EP3038788A1 - Verfahren und laseranordnung zum bearbeiten eines werkstücks mit einem gepulsten laserstrahl - Google Patents

Verfahren und laseranordnung zum bearbeiten eines werkstücks mit einem gepulsten laserstrahl

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EP3038788A1
EP3038788A1 EP14747577.6A EP14747577A EP3038788A1 EP 3038788 A1 EP3038788 A1 EP 3038788A1 EP 14747577 A EP14747577 A EP 14747577A EP 3038788 A1 EP3038788 A1 EP 3038788A1
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EP
European Patent Office
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laser
spectral phase
workpiece
pulse
laser pulses
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14747577.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Kaster
Florian Sotier
Fred-Walter Deeg
Stephan Geiger
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Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Original Assignee
Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG filed Critical Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Publication of EP3038788A1 publication Critical patent/EP3038788A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/36—Removing material

Definitions

  • the invention relates to a method and a laser arrangement for processing a workpiece with a pulsed laser beam.
  • Reflected radiation components can be additionally modulated by the density fluctuations excited in this way. This leads to a laterally varying absorption and to a laterally varying phase front. Accordingly, can the laser radiation has a lateral interference pattern. This effect takes place when using laser pulses with a pulse duration, which is less than 20ps, even when the laser beam is continuously guided over the surface to be processed, as this shifts at usual or currently technically feasible feed speeds at best by a distance, the is significantly smaller than the wavelength of the laser ⁇ beam. From M. Zukamoto et al. , Journal of Physics: Conference Series 59 (2007), pp. 666-669, it is also known that this phenomenon can be more pronounced and adversely affect the surface quality when several of these highly coherent laser pulses in short local and temporal Ab - overlay, as in surface structuring,
  • the invention is therefore based on the object of specifying a procedural ⁇ ren for machining a workpiece with a pulsed laser beam, with which the occurrence of such microstructures either largely prevented or influenced according to the desired process result.
  • the invention is based on the object of specifying a laser arrangement operated according to this method.
  • the stated object is achieved according to the invention with a method having the features of claim 1.
  • the lateral distribution of the spectral phase during the machining of the workpiece within the period of a laser pulse and / or at least between two at least partially on the workpiece overlapping laser pulses varies nonlinearly.
  • the lateral distribution of the spectral phase during the period of a single laser pulse or the lateral distribution of the spectral phase present in temporally successive laser pulses at least partially overlapping on the workpiece is additionally or exclusively changed, so that indeed takes place within a single laser pulse is no variation of the lateral distribution, but it is ensured that does not have all used for processing and superimposed on the workpiece the laser pulses have the same lateral distri ⁇ averaging the spectral phase. In the latter case, it is also not absolutely necessary for all laser pulses which at least partially overlap one another to differ with regard to their lateral distribution of the spectral phase.
  • two or more at least partially overlapping laser pulses may have the same lateral distribution of the spectral phase, if the machining process is such that a plurality of laser pulses overlap at least partially, as for example Percussion drilling is the case.
  • the invention is based on the consideration that the lateral distribution of the spectral phase or the Phasenspekt ⁇ rum of ultrashort laser pulses, the coherence of the incident with the reflected laser beams or laser beam components within a pulse and thus the appearance and shape of the microstructures or Nano-Ripples influenced. Accordingly spreader ⁇ accordingly can already by a variation of the spectral phase within the pulse or time duration of a laser pulse off the measure of occurrence and the shape of such nano-Ripples remarkable ⁇ be enced.
  • a non-linear variation of the lateral distribution of the spectral phase takes place at least between at least partially overlap ⁇ , chronologically successive laser pulses, in particular in so-called multi-pass method of Zuka- moto et al. described and caused by cumulative effects expression of unwanted structures largely avoided.
  • high-quality removal results can be achieved with surface properties which are optimally adapted to the respective requirements, for example large or small roughness, depending on the application.
  • Such an adjustment can be made, for example, by varying the pulse energy or by selecting the optical media which are nonlinear in the beam path and interacting with the laser beam in order to produce the desired surface quality for the respective intended application given correspondingly predetermined process parameters.
  • such adjustment can also be made by introducing optical components into the beam path with which the lateral distribution of the non-linear spectral phase can be selectively controlled within a laser pulse or between successive laser pulses, for example by widening or narrowing the laser beam in front of a non-linear the laser beam interacting optical medium and / or use of a lateral, ie across to
  • Beam axis adjustable arranged optical medium with laterally varying nonlinear refractive index Beam axis adjustable arranged optical medium with laterally varying nonlinear refractive index.
  • nano-ripples can be reduced in particular when the variation of the lateral distribution of the spectral phase takes place by varying the lateral distribution of the B-integral.
