DE60011634T2

DE60011634T2 - Lasergerät zur benutzung in der materialbearbeitung

Info

Publication number: DE60011634T2
Application number: DE60011634T
Authority: DE
Inventors: Zsolt John Oxford LACZIK; Francis Nicholas Didcot GOODALL
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: Oxford University Innovation Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2020-09-13
Also published as: WO2001021353A1; EP1212166B1; JP2003509222A; DE60011634D1; EP1212166A1; GB9922082D0; ATE269184T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung zur Verwendung in der Materialbearbeitung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4 und außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Phasenfilters nach dem Oberbegriff von Anspruch 9 (siehe zum Beispiel EP-A-0 679 469), wobei diese Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Zerspanen und für andere verwandte Materialbearbeitungsverfahren verwendet werden könnte.
Bei herkömmlichen Systemen zum Schneiden, Schweißen und Zerspanen mit einem Laser wird Licht aus einem CW- oder Impulslaser unter Verwendung von Brechungslinsenelementen und/oder reflektierenden Spiegeln auf einen ungefähr beugungsbegrenzten Punkt fokussiert. Wenn der fokussierte Punkt mit einem Werkstück in Kontakt gebracht wird, führt die sehr hohe Lichtintensität in dem fokussierten Punkt zu einer örtlich begrenzten Erwärmung des Werkstücks, und folglich kommt es zu einem örtlich begrenzten Schmelzen, Verdampfen oder Abschmelzen des Materials. Normalerweise wird außerdem ein zu dem optischen System koaxialer Gasstrom bereitgestellt, um die Linsenelemente zu schützen, indem durch Sputtern abgetragenes Material von den Linsenelementen weggedrängt wird, und um den Prozess des Schneidens, Schweißens oder Zerspanens zu verbessern. Beim Schweißen ist das Gas normalerweise inert, aber zum Schneiden kann das Gas korrodierend sein und zu dem Schneidvorgang beitragen. Der fokussierte Punkt und das Werkstück müssen so zueinander bewegt werden, dass das Werkstück in vorher definierten Bereichen geschweißt, geschnitten oder zerspant wird.
In vielen Fällen ist jedoch die optimale Lichtintensitätsverteilung für das oben beschriebene Verfahren nicht die, die einem einzigen beugungsbegrenzten fokussierten Punkt entspricht. Stattdessen wurde festgestellt, dass in einigen Fällen die Verwendung von zwei fokussierten Punkten im Abstand von ein paar Millimetern von Vorteil sein kann.
In WO 98/14302 wird eine Laserschneidvorrichtung beschrieben, bei der das Licht aus dem Laser auf zwei getrennten Brennpunkten auf einer gemeinsamen Achse mit Hilfe einer viellinsigen oder gekrümmten reflektierenden Fläche abgebildet wird. Analog dazu wird in der US 5521352 eine Laservorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks aus Metall beschrieben, bei der ein halbdurchlässiger Spiegel verwendet wird, um das Licht aus dem Laser in zwei Strahlenbündel aufzuteilen. Die zwei Strahlenbündel werden dann mit Hilfe einer herkömmlichen Spiegeloptik auf gegenüberliegende Flächen des Werkstücks gerichtet.
Bei der in den oben genannten Dokumenten beschriebenen Vorrichtung wird das Licht von einem Laserstrahl unter Verwendung herkömmlicher brechender/reflektierender optischer Elemente auf zwei separate Brennpunkte fokussiert. Im Allgemeinen haben die Vorrichtungen einen sehr begrenzten Freiheitsgrad und sind unflexibel. In WO 98/14302 zum Beispiel sind die einzigen wählbaren Konstruktionsparameter der Radius der mittleren Region des Linsenelements und der Unterschied in der Krümmung zwischen der mittleren Region und dem Ring. Inwieweit Merkmale wie zum Beispiel der Abstand zwischen den Brennpunkten, das Leistungsaufteilungsverhältnis und die axiale und räumliche Auflösung der Brennpunkte gewählt werden können, wird damit bedeutend eingeschränkt, und in einigen Fällen steht keine Möglichkeit zur Auswahl dieser Merkmale zur Verfügung.
