DE102021109579A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausbilden von modifikationen mit einem laserstrahl in einem material mit einer gekrümmten oberfläche - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Ausbilden von Modifikationen mit einem Laserstrahl (3) in einem Material eines Werkstücks (9), das eine gekrümmte Oberfläche (9A) aufweist, umfasst:- einer Laserstrahlquelle (1A) zum Erzeugen eines Laserstrahls (3'),- einer Bearbeitungsoptik (1B) zum Formen des Laserstrahls (3') in einen Laserstrahl (3), der eine Fokuszone (7) im Material des Werkstücks (9) ausbildet, und- einem Kompensationsoptiksystem (100), in dem das Werkstück (9) positionierbar ist. Das Kompensationsoptiksystem (100) stellt eine plane Eintrittsfläche (10A) für den Laserstrahl (3) bereit und weist ein Kompensationsmaterial auf, das zwischen der Eintrittsfläche (10A) und dem positionierten Werkstück (9) angeordnet ist. Das Kompensationsoptiksystem (100) erlaubt es, Strahlformungskonzepte, die für plane Werkstücke entwickelt wurden, auch bei Werkstücken mit einer gekrümmten Oberfläche (9A) anzuwenden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Mehrzahl von Modifikationen mit einem Laserstrahl in einem Material eines Werkstücks, das eine gekrümmte Oberfläche aufweist, wie ein Glasrohr oder ein Glaszylinder. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausbilden von Modifikationen mit einem Laserstrahl in einem Material eines Werkstücks, das eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
• Bei der Laserbearbeitung eines transparenten und gegebenenfalls auch teiltransparenten Materials können mit Laserstrahlung Modifikationen im Inneren des Materials erzeugt werden. Beispielsweise bewirkt eine im Volumen des Materials eintretende Absorption (kurz Volumenabsorption) der Laserstrahlung eine Modifikation in der Struktur des Materials. Modifikationen in der Struktur des Materials können beispielsweise zum Bohren, zum Trennen durch induzierte Spannungen, zum Bewirken einer Modifikation des Brechungsverhaltens oder für selektives Laserätzen eingesetzt werden. So können z.B. Ultrakurzpulslaser-basierte Glasmodifikationsprozesse zum Trennen von Glas mit langgezogenen Fokusverteilungen durchgeführt werden. Langgezogene Fokuszonen werden z.B. aufgrund von Interferenz von von außen einlaufenden Strahlanteilen gebildet und können im Material entsprechend längliche Modifikationen ausbilden. Dies ist z.B. bei Bessel-ähnlichen Strahlen - als Beispiel für einen nicht-beugenden Strahl - der Fall. Siehe hinsichtlich der Verwendung von langgezogenen Fokuszonen zum Beispiel die Anmeldungen WO 2016/079062 A1 , WO 2016/079063 A1 und WO 2016/079275 A1 der Anmelderin.
• Strahlformungselemente und Optik-Aufbauten, mit denen in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene, schlanke Strahlprofile mit hohem Aspektverhältnis für die Laserbearbeitung bereitgestellt werden können, werden z.B. in der genannten WO 2016/079275 A1 beschrieben.
• Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche wie die Laserbearbeitung eines Glasrohrs oder eines Glaszylinders zu ermöglichen. Insbesondere sollen Strahlformungsansätze zur Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone, wie sie für die Laserbearbeitung von planen Werkstücken entwickelt wurden, auch bei Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen einsetzbar werden, um Modifikationen mit einem Laserstrahl in einem Material eines Werkstücks auszubilden.
• Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 12. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• In einem Aspekt werden Verfahren zum Ausbilden einer Mehrzahl von Modifikationen mit einem Laserstrahl in einem Material eines Werkstücks, das eine gekrümmte Oberfläche aufweist, offenbart. Die Verfahren umfassen die Schritte:
• - Positionieren des Werkstücks in einem Kompensationsoptiksystem, das eine plane Eintrittsfläche für den Laserstrahl bereitstellt und ein Kompensationsmaterial zwischen der Eintrittsfläche und dem Werkstück vorsieht, wobei das Kompensationsmaterial einen Brechungsindex aufweist, der dem Brechungsindex des Materials des Werkstücks im Wesentlichen entspricht,
• - Einstrahlen des Laserstrahls derart auf die Eintrittsfläche des Kompensationsoptiksystems, dass der aus dem Kompensationsmaterial austretende Laserstrahl durch die gekrümmte Oberfläche in das Werkstück eintritt und eine Fokuszone zumindest teilweise im Material des Werkstücks ausbildet, wobei Parameter des Laserstrahls zum Modifizieren des Materials des Werkstücks in der Fokuszone eingestellt sind, und
• - Durchführen einer Relativbewegung zwischen der Fokuszone und dem Werkstück, wodurch die Mehrzahl von Modifikationen im Material des Werkstücks entlang einer Abtasttrajektorie ausgebildet wird.
• In einem weiteren Aspekt werden Vorrichtungen zum Ausbilden von Modifikationen mit einem Laserstrahl in einem Material eines Werkstücks, das eine gekrümmte Oberfläche aufweist, offenbart. Die Vorrichtung umfasst eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, eine Bearbeitungsoptik zum Formen des Laserstrahls in einen Laserstrahl, der eine Fokuszone im Material des Werkstücks ausbildet, und ein Kompensationsoptiksystem, in dem das Werkstück positionierbar ist. Das Kompensationsoptiksystem stellt eine plane Eintrittsfläche für den Laserstrahl bereit und weist ein Kompensationsmaterial auf, das zwischen der Eintrittsfläche und dem positionierten Werkstück angeordnet ist, wobei das Kompensationsmaterial einen Brechungsindex aufweist, der dem Brechungsindex des Materials des Werkstücks im Wesentlichen entspricht. Das Kompensationsoptiksystem ist ferner derart ausgebildet, dass der aus dem Kompensationsmaterial austretende Laserstrahl durch die gekrümmte Oberfläche, insbesondere direkt, in das positionierte Werkstück eintritt.
• In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner einen der folgenden Schritte umfassen:
• - Einstellen einer Fokuslänge der Fokuszone größer oder gleich einer maximalen Ausdehnung des Werkstücks in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls oder in einem Bereich von 80% bis 120% der maximalen Ausdehnung des Werkstücks in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls,
• - Einstellen einer Fokuslänge der Fokuszone für ein Werkstück, das als ein massiver Zylinder, insbesondere ein Glaszylinder, ausgebildet ist, auf mindestens einen halben Durchmesser des Zylinders oder in einem Bereich von 40% bis 60% des Durchmessers des Zylinders, und
• - Einstellen einer Fokuslänge der Fokuszone für ein Werkstück, das als ein Hohlkörper, insbesondere ein Glasrohr, mit einer einen Innenraum (I) abgrenzenden Wand (W) mit einer Wanddicke ausgebildet ist, auf mindestens 80% der Wanddicke oder in einem Bereich von 80% bis 120% der Wanddicke.
• Optional kann die Fokuszone derart im Kompensationsoptiksystem positioniert werden, dass die Fokuszone an der gekrümmten Oberfläche des Werkstücks beginnt.
• In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die Relativbewegung durch mindestens einen der folgenden Schritte durchgeführt werden:
• - Rotieren des Werkstücks im Kompensationsoptiksystems,
• - Verschieben des Werkstücks im Kompensationsoptiksystem und
• - Verschieben des Kompensationsoptiksystems zusammen mit dem Werkstück bezüglich der Fokuszone- Optional kann zusätzlich das Kompensationsmaterial bezüglich der Fokuszone bewegt werden.
• Beispielsweise kann eine lineare Translation zwischen der Fokuszone und dem Werkstück vorgenommen werden, sodass die Modifikationen insbesondere parallel zueinander im Werkstück ausgebildet werden. Die Translationsbewegung kann insbesondere parallel zur plane Eintrittsfläche erfolgen.
• In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ein Werkstück betreffen, dass eine zylindrische Grundform entlang einer Zylinderachse aufweist. Dann kann das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweisen:
• - Einstrahlen des Laserstrahls in radialer Richtung auf die Zylinderachse und
• - Rotieren des Werkstücks um die Zylinderachse, wobei optional zusätzlich eine Translationsbewegung zwischen der Fokuszone und dem Werkstück entlang der Zylinderachse durchgeführt wird.
• Auf diese Weise können beispielsweise Modifikationen einer Untergruppe der Mehrzahl von Modifikationen im Werkstück sternförmig um die Zylinderachse ausgebildet werden.
• In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Einstellen der Laserparameter des Laserstrahls umfassen, dass der Laserstrahl in der Fokuszone mit dem Material des Werkstücks zur Ausbildung einer Schmelzzone und/oder eines Hohlraums im Bereich der Fokuszone als Modifikation wechselwirkt und insbesondere mehrere Modifikationen einer Nanogitterstruktur aufgrund einer Brechungsindexänderung ausbilden.
• Ferner kann die Fokuszone derart geformt und positioniert werden und die Laserparameter derart eingestellt werden, dass eine Modifizierung des Kompensationsmaterials im Wesentlichen nicht bewirkt wird.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsoptiksystem als Kompensationsmaterial einen Formkörper aus einem festen Material oder aus einem Polymermaterial umfassen, der auf einer Seite die plane Eintrittsfläche ausbildet oder mit einem die plane Eintrittsfläche ausbildenden Eintrittsfenster versehen ist. Der Formkörper kann eine Aussparung oder eine Öffnung, insbesondere eine Durchgangsöffnung, zur Aufnahme des Werkstücks aufweisen. Die Aussparung oder die Öffnung kann dabei einen Querschnitt aufweisen, der zumindest teilweise einem Querschnitt des Werkstücks entspricht. Im Verfahren kann für ein derartiges Kompensationsoptiksystem das Positionieren des Werkstücks im Kompensationsoptiksystem den folgenden Schritt umfassen:
• - Einführen des Werkstücks in die Aussparung oder die Öffnung, wobei insbesondere ein direkter Kontakt zwischen dem Formkörper und dem Werkstück hergestellt wird. Optional kann der Formkörper ferner während des Einstrahlens des Laserstrahls bezüglich des Werkstücks bewegt werden.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsoptiksystem eine Flüssigkeit als Kompensationsmaterial und ein Eintrittsfenster, insbesondere eine Abdeckwand oder eine Behälterwand eines Flüssigkeitsbads, zur Ausbildung der planen Eintrittsfläche umfassen. Im Verfahren kann für ein derartiges Kompensationsoptiksystem das Positionieren des Werkstücks im Kompensationsoptiksystem den folgenden Schritt umfassen:
• - Einführen des Werkstücks in die Flüssigkeit derart, dass das Werkstück und eine der Eintrittsfläche gegenüberliegende Seite des Eintrittsfensters in Kontakt mit der Flüssigkeit stehen.
• Optional kann die Flüssigkeit ferner zwischen dem Eintrittsfenster und dem Werkstück während des Einstrahlens des Laserstrahls ausgetauscht werden.
• In einigen Ausführungsformen kann eine Oberfläche der Flüssigkeit die plane Eintrittsfläche ausbilden.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsoptiksystem ein Eintrittsfenster zur Ausbildung der planen Eintrittsfläche umfassen und das Werkstück kann auf einer der Eintrittsfläche gegenüberliegenden Seite des Eintrittsfensters positioniert werden. Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen:
• Abgeben einer Flüssigkeit aus einer Düse während des Einstrahlens des Laserstrahls in einen durchstrahlten Bereich zwischen dem Werkstück und dem Eintrittsfenster, sodass die Flüssigkeit als kontinuierlich ausgetauschtes Kompensationsmaterial zwischen dem Werkstück und der der Eintrittsfläche gegenüberliegenden Seite des Eintrittsfensters vorliegt.
• In einigen Ausführungsformen kann eine Fläche des Kompensationsoptiksystems, die vom Laserstrahl durchleuchtet wird, insbesondere die Eintrittsfläche des Kompensationsoptiksystems und/oder die Eintrittsfläche einer Kompensationsoptik des Kompensationsoptiksystems oder die Eintrittsfläche eines Eintrittsfensters und/oder eine der Eintrittsfläche gegenüberliegende Seite des Eintrittsfensters und/oder eine Austrittsfläche einer Kompensationsoptik des Kompensationsoptiksystems, eine Oberflächenrauheit kleiner 1 µm, typischerweise kleiner 250 nm und bevorzugt kleiner 50 nm aufweisen.
• In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Positionieren des Werkstücks im Kompensationsoptiksystem die folgenden Schritte umfassen:
• - Auftragen eines Polymermaterials als Kompensationsmaterial auf das Werkstück und
• - Kontaktieren des Polymermaterials mit einem Eintrittsfenster, das auf der dem Polymermaterial abgewandten Seite die plane Eintrittsfläche ausbildet, oder Ausbilden einer Oberfläche des Polymermaterials als die plane Eintrittsfläche.