  • the B integral or the B integral value is by relationship where z is the distance traveled by the laser beam along the beam axis (center axis), I is the peak intensity of the laser beam as a function of the distance traveled along the beam axis z and the lateral distance r from the beam axis z, and ri2 is the Kerr coefficient or nonlinear
  • the B-integral value at a lateral point r of the laser beam after propagation of the laser pulse through an optical medium along a distance z is proportional to the distance traveled and the respective peak intensity present.
  • the B integral is therefore a measure of the nonlinear interaction of a laser pulse with an opti ⁇ 's medium and is a measure of the accumulated Doublepha- senmodulation. Since the pulse duration and pulse shape at one point of the beam cross section depends on the spectral phase present there, a laterally varying B integral corresponds to a pulse duration and pulse shape varying over the beam cross section.
  • 6,141,362 basically known to take measures to achieve a minimum, as constant as possible B integral over the entire beam cross-section. This happens because in the beam path of the laser, a semiconductor material is attached, which has a negative nonlinear refractive ⁇ index and thus generates a negative B integral, with which the positive B integral generated by a laser amplifier arranged in the beam path is compensated ,
  • the invention takes a different approach in that they had selectively adjusts the B integral to values which are different over the beam cross-section relative zuei ⁇ Nander to influence in this way, the coherence of the incident and reflected laser beams and to reduce the surface texture contrast by averaging over many radiations with radially and temporally varying B integral.
  • the spectral phase of the laser pulses is adjusted such that the B-integral of the laser pulse when striking the workpiece transversely to the beam axis varies when using a laser beam whose laser pulses have a Pulse ⁇ he smaller than 20ps , ie, is not constant and assumes values between -50 and + 50 degrees, whereby B-integral values between -20 and + 20 are set at pulse durations less than 10ps, and B-integral values between -5 and + 5 at pulse durations less than 2ps.
  • Distributions of the spectral phase of all laser pulses from each other can distinguish, that each laser pulse may have a different lateral distribution of the spectral phase.
  • each track can be generated with laser pulses that have the same lateral distribution of the spectral phase within this track.
  • this ⁇ A position of the spectral phase is performed by expanding or narrowing of the laser beam in front of at least one in the beam path angeord ⁇ Neten nonlinearly interacting with the laser beam optimum see medium.
  • the object is achieved with the features of claim 10. Due to the presence of means, in particular a controllable beam-shaping device, for varying the lateral distribution of the spectral phase of the laser pulses, it is possible to control the machining process with respect to each to optimize specific requirements.
  • the means for non-linear variation comprise an optical medium which is adjustably arranged transversely to the beam axis and has a laterally varying non-linear Refractive index, optical components, which are formed for widening or narrowing of the laser beam in front of a non-linear interacting with the laser medium, a entspre ⁇ accordingly formed control unit for controlling the pulse energy or the peak intensity and / or optical media, the non-linear refractive index transverse to the beam axis Example ⁇ varies by doping. It is understood that according to alternative embodiments, combinations of the above-mentioned means are provided.
  • a laser arrangement comprises a laser beam source 2 for generating a pulsed laser beam L which consists of a chronological sequence of ultrashort laser pulses.
  • a pulsed laser beam L which consists of a chronological sequence of ultrashort laser pulses.
  • laser pulses are widened in a Strecker (stretcher) 4 in the time domain, so that by such an increase of the pulse duration the maximum intensity in the Laser pulse is reduced.
  • This straightener 4 may be a free-jet grating arrangement or an arrangement constructed from other dispersive optical elements.
  • the temporally stretched laser pulse in this way is amplified in a laser amplifier 6.
  • the amplified laser pulse is then compressed again in an optical compressor 8 in the time domain, to produce in this way a laser pulse with a pulse duration which is less than 20ps, preferably less than lOps and in particular less than 2ps.
  • the laser pulse generated in this way is fed to a focusing, beam-shaping and deflecting unit 10, which is symbolically illustrated by a lens in the figure.
  • the focused in this way laser pulse impinges on a workpiece 12 and causes there with a low heat input material removed by evaporation of the material without a searchess ⁇ values melting zone is formed.
  • the extent of this mecanicali ⁇ -linear modulation of the spectral phase depends on the present in the laser pulse peak intensity decreases and can be accordingly ⁇ Speaking influenced by variation of this peak intensity.
  • a control unit 14 is provided for controlling the pump sources 16, 18 used for optically pumping the laser beam source 2 and the laser amplifier 6, and a pulse picker 20 arranged in front of the laser amplifier 6 and, in general, the arm 4.
  • a variation of the beam cross section in the amplifier medium is also possible in principle.
