DE19809103A1

DE19809103A1 - Optische Anordnung zur Strahlformung

Info

Publication number: DE19809103A1
Application number: DE19809103A
Authority: DE
Inventors: Stefan Heinemann; Juergen Weiser; Ulrich Unger
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1999-09-23
Also published as: WO1999044785A1

Abstract

Optische Anordnung zur Strahlformung für eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Trennen von sprödem, nichtmetallischem Material, mit einem Laser (1) und wenigstens einem strahlformenden Element, welches den emittierenden Laserstrahl (2) so formt, daß er in eine Arbeitsebene (5) mit einem bestimmten Strahlprofil abgebildet wird, wobei das strahlformende Element wenigstens eine strahlformende Fläche aufweist, die entweder eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist, die nach dem Prinzip der phasenangepaßten Fresnel-Zonenplatte ausgebildet ist oder in einer anderen Weise als beugungs-optisches Phasenelement wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Strahlformung für eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Trennen von sprödem, nichtmetallischem Material, wie Glas, Quarz oder Keramik, bei dem mit einem Laserstrahl entlang der vorgesehenen Trennlinie eine bestimmte Temperaturverteilung in das Material eingebracht wird und ein gesetzter Startriß aufgrund der bei der Erwärmung mittels Laserstrahl und einer anschließenden Kühlung entstehenden Spannungen sich als definierte Bruchlinie ausbreitet (nachfolgend Trennverfahren genannt).

Das Erreichen der bestimmten Temperaturverteilung entlang der Trennlinie setzt eine zeitlich und örtlich definierte Erwärmung voraus, durch welche die notwendigen Zug- und Druckspannungen hervorgerufen werden. Während die zeitliche Komponente über die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück bestimmt wird, wird die örtliche Komponente durch eine entsprechende Verteilung der Intensität der Laserstrahlung (Strahlprofil) auf dem Werkstück hervorgerufen.

In bekannten derartigen optischen Anordnungen kann z. B. mit Zylinderlinsen das aus kommerziellen Lasern austretende, meist gaußförmige Strahlprofil mit kreisrunder Grundfläche, zu einem Gaußprofil mit elliptischer Grundfläche deformiert werden. Ringförmige oder auch andere Intensitätsprofile können bekannterweise auch durch eine entsprechende Gestaltung des Laserresonators in Form entsprechender Lasermoden oder Modengemische erzeugt werden. Dies erfordert aber nachteiligerweise eine Spezialanfertigung des Lasers.

Zur Durchführung des Trennverfahrens werden in WO 93/20015 insbesondere elliptische Formen des Laserstrahlprofils als grundlegendes Profil benannt. Eine Konkretisierung dieser elliptischen Strahlprofile ist in WO 96/20062 erfolgt, derart, daß die Intensität von außen nach innen abnimmt und auch einem Kurvenschnitt angepaßte gekrümmte Strahlprofile vorgesehen sind. In dieser Patentanmeldung wird auch eine Anordnung zur Erzeugung derartiger ringförmiger Intensitätsverteilungen mittels Axicon und Zylinderlinse beschrieben. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß bei der Deformierung zu elliptischen Ringen Intensitätsüberhöhungen an den Scheitelpunkten der Ellipse auftreten, die sich störend auf den Trennprozeß auswirken. Die Realisierung einer definierten Krümmung bei Einhaltung des durch das Axicon erzeugten Strahlprofils gestaltet sich mit klassischen optischen Mitteln äußerst schwierig und verlangt eine justieraufwendige, komplizierte optische Anordnung mit vielen Komponenten. Insbesondere bei Einsatz in beweglichen Portalsystemen kann das zu Stabilitätsproblemen führen.

