DE102022125106A1

DE102022125106A1 - Optische Anordnung für eine Laserbearbeitungsanlage

Info

Publication number: DE102022125106A1
Application number: DE102022125106.3A
Authority: DE
Inventors: Malte Kumkar; Julian Hellstern
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2024-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (10) für eine Laserbearbeitungsanlage (100) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (1) in einen Ausgangslaserstrahl (3), welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und welcher in einer Arbeitsregion (40) einen entlang einer langen Achse (LA) der optischen Anordnung (10) ausgedehnten Strahlquerschnittaufweist, sowie eine Laserbearbeitungsanlage (100) mit einer solchen optischen Anordnung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für eine Laserbearbeitungsanlage sowie eine Laserbearbeitungsanlage mit einer solchen optischen Anordnung.
Eine derartige optische Anordnung ist beispielsweise aus der WO2019028064A1 bekannt. Derartige optische Anordnungen werden in Laserbearbeitungsanlagen eingesetzt, um eine Laserbearbeitung von Werkstücken vorzunehmen, beispielsweise ein Zerteilen von elektronischen Chips.
Bei den optischen Anordnungen mit Scannern von Laserbearbeitungsanlagen aus dem Stand der Technik wird kein ausgedehntes Arbeitsfeld in einer ersten Richtung und eine hohe Auflösung in eine andere, zweite Richtung geboten. Zwar gibt es rotationssymmetrische Scanner, die in beide Raumrichtungen ein im Vergleich zum dort vorliegenden kleinstmöglichen Strahldurchmesser großes Arbeitsfeld bieten. Und es gibt astigmatische Scannersysteme durch eine Linienoptik, die ein bezogen auf eine Gaußstrahlabmessung ein großes Arbeitsfeld in einer Lang-Achs-Richtung und eine starke Fokussierung in eine Kurz-Achs-Richtung bieten. Allerdings ist bei diesen das Arbeitsfeld in Kurz-Achs--Richtung bezogen auf die Kurz-Achs--Gaußstrahlabmessung nicht groß. Es gibt also insbesondere keine Kombination aus großem Arbeitsfeld in einer ersten Raumrichtung und hoher Auflösung in einer anderen Raumrichtung mit einem auf die zugehörigen Gaußstrahlabmessung großen Arbeitsfeld in beide Richtungen. Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine optische Anordnung bereitzustellen, die eine hochdynamisch scannende Laserstrahlbewegung in einem ausgedehnten Arbeitsfeld und eine gleichzeitig hohe Auflösung in einer von der Laserstrahlbewegung abweichenden Raumrichtung erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung gemäß Anspruch 1. Vorgeschlagen wird demnach eine optische Anordnung für eine Laserbearbeitungsanlage zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen Ausgangslaserstrahl, welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet und welcher in einer Arbeitsregion, insbesondere einer Arbeitsebene, einen, insbesondere linienartigen, entlang einer langen Achse (LA) der optischen Anordnung ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Die optische Anordnung weist auf: eine LA-Fokussierungsoptik zur Fokussierung eines Strahlengangs innerhalb der optischen Anordnung zwischen dem Eingangslaserstrahl und dem Ausgangslaserstrahl entlang der langen Achse, eine, insbesondere winkelablenkende, Scannerkomponente zum Scannen des Strahlengangs mindestens mit einer Scanrichtungskomponente entlang der langen Achse, einer KA-Strahlformeroptik zum Strahlformen des Strahlengangs entlang einer senkrecht zur langen Achse verlaufenden kurzen Achse (KA) der optischen Anordnung, und eine KA-Fokussierungsoptik zur Fokussierung des Strahlengangs entlang der kurzen Achse. Die optische Anordnung weist ferner eine KA-Relayoptik zur Abbildung des Strahlengangs in einer KA-Fernfeldregion innerhalb der optischen Anordnung entlang der kurzen Achse auf.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert damit auf einem astigmatischen Optikkonzept mit einer besonders starken Fokussierung in der insbesondere hochauflösenden kurzen Achse (KA) bzw. der KA-Raumrichtung und einem großen Arbeitsfeld in der langen Achse (LA) bzw. der LA-Raumrichtung. Die kurze Achse und die lange Achse der optischen Anordnung und damit ihrer Optiken stehen insbesondere senkrecht zueinander. Bei der vorgeschlagenen astigmatischen optischen Anordnung kann sich der Strahlquerschnitt unter Propagation sowohl bzgl. der Größe als auch der Form ändern. In der Arbeitsregion auf dem Werkstück kann der Ausgangslaserstrahl ein elliptisches Strahlprofil aufweisen, insbesondere mit einem Aspektverhältnis von kurze Achse zu lange Achse von beispielsweise zumindest 1:3, insbesondere zumindest 1:5 und ferner insbesondere 1:10 aufweisen, sodass hierin von einem entlang der langen Achse LA ausgedehnten, linienartigen Strahlquerschnitt gesprochen wird. Insbesondere kann zur Fokussierung in KA-Raumrichtung eine in LA-Raumrichtung ausgedehnte Linienoptik zum Einsatz kommen. Insgesamt wird gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Kontrolle der Strahlverteilung in einem vergrößerten Arbeitsfeld in KA-Raumrichtung erlaubt, indem insbesondere zwischen der zumindest in LA-Raumrichtung als Scanrichtungskomponente scannenden Scannerkomponente und der KA-Fokussierungsoptik durch die KA-Relayoptik und/oder ggf. eine oder mehrere weitere KA-Optiken eine zusätzliche optische Funktionalität integriert wird, die eine Beeinflussung der Winkel- und/oder Ortsverteilung in einer zur Arbeitsregion des Ausgangslaserstrahls korrespondierenden KA-Fernfeldregion unterstützt. Die Fernfeldregion des Strahlengangs liegt dabei innerhalb der optischen Anordnung, während eine Nahfeldregion des Strahlengangs bzw. des Ausgangslaserstrahls demgegenüber mit der Arbeitsregion verknüpft ist, sich insbesondere in oder auf dem Werkstück in der Arbeitsregion befindet.
