DE102022130022A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), welches ein transparentes Material (102) aufweist, bei dem ein Eingangslaserstrahl (108) mittels eines Strahlteilungselements (106) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (116) aufgeteilt wird, aus dem Strahlteilungselement (106) ausgekoppelte Teilstrahlen (116) fokussiert werden, wobei durch Fokussierung der Teilstrahlen (116) mehrere Fokuselemente (120) ausgebildet werden, das Material (102) des Werkstücks (104) zur Laserbearbeitung mit den Fokuselementen (120) beaufschlagt wird und die Fokuselemente (120) relativ zu dem Material (102) in eine Vorschubrichtung (126) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120a) in einer ersten Ebene (141a) und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120b) in mindestens einer weiteren Ebene (141b) angeordnet ist, wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) parallel zur Vorschubrichtung (126) beabstandet sind und wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) senkrecht zur Vorschubrichtung (126) orientiert sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, welches ein transparentes Material aufweist, bei dem ein Eingangslaserstrahl mittels eines Strahlteilungselements in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird, aus dem Strahlteilungselement ausgekoppelte Teilstrahlen fokussiert werden, wobei durch Fokussierung der Teilstrahlen mehrere Fokuselemente ausgebildet werden, das Material des Werkstücks zur Laserbearbeitung mit den Fokuselementen beaufschlagt wird und die Fokuselemente relativ zu dem Material in eine Vorschubrichtung bewegt werden.
• Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, welches ein transparentes Material aufweist, umfassend ein Strahlteilungselement zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen, eine Fokussieroptik zur Fokussierung von aus dem Strahlteilungselement ausgekoppelten Teilstrahlen, wobei durch die Fokussierung der Teilstrahlen mehrere Fokuselemente zur Laserbearbeitung des Werkstücks ausgebildet werden, und eine Vorschubeinrichtung zur Durchführung einer Relativbewegung der Fokuselemente relativ zu dem Material des Werkstücks in eine Vorschubrichtung.
• Aus der WO 2022/167254 A1 und der WO 2022/167257 A1 sind jeweils Verfahren und Vorrichtungen zur Laserbearbeitung eines transparenten Werkstücks bekannt, wobei das Werkstück zur Laserbearbeitung mit einer Vielzahl von Fokuselementen beaufschlagt wird.
• Aus der DE 10 2014 116 958 A1 ist ein diffraktives optisches Strahlformungselement zur Aufprägung eines Phasenverlaufs auf einen zur Laserbearbeitung eines für den Laserstrahl weitgehend transparenten Materials vorgesehenen Laserstrahl mit einer Phasenmaske bekannt, die zur Aufprägung einer Mehrzahl von strahlformenden Phasenverläufen auf den die Phasenmaske fallenden Laserstrahl ausgebildet ist, wobei mindestens einem der Mehrzahl von strahlformenden Phasenverläufe ein virtuelles optisches Bild zugeordnet ist, das in mindestens eine langgezogene Fokuszone zum Ausbilden einer Modifikation im zu bearbeitenden Material abbildbar ist.
• Aus der EP 3 597 353 A1 ist ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels einer langgezogenen Fokuszone eines Laserstrahls bekannt.
• Aus der JP 2020 004 889 A ist ein Verfahren zum Trennen und insbesondere Abschrägen eines transparenten Materials bekannt, wobei mittels eines Spatial Light Modulators eine Mehrzahl von Fokuspunkten zur Laserbearbeitung des Materials erzeugt werden.
• Aus der US 2020/0147729 A1 und der US 2020/0361037 A1 sind jeweils Verfahren zur Ausbildung eines abgeschrägten Kantenbereichs an einem transparenten Material mittels eines Laserstrahls bekannt.
• Aus der WO 2016/089799 A1 ist ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels mehrerer paralleler nichtbeugender Laserstrahlen bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren und eine eingangs genannte Vorrichtung bereitzustellen, mittels welchen sich Materialmodifikationen im Material des Werkstücks ausbilden lassen, die eine Trennung des Materials mit einer verbesserten Qualität und insbesondere einer verringerten Rauheit an der Trennfläche ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente in einer ersten Ebene und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente in mindestens einer weiteren Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene und die mindestens eine weitere Ebene parallel zur Vorschubrichtung beabstandet sind und wobei die erste Ebene und die mindestens eine weitere Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung orientiert sind.
• Bei der Laserbearbeitung des Werkstücks mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Materialmodifikationen im Material des Werkstücks ausgebildet, welche insbesondere eine Trennung des Materials ermöglichen.
• Durch die Anordnung von Fokuselementen sowohl in der ersten Ebene als auch in der mindestens einen weiteren Ebene lässt sich ein senkrecht zur Vorschubrichtung orientierter effektiver Abstand der Fokuselemente verringern. Dadurch lassen sich im Material des Werkstücks zueinander benachbarte Materialmodifikationen mit einem besonders geringen Abstand ausbilden, wodurch wiederum eine Dichte der im Material ausgebildeten Materialmodifikationen erhöht wird. Es lässt sich dadurch die Trennbarkeit des Materials verbessern. Zudem lässt sich die Qualität einer sich bei Trennung des Materials ergebenden Trennfläche erhöhen, wobei sich die Trennfläche insbesondere mit einer verringerten Rauheit und/oder vergrößerten Glattheit ausführen lässt. Dadurch ergibt sich nach erfolgter Trennung eine erhöhte Kantenstabilität des Materials des Werkstücks an der Trennfläche.
• Falls ein realer Abstand der zueinander benachbarten Fokuselemente zu gering wird, können sich hieraus unerwünschte Interferenzeffekte zwischen benachbarten Fokuselementen ergeben, welche beispielsweise Schwebungseffekte in der Intensität der Fokuselemente zur Folge haben können. Dies kann eine Kontrollierbarkeit der Ausbildung der Materialmodifikationen erschweren und insbesondere eine Ausbildung gleichartiger Materialmodifikationen erschweren. Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die Fokuselemente zur Ausbildung der Materialmodifikationen in Vorschubrichtung „versetzt“ angeordnet, wodurch sich bei einem hinreichend großen realen Abstand der Fokuselemente ein deutlich verringerter effektiver Abstand ergibt.
• Unter dem Abstand oder realen Abstand zwischen Fokuselementen ist der tatsächliche Abstand zwischen dieser Fokuselementen im dreidimensionalen Raum zu verstehen. Unter dem effektiven Abstand zwischen den Fokuselementen ist der Abstand von senkrechten Projektionen der Fokuselemente in eine zur Vorschubrichtung senkrecht orientierte Projektionsebene zu verstehen.
• Unter einer räumlichen Position und/oder Anordnung eines bestimmten Fokuselements ist insbesondere diejenige seines Mittelpunkts und/oder Schwerpunkts innerhalb des Materials zu verstehen. Insbesondere sind der Abstand und der effektive Abstand auf die entsprechenden Mittelpunkte der Fokuselemente im Material bezogen, d.h. es handelt sich um Mittel punktsabstände.
• Durch Relativbewegung der in der ersten Ebene und der mindestens einen weiteren Ebene angeordneten Fokuselemente bezüglich des Materials in Vorschubrichtung werden zumindest in Abschnitten des Materials Materialmodifikationen ausgebildet, welche mit dem effektiven Abstand beabstandet sind.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Materialmodifikationen insbesondere derart ausbilden, dass sich zueinander benachbarte Materialmodifikationen im Material überlappen. Es ergibt sich dadurch insbesondere eine Rissverbindung zwischen den benachbarten Materialmodifikationen, was eine besonders gute Trennbarkeit des Materials durch Ätzen oder thermische Beaufschlagung ermöglicht.
• Durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks zu einem bestimmten Zeitpunkt mit den Fokuselementen werden Materialmodifikationen ausgebildet, welche in dem Material an Positionen angeordnet sind, an welchen die Fokuselemente zu diesem Zeitpunkt im Material positioniert sind.
• Insbesondere liegen alle Fokuselemente, welche der ersten Ebene und/oder der mindestens einen weiteren Ebene zugeordnet sind, gleichzeitig vor.
