DE102021122754A1 - Device for processing a material - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (10) mittels ultrakurzer Laserpulse, umfassend einen Ultrakurzpulslaser (3), der dazu eingerichtet ist, ultrakurze Laserpulse (32) in einem Laserstrahl (30) abzugeben, ein geometrisches Phasenelement (4), das dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Eingangspolarisation des einfallenden Laserstrahls (30) eine Strahlablenkung und/oder Strahlformung und/oder Strahlteilung vorzunehmen und eine Abbildungsoptik (8), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (30) oder die Teillaserstrahlen (300) in das Werkstück (10) einzubringen, wodurch das Werkstück (10) bearbeitet wird, wobei aufeinanderfolgende Laserpulse (32) unterschiedliche, bevorzugt orthogonale Polarisationen aufweisen oder die Laserpulse (32) paarweise orthogonale Polarisationen aufweisen.The present invention comprises a device (1) for processing a workpiece (10) by means of ultra-short laser pulses, comprising an ultra-short pulse laser (3) which is set up to emit ultra-short laser pulses (32) in a laser beam (30), a geometric phase element (4) that is set up to perform beam deflection and/or beam shaping and/or beam splitting depending on the input polarization of the incident laser beam (30) and imaging optics (8) that are set up to project the laser beam (30) or the partial laser beams (300 ) to be introduced into the workpiece (10), as a result of which the workpiece (10) is processed, with successive laser pulses (32) having different, preferably orthogonal, polarizations or the laser pulses (32) having orthogonal polarizations in pairs.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels ultrakurzer Laserpulse.The present invention relates to a device for processing a workpiece using ultra-short laser pulses.
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.
Bei der Materialbearbeitung kann der Laserstrahl insbesondere auf verschiedene Teillaserstrahlen aufgeteilt werden, so dass eine parallele Bearbeitung des Werkstücks mit den verschiedenen Teillaserstrahlen möglich ist. Problematisch ist hierbei jedoch, wenn die verschiedenen Teillaserstrahlen nahe aneinander positioniert werden müssen, da dann störende Interferenzen zwischen den Teillaserstrahlen die Bearbeitungsqualität verschlechtern können.During material processing, the laser beam can in particular be divided into different partial laser beams, so that parallel processing of the workpiece with the different partial laser beams is possible. The problem here, however, is when the various partial laser beams have to be positioned close to one another, since disruptive interference between the partial laser beams can then impair the processing quality.
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 Werkstücks bereitzustellen.Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved device for machining a workpiece.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks 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 machining a workpiece having the features of
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels ultrakurzer Laserpulse vorgeschlagen, umfassend einen Ultrakurzpulslaser, der dazu eingerichtet ist, ultrakurze Laserpulse in einem Laserstrahl abzugeben, ein geometrisches Phasenelement, das dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Eingangspolarisation des einfallenden Laserstrahls eine Strahlablenkung und/oder Strahlformung und/oder Strahlteilung vorzunehmen und eine Abbildungsoptik, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl oder die Teillaserstrahlen in das Werkstück einzubringen, wodurch das Werkstück bearbeitet wird. Erfindungsgemäß weisen aufeinanderfolgende Laserpulse unterschiedliche, bevorzugt orthogonale Polarisationen auf oder die Laserpulse weisen paarweise orthogonale Polarisationen auf.Accordingly, a device for processing a workpiece using ultra-short laser pulses is proposed, comprising an ultra-short-pulse laser that is set up to emit ultra-short laser pulses in a laser beam, a geometric phase element that is set up to deflect the beam and/or depending on the input polarization of the incident laser beam or carry out beam shaping and/or beam splitting and imaging optics which are set up to introduce the laser beam or the partial laser beams into the workpiece, as a result of which the workpiece is machined. According to the invention, successive laser pulses have different, preferably orthogonal, polarizations or the laser pulses have orthogonal polarizations in pairs.
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. Similar are the bursts or one zelpulse if the laser pulses used have essentially the same properties, i.e. approximately the same pulse energy, the same pulse length and - in the case of bursts - also have the same pulse spacing within the burst.
Die Wellenlänge der Laserpulse kann hierbei zwischen 200nm und 2000nm groß sein, bevorzugt 257nm oder 343nm oder 515nm oder 1030nm groß ist und/oder der Pulsabstand kann kleiner als 100ps, bevorzugt kleiner als 10ps sein und/oder die Pulsdauer kann kleiner als 10ps sein, bevorzugt kleiner als 1 ps sein.The wavelength of the laser pulses can be between 200 nm and 2000 nm, preferably 257 nm or 343 nm or 515 nm or 1030 nm and/or the pulse interval can be less than 100 ps, preferably less than 10 ps and/or the pulse duration can be less than 10 ps, preferably be less than 1 ps.
Die Vorrichtung ist demnach unabhängig von der Wellenlänge besonders gut zum Bearbeiten eines Werkstücks geeignet. Je nach gegebener Wellenlänge kann es hierbei jedoch erforderlich sein die optischen Elemente der Vorrichtung der Wellenlänge der Laserpulse entsprechend anzupassen.The device is therefore particularly well suited for processing a workpiece, regardless of the wavelength. Depending on the given wavelength, however, it may be necessary to adapt the optical elements of the device to the wavelength of the laser pulses.
Ein geometrisches Phasenelement lenkt einen einfallenden Laserstrahl in Abhängigkeit von der Eingangspolarisation des Laserstrahls ab, wobei die Polarisation des Laserstrahls erhalten bleibt. Geometrische Phasenelemente werden hierbei insbesondere in Sakakura, M., Lei, Y., Wang, L. et al. „Ultralow-loss geometric phase and polarization shaping by ultrafast laser writing in silica glass“ Light Sci. Appl. Vol. 9, 15 (2020) beschrieben. Geometrische Phasenelemente nutzen aus, dass eine einfallende Lichtwelle auch durch einen anderen Parameter als die optische Weglänge durch das optische Element - wie das beispielsweise bei einer Linse der Fall ist - manipuliert werden kann. Zu diesem Zweck wird zur Herstellung eines geometrischen Phasenelements in ein Trägermaterial eine doppelbrechende Struktur eingebracht. Die doppelbrechende Struktur erlaubt es hierbei eine polarisationsabhängige Brechung der einfallenden Lichtwelle vorzunehmen, wobei insbesondere über die Form der doppelbrechenden Struktur die Form der durch das geometrische Phasenelement abgelenkten Lichtwelle beeinflusst werden kann.A geometric phase element deflects an incident laser beam depending on the input polarization of the laser beam, while maintaining the polarization of the laser beam. Geometric phase elements are discussed in particular in Sakakura, M., Lei, Y., Wang, L. et al. "Ultralow-loss geometric phase and polarization shaping by ultrafast laser writing in silica glass" Light Sci. appl. Vol. 9, 15 (2020). Geometric phase elements make use of the fact that an incident light wave can also be manipulated by a parameter other than the optical path length through the optical element—as is the case, for example, with a lens. For this purpose, a birefringent structure is introduced into a carrier material to produce a geometric phase element. The birefringent structure makes it possible to carry out a polarization-dependent refraction of the incident light wave, it being possible in particular to influence the shape of the light wave deflected by the geometric phase element via the shape of the birefringent structure.
Unter Doppelbrechung wird die Fähigkeit eines optischen Materials verstanden, den einfallenden Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen zu trennen. Dies geschieht aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes des optischen Materials in Abhängigkeit von der Polarisation und dem Einfallswinkel des Lichts relativ zur optischen Achse des optischen Materials.Birefringence is the ability of an optical material to separate the incident laser beam into two partial laser beams that are polarized perpendicularly to one another. This occurs due to different refractive indices of the optical material depending on the polarization and the angle of incidence of the light relative to the optical axis of the optical material.
Im Sinne dieser Anmeldung werden unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen linear polarisierte Teillaserstrahlen verstanden, deren Polarisationsrichtungen und einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sind. Unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen werden aber auch zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn verstanden, d.h. zwei links bzw. rechts zirkular polarisierte Teillaserstrahlen. Die Umwandlung von linear polarisierten Teillaserstrahlen mit senkrecht zueinander ausgerichteten Polarisationsrichtungen in zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn kann z.B. mit Hilfe einer geeignet orientierten Verzögerungsplatte (λ/4-Platte) erfolgen (siehe weiter unten).Within the meaning of this application, partial laser beams polarized perpendicularly to one another are understood to mean linearly polarized partial laser beams whose directions of polarization are aligned at an angle of 90° to one another. However, partial laser beams polarized perpendicularly to one another are also understood to mean circularly polarized partial laser beams with opposite directions of rotation, i.e. two partial laser beams circularly polarized to the left and right. The conversion of linearly polarized partial laser beams with polarization directions aligned perpendicularly to one another into circularly polarized partial laser beams with the opposite sense of rotation can be carried out, for example, with the aid of a suitably oriented retardation plate (λ/4 plate) (see below).
Ein geometrisches Phasenelement kann hierbei theoretisch höhere Effizienzen erreichen als klassische diffraktive Strahlformer, so dass besonders viel Laserleistung durch das geometrische Phasenelement transmittiert wird.A geometric phase element can theoretically achieve higher efficiencies than classic diffractive beam shapers, so that a particularly large amount of laser power is transmitted through the geometric phase element.
Beispielsweise ist es mit einem geometrischen Phasenelement möglich einen rechtzirkular polarisierten Laserstrahl in +XGP Richtung abzulenken, während dasselbe geometrische Phasenelement einen linkszirkular polarisierten Laserstrahl in -XGP Richtung ablenkt. Die Polarisation wird hierbei beim Durchgang durch das geometrische Phasenelement nicht geändert. Beispielsweise ist es mit der Abbildungsoptik (siehe unten) auch möglich, die transversale Ablenkung in verschiedene Fokustiefen, also eine laterale Ablenkung, zu übersetzen.For example, it is possible with a geometric phase element to deflect a right circularly polarized laser beam in the +X GP direction, while the same geometric phase element deflects a left circularly polarized laser beam in the -X GP direction. In this case, the polarization is not changed when passing through the geometric phase element. For example, it is also possible with the imaging optics (see below) to translate the transverse deflection into different focal depths, i.e. a lateral deflection.
