DE102021120509A1 - Device for processing a material - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Bearbeiten eines Materials (2) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers (3), umfassend einen Resonator (4) mit Resonatoreingang (40) und teilreflektierendem Resonatorausgang (42), wobei der Resonator (4) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (30) des Ultrakurzpulslasers mehrfach im Resonatorraum (44) zu reflektieren, wobei bei jeder Reflektion an dem teilreflektierenden Resonatorausgang (42) ein Segment (320) des Laserstrahls (30) ausgekoppelt wird, eine radiale Manipulationsoptik (5), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (30) radial zu manipulieren, wobei der Querschnitt durch den Laserstrahl (30) eine Laserkontur (32) ergibt, eine Abbildungsoptik (6), die dazu eingerichtet ist, die Segmente (320) des Laserstrahls (30) in das Material (2) einzubringen, wodurch das Material (2) bearbeitet wird, wobei der Resonator (4) so ausgebildet ist, dass die laterale Ausdehnung der Laserkontur (32) mit jedem Durchgang des Resonators (4) ansteigt oder abnimmt, wobei die laterale Ausdehnung der nacheinander aus dem Resonator (4) ausgekoppelten Segmente (320) des Laserstrahls (30) dementsprechend zu- oder abnimmt, und wobei die Abbildungsoptik (6) die laterale Ausdehnung des ausgekoppelten Segments (320) des Laserstrahls (32) in eine longitudinale und/oder laterale Fokuszone (F) übersetzt, wobei die Lage der Fokuszone (F) mit der lateralen Ausdehnung korreliert ist.The present invention relates to a device (1) for processing a material (2) using ultrashort laser pulses from an ultrashort pulse laser (3), comprising a resonator (4) with a resonator input (40) and a partially reflecting resonator output (42), the resonator (4) thereto is set up to reflect the laser beam (30) of the ultrashort pulse laser multiple times in the resonator chamber (44), with a segment (320) of the laser beam (30) being coupled out at the partially reflecting resonator output (42) with each reflection, radial manipulation optics (5), set up to manipulate the laser beam (30) radially, with the cross section through the laser beam (30) yielding a laser contour (32), imaging optics (6) set up to project the segments (320) of the laser beam (30 ) to be introduced into the material (2), as a result of which the material (2) is processed, the resonator (4) being designed in such a way that the lateral extent of the laser contour (32) increases with each passage ng of the resonator (4) increases or decreases, the lateral extent of the segments (320) of the laser beam (30) decoupled one after the other from the resonator (4) increasing or decreasing accordingly, and the imaging optics (6) the lateral extent of the decoupled Segment (320) of the laser beam (32) translated into a longitudinal and / or lateral focal zone (F), wherein the position of the focal zone (F) is correlated with the lateral extent.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers.The present invention relates to a device for processing a material using ultrashort laser pulses of an ultrashort pulse laser.

Stand der TechnikState of the art

In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Lasern mit sehr kurzen Pulslängen, insbesondere mit Pulslängen unter einer Nanosekunde, und hohen mittleren Leistungen, insbesondere im Kilowatt-Bereich, zu einer neuen Art der Materialbearbeitung geführt. Die kurze Pulslänge und hohe Pulsspitzenleistung beziehungsweise die hohe Pulsenergie von einigen 100 µJ können zu einer nichtlinearen Absorption der Pulsenergie im Material eines Werkstücks führen, so dass auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge eigentlich transparente beziehungsweise im Wesentlichen transparente Materialien bearbeitet werden können.In recent years, the development of lasers with very short pulse lengths, especially pulse lengths of less than a nanosecond, and high average powers, especially in the kilowatt range, has led to a new type of material processing. The short pulse length and high pulse peak power or the high pulse energy of a few 100 µJ can lead to non-linear absorption of the pulse energy in the material of a workpiece, so that materials that are actually transparent or essentially transparent for the laser light wavelength used can also be processed.

Ein besonderer Anwendungsbereich einer solchen Laserstrahlung ist das Trennen und Bearbeiten von Werkstücken. Hierbei wird bevorzugt ein nicht-beugender Bearbeitungslaserstrahl unter senkrechtem Einfall in das Material eingebracht, wodurch Materialmodifikationen in dem Material erzeugt werden, die das Material gezielt schädigen. Dadurch wird gewissermaßen eine Perforation erzeugt, entlang der das Material getrennt werden kann.A special area of application for such laser radiation is the cutting and processing of workpieces. In this case, a non-diffracting processing laser beam is preferably introduced into the material with perpendicular incidence, as a result of which material modifications are produced in the material, which damage the material in a targeted manner. This creates a kind of perforation along which the material can be separated.

Hierfür werden bevorzugt nicht-beugende Strahlformen verwendet, die eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweisen, wodurch das Material auch in besonderes großen Materialtiefen bearbeitet werden kann. Die vorgenannten ultrakurzpuls Bearbeitungsverfahren mittels nicht-beugender Strahlformen sind jedoch bei bestimmten Anwendungen beispielsweise durch den Aufbau von Spannungen im Material oder die einzukoppelnde Pulsleistung limitiert. Insbesondere kann es bei komplexeren Strahlformen, beispielsweise Vortex-Besselstrahlen, auch zu Abschirmeffekten in tieferen Materialbereichen kommen, so dass lediglich oberflächliche Materialbearbeitungen möglich sind.For this purpose, non-diffracting beam shapes are preferably used, which have a focal zone that is elongated in the beam propagation direction, as a result of which the material can also be processed at particularly great material depths. However, the aforementioned ultra-short-pulse processing methods using non-diffracting beam shapes are limited in certain applications, for example due to the build-up of stresses in the material or the pulse power to be coupled. In particular, in the case of more complex jet shapes, for example vortex Bessel jets, shielding effects can also occur in deeper material areas, so that only superficial material processing is possible.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials bereitzustellen.Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved device for processing a material.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The object is achieved by a device for processing a material having the features of claim 1. Advantageous developments result from the dependent claims, the description and the figures.

Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, umfassend einen Resonator mit Resonatoreingang und teilreflektierendem Resonatorausgang, wobei der Resonator dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers mehrfach im Resonatorraum zu reflektieren, wobei bei jeder Reflektion an dem teilreflektierenden Resonatorausgang ein Segment des Laserstrahls ausgekoppelt wird, eine radiale Manipulationsoptik, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl radial zu manipulieren, wobei der Querschnitt durch den Laserstrahl eine Laserkontur ergibt, und eine Abbildungsoptik, die dazu eingerichtet ist, die Segmente des Laserstrahls in das Material einzubringen, wodurch das Material bearbeitet wird. Erfindungsgemäß ist der Resonator so ausgebildet, dass die laterale Ausdehnung der Laserkontur mit jedem Durchgang des Resonators ansteigt oder abnimmt, wobei die laterale Ausdehnung der nacheinander aus dem Resonator ausgekoppelten Segmente des Laserstrahls dementsprechend zu- oder abnehmen, wobei die Abbildungsoptik die laterale Ausdehnung des ausgekoppelten Segments der Laserstrahls in eine longitudinale und/oder laterale Fokuszone übersetzt, wobei die Lage der Fokuszone mit der lateralen Ausdehnung korreliert ist.Accordingly, a device for processing a material using ultrashort laser pulses from an ultrashort pulse laser is proposed, comprising a resonator with a resonator input and a partially reflecting resonator output, the resonator being set up to reflect the laser beam of the ultrashort pulse laser multiple times in the resonator space, with a Segment of the laser beam is decoupled, radial manipulation optics, which are set up to manipulate the laser beam radially, the cross section through the laser beam yielding a laser contour, and imaging optics, which are set up to introduce the segments of the laser beam into the material, whereby the material is processed. According to the invention, the resonator is designed in such a way that the lateral extent of the laser contour increases or decreases with each passage through the resonator, with the lateral extent of the segments of the laser beam successively decoupled from the resonator increasing or decreasing accordingly, with the imaging optics measuring the lateral extent of the decoupled segment of the laser beam is translated into a longitudinal and/or lateral focal zone, the position of the focal zone being correlated with the lateral extent.

Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden.The ultra-short pulse laser makes the ultra-short laser pulses of the laser beam available, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction.

Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Bursts zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis zu hunderten Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Bursts kann es sich insbesondere um sogenannte GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet.Instead of individual laser pulses, the laser can also provide bursts, with each burst comprising the transmission of a number of laser pulses. For a certain time interval, the emission of the laser pulses can follow one another very closely, at intervals of a few picoseconds up to hundreds of nanoseconds. The bursts can in particular be so-called GHz bursts, in which the sequence of the successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.

Eine Abfolge von Einzelpulsen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nacheinander mehrere Einzelpulse von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Einzelpulsen umfasst demnach mindestens zwei Einzelpulse. Eine Abfolge von Bursts bedeutet, dass nacheinander jeweils mehrere Bursts von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Bursts umfasst demnach mindestens zwei Bursts. Insbesondere können die Bursts oder Einzelpulse der Abfolge jeweils gleichartig sein. Gleichartig sind die Bursts oder Einzelpulse, wenn die verwendeten Laserpulse im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen, also etwa die gleiche Pulsenergie, die gleiche Pulslänge und - im Falle von Bursts - auch gleiche Pulsabstände innerhalb des Bursts aufweisen.In this context, a sequence of individual pulses means that the laser emits several individual pulses one after the other. A sequence of individual pulses therefore includes at least two individual pulses. A sequence of bursts means that the laser emits several bursts one after the other. A sequence of bursts therefore includes at least two bursts. In particular, the bursts or individual pulses of the sequence can each be of the same type. The bursts or individual pulses are of the same type if the laser pulses used have essentially the same properties, ie approximately the same Pulse energy, the same pulse length and - in the case of bursts - also have the same pulse spacing within the burst.

Ein Resonator kann hierbei beispielsweise ein Fabry-Perot-Interferometer sein oder ein Ringresonator sein, es können aber auch andere Resonatoren verwendet werden, die auf einer Mehrfahrreflexion des Laserstrahls beruhen.A resonator can be a Fabry-Perot interferometer, for example, or a ring resonator, but other resonators can also be used that are based on multiple reflections of the laser beam.

Der Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers wird durch den Resonatoreingang in das Resonatorvolumen des Resonatorraums eingekoppelt. Der Resonatoreingang ist hierbei idealerweise so ausgestaltet, dass der Laserstrahl in den Resonatorraum einkoppeln kann, aber nicht mehr durch den Resonatoreingang auskoppeln kann. Der Resonatorraum ist hierbei der Raum, der von dem Resonatoreingang und dem Resonatorausgang begrenzt wird.The laser beam of the ultrashort pulse laser is coupled through the resonator entrance into the resonator volume of the resonator chamber. In this case, the resonator input is ideally designed in such a way that the laser beam can couple into the resonator space, but can no longer couple out through the resonator input. In this case, the resonator space is the space that is delimited by the resonator input and the resonator output.

Der Resonatorausgang ist der Teil des Resonators durch den der Laserstahl aus dem Resonatorraum ausgekoppelt wird. Der Resonatorausgang ist hierbei teilreflektierend ausgestaltet, so dass ein Teil des Laserstrahls der auf den Resonatorausgang fällt in den Resonatorraum zurückreflektiert wird. Der Teil des Laserstrahls, der nicht von dem teilreflektierenden Resonatorausgang in den Resonatorraum zurückreflektiert wird, wird durch den Resonatorausgang aus dem Resonator ausgekoppelt. Der Teil der in den Resonatorraum zurückreflektiert wird, kann an dem Resonatoreingang erneut in den Resonatorraum reflektiert werden.The resonator exit is the part of the resonator through which the laser beam is coupled out of the resonator space. The resonator output is designed to be partially reflective, so that part of the laser beam that falls on the resonator output is reflected back into the resonator space. The part of the laser beam that is not reflected back into the resonator chamber by the partially reflecting resonator outlet is coupled out of the resonator through the resonator outlet. The part that is reflected back into the resonator chamber can be reflected back into the resonator chamber at the resonator input.

Dadurch ergibt sich eine sukzessive Auskopplung der Laserleistung aus dem Resonatorraum durch den Resonatorausgang. Ein Segment des Laserstrahls kann hierbei verstanden werden als das Energiesegment des Laserstrahls, welches aus dem Resonator ausgekoppelt wird.This results in a gradual decoupling of the laser power from the resonator chamber through the resonator output. A segment of the laser beam can be understood here as the energy segment of the laser beam that is coupled out of the resonator.

Durch die geometrische Anordnung des Resonatoreingangs und des Resonatorausgangs, sowie durch den optischen Weg, die der Laserstrahl zwischen den Teilreflektionen am Resonatorausgang zurücklegt, ergibt sich ein Gangunterschied zwischen zwei nacheinander ausgekoppelten Segmenten des Laserstrahls. Dies lässt sich wie folgt verstehen:

  • Ein Laserstrahl trifft auf den Resonatorausgang, wobei das erste Segment des Laserstrahls aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Anschließend wird der nicht-ausgekoppelte Teil des Laserstrahls zurück zum Resonatoreingang reflektiert, von wo aus er erneut zum Resonatorausgang reflektiert wird. Nach diesem erneuten Durchgang kann ein zweites Segment des Laserstrahls aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Das erste und das zweite Segment des Laserstrahls werden somit zu unterschiedlichen Zeiten aus dem Resonator ausgekoppelt und weisen einen Gangunterschied auf.
Due to the geometric arrangement of the resonator input and the resonator output, as well as due to the optical path covered by the laser beam between the partial reflections at the resonator output, there is a path difference between two segments of the laser beam that are coupled out one after the other. This can be understood as follows:
  • A laser beam strikes the resonator exit, with the first segment of the laser beam being coupled out of the resonator. The part of the laser beam that has not been coupled out is then reflected back to the resonator input, from where it is reflected again to the resonator output. After this renewed passage, a second segment of the laser beam can be coupled out of the resonator. The first and the second segment of the laser beam are thus coupled out of the resonator at different times and have a path difference.

Mit anderen Worten ist der Gangunterschied der Segmente durch die Länge des optischen Wegs bestimmt, die der Laserstrahl zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilreflexionen am Resonatorausgang zurücklegt.In other words, the path difference of the segments is determined by the length of the optical path that the laser beam travels between two consecutive partial reflections at the resonator exit.

Beispielsweise kann der optische Weg, den das zweite Segment zwischen der Reflektion am Resonatorausgang und der Auskopplung am Resonatorausgang zurücklegen muss, 3 cm lang sein. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt c = 30 cm/ns, so dass dieser optische Weg innerhalb von 0,2 ns (die Strecke muss zweimal durchlaufen werden) zurückgelegt wird. Der Gangunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Teillaserstrahl beträgt somit 0,2 ns. Im Vergleich zu diesem Gangunterschied erscheint die Pulsdauer der Laserpulse, die zwischen 10 fs und 50 ps lang sein kann, infinitesimal kurz. Das bedeutet insbesondere, dass ein zweites Segment des Laserstrahls welches auf das Material eines Werkstücks trifft, nicht mehr mit dem ersten Segment des Laserstrahls wechselwirken, beispielsweise interferieren kann. Man kann auch sagen, dass die zeitliche Kohärenz der ausgekoppelten Segmente gebrochen ist.For example, the optical path that the second segment has to cover between the reflection at the resonator output and the decoupling at the resonator output can be 3 cm long. The speed of light is c = 30 cm/ns, so this optical path is covered within 0.2 ns (the distance has to be traversed twice). The path difference between the first and the second partial laser beam is therefore 0.2 ns. Compared to this path difference, the pulse duration of the laser pulses, which can be between 10 fs and 50 ps, appears infinitesimally short. This means in particular that a second segment of the laser beam which hits the material of a workpiece can no longer interact, for example interfere, with the first segment of the laser beam. One can also say that the temporal coherence of the decoupled segments is broken.

Eine radiale Manipulationsoptik ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl radial zu manipulieren. Insbesondere kann dies bedeuten, dass der Laserstrahl nach der radialen Manipulationsoptik konvergiert oder divergiert und somit die Teillaserstrahlen auf der Oberfläche eines Kegels oder mehrerer Kegel liegen können. Durch Projektion der radial manipulierten Teillaserstrahlen auf eine Ebene nach der radialen Manipulationsoptik ergibt sich als Querschnitt des Laserstrahls eine sogenannte Laserkontur. Die Form der Laserkontur kann je nach Ausgestaltung der radialen Manipulationsoptik ein Kreis oder eine Ellipse sein.A radial manipulation optics is set up to manipulate the laser beam radially. In particular, this can mean that the laser beam converges or diverges after the radial manipulation optics and the partial laser beams can therefore lie on the surface of a cone or multiple cones. By projecting the radially manipulated partial laser beams onto a plane after the radial manipulation optics, a so-called laser contour results as a cross section of the laser beam. Depending on the configuration of the radial manipulation optics, the shape of the laser contour can be a circle or an ellipse.

Wenn der Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers durch eine radiale Manipulationsoptik radial manipuliert wird und die radial manipulierten Teillaserstrahlen in den Resonator gelangen oder in dem Resonator sind, dann folgt daraus, dass sich die laterale Ausdehnung der Laserkontur mit jedem Durchgang durch den Resonator verändert. Insbesondere kann die laterale Ausdehnung bei jedem Durchgang durch den Resonator zunehmen oder abnehmen.If the laser beam of the ultrashort pulse laser is manipulated radially by a radial manipulation optics and the radially manipulated partial laser beams enter the resonator or are in the resonator, then it follows that the lateral extension of the laser contour changes with each passage through the resonator. In particular, the lateral extent can increase or decrease with each passage through the resonator.