• Beispielsweise können zwei oder mehr zur Vorschubrichtung senkrecht orientierte Ebenen vorgesehen sein, in denen jeweils eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente angeordnet ist. Die vorgesehenen Ebenen sind jeweils parallel zueinander orientiert und/oder zueinander in Vorschubrichtung beabstandet.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen der ersten Ebene und der mindestens einen weiteren Ebene mindestens 2 µm und/oder höchstens 200 µm beträgt. Beispielsweise beträgt der Abstand ca. 10 µm.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die ausgebildeten Fokuselemente derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente in einer zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Projektionsebene zumindest eine Teilmenge von der ersten Ebene zugeordneten Fokuselementen und der mindestens einen weiteren Ebene zugeordneten Fokuselementen in der Projektionsebene an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind. Es lässt sich dadurch ein effektiver Abstand benachbarter Fokuselemente verringern, sodass entsprechend ein Abstand von ausgebildeten benachbarten Materialmodifikationen verringert wird.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die ausgebildeten Fokuselemente derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente in einer zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Projektionsebene zumindest eine Teilmenge von der ersten Ebene zugeordneten Fokuselementen und der mindestens einen weiteren Ebene zugeordneten Fokuselementen in der Projektionsebene entlang einer Bearbeitungslinie positioniert sind, wobei durch Relativbewegung der Fokuselemente bezüglich des Materials in Vorschubrichtung im Material Materialmodifikationen ausgebildet werden, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind. Mittels der Bearbeitungslinie lässt sich insbesondere eine Kantengeometrie und/oder eine Querschnittsgeometrie einer durch Trennung des Materials an den Materialmodifikationen entstehenden Trennfläche definieren.
• Beispielsweise weist die mindestens eine Bearbeitungslinie eine Gesamtlänge zwischen 10 µm und 10000 µm und insbesondere zwischen 100 µm und 1000 µm und insbesondere zwischen 400 µm und 600 µm auf. Es lassen sich dadurch Werkstücke mit einer Dicke im genannten Bereich bearbeiten und insbesondere Trennen.
• Das Material des Werkstücks weist beispielsweise eine Dicke zwischen 10 µm und 10000 µm und vorzugsweise zwischen 100 µm und 1000 µm, beispielsweise ca. 500 µm, auf.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie über eine Dicke des Materials des Werkstücks und/oder über eine Dicke eines von dem Werkstück abzutrennenden Werkstücksegments räumlich durchgängig ausgebildet ist.
• Die Bearbeitungslinie ist nicht notwendigerweise räumlich zusammenhängend ausgebildet, sondern kann verschiedene räumlich getrennte Abschnitte aufweisen. Insbesondere kann die Bearbeitungslinie Unterbrechungen aufweisen, in denen keine Fokuselemente angeordnet sind.
• Insbesondere werden durch die Relativbewegung der Fokuselemente im Material Materialmodifikationen entlang einer mit der Bearbeitungslinie korrespondierenden Bearbeitungsfläche ausgebildet. Die Materialmodifikationen sind dann insbesondere bei Betrachtung in einem zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Querschnitt durch die Bearbeitungsfläche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet. Nach erfolgter Trennung des Werkstücks an den entlang der Bearbeitungsfläche angeordneten Materialmodifikationen korrespondiert dann insbesondere eine Form und/oder Querschnittsform der bei der Trennung ausgebildeten Trennfläche mit einer Form und/oder Querschnittsform der (früheren) Bearbeitungsfläche.
• Vorteilhaft kann es sein, wenn benachbarte Fokuselemente, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, in der Projektionsebene einen effektiven Abstand von mindestens 2 µm und/oder höchstens 200 µm aufweisen. Es lässt sich dadurch die Trennfläche mit besonders hoher Qualität und/oder verringerter Rauheit ausführen.
• Unter den entlang der Bearbeitungslinie angeordneten und/oder in der Projektionsebene betrachteten Fokuselementen sind die Fokuselemente zu verstehen, welche der ersten Ebene und der mindestens einen weiteren Ebene zugeordnet sind.
• Insbesondere entspricht der effektive Abstand der Fokuselemente entlang der Bearbeitungslinie zumindest näherungsweise einem Abstand von Materialmodifikationen, welche an der mit der Bearbeitungslinie korrespondierenden Bearbeitungsfläche ausgebildet sind und in einem zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Querschnitt durch die Bearbeitungsfläche positioniert sind.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein effektiver Abstand von entlang der Bearbeitungslinie angeordneten benachbarten Fokuselementen in der Projektionsebene und/oder eine Intensität der Fokuselemente so gewählt ist, dass durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen und Relativbewegung der Fokuselemente bezüglich des Materials in Vorschubrichtung im Material Materialmodifikationen ausgebildet werden, welche eine Trennung des Materials ermöglichen.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zumindest eine Teilmenge von benachbarten Fokuselementen, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, in der Projektionsebene zumindest näherungsweise mit einem gleichen effektiven Abstand zueinander beabstandet sind.
• Vorteilhaft kann es sein, dass zumindest eine Teilmenge von zueinander benachbarten Fokuselementen, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, mit einem effektiven Abstand beabstandet sind, wobei der effektive Abstand eine von Null verschiedene effektive Abstandskomponente aufweist, welche parallel zu einer Dickenrichtung des Werkstücks orientiert ist, und/oder eine von Null verschiedene weitere effektive Abstandskomponente aufweist, welche senkrecht zur Dickenrichtung des Werkstücks orientiert ist. Es lässt sich dadurch beispielsweise ein senkrechter Schnitt an dem Werkstück ausführen oder es lässt das Werkstück unter einem bestimmten Winkel anfasen.
• Unter der Dickenrichtung des Werkstücks ist insbesondere eine Richtung zu verstehen, welche quer und insbesondere senkrecht zu einer Außenseite des Werkstücks orientiert ist, durch welche die Fokuselemente und/oder ein Laserstrahl zur Ausbildung der Fokuselemente in das Material eingekoppelt werden.
• Die Dickenrichtung ist insbesondere quer oder senkrecht zu einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zumindest eine Teilmenge von zueinander benachbarten Fokuselementen, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, mit einem effektiven Abstand beabstandet sind, wobei der effektive Abstand eine von Null verschiedene effektive Abstandskomponente aufweist, welche parallel zu einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert ist, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, und/oder dass zumindest eine Teilmenge von zueinander benachbarten Fokuselementen, welche entlang der Bearbeitungslinie angeordnet sind, mit einem effektiven Abstand beabstandet sind, wobei der effektive Abstand eine von Null verschiedene effektive Abstandskomponente aufweist, welche senkrecht zu einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert ist, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind.
• Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn ein Anstellwinkel zwischen der Bearbeitungslinie und einer Außenseite des Werkstücks, durch welche die Fokuselemente zur Laserbearbeitung in das Material des Werkstücks eingekoppelt werden, zumindest abschnittsweise mindestens 1° und/oder höchstens 90° und insbesondere höchstens 89° beträgt. Je nach Wahl des Anstellwinkels lässt sich dadurch beispielsweise ein senkrechter Schnitt an dem Werkstück ausführen oder es lässt das Werkstück unter einem bestimmten Winkel anfasen.
• Darunter, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise einen bestimmten Anstellwinkel bzw. Anstellwinkelbereich aufweist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Bearbeitungslinie zumindest einen Abschnitt mit diesem Anstellwinkel bzw. Anstellwinkelbereich aufweist.
• Insbesondere kann der Anstellwinkel mindestens 10° und/oder höchstens 80°, bevorzugt mindestens 30° und/oder höchstens 60°, besonders bevorzugt mindestens 40° und/oder höchstens 50°, betragen.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, der Anstellwinkel der Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise konstant ist, und/oder dass die Bearbeitungslinie mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Anstellwinkeln aufweist.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise eine Gerade ist, und/oder dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise eine Kurve ist.
• Durch Ausführung der Bearbeitungslinie als Kurve lassen sich beispielsweise abgerundete Segmente von dem Werkstück abtrennen. Dadurch lassen sich beispielsweise abgerundete Kanten erzeugen.
• Bei Ausführung der Bearbeitungslinie als Kurve ist der Bearbeitungslinie beispielsweise ein bestimmter Anstellwinkelbereich zugeordnet, welchen die Bearbeitungslinie bezüglich der Außenseite des Werkstücks aufweist.