• Optional kann das Verfahren nach dem Ausbilden der Mehrzahl von Modifikationen ferner ein Reinigen des Werkstücks vom Polymermaterial umfassen.
• In einigen Ausführungsformen kann sich das Verfahrens auf ein Werkstück mit einem Hohlraum beziehen und ferner den folgenden Schritt umfassen:
• - Einbringen eines Füllungskompensationsmaterials in den Hohlraum, wobei das Füllungskompensationsmaterial ein Eintreten des Laserstrahls vom Werkstück in das Füllungskompensationsmaterial und/oder vom Füllungskompensationsmaterial in das Werkstück im Wesentlichen ohne Brechung bewirkt und insbesondere ein Festkörper oder eine Flüssigkeit ist.
• In einigen Ausführungsformen kann das Verfahrens ferner mindestens einen der folgenden Schritte umfassen:
• - Einstrahlen des Laserstrahls derart auf die plane Eintrittsfläche, dass eine Strahlachse des Laserstrahls in einem Einfallswinkelbereich von bis zu 10° zu einem Normalenvektor der planen Eintrittsfläche, insbesondere parallel zu einem Normalenvektor der planen Eintrittsfläche, ausgerichtet ist, und
• - Strahlformen des Laserstrahls derart, dass die Fokuszone als langgezogene Fokuszone durch konstruktive Interferenz von radial einlaufenden Strahlanteilen des Laserstrahls entlang der langgezogenen Fokuszone, insbesondere als nicht-beugender Strahl (beispielsweise eine Bessel-Gauß-Fokuszone), oder als Gaußsche Fokuszone erzeugt wird.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsmaterial ein Formkörper sein, der die plane Eintrittsfläche ausbildet oder mit einem Eintrittsfenster zum Bereitstellen der planen Eintrittsfläche versehen ist. Der Formkörper kann eine Austrittsoberfläche ausbilden, deren Verlauf zumindest in einem vom Laserstrahl durchstrahlten Bereich einem Verlauf der gekrümmten Oberfläche des Werkstücks folgt.
• In einigen Weiterbildungen kann der Formkörper eine Aussparung oder eine Öffnung, insbesondere eine Durchgangsöffnung, zur Aufnahme des Werkstücks aufweisen. Die Aussparung oder die Öffnung kann die Austrittsoberfläche ausbilden und insbesondere einen Querschnitt aufweisen, der zumindest abschnittsweise einem Querschnitt des Werkstücks entspricht.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsoptiksystem ein Flüssigkeitsbad mit einer Flüssigkeit als Kompensationsmaterial umfassen. Das Flüssigkeitsbad kann zur Aufnahme mindestens eines Abschnitts des Werkstücks ausgebildet sein. An mindestens einer Eintrittsseite des Flüssigkeitsbads kann ein Eintrittsfenster, insbesondere eine Abdeckwand oder eine Behälterwand des Flüssigkeitsbads, vorgesehen sein, das die plane Eintrittsfläche ausbildet. Das Kompensationsoptiksystem kann ferner insbesondere dazu ausgebildet sein, dass eine Strömung der Flüssigkeit zwischen dem Eintrittsfenster und dem Werkstück bewirkt werden kann.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsoptiksystem ferner ein Eintrittsfenster, das die plane Eintrittsfläche ausbildet, und eine Düse, die zur Abgabe einer Flüssigkeit in einen vom Laserstrahl durchstrahlten Bereich zwischen dem Eintrittsfenster und dem positionierten Werkstück ausgebildet ist, umfassen. Die abgegebene Flüssigkeit kann so das Kompensationsmaterial und insbesondere einen das Eintrittsfenster und das Werkstück überbrückenden Flüssigkeitsfilm bilden.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsoptiksystem als Kompensationsmaterial ein Polymermaterial umfassen, mit dem das Werkstück beschichtet ist/wird. Ferner kann das Kompensationsoptiksystem ein Eintrittsfenster umfassen, das das Polymermaterial kontaktiert und die plane Eintrittsfläche ausbildet.
• In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen der Bearbeitungsoptik und dem Werkstück und/oder zwischen dem Kompensationsoptiksystem und dem Werkstück umfassen.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsoptiksystem ferner ein Füllungskompensationsmaterial zum Einbringen in einen Hohlraum des Werkstücks umfassen. Das Füllungskompensationsmaterial kann ein Eintreten des Laserstrahls vom Werkstück in das Füllungskompensationsmaterial und/oder vom Füllungskompensationsmaterial in das Werkstück im Wesentlichen ohne Brechung bewirkt und insbesondere ein Festkörper oder eine Flüssigkeit sein.
• In einigen Ausführungsformen kann das Kompensationsmaterial und optional das Füllungskompensationsmaterial einen Brechungsindexunterschied zum Material des Werkstücks aufweisen, der kleiner als 10% des Brechungsindex des Materials des Werkstücks ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Kompensationsmaterial, das Füllungskompensationsmaterial und/oder das Material des Werkstücks im Wesentlichen transparent oder zumindest teiltransparent für den Laserstrahl sein.
• In einigen Ausführungsformen der Vorrichtung oder des Verfahrens kann der dem Brechungsindex des Materials des Werkstücks im Wesentlichen entsprechende Brechungsindex des Kompensationsmaterials und optional das Füllungskompensationsmaterials jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der maximal 30%, oder maximal 20% oder bevorzugt weniger als 10% vom Brechungsindex des Materials des Werkstücks abweicht.
• In einigen Ausführungsformen der Vorrichtung kann die Bearbeitungsoptik derart zum Kompensationsoptiksystem ausgerichtet sein, dass eine Strahlachse des Laserstrahls in einem Einfallswinkelbereich von bis zu 10° zu einem Normalenvektor der planen Eintrittsfläche, insbesondere parallel zu einem Normalenvektor der planen Eintrittsfläche, ausgerichtet ist
• Allgemein ist hierin unter einer gekrümmten Oberfläche eines Werkstücks eine nicht-plane Oberfläche zu verstehen. Die gekrümmte Oberfläche kann z.B. einen einheitlichen Krümmungsradius aufweisen, wie er bei der Außenoberfläche eines Rohrs oder Zylinders gegeben ist. Ferner kann die nicht-plane Oberfläche mehrere plane Oberflächenabschnitte aufweisen, die nichtplanar zueinander angeordnet sind, wobei der Übergang zwischen den planen Oberflächenabschnitten eckig oder abgerundet ausgebildet sein kann. Die Oberfläche eines Werkstücks kann zum Beispiel zur Ausbildung einer Modifikation in einem Bereich durchstrahlt werden, in dem eine Krümmung der Oberfläche vorliegt, sodass ohne Kompensation beim Eintritt in das Werkstück Beugungseffekte auftreten würden. Ferner kann die Bearbeitung eines Werkstücks in verschiedenen Einfallssituationen erfolgen, bei denen jeweils verschiedene Bereiche der Oberfläche durchstrahlt werden, in denen ohne Kompensation unterschiedliche Beugungseffekte auftreten würden.
• Die hierin vorgeschlagene Verwendung eines Kompensationsoptiksystems ermöglicht die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, der unabhängig von einer Oberflächengeometrie des Werkstücks hinsichtlich der angestrebten Geometrie der Fokuszone geformt wurde. Hierzu weist das Kompensationsoptiksystem ein Kompensationsmaterial auf, dessen Brechungsindex im Wesentlichen dem Brechungsindex eines Materials des Werkstücks entspricht. Der Unterschied im Brechungsindex ist insbesondere derart, dass ein Übergang des Laserstrahls vom Kompensationsmaterial in das Werkstück im Wesentlichen ohne Brechung erfolgt. Zum Beispiel weist das Kompensationsmaterial einen Brechungsindex auf, der maximal 30%, typischerweise 20%, bevorzugt weniger als 10% vom Brechungsindex des Materials des Werkstücks abweicht.
• Nachfolgend werden Materialien und beispielhafte Werte für den Brechungsindex für Kompensationsmaterialien, Füllungskompensationsmaterialien und mögliche Werkstücke angegeben: Flüssigkeiten (nur als Kompensationsmaterial oder Füllungskompensationsmaterial): Wasser n = 1,33, Glycerin n=1,47, Immersionsöle bis n=1,7; Festkörper: alle möglichen Gläser wie Fused Silica n=1,45, BK7 n=1,5, Schwerflintglas n=1,8; Polymere: n=1,5±0,2.
• Zusammengefasst kann gemäß den hierin offenbarten Konzepten ein Verfahren zum Ausbilden einer Mehrzahl von Modifikationen in einem Material eines Werkstücks im Rahmen eines Prozesses zur Laserbearbeitung von transparenten oder teiltransparenten Materialien mit gekrümmten Oberflächen umgesetzt werden. Das zugrundeliegende Konzept erlaubt beispielsweise das Bearbeiten von Glasrohren mit (lokalen) Außenradien kleiner 15 mm, z.B. mit Radien von wenigen Millimetern, wie 5 mm, bis herab zu Radien von 1 mm oder 100 µm. Die Bearbeitung des Materials kann beispielsweise in langgezogenen Fokuszonen mit Längen von einigen 10 µm bis zu einigen Millimetern erfolgen. Dabei ist die Länge einer Fokuszone üblicherweise durch ein Anfang und ein Ende der jeweils beabsichtigten Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks gegeben.
• Die hierin offenbarten Konzepte zur Kompensation einer gekrümmten Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks betreffen insbesondere eine fokusbildende Strahlformung, die ein seitliches Einlaufen von Strahlanteilen auf eine Strahlachse für eine Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone entlang der Strahlachse durch Interferenz bewirkt, wie es im Fall der nachfolgend beschriebenen nicht-beugenden Strahlen der Fall ist.
• Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
• 1 eine schematische Skizze einer Vorrichtung zum Ausbilden von Modifikationen mit einem Laserstrahl in einem Material eines Werkstücks,
• 2A und 2B schematische Skizzen zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer gekrümmten Oberfläche mithilfe eines Kompensationsoptiksystems mit einer Kompensationsoptik aus einem festen Material wie Glas oder einem Polymer,
• 3 eine schematische Skizze zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche mithilfe eines Kompensationsoptiksystems, das ein Eintrittsfenster und ein (weiches) Polymermaterial als Kompensationsmaterial umfasst,
• 4A und 4B schematische Skizzen zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer gekrümmten Oberfläche mithilfe eines Kompensationsoptiksystems, das ein Flüssigkeitsbad umfasst, in dem das Werkstück positioniert ist,
• 5 eine schematische Skizze zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer gekrümmten Oberfläche mithilfe eines Kompensationsoptiksystems, das einen Flüssigkeitsstrahl einsetzt,
• 6 Abbildungen zur Verdeutlichung von nicht-beugenden Strahlen im Vergleich mit einem Gauß-Strahl,
• 7A und 7B Skizzen zur Verdeutlichung der Auswirkung einer gekrümmten Oberfläche auf die Ausbildung einer Bessel-Strahl-Fokuszone,
• 8A und 8B Intensitätsverteilungen einer Bessel-Strahl-Fokuszone, die in einem planen Werkstück simuliert wurde und die mithilfe eines Kompensationsoptiksystems auch in einem Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche erzeugbar ist,
• 9A und 9B Intensitätsverteilungen einer Bessel-Strahl-Fokuszone ohne Korrektur hinsichtlich einer gekrümmten Oberfläche,
• 10 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines beispielhaften Verfahrens zum Ausbilden von Modifikationen in einem Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche,
• 11A bis 11C ein beispielhaftes Werkstück mit einer Kompensationsoptik zum Ausschneiden einer Innenkontur und
• 12A bis 12C ein weiteres beispielhaftes Werkstück mit einer Kompensationsoptik zum Ausschneiden einer Innenkontur.
• Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass sich, wenn ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche mit einem Laserstrahl bearbeitet werden soll, die gekrümmte Oberfläche auf die Ausbildung der Fokuszone auswirken kann. Dies gilt besonders für einen nicht-beugenden Strahl, wie er sich beispielsweise in einer auf Interferenz-basierenden Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls ausbildet. Beispielsweise kann ein nicht-beugender Strahl nicht mehr auf der vollen angestrebten Länge für die Ausbildung eine Materialmodifikationen genutzt werden. Zur Erläuterung des Einflusses einer gekrümmten Oberfläche auf die Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone eines Bessel-Gauß-Strahls wird auf die nachfolgende Beschreibung in Zusammenhang mit den 6 bis 9B verwiesen. Auch die Ausbildung einer Gaußschen Fokuszone kann von einer gekrümmten Oberfläche beeinflusst werden. Entsprechend kann eine Strahlformung/Fokussierung, wie sie zur Bearbeitung von planen Werkstücken genutzt wird, nicht ohne weiteres auf die Bearbeitung von Werkstücken mit einer gekrümmten Oberfläche (z.B. Rohre oder (Voll-) Zylinder aus z.B. Glas oder einer transparenten Keramik) übertragen werden.