  • the variation and adjustment of the pulse energy and thus the peak intensity is generally carried out by Steue ⁇ tion of the pump power of the amplifier 6 associated pumping source 18 and by controlling the Pulspickers 20.
  • the focusing beam forming and deflection unit 10 may be additionally controlled such that as the overlap of the incident on dersel ⁇ ben place laser pulses can be varied.
  • optical media 22, 24 are arranged with different non-linear refractive indices.
  • the optical medium 22 has a negative nonlinear refractive index
  • the optical medium 24 has a positive nonlinear refractive index.
  • the optical media 22, 24 can also be arranged directly behind one another and form a structural unit. In this case, both optical media 22, 24 are arranged in the propagation direction of the laser beam, either before the straightener 4 or after the amplifier 6 or after the compressor 8.
  • a beam shaping device 30 which is controllable by the control unit 14 is variable
  • Beam shaping in particular beam expansion or beam narrowing arranged, with which also the peak intensity of the laser pulse can be varied.
  • the device 30 may also be additionally arranged between the optical media 22, 24.
  • Beam shaping device 30 and optical media 22, 24 can also form a structural unit, which can be arranged either in front of the straightener 4 or after the amplifier 6. With such an arrangement, the non-linear spectral phase can be varied without the need for replacement of optical components.
  • Variation of the non-linear spectral phase with constant structure is also the use of an optical medium possible whose nonlinear refractive index ri2 transverse to
  • Beam axis (center axis of the laser beam L), for example by doping, streaks or the composition of an optical element of many segments varies.
  • the lateral B-integral distribution can be dynamically modulated.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Laseranordnung zum Bearbeiten eines Werkstücks (12) mit einem gepulsten Laserstrahl (L) wird während der Bearbeitung die laterale Verteilung der spektralen Phase innerhalb der Zeitdauer eines Laserpulses und/oder zumindest zwischen zwei sich auf dem Werkstück (12) wenigstens teilweise überlappenden Laserpulsen nichtlinear variiert.

Description

Beschreibung
Verfahren und Laseranordnung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem gepulsten Laserstrahl
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Laseranordnung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem gepulsten Laserstrahl .
Aus der DE 103 33 770 AI ist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem gepulsten Laserstrahl bekannt.
Beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem gepulsten Laser- strahl, dessen Laserpulse Pulsdauern aufweisen, die kleiner als 20ps sind und insbesondere im Femtosekundenbereich liegen, treten Phänomene auf, die bei Verwendung von Laserpulsen mit längeren Pulsdauern nicht beobachtet werden. Wenn mit derart ultrakurzen Laserpulsen ein Materialabtrag durchgeführt wird, kann es vorkommen, dass auf der bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks Strukturen, sogenannte Nano-Ripples auftreten, die voneinander etwa in der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge beabstandet sind. Verursacht werden diese Strukturen durch eine Interferenz zwischen ein- und ausfallender Strah- lung und der Wechselwirkung mit dem Festkörper. Die einfallende Strahlung wechselwirkt zunächst mit den Elektronen im Fest¬ körper und erzeugt Dichteschwankungen der oberflächennahen Elektronen ( Plasmon-Polariton-Wechselwirkung) . Reflektierte Strahlungsanteile können hierbei durch die auf diese Weise angeregten Dichteschwankungen zusätzlich moduliert werden. Dies führt zu einer lateral variierenden Absorption und zu einer lateral variierenden Phasenfront. Dementsprechend kann die Laserstrahlung ein laterales Interferenzmuster aufweisen. Dieser Effekt findet bei Verwendung von Laserpulsen mit einer Pulsdauer, die kleiner als 20ps, ist auch dann statt, wenn der Laserstrahl kontinuierlich über die zu bearbeitende Oberfläche geführt wird, da sich dieser bei üblichen oder derzeit technisch realisierbaren Vorschubgeschwindigkeiten allenfalls um eine Strecke verschiebt, die deutlich kleiner als die Wellen¬ länge des Laserstrahls ist. Aus M. Zukamoto et al . , Journal of Physics: Conference Series 59 (2007), S. 666-669, ist es außerdem bekannt, dass sich dieses Phänomen weiter ausprägen und negativ auf die Oberflächenqualität auswirken kann, wenn sich mehrere dieser hoch kohärenten Laserpulse in kurzem örtlichen und zeitlichen Ab- stand überlagern, wie es beim Oberflächenstrukturieren,
Schneiden und Bohren der Fall ist. Dabei hat sich herausge¬ stellt, dass selbst dann, wenn die einzelnen Laserpulse nicht exakt auf dieselbe Stelle auftreffen, derartige Strukturen ausgebildet werden. Ursache hierfür ist, dass die von einem ersten Puls eingebrachten Strukturen die laterale Absorption des darauffolgenden Pulses verändern und auch zur verstärkten Speckle-Ausbildung der einfallenden Strahlung durch Interferenz mit der teildiffusen reflektierten Strahlung führen (lateral variierende Absorption zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen durch verschiedene Strukturen und während eines Pulses durch variierende Plasmon-Polariton-Wechselwirkung, sowie Specklebildung innerhalb eines Pulses) . Auf diese Weise kann sich die Struktur an der Werkstückoberfläche weiter ausprägen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Verfah¬ ren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem gepulsten Laserstrahl anzugeben, mit dem das Auftreten derartiger Mikrostruk- turen entweder weitgehend verhindert oder entsprechend dem gewünschten Prozessergebnis beeinflusst werden kann. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine nach diesem Verfahren betriebene Laseranordnung anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird die laterale Verteilung der spektralen Phase während der Bearbeitung des Werkstücks innerhalb der Zeitdauer eines Laserpulses und/oder zumindest zwischen zwei sich wenigstens teilweise auf dem Werkstück überlappenden Laserpulsen nichtlinear variiert.