• Vorteilhaft kann es sein, wenn die ausgebildeten Fokuselemente derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente in einer zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Projektionsebene zwischen zueinander benachbarten Fokuselementen, welche der ersten Ebene zugeordnet sind, jeweils Lücken ausgebildet sind, wobei der mindestens einen weiteren Ebene zugeordnete Fokuselemente vorhanden sind, welche in den Lücken angeordnet sind. Es lässt sich dadurch ein effektiver Abstand benachbarter Fokuselemente verringern und/oder eine Dichte von im Material ausgebildeten Materialmodifikationen erhöhen.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zueinander benachbarter Fokuselemente, welche der ersten Ebene zugeordnet sind, mindestens 3 µm und/oder höchstens 70 µm und insbesondere mindestens 5 µm und/oder höchstens 10 µm beträgt.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zueinander benachbarter Fokuselemente, welche der mindestens einen weiteren Ebene zugeordnet sind, mindestens 3 µm und/oder höchstens 70 µm und insbesondere mindestens 5 µm und/oder höchstens 10 µm beträgt.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls mittels des Strahlteilungselements durch Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt oder eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls umfasst. Es lassen sich dadurch die Fokuselemente beispielsweise als Kopien zueinander ausbilden. Insbesondere lassen sich dadurch die Fokuselemente auf technisch einfache Weise an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Abständen in das Material des Werkstücks einbringen.
• Es kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls ausschließlich durch Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt.
• Insbesondere erfolgt die Phasenaufprägung in transversaler Richtung des Eingangslaserstrahls. Die transversale Richtung liegt in einer zur Strahlausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls senkrecht orientierten Ebene.
• Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls mittels des Strahlteilungselements durch Polarisationsstrahlteilung erfolgt oder eine Polarisationsstrahlteilung umfasst. Dann lassen sich beispielsweise zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Es lässt sich dadurch insbesondere eine Interferenz zueinander benachbarter Fokuselemente verhindern, wodurch diese mit einem besonders geringen Abstand zueinander angeordnet werden können.
• Es ist grundsätzlich möglich, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls sowohl mittels Phasenaufprägung als auch mittels Polarisationsstrahlteilung erfolgt.
• Insbesondere ist der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl. Durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen werden dadurch insbesondere Laserpulse und insbesondere ultrakurze Laserpulse in das Material eingebracht.
• 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 bzw. Hohlraum. Der Typ einer mittels eines bestimmten Fokuselements erzeugten Materialmodifikation hängt von Laserparametern des Laserstrahls, aus welchem das entsprechende Fokuselement gebildet ist, wie z.B. der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Laserstrahls ab. Weiter hängt der Modifikationstyp von den Eigenschaften des Materials ab, wie unter anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials, sowie von der bei der Fokussierung des Laserstrahls in das entsprechende Fokuselement verwendeten numerischen Apertur (NA).
• Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im vom Fokuselement erfassten Volumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf als in den nicht modifizierten Bereichen.
• Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen einem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher.
• Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können insbesondere 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), bzw. 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 regelmäßig zu einer spontanen Rissbildung führen oder eine Rissbildung begünstigen.
• Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern bzw. eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte.
• 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. 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.
• Vorteilhaft kann es sein, wenn durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit den Fokuselementen Materialmodifikationen in dem Material ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen mit einer Rissbildung des Materials einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen Typ-III-Materialmodifikationen sind. Insbesondere lässt sich mittels dieser Materialmodifikationen einen Trennung des Materials realisieren.
• Günstig kann es sein, wenn durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit den Fokuselementen Materialmodifikationen in dem Material ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen Typ-I-Materialmodifikationen und/oder Typ-II-Materialmodifikationen sind. Insbesondere lässt sich mittels dieser Materialmodifikationen einen Trennung des Materials realisieren.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material des Werkstücks nach erfolgter Laserbearbeitung trennbar ist oder getrennt wird, wobei es insbesondere vorgesehen sein kann, dass das Material an einer Bearbeitungsfläche, an welcher mittels der Laserbearbeitung Materialmodifikationen ausgebildet wurden, trennbar ist oder getrennt wird.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material des Werkstücks durch Ausübung einer thermischen Beaufschlagung und/oder einer mechanischen Spannung und/oder durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung trennbar ist oder getrennt wird. Beispielsweise erfolgt das Ätzen in einem ultraschallunterstützten Ätzbad. Die thermische Beaufschlagung kann beispielsweise mittels eines CO₂-Laser erfolgen.
• Erfindungsgemäß ist es bei der eingangs genannten Vorrichtung vorgesehen, dass das Strahlteilungselement und die Fokussieroptik dazu eingerichtet sind, die Fokuselemente derart anzuordnen, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente in einer ersten Ebene und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente in mindestens einer weiteren Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene und die mindestens eine weitere Ebene parallel zur Vorschubrichtung beabstandet sind und wobei die erste Ebene und die mindestens eine weitere Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung orientiert sind.
• Insbesondere weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
• Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführbar oder das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt.
• Vorteilhaft kann es sein, wenn das Strahlteilungselement als 3D-Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein 3D-Strahlteilungselement umfasst. Dann kann es vorgesehen sein, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls durch Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls und insbesondere ausschließlich durch Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt.
• Günstig kann es sein, wenn das Strahlteilungselement als Polarisations-Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst.
• Beispielsweise umfasst das Strahlteilungselement mehrere Komponenten und/oder Funktionalitäten. Es kann vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement sowohl ein 3D-Strahlteilungselement als auch ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst.
• Insbesondere umfasst die Vorrichtung eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung des Eingangslaserstrahls, wobei der Eingangslaserstrahl insbesondere ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist.
• Unter einem transparenten Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, durch welches mindestens 70 % und insbesondere mindestens 80 % und insbesondere mindestens 90 % einer Laserenergie des Eingangslaserstrahls und/oder einer Laserenergie eines Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, transmittiert wird.
• Insbesondere ist unter einem Fokuselement ein Strahlungsbereich mit einer bestimmten räumlichen Ausdehnung und Intensitätsverteilung zu verstehen. Zur Bestimmung von räumlichen Dimensionen eines bestimmten Fokuselements, wie z.B. eines Durchmessers des Fokuselements, werden nur Intensitätswerte der Intensitätsverteilung betrachtet, welche oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle liegen. Die Intensitätsschwelle wird hierbei beispielsweise so gewählt, dass unterhalb dieser Intensitätsschwelle liegende Werte eine derart geringe Intensität aufweisen, sodass diese für eine Wechselwirkung mit dem Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen nicht mehr relevant sind. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 50% eines globalen Intensitätsmaximums des Fokuselements.
• Insbesondere ist einem bestimmten Fokuselement jeweils ein räumlicher Wechselwirkungsbereich zugeordnet, in welchem das Fokuselement mit dem Material des Werkstücks wechselwirkt, wenn es in dieses eingebracht wird.