Komponenten, wie Optiken, (Raum)Richtungen, Regionen oder sonstige Angaben werden hierin um „KA-“ für kurze Achse oder „LA-“ für lange Achse ergänzt, um ihre Korrelation mit der jeweiligen Achse, beispielsweise die optische Wirkung einer Optik auf die kurze Achse oder lange Achse, kenntlich zu machen und so eine Unterscheidung bzgl. der kurzen Achse und der langen Achse herzustellen. Vorzugsweise sind die Komponenten mit ihren Vorzugsrichtungen in die jeweilige KA- bzw. LA-Raumrichtung ausgerichtet. Der Strahlquerschnitt ist typischerweise insbesondere seiner größten Erstreckung nach, ganz besonders zumindest im weitesten Sinne linienartig, in der LA-Raumrichtung ausgedehnt, wobei je nach Konfiguration auch andere Erstreckungen denkbar sind, bei denen der Strahlquerschnitt in einer von der LA-Raumrichtung abweichenden Richtung seiner Länge nach ausgedehnt ist. Der Strahlengang bezeichnet hierin den Laserstrahl innerhalb der optischen Anordnung, also zwischen dem Eingang an der optischen Anordnung, wo er als Eingangslaserstrahl bezeichnet wird, und dem Ausgang an der optischen Anordnung, wo er als Ausgangslaserstrahl bezeichnet wird.
Die LA-Fokussierungsoptik ist vorzugsweise als astigmatische/anamorphe optische Komponente oder Gruppe von Komponenten, ggf. als zylindrische Optik ausgeführt, d.h. ihre optische Funktionalität ist auf die LA-Raumrichtung eingeschränkt.
Die KA-Strahlformeroptik beeinflusst die KA-Strahlverteilung insbesondere in der KA-Fernfeldregion, wobei bevorzugt im Wesentlichen die KA-Winkelverteilung in dieser KA-Fernfeldregion manipuliert wird. Vorzugsweise beinhaltet die KA-Strahlformeroptik als im wesentliche KAwinkelverteilungsbeeinflussende Scannerkomponente, also mindestens und bevorzugt mit hauptsächlicher Scanrichtungskomponente entlang der kurzen Achse, ausgebildet. Beispielhaft kann die KA-Strahlformeroptik als eine diffraktive Strahlformungskomponente, ein asphärischer refraktiver oder reflektiver Strahlformer, ein Spatial Light Modulator (SLM), ein akustooptischer oder elektrooptischer Deflektor (AOD, EOD), ein Mikro-Elektronisch-Mechanisches-System (MEMS) oder auch ein mittels Galvanometerantrieb rotierender Spiegel ausgebildet sein. Die KA-Strahlformeroptik kann eine dynamische Funktionalität aufweisen, mittels derer die KA-Strahlform und/oder die Strahlposition in der Arbeitsregion innerhalb des KA-Arbeitsfeldes auch, und bevorzugt synchronisiert, mit einer LA-Scanbewegung kontrollierbar ist.
Die Relayoptik sorgt insbesondere für eine KA-Fernfeldabbildung zwischen der KA-Strahlformung, die insbesondere eine der Arbeitsregion über die KA-Fokussierung zugeordnete und nach der (LA-)Scannerkomponente lokalisierte KA-Fernfeldregion in Strahlpropagationsrichtung rückwärts in eine Region näher zum Strahleingang gelegen in eine korrespondierende KA-Fernfeldregion abbildet. Diese korrespondierende KA-Fernfeldregion liegt bevorzugt vor der LA-Fokussierung und/oder der (LA-)Scannerkomponente. Die KA-Strahlverteilung im Bereich der korrespondierenden KA-Fernfeldregion wird insbesondere mittels der KA-Strahlformeroptik beeinflusst. Die KA-Strahlformeroptik ist insbesondere im Bereich der korrespondierenden KA-Fernfeldregion angeordnet und beeinflusst bevorzugt im Wesentlichen die KA-Winkelverteilung in dieser Region. Eine Komponente der KA-Fernfeldabbildung bzw. KA-Relayoptik ist vorzugsweise zwischen KA-Fokussierung und LA-Fokussierung und/oder der (LA-)Scannerkomponente angeordnet. Die KA-Fernfeldabbildung beinhaltet vorzugsweise eine weitere Komponente, die bevorzugt vor der (LA-)Scannerkomponente angeordnet ist. Die KA-Relayoptik umfasst vorzugsweise ein 4f-Teleskop mit Zylinderoptik.