Sobald die Konstruktionsparameter gewählt sind und ein Linsenelement mit dem entsprechenden Radius der mittleren Region und des Rings bereitgestellt ist, kann die Vorrichtung nur die zwei von diesem Linsenelement ermittelten Brennpunkte erzeugen. Um die Leistungsmerkmale der Vorrichtung zu ändern, müsste ein vollkommen neues alternatives Linsenelement anstelle des bestehenden Linsenelements verwendet werden. Ferner sei angemerkt, dass die in den oben genannten Dokumenten beschriebenen Laserschneidvorrichtungen auf spezifische Intensitätsverteilungen in Verbindung mit den zwei separaten Brennpunkten beschränkt sind.
In GB 2278458 wird ein Wandler für einen Laser beschrieben, der das Intensitätsprofil des Laserstrahls über einen einzigen fokussierten Punkt einstellt. Der Wandler besteht aus einer Phasenzonenplattenanordnung, die aus einer zweidimensionalen Anordnung dicht gepackter beugender Fresnel-Zonenplatten besteht, die regellos angeordnet sind, um eine Phasenverzögerung von 0 oder π Radianten zu verursachen. Der Wandler dient zur Verminderung von Intensitätsschwankungen über den Brennpunkt und stellt dadurch sicher, dass ein gleichmäßigerer Brennpunkt erzeugt wird. Mit dem Wandler wird jedoch nur die Intensität über den Brennpunkt selbst eingestellt, die Intensitätsverteilung wird nicht verändert, so dass sich die eingestellte Verteilung über den fokussierten Punkt, der ohne den Wandler erzeugt werden würde, hinaus erstreckt. Ferner ist die Einstellung der Intensitätsverteilung zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Intensität auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse beschränkt. Der Wandler kann die Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf keine andere Weise verändern. Insbesondere kann mit dem in GB 2278458 beschriebenen Wandler die Gesamtverteilung der Lichtintensität, die "Hüllkurve" der Lichtintensität und/oder die Anzahl von Brennpunkten nicht verändert werden.
Die EP 0679469 beschreibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Maske, die einen Laserstrahl formt, um ein Elementmuster zu erzeugen, einem Hologramm, das den geformten Laserstrahl teilt, um eine Vielzahl von geformten Laserstrahlen zu schaffen, wobei jeder die Form des Elementmusters hat, und mit einer Linse, die die Vielzahl von geformten Laserstrahlen auf eine zu bearbeitende Oberfläche fokussiert. Die EP 0679469 beschreibt außerdem ein Verfahren zur Herstellung des Hologramms mit den folgenden Schritten: das Hologramm wird in eine Anzahl phasenquantisierter Zellen unterteilt; eine Vielzahl von Raumfrequenzen wird überlagert, um ein Phasenverteilungsmuster zu erzeugen, wobei jede Raumfrequenz einer gewünschten Position des Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Oberfläche entspricht; das Phasenverteilungsmuster wird quantisiert; der Quantisierungsfehler wird optimiert, indem die übereinander liegenden Anfangsphasen verändert werden; und die Phase jeder Zelle des Hologramms wird nach dem optimierten quantisierten Phasenverteilungsmuster zugewiesen.
Die GB 2315700 beschreibt einen Raumlichtmodulator (SLM) zur Verwendung im 3D-Modellbau. Der SLM wird mit Modelldaten einer horizontalen Scheibe gespeist, so dass ein Muster entsprechend der horizontalen Scheibe eines 3D-Modells auf die Oberfläche eines Photopolymers projiziert wird. Das 3D-Modell wird somit Schicht für Schicht gebaut, indem der SLM mit aufeinander folgenden Daten der horizontalen Scheibe gespeist wird und das Photopolymer der modulierten Strahlung ausgesetzt wird.
Die US 5589955 beschreibt eine Laserzeichenvorrichtung zum Projizieren und Zeichnen eines Musters auf die Oberfläche eines Werkstücks. Laserlicht beleuchtet einen Phasenmodulations-Flüssigkristall-SLM, auf dem ein Computerhologramm gespeichert ist. Das Laserlicht erfährt eine zweidimensionale Phasenmo dulation, bevor es durch eine Fourier-Transformationslinse auf der Oberfläche des Werkstücks abgebildet wird.