Beispielsweise kann der Laserstrahl nach der radialen Manipulationsoptik divergente Teillaserstrahlen aufweisen, so dass auf den Resonatorausgang eine Laserkontur mit einem Durchmesser D und der Dicke d fallen. Der Laserstrahl mit der Laserkontur wird dementsprechend teilweise - in Form eines Segments - aus dem Resonator ausgekoppelt, und teilweise in den Resonatorraum zurückreflektiert. Der in den Resonatorraum zurückreflektierte Teil des Laserstrahls weitet sich durch die weitere Propagation entlang des optischen Wegs zum Resonatoreingang auf und weist dort den Durchmesser 2D mit einer Dicke 2d auf. Der Laserstrahl wird vom Resonatoreingang zurück zum Resonatorausgang reflektiert, wo die laterale Ausdehnung der Laserkontur auf 3D mit einer Dicke 3d angewachsen ist. Aufgrund der Vielfachreflexionen ergeben sich somit auf dem Resonatorausgang konzentrische Ringe mit einem Durchmesser von D, 3D, 5D, ..., (2n+1) D, wobei n die Zahl der Vielfach-Reflexionen, beziehungsweise der Durchläufe durch den Resonator ist.For example, the laser beam can have divergent partial laser beams after the radial manipulation optics, so that a laser contour with a diameter D and thickness d falls on the resonator output. Accordingly, the laser beam with the laser contour is partially decoupled from the resonator—in the form of a segment—and partially reflected back into the resonator chamber animals. The part of the laser beam that is reflected back into the resonator space expands as a result of further propagation along the optical path to the resonator entrance and has a diameter of 2D with a thickness of 2d there. The laser beam is reflected from the resonator entrance back to the resonator exit, where the lateral extent of the laser contour has grown to 3D with a thickness of 3d. Due to the multiple reflections, concentric rings with a diameter of D, 3D, 5D, .

Die laterale Ausdehnung der Laserkontur kann durch den Abstand von Resonatoreingang und Resonatorausgang eingestellt werden. Insbesondere kann bei gleichbleibendem Divergenzwinkel ein kürzerer Abstand eine kleinere laterale Ausdehnung der Laserkontur hervorrufen und bei größerem Abstand eine größere laterale Ausdehnung der Laserkontur hervorrufen. Insbesondere ändert sich hierbei auch der Gangunterschied der Segmente des Laserstrahls entsprechend.The lateral expansion of the laser contour can be adjusted by the distance between the resonator entrance and the resonator exit. In particular, with the divergence angle remaining the same, a shorter distance can cause a smaller lateral extension of the laser contour, and a larger distance can cause a larger lateral extension of the laser contour. In particular, the path difference of the segments of the laser beam also changes accordingly.

Eine Abbildungsoptik kann die durch den Resonator sukzessiv ausgekoppelten Segmente des Laserstrahls in eine Fokuszone in das Material fokussieren, wodurch das Material bearbeitet wird.An imaging optic can focus the segments of the laser beam successively decoupled by the resonator into a focal zone in the material, as a result of which the material is processed.

Unter der Fokuszone wird hierbei insbesondere der Teil der der Intensitätsverteilung des Laserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Materials ist. Das Wort Fokuszone verdeutlicht hierbei, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.In this case, the focal zone is understood to mean in particular that part of the intensity distribution of the laser beam which is greater than the modification threshold of the material. The word focal zone makes it clear that this part of the intensity distribution is provided in a targeted manner and that an intensity increase in the form of the intensity distribution is achieved by focusing.

Eine Materialbearbeitung kann beispielsweise darin bestehen, dass das Material aufgeschmolzen wird, so dass das Material mit einem anderen gefügt werden kann. Es ist aber auch möglich, dass eine Bearbeitung darin besteht, in dem Material Materialmodifikationen hervorzurufen oder einen Materialabtrag hervorzurufen.Material processing can consist, for example, in that the material is melted so that the material can be joined to another. However, it is also possible for processing to involve causing material modifications in the material or causing material removal.

Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern wie der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Lasers, von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Abbildungsoptik, ab.The material modifications introduced into transparent materials by ultrashort laser pulses are divided into three different classes, see K. Itoh et al. "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Type I is an isotropic refractive index change; Type II is a birefringent refractive index change; and Type III is a so-called void. The material modification produced depends on laser parameters such as the pulse duration, the wavelength, the pulse energy and the repetition frequency of the laser, on the material properties such as the electronic structure and the thermal expansion coefficient, as well as on the numerical aperture (NA) of the imaging optics.

Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im Fokusvolumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen.The type I isotropic refractive index changes are attributed to localized melting caused by the laser pulses and rapid resolidification of the transparent material. For example, with fused silica, the density and refractive index of the material is higher when the fused silica is rapidly cooled from a higher temperature. So if the material in the focus volume melts and then cools down quickly, the quartz glass has a higher refractive index in the areas of material modification than in the unmodified areas.

Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher.The type II birefringent refractive index changes can arise, for example, as a result of interference between the ultrashort laser pulse and the electric field of the plasma generated by the laser pulses. This interference leads to periodic modulations in the electron plasma density, which leads to a birefringent property, i.e. direction-dependent refractive indices, of the transparent material when it solidifies. A type II modification is also accompanied, for example, by the formation of so-called nanogratings.

Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void) beziehungsweise eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.The voids (cavities) of the type III modifications can be generated with a high laser pulse energy, for example. The formation of the voids is attributed to an explosive expansion of highly excited, vaporized material from the focus volume into the surrounding material. This process is also known as a micro-explosion. Because this expansion occurs within the bulk of the material, the microblast leaves behind a less dense or hollow core (the void), or submicron or atomic-scale microscopic defect, surrounded by a densified shell of material. Due to the compression at the impact front of the microexplosion, stresses arise in the transparent material, which can lead to spontaneous cracking or can promote cracking.

Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstig diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von „reinen“ Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.In particular, the formation of voids can also be associated with type I and type II modifications. For example, Type I and Type II modifications can arise in the less stressed areas around the introduced laser pulses. Therefore, if a type III modification is introduced, then in any case a less dense or hollow core or a defect is present. For example, in a type III modification of sapphire, the microexplosion does not create a cavity, but rather a small area higher density. Due to the material stresses that occur in a type III modification, such a modification is often accompanied by cracking or at least promotes it. The formation of type I and type II modifications cannot be completely prevented or avoided when introducing type III modifications. Finding "pure" Type III modifications is therefore not likely.

Die Abbildungsoptik übersetzt hierbei die laterale Ausdehnung der Laserkontur des ausgekoppelten Segments des Laserstrahls in eine longitudinale und/oder laterale Fokuszone, wobei die Lage der Fokuszone mit der lateralen Ausdehnung der Laserkontur korreliert ist.In this case, the imaging optics convert the lateral extent of the laser contour of the segment of the laser beam that is coupled out into a longitudinal and/or lateral focal zone, with the position of the focal zone being correlated with the lateral extent of the laser contour.

Beispielsweise kann eine erste Laserkontur mit einem ersten Durchmesser in eine erste Fokuszone übersetzt werden, eine zweite Laserkontur mit einem zweiten Durchmesser kann in eine zweite Fokuszone übersetzt werden und eine dritte Laserkontur mit einem dritten Durchmesser kann in eine dritte Fokuszone übersetzt werden. Je nach Ausgestaltung der Abbildungsoptik können alle drei Fokuszonen lateral versetzt sein, also beispielsweise senkrecht zur optischen Achse in einer Ebene, beispielsweise der Fokusebene der Abbildungsoptik, verschoben sein. Es ist aber auch möglich, dass die drei Fokuszonen parallel zur optischen Achse auf einer Achse verlaufe, oder auf der optischen Achse verlaufen, jedoch alle drei Fokuszonen in unterschiedlichen Fokusebenen entlang der Strahlausbreitungsrichtung liegen. Es kann auch sein, dass die drei Fokuszonen in unterschiedlichen Fokusebenen liegen und zur optischen Achse verschoben sind.For example, a first laser contour of a first diameter can be translated into a first focal zone, a second laser contour of a second diameter can be translated into a second focal zone, and a third laser contour of a third diameter can be translated into a third focal zone. Depending on the design of the imaging optics, all three focal zones can be offset laterally, that is to say, for example, can be shifted perpendicular to the optical axis in a plane, for example the focal plane of the imaging optics. However, it is also possible for the three focus zones to run parallel to the optical axis on one axis, or for them to run on the optical axis but for all three focus zones to lie in different focal planes along the direction of beam propagation. It is also possible that the three focal zones lie in different focal planes and are shifted to the optical axis.

Jedes ausgekoppelte Segment des Laserstrahls kann in der Fokuszone eine eigene Strahlform erzeugen, wobei die Strahlform ein lateraler Multispot oder ein Ringfokus oder ein Autofocusing-Beam oder ein nicht-beugender Strahl oder ein beugender Strahl ist.Each segment of the laser beam that is coupled out can produce its own beam shape in the focal zone, with the beam shape being a lateral multispot or a ring focus or an autofocusing beam or a non-diffractive beam or a diffractive beam.

Beispielsweise kann die erste Fokuszone die eines Gauß'schen Laserstrahls sein, die zweite Fokuszone kann eine ringförmige Fokuszone sein und die dritte Fokuszone kann ein Autofocussing-Beam sein.For example, the first focal zone can be that of a Gaussian laser beam, the second focal zone can be an annular focal zone, and the third focal zone can be an autofocussing beam.

Die Abbildungsoptik kann hierbei ein Linsen- oder ein Spiegelsystem sein, welches ein, zwei oder mehrere Spiegel und/oder Linsen aufweist. Beispielsweise kann die Abbildungsoptik ein Teleskop sein und/oder ein segmentiertes diffraktives optisches Element oder eine entsprechend geformte Asphäre oder Freiformoptik umfassen (siehe unten).The imaging optics can be a lens system or a mirror system, which has one, two or more mirrors and/or lenses. For example, the imaging optics can be a telescope and/or comprise a segmented diffractive optical element or a correspondingly shaped asphere or free-form optics (see below).

Das radiale Manipulationsoptikelement kann ein inverses Axicon oder ein Axicon oder ein Axicon-Teleskop sein, wobei der Axiconwinkel den Öffnungswinkel des Kegels bestimmt beziehungsweise der radialen Manipulation, oder ein diffraktives optischen Element sein oder eine Freiformfläche sein.The radial manipulation optical element can be an inverse axicon or an axicon or an axicon telescope, with the axicon angle determining the aperture angle of the cone or of the radial manipulation, or it can be a diffractive optical element or it can be a free-form surface.

Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Ein diffraktives optisches Element ist ein fixes Bauteil, welches zur Herstellung eines bestimmten nicht-beugenden Laserstrahls aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird.A diffractive optical element is set up to influence the incident laser beam in one or more properties in two spatial dimensions. A diffractive optical element is a fixed component that can be used to produce a specific non-diffractive laser beam from the incident laser beam. Typically, a diffractive optical element is a specially shaped diffraction grating, whereby the incident laser beam is brought into the desired beam shape by the diffraction.

Eine Freiformoberfläche ist allgemein eine lichtbrechende Oberfläche mit der ein Laserstrahl von einer ersten Intensitätsverteilung in eine zweite Intensitätsverteilung überführt werden kann. Durch die Form der Freiformoberfläche lässt sich gezielt die Phasenverteilung und Intensitätsverteilung des Laserstrahls anpassen.A free-form surface is generally a light-refracting surface with which a laser beam can be converted from a first intensity distribution into a second intensity distribution. The shape of the free-form surface allows the phase distribution and intensity distribution of the laser beam to be adjusted in a targeted manner.

Ein Axicon ist ein konisch geschliffenes optisches Element, welches aus einem einfallenden Gauß'schen Laserstrahl beim Hindurchtreten einen nicht-beugenden Laserstrahl formt. Insbesondere weist das Axicon einen Konuswinkel auf, der gerechnet wird von der Strahleintrittsfläche zur Mantelfläche des Konus. Dadurch werden die Randstrahlen des Gauß'schen Laserstrahls zu einem anderen Fokuspunkt gebrochen, als achsnahe Strahlen. Dadurch ergibt sich direkt hinter dem Axicon eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone.An axicon is a conically ground optical element that forms a non-diffracting laser beam from an incident Gaussian laser beam as it passes through. In particular, the axicon has a cone angle that is calculated from the beam entry surface to the lateral surface of the cone. As a result, the marginal rays of the Gaussian laser beam are refracted to a different focal point than rays close to the axis. This results in a focal zone that is elongated in the beam propagation direction directly behind the axicon.

Ein inverses Axicon ist dementsprechend der Negativabdruck eines Axicons. Mit anderen Worten weist in diesem Fall ein Glaskörper eine kegelförmige Vertiefung mit dem Konuswinkel auf. Der einfallende Gauß'sche Laserstrahl wird beim Hindurchtreten aufgefächert, wobei durch eine Fokussierung der aufgefächerten Strahlen ein nicht-beugender Strahl erzeugt werden kann.An inverse axicon is accordingly the negative imprint of an axicon. In other words, in this case a glass body has a conical indentation with the cone angle. The incident Gaussian laser beam is fanned out as it passes through, whereby a non-diffracting beam can be generated by focusing the fanned out beams.

Insbesondere können die vorstehenden optischen Elemente auch miteinander kombiniert werden, um eine möglichst ideale Strahlgüte des Bearbeitungslaserstrahls, beziehungsweise einen möglichst konischen Phasenverlauf zu erzeugen.In particular, the above optical elements can also be combined with one another in order to produce a beam quality of the processing laser beam that is as ideal as possible, or a phase curve that is as conical as possible.

Beispielsweise können zwei Axicone zu einem Axicon-Teleskop zusammengesetzt werden und die radiale Manipulationsoptik bilden, wobei die Kegelspitzen der Axicone entweder aufeinander zeigen oder voneinander wegzeigen. Es auch möglich zwei inverse Axicone zu einem Axicon-Teleskop zusammengesetzt werden und die radiale Manipulationsoptik bilden, wobei die kegelförmigen Vertiefungen entweder aufeinander zeigen oder voneinander wegzeigen. Es ist auch möglich, dass ein inverses Axicon und eine Axicon zu einem Axicon-Teleskop zusammengesetzt werden, wobei der Kegel des Axicons und die kegelförmige Vertiefung des inversen Axicons aufeinander zeigen können oder voneinander wegzeigen können, wobei in beiden Fällen entweder das Axicon oder das inverse Axicon in Strahlausbreitungsrichtung von dem Laserstrahl durchlaufen werden kann.For example, two axicons can be assembled into an axicon telescope and form the radial manipulation optics, with the cone tips of the axicons either pointing towards or away from each other. It is also possible to combine two inverse axicons to form an axicon telescope and form the radial manipulation optics, with the conical indentations genes either point at each other or point away from each other. It is also possible for an inverse axicon and an axicon to be assembled into an axicon telescope, with the cone of the axicon and the cone-shaped depression of the inverse axicon pointing towards each other or pointing away from each other, in either case either the axicon or the inverse Axicon can be traversed by the laser beam in the beam propagation direction.

Die ausgekoppelten Segmente des Laserstrahls können sukzessive in das Material eingebracht werden, wobei der Gangunterschied zweier aufeinanderfolgender Segmente des Laserstrahls größer ist als die Pulsdauer des Laserpulses.The decoupled segments of the laser beam can be successively introduced into the material, with the path difference between two consecutive segments of the laser beam being greater than the pulse duration of the laser pulse.

Indem der Gangunterschied zweier aufeinanderfolgender ausgekoppelter Segmente größer ist als die Pulsdauer des Laserpulses, überlappen die Segmente zeitlich nicht im Material. Dementsprechend wird die Laserenergie des ersten Segmentes zeitlich vor der Laserenergie des zweiten Segments in das Material ein- oder aufgebracht. Dadurch können die verschiedenen Segmente nicht miteinander wechselwirken, so dass beispielsweise eine Interferenz effektiv unterdrückt wird.As the path difference between two consecutively decoupled segments is greater than the pulse duration of the laser pulse, the segments do not overlap in the material in terms of time. Accordingly, the laser energy of the first segment is introduced into or applied to the material before the laser energy of the second segment. As a result, the various segments cannot interact with one another, so that interference, for example, is effectively suppressed.

Typsicherweise sorgt die Interferenz bei zwei in das Material eintretenden Segmenten, die zeitlich und räumlich überlappen, für eine inhomogene Materialbearbeitung, da sich abhängig von Ort und Zeit die Laserstrahlung der Segmente überlagert. Dieses Verhalten wird durch die zeitlich aufeinanderfolgenden Segmente effektiv unterbunden. Mit anderen Worten wird die Kohärenz der Segmente durch den zeitlichen Gangunterschied gebrochen.Typically, the interference in the case of two segments entering the material, which overlap in time and space, ensures inhomogeneous material processing, since the laser radiation of the segments is superimposed depending on location and time. This behavior is effectively prevented by the chronologically consecutive segments. In other words, the coherence of the segments is broken by the temporal path difference.

Die Abbildungsoptik kann ein segmentiertes Strahlformungselement umfassen, wobei jedes Segment dazu eingerichtet ist eine eigene Strahlform zu erzeugen, wobei jede einzelne Strahlform ausgewählt werden kann aus der Liste von lateralen Multispots, Ringfoki, Autofocusing-Beams und nicht-beugenden Strahlen.The imaging optics can comprise a segmented beam shaping element, with each segment being set up to generate its own beam shape, with each individual beam shape being able to be selected from the list of lateral multispots, ring foci, autofocusing beams and non-diffracting beams.

Insbesondere kann das segmentierte Strahlformungselement ein segmentiertes diffraktives optisches Element sein. Beispielsweise kann jedes Segment des segmentierten Strahlformungselements ein eigenes Beugungsmuster bereit stellen, so dass abhängig von dem Auftreffort der Laserkontur auf das Segment ein anderer Strahl geformt wird. Insbesondere können die Segmente des segmentierten Strahlformungselements konzentrische Kreise sein
Beispielsweise kann dadurch aus einer ersten Laserkontur ein lateraler Multispot erzeugt werden und aus einer zweiten Laserkontur ein (Abruptly) Autofocusing-Beam während aus einer dritten Laserkontur ein nicht-beugender Strahl erzeugt wird oder ein Gauß'scher Strahl.
In particular, the segmented beam-shaping element can be a segmented diffractive optical element. For example, each segment of the segmented beam-shaping element can provide its own diffraction pattern, so that a different beam is formed depending on where the laser contour hits the segment. In particular, the segments of the segmented beam-shaping element can be concentric circles
For example, a lateral multispot can be generated from a first laser contour and an (abruptly) autofocusing beam from a second laser contour, while a non-diffracting beam or a Gaussian beam is generated from a third laser contour.

Unter nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist. Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen konstant.Non-diffracting rays and/or Bessel-like rays are to be understood in particular as rays in which a transverse intensity distribution is propagation-invariant. In particular, in the case of non-diffractive beams and/or Bessel-type beams, a transverse intensity distribution is essentially constant along the beam propagation direction.

Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.With regard to the definition and properties of non-diffracting rays, reference is made to the book "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organization", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322- 1 referenced. This is expressly and fully referred to.

Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Insbesondere kann dadurch eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikation erzeugt werden.Accordingly, non-diffracting laser beams have the advantage that they can have a focal zone that is elongated in the direction of beam propagation and that is significantly larger than the transverse dimensions of the focal zone. In particular, a material modification that is elongated in the beam propagation direction can be produced as a result.

Insbesondere lassen sich mittels nicht-beugender Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen, die eine nicht-radialsymmetrische transversale Fokuszone aufweisen. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen der Ellipse schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht-beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.In particular, non-diffracting beams can be used to generate elliptical non-diffracting beams that have a non-radially symmetrical transverse focal zone. For example, elliptical quasi-non-diffracting rays have a main maximum that coincides with the center of the ray. The center of the ray is given by the place where the main axes of the ellipse intersect. In particular, elliptical, quasi non-diffracting beams can result from the superimposition of a plurality of intensity maxima, in which case only the envelope of the intensity maxima involved is elliptical. In particular, the individual intensity maxima do not have to have an elliptical intensity profile.

Unter lateralen Multispots versteht man hierbei lateral versetze Fokuszonen, die aus einem Teillaserstrahl geformt werden können. Ringfoki weisen einen ringförmigen Querschnitt auf. Autofocusig Beams sind hierbei eine neuartige Klasse von Strahlen, deren maximale Intensität kurz vor dem Brennpunkt um Größenordnungen ansteigt. Für mehr Informationen zu dieser Strahlklasse wird auf Efremidis et al., „Abruptly autofocusing waves,“ Opt. Lett. 35, 4045-4047 (2010) verwiesen.Lateral multispots are understood to be laterally offset focal zones that can be formed from a partial laser beam. Ring foci have an annular cross-section. Autofocusing beams are a new class of beams whose maximum intensity increases by orders of magnitude just before the focal point. For more information on this beam class, see Efremidis et al., "Abruptly autofocusing waves," Opt. Lett. 35, 4045-4047 (2010).

Das zeitlich gemittelte Intensitätsprofil der in das Material eingebrachten Segmente des Laserstrahls kann einem nicht-beugenden Strahl beziehungsweise Besselstrahl entsprechen.The time-averaged intensity profile of the segments of the laser beam introduced into the material can correspond to a non-diffracting beam or Bessel beam.

Insbesondere kann unter dem zeitlichen Mittel die Mittelung über das Intensitätsprofil über die Zeit verstanden werden, die verstreicht, bis ein einziger Puls den Resonator vollständig verlassen hat. Da in einem idealen Resonator stets Restenergie verbleibt kann alternativ auch über eine Schwellzeit gemittelt werden. Beispielsweise kann eine Schwellzeit dann erreicht sein, wenn die am Resonatorausgang ausgekoppelten Segmente nicht mehr genug Energie transportieren, um eine Materialbearbeitung zu ermöglichen, da die Intensität in der potentiellen Fokuszone unter der Modifikationsschwelle des Materials liegt.In particular, the averaging over time can be understood to mean the averaging over the intensity profile over the time that elapses until a single pulse has completely left the resonator. Since residual energy always remains in an ideal resonator, an average can also be used over a build-up time. For example, a threshold time can be reached when the segments coupled out at the resonator output no longer transport enough energy to enable material processing, since the intensity in the potential focus zone is below the modification threshold of the material.

Beispielsweise können durch die zeitliche Mittelung fünft nacheinander in das Material eingebrachte Laserstrahlen zu einem Gesamtstrahl gemittelt werden. Da die Laserstrahlen nacheinander in das Material eingebracht werden können, können die Orte der Fokuszonen ganz oder teilweise überlappen.For example, five successively introduced laser beams into the material can be averaged to form a total beam by averaging over time. Since the laser beams can be introduced into the material one after the other, the locations of the focal zones can overlap completely or partially.

Im Falle von nicht-beugenden Strahlen können beispielsweise dadurch die in der optischen Achse liegenden elongierten Fokuszonen direkt in longitudinaler Richtung aneinander anschließen, so dass eine gemittelte Fokuszone erzeugt wird, deren Länge die Summe der Längen der einzelnen Fokuszonen ist, wobei die gemittelte Fokuszone wieder der Fokuszone eines nicht-beugenden Strahls nullter Ordnung entspricht. Es ist beispielsweise aber auch möglich, dass sich die Fokuszonen nicht räumlich überlagern, sondern in longitudinaler Richtung separiert sind. Dann kann beispielsweise eine Art Perforationslinie (gestrichelte Linie) als Fokuszone erzeugt werden, die einem nicht-beugenden Strahl höherer Ordnung entspricht.In the case of non-diffracting rays, for example, the elongated focal zones lying in the optical axis can be directly connected to one another in the longitudinal direction, so that an average focal zone is generated whose length is the sum of the lengths of the individual focal zones, with the average focal zone again being the corresponds to the focal zone of a zero-order non-diffracting beam. However, it is also possible, for example, for the focal zones not to overlap spatially but to be separated in the longitudinal direction. Then, for example, a kind of perforation line (dashed line) can be generated as a focal zone, which corresponds to a non-diffracting higher-order beam.

Die Vorrichtung kann ferner eine Vorschubvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet sein kann den Laserstrahl und das Material relativ zueinander mit einem Vorschub zu bewegen, wobei der Ortsversatz durch den Vorschub kleiner ist als die Größe des gemittelten Intensitätsprofils.The device can also have a feed device, which can be set up to move the laser beam and the material relative to one another with a feed, the spatial offset caused by the feed being smaller than the size of the averaged intensity profile.

Die Materialmodifikationen werden entlang einer Trajektorie in das Material eines Werkstücks eingebracht. Die Trajektorie beschreibt hierbei die Auftrefflinie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks. Durch einen Vorschub wird beispielsweise der Laserstrahl und das Werkstück relativ zu einander mit einer Vorschubgeschwindigkeit verschoben, sodass sich mit fortschreitender Zeit unterschiedliche Auftrefforte der Laserpulse auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben. Hierbei wird die Vorschubgeschwindigkeit so gewählt, dass der Ortsversatz durch den Vorschub kleiner ist als die Größe des gemittelten Intensitätsprofils.The material modifications are introduced into the material of a workpiece along a trajectory. The trajectory describes the line of impact of the laser beam on the surface of the workpiece. By means of a feed, for example, the laser beam and the workpiece are shifted relative to one another at a feed rate, so that the laser pulses hit the surface of the workpiece at different locations as time progresses. The feed rate is selected in such a way that the displacement caused by the feed is smaller than the size of the averaged intensity profile.

Dadurch soll insbesondere sichergestellt werden, dass das gemittelte Intensitätsprofil nicht verzerrt wird.This is intended in particular to ensure that the averaged intensity profile is not distorted.

Dem liegt folgender Gedanke zugrunde: Werden durch den Resonator beispielsweise 10 Segmente ausgekoppelt, die zu dem gesamten Intensitätsprofil gemittelt werden sollen, dann dauert das Einbringen des gemittelten Intensitätsprofils in das Material etwa 10 ns, sofern die Segmente einen Gangunterschied von je 1 ns aufweisen. Wenn beispielsweise nun das gemittelte Intensitätsprofil einen lateralen Querschnitt von etwa 2 µm aufweist, dann ist für eine Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 µm/ns = 200 m/s obige Bedingung noch erfüllt. Sollte die Vorschubgeschwindigkeit schneller sein, so würde das gemittelte Intensitätsprofil verzerrt werden, wodurch die Qualität der Materialbearbeitung sinkt (dies kann insbesondere bei längeren Gangunterschieden problematisch werden). Bei deutlich kürzeren Gangunterschieden treffen die verschiedenen Segmente jedoch quasi instantan auf das Material, so dass die gemittelte Fokuszone nicht verzerrt wird.This is based on the following idea: If, for example, 10 segments are coupled out by the resonator, which are to be averaged to form the entire intensity profile, it takes about 10 ns to introduce the averaged intensity profile into the material, provided the segments have a path difference of 1 ns each. If, for example, the mean intensity profile now has a lateral cross-section of about 2 μm, then the above condition is still met for a feed rate of 0.2 μm/ns=200 m/s. If the feed rate were to be faster, the averaged intensity profile would be distorted, which would reduce the quality of the material processing (this can be problematic, especially with longer path differences). With significantly shorter path differences, however, the different segments hit the material almost instantaneously, so that the averaged focal zone is not distorted.

Die weiteren einstellbaren Elemente der oben beschriebenen Ausführungsformen können auch während verschiedener Prozessphasen mittels schnellen Piezo-Aktoren angepasst werden. Beispielsweise kann der Abstand von Resonatoreingang und Resonatorausgang eingestellt werden und/oder die Länge des optischen Wegs kann durch die Verzögerungsoptik eingestellt werden und/oder die Positionierung des Füllspiegels und somit der Füllgrad kann eingestellt werden und/oder die Fokussierung kann eingestellt werden und/oder der Abstand von inversem Axicon und Axicon des Axicon-Teleskops kann eingestellt werden, und so weiter. Hierdurch ist es möglich die lateralen Ausdehnungen sowie die Gangunterschiede der Segmente segmentgenau zu steuern, so dass die in das Material eingebrachten Intensitätsverläufe besonders genau eingestellt werden können. Insbesondere kann bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Vorrichtung auch das Einkoppeln und das Auskoppeln des Laserstrahls in und aus dem Resonator über schnell schaltbare Polarisationen und Polarisationsschalter erfolgen. Indem die Ein- und/oder Auskopplung polarisationsabhängig ist, kann eine besonders gute Einkopplung in den Resonator und/oder Auskopplung aus dem Resonator ermöglich werden.The other adjustable elements of the embodiments described above can also be adjusted during different process phases using fast piezo actuators. For example, the distance between the resonator input and the resonator output can be adjusted and/or the length of the optical path can be adjusted by the delay optics and/or the positioning of the filling level and thus the degree of filling can be adjusted and/or the focusing can be adjusted and/or the Distance of inverse axicon and axicon of axicon telescope can be adjusted, and so on. This makes it possible to control the lateral extensions and the path differences of the segments with segment accuracy, so that the intensity curves introduced into the material can be set particularly precisely. In particular, in the case of the embodiments of the device according to the invention, the laser beam can also be coupled in and coupled out into and out of the resonator via quickly switchable polarizations and polarization switches. Since the incoupling and/or outcoupling is polarization-dependent, a particularly good incoupling into the resonator and/or outcoupling from the resonator can be made possible.

Eine Verlaufsplatte kann dazu eingerichtet sein, die räumlich separierten Segmente des Laserstrahls unterschiedlich stark abzuschwächen, wobei die Verlaufsplatte im oder direkt nach dem Resonator angeordnet sein kann, oder mit einem der optischen Elemente der Vorrichtung einteilig ausgebildet sein kann, bevorzugt in Form einer Beschichtung.A flow plate can be set up to attenuate the spatially separated segments of the laser beam to different extents, with the flow plate being arranged in or directly after the resonator, or being designed in one piece with one of the optical elements of the device, preferably in the form of a coating.

Insbesondere kann hierdurch eine gezielte Strahlformung des gemittelten Intensitätsprofils vorgenommen werden.In this way, in particular, a targeted beam shaping of the averaged intensity profile can be undertaken.

Wie bereits oben beschrieben werden durch den aufgefächerten Laserstrahl die verschiedenen Segmente in Form von Transmissionsordnungen des Resonators räumlich getrennt. Ebenso werden die verschiedenen Segmente durch die Abbildungsoptik in unterschiedliche Fokuszonen fokussiert. Durch die räumliche Trennung ist es insbesondere möglich den verschiedenen Transmissionsordnungen unterschiedliche Intensitäten zuzuordnen.As already described above, the various segments in the form of transmission orders of the resonator are spatially separated by the fanned-out laser beam. Likewise, the various segments are focused into different focal zones by the imaging optics. The spatial separation makes it possible, in particular, to assign different intensities to the different transmission orders.

Wenn der Resonatorausgang beispielsweise eine Teilreflexion von 25% aufweist, dann verbleiben nach dem ersten Durchgang durch den Resonator noch 75% der Energie im Resonator, wobei 25% der Energie ausgekoppelt werden. Nach dem zweiten Durchgang befinden sich noch 56,25 % der Energie im Resonator, wobei beim zweiten Durchgang 18.75% der ursprünglichen Energie ausgekoppelt werden. Nach dem dritten Durchgang befinden sich noch 42,19 % der Energie im Resonator, wobei beim dritten Durchgang 14,06% der ursprünglichen Energie ausgekoppelt werden. Nach dem vierten Durchgang befinden sich noch 31,64 % der Energie im Resonator, wobei beim vierten Durchgang 10,05% der ursprünglichen Energie ausgekoppelt werden. Schließlich verbleiben nach dem fünften Durchgang durch den Resonator noch 23,7 % der ursprünglichen Energie im Resonator und 7.9 % der ursprünglichen Energie werden ausgekoppelt.For example, if the resonator output has a partial reflection of 25%, then after the first passage through the resonator, 75% of the energy still remains in the resonator, with 25% of the energy being coupled out. After the second pass, 56.25% of the energy is still in the resonator, with 18.75% of the original energy being coupled out during the second pass. After the third pass, 42.19% of the energy is still in the resonator, with 14.06% of the original energy being coupled out on the third pass. After the fourth pass, 31.64% of the energy is still in the resonator, with 10.05% of the original energy being coupled out on the fourth pass. Finally, after the fifth pass through the resonator, 23.7% of the original energy still remains in the resonator and 7.9% of the original energy is coupled out.

Angenommen, die Modifikationsschwelle des Materials liegt bei einem Wert der in obigem Beispiel 8% der ursprünglichen Energie entspricht. Dann würden nur die ersten vier Segmente zu dem gemittelten Intensitätsprofil beitragen. Insbesondere aber weisen die sukzessiv ausgekoppelten Segmente immer weniger Energie auf. Dementsprechend würde ein gemitteltes Intensitätsprofil entlang der Strahlausbreitungsrichtung nicht homogen sein.Suppose the modification threshold of the material is at a value that corresponds to 8% of the original energy in the example above. Then only the first four segments would contribute to the averaged intensity profile. In particular, however, the successively decoupled segments have less and less energy. Accordingly, an averaged intensity profile would not be homogeneous along the beam propagation direction.

Abhilfe kann hier schaffen, wenn eine Verlaufsplatte die verschiedenen Segmente auf einen gleichen Wert skaliert. Dies kann beispielsweise dadurch passieren, dass am Ort des ersten ausgekoppelten Segments ein Neutraldichte-Filter oder allgemein ein Abschwächungsfilter die ausgekoppelte Energie auf 10% der ursprünglichen Energie abgeschwächt wird. Am Ort des zweiten ausgekoppelten Segments kann die ausgekoppelte Energie ebenfalls auf 10% der ursprünglichen Energie abgeschwächt werden und so weiter. Dadurch kann das gemittelte Intensitätsprofil homogenisiert werden. Insbesondere wird für die verschiedenen Segmente jedoch eine unterschiedlich starke Abschwächung benötigt.This can be remedied if a gradient plate scales the different segments to the same value. This can happen, for example, by using a neutral density filter or, in general, an attenuation filter at the location of the first decoupled segment to reduce the decoupled energy to 10% of the original energy. At the location of the second decoupled segment, the decoupled energy can also be attenuated to 10% of the original energy, and so on. This allows the averaged intensity profile to be homogenized. In particular, however, different levels of attenuation are required for the different segments.

Es ist ebenfalls möglich die ausgekoppelte Energie durch die Gestaltung des teilreflektierenden Resonatorausgangs zu skalieren. Beispielsweise kann die Reflektivität so ansteigen, dass nacheinander ausgekoppelte Segmente gleich große Energien aufweisen.It is also possible to scale the extracted energy by designing the partially reflecting resonator output. For example, the reflectivity can increase in such a way that segments coupled out one after the other have energies of the same magnitude.

Beispielsweise kann zum Maßschneidern eines longitudinal elongierten, gemittelten Intensitätsprofils eine radialsymmetrische Verlaufsplatte verwendet werden. Dadurch können quasi Flat-Top ähnliche gemittelte longitudinale Intensitätsverteilungen erzeugt werden, welche robust auf Variationen des Eingangsstrahlprofils, Justage oder der Strahlqualität sind.For example, a radially symmetric gradient plate can be used to tailor a longitudinally elongated, averaged intensity profile. As a result, mean longitudinal intensity distributions that are similar to flat-top can be generated, which are robust to variations in the input beam profile, adjustment or beam quality.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann die radiale Manipulationsoptik den Laserstrahl auffächern und die Abbildungsoptik kann die laterale Ausdehnung des ausgekoppelten Segments des Laserstrahls in eine longitudinale Fokuszone übersetzen, wobei die Lage der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung mit der lateralen Ausdehnung korreliert ist.In one embodiment of the invention, the radial manipulation optics can fan out the laser beam and the imaging optics can translate the lateral extent of the decoupled segment of the laser beam into a longitudinal focal zone, with the position of the focal zone in the beam propagation direction being correlated with the lateral extent.

Ein radiales Manipulationsoptikelement kann, gegebenenfalls in Kombination mit einer weiteren Optik, aus einem beugenden Laserstrahl, in dieser ersten Ausführungsform zusätzlich beispielsweise aus einem Gauß'schen Laserstrahl, einen nicht-beugenden Laserstrahl formen. Die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels gilt jedoch für andere Strahlformen analog.A radial manipulation optics element can, optionally in combination with further optics, form a non-diffracting laser beam from a diffracting laser beam, in this first embodiment additionally, for example, from a Gaussian laser beam. However, the description of the first exemplary embodiment applies analogously to other beam shapes.