• Es wurde ferner erkannt, dass eine Vermeidung/Reduzierung der Beeinflussung eines nicht-beugenden Strahls, die durch eine gekrümmte Oberfläche hervorgerufen wird, es ermöglichen kann, dass Strahlformungskonzepte oder Strahlformungskomponenten, die für die Bearbeitung von Werkstücken mit planen Oberflächen entwickelt wurden, auch für die Ausbildung eines nicht-beugenden Strahls in einem Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche genutzt werden können.
• Erfindungsgemäß erfolgt die Vermeidung/Reduzierung einer Beeinflussung des Laserstrahls durch die gekrümmte Oberfläche mit einem Kompensationsoptiksystem. Das Kompensationsoptiksystem stellt eine plane Eintrittsfläche für den Laserstrahl und ein Kompensationsmaterial bereit. Das zu bearbeitende Werkstück wird derart im Kompensationsoptiksystem positioniert, dass das Kompensationsmaterial zwischen der Eintrittsfläche und dem Werkstück vorliegt. Das Kompensationsoptiksystem reduziert, insbesondere vermeidet, die Effekte der Krümmung beim Übergang der Laserstrahlung vom Kompensationsmaterial in das Material des Werkstücks, indem das Kompensationsmaterial einen Brechungsindex aufweist, der an den Brechungsindex des Materials des Werkstücks angeglichen ist. Wirkt sich die gekrümmte Oberfläche nicht mehr störend auf die Ausbildung der dem nicht-beugenden Strahl zugrundeliegenden Interferenz aus, kann dieser mit einer nahezu ungestörten Propagation im Material eines Rohrs oder Zylinders erzeugt werden.
• Unter Verwendung der hierin vorgeschlagenen Kompensationsoptiksysteme können mit einem gepulsten Laserstrahl bei entsprechend eingestellten Parametern wie Pulsenergie, Pulsdauer und Fokuszonengeometrie langgezogene Modifikationen auch in ein Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche eingeschrieben werden. Derartig erzeugte strukturelle Modifikationen können wie bei planen Werkstücken einen Trennvorgang ermöglichen oder zum Bewirken einer Modifikation des Brechungsverhaltens, für selektives Laserätzen oder für einen Materialabtrag genutzt werden.
• Werkstücke können beispielsweise aus einem (für die Laserwellenlänge des eingesetzten gepulsten Laserstrahls weitgehend) transparenten Material in z.B. keramischer oder kristalliner Ausführung wie Glas, Saphir, transparente Keramik, Glaskeramik bestehen. Transparenz eines Materials bezieht sich hierin auf die lineare Absorption. Für Licht unterhalb der Schwellenfluenz/-intensität kann ein „im Wesentlichen“ transparentes Material beispielsweise auf einer Länge einer Modifikation z.B. weniger als 20 % oder sogar weniger als 10 % des einfallenden Lichts absorbieren. Ferner kann auch ein Werkstück aus einem teiltransparenten Material modifiziert werden, wenn beispielsweise eine eintretende Absorption bei der Strahlformung berücksichtigt wird oder eine ausreichend hohe Eingangsintensität des Laserstrahls vorliegt.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 1 mit einer Laserstrahlquelle 1A und einem optischen System 1B zur Strahlformung eines gepulsten Ausgangslaserstrahls 3' der Strahlquelle 1A. Die Strahlformung ist dazu eingerichtet, einen gepulsten Laserstrahl 3 mit einem Strahlprofil auszugeben, das einen nicht-beugenden Strahl zur Materialbearbeitung ausbilden kann. Wesentlich ist dabei, dass die Strahlformung vorerst ohne Berücksichtigung eines Werkstücks eingestellt wird. Denn offensichtlich kann eine umzusetzende Strahlform in einer zugänglichen Fokuszone, d.h., „ohne Werkstück“, leichter vermessen werden. Auch eine Justage des optischen Systems 1B kann hinsichtlich einer umzusetzenden Strahlform „ohne Werkstück“ leichter überprüft werden. Insofern ist - insbesondere für die Verwendung komplexer optischer Systeme 1B - eine Strahlformung vorteilhaft, bei der ohne Werkstück eine Strahlform in der Geometrie erzeugt wird, in der sie im Werkstück vorliegen soll.
• Man wird anerkennen, dass derartige Strahlformen auch bei der Bearbeitung einer planen Werkstückplatte eingesetzt werden können, da bei entsprechender Ausrichtung der Werkstückplatte zur Strahlachse 5 der Eintritt in das Material der Werkstückplatte üblicherweise nur zu einer Verlängerung der Fokuszone führt. Insofern haben die hierin vorgeschlagenen Konzepte zur Verwendung eines Kompensationsoptiksystems den Vorteil, dass bei einem Wechsel zwischen planen und gekrümmten Werkstücken keine Änderung der Strahlformung im optischen System 1B vorzunehmen ist.
• Beispielhaft für die Erzeugung eines nicht-beugenden Strahls sind in 1 Strahlanteile 4 angedeutet, die unter einem Winkel 8 auf eine in Z-Richtung verlaufende Strahlachse 5 einlaufen. Ohne Werkstück interferieren die Strahlanteile 4 entlang der Strahlachse 5 und bilden so eine langgezogene Fokuszone aus. Jedoch wird sich die langgezogene Fokuszone aufgrund von Störung der Interferenzbedingungen nicht im gleichen Umfang ausbilden können, wenn die sich z.B. in Luft ausbreitenden Strahlanteile 4 durch eine gekrümmte Oberfläche in ein Werkstück eintreten. Wie nachfolgend erläutert stellen die hierin vorgeschlagenen Kompensationsoptiksysteme eine plane Eintrittsfläche für die Strahlanteile 4 bereit und reduzieren, insbesondere vermeiden, die optischen Auswirkungen der Krümmung durch Angleichen des Brechungsindexes beim optischen Übergang von einem Kompensationsmaterial des Kompensationsoptiksystems in das Material des Werkstücks.
• Bezugnehmend auf die in 1 angedeuteten Strahlanteile 4 kann die Strahlformung rotationssymmetrisch zur Strahlachse 5 stattfinden, sodass sich die einlaufenden Strahlanteile 4 in der X-Y-Ebene ringförmig um die Strahlachse 5 erstrecken. Dies bewirkt, dass die Fokuszone 7 eine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung bezüglich der Strahlachse 5 aufweist. Eine solche Strahlformung kann zur Erzeugung einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Modifikation in einem Material genutzt werden.
• In anderen Ausführungsformen kann die Strahlformung auch zu einer Intensitätsverteilung in der Fokuszone führen, die nicht symmetrisch ist und so zur Erzeugung einer asymmetrischen (z.B. in einer Richtung abgeflachten) Modifikation oder zur Erzeugung mehrere parallel zueinander verlaufender Modifikationen genutzt werden kann (siehe Abbildung (c) der 6). Beispielhafte strahlformende Phasenaufprägungen und dadurch erzeugbare Intensitätsverteilungen sind z.B. in der deutschen Patentanmeldung 10 2019 128 362.0 , „Segmentiertes Strahlformungselement und Laserbearbeitungsanlage“, mit Anmeldetag 21. Oktober 2019 der Anmelderin sowie in K. Chen et al., „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams“, arXiv: 1911.03103v1 [physics.optics] 8 Nov 2019 offenbart. Unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Kompensationsoptiksystems können auch asymmetrische Modifikationen oder Aufreihungen von Modifikationen für die Bearbeitung von Materialien mit gekrümmten Oberflächen genutzt werden.
• Die hierin beschriebenen Vorteile eines Kompensationsoptiksystems wirken sich insbesondere auf Fokuszonen aus, die von nicht-beugenden Strahlen gebildet werden. Denn diese setzen voraus, dass ein relativ großer Oberflächenbereich durchstrahlt wird. In Abhängigkeit von der Länge einer Fokuszone kann ein beim Eintritt in das Werkstück vorliegendes Ausmaß des optischen Feldes in radialer Richtung (in etwa der Ringdurchmesser im Fall eines symmetrischen Ringstrahls) im Bereich von 250 µm bis 2 mm liegen, sodass sich Krümmungseffekte auf nicht-beugende Strahlen stärker auswirken können. Jedoch kann auch die Ausbildung einer Gaußsche Fokuszonen in einem Werkstück mit einer gekrümmten Oberfläche gestört werden. Optische Systeme zur Ausbildung von Gaußsche Fokuszonen (insbesondere Fokussierspiegel- oder Fokussierlinsenanordnungen zur Fokussierung von Gaußschen Strahlen) sind als solche bekannt.
• Unter Verwendung des hierin vorgeschlagenen Kompensationsoptiksystems kann eine Fläche, die vom Strahl in Zusammenhang mit den verschiedenen Komponenten des Kompensationsoptiksystems durchleuchtet wird, eine Oberflächenrauheit kleiner 1 µm, typischerweise kleiner 250 nm und bevorzugt kleiner 50 nm sein. Allgemein sollte die Oberflächenrauheit bevorzugt keine Wellenfrontstörungen hervorrufen, die sich auf die Interferenzfähigkeit des Strahls auswirkt.
• Ferner sollte nach einer Fläche des Kompensationsoptiksystems, die vom Strahl durchleuchtet wird, eine Wellenfront des Strahls nach Abzug einer Referenzwellenfront im PV-Wert („peak to valley“-Wert) unter 10 λ (bezogen auf die Wellenlänge λ des verwendeten Laserlichts) aufweisen, wobei dies insbesondere bevorzugt auch für alle durchstrahlten Materialübergänge (Flächen/Interfaces), d.h., kumuliert, gilt.
  In 1 ist ein (z.B. Glas-) Rohr 9 als Beispiel für ein Werkstück mit einer zylindrischen Grundform und einer gekrümmten Oberfläche 9A dreidimensional angedeutet. Das Rohr 9 (eine Zylinderachse A) erstreckt sich in 1 geradlinig in Y-Richtung. Ein zylindrischer Innenraum I wird durch eine Wand W begrenzt. Die Wand W weist in der X-Z-Ebene einen Außenradius Ra und einen Innenradius Ri sowie eine Wandstärke D (= Ra-Ri) auf.
• 1 zeigt ferner eine Kompensationsoptik 10, die zwischen dem optischen System 1B und dem Rohr 9 angeordnet ist. Die Kompensationsoptik 10 umfasst eine plane Eintrittsfläche 10A für den Laserstrahl 3 und eine Austrittsfläche 10B, die in Kontakt mit dem Rohr 9 steht. Allgemein ist ein räumlicher Verlauf der Austrittsfläche 10B - zumindest in einem vom Laserstrahl durchstrahlten Bereich - an den räumlichen Verlauf der gekrümmten Oberfläche 9A angepasst.
• Die Kompensationsoptik 10 stellt ein strukturell einfaches Beispiel eines Kompensationsoptiksystems 100 dar. Komplexere Beispiele für Kompensationsoptiksysteme werden nachfolgend in Zusammenhang mit den 2A bis 5 erläutert.
• Angepasst an die Geometrie des Rohrs 9 bildet die Austrittsfläche 10B eine sich linear in Y-Richtung erstreckende Vertiefung in Form einer rinnenförmigen Aussparung aus. Der Krümmungsradius der Aussparung ist in der X-Z-Ebene an den Außenradius Ra des Rohres 9, d.h., an einen Krümmungsradius der Oberfläche 9A in der X-Z-Ebene, angepasst. Entsprechend kann das Rohr 9 derart in der Kompensationsoptik 10 gelagert werden, dass die Oberfläche 9A und die Austrittsfläche 10B direkt aneinander anliegen. Bevorzugt liegt kein Luftspalt zwischen der Kompensationsoptik 10 und dem Rohr 9 vor, auch wenn ein dünner Luftspalt toleriert werden kann, solange eintretende Beugungseffekte die Verwendung der sich ergebenden Fokuszone für die Materialbearbeitung nicht ausschließen.
• Allgemein besteht das Material der Kompensationsoptik 10 bevorzugt aus einem (für die Laserwellenlänge des eingesetzten gepulsten Laserstrahls 3 weitgehend) transparenten Material, sodass ein möglichst großer Anteil der einfallenden Laserstrahlung (bevorzugt mindestens 90 %) zur Ausbildung von Modifikationen im Werkstück genutzt werden kann.
• Das Material der Kompensationsoptik 10 weist einen Brechungsindex nK auf, der im Wesentlichen einem Brechungsindex nW des Materials des Rohrs 9 entspricht Zum Beispiel weist das Kompensationsmaterial einen Brechungsindex nK auf, der maximal 30%, typischerweise 20%, bevorzugt weniger als 10% vom Brechungsindex nW des Materials des Werkstücks abweicht. Beispielsweise kann die Kompensationsoptik 10 aus dem Material des Rohrs 9 hergestellt werden.
• In 1 trifft die Strahlachse 5 an einem Auftreffpunkt P auf die Oberfläche 10A der Kompensationsoptik 10. Die Kompensationsoptik 10 ist derart ausgerichtet, dass eine Normalenrichtung N der planen Oberfläche/Eintrittsfläche 10A der Kompensationsoptik 10 parallel zur Strahlachse 5 ausgerichtet ist. Eine Abweichung vom orthogonalen Einfall auf die Eintrittsfläche 10A kann - beispielsweise in einem Bereich von bis zu 10° oder bis 5° - toleriert werden, solange eintretende Beugungseffekte die Verwendung der sich ergebenden Fokuszone für die Materialbearbeitung nicht ausschließen.
• Die Ausbreitung der Strahlanteile 4 im Material der Kompensationsoptik 10 setzt sich bis zur Austrittsfläche 10B fort (wobei sich der Winkel, unter dem die Strahlanteile 4 auf die Strahlachse 5 einlaufen, aufgrund des Eintritts von Luft in das Material verkleinert - siehe auch 7A).
• An der Austrittsfläche 10B erfolgt - aufgrund der Vergleichbarkeit des Brechungsindexes nK mit dem Brechungsindex nW - ein möglichst ungestörter, insbesondere ein beugungsfreier, Übergang der Strahlanteile 4 von der Kompensationsoptik 10 in das Rohr 9.
