EP4076828A1 - Verfahren zur lasermaterialbearbeitung und laserbearbeitungsanlage - Google Patents

Verfahren zur lasermaterialbearbeitung und laserbearbeitungsanlage

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EP4076828A1
EP4076828A1 EP20829773.9A EP20829773A EP4076828A1 EP 4076828 A1 EP4076828 A1 EP 4076828A1 EP 20829773 A EP20829773 A EP 20829773A EP 4076828 A1 EP4076828 A1 EP 4076828A1
Authority
EP
European Patent Office
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focus zone
laser beam
pulsed laser
shielding surface
focus
Prior art date
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Pending
Application number
EP20829773.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel FLAMM
Jonas Kleiner
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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the present invention relates to a method for laser material processing of an at least partially transparent material by sequentially modifying adjoining sections of the material with pulsed laser beams.
  • the invention also relates to a laser processing system.
  • a workpiece can generally be processed by an interaction, which modifies the material of the workpiece, of laser radiation with the material of the workpiece. If laser radiation is absorbed in the volume of the material (so-called volume absorption), localized modifications can be introduced into the material of the workpiece and thus into the interior of the workpiece with the laser radiation.
  • the workpiece consists of an at least partially transparent material.
  • a spatially defined volume absorption can be promoted by using non-linearly induced absorption, in which the laser radiation only interacts with the material from a material-dependent (threshold) intensity.
  • the material typically has a low linear absorption.
  • Non-linearly induced absorption is understood here to mean an intensity-dependent absorption of light which is primarily not based on the direct absorption of the light, but rather on multiphoton and / or tunnel ionization-induced absorption.
  • the non-linearly induced absorption is based on an increase in absorption during the interaction with the incident light, usually a time-limited laser pulse.
  • Electrons can absorb so much energy, for example through bremsstrahlung, that further electrons are released through collisions and the rate of electron generation exceeds the rate of recombination.
  • the starting electrons required for the avalanche-like increasing absorption can be present at the beginning or they can be generated, for example, by an existing (linear) residual absorption.
  • initial ionization can lead to an increase in temperature, which increases the number of free electrons and thus the subsequent absorption.
  • starting electrons can be generated by multiphoto or tunnel ionization as examples of known non-linear absorption mechanisms.
  • Volume absorption can be used in the case of materials that are transparent to the laser beam to form a modification of the material in an elongated focus zone, see, for example, WO 2016/079062 A1 by the applicant.
  • modifications can enable the material to be separated, drilled, or patterned.
  • rows of modifications can be generated for separation, which trigger a break within or along the modifications.
  • modifications for separating, drilling and structuring which enable selective etching of the modified areas (SLE: selective laser etching).
  • An elongated focus zone can be generated, for example, with the help of apodized Bessel rays (also referred to herein as quasi-Bessel rays).
  • An elongated focus zone extends along a focus zone axis and, in the case of quasi-Bessel beams, is formed by constructive interference from laser radiation which runs at an angle to the focus zone axis.
  • Quasi-Bessel beams can be formed, for example, with an axicon or a spatial light modulator (SLM: spatial light modulator) and an incident laser beam with a Gaussian beam profile. Subsequent imaging in a transparent workpiece leads to the intensities required for volume absorption in the elongated focus zone. Quasi-Bessel rays - like Bessel rays - usually have a ring-shaped intensity distribution in the far field.
  • SLM spatial light modulator
  • focus zones that have a defined beginning (conventional quasi-Bessel rays) and focus zones that have a defined end (inverse quasi-Bessel rays), depending on whether the beginning or the end of a focus zone is on the constructive interference from laser radiation, which forms the central area of the ring-shaped intensity distribution (near the focus zone axis), decreases.
  • the intensity distributions can be shaped in the direction of propagation, for example the intensity profile is adjusted (homogenized) in so-called homogenized (inverse) Bessel rays.
  • the intensity profile can be shaped along the focus zone axis in such a way that a spatially defined transition from unmodified material to modified material results in the material along the focus zone axis.
  • Gaussian beam profiles can be used to produce spatially limited modifications in the direction of propagation, which can be viewed as punctiform compared to the aforementioned elongated focus zones.
  • One aspect of this disclosure is based on the object of enabling shaped separating edge profiles when separating an at least partially transparent material into several workpieces.
  • the object is to reduce, simplify or even avoid post-processing steps in the processing of transparent materials.
  • a method for laser material processing of an at least partially transparent material by sequentially modifying mutually adjacent sections of the material with pulsed laser beams is disclosed.
  • the procedure consists of the following steps:
  • the first focus zone being moved relative to the material for modifying a first section of the material so that the first modifications form a shielding surface
  • a laser processing system for processing an at least partially transparent material by sequential modification of mutually adjacent adjacent sections of the material with pulsed laser beams disclosed.
  • the Laserbear processing system comprises a laser beam source for generating a first pulsed laser beam, which forms a first focus zone when irradiated into the material, which is optionally formed as a Gaussian focus zone or a focus zone elongated along a first focus zone axis and at a beginning and / or at one end of the first focus zone forms an increase in intensity that creates a spatially defined transition from unmodified material to modified material in the material along the first focus zone axis, and for generating a second pulsed laser beam which, when irradiated into the material, creates a second focus zone forms, which is formed elongated along a second focus zone axis and is formed by constructive interference of laser radiation which extends at an angle to the second focus zone axis.
  • the laser processing system further comprises a workpiece storage unit for storing the material as a workpiece and a control unit which is designed to carry out the method disclosed herein.
  • the laser processing system is designed to perform a relative movement between the material and the focus zones of the first pulsed laser beam and the second pulsed laser beam and to align the second pulsed laser beam with respect to the shielding surface.
  • the second focus zone axis can be aligned with the shielding surface in such a way that the structural interference of the laser radiation of the second pulsed laser beam behind the shielding surface (115) is disturbed, in particular suppressed, so that the second pulsed laser beam (103 ') forms the second modification (119') only up to the shielding surface (115).
  • the second pulsed laser beam can hit the shielding surface, so that the constructive interference of the laser radiation of the second pulsed laser beam that hits the shielding surface with part of the laser radiation of the second pulsed laser beam that does not hit the shielding surface, is disturbed, in particular suppressed, so that the second pulsed laser beam forms the second modification (only) up to the shielding surface and the second section preferably opens into the first section.
  • the second focus zone axis can be tangent to the shielding surface or run through the shielding surface.
  • the first focus zone can be designed to be elongated along a first focus zone axis and at a beginning and / or at an end of the first Form the focus zone an increase in intensity that generates a spatially defined transition from unmodified material to modified material in the material along the first focus zone axis.
  • the shielding surface can be limited in the material by the spatially defined transitions, the spatially defined transitions being able to represent a shielding edge running through the material.
  • the second focus zone can be moved relative to the material in such a way that the second focus zone axis runs near the shielding edge or through the shielding edge or in a spatial area that extends around the shielding edge or through the shielding surface.
  • the second pulsed laser beam can be aligned during the processing of the material with the second pulsed laser beam in such a way that the second focus zone opens into the shielding surface and / or the second focus zone axis runs through the shielding edge.
  • the transition from unmodified material to modified material in the first focus zone can be spatially limited in such a way that the transition extends along the focus zone axis over a length in a range between 1 pm and 200 pm, typically between 5 pm and 50 pm or between 10 pm and 30 pm.
  • the first pulsed laser beam and / or the second pulsed laser beam can be generated such that the first focus zone and / or the second focus zone (107 ') has an aspect ratio that is at least 10: 1 and / or that the first focus zone and / or the second focus zone has a maximum change in the lateral extent of the intensity distribution causing a modification over the focus zone in the range of 50% and less, for example 20% and less or 10% and less.
  • the first pulsed laser beam and / or the second pulsed laser beam can be generated in such a way that the axial extent of the first focus zone and / or the second focus zone is determined at the beginning and / or at the end by phase modulation of an incident laser beam , wherein the phase modulation is designed to form a Bessel beam focus zone and in particular impresses an axicon phase contribution that varies in the radial direction on the incident laser beam and wherein the phase modulation is limited to a radial area, optionally with the incident laser beam as a limitation effect on the radial area in a radially inner area and / or in a radially outer area interacts with a beam diaphragm, in particular blocked with an amplitude diaphragm or scattered with a phase diaphragm, or optionally with the incident laser beam only in radial area is formed.
  • the first focus zone can be formed with a Gaussian laser beam so that the geometry of the first modifications corresponds to a Gaussian focus zone, the first modifications are arranged in a grid in the material and the grid forms the shielding surface.
  • the second focus zone can be moved relative to the material in such a way that the second focus zone axis runs through the shielding surface or in a spatial area that extends around the shielding surface or in an edge area of the shielding surface.
  • the second pulsed laser beam when irradiated into the material, can form an increase in intensity at a start of the second focus zone, which creates a spatially defined transition from unmodified material to modified material in the material along the second focus zone axis, so that material areas that are through Laser pulses of the second pulsed laser beam have been modified to form a further shielding surface that is delimited in the material by the spatially defined transitions, the spatially defined transitions representing a further shielding edge running through the material.
  • the method can comprise the following steps:
  • Generating a third pulsed laser beam which, when irradiated into the material, forms a third focus zone that is elongated along a third focus zone axis and is formed by constructive interference from laser radiation that runs at an angle to the second focus zone axis, and
  • the first section and the second gate can at least partially form a separating contour surface in the material.
  • the method can include: separating the material along the separating contour surface, wherein in particular the first section or the second section lead to the formation of a long bevel or a micro-bevel and / or wherein the first section and the second section lead to the formation of a recess in the material .
  • the second section can define a connection surface that merges into the shielding surface, so that after the material has been separated into two parts, an edge is formed along the spatially defined transitions in one of the parts.
  • the second pulsed laser beam and optionally the first pulsed laser beam can have a quasi-Bessel beam-like beam profile in which, in particular, only a central area of the incident laser radiation makes contributions to an upward end of the elongated focus zone.
  • the second pulsed laser beam and optionally the first pulsed laser beam can have an inverse quasi-Bessel beam-like beam profile in which in particular only a central area of the incident laser radiation makes contributions to a downstream end of the elongated focus zone.
  • control unit can be designed to set a position of the focus zone, in particular a position of an end of the elongated focus zone, with respect to the workpiece storage unit and / or to set a parameter of the laser beam.
  • the laser beam source can also be designed to generate laser radiation that modifies the material by non-linear absorption.
  • the laser processing system can furthermore comprise an optical system with a beam shaping element, the beam shaping element being designed to impress a transverse phase profile on incident laser radiation.
  • the optical system can be designed to generate an elongated focus zone with an aspect ratio of at least 10: 1 and / or with a maximum change in the lateral extent of the intensity distribution over the focus zone in the range of 50% and less.
  • the optical system can be designed to form an elongated focus zone in which only a central region of the laser beam contributes to an end of the elongated focus zone that is upward or downstream of the beam.
  • a spatially defined transition for the beginning or end of a modification section - in particular for the formation of a shielding edge through which the modifications form the modification section - can be obtained in the focus zones with the aid of a very rapid increase or decrease in intensity.
  • a rapid increase / decrease in intensity can cause a spatially well-defined beginning or a spatially well-defined end of the modification, this being supported by non-linear absorption and modification processes.
  • the aspect of interference in the focus formation of a quasi-Bessel beam is used for the formation of such transitions. It was thus recognized that a previously written-in modification level can be used for shielding in order to suppress the constructive interference when a modification is formed downstream of the written-in modification level.
  • the concepts disclosed herein enable advantages such as laser processing without, in particular special dirty, post-processing steps and very fast shaping processes compared to shaping processes that use grinding processes.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a laser processing system for material processing
  • FIG. 2 shows a schematic 3D representation of a flat-bed laser processing system
  • Figures 3-6 schematic representations of intensity distributions in elongated focus zones based on different types of quasi-Bessel rays
  • FIG. 7A shows a sketch to clarify a first machining step
  • FIG. 7B shows a sketch to clarify a second machining step
  • FIG. 7C shows further sketches to clarify the second machining step
  • FIG. 7D shows a section through the material after the second machining step has taken place for clarification the resulting modification
  • FIG. 7E shows a schematic representation of a workpiece that results after the material has been separated along the modification illustrated in FIG. 7D;
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an exemplary workpiece in which the focus zones were not coordinated with one another according to the invention
  • 9 is a sketch to illustrate an alternative sequence of two processing steps and 10A is a sketch to illustrate a material processing with a sequence of three processing steps with elongated focus zones,
  • 10B is a sketch to illustrate a material processing with two processing steps with elongated focus zones and a processing step with Gaussian beam focus zones and
  • Length of a Bessel beam focus zone Length of a Bessel beam focus zone.
  • aspects described here are based in part on the knowledge that an exact juxtaposition of start and end points of different modifications is not possible if the intensity along the focus zone axis within the focus zone typically rises relatively flat and then falls again.
  • the inventors have recognized that in the case of focus zones that are formed by constructive interference from converging beam components, a previously generated modification can influence the interference. It was thus recognized that, in particular in the case of spatially rapid transitions from modified material to unmodified material, only a portion of the beam can be influenced by the previously generated modification, whereby the interference can be reduced or avoided.
  • a modification can be used to spatially limit the formation of a further modification.
  • aspects described here are also based in part on the knowledge that a lateral energy supply into an elongated focus zone can be actively suppressed by shielding effects that influence the constructive interference.
  • the systems and methods resulting from this knowledge can, among other things, enable the separation of transparent, brittle materials at high speed and with good quality of the cut edge.
  • Fig. 11 also explains how the axial extent of an elongated focus zone is influenced by a beam diaphragm in the area of the phase imprint.
  • Fig.l shows a schematic representation of a laser processing system 1 with a laser beam source 1 A and an optical system 1B for beam shaping of a laser beam 3 of the beam source 1 A with the aim of a focus zone 7, which is formed elongated along a first focus zone axis 5, in one to produce material 9 to be processed.
  • the laser processing system 1 can furthermore have a beam alignment unit and a workpiece storage unit (not explicitly shown in FIG. 1).
  • the laser beam 3 is determined by beam parameters such as wavelength, spectral width, temporal pulse shape, formation of pulse groups, beam diameter and polarization.
  • the laser beam 3 will be a collimated Gaussian beam with a transverse Gaussian intensity profile, which is generated by the laser beam source 1A, for example an ultra-short pulse high-power laser system.
  • the optical system 1B forms a beam profile from the Gaussian beam which enables the formation of the elongated focus zone 7;
  • a normal or inverse Bessel beam-like beam profile is generated with a beam shaping element 11, which is used to impress a transverse phase profile on the incident laser radiation, e.g.
  • diffractive optical element in particular as a spatial light modulator, is designed.
  • a hollow cone axicon a hollow cone axicon lens / mirror system
  • a reflective axicon lens / mirror system a reflective axicon lens / mirror system
  • diffractive optical element in particular as a spatial light modulator
  • the elongated focus zone 7 refers here to a three-dimensional intensity distribution determined by the optical system 1B, which determines the spatial extent of the interaction and thus the modification with a laser pulse / laser pulse group in the material 9 to be processed.