Die Scannerkomponente in der optischen Anordnung hat den Vorteil, dass keine Laserstrahlform über die komplette LA-Abmessung bzw. LA-Länge erforderlich ist. Dadurch sind geringere Anforderungen an die Laserleistung oder Pulsenergie, insbesondere bei Verwendung einer Ultrakurzpuls-Laserstrahlquelle für den Eingangslaserstrahl, gegeben. Außerdem sind die Anforderungen an die Homogenität in die LA-Richtung gemindert, wenn durch Überlapp im Scanprozess effektiv über dieses gemittelt wird. Weiterhin kann eine dynamische KA-Strahlformung eingesetzt werden, die eine Variation der KA-Strahlform oder KA-Strahllage auch während eines LA-Scanvorgangs erlaubt. Durch die in KA-Richtung wirkende KA-Relayoptik in Verbindung mit einer insbesondere kurzbrennweitigen KA-Fokussierung resultiert trotz des Abstands der Scannerkomponente für die LA-Richtung auf der Arbeitsregion auf dem Werkstück eine hohe erzielbare KA-Auflösung innerhalb eines vergrößerten KA-Arbeitsfeldes. Diese erlaubt einerseits eine Kontrolle der KA-Winkelverteilung in der korrespondierenden KA-Fernfeldregion relativ zur optischen Achse in Lage und Form der KA-Intensitätsverteilung auf dem Werkstück sowie andererseits durch die Kontrolle der KA-Ortsverteilung in der korrespondierenden KA-Fernfeldregion eine Modulation des KA-Intensitätsprofils und eine Beeinflussung des Propagationsverhaltens der KA-Intensitätsverteilung. Gegenüber einem LA-Scannen durch eine Linienoptik ohne die erfindungsgemäß erweiterte KA-Kontrolle ergibt sich erfindungsgemäß ferner der Vorteil einer gesteigerten Auflösung/Flexibilität in KA-Raumrichtung. Durch das ausgedehnte LA-Arbeitsfeld können Werkstücke großer Ausdehnung vorteilhaft bearbeitet werden, z.B. über den vollen Durchmesser des Werkstücks oder insbesondere bei in zwei Raumrichtungen ausgedehnten Werkstücken über einen volle Werkstückbreite. Damit werden gegenüber Lösungen mit rotationssymmetrisch wirkender Optik gleicher Auflösung (wie in kurzer Richtung) große Bearbeitungslängen mit einer einzelnen Optik (und ohne Versatz der Optik in Richtung der Bearbeitungslänge) bearbeitbar, ohne dass diese in diese Richtung relativ zum Werkstück bewegt werden müssen. Ein sog. „Stitching“, wie bei Verwendung mehrerer Optiken zum Abdecken der Bearbeitungslänge im Stand der Technik verwendet wird, kann vermieden oder zumindest reduziert werden. Auch kann gegenüber Lösungen mit rotationssymmetrisch wirkender Optik gleicher Arbeitsfeldbreite eine gesteigerte KA-Auflösung erzielt werden. Weiterhin kann mit Laserstrahlverteilungen auf kleinerer Fläche bei reduzierter Leistung oder Energie die gleiche Fluenz oder Intensität erzielt werden, so dass von angepasster Fluenz oder Intensität profitierende Prozesse bei gleicher Arbeitsfeldbreite auch mit Lasern reduzierter Leistung oder Pulsenergie durchführbar sind. Durch die Kombination hoher Auflösung und skaliertem Arbeitsfeld mit der astigmatisch ausgelegten optischen Anordnung bei Anordnung der strahlformenden oder strahlablenkenden Optiken in jeweils für KA- und/oder LA-Raumrichtung separiert angepassten Regionen, typisch in einer zur Arbeitsregion korrespondierenden Fernfeld- oder auch Nahfeldregion, können Verzeichnungen weitgehend vermieden oder zumindest gemindert werden. Ähnlich gilt das auch für die Anordnung der Optikkomponenten wie Linsen, Spiegel o.ä., um für die jeweilige Raumrichtung angepasste Eigenschaften umzusetzen, beispielweise Bildfeldwölbung oder Telezentrie.
Die Scannerkomponente, insbesondere LA-Scannerkomponente, kann beispielsweise als ein Spiegelscanner mit Galvanometerantrieb und/oder als ein rotierender Polgyonspiegelscanner ausgeführt sein. Ferner kann in der KA-Raumrichtung auch eine KA-Scannerkomponente in der optischen Anordnung eingesetzt werden, die insbesondere einen dynamischen KA-Strahlformer darstellen kann. Es kann auch eine kombinierte Scannerkomponente eingesetzt werden, die in beide Raumrichtungen KA und LA scannen kann oder, mit anderen Worten, Scanrichtungskomponenten entlang der langen Achse und der kurzen Achse aufweist.
Die KA-Relayoptik kann beispielsweise in bekannter Weise durch zwei entsprechend zueinander ausgerichtete asphärische Linsen oder Optiken ausgeführt sein, die hierin auch als Relaylinsen bezeichnet werden. Es kann sich insbesondere um eine KA-4f-Relayoptik handeln.
Obgleich hierin von einem Eingangslaserstrahl und einem Ausgangslaserstrahl gesprochen wird, ist es denkbar und möglich, dass von der optischen Anordnung mehrere, insbesondere in KA-Raumrichtung in der Arbeitsregion parallele Ausgangslaserstrahlen oder Teilstrahlen (aus einem oder mehreren Eingangslaserstrahlen) erzeugt werden. Die Ausgangslaserstrahlen oder Teilstrahlen können dabei in der Arbeitsregion bzgl. Ort und/oder Winkel versetzt sein. Dies lässt sich durch in KA-Raumrichtung in der Arbeitsregion separierte Teilstrahlprofile oder mittels Mehrstrahlinterferenz überlappender Teilstrahlprofile mit KA-Winkelversatz in der Arbeitsregion realisieren. Der Einsatz von Teilstrahlen erlaubt bei Versatz in der KA-Raumrichtung eine Steigerung der Breite des Ausgangslaserstrahls oder auch eine parallele Linienbearbeitung. Beispielhaft kann eine derartige parallele Linienbearbeitung für ein Zerteilen von elektronischen Chips (sog. „Dicing“), Multiliniengravur von Elektroblechen oder eine Strukturierung von Batteriefolien eingesetzt werden.