Mit der vorliegenden Erfindung soll dagegen eine neue optische Anordnung bereitgestellt werden, die beliebige vorher festgelegte dreidimensionale Lichtintensitätsverteilungen generieren kann, die für bestimmte Laserbearbeitungsaufgaben optimiert werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Laservorrichtung zur Verwendung in der Materialbearbeitung eines Werkstücks bereit, wobei die Vorrichtung eine kohärente Lichtquelle und ein Gehäuse umfasst, das eines oder mehrere Fokussierungselemente und einen Phasenfilter enthält, wobei der Phasenfilter mehrere Regionen aufweist, wobei jeder Region eine zuvor festgelegte Phasenverschiebung aus einer Gruppe möglicher Phasenverschiebungen zugewiesen ist, wobei die Phasenverschiebungen der mehreren Regionen in Abhängigkeit von einer gewünschten Intensitätsverteilung von auf dem Werkstück auftreffendem Licht ausgewählt werden, welche sich in wenigstens einer räumlichen Dimension parallel zur optischen Achse über den fokussierten Punkt, der von der Vorrichtung ohne den Filter erzeugt wird, hinaus erstreckt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Phasenfilter zwischen dem einen oder den mehreren Fokussierungselementen und dem Werkstück montiert. Der Phasenfilter kann in einer herausnehmbaren Kartusche untergebracht sein, die herausnehmbar in dem Gehäuse montiert ist.
In einer alternativen Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung eine Laserkonditionierungsvorrichtung zur Verwendung in der Materialbearbeitung eines Werkstücks bereit, wobei die Konditionierungsvorrichtung ein Adaptergehäuse, das einen Phasenfilter enthält, umfasst, wobei das Adaptergehäuse Verbindungsmittel für die Montage des Adaptergehäuses zwischen einer kohärenten Lichtquelle und einem oder mehreren Fokussierungselementen aufweist, wobei der Phasenfilter mehrere Regionen aufweist, wobei jeder Region eine vorher festgelegte Phasenverschiebung aus einer Gruppe möglicher Phasenverschiebungen zugewiesen ist, wobei die Phasenverschiebungen der mehreren Regionen in Abhängigkeit von der gewünschten Intensitätsverteilung von auf dem Werkstück auftreffendem Licht ausgewählt werden, welche sich in wenigstens einer räumlichen Dimension paral lel zur optischen Achse über den fokussierten Punkt, der von einer Laservorrichtung ohne Filter erzeugt wird, hinaus erstreckt.
Idealerweise erzeugen die mehreren Phasenverschiebungsregionen des Filters eine Intensitätsverteilung, die sich über einen beugungsbegrenzten fokussierten Punkt in mindestens einer räumlichen Dimension hinaus erstreckt. Der Phasenfilter kann dazu ausgelegt sein, eine gewünschte dreidimensionale Geometrie der Intensitätsverteilung zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann der Phasenfilter mehrere separate Intensitätsspitzen erzeugen.
Die Phasenverschiebungen der mehreren Regionen des Filters werden in Bezug auf die gewünschte Intensitätsverteilung des auf dem Werkstück auftreffenden Lichts iterativ optimiert, und vorzugsweise werden die Phasenverschiebungen der mehreren Regionen des Filters mit Hilfe einer direkten binären Suche iterativ optimiert.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Phasenfilters zur Verwendung in einer Laservorrichtung zur Materialbearbeitung bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln einer gewünschten Intensitätsverteilung von auf einem Werkstück auftreffendem Licht, welche sich in wenigstens einer räumlichen Dimension parallel zur optischen Achse über den fokussierten Punkt, der von der Laservorrichtung zur Materialbearbeitung ohne den Filter erzeugt wird, hinaus erstreckt; Zuweisen anfänglicher jeweiliger Phasenverschiebungen zu mehreren Regionen des Filters; Ermitteln eines Fehlerfaktors hinsichtlich der Ähnlichkeit der Intensitätsverteilung, die unter Verwendung der zugewiesenen Phasenverschiebungen erzeugt wurde, mit der gewünschten Intensitätsverteilung; iterative Optimierung der Phasenverschiebungen, die jeder Region zugewiesen wurden, um endgültige Phasenverschiebungen für jede Region des Filters zu bestimmen; und Herstellen eines Phasenfilters mit mehreren Regionen, wobei für jede Region die endgültige Phasenverschiebung mittels des Schrittes der iterativen Optimierung bestimmt wurde.