• Insbesondere wechselwirken die in das Material eingebrachten Fokuselemente mit dem Material durch nichtlineare Absorption. Insbesondere werden mittels den Fokuselementen Materialmodifikationen im Material aufgrund nichtlinearer Absorption ausgebildet.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die jeweiligen Fokuselemente gemäß der vorstehenden Definition eine maximale räumliche Ausdehnung von mindestens 0,5 µm und/oder höchstens 30 µm, bevorzugt mindestens 2 µm und/oder höchstens 10 µm, aufweisen. Insbesondere beträgt eine maximale räumliche Ausdehnung eines einem bestimmten Fokuselement zugeordneten Wechselwirkungsbereichs mit dem Material des Werkstücks mindestens 0,5 µm und/oder höchstens 30 µm, und vorzugsweise mindestens 2 µm und/oder höchstens 10 µm.
• Unter der maximalen räumlichen Ausdehnung eines bestimmten Fokuselements ist insbesondere die größte räumliche Ausdehnung des Fokuselements in einer beliebigen Raumrichtung zu verstehen.
• Insbesondere ist eine jeweilige maximale räumliche Ausdehnung der Fokuselemente kleiner als 20% und bevorzugt kleiner als 10 % und besonders bevorzugt kleiner als 5 % einer Dicke des Materials.
• Insbesondere weisen die Fokuselemente ein beugendes Strahlprofil auf. Insbesondere sind die Fokuselemente beugungsbegrenzt ausgebildet.
• Beispielsweise weist ein bestimmtes Fokuselement eine gaußförmige Form und/oder ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf.
• Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, ein beugendes Strahlprofil und/oder ein gaußförmiges Strahlprofil auf.
• Beispielsweise beträgt eine Wellenlänge des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, mindestens 300 nm und/oder höchstens 1500 nm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 515 nm oder 1030 nm.
• Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder der Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, eine mittlere Leistung von mindestens 1W bis 1kW auf. Beispielsweise umfasst der Laserstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 10 µJ und/oder höchstens 50 mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl Einzelpulse oder Bursts umfasst, wobei die Bursts 2 bis 20 Subpulse und insbesondere einen zeitlichen Abstand von näherungsweise 20ns aufweisen.
• Unter der Angabe „zumindest eine Teilmenge der Fokuselemente“ kann entweder eine Teilmenge der Fokuselemente oder eine Gesamtmenge der Fokuselemente, d.h. alle Fokuselemente, zu verstehen sein.
• Insbesondere ist unter den Angaben „zumindest näherungsweise“ oder „näherungsweise“ im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben „zumindest näherungsweise“ oder „näherungsweise“ insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
• Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks;
• 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Materials des Werkstücks, in welchem das Material zur Laserbearbeitung mit mehreren Fokuselementen beaufschlagt wird;
• 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts des Werkstücks, in welchem durch Beaufschlagung des Werkstücks mit Fokuselementen Materialmodifikationen erzeugt wurden, welche mit einer Rissbildung des Materials einhergehen;
• 4 eine Anordnung von zur Laserbearbeitung des Werkstücks ausgebildeten Fokuselementen, wobei eine Projektion der Fokuselemente in eine zur Vorschubrichtung senkrecht orientierte Projektionsebene gezeigt ist;
• 5a eine Anordnung von zur Laserbearbeitung des Werkstücks ausgebildeten Fokuselementen in einem parallel zur Vorschubrichtung und zur Dickenrichtung des Werkstücks orientierten Querschnitt;
• 5b die Fokuselemente gemäß 5a in einem parallel zur Vorschubrichtung und senkrecht zur Dickenrichtung des Werkstücks orientierten Querschnitt;
• 6 die Fokuselemente gemäß 5a und 5b in einer perspektivischen Darstellung;
• 7a eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung von Fokuselementen zur Laserbearbeitung des Werkstücks, wobei zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit einem Abstand von ca. 17,5 µm beabstandet sind;
• 7b eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung von Fokuselementen zur Laserbearbeitung des Werkstücks, wobei zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit einem Abstand von ca. 8,0 µm beabstandet sind;
• 8a eine schematische perspektivische Darstellung eines Werkstücks mit daran ausgebildeten Materialmodifikationen, welche sich entlang einer Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche erstecken; und
• 8b eine schematische perspektivische Darstellung von zwei Werkstücksegmenten, welche durch Trennung des Werkstücks gemäß 8a entlang der Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche gebildet sind.
• Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks ist in 1 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 100 lassen sich in einem Material 102 des Werkstücks 104 lokalisierte Materialmodifikationen, wie beispielsweise Fehlstellen im Submikrometerbereich oder atomaren Bereich, erzeugen, welche eine Materialschwächung zur Folge haben. An diesen Materialmodifikationen lässt sich das Werkstück 104 trennen, wobei sich beispielsweise ein Werkstücksegment von dem Werkstück 104 abtrennen lässt.
• Insbesondere können mittels der Vorrichtung 100 Materialmodifikationen unter einem Anstellwinkel in das Material 102 eingebracht werden, sodass sich durch Abtrennung eines Werkstücksegments von dem Werkstück 104 ein Kantenbereich des Werkstücks 104 anfasen oder abschrägen lässt.
• Die Vorrichtung umfasst ein Strahlteilungselement 106, in welches ein insbesondere kollimierter Eingangslaserstrahl 108 eingekoppelt wird. Dieser Eingangslaserstrahl 108 wird mittels einer Laserstrahlquelle 110 bereitgestellt.
• Insbesondere ist der Eingangslaserstrahl 108 ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl.
• Es kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahlquelle 110 eine Hohlkernfaser (nicht gezeigt) umfasst, aus welcher ein mittels der Laserstrahlquelle ausgebildeter Laserstrahl austritt. Dieser Laserstrahl wird dann beispielsweise mittels einer Kollimationsoptik (nicht gezeigt) der Laserstrahlquelle 110 kollimiert, um den kollimierten Eingangslaserstrahl 108 auszubilden.
• Unter dem Eingangslaserstrahl 108 ist insbesondere ein Strahlenbündel zu verstehen, welches eine Mehrzahl insbesondere parallel verlaufender Strahlen umfasst. Der Eingangslaserstrahl 108 weist insbesondere einen transversalen Strahlquerschnitt 112 und/oder eine transversale Strahlausdehnung auf, mit welchem bzw. welcher der Eingangslaserstrahl 108 auf das Strahlteilungselement 106 trifft. Der auf das Strahlteilungselement 106 treffende Eingangslaserstrahl 108 weist insbesondere zumindest näherungsweise ebene Wellenfronten 114 auf.
• Mittels des Strahlteilungselements 106 wird der Eingangslaserstrahl 108 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündeln aufgeteilt. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind zwei voneinander verschiedene Teilstrahlen 116a und 116b angedeutet.
• Insbesondere ist das Strahlteilungselement 106 als Fernfeldstrahlformungselement ausgebildet. Die aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündel weisen insbesondere ein divergentes Strahlprofil auf und/oder breiten sich kugelwellenartig aus.
• Zur Fokussierung der aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 umfasst die Vorrichtung 100 eine Fokussieroptik 118, in welche die Teilstrahlen 116 eingekoppelt werden. Die Fokussieroptik 118 weist beispielsweise ein oder mehrere Linsenelemente auf. Beispielsweise ist die Fokussieroptik 118 als Mikroskopobjektiv ausgebildet.
• Beispielsweise weist die Fokussieroptik 118 eine Brennweite zwischen 5 mm und 50 mm auf.
• Das Strahlteilungselement 106 ist insbesondere zumindest näherungsweise in einer rückseitigen Brennebene der Fokussieroptik 118 angeordnet.
• Insbesondere treffen voneinander verschiedene Teilstrahlen 116 mit einem Ortsversatz und/oder Winkelversatz auf die Fokussieroptik 118. Diese Teilstrahlen 116 werden mittels der Fokussieroptik 118 fokussiert, sodass mehrere Fokuselemente 120 ausgebildet werden, welche jeweils an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind. Es ist grundsätzlich möglich, dass sich zueinander benachbarte Fokuselemente abschnittsweise räumlich überlappen.
• Beispielsweise sind einem bestimmten Fokuselement 120 jeweils ein oder mehrere Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündel zugeordnet. Beispielsweise wird ein jeweiliges Fokuselement 120 durch Fokussierung ein oder mehrerer Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündel ausgebildet.
• Unter einem Fokuselement 120 ist insbesondere ein fokussierter Strahlungsbereich zu verstehen, wie z.B. ein Fokusspot und/oder ein Fokuspunkt. Insbesondere weisen die Fokuselemente 120 jeweils eine bestimmte geometrische Form und/oder ein bestimmtes Intensitätsprofil auf, wobei unter der geometrischen Form beispielsweise eine räumliche Form und/oder räumliche Ausdehnung des jeweiligen Fokuselements 120 zu verstehen ist.