• Allgemein wird der Ausgangslaserstrahl 3' und damit der Laserstrahl 3 durch Strahlparameter wie Ausbildung von Einzellaserpulsen oder Gruppen von Laserpulsen, Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Pulsenergie, Strahldurchmesser und Polarisation bestimmt. Für die Materialbearbeitung weisen die Laserpulse z.B. Pulsenergien auf, die zu Pulsspitzen-intensitäten führen, die eine Volumenabsorption im Material der Rohrwand und damit eine Ausbildung einer Modifikation in einer gewünschten Geometrie bewirken.
• In 1 wird der Ausgangslaserstrahl 3' - üblicherweise ein kollimierter Gaußscher Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil - von der Laserstrahlquelle 1A, beispielsweise einem UKP-Hochleistungslasersystem, erzeugt. Das optische System 1B formt aus dem Gaußschen Strahl mit Hilfe eines Strahlformungselements 11 einen Bessel-Gauß-Strahl mit einem gewöhnlichen oder inversen Bessel-Strahl-artigen Strahlprofil. Das Strahlformungselement 11 ist zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf den einfallenden Ausgangslaserstrahl 3' ausgebildet. Die Strahlformung umfasst in 1 ein flächiges diffraktives optisches Strahlformungselement 27. Das Strahlformungselement 11 kann alternativ z.B. ein (Hohlkegel-)Axicon, ein (Hohlkegel-)Axicon-Linse/Spiegel-System oder ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-System umfassen. Für beispielhafte Konfigurationen des optischen Systems und insbesondere des Strahlformungselements 11 wird auf die eingangs genannte WO 2016/079275 A1 verwiesen.
• Beispielsweise kann das diffraktive optische Strahlformungselement 27 ein programmierbares oder fest-eingeschriebenes diffraktives optisches Strahlformungselement, insbesondere ein räumlicher Lichtmodulator (SLM spatial light modulator) sein. Allgemein ist ein diffraktives optisches Strahlformungselement dazu ausgebildet, einen Phasenbeitrag auf ein transversales Strahlprofil des Ausgangslaserstrahls 3' aufzuprägen, wobei das diffraktive optische Strahlformungselement aneinander angrenzende Flächenelemente (siehe beispielhaft für das Strahlformungselement 27 in 1 angedeutete Flächenelemente 27A) aufweist. Die Flächenelemente 27A können eine flächige Gitterstruktur aufbauen, bei der jedem Flächenelement 27A ein Phasenschiebungswert zugeordnet ist. Mithilfe von speziell gewählten Phasenschiebungswerten kann z.B. ein Axicon oder ein inverses Axicon diffraktiv nachgebildet werden.
• Hierin werden diffraktive optische Strahlformungselemente und entsprechende refraktive Optiken sowie reflektive Optikimplementierungen als hinsichtlich der vorzunehmenden Phasenaufprägung im Wesentlichen gleichwertige optische Mittel angesehen.
• Wie in 1 schematisch angedeutet kann das optische System 1B weitere strahlführende Komponenten 13 umfassen, zum Beispiel eine Teleskopanordnung 13A, Spiegel, Linsen, Filter sowie Steuerungsmodule zur Ausrichtung der verschiedenen Komponenten.
• Beispielhafte Parameter des Laserstrahls 3, die für die Materialbearbeitung eingesetzt werden können, sind:
• Laserpulsenergien/Energie einer Laserpulsgruppe (Burst): z.B. im mJ-Bereich und mehr, beispielsweise im Bereich zwischen 20 µJ und 5 mJ (z.B. 1200 µJ), typischerweise zwischen 100 µJ und 1 mJ
• Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 µm > λ > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
• Pulsdauer (FWHM): einige Pikosekunden (beispielsweise 3 ps) und kürzer, beispielsweise einige hundert oder einige (zehn) Femtosekunden, insbesondere ultrakurze Laserpulse/Laserpulsgruppen
• Anzahl der Laserpulse in einem Burst: z.B. 2 bis 4 Pulse (oder mehr) pro Burst mit einem zeitlichen Abstand im Burst von einigen Nanosekunden (z.B. 40 ns)
• Anzahl der Laserpulse pro Modifikation: ein Laserpuls oder ein Burst für eine Modifikation Repetitionsrate: üblicherweise größer 0.1 kHz, z.B. 10 kHz Länge der Fokuszone im Material: größer 20 µm, bis zu einigen Millimetern
• Durchmesser der Fokuszone im Material: größer 1 µm, bis zu 20 µm und mehr
• (sich ergebende laterale Ausdehnung der Modifikation im Material: größer 100 nm, z.B. 300 nm oder 1 µm, bis zu 20 µm und mehr)
• Vorschub d zwischen zwei benachbarten Modifikationen: mindestens die laterale Ausdehnung der Modifikation in Vorschubrichtung (üblicherweise mindestens das Doppelte der Ausdehnung, beispielsweise das Vierfache oder Zehnfache (oder mehr) der Ausdehnung)
• Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Einzellaserpuls. Entsprechend bezieht sich eine Einwirkdauer auf eine Gruppe/Burst von Laserpulsen, die zur Bildung einer einzigen Modifikation an einem Ort im Material des Werkstücks führen. Ist die Einwirkdauer wie die Pulsdauer kurz hinsichtlich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit, trägt ein Laserpuls und tragen alle Laserpulse einer Gruppe von Laserpulsen zu einer einzigen Modifikation an einem Ort bei. Bei niedrigeren Vorschubgeschwindigkeit können auch durchgehende Modifikationszonen, die aneinander angrenzende und ineinander übergehende Modifikationen umfassen, entstehen.
• Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Bearbeitung von Volumen erlauben, die sich bis zu einer Länge von beispielsweise 20 mm und mehr (typisch 100 µm bis 10 mm) in einem Werkstück erstrecken. Derartige Volumen werden z.B. bei der Bearbeitung von Rohren mit Innenradien von 100 µm und größer und Außenradien von z.B. im Bereich von 10 mm eingesetzt.
• Das optische System 1B bewirkt allgemein die Ausbildung der Fokuszone 7. Die Fokuszone 7 bezieht sich hierin auf eine dreidimensionale Intensitätsverteilung, die in dem zu bearbeitenden Werkstück das räumliche Ausmaß der Volumenabsorption und damit der Modifikation des Materials mit dem Laserpuls/der Laserpulsgruppe bestimmt. Die Fokuszone 7 bestimmt einen, im Fall eines Bessel-Gauß-Strahls langgezogenen, Volumenbereich im zu bearbeitenden Werkstück, in dem für die Ausbildung einer Modifikation eine Fluenz/Intensität über der für die Bearbeitung/Modifikation relevanten Schwellenfluenz/-intensität liegt.
• Für die Bearbeitung des Rohres 9 kann eine Länge der langgezogenen Fokuszone 7, in der eine Volumenabsorption vorliegt, auf die Wandstärke D angepasst werden, sodass sich eine Modifikation z.B. über die gesamte Wand W ausbilden kann, wie in 1 angedeutet ist.
• Mit Blick auf eine Laserbearbeitung mit Bessel-Gauß-Strahlen spricht man von langgezogenen Fokuszonen, wenn eine dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zur Fokuszonenachse (Durchmesser des on-axis-Maximums)) von mindestens 10:1, beispielsweise 20:1 und mehr oder 30:1 und mehr, oder 1000:1 und mehr, gekennzeichnet ist. Eine derartige langgezogene Fokuszone kann zu einer Modifikation im Material mit einem ähnlichen Aspektverhältnis führen. Allgemein kann bei derartigen Aspektverhältnissen eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung, die die Modifikation bewirkt, über die Fokuszone 7 im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, liegen. Das gleiche gilt entsprechend für eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Modifikation.
• Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist ferner eine Steuerungseinheit 23 auf, die insbesondere eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametern durch einen Benutzer aufweist. Allgemein umfasst die Steuerungseinheit 23 elektronische Steuerungsbauteile wie einen Prozessor zum Ansteuern von elektrischen, mechanischen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 1. Beispielsweise können Betriebsparameter der Laserstrahlquelle 1A wie z.B. Pumplaserleistung, Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung eines optischen Elements des optischen Systems 1B und Parameter einer Werkstückhalterung 19 (zum Abfahren einer Abtasttrajektorie) eingestellt werden (verdeutlicht durch Pfeile 23A).
• Für die Bearbeitung des Werkstücks - hier das Ausbilden einer Mehrzahl von Modifikationen - erfolgt allgemein eine Relativbewegung zwischen dem optischen System 1B und dem Werkstück, sodass die Fokuszone 7 bei einem gepulsten Laserstrahl in das Werkstück an verschiedenen Positionen zur Ausbildung von einer oder mehreren Modifikationen eingestrahlt werden kann. Die Relativbewegung wird z.B. von der Steuerungseinheit 23 derart angesteuert, dass sich die Modifikationen entlang einer Abtasttrajektorie aufreihen. Je nach Abtasttrajektorie kann z.B. ein Abtrennen eines Rohrstücks oder ein Ausschneiden von Strukturen aus dem Rohrstück bewirkt werden.
• In 1 verdeutlicht ein Pfeil T eine Abtasttrajektorie, die auf einer Rotation des Rohrs 9 in der Kompensationsoptik 10 unter Beibehaltung des Auftreffpunkts P basiert. Ergänzend zur Rotationsbewegung kann die Werkstückhalterung 19 die Durchführung von Translationsbewegungen des Rohrs 9 (und/oder der Kompensationsoptik 10) in X-, Y- und/oder Z-Richtung ermöglichen.
• Alternativ oder ergänzend kann die Steuerungseinheit 23 eine Relativbewegung zwischen Werkstück und optischem System 1B durch ein Bewegen des optischen Systems 1B (oder von Komponenten desselben) bewirken. In 1 ist beispielhaft eine Linearverschiebungseinheit 21 des optischen Systems 1B gezeigt, mit der die Fokuszone entlang der Strahlachse 5 positioniert werden kann. Ferner kann ein Abstandssensor einen Abstand des optischen Systems zur planen Oberfläche 10A der Kompensationsoptik 10 detektieren. Bei Kenntnis des Abstands und der Geometrie der Kompensationsoptik 10 kann die Position der Fokuszone 7 im Werkstück berechnet werden. Der Abstandssensor kann Abstandsdaten an die Steuerungseinheit 23 ausgeben, die den Abstand und damit die Position der Fokuszone 7 in Z-Richtung beispielsweise über die Werkstückhalterung 19 oder die Linearverschiebungseinheit 21 in Bezug zu einer vorgegebenen Soll-Position regeln kann. Abstandssensoren können z.B. als konfokale Weißlichtsensoren, Weißlichtinterferometer (wie optische Kohärenz-Tomographen) oder kapazitive Sensoren ausgebildet werden.
• Bezugnehmend auf die 2A bis 5 werden unterschiedliche Ausführungsformen für das Kompensationsoptiksystem 100 erläutert. Allgemein können Vollkörper als auch Hohlkörper mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien bearbeitet werden. In Abhängigkeit von der Querschnittsgeometrie können unterschiedliche Bearbeitungsansätze zum Einsatz kommen. Auch wenn die dargestellten Skizzen der 2A bis 5 sich auf Trennschnitte beziehen, können wie in Zusammenhang mit den 11A bis 12B angedeutet auch Innenkonturen ausgeschnitten werden.
• In den verschiedenen Skizzen der 2A bis 5 werden die zu bearbeitenden Werkstücke mit beispielhaften gekrümmten Oberflächen jeweils zum einen in ihrem Querschnitt schematisch angedeutet und zum anderen in ihrer Position im Kompensationsoptiksystem gezeigt. Ferner sind in den Skizzen jeweils Fokuszonen 7 sowie Modifikationen 31 angedeutet. Des Weiteren sind mit Pfeilen beispielhafte Relativbewegungen zwischen Werkstück und Fokuszone/Laserstrahl schematisch angedeutet.
• Bezugnehmend auf die 2A und 2B erfolgt die Bearbeitung der Werkstücke mithilfe eines Kompensationsoptiksystems, das als Kompensationsmaterial einen Formkörper 41, 41' aus einem festen Material oder einem (im Wesentlichen festen) Polymermaterial umfasst. Der Formkörper 41 ist in Skizze (1) der 2A dreidimensional mit einer im Querschnitt runden Durchgangsöffnung 43 (als Beispiel für eine Aussparung oder Öffnung) schematisch dargestellt. Im Beispiel der 2A ist die Durchgangsöffnung 43 zylinderförmig ausgebildet. Wie in den Skizzen (2) bis (6) gezeigt wird, kann die Durchgangsöffnung 43 beispielsweise einen Vollzylinder 45 oder ein Rohr 47 als zu bearbeitendes Werkstück mit gekrümmter Oberfläche 45A bzw. 47A aufnehmen. Die Oberseite des Formkörpers 41 bildet eine plane Eintrittsfläche 41A für den Laserstrahl 3, der bevorzugt senkrecht (bzw. in einem Einfallswinkelbereich von bis zu z.B. 10° zu einer Normalen-Richtung (Normalenvektor N in 1) der planen Eintrittsoberfläche 41A) auf die Eintrittsfläche 41A einfällt. Alternativ kann ein Eintrittsfenster am Formkörper 41, 41' vorgesehen werden, das die plane Eintrittsfläche ausbildet.
• Aberrationen des Laserstrahls 3 aufgrund des Eintritts in den Formkörper 41 liegen entsprechend nicht oder nur in einem, im Vergleich zu einer gekrümmten Oberfläche, geringen Umfang vor. Aufgrund der vergleichbaren Brechungsindizes von Werkstück und Formkörper 41 treten auch keine oder nur geringe Aberrationen des Laserstrahls 3 beim Eintritt vom Formkörper 41 in das Werkstück durch die gekrümmte Oberfläche 45A bzw. 47A auf. Somit ergibt sich ein optischer Pfad von der planen Eintrittsfläche 41A bis in das Werkstück, bei dem kein gekrümmtes Interface vorliegt, das zu einer (signifikanten) Beugung von Licht führen würde.
