Hohlkernfaser ist eine photonische Faser die den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers flexibel zur Strahlformungsoptik weiterleiten kann. Durch die Hohlkernfaser entfällt das Justieren eine Spiegeloptik.
Eine Regelelektronik kann dazu eingerichtet sein aufgrund der relativen Positionen von Laserstrahl und Werkstück eine Laserpulsabgabe des Ultrakurzpulslasers auszulösen.
Bei gekrümmten oder eckigen Vorschubtrajektorien kann es sinnvoll sein, die Vorschubgeschwindigkeit lokal zu reduzieren. Bei einer konstanten Repetitionsfrequenz des Lasers kann dies jedoch dazu führen, dass benachbarte Materialmodifikationen überlappen oder das Material ungewollt erhitzt und oder aufgeschmolzen wird. Aus diesem Grund kann eine Regelelektronik die Pulsabgabe in Abhängigkeit von der relativen Position von Laserstrahl und Werkstück regeln.
Beispielsweise kann die Vorschubvorrichtung über einen ortsauflösenden Encoder verfügen, der die Position der Vorschubvorrichtung und des Laserstrahls vermisst. Aufgrund der Ortsinformation kann über ein entsprechendes Auslösesystem der Regelelektronik die Pulsabgabe eines Laserpulses beim Ultrakurzpulslaser ausgelöst werden.
Zur Realisierung der Pulsauslösung können insbesondere auch Computersysteme eigesetzt werden. Beispielsweise können für die jeweilige Trennlinie vor dem Bearbeiten des Materials die Orte der Laserpulsabgabe festgelegt werden, so dass eine optimale Verteilung der Materialmodifikationen entlang der Trennlinie gewährleistet ist.
Dadurch wird erreicht, dass der Abstand der Materialmodifikationen stets gleich groß ist, auch wenn die Vorschubgeschwindigkeit variiert. Insbesondere wird dadurch auch erreicht, dass eine gleichmäßige Trennfläche erzeugt werden kann und der Chamfer beziehungsweise Bevel eine hohe Oberflächenqualität aufweist.
Die Werkstückhalterung kann eine den Laserstrahl nicht-reflektierende und/oder nicht-streuende Oberfläche aufweist.
Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass der Laserstrahl, nachdem er das Material durchdrungen hat erneut ins Material geleitet wird und dort erneut eine Materialmodifikation hervorruft. Insbesondere kann eine nicht-reflektierende und/oder nicht-streuende Oberfläche auch die Arbeitssicherheit erhöhen.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1A, B, C, D, E eine schematische Darstellung des Verfahrens;
2A, B, C eine schematische Darstellung von Chamfer und Bevelstrukturen;
3A, B, C, D, E, F eine weitere schematische Darstellung von Chamfer und Bevelstrukturen;
4A, B, C, D, E, F eine schematische Darstellung nicht-beugenden Laserstrahls und des Arbeitsprinzips der Aberrationskorrekturvorrichtung;
5A, B, C, D, E eine weitere schematische Darstellung nicht-beugender Laserstrahlen;
6A, B eine schematische Darstellung der Rissbildung um eine Materialmodifikation;
7A, B eine schematische Darstellung der Strahlprojektion auf die Materialoberfläche;
8A, B, C, D eine weitere schematische Darstellung der Strahlprojektion auf die Materialoberfläche;
9 ein Graph zur Darstellung der Transmission in Abhängigkeit von Polarisation und Anstellwinkel;
10A, B eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit Aberrationskorrekturvorrichtung; und
11A, B, C weitere schematische Darstellungen der Vorrichtung zur Durchführung 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 1 ist schematisch das Verfahren zum Trennen eines ein transparentes Material umfassenden Werkstücks 1 gezeigt. In 1A ist ein Querschnitt eines Werkstücks 1 gezeigt, auf welches der Laserstrahl 20 eines Ultrakurzpulslasers 2 einfällt. Der Laserstrahl 20 wird hierbei unter einem Anstellwinkel α auf das Werkstück 1 eingebracht, welcher der optischen Achse der später gezeigten Bearbeitungsoptik 3 entspricht.
Der Laserstrahl 20 wird beim Übergang in das Werkstück 1 gemäß des Snellius'schen Brechungsgesetzes an der Oberfläche 10 des Werkstücks 1 gebrochen, so dass der Laserstrahl 20 im Material des Werkstücks 1 unter dem Winkel β zur Oberflächennormalen N weiterläuft. Durch das Einbringen der Laserpulse über den Laserstrahl 20 in das Werkstück 1, wird das Material des Werkstücks 1 in der Fokuszone 220 des Laserstrahls 20 erhitzt. Hierbei wird das Material des Werkstücks 1 in der Fokuszone verdampft, so dass es zu einer explosionsartigen Ausdehnung dieses Plasmazustandes in das umgebende Material des Werkstücks 1 kommt. Durch die Verdichtung an der Stoßfront dieser sogenannten Mikroexplosion kommt es dort zu Materialspannungen, während in der ursprünglichen Fokuszone 220 des Laserstrahls ein weniger dichter oder gar leerer Raum (Void) übrigbleibt. Die Modifikation des Materials des Werkstücks 1 in der Fokuszone 220 wird Materialmodifikation 5 genannt, wobei die Materialmodifikation 5 insbesondere eine Materialmodifikation des Typs III ist. In Folge der Materialspannungen wird schließlich eine Rissbildung im Material des Werkstücks 1 begünstigt.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann hierbei zwischen 10µJ und 50mJ groß sein ist, und/oder die mittlere Laserleistung kann zwischen 1W und 1kW groß sein, und/oder die Laserpulse können Einzellaserpulse oder Teil eines Laserbursts sein und/oder die Wellenlänge des Lasers kann zwischen 300nm und 1500nm groß sein. Es kann außerdem sein, dass ein Laserburst 2 bis 20 Laserpulse umfasst, wobei die Laserpulse des Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 10ns bis 40ns, bevorzugt 20ns aufweisen.