Es ist insbesondere möglich, dass die KA-Relayoptik im Strahlengang hinter der KA-Strahlformeroptik angeordnet ist. Durch die KA-Relayoptik lässt sich so das KA-Fernfeld nach der Strahlformung durch die KA-Strahlformeroptik kontrollieren.
Möglich ist im Übrigen, dass die KA-Fokussierungsoptik im Strahlengang hinter der KA-Relayoptik angeordnet ist. So kann die KA-Fokussierungsoptik aus der KA-Fernfeldregion der KA-Relayoptik den Ausgangslaserstrahl unmittelbar auf das Werkstück in der Arbeitsregion fokussieren.
Weiterhin ist möglich und bevorzugt, dass die KA-Fokussierungsoptik im Strahlengang hinter der Scannerkomponente angeordnet ist. So kann die KA-Fokussierungsoptik den Ausgangslaserstrahl unmittelbar auf das Werkstück in dem Arbeitsfeld fokussieren. Insbesondere ist der Abstand der KA-Fokussierungsoptik von der Arbeitsregion damit geringer als der Abstand der Scannerkomponente von der Arbeitsregion. Die Ausdehnung der Apertur der KA-Fokussierungsoptik entspricht vorzugsweise mindestens einer halben LA-Arbeitsfeldlänge in der Arbeitsregion.
Auch ist möglich und bevorzugt, dass die KA-Strahlformeroptik im Strahlengang vor der Scannerkomponente angeordnet ist. So kann die Strahlformung bereits in oder vor der korrespondierenden KA-Fernfeldregion erfolgen.
Ferner ist möglich, dass die LA-Fokussierungsoptik im Strahlengang hinter der Scannerkomponente angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Scannerkomponente vorteilhafterweise sowohl bzgl. der KA- als auch LA-Raumrichtung als Pre-(Objective-)Scannerkomponente eingesetzt werden.
Alternativ ist möglich, dass die LA-Fokussierungsoptik im Strahlengang vor der Scannerkomponente angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Scannerkomponente bzgl. der LA-Raumrichtung vorteilhafterweise als Post-(Objective-)Scannerkomponente eingesetzt werden, selbst wenn die Scannerkomponente vor der KA-Fokussierungsoptik angeordnet wird.
Möglich ist im Übrigen, dass die optische Anordnung ferner eine LA-Strahlformeroptik zum Strahlformen des Strahlengangs entlang der langen Achse aufweist. Die LA-Strahlformeroptik kann, wie im Übrigen die KA-Strahlformeroptik, beispielsweise Multiplexing, Mapping, eine überlagerte Scanbewegung und/oder weitere KA-Strahlformerfunktionalitäten oder LA-Strahlformerfunktionalitäten beinhalten bzw. bereitstellen. Im Übrigen können auch mehrere Eingangsstrahlen vorgesehen sein. In diesem Falle könnte die LA-Strahlformeroptik die resultierenden Teilstrahlen zueinander ausrichten.
Dabei kann die LA-Strahlformeroptik im Strahlengang vor der Scannerkomponente angeordnet sein. So kann die Strahlformung bereits in der LA-Fernfeldregion erfolgen.
Im Übrigen können die LA-Strahlformeroptik und die KA-Strahlformeroptik als eine gemeinsame Strahlformeroptik zusammengefasst sein. Dies erlaubt die Strahlformung mit von LA-Raumrichtung und KA-Raumrichtung abweichender Vorzugsrichtung.
Ansonsten ist möglich, dass die Scannerkomponente im Strahlengang der KA-Relayoptik angeordnet ist. Mit anderen Worten kann das Scannen in der LA-Raumrichtung parallel zum Relay in der KA-Raumrichtung erfolgen. Mit anderen Worten erfolgen das Scannen in der LA-Raumrichtung und die Abbildung bzw. der Relay in der KA-Raumrichtung im Wesentlichen zeitgleich am Strahlengang. Selbiges kann auf die LA-Fokussierungsoptik und/oder LA-Strahlformeroptik zutreffen.
Auch möglich ist, dass die LA-Fokussierungsoptik und/oder die KA-Fokussierungsoptik zur telezentrischen Fokussierung des Strahlengangs eingerichtet sind. Durch ein telezentrisches Konzept ändern sich die Anstellwinkel des Ausgangsstrahls oder der Ausgangsstrahlen über das Arbeitsfeld der Arbeitsregion nicht in der entsprechenden Raumrichtung. Damit ist zugleich eine Verzerrung vermeidbar bzw. zumindest eingeschränkt.
Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass die KA-Fokussierungsoptik eine Linienoptik ist, wobei insbesondere eine Länge der Linienoptik entlang der langen Achse eine Brennweite der KA-Fokussierung mindestens um einen Faktor von 2, bevorzugt von 4 oder 8, übersteigt und/oder das nutzbare LA-Arbeitsfeld das KA-Arbeitsfeld mindestens um einen Faktor von 2, bevorzugt von 4 oder 8, übersteigt. So ist gegenüber Optiken mit rotationssymmetrischer Wirkung in KA-Richtung eine starke Fokussierung bei ausgedehntem Arbeitsfeld in LA-Richtung möglich.
Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die (KA-)Linienoptik als eine refraktive Optik, reflektive Optik, diffraktive Optik, Geometric-Phase-Optik oder als eine Kombination von vorgenannten ausgeführt ist. Vorteilhafterweise können refraktive Optiken als OnAxis-Systeme ausgeführt werden, erfordern jedoch häufig eine Dispersionskompensation, können bzgl. der Leistungstauglichkeit, thermischer und nichtlinearer Propagationsbeeinflussung einschränkend wirken. Reflektive Optiken können eine höhere numerische Apertur und bessere Leistungstauglichkeit bieten und sind typischerweise achromatisch. Nachteilig sind die gegenüber refraktiven Systemen höhere Justageempfindlichkeit und erhöhte Anforderungen an die Formtreue, häufig gekoppelt mit einer erhöhten Komplexität auf Grund einer Off-Axis-Ausführung.
Vorteilhaft erfolgt die Fokussierung in KA- und/oder LA-Raumrichtung mit weitgehend vernachlässigbarer Bildfeldwölbung werkstückseitig. Diese, insbesondere für die Raumrichtungen separiert umzusetzenden, Konzepte erfordern bei einer in der jeweiligen Raumrichtung ebenen und senkrecht ausgerichteten Arbeitsregion, insbesondere eines Arbeitsfeldes, keine durch eine Bildfeldwölbung im Scanfeld bedingte z-Nachführung. Auch durch Kombination einer Fokussierung vor der Scannerkomponente mit einer nach der Scannerkomponente angeordneten Komponente (Field Flattner) lässt sich die Bildfeldwölbung reduzieren und eine dynamische z-Nachführung wird vermeidbar. Ein f-Theta-Konzept erlaubt im Gegensatz zu einem telezentrischen Konzept durch einen zum Rand ansteigenden Abstellwinkel ein gegenüber der freien Öffnung der Optik vergrößertes Scanfeld und weist eine verschwindende Bildfeldwölbung auf.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 15. Die Laserbearbeitungsanlage ist zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Ausgangslaserstrahls eingerichtet, wobei die Laserbearbeitungsanlage eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Eingangslaserstrahls und eine optische Anordnung zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls in einen Ausgangslaserstrahl zur Bearbeitung des Werkstücks aufweist, wobei die optische Anordnung erfindungsgemäß ausgebildet ist.
Dabei gelten Merkmale, die hierin in Bezug auf die optische Anordnung beschrieben sind, gleichsam in Bezug auf die Laserbearbeitungsanlage und umgekehrt.
Neben den zuvor erwähnten Vorrichtungen der Laserbearbeitungsanlage können selbstverständlich weitere Vorrichtungen in der Laserbearbeitungsanlage vorgesehen sein, so z.B. eine Vorschubvorrichtung zur Ermöglichung einer Relativbewegung des Werkstücks und/oder der optischen Anordnung während der Bearbeitung, ein Steuervorrichtung zur Synchronisation des entsprechenden Bearbeitungsverfahrens, entsprechende Sensorik usw.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine schematische Skizze einer optischen Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgeteilt in die Beeinflussung des Strahlengangs entlang einer kurzen Achse und einer langen Achse eines erzeugten linienartigen Ausgangslaserstrahls;
2 eine schematische Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in der optischen Anordnung von 1;
3 eine schematische Skizze einer optischen Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs entlang der langen Achse in der optischen Anordnung von 1;
5 eine schematische Skizze einer optischen Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Skizze einer optischen Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine schematische Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in der optischen Anordnung von 6; und
8 eine schematische Ansicht einer Laserbearbeitungsanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, aufweisend eine der optischen Anordnungen der 1, 3, 5 oder 6.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung 10 für eine Laserbearbeitungsanlage 100 (siehe 8) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls 1 in einen in einer Arbeitsregion 40 bzw. auf einem Werkstück 42 entlang einer langen Achse LA linienartig erstreckten Ausgangslaserstrahl 3. Der Strahlengang 2 des Eingangslaserstrahls 1 innerhalb der optischen Anordnung 10 breitet sich dabei entlang einer Ausbreitungsrichtung z (siehe Strahlengang in 2 für einen telezentrischen Fall bzgl. der kurzen Achse KA, bei dem die Ausbreitungsrichtung z mit der optischen Achse der optischen Anordnung 10 zusammenfällt) aus und weist in der Arbeitsregion 40 einen elliptischen, entlang der langen Achse LA linienartig ausgedehnten Strahlquerschnitt auf.