Ein nicht-beugender Strahl kann aus einem ebenen Wellenfeld, beziehungsweise aus parallelen Teillaserstrahlen eines Gauß'schen Laserstrahls erzeugt werden, wenn das radiale Manipulationsoptikelement alle Teillaserstrahlen des Gauß'schen Laserstrahls unter demselben Winkel β zur optischen Achse bricht. Dies hat zur Folge, dass achsnahe Teillaserstrahlen bereits kurz nach dem radialen Manipulationsoptikelement in Strahlausbreitungsrichtung auf der optischen Achse überlappen und so eine erhöhte Laserintensität ausbilden, während achsferne Strahlen erst später in Strahlausbreitungsrichtung überlappen und eine erhöhte Laserstrahlintensität ausbilden. A non-diffracting beam can be generated from a plane wave field or from parallel partial laser beams of a Gaussian laser beam if the radial manipulation optical element refracts all partial laser beams of the Gaussian laser beam at the same angle β to the optical axis. As a result, partial laser beams close to the axis overlap shortly after the radial manipulation optical element in the beam propagation direction on the optical axis and thus form an increased laser intensity, while off-axis beams only overlap later in the beam propagation direction and form an increased laser beam intensity.

So kann über eine longitudinale Länge, also eine Strecke auf der optischen Achse, parallel zur Strahlausbreitungsrichtung eine im Wesentlichen konstante Laserintensität erzeugt werden. In Strahlausbreitungsrichtung hinter der elongierten Fokuszone werden die Teillaserstrahlen jedoch aufgefächert, beispielsweise kegelförmig aufgefächert. Der Querschnitt durch den Kegel ist dementsprechend ein Kreis beziehungsweise Ring.In this way, an essentially constant laser intensity can be generated over a longitudinal length, ie a distance on the optical axis, parallel to the direction of beam propagation. In the beam propagation direction behind the elongated focal zone, however, the partial laser beams are fanned out, for example fanned out conically. The cross section through the cone is accordingly a circle or ring.

Es ist jedoch auch möglich, dass das ebenes Wellenfeld durch das radiale Manipulationsoptikelement die Teillaserstrahlen des Gauß'schen Laserstrahls unter demselben Winkel β’ von der optischen Achse wegbricht. Die Teillaserstrahlen können somit auch direkt nach dem Durchlauf durch das radiale Manipulationsoptikelement aufgefächert. In der vorliegendes Ausführungsform kommt es daher auf so eine Unterscheidung nicht an.However, it is also possible that the plane wave field breaks away the partial laser beams of the Gaussian laser beam at the same angle β′ from the optical axis due to the radial manipulation optical element. The partial laser beams can thus also be fanned out directly after passing through the radial manipulation optical element. In the present embodiment, therefore, such a distinction is not relevant.

Bei der Formung einer Laserkontur mit einem radialen Manipulationsoptikelement ist die Dicke d des Rings in Strahlausbreitungsrichtung konstant, da alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel zur optischen Achse verlaufen.When forming a laser contour with a radial manipulation optical element, the thickness d of the ring is constant in the direction of beam propagation, since all partial laser beams run at the same angle to the optical axis.

Die Abbildungsoptik übersetzt hierbei die laterale Ausdehnung der Laserkontur des ausgekoppelten Segments des Laserstrahls in eine entlang der optischen Achse elongierten Fokuszone, wobei die Lage der Fokuszone mit der lateralen Ausdehnung der Laserkontur korreliert ist.The imaging optics convert the lateral extent of the laser contour of the segment of the laser beam that is coupled out into a focal zone that is elongated along the optical axis, with the position of the focal zone being correlated with the lateral extent of the laser contour.

Beispielsweise liegt hierbei die Fokuszone von Laserkonturen mit kleiner lateraler Ausdehnung in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Fokuszone von Laserkonturen mit großer lateraler Ausdehnung. Beispielsweise kann eine ringförmige Laserkontur aus obigem Beispiel mit einem Durchmesser D in eine Fokuszone fokussiert werden, deren Mittelpunkt bei +5Z liegt. Ein Ring mit einem Durchmesser 3D kann in eine Fokuszone bei +3Z fokussiert werden und ein Ring mit einem Durchmesser von 5D kann bei +Z in eine Fokuszone fokussiert werden.For example, the focal zone of laser contours with a small lateral extent is located behind the focal zone of laser contours with a large lateral extent in the direction of beam propagation. For example, a ring-shaped laser contour from the above example with a diameter D can be focused into a focal zone whose center is at +5Z. A 3D diameter ring can be focused into a focal zone at +3Z and a 5D diameter ring can be focused into a focal zone at +Z.

Die Vielzahl an Fokuszonen wird durch die Vielzahl an ausgekoppelten Segmenten entlang der optischen Achse gewissermaßen gestapelt, wobei es durch die verschiedenen lateralen Ausdehnungen der Laserkonturen einen Ortsversatz der verschiedenen Fokuszonen gibt. Zudem gibt es einen Zeitversatz mit dem die verschiedenen Teillaserstrahlen in den verschiedenen Fokuszonen in das Material eingebracht werden, der aus dem Gangunterschied der Segmente in dem Resonator resultiert.The large number of focal zones is to a certain extent stacked along the optical axis by the large number of decoupled segments, with the different lateral extensions of the laser contours resulting in a spatial offset of the various focal zones. In addition, there is a time delay with which the different partial laser beams are introduced into the material in the different focal zones, which results from the path difference of the segments in the resonator.

Diese Art der Strahlerzeugung kann genutzt werden, um den Laserstrahl auf das Absorptionsverhalten des Material zu optimieren. Beispielsweise kann dadurch das Material von „innen“ nach „außen“ oder umgekehrt bearbeitet werden. Es ist auch möglich, dass eine Interferenz zwischen einzelnen Segmenten weitgehend vermieden wird, da die zeitliche Kohärenz zwischen den Segmenten gebrochen wird.This type of beam generation can be used to optimize the laser beam for the absorption behavior of the material. For example, the material can be processed from "inside" to "outside" or vice versa. It is also possible that interference between individual segments is largely avoided since the temporal coherence between the segments is broken.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das radiale Manipulationsoptikelement vor dem Resonatoreingang angeordnet sein, der Resonatoreingang kann das Loch eines reflektierenden Lochspiegels sein, wobei der reflektierende Lochspiegel in den Resonatorraum reflektierend angeordnet ist.In a further embodiment of the invention, the radial manipulation optical element can be arranged in front of the resonator entrance; the resonator entrance can be the hole of a reflecting perforated mirror, with the reflecting perforated mirror being arranged reflecting into the resonator space.

Ein Lochspiegel ist ein Spiegel der ein Loch aufweist. Durch das Loch des Lochspiegels kann der durch das radiale Manipulationsoptikelement radial manipulierte Laserstrahl in den Resonator eingekoppelt werden. Indem der Laserstrahl in den Resonator eingekoppelt werden kann ohne, dass der Laserstrahl durch eine (teil)transparente Oberfläche propagieren muss, erhöht sich die Effektivität beziehungsweise die Leistungsausbeute des Laserstrahls. Die verspiegelte Seite des Lochspiegels zeigt in Richtung des Resonatorraums beziehungsweise des Resonatorausgangs. Dadurch wird bewerkstelligt, dass die Laserstrahlen vom Resonatoreingang zum Resonatorausgang reflektiert werden können. Zudem weist der Lochspiegel bevorzugt eine hochreflektive Beschichtung von mehr als 80% bevorzugt von mehr als 99% auf, so dass es bei der Reflexion am Lochspiegel zu einem möglichst kleinen Energieverlust kommt.A pinhole mirror is a mirror with a hole in it. The laser beam, which has been radially manipulated by the radial manipulation optical element, can be coupled into the resonator through the hole in the perforated mirror. Since the laser beam can be coupled into the resonator without the laser beam having to propagate through a (partially) transparent surface, the effectiveness or the power output of the laser beam increases. The mirrored side of the perforated mirror points in the direction of the resonator chamber or the resonator exit. This ensures that the laser beams can be reflected from the resonator input to the resonator output. In addition, the perforated mirror preferably has a highly reflective coating of more than 80%, preferably more than 99%, so that the smallest possible energy loss occurs during reflection at the perforated mirror.

Der Resonatoreingang und/oder der teilreflektierende Resonatorausgang kann radialsymmetrisch gekippt sein, so dass der Gangunterschied der Segmente des Laserstrahls unabhängig von dem Abstand eingestellt werden kann.The resonator input and/or the partially reflecting resonator output can be tilted radially symmetrically, so that the path difference of the segments of the laser beam can be adjusted independently of the distance.

Radialsymmetrisch gekippt kann bedeuten, dass die Oberfläche des Resonatoreingangs und/oder des Resonatorausgangs Oberflächenkrümmung aufweist. Durch eine solche Verkippung wird eine Anpassung des Reflexionswinkels ermöglicht, so dass hierüber die laterale Ausdehnung der Laserkontur eingestellt werden kann. Damit kann bei einem großen Abstand des Resonatoreingangs und des Resonatorausgangs vermieden werden, dass die Laserkonturen zu groß werden. Gleichzeitig kann jedoch der große Gangunterschied der Segmente genutzt werden. Insbesondere können auch kleine Gangunterschiede der Segmente mit großen lateralen Abmessungen der Laserkonturen eingestellt werden.Tilted radially symmetrically can mean that the surface of the resonator inlet and/or the resonator outlet has surface curvature. Such a tilting makes it possible to adjust the reflection angle, so that the lateral expansion of the laser contour can be adjusted in this way. With a large distance between the resonator input and the resonator output, it can thus be avoided that the laser contours become too large. At the same time, however, the large path difference of the segments can be used. In particular, small path differences of the segments with large lateral dimensions of the laser contours can also be set.

Hinter dem Loch des Lochspiegels im Resonator kann ein Füllspiegel angeordnet sein, der den Laserstrahl auf die reflektierende Seite des Lochspiegels reflektiert, wobei der longitudinale Füllgrad der gemittelten Intensitätsverteilung vergrößert wird.A filling mirror can be arranged behind the hole of the hole mirror in the resonator, which reflects the laser beam onto the reflecting side of the hole mirror, the longitudinal degree of filling of the averaged intensity distribution being increased.

Der Füllspiegel kann dazu eingerichtet sein, einen ersten Teil der einfallenden Laserstrahlung zum Resonatorausgang zu transmittieren und einen zweiten Teil zum Resonatoreingang zurück zu reflektieren. Dadurch legen der erste Teil und der zweite Teil der Laserstrahlung unterschiedliche optische Wege zurück, bis sie aus dem Resonatorausgang ausgekoppelt werden. Insbesondere weisen die beiden Teile daher am Resonatorausgang einen unterschiedlich großen Durchmesser auf. Dementsprechend kann durch den Füllspiegel erreicht werden, dass der Durchmesser der Laserkontur nicht nur durch den Abstand von Resonatoreingang und Resonatorausgang eingestellt werden kann, sondern auch durch den Abstand von Resonatoreingang und Füllspiegel.The filling mirror can be set up to transmit a first part of the incident laser radiation to the resonator outlet and to reflect a second part back to the resonator inlet. As a result, the first part and the second part of the laser radiation cover different optical paths until they are coupled out of the resonator output. In particular, the the parts therefore have different diameters at the resonator exit. Accordingly, the filling level can be used to ensure that the diameter of the laser contour can be set not only by the distance between the resonator input and the resonator output, but also by the distance between the resonator input and the filling level.

Beispielsweise werden am Resonatorausgang die Segmente gemäß obigem Beispiel mit den Durchmessern der Laserkonturen D, 3D, 5D und so weiter ausgekoppelt. Es kann nun besonders vorteilhaft sein, den Füllspiegel so anzuordnen, dass der Laserstrahl nach der Rückreflektion zum Resonatoreingang durch den Füllspiegel und die anschließende Vorwärtsreflektion zum Resonatorausgang, eine Laserkontur mit einem Durchmesser von 2D am Resonatorausgang aufweist. Das Segment des Laserstrahls mit einer Laserkontur mit einem Durchmesser von 2D wird am Resonatorausgang ebenfalls teilweise ausgekoppelt und teilweise zum Resonatoreingang zurückreflektiert. Bei einem anschließenden Durchgang durch den Resonator weist das durch den Füllspiegel ursprünglich abseparierte Segment des Laserstrahls eine Laserkontur mit einem Durchmesser von 4D auf, und so weiter. Dementsprechend kann durch den Füllspiegel ein dichtes Ringmuster am Resonatorausgang erzeugt werden, beispielsweise mit den Durchmessern D, 2D, 3D, 4D, 5D, und so weiter.For example, the segments according to the above example with the diameters of the laser contours D, 3D, 5D and so on are coupled out at the resonator output. It can now be particularly advantageous to arrange the filling level in such a way that the laser beam has a laser contour with a diameter of 2D at the resonator output after being reflected back to the resonator input through the filling level and the subsequent forward reflection to the resonator output. The segment of the laser beam with a laser contour with a diameter of 2D is also partially decoupled at the resonator output and partially reflected back to the resonator input. During a subsequent passage through the resonator, the segment of the laser beam originally separated by the filling mirror has a laser contour with a diameter of 4D, and so on. Accordingly, a dense ring pattern can be generated at the resonator exit by the filling level, for example with the diameters D, 2D, 3D, 4D, 5D, and so on.

Es kann auch sein, dass durch den Füllspiegel benachbarte Ringe unterschiedliche Abstände aufweisen, beispielsweise D, 1,5D, 3D, 3,5D, und so weiter. Dadurch kann der Füllspiegel auch zur Erzeugung von besonderen gemittelten Intensitätsprofilen verwendet werden.It is also possible that rings which are adjacent due to the filling level have different distances, for example D, 1.5D, 3D, 3.5D, and so on. As a result, the filling level can also be used to generate special averaged intensity profiles.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Resonator ein Ringresonator sein, wobei der Resonator ein ersten radiales Manipulationsoptikelement und ein zweites radiales Manipulationsoptikelement aufweist, das zweite radiale Manipulationsoptikelement dem ersten radiale Manipulationsoptikelement nachgelagert angeordnet ist, wobei bevorzugt das zweite radiale Manipulationsoptikelement die Teillaserstrahlen kollimiert und wobei besonders bevorzugt das erste radiale Manipulationsoptikelement und das zweite radiale Manipulationsoptikelement Axicone sind, die zusammen ein Axicon-Teleskop bilden.According to a further embodiment of the invention, the resonator can be a ring resonator, the resonator having a first radial manipulation optical element and a second radial manipulation optics element, the second radial manipulation optics element being arranged downstream of the first radial manipulation optics element, with the second radial manipulation optics element preferably collimating the partial laser beams and with particularly preferably, the first radial manipulation optical element and the second radial manipulation optical element are axicons, which together form an axicon telescope.

Ein Ringresonator besteht aus mindestens drei optischen Elementen, nämlich dem Resonatoreingang, dem Resonatorausgang, sowie der Verzögerungsoptik.A ring resonator consists of at least three optical elements, namely the resonator input, the resonator output and the delay optics.

Der Resonatoreingang ist dazu eingerichtet den Laserstrahl in den Resonator einzukoppeln und weist auf der Resonatorraumseite beispielsweise eine hochreflektierende reflektierende Beschichtung auf. Der teilreflektierende Resonatorausgang ist dazu eingerichtet die Segmente des Laserstrahls teilweise auszukoppeln und teilweise auf eine Verzögerungsstrecke zu lenken. Die Verzögerungsoptik lenkt den vom Resonatorausgang teilweise reflektierten Laserstrahl über die Verzögerungsstrecke zum Resonatoreingang.The resonator input is set up to couple the laser beam into the resonator and has, for example, a highly reflective reflective coating on the resonator chamber side. The partially reflecting resonator output is set up to partly decouple the segments of the laser beam and partly direct them onto a delay line. The deceleration optics directs the laser beam, which is partially reflected from the resonator output, via the deceleration path to the resonator input.

Die Verzögerungsoptik umfasst aus mindestens einen Spiegel, typischerweise jedoch zwei Spiegel. Die typischerweise zwei Spiegel bilden vorzugsweise zusammen mit dem Resonatoreingang und dem Resonatorausgang die Eckpunkte eines Rechtecks. Dadurch kann der Laserstrahl vom Resonatorausgang auf einen ersten Spiegel der Verzögerungsoptik reflektiert werden. Der erste Spiegel reflektiert den Laserstrahl zum zweiten Spiegel der Verzögerungsoptik. Der zweite Spiegel der Verzögerungsoptik reflektiert den Laserstrahl zum Resonatoreingang. Vom Resonatoreingang aus durchläuft der Laserstrahl die eben beschriebene Bahn erneut, wobei bei jedem Durchgang durch den Resonator ein Segment des Laserstrahls aus dem Resonator ausgekoppelt.The retarding optics comprise at least one mirror, but typically two mirrors. The typically two mirrors preferably form the corner points of a rectangle together with the resonator input and the resonator output. As a result, the laser beam can be reflected from the resonator output onto a first mirror of the deceleration optics. The first mirror reflects the laser beam to the second mirror of the retardation optics. The second mirror of the deceleration optics reflects the laser beam to the resonator entrance. From the resonator entrance, the laser beam traverses the path just described again, a segment of the laser beam being coupled out of the resonator with each passage through the resonator.

Die Verzögerungsstrecke ist hierbei der optische Weg, den der Laserstrahl während eines Durchgangs durch den Resonator, gezählt von der Reflektion am Resonatorausgang bis zur erneuten Wechselwirkung mit dem Resonatorausgang. Aus der Länge des optischen Wegs ergibt sich über die Lichtgeschwindigkeit der Gangunterschied.The delay line is the optical path that the laser beam takes during a passage through the resonator, counted from the reflection at the resonator output to the renewed interaction with the resonator output. The path difference results from the length of the optical path via the speed of light.

Dieser Gangunterschied kann vorteilhafterweise variabel durch Einstellen der Verzögerungsstrecke eingestellt werden. Beispielsweise kann die Verzögerungsoptik räumlich weiter von dem Resonatorausgang entfernt werden, so dass die Strecke, die das Licht während eines Resonatordurchgangs zurücklegt, größer wird. Wenn, wie oben beschrieben, die Spiegel der Verzögerungsoptik, der Resonatoreingang und der Resonatorausgang die Eckpunkte eines Rechtecks bilden, dann kann leicht durch gleichzeitiges verlängern der gegenüberliegenden Seiten des Rechtecks der optische Weg verlängert werden. Da die gegenüberliegenden Seiten des Rechtecks verlängert werden bleibt die optische Justage erhalten.This path difference can advantageously be variably adjusted by adjusting the delay line. For example, the retarding optics can be spatially further removed from the resonator exit, so that the distance that the light travels during one resonator passage increases. If, as described above, the mirrors of the retarding optics, the resonator input and the resonator output form the corner points of a rectangle, then the optical path can easily be lengthened by simultaneously lengthening the opposite sides of the rectangle. Because the opposite sides of the rectangle are lengthened, the optical alignment is preserved.