Es ist weiter möglich, dass die Strahlablenkung eine Winkelablenkung ist, so dass dem Laserstrahl beim Durchlaufen des geometrischen Phasenelements ein Winkel αGP relativ zur optischen Achse der Vorrichtung aufgeprägt wird, unter dem der Laserstrahl nach dem Durchlaufen des geometrischen Phasenelements weiter propagiert. Es ist ebenso möglich, dass das geometrische Phasenelement lediglich einen Parallelversatz des Laserstrahls bewirkt, so dass der Laserstrahl nach Durchlaufen des geometrischen Phasenelements zwar nicht mehr auf der optischen Achse propagiert, sondern parallel zur optischen Achse versetzt ist. Insbesondere bedeutet parallel versetzt hierbei, dass der Laserstrahl nach dem geometrischen Phasenelement keinen Winkel α mit der optischen Achse einschließt.It is also possible for the beam deflection to be an angular deflection, so that when the laser beam passes through the geometric phase element, an angle α GP is imposed relative to the optical axis of the device, at which angle the laser beam continues to propagate after passing through the geometric phase element. It is also possible that the geometric phase element causes only a parallel offset of the laser beam, so that the laser beam no longer propagates on the optical axis after passing through the geometric phase element, but is offset parallel to the optical axis. In particular, offset in parallel means here that the laser beam does not enclose an angle α with the optical axis after the geometric phase element.
Die Beschreibung der Ablenkungen bezieht sich hier und im Folgenden insbesondere auf die Ablenkung der Fokuszone des Laserstrahls in der Fokusebene der Abbildungsoptik (siehe unten). Die Ablenkung ±XGP kann unabhängig davon erreicht werden, ob das geometrische Phasenelement einen Parallelversatz des Laserstrahls erzeugt oder ob das geometrische Phasenelement dem Laserstrahl einen Winkel αGP aufprägt. Eine Beschreibung der Ablenkung über eine Ortsablenkung in der Fokusebene umfasst hierbei explizit beide Möglichkeiten.Here and in the following, the description of the deflections relates in particular to the deflection of the focal zone of the laser beam in the focal plane of the imaging optics (see below). The deflection ±X GP can be achieved regardless of whether the geometric phase element produces a parallel offset of the laser beam or whether the geometric phase element imposes an angle α GP on the laser beam. A description of the deflection via a spatial deflection in the focal plane explicitly includes both possibilities.
Es ist weiter möglich mit dem geometrischen Phasenelement eine Strahlteilung vorzunehmen. Wenn ein Laserstrahl zwei Polarisationskomponenten aufweist (beziehungsweise der Laserstrahl in die Basispolarisationskomponenten des geometrischen Phasenelements zerlegt wird), dann erfährt jede Basispolarisationskomponente des Laserstrahls eine entsprechende Ablenkung. Beispielsweise kann ein zirkular polarisierter Laserstrahl in einen s-polarisierten Teillaserstrahl und einen p-polarisierten Teillaserstrahl aufgespalten werden, wobei der s-polarisierte Laserstrahl nach +XGP und der p-polarisierte Laserstrahl nach -XGP abgelenkt wird.It is also possible to split the beam with the geometric phase element. If a laser beam has two polarization components (or the laser beam is broken down into the basic polarization components of the geometric phase element), then each basic polarization component of the laser beam experiences a corresponding deflection. For example, a circularly polarized laser beam can be split into an s-polarized partial laser beam and a p-polarized partial laser beam, the s-polarized laser beam being deflected to +X GP and the p-polarized laser beam to -X GP .
Zudem ist es möglich durch das geometrische Phasenelement eine Strahlformung vorzunehmen. Beispielsweise in dem aus einem gegebenen Intensitätsverlauf des Laserstrahls gewisse Polarisationen herausgefiltert beziehungswiese abgelenkt werden.In addition, it is possible to shape the beam using the geometric phase element. For example, certain polarizations are filtered out or deflected from a given intensity profile of the laser beam.
Aufeinanderfolgende Laserpulse können unterschiedliche, bevorzugt orthogonale Polarisationen aufweisen oder die Laserpulse können paarweise orthogonale Polarisationen aufweisen.Successive laser pulses can have different, preferably orthogonal, polarizations or the laser pulses can have orthogonal polarizations in pairs.
Die Polarisationen der Laserpulse sind hierbei paarweise orthogonal, wenn zwei aufeinanderfolgende Laserpulse orthogonal zueinander polarisiert sind. Beispielsweise ist ein erster Laserpuls s-polarisiert und ein zweiter Laserpuls p-polarisiert oder umgekehrt.The polarizations of the laser pulses are orthogonal in pairs if two consecutive laser pulses are polarized orthogonally to one another. For example, a first laser pulse is s-polarized and a second laser pulse is p-polarized, or vice versa.
Eine Abbildungsoptik ist dazu eingerichtet die Teillaserstrahlen in das Werkstück einzubringen, wodurch das Werkstück bearbeitet wird. Insbesondere werden die Teillaserstrahlen in eine jeweilige Fokuszone fokussiert. Die Fokuszonen liegen hierbei in der sogenannten Fokusebene. Eine Abbildungsoptik kann hierbei beispielsweise ein Spiegelsystem oder ein Linsensystem umfassen. Die Abbildungsoptik kann ferner ein Teleskopsystem umfassen, beispielsweise ein Relay-Teleskop. Die Abbildungsoptik überführt hierbei die Laserstrahlen in eine jeweilige Fokuszone.An imaging optic is set up to introduce the partial laser beams into the workpiece, as a result of which the workpiece is machined. In particular, the partial laser beams are focused in a respective focal zone. The focal zones are in the so-called focal plane. In this case, imaging optics can include, for example, a mirror system or a lens system. The imaging optics can also include a telescope system, for example a relay telescope. The imaging optics transfer the laser beams into a respective focal zone.
Das geometrische Phasenelement kann hierbei insbesondere im Fernfeld der Abbildungsoptik angeordnet sein. Somit ist der Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück weitgehend über eine Winkel-zu-Orts-Transformation mit dem Strahlformungsbereich verknüpft. Beispielsweise kann sich das Element direkt vor der Abbildungsoptik befinden.In this case, the geometric phase element can be arranged in particular in the far field of the imaging optics. Thus, the machining area on the workpiece is largely linked to the beam shaping area via an angle-to-space transformation. For example, the element can be located directly in front of the imaging optics.
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. Es ist insbesondere Möglich durch die Materialbearbeitung das Material entlang einer Trennlinie zu trennen.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 that processing consists of bringing about material modifications in the material. In particular, it is possible to separate the material along a dividing line by processing the material.
Hierfür kann die Vorrichtung eine Vorschubvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist das Werkstück und das Laserfeld relativ zueinander mit einem Vorschub entlang einer Trajektorie zu bewegen.For this purpose, the device can have a feed device which is set up to move the workpiece and the laser field relative to one another with a feed along a trajectory.
Die Materialmodifikationen werden entlang einer Trajektorie in das Material eines Werkstücks eingebracht. Die Trajektorie beschreibt hierbei die Auftrefflinie des Laserfeldes 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.The material modifications are introduced into the material of a workpiece along a trajectory. The trajectory describes the line of impact of the laser field 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.
Die Vorrichtung kann hierfür beispielsweise eine Scanner-Einheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist das Laserfeld über das Werkstück zu scannen, wobei der Scanner bevorzugt ein Galvano-Scanner ist. Insbesondere erlaubt ein Galvano-Scanner eine genaue und schnelle Positionierung des Laserfeldes über dem Werkstück.For this purpose, the device can have a scanner unit, for example, which is set up to scan the laser field over the workpiece, the scanner preferably being a galvanic scanner. esp In particular, a galvanic scanner allows the laser field to be positioned precisely and quickly over the workpiece.
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 des Werkstücks 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 isotropic type I refractive index changes are attributed to localized melting by the laser pulses and rapid resolidification of the transparent material of the workpiece. 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 an area of lower 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.
Es ist aber auch möglich mit der Vorrichtung opake Materialien wie beispielsweise Metalle oder Bleche zu bearbeiten, insbesondere zu schneiden. Hierbei wird durch die hochenergetische Anregung des Materials des Werkstücks Material verdampft und abgetragen.However, it is also possible to use the device to process, in particular to cut, opaque materials such as metals or sheet metal. Here, material is vaporized and removed by the high-energy excitation of the material of the workpiece.
Ein Polarisationsaufspalter kann dazu eingerichtet sein, den einfallenden Laserstrahl in zwei Teillaserstrahlen aufzuspalten, wobei die zwei Teillaserstrahlen eine orthogonale Ausgangspolarisation aufweisen.A polarization splitter can be set up to split the incident laser beam into two partial laser beams, with the two partial laser beams having an orthogonal output polarization.
Ein Polarisationsaufspalter ermöglicht es einen einfallenden Laserstrahl in seine linearen Polarisationskomponenten zu zerlegen und die jeweiligen Polarisationskomponenten räumlich zu separieren. Solche Polarisationsaufspalter beruhen typischerweise ebenfalls auf einer Doppelbrechung des Laserstrahls.A polarization splitter makes it possible to split an incident laser beam into its linear polarization components and to spatially separate the respective polarization components. Such polarization splitters are typically also based on birefringence of the laser beam.
Die vom Polarisationsaufspalter nach Polarisationskomponenten zerlegten auslaufenden Laserstrahlen können ebenfalls einen Winkelversatz und/oder einen Ortsversatz zueinander aufweisen. Auch dies lässt sich mit der Anisotropie der Brechungsindizes für verschiedene Polarisationsrichtungen des optischen Materials des Polarisationselements begründen.The outgoing laser beams broken down into polarization components by the polarization splitter can also have an angular offset and/or a spatial offset in relation to one another. This also allows are due to the anisotropy of the refractive indices for different polarization directions of the optical material of the polarization element.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen nach Durchlauf durch den Polarisationsaufspalter einen Winkelversatz aufweisen. Dies bedeutet, dass der Teillaserstrahl mit einer ersten Polarisation hinter dem Polarisationsaufspalter nicht parallel zum Teillaserstrahl mit einer zweiten Polarisation verläuft. For example, the partial laser beams can have an angular offset after passing through the polarization splitter. This means that the partial laser beam with a first polarization does not run parallel to the partial laser beam with a second polarization behind the polarization splitter.