Während der Ultrakurzpulslaser 2 Laserpulse abgibt, wird der Laserstrahl 20 und das Werkstück 1 relativ zueinander mit einem Vorschub V bewegt, wie in 1B gezeigt ist. Dieser Vorschub V wird entlang einer Trennlinie 4 geführt, die bestimmt, wo das Werkstück 1 auf der Oberseite 10 getrennt werden soll. Indem der Laserstrahl 20 in dem Material des Werkstücks 1 unter dem Winkel β propagiert, werden die Materialmodifikation 5 ebenfalls unter dem Winkel β in das Material des Werkstücks 1 eingebracht. Insbesondere können die Materialmodifikationen 5 je nach Ausdehnung und Gestalt der Fokuszone 220 beziehungsweise der Intensitätsverteilung unterschiedlich geformt sein, insbesondere in Strahlausbreitungsrichtung elongiert sein.
Im Falle einer in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Materialmodifikation 5 wird durch den gleichzeitigen Vorschub V des Laserstrahls 20 im Material des Werkstücks 1 eine sogenannte Materialmodifikationsfläche 50 erzeugt, in der die Materialmodifikation 5 liegen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Materialmodifikationen 5 nicht überlappen, sondern getrennt voneinander vorliegen. Durch die Materialmodifikationsfläche 50 wird das Werkstück 1 in das sogenannte Bulk-Werkstück 1' und den sogenannten Abschnitt 12 separiert. Beispielsweise kann die Materialmodifikationsfläche 50 in einem Winkel β von betragsmäßig bis zu 35° zur Oberfläche 10 des Werkstücks 1 geneigt sein.
Durch die Materialmodifikationen 5 in der Materialmodifikationsfläche 50 wird das Material des Werkstücks 1 gewissermaßen perforiert, so dass das Werkstück 1 und der Abschnitt 12 entlang dieser Materialmodifikationsfläche 50 besonders einfach getrennt werden können.
Die eigentliche Trennung kann durch bestimmte Trennschritte realisiert werden. Beispielsweise kann durch eine mechanische Einwirkung auf den Abschnitt 12 ein spontanes Risswachstum initiiert werden, so dass der Abschnitt 12 vom Bulk-Werkstück 1' flächig getrennt werden kann.
Es kann auch sein, dass der Abschnitt 12 vom Bulk-Werkstück 1' in einem chemischen Bad getrennt wird, wie in 1C gezeigt. Beispielsweise kann es sein, dass die eingebrachten Materialmodifikationen 5 besonders anfällig für eine Ätzlösung sind, so dass der Ätzvorgang in der Materialmodifikationsfläche 50 den Abschnitt 12 vom Bulk-Werkstück 1' trennt.
Beispielsweise kann es auch sein, dass durch eine thermische Einwirkung der Abschnitt 12 vom Bulk-Werkstück 1' getrennt wird, wie in 1D gezeigt. Dafür wird das Werkstück 1 beispielsweise mit einer Heizplatte 42 oder einem Heizlaser (nicht gezeigt) erhitzt, so dass es zu einer Wärmeausdehnung des Werkstücks 1 kommt. Durch die Wärmeausdehnung des Werkstücks 1 kann es aufgrund der bereits in der Materialmodifikationsfläche 50 vorliegenden Materialspannungen zu einer Rissbildung kommen, so dass das Bulk-Werkstück 1' und der Abschnitt 12 flächig voneinander getrennt werden.
Ebenso kann es sein, dass das Werkstück 1 aufgrund einer spontanen Rissbildung, der sogenannten Selbsttrennung, zu einer Trennung ohne äußeren Einfluss kommt. Durch die Materialmodifikationen des Typs III werden Materialspannungen in das Werkstück 1 eingebracht, welche bereits mit einer Rissbildung an sich assoziiert sind. Durch diese spontane Rissbildung kann demzufolge auch bereits das Bulk-Werkstück 1 und der Abschnitt 12 getrennt werden.
Durch den oben beschriebenen Trennschritt entsteht an dem Bulk-Werkstück 1' ein sogenannter Chamfer und/oder ein Bevel, wie in 1E gezeigt. Ebenso ist die Abkantung des Werkstücks 1 als geformte Kante des Werkstücks 1 bekannt. Der Chamfer beziehungsweise Bevel werden durch die Materialmodifikationsfläche 50 gebildet, sodass sich durch den Anstellwinkel α des Laserstrahls 20, die Brechungsindizes des umgebenden Mediums und des Werkstücks 1 der Brechungswinkel β ergibt und somit auch die Ausrichtung der Materialmodifikationen 5 und schließlich des Chamfers beziehungsweise Bevels ergibt.
Um eine geformte Kante zu 14 erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die Materialmodifikationen 5 diejenigen Seiten des Werkstücks 1 durchdringt, welche die Kante bilden die abgefast werden soll. Beispielsweise bilden in 1A die Seiten 10 und 11 die Kante 110 aus, die abgefast werden soll. Die Seiten 10 und 11 des Werkstücks 1 liegen insbesondere in räumlichen Ebenen die sich schneiden, wobei die Schnittlinie der Ebenen gerade die Kante 110 des Werkstücks 1 ist.