Neben der linienartigen Erstreckung entlang der langen Achse LA in der Arbeitsregion 40 weist der erzeugte Ausgangslaserstrahl 3 auf dem Werkstück 42 auch eine Erstreckung entlang einer orthogonal zur langen Achse LA verlaufenden kurzen Achse KA auf. Ein Aspektverhältnis von kurzer Achse KA zu langer Achse LA kann beispielsweise 1:10 betragen. 1 zeigt dabei dem besseren Verständnis halber die optische Manipulation des Strahlengangs 2 zwischen dem Eingangslaserstrahl 1 und dem Ausgangslaserstrahl 3 mit Wirkung für die kurze Achse KA und die lange Achse LA separat und parallel. Ferner kann innerhalb des Strahlengangs 2 in Propagationsrichtung jeweils zwischen auf die Arbeitsregion 40 bezogenen Fernfeldregionen und Nahfeldregionen unterschieden werden. Die Fernfeldregion befindet sich nahe dem Eingangslaserstrahl 1 bzw. an dem Eingang 20 für die kurze Achse KA und die lange Achse LA, also entfernt von der Arbeitsregion 40 und dem dort positionierten Werkstück 42, welches durch den Ausgangslaserstrahl 3 bearbeitet werden soll, und insbesondere innerhalb der optischen Anordnung 10. Die Nahfeldregion befindet sich in der Arbeitsregion 40, in der sich das Werkstück 42 befindet, fällt insbesondere mit dieser zusammen.
Zur Erzeugung des Ausgangslaserstrahls 3 weist die optische Anordnung 10 der 1 eine KA-Strahlformeroptik 22 zum Strahlformen bzw. zur KA-Formung des Strahlengangs 2 des Eingangslaserstrahls 1 nach Eintritt durch den Eingang 20 auf.
Dabei wird der Strahlengang 2 bzw. Ausgangslaserstrahl 3 in der Arbeitsregion 40 vorliegend in der korrespondierenden KA-Fernfeldregion geformt, indem dort die Winkelverteilung des Strahlengangs 2 geändert wird, die sich dann auf die Ortsverteilung des Ausgangslaserstrahls 3 in der Arbeitsregion 40 auswirkt. Beispielsweise kann es sich bei der KA-Strahlformeroptik 22 um ein diffraktives Element handeln, das ein KA-Multispotprofil generiert. Alternativ kann es sich bei der KA-Strahlformeroptik 22 aber auch um eine winkelablenkende Scannerkomponente handeln, die dynamisch die KA-Position des Ausgangslaserstrahls 3 in der Arbeitsregion 40 beeinflusst. Möglich ist auch, in der Fernfeldregion alternativ/ergänzend die Ortsverteilung zu beeinflussen und so die Winkelverteilung in der Arbeitsregion 40 zu beeinflussen, z.B. in Form eines interferenzmodulierten Profils mittels Mehrstrahlinterferenz. Bezüglich der langen Achse LA folgt im Strahlengang 2 eine LA-Strahlformeroptik 32 zum Strahlformen bzw. zur LA-Formung des Strahlengangs 2 entlang der langen Achse LA.
Bezüglich der kurzen Achse KA folgt im Strahlengang 2 eine KA-Relayoptik 24, welche im Strahlengang 2 innerhalb der optischen Anordnung 10 die korrespondierende KA-Fernfeldregion, in der die KA-Strahlformeroptik 22 angeordnet ist, in die KA-Fernfeldregion vor der KA-Fokussierungsoptik 28 abbildet. Durch Relaylinse 25 erfolgt zunächst eine KA-Zwischenfokussierung und anschließend durch Relaylinse 26 eine KA-Re-Kollimation. Vorliegend ist dabei eine KA-4f-Relayoptik gezeigt, die aber auch als eine KA-2f-Relayoptik mit nur einer Relaylinse 26 ausgestaltet sein kann. Dies ermöglicht eine hohe Auflösung in KA-Richtung, indem die KA-Relayoptik 24 eine Kontrolle der KA-Fernfeldregion zwischen der Relaylinse 26 und der KA-Fokussierungsoptik 28 erlaubt. Die Relayoptik 24 unterstützt diese hochauflösende Kontrolle auch bei langbrennweitiger LA-Fokussierung und großer LA-Ausdehnung der Arbeitsregion 40, und erlaubt die Scannerkomponente 36 zwischen der KA-Strahlformeroptik 22 und der insbesondere kurzbrennweitigen KA-Fokussierungsoptik 28 anzuordnen. Parallel dazu befinden sich bzgl. der langen Achse LA in der optischen Anordnung 10 eine LA-Fokussierungsoptik 34 zur LA-Fokussierung und eine Scannerkomponente 36 zum Scannen des Strahlengangs 2 entlang der langen Achse LA zwischen den beiden Relaylinsen 25, 26.
Schließlich ist im Strahlengang 2 hinter den vorgenannten Optiken noch eine KA-Fokussierungsoptik 28 bzgl. der kurzen Achse KA in der optischen Anordnung 10 vorgesehen, welche den Ausgangslaserstrahl 3 entlang der kurzen Achse KA auf die Arbeitsregion 40 mit dem Werkstück 42 fokussiert.
2 zeigt den Strahlengang 2, insbesondere den astigmatischen Strahlengang der KA-Relayoptik 24, bzgl. der kurzen Achse KA und der langen Achse LA entfaltet. Wie hier zu sehen ist, erfolgt in einer korrespondierenden KA-FernfeldRegion vor der Scannerkomponente 36 durch die KA-Strahlformeroptik 22 ein KA-Multiplexing. Alternativ oder ergänzend kann die KA-Strahlformeroptik 22 auch eine winkelablenkende KA-Scannerkomponente beinhalten, also eine kontrollierte Strahlablenkung ermöglichen. Das angedeutete Scannen der Scannerkomponente 36 kann bis zu einem Winkel βmax erfolgen. Ferner erfolgt hier eine telezentrische Post-Scanner-KA-Fokussierung, also KA-Fokussierungsoptik 28 im Strahlengang 2 hinter der Scannerkomponente 36 und der zuvor erwähnten optionalen KA-Scannerkomponente, mit einer Brennweite fKA. Die LA-Fokussierung ist wiederum eine Pre-Scanner-LA-Fokussierung mit der LA-Fokussierungsoptik 34 vor der Scannerkomponente 36 mit der Brennweite fLA. Zu sehen ist ferner die LA-Bildfeldwölbung beim Abstand Lscan von Scannerkomponente 36 zur Arbeitsregion 40.