• Die geometrische Form und/oder das Intensitätsprofil eines bestimmten Fokuselements 120 wird im Folgenden als Fokusverteilung 121 des Fokuselements 120 bezeichnet. Die Fokusverteilung 121 ist eine Eigenschaft der jeweiligen Fokuselemente 120 und beschreibt deren jeweilige Form und/oder Intensitätsprofil. Insbesondere weisen mehrere Fokuselemente 120 oder alle ausgebildeten Fokuselemente 120 dieselbe Fokusverteilung auf.
• Die Fokusverteilung der ausgebildeten Fokuselemente 120 wird durch den Eingangslaserstrahl 108 definiert, durch dessen Aufteilung mittels des Strahlteilungselements 106 die Fokuselemente 120 ausgebildet werden. Würde der Eingangslaserstrahl 108 vor dessen Einkopplung in das Strahlteilungselement 106 fokussiert werden, so würde ein einziges Fokuselement mit der dem Eingangslaserstrahl 108 zugeordneten Fokusverteilung ausgebildet werden.
• Beispielsweise weist der Eingangslaserstrahl 108, wenn dieser z.B. mittels der Laserstrahlquelle 110 bereitgestellt wird, ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 würde in diesem Fall ein Fokuselement ausgebildet werden, welches eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil aufweist.
• Alternativ hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass dem Eingangslaserstrahl 108 ein Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, sodass durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 ein Fokuselement ausgebildet werden würde, welches eine Fokusverteilung mit Bessel-artiger Form und/oder Bessel-artigem Intensitätsprofil aufweist.
• Den durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels des Strahlteilungselements 106 ausgebildeten Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündeln ist die Fokusverteilung des Eingangslaserstrahls 108 derart zugeordnet, dass durch Fokussierung der Teilstrahlen 116 die Fokuselemente 120 mit dieser Fokusverteilung und/oder mit einer auf dieser Fokusverteilung basierenden Fokusverteilung ausgebildet werden.
• Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weist der Eingangslaserstrahl 108 ein gaußförmiges Strahlprofil auf, d. h. dem Eingangslaserstrahl 108 ist eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil zugeordnet. Die Fokuselemente 120 weisen dann beispielsweise jeweils die Fokusverteilung 121 mit dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil oder mit einer auf dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil basierenden Form und/oder basierendem Intensitätsprofil auf (vgl. auch 5a und 5b).
• Falls dem Eingangslaserstrahl 108 beispielsweise ein Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, weisen die zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 jeweils eine Fokusverteilung 121 mit diesem Bessel-artigen Strahlprofil oder mit einem auf diesem Bessel-artigen Profil basierenden Strahlprofil auf. Die Fokuselemente 120 lassen sich dadurch beispielsweise jeweils mit einer Fokusverteilung ausbilden, welche eine längliche Form und/oder ein längliches Intensitätsprofil aufweist.
• Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 eine Strahlformungseinrichtung 122 zur Strahlformung des Eingangslaserstrahls 108 aufweist (angedeutet in 1). Beispielsweise ist diese Strahlformungseinrichtung 122 bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung 124 des Eingangslaserstrahls 108 vor dem Strahlteilungselement 106 angeordnet und/oder zwischen der Laserstrahlquelle 110 und dem Strahlteilungselement 106 angeordnet.
• Unter der Strahlausbreitungsrichtung ist insbesondere eine Haupt-Strahlausbreitungsrichtung und/oder eine mittlere Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls und/oder Strahlenbündels zu verstehen. Die Strahlausbreitungsrichtung entspricht insbesondere einer Richtung eines des Laserstrahls bzw. Strahlenbündels zugeordneten Poynting-Vektors.
• Mittels der Strahlformungseinrichtung 122 lässt sich dem Eingangslaserstrahl 108 ein bestimmtes Strahlprofil zuordnen, welches die Fokusverteilung 121 der Fokuselemente 120 definiert.
• Die Strahlformungseinrichtung 122 kann beispielsweise eingerichtet sein, um aus einem Laserstrahl mit gaußförmigem Strahlprofil einen Laserstrahl mit quasinichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil auszubilden. Hierzu ist oder umfasst die Strahlformungseinrichtung 122 beispielsweise ein Axiconelement.
• Der in das Strahlteilungselement 106 eingekoppelte Eingangslaserstrahl 108 weist dann das quasi-nichtbeugende und/oder Bessel-artige Strahlprofil auf. Entsprechend weisen dann die Fokuselemente 120 ebenfalls dieses quasi-nichtbeugende und/oder Bessel-artige Strahlprofil auf oder ein auf diesem Strahlprofil basierendes Strahlprofil auf.
• Hinsichtlich der Definition und der Realisierung quasi-nichtbeugender und/oder Bessel-artiger 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 sowie auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen „Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" von I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 37, No. 23 , 1. Dezember 2012 und „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams" von K. Chen et al., arXiv:1911.03103v1 [physics.optics], 8. November 2019, verwiesen.
• Durch Strahlteilung mittels des Strahlteilungselements 106 werden die Fokuselemente 120 insbesondere jeweils identisch zueinander ausgebildet und/oder jeweils als Kopien zueinander ausgebildet.
• Jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 ist eine bestimmte örtliche Position x₀, y₀, z₀ zugeordnet, an welcher ein jeweiliges Fokuselement 120 bezüglich dem Material 102 des Werkstücks 104 angeordnet ist (2). Beispielsweise ist unter der örtlichen Position eines Fokuselements 120 die Position seines räumlichen Mittelpunkts und/oder Schwerpunkts zu verstehen.
• Weiter ist insbesondere jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 eine bestimmte Intensität I zugeordnet. Mittels des Strahlteilungselements 106 lassen sich die örtliche Position x₀, y₀, z₀ und insbesondere auch die Intensität I der jeweiligen Fokuselemente 120 definieren.
• Insbesondere weisen mehrere oder alle zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 dieselbe Intensität I auf. Es ist allerdings auch möglich, dass mehrere der ausgebildeten Fokuselemente 120 unterschiedliche Intensitäten I aufweisen.
• Insbesondere lässt sich mittels des Strahlteilungselements 106 ein jeweiliger Abstand d und/oder ein jeweiliger Ortsversatz zwischen einander benachbarten Fokuselementen 120 komponentenweise in drei Raumrichtungen und/oder Raumdimensionen einstellen (bei dem in 1 gezeigten Beispiel in x-, y- und z-Richtung).
• Vorzugsweise ist das Strahlteilungselement 106 als 3D-Strahlteilungselement ausgebildet oder umfasst ein 3D-Strahlteilungselement. Die Fokuselemente 120 lassen sich dadurch beispielsweise derart ausbilden, dass diese jeweils identisch zueinander sind und/oder dass diese jeweils Kopien zueinander darstellen.
• Hinsichtlich der technischen Realisierung und Eigenschaften des als 3D-Strahlteilungselement ausgeführten Strahlteilungselements 106 wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung „Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing" von D. Flamm et al., arXiv:2012.10119v1 [physics.optics], 18. Dezember 2020, verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
• Zur Durchführung der Strahlteilung wird bei einer Ausführungsform des Strahlteilungselements 106, bei welcher das Strahlteilungselement 106 beispielsweise als 3D-Strahlteilungselement ausgeführt ist, auf den transversalen Strahlquerschnitt 112 des Eingangslaserstrahls 108 eine definierte transversale Phasenverteilung aufgeprägt. Unter einem transversalen Strahlquerschnitt bzw. einer transversalen Phasenverteilung ist insbesondere ein Strahlquerschnitt bzw. eine Phasenverteilung in einer zur Strahlausbreitungsrichtung 124 des Eingangslaserstrahls 108 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene zu verstehen.
• Die Fokuselemente 120 werden durch Interferenz der fokussierten Teilstrahlen 116 ausgebildet, wobei beispielsweise konstruktive Interferenz, destruktive Interferenz oder Zwischenfälle hiervon auftreten können, wie z.B. teilweise konstruktive oder destruktive Interferenz.
• Zur Ausbildung der Fokuselemente 120 an der jeweiligen Position x₀, y₀, z₀ und/oder mit dem jeweiligen Abstand d weist die mittels des Strahlteilungselements 106 aufgeprägte Phasenverteilung für jedes Fokuselement 120 einen bestimmten optischen Gitteranteil und/oder optischen Linsenanteil auf.
• Aufgrund des optischen Gitteranteils ergibt sich nach Fokussierung der Teilstrahlen 116 ein entsprechender Ortsversatz der ausgebildeten Fokuselemente 120 in einer ersten Raumrichtung und/oder zweiten Raumrichtung, z.B. in der x- und/oder y-Richtung. Aufgrund des optischen Linsenanteils treffen Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündel mit unterschiedlichen Winkeln bzw. unterschiedlicher Konvergenz oder Divergenz auf die Fokussieroptik 118, was nach erfolgter Fokussierung in einem Ortsversatz in einer dritten Raumrichtung, z.B. in der z-Richtung, resultiert.