Die Praxis hat gezeigt, daß neben ringförmigen Ellipsen für das Trennverfahren auch homogenisierte elliptische oder völlig andere Strahlprofile bis hin zu den bereits erwähnten Krümmungen günstig sein können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zur Strahlformung für eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens derart weiterzuentwickeln, daß auch bei Verwendung von Lasern mit Standardstrahlprofilen die im Zuge einer Prozeßoptimierung angepaßten Strahlprofile auf dem Werkstück erzeugt werden können. Darüber hinaus soll die Anordnung insbesondere zur Erreichung einer hohen Stabilität des Strahlprofils auf dem Werkstück eine möglichst geringe Anzahl von optischen Elementen aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die optische Anordnung zur Strahlformung mindestens eine strahlformende Fläche aufweist, die entweder eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist, die nach dem Prinzip der phasenange paßten Fresnel-Zonenplatte ausgebildet ist oder in einer anderen Weise als beu gungsoptisches Phasenelement wirkt. Die Fresnel-Zonen und das Oberflächenprofil innerhalb der Zonen bzw. die beugende Struktur der strahlformenden Fläche sind so beschaffen, daß die Energie der Laserstrahlung in der Arbeitsebene, d. h. auf der Werkstückoberfläche, entsprechend der Anforderung des Verfahrens umverteilt wird und das gewünschte Strahlprofil entsteht. Die Umverteilung wird dabei nur durch die Beeinflussung der Phase bei Reflexion oder Transmission generiert, wodurch die Verluste bei der Strahlformung gering gehalten werden können. Die mikrostrukturierte Oberfläche kann vorzugsweise bei der Transmissionsvariante die Planfläche einer Plan-Konvex-Linse sein bzw. auf diese aufgebracht werden. Ebenso kann die mikrostrukturierte Fläche in einer erfindungsgemäßen Anordnung an ge eigneter Stelle in Form eines reflektierenden oder transmittierenden eigenständigen Bauelementes eingebaut sein. Dazu wird die Mikrostruktur auf einer Seite einer Substratscheibe aufgebracht oder in diese hineingeätzt. Leistungsfeste Reflektoren, beispielsweise für CO₂-Laser, können mit bekannten Mikrostrukturierungsverfahren in Silizium-Substrat hergestellt und mit hoch reflektierenden Schichten versehen werden. Weiterhin können Kupferreflektoren in bekannter Weise hergestellt werden, indem von einem beliebigen mikrostrukturierten Original Negativabzüge gewonnen werden und diese galvanisch in Kupfer abgeformt werden. Als ein weiteres Verfahren zur Erzeugung beugender optischer Elemente ist die optische Holographie bekannt, das aber aufgrund der relativ beschränkten Designmöglichkeiten hier eine geringere Rolle spielt.

Zur Durchführung des Trennverfahrens sind aus heutigen Erkenntnissen folgende Strahlprofile relevant:

- ringförmige langgestreckte Ellipse,
- homogenisierte langgestreckte Ellipse,
- parallele Linien.

Für die Realisierung von kreisrunden oder anderen Kurvenschnitten sind gekrümmte Grundflächen der Strahlprofile von Interesse. Auch solche Strahlprofile sind mit einer erfindungsgemäßen Anordnung realisierbar. Die strahlformende Fläche kann auch mit klassischen Linsen- oder Spiegeloptiken kombiniert werden, um das Strahlprofil in die gewünschte Arbeitsebene abzubilden. So kann in Kombination mit Zoomoptiken eine Anpassung der Größe an die Prozeßparameter des Trennverfahrens oder bei Verwendung von Zylinderlinsen eine Veränderung der Größenverhältnisse, z. B. der beiden Hauptachsen einer Ellipse, vorgenommen werden.

Vorstehend sind die strahlformende Fläche und seine vorteilhaften Ausführungen als wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen optischen Anordnung beschrieben worden. Selbstverständlich gehören zur Gesamtheit der Vorrichtung üblicherweise ein Laser, sowie weitere Strahlführungskomponenten.

Die Erfindung ist nicht auf die oben erwähnten Strahlprofile, Substratmaterialien, Lasertypen und Laserwellenlängen beschränkt, vielmehr richten sich diese nach Art des zu trennenden Materials, insbesondere nach dessen optischen und mechanischen Eigenschaften.

Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Anordnung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens in einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines CO₂-Lasers anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.

Dazu zeigen:

Fig. 1 die Prinzipanordnung einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung

Fig. 2 die stilisierte Form eines geeigneten Strahlprofils
Die in Fig. 1 dargestellte Prinzipanordnung zeigt einen CO₂-Laser 1, der einen gaußförmigen Laserstrahl 2 emittiert, einen mikrostrukturierten Silizium-Reflektor 3, eine Linse 4 und die Arbeitsebene 5 auf dem Werkstück. Der aus dem CO₂-Laser 1 austretende, beispielsweise gaußförmige Laserstrahl 2, trifft erfindungsgemäß auf einen mikrostrukturierten Silizium-Reflektor 3, der nach dem Prinzip der phasenangepaßten Fresnel-Zonenplatte ausgebildet ist, wo er so geformt und umgelenkt wird, daß sich in der Brennebene oder einer ausgezeichneten Ebene das gewünschte Strahlprofil, z. B. eine homogenisierte Ellipse (Fig. 2) formiert. In dieser Ebene könnte sich bereits die Arbeitsebene befinden. Im konkreten Ausführungsbeispiel wird jedoch das erzeugte Strahlprofil über eine Linse 4 (z. B. aus ZnSe) aus bereits beschriebenen Gründen auf die Arbeitsebene 5, in der das Werkstück angeordnet ist, abgebildet.