  • the elongated focus zone 7 thus defines an elongated area in which there is a fluence / intensity in the material to be processed which is above the threshold fluence / intensity relevant for the processing / modification.
  • Transparency of a material herein refers to its linear absorption. For light below the threshold fluence / intensity, a “substantially” transparent material can, for example, absorb less than 20% or even less than 10% of the incident light over a length of the modification.
  • an elongated focus zone can lead to a modification of the material with a similar aspect ratio.
  • a maximum change in the lateral extent of the Intensity distribution that causes a modification over the focus zone in the range of 50% and less, for example 20% and less, for example in the range of 10% and less.
  • the energy in an elongated focus zone, the energy can be supplied laterally essentially over the entire length of the focus zone.
  • a modification of the material in the initial area of the focus zone has no or at least hardly any shielding effects on the part of the laser radiation which causes a modification of the material beam downwards, i.e. e.g. in the end area of the focus zone.
  • Fig. 2 shows an exemplary structure of a laser processing system 21 for material processing.
  • the laser processing system 21 has a carrier system 23 (as part of a beam alignment unit) and a workpiece storage unit 25.
  • the carrier system 23 spans the workpiece storage unit 25 and carries, for example, the laser beam source, which in FIG. 2 is integrated, for example, in an upper cross member 23A of the carrier system 23.
  • the optical system 1B can be attached to the cross member 23A such that it can be moved in the X direction.
  • a laser system can be provided as its own external beam source, the laser beam 3 of which is guided to the optical system by means of optical fibers or as a free beam.
  • the workpiece storage unit 25 carries a workpiece extending in the XY plane.
  • the workpiece is the material 9 to be processed, for example a glass pane or a For the laser wavelength used, a largely transparent disk in ceramic or crystalline design such as sapphire or silicon.
  • the workpiece storage unit 25 allows the workpiece to be moved in the Y direction relative to the carrier system 23, so that, in combination with the mobility of the optical system 1B, a processing area extending in the XY plane is available.
  • a displaceability in the Z direction e.g. of the optical system 1B or the cross member 23A, is also provided in order to be able to adjust the distance to the workpiece.
  • the laser beam is usually also directed in the Z direction (i.e. normal) onto the workpiece (focus zone axis 5A in FIG. 2).
  • Further processing axes which are indicated by way of example in FIG. 2 by a cantilever arrangement 27 and additional axes of rotation 29, make it possible to align the emerging laser beam and thus the focus zone axis in space.
  • a focus zone axis 5B inclined to the X-Y plane is indicated by way of example in FIG. 2.
  • the laser processing system 21 also has a control unit 31, which in particular has an interface for the input of operating parameters by a user.
  • the control unit 31 comprises elements for controlling electrical, mechanical and optical components of the laser processing system 21, for example by controlling corresponding operating parameters of the laser system such as pump laser power and the workpiece holder, electrical parameters for setting an optical element (for example an SLM) and parameters for the spatial alignment of an optical element (for example for rotating the focus zone axis).
  • Exemplary laser beam parameters for e.g. ultrashort pulse laser systems and the elongated focus zone that can be used in the context of this disclosure are:
  • Pulse energy E p 1 pj to 20 mJ (e.g. 20 pj to 1000 pj),
  • Wavelength ranges IR, VIS, UV (e.g. 2 pm> l> 200 nm; e.g. 1550 nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
  • Pulse duration 10 fs to 50 ns (e.g. 200 fs to 20 ns)
  • Duration of action (depending on the feed rate): less than 100 ns (e.g. 5 ps - 15 ns)
  • Duty cycle (duration of action at the repetition time of the laser pulse / the pulse group): less than or equal to 5%, e.g. less than or equal to 1%
  • Raw beam diameter D (1 / e 2 ) when entering the optical system eg in the range from 1 mm to 25 mm
  • Length of the beam profile (the focus zone) in the material greater than 20 pm
  • Feed during exposure time e.g. less than 5% of the lateral expansion in the feed direction
  • the pulse duration relates to a laser pulse and the exposure duration to a time range in which, for example, a group of laser pulses interacts with the material to form a single modification at one location.
  • the duration of action is brief with regard to a present feed speed, so that all laser pulses contribute to a group of one modification at one location.
  • the aforementioned parameter ranges can allow the processing of material thicknesses up to, for example, 5 mm and more (typically 100 ⁇ m to 1.1 mm).
  • material thicknesses up to, for example, 5 mm and more (typically 100 ⁇ m to 1.1 mm).
  • FIG. 3 illustrates, by way of example, a longitudinal intensity distribution 61 as can be present in the elongated focus zone 7.
  • the intensity distribution 61 was calculated for an inverse quasi-Bessel beam shape.
  • a normalized intensity I in the Z direction is plotted. It should be noted that a direction of propagation according to a normal incidence (in the Z direction) on the material 9 is not mandatory and, as explained in connection with FIG. 2, can alternatively take place at an angle to the Z direction.
  • FIG. 4 shows an exemplary XZ section 63 of the intensity in the focus zone 7 for the longitudinal intensity distribution 61 shown in FIG. 3.
  • the gray-scale representations in FIG. 4 are based on a color representation, so that the maximum values of the Intensity / amplitude in the center of the focus zone were shown dark.
  • the elongated shape of the focus zone 7 has, for example, an aspect ratio, ie a ratio of the length of the focus zone to a maximum expansion occurring within this length in the laterally shortest direction, usually the central maximum, in the range from 10: 1 to 1000: 1, e.g. 20 : 1 or more, for example 50: 1 to 400: 1.
  • an intensity modification in the direction of propagation can be used.
  • a longitudinal flat-top intensity profile 71 can be generated over a freely selectable length in the Z direction (in FIG. 4, for example, a length range of approx. 200 ⁇ m in the Z direction), as shown in FIG XZ section of an exemplary intensity distribution 73 in the focus zone 7 is indicated.
  • diffractive optical elements can carry out a digitized and e.g. pixel-based phase adjustment via an incident input intensity profile.
  • the longitudinal flat-top intensity profile 71 shown in FIG. 5 can be generated in the focus zone 7, for example.
  • intensity contributions in the output intensity profile can be taken out of the area that forms the intensity maximum and the extensions of the Bessel beam and redistributed radially by a phase change in such a way that an increase in intensity 71A and an intensity decrease 71B are spatially shortened during subsequent focusing (e.g. by sliding Performance from the foothills to the homogenized area).
  • FIG. 5 shows an increase from 20% to 80% of the maximum intensity in a few 10 pm.
  • a spatially defined transition from non-modified material to modified material can be created in the material along the first focus zone axis.
  • Fig. 6 illustrates a longitudinal intensity distribution 81 in the Z direction of a (conventional) quasi-Bessel beam.
  • a sharp rise 81 A from the start an intensity maximum is reached, from which point the intensity drops again.
  • a slowly tapering drop 81B tapering drop with a low gradient sets in.
  • the principle reversal of the longitudinal intensity distributions 61 and 81 of FIG. 3 is known, in which the “hard limit” at the end is replaced by a “hard beginning”.
  • irradiating an axicon with a laser beam that is incident with a Gaussian beam profile will lead to constructively overlapping (interfering) beam areas along the focal zone axis.
  • a superposition (constructive interference) of the intensities of the central area of the Gaussian beam profile then a superposition (constructive interference) of the low (outer) intensities of the Gaussian beam profile.
  • FIG. 6 also shows, similar to FIG. 5, a longitudinal flat-top intensity profile 91 in the Z direction of a modified (conventional) quasi-Bessel beam, the intensity of which has been homogenized along the focus zone. 6 again shows a decrease from 80% to 20% of the maximum intensity in a few micrometers.
  • a spatially defined transition from modified material to unmodified material can be produced in the material along the first focus zone axis.
  • pulsed laser beams can thus be generated which, when irradiated into a partially transparent material, can form focus zones that are elongated along a focus zone axis and at a start and / or at an end of the focus zone ( along the focus zone axis) form an increase / decrease in intensity that generates a special spatially well-defined transition from unmodified material to modified material and vice versa in the material along the focus zone axis.
  • the transition can extend along the focus zone axis over a length in a range between 1 pm and 200 pm, typically between 10 pm and 30 pm
  • the pulsed laser beams can form focus zones by constructive interference of laser radiation which run at an angle to the focus zone axis.
  • Laser material processing of an at least partially transparent material can be carried out by sequentially modifying adjoining sections of the material with such pulsed laser beams (and elongated focus zones) in several steps, which are carried out below in connection with FIGS. 7A to 7C.
  • FIGS. 7A to 7C As will also be explained in connection with FIG. 10B, not all sections have to be generated with such elongated focus zones causing laser beams, but sections can also be formed with localized, for example Gaussian, focus zones.
  • a processing for separating a material into two parts is described as an example, with a one-sided bevel being provided on one of the parts to form the parting surface. This is done by introducing a vertical modification and a modification made to it.
  • FIG. 7A shows in a schematic sectional view how an elongated (first) focus zone 107 can be generated in a material 109 with a pulsed laser beam 103, which has, for example, an (inverse) Bessel beam profile generated with axicon optics.
  • the Bessel beam profile is also shown schematically as a ring-shaped transverse Intensticiansver division (intensity ring), which lies in the X-Y plane.
  • a direction of propagation 111 of the laser beam 103 runs perpendicular to an upper side 109A of the material 109 in the Z direction.
  • the intensity ring runs in the material 109 at an angle ⁇ towards the focus zone axis, so that the different radial zones can interfere with one another.
  • the elongated focus zone 107 is formed, for example, rotationally symmetrically along a focus zone axis 113 in the material 109, due to the constructive interference of the various radial zones.
  • the intensity of the laser radiation is selected such that a modification of the material 109 in an area corresponding to the focus zone 107 shown takes place through volume absorption.
  • the position of the focus zone 107 is set in such a way that a start 107A of the focus zone 107 lies in the interior of the material 109, so that a spatially defined transition from unmodified material to modified material occurs along the focus zone axis 113 results.
  • the Bessel beam profile can be modulated in such a way that a sharp starting point (beginning 107A) for the modification in the material 109 results.
  • One end 107B of the focus zone 107 ends, for example, at an underside 109B of the material 109.
  • a modification of a first section of the material takes place. This results in modified areas (elongated modifications) in the material 109 arranged side by side for the laser pulses of the pulsed laser beam 103.
  • the corresponding two-dimensional modification of the material 109 is already used for later separation, but it also serves to shield laser radiation in a subsequent processing step .
  • the modified section forms a shielding surface which runs in the Y-Z plane.
  • the shielding surface is delimited in the material in the Z direction by the spatially defined transitions, so that the spatially defined transitions represent a shielding edge running through the material 109 in the Y direction.
  • Shielding here refers to the presence of modifications that affect the propagation of laser radiation.
  • the shielding surface protrudes (at least partially) into an optical beam path in order to influence the propagation of laser radiation, in particular in order to disturb a phase relationship in terms of interference that would otherwise occur.
  • the shielding surface can also be referred to herein as an interference surface.
  • FIG. 7B shows how, in a second processing step, a second planar modification can be introduced into the material 109 at an angle ⁇ with respect to the first planar modification.
  • the angle ⁇ corresponds to a desired bevel angle of the separating surface to be achieved.
  • the first planar modification is indicated as a shielding surface 115.
  • 7B also shows a pulsed laser beam 103 with an annular intensity distribution, the laser beam 103 this time striking the upper side 109A of the material 109 at a corresponding angle.
  • a corresponding direction of propagation 111 ' is indicated in FIG. 7B.
  • an elongated focus zone 107 ' is formed along a focus zone axis 113'.
  • the beam parameters of the laser beam 103 are selected in such a way that, in the absence of the shielding surface 115, a focus zone could result which would go beyond the position of the same.
  • a modification with the pulsed laser beam 103 could extend beyond the position of the shielding edge, but the propagation of the laser radiation is influenced by the shielding surface 115 that is already present.
  • the second pulsed laser beam 103 (during the processing of the material 109) can be aligned such that the second focus zone 107 'for each laser pulse opens into the shielding surface 115 and / or the second focus zone axis 113' through or near the shielding edge 121 runs.
  • the suppression of the interference is shown by way of example for the two-dimensional beam profile of FIG. 5 with the aid of sectional views in the X-Z plane or in the Y-Z plane. From the shielding surface 115, areas of increased intensity can no longer be generated by constructive interference, since the phase relationship between different areas of the Bessel beam profile has been disturbed.
  • FIG. 7C As shown in the XZ sectional view of FIG. 7C, there is an intensity distribution 73 ′ in the focus zone which has ended accordingly ahead of schedule.
  • the sectional view in the YZ plane also shown in FIG. 7C runs through the shielding surface 115.
  • a number of modifications 119 are shown schematically, which were generated, for example, by individual laser pulses. Each of the modifications 119 extends from the underside 109B of the material 109 to a spatially defined transition to unmodified material. These transitions determine the course of a shielding edge 121.
  • the focus zone axis 113 ′ of the second laser beam runs in the region of the shielding edge 121.
  • the material 109 is processed with the second pulsed laser beam 103, in which the second focus zone 107 ‘is moved relative to the material 109 in the Y direction, a second modified section of the material 109 with modified areas results.
  • the second section thus forms a connection surface which merges into the shielding surface 115.
  • the second focus zone axis 113 ′ runs close to the shielding edge 121 or through the shielding edge 121 (in particular in a spatial area that extends around the shielding edge 121).
  • the second focus zone axis can be aligned with the shielding surface 115 in such a way that only part 123A of the second pulsed laser beam 103 hits the shielding surface 115, so that the structural interference of the laser radiation from the second pulsed laser beam 103 which strikes the shielding surface 115, with a part 123B of the laser radiation of the second pulsed laser beam 103 which does not strike the shielding surface 115, is disturbed and in particular suppressed.
  • the second pulsed laser beam 103 forms modified material only up to the shielding surface 115 and the second section opens into the first section.
  • FIG. 7D shows in section the course of the resulting (total) modification area 125 from two sections 125A and 125B. Modifications in the section 125B generated second stop at a point of intersection 127 with the section 125B generated first, as a result of which cracks can be prevented from spreading beyond the point of intersection 127 / the shielding surface when the material 109 is separated into two parts.
  • FIG. 7E shows, by way of example, a workpiece 129 with a component geometry that results from a separation along the modification surface 125.
  • the workpiece has a side surface 129A (formed by the first section 125A; exemplary courses of the elongated modifications 119 of the first section 125A are indicated by dashed lines) and a bevel surface 129B adjoining the side surface 129A (formed by the second section 125B; exemplary courses of the elongated Modifications 119 'of the second section 125B are indicated by dash-dotted lines).
  • the modifications 119 and the modifications 119 'of successively generated sections do not have to merge into one another, but can also be irradiated in an offset manner with respect to one another.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of an exemplary workpiece 131, in which the focus zones were not coordinated and irradiated according to the invention.
  • the transition from a side surface 131A to an adjoining bevel surface 131B has protruding residual material 133 which has to be removed later.