Das Ausführungsbeispiel der 3 zeigt eine Abwandlung der optischen Anordnung 10 der 1, bei dem sowohl KA- als auch LA-Fokussierung nach dem Post-Scanner-Konzept ausgeführt sind, also die LA-Fokussierungsoptik 34 und die KA-Fokussierungsoptik 28 im Strahlengang 2 hinter der Scannerkomponente 36 angeordnet sind. Dieses Konzept erlaubt in beide Richtungen einen vorteilhaft telezentrischen Ansatz. Bei einem derartigen Konzept können z.B. auch die KA-Re-Kollimation durch Relaylinse 26 und die LA-Fokussierungsoptik 34 zusammengefasst und damit die Anzahl von Komponenten großer erforderlicher Apertur reduziert werden.
4 zeigt einen zugehörigen Strahlengang 2 der optischen Anordnung 10 der 3 bzgl. der langen Achse LA. Zu sehen ist hier die der Scannerkomponente 36 nachgeordnete telezentrische LA-Fokussierung (fLA). Diese bietet verschwindende LA-Bildfeldwölbung und über das LA-Arbeitsfeld einen gleichen LA-Einfallswinkel auf dem Werkstück 42. Die (LA-)Scannerkomponente 36 ist hier als eine winkelablenkende, reflektive Scannerkomponente, z.B. als Galvo-Scannerkomponente, ausgeführt.
Die der Scannerkomponente 36 vorgeschaltete LA-Strahlformung durch die LA-Strahlformeroptik 32 erfolgt in oder nahe der LA-Fernfeldregion. Die auf die kurze Achse KA wirkenden optischen Komponenten sowie die KA-Fernfeldregionen sind im LA-Strahlengang mittels unterbrochener Linien symbolisiert (vergleich 2). Die KA-Strahlformung oder Strahlablenkung erfolgt in weiterer KA-Fernfeldebene vor der Scannerkomponente 36. Es wird eine KA-4f-Relayabbildung erzeugt, wobei die re-kollimierende Relaylinse 26 mit der LA-Fokussierungsoptik 34 zusammenfällt. Die KA-Fokussierung erfolgt telezentrisch mit im Vergleich zur Brennweite der langen Achse fLA kurzer Brennweite der kurzen Achse fKA.
5 zeigt eine weitere Alternative der optischen Anordnung 10, wobei in diesem Beispiel die Fernfeld-Regionen für die LA-und KA-Richtung teilweise überlappen. In einer solchen Region kann mit der Scannerkomponente 36 sowohl in LA- als auch in KA-Richtung vorteilhaft gescannt werden, wie in der 5 für die Scannerkomponente 34 zu sehen ist. Trotz der im Vergleich zum Abstand zwischen Scannerkomponente 34 und KA-Fokussierungsoptik 28 kurzen Brennweite der KA-Fokussierung wird durch Kombination mit der der Scannerkomponente 34 nachgeordneten, hier mit KA-Vor-Fokussierung bezeichneten, KA-Vor-Fokussierungsoptik 27 eine verbesserte Kontrolle der Strahlverteilung am Werkstück 42 in KA-Richtung erzielt. Eine derartige Lösung ist vorteilhaft, wenn mit einer 1D-ScannerKomponente nicht nur in LA- sondern auch gleichzeitig in KA-Richtung gescannt werden soll, wie z.B. für eine Bearbeitung unter Relativbewegung zwischen der optischen Anordnung 10 und dem Werkstück 42. Die KA- und LA-Formung können in einer zusammenfallenden, weiteren Fernfeldregion zusammengefasst sein, wie hier anhand der gemeinsamen Strahlformeroptik 21 beispielhaft gezeigt ist. Die KA-Relayoptik 24 dient zur Skalierung der KA-Strahlform unabhängig von der LA-Strahlform.
6 zeigt eine weitere Alternative der optischen Anordnung 10, bei welcher ebenfalls die Fernfeld-Regionen für die LA-und KA-Richtung teilweise überlappen, und eine gemeinsame Scannerkomponente 34, also LA-und-KA-Scannerkomponente 34 in der Überlappregion angeordnet ist, die also nicht nur in die LA-Richtung, sondern auch in die KA-Richtung scannen kann. Der Scannerkomponente 34 vorgeschaltet ist in der Überlappregion zusätzlich eine KA- und LA-Formung durch die gemeinsame Strahlformeroptik 21 zusammengefasst, wie schon in der optischen Anordnung 10 von 5. Die KA-Relayoptik 24 dient der Skalierung der KA-Strahlform unabhängig von der LA-Strahlform. Alternativ kann diese Skalierung zwischen den Achsen auch durch eine LA-Relayoptik oder eine Kombination aus KA- und LA-Relayoptik erfolgen. Es ist, anderes als in dieser Darstellung nahegelegt, auch möglich eine astigmatische Relayoptik einzusetzen, deren Vorzugsrichtung von der KA- oder LA-Richtung abweicht.