Die Struktur der strahlformenden Fläche und damit deren Wirkung wird bei der Fresnel-Zonenplatte durch die Zuordnung der Intensitätsverteilungen im emittierenden Laserstrahl und in der Arbeitsebene durch einen geometrisch optischen Ansatz unter Beachtung beugungs-optischer Einflüsse bestimmt. Da aufgrund materialspezifischer Eigenschaften des Glases vorzugsweise CO₂-Laser verwendet werden, bezieht sich das Ausführungsbeispiel auf diese Laser. Gegebenenfalls kommen für Glas oder verwandte Materialien auch andere Laser in Frage. Die Oberflächenstruktur der strahlformenden Fläche und das Substratmaterial müssen dann an die Wellenlänge des Lasers angepaßt werden. Auch transmittierende, strahlformende Elemente können sich als vorteilhaft erweisen.

Um die erforderliche Leistungsfestigkeit der strahlformenden Elemente zu erreichen, können für CO₂-Laser folgende Substratmaterialien zum Einsatz kommen: ZnSe für Transmissionselemente, Silizium und Metalle, insbesondere Kupfer für Reflexionselemente. Da ZnSe bezüglich seiner Materialeigenschaften besonderer Vorkehrungen bei der Bearbeitung bedarf, werden vorzugsweise Reflektoren aus Silizium vorgesehen. Dabei kann das Silizium-Element direkt durch bekannte Mikrostrukturierungsverfahren vorzugsweise als Binärelement hergestellt werden. Die Reflexionselemente, insbesondere diejenigen aus Silizium, werden mit einer Reflexionsschicht (z. B. Gold oder dielektrische Schichtsysteme) beschichtet.

Claims

1. Optische Anordnung zur Strahlformung für eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Trennen von sprödem, nichtmetallischem Material, wie Glas, Quarz oder Keramik, bei dem mit einem Laserstrahl (2) entlang der vorgesehenen Trennlinie eine bestimmte Temperaturverteilung in das Material eingebracht wird und ein gesetzter Startriß aufgrund der bei der Erwärmung mittels Laserstrahl und einer anschließenden Kühlung entstehenden Spannungen sich als definierte Bruchlinie ausbreitet (nachfolgend Trennverfahren genannt), mit einem Laser (1) und wenigstens einem strahlformenden Element, welches den emittierenden Laserstrahl (2) so formt, daß er in eine Arbeitsebene (5) mit einem bestimmten Strahlprofil abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlformende Element wenigstens eine strahlformende Fläche aufweist, die entweder eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist, die nach dem Prinzip der phasenangepaßten Fresnel-Zonenplatte ausgebildet ist oder in einer anderen Weise als beugungs-optisches Phasenelement wirkt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformende Fläche als reflektierende Fläche ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformende Fläche als transmittierende Fläche ausgebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformende Fläche die Planfläche einer Plan-Konvex-Linse ist und als mikrostrukturierte Fläche ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformende Fläche eine mikrostrukturierte Fläche ist, die sich auf einer Seite einer planen Scheibe befindet.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche in ein Siliziumsubstrat geätzt wurde und eine Reflexionsschicht aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche in ein Metallsubstrat, vorzugsweise Kupfer, geätzt wurde oder die Mikrostruktur durch einen Abformprozeß in das Metallsubstrat übertragen wurde und die Fläche mit einer Reflexionsschicht versehen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) ein CO₂-Laser ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformende Fläche in der Arbeitsebene (5) ein Strahlprofil in Form einer elliptischen Grundfläche und homogenisierter Intensität bewirkt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformende Fläche in der Arbeitsebene (5) ein Strahlprofil in Form eines Ringes oder einer elliptischen Grundfläche mit nach innen abnehmender Intensität bewirkt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformende Fläche in der Arbeitsebene (5) ein Strahlprofil in Form zweier paralleler Linien mit homogenisierter Intensität bewirkt.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlformende Fläche zur Erzeugung einer gekrümmten Trennlinie in der Arbeitsebene (5) ein Strahlprofil mit einer gekrümmten Grundfläche bewirkt.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß weitere optische Bauelemente und Baugruppen zur weiteren Strahlführung und Fokussierung des durch die strahlformende Fläche umgeformten Laserstrahls (2) enthalten sind.

14. Anordnung nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung der Größe und/oder der Größenverhältnisse eine Zoomoptik vorhanden ist.