  • FIGS. 9, 10A and 10B show further examples of the course of modifications which can be produced by sequentially modifying adjoining sections of the material with pulsed laser beams.
  • a first pulsed laser beam is radiated onto the material 109 in such a way that the (first) focus zone protrudes from the top side 109A of the material 109 in the Z direction into the material 109.
  • the intensity distribution along the focus zone axis is formed, for example, according to the longitudinal flat-top intensity profile 91, as shown in FIG. 6. Accordingly, at the end of the focus zone there is a rapid drop in intensity, so that a spatially defined transition from modified material to unmodified material is generated at the end of the focus zone.
  • FIG. 11 for the generation of a certain penetration depth of the (first) focus zone.
  • a pulsed laser beam is irradiated, as was also explained in connection with FIG. 7B.
  • the generated section 135 A acts on the part of the laser radiation of the second pulsed laser beam near the top.
  • the shielding in turn has the (same) effect that the individual modifications (and thus the section 135B) do not form beyond the shielding surface.
  • the sections 135A and 135B form a wedge-shaped notch on the upper side 109A of the material 109 (as an example of a recess in the material 109) along an (overall) modification area 135 after residual material 137 delimited from the modification area 135 from the material 109 was resolved.
  • FIGS. 7A to 7C illustrate the description of FIGS. 7A to 7C.
  • a focus zone is used, the beginning of which lies in the interior of the material 109 and which does not penetrate into the material through the upper side 109A.
  • a homogenized intensity distribution as described in connection with FIG. 5, can again be used.
  • a third pulsed laser beam was emitted in the Z direction, with the second modified section now being able to act as a shielding surface if the focus zone axis of the third laser beam is corresponding to the assigned Shielding edge is aligned.
  • Moving the focus zone of the third pulsed laser beam in the Y direction results in a third section 139C running in the Z direction.
  • the sections 139A-139C form a (total) modification area 139, the course of which determines the separating contour area.
  • FIG. 10B illustrates laser material processing with a sequence of three processing steps.
  • first and a last introduced section 141A and 141C of modifications reference is made to the description of FIG. 10A and the sections 139A and 139C.
  • a Gaussian beam with a correspondingly localized Gaussian beam focus zone is used for a (transition) section 141B.
  • modifications 143 are introduced into the material 109 essentially with the geometry of the Gaussian beam focus zone.
  • FIG. 10B shows a sequence of modifications 143 in the X direction.
  • Corresponding modifications are also produced in the Y direction in the material 109.
  • an at least two-dimensional scanning movement of the Gaussian laser beam is necessary for the formation of the shielding surface 115 with a Gaussian focus zone.
  • the Gaussian focus zone is localized in comparison to the Bessel beam focus zone, which is already elongated in two dimensions, and effects a quasi-point-shaped modification of the material structure.
  • the modifications 143 form a grid 145, which in FIG. 10B, for example, lies in a plane and forms the section 141B.
  • the plane of the grid 145 may be parallel to or at a small angle to the surface 109A of the material 109. This would not be possible, for example, for the section 139B of FIG. 10A formed with Bessel beam focus zones.
  • the grid 145 is formed by “punctiform” Gaussian beam focus zones, the spatial course of the grid 145 can be freely adjusted, with the previously generated focus zones preferably not influencing the laser beam during the focus formation.
  • the grid 145 can form a curved or multiply curved plane.
  • a first edge 145A of the grid 145 lies in the starting area of the modifications located in section 141A.
  • the grid 145 also extends stMailför mig in the X-Y plane along the section 141 A and thus defines the depth of a step in the example of FIG. 10B.
  • a pulsed Bessel laser beam is irradiated in the Z direction, for example as in FIG. 10A.
  • Sections 141 A-141C form the (overall) modification surface 141, the course of which determines a step-shaped separating contour surface.
  • the dividing planes of the third section 141C do not protrude beyond the dividing plane of the second section 141B formed by the grid 145 due to the suppression of the interference necessary for the trainers of the Bessel beam focus zone by the grid 145.
  • a Bessel beam focus zone extends along a focus zone axis (for example the Z axis through the axicon axis in FIG. 11) with an essentially constant intensity profile (see FIG. 6).
  • a Bessel beam focus zone can be generated with an axicon 151 or a spatial light modulator generating the phase profile of an axicon.
  • an incident laser beam 153 which has a Gaussian beam profile 153A (Gaussian laser beam) strikes the axicon 151.
  • Gaussian beam profile 153A Gausian laser beam
  • exemplary intensity gradients are shown in three rows along the focus zone axis.
  • an annular diaphragm is used in order to influence radial areas of the incident laser beam 153.
  • FIG. 11 two types of ring diaphragms are illustrated in FIG. 11.
  • the left side of FIG. 11 relates to the use of an amplitude diaphragm 155 and the right side of FIG. 11 relates to the use of a phase diaphragm 157.
  • the position of these ring diaphragms 155, 157 is shown in the upper part of the FIG. 11 indicated by way of example on the incidence side of the axicon 151 (generally in the plane of the axicon / phase imprint).
  • the intensity distribution changes along the focus zone axis.
  • the diaphragms can be active in an inner area 161 and an outer area 163.
  • a modification in the volume of a material can be terminated very abruptly if the laser beams 153 illuminating the axicon 151 are blocked in the plane of the axicon 151 from a radius RI. This is illustrated in the second row by a black ring 163A in the outer area of the amplitude diaphragm 155. If this outer beam area is blocked, the Bessel beam focus zone ends in an associated longitudinal plane LI (see intensity profile 159A), since from here no more laser radiation arrives on the focus zone axis that could constructively interfere. The modification produced with the laser beam 153 thus also ends in the longitudinal plane LI.
  • the same axial limitation of the modification can be effected if, instead of the amplitude diaphragm 155, the high-performance phase diaphragm 157 is used, which, from the radius RI, places an additional varying phase contribution on the annular beam region.
  • This is illustrated in the upper area of FIG. 11 by scattered radiation 165 which is generated in the radially outer area by the phase diaphragm 157.
  • this is indicated by a checkerboard pattern ring 163B, which is intended to represent varying phase values.
  • a modification in the volume of a material can similarly be started very abruptly if, for example, the laser beam 153 illuminating the axicon 151 is blocked in the plane of the axicon 151 up to a radius R2. In the third row this is indicated by an additional central black zone 161 A inside Area of the amplitude diaphragm 155 clarified. If the inner beam area is blocked there, the Bessel beam focus zone begins at an associated longitudinal plane L2 (see intensity profile 159B), since only from here does laser radiation arrive at the focus zone axis and can interfere constructively. The modification generated with the laser beam 153 therefore only begins there in the longitudinal plane L2.
  • the abrupt start of a modification can also be implemented without the abrupt end.
  • the modifications can be determined in their axial extent at the beginning and / or at the end by a phase modulation of an incident laser beam 153, where the phase modulation to form a Bessel Beam focus zone is formed and in particular an axicon phase contribution that varies in the radial direction is applied to the incident laser beam 153 and the phase modulation is limited to a radial area.
  • the incident laser beam 153 can interact with a beam diaphragm in order to restrict it to the radial area in a radially inner area 161 and / or in a radially outer area 163, in particular blocked with an amplitude diaphragm and / or scattered with a phase diaphragm becomes.
  • the incident laser beam 153 can only be formed in the radial area.
  • the focus zones shown in FIG. 11 and limited in the direction of propagation at the beginning and / or at the end are also used in order to effect spatially limited modifications in the axial direction and such limited modifications. If necessary, provide options in adjacent planes / surfaces in order to create a modification surface with a complex profile in the interior of the material. In this way, for example, modifications similar to the modifications as illustrated schematically and by way of example in FIGS. 7A to 10B can be generated.
  • the Bessel beam focus zone described in connection with FIG. 11 with start / end planes L1 / L2 represent an approach that can be used as an alternative to delimiting the end by interference in accordance with the concept described above or in combination with the same, to create modifications / modification surfaces in a workpiece.
  • the aim can be that the intensity in the Bessel beam focus zone falls from greater than 90% to less than 10% over, for example, a length in the range from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m or increases.
  • the decrease / increase can also take place, for example, over a length in the range of five beam diameters.

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Abstract

Ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials (109) durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten (125A, 125B) des Materials (9) mit gepulsten Laserstrahlen umfasst die Schritte: Bearbeiten des Materials (109) mit einem ersten gepulsten Laserstrahl (103) zum Erzeugen von ersten Modifikationen (119, 143), wobei die ersten Modifikationen (119, 143) eine Abschirmfläche (115) ausbilden, Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls (103'), der bei einem Einstrahlen in das Material (109) eine Fokuszone (107') ausbildet, die durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse (113') zuläuft, und Bearbeiten des Materials (109) mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl (103'), indem die Fokuszone (107') relativ zum Material (109) zum Erzeugen von zweiten Modifikationen (119') in einem zweiten Abschnitt (125B) des Materials (109) bewegt wird, wobei mindestens ein Teil der unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse (113') zulaufende Laserstrahlung auf die Abschirmfläche (115) trifft. Die Abschirmfläche (115) kann die konstruktive Interferenz eines Teils der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls, der auf die Abschirmfläche (115) trifft, mit einem Teil der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls (103'), der nicht auf die Abschirmfläche (115) trifft, stören und insbesondere unterdrücken.

Description

VERFAHREN ZUR LASERMATERIALBEARBEITUNG UND LASERBEARBEITUNGSANLAGE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines zumin dest teilweise transparenten Materials durch sequentielles Modifizieren von aneinander an grenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen. Ferner betrifft die Erfin dung eine Laserbearbeitungsanlage.
Ein Werkstück kann allgemein durch eine das Material des Werkstücks modifizierende Wech selwirkung von Laserstrahlung mit dem Material des Werkstücks bearbeitet werden. Wird La serstrahlung im Volumen des Materials absorbiert (sogenannte Volumenabsorption), können mit der Laserstrahlung lokalisierte Modifikationen in das Material des Werkstücks und damit in das Innere des Werkstücks eingebracht werden. Dabei besteht das Werkstück aus einem zu mindest teilweise transparenten Material.
Allgemein kann eine räumlich definierte Volumenabsorption durch eine Nutzung von nichtli near induzierter Absorption begünstigt werden, bei der erst ab einer materialabhängigen (Schwellen-) Intensität eine Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material stattfindet. Dabei hat das Material typischerweise eine geringe lineare Absorption. Unter nichtlinear indu zierter Absorption wird hierin eine intensitätsabhängige Absorption von Licht verstanden, die primär nicht auf der direkten Absorption des Lichts, sondern auf einer Multiphotonen- und/o- der Tunnelionisation induzierten Absorption basiert. So basiert die nichtlinear induzierte Ab sorption auf einer Steigerung der Absorption während der Wechselwirkung mit dem einfallen den Licht, meist ein zeitlich begrenzter Laserpuls. Dabei können Elektronen z.B. durch in verse Bremsstrahlung so viel Energie aufnehmen, dass durch Stöße weitere Elektronen freige setzt werden und die Rate der Elektronenerzeugung die Rate der Rekombination übersteigt. Die für die lawinenartig zunehmende Absorption erforderlichen Startelektronen können be reits zu Beginn vorliegen oder sie können z.B. durch eine vorhandene (lineare) Restabsorption generiert werden. Beispielsweise kann bei ns-Laserpulsen eine Anfangsionisation zu einer Temperaturerhöhung führen, durch die die Zahl der freien Elektronen und damit die nachfol gende Absorption ansteigen. Bei sub-ns-Pulsdauem können Startelektronen durch Mehrphoto nen- oder Tunnelionisation als Beispiele für bekannte nichtlineare Absorptionsmechanismen generiert werden. Eine Volumenabsorption kann bei für den Laserstrahl transparenten Materialen zur Ausbil dung einer Modifikation des Materials in einer langgezogenen Fokuszone eingesetzt werden, siehe z.B. WO 2016/079062 Al der Anmelderin. Derartige Modifikationen können ein Tren nen, Bohren oder Strukturieren des Materials ermöglichen. Zum Trennen können beispiels weise Reihen von Modifikationen erzeugt werden, die ein Brechen innerhalb oder entlang der Modifikationen auslösen. Ferner ist es bekannt, zum Trennen, Bohren und Strukturieren Mo difikationen zu generieren, die ein selektives Ätzen der modifizierten Bereiche ermöglichen (SLE: selective laser etching).
Die Erzeugung einer langgezogenen Fokuszone kann z.B. mithilfe von apodisierten Bessel- Strahlen (hierin auch als Quasi-Bessel-Strahlen bezeichnet) erfolgen. Eine langgezogene Fo kuszone erstreckt sich entlang einer Fokuszonenachse und wird im Fall von Quasi-Bessel- Strahlen durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet, die unter einem Winkel zur Fokuszonenachse verläuft.
Quasi-Bessel-Strahlen können beispielsweise mit einem Axicon oder einem räumlichen Licht modulator (SLM: spatial light modulator) und einem einfallenden Laserstrahl mit einem Gaußschen Strahlprofil geformt werden. Eine anschließende Abbildung in ein transparentes Werkstück führt zu den für die Volumenabsorption erforderlichen Intensitäten in der langge zogenen Fokuszone. Quasi-Bessel-Strahlen weisen - wie Bessel-Strahlen - üblicherweise eine ringförmige Intensitätsverteilung im Fernfeld auf. Man unterscheidet zwischen Fokuszonen, die einen definierten Anfang aufweisen (konventionelle Quasi-Bessel-Strahlen), und Fokuszo nen, die ein definiertes Ende aufweisen (inverse Quasi-Bessel-Strahlen), je nachdem, ob der Anfang oder das Ende einer Fokuszone auf die konstruktive Interferenz von Laserstrahlung zurückgeht, die den Zentralbereich der ringförmigen Intensitätsverteilung (nahe der Fokuszo nenachse) bildet. Ferner können die Intensitätsverteilungen in Ausbreitungsrichtung geformt werden, beispielsweise wird in sogenannten homogenisierten (inversen) Bessel-Strahlen der Intensitätsverlauf angeglichen (homogenisiert).
Entlang der Fokuszonenachse kann das Intensitätsprofil insofern derart geformt werden, dass sich im Material entlang der Fokuszonenachse einen räumlich definierten Übergang von nicht- modifiziertem Material zu modifiziertem Material ergibt. Ferner können mit Gauß-förmigen Strahlprofilen in Ausbreitungsrichtung räumlich begrenzte Modifikationen erzeugt werden, die im Vergleich zu den angesprochenen langgezogenen Fo kuszonen als punktförmig angesehen werden können.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, geformte Trennkantenverläufe beim Trennen eines zumindest teilweise transparenten Materials in mehrere Werkstücke zu ermöglichen. Insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, Nachbearbeitungsschritte bei der Be arbeitung transparenter Werkstoffe zu reduzieren, zu vereinfachen oder gar zu vermeiden.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 14. Weiterbildungen sind in den Unteransprü chen angegeben.