Der Resonator kann hierbei ein erstes radiales Manipulationsoptikelement sowie ein zweites radiales Manipulationsoptikelement aufweisen, wobei bevorzugt das zweite radiale Manipulationsoptikelement die Teillaserstrahlen kollimiert.The resonator can have a first radial manipulation optics element and a second radial manipulation optics element, with the second radial manipulation optics element preferably collimating the partial laser beams.

Analog zu der Beschreibung weiter oben wird durch das erste radiale Manipulationsoptikelement der Laserstrahl radial manipuliert, so dass eine Laserkontur erzeugt wird. Die Laserkontur ist hierbei beispielsweise divergent, was bedeutet, dass die Teillaserstrahlen des Laserstrahls nicht parallel zueinander verlaufen, sondern alle Teillaserstrahlen unter einem Winkel β' zur optischen Achse verlaufen.Analogously to the description above, the laser beam is manipulated radially by the first radial manipulation optical element, so that a Laser contour is generated. In this case, the laser contour is divergent, for example, which means that the partial laser beams of the laser beam do not run parallel to one another, but instead all partial laser beams run at an angle β′ to the optical axis.

Durch das dem ersten radialen Manipulationsoptikelement nachgelagerte zweite radiale Manipulationsoptikelement können die Teillaserstrahlen des Laserstrahls wieder parallel zur optischen Achse ausgerichtet werden, also kollimiert werden. Nach dieser Parallelisierung weist die Laserkontur den Durchmesser D auf, wobei ein Segment des Laserstrahls mit der Laserkontur bei der anschließenden Wechselwirkung mit dem Resonatorausgang ausgekoppelt wird. Der im Resonator verbleibende Teil des Laserstrahls wird über die Verzögerungsstrecke zurück zum ersten radialen Manipulationsoptikelement gelenkt. Dort wird der Laserstrahl mit der Laserkontur mit dem Durchmesser D erneut durch das erste radiale Manipulationsoptikelement radial manipuliert und anschließend durch das radiale Manipulationsoptikelement parallelisiert, so dass die Laserkontur schließlich einen Durchmesser 2D aufweist, und so weiter.The partial laser beams of the laser beam can again be aligned parallel to the optical axis, ie collimated, by the second radial manipulation optical element downstream of the first radial manipulation optics element. After this parallelization, the laser contour has the diameter D, with a segment of the laser beam being coupled out with the laser contour during the subsequent interaction with the resonator output. The part of the laser beam remaining in the resonator is deflected back to the first radial manipulation optical element via the delay line. There, the laser beam with the laser contour with the diameter D is again manipulated radially by the first radial manipulation optics element and then parallelized by the radial manipulation optics element, so that the laser contour finally has a diameter 2D, and so on.

Dementsprechend kann durch den räumlichen Abstand von erstem radialen Manipulationsoptikelement und zweitem radialen Manipulationsoptikelement die laterale Ausdehnung der Laserkontur eingestellt werden. Durch die Länge der Verzögerungsstrecke, also insbesondere durch die Positionierung der Verzögerungsoptik, kann der Gangunterschied zweier aufeinanderfolgender Segmente des Laserstrahls eingestellt werden. Die Verwendung eines Ringresonators weist somit den Vorteil auf, dass Gangunterschied der Segmente und laterale Ausdehnung der Laserkonturen unabhängig voneinander eingestellt werden können.Accordingly, the lateral extent of the laser contour can be adjusted by the spatial distance between the first radial manipulation optical element and the second radial manipulation optical element. The path difference between two consecutive segments of the laser beam can be adjusted by the length of the delay path, ie in particular by the positioning of the delay optics. The use of a ring resonator therefore has the advantage that the path difference of the segments and the lateral extent of the laser contours can be adjusted independently of one another.

Besonders einfach können hierbei das erste radiale Manipulationsoptikelement und das zweite radiale Manipulationsoptikelement als inverses Axicon beziehungsweise Axicon ausgebildet sein.In this case, the first radial manipulation optical element and the second radial manipulation optical element can be configured as an inverse axicon or axicon in a particularly simple manner.

Ein inverses Axicon und ein Axicon formen zusammen ein sogenanntes Axicon-Teleskop. Sofern der Konuswinkel des inversen Axicons und des Axicons gleich sind, heben sich die optischen Wirkungen der beiden Elemente gerade auf, so dass die laterale Ausdehnung der Laserkontur nach Durchlaufen des Axicon-Teleskops zwar auf einen bestimmten Durchmesser angewachsen ist, jedoch nicht divergent beziehungsweise aufgefächert ist.An inverted axicon and an axicon together form what is known as an axicon telescope. If the cone angle of the inverse axicon and the axicon are the same, the optical effects of the two elements cancel each other out, so that the lateral expansion of the laser contour has increased to a certain diameter after passing through the axicon telescope, but is not divergent or fanned out .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Resonator ein Ringresonator sein, wobei ein erstes radiales Manipulationsoptikelement vor dem Resonatoreingang angeordnet ist und ein zweites radiales Manipulationsoptikelement in dem Ringresonator angeordnet ist und eine Abbildungsoptik teilweise in dem Ringresonator angeordnet ist.According to a further embodiment of the invention, the resonator can be a ring resonator, with a first radial manipulation optical element being arranged in front of the resonator entrance and a second radial manipulation optical element being arranged in the ring resonator and imaging optics being arranged partially in the ring resonator.

Beispielsweise kann hierbei der Resonatoreingang ein Lochspiegel sein. Der Laserstrahl wird durch das erste radiale Manipulationsoptikelement vor dem Lochspiegel aufgefächert und durch das Loch des Lochspiegels in den Resonator eingekoppelt.For example, the resonator input can be a perforated mirror. The laser beam is fanned out in front of the perforated mirror by the first radial manipulation optical element and coupled into the resonator through the hole in the perforated mirror.

Indem die Abbildungsoptik teilweise in dem Resonator angeordnet ist, teilt sich die gesamte Abbildungsoptik nun auf ein resonatorseitiges Linsensystem und eine Fokussieroptik auf, wobei die Fokussieroptik nach dem Resonatorausgang angeordnet ist.Because the imaging optics are partially arranged in the resonator, the entire imaging optics is now divided into a resonator-side lens system and focusing optics, with the focusing optics being arranged after the resonator exit.

Innerhalb des Resonators wird der Laserstrahl durch mindestens zwei Linsen eines resonatorseitigen Linsensystems der Abbildungsoptik ineinander abgebildet, wobei die erste Linse im Brennpunkt der zweiten Linse steht und umgekehrt. Insbesondere kann eine erste Linse vor dem zweiten radialen Manipulationsoptikelement angeordnet sein und eine zweite Linse auf der Verzögerungsstrecke. Bei jedem Durchgang fächert das zweite radiale Manipulationsoptikelement den Laserstrahl weiter auf, wobei das resonatorseitige Linsensystem durch die Abbildung eine starke Divergenz auf der Verzögerungsstrecke verhindert. Durch den Resonatorausgang wird bei in jedem Durchgang ein Segment des Laserstrahls ausgekoppelt und auf das Werkstück fokussiert. Hierbei erzeugen die Linse vor dem zweiten radialen Manipulationsoptikelement und die Fokussieroptik zusammen die eine Fokuszone.Within the resonator, the laser beam is imaged into one another by at least two lenses of a resonator-side lens system of the imaging optics, the first lens being at the focal point of the second lens and vice versa. In particular, a first lens can be arranged in front of the second radial manipulation optical element and a second lens on the delay path. With each passage, the second radial manipulation optical element fans out the laser beam further, with the lens system on the resonator side preventing strong divergence on the delay path through the imaging. Through the resonator output, a segment of the laser beam is coupled out in each pass and focused on the workpiece. In this case, the lens in front of the second radial manipulation optical element and the focusing optical system together produce the one focal zone.

Der teilreflektierende Resonatorausgang kann als Polarisationssplitter mit Wellenplatte ausgeführt sein, wobei das auszukoppelnde Segment des Laserstrahls über die lokale Polarisation eingestellt werden kann, welche für jedes Segment des Laserstrahls unterschiedlich sein kann.The partially reflecting resonator output can be designed as a polarization splitter with a wave plate, in which case the segment of the laser beam to be coupled out can be set via the local polarization, which can be different for each segment of the laser beam.

Das auszukoppelnde Segment, wird dabei über die lokale Polarisation eingestellt, welche für jedes Segment anders eingestellt werden kann. Entsprechend lokal angepasste Wellenplatten können z.B. mittels Nanogratings in Glas hergestellt werden.The segment to be coupled out is set via the local polarization, which can be set differently for each segment. Appropriately locally adapted wave plates can be produced e.g. by means of nanogratings in glass.

Im Resonator kann eine λ/4 Platte oder eine λ/2 Platte angeordnet sein, die zwischen jeder Mehrfachreflexion die Polarisation des Laserstrahls ändert.A λ/4 plate or a λ/2 plate can be arranged in the resonator, which changes the polarization of the laser beam between each multiple reflection.

Bei Resonatorkonfigurationen, die auf dem hin- und her reflektieren des Laserstrahls beruhen, so wie bei einem Fabry-Perot-Resonator, kann der Laserstrahl eine λ/4 zwischen jeder Reflexion am Resonatorausgang zweimal durchlaufen. Dadurch wirkt die λ/4-Platte effektiv als λ/2 Platte, so dass die Polarisation des Laserstrahls bei jedem Durchlauf um die optische Achse der effektiven λ/2 Platte gedreht wird. Durch die Wahl eines Polarisationssplitters können somit die auszukoppelnden Segmente ausgewählt werden.In cavity configurations that rely on bouncing the laser beam back and forth, such as a Fabry-Perot cavity, the laser beam can have a λ/4 between each reflection at the Pass through the resonator output twice. This effectively causes the λ/4 plate to act as a λ/2 plate, such that the polarization of the laser beam is rotated about the optical axis of the effective λ/2 plate on each pass. The segments to be coupled out can thus be selected by choosing a polarization splitter.

Bei einer Resonatorkonfiguration, die auf dem Umlauf durch den Resonator beruht, so wie bei einem Ringresonator, kann der Laserstrahl eine λ/2 Platte pro Durchgang lediglich einmal durchlaufen. Dadurch kann bei jedem Durchgang die Polarisation des Laserstrahls weitergedreht werden. Auch hier können durch die Wahl eines Polarisationssplitters die auszukoppelnden Segmente ausgewählt werden.With a resonator configuration that relies on round trip through the resonator, such as a ring resonator, the laser beam can only traverse a λ/2 plate once per pass. As a result, the polarization of the laser beam can be further rotated with each pass. Here, too, the segments to be decoupled can be selected by selecting a polarization splitter.

Figurenlistecharacter list

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1A, B schematische Darstellungen der Erzeugung von nicht-beugenden Strahlen gemäß dem Stand der Technik;
  • 2A, B, C, D, E, F, G, H schematische Darstellungen einer Ausführungsform der Vorrichtung;
  • 3A, B, C, D schematische Darstellungen von Verlaufsplatten;
  • 4A, B, C, D, E schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung; und
  • 5A, B schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung.
Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures. show:
  • 1A, B schematic representations of the generation of non-diffracting beams according to the prior art;
  • 2A, B , C , D , E, F, G, H schematic representations of an embodiment of the device;
  • 3A, B , C , D schematic representations of gradient plates;
  • 4A, B , C , D , E schematic representations of a further embodiment of the device; and
  • 5A, B schematic representations of a further embodiment of the device.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the different figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancies.

In der 1A ist schematisch die Erzeugung eines nicht-beugenden Strahls gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Hierbei wird ein Laserstrahl 30 eines Ultrakurzpulslasers 3 durch ein radiales Manipulationsoptikelement 5 geleitet. Der Laserstrahl 30 weist hierbei eine Gauß'sche Intensitätsverteilung I auf. Das radiale Manipulationsoptikelement 5 ist hierbei beispielsweise als Axicon 550 ausgebildet, welches ein konisch geschliffenes optisches Element ist. Durch die konische Form des Axicons 550 wird der Laserstrahl 30 um einen Winkel β zur optischen Achse A der Vorrichtung 1 gelenkt. Insbesondere sind alle Teillaserstrahlen des Laserstrahls 30 um den Winkel β zur optischen Achse A verkippt. In der ersten Fokuszone F überlappen die Teillaserstrahlen, so dass es zu einer Überhöhung der Laserintensität kommt. In der Fokuszone F weist der Laserstrahl bereits die Eigenschaften eines nicht-beugenden Strahls auf. Insbesondere ist die Fokuszone F hier schon in Strahlausbreitungsrichtung elongiert.In the 1A 1 is a schematic representation of the generation of a non-diffracting beam according to the prior art. In this case, a laser beam 30 of an ultra-short pulse laser 3 is guided through a radial manipulation optical element 5 . In this case, the laser beam 30 has a Gaussian intensity distribution I. The radial manipulation optical element 5 is designed here, for example, as an axicon 550, which is a conically ground optical element. The conical shape of the axicon 550 directs the laser beam 30 at an angle β to the optical axis A of the device 1 . In particular, all partial laser beams of the laser beam 30 are tilted by the angle β to the optical axis A. In the first focal zone F, the partial laser beams overlap so that the laser intensity is excessive. In the focal zone F, the laser beam already has the properties of a non-diffracting beam. In particular, the focal zone F is already elongated here in the beam propagation direction.

Nach der ersten Fokuszone F wird der Laserstahl durch eine Abbildungsoptik 6, die beispielsweise zwei Linsen 600, 602 umfassen kann, in das Material 2 eines Werkstücks eingebracht. Hierbei findet im Wesentlichen eine verkleinernde Abbildung des nicht-beugenden Strahls in die Fokuszone F in das Material 2 statt.After the first focus zone F, the laser beam is introduced into the material 2 of a workpiece through imaging optics 6, which can include two lenses 600, 602, for example. In this case, a reduced imaging of the non-diffracting beam into the focal zone F in the material 2 essentially takes place.

Eine alternative Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-beugenden Strahls ist in 1B gezeigt. Hierbei wird der Laserstrahl 30 mit der Gauß'schen Intensitätsverteilung auf ein anderes Manipulationsoptikelement 5 gelenkt. Das radiale Manipulationsoptikelement 5 kann hierbei insbesondere als inverses Axicon 50 ausgebildet sein. Das inverse Axicon 50 ist hierbei gewissermaßen der Negativabdruck des Axicons 550. Dadurch kann erreicht werden, dass die Teillaserstrahlen nicht unter dem Winkel β zu der optischen Achse hin gebrochen werden, sondern um einen Winkel β' von der optischen Achse weggebrochen werden. Dadurch entsteht insbesondere keine erste Fokuszone F. Gleichwohl kann der durch das radiale Manipulationsoptikelement 5 aufgefächerte Laserstrahl 30 durch eine Abbildungsoptik 6 in ein Material 2 abgebildet werden.An alternative device for generating a non-diffracting beam is in 1B shown. In this case, the laser beam 30 with the Gaussian intensity distribution is directed onto another manipulation optical element 5 . The radial manipulation optics element 5 can be designed here in particular as an inverse axicon 50 . The inverse axicon 50 is, so to speak, the negative impression of the axicon 550. This means that the partial laser beams are not refracted at an angle β to the optical axis, but are refracted away from the optical axis by an angle β'. In particular, this does not result in a first focus zone F. Nevertheless, the laser beam 30 fanned out by the radial manipulation optical element 5 can be imaged in a material 2 by an imaging optical system 6 .

In jedem Fall wird das Material 2 durch die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls 30 bearbeitet, indem Materialmodifikationen in das Material 2 eingebracht werden oder Material abgetragen wird.In any case, the material 2 is processed by the ultra-short laser pulses of the laser beam 30 in that material modifications are introduced into the material 2 or material is removed.

In 2A ist eine erste vorgeschlagene Ausführungsform der Vorrichtung 1 gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst hierbei einen Resonator 4, ein radiales Manipulationsoptikelement 5 und eine Abbildungsoptik 6. Der Resonator 4 wird hierbei durch einen Resonatoreingang 40 und einen Resonatorausgang 42 gebildet, die zusammen den Resonatorraum 44 umschließen. Der Resonatoreingang 40 ist hierbei insbesondere als Lochspiegel 400 ausgebildet, wobei der Lochspiegel 400 ein Loch 402 und eine Verspiegelung 4000 aufweist. Die Verspiegelung 4000 kann hierbei eine hochreflektive Verspiegelung sein, welche hierbei auf der Seite des Lochspiegels 400 angeordnet ist, welche zu dem Resonatorraum 44 zeigt.In 2A a first proposed embodiment of the device 1 is shown. The device 1 comprises a resonator 4, a radial manipulation optics element 5 and imaging optics 6. The resonator 4 is formed here by a resonator inlet 40 and a resonator outlet 42, which together enclose the resonator chamber 44. In this case, the resonator input 40 is designed in particular as a perforated mirror 400 , the perforated mirror 400 having a hole 402 and a mirror coating 4000 . In this case, the mirroring 4000 can be a highly reflective mirroring, which is arranged on the side of the perforated mirror 400 that faces the resonator space 44 .

Vor dem Resonatoreingang 40 ist ein radiales Manipulationsoptikelement 5 angeordnet, welches beispielsweise ein Axicon, ein inverses Axicon oder ein diffraktives optisches Element oder eine Freiformfläche sein kann. Durch das radiale Manipulationsoptikelement 5 wird der Laserstrahl 30 radial manipuliert, der von einem Ultrakurzpulslaser 3 zur Verfügung gestellt wird. Der Strahldurchmesser des Gauß'schen Strahls wird hier typischerweise vergleichsweise klein gewählt, wobei dieser in Verbindung mit dem Durchmesser der radialen Manipulation die longitudinale Länge der Fokuszone F des Segments 320 bestimmt.A radial manipulation optical element 5 is arranged in front of the resonator input 40, which can be, for example, an axicon, an inverse axicon or a diffractive optical element or a free-form surface. The laser beam 30 , which is made available by an ultrashort pulse laser 3 , is radially manipulated by the radial manipulation optical element 5 . The beam diameter of the Gaussian beam is typically chosen to be comparatively small here, with this determining the longitudinal length of the focal zone F of the segment 320 in conjunction with the diameter of the radial manipulation.