In den 2A bis 2C sind verschiedene mögliche geformte Kanten des Materials gezeigt. In 2A schneidet die Materialmodifikationsfläche 50 das Werkstück 1, wobei die Höhe des Chamfers kleiner als die Höhe der Seite 11 ist und die Breite des Chamfers kleiner als die Seite 10 ist. Dementsprechend wird die Kante 110 durch das Abfasen durch zwei Kanten 110' und 110" ersetzt. Dadurch wird insbesondere die ursprüngliche Kante 110 abgestumpft, beziehungsweise abgeflacht.
In 2B schneidet die Materialmodifikationsfläche 50 das Werkstück 1, wobei die Höhe des Abschnitts 12 der Höhe der Seite 11 entspricht, und die Materialmodifikationsfläche 50 und die Kante 130, die durch die Unterseite 13 des Werkstücks 1 und die Seite 11 gebildet wird, zusammenfallen. In diesem Beispiel bleibt die Anzahl an Kanten konstant, jedoch wird der Winkel unter dem sich die Seiten 13 und 11 treffen spitzer. Dementsprechend kann durch das Formen eines Bevels 12 das Werkstück 1 angeschärft und/oder angespitzt werden.
In 2C schneidet die Materialmodifikationsfläche 50 das Werkstück 1, wobei die Materialmodifikationsfläche sowohl die Oberseite 10 als auch die Unterseite 13 des Werkstücks 1 schneidet. Dadurch wird die Längenausdehnung des Werkstücks 1 insgesamt reduziert und ebenso ein Anschärfen des Werkstücks 1 wie in 2B erreicht.
In jedem gezeigten Fall ist durch die Länge der Materialmodifikationen im Material die sogenannte Hypotenuse H des Abschnitts 12 gegeben.
Auch wenn sich die bisherige Beschreibung auf das Trennen von Quadern reduziert hat, so ist es mit dem Verfahren auch möglich runde Materialien 1 oder abgerundete Materialien zu trennen. Beispielsweise ist in 3A, B ein Werkstück 1 in Form einer Scheibe gezeigt. Durch den unter dem Anstellwinkel α einfallenden Laserstrahl 20 und den unter dem Winkel β gebrochenen Laserstrahl 20 wird die sogenannte Einfallsebene definiert. In dieser Einfallsebene kann die vorherige Beschreibung wortgleich übernommen werden.
In 3C ist zudem gezeigt, dass das Abfasen der Scheibe aus 3 A, B zu einem konisch zulaufenden Element führt, sodass es durch die eingebrachten Materialmodifikationen 5 möglich ist verschiedenste Formen an geformten Kanten zu erzeugen.
Ein weiteres Beispiel ist in 3D gezeigt. In das Werkstück 1 wurden umlaufend Materialmodifikationen 5 eingebracht, wobei die Trennlinie 4 gekrümmt ist und der Anstellwinkel α in der Einfallsebene stets konstant gehalten wurde. Dadurch entsteht nach dem Trennschritt ein abgerundeter Chamfer oder Bevel, die eine hohe optische Güte aufweisen.
Ein weiteres Beispiel ist in 3E gezeigt. Hierbei wurde im Unterschied zur 3D keine abgerundete Trennlinie 4 verwendet. Das Werkstück 1 wurde sukzessive an allen vier Seiten abgefast, so dass sich nach dem Trennschritt an den Ecken des Werkstücks 1 ein kristall-förmiger Chamfer ergibt. Das Verfahren ist somit auch geeignet dem Werkstück 1 einen qualitativ besonders hochwertigen Eindruck zu verleihen.
In 3F ist der Querschnitt der Materialien 1 aus 3D und 3F gezeigt. Der Querschnitt zeigt deutlich die Bildung eines Chamfers 14.
Um besonders einfach Materialmodifikationen 5 zu erzeugen, welche das Werkstück 1 zumindest abschnittsweise durchdringen, eignen sich sogenannte nicht-beugende Laserstrahlen 20. Nicht-beugende Strahlen 20 weisen bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone 220 der Länge L auf. Indem die Länge L der Fokuszone 220 größer als die Länge der gewünschten Hypotenuse H des Abschnitts 12 ist, kann das Werkstück 1 besonders einfach und effektiv abgefast werden.
In 4A ist schematisch ein durch eine Strahlformungsoptik bearbeiteter Laserstrahl 20 gezeigt. Die Teillaserstrahlen 200 des Laserstrahls 20 fallen unter einem Winkel α' zur optischen Achse 30 auf das Werkstück 1, wobei jeder Teillaserstrahl 200 gemäß seinem Winkel α' zur optischen Achse 30 gebrochen wird. Insgesamt aber steht die optische Achse 30 in diesem Beispiel des Laserstrahls 20 senkrecht zur Oberfläche 10 des Werkstücks 1, so dass der Anstellwinkel 0° beträgt. Im Werkstück 1 überlagern sich die Teillaserstrahls 200 zu einem nicht-beugenden Strahl, der eine elongierte Fokuszone 220 mit der Länge L aufweist.