Zur Erzeugung des Winkelversatzes (ohne Ortsversatz) kann der Polarisationsaufspalter eine Strahlaustrittsfläche aufweisen, die unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche geneigt ist. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise parallel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Die beiden Teillaserstrahlen treten in diesem Fall an der Strahlaustrittsfläche an demselben Ort und mit einem definierten Winkelversatz aus dem doppelbrechenden Kristall aus.In order to generate the angular offset (without spatial offset), the polarization splitter can have a beam exit surface which is inclined at an angle to the beam entry surface. In this case, the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned parallel to the beam entry surface. In this case, the two partial laser beams exit the beam exit surface at the same location and with a defined angular offset from the birefringent crystal.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen nach Durchlauf durch den Polarisationsaufspalter einen Ortsversatz aufweisen. Dies bedeutet, dass der Teillaserstrahl mit der ersten Polarisation hinter dem doppelbrechenden Polarisationselement parallel zum Teillaserstrahl mit der zweiten Polarisation verläuft. Allerdings sind beide Teillaserstrahlen parallel zueinander verschoben, sodass es einen endlichen Abstand zwischen beiden Teillaserstrahlen gibt.For example, the partial laser beams can have a spatial offset after passing through the polarization splitter. This means that the partial laser beam with the first polarization runs parallel to the partial laser beam with the second polarization behind the birefringent polarization element. However, both partial laser beams are shifted parallel to each other, so that there is a finite distance between the two partial laser beams.
Zur Erzeugung des Ortsversatzes (ohne Winkelversatz) kann der Polarisationsaufspalter beispielsweise parallel ausgerichtete, in der Regel plane Strahleintritts- und Strahlaustrittsflächen aufweisen. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Trifft der Laserstrahl senkrecht auf die Strahleintrittsfläche, wird an der Strahlaustrittsfläche ein reiner Ortsversatz erzeugt.In order to generate the spatial offset (without angular offset), the polarization splitter can have, for example, beam entrance and beam exit surfaces that are aligned parallel and are generally planar. In this case, the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned at an angle to the beam entry surface. If the laser beam hits the beam entry surface perpendicularly, a pure spatial displacement is generated on the beam exit surface.
Die Abstände der einzelnen Teillaserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation können über das Polarisationselement festgelegt werden, beispielsweise bei der Herstellung oder durch Orientierung der optischen Achse des Kristalls zum einfallenden Laserstrahl.The distances between the individual partial laser beams with different polarization can be defined via the polarization element, for example during production or by orienting the optical axis of the crystal to the incident laser beam.
Beispielsweise kann ein Polarisationsaufspalter einen ersten Teillaserstrahl nicht ablenken und einen zweiten Teillaserstrahl ablenken. Dementsprechend würde der erste Teillaserstrahl weiterhin auf der optischen Achse propagieren, der zweite Teillaserstrahl jedoch nicht. Es ist auch möglich, dass beide Teillaserstrahlen in entgegengesetzte Richtungen ±XP abgelenkt werden. Es ist auch möglich, dass beide Teillaserstrahlen in dieselbe Richtung aber unterschiedlich stark abgelenkt werden. Die Ablenkung der Teillaserstrahlen bezieht sich hierbei - genau wie beim geometrischen Phasenelement - auf die Ablenkung der Fokuszonen in der Fokusebene. Eine Ablenkung ±XP kann hierbei somit erzeugt werden, indem der Teillaserstrahl einen Winkel αP relativ zur optischen Achse aufgeprägt bekommt. Eine solche Ablenkung kann aber auch erreicht werden indem der Teillaserstrahl lediglich einen Parallelversatz beim Durchgang durch den Polarisationsaufspalter aufgeprägt bekommt.For example, a polarization splitter cannot deflect a first partial laser beam and deflect a second partial laser beam. Accordingly, the first partial laser beam would continue to propagate on the optical axis, but not the second partial laser beam. It is also possible that both partial laser beams are deflected in opposite directions ±X P . It is also possible that both partial laser beams are deflected in the same direction but to different extents. The deflection of the partial laser beams relates here - exactly as in the case of the geometric phase element - to the deflection of the focal zones in the focal plane. A deflection ±X P can thus be generated in this case in that the partial laser beam is given an angle α P relative to the optical axis. However, such a deflection can also be achieved in that the partial laser beam is merely subjected to a parallel offset as it passes through the polarization splitter.
Beispielsweise kann ein linkszirkular polarisierter Laserstrahl in seine Polarisationskomponenten aufgespaltet werden, wobei der p-polarisierte Teillaserstrahl ohne Beschränkung der Allgemeinheit nach ±XP abgelenkt wird und der s-polarisierte Teillaserstrahl nach -XP abgelenkt wird. For example, a left circularly polarized laser beam can be split into its polarization components, with the p-polarized partial laser beam being deflected to ±X P , without loss of generality, and the s-polarized partial laser beam being deflected to −X P .
Beispielsweise kann ein linear unter 45° polarisierter Laserstrahl in seine Polarisationskomponenten aufgespaltet werden, wobei der p-polarisierte Teillaserstrahl nach +YP abgelenkt wird und der s-polarisierte Teillaserstrahl nach -YP abgelenkt wird.For example, a laser beam linearly polarized at 45° can be split into its polarization components, with the p-polarized partial laser beam being deflected to + YP and the s-polarized partial laser beam being deflected to -YP .
Insbesondere kann die Vorrichtung eine A/4-Platte aufweisen, die dazu eingerichtet ist eine zirkulare Polarisation des einfallenden Laserstrahls in eine lineare Polarisation beziehungsweise eine lineare Polarisation in eine zirkulare Polarisation zu überführen, wobei die λ/4-Platte in Strahlausbreitungsrichtung vor dem geometrischen Phasenelement oder nach dem Polarisationsaufspalter angeordnet ist.In particular, the device can have a λ/4 plate which is set up to convert a circular polarization of the incident laser beam into a linear polarization or a linear polarization into a circular polarization, the λ/4 plate being in front of the geometric phase element in the direction of beam propagation or after the polarization splitter.
Dadurch ist es möglich aus einem s- oder p-polarisierten Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers ein rechtszirkular oder linkszirkular polarisierter Laserstrahl zu erzeugen, der anschließend durch das geometrische Phasenelement entsprechend der zirkularen Polarisation abgelenkt wird.This makes it possible to generate a right-hand circularly or left-hand circularly polarized laser beam from an s- or p-polarized laser beam of an ultrashort pulse laser, which is then deflected by the geometric phase element according to the circular polarization.
Es ist aber auch möglich aus den aufgespalteten s-polarisierten oder p-polarisierten Teillaserstrahlen, die beim Durchlauf des Polarisationsaufspalters entstehen, rechtszirkular und linkszirkular polarisierte Teillaserstrahlen zu formen.However, it is also possible to form right-hand circularly and left-hand circularly polarized partial laser beams from the split s-polarized or p-polarized partial laser beams that arise when passing through the polarization splitter.
Insbesondere ermöglicht das Verwenden einer λ/4 Platte eine Flexibilität bei der Ausgestaltung der Vorrichtung. Insbesondere kann hierbei aber auch eine Polarisationsabhängigkeit der Materialbearbeitung berücksichtigt werden, so dass das Werkstück mit besonders hoher Qualität bearbeitet werden kann.In particular, using a λ/4 plate allows flexibility in the design of the device. In particular, however, a polarization dependency of the material processing can also be taken into account here, so that the workpiece can be processed with particularly high quality.
Der Polarisationsaufspalter kann in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem geometrischen Phasenelement angeordnet werden. Dies bewirkt, dass der Laserstrahl zunächst durch das geometrische Phasenelement abgelenkt wird und zusätzlich zu dieser Ablenkung eine Stahlablenkung und Aufspaltung durch den Polarisationsaufspalter entsteht. Es ist aber auch möglich, dass der Polarisationsaufspalter in Strahlausbreitungsrichtung vor dem geometrischen Phasenelement angeordnet wird. Dann wird bewirkt, dass der Laserstrahl zunächst durch den Polarisationsaufspalter eine Strahlablenkung und Aufspaltung erfährt und anschließend eine Ablenkung durch das geometrische Phasenelement erfährt.The polarization splitter can be arranged behind the geometric phase element in the beam propagation direction. This has the effect that the laser beam is first deflected by the geometric phase element and, in addition to this deflection, a beam deflection and splitting occurs through the polarization splitter. However, it is also possible for the polarization splitter to be arranged in front of the geometric phase element in the beam propagation direction. The laser beam is then caused to first undergo beam deflection and splitting by the polarization splitter and then undergo deflection by the geometric phase element.
Die Strahlablenkung des Polarisationsaufspalters kann hierbei senkrecht oder parallel zur Strahlablenkung des geometrischen Phasenelements erfolgen. Es können aber auch beliebige Winkel zwischen den Ablenkungen eingestellt werden.The beam deflection of the polarization splitter can take place perpendicularly or parallel to the beam deflection of the geometric phase element. However, any angle between the deflections can also be set.
Beispielsweise kann ein rechtszirkularer Laserstrahl von dem geometrischen Phasenelement nach +XGP abgelenkt werden. Der abgelenkte Laserstrahl wird anschließend von dem Polarisationsaufspalter in einen p-polarisierten Teillaserstrahl und einen s-polarisierten Teillaserstrahl aufgespalten, wobei der Polarisationsaufspalter den p-polarisierten Teillaserstrahl zusätzlich nach ±XP und den s-polarisierten Teillaserstrahl nach -XP parallel ablenkt. Der rechtszirkular polarisierte Laserstrahl wird durch das geometrische Phasenelement und den Polarisationsaufspalter demensprechend insgesamt in Vektorschreibweise nach (+XGP + XP, 0)P und (+XGP - XP, 0)S in seine Polarisationskomponenten aufgespalten und abgelenkt. Der Index beschreibt hierbei die Polarisation des Teillaserstrahls.For example, a right circular laser beam can be deflected by the geometric phase element to +X GP . The deflected laser beam is then split by the polarization splitter into a p-polarized partial laser beam and an s-polarized partial laser beam, with the polarization splitter additionally deflecting the p-polarized partial laser beam to ±X P and the s-polarized partial laser beam to -X P in parallel. The right-hand circularly polarized laser beam is split into its polarization components and deflected by the geometric phase element and the polarization splitter in vector notation according to (+X GP +X P ,0) P and (+X GP -X P ,0) S . The index describes the polarization of the partial laser beam.