• Entsprechend kann eine langgezogene Fokuszone z.B. aufgrund von Interferenz von von außen einlaufenden Strahlanteilen 4 (verdeutlicht in Skizzen (5) und (6) der 2A) gebildet werden, um im Material längliche Modifikationen auszubilden.
• In Skizze (2) der 2A erkennt man, dass die Fokuszone 7 sich von der gekrümmten Oberfläche 45A zur Zylinderachse des Vollzylinders 45 (beispielsweise in einem Bereich von 40% bis 60% des Durchmessers des Vollzylinders) erstreckt, sodass eine Modifikation ausgebildet werden kann, die sich von der Oberfläche bis zur Mitte des Vollzylinders 45 erstreckt. Wird der Vollzylinder 45 um die Zylinderachse rotiert (Pfeil 49A), ergibt sich beispielsweise eine Anordnung von Modifikationen 31, die sternförmig um die Zylinderachse ausgebildet sind.
• In Skizze (3) der 2A wurde für das Rohr 47 die Länge der Fokuszone beispielsweise auf mindestens 80 % der Wanddicke (oder in einem Bereich von 80% bis 120% der Wanddicke) eingestellt. Wird das Rohr 47 um die Rohrachse rotiert (Pfeil 49A), ergibt sich auch hier eine Anordnung von Modifikationen 31 in der Wand des Rohrs 47, die sternförmig auf die Rohrachse zu laufen.
• In Skizze (4) der 2A wurde für die Bearbeitung des Vollzylinders 45 die Länge der Fokuszone 7 auf zum Beispiel den Durchmesser des Vollzylinders 45 (als maximalen Ausdehnung des Werkstücks in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls) oder allgemein in einem Bereich von 80% bis 120% der maximalen Ausdehnung eingestellt. Eine Translationsbewegung des Formkörper 41 mit dem Vollzylinder 45 (Pfeil 49B) führt zu einer Anordnung von parallel verlaufenden Modifikationen 31.
• In Skizze (4) der 2A erkennt man, dass das Kompensationsmaterial, wenn es während der Bearbeitung lokal ebenfalls hohen Intensitäten ausgesetzt ist, ebenfalls modifiziert werden kann. In diesem Fall kann das Kompensationsmaterial auch als Opfermaterial bezeichnet werden. Hierin wird allgemein ein Kompensationsmaterial als Opfermaterial bezeichnet, wenn es im Rahmen der Laserbearbeitung seine Eigenschaften verändert und deswegen nach oder während eines Bearbeitungsvorgangs ausgetauscht oder entfernt werden muss, wobei es sich allgemein um einen Opferfestkörper oder eine Opferflüssigkeit handeln kann. Ein weiteres Beispiel für ein Opfermaterial ist ein Polymer.
• Treten Modifikationen im Opfermaterial auf, die eine Ausbreitung des Laserstrahls 3 im Opfermaterial beeinflussen können, ist während der Bearbeitung zu gewährleisten, dass eine Relativbewegung zwischen Werkstück, Opfermaterial und Fokuszone derart vorgenommen wird, dass möglichst nur nicht-modifiziertes oder gering modifiziertes Opfermaterial durchstrahlt wird.
• Soll das Rohr 47 mithilfe einer Translationsbewegung und einer Fokuszone mit einer Fokuszonenlänge in der Größenordnung des Rohrdurchmessers bearbeitet werden, würde ein zum Beispiel gasgefülltes Innenvolumen des Rohrs 47 einer Ausbildung der Fokuszone 7 über die gesamte Länge entgegenwirken, denn die Strahlanteile 4 würden an der Innenoberfläche des Rohrs 47 gebeugt werden und zwar sowohl beim Austritt aus der Rohrwand in das Innenvolumen, als auch beim erneuten Eintritt in die Rohrwand (siehe auch 1).
• Um derartige Beugungseffekte zu vermeiden verdeutlichen die Skizzen (5) und (6) der 2A eine Füllung des Innenvolumens des Rohrs 47 mit einem Füllungskompensationsmaterial. Das Füllungskompensationsmaterial ist in Skizze (5) eine Flüssigkeit 51A und in Skizze (6) ein Festkörper 5 IB. Bevorzugt ist das Füllungskompensationsmaterial derart ausgebildet, dass ein Übergang des Laserlichts des Laserstrahls 3 vom Werkstück in das Füllungskompensationsmaterial im Wesentlichen ohne Brechung erfolgt. Der Festkörper 51B ist beispielsweise ein Stab, der in ein zu bearbeitendes Rohr eingebracht wird z.B. aus dem Material des Rohrs besteht. Aufgrund des Füllungskompensationsmaterials bildet sich die Fokuszone 7 über die gesamte notwendige Länge aus, sodass mit einer Translationsbewegung (Pfeil 49B) zwischen Fokuszone 7 und Rohr 47 parallel verlaufende Modifikationen (nicht explizit gezeigt) in die Rohrwand eingebracht werden können.
• 2B verdeutlicht beispielhaft die Bearbeitung von Werkstücken, die nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Skizze (1) der 2B zeigt ein Rohr 53 mit einem dreieckigen Querschnitt und Skizze (2) der 2B zeigt einen Stab 55 aus einem Vollmaterial mit einem dreieckigen Querschnitt. In einem als Kompensationsmaterial dienenden Formkörper 41' ist eine Öffnung (Skizze (1) der 2B) bzw. eine Aussparung (Skizze (2) der 2B) vorgesehen. Die Öffnung bzw. die Aussparung ist jeweils an die dreieckige Querschnittsform des zu bearbeitenden Werkstücks - zumindest abschnittsweise - angepasst. Offensichtlich ist eine Rotationsbewegung der zu bearbeitenden Werkstücke in den Formkörpern 41' nicht möglich.
• Skizze (1) der 2B verdeutlicht eine Bewegung (Pfeil 49C) der Fokuszone 7, die der Geometrie des Rohrs 53 folgt. Zusätzlich zu einer Translationsbewegung quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 wird dabei die Fokuszone 7 auch in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 bewegt. Die Länge der Fokuszone 7 kann auf eine maximal zu durchstrahlende Länge des Werkstücks fest eingestellt werden oder jeweils in ihrer Länge an einen zu modifizierenden Querschnittsbereich des Werkstücks angepasst werden. Auf diese Weise können wieder parallel verlaufende Modifikationen 31 in die Wand des Rohrs 53 eingebracht werden.
• Skizze (2) der 2B verdeutlicht eine reine Translationsbewegung (Pfeil 49B) einer Fokuszone 7 über den Stab 55 hinweg. Dabei wurde die Länge der Fokuszone 7 auf ein maximales Ausmaß des Stabs 55 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 eingestellt. Man erkennt, dass sich in diesem Fall wiederum Modifikationen im Formkörper 41' ausbilden, die eine nachfolgende Bearbeitung mit dem Laserstrahl 3 beeinflussen können. Entsprechend kann z.B. eine kontinuierliche Verschiebung des Formkörpers 41' über den Stab 55 hinweg vorgesehen werden.
• 3 verdeutlicht die Bearbeitung eines Werkstücks 57 (beispielsweise eine Glasfaser oder ein Glasstab), das mit einem (verformbaren) Polymermaterial 59 als Kompensationsmaterial - zumindest abschnittsweise - beschichtet wurde. In 3 umgibt das Polymermaterial 59 das Werkstück 57. Um eine plane Eintrittsfläche 10A zu gewährleisten, wird ein Eintrittsfenster 61 in Kontakt mit dem Polymermaterial 59 gebracht. Weist das Polymermaterial 59 einen an das Werkstück 57 angepassten Brechungsindex auf, ist es wiederum möglich, eine Fokuszone 7 zu erzeugen, die sich über eine Länge in der Größenordnung des Durchmessers des Werkstücks 57 aufbaut, sodass eine Bearbeitung beispielsweise mit einer reinen Translationsbewegung (Pfeil 49B) möglich wird. Man erkennt in 3 wiederum parallel verlaufende Modifikationen 31 im Werkstück 57, wobei unter Umständen auch angrenzendes Polymermaterial modifiziert werden kann. Nach der Bearbeitung kann das Werkstück 57 beispielsweise mit einem Lösungsmittel wie Aceton von der Polymerschicht gereinigt werden. Das Beschichten mit einem Polymermaterial erlaubt die Bearbeitung verschiedener Geometrien und ist nicht auf die in 3 gezeigte runde Querschnittsform beschränkt. Je nach optischen Anforderungen kann auch eine Oberfläche des Polymermaterials 59 die plane Eintrittsfläche ausbilden.
• Die 4A und 4B verdeutlichen die Bearbeitung von Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen für ein Kompensationsoptiksystem, das ein Flüssigkeitsbad 71 und ein Eintrittsfenster 73 umfasst (siehe Skizze (1) der 4A). Eine Flüssigkeit 75 des Flüssigkeitsbads 71 ist im Brechungsindex an das zu bearbeitende Werkstück angepasst. Das Eintrittsfenster 73 stellt eine plane Eintrittsoberfläche 10A für den Laserstrahl 3 bereit und kann z.B. als eine separate (teilweise) Abdeckung des Flüssigkeitsbads 71 oder als eine Behälterwand des Flüssigkeitsbads 71 ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Flüssigkeit 75 im Flüssigkeitsbad 71 umgewälzt werden (verdeutlicht durch Pfeile 77 in Skizze (1) der 4A) oder Teil eines Flüssigkeitskreislaufs (zum Austauschen von Flüssigkeit zwischen dem Eintrittsfenster 73 und dem Werkstück während des Einstrahlens des Laserstrahls 3) sein. Ferner kann in einigen Ausführungsformen eine von der Flüssigkeit 75 gebildete Oberfläche die plane Eintrittsoberfläche 10A für den Laserstrahl 3 ausbilden, sodass kein Eintrittsfenster eingesetzt wird.
• Ein Werkstück wird derart im Flüssigkeitsbad 71 positioniert, dass das Werkstück und die der Eintrittsfläche 10A gegenüberliegende Seite des Eintrittsfensters 73 - in den 4A und 4B die Unterseite des Eintrittsfensters 73 - in Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht werden. Somit ergibt sich ein optischer Pfad vom Eintrittsfenster 73 bis in das Werkstück, bei dem kein gekrümmtes Interface vorliegt, das zu einer (signifikanten) Beugung von Licht führen würde.
• Skizze (2) der 4A verdeutlicht die Bearbeitung eines Stabs 81 aus einem Vollmaterial (Vollzylinder) mit einer Fokuszone 7, die sich über die gesamte Dicke des Stabs erstreckt und im Rahmen einer Translationsbewegung (Pfeil 49B) einmal quer über den Stab 81 hinwegbewegt wird.
• Skizze (3) der 4A verdeutlicht eine entsprechende, auf einer Translationsbewegung (Pfeil 49B) basierende Bearbeitung für ein Rohr 83. Dabei ist ein Innenvolumen des Rohrs 83 mit der Flüssigkeit 75 gefüllt, um eine vollständige Ausbildung der Fokuszone 7 zu ermöglichen. Siehe Skizze (5) der 2A, auf deren zugehörige Beschreibung verwiesen wird.
• Skizze (4) der 4A verdeutlicht eine Bearbeitung des Rohrs 83 mithilfe einer Rotation des Rohrs 83 (Pfeil 49A) im Flüssigkeitsbad 71 analog zur Skizze (3) der 2A, auf deren zugehörige Beschreibung verwiesen wird.
• Skizze (1) der 4B verdeutlicht die Bearbeitung eines Rohres 85 mit einem dreieckigen Querschnitt. Auch in diesem Fall ist das Innenvolumen des Rohrs 85 mit der Flüssigkeit 75 gefüllt, sodass sich die Fokuszone 7 über die Höhe der dreieckigen Grundform erstrecken kann. Dies ermöglicht es, parallele Modifikationen 31 mit einer Translationsbewegung (Pfeil 49B) in dem Rohr 85 auszubilden.
• Bezugnehmend auf Skizze (2) der 4B kann die Möglichkeit, das Rohr 85 im Wasserbad zu drehen, dazu genutzt werden, sternförmig angeordnete Modifikationen in der Rohrwand des dreieckigen Rohres 85 auszubilden. Entsprechend kann eine Fokuszone 7 verwendet werden, die in etwa der Dicke der Rohrwand entspricht. Während der Rotationsbewegung (Pfeil 49D) kann die relative Lage der Fokuszone 7 bezüglich des Rohres 85 in Ausbreitungsrichtung nachgeführt werden. Alternativ kann eine längere Fokuszone 7 vorgesehen werden, die sowohl zu einer Modifikation des nächstliegenden Bereichs der Rohrwand als auch des entferntesten Bereichs der Rohrwand von der der Rotationsachse abdeckt.
• Die sowie Business war nichts mehr ein nicht mehr besetzt ist mal verdeutlicht eine weitere Ausführungsform eines Kompensationsoptiksystems, bei dem Flüssigkeit zwischen dem Werkstück und einem Eintrittsfenster bereitgestellt wird, um eine von der gekrümmten Oberfläche ungestörte Ausbildung einer (langgezogenen) Fokuszone 7 zu ermöglichen.
• Hierzu umfasst das Kompensationsoptiksystem eine Düse 91, die einen Strahl einer Flüssigkeit 93 auf ein Eintrittsfenster 95 richtet. Ein zu bearbeitendes Werkstück, hier beispielsweise ein Stab 97, wird derart nahe an dem Eintrittsfenster 95 angeordnet, dass sich ein Flüssigkeitsfilm zwischen dem Werkstück und einer der Eintrittsfläche 10A gegenüberliegenden Seite des Eintrittsfensters 95 in einen durchstrahlten Bereich ausbildet. Die Flüssigkeit 93 dient so als kontinuierlich ausgetauschtes Kompensationsmaterial zwischen dem Werkstück 9 und der der Eintrittsfläche 10A gegenüberliegenden Seite des Eintrittsfensters.
• Vorausgesetzt der Brechungsindex der Flüssigkeit ist an den Brechungsindex des Werkstücks angepasst, ergibt sich auch bei dieser Anordnung ein optischer Pfad vom Eintrittsfenster 95 bis in das Werkstück, bei dem kein gekrümmtes Interface vorliegt, das zu einer (signifikanten) Beugung von Licht führen würde.
• Die hierin beschriebenen Aspekte beziehen sich insbesondere auf die Anwendung von nicht-beugenden Strahlen bei der Materialbearbeitung. Nicht-beugende Strahlen („non-diffractive beams“) können durch Wellenfelder ausgebildet werden, die der Helmholtz-Gleichung $${\nabla }^{2}U\left(r\right)+k^{2}U\left(r\right)=0$$