In 4B ist schematisch derselbe Strahl wie in 4A gezeigt, jedoch mit nicht verschwindendem Anstellwinkel α und mit einer Aberrationskorrekturvorrichtung 7. Die Aberrationskorrekturvorrichtung 7 ist im gezeigten Beispiel ein sogenannter Zylinderkeil 70, dessen erste Seite 700 zylinderförmig ausgebildet ist und dessen zweite Seite 702 plan ausgebildet ist. Dadurch werden die optischen Aberrationen, die beim Einbringen des Laserstrahls 20 in das Material des Werkstücks 1 entstehen, deutlich reduziert. Es kann jedoch auch sein, dass die Aberrationskorrekturvorrichtung 7 mehrteilig ausgebildet ist, wobei die erste Seite 700 von einer ersten Zylinderlinse bereitgestellt wird und die zweite Seite 702 von einem zweiten optischen Element bereitgestellt wird, beispielsweise einer zweiten Zylinderlinse oder von einer konkavplanen Linse oder einer konvex-planen Linse.
Die verschiedenen longitudinalen Intensitätsverteilungen, die durch den Einsatz einer Aberrationskorrekturvorrichtung 7 erreicht werden können, sind in den 4C bis 4F gezeigt. 4C zeigt hierbei die longitudinale Intensitätsverteilung eines nicht-beugenden Laserstrahls 20 unter senkrechtem Einfall, also verschwindendem Anstellwinkel α auf das Werkstück 1. Die in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Intensitätsverteilung erlaubt es in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikationen 5 zu erzeugen, welche beispielsweise aneinander anliegende Seiten 10, 11 des Werkstücks 1 durchdringen. Sobald jedoch ohne Aberrationskorrekturvorrichtung 7 der Laserstrahl 20 angestellt wird, wie in 4D für α=15° gezeigt, fangen die Teillaserstrahlen 200 an im Material des Werkstücks 1 zu divergieren. Bei einem schrägen Einfall des Laserstrahls 20, sprich unter einem nicht verschwindenden Anstellwinkel α, kommt es im Material zu Aberrationen, da die obere Strahlhälfte unter einem Winkel α+α' und die untere Strahlhälfte unter dem Winkel α-α' auf das Werkstück 1 fällt. Dadurch kann sich die Fokuszone 220 verkürzen oder verzerren, wie gut im Vergleich zur 4C zu erkennen ist. Des Weiteren beginnt der Laserstrahl 20 nach der Fokuszone 220 zu zerfransen, wohingegen in 4C die Intensität lediglich abnimmt. In 4E ist die longitudinale Intensitätsverteilung für einen nicht-beugenden Laserstrahl für einen Anstellwinkel von α=35° gezeigt. Der Laserstrahl 20 ist hier nicht mehr in der Lage in dem Material des Werkstücks 1 eine Fokuszone 220 auszubilden, die das Einbringen einer Materialmodifikation 5 in das Werkstück erlaubt. Wird jedoch für den gleichen Anstellwinkel α=35° die Aberrationskorrekturvorrichtung 7 aus 4B in den Strahlengang des Laserstrahls vor dem Material des Werkstücks 1 gebracht, so kann die longitudinale Intensitätsverteilung des nicht-beugenden Strahls für einen Einfallswinkel von α=0° aus 4C hergestellt werden. Die Aberrationseffekte sind hierbei deutlich reduziert, so dass eine qualitativ hochwertige Trennfläche erzeugt werden kann.
In 5A ist die transversale Intensitätsverteilung beziehungsweise die Fokuszone 220 eines nicht-beugenden Laserstrahls 20 gezeigt. Der nicht-beugende Laserstrahl 20 ist ein sogenannter Bessel-Gauß-Strahl, wobei die transversale Intensitätsverteilung in der x-y-Ebene radialsymmetrisch ist, sodass die Intensität des nicht-beugenden Laserstrahls 20 nur vom radialen Abstand zur optischen Achse 30 abhängt. Insbesondere ist der Durchmesser der transversalen Intensitätsverteilung zwischen 0,25µm und 10µm groß. In 5B ist der longitudinale Strahlquerschnitt, also die longitudinale Intensitätsverteilung, gezeigt. Die longitudinale Intensitätsverteilung weist einen elongierten Bereich mit hoher Intensität auf, der etwa 3mm groß ist. Damit ist die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone 220 deutlich größer als die transversale Ausdehnung.
In 5C ist analog zu 5A ein nicht beugender Laserstrahl gezeigt, der eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung aufweist. Insbesondere erscheint die transversale Intensitätsverteilung in der y-Richtung gestreckt und nahezu elliptisch. In 5D ist die longitudinale Intensitätsverteilung des Laserstrahls 20 gezeigt, wobei die Fokuszone 220 erneut eine Ausdehnung von L = 3mm aufweist. In 5E ist ein vergrößerter Ausschnitt der transversalen Intensitätsverteilung aus 5C gezeigt, wobei sich die verschiedenen Intensitätsmaxima durch die Überlagerung der verschiedenen Teillaserstrahlen 200 ergeben. Insbesondere ist die Fokuszone 220 in horizontaler Richtung A deutlich gegenüber der vertikalen Richtung B elongiert, wobei beide Richtungen senkrecht zueinanderstehen.
Wenn ein Laserstrahl 20 mit einer solchen Fokuszone 220 in das Werkstück 1 eingebracht wird, dann weist die daraus entstehende Materialmodifikation 5 eine ebensolche Form auf. Dies ist in 6A gezeigt. Insbesondere hat die Materialmodifikation 5 dadurch eine spitze Seite und eine flache Seite, wobei die spitzen Seiten in Richtung der langen Achse A und die stumpfen Seiten in Richtung der kurzen Achse B zu finden sind. Eine Rissbildung 52 durch die Materialmodifikation 5 wird dabei in Richtung der langen Achse A erzielt, da dort die Spannungsspitzen am größten sind.