Beispielsweise kann ein linkszirkularer Laserstrahl von dem geometrischen Phasenelement nach -XGP abgelenkt werden. Der abgelenkte Laserstrahl wird anschließend von dem Polarisationsaufspalter in einen p-polarisierten Teillaserstrahl und einen s-polarisierten Teillaserstrahl aufgespalten, wobei der Polarisationsaufspalter den p-polarisierten Teillaserstrahl zusätzlich nach ±XP und den s-polarisierten Teillaserstrahl nach -XP parallel ablenkt. Der linkszirkular polarisierte Laserstrahl wird durch das geometrische Phasenelement und den Polarisationsaufspalter demensprechend insgesamt in Vektorschreibweise nach (-XGP - XP, 0)S und (-XGP + XP, 0)P in seine Polarisationskomponenten aufgespalten und abgelenkt.For example, a left-hand circular laser beam can be deflected by the geometric phase element to -X GP . The deflected laser beam is then split by the polarization splitter into a p-polarized partial laser beam and an s-polarized partial laser beam, with the polarization splitter additionally deflecting the p-polarized partial laser beam to ±X P and the s-polarized partial laser beam to -X P in parallel. The left-hand circularly polarized laser beam is split and deflected into its polarization components by the geometric phase element and the polarization splitter in vector notation according to (-X GP -X P ,0) S and (-X GP +X P ,0) P .
Beispielsweise kann ein rechtszirkularer Laserstrahl von dem geometrischen Phasenelement nach +XGP abgelenkt werden. Der abgelenkte Laserstrahl wird anschließend von dem Polarisationsaufspalter in einen p-polarisierten Teillaserstrahl und einen s-polarisierten Teillaserstrahl aufgespalten, wobei der Polarisationsaufspalter den p-polarisierten Teillaserstrahl zusätzlich nach +YP und den s-polarisierten Teillaserstrahl nach -YP senkrecht ablenkt. Der rechtszirkular polarisierte Laserstrahl wird durch das geometrische Phasenelement und den Polarisationsaufspalter demensprechend insgesamt in Vektorschreibweise nach (+XGP + YP)P und (+XGP, - YP)S in seine Polarisationskomponenten aufgespalten und abgelenkt.For example, a right circular laser beam can be deflected by the geometric phase element to +X GP . The deflected laser beam is then split by the polarization splitter into a p-polarized partial laser beam and an s-polarized partial laser beam, with the polarization splitter additionally deflecting the p-polarized partial laser beam to + YP and the s-polarized partial laser beam to -YP . The right-hand circularly polarized laser beam is split into its polarization components and deflected by the geometric phase element and the polarization splitter in total in vector notation according to (+X GP + Y P ) P and (+X GP , - Y P ) S .
Beispielsweise kann ein linkszirkularer Laserstrahl von dem geometrischen Phasenelement nach -XGP abgelenkt werden. Der abgelenkte Laserstrahl wird anschließend von dem Polarisationsaufspalter in einen p-polarisierten Teillaserstrahl und einen s-polarisierten Teillaserstrahl aufgespalten, wobei der Polarisationsaufspalter den p-polarisierten Teillaserstrahl zusätzlich nach +YP und den s-polarisierten Teillaserstrahl nach -YP senkrecht ablenkt. Der linkszirkular polarisierte Laserstrahl wird durch das geometrische Phasenelement und den Polarisationsaufspalter insgesamt in Vektorschreibweise nach (-XGP, -YP)S und (-XGP, +YP)P in seine Polarisationskomponenten aufgespalten und abgelenkt.For example, a left-hand circular laser beam can be deflected by the geometric phase element to -X GP . The deflected laser beam is then split by the polarization splitter into a p-polarized partial laser beam and an s-polarized partial laser beam, with the polarization splitter additionally deflecting the p-polarized partial laser beam to + YP and the s-polarized partial laser beam to -YP . The left-hand circularly polarized laser beam is split into its polarization components and deflected by the geometric phase element and the polarization splitter in vector notation according to (-X GP , -YP ) S and (-X GP , + YP ) P .
Durch das Aufteilen des Laserstrahls in zwei orthogonal zueinander polarisierte s- und p-Komponenten können die Fokuszonen der beiden Teillaserstrahlen nahe beieinander platziert werden, ohne dass es in den benachbarten Fokuszonen zu unerwünschten Interferenzen kommt. Dadurch kann das Werkstück besonders hochwertig bearbeitet werden.By splitting the laser beam into two mutually orthogonally polarized s and p components, the focal zones of the two partial laser beams can be placed close to one another without undesired interference occurring in the adjacent focal zones. As a result, the workpiece can be processed with particularly high quality.
Die Vorrichtung kann eine Strahlformungsvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist die einfallenden Teillaserstrahlen in eine Mehrzahl von Teilteillaserstrahlen aufzuteilen, wobei die Strahlformungsvorrichtung in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem Polarisationsaufspalter angeordnet ist.The device can have a beam shaping device which is set up to split the incident partial laser beams into a plurality of partial partial laser beams, the beam shaping device being arranged behind the polarization splitter in the beam propagation direction.
Eine Strahlformungsvorrichtung kann beispielsweise ein diffraktives optisches Element sein. 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 beispielsweise zur Herstellung eines bestimmten nicht-beugenden Laserstrahls aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Ein diffraktives optisches Element kann auch dazu geeignet sein einen einfallenden Laserstrahl in mehrere Teillaserstrahlen aufzuspalten. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird.A beam-shaping device can be a diffractive optical element, for example. A diffractive optical element is set up to focus the incident laser beam in two spatial dimensions affect one or more properties. A diffractive optical element is a fixed component that can be used, for example, to produce a specific non-diffracting laser beam from the incident laser beam. A diffractive optical element can also be suitable for splitting an incident laser beam into several partial laser beams. 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.
Hierbei kann über das diffraktive optische Element beispielsweise die Anzahl an Teillaserstrahlen festgelegt werden. Insbesondere kann durch das diffraktive optische Element festgelegt werden, ob die aufgespalteten Teillaserstrahlen einer eindimensionalen Linie oder auf einem zweidimensionalen Gitter liegen.In this case, for example, the number of partial laser beams can be defined via the diffractive optical element. In particular, the diffractive optical element can be used to determine whether the split partial laser beams lie on a one-dimensional line or on a two-dimensional grid.
Die Aufspaltung kann hierbei unabhängig von der Polarisation des Laserstrahls bewirkt werden. Insbesondere bleibt die Polarisation des Laserstrahls beim Durchgang durch das diffraktive optische Element erhalten. Jedoch werden beim Durchgang durch das diffraktive optische Element eventuelle Positionsabweichungen oder Winkelversätze von der optischen Achse, berücksichtigt, so dass eine Aufspaltung und Ablenkung durch das diffraktive optische Element zusätzlich zu einer vorherigen Aufspaltung und Ablenkung bewirkt wird.In this case, the splitting can be effected independently of the polarization of the laser beam. In particular, the polarization of the laser beam is retained as it passes through the diffractive optical element. However, possible positional deviations or angular offsets from the optical axis are taken into account when passing through the diffractive optical element, so that a splitting and deflection by the diffractive optical element is effected in addition to a previous splitting and deflection.
Beispielsweise kann ein diffraktives optisches Element dazu eingerichtet sein einen Laserstrahl in 4 Teillaserstrahl aufzuspalten
Eine solche Aufspaltung findet insbesondere für jeden Teillaserstrahl statt, der durch eine Aufspaltung und Ablenkung durch ein geometrisches Phasenelement und einen Polarisationsaufspalter stammt. Such splitting takes place in particular for each partial laser beam that originates from splitting and deflection by a geometric phase element and a polarization splitter.
Beispielsweise wird ein linkszirkular Laserstrahl durch das geometrische Phasenelement und ein Polarisationsaufspalter nach (-XGP,-YP)S und (-XGP, +YP)P aufgespalten und abgelenkt. Bei einem Durchgang dieser Teillaserstrahlen durch das diffraktive optische Element werden die Teillaserstrahlen auf mehrere Teilteillaserstrahlen aufgespaltet:
Beispielsweise wird ein rechtszirkular polarisierter Laserstrahl durch das geometrische Phasenelement und ein Polarisationsaufspalter nach (+XGP, +YP)P und (+XGP, -YP)S aufgespalten und abgelenkt. Bei einem Durchgang dieser Teillaserstrahlen durch das diffraktive optische Element werden die Teillaserstrahlen auf mehrere Teilteillaserstrahlen aufgespaltet:
Insgesamt werden durch die obige Anordnung demnach acht s- beziehungsweise p-polarisierte Teilteillaserstrahlen aus einem zirkular polarisierten Laserstrahl erzeugt. Es ist demnach möglich durch die Wahl von geometrischem Phasenelement, Polarisationsaufspalter und Strahlformungsvorrichtung ein definiertes Laserfeld durch die Abbildungsoptik zu erzeugen, wobei die Polarisation des Laserfeldes lokal eingestellt werden kann.A total of eight s- or p-polarized partial laser beams are therefore generated from a circularly polarized laser beam by the above arrangement. It is therefore possible to generate a defined laser field through the imaging optics by selecting the geometric phase element, polarization splitter and beam shaping device, with the polarization of the laser field being able to be adjusted locally.
Insbesondere kann durch die Wahl des geometrischen Phasenelements, des Polarisationsaufspalters und des diffraktiven optischen Elements realisiert werden, dass benachbarte Teilteillaserstrahlen zueinander orthogonale Polarisation aufweisen. Dadurch kann ermöglich werden, dass die Teilteillaserstrahlen besonders nahe beieinander in das Material des Werkstücks eingebracht werden können, wobei eine Interferenz der Teilteillaserstrahlen vermieden werden kann. Dadurch kann in der Fokusebene der Abbildungsoptik eine besonders hohe Dichte an Fokuszonen erzeugt werden.In particular, by selecting the geometric phase element, the polarization splitter and the diffractive optical element, it can be realized that adjacent partial partial laser beams have mutually orthogonal polarization. This can make it possible for the partial partial laser beams to be introduced into the material of the workpiece particularly close to one another, with interference of the partial partial laser beams being able to be avoided. As a result, a particularly high density of focal zones can be generated in the focal plane of the imaging optics.
Eine Strahlformungsvorrichtung kann jedoch auch noch weitere Vorteile aufweisen. Insbesondere kann eine Strahlformungsvorrichtung aus jedem Teilteillaserstrahl in einen nicht-beugenden Strahl formen. 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.However, a beam shaping device can also have other advantages. In particular, a beam shaping device can shape each partial laser beam into a non-diffracting beam. 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. Beispielsweise 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. For example, a material modification that is elongated in the beam propagation direction can be produced in this way.