• Die Intensität I der jeweiligen Fokuselemente 120 ist bestimmt durch die Phasenlagen der fokussierten Teilstrahlen 116 zueinander. Diese Phasenlagen sind durch die genannten optischen Gitteranteile und optischen Linsenanteile definierbar und können bei der Auslegung des Strahlteilungselements 106 so zueinander gewählt werden, dass die Fokuselemente 120 jeweils eine gewünschte Intensität aufweisen.
• Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement 106 als Polarisations-Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst. In diesem Fall wird mittels des Strahlteilungselements 106 eine Polarisationsstrahlteilung des Eingangslaserstrahls 108 in Strahlen durchgeführt, welche jeweils einen von mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen.
• Insbesondere sind unter den genannten Polarisationszuständen lineare Polarisationszustände zu verstehen, wobei beispielsweise zwei unterschiedliche Polarisationszustände vorgesehen sind und/oder zueinander senkrecht orientierte Polarisationszustände vorgesehen sind.
• Insbesondere sind die Polarisationszustände derart, dass ein elektrisches Feld in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung der polarisierten Strahlen orientiert ist (transversal elektrisch).
• Zur Polarisationsstrahlteilung umfasst das Strahlteilungselement 106 beispielsweise ein doppelbrechendes Linsenelement und/oder ein doppelbrechendes Keilelement. Das doppelbrechende Linsenelement und/oder das doppelbrechende Keilelement sind beispielsweise aus einem Quarzkristall hergestellt oder umfassen einen Quarzkristall.
• Hinsichtlich der Funktionsweise und Ausführung des Strahlteilungselements 106 als Polarisations-Strahlteilungselement wird auf die deutsche Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2020 207 715.0 (Anmeldetag: 22. Juni 2020) der gleichen Anmelderin und auf die DE 10 2019 217 577 A1 verwiesen.
• Durch die Polarisationsstrahlteilung lassen sich insbesondere die Teilstrahlen 116 mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Durch Fokussierung dieser Teilstrahlen 116 mittels der Fokussieroptik 118 können die Fokuselemente 120 jeweils aus Strahlen mit einem bestimmten Polarisationszustand ausgebildet werden. Den Fokuselementen 120 lässt sich dadurch jeweils ein bestimmter Polarisationszustand zuordnen und/oder mit einem bestimmten Polarisationszustand ausführen.
• Insbesondere lassen sich durch Polarisationsstrahlteilung mittels des Strahlteilungselements 106 die Fokuselemente 120 so anordnen und ausbilden, dass zueinander benachbarte Fokuselemente 120 jeweils unterschiedliche Polarisationszustände aufweisen.
• Zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 werden die Fokuselemente 120 in das Material 102 des Werkstücks 104 eingebracht und relativ zu dem Material 102 in die Vorschubrichtung 126 bewegt, wobei die Fokuselemente 120 insbesondere mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit in die Vorschubrichtung 126 bewegt werden. Bei dem gezeigten Beispiel entspricht die Vorschubrichtung 126 der y-Richtung.
• Zur Durchführung einer Relativbewegung der Fokuselemente 120 zu dem Material 102 umfasst die Vorrichtung 100 eine Vorschubeinrichtung 127 (angedeutet in 1). Die Vorschubeinrichtung 127 ist dazu eingerichtet, die Fokuselemente 120 in Vorschubrichtung 126 mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit durch das Material 102 zu bewegen. Beispielsweise kann die Vorschubeinrichtung mittels einer Werkstückhalterung realisiert sein, welche dazu eingerichtet ist, das an dieser angeordnete Werkstück 104 relativ zu den Fokuselementen 120 zu bewegen.
• Die Einkopplung der Fokuselemente 120, welche zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 in das Material 102 eingebracht werden, erfolgt beispielsweise durch eine erste Außenseite 130 des Werkstücks 104 hindurch.
• Beispielsweise ist das Werkstück 104 plattenförmig und/oder tafelförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet. Eine zweite Außenseite 132 des Werkstücks 104 ist beispielsweise in Dickenrichtung 134 und/oder Tiefenrichtung des Werkstücks 104 zu der ersten Außenseite 130 beabstandet angeordnet.
• Das Material 102 des Werkstücks 104 weist beispielsweise bezüglich der Dickenrichtung 134 eine zumindest näherungsweise konstante Dicke D auf. Die Dicke D beträgt beispielsweise 500 µm.
• Die Vorschubrichtung 126 ist quer und insbesondere senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung 124 und/oder zur Dickenrichtung 134 des Werkstücks 104 orientiert.
• Die ausgebildeten Fokuselemente 120 werden vorzugsweise derart angeordnet, dass diese in einer Projektion auf eine zur Vorschubrichtung 126 quer und insbesondere senkrecht orientierte Projektionsebene 139 entlang einer definierten Bearbeitungslinie 136 positioniert sind (vgl. 2 und 4). Unter der genannten Projektion wird insbesondere eine Orthogonalprojektion der Fokuselemente 120 auf die Projektionsebene verstanden.
• Die Bearbeitungslinie 136 korrespondiert zumindest abschnittsweise mit einer Soll-Bearbeitungsgeometrie, mit welcher die Laserbearbeitung des Materials 102 und insbesondere eine sich anschließende Trennung des Materials 102 durchgeführt werden soll.
• Die Fokuselemente 120 sind in der Projektionsebene 139 und/oder entlang der Bearbeitungslinie 139 mit einem effektiven Abstand d_eff zueinander beabstandet. Die jeweiligen effektiven Abstände d_eff und Intensitäten I der entlang der Bearbeitungslinie 136 angeordneten Fokuselemente 130 sind so gewählt, dass durch Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120 und Bewegung der Fokuselemente 120 durch das Material 102 Materialmodifikationen 138 ausgebildet werden (3), welche eine Trennung des Materials entlang dieser Bearbeitungslinie 136 und/oder entlang einer mit dieser Bearbeitungslinie 136 korrespondierenden Bearbeitungsfläche ermöglichen.
• Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich die Bearbeitungslinie 136 zwischen der ersten Außenseite 130 und der zweiten Außenseite 132 und insbesondere durchgängig und/oder unterbrechungsfrei zwischen der ersten Außenseite 130 und der zweiten Außenseite 132 des Werkstücks 104 erstreckt.
• Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie 136 mehrere unterschiedliche Abschnitte 140 aufweist. Beispielsweise weist die Bearbeitungslinie 136 bei dem in 2 gezeigten Beispiel einen ersten Abschnitt 140a, einen zweiten Abschnitt 140b und einen dritten Abschnitt 140c auf, wobei sich bezüglich der Dickenrichtung 134 der zweite Abschnitt 140b an den ersten Abschnitt 140a anschließt und der dritte Abschnitt 140c an den zweiten Abschnitt 140b anschließt.
• Die Bearbeitungslinie 136 ist nicht notwendigerweise stetig und/oder differenzierbar ausgebildet. Beispielsweise kann die Bearbeitungslinie 136 Unstetigkeiten aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie 136 Unterbrechungen und/oder Lücken aufweist, an welchen insbesondere keine Fokuselemente 120 angeordnet sind.
• Die Bearbeitungslinie 136 und/oder unterschiedliche Abschnitte 140 der Bearbeitungslinie 136 können beispielsweise als Gerade oder Kurve ausgebildet sein.
• Vorzugsweise sind zwei oder mehr zueinander beabstandete Ebenen 141 vorgesehen, in denen jeweils unterschiedliche Teilmengen der ausgebildeten Fokuselemente 120 angeordnet sind, wobei die Ebenen 141 parallel zur Vorschubrichtung 126 beabstandet sind. Beispielsweise sind die Ebenen 141 jeweils parallel zur Projektionsebene 139 orientiert und/oder quer und insbesondere senkrecht zur Vorschubrichtung 126 orientiert.
• Bei dem in den 5a, 5b und 6 gezeigten Beispiel ist jeweils eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente 120 in einer ersten Ebene 141a und einer weiteren Ebene positioniert, welche bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als zweite Ebene 141b bezeichnet ist. Die erste Ebene 141a und die zweite Ebene 141b sind in Vorschubrichtung 126 zueinander beabstandet und sind beispielsweise parallel zueinander orientiert. Die der ersten Ebene 141a zugeordneten Fokuselemente 120 werden nachfolgend als Fokuselemente 120a bezeichnet und die der zweiten Ebene 141b zugeordneten Fokuselemente 120 werden nachfolgend als Fokuselemente 120b bezeichnet. In 4 ist eine Gesamtmenge der Fokuselemente 120a und 120b in Form einer Projektion dieser Fokuselemente 120a und 120b auf die Projektionsebene 139 gezeigt.
• Insbesondere sind Fokuselemente 120a und Fokuselemente 120b vorhanden, welche in der Projektionsebene 139 an unterschiedlichen Positionen x₀, z₀ angeordnet sind.
• Ein Abstand d₀ zwischen der ersten Ebene 141a der zweiten Ebene 141b beträgt beispielsweise zwischen 5 µm und 20 µm. Typischerweise beträgt der Abstand d₀ ca. 10 µm.