Demzufolge wird bevorzugt das die lange Achse A der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung entlang der Trennlinie 4 orientiert ist, beispielsweise tangential zur Trennlinie 4 orientiert ist, so dass die induzierte Rissbildung der Trennlinie 4 folgt. Werden nun wie in 6B die Materialmodifikationen 5 an der Trennlinie 4 orientiert, sodass die Risse 52 benachbarter Materialmodifikationen 5 überlappen, dann kann eine Selbsttrennung von Bulk-Werkstück 1' und Abschnitt 12 erfolgen. Werden die Materialmodifikationen 5 weiter voneinander entfernt, so kann ein Trennschritt notwendig sein, wie oben beschrieben.
Wird ein Laserstrahl 20 mit einer runden oder einer nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung unter einem Anstellwinkel α auf eine Oberfläche 10 des Werkstücks 1 projiziert, dann ergibt sich in der Einfallsebene eine Verzerrung der Intensitätsverteilung. Dies ist in 7 gezeigt. In 7A, B fällt der Laserstrahl 20 mit einer nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1. Beispielsweise kann die kurze Achse B in der Einfallsebene liegen, während die lange Achse A des Strahlprofils parallel zur Vorschubrichtung V liegt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Rissbildung 52 bevorzugt in Vorschubrichtung V verlaufen wird. Durch die Projektion der kurzen Achse B auf die Oberfläche 10 wird die Intensität der kurzen Achse B jedoch auf die Länge B/cos α verteilt, so dass durch die Projektion mit ansteigendem Anstellwinkel die kurze Achse B länger wird. Insbesondere kann dadurch der Fall erreicht werden, dass die Projektion der kurzen Achse B der Länge der Langen Achse A entspricht. Dann weist die erzeugte Materialmodifikation 5 keine Vorzugsrichtung für die Rissbildung mehr auf.
Beispielsweise wächst bei einem Anstellwinkel von 45° die kurze Achse auf $\sqrt{2} B$
an. Ist daher das Verhältnis A/B vor der Projektion größer als $\sqrt{2,}$
dann bleibt bei der Projektion die Orientierung der langen Achse A relativ zur Trennlinie 4 erhalten.
In 8 sind bezüglich des Einflusses der Projektion weitere Beispiele gezeigt. In 8A ist ein Bessel-Gauss-Strahl aus 5A unter senkrechtem Einfall auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1 gezeigt. Bei einem nicht-verschwindenden Anstellwinkel α, gezeigt in 8B, wird aus der radialsymmetrischen Intensitätsverteilung auf der Oberfläche 10 des Werkstücks 1 ein in eine Richtung elongierte Intensitätsverteilung, sodass die daraus entstehenden Materialmodifikationen 5 eine Vorzugsrichtung aufweisen. Durch die Projektion des Laserstrahls 20 auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1 kann sich dementsprechend eine Vorzugrichtung der Materialmodifikation 5 einstellen oder ändern. In 8C ist der Besselstrahl aus 5C gezeigt. Durch die Projektion auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1, bleibt die Ausrichtung der langen Achse A erhalten, so dass sich die Orientierung der Vorzugsrichtung der Rissausbreitung der daraus entstehenden Materialmodifikation 5 nicht ändert. Das A/B ist hierbei kleiner als der Kehrwert des Kosinus des Anstellwinkels α.
Der Laserstrahl 20 kann insbesondere polarisiert sein, bevorzugt parallel zur Einfallsebene polarisiert sein, um Reflexionsverluste zu minimieren. In 9 ist hierzu die Transmission von Laserstrahlung durch ein Werkstück 1 bei paralleler und senkrechter Polarisation zur Einfallsebene gemäß den Fresnelschen Formeln dargestellt. Hierbei ist insbesondere auf der X-Achse der Anstellwinkel α dargestellt, jedoch weisen die Teillaserstrahlen 20 gemäß 4A einen Konvergenzwinkel α' relativ zur optischen Achse 30 auf.
Beispielsweise fallen bei einem Anstellwinkel α=50° und einem Konvergenzwinkel von α'=20° die Teillaserstrahlen 200 in einem Winkelbereich von α-α'=30° bis α+α'=70° auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1. Dadurch bewegt sich die Transmission bei parallelem Einfall zwischen 96% und 94% während sie bei senkrechtem Einfall zwischen 95% und 70% variiert. Die Variation für senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Laserstrahlen 20 ist demzufolge deutlich stärker als für parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht. Zur Reduktion von Reflexionsverlusten ist es daher besonders vorteilhaft, wenn die Teillaserstrahlen 200 unter einem Winkel von weniger als 80° zur Oberflächennormalen N auf das Werkstück 1 treffen.
In 10A ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt. Hierbei werden die Laserpulse vom Ultrakurzpulslasers 2 bereitgestellt und durch eine Polarisationsoptik 32 durch eine Strahlformungsoptik 34 gelenkt. Von der Strahlformungsoptik 34 wird der Laserstrahl 20 zur Aberrationskorrekturvorrichtung 7 gelenkt, wobei die optische Achse 30 der Bearbeitungsoptik 3 unter dem Anstellwinkel α zur Oberflächennormalen N des Werkstücks 1 orientiert ist.
Die Polarisationsoptik 32 kann hierbei einen Polarisator umfassen, der den vom Ultrakurzpulslaser 2 ausgesendeten Laserstrahl 20 polarisiert, so dass dieser lediglich eine wohldefinierte Polarisation aufweist. Eine folgende Lambda/2-Platte kann die Polarisation des Laserstrahls 20 dann schließlich so drehen, dass der Laserstrahl 20 bevorzugt parallel zur Einfallsebene polarisiert in das Werkstück 1 eingebracht werden kann.