Es ist aber auch möglich, dass die Strahlformungsvorrichtung für die verschiedenen Teilteillaserstrahlen in in Strahlausbreitungsrichtung unterschiedlich tiefe Fokuszonen einbringt. Beispielsweise kann dadurch die Fokusebene insgesamt gekippt sein. Mit anderen Worten steht die optische Achse der Vorrichtung unter einem Winkel zur Flächennormalen der Fokusebene. Beispielsweise können dadurch sogenannte Chamfer Strahlen erzeugt werden mit denen die Kanten eines Werkstücks abgefast werden können.However, it is also possible for the beam-shaping device to introduce the different partial partial laser beams into focal zones of different depths in the direction of beam propagation. For example, the focal plane can be tilted overall as a result. In other words, the optical axis of the device is at an angle to the surface normal of the focal plane. For example, so-called chamfer beams can be generated with which the edges of a workpiece can be chamfered.
Die Vorrichtung kann eine Pulsverzögerungsvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist den zeitlichen Versatz der Laserpulse variabel einzustellen.The device can have a pulse delay device which is set up to variably set the time offset of the laser pulses.
Der zeitliche Versatz ist hierbei die Zeit die verstreicht, bis zwei aufeinanderfolgende Laserpulse in das Material eingebracht werden.The time offset is the time that elapses before two consecutive laser pulses are introduced into the material.
Die Pulsverzögerungsvorrichtung kann beispielsweise durch einen oder mehrere doppelbrechende Kristalle realisiert werden. Der doppelbrechende Kristall weist hierbei unterschiedliche Brechungsindizes für verschiedene Polarisationsrichtungen auf, die beim Durchlaufen des doppelbrechenden Kristalls in einen Gangunterschied übersetzt werden, wobei der Gangunterschied von der Dicke des doppelbrechenden Kristalls abhängt. Der Gangunterschied kann hierbei insbesondere größer als die Pulsdauer sein, so dass eine Aufspaltung des einlaufenden Laserpulses in zwei auslaufende Laserpulse mit orthogonaler Polarisation erfolgt. Das beschriebene Verfahren ist beispielsweise beschrieben in Fraggelakis et al. „Double- and Multi-Femtosecond Pulses Produced by Birefringent Crystals for the Generation of 2D Laser-Induced Structures on a Stainless Steel Surface“, Materials, 12(8), 1257 (2019).The pulse delay device can be implemented, for example, by one or more birefringent crystals. In this case, the birefringent crystal has different refractive indices for different directions of polarization, which are translated into a path difference when passing through the birefringent crystal, the path difference depending on the thickness of the birefringent crystal. In this case, the path difference can in particular be greater than the pulse duration, so that the incoming laser pulse is split into two outgoing laser pulses with orthogonal polarization. The method described is described, for example, in Fraggelakis et al. "Double- and Multi-Femtosecond Pulses Produced by Birefringent Crystals for the Generation of 2D Laser-Induced Structures on a Stainless Steel Surface," Materials, 12(8), 1257 (2019).
Die Pulsverzögerungsvorrichtung kann beispielsweise auch durch eine Verzögerungsoptik realisiert werden, auf die eine Laserpuls gelenkt wird. Eine Verzögerungsoptik kann hierbei ein Spiegelsystem umfassen, welches den Laserpuls auf eine Verzögerungsstrecke ablenkt und schließlich wieder auf die ursprüngliche Trajektorie des Laserstrahls lenkt.The pulse delay device can also be implemented, for example, by a delay optics onto which a laser pulse is directed. A deceleration optics can include a mirror system, which deflects the laser pulse onto a deceleration path and finally directs it back to the original trajectory of the laser beam.
Soll beispielsweise ein Laserpuls zwischen einem ersten optischen Element und einem zweiten optischen Element verzögert werden, dann kann der Laserpuls nach dem ersten optischen Element durch die Verzögerungsoptik auf die Verzögerungsstrecke gelenkt werden und nach Durchlaufen der Verzögerungsstrecke durch das zweite optische Element gelenkt werden. Der Laserpuls legt auf der Verzögerungsstrecke somit einen längeren Weg zurück, und kommt dementsprechend später beim zweiten optischen Element an, wie wenn der Laserpuls direkt vom ersten optischen Element zum zweiten optischen Element propagiert wäre.For example, if a laser pulse is to be delayed between a first optical element and a second optical element, the laser pulse can be directed after the first optical element through the delay optics onto the delay path and, after passing through the delay path, can be directed through the second optical element. The laser pulse thus covers a longer path on the delay path and accordingly arrives later at the second optical element, as if the laser pulse had propagated directly from the first optical element to the second optical element.
Beispielsweise kann eine Pulsverzögerungsvorrichtung vier optische Elemente aufweisen, wobei beispielsweise alle vier optische Elemente Spiegel sind, die vorzugsweise eine hochreflektive Beschichtung aufweisen. Die vier Spiegel können insgesamt auf den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet sein. Beispielsweise können der erste und der vierte Spiegel zwischen dem oben genannten ersten und zweiten optischen Element stehen. Der erste Spiegel kann demnach nach dem ersten optischen Element den Laserpuls unter einem rechten Winkel zu einem zweiten Spiegel reflektieren. Der zweite Spiegel reflektiert den Laserpuls unter einem rechten Winkel zu einem dritten Spiegel. Der dritte Spiegel reflektiert den Laserpuls unter einem rechten Winkel zu dem vierten Spiegel. Der vierte Spiegel reflektiert den Laserpuls unter einem rechten Winkel zum zweiten optischen Element. Durch die Reflexionen unter einem rechten Winkel ist es so möglich, dass der vierte Spiegel den Laserstrahl auf eine Bahn durch das zweite optische Element lenkt, die der Laserstrahl durchlaufen hätte, wenn er nicht durch die Verzögerungsoptik abgelenkt worden wäre. Schon alleine durch diese Verzögerungsstrecke entsteht eine Pulsverzögerung am zweiten optischen Element.For example, a pulse delay device can have four optical elements, with all four optical elements being mirrors, for example, which preferably have a highly reflective coating. The four mirrors can all be arranged on the corner points of a rectangle. For example, the first and fourth mirrors can stand between the first and second optical elements mentioned above. After the first optical element, the first mirror can therefore reflect the laser pulse at a right angle to a second mirror. The second mirror reflects the laser pulse at right angles to a third mirror. The third mirror reflects the laser pulse at right angles to the fourth mirror. The fourth mirror reflects the laser pulse at right angles to the second optical element. The reflections at a right angle thus allow the fourth mirror to direct the laser beam onto a path through the second optical element which the laser beam would have passed through if it had not been deflected by the deceleration optics. A pulse delay occurs at the second optical element simply because of this delay line.
Insbesondere können aber zwei gegenüberliegende Seiten des Rechtecks, das durch die vier genannten Spiegel gebildet wird, verlängert oder verkürzt werden, so dass die Länge der Verzögerungsstrecke eingestellt werden kann. Typischerweise wird die Strecke zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel, sowie die Strecke zwischen dem dritten und dem vierten Spiegel eingestellt, um die optische Justage der gesamten Vorrichtung möglichst unkritisch zu halten. Die Länge der Verzögerungsstrecke kann beispielsweise mittels schneller Piezo-Aktoren oder durch einen Lineartisch eingestellt werden.In particular, however, two opposite sides of the rectangle formed by the four mirrors mentioned can be lengthened or shortened, so that the length of the delay line can be adjusted. Typically, the distance between the first and the second mirror and the distance between the third and the fourth mirror are adjusted in order to keep the optical adjustment of the entire device as uncritical as possible. The length of the delay line can be set, for example, using fast piezo actuators or a linear table.
Obige beschriebene Pulsverzögerungsvorrichtung erlaubt lediglich das Einstellen der Pulsabstände von nacheinander abgegebenen Laserpulsen. Es ist aber auch möglich mit einer Pulsverzögerungsvorrichtung eine feinere Justage der Pulsverzögerung einzustellen. Hierzu können in obigem Beispiel der erste und der vierte Spiegel durch Strahlteiler ersetzt werden - die im Folgenden - um die Analogie zu obigem Beispiel zu verdeutlichen - der erste und der vierte Strahlteiler genannt werden.The pulse delay device described above only allows the pulse intervals of successively emitted laser pulses to be set. However, it is also possible to set a finer adjustment of the pulse delay using a pulse delay device. For this purpose, in the example above, the first and fourth mirrors can be replaced by beam splitters—which are called the first and fourth beam splitters below—to clarify the analogy to the example above.
Auch hier können wieder der Strahlteiler und der vierte Strahlteiler zwischen dem oben genannten ersten und zweiten optischen Element stehen. Der erste Strahlteiler kann den ankommenden Laserpuls in einen transmittierten Teil und einen reflektierten Teil aufteilen. Der transmittierte Teil wird demnach direkt zu dem vierten Strahlteiler transmittiert. Dort wird der transmittierte Teil erneut in einen transmittierten Teil, der zum zweiten optischen Element geleitet wird, und einen reflektierten Teil, der beispielsweise in eine Strahlfalle geleitet wird, zerlegt.Again, the beam splitter and the fourth beam splitter can be between the first and second optical element mentioned above. The first beam splitter can split the incoming laser pulse into a transmitted part and a reflected part. The transmitted part is therefore transmitted directly to the fourth beam splitter. There, the transmitted part is broken down again into a transmitted part, which is routed to the second optical element, and a reflected part, which is routed into a beam trap, for example.
Der am ersten Strahlteiler reflektierte Teil des Laserpulses wird unter einem rechten Winkel zu dem zweiten Spiegel gelenkt. Der zweite Spiegel reflektiert den Laserpuls unter einem rechten Winkel zu einem dritten Spiegel. Der dritte Spiegel reflektiert den Laserpuls unter einem rechten Winkel zu dem vierten Strahlteiler. Der vierte Strahlteiler teilt den Laserpuls erneut in einen reflektierten Teil und einen transmittierten Teil auf. Der reflektierte Teil wird unter einem rechten Winkel zum zweiten optischen Element geleitet, wobei die Trajektorie des Laserpulses wieder mit der des am ersten Strahlteilers transmittierten Laserpulses zusammenfällt. Der am vierten Strahlteiler transmittierte Teil kann beispielsweise in eine Strahlfalle geleitet werden.The part of the laser pulse reflected at the first beam splitter is directed at a right angle to the second mirror. The second mirror reflects the laser pulse at right angles to a third mirror. The third mirror reflects the laser pulse at right angles to the fourth beam splitter. The fourth beam splitter splits the laser pulse again into a reflected part and a transmitted part. The reflected part is directed at a right angle to the second optical element, the trajectory of the laser pulse again coinciding with that of the laser pulse transmitted at the first beam splitter. The part transmitted at the fourth beam splitter can be guided into a beam trap, for example.