Bei der vorliegenden Erfindung gibt es einen sehr hohen Freiheitsgrad bei der Konstruktion der Nur-Phasenfilter, und damit wird es möglich, fast jede gewünschte Intensitätsverteilung zu erreichen, die in einem dreidimensionalen Raum um den Linsenfokus herum definiert ist. Dies erlaubt wiederum eine höchst genaue, schnelle und effiziente Materialbearbeitung unter Verwendung eines Lasers. Ferner kann die Laservorrichtung leicht eingestellt werden, um eine alternative Intensitätsverteilung zu erzeugen, indem einfach der Nur-Phasenfilter verändert oder ausgewechselt wird, und das wesentliche und teurere Teil der Vorrichtung, die Fokussierungslinse, kann behalten und wieder verwendet werden. Wenn ein Raumlichtmodulator als Nur-Phasenfilter verwendet wird, ist die Veränderung der Intensitätsverteilung einfach eine Frage der Umprogrammierung des Modulators, und somit ist die Laservorrichtung sehr flexibel und geht auf die individuellen Anforderungen hinsichtlich der Intensitätsverteilung bei speziellen Bearbeitungsaufgaben ein.
Es versteht sich natürlich, dass obwohl hierin auf Laserquellen Bezug genommen wird, im Allgemeinen sowohl kohärente als auch teilweise kohärente Laserquellen abgedeckt werden sollen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
1a, 1b und 1c schematische Darstellungen eines Laserfokussierungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Nur-Phasenfilter in verschiedenen Positionen;
2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Laserfokussierungssystems mit einem Adapter, der einen Nur-Phasenfilter gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
3, 4 und 5 Tabellen von Bauformen von Nur-Phasenfiltern und die unter Verwendung der Filter erzeugten Intensitätsverteilungen in der XZ- und YZ-Ebene.
Gemäß 1a, 1b und 1c besteht ein Laserfokussierungssystem, das sich zur Verwendung bei der Bearbeitung eines Werkstücks eignet, aus einem insgesamt zylindrischen Gehäuse 2, in dem eine Bilderzeugungsoptik 3 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 hat an jedem Ende des Gehäuses einander gegenüberliegende, auf die Bilderzeugungsoptik 3 ausgerichtete Fenster 4, 5, durch die der Laserstrahl geht. Das Gehäuse 2 weist außerdem eine Düse 6 auf, die im Gebrauch über dem Werkstück positioniert ist, und einen Fluideinlass 7 zum Einleiten eines Druckga ses in den Hohlraum des Gehäuses. Wenngleich dies hier nicht dargestellt ist, ist eine Lichtquelle in Form eines Lasers auf die Fenster 4, 5 ausgerichtet, um das Werkstück durch das Fokussierungssystem zu beleuchten. Bei dem Laser kann es sich um jeden der vielen handelsüblichen Laser wie zum Beispiel CO₂-, Excimer- oder YAG-Laser handeln. Diese Laser können Licht über einen weiten Bereich an Wellenlängen von zum Beispiel 193 nm bei einem Excimerlaser bis 10,6 μm bei einem CO₂-Laser erzeugen.
Die Bilderzeugungsoptik 3 besteht aus Brechungs-/Reflexionslinsenelementen 8, 9 (Brechungslinsen sind in 1 dargestellt) zum Erzeugen eines einzigen beugungsbegrenzten Fokus und aus einem Nur-Phasenfilter 10. Der Nur-Phasenfilter 10 kann in der Pupillenebene der fokussierenden Linsenelemente positioniert sein, wie in 1a gezeigt. Alternativ kann der Filter 10 zwischen den Linsenelementen 8, 9 und dem Werkstück positioniert sein, wie in 1b gezeigt, oder zwischen den Linsenelementen 8, 9 und dem Laser, wie in 1c gezeigt. Der Nur-Phasenfilter 10 kann in der Bilderzeugungsoptik 3 befestigt sein oder kann in einer Kartusche untergebracht sein, die herausnehmbar in die Bilderzeugungsoptik eingesetzt ist, um den Ersatz des Filters 10 durch alternative Nur-Phasenfilter zu vereinfachen, je nachdem welcher Filter sich für die speziell durchzuführende Bearbeitungsaufgabe am meisten eignet.