Durch die Auffächerung verlaufen die Teillaserstrahlen unter einem Winkel β’ zur optischen Achse der Vorrichtung 1. Die Teillaserstrahlen werden schließlich durch das Loch 402 des Resonatoreingangs 40 in den Resonatorraum 44 eingekoppelt. Nach Durchlaufen des Resonatorraums 44 treffen die Teillaserstrahlen auf den Resonatorausgang 42. Die Projektion der Teillaserstrahlen auf den Resonatorausgang 42 ist hierbei (insbesondere bei einem konisch geschliffenen Axicon) ein Ring. Dieser Ring ist insbesondere die Laserkontur 32 des Laserstrahls 30 auf dem Resonatorausgang 42, wobei die Laserkontur 32 eine Durchmesser D aufweist.The partial laser beams run at an angle β′ to the optical axis of the device 1 due to the fanning out. After passing through the resonator space 44, the partial laser beams strike the resonator outlet 42. The projection of the partial laser beams onto the resonator outlet 42 is a ring here (in particular in the case of a conically ground axicon). This ring is in particular the laser contour 32 of the laser beam 30 on the resonator output 42, the laser contour 32 having a diameter D.

Es sei darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 2A bis 2H lediglich der Mittelstrahl der durch das radiale Manipulationselement 5 aufgespalteten Teillaserstrahlen gezeigt ist. Die Teillaserstrahlen haben eine endliche Ausdehnung wie in der vergrößerten Darstellung in 2A gezeigt ist. Tatsächlich führt diese endliche Ausdehnung (die Dicke d des Rings) zu einer endlichen Länge der Fokuszone F, wie ebenfalls in der Vergrößerung dargestellt.It should be noted that for the sake of clarity in the 2A until 2H only the central beam of the partial laser beams split by the radial manipulation element 5 is shown. The partial laser beams have a finite extent as shown in the enlarged view in 2A is shown. In fact, this finite extension (the thickness d of the ring) leads to a finite length of the focal zone F, also shown in the enlargement.

Der Resonatorausgang 42 ist teilweise reflektierend, so dass ein Teil des Laserstrahls 30 in den Resonatorraum 44 zurückreflektiert wird. Der Teil des Laserstrahls der nicht reflektiert wird, wird durch den Resonatorausgang 42 ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Teil des Laserstrahls 30 wird insbesondere das Segment 320 des Laserstrahls 30 genannt.The resonator output 42 is partially reflective, so that part of the laser beam 30 is reflected back into the resonator space 44 . The part of the laser beam that is not reflected is coupled out through the resonator output 42 . The part of the laser beam 30 that is coupled out is called in particular the segment 320 of the laser beam 30 .

Mit anderen Worten erzeugt das radiale Manipulationsoptikelement 5 auf dem Resonatorausgang 42 eine Laserkontur 32, die in Form eines Energiesegments 320 teilweise aus dem Resonator 4 ausgekoppelt wird.In other words, the radial manipulation optical element 5 generates a laser contour 32 on the resonator output 42, which is partially decoupled from the resonator 4 in the form of an energy segment 320.

Der nicht ausgekoppelte Teil des Laserstrahls 30 wird zurück zum Resonatoreingang 40 reflektiert. Die laterale Ausdehnung der Laserkontur 32 des Laserstrahls 30 ist hierbei bereits so groß, dass der Laserstrahl 30 auf die Verspiegelung 4000 des Resonatoreingangs 40 fällt und nicht durch das Loch 402 aus dem Resonator 4 ausgekoppelt wird. Vom Resonatoreingang 40 wird der Laserstrahl 30 dann abermals in Richtung Resonatorausgang 42 reflektiert. Am Resonatorausgang 42 hat sich der Durchmesser der Laserkontur 32 durch den längeren im Resonator 4 zurückgelegten optischen Weg L vergrößert. Insbesondere kann der Durchmesser der Laserkontur 32 auf dem Resonatorausgang 42 nun 3D betragen. Mit jedem Durchgang durch den Resonator 4 vergrößert sich im vorliegenden Beispiel der Durchmesser beziehungsweise die laterale Ausdehnung der Laserkontur 32, so dass auch der Durchmesser der ausgekoppelten Segmente 320 stets größer wird.The part of the laser beam 30 that is not coupled out is reflected back to the resonator input 40 . The lateral extension of the laser contour 32 of the laser beam 30 is already so large that the laser beam 30 falls on the mirror coating 4000 of the resonator input 40 and is not coupled out of the resonator 4 through the hole 402 . The laser beam 30 is then reflected again from the resonator inlet 40 in the direction of the resonator outlet 42 . At the resonator exit 42 the diameter of the laser contour 32 has increased due to the longer optical path L covered in the resonator 4 . In particular, the diameter of the laser contour 32 on the resonator output 42 can now be 3D. With each passage through the resonator 4, the diameter or the lateral extent of the laser contour 32 increases in the present example, so that the diameter of the outcoupled segments 320 also becomes larger and larger.

Insbesondere ist die Dicke d der erzeugten Segmente 320 beziehungsweise der Ringe jedoch bei jedem Durchgang durch den Resonator 4 gleich. Dies liegt daran, dass alle Teillaserstrahlen durch das radiale Manipulationsoptikelement 5 um denselben Winkel β’ aufgefächert werden. In particular, however, the thickness d of the generated segments 320 or of the rings is the same for each passage through the resonator 4 . This is due to the fact that all partial laser beams are fanned out by the same angle β′ by the radial manipulation optical element 5 .

Insbesondere hängt die Dicke d der Laserkontur 32, beziehungsweise der Ringe, direkt von dem Winkel β’ ab, wie einfache trigonometrische Überlegungen zeigen.In particular, the thickness d of the laser contour 32, or of the rings, depends directly on the angle β', as simple trigonometric considerations show.

Die verlängerte Laufzeit des Laserstrahls durch die Vielfachreflexionen schlägt sich nicht nur in einem vergrößerten Durchmesser D der Laserkontur 32 nieder. Vielmehr werden die verschiedenen Segmente 320 durch die vergrößerte Laufzeit im Resonator 4 zu verschiedenen Zeiten ausgekoppelt. Die Zeitdifferenz zwischen zweier nacheinander ausgekoppelten Segmente 320 wird hierbei der Gangunterschied Δt genannt. Der Gangunterschied Δt steht in direktem Verhältnis zu dem optischen Weg L die der Laserstrahl 30 zwischen aufeinanderfolgenden Wechselwirkungen mit dem Resonatorausgang 42 zurücklegt: 1 / Δt = c / L.The longer running time of the laser beam due to the multiple reflections is not only reflected in an increased diameter D of the laser contour 32 . Rather, the different segments 320 are decoupled at different times due to the increased propagation time in the resonator 4 . The time difference between two consecutively decoupled segments 320 is called the path difference Δt. The path difference Δt is directly related to the optical path L that the laser beam 30 travels between successive interactions with the resonator output 42: 1 / Δt = c / L.

Nach dem Resonator 4 ist eine Abbildungsoptik 6 angeordnet, die die verschiedenen Segmente 320 in eine jeweilige Fokuszone F fokussiert. Hierbei wird in dieser Ausführungsform in jeder der Fokuszonen F wird ein nicht-beugender Strahl mit einer in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone F geformt (es können aber auch beliebige andere Strahlformen durch die Abbildungsoptik erzeugt werden, siehe unten). Insbesondere werden die Segmente 320, die auf dem Resonatorausgang 42 eine kleine laterale Ausdehnung aufweisen, in eine in Strahlausbreitungsrichtung versetze Fokuszone F fokussiert. Durch den zeitlichen Versatz der Segmente 320 wird das Material 2 dementsprechend von innen nach außen bearbeitet. Dadurch können insbesondere Abschirmungseffekt vermieden werden, die ein Bearbeiten des Materials 2 erschweren. Zudem können die Fokuszonen F an unterschiedlichen lateralen Orten eingebracht werden, so dass die Fokuszonen F nicht auf einer Achse liegen, sondern auch senkrecht zur optischen Achse verschoben werden können.An imaging optics 6 is arranged after the resonator 4, which focuses the different segments 320 in a respective focal zone F. FIG. In this embodiment, in each of the focal zones F, a non-diffracting beam is formed with a focal zone F that is elongated in the beam propagation direction (however, any other beam shapes can also be generated by the imaging optics, see below). In particular, the segments 320, which have a small lateral extent on the resonator output 42, are focused in a focal zone F that is offset in the direction of beam propagation. Due to the time offset of the segments 320, the material 2 is accordingly processed from the inside to the outside. In this way, in particular, shielding effects that make processing of the material 2 more difficult can be avoided. In addition, the focus zones F can differ chen lateral locations are introduced, so that the focal zones F are not on one axis, but can also be shifted perpendicular to the optical axis.

Durch eine Variation des Abstands zwischen dem Resonatoreingang 40 und dem Resonatorausgang 42 kann der longitudinale Abstand der Fokuszonen F der verschiedenen Segmente 320 eingestellt werden, wie ein Vergleich der 2A bis 2C zeigt. 2B weist einen großen Abstand des Resonatoreingangs 40 vom Resonatorausgang 42 auf, so dass der aufgefächerte Laserstrahl 30 einen langen optischen Weg im Resonator 4 zurücklegen muss. Dadurch vergrößert sich die laterale Ausdehnung der Laserkonturen 32 die auf den Resonatorausgang 42 projiziert werden. Durch den größeren Unterschied der lateralen Ausdehnungen, vergrößert sich auch der longitudinale Abstand der Fokuszonen F.By varying the distance between the resonator inlet 40 and the resonator outlet 42, the longitudinal distance of the focal zones F of the different segments 320 can be adjusted, as a comparison of FIG 2A until 2C shows. 2 B has a large distance between the resonator input 40 and the resonator output 42, so that the fanned-out laser beam 30 has to cover a long optical path in the resonator 4. As a result, the lateral extent of the laser contours 32 which are projected onto the resonator output 42 increases. Due to the greater difference in the lateral dimensions, the longitudinal distance between the focal zones F also increases.

Durch den größeren optischen Weg werden auch aufeinanderfolgende Segmente 320 später in das Material 2 eingebracht, wie oben gezeigt.Due to the larger optical path, successive segments 320 are also introduced later into the material 2, as shown above.

In 2C weist der Resonatoreingang 40 und der Resonatorausgang 42 einen geringeren Abstand als in 2B auf. Dadurch rücken die Fokuszonen F nach der Abbildungsoptik 6 näher zusammen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Länge der einzelnen Fokuszonen F gleichbleibt, da diese lediglich durch die Dicke d der Segmente 320 auf dem Resonatorausgang 42 bestimmt ist.In 2C the resonator input 40 and the resonator output 42 have a smaller distance than in 2 B on. As a result, the focal zones F after the imaging optics 6 move closer together. However, it should be pointed out that the length of the individual focal zones F remains the same since this is only determined by the thickness d of the segments 320 on the resonator outlet 42 .

Typischerweise wird der Abstand von Resonatoreingang 40 und Resonatorausgang 42 so gewählt, dass es zu einer sukzessiven Absorption der Segmente 320 in dem Material 2 kommt. Hiermit kann bestimmt werden, dass der Gangunterschied Δt der Segmente mindestens in der Größenordnung der Pulsdauer liegen muss. Wenn beispielsweise ein ultrakurzer Laserpuls eine Pulsdauer von 50 ps aufweist, dann sollte der Gangunterschied Δt zweier aufeinanderfolgender Segmente 320 ebenfalls mindestens 50 ps betragen. Wenn dies der Fall ist, werden die verschiedenen Segmente 320 nacheinander - sukzessive - in das Material 2 eingebracht.Typically, the distance between the resonator inlet 40 and the resonator outlet 42 is selected in such a way that the segments 320 are successively absorbed in the material 2 . This can be used to determine that the path difference Δt of the segments must be at least as large as the pulse duration. For example, if an ultra-short laser pulse has a pulse duration of 50 ps, then the path difference Δt of two consecutive segments 320 should also be at least 50 ps. If this is the case, the various segments 320 are introduced into the material 2 one after the other—successively.

Es ist insbesondere auch möglich den Gangunterschied Δt und den räumlichen Versatz der Fokuszonen F unabhängig voneinander einzustellen, wie in 2D und 2E gezeigt ist. Hierfür kann beispielsweise der Resonatoreingang 40 und der Resonatorausgang 42 eine radialsymmetrisch gekippte Oberfläche aufweisen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, wie in 2D gezeigt, den Resonatoreingang 40 und den Resonatorausgang 42 voneinander zu entfernen, sprich den Gangunterschied Δt der Segmente 320 zu vergrößern, jedoch den longitudinalen Abstand der Fokuszonen F klein zu wählen. Umgekehrt kann es durch eine Oberflächenkrümmung auch möglich sein, dass der Resonatoreingang 40 und der Resonatorausgang 42 näher zueinander angeordnet werden, wodurch sich der Gangunterschied Δt verkürzt. Gleichzeitig kann damit erreicht werden, dass der longitudinale Abstand der Fokuszonen F vergrößert wird.In particular, it is also possible to set the path difference Δt and the spatial offset of the focal zones F independently of one another, as in 2D and 2E is shown. For this purpose, for example, the resonator inlet 40 and the resonator outlet 42 can have a radially symmetrically tilted surface. This makes it possible, for example, as in 2D shown to remove the resonator input 40 and the resonator output 42 from one another, ie to increase the path difference Δt of the segments 320, but to select the longitudinal spacing of the focal zones F small. Conversely, a surface curvature can also make it possible for the resonator inlet 40 and the resonator outlet 42 to be arranged closer to one another, as a result of which the path difference Δt is reduced. At the same time it can be achieved that the longitudinal distance between the focal zones F is increased.

Im Falle eines Lochspiegels 400 kann es insbesondere der Fall sein, dass durch die Größe des Lochs 402 und durch das verwendete radiale Manipulationsoptikelement 5 die geometrischen Abstände zur Einkopplung des Laserstrahls 30 in den Resonator 4 vorgegeben sind. Dementsprechend kann die Form der Fokuszonen F nur noch bedingt beeinflusst werden. Abhilfe kann hierbei ein sogenanntes Axicon-Teleskop 56 schaffen, welches als Teil der Abbildungsoptik 6 in 2F und 2G ausgebildet ist.In the case of a hole mirror 400, it can be the case in particular that the geometric distances for coupling the laser beam 30 into the resonator 4 are predetermined by the size of the hole 402 and by the radial manipulation optical element 5 used. Accordingly, the shape of the focus zones F can only be influenced to a limited extent. This can be remedied by a so-called axicon telescope 56, which as part of the imaging optics 6 in 2F and 2G is trained.

Ein Axicon-Teleskop umfasst ein inverses Axicon 50 und ein Axicon 550, die nacheinander von den Segmenten 320 nach dem Resonatorausgang 42 durchlaufen werden. Durchlaufen die Segmente 320 zunächst das inverse Axicon 50 und anschließend das Axicon 550, so werden durch die Brechung an den vorgenannten Elementen 50, 550 die Segmente 320 unter einem stumpferen Winkel in das Material 2 eingebracht. Durchlaufen die Segmente 320 zunächst das Axicon 550 und anschließend das inverse Axicon, so können die Segmente 320 unter einem spitzeren Winkel in das Material eingebracht werden. Insgesamt kann somit der sogenannte effektive Bearbeitungswinkel (oder Einfallswinkel auf das Material 2) angepasst werden. Durch die Wahl des Konuswinkels kann der effektive Bearbeitungswinkel weiter angepasst werden.An axicon telescope comprises an inverse axicon 50 and an axicon 550 through which the segments 320 after the resonator exit 42 pass in sequence. If the segments 320 first pass through the inverse axicon 50 and then the axicon 550, the refraction at the aforementioned elements 50, 550 causes the segments 320 to be introduced into the material 2 at an obtuse angle. If the segments 320 first run through the axicon 550 and then the inverse axicon, the segments 320 can be introduced into the material at a more acute angle. Overall, the so-called effective processing angle (or angle of incidence on the material 2) can thus be adjusted. The effective machining angle can be further adjusted by selecting the cone angle.

In 2H ist eine Möglichkeit zur Erhöhung des longitudinalen Füllgrads der Fokuszonen F in dem Material 2 gezeigt. Der Füllgrad beschreibt die Dichte der Fokuszonen F entlang der optischen Achse.In 2H a possibility for increasing the longitudinal degree of filling of the focal zones F in the material 2 is shown. The degree of filling describes the density of the focal zones F along the optical axis.

Hierbei wird ein sogenannter Füllspiegel 404 in dem Resonator 4 nach dem Resonatoreingang 40 angeordnet. Der durch das radiale Manipulationsoptikelement 5 aufgefächerte Laserstrahl 30 wird durch den Füllspiegel 404 teilweise zum Resonatoreingang 40 zurückreflektiert (gestrichelte Linien) und teilweise zum Resonatorausgang 42 transmittiert (durchgezogene Linien). Gewissermaßen findet an dem Füllspiegel 404 bereits eine Aufteilung des Laserstrahls 30 in zwei Segmente 320 statt, wobei die Segmente 320 nach der Trennung im Resonator 4 gegenläufig sind. Insbesondere wird für das zum Resonatoreingang 40 zurückreflektierte Segment 320 der optische Weg durch den Füllspiegel 404 für den ersten Durchgang von Resonatoreingang 40 zum Resonatorausgang 42 verlängert, wodurch die Auffächerung bei der Propagation im Resonator 4 vergrößert wird. Dementsprechend hat das durch den Füllspiegel 404 zurückreflektierte Segment 320 einen größeren Durchmesser D bei der ersten Wechselwirkung mit dem Resonatorausgang 42, als der durch den Füllspiegel 404 transmittierte Teil.In this case, a so-called filling level 404 is arranged in the resonator 4 after the resonator input 40 . The laser beam 30 fanned out by the radial manipulation optical element 5 is partially reflected back by the filling mirror 404 to the resonator input 40 (dashed lines) and partially transmitted to the resonator output 42 (continuous lines). To a certain extent, the laser beam 30 is already divided into two segments 320 at the filling level 404 , the segments 320 running in opposite directions after the separation in the resonator 4 . In particular, for the segment 320 reflected back to the resonator input 40, the optical path through the filling mirror 404 for the first pass from the resonator input 40 to the resonator output 42 is extended, whereby the Fanning out during propagation in the resonator 4 is increased. Accordingly, segment 320 reflected back by filling level 404 has a larger diameter D during the first interaction with resonator output 42 than the part transmitted through filling level 404 .