In einem Aspekt wird ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Ab schnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Erzeugen eines ersten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Material eine erste Fokuszone ausbildet,
Bearbeiten des Materials mit dem ersten gepulsten Laserstrahl zum Erzeugen von ers ten Modifikationen, wobei die erste Fokuszone relativ zum Material zum Modifizieren eines ersten Abschnitts des Materials bewegt wird, sodass die ersten Modifikationen eine Abschirm- fläche ausbilden,
Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Mate rial eine zweite Fokuszone ausbildet, die entlang einer zweiten Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse zuläuft, und
Bearbeiten des Materials mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl, indem die zweite Fo kuszone relativ zum Material zum Erzeugen von zweiten Modifikationen in einem zweiten Abschnitt des Materials bewegt wird, wobei mindestens ein Teil der unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse zulaufende Laserstrahlung auf die Abschirmfläche trifft.
In einem weiteren Aspekt wird eine Laserbearbeitungsanlage für die Bearbeitung eines zumin dest teilweise transparenten Materials durch sequentielles Modifizieren von aneinander an- grenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen offenbart. Die Laserbear beitungsanlage umfasst eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines ersten gepulsten Laser strahls, der bei einem Einstrahlen in das Material eine erste Fokuszone ausbildet, die optional als Gauß-Fokuszone oder entlang einer ersten Fokuszonenachse langgezogene Fokuszone aus gebildet ist und an einem Anfang und/oder an einem Ende der ersten Fokuszone einen Intensi tätsanstieg ausbildet, der im Material entlang der ersten Fokuszonenachse einen räumlich defi nierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, und zum Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Material eine zweite Fokuszone ausbildet, die entlang einer zweiten Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel zur zweiten Fokuszonenachse verläuft. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst ferner eine Werkstücklagerungseinheit zur Lagerung des Materials als Werkstück und eine Steuerungseinheit, die zur Durchführung des hierin offenbarten Verfahrens ausgebildet ist. Dabei ist die Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen dem Material und den Fokuszonen des ersten gepulsten Laserstrahls und des zweiten gepuls ten Laserstrahls sowie für eine Ausrichtung des zweiten gepulsten Laserstrahls hinsichtlich der Abschirmfläche ausgebildet ist.
In einigen Ausführungsformen kann während des Bearbeitens des Materials mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl jeweils die zweite Fokuszonenachse zur Abschirmfläche derart ausge richtet werden, dass die konstruktive Interferenz der Laserstrahlung des zweiten gepulsten La serstrahls hinter der Abschirmfläche (115) gestört, insbesondere unterdrückt, wird, so dass der zweite gepulste Laserstrahl (103‘) die zweite Modifikation (119‘) nur bis zur Abschirmfläche (115) ausbildet. Optional kann nur ein Teil des zweiten gepulsten Laserstrahls auf die Ab schirmfläche treffen, sodass die konstruktive Interferenz der Laserstrahlung des zweiten ge pulsten Laserstrahls, der auf die Abschirmfläche trifft, mit einem Teil der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls, der nicht auf die Abschirmfläche trifft, gestört, insbesondere unterdrückt, wird, so dass der zweite gepulste Laserstrahl die zweite Modifikation (nur) bis zur Abschirmfläche ausbildet und der zweite Abschnitt bevorzugt in den ersten Abschnitt mündet. Insbesondere kann die zweite Fokuszonenachse die Abschirmfläche tangieren oder durch die Abschirmfläche verlaufen.
In einigen Ausführungsformen kann die erste Fokuszone entlang einer ersten Fokuszonen achse langgezogen ausgebildet sein und an einem Anfang und/oder an einem Ende der ersten Fokuszone einen Intensitätsanstieg ausbilden, der im Material entlang der ersten Fokuszonen achse einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifizier tem Material erzeugt. Die Abschirmfläche kann im Material durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt werden, wobei die räumlich definierten Übergänge eine durch das Mate rial verlaufende Abschirmkante darstellen können. Ferner kann die zweite Fokuszone derart relativ zum Material bewegt werden, dass die zweite Fokuszonenachse nahe der Abschirm kante oder durch die Abschirmkante oder in einem räumlichen Bereich, der sich um die Ab schirmkante erstreckt, oder durch die Abschirmfläche verlaufen. Dabei kann der zweite ge pulste Laserstrahl während des Bearbeitens des Materials mit dem zweiten gepulsten Laser strahl derart ausgerichtet werden, dass die zweite Fokuszone jeweils in der Abschirmfläche mündet und/oder die zweite Fokuszonenachse durch die Abschirmkante verläuft. Alternativ oder zusätzlich kann der Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Mate rial in der ersten Fokuszone derart räumlich begrenzt werden, dass der Übergang sich entlang der Fokuszonenachse über eine Länge in einem Bereich zwischen 1 pm und 200 pm, typi scherweise zwischen 5 pm und 50 pm oder zwischen 10 pm und 30 pm erstreckt.
In einigen Ausführungsformen kann der erste gepulste Laserstrahl und/oder der zweite ge pulste Laserstrahl derart erzeugt werden, dass die erste Fokuszone und/oder die zweite Fokus zone (107‘) ein Aspektverhältnis aufweist, das mindestens 10:1 ist und/oder dass die erste Fo kuszone und/oder die zweite Fokuszone eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der eine Modifikation bewirkenden Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger, z.B. 20 % und weniger oder 10 % und weniger aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der erste gepulste Laserstrahl und/oder der zweite gepulste Laserstrahl derart erzeugt werden, dass die erste Fokuszone und/oder die zweite Fokuszone in ihrer axialen Aus dehnung am Anfang und/oder am Ende durch eine Phasenmodulation eines einfallenden La serstrahls bestimmt wird, wobei die Phasenmodulation zur Ausbildung einer Bessel-Strahlfo- kuszone ausgebildet ist und insbesondere einen in radialer Richtung variierenden Axicon-Pha- senbeitrag auf den einfallenden Laserstrahl aufprägt und wobei die Phasenmodulation auf ei nen radialen Bereich beschränkt ist, wobei optional der einfallende Laserstrahl zur Beschrän kung auf den radialen Bereich in einem radial innen liegenden Bereich und/oder in einem ra dial außen liegenden Bereich mit einer Strahlblende wechselwirkt, insbesondere mit einer Amplituden-Blende geblockt oder mit einer Phasen-Blende gestreut wird, oder wobei optional der einfallende Laserstrahl nur im radialen Bereich ausgebildet ist. In einigen Ausführungsformen kann die erste Fokuszone mit einem Gauß-Laserstrahl ausge bildet werden, sodass die ersten Modifikationen in ihrer Geometrie einer Gauß-Fokuszone entsprechen, im Material die ersten Modifikationen in einem Raster angeordnet werden und das Raster die Abschirmfläche ausbildet. Dabei kann die zweite Fokuszone derart relativ zum Material bewegt werden, dass die zweite Fokuszonenachse durch die Abschirmfläche oder in einem räumlichen Bereich, der sich um die Abschirmfläche erstreckt, oder in einem Randbe reich der Abschirmfläche verläuft.
In einigen Ausführungsformen kann der zweite gepulste Laserstrahl bei einem Einstrahlen in das Material an einem Anfang der zweiten Fokuszone einen Intensitätsanstieg ausbilden, der im Material entlang der zweiten Fokuszonenachse einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, sodass Materialbereiche, die durch Laserpulse des zweiten gepulsten Laserstrahls modifiziert wurden, eine weitere Ab schirmfläche ausbilden, die im Material durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt wird, wobei die räumlich definierten Übergänge eine durch das Material verlaufende weitere Abschirmkante darstellen. Ferner kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen:
Erzeugen eines dritten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Mate rial eine dritte Fokuszone ausbildet, die entlang einer dritten Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel zur zweiten Fokuszonenachse verläuft, und
Bearbeiten des Materials mit dem dritten gepulsten Laserstrahl, indem die dritte Fo kuszone relativ zum Material zum Modifizieren eines dritten Abschnitts des Materials derart bewegt wird, dass die dritte Fokuszonenachse nahe der weiteren Abschirmkante oder durch die weitere Abschirmkante verläuft.
In einigen Ausführungsformen kann der erste Abschnitt und der zweite Anschnitt zumindest teilweise eine Trennkonturfläche im Material ausbilden. Ferner kann das Verfahren umfassen: Trennen des Materials entlang der Trennkonturfläche, wobei insbesondere der erste Abschnitt oder der zweite Abschnitt zur Ausbildung einer langen Fase oder einer Mikrofase führen und/oder wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt zur Ausbildung einer Ausspa rung im Material führen. Beispielsweise kann der zweite Abschnitt eine Anschlussfläche defi niert, die in die Abschirmfläche übergeht, sodass sich nach erfolgter Trennung des Materials in zwei Teile bei einem der Teile eine Kante entlang der räumlich definierten Übergänge aus bildet. In einigen Ausführungsformen kann der zweite gepulste Laserstrahl und optional der erste ge pulste Laserstrahl ein Quasi-Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil aufweist, bei dem insbesondere nur ein Zentralbereich der einfallenden Laserstrahlung Beiträge zu einem strahl aufwärts lie genden Ende der langgezogenen Fokuszone liefert. Ferner kann der zweite gepulste Laser strahl und optional der erste gepulste Laserstrahl ein inverses Quasi-Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil aufweisen, bei dem insbesondere nur ein Zentralbereich der einfallenden Laser strahlung Beiträge zu einem strahlabwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone lie fert.
In einigen Ausführungsformen der Laserbearbeitungsanlage kann die Steuerungseinheit zur Einstellung einer Position der Fokuszone, insbesondere einer Position eines Endes der langge zogenen Fokuszone, bezüglich der Werkstücklagerungseinheit und/oder zur Einstellung eines Parameters des Laserstrahls ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Laserstrahl quelle ferner dazu ausgebildet sein, Laserstrahlung zu erzeugen, die das Material durch nicht lineare Absorption modifiziert.
Die Laserbearbeitungsanlage kann ferner ein optisches System mit einem Strahlformungsele ment umfassen, wobei das Strahlformungselement zur Aufprägung eines transversalen Pha senverlaufs auf einfallende Laserstrahlung ausgebildet ist. Insbesondere kann das optische System zur Erzeugung einer langgezogenen Fokuszone mit einem Aspektverhältnis von min destens 10:1 und/oder mit einer maximalen Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensi tätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger ausgebildet sein. Alter nativ oder zusätzlich kann das optische System zur Ausbildung einer langgezogene Fokus zone, bei der nur ein Zentralbereich des Laserstrahls Beiträge zu einem strahl aufwärts oder strahlabwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone beiträgt, ausgebildet sein.
Ein räumlich definierter Übergang für Begin oder Ende eines Modifikationsabschnitts - insbe sondere für die Ausbildung einer Abschirmkante durch die den Modifikationsabschnitt bilden den Modifikationen - kann mithilfe eines sehr schnellen Intensitätsanstiegs oder Intensitätsab falls in den Fokuszonen erhalten werden. Insbesondere ein schneller Intensitätsanstieg/ -abfall kann einen räumlich wohl definierten Anfang oder ein räumlich wohldefiniertes Ende der Mo difikation bewirken, wobei dies durch nichtlineare Absorptions- und Modifikationsprozesse unterstützt werden kann. Trotzdem kann es schwierig sein, einen „harten“ Beginn/ein „hartes“ Ende einer Modifikation auszubilden oder diese bei aneinander angrenzenden Modifikations abschnitten aufeinander abzustimmen.
Erfmdungsgemäß wird für die Ausbildung derartiger Übergänge der Aspekt der Interferenz bei der Fokusbildung eines Quasi-Bessel-Strahls genutzt. So wurde erkannt, dass eine zuvor eingeschriebene Modifikationsebene zur Abschirmung genutzt werden kann, um die konstruk tive Interferenz bei der Bildung einer Modifikation strahlabwärts der eingeschriebene Modifi kationsebene zu unterdrücken.
Die hierin offenbarten Konzepte ermöglichen Vorteile wie eine Laserbearbeitung ohne, insbe sondere schmutzige, Nachbearbeitungsschritte sowie sehr schnelle formgebende Verfahren im Vergleich zu formgebenden Verfahren, die Schleifprozesse einsetzen.
Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figu ren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage für die Material bearbeitung, Fig. 2 eine schematische 3D-Darstellung einer Flachbett-Laserbearbeitungsanlage,
Figuren 3-6 schematische Darstellungen von Intensitätsverteilungen in langgezogenen Fo kuszonen, die auf verschiedenen Typen von Quasi-Bessel-Strahlen basieren,
Fig. 7A eine Skizze zur Verdeutlichung eines ersten Bearbeitungsschritts, Fig. 7B eine Skizze zur Verdeutlichung eines zweiten Bearb ei tungs Schritts, Fig. 7C weitere Skizzen zur Verdeutlichung des zweiten Bearbeitungsschritts, Fig. 7D einen Schnitt durch das Material nach erfolgtem zweiten Bearbeitungsschritt zur Verdeutlichung der resultierenden Modifikation,
Fig. 7E eine schematische Darstellung eines sich ergebenden Werkstücks nach Tren nung des Materials entlang der in Fig. 7D verdeutlichten Modifikation,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Werkstücks, bei dem die Fokuszonen nicht erfmdungsgemäß aufeinander abgestimmt wurden,
Fig. 9 eine Skizze zur Verdeutlichung einer alternativen Sequenz von zwei Bearbei tungsschritten und Fig. 10A eine Skizze zur Verdeutlichung einer Materialbearbeitung mit einer Sequenz von drei Bearbeitungsschritten mit langgezogenen Fokuszonen,
Fig. 10B eine Skizze zur Verdeutlichung einer Materialbearbeitung mit zwei Bearbei tungsschritten mit langgezogenen Fokuszonen und einem Bearbeitungsschritt mit Gauß-Strahl-Fokuszonen und
Fig. 11 eine Skizze zur Verdeutlichung einer Einsteilbarkeit von Anfang, Ende und
Länge einer Bessel-Strahl-Fokuszone.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass ein exaktes Aneinan derreihen von Start- und Endpunkten unterschiedlicher Modifikationen nicht möglich ist, wenn die Intensität entlang der Fokuszonenachse innerhalb der Fokuszone typischer Weise re lativ flach ansteigt und wieder abfällt. Die Erfinder haben erkannt, dass bei Fokuszonen, die durch konstruktive Interferenz von zusammenlaufenden Strahlanteilen gebildet werden, eine vorausgehend erzeugte Modifikation die Interferenz beeinflussen kann. So wurde erkannt, dass insbesondere bei räumlich schnellen Übergängen von modifiziertem Material zu nicht- modifiziertem Material auch nur ein Strahlanteil durch die vorausgehend erzeugte Modifika tion beeinflusst werden kann, wodurch die Interferenz reduziert bzw. vermieden werden kann. Zusammengefasst kann eine Modifikation dazu genutzt werden, die Ausbildung einer weite ren Modifikation räumlich zu begrenzen.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil ferner auf der Erkenntnis, dass eine laterale Energiezufuhr in eine langgezogene Fokuszone aktiv durch Ab schirm eff ekte unterdrückt wer den kann, die die konstruktive Interferenz beeinflussen.