Die Strahlformungsoptik 34 ist im gezeigten Beispiel ein Axicon, um den einfallenden Laserstrahl 20 zu einem nicht-beugenden Laserstrahl zu formen. Das Axicon kann aber auch durch andere Elemente ersetzt werden, um einen nicht-beugenden Strahl zu erzeugen. Das Axicon erzeugt aus dem vorzugsweise kollimierten Eingangsstrahl, einen konisch zulaufenden Laserstrahl 20. Die Strahlformungsoptik 34 kann dem einfallenden Laserstrahl 20 hierbei auch eine nicht-radialsymmetrische Intensitätsverteilung aufprägen.
Der nicht-beugende Laserstrahl 20 wird schließlich über die Aberrationskorrekturvorrichtung 7 in das Material des Werkstücks 1 eingebracht.
Eine alternative Ausführungsform ist in 10B gezeigt. Hier wird der nicht-beugende Laserstrahl über eine Teleskopoptik 36, welche hier aus zwei optischen Elementen 360, 362 besteht, in das Werkstück 1 abgebildet werden, wobei die Abbildung eine vergrößernde oder eine verkleinernde Abbildung sein kann. Insbesondere ist die Aberrationskorrekturvorrichtung 7 Teil der Bearbeitungsoptik, beziehungsweise des zweiten optischen Elements 362.
In beiden 10A, B ist zudem die zylinderförmige Seite der Aberrationskorrekturvorrichtung 7 die erste Seite 700 in Strahlausbreitungsrichtung. Zudem ist die zweite Seite 702 plan und die letzte Oberfläche im Strahlengang des Laserstrahls 20, bevor der Laserstrahl 20 in das Material des Werkstücks 1 eingebracht wird. Dadurch kann ein weiterer aberrativer Einfluss nachstehender optischer Elemente verhindert werden.
Zudem ist die Aberrationskorrekturvorrichtung 7 in einer Einschubkassette 72 wechselbar eingebracht. Wenn die Aberrationskorrekturvorrichtung 7 nahe an der Fokuszone 22 angeordnet ist, kann sie besonders starken thermischen Belastungen ausgesetzt sein, so dass sie mit fortschreitender Bearbeitungszeit Schaden nimmt beziehungsweise selbst modifiziert wird. Um einen einfachen Wechsel der Aberrationskorrekturvorrichtung 7 zu ermöglichen kann eine Aberrationskorrekturvorrichtung 7 über eine Einschubkassette 72 gewechselt werden, ohne dass die optische Justage von Grund auf neu durchgeführt werden muss. Bevorzugt bleibt die optische Justage aber erhalten.
In 11A ist eine Vorschubvorrichtung 6, die dazu eingerichtet ist die Bearbeitungsoptik 3 und das Werkstück 1 entlang dreier Raumachsen translatorisch zu bewegen und um zwei Raumachsen rotatorisch zu bewegen. Der Laserstrahl 20 des Ultrakurzpulslasers 2 wird durch eine Bearbeitungsoptik 3 auf das Werkstück 1 gelenkt. Das Werkstück 1 ist hierbei auf einer Auflagefläche der Vorschubvorrichtung 6 angeordnet, wobei die Auflagefläche die Laserenergie, die das Material nicht absorbiert, bevorzugt weder reflektiert, noch absorbiert noch stark zurück in das Werkstück 1 streut.
Insbesondere kann der Laserstrahl 20 durch eine Strahlführungsvorrichtung 38 in die Bearbeitungsoptik 3 eingekoppelt werden. Hierbei kann die Strahlführungsvorrichtung eine Freiraumstrecke mit einem Linsen- und Spiegelsystem sein, wie in 11A gezeigt. Die Strahlführungsvorrichtung 38 kann aber auch eine Hohlkernfaser mit Einkoppel- und Auskoppeloptik sein, wie in 11B gezeigt.
Im vorliegenden Beispiel in 11A wird der Laserstrahl 20 durch eine Spiegelkonstruktion in Richtung des Werkstücks 1 gelenkt und von der Bearbeitungsoptik 3 in das Werkstück 1 eingebracht. Im Werkstück 1 verursacht der Laserstrahl 20 Materialmodifikationen 5. Die Bearbeitungsoptik 3 kann mit der Vorschubvorrichtung 6 relativ zum Material bewegt und eingestellt werden, sodass beispielsweise eine Vorzugsrichtung beziehungsweise eine Symmetrieachse der transversalen Intensitätsverteilung des Laserstrahls 20 an die Vorschubtrajektorie und somit die Trennlinie 4 angepasst werden kann.
Die Vorschubvorrichtung 6 kann hierbei das Werkstück 1 unter dem Laserstrahl 20 mit einem Vorschub V bewegen, so dass der Laserstrahl 20 Materialmodifikationen 5 entlang der gewünschten Trennlinie 4 einbringt. Insbesondere umfasst in der gezeigten 11A die Vorschubvorrichtung 6 einen erstes Achssystem 60 aufweisen, mit dem der das Werkstück 1 entlang der XYZ Achsen bewegen und gegebenenfalls rotiert werden kann. Insbesondere kann die Vorschubvorrichtung 6 auch eine Werkstückhalterung 62 aufweisen, die dazu eingerichtet ist das Werkstück 1 zu haltern. Gegebenenfalls kann die Werkstückhalterung ebenfalls Bewegungsfreiheitsgrade aufweisen, sodass die lange Achse einer nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung stets tangential zur gewünschten Trennlinie 4 orientiert sein kann.