  

  genügen und eine klare Separierbarkeit in eine transversale (d.h., in x- und y-Richtung) Abhängigkeit und eine longitudinale (d.h., in z-Richtung/Ausbreitungsrichtung) Abhängigkeit der Form $$U\left(x,y,z\right)=U^t\left(x,y\right)\text{exp }\left(i{k}_{z}z\right)$$

  

  aufweisen.
• Hierbei ist k = ω/c der Wellenvektor mit seinen longitudinalen/axialen und transversalen Komponenten $k^2=k_z^2+k_t^2$

  

  und U^t(x, y) ist eine beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x und y abhängt. Da die z-Abhängigkeit in Gleichung 2
  eine reine Phasenmodulation aufweist, ist eine Intensität I(x,y,z) einer die Gleichung 2 lösenden Funktion propagationsinvariant und wird als „nicht-beugend“ bezeichnet: $$I\left(x,y,z\right)={\left|U\left(x,y,z\right)\right|}^2=I\left(x,y\mathrm{,0}\right)$$

  
• Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen der Helmholtz-Gleichung in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie z.B. sogenannte Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder sogenannte Bessel-Strahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.
• Siehe hierzu auch J. Turunen and A. T. Friberg, „Propagation-invariant opticalfields“, in Progress in optics, 54, 1-88, Elsevier (2010) sowie M. Woerdemann, „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organisation", Springer Science & Business Media (2012).
• Es lassen sich eine Vielzahl von Typen nicht-beugender Strahlen in guter Näherung realisieren. Diese realisierten nicht-beugenden Strahlen werden hierin der Einfachheit halber weiterhin als „endlich begrenzte nicht-beugende Strahlen“, „nicht-beugende Strahlen“, oder auch als „quasi nicht-beugende Strahlen“, bezeichnet. Sie führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist auch eine ihnen zugeordnete Länge L einer Propagationsinvarianz.
• 6 zeigt im Vergleich mit Intensitätsdarstellungen eines konventionellen Gauß-Fokus (siehe das Propagationsverhalten eines Gauß-Fokus in Abbildung (a) der 6) das Propagationsverhalten von nicht-beugenden Strahlen anhand von Intensitätsdarstellungen in Abbildungen (b) und (c). Die Abbildungen (a), (b) und (c) zeigen jeweils einen Längsschnitt (x-z-Ebene) und einem Transversalschnitt (x-y-Ebene) durch den Fokus eines Gauß-Strahls bzw. von nicht-beugenden Strahlen, die in z-Richtung propagieren.
• Die Abbildung (b) bezieht sich beispielhaft auf einen rotationssymmetrischen nicht-beugenden Strahl, hier ein Bessel-Gauß-Strahl. Die Abbildung (c) bezieht sich beispielhaft auf einen nicht asymmetrischen nicht-beugenden Strahl. Für einen Bessel-Gauß-Strahl zeigen die Abbildungen (d) und (e) der 6 ferner Details eines zentralen Intensitätsmaximums. So zeigt Abbildung (d) der 6 einen Intensitätsverlauf in einer transversalen Schnittebene (X-Y-Ebene) und eine transversalen Intensitätsverlauf in X-Richtung. Die Abbildung (e) der 6 zeigt Details des zentralen Intensitätsmaximums in einem Schnitt in Propagationsrichtung.
• Für den Vergleich wird ein Fokusdurchmesser $d_0^{\text{GF}}$

  

  des Gauß-Fokus definiert, wobei der Gauß-Fokus über die zweiten Momente festgelegt wird. Ferner wird eine zugehörige charakteristische Länge über die Rayleigh-Länge $z_{\text{R}}=\pi {\left(d_0^{\text{GF}}\right)}^2/4\mathrm{\lambda }$

  

  definiert, die als eine Distanz ausgehend von der Fokusposition festgelegt wird, bei der der Strahlquerschnitt um einen Faktor 2 zugenommen hat. Ferner wird für einen quasi nicht-beugenden Strahl ein transversaler Fokusdurchmesser $d_0^{\text{ND}}$

  

  als die transversale Dimension eines lokalen Intensitätsmaximums definiert, wobei der transversaler Fokusdurchmesser $d_0^{\text{ND}}$

  

  durch die kürzeste Distanz direkt angrenzender, gegenüberliegender Intensitätsminima (z.B. Intensitätsabfall auf 25 %) gegeben ist. Siehe hierzu z.B. die Abbildungen (b) und (d) der 6. Die longitudinale Ausdehnung des nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaximums kann als eine charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls (Fokuszonenlänge) angesehen werden. Sie ist definiert über einen Intensitätsabfall auf 50 %, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum, jeweils in positive und negative z-Richtung, siehe Abbildungen (c) und (e) der 6.
• Hierin wird von einem quasi nicht-beugenden Strahl ausgegangen, wenn für ähnliche transversale Dimensionen, z.B. $d_0^{\text{ND}}\approx d_0^{\text{GF}},$

  

  die charakteristische Länge L des nicht-beugenden Strahls die Rayleigh-Länge des zugehörigen Gauß-Fokus deutlich überragt, insbesondere wenn L > 10z_R. (Quasi-) Bessel-Strahlen, auch als Bessel-ähnliche Strahlen bekannt, sind Beispiele einer Klasse von (quasi) nicht-beugenden Strahlen. Bei derartigen Strahlen gehorcht die transversale Feldverteilung U^t(x, y) in der Nähe der optischen Achse in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung n. Eine Untermenge dieser Klasse von Strahlen stellen die sogenannten Bessel-Gauß-Strahlen dar, die aufgrund ihrer einfachen Erzeugbarkeit weit verbreitet sind. Ein Bessel-Gauß-Strahl kann z.B. durch Beleuchten eines Axicons in refraktiver, diffraktiver oder reflektiver Ausführung mit einem kollimierten Gauß-Strahl geformt werden. Eine zugehörige transversale Feldverteilung in der Nähe der optischen Achse im Bereich einer zugehörigen langgezogenen Fokuszone gehorcht dabei in guter Näherung einer Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0 (in guter Näherung), die von einer Gauß-Verteilung eingehüllt ist, siehe Abbildungen (d) und (e) der 6, wobei die gezeigten Intensitätsverteilung dem Betragsquadrat einer Bessel-Funktion (in guter Näherung) entsprechen.
• Typische Bessel-Gauß-Strahlen, die zur Bearbeitung transparenter Materialien genutzt werden können, weisen Durchmesser des zentralen Intensitätsmaximums auf der optischen Achse von $d_0^{\text{ND}}=2.5\mathrm{\mu }\text{m}$

  

  auf. Die zugehörige Länge L kann ohne weiteres 1 mm übersteigen, siehe Abbildung (b) der 6. Ein Fokus eines Gauß-Strahls mit $d_0^{\text{GF}}\approx d_0^{\text{ND}}=2.5\mathrm{\mu }\text{m}$

  