Gemäß 2 kann eine Laserkonditionierungsvorrichtung in Form eines Adapters 11 in Form eines zylindrischen Rohres bereitgestellt sein, in dem der Nur-Phasenfilter 10 montiert ist. Der Adapter 11 weist Verbindungsmittel zum Verbinden des Adapters mit dem Gehäuse eines herkömmlichen Laserfokussierungssystems zwischen dem Laser und dem Fenster zu dem Gehäuse auf. Auf diese Weise kann ein herkömmliches Laserfokussierungssystem nachträglich mit dem Nur-Phasenfilter ausgerüstet werden, um eine größere Flexibilität bei den durch das Laserfokussierungssystem zur Verwendung in der Materialbearbeitung erzeugten Intensitätsverteilungen zu erlauben.
Der Nur-Phasenfilter ist vorzugsweise quadratisch oder kreisrund und hat einen Durchmesser, der idealerweise dem Durchmesser der Linsenelemente entspricht, zum Beispiel 38 mm. Der Filter besteht aus mehreren einzelnen Regionen, denen jeweils eine jeweilige Phasenverschiebung zugewiesen ist, wobei die Phasenverschiebung jeder Region unter Verwendung einer Optimierungssoftware ermittelt wird, um eine vorher festgelegte bzw. Ziel-Intensitätsverteilung zu erreichen, die in einem 3D-Raum um den ursprünglichen Linsenfokus herum definiert ist. Wenn der Filter ein Binärfilter ist, bewirken die einzelnen Pixel des Filters eine Phasenverzögerung von entweder 0 oder π Radianten. Es werden jedoch auch komplexere Filter in Betracht gezogen, die zusätzlich Phasenverschiebungen von zum Beispiel 1/2π Radianten oder 3/2π Radianten aufweisen. Der Filter kann ein pixelorienter Filter zum Beispiel in Form eines programmierbaren Raumlichtmodulators sein. Ein bevorzugter Filter verwendet eine Anordnung von 128 × 128 Pixel, doch werden auch Anordnungen von 1000 × 1000 oder mehr in Betracht gezogen. Alternative Filter können ringförmige, sechseckige oder sogar unregelmäßige Regionen aufweisen, denen jeweils eine vorher festgelegte Phasenverschiebung zugewiesen ist.
Der Filter 10 kann unter Verwendung herkömmlicher Techniken aus einem Quarzglassubstrat hergestellt sein. Zum Beispiel wird eine Photoresistschicht auf die Oberfläche eines Quarzglassubstrats aufgebracht. Der vorher festgelegte Aufbau des Filters wird dann unter Verwendung einer Chrommaske und mit herkömmlichen Kontaktkopier- oder Projektionslithographieverfahren in dem Photoresist gebildet. Der durch die Chrommaske belichtete Photoresist wird anschließend geätzt, um Regionen des Quarzglassubstrats freizulegen, und das freiliegende Quarzglas wird dann mit einem Muster versehen, indem die freiliegenden Regionen des Quarzglases durch den verbleibenden Photoresist hindurch geätzt werden. Das freiliegende Quarzglas wird in eine vorher festgelegte Tiefe geätzt, um die gewünschte Phasenverzögerung Φ zu erreichen, und der verbleibende Photoresist wird anschließend entfernt. Die Ätztiefe kann mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden:
wobei h die Ätztiefe ist, λ die Wellenlänge des auftreffenden Lichts ist, n der Brechungsindex des Substrats ist, und n₀ der Brechungsindex der Umgebung ist. Für eine Phasenverzögerung von n Radianten beträgt die Ätztiefe also λ/2(n–n₀).
Die Optimierungssoftware, mit welcher der Aufbau des Filters für jede spezielle Ziel-Intensitätsverteilung ermittelt wird, kann mit iterativen Algorithmen wie zum Beispiel einer direkten binären Suche oder einer iterativen inversen Fourier-Transformation arbeiten, um den speziellen Aufbau des Filters zu ermitteln. Um zum Beispiel einen Filter für eine Ziel-Intensitätsverteilung I_T(x,y,z) am und um den ursprünglichen Nur-Linsenfokus herum zu konstruieren, wird ein Satz von N_T diskreten Punkten (x_m,y_m,z_m) so gewählt, dass die Intensitäten an den Punkten I_Tm(x_m,y_m,z_m) als repräsentativer Satz für die stetige Verteilung I_T(x,y,z) dienen können.