Durch die unterschiedlichen zurückgelegten Strecken weisen die Laserpulse hinter dem vierten Strahlteiler (und vor dem zweiten optischen Element) einen Gangunterschied auf. Der Gangunterschied ist hierbei die Zeitdifferenz der Laserpulse die beim Durchlaufen der Verzögerungsstrecke entsteht. Der Gangunterschied zweier Pulse kann sehr fein eingestellt werden. Insbesondere können zwei Laserpulse auch einen Gangunterschied von null aufweisen, also vollständig überlappen.Due to the different distances covered, the laser pulses have a path difference behind the fourth beam splitter (and before the second optical element). The path difference is the time difference between the laser pulses that occurs when they pass through the delay line. The path difference between two pulses can be adjusted very finely. In particular, two laser pulses can also have a path difference of zero, ie they can completely overlap.
Insgesamt wird durch eine Pulsverzögerungsvorrichtung ein weiterer Freiheitsgrad erzeugt, der es ermöglicht mit der Vorrichtung die Pulsabstände einzustellen. Insbesondere könne so die Laserpulse auch zeitlich dicht in das Werkstück eingebracht werden.Overall, a further degree of freedom is generated by a pulse delay device, which makes it possible to set the pulse intervals with the device. In particular, the laser pulses can also be introduced into the workpiece at close intervals.
Durch die Pulsverzögerungseinrichtung ist es aber auch möglich den Zeitabstand aufeinanderfolgender Pulse entsprechend des Materialbearbeitungsprozesses und der angewandten Laserpulsdauer anzupassen.However, the pulse delay device also makes it possible to adapt the time interval between successive pulses in accordance with the material processing process and the laser pulse duration used.
Unter den aufeinanderfolgenden Laserpulsen können insbesondere Laserpulse verstanden werden, die die unterschiedlichen Pfade der Pulsverzögerungsvorrichtung durchlaufen haben, unabhängig vom tatsächlichen Gangunterschied.The successive laser pulses can be understood to mean, in particular, laser pulses that have passed through the different paths of the pulse delay device, regardless of the actual path difference.
Prinzipiell ist es möglich, dass der erste Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler ist, beispielsweise ein Dünnfilmpolarisator ist. Dementsprechend transmittiert der erste polarisierende Strahlteiler eine erste Polarisationskomponente und reflektiert eine dazu orthogonale Polarisationskomponente. Der reflektierte Laserpuls durchläuft die Verzögerungsstrecke, wohingegen der transmittierte Laserpuls direkt zum vierten Strahlteiler geleitet wird. Am vierten Strahlteiler können die Laserpulse mit den orthogonalen Polarisationen zu einem Laserstrahl wiedervereinigt werden, so dass der Laserstrahl Laserpulse mit unterschiedlichen Polarisationen aufweist.In principle, it is possible for the first beam splitter to be a polarizing beam splitter, for example a thin-film polarizer. Accordingly, the first polarizing beam splitter transmits a first polarization component and reflects a polarization component orthogonal thereto. The reflected laser pulse passes through the delay line, while the transmitted laser pulse is routed directly to the fourth beam splitter. At the fourth beam splitter, the laser pulses with the orthogonal polarizations can be recombined to form a laser beam, so that the laser beam has laser pulses with different polarizations.
Die Pulsverzögerungsvorrichtung kann zur Einstellung der Polarisation der Laserpulse mindestens eine Wellenplatte aufweisen, insbesondere λ/2 Platten und/oder λ/4 Platten.To adjust the polarization of the laser pulses, the pulse delay device can have at least one wave plate, in particular λ/2 plates and/or λ/4 plates.
Eine λ/2 Platte ermöglicht die Drehung der Polarisation eines einfallenden Laserstrahls. Beispielsweise kann eine s-Polarisation in eine p-Polarisation überführt werden. Beispielsweise kann ein rechtszirkularer Laserstrahl in einen linkszirkularen Laserstrahl überführt werden. Mit einer λ/4 Platte kann aus einem linear polarisiertem Laserstrahl ein zirkular polarisierter Laserstrahl erzeugt werden und umgekehrt.A λ/2 plate allows the polarization of an incident laser beam to be rotated. For example, an s-polarization can be converted into a p-polarization. For example, a right-hand circular laser beam can be converted into a left-hand circular laser beam. With a λ/4 plate, a circularly polarized laser beam can be generated from a linearly polarized laser beam and vice versa.
Beispielsweise kann das oben genannte erste optische Element eine λ/2 Platte sein, mit der die Polarisation des einfallenden Laserstrahls so gedreht wird, dass eine bestimmte Aufteilung am ersten polarisierten Strahlteiler erreicht werden kann. Insbesondere kann so erreicht werden, dass der am ersten Strahlteiler reflektierte Teillaserstrahl dieselbe Intensität aufweist wie der transmittierte Teillaserstrahl. Prinzipiell kann aber auch eine andere Leistungsaufteilung der Teillaserstrahlen damit erreicht werden.For example, the first optical element mentioned above can be a λ/2 plate, with which the polarization of the incident laser beam is rotated in such a way that a specific splitting can be achieved at the first polarized beam splitter. In particular, it can be achieved in this way that the partial laser beam reflected at the first beam splitter has the same intensity as the transmitted partial laser beam. In principle, however, a different power distribution of the partial laser beams can also be achieved in this way.
Beispielsweise kann das oben genannte zweite optische Element eine λ/4 Platte sein. Durch die λ/4 Platte können die am vierten Strahlteiler zusammengeführten Laserpulse mit p- beziehungsweise s-Polarisation beispielsweise in rechtszirkulare und linkszirkulare Polarisationen übersetzt werden.For example, the above second optical element can be a λ/4 plate. The λ/4 plate can be used to translate the laser pulses with p or s polarization, which are combined at the fourth beam splitter, into right-hand circular and left-hand circular polarizations, for example.
Durch die Wellenplatten kann somit effektiv die Polarisationseigenschaft der Laserpulse eingestellt werden. Insbesondere kann durch die Pulsverzögerungsvorrichtung mit der Polarisationseinstellung ein komplexer Laserstrahl konstruiert werden, der unterschiedlich polarisierte Laserpulse mit unterschiedlichen Amplituden führt und variablen zeitlichen Abständen führt.The polarization properties of the laser pulses can thus be effectively adjusted by the wave plates. In particular, the pulse delay device with the polarization setting can be used to construct a complex laser beam that guides differently polarized laser pulses with different amplitudes and variable time intervals.
Insbesondere ist die orthogonale Polarisation bei der Verwendung eines geometrischen Phasenelements von besonderer Relevanz, da nur durch eine orthogonale Polarisation ein völliger Wechsel der Position der einzelnen Laserpulse durch das geometrische Phasenelement erfolgt. Sind die Laserpulse nicht orthogonal zueinander polarisiert, kommt es zu einer Überlagerung beider Fälle.In particular, orthogonal polarization is of particular relevance when using a geometric phase element, since only orthogonal polarization causes a complete change in the position of the individual laser pulses through the geometric phase element. If the laser pulses are not polarized orthogonally to one another, the two cases will be superimposed.
Der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Laserpulse kann größer als die Dauer der Laserpulse sein.The time interval between two consecutive laser pulses can be greater than the duration of the laser pulses.
Indem der Gangunterschied zweier aufeinanderfolgender Laserpulse größer ist als die Dauer der Laserpulse, überlappen die Laserpulse zeitlich nicht im Material. Dementsprechend wird die Laserenergie des ersten Pulses zeitlich vor der Laserenergie des zweiten Laserpulses in das Material ein- oder aufgebracht. Dadurch können die verschiedenen Laserpulse nicht miteinander wechselwirken, so dass beispielsweise eine Interferenz der Laserpulse effektiv unterdrückt wird.Since the path difference between two consecutive laser pulses is greater than the duration of the laser pulses, the laser pulses do not overlap in the material. Accordingly, the laser energy of the first pulse is introduced into or applied to the material before the laser energy of the second laser pulse. As a result, the different laser pulses cannot interact with one another, so that interference of the laser pulses, for example, is effectively suppressed.
Typsicherweise sorgt die Interferenz bei zwei in das Material eintretenden Laserpulsen, 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 Laserpulse effektiv unterbunden. Mit anderen Worten wird die Kohärenz der Segmente durch den zeitlichen Gangunterschied gebrochen.Typically, the interference in the case of two laser pulses 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 successive laser pulses. In other words, the coherence of the segments is broken by the temporal path difference.
Der zeitliche Abstand der Laserpulse der benachbarten Teilteillaserstrahlen gleicher Polarisation kann größer sein als die Pulsdauer.The time interval between the laser pulses of the adjacent partial partial laser beams of the same polarization can be greater than the pulse duration.
Benachbarte Teilteillaserstrahlen gleicher Polarisation werden erzeugt, wenn durch die Pulsverzögerungsvorrichtung Laserpulse mit alternierender Polarisation ausgegeben werden.Adjacent partial partial laser beams of the same polarization are generated when laser pulses with alternating polarization are emitted by the pulse delay device.
Beispielsweise wurde oben gezeigt, dass ein rechtszirkular polarisierter Laserstrahl durch das geometrische Phasenelement und den Polarisationsaufspalter nach (+XGP + XP, 0)P und (+XGP - XP, 0)S abgelenkt werden kann. Ein linkszirkular polarisierter Laserstrahl kann hierbei nach (-XGP - XP, 0)S und (-XGP + XP, 0)P abgelenkt werden. Demnach entsteht zwei benachbarte Laserpulse mit gleicher Polarisation: (-XGP + XP, 0)P, (+XGP + XP, 0)P. Diese Laserpulse können beispielsweise miteinander interferieren, wenn der Pulsabstand durch die Pulsverzögerungsvorrichtung kleiner als die Pulsdauer ist. Dies soll hierbei vermieden werden.For example, it was shown above that a right-hand circularly polarized laser beam can be deflected to (+ XGP + XP ,0) P and (+ XGP - XP ,0) S by the geometric phase element and the polarization splitter. A left circularly polarized laser beam can be classified according to (-X GP - X P , 0) S and (-X GP + X P , 0) P are deflected. Accordingly, two adjacent laser pulses with the same polarization are produced: (-X GP + X P , 0) P , (+X GP + X P , 0) P . These laser pulses can interfere with one another, for example, if the pulse spacing due to the pulse delay device is less than the pulse duration. This should be avoided here.