  zeichnet sich hingegen durch eine Fokuslänge in Luft von lediglich z_R ≈ 5 µm bei einer Wellenlänge λ von 1 µm aus, siehe Abbildung (a) der 6. In diesen für die Materialbearbeitung relevanten Fällen gilt demnach sogar für die zugehörige Länge L: L >> 10z_R, beispielsweise das 100-fache oder mehr oder sogar das 500-fache oder mehr der Rayleigh-Länge.
• Zur Erläuterung des Einflusses einer gekrümmten Oberfläche auf die Bessel-Strahl-Erzeugung zeigen die 7A und 7B radiale Strahlanteile 4, die unter einem Winkel δ auf die Strahlachse 5 zulaufen. Nach dem Eintreten in ein Werkstück/optisches Material mit einer planen Oberfläche verlaufen die radialen Strahlanteile 4 in der Z-Y-Ebene im Material beispielsweise unter einem Winkel 8' auf die Strahlachse 5 zu. Für einen senkrechten Einfall auf die Glasoberfläche können Bessel-ähnliche Strahlen „beliebig“ tief in transparente Materialien fokussiert werden, ohne dass Wellenfrontaberrationen auftreten. Dies ist in 7A (ideale Propagation; ohne Aberrationen) für eine plane Oberfläche 37 gezeigt. Die Interferenz der radialen Strahlanteile 4 erfolgt über die gesamte, durch die radiale Breite der Strahlanteile 4 gegebene Länge.
• Ein beispielhafter Intensitätsverlauf I(x, z) ist entlang der Strahlachse 5 (in Z-Richtung) in 8A gezeigt, wie er mit einem Bessel-Strahl erzeugt werden kann. Einen zugehörigen transversalen Intensitätsverlauf I(x, y) zeigt 8B. Die Intensitätsverläufe entsprechen denen der Abbildung (b) der 6.
• Bei gekrümmten Oberflächen oder lokal gekrümmten Oberflächen, wie bei Glaszylindern bzw. Glasrohren, führt eine Strahlbrechung an den lokal unterschiedlich gekrümmten Oberflächen zu unterschiedlichen Richtungsänderungen sowie Gangunterschieden, die die konstruktive Interferenzbedingung auf der optischen Achse stört. Es ergibt sich ein Verlust an Intensität, Homogenität etc. in der Fokuszone. Ein gezieltes Energieeinbringen auf der optischen Achse kann nicht mehr gewährleistet werden.
• 7B (gestörte Propagation; mit Aberrationen) verdeutlicht die Problematik für den Eintritt eines Bessel-Strahl-geformten Laserstrahls in ein Material durch eine gekrümmte Oberfläche 39. Aufgrund der Krümmung (d.h., eines lokal geneigten Einfalls) verlaufen die radialen Strahlanteile 4 im Material unter variierenden Winkeln 8(r) auf die Strahlachse 5 zu. Die Interferenzbedingungen sind beim Bessel-Strahl nur anfangs (beim inversen Bessel-Strahl nur am Ende) aufgrund der noch angenähert planen Oberfläche im zentralen Bereich um die Strahlachse gegeben. Dies ist beispielsweise die Situation für eine Oberfläche mit einem Krümmungsradius von 5 mm und einen Durchmesser Di des auftreffenden Laserstrahls 3 von z.B. 250 µm bis 2 mm.
• Ein beispielhafter Intensitätsverlauf I(x, z) wird in den 8A und 8B für diese Situation des Eintritts durch eine gekrümmte Oberfläche gezeigt. 8A zeigt einen Intensitätsverlauf I(x, z). Man erkennt, dass entlang der Strahlachse 5 (in Z-Richtung) hohe Intensitäten nur über einen begrenzten Bereich vorliegen, anschließend bilden sich Zonen etwas höherer Intensität in einem Abstand von der Strahlachse 5 aus. In der zugehörigen transversalen Intensitätsverlauf I(x, y) der 8B erkennt man, dass diese off-axis Zonen in der X- und Y-Richtung angeordnet sind.
• Die Wellenfrontaberrationen beim Durchgang durch die gekrümmte Oberfläche 39 resultieren somit in einer Fokusverteilung mit signifikantem Intensitätsverlust in Ausbreitungsrichtung, sodass eine optische Bearbeitung von insbesondere tiefer liegenden Bereichen nicht mehr möglich wird. Eine gewünschte Intensitätsverteilung wird also ohne Kompensationsoptiksystem nicht mehr im Werkstück erzeugt.
• Vorausgesetzt, das hierin vorgeschlagene Konzept eines Kompensationsoptiksystems wird eingesetzt, beeinflusst die gekrümmte Oberfläche den Verlauf des Laserstrahls im Werkstück nicht mehr, sodass die radialen Strahlanteile im Werkstück - ähnlich der 7A - in der Z-X-Ebene wieder im Wesentlichen unter dem Winkel 8' auf die Strahlachse 5 zulaufen.
• Beispielsweise durch Verwenden eines Opferglases als Festkörper-Kompensationsoptik, welches einen senkrechten Lichteinfall gewährleistet, können z.B. Bessel-ähnliche Strahlen hinter einer gekrümmten Oberflächenform eingebracht werden und dort das Material modifizieren. Das Opferglas kann selbst modifiziert werden und ist entsprechend ein Verschleißteil. Um eine Modifizierung der Kompensationsoptik zu vermeiden, kann die Fokuszone an der gekrümmten Oberfläche beginnen. Wie in Zusammenhang mit den 4A und 4B erläutert wurde, kann die Verwendung einer Brechungsindex-angepassten Flüssigkeit als Flüssigkeits-Kompensationsoptik, ein Werkstück zumindest teilweise umgeben und ebenfalls z.B. Bessel-ähnliche Strahlen hinter einer gekrümmte Oberflächenform ermöglichen.
• 10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche.
• In einem Schritt 101 (Strahlformung) wird eine Strahlformungsoptik derart konfiguriert, dass ein Laserstrahl von der Strahlformungsoptik so geformt wird, dass er in einem Werkstück mit einer planen Eintrittsseite (oder in Luft) eine Fokuszone in einer festgelegten Form ausbildet.
• In einem Schritt 103 (Positionieren des Werkstücks in einem Kompensationsoptiksystem) wird ein Werkstück in einem Kompensationsoptiksystem positioniert. Das Kompensationsoptiksystem stellt eine plane Eintrittsfläche für einen Laserstrahl bereit. Ferner sieht das Kompensationsoptiksystem ein Kompensationsmaterial zwischen der Eintrittsfläche und dem Werkstück vor, wobei das Kompensationsmaterial einen Brechungsindex aufweist, der dem Brechungsindex des Materials des Werkstücks im Wesentlichen entspricht.
• In einem Schritt 105 (Ausrichten des Kompensationsoptiksystems bzgl. Laserstrahl) wird das Kompensationsoptiksystem für einen z.B. senkrechten Einfall auf die Eintrittsfläche bezüglich des geformten Laserstrahls ausgerichtet. Ferner wird das Kompensationsoptiksystem so entlang eines Strahlengangs des Laserstrahls positioniert, dass der aus dem Kompensationsmaterial austretende Laserstrahl durch die gekrümmte Oberfläche in das Werkstück eintreten und eine Fokuszone zumindest teilweise im Material des Werkstücks ausbilden kann. Dabei kann die Strahlachse in einem Winkelbereich von bis zu z.B. 10° um eine Normalenrichtung der planen Eintrittsfläche und bevorzugt entlang der Normalenrichtung ausgerichtet werden.
• In einem Schritt 107 (Einstellen der Strahlparameter) werden Strahlparameter des Laserstrahls derart eingestellt, dass das Material des Werkstücks in der Fokuszone strukturell modifiziert werden kann.
• In einem Schritt 109 (Einstrahlen des Laserstrahls/Ausbilden einer Modifikation) wird der Laserstrahl eingestrahlt und das Materials des Werkstücks in der Fokuszone modifiziert.
• In einem Schritt 111 (Durchführen einer Relativbewegung) wird eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Fokuszone bewirkt, bei der die Fokuszone entlang einer Abtasttrajektorie im Material des Werkstücks bewegt wird. Entsprechend kann eine Mehrzahl von Modifikationen in das Material des Werkstücks entlang der Abtasttraj ektorie ausgebildet werden. Die Relativbewegung kann eine Bewegung des Kompensationsoptiksystems (mit dem Werkstück) bezüglich des Laserstrahls und/oder eine Bewegung des Werkstücks bezüglich des Kompensationsoptiksystems und damit bezüglich des Laserstrahls umfassen. Optional kann zusätzlich das Kompensationsmaterial (als Opfermaterial) bezüglich der Fokuszone bewegt werden.
• Als Ergebnis der laserbasierten Werkstückbearbeitung liegt ein Werkstück vor, in das eine Mehrzahl von beabstandeten oder ineinander übergehenden Modifikationen eingebracht wurde. Bei einem Rohr sind diese zum Beispiel umlaufend eingebracht (siehe 2A), um das Rohr in zwei Abschnitte zu unterteilen (Abtasten entlang einer umlaufenden Außenkontur). Ferner können in eine gekrümmte Oberfläche Modifikationen entlang einer Innenkontur eingebracht werden (siehe 11A bis 12C). Die Modifikationen können zusätzlich Risse im Material ausbilden, die sich zwischen benachbarten Modifikationen oder allgemein zufällig ausgehend von einer der Modifikationen in das Material des Werkstücks hinein erstrecken.
• Die zuvor erläuterten Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl können einen ersten Abschnitt eines Trennvorgangs eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche in zwei Teile darstellen (falls eine vollständige Trennung nicht bewirkt wurde). Nach Abschluss der Materialbearbeitung mit dem Laserstrahl ist das Werkstück mit vielen Modifikationen im Material versehen, jedoch kann noch eine Verbindung aus nicht modifiziertem Material zwischen den beiden Teilen vorliegen. In diesem Fall ist ein zweiter Abschnitt des Trennvorgangs notwendig, in dem diese verbleibenden Verbindungen (thermisch, durch externe Spannungen oder durch Nass-Ätzen) gelöst werden, um die vollständige Trennung des Werkstücks in zwei Teile zu erreichen.
• Die 11A und 12A verdeutlichen schematisch zwei Werkstücke, bei denen entlang einer Innenkontur als Abtasttrajektorie eine Abfolge von Modifikationen in eine Rohrwand mithilfe eines Kompensationsoptiksystems eingebracht wurden. Hierzu zeigen die 11B und 11C bzw. 12B und 12C jeweils in zwei Seitenansichten, wie das Werkstück in einem Kompensationsoptiksystem (hier ein spezifisch ausgebildetes Formteil) positioniert ist.
• 11A zeigt einen sich entlang einer Rohrachse (Y-Richtung) erstreckenden Rohrabschnitt 151 mit einem konstanten Außenradius und einer Wanddicke im Bereich von z.B. 1 mm. In den Rohrabschnitt 151 wurde eine im Wesentlichen kreisrunde Öffnung 153 eingebracht, indem entlang einer geschlossenen Innenkontur 155 eine Aufreihung von Modifikationen ausgebildet wurde. Für die Laserbearbeitung wurde der Rohrabschnitt 151 in eine Durchgangsöffnung eines Formteils 141 eingebracht, wobei eine Seitenfläche des Formteils 141 eine plane Eintrittsfläche ausbildet, durch die ein Laserstrahl 3 für die Ausbildung der Modifikationen eingestrahlt wird. Eine Relativbewegung zwischen Rohrabschnitt 151 und Laserstrahl 3, insbesondere der Fokuszone 7 des Laserstrahls 3, wurde dabei so gewählt, dass sich jede der Modifikationen radial bezüglich der Rohrachse durch die Rohrwand erstreckt. Hierfür wurde der Rohrabschnitt 151 zum einen zusammen mit dem Formteil 141 in Richtung der Rohrachse verschoben (siehe 11B). Zum anderen wurde der Rohrabschnitt 151 in der Durchgangsöffnung gedreht (siehe 11C). Im Anschluss an die Laserbearbeitung wurde ein Nass-Ätzvorgang durchgeführt, sodass der Bereich des Rohrabschnitts 151 im Inneren der Innenkontur 155 vollständig vom umgebenden Material getrennt wurde und entsprechend entnommen werden konnte. Die in 11A gezeigten Enden 151A, 151B des Rohrabschnitts 151 können jeweils das Ergebnis eines umlaufenden Konturschnitts sein (reine Rotationsbewegung wie in 11 C).
• Beispielhaft für ein Werkstück mit variierender Krümmung zeigt 12A einen konusförmig zulaufenden Hohlkörper 157, bei dem der Krümmungsradius einer Außenseite der Wandung in Y-Richtung zunimmt; d. h., der Hohlkörper 157 reduziert sich im Radius entlang der Y-Richtung beispielhaft linear bei einer im Wesentlichen konstanten Wandstärke von z.B. 1 mm. Entsprechend würde sich bei der Bearbeitung des Hohlkörpers 157 ohne Kompensationsoptiksystem die Beeinflussung der interferierenden Strahlanteile des Laserstrahls 3 in Abhängigkeit von der Y-Position ändern, sodass eine einheitliche Ausbildung von Modifikationen nicht gewährleistet ist.
• Um in den Hohlkörper 157 eine im Wesentlichen kreisrunde Öffnung 153' einzubringen, wurde entlang einer geschlossenen Innenkontur 155' eine Aufreihung von Modifikationen in die Wandung ausgebildet. Für die Laserbearbeitung wurde der Hohlkörper 157 in eine entsprechend geformte Aussparung eines Formteils 141' eingebracht, wobei eine Seitenfläche des Formteils 141 wiederum eine plane Eintrittsfläche ausbildet, durch die ein Laserstrahl 3 eingestrahlt werden kann. Im Unterschied zur 11C wurde die Innenkontur 155' durch drei Translationsbewegungen abgetastet. In 12B ist eine Verschiebung in Y-Richtung sowie ein Nachführen der Position der Fokuszone 7 in Z-Richtung angedeutet. In 12C ist eine Verschiebung in X-Richtung angedeutet. Aufgrund der reinen Translationsbewegungen wurden parallel zueinander verlaufende Modifikationen in der Wand des Hohlkörpers 157 ausgebildet.
• Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2016/079062 A1 [0002]
• WO 2016/079063 A1 [0002]
• WO 2016/079275 A1 [0002, 0003, 0064]
• DE 102019128362 [0051]

Claims (20)