Gemäß der Erfindung erfolgt somit während der Zeitdauer eines einzelnen Laserpulses eine Variation der lateralen Verteilung der spektralen Phase oder es wird zusätzlich oder ausschließlich die in zeitlich aufeinander folgenden, sich auf dem Werkstück zumindest teilweise überlagernden Laserpulsen vorliegende laterale Verteilung der spektralen Phase geändert, so dass zwar innerhalb eines einzelnen Laserpulses keine Variation dieser lateralen Verteilung erfolgt, aber sichergestellt ist, dass nicht alle zur Bearbeitung benutzten und sich auf dem Werkstück überlagernden Laserpulse dieselbe laterale Vertei¬ lung der spektralen Phase aufweisen. Im letzteren Fall ist es auch nicht zwingend erforderlich, dass sich alle einander zumindest teilweise überlagernden Laserpulse hinsichtlich ihrer lateralen Verteilung der spektralen Phase unterscheiden. Grundsätzlich können auch zwei oder mehrere sich wenigstens teilweise überlagernde Laserpulse dieselbe laterale Verteilung der spektralen Phase aufweisen, wenn der Bearbeitungsprozess derart erfolgt, dass eine Vielzahl von Laserpulsen sich wenigstens teilweise überlappen, wie dies beispielsweise beim Perkussionsbohren der Fall ist. Grundsätzlich ist es jedoch insbesondere beim Perkussionsbohren bzw. bei der Laserbearbei¬ tung mit einem sehr großen Überlapp zeitlich unmittelbar aufeinander folgender Laserpulse von Vorteil, wenn die laterale Verteilung der spektralen Phase zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden und sich überlagernden Laserpulsen variiert wird. Beim Abtragen in einem Multipassverfahren (mehrere sich wenigstens teilweise überlagernde Spuren) überlagern sich zwar auch die in einer Spur liegenden, zeitlich unmittelbar aufeinander folgende Laserpulse. In diesem Fall ist es aber grundsätzlich möglich, dass alle Laserpulse einer Spur dieselbe laterale Verteilung der spektralen Phase aufweisen, und dass eine Variation nur bei einem Spurwechsel erfolgt, wobei dies auch nicht zwingend bei jedem Spurwechsel der Fall sein muss.
Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zu Grunde, dass die laterale Verteilung der spektralen Phase bzw. das Phasenspekt¬ rum der ultrakurzen Laserpulse die Kohärenz der einfallenden mit den reflektierten Laserstrahlen bzw. Laserstrahlanteilen innerhalb eines Pulses und somit das Auftreten und die Form der Mikrostrukturen bzw. Nano-Ripples beeinflusst. Dementspre¬ chend kann bereits durch eine Variation der spektralen Phase innerhalb der Puls- oder Zeitdauer eines Laserpulses das Aus- maß des Auftretens und die Gestalt solcher Nano-Ripples beein¬ flusst werden. Wenn ergänzend oder alternativ hierzu eine nichtlineare Variation der lateralen Verteilung der spektralen Phase zumindest zwischen sich wenigstens teilweise überlappen¬ den, zeitlich aufeinander folgenden Laserpulsen erfolgt, ist insbesondere bei sogenannten Multipassverfahren die von Zuka- moto et al . beschriebene und durch kumulative Effekte bewirkte Ausprägung unerwünschter Strukturen weitgehend vermieden. Auf diese Weise können qualitativ hochwertige Abtragergebnisse mit an die jeweiligen Anforderungen optimal angepassten Oberflächeneigenschaften, je nach Anwendungsfall beispielsweise große oder geringe Rauigkeit, erzielt werden.