Zu diesem Zweck kann die Vorschubvorrichtung 6 auch mit einer Regelelektronik 64 verbunden sein, wobei die Regelelektronik 64 die Nutzerbefehle eines Benutzers der Vorrichtung in Steuerbefehle für die Vorschubvorrichtung 6 umsetzt. Insbesondere können vordefinierte Schnittmuster in einem Speicher der Regelelektronik 64 gespeichert sein und durch die Regelelektronik 64 die Prozesse automatisch gesteuert werden.
Die Regelelektronik 64 kann insbesondere auch mit dem Ultrakurzpulslaser 2 verbunden sein. Die Regelelektronik 64 kann hierbei die Ausgabe eines Laserpulses oder Laserpulszuges anfordern oder auslösen. Die Regelelektronik 64 kann auch mit anderen genannten Komponenten verbunden sein und so die Materialbearbeitung koordinieren.
Insbesondere kann so eine positionsgesteuerte Pulsauslösung realisiert werden, wobei beispielsweise ein Achsencoder 600 der Vorschubvorrichtung 6 ausgelesen wird und das Achsencoder-Signal von der Regelelektronik 64 als Ortsangabe interpretiert werden kann. Somit ist es möglich, dass die Regelelektronik 64 automatisch die Abgabe eines Laserpulses oder Laserpulszuges auslöst, wenn beispielsweise eine interne Addiereinheit, die die zurückgelegte Wegstrecke addiert, einen Wert erreicht und sich nach Erreichen auf 0 zurücksetzt. So kann beispielsweise in regelmäßigen Abständen automatisch ein Laserpuls oder Laserpulszug in das Werkstück 1 abgegeben werden.
Indem in der Regelelektronik 64 auch die Vorschubgeschwindigkeit V und die Vorschubrichtung und somit die Trennlinie 4 verarbeitet werden können, kann eine automatisierte Abgabe der Laserpulse oder Laserpulszüge erfolgen.
Die Regelelektronik 64 kann auch aufgrund der gemessenen Geschwindigkeit und der vom Laser 2 zur Verfügung gestellten Grundfrequenz einen Abstand oder Ort berechnen, an dem eine Abgabe eines Laserpulszuges oder Laserpulses erfolgen soll. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass die Materialmodifikationen 5 im Werkstück 1 nicht überlappen.
Indem die Abgabe der Laserpulse oder der Pulszüge positionsgesteuert erfolgt, entfällt eine aufwändige Programmierung des Trennprozesses. Zudem können frei wählbare Prozessgeschwindigkeiten einfach umgesetzt werden.
In 11C ist ebenfalls eine Vorschubvorrichtung 6 gezeigt, bei der die Bearbeitungsoptik über einen 5-Achsarm über das Werkstück 1 geführt wird, um Materialmodifikationen 5 in das Werkstück 1 einzubringen. Durch die Kombination an Rotationsarmen ist es möglich die Bearbeitungsoptik entlang dreier Raumachsen zu verschieben und um zwei Raumachsen zu rotieren.
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: Werkstück
1': Bulk-Werkstück
10: Oberfläche
11: Oberseite
110: Kante
12: Abschnitt
13: Unterseite
130: Kante
14: geformte Kante, Chamfer, Bevel
2: Ultrakurzpulslaser
20: Laserstrahl
200: Teillaserstrahl
220: Fokuszone
3: Bearbeitungsoptik
30: optische Achse
32: Polarisationsoptik
34: Strahlformungsoptik
36: Teleskop
38: Strahlführungsvorrichtung
360: erste Linse
362: zweite Linse
4: Trennlinie
40: chemisches Bad
42: Heizplatte
5: Materialmodifikation
50: Materialmodifikationsfläche
52: Risse
6: Vorschubvorrichtung
60: Achsvorrichtung
62: Werkstückhalterung
64: Regelelektronik
7: Aberrationskorrekturvorrichtung
70: Zylinderkeil
700: erste Oberfläche
702: zweite Oberfläche
72: Einschubkassette
α: Anstellwinkel
β: Brechungswinkel
A: erste Achse
B: zweite Achse
N: Oberflächennormale
V: Vorschub
H: Hypotenuse

Claims

Verfahren zum Trennen eines ein transparentes Material aufweisenden Werkstücks (1), wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers (2) Materialmodifikationen (5) entlang einer Trennlinie (4) in das transparente Material des Werkstücks (1) eingebracht werden und das Material des Werkstücks (1) dann entlang der dadurch entstehenden Materialmodifikationsfläche (50) in einem Trennschritt getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse unter einem Anstellwinkel (α) auf das Werkstück (1) gebracht werden und die optische Aberration der Laserpulse beim Übergang in das Material des Werkstücks (1) durch eine Aberrationskorrekturvorrichtung (7) reduziert wird und der Laserstrahl (20) eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung (220) aufweist, wobei die transversale Intensitätsverteilung (220) in einer ersten Achse (A) elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse (B) erscheint, wobei die zweite Achse (B) senkrecht zur ersten Achse (A) steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmodifikationen (5) zwei Seiten des Werkstücks (1) durchdringen, welche in sich schneidenden Ebenen liegen und durch den Trennschritt eine geformte Kante (14), bevorzugt ein Chamfer und/oder ein Bevel, erzeugt wird, wobei die Hypotenuse (H) des Chamfers (14) und/oder des Bevels (14) bevorzugt zwischen 50µm und 2mm groß ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Laserpulse eingebrachten Materialmodifikationen Typ III Modifikationen sind, welche mit einer Rissbildung des Materials des Werkstücks assoziiert sind, und/oder der Trennschritt eine mechanische Trennung und/oder einen Ätzvorgang und/oder eine thermische Beaufschlagung und/oder einen Selbsttrennungsschritt umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl ein nicht-beugender Laserstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Projektion der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung (220) auf das Werkstück (1) die erste Achse (A) und die zweite Achse (B) durch den Anstellwinkel (α) gleich groß erscheinen, und/oder die Projektion der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung (220) auf das Werkstück (1) in Vorschubrichtung (V) elongiert ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie der Laserpulse zwischen 10µJ und 50mJ groß ist, und/oder die mittlere Laserleistung zwischen 1W und 1 kW groß ist, und/oder die Laserpulse Einzellaserpulse oder Teil eines Laserbursts sind, wobei ein Laserburst 2 bis 20 Laserpulse umfasst, wobei die Laserpulse des Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 10ns bis 40ns, bevorzugt 20ns aufweisen, und/oder die Wellenlänge des Lasers zwischen 300nm und 1500nm groß ist, insbesondere 1030nm groß ist und/oder der einfallende Laserstrahl (20) parallel zur Einfallsebene polarisiert ist.