1. Verfahren zum Ausbilden einer Mehrzahl von Modifikationen mit einem Laserstrahl (3) in einem Material eines Werkstücks (9), das eine gekrümmte Oberfläche (9A) aufweist, mit den Schritten: - Positionieren des Werkstücks (9) in einem Kompensationsoptiksystem (100), das eine plane Eintrittsfläche (10A) für den Laserstrahl (3) bereitstellt und ein Kompensationsmaterial zwischen der Eintrittsfläche (10A) und dem Werkstück (9) vorsieht, wobei das Kompensationsmaterial einen Brechungsindex (nK) aufweist, der dem Brechungsindex (nW) des Materials des Werkstücks (9) im Wesentlichen entspricht, - Einstrahlen des Laserstrahls (3) derart auf die Eintrittsfläche (10A) des Kompensationsoptiksystems (100), dass der aus dem Kompensationsmaterial austretende Laserstrahl (3) durch die gekrümmte Oberfläche (9A) in das Werkstück (9) eintritt und eine Fokuszone (7) zumindest teilweise im Material des Werkstücks (9) ausbildet, wobei Parameter des Laserstrahls (3) zum Modifizieren des Materials des Werkstücks (9) in der Fokuszone (7) eingestellt sind, und - Durchführen einer Relativbewegung zwischen der Fokuszone (7) und dem Werkstück (9), wodurch die Mehrzahl von Modifikationen im Material des Werkstücks (9) entlang einer Abtasttrajektorie ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner einen der folgenden Schritte umfasst: - Einstellen einer Fokuslänge (L) der Fokuszone (7) größer oder gleich einer maximalen Ausdehnung des Werkstücks (9) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (3) oder in einem Bereich von 80% bis 120% der maximalen Ausdehnung des Werkstücks (9) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (3), - Einstellen einer Fokuslänge (L) der Fokuszone (7) für ein Werkstück (9), das als ein massiver Zylinder, insbesondere ein Glaszylinder, ausgebildet ist, auf mindestens einen halben Durchmesser des Zylinders oder in einem Bereich von 40% bis 60% des Durchmessers des Zylinders, und - Einstellen einer Fokuslänge (L) der Fokuszone (7) für ein Werkstück (9), das als ein Hohlkörper, insbesondere ein Glasrohr, mit einer einen Innenraum (I) abgrenzenden Wand (W) mit einer Wanddicke (D) ausgebildet ist, auf mindestens 80% der Wanddicke (D) oder in einem Bereich von 80% bis 120% der Wanddicke (D), und wobei die Fokuszone (7) optional derart im Kompensationsoptiksystem (100) positioniert wird, dass die Fokuszone (7) an der gekrümmten Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) beginnt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Relativbewegung durchgeführt wird durch mindestens einen der folgenden Schritte: - Rotieren des Werkstücks (9) im Kompensationsoptiksystems (100), - Verschieben des Werkstücks (9) im Kompensationsoptiksystem (100) und - Verschieben des Kompensationsoptiksystems (100) zusammen mit dem Werkstück (9) bezüglich der Fokuszone (7) und wobei optional zusätzlich das Kompensationsmaterial bezüglich der Fokuszone (7) bewegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (9) eine zylindrische Grundform entlang einer Zylinderachse (A) aufweist, und das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: - Einstrahlen des Laserstrahls (3) in radialer Richtung auf die Zylinderachse (A) und - Rotieren des Werkstücks (9) um die Zylinderachse (A), wobei optional zusätzlich eine Translationsbewegung zwischen der Fokuszone (7) und dem Werkstück (9) entlang der Zylinderachse (A) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kompensationsoptiksystem (100) als Kompensationsmaterial einen Formkörper (41) aus einem festen Material oder aus einem Polymermaterial umfasst, der auf einer Seite die plane Eintrittsfläche (10A) ausbildet oder mit einem die plane Eintrittsfläche (10A) ausbildenden Eintrittsfenster versehen ist, und wobei der Formkörper (41) eine Aussparung oder eine Öffnung (43), insbesondere eine Durchgangsöffnung, zur Aufnahme des Werkstücks (9) aufweist, und wobei die Aussparung oder die Öffnung (43) einen Querschnitt aufweist, der zumindest teilweise einem Querschnitt des Werkstücks (9) entspricht, und wobei das Positionieren des Werkstücks (9) im Kompensationsoptiksystem (100) den Schritt umfasst: - Einführen des Werkstücks (9) in die Aussparung oder die Öffnung (43), wobei insbesondere ein direkter Kontakt zwischen dem Formkörper (41) und dem Werkstück (9) hergestellt wird, wobei optional ferner der Formkörper (41) während des Einstrahlens des Laserstrahls (3) bezüglich des Werkstücks (9) bewegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kompensationsoptiksystem (100) eine Flüssigkeit (75) als Kompensationsmaterial und ein Eintrittsfenster (73), insbesondere eine Abdeckwand oder eine Behälterwand eines Flüssigkeitsbads (71), zur Ausbildung der planen Eintrittsfläche (10A) umfasst, und wobei das Positionieren des Werkstücks (9) im Kompensationsoptiksystem (100) den Schritt umfasst: - Einführen des Werkstücks (9) in die Flüssigkeit (75) derart, dass das Werkstück (9) und eine der Eintrittsfläche (10A) gegenüberliegende Seite des Eintrittsfensters (73) in Kontakt mit der Flüssigkeit stehen, wobei optional ferner die Flüssigkeit (75) zwischen dem Eintrittsfenster (73) und dem Werkstück (9) während des Einstrahlens des Laserstrahls (3) ausgetauscht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kompensationsoptiksystem (100) ein Eintrittsfenster (95) zur Ausbildung der planen Eintrittsfläche (10A) umfasst und das Werkstück (9) auf einer der Eintrittsfläche (10A) gegenüberliegenden Seite des Eintrittsfensters (95) positioniert wird, und wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: Abgeben einer Flüssigkeit (93) aus einer Düse (91) während des Einstrahlens des Laserstrahls (3) in einen durchstrahlten Bereich zwischen dem Werkstück (9) und dem Eintrittsfenster (95), sodass die Flüssigkeit (93) als kontinuierlich ausgetauschtes Kompensationsmaterial zwischen dem Werkstück (9) und der der Eintrittsfläche (10A) gegenüberliegenden Seite des Eintrittsfensters (95) vorliegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Positionieren des Werkstücks (9) im Kompensationsoptiksystem (100) die Schritte umfasst: - Auftragen eines Polymermaterials (59) als Kompensationsmaterial auf das Werkstück (9) und - Kontaktieren des Polymermaterials (59) mit einem Eintrittsfenster (61), das auf der dem Polymermaterial (59) abgewandten Seite die plane Eintrittsfläche (10A) ausbildet, oder Ausbilden einer Oberfläche des Polymermaterials (59) als die plane Eintrittsfläche (10A) und wobei das Verfahren optional nach dem Ausbilden der Mehrzahl von Modifikationen ferner den Schritt umfasst: - Reinigen des Werkstücks (9) vom Polymermaterial (59).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (9) einen Hohlraum (I) aufweist und das Verfahren ferner den Schritt umfasst: - Einbringen eines Füllungskompensationsmaterials (51A, 51B) in den Hohlraum (I), wobei das Füllungskompensationsmaterial (51A, 51B) ein Eintreten des Laserstrahls (3) vom Werkstück (9) in das Füllungskompensationsmaterial (51A, 51B) und/oder vom Füllungskompensationsmaterial (51A, 51B) in das Werkstück (9) im Wesentlichen ohne Brechung bewirkt und insbesondere ein Festkörper oder eine Flüssigkeit ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit mindestens einem der folgenden Schritte: - Einstrahlen des Laserstrahls (3) derart auf die plane Eintrittsfläche (10A), dass eine Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) in einem Einfallswinkelbereich von bis zu 10° zu einem Normalenvektor (N) der planen Eintrittsfläche (10A), insbesondere parallel zu einem Normalenvektor (N) der planen Eintrittsfläche (10A), ausgerichtet ist, und - Strahlformen des Laserstrahls (3) derart, dass die Fokuszone (7) als langgezogene Fokuszone durch konstruktive Interferenz von radial einlaufenden Strahlanteilen (4) des Laserstrahls (7) entlang der langgezogenen Fokuszone (7), insbesondere als nicht-beugender Strahl, oder als Gaußsche Fokuszone erzeugt wird, und/oder wobei das Kompensationsmaterial und optional das Füllungskompensationsmaterial jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der maximal 30%, oder maximal 20% oder bevorzugt weniger als 10% vom Brechungsindex des Materials des Werkstücks abweicht.
11. Vorrichtung zum Ausbilden von Modifikationen mit einem Laserstrahl (3) in einem Material eines Werkstücks (9), das eine gekrümmte Oberfläche (9A) aufweist, mit - einer Laserstrahlquelle (1A) zum Erzeugen eines Laserstrahls (3'), - einer Bearbeitungsoptik (1B) zum Formen des Laserstrahls (3') in einen Laserstrahl (3), der eine Fokuszone (7) im Material des Werkstücks (9) ausbildet, und - einem Kompensationsoptiksystem (100), in dem das Werkstück (9) positionierbar ist und das - eine plane Eintrittsfläche (10A) für den Laserstrahl (3) bereitstellt, und - ein Kompensationsmaterial aufweist, das zwischen der Eintrittsfläche (10A) und dem positionierten Werkstück (9) angeordnet ist, wobei das Kompensationsmaterial einen Brechungsindex (nK) aufweist, der dem Brechungsindex (nW) des Materials des Werkstücks (9) im Wesentlichen entspricht, und wobei das Kompensationsoptiksystem (100) derart ausgebildet ist, dass der aus dem Kompensationsmaterial austretende Laserstrahl (3) durch die gekrümmte Oberfläche (9A), insbesondere direkt, in das positionierte Werkstück (9) eintritt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Kompensationsmaterial ein Formkörper (41) ist, der die plane Eintrittsfläche (10A) ausbildet oder mit einem Eintrittsfenster zum Bereitstellen der planen Eintrittsfläche (10A) versehen ist, und eine Austrittsoberfläche (10B) ausbildet, deren Verlauf zumindest in einem vom Laserstrahl (3) durchstrahlten Bereich einem Verlauf der gekrümmten Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) folgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Formkörper (41) eine Aussparung oder eine Öffnung (43), insbesondere eine Durchgangsöffnung, zur Aufnahme des Werkstücks (9) aufweist und wobei die Aussparung oder die Öffnung (43) die Austrittsoberfläche (10B) ausbildet und insbesondere einen Querschnitt aufweist, der zumindest abschnittsweise einem Querschnitt des Werkstücks (9) entspricht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Kompensationsoptiksystem (100) ein Flüssigkeitsbad (71) mit einer Flüssigkeit (75) als Kompensationsmaterial umfasst, wobei das Flüssigkeitsbad (71) zur Aufnahme mindestens eines Abschnitts des Werkstücks (9) ausgebildet ist, und wobei - an mindestens einer Eintrittsseite des Flüssigkeitsbads (71) ein Eintrittsfenster (73), insbesondere eine Abdeckwand oder eine Behälterwand des Flüssigkeitsbads (71), vorgesehen ist, das die plane Eintrittsfläche (10A) ausbildet, und wobei das Kompensationsoptiksystem (100) ferner insbesondere dazu ausgebildet ist, dass eine Strömung der Flüssigkeit (75) zwischen dem Eintrittsfenster (73) und dem Werkstück (9) bewirkbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Kompensationsoptiksystem (100) ferner umfasst: - ein Eintrittsfenster (95), das die plane Eintrittsfläche (10A) ausbildet, und - eine Düse (91), die zur Abgabe einer Flüssigkeit (93) in einen vom Laserstrahl (3) durchstrahlten Bereich zwischen dem Eintrittsfenster (95) und dem positionierten Werkstück (9) ausgebildet ist, und wobei die abgegebene Flüssigkeit (93) das Kompensationsmaterial und insbesondere einen das Eintrittsfenster (95) und das Werkstück (9) überbrückenden Flüssigkeitsfilm bildet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Kompensationsoptiksystem (100) umfasst: - als Kompensationsmaterial ein Polymermaterial, mit dem das Werkstück (9) zumindest abschnittsweise beschichtet ist, und - ein Eintrittsfenster (61), das das Polymermaterial kontaktiert und die plane Eintrittsfläche (10A) ausbildet.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, ferner mit: - einer Vorrichtung (19, 21) zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen der Bearbeitungsoptik (1B) und dem Werkstück (9) und/oder zwischen dem Kompensationsoptiksystem (100) und dem Werkstück (9).
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Kompensationsoptiksystem (100) ferner umfasst: - ein Füllungskompensationsmaterial (51A, 51B) zum Einbringen in einen Hohlraum (I) des Werkstücks (9), wobei das Füllungskompensationsmaterial (51A, 51B) ein Eintreten des Laserstrahls (3) vom Werkstück (9) in das Füllungskompensationsmaterial (51A, 51B) und/oder vom Füllungskompensationsmaterial (51A, 51B) in das Werkstück (9) im Wesentlichen ohne Brechung bewirkt und insbesondere ein Festkörper oder eine Flüssigkeit ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei das Kompensationsmaterial und optional das Füllungskompensationsmaterial jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der maximal 30%, oder maximal 20% oder bevorzugt weniger als 10% vom Brechungsindex des Materials des Werkstücks abweicht, und/oder wobei das Kompensationsmaterial, das Füllungskompensationsmaterial und/oder das Material des Werkstücks (9) im Wesentlichen transparent oder zumindest teiltransparent für den Laserstrahl (3) ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei die Bearbeitungsoptik (1B) derart zum Kompensationsoptiksystem (100) ausgerichtet ist, dass eine Strahlachse (5) des Laserstrahls (3) in einem Einfallswinkelbereich von bis zu 10° zu einem Normalenvektor (N) der planen Eintrittsfläche (10A), insbesondere parallel zu einem Normalenvektor (N) der planen Eintrittsfläche (10A), ausgerichtet ist.

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