Eine solche Einstellung kann beispielsweise durch Variation der Pulsenergie oder durch Auswahl der im Strahlengang befindlichen und mit dem Laserstrahl nichtlinear wechselwirkenden optischen Medien erfolgen, um die für die jeweils beabsichtigte Applikation bei entsprechend vorgegebenen Prozessparametern angestrebte Oberflächenqualität zu erzeugen. Darüber hinaus kann eine solche Einstellung auch durch Einbringen von optischen Komponenten in den Strahlengang erfolgen, mit denen die laterale Verteilung der nichtlinearen spektralen Phase innerhalb eines Laserpulses oder zwischen aufeinander folgenden Laserpulsen gezielt gesteuert werden kann, beispielsweise durch Aufweiten oder Verengen des Laserstrahls vor einem nichtlinear mit dem Laserstrahl wechselwirkenden optischen Medium und/oder Verwendung eines lateral, d.h. quer zur
Strahlachse verstellbar angeordneten optischen Mediums mit lateral variierendem nichtlinearen Brechungsindex.
Das Auftreten solcher Nano-Ripples kann dabei insbesondere dann reduziert werden, wenn die Variation der lateralen Verteilung der spektralen Phase durch Variation der lateralen Verteilung des B-Integrals erfolgt.
Das B-Integral bzw. der B-Integralwert ist durch Beziehung definiert, wobei z der vom Laserstrahl entlang der Strahlachse (Mittelachse) zurückgelegte Weg, I die Spitzenintensität des Laserstrahls in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg entlang der Strahlachse z und dem lateralen Abstand r von der Strahl- achse z, und ri2 der Kerr-Koeffizient oder der nichtlineare
Anteil des Brechungsindex (im Folgenden abgekürzt als nichtli¬ nearer Brechungsindex bezeichnet) ist, der im Allgemeinen ebenfalls von z und r abhängig ist. Der B-Integralwert an einem lateralen Punkt r des Laserstrahls nach Propagation des Laser- pulses durch ein optisches Medium entlang einer Strecke z ist proportional zum zurückgelegten Weg und der jeweils vorliegenden Spitzenintensität. Das B-Integral ist also ein Maß für die nichtlineare Wechselwirkung eines Laserpulses mit einem opti¬ schen Medium und ist ein Maß für die akkumulierte Selbstpha- senmodulation . Da die Pulsdauer und Pulsform an einem Punkt des Strahlquerschnitts von der dort vorliegenden spektralen Phase abhängt, entspricht ein lateral variierendes B-Integral einer über den Strahlquerschnitt variierenden Pulsdauer und Pulsform.
Zur Verminderung der intensitätsabhängigen Modulation der spektralen Phase ist es beispielsweise aus dem US-Patent
6,141,362 grundsätzlich bekannt, Maßnahmen zu ergreifen, um ein minimales, möglichst konstantes B-Integral über den gesam- ten Strahlquerschnitt zu erzielen. Dies geschieht dadurch, dass in den Strahlengang des Lasers ein Halbleitermaterial angebracht wird, das einen negativen nichtlinearen Brechungs¬ index aufweist und auf diese Weise ein negatives B-Integral erzeugt, mit dem das von einem im Strahlengang angeordneten Laserverstärker erzeugte positive B-Integral kompensiert wird. Abweichend von den dort vorgeschlagenen Maßnahmen beschreitet die Erfindung jedoch einen anderen Weg, indem sie nämlich gezielt das B-Integral auf Werte einstellt, die relativ zuei¬ nander über den Strahlquerschnitt verschieden sind, um auf diese Weise die Kohärenz von einfallenden und reflektierten Laserstrahlen zu beeinflussen und den Strukturkontrast an der Oberfläche durch Mittelung über viele Bestrahlungen mit radial und zeitlich variierendem B-Integral zu vermindern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird bei Verwendung eines Laserstrahls, dessen Laserpulse eine Pulsdau¬ er aufweisen, die kleiner als 20ps ist, die spektrale Phase der Laserpulse derart eingestellt, dass das B-Integral des Laserpulses beim Auftreffen auf das Werkstück quer zur Strahlachse variiert, d.h. nicht konstant ist und Werte zwischen - 50rad und +50rad annimmt, wobei insbesondere bei Pulsdauern kleiner als lOps B-Integralwerte zwischen -20rad und +20rad und bei Pulsdauern kleiner als 2ps B-Integralwerte zwischen - 5rad und +5rad eingestellt werden.