• Unter dem bereits vorstehend genannten Abstand d ist grundsätzlich der reale Abstand zwischen benachbarten Fokuselementen 120 in den drei Raumrichtungen x, y, z und/oder Raumdimensionen zu verstehen.
• Es ist vorgesehen, dass der jeweilige Abstand d benachbarter Fokuselemente 120 zwischen 3 µm und 70 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 10 µm, beträgt. Insbesondere liegt der jeweilige Abstand d benachbarter Fokuselemente 120, welche innerhalb einer bestimmten Ebene 141 angeordnet sind, in den genannten Bereichen.
• Zwischen zueinander benachbarten Fokuselementen 120, welche einer bestimmten Ebene 141 zugeordnet sind, sind jeweils Lücken 143 ausgebildet, wie in 5a am Beispiel der Fokuselemente 120a der ersten Ebene 141a gezeigt.
• Die zweite Ebene 141b enthält insbesondere Fokuselemente 120b, welche derart positioniert sind, dass diese bei Betrachtung in der Projektionsebene 139 in den Lücken 143 liegen.
• Der jeweilige effektive Abstand d_eff der zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenen Fokuselemente 120 kann für unterschiedliche Fokuselemente 120 und/oder unterschiedliche Paare von Fokuselementen 120 unterschiedlich gewählt sein. Allerdings ist es grundsätzlich auch möglich, dass der jeweilige Abstand d bei allen zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenen Fokuselemente 120 zumindest näherungsweise identisch ist.
• Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass unterschiedlichen Abschnitten 140 der Bearbeitungslinie jeweils Fokuselemente 120 mit unterschiedlichen effektiven Abständen d_eff zugeordnet sind. Insbesondere sind dann die jeweiligen Abstände d_eff der einem bestimmten Abschnitt 140 zugeordneten Fokuselemente 120 zumindest näherungsweise konstant.
• Insbesondere ist eine parallel zur Dickenrichtung 134 des Materials 102 und/oder senkrecht zur Vorschubrichtung 126 orientierte effektive Abstandskomponente d_z,eff des effektiven Abstands d_eff für alle Fokuselemente 120 und/oder bei allen Paaren zueinander benachbarter Fokuselemente 120 von Null verschieden. Insbesondere sind alle benachbarten Fokuselemente 120 mit einer von Null verschiedenen effektiven Abstandskomponente d_z,eff in Dickenrichtung 134 beabstandet.
• Weiter ist der Bearbeitungslinie 136 und/oder den jeweiligen Abschnitten 140 der Bearbeitungslinie 136 ein bestimmter Anstellwinkel α und/oder Anstellwinkelbereich zugeordnet, welchen die Bearbeitungslinie 136 bzw. der jeweilige Abschnitt 140 mit der ersten Außenseite 130 des Werkstücks 104 einschließt.
• Im Fall eines Anstellwinkels zwischen 1° und 89° weisen die zueinander benachbarten Fokuselemente 120 jeweils eine von Null verschiedene weitere effektive Abstandskomponente d_x,eff des effektiven Abstands d_eff auf, welche senkrecht zur Vorschubrichtung 126 und senkrecht zur effektiven Abstandskomponente d_z,eff orientiert ist.
• Die effektive Abstandskomponente d_z,eff und die effektive Abstandskomponente d_x,eff liegen jeweils in einer zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Ebene.
• Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Anstellwinkel α des ersten Abschnitts 140a und des dritten Abschnitts 140c betragsmäßig 45° und derjenige des zweiten Abschnitts 140b 90°.
• Durch Beaufschlagung und/oder Einbringung der Fokuselemente 120 in das Material 102 werden jeweils lokalisierte Materialmodifikationen 138 ausgebildet, welche an den jeweiligen örtlichen Positionen x₀, y₀, z₀ der entsprechenden Fokuselemente 120 in dem Material 102 angeordnet sind (3). Durch geeignete Wahl von Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise den jeweiligen Abständen d zwischen den Fokuselementen 120, ihren jeweiligen Intensitäten I, der in Vorschubrichtung 126 orientierten Vorschubgeschwindigkeit und den Laserparametern des Eingangslaserstrahls 108, können die Materialmodifikationen 146 beispielsweise als Typ-III-Modifikationen ausgebildet werden, welche mit einer spontanen Bildung von Rissen 137 im Material 102 des Werkstücks 104 assoziiert sind. Insbesondere werden Risse 137 zwischen einander benachbarten Materialmodifikationen 146 ausgebildet.
• Alternativ hierzu ist es auch möglich, durch geeignete Wahl der Bearbeitungsparameter die Materialmodifikationen 146 als Typ-I- und/oder Typ-II-Modifikationen auszubilden, welche mit einer Wärmeakkumulation im Material 102 und/oder mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials 102 einhergehen. Die Ausbildung der Materialmodifikationen 146 als Typ-I- und/oder Typ-II-Modifikationen ist mit einer Wärmeakkumulation im Material 102 des Werkstücks 104 assoziiert. Insbesondere wird zur Ausbildung dieser Materialmodifikationen 146 der jeweilige Abstand d zwischen den Fokuselementen 120 so gering gewählt, dass es bei Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen zu dieser Wärmeakkumulation kommt.
• 7a zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung einer Mehrzahl von Fokuselementen 120, wobei der Abstand d bei diesen Fokuselementen 120 ca. 17,5 µm beträgt. In der gezeigten Graustufendarstellung stehen hellere Bereiche für höhere Intensitäten.
• 7b zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung einer Mehrzahl von Fokuselementen 120, wobei der Abstand d ca. 8,0 µm beträgt.
• Die Laserbearbeitung des Werkstücks 104 mittels der Vorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
• Zur Durchführung der Laserbearbeitung wird das Material 102 des Werkstücks 104 mit den Fokuselementen 120 beaufschlagt und die Fokuselemente 120 werden in Vorschubrichtung 126 relativ zu dem Werkstück 104 durch dessen Material 102 bewegt.
• Das Material 102 ist hierbei ein für eine Wellenlänge von Laserstrahlen, aus welchen die Fokuselemente 120 jeweils gebildet sind, transparentes Material, wie z.B. ein Glasmaterial. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Fokuselemente durch Strahlformung des Eingangslaserstrahls 108 gebildet.
• Durch Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120 werden in dem Material 102 Materialmodifikationen 138 ausgebildet, welche in einem zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Querschnitt entlang der Bearbeitungslinie 136 angeordnet sind (8a). Bei dem in 8a gezeigten Beispiel werden Materialmodifikationen 138 durchgängig über die gesamte Dicke D des Materials 102 ausgebildet.
• Durch Relativbewegung der Fokuselemente 120 zu dem Material 102 entlang einer vorgegebenen Trajektorie 142 wird eine mit der Bearbeitungslinie 136 korrespondierende Bearbeitungsfläche 144 ausgebildet, an welcher die Materialmodifikationen 138 angeordnet sind. Es ergibt sich dadurch eine flächige Ausbildung und/oder Anordnung der Materialmodifikationen 146 entlang der Bearbeitungsfläche 144.
• Die Trajektorie 142 kann grundsätzlich geradlinige und gekrümmte Abschnitte aufweisen. Im Fall von gekrümmten Abschnitten wird die Bearbeitungslinie 136 während der Laserbearbeitung insbesondere so gedreht, dass diese stets in einer zur Vorschubrichtung 126 senkrecht orientierten Ebene liegt. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Drehung des Strahlteilungselements 106 oder durch relative Drehung der gesamten Vorrichtung 100 zum Werkstück 104 realisiert werden.
• Ein Abstand von in Vorschubrichtung 126 benachbarten Materialmodifikationen 138 lässt sich beispielsweise durch Einstellung einer Pulsdauer des Eingangslaserstrahls 108 und/oder durch Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit definieren.
• Die entlang der Bearbeitungslinie 136 ausgebildeten Materialmodifikationen 146 haben insbesondere eine Verringerung einer Festigkeit des Materials 102 zur Folge. Es lässt sich dadurch das Material 102 nach Ausbildung der Materialmodifikationen 146 an der Bearbeitungsfläche 144, beispielsweise durch Ausübung einer mechanischen Kraft, in zwei voneinander verschiedene Werkstücksegmente 146a, 146b trennen (8b).
• Das Werkstücksegment 146a ist bei dem gezeigten Beispiel ein Gutstücksegment mit einer Trennfläche 148, welche eine mit der Form der Bearbeitungslinie 136 korrespondierende Form aufweist. Das Werkstücksegment 154a ist in diesem Fall ein Restwerkstücksegment und/oder ein Verschnittsegment.
• Das Material 102 des Werkstücks 104 ist beispielsweise Quarzglas. Beispielsweise weist dann zur Ausbildung der Materialmodifikationen 138 als Typ-I- und/oder Typ-II-Modifikationen ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente 120 gebildet sind, eine Wellenlänge von 1030 nm und eine Pulsdauer von 1 ps auf. Weiter beträgt dann eine der Fokussieroptik 118 zugeordnete numerische Apertur 0,4 und eine einem einzigen Fokuselement 120 zugeordnete Pulsenergie 50 bis 200 nJ.
• Zur Ausbildung der Materialmodifikationen 138 als Typ-III-Modifikationen beträgt, bei ansonsten gleichen Parametern, die einem einzigen Fokuselement 120 zugeordnete Pulsenergie 500 bis 2000 nJ.
• Bezugszeichenliste