Die Linsenpupille und der Filter werden dann in N_P Regionen (Pixel) unterteilt. Unter Verwendung der Theorie der Fourieroptik oder durch direktes Auswerten der optischen Beugungsintegrale werden dann die komplexen Amplituden infolge der einzelnen Linsenregionen, den Linsenpixels, an den Zielpunkten berechnet. Diese Nur-Linsen-"Pixelbeiträge" werden als A_Lmn bezeichnet, wobei m=1...N_T und n=1...N_P.
Außerdem wird angenommen, dass der Effekt des Nur-Phasenfilters eine konstante Phasenverschiebung Φ_n in jedem Pixel ist. Die Pixelbeiträge mit komplexer Amplitude infolge der Kombination von Linse und Filter lassen sich dann schreiben als Amn=ALmnexp(iΦn).
Für einen gegebenen Satz von Φ_n Phasenverschiebungswerten der Pixel kann man dann die komplexen Amplituden und Intensitäten an den Zielpunkten erhalten durch Summierung über alle Pixel als
Eine Fehlerfunktion g wird als Nächstes als Maß für die Dichte der gewünschten Verteilung I_T und der durch die Kombination aus Linse und Filter erzeugten Verteilung I definiert:
Der iterative Konstruktionsalgorithmus umfasst dann die folgenden Schritte:

1) Berechnen der Pixelbeiträge A_Lmn.
2) Initialisieren der Φ_n Phasenverschiebungen der Pixel auf zufällige oder vorher definierte Werte.
3) Berechnen der Ausgangsfehlerfunktion g₀ unter Verwendung der Gleichungen (1) und (2).
4) Wählen eines zufälligen Pixelindex.
5) Modifizieren des Phasenverschiebungswertes des ausgewählten Pixels.
6) Neuberechnung der Fehlerfunktion.
7) Wenn der neue Wert der Fehlerfunktion kleiner ist als der vorherige, wird der neue Phasenverschiebungswert der Pixel behalten, andernfalls werden Pixelphase und Fehlerfunktion auf den vorherigen Wert zurückgesetzt.
8) Schritt 4) bis 7) wird wiederholt, bis die Änderungen in g kleiner werden als ein vorher definierter Grenzwert.

Die kritischen Elemente des Algorithmus sind die Filterphasen-Ausgangswerte, die Form der Fehlerfunktion und die Art und Weise, in der "zufällige" Pixelindices erzeugt werden. Die Fehlerfunktion kann viel komplexer sein als die in Gleichung (2) dargestellte. Zum Beispiel kann sie höchst nichtlinear sein, oder sie kann sogar im Verlauf des Algorithmus automatisch geändert werden.
In 3, 4 und 5 sind Beispiele unterschiedlicher Filterkonstruktionen für eine Fokussierungslinse mit NA = 0,1 und einen Laser mit λ = 10,6 μm angegeben, wobei die schwarzen und weißen Flächen 0 und π Phasenverschiebungen darstellen. Die zweite Spalte in den Figuren ist eine schematische Darstellung des Filteraufbaus, in der dritten und vierten Spalte sind die Lichtintensitätsverteilungen in der XZ- bzw. YZ-Ebene dargestellt (die Z-Achse ist parallel zur optischen Achse, während die X- und die Y-Achse zu der optischen Achse senkrecht sind), und in der fünften Spalte sind axiale Abtastlinien der Intensität dargestellt. 3a zeigt den einzigen von der Linse selbst erzeugten fokussierten Punkt. Für die obigen Parameter wäre der einzige fokussierte Punkt 0,53 mm lang (längs der optischen Achse) und ~53 μm breit. In 3b–3e sind Filter dargestellt, die dazu ausgelegt sind, zwei axiale Brennpunkte mit einer Reihe von Abständen dazwischen zu erzeugen. 3b zeigt somit zwei axiale Brennpunkte im Abstand von 5 mm, während die mit dem Filter von 3e erzeugten Brennpunkte einen Abstand von 20 mm haben Die Filter von 3b bis 3e sind einer Fresnel-Zonenplatte ähnlich, wurden jedoch optimiert, um nur zwei Brennpunkte zu erzeugen (und nicht eine ganze Reihe von Beugungsordnungen), und somit sind die Wirkungsgrade der Filter der vorliegenden Erfindung größer als die mit herkömmlichen Fresnel-Zonenplatten erreichten Wirkungsgrade.