Durch eine derartige Einstellung des B-Integrals können Nano- Ripples weitgehend vermieden bzw. deren Ausprägung verringert werden, da in diesem Fall die Kohärenz der Laserstrahlung beeinflusst und die Strukturausbildung zusätzlich durch die Mittelung über mehrere Pulse mit verschieden radial und zeit¬ lich variierenden spektralen Phasen vermindert wird.
Insbesondere wird beim Perkussionsbohren die laterale Vertei¬ lung der spektralen Phase unmittelbar aufeinander folgender Laserpulse variiert, wobei sich grundsätzlich die lateralen
Verteilungen der spektralen Phase aller Laserpulse voneinander unterscheiden können, d.h. jeder Laserpuls eine andere laterale Verteilung der spektralen Phase aufweisen kann.
Bei der Laserablation in einem Multipass-Verfahren, bei dem der Laserstrahl mehrfach entlang sich überlappender Spuren gefahren wird, kann es ausreichen, wenn die laterale Verteilung der spektralen Phase nur bei einem Spurwechsel variiert wird, so dass jede Spur mit Laserpulsen erzeugt werden kann, die innerhalb dieser Spur dieselbe laterale Verteilung der spektralen Phase aufweisen.
Das Auftreten einer solchen unerwünschten Oberflächenstruktur kann außerdem zusätzlich gemindert werden, wenn der Überlapp der auftreffenden Laserpulse zusätzlich variiert wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Ein¬ stellung der spektralen Phase durch Aufweiten oder Verengen des Laserstrahls vor zumindest einem im Strahlengang angeord¬ neten nichtlinear mit dem Laserstrahl wechselwirkenden opti- sehen Medium.
Hinsichtlich der Laseranordnung wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 10. Durch das Vorhandensein von Mitteln, insbesondere eine steuerbare Strahlformungsein- richtung, zum Variieren der lateralen Verteilung der spektralen Phase der Laserpulse ist es möglich, den Bearbeitungspro- zess im Hinblick an die jeweils spezifischen Anforderungen zu optimieren . Alternativ oder zusätzlich umfassen die Mittel zum nichtlinearen Variieren ein quer zur Strahlachse verstellbar angeordnetes optisches Medium mit lateral variierendem nichtlinearen Brechungsindex, optische Komponenten, die zum Aufweiten oder Verengen des Laserstrahls vor einem nichtlinear mit dem Laserstrahl wechselwirkenden Medium ausgebildet sind, eine entspre¬ chend ausgebildete Steuereinheit zur Steuerung der Pulsenergie bzw. der Spitzenintensität und/oder optische Medien, deren nichtlinearer Brechungsindex quer zur Strahlachse beispiels¬ weise durch Dotierungen variiert. Es versteht sich, dass gemäß alternativer Ausführungsbeispiele auch Kombinationen der oben genannten Mittel vorgesehen sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Laseranordnung sind in den Patentanspruch 10 nachgeordneten Unteransprüchen wiedergegeben . Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen :
Fig. 1 bis 3 Laseranordnungen zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung jeweils in einer schematischen Prinzipskizze.
Gemäß Fig. 1 umfasst eine Laseranordnung gemäß der Erfindung eine Laserstrahlquelle 2 zum Erzeugen eines gepulsten Laser- Strahls L, der aus einer zeitlichen Folge von ultrakurzen Laserpulsen besteht. Um eine unkontrollierte oder zu stark ausgeprägte nichtlineare Modulation der spektralen Phase oder eine optische Zerstörung der in der Übertragungskette befind¬ lichen optischen Komponenten zu vermeiden, werden die aus der Laserstrahlquelle 2 austretenden Laserpulse in einen Strecker (stretcher) 4 im Zeitbereich verbreitert, so dass durch eine solche Vergrößerung der Pulsdauer die maximale Intensität im Laserpuls verringert wird. Bei diesem Strecker 4 kann es sich um eine Freistrahl-Gitteranordnung oder um eine aus anderen dispersiven optischen Elementen aufgebaute Anordnung handeln. Der auf diese Weise zeitlich gestreckte Laserpuls wird in einem Laserverstärker 6 verstärkt. Der verstärkte Laserpuls wird anschließend wieder in einem optischen Kompressor 8 im Zeitbereich komprimiert, um auf diese Weise einen Laserpuls mit einer Pulsdauer zu erzeugen, die kleiner als 20ps, vorzugsweise kleiner als lOps und insbesondere kleiner als 2ps ist. Der auf diese Weise erzeugte Laserpuls wird einer Fokus- sier-, Strahlformungs-und Ablenkeinheit 10 zugeleitet, die in der Figur symbolisch durch eine Linse veranschaulicht ist. Der auf diese Weise fokussierte Laserpuls trifft auf ein Werkstück 12 und bewirkt dort mit geringem Wärmeeintrag einen Material- abtrag durch Verdampfen des Materials, ohne dass eine nennens¬ werte Schmelzzone entsteht.