7 zeigt den Strahlengang 2 für eine Abwandlung der optischen Anordnung 10 der 6. Durch die Überlagerung der KA- und LA-Fernfeldregionen an der hier beispielhaft als Polygonscanner ausgebildeten Scannerkomponente 34 kann durch Verkippung der Rotationsachse ein Scannen in KA- und LA Richtung auf dem Werkstück 42 realisiert werden. Zur Unterstützung der KA-Kontrolle kommt hier jedoch an Stelle der KA-Vor-Fokussierungsoptik 27 der optischen Anordnung 10 der 6 eine der Scannerkomponente 34 nachgeordnete KA-Relayoptik 24 in Form einer KA-4f-Relayoptik zum Einsatz. Es erfolgen eine telezentrische Post-Scanner-KA-Fokussierung mit der Brennweite fKA und eine telezentrische Pre-Scanner-LA-Fokussierung mit der Brennweite fLA.
8 zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsanlage 100 zur Bearbeitung des Werkstücks 42 auf der Arbeitsregion 40 mittels des linienartigen Ausgangslaserstrahls 3 der optischen Anordnung 10 in der Laserbearbeitungsanlage 100. Die Laserbearbeitungsanlage 100 weist dabei eine Laserstrahlquelle 50, beispielweise eine Ultrakurzpuls-Laserstrahlquelle auf, welche an der optischen Anordnung 10 den Eingangslaserstrahl 1 bereitstellt, welcher in den Ausgangslaserstrahl 3 umgewandelt wird und mittels der optischen Anordnung 10 auf das Werkstück 42 ausgerichtet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019028064 A1 [0002]

Claims

Optische Anordnung (10) für eine Laserbearbeitungsanlage (100) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (1) in einen Ausgangslaserstrahl (3), welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und welcher in einer Arbeitsregion (40) einen entlang einer langen Achse (LA) der optischen Anordnung (10) ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist, wobei die optische Anordnung (10) aufweist: - eine LA-Fokussierungsoptik (34) zur Fokussierung eines Strahlengangs (2) innerhalb der optischen Anordnung (10) zwischen dem Eingangslaserstrahl (1) und dem Ausgangslaserstrahl (3) entlang der langen Achse (LA), - eine Scannerkomponente (36) zum Scannen des Strahlengangs (2) mindestens mit einer Scanrichtungskomponente entlang der langen Achse (LA), - einer KA-Strahlformeroptik (22) zum Strahlformen des Strahlengangs (2) entlang einer senkrecht zur langen Achse (LA) verlaufenden kurzen Achse (KA) der optischen Anordnung (10), - eine KA-Fokussierungsoptik (28) zur Fokussierung des Strahlengangs (2) entlang der kurzen Achse (KA), und - eine KA-Relayoptik (24) zur Abbildung des Strahlengangs (2) in einer KA-Fernfeldregion innerhalb der optischen Anordnung (10) entlang der kurzen Achse (KA).
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die KA-Relayoptik (24) im Strahlengang hinter der KA-Strahlformeroptik (22) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die KA-Fokussierungsoptik (28) im Strahlengang (2) hinter der KA-Relayoptik (24) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die KA-Fokussierungsoptik (28) im Strahlengang (2) hinter der Scannerkomponente (36) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die KA-Strahlformeroptik (22) im Strahlengang (2) vor der Scannerkomponente (36) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die LA-Fokussierungsoptik (34) im Strahlengang (2) hinter der Scannerkomponente (36) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die LA-Fokussierungsoptik (34) im Strahlengang (2) vor der Scannerkomponente (36) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die optische Anordnung (10) ferner eine LA-Strahlformeroptik (32) zum Strahlformen des Strahlengangs (2) entlang der langen Achse (LA) aufweist.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 8, wobei die LA-Strahlformeroptik (32) im Strahlengang (2) vor der Scannerkomponente (36) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die LA-Strahlformeroptik (32) und die KA-Strahlformeroptik (22) als eine gemeinsame Strahlformeroptik (21) zusammengefasst sind.
Optische Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Scannerkomponente (36) im Strahlengang (2) der KA-Relayoptik (24) angeordnet ist.
Optische Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die LA-Fokussierungsoptik (34) und/oder die KA-Fokussierungsoptik (28) zur telezentrischen Fokussierung des Strahlengangs (2) eingerichtet sind.
Optische Anordnung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die KA-Fokussierungsoptik (28) eine Linienoptik ist, wobei insbesondere eine Länge der Linienoptik entlang der langen Achse (LA) eine Brennweite der KA-Fokussierung mindestens um einen Faktor von 2 übersteigt und/oder das nutzbare LA-Arbeitsfeld das KA-Arbeitsfeld mindestens um einen Faktor von 2 übersteigt.
Optische Anordnung (10) nach Anspruch 13, wobei die Linienoptik als eine refraktive Optik, reflektive Optik, diffraktive Optik, Geometric-Phase-Optik oder Kombination der vorgenannten ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsanlage (100) zur Bearbeitung eines Werkstücks (42) mittels eines Ausgangslaserstrahls (3), wobei die Laserbearbeitungsanlage (100) eine Laserstrahlquelle (50) zur Erzeugung eines Eingangslaserstrahls (1) und eine optische Anordnung (10) zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls (1) in einen Ausgangslaserstrahl (3) zur Bearbeitung des Werkstücks (42) aufweist, wobei die optische Anordnung (10) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildet ist.