Die sich aus diesen Erkenntnissen ergebenden Systeme und Verfahren können unter anderem ein Trennen von transparenten, sprödharten Materialien mit hoher Geschwindigkeit und bei guter Qualität der Schnittkante ermöglichen.
Mit Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 wird im Folgenden allgemein das zugrunde hegende optische System erläutert. Anschließend werden beispielhafte Ausführungsformen der Laser materialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laser- strahlen beschrieben (siehe Figuren 7A bis 10B). Fig. 11 erläutert zusätzlich die Beeinflus sung der axialen Ausdehnung einer langgezogenen Fokuszone durch eine Strahlblende im Be reich der Phasenaufprägung.
Fig.l zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 1 mit einer Laser strahlquelle 1 A und einem optischen System 1B zur Strahlformung eines Laserstrahls 3 der Strahlquelle 1 A mit dem Ziel, eine Fokuszone 7, die entlang einer ersten Fokuszonenachse 5 langgezogen ausgebildet ist, in einem zu bearbeitenden Material 9 zu erzeugen. Die Laserbe arbeitungsanlage 1 kann ferner eine Strahlausrichtungseinheit und eine Werkstücklagerungs einheit (nicht explizit in Fig. 1 gezeigt) aufweisen.
Allgemein wird der Laserstrahl 3 durch Strahlparameter wie Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Pulsform, Ausbildung von Pulsgruppen, Strahldurchmesser und Polarisation be stimmt. Üblicherweise wird der Laserstrahl 3 ein kollimierter Gaußscher Strahl mit einem transversalen Gaußschen Intensitätsprofil sein, der von der Laserstrahlquelle 1A, beispiels weise einem Ultrakurzpuls-Hochleistungslasersystem, erzeugt wird. Das optische System 1B formt aus dem Gaußschen Strahl ein Strahlprofil, das die Ausbildung der langgezogenen Fo kuszone 7 ermöglicht; z.B. wird ein gewöhnliches oder inverses Bessel-Strahl-artiges Strahl- profil mit einem Strahlformungselement 11 erzeugt, das zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf die einfallende Laserstrahlung z.B. als ein Hohlkegel-Axicon, ein Hohlke- gel-Axicon-Linse/Spiegel-System, ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-System oder ein, ins besondere programmierbares oder fest-eingeschriebenes, diffraktives optisches Element, ins besondere als ein räumlicher Lichtmodulator, ausgebildet ist. Für beispielhafte Konfiguratio nen des optischen Systems wird auf die eingangs genannte WO 2016/079062 Al verwiesen.
Die langgezogene Fokuszone 7 bezieht sich hierin auf eine durch das optische System 1B be stimmte dreidimensionale Intensitätsverteilung, die in dem zu bearbeitenden Material 9 das räumliche Ausmaß der Wechselwirkung und damit der Modifikation mit einem Laserpuls/ei- ner Laserpulsgruppe bestimmt. Die langgezogene Fokuszone 7 bestimmt somit einen langge zogenen Bereich, in dem im zu bearbeitenden Material eine Fluenz/Intensität vorliegt, welche über der für die Bearbeitung/Modifikation relevanten Schwellenfluenz/-intensität liegt. Transparenz eines Materials bezieht sich hierin auf die lineare Absorption. Für Licht unterhalb der Schwellenfluenz/-intensität kann ein „im Wesentlichen“ transparentes Material beispiels weise auf einer Länge der Modifikation z.B. weniger als 20 % oder sogar weniger als 10 % des einfallenden Lichts absorbieren.
Üblicherweise spricht man von langgezogenen Fokuszonen, wenn die dreidimensionale Inten sitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (Ausdeh nung in Ausbreitungsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zur Fokuszonen achse (Durchmesser des on-axis-Maximums) von mindestens 10:1, beispielsweise 20:1 und mehr oder 30:1 und mehr, oder 1000:1 und mehr, gekennzeichnet ist. Eine derartige langgezo gene Fokuszone kann zu einer Modifikation des Materials mit einem ähnlichen Aspektverhält nis führen. Allgemein kann bei derartigen Aspektverhältnissen eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung, die eine Modifikation bewirkt, über die Fo kuszone im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, liegen.
Dabei kann in einer langgezogenen Fokuszone die Energie im Wesentlichen über die gesamte Länge der Fokuszone lateral zugeführt werden. Dies hat zur Folge, dass eine Modifikation des Materials im Anfangsbereich der Fokuszone nicht oder zumindest kaum Ab schirm effekte auf den Teil der Laserstrahlung aufweist, welche eine Modifikation des Materials strahl abwärts, d.h. z.B. im Endbereich der Fokuszone, bewirkt.
Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Laserbearbeitungsanlage 21 für die Materialbe arbeitung. Die Laserbearbeitungsanlage 21 weist ein Trägersystem 23 (als Teil einer Strahl ausrichtungseinheit) und eine Werkstücklagerungseinheit 25 auf. Das Trägersystem 23 über spannt die Werkstücklagerungseinheit 25 und trägt z.B. die Laserstrahl quelle, welche in Fig. 2 beispielsweise in einem oberen Querträger 23A des Trägersystems 23 integriert ist. Ferner kann das optische System 1B in X-Richtung verfahrbar am Querträger 23 A angebracht sein.
In alternativen Ausführungsformen kann beispielsweise ein Lasersystem als eigene externe Strahlquelle vorgesehen werden, dessen Laserstrahl 3 zum optischen System mittels Lichtleit fasern oder als Freistrahl geführt wird.
Die Werkstücklagerungseinheit 25 trägt ein sich in der X-Y-Ebene erstreckendes Werkstück. Das Werkstück ist das zu bearbeitende Material 9, beispielsweise eine Glasscheibe oder eine für die eingesetzte Laserwellenlänge weitgehend transparente Scheibe in keramischer oder kristalliner Ausführung wie beispielsweise Saphir oder Silizium. Die Werkstücklagerungsein heit 25 erlaubt ein Verfahren des Werkstücks in Y-Richtung relativ zum Trägersystem 23, so dass in Kombination mit der Verfahrbarkeit des optischen Systems 1B ein sich in der X-Y- Ebene erstreckender Bearbeitungsbereich zur Verfügung steht.
Gemäß Fig. 2 ist ferner eine Verschiebbarkeit in Z-Richtung z.B. des optischen Systems 1B oder des Querträgers 23 A vorgesehen, um den Abstand zum Werkstück einstellen zu können. Für einen in Z-Richtung verlaufenden Schnitt wird der Laserstrahl üblicherweise auch in Z- Richtung (d.h. normal) auf das Werkstück gerichtet (Fokuszonenachse 5A in Fig. 2). Weitere Bearbeitungsachsen, die in Fig. 2 beispielhaft durch eine Auslegeranordnung 27 und zusätzli che Rotationsachsen 29 angedeutet sind, erlauben es, den austretenden Laserstrahl und damit die Fokuszonenachse im Raum auszurichten. Eine zur X-Y-Ebene geneigte Fokuszonenachse 5B ist beispielhaft in Fig. 2 angedeutet.
Die Laserbearbeitungsanlage 21 weist ferner eine Steuerungseinheit 31 auf, die insbesondere eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametem durch einen Benutzer aufweist. Allge mein umfasst die Steuerungseinheit 31 Elemente zum Ansteuern von elektrischen, mechani schen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 21, beispielsweise durch An steuern entsprechender Betriebsparameter des Lasersystems wie z.B. Pumplaserleistung, und der Werkstückhalterung, elektrische Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung eines optischen Ele ments (beispielsweise zur Drehung der Fokuszonenachse).
Beispielhafte Laserstrahlparameter für z.B. Ultrakurzpulslasersysteme und der langgezogenen Fokuszone, die im Rahmen dieser Offenbarung eingesetzt werden können, sind:
Pulsenergie Ep: 1 pj bis 20 mJ (z.B. 20 pj bis 1000 pj),
Energie einer Pulsgruppe Eg: 1 pj 20 mJ
Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 pm > l > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
Pulsdauer (FWHM): 10 fs bis 50 ns (z.B. 200 fs bis 20 ns)
Einwirkdauer (abhängig von Vorschubgeschwindigkeit): kleiner 100 ns (z.B. 5 ps - 15 ns) Tastverhältnis (Einwirkdauer zur Repetitionszeit des Laserpul ses/der Pulsgruppe): kleiner gleich 5 %, z.B. kleiner gleich 1 %
Rohstrahldurchmesser D (1/e2) bei Eintritt in optisches System: z.B. im Bereich von 1 mm bis 25 mm
Länge des Strahlprofils (der Fokuszone) im Material: größer 20 pm
Maximale laterale Ausdehnung des Strahlprofils im Material, ggf. in der kurzen Richtung: kleiner 20 l
Aspektverhältnis: größer 20
Vorschub dv zwischen zwei benachbarten Modifikationen z.B. für trennende Anwendung:
100 nm < dv < 10 * laterale Ausdehnung in Vorschubrichtung
Vorschub während Einwirkdauer: z.B. kleiner 5 % der lateralen Ausdehnung in Vorschubrich tung
Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Laserpuls und die Einwirkdauer auf einen zeitli chen Bereich, in dem z.B. eine Gruppe von Laserpulsen zur Bildung einer einzigen Modifika tion an einem Ort mit dem Material wechselwirkt. Dabei ist die Einwirkdauer kurz hinsicht lich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit, so dass alle Laserpulse eine Gruppe zu ei ner Modifikation an einem Ort beitragen.
Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Bearbeitung von Materialdicken bis zu beispielsweise 5 mm und mehr (typisch 100 pm bis 1,1 mm) erlauben. Für weitere Details ei ner beispielhaften Laserbearbeitungsanlage wird auf die eingangs genannte WO 2016/079062 Al verwiesen.
Allgemein gilt für die Bearbeitung transparenter Werkstoffe mittels langgezogener Volumen absorption, dass, sobald eine Absorption stattfindet, diese Absorption selbst oder aber die re sultierende Änderung der Materialeigenschaft die Propagation von Laserstrahlung beeinflus sen kann. Deshalb ist es vorteilhaft, die zur Modifikation weiter strahlabwärts dienenden Strahlanteile unter einem Winkel zur Fokuszonenachse der Wechselwirkungszone zuzuführen. Ein Beispiel hierfür ist der (konventionelle) Quasi-Bessel-Strahl, bei dem eine ringförmige Fernfeldverteilung vorliegt, deren Ringbreite typischerweise klein im Vergleich zum Radius ist. Radiale Strahlanteile werden der Wechselwirkungszone/Fokuszonenachse dabei im We- sentlichen mit diesem Winkel rotationssymmetrisch zugeführt. Das gleiche gilt für den inver sen Quasi-Bessel-Strahl sowie für Modifikationen wie homogenisierte oder modulierte (in verse) Quasi-Bessel-Strahlen.
Fig. 3 verdeutlicht beispielhaft eine longitudinale Intensitätsverteilung 61, wie sie in der lang gezogenen Fokuszone 7 vorliegen kann. Die Intensitätsverteilung 61 wurde für eine inverse Quasi-Bessel-Strahlform berechnet. Aufgetragen ist eine normierte Intensität I in Z-Richtung. Es sei angemerkt, dass eine Ausbreitungsrichtung gemäß einem normalen Einfall (in Z-Rich- tung) auf das Material 9 nicht zwingend ist und, wie in Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert, alternativ unter einem Winkel zur Z-Richtung erfolgen kann.
Man erkennt in Fig. 3 einen zuerst langsamen Intensitätsanstieg 61 A über mehrere 100 Mikro meter (anfängliche Überlagerung der niedrigen (äußeren) Intensitäten des Gaußschen Einfalls strahls) bis zu einem Intensitätsmaximum, gefolgt von einem starken Intensitätsabfall 61B (Überlagerung der hohen (zentralen) Intensitäten des Gaußschen Einfallsstrahls). Für eine in verse Bessel-Strahlform ergibt sich in Ausbreitungsrichtung (Z-Richtung in Fig. 4) eine harte Grenze (festes Ende) der longitudinalen Intensitätsverteilung 61. Diese harte Grenze basiert darauf, dass das Ende der longitudinalen Intensitätsverteilung 61 auf die Beiträge des Strahl zentrums des einfallenden Laserstrahls zurückgeht. Für weitere Details zur inversen Bessel- Strahlform wird auf die eingangs genannte WO 2016/079062 Al verwiesen.
Fig. 4 zeigt einen beispielhaften X-Z-Schnitt 63 der Intensität in der Fokuszone 7 für die in Fig. 3 gezeigte longitudinale Intensitätsverteilung 61. Es wird angemerkt, dass die Graustufen darstellungen in der Fig. 4 auf einer Farbdarstellung basiert, so dass die Maximalwerte der In tensität/Amplitude im Zentrum der Fokuszone dunkel dargestellt wurden. Man erkennt die langgezogene Ausbildung der Fokuszone 7 über mehrere 100 Mikrometer bei einer transver salen Ausdehnung von einigen wenigen Mikrometer. Mit dem Schwellenwertverhalten der nichtlinearen Absorption kann ein derartiges Strahlprofil im Werkstück eine klar definierte langgezogene Modifikation bewirken, begleitet von einem räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material. Die langgezogene Form der Fokus zone 7 weist beispielsweise ein Aspektverhältnis, d.h. ein Verhältnis der Länge der Fokuszone zu einer innerhalb dieser Länge auftretenden maximalen Ausdehnung in der lateral kürzesten Richtung üblicherweise des zentralen Maximums, im Bereich von 10:1 bis 1000:1, z.B. 20:1 oder mehr, beispielsweise 50:1 bis 400:1 auf. Zusätzlich kann eine Intensitätsmodifizierung in Ausbreitungsrichtung (Z-Richtung) genutzt werden. Dabei kann beispielsweise ein longitudinales Flat-top-Intensitätsprofil 71 über eine frei wählbare Länge in Z-Richtung (in Fig. 4 bespielhaft ein Längenbereich von ca. 200 pm in Z-Richtung) erzeugt werden, wie es in Fig. 5 zusammen mit einem X-Z-Schnitt einer beispiel haften Intensitätsverteilung 73 in der Fokuszone 7 angedeutet ist.
Zur Homogenisierung der Intensität in Z-Richtung können diffraktive optische Elemente eine digitalisierte und z.B. pixelbasierte Phasenanpassung über ein einfallendes Eingangsintensi tätsprofil vornehmen. Ausgehend von dem Intensitätsverlaufs einer inversen Quasi-Bessel- Strahlform kann beispielsweise das in Fig. 5 gezeigte longitudinale Flat-Top-Intensitätsprofil 71 in der Fokuszone 7 erzeugt werden. Dazu können Intensitätsbeiträge im Ausgangsintensi tätsprofil aus dem das Intensitätsmaximum und den Ausläufern des Bessel-Strahls formenden Bereich herausgenommen und durch eine Phasenänderung derart radial umverteilt werden, dass bei der späteren Fokussierung ein Intensitätsanstieg 71 A und ein Intensitätsabfall 71B räumlich verkürzt werden (z.B. durch Schieben von Leistung aus den Ausläufern in den ho mogenisierten Bereich).