α

Anstellwinkel

d

Abstand

d0

Abstand

deff

effektiver Abstand

dx,eff

effektive Abstandskomponente

dz,eff

effektive Abstandskomponente

D

Dicke

I

Intensität

x0

Position in x-Richtung

y0

Position in y-Richtung

z0

Position in z-Richtung

100

Vorrichtung

102

Material

104

Werkstück

106

Strahlteilungselement

108

Eingangslaserstrahl

110

Laserstrahlquelle

112

Strahlquerschnitt

114

Wellenfront

116

Teilstrahlen

116a

Teilstrahl

116b

Teilstrahl

118

Fokussieroptik

120

Fokuselement

120a, b

Fokuselement

121

Fokusverteilung

122

Strahlformungseinrichtung

124

Strahlausbreitungsrichtung

126

Vorschubrichtung

127

Vorschubeinrichtung

130

erste Außenseite

132

zweite Außenseite

134

Dickenrichtung

136

Bearbeitungslinie

137

Riss

138

Materialmodifikation

139

Projektionsebene

140

Abschnitt

140a

erster Abschnitt

140b

zweiter Abschnitt

140c

dritter Abschnitt

141

Ebene

141a

erste Ebene

141b

zweite Ebene

142

Trajektorie

143

Lücke

144

Bearbeitungsfläche

146a

Werkstücksegment

146b

Werkstücksegment

148

Trennfläche

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2022167254 A1 [0003]
• WO 2022167257 A1 [0003]
• DE 102014116958 A1 [0004]
• EP 3597353 A1 [0005]
• JP 2020004889 A [0006]
• US 20200147729 A1 [0007]
• US 20200361037 A1 [0007]
• WO 2016089799 A1 [0008]
• DE 102019217577 A1 [0130]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006) [0054]
• Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 [0113]
• Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories“ von I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 37, No. 23 , 1. Dezember 2012 [0113]
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• Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing“ von D. Flamm et al., arXiv:2012.10119v1 [physics.optics], 18. Dezember 2020 [0120]

Claims (15)

1. Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), welches ein transparentes Material (102) aufweist, bei dem ein Eingangslaserstrahl (108) mittels eines Strahlteilungselements (106) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (116) aufgeteilt wird, aus dem Strahlteilungselement (106) ausgekoppelte Teilstrahlen (116) fokussiert werden, wobei durch Fokussierung der Teilstrahlen (116) mehrere Fokuselemente (120) ausgebildet werden, das Material (102) des Werkstücks (104) zur Laserbearbeitung mit den Fokuselementen (120) beaufschlagt wird und die Fokuselemente (120) relativ zu dem Material (102) in eine Vorschubrichtung (126) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120a) in einer ersten Ebene (141a) und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120b) in mindestens einer weiteren Ebene (141b) angeordnet ist, wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) parallel zur Vorschubrichtung (126) beabstandet sind und wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) senkrecht zur Vorschubrichtung (126) orientiert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildeten Fokuselemente (120) derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente (120) in einer zur Vorschubrichtung (126) senkrecht orientierten Projektionsebene (139) zumindest eine Teilmenge von der ersten Ebene (141a) zugeordneten Fokuselementen (120) und der mindestens einen weiteren Ebene (141b) zugeordneten Fokuselementen (120) in der Projektionsebene (139) an unterschiedlichen räumlichen Positionen (x₀, y₀, z₀) angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildeten Fokuselemente (120) derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente (120) in einer zur Vorschubrichtung (126) senkrecht orientierten Projektionsebene (139) zumindest eine Teilmenge von der ersten Ebene (141a) zugeordneten Fokuselementen (120a) und der mindestens einen weiteren Ebene (141b) zugeordneten Fokuselementen (120b) in der Projektionsebene (139) entlang einer Bearbeitungslinie (136) positioniert sind, wobei durch Relativbewegung der Fokuselemente (120) bezüglich des Materials (102) in Vorschubrichtung (126) im Material (102) Materialmodifikationen (138) ausgebildet werden, welche entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Relativbewegung der Fokuselemente (120) im Material (102) Materialmodifikationen (138) entlang einer mit der Bearbeitungslinie (136) korrespondierenden Bearbeitungsfläche (144) ausgebildet werden, wobei insbesondere die Materialmodifikationen (138) in einem zur Vorschubrichtung (126) senkrecht orientierten Querschnitt durch die Bearbeitungsfläche (144) entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Fokuselemente (120), welche entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind, in der Projektionsebene (139) einen effektiven Abstand (d_eff) von mindestens 2 µm und/oder höchstens 200 µm aufweisen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein effektiver Abstand (d_eff) von entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordneten benachbarten Fokuselementen (120) in der Projektionsebene (139) und/oder eine Intensität (I) der Fokuselemente (120) so gewählt ist, dass durch Beaufschlagung des Materials (102) mit den Fokuselementen (120) und Relativbewegung der Fokuselemente (120) bezüglich des Materials (102) in Vorschubrichtung (126) im Material (102) Materialmodifikationen (138) ausgebildet werden, welche eine Trennung des Materials (102) ermöglichen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilmenge von benachbarten Fokuselementen (120), welche entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind, in der Projektionsebene (139) zumindest näherungsweise mit einem gleichen effektiven Abstand (d_eff) zueinander beabstandet sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilmenge von zueinander benachbarten Fokuselementen (120), welche entlang der Bearbeitungslinie (136) angeordnet sind, mit einem effektiven Abstand (d_eff) beabstandet sind, wobei der effektive Abstand (d_eff) eine von Null verschiedene effektive Abstandskomponente (d_z,eff) aufweist, welche parallel zu einer Dickenrichtung (134) des Werkstücks (104) orientiert ist, und/oder eine von Null verschiedene weitere effektive Abstandskomponente (d_x,eff) aufweist, welche senkrecht zur Dickenrichtung (134) des Werkstücks (104) orientiert ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anstellwinkel (α) zwischen der Bearbeitungslinie (136) und einer Außenseite (130) des Werkstücks (104), durch welche die Fokuselemente (120) zur Laserbearbeitung in das Material (102) des Werkstücks (104) eingekoppelt werden, zumindest abschnittsweise mindestens 1° und/oder höchstens 90° und insbesondere höchstens 89° beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildeten Fokuselemente (120) derart positioniert sind, dass bei Betrachtung der Fokuselemente (120) in einer zur Vorschubrichtung (126) senkrecht orientierten Projektionsebene (139) zwischen zueinander benachbarten Fokuselementen (120a), welche der ersten Ebene (141a) zugeordnet sind, jeweils Lücken (143) ausgebildet sind, wobei der mindestens einen weiteren Ebene (141b) zugeordnete Fokuselemente (120b) vorhanden sind, welche in den Lücken (143) angeordnet sind.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d) zueinander benachbarter Fokuselemente (120a), welche der ersten Ebene (141a) zugeordnet sind, mindestens 3 µm und/oder höchstens 70 µm und insbesondere mindestens 5 µm und/oder höchstens 10 µm beträgt, und/oder dass ein Abstand (d) zueinander benachbarter Fokuselemente (120b), welche der mindestens einen weiteren Ebene (141b) zugeordnet sind, mindestens 3 µm und/oder höchstens 70 µm und insbesondere mindestens 5 µm und/oder höchstens 10 µm beträgt.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls (108) mittels des Strahlteilungselements (106) durch Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt (112) des Eingangslaserstrahls (108) erfolgt oder eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt (112) des Eingangslaserstrahls (108) umfasst.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beaufschlagung des Materials (102) des Werkstücks (104) mit den Fokuselementen (120) Materialmodifikationen (138) in dem Material (102) ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen (138) mit einer Rissbildung des Materials (102) einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen (120) Typ-III-Materialmodifikationen sind.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beaufschlagung des Materials (102) des Werkstücks (104) mit den Fokuselementen (120) Materialmodifikationen (138) in dem Material (102) ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen (138) mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials (102) einhergehen, und/oder wobei die Materialmodifikationen (138) Typ-I-Materialmodifikationen und/oder Typ-II-Materialmodifikationen sind.
15. Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), welches ein transparentes Material (102) aufweist, umfassend ein Strahlteilungselement (106) zur Aufteilung eines Eingangslaserstrahls (108) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (116), eine Fokussieroptik (118) zur Fokussierung von aus dem Strahlteilungselement (106) ausgekoppelten Teilstrahlen (116), wobei durch die Fokussierung der Teilstrahlen (116) mehrere Fokuselemente (120) zur Laserbearbeitung des Werkstücks (104) ausgebildet werden, und eine Vorschubeinrichtung (127) zur Durchführung einer Bewegung der Fokuselemente (120) relativ zu dem Material (102) des Werkstücks (104) in eine Vorschubrichtung (126), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilungselement (106) und die Fokussieroptik (118) dazu eingerichtet sind, die Fokuselemente (120) derart anzuordnen, dass eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120a) in einer ersten Ebene (141a) und eine Teilmenge der ausgebildeten Fokuselemente (120b) in mindestens einer weiteren Ebene (141b) angeordnet ist, wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) parallel zur Vorschubrichtung (126) beabstandet sind und wobei die erste Ebene (141a) und die mindestens eine weitere Ebene (141b) senkrecht zur Vorschubrichtung (126) orientiert sind.

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