Die Laserpulse werden beispielsweise mit einem zeitlichen Abstand von 2ps während eingebracht während die Pulsdauer der ultrakurzen Laserpulse beispielsweise nur 300fs beträgt. Selbst bei kleinem oder verschwindendem räumlichen Versatz kommt es dadurch zu keiner Interferenz der Laserpulse beziehungsweise der Teilteillaserstrahlen.The laser pulses are introduced, for example, with a time interval of 2 ps while the pulse duration of the ultra-short laser pulses is, for example, only 300 fs. Even with a small or negligible spatial offset, there is no interference of the laser pulses or the partial laser beams.
Das zeitliche Mittel der Intensitätsverteilung der eines Flat-Top Laserstrahls entspricht.The time average of the intensity distribution corresponds to that of a flat-top laser beam.
Insbesondere kann unter dem zeitlichen Mittel die Mittelung über die gesamte Intensität über mindestens die Zeit verstanden werden, die dem Gangunterschied der Laserpulse entspricht. Es ist aber auch möglich die Intensität über einen anderen Zeitraum zu mitteln, beispielsweise über die Zeit die der Laserpuls benötigt, um die Verzögerungsstrecke zurückzulegen.In particular, the mean over time can be understood to mean the averaging over the entire intensity over at least the time that corresponds to the path difference of the laser pulses. However, it is also possible to average the intensity over a different period of time, for example over the time required for the laser pulse to cover the delay path.
Durch die zeitliche Mittelung ist es insbesondere möglich mit den Teilteillaserstrahlen ein komplexeres Intensitätsprofil des Laserstrahls abzubilden. Dies kann insbesondere dann Vorteilhaft sein, wenn die die Prozesse im Material des Werkstücks auf einer größeren Zeitskala ablaufen, als die Dauer der Materialbearbeitung.The averaging over time makes it possible, in particular, to map a more complex intensity profile of the laser beam with the partial partial laser beams. This can be advantageous in particular when the processes in the material of the workpiece take place over a longer time scale than the duration of the material processing.
Wenn beispielsweise 5 Laserpulse in insgesamt 500ps in das Material des Werkstücks eingebracht werden, die für die Materialbearbeitung beziehungsweise der dadurch ausgelöste Prozess im Material über einen Zeitraum von 1µm abklingt, dann erfolgt die Laserpulseinbringung quasi instantan. Trotz zeitlichem Versatz bleibt die Bearbeitungscharakteristik der ultrakurzen Laserpulse hierbei erhalten.If, for example, 5 laser pulses are introduced into the material of the workpiece in a total of 500ps, which decays over a period of 1µm for the material processing or the process triggered by it in the material, then the laser pulses are introduced almost instantaneously. Despite the time offset, the processing characteristics of the ultra-short laser pulses are retained.
Beispielsweise können die verschiedenen Teilteillaserstrahlen, die wegen der Pulsverzögerungsvorrichtung zu verschiedenen Zeiten in das Werkstück eingebracht werden, im Mittel einen Flat-Top Strahlquerschnitt erzeugen. Insbesondere entspricht ein Flat-Top-Strahlprofil einem homogenen und scharf begrenzten Strahlquerschnitt, wobei in dem homogenen Teil des Strahlquerschnitts überall eine gleichhohe Intensität vorliegt, die Intensität über die scharfe Abgrenzung jedoch schnell auf einen fast verschwindenden Wert abfällt. Hierbei können die Teillaserstrahlen selbst einen anderen Strahlquerschnitt aufweisen.For example, the different partial partial laser beams, which are introduced into the workpiece at different times because of the pulse delay device, can produce a flat-top beam cross-section on average. In particular, a flat-top beam profile corresponds to a homogeneous and sharply defined beam cross-section, with the homogeneous part of the beam cross-section having an equally high intensity everywhere, but the intensity falling quickly to an almost vanishing value across the sharp boundary. In this case, the partial laser beams themselves can have a different beam cross section.
Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn die Strahlqualität des Lasers für eine klassische Flat-Top-Strahlformung nicht ausreichend ist. In jedem Fall können durch die Mittelung der Teilteillaserstrahlintensitäten in der Fokusebene komplexe Strahlformen realisiert werden.This can be an advantage, for example, if the beam quality of the laser is not sufficient for classic flat-top beam shaping. In any case, complex beam shapes can be realized by averaging the partial laser beam intensities in the focal plane.
Figurenlistecharacter list
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Fokussierung eines Laserpulses zum Bearbeiten eines Werkstücks; -
2A, B eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines geometrischen Phasenelements; -
3A, B ,C ,D eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Polarisationsaufspalters, -
4 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Strahlformungsvorrichtung; -
5A, B ,C ,D ,E ,F eine schematische Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
6A, B eine schematische Darstellung der Pulsverzögerungsvorrichtung; -
7A, B eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines geometrischen Phasenelements mit Laserpulsen unterschiedlicher Polarisation; -
8 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Laserpulsen unterschiedlicher Polarisation; und -
9A, B eine weitere schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
1 a schematic representation of the focusing of a laser pulse for machining a workpiece; -
2A, B a schematic representation of the functioning of a geometric phase element; -
3A, B ,C ,D a schematic representation of how a polarization splitter works, -
4 a schematic representation of the functioning of a beam shaping device; -
5A, B ,C ,D ,E ,f a schematic representation of the operation of the device according to the invention; -
6A, B a schematic representation of the pulse delay device; -
7A, B a schematic representation of the functioning of a geometric phase element with laser pulses of different polarization; -
8th a schematic representation of the functioning of a device according to the invention with laser pulses of different polarization; and -
9A, B a further schematic representation of the functioning of a device according to the invention.
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
Im Folgenden wird zunächst auf die räumlichen Eigenschaften der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 verbauten Komponenten eingegangen. Anschließend werden die zeitlichen Eigenschaften und die Kombination mit den räumlichen Eigenschaften besprochen.In the following, the spatial properties of the components installed in the
In
In den
Der Polarisationsaufspalter 5 in
Der in den Polarisationsaufspalter 5 senkrecht zur Strahleintrittsfläche 52 eintretende Laserstrahl 30 wird an der unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche 52 geneigten Strahlaustrittsfläche 54 in zwei Teillaserstrahlen 300 aufgeteilt, die senkrecht zueinander (s- bzw. p-polarisiert) sind. In
Bei dem in
Die beiden in
In den
In
In den
In
In
Beispielsweise ist der einfallende Laserstrahl 30 rechtszirkular polarisiert. Ein rechtszirkular polarisierter Laserstrahl 30 kann durch das geometrische Phasenelement 4 entlang der positiven x-Achse abgelenkt werden. Ohne den Polarisationsaufspalter könnte somit der Laserstrahl 30 nach +XGP abgelenkt werden. Ohne das geometrische Phasenelement 4 würde der rechtszirkulare Laserstrahl 30 beispielsweise entlang der negativen und der positiven x-Achse aufgespalten und abgelenkt werden, beispielsweise nach ±XP und -XP. Das geometrische Phasenelement 4 und der Polarisationsaufspalter 5 erzeugen nun Fokuszonen 80 bei (+XGP + XP)P und (+XGP - XP)S wobei die Teillaserstrahlen 300 eine zueinander orthogonale Polarisation aufweisen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die benachbarten Teillaserstrahlen 300 etwa durch die Wahl des Aufspaltungswinkels durch den Polarisationsaufspalter 5 eng aneinander zu platzieren, ohne dass es zu störenden Interferenzeffekten bei der Bearbeitung des Werkstücks 10 kommt.For example, the
In
Beispielsweise ergibt sich durch einen linkszirkular polarisierten Laserstrahl 30 eine Ablenkung nach -XG. Zusätzlich wird der linkspolarisierte Laserstrahl 30 (gemäß
In
In
In
In
Die bisherige Figurenbeschreibung bezog sich lediglich auf die räumlichen Aspekte der Strahlablenkung. Nun sollen die zeitlichen Aspekte weiter besprochen werden.The previous description of the figures referred only to the spatial aspects of the beam deflection. The time aspects will now be discussed further.