Aufgrund der sehr kleinen Pulsdauer und des zum Abtragen pro Laserpuls erforderlichen Energieeintrags, der je nach Anwen- dung einige lOOnJ bis zu einigen mJ (Feinbearbeitung im Mikrometerbereich) betragen kann, liegt im Laserpuls eine sehr hohe Spitzenintensität vor, bei der eine nichtlineare Wechselwir¬ kung des Laserstrahls mit den in der Übertragungskette befind¬ lichen optischen Medien stattfinden kann, die zu einer nicht- linearen Modulation der spektralen Phase, d.h. des Phasenspektrums des Laserstrahlpulses führt. Das Ausmaß dieser nichtli¬ nearen Modulation der spektralen Phase hängt dabei von der im Laserpuls vorliegenden Spitzenintensität ab, und kann dement¬ sprechend durch Variation dieser Spitzenintensität beeinflusst werden. Zur Variation dieser Spitzenintensität und dementsprechend zur Variation der spektralen Phase ist eine Steuereinheit 14 zum Steuern der zum optischen Pumpen der Laserstrahlquelle 2 und des Laserverstärkers 6 verwendeten Pumpquellen 16, 18 sowie eines vor dem Laserverstärker 6 angeordneten Pulspickers 20 und im Allgemeinen des Streckers 4 vorgesehen. Je nach dem im Laserverstärker 6 verwendeten Verstärkermedium ist prinzipiell auch eine Variation des Strahlquerschnitts im Verstärkermedium möglich. Die Variation und Einstellung der Pulsenergie und damit der Spitzenintensität erfolgt in der Regel durch Steue¬ rung der Pumpleistung der dem Verstärker 6 zugeordneten Pumpquelle 18 sowie durch Steuerung des Pulspickers 20. Durch Steuerung oder Einstellung der Pulsenergie bzw. Spitzenintensität kann dementsprechend die Variation der lateralen Vertei- lung der nichtlinearen spektralen Phase entweder einmalig an das jeweils zu erreichende Prozessergebnis oder Prozessziel angepasst werden oder alternativ oder zusätzlich von Laserpuls zu Laserpuls variiert werden, um den vorstehend genannten, bei der Durchführung eines Multipass-Verfahrens oder beim Perkus- sionsbohren auftretenden und zur Strukturbildung führenden kumulativen Effekt zu vermeiden. Mit der Steuereinheit 14 kann zusätzlich die Fokussier- Strahlformungs- und Ablenkeinheit 10 derart gesteuert werden, dass z.B. der Überlapp der an dersel¬ ben Stelle auftreffenden Laserpulse variiert werden kann.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind in den Übertragungs¬ weg beispielsweise vor dem Strecker 4 und hinter dem Kompres¬ sor 8 optische Medien 22, 24 mit unterschiedlichen nichtlinearen Brechungsindizes angeordnet. Das optische Medium 22 hat einen negativen nichtlinearen Brechungsindex und das optische Medium 24 hat einen positiven nichtlinearen Brechungsindex. Durch Kombination solcher optischer Medien mit positivem und negativem linearem Brechungsindex lassen sich gezielt die jeweils gewünschten Werte für das B-Integral einstellen. Alternativ zu der in der Fig. 2 gezeigten Anordnung können die optischen Medien 22, 24 auch unmittelbar hintereinander ange- ordnet sein und eine Baueinheit bilden. In diesem Fall sind beide optische Medien 22, 24 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls gesehen entweder vor dem Strecker 4 oder nach dem Verstärker 6 oder nach dem Kompressor 8 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist nach dem Kompressor 8 und vor den optischen Medien 22, 24 eine von der Steuereinheit 14 steuerbare Strahlformungseinrichtung 30 zur variablen
Strahlformung, insbesondere Strahlaufweitung oder Strahlverengung angeordnet, mit der ebenfalls die Spitzenintensität des Laserpulses variiert werden kann. Alternativ zu der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform kann die Einrichtung 30 auch zusätzlich zwischen den optischen Medien 22, 24 angeordnet sein. Strahlformungseinrichtung 30 und optische Medien 22, 24 können ebenfalls eine Baueinheit bilden, die entweder vor dem Strecker 4 oder nach dem Verstärker 6 angeordnet sein kann. Mit einer solchen Anordnung kann die nichtlineare spektrale Phase variiert werden, ohne dass hierzu ein Austausch von optischen Komponenten erforderlich ist. Alternativ zu der in Fig. 3 dargestellten Möglichkeit der
Variation der nichtlinearen spektralen Phase bei gleichbleibenden Aufbau ist auch die Verwendung eines optischen Mediums möglich, dessen nichtlinearer Brechungsindex ri2 quer zur
Strahlachse (Mittenachse des Laserstrahls L) , beispielsweise durch Dotierungen, Schlieren oder dem Zusammensetzen eines optischen Elements aus vielen Segmenten variiert. Durch variable Strahlformung und/oder Variation der Polarisation der Laserstrahlung mit Hilfe einer den optischen Medien 22, 24 vorgeschalteten Verzögerungsplatte 31 oder der optischen Medien, beispielsweise polykristalline Festkörper, und/oder Varia¬ tion der Lage des Strahlachse im optischen Medium durch eine Verschiebung des Mediums quer zur Strahlachse , oder Variation des Strahldurchmessers bei Eintritt in das Medium durch eine Verschiebung des Mediums parallel zur Strahlachse kann die laterale B-Integralverteilung dynamisch moduliert werden.