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Resonator 4 der 2 prinzipiell auch als monolithisches Element mit fest definierten optischen Eigenschaften gefertigt werden kann.It should be noted at this point that the resonator 4 of 2 can in principle also be manufactured as a monolithic element with clearly defined optical properties.

In den 3A bis 3D sind schematisch verschiedene Transmissionsverläufe einer Verlaufsplatte 46 gezeigt. Die Verlaufsplatte 46 kann hierbei dazu eingerichtet sein, die räumlich separierten Laserkonturen 32 unterschiedlich stark abzuschwächen oder zu transmittieren. Dadurch kann die Intensität der einzelnen Fokuszonen F beeinflusst werden.In the 3A until 3D different transmission courses of a course plate 46 are shown schematically. In this case, the profile plate 46 can be set up to attenuate or transmit the spatially separated laser contours 32 to different extents. As a result, the intensity of the individual focus zones F can be influenced.

Die Verlaufsplatte 46 kann hierbei prinzipiell an jeder Stelle des Strahlengangs angeordnet werden, wo der Laserstrahl 30 in räumlich separierte Segmente 320 zerlegt ist. Besonders vorteilhaft kann hierbei der Ort mit der größten Separation gewählt werden, beispielsweise der Resonatorausgang 42 oder die Resonatorraumseite des Resonatoreingangs 40. Es ist insbesondere möglich, dass eine Verlaufsplatte 46 als Beschichtung auf eines der optischen Elemente, beispielsweise Resonatoreingang 40, Resonatorausgang 42 oder eine oder mehrere Linsen der Abbildungsoptik 6, aufgebracht wird. Es ist aber auch möglich, dass eine Verlaufsplatte 46 separat ausgebildet wird, sprich als eigenständiges optisches Element ausgebildet wird, und im Strahlengang entsprechend angeordnet wird.In this case, the profile plate 46 can in principle be arranged at any point in the beam path where the laser beam 30 is broken down into spatially separated segments 320 . The location with the greatest separation can be selected particularly advantageously, for example the resonator output 42 or the resonator chamber side of the resonator input 40. It is particularly possible that a gradient plate 46 as a coating on one of the optical elements, for example resonator input 40, resonator output 42 or one or several lenses of the imaging optics 6, is applied. However, it is also possible for a gradient plate 46 to be formed separately, that is to say to be formed as an independent optical element, and to be arranged accordingly in the beam path.

Die durch die Segmente 320 transportiere Energie nimmt typischerweise mit jedem Durchgang durch den Resonator 4 ab. Dies ist bereits dadurch bedingt, dass der Resonatorausgang 42 teilreflektierend ist und stets einen gewissen Teil der noch im Resonator 4 vorhandenen Energie auskoppelt. Mit anderen Worten weist jedes Segment 320 nur noch etwa (1-R)^N der ursprünglichen Energie auf, wobei N der Durchgang durch den Resonator 4 ist in R die Reflektivität des Resonatorausgangs 42 ist. Durch eine entsprechende Verlaufsplatte 46 kann die Intensität I der unterschiedlichen Segmente 320 in den Fokuszonen F angepasst werden.The energy transported through the segments 320 typically decreases with each pass through the resonator 4 . This is already due to the fact that the resonator output 42 is partially reflecting and always decouples a certain part of the energy still present in the resonator 4 . In other words, each segment 320 has only about (1-R)^N the original energy, where N is the passage through the resonator 4 and R is the reflectivity of the resonator output 42 . The intensity I of the different segments 320 in the focal zones F can be adjusted by means of a corresponding gradient plate 46 .

Beispielsweise ist in 3A eine mögliche radiale Transmissionsfunktion T für die Verlaufsplatte 46 gezeigt. Die Transmission steigt hierbei linear mit dem Radius R der Verlaufsplatte 46 an. Wird die Verlaufsplatte 46 so in dem Strahlengang angeordnet, dass R=0 mit der optischen Achse der Vorrichtung 1 zusammenfällt, dann wird jedes Segment 320 (hierdurchnummeriert mit N = 1, ..., 5) gleichmäßig transmittiert beziehungsweise abgeschwächt. Insbesondere steigt die Transmission der Verlaufsplatte 46 mit dem Radius R an, so dass Segmente 320 aus einem höheren Resonatordurchgang N stärker transmittiert werden. Somit kann den stetig schwächer werdenden Transmissionsordnungen N des Resonators 4 gewissermaßen entgegengewirkt werden.For example, in 3A a possible radial transmission function T for the travel plate 46 is shown. In this case, the transmission increases linearly with the radius R of the profile plate 46 . If the gradient plate 46 is arranged in the beam path in such a way that R=0 coincides with the optical axis of the device 1, then each segment 320 (numbered here with N=1, . . . , 5) is uniformly transmitted or attenuated. In particular, the transmission of the gradient plate 46 increases with the radius R, so that segments 320 from a higher resonator passage N are transmitted more strongly. In this way, the continuously weakening transmission orders N of the resonator 4 can be counteracted to a certain extent.

Es ist auch möglich die Verlaufsplatte 46 so im Strahlengang anzuordnen, dass R=0 nicht mit der optischen Achse A zusammenfällt. Dadurch kann in jedem Segment 320 eine inhomogene Intensitätsverteilung hervorgerufen werden, die zu besonderen Intensitätsverteilungen in der Fokuszone F führen können.It is also possible to arrange the gradient plate 46 in the beam path in such a way that R=0 does not coincide with the optical axis A. As a result, an inhomogeneous intensity distribution can be brought about in each segment 320, which can lead to particular intensity distributions in the focal zone F.

In 3B ist eine entsprechende nichtlineare Abhängigkeit der Transmissionsfunktion gezeigt.In 3B a corresponding non-linear dependence of the transmission function is shown.

In 3C ist eine stufenweise Transmissionsfunktion gezeigt.In 3C a stepwise transmission function is shown.

In 3D ist eine weitere nicht lineare Transmissionsfunktion gezeigt.In 3D another non-linear transmission function is shown.

In 4A ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung 1 gezeigt. Hierbei ist der Resonator 4 ein Ringresonator 4`. Ein Ringresonator 4` weist ebenfalls einen Resonatoreingang 40 und einen Resonatorausgang 42 auf. Im vorliegenden Beispiel ist der Resonatoreingang 40 als Lochspiegel 400 ausgebildet, so dass ein Gauß'scher Laserstrahl 30 durch das Loch 404 des Resonatoreingangs 40 in den Ringresonator 4 einkoppeln kann. Der Laserstrahl 30 wird anschließend durch ein Axicon-Teleskop 56 geformt (siehe unten) und wird anschließend zum teilreflektierenden Resonatorausgang 42 weitergeleitet. Am Resonatorausgang 42 wird ein Segment 320 des Laserstrahls 30 ausgekoppelt und durch eine Abbildungsoptik 6 in ein Material 2 eingebracht, so dass das Material 2 bearbeitet wird. Der am Resonatorausgang 42 reflektierte Teil des Laserstrahls 30 wird auf mindestens einen Umlenkspiegel, im vorliegenden Beispiel jedoch zwei Umlenkspiegel, geleitet, die zusammen die Verzögerungsoptik 440 bilden. Die Spiegel der Verzögerungsoptik 440, der Resonatoreingang 40 und der Resonatorausgang 42 stehen hierbei auf den Ecken eines Rechtecks. Durch eine gleichzeitige Variation zweier gegenüberliegender Seiten des Rechtecks kann hierbei eine Anpassung des Gangunterschieds durchgeführt werden.In 4A a further embodiment of the device 1 according to the invention is shown. Here, the resonator 4 is a ring resonator 4'. A ring resonator 4' also has a resonator input 40 and a resonator output 42. In the present example, the resonator input 40 is designed as a perforated mirror 400 so that a Gaussian laser beam 30 can couple into the ring resonator 4 through the hole 404 in the resonator input 40 . The laser beam 30 is then shaped by an axicon telescope 56 (see below) and is then transmitted to the partially reflecting cavity exit 42 . A segment 320 of the laser beam 30 is coupled out at the resonator exit 42 and is introduced into a material 2 through imaging optics 6, so that the material 2 is processed. The part of the laser beam 30 reflected at the resonator output 42 is guided onto at least one deflection mirror, but in the present example two deflection mirrors, which together form the deceleration optics 440 . The mirrors of the deceleration optics 440, the resonator input 40 and the resonator output 42 are in this case on the corners of a rectangle. The path difference can be adapted by simultaneously varying two opposite sides of the rectangle.

Durch die Verzögerungsoptik 440 wird der reflektierte Laserstrahl 30 erneut zum Resonatoreingang 40 geleitet, wobei der Resonatoreingang 40 den Laserstrahl 30 nun abermals durch das Axicon-Teleskop 56 leitet und weiter auffächert, und so weiter. Der Ringresonator 4 heißt daher Ringresonator, weil der Laserstrahl 30 auf einer (fast) ringförmigen Bahn immer wieder durch das Axicon-Teleskop 56 geleitet werden kann.The reflected laser beam 30 is guided again to the resonator input 40 by the deceleration optics 440, with the resonator input 40 now again guiding the laser beam 30 through the axicon telescope 56 and further fanning it out, and so on. The ring resonator 4 is therefore called ring resonator, because the laser beam 30 can be guided through the axicon telescope 56 again and again on an (almost) ring-shaped path.

In 4B sind zwei aufeinanderfolgende Durchläufe des Laserstrahls 30 durch den Resonator 4 gezeigt. Zunächst wird der Gauß'sche Laserstrahl 30 durch das Loch 402 oder Lochspiegels 400 in den Resonator 4 eingekoppelt und durch das inverse Axicon 50 geleitet. Durch den Durchlauf durch das inverse Axicon 50 wird der Gauß'sche Laserstrahl 30 aufgefächert. Nach einer Propagation zum Axicon 550 hat sich durch die Auffächerung eine laterale Ausdehnung der Laserkontur 32 des Laserstrahls 30 gebildet. Beim Durchgang durch das Axicon 550 wird der Winkelversatz entfernt, so dass der Laserstrahl 30 gewissermaßen kollimiert ist und die laterale Ausdehnung der Laserkontur 32 für den weiteren Durchlauf im Resonator 4 konstant bleibt. Nach dem Axicon 550 wird ein Teil des Laserstrahls 30 in Form eines Segments aus dem Resonator 4 ausgekoppelt (nicht gezeigt). Der im Resonator verbleibende Teil wird über die Verzögerungsoptik am Lochspiegel 400 reflektiert und erneut durch das Axicon-Teleskop 56 geleitet. Durch den erneuten Durchgang des Laserstrahls 30 durch das inverse Axicon 50 wird der Laserstrahl 30 erneut aufgefächert, wobei nach der Propagation zum Axicon 550 sich die laterale Ausdehnung der Laserkontur 32 des Laserstrahls 30 abermals vergrößert hat. Durch das Axicon 550 wird der Laserstrahl 30 erneut parallelisiert und anschließend teilweise durch den Resonatorausgang ausgekoppelt.In 4B two consecutive passes of the laser beam 30 through the resonator 4 are shown. First, the Gaussian laser beam 30 is coupled into the resonator 4 through the hole 402 or hole mirror 400 and passed through the inverse axicon 50 . By passing through the inverse axicon 50, the Gaussian laser beam 30 is fanned out. After propagation to the axicon 550, a lateral expansion of the laser contour 32 of the laser beam 30 has formed due to the fanning out. When passing through the axicon 550, the angular offset is removed, so that the laser beam 30 is collimated to a certain extent and the lateral extension of the laser contour 32 remains constant for the further passage in the resonator 4. After the axicon 550, part of the laser beam 30 is coupled out of the resonator 4 in the form of a segment (not shown). The part remaining in the resonator is reflected via the deceleration optics at the hole mirror 400 and passed through the axicon telescope 56 again. As a result of the laser beam 30 passing through the inverse axicon 50 again, the laser beam 30 is fanned out again, with the lateral extension of the laser contour 32 of the laser beam 30 having increased again after propagation to the axicon 550 . The laser beam 30 is parallelized again by the axicon 550 and then partially decoupled through the resonator output.

Es ist somit deutlich zu sehen, dass bei der Ausführungsform mit jedem Durchgang durch den Resonator die laterale Ausdehnung der Laserkontur 32 zunimmt. Die Zunahme der lateralen Ausdehnung der Laserkonturen 32 kann somit durch den Abstand von inversem Axicon 50 und Axicon 550 eingestellt werden. Des Weiteren kann durch die Verzögerungsstrecke, die durch die Positionierung der Verzögerungsoptik gegeben ist der Zeitversatz der ausgekoppelten Segmente 320 eingestellt werden. Da die laterale Ausdehnung der Laserkonturen 32 nach dem Durchlauf durch das Axicon 550 konstant ist, können somit der longitudinale Versatz der Fokuszonen F und der zeitliche Versatz des Einbringens der Segmente 320 in das Material 2 unabhängig voneinander eingestellt werden.It can thus be clearly seen that in the embodiment, the lateral extension of the laser contour 32 increases with each passage through the resonator. The increase in the lateral extension of the laser contours 32 can thus be adjusted by the distance between the inverse axicon 50 and axicon 550. Furthermore, the time offset of the decoupled segments 320 can be adjusted by the delay distance, which is given by the positioning of the delay optics. Since the lateral extent of the laser contours 32 is constant after passing through the axicon 550, the longitudinal offset of the focal zones F and the time offset of the introduction of the segments 320 into the material 2 can be set independently of one another.

Eine mögliche Ausführung der Abbildungsoptik 6 ist in 4C skizziert. Durch das inverses Axicon 50 und die zwei Linsen der Abbildungsoptik 6 findet eine verkleinernde Fokussierung der Segmente 320 auf oder in das Material 2 statt. Die Strahlengänge skizzieren drei aufeinanderfolgende Umläufe des Laserstrahls 30 im Resonators 4, wobei die am Axicon gezeigten achsnahen Strahlen zeitlich vor den achsfernen Strahlen ausgekoppelt werden. Die Bearbeitung des Materials 2 startet somit in dem Volumen des Materials 2 und wird mit jedem Durchlauf in Richtung der Abbildungsoptik 6 geführt. Hierbei lässt sich der Gangunterschied Δt durch Variation der Resonatorlänge (beziehungsweise der daraus resultierenden optischen Weglänge L), die räumliche Modulation entlang der optischen Achse durch das variable Axicon-Teleskop 56 und die Fokussierungsbedingungen durch die Abbildungsoptik 6 komplett unabhängig voneinander einstellen. Dies ist bis zu großen Gangunterschieden Δt von mehreren Nanosekunden möglich.A possible design of the imaging optics 6 is shown in 4C sketched. The inverse axicon 50 and the two lenses of the imaging optics 6 result in a reduced focusing of the segments 320 onto or into the material 2 . The beam paths outline three successive revolutions of the laser beam 30 in the resonator 4, with the near-axis rays shown on the axicon being coupled out in time before the off-axis rays. The processing of the material 2 thus starts in the volume of the material 2 and is guided in the direction of the imaging optics 6 with each pass. The path difference Δt can be set completely independently of one another by varying the resonator length (or the resulting optical path length L), the spatial modulation along the optical axis by the variable axicon telescope 56 and the focusing conditions by the imaging optics 6 . This is possible up to large path differences Δt of several nanoseconds.

Wenn besonders große Gangunterschiede erzeugt werden sollen, kann es sein, dass einer eventuell verbleibenden Restdivergenz des Laserstrahls 30 vermieden werden muss. Bei einem Aufbau entsprechend den 2 tritt diese Divergenz beispielsweise immer auf, da der Laserstrahl 30 an jeder Stelle des Resonators 4 aufgefächert ist. Die Divergenz des Laserstrahls 30 kann beispielsweisedurch ein Relay-Teleskop, also einen 4f-Aufbau, vermieden werden.If particularly large path differences are to be generated, it may be that any remaining divergence of the laser beam 30 must be avoided. With a structure according to the 2 this divergence always occurs, for example, since the laser beam 30 is fanned out at every point of the resonator 4 . The divergence of the laser beam 30 can be avoided, for example, by using a relay telescope, i.e. a 4f structure.

Eine weitere mögliche Abbildungsoptik 6 ist in 4D gezeigt. Dort setzt sich die Abbildungsoptik zusammen aus einem segmentierten Strahlformungselement 64 und einer Linse 602. Insbesondere ist das segmentierte Strahlformungselement 64 ein segmentiertes diffraktives optisches Element welches genauer in 4E gezeigt ist. Das segmentierte diffraktive optische Element 64 weist verschiedene radiale Zonen beziehungsweise auf. Jedes Segment erlaubt es die dort auftreffende Laserkontur 320 in eine andere Fokuszone beziehungsweise auch in eine andere Fokusebene abzubilden.Another possible imaging optics 6 is in 4D shown. There, the imaging optics are composed of a segmented beam-shaping element 64 and a lens 602. In particular, the segmented beam-shaping element 64 is a segmented diffractive optical element which is described more precisely in 4E is shown. The segmented diffractive optical element 64 has different radial zones or. Each segment allows the laser contour 320 impinging there to be imaged in a different focal zone or also in a different focal plane.

In 5A ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung 1 gezeigt. Hierbei ist als Resonator 4 wie in den 4 ebenfalls ein Ringresonator gezeigt, bei dem jedoch Elemente 600, 602 der Abbildungsoptik 6 innerhalb des Resonatorraums 44 angeordnet sind. Die Elemente 600, 602 sind somit Teil der resonatorseitigen Abbildungsoptik 60, während die eigentliche Abbildung durch die Fokussieroptik 62 außerhalb des Resonators 4 erfolgt.In 5A a further embodiment of the device 1 according to the invention is shown. Here, as a resonator 4 as in the 4 a ring resonator is also shown, but in which elements 600 , 602 of the imaging optics 6 are arranged within the resonator space 44 . The elements 600, 602 are thus part of the imaging optics 60 on the resonator side, while the actual imaging takes place through the focusing optics 62 outside of the resonator 4.