Insbesondere können mit dem Ultrakurzpulslaser 3 ultrakurze Laserpulse 32 erzeugt werden, die den Laserstrahl 30 entlang propagieren. Die Laserpulse 32 weisen hierbei eine Pulsdauer von weniger als 10ps, bevorzugt weniger als 1ps auf, beispielsweise 10fs. Der Abstand der Einzellaserpulse ist kleiner als 1 ms, bevorzugt kleiner als 1 µm beispielsweise 1 ns. Es können jedoch beispielsweise auch Doppelpulse in Form von Laserbursts erzeugt werden, wobei ein Burst zwei Laserpulse umfasst. Der Pulsabstand zweier Laserpulse eines Laserbursts ist hierbei kleiner als 100ps, bevorzugt kleiner als 10ps, beispielsweise 5ps. Dies entspricht Repetitionsfrequenzen der Laserpulse 32 von mehr als 10GHz, bevorzugt mehr als 100GHz, beispielsweise 200GHz. Für die zeitlichen Abstände der Laserbursts gilt das bezüglich der Einzellaserpulse beschriebene.In particular, the ultra-short pulse laser 3 can be used to generate
Des Weiteren ist die Wellenlänge der Laserpulse 32 zwischen 200nm und 2000nm groß, bevorzugt 257nm oder 343nm oder 515nm oder 1030nm.Furthermore, the wavelength of the
Problematisch ist hierbei, dass die Laserpulse 32 typsicherweise durch den Laser 3 einen fixen zeitlichen Abstand aufweisen. Zudem ist die Polarisation der Laserpulse 32 durch den Laser 3 vorgegeben. Um die Polarisation und den zeitlichen Abstand der unterschiedlichen Laserpulse 32 zu beeinflussen kann daher die Pulsverzögerungsvorrichtung 7 der
Die gezeigte Pulsverzögerungsvorrichtung 7 umfasst vier optische Elemente: Einen ersten polarisierenden Strahlteiler 711, einen zweiten Spiegel 702, einen dritten Spiegel 703 und einen vierten polarisierenden Strahlteiler 714.The
Wenn ein zirkular polarisierte Laserpulse 32 durch den Laser 3 ausgegeben werden, so können diese direkt auf den ersten polarisierenden Strahlteiler 711 geleitet werden. Sollte der Laser 3 s-polarisierte oder p-polarisierte Laserpulse 32 zur Verfügung stellen, so können diese mit einer optionalen λ/2 Platte 70 rotiert werden und auf den polarisierenden Strahlteiler 711 geleitet werden, um die Intensitätsverteilung hinter dem ersten Strahlteiler 711 einzustellen.When a circularly
Der polarisierende Strahlteiler 711 spaltet den zirkular polarisierten Laserpuls 32 in eine s-polarisierte Komponente und eine p-polarisierte Komponente auf. Beispielsweise wird die p-polarisierte Komponente durch den polarisierenden Strahlteiler 711 transmittiert, während die s-polarisierte Komponente an dem polarisierenden Strahlteiler reflektiert wird. Diese Transmission beziehungsweise Reflexion kann jedoch auch genau umgekehrt erfolgen.The
Die s-polarisierte Komponente wird im gegebenen Beispiel zu einem zweiten Spiegel 702 reflektiert, von dort aus zu einem dritten Spiegel 703 reflektiert und schließlich auf den vierten Strahlteiler 714 geleitet. Der vierte Strahlteiler 714 transmittiert einen Teil des Laserpulses 32 beispielsweise in eine Strahlfalle 74, während der andere Teil reflektiert wird und beispielsweise zu einem geometrischen Phasenelement 5 (nicht gezeigt) geleitet wird.In the given example, the s-polarized component is reflected to a
Die p-polarisierte Komponente wird am ersten polarisierenden Strahlteiler 711 transmittiert und direkt zum vierten Strahlteiler 714 geleitet. Am vierten Strahlteiler 714 wird ein Teil des Laserpulses 32 zu einer Strahlfalle 74 reflektiert, wohingegen der durch den vierten Strahlteiler 714 transmittierte Teil nun wieder mit dem s-polarisierten Teil zusammengefügt wird. Hierbei bedeutet zusammengefügt, dass die beiden s-polarisierten und p-polarisierten Laserpulse 32 wieder einen Laserstrahl 30 bilden, beziehungsweise auf derselben Trajektorie propagieren.The p-polarized component is transmitted at the first
Zum Durchlaufen der Pulsverzögerungsvorrichtung 7 benötigt die s-polarisierte Komponente mehr Zeit als die p-polarisierte Komponente, da die s-polarisierte Komponente einen zusätzlichen Weg zurücklegen muss. Dementsprechend weisen die beiden Laserpulse 32 einen Gangunterschied auf, der mit der Länge des optischen Wegs durch die Pulsverzögerungsvorrichtung 7 korreliert ist. Zum Einstellen der Pulsverzögerung ist es möglich die Laufzeit des s-polarisierten Laserpulses 32 durch eine Variation der Länge L des optischen Weges zu verbessen. Für eine noch feinere Abstimmung kann eine solche Verzögerungsstrecke auch analog noch in den Pfad der p-polarisierten Komponente eingebaut werden, wie in
Der Gangunterschied richtet sich nach der Laufzeit der Laserpulse 32 entlang der unterschiedlichen zurückgelegten optischen Wege. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 0,3mm/ps, so dass es für einen Gangunterschied der Laserpulse von 1ps ausreicht, wenn die Laserpulse 32 einen um 0,3mm unterschiedlichen optischen Weg zurücklegen.The path difference depends on the transit time of the
Wenn die Laserpulse 32 des Lasers 3 einen zeitlichen Abstand von 6ps und eine zirkulare Polarisation aufweisen, dann kann mittels einer Pulsverzögerungsvorrichtung 7 erreicht werden, dass alle 3ps abwechselnd ein p-polarisierter und ein s-polarisierter Laserpuls 32 erzeugt werden. Hierzu muss der Gangunterschied zwischen den Laserpulsen 3ps entsprechen, was einer Differenz der optischen Weglängen der s-polarisierten und der p-polarisierten Komponente von 0,9mm entspricht.If the
Es ist jedoch auch möglich den p-polarisierten Laserpuls 32 nicht mittig zwischen zwei s-polarisierten Laserpulsen 32 anzuordnen (oder umgekehrt), indem eine andere Weglängendifferenz eingestellt wird.However, it is also possible to arrange the p-polarized
Für den Fall, dass die Pulsverzögerungsvorrichtung 7 linear polarisierte Laserpulse 32 erzeugt, ist in
In
Auf diese Weise können Laserfelder 34 erzeugt werden die eine hohe Fokuszonendichte aufweisen. Beispielsweise können die Fokuszonen 80 in der Fokusebene 800 räumlich überlappen, ohne dass es zu störenden Interferenzen der Teillaserstrahlen 300 wenn der Zeitabstand der nacheinander eingebrachten Laserpulse 32 größer ist als die Pulsdauer der Laserpulse 32. Dadurch wird die Kohärenz zwischen den Laserpulsen 32 gebrochen. Insgesamt kann somit beim Bearbeiten eines Werkstücks 12 eine höhere Qualität erreicht werden.In this way, laser fields 34 can be generated which have a high focal zone density. For example, the
In
In
In
In
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
- Werkstückworkpiece
- 1212
- Vorschubvorrichtungfeed device
- 1414
- Trajektorietrajectory
- 33
- UltrakurzpulslaserUltrafast Laser
- 3030
- Laserstrahllaser beam
- 300300
- Teillaserstrahlpartial laser beam
- 30003000
- Teilteillaserstrahlpartial laser beam
- 3232
- Laserpulslaser pulse
- 3434
- Laserfeldlaser field
- 44
- geometrisches Phasenelementgeometric phase element
- 4040
- A/4-PlatteA/4 plate
- 55
- Polarisationsaufspalterpolarization splitter
- 5050
- A/4-PlatteA/4 plate
- 5252
- Strahleintrittsflächebeam entry surface
- 5454
- Strahlaustrittsflächejet exit surface
- 5656
- optische Achse des doppelbrechenden Kristallsoptical axis of the birefringent crystal
- 66
- Strahlformungsvorrichtungbeam shaping device
- 77
- Pulsverzögerungsvorrichtungpulse delay device
- 7070
- λ/2 Platteλ/2 plate
- 7272
- λ/4 Platteλ/4 plate
- 701701
- erster Spiegelfirst mirror
- 702702
- zweiter Spiegelsecond mirror
- 703703
- dritter Spiegelthird mirror
- 704704
- vierter Spiegelfourth mirror
- 711711
- erster Strahlteilerfirst beam splitter
- 714714
- vierter Strahlteilerfourth beam splitter
- 7474
- Strahlfallebeam trap
- 88th
- Abbildungsoptikimaging optics
- 8080
- Fokuszonefocus zone
- 800800
- Fokusebenefocal plane
- αa
- Winkelversatz zwischen den TeillaserstrahlenAngular offset between the partial laser beams
- VV
- Vorschubfeed
Claims (14)
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---|---|---|---|
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021122754.2A DE102021122754A1 (en) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | Device for processing a material |
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Family Applications (1)
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Citations (5)
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---|---|---|---|---|
EP2965852A1 (en) | 2014-07-10 | 2016-01-13 | UAB Altechna R&D | Optical arrangement for laser beam shaping |
US20190139799A1 (en) | 2015-06-01 | 2019-05-09 | Evana Technologies, Uab | Method of laser scribing of semiconductor workpiece using divided laser beams |
WO2020109768A1 (en) | 2018-11-26 | 2020-06-04 | University Of Southampton | Method for fabricating nanostructured optical elements |
WO2020109767A1 (en) | 2018-11-26 | 2020-06-04 | University Of Southampton | Method for fabricating nanostructured optical elements using polarised light |
DE102019205394A1 (en) | 2019-04-15 | 2020-10-15 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Processing optics, laser processing device and methods for laser processing |
-
2021
- 2021-09-02 DE DE102021122754.2A patent/DE102021122754A1/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2965852A1 (en) | 2014-07-10 | 2016-01-13 | UAB Altechna R&D | Optical arrangement for laser beam shaping |
US20190139799A1 (en) | 2015-06-01 | 2019-05-09 | Evana Technologies, Uab | Method of laser scribing of semiconductor workpiece using divided laser beams |
WO2020109768A1 (en) | 2018-11-26 | 2020-06-04 | University Of Southampton | Method for fabricating nanostructured optical elements |
WO2020109767A1 (en) | 2018-11-26 | 2020-06-04 | University Of Southampton | Method for fabricating nanostructured optical elements using polarised light |
DE102019205394A1 (en) | 2019-04-15 | 2020-10-15 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Processing optics, laser processing device and methods for laser processing |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
FRAGGELAKIS, Fotis [et al.]: Double- and multi-femtosecond pulses produced by birefringent crystals for the generation of 2D laser-induced structures on a stainless steel surface. In: Materials, Vol. 12, 2019, No. 8, Article-No. 1257 (12 S.). - ISSN 1996-1944. DOI: 10.3390/ma12081257. URL: https://www.mdpi.com/1996-1944/12/8/1257/pdf [abgerufen am 2021-10-07] |
ITOH, Kazuyoshi [et al.]: Ultrafast processes for bulk modification of transparent materials. In: MRS Bulletin, Vol. 31, 2006, No. 8, S. 620-625. - ISSN 0883-7694 (P); 1938-1425 (E). DOI: 10.1557/mrs2006.159. URL: https://link.springer.com/content/pdf/10.1557/mrs2006.159.pdf [abgerufen am 2021-02-09] |
SAKAKURA, Masaaki [et al.]: Ultralow-loss geometric phase and polarization shaping by ultrafast laser writing in silica glass. In: Light: Science & Applications, Vol. 9, 2020, Article-No. 15 (10 S.). - ISSN 2047-7538. DOI: 10.1038/s41377-020-0250-y. URL: https://www.nature.com/articles/s41377-020-0250-y.pdf [abgerufen am 2021-06-15] |
WOERDEMANN, Mike: Chapter 5: Non-diffracting beams for the three-dimensional moulding of matter. In: Structured light fields : Applications in optical trapping, manipulation, and organisation. Berlin : Springer, 2012 (Springer Theses). S. 67-81. - ISBN 978-3-642-29322-1 (P); 978-3-642-29323-8 (E). DOI: 10.1007/978-3-642-29323-8. - Zugl.: Münster, Univ., Diss., 2011 |
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