Diese Quer- und Längsverstellung ist in Fig. 3 durch Doppel- pfeile 32, 33 bzw. 34, 35 angedeutet.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Grundsätzlich sind auch Ausfüh rungsformen möglich, bei denen Strecker, Kompressoren oder Laserverstärker nicht zum Einsatz gelangen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (12) mit einem gepulsten Laserstrahl (L) , bei dem während der Bearbeitung die laterale Verteilung der spektralen Phase innerhalb der Zeit¬ dauer eines Laserpulses und/oder zumindest zwischen zwei sich wenigstens teilweise auf dem Werkstück (12) überlappenden Laserpulsen nichtlinear variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Variation der lateralen Verteilung der spektralen Phase durch Variation der lateralen Verteilung des B-Integrals erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Pulsdauer kleiner als 20ps ist und bei dem die spektrale Phase derart einge¬ stellt wird, dass das B-Integral des Laserpulses beim Auftref¬ fen auf das Werkstück quer zur Strahlachse variiert und Werte zwischen -50rad und +50rad annimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Pulsdauer kleiner als lOps ist und bei dem die spektrale Phase derart einge¬ stellt wird, dass das B-Integral des Laserpulses beim Auftref¬ fen auf das Werkstück quer zur Strahlachse variiert und Werte zwischen -20rad und +20rad annimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Pulsdauer kleiner als 2ps ist und bei dem die spektrale Phase derart eingestellt wird, dass das B-Integral des Laserpulses beim Auftreffen auf das Werkstück quer zur Strahlachse variiert und Werte zwischen -5rad und +5rad annimmt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zeitlich unmittelbar aufeinander folgende Laserpulse eine voneinander verschiedene laterale Verteilung der spektralen Phase aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Bearbeitung des Werkstücks in einem Multipassverfahren mit einer Mehrzahl sich überlagernder Spuren erfolgt und bei dem die Laserpulse zeitlich aufeinander folgender und sich überla- gernder Spuren eine voneinander verschiedene laterale Vertei¬ lung der spektralen Phase aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Überlapp der Laserpulse variiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Variation der Verteilung der spektralen Phase durch Aufweiten oder Verengen des Laserstrahls vor zumindest einem im Strahlengang angeordneten, mit den Laserpulsen nichtlinear wechselwirkenden optischen Medium erfolgt.
10. Laseranordnung zum Durchführen eines der vorhergehenden Verfahren mit einer Laserstrahlquelle (2) zum Erzeugen eines in Form von Laserpulsen vorliegenden Laserstrahls (L) sowie mit zumindest einem im Strahlengang des Laserstrahls angeord¬ neten, mit den Laserpulsen nichtlinear wechselwirkenden optischen Medium (22, 24) und mit Mitteln zum nichtlinearen Variieren der lateralen Verteilung der spektralen Phase der Laserpulse .
11. Laseranordnung nach Anspruch 10, bei der zum Einstellen der lateralen Verteilung der spektralen Phase der Laserpulse eine steuerbare Strahlformungseinrichtung (30) vorgesehen ist.
12. Laseranordnung nach Anspruch 10 oder 11, bei der zum Variieren der lateralen Verteilung der spektralen Phase der Laserpulse dem zumindest einem Medium (22, 24) eine vorgeschaltete Verzögerungsplatte (31) vorgeschaltet ist.
13. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der der nichtlineare Brechungsindex des zumindest einen optischen Mediums (22, 24) quer zur Strahlachse variiert.
14. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der das zumindest eine optische Medium (22, 24) quer und oder parallel zur Mittenachse des Laserstrahls (L) verschiebbar angeordnet ist.
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