Im Bereich des Intensitätsanstieg 71 A zeigt Fig. 5 einen Anstieg von 20% auf 80% der Maxi malintensität in wenigen 10 pm. In Kombination mit nicht-linearer Absorption kann so im Material entlang der ersten Fokuszonenachse ein räumlich definierter Übergang von nicht-mo- difiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt werden.
Auch bei derartig modifizierten inversen Quasi-Bessel-Strahl-artigen Strahlformen ist das Ende der Modifikation in Strahlausbreitungsrichtung in seiner Lage im Wesentlichen statio när, da diese Lage durch die Strahlmitte des einfallenden Laserstrahls mit Energie versorgt wird.
Fig. 6 verdeutlicht eine longitudinale Intensitätsverteilung 81 in Z-Richtung eines (konventio nellen) Quasi-Bessel-Strahls. Nach einem von Anfang an starken Anstieg 81 A wird ein Inten sitätsmaximum erreicht, ab dem die Intensität wieder abfällt. Bei niedrigen Intensitäten setzt ein langsam auslaufender Abfall 81B (auslaufender Abfall geringer Steigung) ein. Man er kennt die prinzipielle Umkehrung der longitudinalen Intensitätsverteilungen 61 und 81 der Fig. 3, bei der die „harte Grenze“ am Ende durch einen „harten Anfang“ ersetzt wird. Für einen derartigen Quasi-Bessel-Strahl wird z.B. das Durchstrahlen eines Axicon mit einem Laserstrahl, der mit einem Gaußschen Strahl profil einfällt, zu sich entlang der Fokuszonen achse konstruktiv überlagernden (interferierenden) Strahlbereichen führen. Zuerst erfolgt eine Überlagerung (konstruktive Interferenz) der Intensitäten des Zentralbereichs des Gaußschen Strahlprofils, danach eine Überlagerung (konstruktive Interferenz) der niedrigen (äußeren) In tensitäten des Gaußschen Strahlprofils.
Fig. 6 zeigt ferner ähnlich zu Fig. 5 ein longitudinales Flat-top-Intensitätsprofil 91 in Z-Rich- tung eines modifizierten (konventionellen) Quasi-Bessel-Strahls, der in seiner Intensität ent lang der Fokuszone homogenisiert wurde. Fig. 6 zeigt dabei wiederum einen Abfall von 80% auf 20% der Maximalintensität in wenigen Mikrometern. In Kombination mit nicht-linearer Absorption kann so im Material entlang der ersten Fokuszonenachse ein räumlich definierter Übergang von modifiziertem Material zu nicht-modifiziertem Material erzeugt werden.
Für weitere Details zur Bessel-Strahlform, insbesondere der Strahlhomogenisierung wird auf die WO 2016/079275 Al der Anmelderin verwiesen.
In diesem Zusammenhang wird zusätzlich auf die in Fig. 11 erläuterten Möglichkeiten zur Einstellung von Anfang und/oder Ende einer langgezogenen Fokuszone eines quasi-Bessel- Strahls verwiesen.
Wie zuvor und in Zusammenhang mit Fig. 11 erläutert können somit gepulste Laserstrahlen erzeugt werden, die bei einem Einstrahlen in ein teilweise transparentes Material Fokuszonen ausbilden können, die entlang einer Fokuszonenachse langgezogen ausgebildet sind und an einem Anfang und/oder an einem Ende der Fokuszone (entlang der Fokuszonenachse) einen Intensitätsanstieg/-abfall ausbilden, der im Material entlang der Fokuszonenachse einen insbe sondere räumlich wohl definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifizier tem Material und umgekehrt erzeugt. Der Übergang kann sich entlang der Fokuszonenachse über eine Länge in einem Bereich zwischen 1 pm und 200 pm, typischerweise zwischen 10 pm und 30 pm, erstrecken
Zusätzlich oder alternativ können die gepulsten Laserstrahlen Fokuszonen durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung ausbilden, die unter einem Winkel zur Fokuszonenachse ver laufen. Eine Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Materials kann durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit derar tigen gepulsten Laserstrahlen (und langgezogenen Fokuszonen) in mehreren Schritten erfol gen, die nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren 7A bis 7C erfolgen. Wie ferner in Zusammenhang mit Fig. 10B erläutert wird, müssen nicht alle Abschnitte mit derartigen lang gezogenen Fokuszonen bewirkende Laserstrahlen erzeugt werden, sondern es können Ab schnitte auch mit lokalisierten beispielsweise Gaußschen Fokuszonen ausgebildet werden.
Als Beispiel wird eine Bearbeitung zur Trennung eines Materials in zwei Teile beschrieben, wobei eine einseitige Fase an einem der Teile zur Trennfläche vorgesehen werden soll. Dies erfolgt durch Einbringen einer senkrechten und einer dazu angestellten Modifikation.
Fig. 7A zeigt in einer schematischen Schnittansicht wie mit einem gepulsten Laserstrahl 103, der beispielhaft ein mit einer Axicon-Optik erzeugtes (inverses) Bessel-Strahlprofil aufweist, in einem Material 109 eine langgezogene (erste) Fokuszone 107 erzeugt werden kann. In Fig. 7A ist ferner das Bessel-Strahlprofil schematisch als ringförmige transversale Intensitätsver teilung (Intensitätsring) dargestellt, die in der X-Y-Ebene liegt. Eine Propagationsrichtung 111 des Laserstrahls 103 verläuft senkrecht zu einer Oberseite 109A des Materials 109 in Z-Rich- tung. Der Intensitätsring läuft, wie mit Pfeilen 110 angedeutet, im Material 109 unter einem Winkel a auf die Fokuszonenachse zu, sodass die verschiedenen radialen Zonen miteinander interferieren können. Entsprechend bildet sich durch konstruktive Interferenz der verschiede nen radialen Zonen die langgezogene Fokuszone 107 beispielsweise rotationssymmetrisch entlang einer Fokuszonenachse 113 im Material 109 aus.
Die Intensität der Laserstrahlung wird derart gewählt, dass durch Volumenabsorption eine Modifikation des Materials 109 in einem der dargestellten Fokuszone 107 entsprechenden Be reich stattfindet.
Die Position der Fokuszone 107 wird derart eingestellt, dass ein Anfang 107A der Fokuszone 107 im Inneren des Materials 109 liegt, sodass sich entlang der Fokuszonenachse 113 ein räumlich definierter Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material ergibt. Insbesondere kann das Bessel-Strahlprofil derart moduliert werden, dass sich ein schar fer Startpunkt (Anfang 107A) für die Modifizierung im Material 109 ergibt. Ein Ende 107B der Fokuszone 107 endet dabei beispielsweise an einer Unterseite 109B des Materials 109.
Wird die Fokuszone 107 beispielsweise entlang der Y-Richtung relativ zum Material 109 be wegt, findet ein Modifizieren eines ersten Abschnitts des Materials statt. Es ergeben sich für die Laserpulse des gepulsten Laserstrahls 103 nebeneinander angeordnete modifizierte Berei che (langgezogene Modifikationen) im Material 109. Die sich entsprechend flächig ergebende Modifizierung des Materials 109 dient bereits dem späteren Trennen, sie dient aber auch zur Abschirmung von Laserstrahlung in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt.
Der modifizierte Abschnitt bildet in diesem Sinne eine Abschirmfläche aus, die in der Y-Z- Ebene verläuft. Die Abschirmfläche ist im Material in Z-Richtung durch die räumlich defi nierten Übergänge begrenzt, sodass die räumlich definierten Übergänge eine durch das Mate rial 109 in Y-Richtung verlaufende Abschirmkante darstellen. Abschirmung bezieht sich hie rin auf ein Vorliegen von Modifikationen, die auf die Ausbreitung von Laserstrahlung wirken. Die Abschirmfläche ragt (zumindest teilweise) in einen optischen Strahlengang hinein, um die Ausbreitung von Laserstrahlung zu beeinflussen, insbesondere um eine Phasenbeziehung hin sichtlich einer andernfalls eintretenden Interferenz zu stören. In diesem Sinne kann die Ab schirmfläche hierin auch als Interferenzstörfläche bezeichnet werden.
Fig. 7B zeigt, wie in einem zweiten Bearbeitungsschritt eine zweite flächige Modifizierung unter einem Winkel ß bezüglich der ersten flächigen Modifizierung in das Material 109 einge bracht werden kann. Der Winkel ß entspricht einem gewünschten Fasenwinkel der zu erzie lenden Trennfläche.
In der Schnittansicht der Fig. 7B ist die erste flächige Modifizierung als Abschirmfläche 115 angedeutet. Fig. 7B zeigt ferner einen gepulsten Laserstrahl 103 mit einer ringförmigen In tensitätsverteilung, wobei der Laserstrahl 103 diesmal unter einem entsprechenden Winkel auf die Oberseite 109A des Materials 109 trifft. Eine entsprechende Propagationsrichtung 111 ‘ ist in Fig. 7B angedeutet. Durch konstruktive Interferenz von radialen Strahlbereichen wird eine langgezogene Fokus zone 107‘ entlang einer Fokuszonenachse 113‘ ausgebildet. Die Strahlparameter des Laser strahls 103 sind dabei derart gewählt, dass sich in Abwesenheit der Abschirmfläche 115 eine Fokuszone ergeben könnte, die über die Lage derselben hinausgehen würde. Mit anderen Worten könnte eine Modifikation mit dem gepulsten Laserstrahls 103 sich über die Position der Abschirmkante hinweg erstrecken, jedoch wird die Propagation der Laserstrahlung durch die bereits vorhandene Abschirmfläche 115 beeinflusst.
Beispielsweise kann der zweite gepulste Laserstrahl 103 (während des Bearbeitens des Mate rials 109) derart ausgerichtet werden, dass die zweite Fokuszone 107‘ für jeden Laserpuls in der Abschirmfläche 115 mündet und/oder die zweite Fokuszonenachse 113‘ durch die oder nahe der Ab schirmkante 121 verläuft.
Nach dem Kreuzungspunkt zwischen Fokuszonenachse 113 ‘ und Abschirmfläche 115 kommt es nicht mehr zu einer konstruktiven Interferenz. Die Fortsetzung der langgezogenen Fokus zone über die Abschirmfläche 115 wird somit unterbunden und die Ausbildung von einem entsprechenden modifizierten Bereich im Material 109 endet an der Abschirmfläche 115.
Die Ausbildung eines Bereichs 117 mit gestörter Interferenz ist in Fig. 7B gestrichelt ange deutet. In diesem Bereich 117 kann sich kein Bessel-Strahl -Fokus mehr ausbilden.
In Fig. 7C wird die Unterdrückung der Interferenz mithilfe von Schnittansichten in der X-Z- Ebene bzw. in der Y-Z-Ebene beispielhaft für das zweidimensionale Strahlprofil der Fig. 5 dargestellt. Ab der Abschirmfläche 115 können Bereiche erhöhter Intensität nicht mehr durch konstruktive Interferenz erzeugt werden, da die Phasenbeziehung zwischen verschiedenen Be reichen des Bessel-Strahlprofils gestört wurde.
Wie in der X-Z-Schnittansicht der Fig. 7C gezeigt wird, ergibt sich eine entsprechend vorzei tig beendete Intensitätsverteilung 73 ‘ in der Fokuszone. Die in Fig. 7C ferner gezeigte Schnittansicht in der Y-Z-Ebene verläuft durch die Abschirmfläche 115. Schematisch sind mehrere Modifikationen 119 dargestellt, die durch z.B. einzelne Laserpulse erzeugt wurden. Jede der Modifikationen 119 erstreckt sich von der Unterseite 109B des Materials 109 bis zu einem räumlich definierten Übergang zu nicht-modifiziertem Material. Diese Übergänge be stimmen den Verlauf einer Abschirmkante 121. In der der Fig. 7C zugrunde liegenden Justage der Laserstrahlen verläuft die Fokuszonenachse 113‘ des zweiten Laserstrahls im Bereich der Abschirmkante 121.
Wird das Material 109 mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl 103 bearbeitet, in dem die zweite Fokuszone 107‘ relativ zum Material 109 in Y-Richtung bewegt wird, ergibt sich ein zweiter modifizierter Abschnitt des Materials 109 mit modifizierten Bereichen. Der zweite Abschnitt bildet somit eine Anschlussfläche, die in die Abschirmfläche 115 übergeht.
Gemäß den hierin vorgestellten Konzepten verläuft dabei die zweite Fokuszonenachse 113 ‘ jeweils nahe der Abschirmkante 121 oder durch die Abschirmkante 121 (insbesondere in ei nem räumlichen Bereich, der sich um die Abschirmkante 121 erstreckt). Mit anderen Worten kann während des Bearbeitens des Materials 109 mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl je weils die zweite Fokuszonenachse zur Abschirmfläche 115 derart ausgerichtet werden, dass nur ein Teil 123A des zweiten gepulsten Laserstrahls 103 auf die Abschirmfläche 115 trifft, sodass die konstruktive Interferenz der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls 103 der auf die Abschirmfläche 115 trifft, mit einem Teil 123B der Laserstrahlung des zwei ten gepulsten Laserstrahls 103 der nicht auf die Abschirmfläche 115 trifft, gestört und insbe sondere unterdrückt wird. Im Ergebnis bildet der zweite gepulste Laserstrahl 103 modifizier tes Material nur bis zur Abschirmfläche 115 aus und der zweite Abschnitt mündet in den ers ten Abschnitt.
Fig. 7D zeigt im Schnitt den Verlauf der resultierenden (Gesamt-) Modifikationsfläche 125 aus zwei Abschnitten 125A und 125B. Modifikationen im als zweites erzeugten Abschnitt 125B stoppen an einem Kreuzungspunkt 127 mit dem zuerst erzeugten Abschnitt 125B, wodurch bei der Trennung des Materials 109 in zwei Teile eine Rissausbreitung über den Kreuzungspunkt 127/die Abschirmfläche hinaus verhindert werden kann.
Fig. 7E zeigt beispielhaft ein Werkstück 129 mit einer Bauteilgeometrie, wie sie sich durch eine Trennung entlang der Modifikationsfläche 125 ergibt. Das Werkstück weist eine Seiten fläche 129A (gebildet durch den ersten Abschnitt 125A; beispielhafte Verläufe der länglichen Modifikationen 119 des ersten Abschnitts 125A sind gestrichelt angedeutet) und eine an die Seitenfläche 129A angrenzende Fasenfläche 129B (gebildet durch den zweiten Abschnitt 125B; beispielhafte Verläufe der länglichen Modifikationen 119‘ des zweiten Abschnitts 125B sind strich-punktiert angedeutet) auf. Es wird daraufhingewiesen, dass die Modifikatio nen 119 und die Modifikationen 119‘ aufeinanderfolgend erzeugter Abschnitte nicht ineinan der übergehen müssen, sondern auch zueinander versetzt eingestrahlt werden können.