In 4a bis 4d nun wiederum sind die Phasenfilter so aufgebaut, dass mehr als zwei axiale Brennpunkte erzeugt werden, wobei die 4a, 4b und 4c Brennpunkte gleicher Intensität haben. 4d zeigt dagegen einen Vierstufenfilter (die bei diesem Filter dargestellten Graustufen entsprechen 0, 1/2π und 3/2π Phasenverschiebungen), der drei axiale Brennpunkte mit einem Intensitätsverhältnis von 2:3:4 erzeugt. In 5a bis 5f ist der Aufbau von Filtern zum Erzeugen komplexerer Intensitätsverteilungen dargestellt. 5a zeigt also einen Filter, der eine Verteilung in Form einer 10 mm langen axialen Linie mit einem Punkt mit 50% Intensität an jedem Ende der Linie, d.h. im Abstand von ~15 mm, erzeugt; 5b zeigt einen Filter, der eine ähnliche Intensitätsverteilung wie der von 5a erzeugt, nur dass die Intensität der Punkte gleich der Intensität der Linie ist. In 5c ist die Intensitätsverteilung ähnlich der in den 5a und 5b, nur dass die Intensität der Linie 50% der Intensität der Punkte beträgt. Der Filter von 5d veranschaulicht, dass die Intensitätsverteilung keine zylindrische Symmetrie haben muss; dieser Filter erzeugt eine 10 mm lange Linie, die 2° um die y-Achse geneigt ist. 5e und 5f veranschaulichen zusätzliche Filterkonstruktionen, die mehrere Intensitätsspitzen in der XZ-Ebene erzeugen.
Wie also gezeigt wurde, gibt es bei der vorliegenden Erfindung wenige Einschränkungen hinsichtlich der Ziel-Intensitätsverteilungen, die unter Verwendung der Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung erzeugt werden können. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Phasenfilter so konstruiert sein, dass die gewünschten Merkmale des Brennpunkts der Laservorrichtung in Bezug auf die Anzahl der Brennpunkte, die räumliche Lage der Brennpunkte, die Spitzenintensitäten, die axiale Auflösung, die radiale Auflösung und die Hüllfunktion erfüllt sind. In der Tat können beliebige Intensitätsverteilungen in allen drei Dimensionen mit Hilfe der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. Da die Intensitätsverteilung des Brennpunkts bzw. der Brennpunkte in allen drei Dimensionen ausgelegt werden kann, ist die Bearbeitung einer Werkstückoberfläche mit einem hohen Seitenverhältnis möglich. Insbesondere kann eine längere axiale Linie gleicher Intensität erzeugt werden, die geeignet ist, eine Nut zu fräsen, ohne dass das Werkstück oder die Laservorrichtung während der Bearbeitung bewegt werden muss, um den Laser neu zu fokussieren. Wenngleich erwähnt wurde, dass es sich um einen Nur-Phasenfilter handelt, ist es aber offensichtlich, dass der Filter nicht unbedingt ein Nur-Phasenfilter sein muss.
Wenngleich die vorliegende Erfindung oben anhand herkömmlicher Schneid-, Schweiß- und Zerspanungsverfahren beschrieben wurde, kann mit der oben beschriebenen Laservorrichtung eine Mikrobearbeitung von Strukturen mit Abmessungen von nur 0,25 μm erzielt werden. Eine solche Mikrobearbeitung wird normalerweise nach dem LIGA-Verfahren durchgeführt. Bei Verwendung des Phasenfilters der vorliegenden Erfindung in Kombination mit herkömmlichen Linsenelementen kann eine Mikrobearbeitung mit Lasern erzielt werden, wobei die Seitenverhältnisse mit den mit Röntgenstrahlen erzielten vergleichbar sind. Darüber hinaus eignet sich die Laservorrichtung zum Schneiden oder sonstigen Bearbeiten eines weiten Bereichs an Materialien einschließlich Metalle wie Stahl, Holz, Kunststoffe einschließlich Polymere wie PMMA, Keramik und Silicium.