Vorrichtung zum Trennen eines ein transparentes Material umfassenden Werkstücks (1), umfassend einen Ultrakurzpulslaser (2), der dazu eingerichtet ist ultrakurze Laserpulse bereitzustellen, eine Bearbeitungsoptik (3), die dazu eingerichtet ist die Laserpulse in das Material des Werkstücks (1) einzubringen, und eine Vorschubvorrichtung (6), die dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (20) aus Laserpulsen und das Werkstück (1) relativ zueinander entlang einer Trennlinie (4) mit einem Vorschub (V) zu bewegen und die optische Achse (30) der Bearbeitungsoptik (3) relativ zur Oberfläche (10) des Werkstücks (1) unter einem Anstellwinkel (α) zu orientieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aberrationskorrekturvorrichtung (7) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, die Aberration der Laserpulse beim Eintritt in das Material des Werkstücks (1) zu reduzieren, wobei die Laserpulse unter einem Anstellwinkel (α) auf das Werkstück (1) gebracht werden und der Laserstrahl (20) eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung (220) aufweist, wobei die transversale Intensitätsverteilung (220) in einer ersten Achse (A) elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse (B) erscheint, wobei die zweite Achse (B) senkrecht zur ersten Achse (A) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlformoptik (34) aus dem Laserstrahl (20) einen nicht-beugenden Laserstrahl (20) formt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aberrationskorrekturvorrichtung (7) eine erste Oberfläche (700) und eine zweite Oberfläche (702) aufweist, wobei die erste Oberfläche (700) in Strahlausbreitungsrichtung vor der zweiten Oberfläche (702) steht, die erste Oberfläche (700) zylindrisch gewölbt ist und die zweite Oberfläche (702) zylindrisch gewölbt oder plan ist, und die zweite Oberfläche (702) die letzte Oberfläche im Strahlengang des Laserstrahls (20) ist, bevor die Laserpulse in das Material des Werkstücks (1) eingebracht werden, und/oder die Aberrationskorrekturvorrichtung (7) einteilig in Form eines Zylinderkeils (70) ausgebildet ist und/oder der Abstand der zweiten Oberfläche (702) zur Materialoberfläche weniger als 1mm beträgt und/oder die Aberrationskorrekturvorrichtung (7) in einer Einschubkassette (72) wechselbar gehaltert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoptik (3) die Aberrationskorrekturvorrichtung (7) umfasst und/oder die Bearbeitungsoptik (3) ein Teleskopsystem (36) umfasst, das dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (20) verkleinert und/oder vergrößert in das Material des Werkstücks (1) einzubringen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubvorrichtung (6) eine Achsvorrichtung (60) und eine Werkstückhalterung (62) umfasst, die dazu eingerichtet sind die Bearbeitungsoptik (3) und das Werkstück (1) entlang dreier Raumachsen translatorisch und um mindestens zwei Raumachsen rotatorisch relativ zu bewegen, und/oder der Anstellwinkel (α) der Bearbeitungsoptik (3) zwischen 0 und 60° beträgt und/oder die Teillaserstrahlen (200) des Laserstrahls (20) maximal unter einem Einfallswinkel von 80° zur Oberflächennormale (N) des Werkstücks (1) auf das Werkstück (1) treffen und/oder zur Ausrichtung der langen Achse (A) der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung (220) entlang der Vorschubrichtung (V), das Achssystem (62) eingestellt wird, und/oder die Werkstückhalterung (62) eine den Laserstrahl (20) nicht-reflektierende und/oder nicht-streuende Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polarisationsoptik (32), vorzugsweise umfassend einen Polarisator und eine Wellenplatte, dazu eingerichtet sind, die Polarisation des Laserstrahls (20) relativ zur Einfallsebene des Laserstrahls (20) einzustellen, bevorzugt parallel zur Einfallsebene einzustellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlführungsvorrichtung (38) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) zum Material (1) zu führen, wobei die Strahlführung über ein Spiegelsystem und/oder eine optische Faser, bevorzugt eine Hohlkernfaser erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelelektronik (64) dazu eingerichtet ist aufgrund der relativen Positionen von Laserstrahl (20) und Material (1) eine Laserpulsabgabe des Ultrakurzpulslasers (2) auszulösen.