Im Unterschied zum Werkstück 129 zeigt Fig. 8 eine schematische Schnittansicht eines bei spielhaften Werkstücks 131, bei dem die Fokuszonen nicht erfindungsgemäß aufeinander ab gestimmt und eingestrahlt wurden. Bei dem Werkstück 131 weist der Übergang von einer Sei tenfläche 131A zu einer angrenzenden Fasenfläche 131B vorstehendes Restmaterial 133 auf, das nachträglich zu entfernen ist.
Die Figuren 9, 10A und 10B zeigen weitere Beispiele für den Verlauf von Modifikationen, die durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten des Materials mit gepulsten Laserstrahlen erzeugt werden können.
In Fig. 9 werden zwei Bearbeitungsschritte vorgenommen. Im ersten Schritt wird ein erster gepulster Laserstrahl derart auf das Material 109 eingestrahlt, dass die (erste) Fokuszone von der Oberseite 109A des Materials 109 in Z-Richtung in das Material 109 hineinragt. Die In tensitätsverteilung entlang der Fokuszonenachse wird dabei beispielsweise gemäß dem lon gitudinales Flat-top-Intensitätsprofil 91, wie es in Fig. 6 gezeigt wird, ausgebildet. Entspre chend bildet sich am Ende der Fokuszone ein schneller Abfall in der Intensität aus, sodass am Ende der Fokuszone ein räumlich definierter Übergang von modifiziertem Material zu nicht- modifiziertem Material erzeugt wird. Alternativ wird auf die Fig. 11 zur Erzeugung einer vor bestimmten Eindringtiefe der (ersten) Fokuszone verwiesen.
Im zweiten Schritt erfolgt ein Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls, wie es auch in Zusam menhang mit Fig. 7B erläutert wurde. Im Unterschied zu dem in Zusammenhang mit Fig. 7C erläuterten Ab schirm effekt wirkt der erzeugte Abschnitt 135 A auf den Oberseiten-nahen Teil der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls. Die Abschirmung hat wiederum den (gleichen) Effekt, dass sich die einzelnen Modifikationen (und damit der Abschnitt 135B) nicht über die Abschirmfläche hinaus ausbilden. Im Ergebnis formen die Abschnitte 135 A und 135B eine keilförmige Einkerbung auf der Oberseite 109A des Materials 109 (als Beispiel einer Aussparung im Material 109) entlang ei ner (Gesamt-) Modifikationsfläche 135, nachdem von der Modifikationsfläche 135 abgegrenz tes Restmaterial 137 aus dem Material 109 gelöst wurde.
Fig. 10A verdeutlicht eine Lasermaterialbearbeitung mit einer Sequenz von drei Bearbeitungs schritten. Zur Erzeugung der ersten beiden Abschnitte 139A und 139B wird auf die Beschrei bung der Figuren 7A bis 7C verwiesen. Hinsichtlich des Abschnitts 139B wird jedoch eine Fokuszone eingesetzt, deren Anfang im Inneren des Materials 109 liegt und die nicht durch die Oberseite 109A in das Material eindringt. Zur Erzeugung eines räumlich definierten Über gangs von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material im Abschnitt 139B kann beispielsweise wieder eine homogenisierte Intensitätsverteilung, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben wurde, verwendet werden.
Um den Anfang des Abschnitts 139B mit der Oberseite 109A des Materials 109 zu verbinden, wurde beispielhaft in Z-Richtung ein dritter gepulster Laserstrahl eingestrahlt, wobei nun der zweite modifizierte Abschnitt als Ab schirmfläche wirken kann, wenn die Fokuszonenachse des dritten Laserstrahls entsprechend auf die zugeordnete Abschirmkante ausgerichtet wird.
Durch Verschieben der Fokuszone des dritten gepulsten Laserstrahls in Y-Richtung ergibt sich ein dritter in Z-Richtung verlaufender Abschnitt 139C. Die Abschnitte 139A-139C bilden eine (Gesamt-) Modifikationsfläche 139, deren Verlauf die Trennkonturfläche bestimmt.
Nach erfolgter Trennung entlang der (Gesamt-) Modifikationsfläche 139 ergibt sich eine Sei tenfläche eines Werkstücks mit einer abgeschrägten Stufe.
Fig. 10B verdeutlicht eine Lasermaterialbearbeitung mit einer Sequenz von drei Bearbeitungs schritten. Zur Erzeugung eines zuerst und eines zuletzt eingebrachten Abschnittes 141 A und 141C von Modifikationen wird auf die Beschreibung der Fig. 10A und die Abschnitte 139A und 139C verwiesen.
Nach Einbringen des Abschnitts 141 A mit einem Laserstrahl mit einem Bessel-Strahlprofil (Bessel-Laserstrahl) wird für einen (Übergangs-) Abschnitt 141B ein Gauß-Strahl mit einer entsprechend lokalisierten Gauß- Strahlfokuszone eingesetzt. Ist die Intensität des Laserstrahls hoch genug, werden Modifikationen 143 im Wesentlichen mit der Geometrie der Gauß-Strahl- Fokuszone in das Material 109 eingebracht. Fig. 10B zeigt eine Aufreihung von Modifikatio nen 143 in X-Richtung.
Im Material 109 werden entsprechende Modifikationen auch in Y-Richtung erzeugt. Im Un terschied zur Verwendung einer Bessel-Strahlfokuszone ist für die Ausbildung der Abschirm fläche 115 mit einer Gauß-Fokuszone eine mindestens zweidimensionale Scanbewegung des Gauß-Laserstrahls notwendig. Die Gauß-Fokuszone ist im Vergleich zur sich bereits zweidi mensional länglich erstreckenden Bessel-Strahlfokuszone lokalisiert und bewirkt quasi-punkt förmig eine Modifikation der Materialstruktur.
Im Ergebnis bilden die Modifikationen 143 ein Raster 145 aus, das in Fig. 10B beispielhaft in einer Ebene liegt und den Abschnitt 141B bildet. Die Ebene des Rasters 145 kann z.B. parallel oder unter einem kleinen Winkel zur Oberfläche 109A des Materials 109 verlaufen. Dies wäre z.B. für den mit Bessel-Strahlfokuszonen ausgebildeten Abschnitt 139B der Fig. 10A nicht möglich. Da das Raster 145 durch „punktförmige“ Gauß-Strahlfokuszonen gebildet wird, kann der räumlicher Verlauf des Rasters 145 frei eingestellt werden, wobei bevorzugt die vo rausgehend erzeugten Fokuszonen den Laserstrahl nicht bei der Fokusausbildung beeinflus sen. Beispielsweise kann das Raster 145 eine gekrümmte oder mehrfach geschwungene Ebene ausbilden.
Im Beispiel der Fig. 10B liegt ein erster Rand 145A des Rasters 145 im Anfangsbereich der im Abschnitt 141A liegenden Modifikationen. Das Raster 145 erstreckt sich ferner streifenför mig in der X-Y-Ebene entlang des Abschnitts 141 A und definiert so im Beispiel der Fig. 10B die Tiefe einer Stufe.
Um das Raster 145 mit der Oberseite 109A des Materials 109 zu verbinden, wird beispielhaft wie in Fig. 10A in Z-Richtung ein gepulster Bessel -Laserstrahl eingestrahlt. Dieser bildet nun Modifikationen aus, wobei nun der zweite modifizierte Abschnitt 141B, d.h. das Raster 145 von Modifikationen 143, als Abschirmfläche wirkt, wenn die Fokuszonenachse des Bessel- Laserstrahls entsprechend auf einen zweiten Rand 145B des Rasters 145 ausgerichtet wird.
Durch Verschieben der Fokuszone des Bessel-Laserstrahls in Y-Richtung ergibt sich wie in Fig. 10A der dritte in Z-Richtung verlaufender Abschnitt 141C. Die Abschnitte 141 A-141C bilden die (Gesamt-) Modifikationsfläche 141, deren Verlauf eine stufenförmige Trennkon- turfläche bestimmt. Die Trennebenen des dritten Abschnitts 141C ragt aufgrund der Unterdrü ckung der für die Ausbilder der Bessel-Strahlfokuszone notwendige Interferenz durch das Raster 145 nicht über die durch das Raster 145 gebildete Trennebene des zweiten Abschnitts 141B hinaus.
Nach erfolgter Trennung entlang der (Gesamt-) Modifikationsfläche 141 ergibt sich eine Sei tenfläche eines Werkstücks mit einer 90°-Stufe.
Nachfolgend wird in Zusammenhang mit Fig. 11 die Flexibilität bei der Erzeugung einer Bes sel-Strahlfokuszone mit einem Bessel-Strahl erläutert. Eine Bessel-Strahlfokuszone erstreckt sich entlang einer Fokuszonenachse (beispielhaft in Fig. 11 die Z-Achse durch die Axicon- Achse) mit einem im Wesentlichen gleichbleibenden Intensitätsprofil (siehe Fig. 6).
Bezugnehmend auf den oberen Teil der Fig. 11 kann eine Bessel-Strahlfokuszone mit einem Axicon 151 oder einem den Phasenverlauf eines Axicon erzeugenden räumlichen Lichtmodu lator erzeugt werden. In Fig. 11 trifft ein einfallender Laserstrahl 153, der ein Gauß-förmiges Strahlprofil 153A (Gauß-Laserstrahl) aufweist, auf das Axicon 151.
Aufgrund des in radialer Richtung variierenden Phasenbeitrags des Axicon 151 läuft strahlab- wärts des Axicon 151 Laserstrahlung auf die Strahlachse zu, sodass es entlang der Fokuszo nenachse zur Interferenz der radial einlaufenden Laserstrahlung kommen kann. Es interferie ren also Bereiche mit unterschiedlichen radialen Abständen von der Fokuszonenachse nach und nach entlang der Fokuszonenachse.
Bezugnehmend auf den unteren Teil der Fig. 11 werden in drei Reihen beispielhafte Intensi tätsverläufe entlang der Fokuszonenachse gezeigt. Dabei wird zusätzlich zur Phasenaufprä- gung mit einem Axicon eine Ringblende eingesetzt, um radiale Bereiche des einfallenden La serstrahls 153 zu beeinflussen.
Hierzu sind in Fig. 11 zwei Typen von Ringblenden verdeutlicht. Die linke Seite der Fig. 11 betrifft den Einsatz einer Amplitudenblende 155 und die rechte Seite der Fig. 11 den Einsatz einer Phasenblende 157. Die Position dieser Ringblenden 155, 157 ist im oberen Teil der Fig. 11 beispielhaft auf der Einfallsseite des Axicon 151 (allgemein in der Ebene des Axicon/der Phasenaufprägung) angedeutet.
In der ersten Reihe erkennt man eine unbeeinflusste Intensitätsverteilung 159. Diese wird nur mit dem Axicon 151 erzeugt; d. h., es liegt keine Amplituden- oder Phasen-Beeinflussung des einfallenden Laserstrahls vor. Entsprechend sind die Blenden 155, 157 nur als Aperturen dar gestellt.
Werden nun radiale Bereiche des einfallenden Laserstrahls 153 geblockt (Amplituden-Blende 155) oder in der Phase beeinflusst (Phasen-Blende 157), ändert sich die Intensitätsverteilung entlang der Fokuszonenachse. Hierzu können die Blenden in einem inneren Bereich 161 und einem äußeren Bereich 163 aktiv sein.
Beispielsweise kann eine Modifikation im Volumen eines Materials sehr abrupt beendet wer den, wenn man den das Axicon 151 beleuchtenden Laserstrahlen 153 in der Ebene des Axicon 151 ab einem Radius RI blockiert. In der zweiten Reihe wird dies durch einen schwarzen Ring 163A im äußeren Bereich der Amplituden-Blende 155 verdeutlicht. Wird dieser äußere Strahlbereich geblockt, endet die Bessel-Strahlfokuszone in einer zugehörigen longitudinalen Ebene LI (siehe Intensitätsprofil 159A), da ab hier keine Laserstrahlung mehr auf die Fokus zonenachse eintrifft, die konstruktiv interferieren könnte. Somit endet in der longitudinalen Ebene LI auch die mit dem Laserstrahl 153 erzeugte Modifikation.
Die gleiche axiale Begrenzung der Modifikation kann bewirkt werden, wenn anstelle der Amplituden-Blende 155 die leistungstaugliche Phasen-Blende 157 verwendet wird, die ab dem Radius RI einen zusätzlichen variierenden Phasenbeitrag auf den ringförmigen Strahlbe reich legt. Dies ist im oberen Bereich der Fig. 11 durch Streustrahlung 165 verdeutlicht, die im radial äußeren Bereich durch die Phasen-Blende 157 erzeugt wird. In der zweiten Reihe im unteren Bereich der Fig. 11 wird dies durch ein Schachbrettmuster-Ring 163B angedeutet, das variierende Phasen-B ei träge darstellen soll.
Mithilfe einer Blende im inneren Bereich 161 kann ähnlich eine Modifikation im Volumen ei nes Materials sehr abrupt begonnen werden, wenn beispielsweise der das Axicon 151 beleuch tende Laserstrahl 153 in der Ebene des Axicon 151 bis zu einem Radius R2 blockiert wird. In der dritten Reihe wird dies durch eine zusätzliche zentrale schwarze Zone 161 A im inneren Bereich der Amplituden-Blende 155 verdeutlicht. Wird dort der innere Strahlbereich geblockt, beginnt die Bessel-Strahlfokuszone an einer zugehörigen longitudinalen Ebene L2 (siehe In tensitätsprofil 159B), da erst ab hier Laserstrahlung auf die Fokuszonenachse eintrifft und konstruktiv interferieren kann. Somit beginnt in der longitudinalen Ebene L2 auch erst dort die mit dem Laserstrahl 153 erzeugte Modifikation.
Der gleiche schlagartige Beginn der Modifikation kann bewirkt werden, wenn anstelle der Amplituden-Blende 155 eine leistungstaugliche Phasen-Blende 157 verwendet wird, die bis zu dem Radius RI einen zusätzlichen variierenden Phasenbeitrag auf den zentralen Strahlbereich legt. Auch dies ist im oberen Bereich der Fig. 11 durch Streustrahlung 165 im Inneren Bereich 161 verdeutlicht. In der dritten Reihe im unteren Bereich der Fig. 11 wird dies durch ein Schachbrettmuster-Bereich 161B angedeutet, der variierende Phasenbeiträge darstellen soll.
Der Fachmann wird anerkennen, dass der schlagartige Beginn eine Modifikation auch ohne das abrupte Ende umgesetzt werden kann. Des Weiteren könnte man die Axicon-Ebene mit einer transversalen Flat-Top- Verteilung beleuchten, um auf diese Weise das radiale Ausmaß der Beleuchtung festzulegen.