Claims

Laservorrichtung zur Verwendung in der Materialbearbeitung eines Werkstücks, wobei die Vorrichtung eine kohärente oder teilweise kohärente Lichtquelle und ein Gehäuse (2), das eines oder mehrere Fokussierungselemente (8, 9) und einen Phasenfilter (10) enthält, umfasst, wobei der Phasenfilter (10) mehrere Regionen aufweist, wobei jeder Region eine zuvor festgelegte Phasenverschiebung aus einer Gruppe möglicher Phasenverschiebungen zugewiesen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebungen der mehreren Regionen in Abhängigkeit von einer gewünschten Intensitätsverteilung von auf dem Werkstück auftreffendem Licht ausgewählt werden, welche sich in wenigstens einer räumlichen Dimension parallel zur optischen Achse über den fokussierten Punkt, der von der Vorrichtung ohne den Filter (10) erzeugt wird, hinaus erstreckt.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Phasenfilter (10) in der Pupillenebene des einen oder der mehreren Fokussierungselemente (8, 9) montiert ist.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei der Phasenfilter (10) in einer herausnehmbaren Kartusche untergebracht ist, die herausnehmbar in dem Gehäuse (2) montiert ist.
Laserkonditionierungsvorrichtung zur Verwendung in der Materialbearbeitung eines Werkstücks, wobei die Konditionierungsvorrichtung ein Adaptergehäuse (2), das einen Phasenfilter (10) enthält, umfasst, wobei das Adaptergehäuse (2) Verbindungsmittel für die Montage des Adaptergehäuses (2) zwischen einer kohärenten Lichtquelle und einem oder mehreren Fokussierungselementen (8, 9) aufweist, wobei der Phasenfilter (10) mehrere Regionen aufweist, wobei jeder Region eine zuvor festgelegte Phasenverschiebung aus einer Gruppe möglicher Phasenverschiebungen zugewiesen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebungen der mehreren Regionen in Abhängigkeit von der gewünschten Intensitätsverteilung von auf dem Werkstück auftreffendem Licht ausgewählt werden, welche sich in wenigstens einer räumlichen Dimension parallel zur optischen Achse über den fokussierten Punkt, der von der Laservorrichtung ohne den Filter (10) erzeugt wird, hinaus erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Phasenfilter (10) um einen programmierbaren Raumlichtmodulator handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Region des Filters (10) eine Phasenverschiebung von entweder 0 oder π Radianten aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Phasenfilter (10) eine gewünschte dreidimensionale Geometrie des auf dem Werkstück auftreffenden Lichts erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Phasenfilter (10) mehrere separate Intensitätsspitzen erzeugt.
Verfahren zur Herstellung eines Phasenfilters (10) zur Verwendung in einer Laservorrichtung zur Materialbearbeitung, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Ermitteln einer gewünschten Intensitätsverteilung von auf ein Werkstück auftreffendem Licht; Zuweisen anfänglicher jeweiliger Phasenverschiebungen zu mehreren Regionen des Filters (10); Ermitteln eines Fehlerfaktors hinsichtlich der Ähnlichkeit der Intensitätsverteilung, die unter Verwendung der zugewiesenen Phasenverschiebungen erzeugt wurde, mit der gewünschten Intensitätsverteilung; iterative Optimierung der Phasenverschiebungen, die jeder Region zugewiesen wurden, um endgültige Phasenverschiebungen für jede Region des Filters (10) zu bestimmen; und Herstellen eines Phasenfilters (10) mit mehreren Regionen, wobei für jede Region die endgültige Phasenverschiebung mittels des Schrittes der iterativen Optimierung bestimmt wurde, so dass sich die gewünschte Intensitätsverteilung des Lichts in wenigstens einer räumlichen Dimension parallel zur optischen Achse über den fokussierten Punkt, der von der Laservorrichtung zur Materialbearbeitung ohne den Filter erzeugt wird, hinaus erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zugewiesenen Phasenverschiebungen unter Verwendung einer direkten binären Suche iterativ optimiert werden.