In 5A wird eine Laserstrahl 30 bereits vor dem Resonatoreingang 40 aufgefächert. Der Resonatoreingang 40 kann hier insbesondere als Lochspiegel 400 ausgebildet sein, wobei die Einkopplung des Laserstrahls 30 durch das Loch 402 des Lochspiegels 400 erfolgt.In 5A a laser beam 30 is already fanned out in front of the resonator input 40 . The resonator input 40 can be designed here in particular as a perforated mirror 400 , the laser beam 30 being coupled in through the hole 402 of the perforated mirror 400 .

Innerhalb des Resonators 4 wird bei jedem Durchgang durch den Resonator 4 der Laserstrahl 30 durch die Linsen 600, 602 der Abbildungsoptik 6 ineinander abgebildet. Mit anderen Worten steht die Linse 600 im Brennpunkt der Linse 602 und umgekehrt.Within the resonator 4, the laser beam 30 is imaged into one another by the lenses 600, 602 of the imaging optics 6 during each passage through the resonator 4. In other words, it stands Lens 600 in focus of lens 602 and vice versa.

Bei jedem Durchgang fächert das Axicon 550 den Laserstrahl 30 weiter auf. Über den bereits zuvor beschriebenen teilreflektierenden Resonatorausgang 42 wird bei jedem Durchgang ein Segment 320 aus dem Resonator 4 ausgekoppelt und in oder auf das Material 2 fokussiert. Hierbei erzeugen die Linse 600 und die Fokussieroptik 62 eine verkleinernde Abbildung. Ein Anpassen der Länge des optischen Wegs L innerhalb des Resonators 4 erfordert hierbei ein Anpassen der Brennweiten der Linsen 600, 602.The axicon 550 further fans out the laser beam 30 with each pass. A segment 320 is coupled out of the resonator 4 and focused into or onto the material 2 with each passage via the partially reflecting resonator output 42 already described above. Here, the lens 600 and the focusing optics 62 produce a reduced image. Adjusting the length of the optical path L within the resonator 4 requires adjusting the focal lengths of the lenses 600, 602.

Der Strahlengang für die ersten drei Durchgänge ist in 5B skizziert. Hierbei wird der durch das inverse Axicon 50 aufgefächerte Laserstrahl 30 durch das Loch 404 des Lochspiegels 400 in den Resonator 4 eingekoppelt. Nach einem einzigen Durchgang ist die laterale Ausdehnung des Laserstrahls 30 jedoch bereits so groß, dass der Laserstrahl 30 von der reflektierenden Seite des Lochspiegels 400 in den Resonatorraum 44 zurück reflektiert wird. Mit anderen Worten ist die laterale Ausdehnung der Laserkontur 32 auf dem Resonatoreingang 40 größer als das Loch 402 des Lochspiegels 400. Die Auffächerung wird hierbei letztendlich in Kombination mit dem radialen Manipulationsoptikelement 55 vorgegeben. Eine Ausführung als Alvarez-Element oder ein alternatives Axicon-Teleskop 56 zwischen den Linsen 600, 602 ermöglichen eine weitere Anpassung des Abstandes.The beam path for the first three passes is in 5B sketched. In this case, the laser beam 30 fanned out by the inverse axicon 50 is coupled into the resonator 4 through the hole 404 of the perforated mirror 400 . However, after a single pass, the lateral expansion of the laser beam 30 is already so large that the laser beam 30 is reflected back into the resonator space 44 by the reflecting side of the perforated mirror 400 . In other words, the lateral extent of the laser contour 32 on the resonator input 40 is larger than the hole 402 of the hole mirror 400. The fanning out is ultimately specified here in combination with the radial manipulation optical element 55. An Alvarez element design or an alternative axicon telescope 56 between the lenses 600, 602 allows further adjustment of the distance.

Der teilreflektierende Resonatorausgang 42 kann auch als Polarisationssplitter mit angepasster Wellenplatte ausgeführt werden. Das auszukoppelnde Segment 320, wird dabei über die lokale Polarisation eingestellt, welche für jeden Durchgang durch den Resonator 4 anders eingestellt werden kann. Entsprechend lokal angepasste Wellenplatten können z.B. mittels Nanogratings in Glas hergestellt werden.The partially reflecting resonator output 42 can also be designed as a polarization splitter with an adapted wave plate. The segment 320 to be coupled out is set via the local polarization, which can be set differently for each passage through the resonator 4 . Appropriately locally adapted wave plates can be produced e.g. by means of nanogratings in glass.

Eine weitere Variante bei der der teilreflektierende Resonatorausgang eine lineare Polarisationsrichtung transmittiert, beinhaltet im Fall von 2 eine λ/4 Platte zwischen den Mehrfachreflexionen. Im Falle der Vorrichtungen der 4 und 5 kann eine λ/2 Platte in dem Resonatorraum 44 angeordnet werden. Dabei wird die Polarisationsrichtung bei jedem Durchgang stückweise gedreht, so dass in Verbindung mit einem polarisierenden Resonatorausgang 42 ein kontinuierlicher Übergang zwischen 0 und 100% Auskopplung erzielt wird.Another variant in which the partially reflecting resonator output transmits a linear polarization direction includes in the case of 2 a λ/4 plate between the multiple reflections. In the case of the devices of 4 and 5 a λ/2 plate can be arranged in the resonator space 44 . The direction of polarization is rotated bit by bit during each passage, so that in connection with a polarizing resonator output 42 a continuous transition between 0 and 100% decoupling is achieved.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.As far as applicable, all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.

Bezugszeichenlistereference list

11
Vorrichtungcontraption
1010
Vorschubvorrichtungfeed device
22
Materialmaterial
33
UltrakurzpulslaserUltrafast Laser
3030
Laserstrahllaser beam
3232
Laserkonturlaser contour
320320
Segmentsegment
44
Resonatorresonator
4040
Resonatoreingangresonator input
400400
Lochspiegelperforated mirror
40004000
reflektierende Seitereflective side
402402
LochHole
404404
Füllspiegelfilling level
4242
Resonatorausgangresonator output
4444
Resonatorraumresonator room
440440
Verzögerungsoptikdelay optics
4646
Verlaufsplattegradient plate
480480
Polarisationssplitterpolarization splitter
482482
Wellenplattewave plate
484484
λ/4 Platteλ/4 plate
55
erstes radiales Manipulationsoptikelementfirst radial manipulation optical element
5050
inverses Axiconinverse axicon
5555
zweites radiales Manipulationsoptikelementsecond radial manipulation optical element
550550
AxiconAxicon
5656
Axicon-TeleskopAxicon telescope
66
Abbildungsoptikimaging optics
6060
Resonatorseitiges LinsensystemLens system on the resonator side
6262
Fokussieroptikfocusing optics
6464
segmentiertes Strahlformungselement segmented beam shaping element
Ff
Fokuszonefocus zone
II
Intensitätsprofilintensity profile
LL
Länge des optischen WegsLength of the optical path
VV
Vorschubfeed

Claims (16)

Vorrichtung (1) zum Bearbeiten eines Materials (2) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers (3), umfassend - einen Resonator (4) mit Resonatoreingang (40) und teilreflektierendem Resonatorausgang (42), wobei der Resonator (4) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (30) des Ultrakurzpulslasers mehrfach im Resonatorraum (44) zu reflektieren, wobei bei jeder Reflektion an dem teilreflektierenden Resonatorausgang (42) ein Segment (320) des Laserstrahls (30) ausgekoppelt wird, - eine radiale Manipulationsoptik (5), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (30) radial zu manipulieren, wobei der Querschnitt durch den Laserstrahl (30) eine Laserkontur (32) ergibt, - eine Abbildungsoptik (6), die dazu eingerichtet ist, die Segmente (320) des Laserstrahls (30) in das Material (2) einzubringen, wodurch das Material (2) bearbeitet wird dadurch gekennzeichnet, dass - der Resonator (4) so ausgebildet ist, dass die laterale Ausdehnung der Laserkontur (32) mit jedem Durchgang des Resonators (4) ansteigt oder abnimmt, wobei die laterale Ausdehnung der nacheinander aus dem Resonator (4) ausgekoppelten Segmente (320) des Laserstrahls (30) dementsprechend zu- oder abnimmt, und - wobei die Abbildungsoptik (6) die laterale Ausdehnung des ausgekoppelten Segments (320) des Laserstrahls (32) in eine longitudinale und/oder laterale Fokuszone (F) übersetzt, wobei die Lage der Fokuszone (F) mit der lateralen Ausdehnung korreliert ist.Device (1) for processing a material (2) by means of ultra-short laser pulses of an ultra-short-pulse laser (3), comprising - a resonator (4) with a resonator input (40) and a partially reflecting resonator output (42), the resonator (4) being set up to to reflect the laser beam (30) of the ultra-short pulse laser several times in the resonator chamber (44), a segment (320) of the laser beam (30) being coupled out at each reflection at the partially reflecting resonator output (42), - radial manipulation optics (5) set up for this purpose is to manipulate the laser beam (30) radially, with the cross section through the laser beam (30) yielding a laser contour (32), - imaging optics (6) which are set up to convert the segments (320) of the laser beam (30) into to introduce the material (2), whereby the material (2) is processed, characterized in that - the resonator (4) is designed such that the lateral expansion of the laser contour (32) with each passage of the Re sonator (4) increases or decreases, with the lateral extent of the segments (320) of the laser beam (30) coupled out one after the other from the resonator (4) increasing or decreasing accordingly, and - the imaging optics (6) expanding the lateral extent of the segment coupled out (320) of the laser beam (32) is translated into a longitudinal and/or lateral focal zone (F), the position of the focal zone (F) being correlated with the lateral extent. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangunterschied der Segmente (320) des Laserstrahls (30) durch die Länge (L) des optischen Wegs bestimmt ist, die der Laserstrahl (30) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilreflexionen am Resonatorausgang (42) zurücklegt.Device (1) after claim 1 , characterized in that the path difference of the segments (320) of the laser beam (30) is determined by the length (L) of the optical path that the laser beam (30) travels between two successive partial reflections at the resonator output (42). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Manipulationselement (5) ein inverses Axicon (50) ist oder ein Axicon (550) oder ein Axicon-Teleskop ist, wobei der oder die Axiconwinkel des oder der Axicone den Öffnungswinkel des Kegels bestimmt, oder ein diffraktives optischen Element ist oder eine Freistrahlfläche ist.Device (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the radial manipulation element (5) is an inverse axicon (50) or an axicon (550) or an axicon telescope, wherein the axicon angle or angles of the axicone or the axicone determines the opening angle of the cone, or a diffractive optical element or is a free-radiating surface. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgekoppelten Segmente (320) des Laserstrahls (30) sukzessive in das Material (2) eingebracht werden, wobei der Gangunterschied zweier aufeinanderfolgender Segmente (320) des Laserstrahls (30) größer ist als die Pulsdauer des Laserpulses.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the decoupled segments (320) of the laser beam (30) are successively introduced into the material (2), the path difference between two successive segments (320) of the laser beam (30) being greater is the pulse duration of the laser pulse. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes ausgekoppelte Segment (320) des Laserstrahls (30) in der Fokuszone (F) eine Strahlform erzeugt, wobei die Strahlform ein lateraler Multispot oder ein Ringfokus oder ein Autofocusing-Beam oder ein nicht-beugender Strahl oder ein beugender Strahl ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that each decoupled segment (320) of the laser beam (30) generates a beam shape in the focal zone (F), the beam shape being a lateral multispot or a ring focus or an autofocusing beam or is a non-diffractive ray or a diffractive ray. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (6) ein segmentiertes Strahlformungselement umfasst, wobei jedes Glied des zergliederten radialen Manipulationsoptikelements dazu eingerichtet ist eine eigene Strahlform zu erzeugen, wobei die Strahlform ein lateraler Multispot oder ein Ringfokus oder ein Autofocusing-Beam oder ein nicht-beugender Strahl oder ein beugender Strahl ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the imaging optics (6) comprises a segmented beam-shaping element, with each link of the divided radial manipulation optics element being set up to generate its own beam shape, with the beam shape being a lateral multispot or a ring focus or is an autofocusing beam or a non-diffractive beam or a diffractive beam. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich gemittelte Intensitätsprofil der in das Material (2) eingebrachten Segmente (320) des Laserstrahls (30) einem nicht-beugenden Strahl entspricht.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the time-averaged intensity profile of the segments (320) of the laser beam (30) introduced into the material (2) corresponds to a non-diffracting beam. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorschubvorrichtung (10) dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (30) und das Material (2) relativ zueinander mit einem Vorschub (V) zu bewegen, wobei der Ortsversatz durch den Vorschub (V) kleiner ist als die Größe des gemittelten Intensitätsprofils.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a feed device (10) is set up to move the laser beam (30) and the material (2) relative to one another with a feed (V), the spatial displacement being caused by the feed (V) is smaller than the size of the averaged intensity profile. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlaufsplatte (46) dazu eingerichtet ist, die räumlich separierten Segmente (320) des Laserstrahls (30) unterschiedlich stark abzuschwächen, wobei die Verlaufsplatte (46) im oder direkt nach dem Resonator (4) angeordnet sein kann, oder mit einem der optischen Elemente der Vorrichtung (1) einteilig ausgebildet sein kann, bevorzugt in Form einer Beschichtung.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a course plate (46) is set up to attenuate the spatially separated segments (320) of the laser beam (30) to different extents, the course plate (46) in or directly after the Resonator (4) can be arranged, or can be designed in one piece with one of the optical elements of the device (1), preferably in the form of a coating. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das radiale Manipulationsoptikelement (5), den Laserstrahl (30) auffächert und die Abbildungsoptik (6) die laterale Ausdehnung des ausgekoppelten Segments (320) des Laserstrahls (32) in eine longitudinale Fokuszone (F) übersetzt, wobei die Lage der Fokuszone (F) in Strahlausbreitungsrichtung mit der lateralen Ausdehnung korreliert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the radial manipulation optics element (5) fans out the laser beam (30) and the imaging optics (6) the lateral expansion of the decoupled segment (320) of the laser beam (32) into a longitudinal focal zone ( F) translated, the position of the focal zone (F) being correlated in the beam propagation direction with the lateral extent. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das radiale Manipulationsoptikelement (5) vor dem Resonatoreingang (40) angeordnet ist, - der Resonatoreingang (40) das Loch (402) eines reflektierenden Lochspiegels (400) ist, wobei der reflektierende Lochspiegel (400) in den Resonatorraum (44) reflektierend angeordnet ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the radial manipulation optical element (5) is arranged in front of the resonator input (40), - the resonator input (40) the hole (402) of a reflecting hole mirror (400), the reflecting hole mirror (400) being arranged reflecting into the resonator space (44). Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatoreingang (40) und/oder der teilreflektierende Resonatorausgang (42) radialsymmetrisch gekippt ist, so dass der Gangunterschied der Segmente (320) des Laserstrahls (30) unabhängig von dem Abstand von Resonatoreingang eingestellt werden kann.Device (1) after claim 9 , characterized in that the resonator input (40) and/or the partially reflecting resonator output (42) is tilted radially symmetrically, so that the path difference of the segments (320) of the laser beam (30) can be adjusted independently of the distance from the resonator input. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Loch (402) des Lochspiegels (400) im Resonator (4) ein Füllspiegel (404) angeordnet ist, der den Laserstrahl (30) auf die reflektierende Seite (4000) des Lochspiegels (400) reflektiert, wobei der longitudinale Füllgrad der gemittelten Intensitätsverteilung vergrößert wird.Device (1) according to one of claims 9 or 10 , characterized in that behind the hole (402) of the hole mirror (400) in the resonator (4) is a filling mirror (404) which reflects the laser beam (30) onto the reflecting side (4000) of the hole mirror (400), wherein the longitudinal degree of filling of the averaged intensity distribution is increased. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - der Resonator (4) ein Ringresonator ist, - der Resonator (4) ein erstes radiales Manipulationsoptikelement (5) und ein zweites radiales Manipulationsoptikelement (55) aufweist, wobei das zweite radiale Manipulationsoptikelement (5) im Strahlengang hinter dem ersten radialen Manipulationsoptikelement (5) angeordnet ist, - wobei bevorzugt das zweite radiale Manipulationsoptikelement (55) die Teillaserstrahlen kollimiert, - wobei besonders bevorzugt das erste radiale Manipulationsoptikelement (5) und das zweite radiale Manipulationsoptikelement (55) Axicone sind, die zusammen ein Axicon-Teleskop bilden.Device (1) according to one of claims 2 until 8th , characterized in that - the resonator (4) is a ring resonator, - the resonator (4) has a first radial manipulation optical element (5) and a second radial manipulation optical element (55), the second radial manipulation optical element (5) in the beam path behind the first radial manipulation optics element (5) is arranged, - wherein preferably the second radial manipulation optics element (55) collimates the partial laser beams, - wherein particularly preferably the first radial manipulation optics element (5) and the second radial manipulation optics element (55) are axicones, which together form an axicon form telescope. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - der Resonator (4) ein Ringresonator ist, - das ein erstes radiales Manipulationsoptikelement (5) vor dem Resonatoreingang (40) angeordnet ist, - das ein zweites radiales Manipulationsoptikelement (55) in dem Ringresonator (4) angeordnet ist und die Abbildungsoptik (6) teilweise in dem Ringresonator (4) angeordnet ist, - wobei bevorzugt das zweite radiale Manipulationsoptikelement (55) die Teillaserstrahlen kollimiert.Device (1) according to one of claims 2 until 8th , characterized in that - the resonator (4) is a ring resonator, - a first radial manipulation optical element (5) is arranged in front of the resonator input (40), - a second radial manipulation optical element (55) is arranged in the ring resonator (4). and the imaging optics (6) are partially arranged in the ring resonator (4), - the second radial manipulation optics element (55) preferably collimating the partial laser beams. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der teilreflektierende Resonatorausgang (42) als Polarisationssplitter (480) mit Wellenplatte (482) ausgeführt wird, wobei das auszukoppelnde Segment (320) des Laserstrahls (30) über die lokale Polarisation eingestellt wird, welche für jedes Segment (320) des Laserstrahls (30) unterschiedlich sein kann.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the partially reflecting resonator output (42) is designed as a polarization splitter (480) with a wave plate (482), the segment (320) of the laser beam (30) to be coupled out being set via the local polarization which can be different for each segment (320) of the laser beam (30).
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