Mit anderen Worten können die Modifikationen ausgehend von einer ersten Fokuszone 107 und/oder einer zweiten Fokuszone 107‘ in ihrer axialen Ausdehnung am Anfang und/oder am Ende durch eine Phasenmodulation eines einfallenden Laserstrahls 153 bestimmt werden, wo bei die Phasenmodulation zur Ausbildung einer Bessel-Strahlfokuszone ausgebildet ist ist und insbesondere einen in radialer Richtung variierenden Axicon-Phasenbeitrag auf den einfallen den Laserstrahl 153 aufprägt und wobei die Phasenmodulation auf einen radialen Bereich be schränkt ist. Optional kann der einfallende Laserstrahl 153 zur Beschränkung auf den radialen Bereich in einem radial innen liegenden Bereich 161 und/oder in einem radial außen liegenden Bereich 163 mit einer Strahlblende wechselwirken, insbesondere mit einer Amplituden- Blende geblockt und/oder mit einer Phasen-Blende gestreut wird. Alternativ oder ergänzend kann der einfallende Laserstrahl 153 nur im radialen Bereich ausgebildet sein.
Ergänzend wird vorgeschlagen, dass die in Fig. 11 gezeigten und in Ausbreitungsrichtung am Anfang und/oder am Ende begrenzten Fokuszonen ebenfalls eingesetzt werden, um räumlich in axialer Richtung begrenzte Modifikationen zu bewirken und derartige begrenzte Modifika- tionen gegebenenfalls in aneinander angrenzenden Ebenen/Flächen vorzusehen, um eine Mo difikationsfläche mit komplexen Verlauf im Materialinneren zu erzeugen. Auf diese Weise können beispielsweise Modifikationen ähnlich den Modifikationen, wie sie in den Figuren 7A bis 10B schematisch und beispielhaft verdeutlicht wurden, erzeugt werden.
Somit stellen die in Zusammenhang mit Fig. 11 beschriebenen Bessel-Strahlfokuszone mit Anfangs- /endebenen L1/L2 einen Ansatz dar, der als Alternative zur Begrenzung des Endes durch Interferenz gemäß dem hierin vorausgehend beschriebenen Konzept oder in Kombina tion mit demselben eingesetzt werden kann, um Modifikationen/Modifikationsflächen in ei nem Werkstück zu erzeugen.
Es wird ergänzt, dass zur räumlich gut ausgeprägten Definition einer Abschirmkante es bei spielsweise angestrebt werden kann, dass die Intensität in der Bessel-Strahlfokuszone von grö ßer 90 % auf kleiner 10 % über beispielsweise eine Länge im Bereich von 5 pm bis 50 gm ab fällt bzw. ansteigt. Der Abfall/Anstieg kann ferner beispielsweise über eine Länge im Bereich von fünf Strahldurchmessem erfolgen.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der bean spruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise transparenten Mate rials (109) durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Abschnitten (125 A, 125B) des Materials (9) mit gepulsten Laserstrahlen, mit den Schritten:
Erzeugen eines ersten gepulsten Laserstrahls (103), der bei einem Einstrahlen in das Material (190) eine erste Fokuszone (107) ausbildet,
Bearbeiten des Materials (109) mit dem ersten gepulsten Laserstrahl (103) zum Erzeu gen von ersten Modifikationen (119, 143), wobei die erste Fokuszone (107) relativ zum Mate rial (109) zum Modifizieren eines ersten Abschnitts (125A) des Materials (109) bewegt wird, sodass die ersten Modifikationen (119, 143) eine Abschirmfläche (115) ausbilden,
Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls (103‘), der bei einem Einstrahlen in das Material (109) eine zweite Fokuszone (107‘) ausbildet, die entlang einer zweiten Fokuszonen achse (113‘) langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrah lung gebildet wird, die unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse (113‘) zuläuft, und
Bearbeiten des Materials (109) mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl (103‘), indem die zweite Fokuszone (107‘) relativ zum Material (109) zum Erzeugen von zweiten Modifika tionen (119‘) in einem zweiten Abschnitt (125B) des Materials (109) bewegt wird, wobei min destens ein Teil der unter einem Winkel auf die zweite Fokuszonenachse (113‘) zulaufende Laserstrahlung auf die Abschirmfläche (115) trifft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Bearbeitens des Materials (109) mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl (103‘) jeweils die zweite Fokuszonenachse (107) zur Ab schirmfläche (115) derart ausgerichtet wird, dass die konstruktive Interferenz der Laserstrah lung des zweiten gepulsten Laserstrahls hinter der Abschirmfläche (115) gestört, insbesondere unterdrückt, wird, so dass der zweite gepulste Laserstrahl (103‘) die zweite Modifikation
(119‘) nur bis zur Abschirmfläche (115) ausbildet, wobei optional nur ein Teil des zweiten ge pulsten Laserstrahls (103‘) auf die Abschirmfläche (115) trifft, sodass die konstruktive Inter ferenz der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls, der auf die Abschirmfläche (115) trifft, mit einem Teil der Laserstrahlung des zweiten gepulsten Laserstrahls (103‘), der nicht auf die Abschirmfläche (115) trifft, gestört, insbesondere unterdrückt, wird, so dass der zweite gepulste Laserstrahl (103‘) die zweite Modifikation (119‘) nur bis zur Abschirmfläche (115) ausbildet und der zweite Abschnitt (125B) in den ersten Abschnitt (125 A) mündet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Fokuszonenachse (113‘) die Ab schirmfläche (115) tangiert oder durch die Abschirmfläche (115) verläuft.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (125A) und der zweite Abschnitt (125B) unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 90°, vor zugsweise in einem Bereich von 0° bis 30°, zueinander verlaufen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Fokuszone (107) entlang einer ersten Fokuszonenachse (113) langgezogen ausgebildet ist und an einem Anfang (107A) und/oder an einem Ende (107B) der ersten Fo kuszone (107) einen Intensitätsanstieg ausbildet, der im Material (109) entlang der ersten Fo kuszonenachse (113) einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, die Abschirmfläche (115) im Material (109) durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt wird, wobei die räumlich definierten Übergänge eine durch das Material (109) ver laufende Abschirmkante (121) darstellen, und die zweite Fokuszone (107) derart relativ zum Material (109) bewegt wird, dass die zweite Fokuszonenachse (113‘) nahe der Abschirmkante (121) oder durch die Abschirmkante (121) oder in einem räumlichen Bereich, der sich um die Abschirmkante (121) erstreckt, oder durch die Abschirmfläche (115) verläuft.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite gepulste Laserstrahl (103‘) während des Bearbeitens des Materials (109) mit dem zweiten gepulsten Laserstrahl (103‘) derart ausge richtet wird, dass die zweite Fokuszone (107‘) jeweils in der Abschirmfläche (115) mündet und/oder die zweite Fokuszonenachse (113‘) durch die Abschirmkante (121) verläuft.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Übergang von nicht-modifi ziertem Material zu modifiziertem Material in der ersten Fokuszone (107) derart räumlich be grenzt ist, dass der Übergang sich entlang der Fokuszonenachse (113) über eine Länge in ei nem Bereich zwischen 1 pm und 200 pm, typischerweise zwischen 5 pm und 50 pm oder zwischen 10 pm und 30 pm erstreckt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der erste gepulste Laserstrahl (103) und/oder der zweite gepulste Laserstrahl (103‘) derart erzeugt werden, dass die erste Fokuszone (107) und/oder die zweite Fokuszon (107‘) ein Aspektver hältnis aufweist, das mindestens 10:1 ist und/oder dass die erste Fokuszone (107) und/oder die zweite Fokuszone (107‘) eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der eine Modifikation bewirkenden Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger und/oder dass die erste Fokuszone (107) und/oder die zweite Fokuszone (107‘) in ihrer axialen Ausdehnung am Anfang und/oder am Ende durch eine Phasenmodulation eines einfallenden Laserstrahls (153) bestimmt wird, wobei die Phasenmodulation zur Ausbildung einer Bessel- Strahlfokuszone ausgebildet ist und insbesondere einen in radialer Richtung variierenden Axi- con-Phasenbeitrag auf den einfallenden Laserstrahl (153) aufprägt und wobei die Phasenmo dulation auf einen radialen Bereich beschränkt ist, wobei optional der einfallende Laserstrahl (153) zur Beschränkung auf den radialen Bereich in einem radial innen liegenden Bereich (161) und/oder in einem radial außen liegenden Bereich (163) mit einer Strahlblende wechsel wirkt, insbesondere mit einer Amplituden-Blende geblockt oder mit einer Phasen-Blende ge streut wird, oder wobei optional der einfallende Laserstrahl (153) nur im radialen Bereich aus gebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Fokuszone (107) mit einem Gauß-Laserstrahl ausgebildet wird, sodass die ersten Modifikationen (143) in ihrer Geometrie einer Gauß-Fokuszone entsprechen, im Material (109) die ersten Modifikationen (143) in einem Raster (145) angeordnet werden und das Raster (145) die Abschirmfläche (115) ausbildet und die zweite Fokuszone (107) derart relativ zum Material (109) bewegt wird, dass die zweite Fokuszonenachse (113‘) durch die Abschirmfläche (115) oder in einem räumlichen Be reich, der sich um die Abschirmfläche (115) erstreckt, oder in einem Randbereich der Ab schirmfläche (115) verläuft.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite gepulste La serstrahl (103‘) bei einem Einstrahlen in das Material (109) an einem Anfang der zweiten Fo kuszone (107‘) einen Intensitätsanstieg ausbildet, der im Material (109) entlang der zweiten Fokuszonenachse (113‘) einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Mate rial zu modifiziertem Material erzeugt, sodass Materialbereiche, die durch Laserpulse des zweiten gepulsten Laserstrahls (103‘) modifiziert wurden, eine weitere Abschirmfläche aus bilden, die im Material durch die räumlich definierten Übergänge begrenzt wird, wobei die räumlich definierten Übergänge eine durch das Material (109) verlaufende weitere Abschirm kante darstellen, ferner mit:
Erzeugen eines dritten gepulsten Laserstrahls, der bei einem Einstrahlen in das Mate rial (109) eine dritte Fokuszone ausbildet, die entlang einer dritten Fokuszonenachse langge zogen ausgebildet ist und durch konstruktive Interferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel zur zweiten Fokuszonenachse verläuft, und
Bearbeiten des Materials (109) mit dem dritten gepulsten Laserstrahl, indem die dritte Fokuszone relativ zum Material (109) zum Modifizieren eines dritten Abschnitts (139C) des Materials (109) derart bewegt wird, dass die dritte Fokuszonenachse nahe der weiteren Ab schirmkante oder durch die weitere Abschirmkante verläuft.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (125A) und der zweite Anschnitt (125B) zumindest teilweise eine Trennkonturfläche im Ma terial (109) ausbilden, ferner mit:
Trennen des Materials (109) entlang der Trennkonturfläche, wobei insbesondere der erste Abschnitt (125A) oder der zweite Abschnitt (125B) zur Ausbildung einer langen Fase oder einer Mikrofase führen und/oder wobei der erste Abschnitt (125A) und der zweite Ab schnitt (125B) zur Ausbildung einer Aussparung im Material (109) führen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der zweite Abschnitt (125B) eine Anschlussfläche definiert, die in die Abschirmfläche (115) übergeht, sodass sich nach erfolgter Trennung des Materials in zwei Teile bei einem der Teile eine Kante entlang der räumlich definierten Über gänge ausbildet.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite gepulste La serstrahl (103‘) und optional der erste gepulste Laserstrahl (103) ein Quasi-Bessel-Strahl-arti- ges Strahlprofil aufweist, bei dem insbesondere nur ein Zentralbereich der einfallenden Laser strahlung Beiträge zu einem strahl aufwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone lie fert, und/oder wobei der zweite gepulste Laserstrahl (103‘) und optional der erste gepulste Laser strahl (103) ein inverses Quasi -Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil aufweist, bei dem insbeson dere nur ein Zentralbereich der einfallenden Laserstrahlung Beiträge zu einem strahlabwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone liefert.
14. Laserbearbeitungsanlage (1, 21) für die Bearbeitung eines zumindest teilweise transpa renten Materials (109) durch sequentielles Modifizieren von aneinander angrenzenden Ab schnitten des Materials (109) mit gepulsten Laserstrahlen, mit: einer Laserstrahl quelle (1 A) zum Erzeugen eines ersten gepulsten Laserstrahls (103), der bei einem Einstrahlen in das Material (109) eine erste Fokuszone (107) ausbildet, die opti onal als Gauß-Fokuszone oder entlang einer ersten Fokuszonenachse (113) langgezogene Fo kuszone ausgebildet ist und an einem Anfang und/oder an einem Ende der ersten Fokuszone (107) einen Intensitätsanstieg ausbildet, der im Material entlang der ersten Fokuszonenachse (113) einen räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Material zu modifiziertem Material erzeugt, und zum Erzeugen eines zweiten gepulsten Laserstrahls (103‘), der bei ei nem Einstrahlen in das Material (109) eine zweite Fokuszone (107‘ ) ausbildet, die entlang ei ner zweiten Fokuszonenachse (113‘) langgezogen ausgebildet ist und durch konstruktive In terferenz von Laserstrahlung gebildet wird, die unter einem Winkel zur zweiten Fokuszonen achse (113‘) verläuft, einer Werkstücklagerungseinheit (25) zur Lagerung des Materials (9) als Werkstück, und einer Steuerungseinheit (31) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorher gehenden Ansprüche, wobei die Laserbearbeitungsanlage (1, 21) zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen dem Material (109) und den Fokuszonen (107, 107‘) des ersten gepulsten Laser strahls (103) und des zweiten gepulsten Laserstrahls (103‘) sowie für eine Ausrichtung des zweiten gepulsten Laserstrahls (103‘) hinsichtlich einer mit dem ersten gepulsten Laserstrahl erzeugten Abschirmfläche (115) ausgebildet ist.
15. Laserbearbeitungsanlage (1, 21) nach Anspruch 14, wobei die Steuerungseinheit (31) zur Einstellung einer Position der Fokuszone, insbesondere einer Position eines Endes der langgezogenen Fokuszone, bezüglich der Werkstücklagerungseinheit (25) und/oder zur Ein stellung eines Parameters des Laserstrahls ausgebildet ist.
16. Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Laserstrahlquelle (1A) ferner dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung zu erzeugen, die das Material (109) durch nichtli neare Absorption modifiziert.
17. Laserbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Laserbearbei tungsanlage (1, 21) ferner ein optisches System (1B) mit einem Strahlformungselement (11) umfasst, wobei das Strahlformungselement (11) zur Aufprägung eines transversalen Phasen verlaufs auf einfallende Laserstrahlung ausgebildet ist, und wobei optional das optische System (1B) ausgebildet ist zur Erzeugung einer langgezogenen Fokuszone (107, 107‘) mit einem Aspektverhält nis von mindestens 10:1 und/oder mit einer maximalen Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitätsverteilung über die Fokuszone im Bereich von 50 % und weniger und/oder zur Ausbildung einer langgezogene Fokuszone (107, 107‘), bei der nur ein Zentralbe reich des Laserstrahls Beiträge zu einem strahl aufwärts oder strahlabwärts liegenden Ende der langgezogenen Fokuszone (107, 107‘) beiträgt.
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